辐射单元及天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域,更具体地,涉及一种辐射单元及天线。
背景技术
在基站天线领域,大规模天线阵列系统(Massive MIMO)被认为是未来5G最具潜力的传输技术,5G基站将传统的射频拉远单元(RRU)与天线系统集成为一体,挤压了天线系统的设计空间,对5G辐射单元提出了小型化的要求;同时,由于一个5G天线内部往往存在上百个辐射单元,因而要求辐射单元结构尽可能的简单牢靠,带来了一个新问题:由于辐射单元之间的耦合增加,造成端口隔离度恶化严重。
目前常用的5G辐射单元有半波振子结构形式,全波振子结构形式,贴片振子结构形式等。半波振子结构,易实现匹配,但增益较低且隔离度较差;全波振子结构,增益高,但难实现匹配且隔离度差;贴片振子结构,难实现宽频,且极化隔离度较差。无论上述哪种结构形式,都存在隔离度差的不足。
发明内容
本发明实施例提供一种辐射单元及天线,用以解决或者至少部分地解决现有辐射单元隔离度差的缺陷。
第一方面,本发明实施例提供一种辐射单元,包括:辐射体;
所述辐射体包括四个辐射臂和一个正方形辐射框;
所述辐射臂位于所述辐射框围成的区域中;
每一所述辐射臂,分别沿所述辐射框的中心至一个顶点的方向布置;
每一所述辐射臂远离所述辐射框的中心的一个端点,分别通过连接体与所述辐射框的一个顶点连接。
优选地,所述辐射框的每一条边为连续结构或耦合结构。
优选地,辐射单元还包括辐射面载体;
所述辐射体设置于所述辐射面载体的上表面和/或下表面。
优选地,辐射单元还包括:第一馈电面载体和第二馈电面载体;
所述第一馈电面载体与所述第二馈电面载体正交且不连接;
所述第一馈电面载体和所述第二馈电面载体,分别沿所述辐射框的对角线方向设置;
所述第一馈电面载体和所述第二馈电面载体,均与所述辐射面载体的下表面垂直连接,且与所述辐射体之间不存在电气连接。
优选地,所述第一馈电面载体的一个侧面设有第一馈电电路;与所述侧面相对的另一个侧面,设有互不连接的第一接地电路和第二接地电路。
优选地,所述第二馈电面载体的一个侧面设有第二馈电电路;与所述侧面相对的另一个侧面,设有互不连接的第三接地电路和第四接地电路。
优选地,所述第一接地电路和第二接地电路,均为缺陷地结构。
优选地,所述第三接地电路和第四接地电路,均为缺陷地结构。
优选地,所述辐射体是通过PCB印刷、塑造、钣金或压铸成型的。
第二方面,本发明实施例提供一种天线,包括如第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的辐射单元。
本发明实施例提供的辐射单元及天线,通过每一辐射臂远离辐射框的中心的一个端点,分别通过连接体与辐射框的一个顶点连接,改变电流密度分布,从而改变辐射单元的电气特性,使得增加激励时,强电流分布于辐射臂的末端附近,两个极化之间电流最强点之间的距离较远,耦合减小,从而能在不恶化辐射单元的其他特性的情况下,改善辐射单元的极化隔离度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例提供的辐射单元的上方斜视图;
图2为根据本发明实施例提供的辐射单元的俯视图;
图3为根据本发明实施例提供的辐射单元中第一馈电面载体的主视图;
图4为根据本发明实施例提供的辐射单元中第一馈电面载体的后视图;
图5为根据本发明实施例提供的辐射单元中第二馈电面载体的主视图;
图6为根据本发明实施例提供的辐射单元中第二馈电面载体的后视图;
图7为根据本发明实施例提供的辐射单元的隔离度对比示意图;
