CN110323553B - 天线的辐射单元及天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线的辐射单元，所述辐射单元包括：振子辐射电路板，其上印制成对设置的振子辐射臂，所述振子辐射臂具有小于二分之一波长的宽度；振子巴伦电路板，用于支撑所述振子辐射电路板，其上印制振子巴伦，所述振子巴伦具有小于五分之一波长的高度，所述振子巴伦具有至少一个第一开槽。基于本发明，尤其对于5G‑MIMO大阵列基站和微基站而言，能总体提升带宽、隔离度、增益、交叉极化等天线整体性能，同时不能够以相对小的性能损失换取天线体积的缩减。

Description

天线的辐射单元及天线
技术领域
本发明涉及天线技术，特别涉及一种天线的辐射单元、以及应用该辐射单元的一种天线。
背景技术
天线振子是基站天线领域应用最多的形式，占基站的80％以上。现有的天线振子大多包括如下几种形式：压铸振子、印刷振子、PCB(印制电路板)贴片振子、组合板金振子等。其中，现有天线的辐射单元中所使用的辐射体(也可称为“振子”，包括振子辐射臂和振子巴伦)的高度通常设置为四分之一波长，因此振子的体积较大。
其中，压铸振子的热冷缩变形和重量一直是一个严重的制约问题，并且压铸振子需要开模制造，精度不高且一致性差。
印刷振子的带宽较窄，为了展宽带宽，往往需要在振子的端角增加金属柱，这不仅增加了制造工序和成本，而且精度差一致性不好。
PCB贴片振子在尺寸减小的前提下需要牺牲隔离度，需要增加隔离，这样导致天线的整体重量和体积的增加。
组合板金振子的重量虽然较轻，但是装配工艺复杂，不容易实现表面贴装技术(SMT)组装。
由此可见，现有的各种天线振子均不能同时解决尺寸大、重量中、带宽窄、隔离度差的问题，这样无法适应5G-MIMO(第五代移动通信技术-多入多出天线)的要求。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种天线的辐射单元，所述辐射单元包括：
振子辐射电路板，其上印制成对设置的振子辐射臂，所述振子辐射臂具有小于二分之一波长的宽度；
振子巴伦电路板，用于支撑所述振子辐射电路板，其上印制振子巴伦，所述振子巴伦具有至少小于五分之一波长的高度，所述振子巴伦具有至少一个第一开槽。
可选地，所述第一开槽沿水平和/或竖直方向延伸。
可选地，所述振子辐射臂具有三分之一波长的宽度，所述振子巴伦具有十分之一波长至八分之一波长的高度。
可选地，所述振子巴伦的底边具有一对第一接地点，所述第一接地点与所述振子巴伦的底边中心具有第一距离。
可选地，所述第一距离为六分之一波长，
可选地，所述振子巴伦的底边中心具有第二接地点。
可选地，所述振子巴伦电路板的顶边的两端分别具有一个独立的第一敷金属柱，所述第一敷金属柱朝向所述振子辐射电路板延伸，所述振子巴伦电路板通过所述第一敷金属柱与所述振子辐射电路板电连接。
可选地，每个所述振子辐射臂具有镂空、和自所述振子辐射臂的端角朝向所述镂空内部延伸的内凸敷金属片。
可选地，每个所述内凸敷金属片具有第二开槽，所述第一敷金属柱的位置与所述第二开槽的位置对应，每个第一敷金属柱插入至所述第二开槽中。
可选地，所述振子巴伦电路板的顶边的中部具有一对第二敷金属柱，所述第二敷金属柱朝向所述振子辐射电路板延伸，
所述振子巴伦电路板通过所述第二敷金属柱与所述振子辐射电路板连接。
本发明的另一实施例还提供了一种天线，所述天线包括反射板、以及如上所述的辐射单元，所述辐射单元装设于所述反射板，
所述天线包括至少两个所述辐射单元，所述反射板形成有馈电网络，并且至少两个所述辐射单元通过所述馈电网络彼此电连接。
由以上技术方案可知，本实施例中的辐射单元仅包括两种印制电路板(PCB)，因此在无需开模的情况下，仅通过PCB组装焊接即可实现辐射单元的组装，从而容易实现表面贴装技术(SMT)批量生产，以简化装配时间、提高工作效率。
进一步地，通过在振子巴伦上设置第一开槽，并进一步将接地点外移，能够扩展辐射单元的带宽，可实现以十分之一波长的高度实现四分之一的电长度，从而达到降低振子巴伦的高度的目的。
通过降低振子巴伦的高度能够减小辐射单元的厚度尺寸，而减小振子辐射臂的宽度能够减小辐射单元所占用的平面面积，由此可知，本实施例的辐射单元从两个维度上均能够实现缩减天线的辐射单元的体积的目的，缩减效果更加明显。
