CN110011033B - 天线元件和天线结构 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种天线元件、包括该天线元件的天线结构以及天线和天线结构的制造方法。根据一个实施方式的天线元件包括：雪花形贴片辐射器，具有雪花形的顶部贴片和从所述顶部贴片的六个外边缘朝向接地面延伸的六个折叠腿，所述顶部贴片和所述折叠腿相对于所述接地面均是悬空的；以及六边形贴片，设置在所述雪花形贴片辐射器下方，并由短路引脚和三个天线探针支撑在所述接地面上。

Description

天线元件和天线结构
技术领域
本公开涉及通信技术领域，更具体地，涉及具有宽边辐射天线图的低耦合天线元件和具有该天线元件的天线结构。
背景技术
大规模多输入多输出(MIMO)是一种先进的5G通信技术，用来使基站提高数据吞吐量并同时为更多设备提供服务。大规模MIMO使用大量小型天线来创建更多可能的信号路径，以提高数据速率和链路可靠性。如果考虑视距(LoS)传播环境，则更多定向天线元件可以提供更好的频谱效率并降低相关的辐射功率。通常，大规模MIMO中的天线端口的数量是几百或更多。为了使大规模MIMO天线更紧凑或在特定区域内构建更多辐射元件，将考虑多模天线。
在过去的几十年中已经提出了各种多模天线。最基本和最经典的例子是由两个同轴探头馈电的方形贴片，同时产生垂直和水平极化辐射。还可以在提供双极化辐射的驱动辐射元件旁添加分离的寄生或连接贴片。双模天线中常使用具有例如二极管、微机电开关(MEMS)等开关元件的双馈或单馈等馈电机构。除了垂直和水平线性极化之外，还可以实现左手圆极化(LHCP)和右手圆极化(RHCP)天线。通过选择两个同轴馈电的适当位置，紧凑的集成Y形贴片天线也可用于产生双宽边模式辐射。通常，由于固有的两个正交极化，具有宽边辐射天线图的双模天线易于实现。
另一方面，由于天线端口之间的高度复杂的互耦合，难以实现紧凑且超出双模的天线。已经提出并开发了各种去耦技术以抑制端口间的相互耦合，例如插入缺陷接地结构、散射元件、去耦网络等。另一个例子示出了可以布置三个单极天线以在方位平面中产生三个扇形辐射天线图。然而，没有文献或专利描述过紧凑型的超过两个宽边模式的天线。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种天线元件，包括：雪花形贴片辐射器，具有雪花形的顶部贴片和从所述顶部贴片的六个外边缘朝向接地面延伸的六个折叠腿，所述顶部贴片和所述折叠腿相对于所述接地面均是悬空的；以及六边形贴片，设置在所述雪花形贴片辐射器下方，并由短路引脚和三个天线探针支撑在所述接地面上。
根据本公开的另一方面，提供了一种包括一个或多个上述天线元件的天线结构。
根据本公开的又一方面，提供了一种制造天线元件的方法，包括：由短路引脚和三个天线探针将六边形贴片支撑在接地面上；以及将雪花形贴片辐射器设置在所述六边形贴片的上方，使所述雪花形贴片辐射器相对于所述接地面悬空，其中，所述雪花形贴片辐射器具有雪花形的顶部贴片和从所述顶部贴片的六个外边缘朝向接地面延伸的六个折叠腿，所述顶部贴片和所述折叠腿均相对于所述接地面悬空。
根据本公开的再一方面，提供了一种制造天线结构的方法，包括将根据上述方法制造的天线元件呈蜂窝状排列。
附图说明
在参考附图中示出示例性实施例。本文中公开的实施例和附图应被视作说明性的，而非限制性的。
图1(a)、1(b)和1(c)示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的结构；
图2示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的端口1处的模拟的频率响应；
图3示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的端口1处的测量的频率响应；
图4示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的端口1在2.8GHz的频率下的模拟的辐射方向图；
图5示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的端口1在2.8GHz的频率下的测量的辐射方向图；
图6(a)和6(b)示出了根据本公开的示例性实施方式的具有六边形接地面的两个天线元件组合在一起的示意图；
图7(a)和7(b)示出了根据本公开的示例性实施方式的具有六边形接地面的七个天线元件组合在一起的示意图；
图8示出了图7所示的天线结构的端口1处的模拟的频率响应；以及