图8为根据本发明实施例提供的天线的隔离度对比示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为了克服现有技术的上述问题,本发明实施例提供一种辐射单元,其构思是,采用与辐射臂连接的辐射框,形成类全波振子的结构,使得增加激励时,强电流分布于辐射臂的末端附近,两个极化之间电流最强点之间的距离较远,耦合减小,从而优化隔离度。
图1为根据本发明实施例提供的辐射单元的上方斜视图。如图1所示,该辐射单元1包括辐射体20。
图2为根据本发明实施例提供的辐射单元的俯视图。如图2所示,辐射体20包括四个辐射臂和一个正方形辐射框205。
具体地,沿逆时针方向,四个辐射臂分别为:第一辐射臂201、第二辐射臂202、第三辐射臂203和第四辐射臂204。
辐射臂位于辐射框围成的区域中,设置于辐射框的对角线上。
具体地,四个辐射臂的结构和材料均相同,可以呈旋转对称的方式布置于辐射框205围成的区域中,旋转对称的中心为辐射框205的中心。
辐射臂可以为封闭的实心多边形结构或封闭的空心多边形结构。
四个辐射臂位于同一水平面上。四个辐射臂所在的水平面的高度,与辐射框205所在的水平面的高度,可以相同或不同。
每一辐射臂,分别沿辐射框的中心至一个顶点的方向布置。
具体地,第一辐射臂201和第三辐射臂203,可以沿辐射框205的一条对角线方向(正45度方向)布置,形成一个极化;第二辐射臂202和第四辐射臂204,可以沿辐射框205的另一条对角线方向(负45度方向)布置,形成另一个极化。
每一辐射臂远离辐射框205的中心的一个端点,分别通过连接体与辐射框205的一个顶点连接。
具体地,每一辐射臂的一端靠近辐射框205的中心,另一端远离辐射框205的中心。
远离辐射框205的中心的一端,为辐射臂的末端。
第一辐射臂201、第二辐射臂202、第三辐射臂203和第四辐射臂204,分别通过第一连接体2013、第二连接体2023、第三连接体2033和第四连接体2043,将位于自身的末端的端点与辐射框205的一个顶点连接。
每一辐射臂与辐射框205之间,除了通过连接体连接之外,其余部分均不相连接,形成耦合缝隙。
本发明实施例通过每一辐射臂远离辐射框的中心的一个端点,分别通过连接体与辐射框的一个顶点连接,改变电流密度分布,从而改变辐射单元的电气特性,使得增加激励时,强电流分布于辐射臂的末端附近,两个极化之间电流最强点之间的距离较远,耦合减小,从而能在不恶化辐射单元的其他特性的情况下,改善辐射单元的极化隔离度。
基于上述各实施例的内容,辐射框205的每一条边为连续结构或耦合结构。
具体地,辐射框205的每一条边,可以为连续线,实现该条边上两个顶点之间的直接传输。此时,辐射框205为全封闭结构。
辐射框205的每一条边,还可以为耦合线,实现该条边上两个顶点之间的耦合传输。
当两个无屏蔽的传输线紧靠在一起时,由于各个传输线的电磁场的相互作用,在传输线之间可以有功率耦合。这种传输线叫做耦合传输线(简称耦合线)。
辐射框205的每一条边为耦合结构,指辐射框205的每一条边,可以由两条传输线构成;每一条传输线的第一端分别与辐射框205该条边上的一个顶点连接,该条传输线的第二端与另一条传输线的第二端紧靠但不连接,形成耦合。
本发明实施例通过辐射框的每一条边为连续结构或耦合结构,设计更加灵活,能改善辐射单元的极化隔离度。
基于上述各实施例的内容,如图1所示,该辐射单元还包括辐射面载体101。
辐射体20设置于辐射面载体101的上表面和/或下表面。
具体地,可以将辐射体20设置于辐射面载体101的上表面,或者设置于辐射面载体101的下表面,还可以将辐射体20同时设置于辐射面载体101的上表面和下表面。
优选地,辐射面载体101为绝缘体。
本发明实施例通过将辐射体设置于辐射面载体的上表面和/或下表面,设计更加灵活,能改善辐射单元的极化隔离度。
基于上述各实施例的内容,如图1所示,该辐射单元还包括:第一馈电面载体102和第二馈电面载体103。