由此，在使用PCB(印制电路板)的形式下缩小辐射单元的体积，能够综合压铸振子和PCB贴片振子的优点，具有带宽宽、隔离性好、高增益的优点。
另外，在不增加制造成本和工艺的前提下，通过在振子巴伦电路板上增加第一敷金属柱以及在振子辐射电路板上增加内凸敷金属片的方式，能够减小天线面展宽带度，第一敷金属柱与振子巴伦电路板一体成型，并且与振子辐射电路板的振子辐射臂电连接，其实现的效果与另外焊接金属柱的效果相同，但是与现有技术相比，不会增加成本和工序。
如上可见，基于上述的实施例，通过高度和宽度两个维度显著地缩减了天线的辐射单元所占用的体积。而且，通过第一敷金属柱和内凸敷金属片的设置，可以适当地弥补由于尺寸的减小而导致的天线性能的下降。例如，第一敷金属柱可以起到调节低频驻波比、改善交叉极化比、以及拓展阻抗带宽的作用，而内凸敷金属片可以展宽低频带宽，从而实现良好的驻波比并提升阻抗带宽和隔离度。
附图说明
图1为一个实施例中的辐射单元的立体图；
图2为一个实施例中的振子巴伦电路板的平面图；
图3为另一个实施例中的振子巴伦电路板的平面图；
图4为图2中的振子巴伦电路板的场强分布图；
图5a为现有的天线振子的带宽分布图；
图5b为一个实施例中的天线振子的带宽分布图；
图6a为现有的天线振子的隔离度的示意图；
图6b为一个实施例中的天线振子的隔离度的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
为了支持天线体积的缩减，下述的实施例中意在通过降低辐射体的高度来减小天线的厚度尺寸，使天线更为纤薄。同时，下述的实施例还对由于辐射体的高度降低而导致的天线性能损失提供补偿，优选地，所述的补偿至少可以使天线满足基站或微基站的性能需求。
图1为一个实施例中的辐射单元的立体图。图2和图3为振子巴伦电路板的两个实施例的平面图。如图1至图3所示，在一个实施例中，一种天线的辐射单元100包括振子辐射电路板1和振子巴伦电路板2，该辐射单元100的辐射体包括振子辐射臂10和振子巴伦20，其中振子辐射臂10成对设置，其印制在振子辐射电路板1上，振子巴伦20印制在振子巴伦电路板2上。其中，振子巴伦电路板2竖直地设置在振子辐射电路板1的下方，以将振子辐射电路板1支撑为沿水平方向延伸。
振子辐射臂10具有小于二分之一波长的宽度L(参见图1)，优选地，该实施例中将振子辐射臂10设置为三分之一波长。振子巴伦20具有至少小于五分之一波长的高度H(参见图1)，优选地，该实施例中将振子巴伦20的高度H设置为十分之一波长至八分之一波长。
如图2和图3所示，振子巴伦20具有至少一个第一开槽21。第一开槽21用于加载容性和感性，以在振子辐射臂10的宽度L减小、振子巴伦20的高度H减小的情况下延展辐射单元100的带宽，使其以减小的宽度L和高度H能够产生与二分之一波长的宽度和四分之一波长的电长度相同的传输效果。
进一步地，本实施例中的辐射单元仅包括两种印制电路板(PCB)，因此在无需开模的情况下，仅通过PCB组装焊接即可实现辐射单元的组装，从而容易实现表面贴装技术(SMT)批量生产，以简化装配时间、提高工作效率。
如图1所示，振子辐射臂10可以为多个，其由金属片实现，并且多个振子辐射臂10处于同一平面内。振子辐射臂10成对设置，在本实施例中，以振子辐射臂10设置为两对、并且两对振子辐射臂相互垂直。其中，所谓的成对布置可以是每对振子辐射臂20对称分布。
振子巴伦20所在的振子巴伦电路板2支撑上述的振子辐射臂10所在的振子辐射电路板1，对应于振子辐射臂10设置为两对的情况，如图1所示，本实施例中具有两个振子巴伦电路板2，两个振子巴伦电路板2相互垂直地交叉设置，以形成稳定的十字支撑结构，其中每个振子巴伦电路板2对应地支撑一对振子辐射臂10。
可选地，两个振子巴伦电路板2的形状相同，但是其上印制的振子巴伦20的结构可以选择为相同或者不同。
可选地，第一开槽21沿水平和/或竖直方向延伸。如图2中所示，振子巴伦20可具有沿水平方向延伸的第一开槽21a，如图3中所示，振子巴伦20可具有沿竖直方向延伸的第一开槽21b。可以理解的是，振子巴伦20也可以同时设置沿水平方向延伸的第一开槽21a和沿竖直方向延伸的第一开槽21b，以根据天线性能对应地加载容性和感性。
可选地，如图2和图3中所示，振子巴伦20的底边22具有一对第一接地点23，第一接地点23与振子巴伦20的底边22中心具有第一距离。可选地，该第一距离为八分之一波长。