图9示出了图7所示的天线结构的端口1在2.8GHz的频率下的模拟的辐射方向图。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一主体也可被称作第二主体。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1(a)示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的立体图。该天线元件为紧凑型3端口天线结构，包括雪花形贴片辐射器。如图1所示，雪花形贴片辐射器具有雪花形的顶部贴片10和从顶部贴片10的六个外边缘朝向接地面13延伸的六个折叠腿，每个折叠腿包括腿部11和12。雪花形贴片辐射器的顶部贴片10和折叠腿11、12相对于接地面13均是悬空的。雪花形贴片辐射器和接地面均可以由金属制成。雪花形贴片辐射器的六个折叠腿11、12朝向接地面13向下折叠，腿部12与接地面13没有任何物理连接，从而为天线提供电容负载效应。接地面13的形状不限于图中示出的矩形，也可以是圆形、六边形或任何其他结构。在根据本公开的雪花形贴片辐射器中由于采用了折叠腿11、12，减小了整个天线的投影尺寸，并且可以产生导致天线尺寸减小的电容负载效应。
图1(b)示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件在移除顶部贴片10后得到的透视图。图1(b)所示的雪花形贴片辐射器的六个折叠腿11、12以及接地面13均与图1(a)所示保持相同。应当理解，图1(b)中移除天线元件的顶部贴片10的目的仅仅是为了便于示出天线元件的内部结构，实际使用中并不会将顶部贴片10去除。
如图1(b)所示，在雪花形贴片辐射器的顶侧贴片10的下方，天线元件还包括由短路引脚15和三个天线探针16支撑的六边形贴片14。六边形贴片14和短路引脚15均由金属制成。短路引脚15可位于六边形贴片14的中心或大致中心处，三个天线探针16均匀或大致均匀地分布在六边形贴片14的周围。可选地，短路引脚1也可相对于六边形贴片14的中心旋转对称地或大致旋转对称地均匀设置。例如，短路引脚15可由分别设置于三个天线探针16附近的三个引脚代替。在这种情况下，三个短路引脚均匀或大致均匀地分部在六边形贴片14的周围。雪花形贴片辐射器和六边形贴片之间没有物理连接，从而为天线提供电容馈电效应。天线端口激励的电容馈送可以抵消某些探针电感，从而产生更好的阻抗匹配。
图1(c)示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的另一透视图，其中除了顶部贴片10之外，两个折叠腿11、12被进一步移除，以便更清楚地看到短路引脚15和三个天线探针16连接到接地面13和六边形贴片14二者。图中还示出了三个天线探针16均匀地分布在六边形贴片14的周围。可见，三个探针16的分布也是旋转对称的。
如图1(a)至图1(c)所示，雪花形贴片辐射器的形状是旋转对称或大致旋转对称的。顶部贴片10、折叠腿的腿部12、六边形贴片14和接地面13之间平行或大致平行。
可以看到，图1(a)至图1(c)示出了示例性天线元件的尺寸。以下对天线性能的模拟和测量均基于图1(a)至图1(c)所示出的尺寸而做出。图1(a)至图1(c)所示出的尺寸均以毫米为单位。可以看到，示出的天线元件的横向尺寸为5+25+5＝35(mm)，对应于0.33λo，其中λo是空气中的波长。应当理解，示出的尺寸对于本公开的天线元件并不是必须的，而是可以根据实际情况适当调整。一般来说，谐振频率越低，所需的天线尺寸越大。
图2示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的端口1处的模拟的频率响应。具体地，该频率响应为天线的端口1处的S参数随着频率的变化的模拟示意图。由于天线的几何形状和三个探针的位置都是旋转对称的，因此天线端口2和3的S参数与端口1的S参数将是相同的。从图2示出的示例性频率响应可以看到，天线谐振在2.8GHz，互耦合为-15dB。
图3示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的端口1处的测量的频率响应，对图2示出的模拟的频率响应进行了验证。从图3所示的测量的频率响应得到的天线的谐振频率和互耦合与图2类似。
图4示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的端口1在2.8GHz的频率下的模拟的辐射方向图。由于天线结构的旋转对称性，天线端口2和3的辐射方向图与天线端口1的辐射方向图相同但旋转+/-120度。由于天线端口1的辐射方向图指向宽边，因此其他两个天线端口的辐射方向图也指向宽边。由此，单个贴片天线可以产生多于2个具有低互耦合的宽边辐射方向图。
