CN110571520A - 一种低剖面5g天线辐射单元及天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种低剖面5G天线辐射单元包括依次层叠固定的馈电基板、第一加载PCB板、第二加载PCB板和第三加载PCB板，馈电基板和第一加载PCB板之间设有第一半固化片，第一加载PCB板和第二加载PCB板之间设有第二半固化片，第二加载PCB板和第三加载PCB板之间设有第三半固化片，馈电基板和第一加载PCB板为双面PCB板，第二加载PCB板和第三加载PCB板为单面PCB板，馈电基板和第一加载PCB板上分布有双极化馈电线路，第一加载PCB板与馈电基板之间设有屏蔽层，屏蔽层上开设有耦合缝隙，第二加载PCB板和第三加载PCB板上设有加载辐射引向片，实现了低剖面和小型化。本发明还提出一种低剖面5G天线阵列，具有结构紧凑、剖面低、重量轻、生产方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种低剖面5G天线辐射单元，属于通信技术领域。
背景技术
自20世纪70年代以来，移动通信从模拟通信技术转向数字通信技术，用户体验要求也呈现出宽带化、高速化、多元化的发展方向。此外，随着新型智能设备的不断面世与互联网的飞速发展，移动通信又在新的领域展现出勃勃生机，例如智能家居、智能穿戴、智能抄表、智能交通、远程医疗等。很显然，4G移动通信系统在网络速率、通信容量以及空口时延等方面已经无法满足市场及技术演进的需求。鉴于未来发展的需要，国际电信联盟(ITU)在2015年6月份将5G正式命名为IMT-2020，并且把增强型移动宽带、大规模机器通信和超高可靠超低时延通信定义为5G主要应用场景。
一般而言，可以通过两种途径来提高移动通信数据传输速率，一是拓展新的频谱资源，二是引入新技术提高频谱效率和能量利用率。对于移动通信史而言，频谱资源实为有限资源，极其珍贵，拓展新的频谱资源难以实现。在此背景下，大规模多输入多输出技术(Massive MIMO)已经不可逆转的成为5G移动通信系统的中提升频谱效率的核心技术。此技术使用大数量阵列天线(如128根)形成多发多收的系统，增强基站同时接收和发送多路不同信号的能力，可以在有限的时间和频率资源基础上，大大提高频谱利用率、数据传输的稳定性和可靠性。
纵观基站天线的发展历程，小型化、有源化、多频化、智能化是移动通信天线的演进路线，其中小型化是基础，尤其是5G通信系统工作在Sub 6G下的、带有Massive MIMO天线阵的基站建站时，受天线阵的体积因素制约更为明显。而现有技术中辐射单元剖面过高、体积较大等问题还没有很好的解决方案。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种低剖面5G天线辐射单元，其能在性能参数不恶化的情况下，实现了低剖面和小型化的改造。
为实现上述目的，本发明的一种低剖面5G天线辐射单元，包括依次层叠固定的馈电基板、第一加载PCB板、第二加载PCB板和第三加载PCB板，馈电基板和第一加载PCB板之间设有第一半固化片，第一加载PCB板和第二加载PCB板之间设有第二半固化片，第二加载PCB板和第三加载PCB板之间设有第三半固化片，馈电基板和第一加载PCB板为双面PCB板，第二加载PCB板和第三加载PCB板为单面PCB板，馈电基板和第一加载PCB板上分布有双极化馈电线路，第一加载PCB板与馈电基板之间设有屏蔽层，屏蔽层上开设有耦合缝隙，第二加载PCB板和第三加载PCB板上设有加载辐射引向片。