通常情况下，振子巴伦的接地点均设置在中心位置，本实施例通过将接地点外移形成与中心位置具有第一距离的一对第一接地点，能够扩展辐射单元100的带宽，可实现以十分之一波长的高度实现四分之一的电长度，从而达到降低振子巴伦20的高度的目的。
可选地，振子巴伦20的底边22中心具有第二接地点24。
由以上方案可知，通过在振子巴伦20上设置第一开槽21，并进一步将接地点外移，能够扩展辐射单元100的带宽，可实现以十分之一波长的高度实现四分之一的电长度，从而达到降低振子巴伦20的高度的目的。
通过降低振子巴伦的高度能够减小辐射单元的厚度尺寸，而减小振子辐射臂的宽度能够减小辐射单元所占用的平面面积，由此可知，本实施例的辐射单元从两个维度上均能够实现缩减天线的辐射单元的体积的目的，缩减效果更加明显。
可选地，如图1至图3中所示，振子巴伦电路板2的顶边25的两端分别具有一个独立的第一敷金属柱26，第一敷金属柱26自振子巴伦电路板2的顶边25朝向振子辐射电路板1延伸，振子巴伦电路板2通过第一敷金属柱26实现与振子辐射电路板1的电连接和物理连接。
其中，第一敷金属柱26的形式可以为形成在振子巴伦电路板2的顶边25处的凸起，其表面覆盖金属。并且，独立的第一敷金属柱26是指第一敷金属柱26与振子巴伦电路板2上印制的振子巴伦20相隔离。
在现有技术中，为了减小天线面展宽带度，通常在振子辐射臂上另外增加金属柱，以实现延伸振子辐射臂长度的目的，由于该金属柱通常是在装配过程中增加焊接金属柱的工序，因此不仅精度差、一致性不好，而且装配工艺繁琐，无法实现批量生产。而在本实施例中，第一敷金属柱26与振子巴伦电路板2一体成型，并且与振子辐射电路板1的振子辐射臂10电连接，其实现的效果与另外焊接金属柱的效果相同，但是与现有技术相比，不会增加成本和工序。
可选地，如图1所示，每个振子辐射臂10具有镂空11、和自振子辐射臂10的端角朝向镂空11内部延伸的内凸敷金属片12。内凸敷金属片12为自振子辐射臂10的端角朝向一对振子辐射臂的中心延伸的片状结构，其形状可选择为方形，用于扩展振子辐射臂10的长度，从而实现扩展低频带宽的目的，而由于内凸敷金属片12是朝向一对振子辐射臂10的内部延伸，因此在实现扩展低频带宽的前提下，不仅不会增加振子辐射臂10的宽度L，反而能够减小振子辐射臂10的尺寸。
如上可见，基于上述的实施例，通过高度和宽度两个维度显著地缩减了天线的辐射单元所占用的体积。而且，通过第一敷金属柱和内凸敷金属片的设置，可以适当地弥补由于尺寸的减小而导致的天线性能的下降。例如，第一敷金属柱可以起到调节低频驻波比、改善交叉极化比、以及拓展阻抗带宽的作用，而内凸敷金属片可以展宽低频带宽，从而实现良好的驻波比并提升阻抗带宽和隔离度。
可选地，每个内凸敷金属片12具有第二开槽(图中未示出)，第一敷金属柱26的位置、形状与第二开槽的位置、形状对应，每个第一敷金属柱26插入至对应的一个第二开槽中，并通过例如焊接的方式实现振子辐射电路板1和振子巴伦电路板2的电连接及物理连接。
可选地，第一敷金属柱26的长度选择为当其插入至对应的一个第二开槽中时，第一敷金属柱26凸出于振子辐射电路板1。
可选地，如图1至图3所示，振子巴伦电路板2的顶边22的中部具有一对第二敷金属柱27，第二敷金属柱27朝向振子辐射电路板1延伸，振子巴伦电路板2通过第二敷金属柱27与振子辐射电路板1电连接和物理连接。
由以上技术方案可知，本实施例中的辐射单元仅包括两种印制电路板(PCB)，因此在无需开模的情况下，仅通过PCB组装焊接即可实现辐射单元的组装，从而容易实现表面贴装技术(SMT)批量生产，以简化装配时间、提高工作效率。
进一步地，通过在振子巴伦上设置第一开槽，并进一步将接地点外移，能够扩展辐射单元的带宽，可实现以十分之一波长的高度实现四分之一的电长度，从而达到降低振子巴伦的高度的目的。
通过降低振子巴伦的高度能够减小辐射单元的厚度尺寸，而减小振子辐射臂的宽度能够减小辐射单元所占用的平面面积，由此可知，本实施例的辐射单元从两个维度上均能够实现缩减天线的辐射单元的体积的目的，缩减效果更加明显。
由此，在使用PCB的形式下缩小辐射单元的体积，能够综合压铸振子和PCB贴片振子的优点，具有带宽宽、隔离性好、高增益的优点。
另外，在不增加制造成本和工艺的前提下，通过在振子巴伦电路板上增加第一敷金属柱以及在振子辐射电路板上增加内凸敷金属片的方式，能够减小天线面展宽带度，第一敷金属柱与振子巴伦电路板一体成型，并且与振子辐射电路板的振子辐射臂电连接，其实现的效果与另外焊接金属柱的效果相同，但是与现有技术相比，不会增加成本和工序。