图5示出了根据本公开的示例性实施方式的天线元件的端口1在2.8GHz的频率下的测量的。在测量期间，天线端口2和3分别接入50Ω负载。与图4相比较可知，从模拟和实验测量中能够获得类似的宽边辐射方向图。
图6(a)和6(b)示出了根据本公开的示例性实施方式的具有六边形接地面的两个天线元件组合在一起的示意图，其中图6(a)为立体图，图6(b)为移除顶部贴片后的透视图。图6(a)和6(b)示出的天线元件与图1(a)和1(b)示出的天线元件的区别仅在于接地面的形状是正六边形。在接地面是图6(a)和6(b)示出的正六边形的情况下，根据本公开的两个天线元件的接地面可以连接在一起。
图7(a)和7(b)示出了根据本公开的示例性实施方式的具有六边形接地面的七个天线元件组合在一起的示意图，其中图7(a)为立体图，图7(b)为移除顶部贴片后的透视图。在接地面是正六边形的情况下，根据本公开的七个天线元件的接地面可以以类似于传统蜂窝网络的方式(即，呈蜂窝状地)连接在一起。通过蜂窝状的连接，可以使用多个这样的天线元件来设计和形成大规模MIMO天线。
图8示出了图7所示的天线结构的端口1处的模拟的频率响应。具体地，图8示出了天线的端口1的S参数随着频率的变化的模拟示意图。由于具有七个3端口天线，因此图8示出的频率响应包括共21项。根据图8的频率响应可见，天线谐振在2.8GHz附近，最大的互耦合在-15dB附近，类似于图2的频率响应。进一步地，图8示出了端口间的互耦合主要取决于端口之间的间距。尽管图8仅示出了端口1的频率响应，但是应当理解，由于天线的几何形状和天线探针是旋转对称的，因此天线端口2至21的频率响应将与端口1相同。
图9示出了图7所示的天线结构的端口1在2.8GHz的频率下的模拟的辐射方向图。由于天线端口1的辐射方向图指向宽边，因此其他天线端口的辐射方向图由于旋转对称而也指向宽边。
根据本公开的天线元件，实现了一种紧凑型的3端口天线，可以同时获得三个天线端口之间的低互耦合和三个宽边辐射方向图。测量结果与仿真结果吻合良好。与传统的半波长双极化贴片天线相比，可实现额外的天线端口或50％的增量。利用本发明的3端口天线作为基本元件单元的设计，可以容易地开发紧凑的大规模MIMO天线。更重要的是，大规模MIMO天线内的所有辐射元件都可以产生宽边辐射并具有低互耦合。
应当理解，本公开不限于特定的谐振频率，具体的谐振频率由天线的尺寸确定。例如，可以通过按比例放大整个天线元件来获得较低的谐振频率。
以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离本申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种天线元件，包括：
雪花形贴片辐射器，具有雪花形的顶部贴片和从所述顶部贴片的六个外边缘朝向接地面延伸的六个折叠腿，所述顶部贴片和所述折叠腿相对于所述接地面均是悬空的；以及
六边形贴片，设置在所述雪花形贴片辐射器下方，并由短路引脚和三个天线探针支撑在所述接地面上，所述三个天线探针作为所述天线元件的三个天线端口，并同时获得三个宽边辐射方向图。
2.根据权利要求1所述的天线元件，其中，所述雪花形贴片辐射器的形状是旋转对称的。
3.根据权利要求1所述的天线元件，其中，所述短路引脚设置在所述六边形贴片的中心位置处或者均匀地分布在所述六边形贴片的周围。
4.根据权利要求1所述的天线元件，其中，所述三个天线探针均匀地分布在所述六边形贴片的周围。
5.根据权利要求1所述的天线元件，还包括所述接地面，所述雪花形贴片辐射器和所述六边形贴片均相对于所述接地面平行。
6.根据权利要求5所述的天线元件，其中所述接地面具有圆形、矩形或其他多边形的形状。
7.根据权利要求5所述的天线元件，其中所述接地面具有正六边形的形状。
8.根据权利要求1所述的天线元件，其中，所述雪花形贴片辐射器、所述六边形贴片和所述短路引脚中的一个或多个由金属制成。
9.一种天线结构，包括多个如权利要求1至8中任一项所述的天线元件。
10.根据权利要求9所述的天线结构，其中，所述多个如权利要求1至8中任一项所述的天线元件呈蜂窝状排列。
11.一种制造天线元件的方法，包括：
由短路引脚和三个天线探针将六边形贴片支撑在接地面上；以及
将雪花形贴片辐射器设置在所述六边形贴片的上方，使所述雪花形贴片辐射器相对于所述接地面悬空，其中，所述雪花形贴片辐射器具有雪花形的顶部贴片和从所述顶部贴片的六个外边缘朝向接地面延伸的六个折叠腿，所述顶部贴片和所述折叠腿均相对于所述接地面悬空，
其中，所述三个天线探针作为所述天线元件的三个天线端口，并同时获得三个宽边辐射方向图。
12.一种制造天线结构的方法，包括将根据权利要求11的方法制造的天线元件呈蜂窝状排列。
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