优选地,第一馈电面载体102和第二馈电面载体103均为绝缘体。
可以在分别在第一馈电面载体102和第二馈电面载体103上设置用于馈电结构及接地的结构,用于实现馈电和辐射体的接地。
第一馈电面载体102与第二馈电面载体103正交且不连接。
具体地,第一馈电面载体102与第二馈电面载体103正交。
正交的位置(即交点)在辐射面载体101上的投影,可以为辐射框205的中心。
第一馈电面载体102,可以为“几”字型结构,“几”字型的横线部分,从上方越过第二馈电面载体103,使得第一馈电面载体102与第二馈电面载体103不连接。
第一馈电面载体102和第二馈电面载体103,分别沿辐射框205的对角线方向设置。
优选地,第一馈电面载体102,可以沿辐射框205的一条对角线方向(正45度方向)设置;第二馈电面载体103,可以沿辐射框205的另一条对角线方向(负45度方向)设置。
第一馈电面载体102和第二馈电面载体103,均与辐射面载体101的下表面垂直连接,且与辐射体20之间不存在电气连接。
具体地,第一馈电面载体102和第二馈电面载体103,均与辐射面载体101的下表面结构连接,且均与辐射面载体101的下表面垂直。
本发明实施例通过用于设置馈电结构及接地的结构的第一馈电面载体和第二馈电面载体,能保证辐射单元的正常工作,从而能实现更好地极化隔离度。
图3为根据本发明实施例提供的辐射单元中第一馈电面载体的主视图。基于上述各实施例的内容,如图3所示,第一馈电面载体102的一个侧面设有第一馈电电路301。
可以理解的是,为了实现整体结构装配,第一馈电面载体102上端设置了第一馈电面载体第一上凸台1021和第一馈电面载体第二上凸台1022,下端设置了第一馈电面载体第一下凸台1023、第一馈电面载体第二下凸台1024和第一馈电面载体第三下凸台1025。
可以理解的是,辐射面载体101上可以设置与第一馈电面载体第一上凸台1021和第一馈电面载体第二上凸台1022相对应的孔洞,第一辐射臂201上可以设置与第一馈电面载体第二上凸台1022相对应的孔洞,第三辐射臂203上可以设置与第一馈电面载体第一上凸台1021相对应的孔洞,第一馈电面载体第一上凸台1021和第一馈电面载体第二上凸台1022穿过辐射面载体101,并与辐射面载体101实现结构连接。
可以理解的是,功分电路板上可以设置与第一馈电面载体第一下凸台1023、第一馈电面载体第二下凸台1024和第一馈电面载体第三下凸台1025相对应的孔洞,第一馈电面载体第一下凸台1023、第一馈电面载体第二下凸台1024和第一馈电面载体第三下凸台1025穿过功分电路板,并与功分电路板实现结构连接。
优选地,第一馈电面载体102可以为板状或块状结构,在第一馈电面载体102的正面设置有第一馈电电路301。
第一馈电电路301,用于实现馈电。
优选地,第一馈电面载体102可以为印制电路板(PCB,Printed Circuit Board,又称印刷线路板)。通过在第一馈电面载体102的正面进行PCB印刷,形成第一馈电电路301。
第一馈电电路301可以覆盖第一馈电面载体第三下凸台1025的全部或部分区域。第一馈电电路301覆盖第一馈电面载体第三下凸台1025的部分为第一馈电面焊接面3011,第一馈电面焊接面3011与功分电路板上的功分电路电气连接。
图4为根据本发明实施例提供的辐射单元中第一馈电面载体的后视图。如图4所示,第一馈电面载体102与该侧面相对的另一个侧面,设有互不连接的第一接地电路401和第二接地电路402。
具体地,在第一馈电面载体102的背面设置有第一接地电路401和第二接地电路402。第一接地电路401和第二接地电路402之间,不存在电气连接。
第一馈电面载体102可以为印制电路板。通过在第一馈电面载体102的背面进行PCB印刷,形成第一接地电路401和第二接地电路402。