进一步地，双极化馈电线路包括正极化馈电线路和负极化馈电线路，正极化馈电线路分布在馈电基板的顶面上，负极化馈电线路包括负极化馈电线路引入段和负极化馈电线路展开段，负极化馈电线路引入段分布在馈电基板的顶面上，负极化馈电线路展开段分布在第一加载PCB板的顶面上，正极化馈电线路的中心线和负极化馈电线路的中心线在第一加载PCB板所在平面上投影为对角分布的，第一加载PCB板上设有金属化过孔，金属化过孔穿透第一加载PCB板和第一半固化片，金属化过孔的两端分别连接在负极化馈电线路引入段和负极化馈电线路展开段上并使两者导通。
进一步地，正极化馈电线路和负极化馈电线路为包括若干级分支的对称分支状结构。
进一步地，屏蔽层设置在第一加载PCB板和第一半固化片之间，耦合缝隙设置为4个，4个耦合缝隙分为对称的2组，2组耦合缝隙分别对应正极化馈电线路和负极化馈电线路，每组的2个耦合缝隙位于同一直线上，2组耦合缝隙所在直线对角分布，4个耦合缝隙中心与屏蔽层中心的间距相等。
进一步地，耦合缝隙的为长方形、工字型或弧形。
进一步地，加载辐射引向片包括上层引导片和下层引导片，上层引导片设置在第三加载PCB板的顶面上，下层引导片设置在第二加载PCB板的顶面上，上层引导片和下层引导片的物理中心与第三加载PCB板的物理中心重合。
进一步地，上层引导片和下层引导片的形状为正方形、圆形或环形。
本发明还提出一种包括前述低剖面5G天线辐射单元的天线阵列，若干个低剖面5G天线辐射单元的馈电基板共同形成馈电网络，馈电网络背离辐射单元的一面设有反射板，反射板背离馈电网络的一面设有校准网络，反射板上预留有将馈电网络和校准网络相连的馈电针孔位，校准网络背离反射板的一面设有射频连接器
进一步地，每3个低剖面5G天线辐射单元通过1分3功分网络组合在一起，馈电针孔位中设有馈电针，馈电网络和校准网络通过馈电针实现射频信号导通，射频连接器与校准网络相连接。
本发明的一种低剖面5G天线辐射单元在性能参数不恶化的情况下，实现了低剖面、小型化的改造，并且该低剖面5G天线阵列结构紧凑、剖面低、重量轻，生产方便。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。
图1是本发明首选实施方式的低剖面5G天线辐射单元的斜视图；
图2是本发明首选实施方式的低剖面5G天线辐射单元的侧视图；
图3是用于体现正极化馈电线路、负极化馈电线路和屏蔽层布局的侧视图；
图4是用于体现正极化馈电线路、负极化馈电线路和屏蔽层布局的俯视图；
图5是用于体现正极化馈电线路、负极化馈电线路和屏蔽层布局的斜视图；
图6是用于体现下层引导片和上层引导片布局的侧视图；
图7是用于体现下层引导片和上层引导片布局的俯视图；
图8是本发明的低剖面5G天线阵列的结构示意图。
附图标记：1、馈电基板；2、第一半固化片；3、第一加载PCB板；4、第二半固化片；5、第二加载PCB板；6、第三半固化片；7、第三加载PCB板；8、正极化馈电线路；9、负极化馈电线路；91、负极化馈电线路引入段；92；负极化馈电线路展开段；10、屏蔽层；11、金属化过孔；12、下层引导片；13、上层引导片；14、低剖面5G天线辐射单元；15、馈电网络；16、反射板；17、校准网络；18、射频连接器。
具体实施方式
下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
实施例1：如图1和图2所示，本发明首选实施方式的一种低剖面5G天线辐射单元14，其尺寸为22mm*22mm*7.2mm，包括依次层叠的馈电基板1、第一半固化片2、第一加载PCB板3、第二半固化片4、第二加载PCB板5、第三半固化片6和第三加载PCB板7，第一半固化片2、第二半固化片4和第三半固化片6主要起粘结固定作用。馈电基板1和第一加载PCB板3为双面PCB板，第二加载PCB板5和第三加载PCB板7为单面PCB板。
