CN109301496A - 大规模阵列天线及其天线模块和天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天线单元，包括：辐射单元、一体成型的非金属基体及金属反射板，所述非金属基体包括基体底板和隔板，所述辐射单元和所述隔板分别设于所述基体底板的顶部，所述基体底板的顶面设有第一金属层，所述第一金属层至少部分用于形成馈电网络电路层，所述隔板的至少一个侧面设有使所述隔板能作为辐射边界的第二金属层，所述金属反射板设于所述基体底板的底面。该天线单元在实现轻量化高度集成的同时，还具有较好的结构强度和一致性，有利于提升天线的电气性能。本发明还提供了一种包括上述天线单元的天线模块及大规模阵列天线。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，涉及一种大规模阵列天线及其天线模块和天线单元。
背景技术
随着移动通信技术和应用的迅猛发展，关于第五代移动通信技术(外文缩写为5G)已进入试商用阶段。
目前，现有技术提出的5G天线方案，其天线单元通常包括金属基体底板和设于金属基体底板上的金属隔板。其中，金属基体底板常采用金属压铸或钣金工艺成型，隔板通常采用金属压铸、铝型材拉挤或钣金工艺成型，以满足基于5G大规模密集高频阵列的天线对布局空间多样的需求，然而在工程实践中这样的结构具有以下弊端：一是天线单元较重，从而导致天线整机系统难以实现轻量化设计；二是5G大规模密集高频阵列的基体底板尺寸往往较大，在金属基体底板一体成型的过程中，为了提高产品的一致性，金属基体底板的厚度往往需增厚，由此将进一步加重天线单元重量；三是金属隔离件只能通过螺钉固定于金属基体底板上或者采用焊接/金属压铸工艺与金属基体底板固定连接，一方面在5G高频段应用的背景下，采用螺钉固定的方式难以满足5G高频段天线对辐射边界缝隙的要求，另一方面无论上述三种中的任意一种连接方式，都存在5G天线的插损较高、互调隐患增多、一致性较差以及装配复杂的问题。
此外，现有技术提出的5G天线方案，其馈电网络多采用PCB形式，馈电网络通常采用螺钉固定连接与基体底板上，辐射单元通常采用金属压铸、钣金或PCB振子，辐射单元与馈电网络之间通常直接焊接或通过同轴电缆焊接连接，不仅装配复杂，生产成本较高，还会具有较多焊点，同样难以满足低插损、低互调和高一致性的指标要求。
由此可见，现有技术提出的5G天线方案仍存在较多技术问题，面对5G产业全球进程的加快，如何实现天线轻量化，同时简化天线结构，提升天线性能指标，已变得日益迫切。
发明内容
基于此，本发明提供了一种大规模阵列天线及其天线模块和天线单元，旨在实现天线的轻量化，同时确保结构强度和电气性能较好，简化天线结构，提升天线性能。
为了解决上述技术问题，本发明的天线单元采用的技术方案是：
一种天线单元，包括：辐射单元、一体成型的非金属基体及金属反射板，所述非金属基体包括基体底板和隔板，所述辐射单元和所述隔板分别设于所述基体底板的顶部，所述基体底板的顶面设有第一金属层，所述第一金属层至少部分用于形成馈电网络电路层，所述隔板的至少一个侧面设有使所述隔板能作为辐射边界的第二金属层，所述金属反射板设于所述基体底板的底面。
进一步的，所述非金属基体与所述金属反射板通过注塑工艺一体成型并相互固定连接在一起；
或者，所述基体底板通过热熔工艺与所述金属反射板固定连接在一起。
进一步的，所述天线单元还包括第一馈电柱和第二馈电柱，所述第一馈电柱设于所述基体底板的顶面，所述第一馈电柱用于支承所述辐射单元并电性连接所述辐射单元和所述馈电网络电路层，所述第二馈电柱设于所述基体底板的底面并用于电性连接设于所述金属反射板底部的校准网络，所述第一馈电柱和所述第二馈电柱与所述非金属基体通过一体成型工艺形成一个整体。
进一步的，所述第一馈电柱和/或所述第二馈电柱包括非金属柱及设于所述非金属柱外表面的第三金属层，所述辐射单元和所述馈电网络电路层之间通过所述第三金属层电性连接，所述非金属柱与所述非金属基体一体注塑成型；
或者，
所述第一馈电柱和/或所述第二馈电柱为金属柱，所述非金属基体与所述金属柱通过注塑工艺一体成型并相互固定连接在一起。
进一步的，所述第二馈电柱包括用于与所述校准网络的电路层电性连接的第一柱体以及用于与校准网络的地层接地连接的第二柱体，所述第一柱体与所述第二柱体间隔设置。