如上可见，基于上述的实施例，通过高度和宽度两个维度显著地缩减了天线的辐射单元所占用的体积。而且，通过第一敷金属柱和内凸敷金属片的设置，可以适当地弥补由于尺寸的减小而导致的天线性能的下降。例如，第一敷金属柱可以起到调节低频驻波比、改善交叉极化比、以及拓展阻抗带宽的作用，而内凸敷金属片可以展宽低频带宽，从而实现良好的驻波比并提升阻抗带宽和隔离度。
本发明的另一实施例还提供了一种天线，该天线包括反射板、以及如上所述的辐射单元100，辐射单元100装设于反射板，其中，天线包括至少两个辐射单元100，反射板形成有馈电网络，并且至少两个辐射单元100通过馈电网络彼此电连接。
本实施例的天线通过采用如上所述的辐射单元，如图5a和图5b所示，能够显著扩展带宽。图5a示出现有的四分之一波长高度的天线带宽接近400Mhz，图5b示出的本实施例的天线带宽接近800Mhz。
进一步地，本实施例的天线具有重量轻、尺寸小、精度高、能够SMT批量生产、隔离度好、增益高的优点，由其适用于5G-MIMO(第五代移动通信技术-多入多出天线)所需要的大阵列天线。例如如图6a和图6b所示，与图6a所示的2.5G(第2.5代移动通信技术)贴片振子天线方案比较，图6b所示的本实施例的天线的隔离度有明显提升，同极化隔离度提升3～4dB，异极化隔离度提升6～10dB。在具体的方案中，能够大幅度减少横向隔离边界。
以上所述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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种天线的辐射单元，其特征在于，所述辐射单元包括：
振子辐射电路板，其上印制成对设置的振子辐射臂，所述振子辐射臂具有小于二分之一波长的宽度；
振子巴伦电路板，用于支撑所述振子辐射电路板，其上印制振子巴伦，所述振子巴伦具有至少小于五分之一波长的高度，所述振子巴伦具有至少一个第一开槽；
所述振子巴伦电路板的顶边的两端分别具有一个独立的第一敷金属柱，所述第一敷金属柱朝向所述振子辐射电路板延伸，所述第一敷金属柱与所述振子巴伦电路板一体成型、且与所述振子巴伦电路板的延伸方向相同，所述振子巴伦电路板通过所述第一敷金属柱与所述振子辐射电路板电连接，第一敷金属柱与振子巴伦电路板上印制的振子巴伦相隔离。
2.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，所述第一开槽沿水平和/或竖直方向延伸。
3.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，所述振子辐射臂具有三分之一波长的宽度，所述振子巴伦具有十分之一波长至八分之一波长的高度。
4.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，所述振子巴伦的底边具有一对第一接地点，所述第一接地点与所述振子巴伦的底边中心具有第一距离。
5.根据权利要求4所述的辐射单元，其特征在于，所述第一距离为六分之一波长。
6.根据权利要求4所述的辐射单元，其特征在于，所述振子巴伦的底边中心具有第二接地点。
7.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，每个所述振子辐射臂具有镂空、和自所述振子辐射臂的端角朝向所述镂空内部延伸的内凸敷金属片。
8.根据权利要求7所述的辐射单元，其特征在于，每个所述内凸敷金属片具有第二开槽，所述第一敷金属柱的位置与所述第二开槽的位置对应，每个第一敷金属柱插入至所述第二开槽中。
9.根据权利要求1或7所述的辐射单元，其特征在于，所述振子巴伦电路板的顶边的中部具有一对第二敷金属柱，所述第二敷金属柱朝向所述振子辐射电路板延伸，
所述振子巴伦电路板通过所述第二敷金属柱与所述振子辐射电路板连接。
10.一种天线，其特征在于，所述天线包括反射板、以及如权利要求1至9中任一项所述的辐射单元，所述辐射单元装设于所述反射板，
所述天线包括至少两个所述辐射单元，所述反射板形成有馈电网络，并且至少两个所述辐射单元通过所述馈电网络彼此电连接。
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