如图1和图3所示，馈电基板1和第一加载PCB板3上分布有双极化馈电线路，双极化馈电线路包括正极化馈电线路8和负极化馈电线路9，正极化馈电线路8和负极化馈电线路9为包括若干级分支的对称分支状结构。正极化馈电线路8分布在馈电基板1的顶面上，负极化馈电线路9包括负极化馈电线路引入段91和负极化馈电线路展开段92，负极化馈电线路引入段91分布在馈电基板1的顶面上，负极化馈电线路展开段92分布在第一加载PCB板3的顶面上。正极化馈电线路8的中心线和负极化馈电线路9的中心线在第一加载PCB板3所在平面上投影为对角分布的。
如图5所示，第一加载PCB板3上设有金属化过孔11，金属化过孔11穿透第一加载PCB板3和第一半固化片2，金属化过孔11的两端分别连接在负极化馈电线路引入段91和负极化馈电线路展开段92上，并使两者导通构成完整的负极化馈电线路9。
如图1和图3所示，第一加载PCB板3和第一半固化片2之间设有屏蔽层10，屏蔽层10上开设有4个耦合缝隙，本实施例中的耦合缝隙为一长直狭缝，并且长直狭缝的两端分别连接“冖”型狭缝。每个耦合缝隙中心与屏蔽层10中心的间距均相等，4个耦合缝隙分为对称的2组，2组耦合缝隙分别对应正极化馈电线路8和负极化馈电线路9，每组的2个耦合缝隙位于同一直线上，2组耦合缝隙所在直线沿屏蔽层10的对角线直线分布。
沿着天线辐射方向，双极化辐射单元馈电线路相对位置依次是正极化馈电线路8、加载有耦合缝隙的屏蔽层10、负极化馈电线路9，正极化馈电线路8和负极化馈电线路9分布在屏蔽层10的两侧，而非同侧，有利于改善辐射单元隔离度。
如图7和图8所示，第二加载PCB板5和第三加载PCB板7上设有加载辐射引向片，加载辐射引向片包括上层引导片13和下层引导片12，上层引导片13和下层引导片12均为正方形的。上层引导片13设置在第三加载PCB板7的顶面上，下层引导片12设置在第二加载PCB板5的顶面上。并且上层引导片13和下层引导片12的物理中心与各加载PCB板均重合。上层引导片13和下层引导片12离耦合缝隙的高度是辐射单元关键尺寸，这也就决定了第二加载PCB板5和第三加载PCB板7的厚度。
第二加载PCB板5和第三加载PCB板7除了起到支撑上层引导片13和下层引导片12的作用外，还降低了低剖面5G天线辐射单元14整体的高度，起到压缩低剖面5G天线辐射单元14剖面的作用。
一般而言，第二加载PCB板5和第三加载PCB板7介电常数越大，低剖面5G天线辐射单元14的剖面就会越低，但同时低剖面5G天线辐射单元14的带宽也会越窄，所以需要根据实际情况折中选择第二加载PCB板5和第三加载PCB板7的板厚与介电常数。在本实施例中，馈电基板1采用Rogers板材，介电常数2.55，板厚1.016mm；第一加载PCB板3为零频科技板材，介电常数4.3，板厚0.2mm；第二加载PCB板5和第三加载PCB板7为同一板材，均为零频科技板材，介电常数4.3，板厚3.2mm；第一半固化片2、第二半固化片4和第三半固化片6为同一板材，均为零频科技板材，介电常数4.3，板厚0.2mm。
本发明的一种低剖面5G天线辐射单元14通过专业电磁仿真软件HFSS仿真结果显示，在工作带宽内，VSWR<1.5，隔离度<-25dB，HPBW＝(68°～71°),Gain>8.6dBi。该低剖面5G天线辐射单元14在性能参数不恶化的情况下，实现了低剖面和小型化改造。
实施例2：如图8所示，本发明的一种低剖面5G天线阵列包括96个低剖面5G天线辐射单元14，各低剖面5G天线辐射单元14的馈电基板1共同形成馈电网络15，馈电网络15背离辐射单元的一面设有反射板16，反射板16背离馈电网络15的一面设有校准网络17，反射板16上设有将馈电网络15和校准网络17相连的馈电针，校准网络17背离馈电网络15的一面设有射频连接器18。