进一步的，所述辐射单元上设有定位孔，所述第一馈电柱的顶部设有尺寸小于所述第一馈电柱并能与所述定位孔配合的定位柱。
进一步的，所述金属反射板上设有固定孔，所述基体底板的底面设有能与所述固定孔配合的固定柱。
进一步的，所述金属反射板的厚度为0.3～2mm，所述基体底板的厚度为0.5～2mm。
进一步的，所述辐射单元包括非金属基板及设于所述非金属基板表面的第四金属层，所述辐射单元通过所述第四金属层与所述第一馈电柱电性连接。
进一步的，所述辐射单元由金属材料或PCB板制成。
进一步的，所述辐射单元至少有两个；
所述馈电网络电路层包括功分电路，至少两个所述辐射单元之间通过所述功分电路连接从而组成一个子阵。
本发明提供的天线模块所采用的技术方案是：
一种天线模块，包括多个上述天线单元，多个所述天线单元的所述非金属基体和所述金属反射板均一体成型，多个所述天线单元呈阵列分布。
本发明提供的大规模阵列天线所采用的技术方案是：
一种大规模阵列天线，包括上述天线模块。
基于上述技术方案，本发明的大规模阵列天线及其天线模块和天线单元，相对于现有技术至少具有以下有益效果：
本发明通过采用基体底板和隔板一体成型的非金属基体以及一体成型的金属反射板，可以实现馈电网络与反射部件的集成，有利于天线的小型化发展；相对于传统的完全采用金属作为反射板和辐射边界而言，有利于减轻天线的重量，并简化加工制作及装配流程，整体结构简单紧凑，产品一致性好，有利于达到5G高频段天线对产品精度的高标准、降低插损、减少互调隐患，使天线整机系统的电气性能得到明显提升；相对于完全采用非金属作为基体形成反射板而言，可减少非金属的用料以及在非金属基体底面设置金属层的工序，降低成本，并确保整体结构强度较好，提升天线整机的结构可靠性和稳定性，同时由于金属反射板设于基体底板的底面，几乎不会对产品的一致性造成影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种天线单元的正视分解结构示意图；
图2为图1所示天线单元的背视分解结构示意图；
图3为图1所示天线单元的侧视示意图；
图4为应用图1所示天线单元的天线模块的局部结构示意图；
图5为应用图1所示天线单元的天线模块的正视分解结构示意图；
图6为图5所示大规模阵列天线的轴测视图；
图7为图5所示天线模块的背视分解结构示意图；
图8为图7所示天线模块的轴测视图。
附图标记说明：
100-辐射单元；101-定位孔；200-非金属基体；210-基体底板；211-固定柱；220-隔板；310-第一馈电柱；311-定位柱；320-第二馈电柱；320a-第一柱体；320b-第二柱体；400-金属反射板；401-固定孔；402-通孔；500-馈电网络电路层；600-校准网络；601-第一焊盘；602-第二焊盘。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
还需要说明的是，以下实施例中的上、下、顶、底、侧等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
参照图1至图3，本发明实施例提供的一种天线单元，包括：辐射单元100、一体成型的非金属基体200及金属反射板400，非金属基体200包括基体底板210和隔板220，辐射单元100和隔板220分别设于基体底板210的顶部，基体底板210的顶面设有第一金属层，第一金属层至少部分用于形成馈电网络电路层500，隔板220的至少一个侧面设有使隔板220能作为辐射边界的第二金属层，金属反射板400设于基体底板210的底面。
参照图4至图8，本发明实施例还提供了一种天线模块，包括多个上述天线单元，多个天线单元的非金属基体200和金属反射板400均一体成型，多个天线单元呈阵列分布。具体在本实施例中，多个天线单元的非金属基体200可以通过注塑一体成型，多个天线单元的金属反射板400采用压铸、钣金等工艺一体成型，即：多个天线单元仅有一个非金属基体200和一个金属反射板400，在该非金属基体200上分布有多个呈阵列分布的辐射单元100。
上述天线单元及天线模块，通过采用基体底板210和隔板220一体成型的非金属基体200以及金属反射板400，可以实现馈电网络与反射部件的集成，相对于传统的完全采用金属作为反射板和辐射边界而言，有利于减轻天线的重量，并简化加工制作及装配流程，整体结构简单紧凑，产品一致性好，有利于达到5G高频段天线对产品精度的高标准、降低插损、减少互调隐患，使天线整机系统的电气性能得到明显提升；相对于完全采用非金属作为基体形成反射板而言，可减少非金属的用料以及在非金属基体200底面设置金属层的工序，降低成本，并确保整体结构强度较好，提升天线整机的结构可靠性和稳定性，同时由于金属反射板400设于基体底板210的底面，几乎不会对产品的一致性造成影响金属反射板400校准网络600。
作为本发明的一个优选实施例，上述一体成型的非金属基体200和一体成型的金属反射板400还可以进一步通过一体成型工艺形成一个整体。
在部分实施例中，上述非金属基体200与金属反射板400可通过注塑工艺一体成型并相互固定连接在一起，即：非金属基体200可通过注塑工艺一体成型于金属反射板400上并借助注塑工艺与金属反射板400固定连接在一起。例如，在注塑工艺中，可以将金属反射板400置于注塑模具中，从而使非金属基体200成型与金属发射板400上。这样的结构，制作工艺流程简单，易于大批量生产，不仅可使金属反射板400与非金属基体200之间连接强度较好，还可很容易的达到较好的组装精度，并消除非金属基体200与金属反射板400之间的组装间隙，有利于进一步提升天线的电气性能。
在部分实施例中，上述基体底板210还可通过热熔工艺与金属反射板400固定连接在一起。该方案充分利用非金属的可塑性，同样可以较为方便的实现金属反射板400与基体底板210的可靠连接。
参照图1至图3、图5及图7，作为本发明的一个优选实施例，上述金属反射板400上设有固定孔401，基体底板210的底面设有能与固定孔401配合的固定柱211。在实际应用时，固定柱211可以在非金属基体200一体成型的过程中形成。这样既可以利用固定柱211和固定孔401实现金属反射板400与非金属基体200之间相互紧密连接；或者，固定柱401在非金属基体200成型时形成，与金属反射板400上的固定孔211配合后，通过热熔固定柱211实现非金属基体200与金属反射板400的固定连接。
经过本申请中的发明人多次试验得知，上述金属反射板400的厚度为0.3～2mm，基体底板210的厚度为0.5～2mm时，可以在满足天线单元强度和电性指标要求的前提下，最大限度的实现天线的轻量化。上述金属反射板400的厚度进一步优选为0.8mm～1.5mm；基体底板210的厚度进一步优选为0.8mm～1.2mm。
参照图1、图2、图4及图7，作为本发明的一个优选实施例，上述天线模块还包括第一馈电柱310和第二馈电柱320，第一馈电柱310设于基体底板210的顶面，第一馈电柱310用于支承辐射单元100并电性连接辐射单元100和馈电网络电路层500，第二馈电柱320设于基体底板210的底面并用于连接设于金属反射板400底部的校准网络600，第一馈电柱310和第二馈电柱320与非金属基体200通过一体成型工艺形成一个整体。如此，可实现反射板、辐射边界及馈电网络的高度集成，大幅减轻天线的重量，并能进一步简化加工制作及装配流程，提高产品一致性，更加有利于达到5G高频段天线对产品精度的高标准、降低插损、减少互调隐患的严格要求；此外，一体化的第一馈电柱310和第二馈电柱320方便的实现了辐射单元100和校准网络600的馈电连接，相对于传统的采用巴伦及馈电环的结构而言，更利于天线的低剖面和小型化，并有效的降低了天线的装配复杂度。
参照图2，在实际应用时，第二馈电柱320包括用于与校准网络600的电路层电性连接的第一柱体320a以及用于与校准网络600的地层接地连接的第二柱体320b，第一柱体320a与第二柱体320b间隔设置。第一柱体320a和第二柱体320b可以都与基体底板210一体成型工艺形成一个整体，以进一步提高集成化。对应的，在校准网络600上设有用于连接第一柱体320a以馈电的第一焊盘601和用于接地的第二焊盘602。具体在本实施例中，在校准网络600上设有两个第二焊盘602。
参照图2和图7，在实际应用时，上述金属反射板400上还设有供第二馈电柱320穿过的通孔402。