96个辐射单元以12行8列分布，行、列间距分布为56mm和46mm。每列12个辐射单元又相邻3个分为一组，通过1分3功分网络组合在一起，每列共4组，校准网络17与1分3功分网络相连接，射频连接器18与校准网络17相连接。
本发明的一种低剖面5G天线阵列工作频段为3.4GHz～3.8GHz，具有结构紧凑、剖面低、重量轻、生产方便的优点。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。
Claims (9)
1.一种低剖面5G天线辐射单元，其特征在于，包括依次层叠固定的馈电基板、第一加载PCB板、第二加载PCB板和第三加载PCB板，所述馈电基板和第一加载PCB板之间设有第一半固化片，所述第一加载PCB板和第二加载PCB板之间设有第二半固化片，所述第二加载PCB板和第三加载PCB板之间设有第三半固化片，所述馈电基板和第一加载PCB板为双面PCB板，所述第二加载PCB板和第三加载PCB板为单面PCB板，所述馈电基板和第一加载PCB板上分布有双极化馈电线路，所述第一加载PCB板与馈电基板之间设有屏蔽层，所述屏蔽层上开设有耦合缝隙，所述第二加载PCB板和第三加载PCB板上设有加载辐射引向片。
2.如权利要求1所述的一种低剖面5G天线辐射单元，其特征在于，所述双极化馈电线路包括正极化馈电线路和负极化馈电线路，所述正极化馈电线路分布在馈电基板的顶面上，所述负极化馈电线路包括负极化馈电线路引入段和负极化馈电线路展开段，所述负极化馈电线路引入段分布在馈电基板的顶面上，所述负极化馈电线路展开段分布在第一加载PCB板的顶面上，所述正极化馈电线路的中心线和负极化馈电线路的中心线在第一加载PCB板所在平面上投影为对角分布的，所述第一加载PCB板上设有金属化过孔，所述金属化过孔穿透第一加载PCB板和第一半固化片，所述金属化过孔的两端分别连接在负极化馈电线路引入段和负极化馈电线路展开段上并使两者导通。
3.如权利要求2所述的一种低剖面5G天线辐射单元，其特征在于，所述正极化馈电线路和负极化馈电线路为包括若干级分支的对称分支状结构。
4.如权利要求2所述的一种低剖面5G天线辐射单元，其特征在于，所述屏蔽层设置在第一加载PCB板和第一半固化片之间，所述耦合缝隙设置为4个，4个所述耦合缝隙分为对称的2组，2组所述耦合缝隙分别对应正极化馈电线路和负极化馈电线路，每组的2个所述耦合缝隙位于同一直线上，2组所述耦合缝隙所在直线对角分布，4个所述耦合缝隙中心与屏蔽层中心的间距相等。
5.如权利要求4所述的一种低剖面5G天线辐射单元，其特征在于，所述耦合缝隙的为长方形、工字型或弧形。
6.如权利要求1所述的一种低剖面5G天线辐射单元，其特征在于，所述加载辐射引向片包括上层引导片和下层引导片，所述上层引导片设置在第三加载PCB板的顶面上，所述下层引导片设置在第二加载PCB板的顶面上，所述上层引导片和下层引导片的物理中心与第三加载PCB板的物理中心重合。
7.如权利要求6所述的一种低剖面5G天线辐射单元，其特征在于，所述上层引导片和下层引导片的形状为正方形、圆形或环形。
8.一种低剖面5G天线阵列，其特征在于，包括若干个如权利要求1-7任一项所述的一种低剖面5G天线辐射单元，若干个所述低剖面5G天线辐射单元的馈电基板共同形成馈电网络，所述馈电网络背离辐射单元的一面设有反射板，所述反射板背离馈电网络的一面设有校准网络，所述反射板上预留有将馈电网络和校准网络相连的馈电针孔位，所述校准网络背离反射板的一面设有射频连接器。
9.如权利要求8所述的一种低剖面5G天线阵列，其特征在于，每3个所述低剖面5G天线辐射单元通过1分3功分网络组合在一起，所述馈电针孔位中设有馈电针，所述馈电网络和校准网络通过馈电针实现射频信号导通，所述射频连接器与校准网络相连接。
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