在部分实施例中，为了进一步简化工艺，上述第一馈电柱310可包括非金属柱和设于非金属柱外表面的第三金属层，辐射单元100和馈电网络电路层500之间通过第三金属层电性连接，非金属柱与非金属基体200一体注塑成型。同理，上述第二馈电柱320也可包括非金属柱和设于非金属柱外表面的第三金属层，具体在本实施例中作为第二馈电柱320的第一柱体320a和第二柱体320b均可以包括非金属柱和设于非金属柱外表面的第三金属层，如此，馈电网络电路层500和校准网络600的电路层之间可通过第一柱体320a的第三金属层电性连接，校准网络600的地层与第二柱体320b的第三金属层电性连接，非金属柱与非金属基体200一体注塑成型。这种情况下，应当理解的是，为了实现第一金属层中的馈电网络电路层500与校准网络600的电性连接，基体底板210上还优选设有金属化过孔，以实现馈电网络电路层500与第一柱体320a的第三金属层的电性连接。
在部分实施例中，上述第一馈电柱310也可以采用金属柱，非金属基体200与金属柱可通过注塑工艺一体成型并相互固定连接在一起。同理，上述第二馈电柱320也可以采用金属柱，非金属基体200与金属柱可通过注塑工艺一体成型并相互固定连接在一起。例如，在注塑工艺中，可以将作为第一馈电柱310的金属柱和作为第二馈电柱320的金属柱置于注塑模具中，从而使非金属基体200注塑成型后与金属柱固连成一个整体。这样的结构，制作工艺流程简单，易于大批量生产，不仅可使第一馈电柱310和第二馈电柱320与非金属基体200之间连接强度较好，还可很容易的达到较好的组装精度，具有较好的一致性。在部分实施例中，上述基体底板210还可通过热熔工艺与金属柱固定连接在一起；充分利用非金属的可塑性，同样可以较为方便的实现金属柱与基体底板210的可靠连接。
在部分实施例中，上述辐射单元100可以是采用金属材料压铸或钣金一体成型的金属辐射片或者采用PCB板制成。
在部分实施例中，上述辐射单元100可包括非金属基板及设于非金属基板表面的第四金属层，辐射单元100通过第四金属层与第一馈电柱310电性连接。这样可减轻辐射单元100的重量，提高辐射单元100的精度，简化辐射单元100的结构，便于加工，对进一步实现天线的轻量化具有更好的效果。
上述非金属基体200以及辐射单元100的非金属基板均优选一体注塑成型，具体可采用树脂、塑料等非金属材料通过注塑工艺一体成型。上述第一金属层、第二金属层和第三金属层可采用表面电镀、LDS(激光直接成型)工艺、印刷等金属化工艺实现；各金属层的材质均优选为铜。
参照图1、图5和图6，在部分实施例中，上述天线单元可包括至少两个辐射单元100，馈电网络电路层500包括功分电路，至少两个辐射单元100之间通过功分电路连接从而组成一个子阵。应当理解的是，不同的辐射单元100分别由不同的第一馈电柱310支撑并且两者能形成电性连接。具体在本实施例中，每个子阵可以包括两个或三个或四个或六个等数量的辐射单元100，且应当理解的是，每个子阵的各辐射单元100之间间隔设置。通过功分电路将多个辐射单元100合并成一个子阵，可减小接头数量，降低成本，辐射单元100与馈电网络的空间布局结构更加紧凑，在5G大规模阵列天线组阵空间有限的前提下，能大幅降低实际部署难度。
参照图1，具体在本实施例中，每个辐射单元100还优选由四个第一馈电柱310支撑，四个第一馈电柱310均匀分布于第一辐射单元100的底部，辐射单元100以利于提高天线单元结构的稳定性和可靠性。
参照图1、图3至图6，作为本发明的一个优选实施例，辐射单元100上设有定位孔101，第一馈电柱310的顶部设有尺寸小于第一馈电柱310并能与定位孔101配合的定位柱311。如此，不仅能方便的实现辐射单元100的可靠安装，还可有利于提高装配精度，进而使得天线的一致性更好。当上述第一馈电柱310采用非金属柱与非金属基体200一体注塑成型时，上述定位柱311也优选采用非金属柱与上述非金属基体200一体成型。
参照图1、图3至图6，作为本发明的一个优选实施例，在基体底板210的正投影面上，辐射单元100被包括在隔板220的设置范围内。在实际应用时，可在各子阵的四周设置隔板220。这对于5G高频段天线而言，可以起到更好的隔离效果，减少各天线子阵间的互耦，电气性能更加优异。
本发明实施例还提供了一种大规模阵列天线，包括上述天线模块。应当理解的是，在大规模阵列天线中可以包括多个分别制作的天线模块，多个天线模块可以通过拼接组装于天线罩中并呈阵列分布，以进一步提高组装的便利性，并降低制作难度。
上述大规模阵列天线，由于与上述天线单元实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明天线单元实施例相同，具体内容可参见本发明天线单元实施例中的叙述，此处不再赘述。
需要说明的是，上述天线单元和天线模块并不局限用于5G移动通信的大规模阵列天线，也可用于2G、3G、4G移动通信的天线中。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种天线单元，其特征在于，包括：辐射单元、一体成型的非金属基体及金属反射板，所述非金属基体包括基体底板和隔板，所述辐射单元和所述隔板分别设于所述基体底板的顶部，所述基体底板的顶面设有第一金属层，所述第一金属层至少部分用于形成馈电网络电路层，所述隔板的至少一个侧面设有使所述隔板能作为辐射边界的第二金属层，所述金属反射板设于所述基体底板的底面。
2.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述非金属基体与所述金属反射板通过注塑工艺一体成型并相互固定连接在一起；
或者，所述基体底板通过热熔工艺与所述金属反射板固定连接在一起。
3.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述天线单元还包括第一馈电柱和第二馈电柱，所述第一馈电柱设于所述基体底板的顶面，所述第一馈电柱用于支承所述辐射单元并电性连接所述辐射单元和所述馈电网络电路层，所述第二馈电柱设于所述基体底板的底面并用于电性连接设于所述金属反射板底部的校准网络，所述第一馈电柱和所述第二馈电柱与所述非金属基体通过一体成型工艺形成一个整体。
4.根据权利要求3所述的天线单元，其特征在于，所述第一馈电柱和/或所述第二馈电柱包括非金属柱及设于所述非金属柱外表面的第三金属层，所述辐射单元和所述馈电网络电路层之间通过所述第三金属层电性连接，所述非金属柱与所述非金属基体一体注塑成型；
或者，
所述第一馈电柱和/或所述第二馈电柱为金属柱，所述非金属基体与所述金属柱通过注塑工艺一体成型并相互固定连接在一起。
5.根据权利要求3所述的天线单元，其特征在于，所述第二馈电柱包括用于与所述校准网络的电路层电性连接的第一柱体以及用于与校准网络的地层接地连接的第二柱体，所述第一柱体与所述第二柱体间隔设置。
6.据权利要求3所述的天线单元，其特征在于，所述辐射单元上设有定位孔，所述第一馈电柱的顶部设有尺寸小于所述第一馈电柱并能与所述定位孔配合的定位柱。
7.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述金属反射板上设有固定孔，所述基体底板的底面设有能与所述固定孔配合的固定柱。
8.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述金属反射板的厚度为0.3～2mm，所述基体底板的厚度为0.5～2mm。
9.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述辐射单元包括非金属基板及设于所述非金属基板表面的第四金属层，所述辐射单元通过所述第四金属层与所述第一馈电柱电性连接。
10.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述辐射单元由金属材料或PCB板制成。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的天线单元，其特征在于，
所述辐射单元至少有两个；
所述馈电网络电路层包括功分电路，至少两个所述辐射单元之间通过所述功分电路连接从而组成一个子阵。
12.一种天线模块，其特征在于，包括多个如权利要求1至11中任意一项所述的天线单元，多个所述天线单元的所述非金属基体和所述金属反射板均一体成型，多个所述天线单元呈阵列分布。
13.一种大规模阵列天线，其特征在于，包括如权利要求12所述的天线模块。
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