第一接地电路401,用于将第三辐射臂203接地;第二接地电路402,用于将第一辐射臂201接地。
第一接地电路401可以覆盖第一馈电面载体第二上凸台1022的全部或部分区域。第一接地电路401覆盖第一馈电面载体第二上凸台1022的部分为第一接地电路上焊脚面4011,第一接地电路上焊脚面4011与第三辐射臂203电气连接。
第二接地电路402可以覆盖第一馈电面载体第一上凸台1021的全部或部分区域。第二接地电路402覆盖第一馈电面载第一上凸台1021的部分为第二接地电路上焊脚面4021,第二接地电路上焊脚面4021与第一辐射臂201电气连接。
第一接地电路401可以覆盖第一馈电面载体第二下凸台1024的全部或部分区域。第一接地电路401覆盖第一馈电面载体第二下凸台1024的部分为第一接地电路下焊脚面4012,第一接地电路下焊脚面4012与功分电路板上的功分电路电气连接。
第二接地电路402可以覆盖第一馈电面载体第一下凸台1023的全部或部分区域。第二接地电路402覆盖第一馈电面载体第一下凸台1023的部分为第二接地电路下焊脚面4022,第二接地电路下焊脚面4022与功分电路板上的功分电路电气连接。
本发明实施例通过在第一馈电面载体相对的两个侧面分别设置第一馈电电路,及第一接地电路和第二接地电路,实现馈电及接地,能保证辐射单元的正常工作,从而能实现更好地极化隔离度。
图5为根据本发明实施例提供的辐射单元中第二馈电面载体的主视图。基于上述各实施例的内容,如图5所示,第二馈电面载体103的一个侧面设有第二馈电电路302。
可以理解的是,为了实现整体结构装配,第二馈电面载体103上端设置了第二馈电面载体第一上凸台1031和第二馈电面载体第二上凸台1032,下端设置了第二馈电面载体第一下凸台1033和第二馈电面载体第二下凸台1034。
可以理解的是,辐射面载体101上可以设置与第二馈电面载体第一上凸台1031和第二馈电面载体第二上凸台1032相对应的孔洞,第二辐射臂202上可以设置与第二馈电面载体第二上凸台1032相对应的孔洞,第三辐射臂203上可以设置与第二馈电面载体第一上凸台1031相对应的孔洞,第二馈电面载体第一上凸台1031和第二馈电面载体第二上凸台1032穿过辐射面载体101,并与辐射面载体101实现结构连接。
可以理解的是,功分电路板上可以设置与第二馈电面载体第一下凸台1033和第二馈电面载体第二下凸台1034相对应的孔洞,第二馈电面载体第一下凸台1033和第二馈电面载体第二下凸台1034穿过功分电路板,并与功分电路板实现结构连接。
优选地,第二馈电面载体103可以为板状或块状结构,在第二馈电面载体103的正面设置有第二馈电电路302。
第二馈电电路302,用于实现馈电。
优选地,第二馈电面载体103可以为印制电路板(PCB,Printed Circuit Board,又称印刷线路板)。通过在第二馈电面载体103的正面进行PCB印刷,形成第二馈电电路302。
第二馈电电路302可以覆盖第二馈电面载体第一下凸台1033的全部或部分区域。第二馈电电路302覆盖第二馈电面载体第一下凸台1033的部分为第二馈电面焊接面3021,第二馈电面焊接面3021与功分电路板上的功分电路电气连接。
第一馈电电路301形成的馈电面和第二馈电电路302形成的馈电面分别沿正45度方向和负45度方向,形成正交,并且第一馈电电路301形成的馈电面和第二馈电电路302形成的馈电面,均不与辐射体20形成的辐射面直接接触,从而可以形成耦合馈电。
图6为根据本发明实施例提供的辐射单元中第二馈电面载体的后视图。如图6所示,第二馈电面载体103与该侧面相对的另一个侧面,设有互不连接的第三接地电路403和第四接地电路404。
具体地,在第二馈电面载体103的背面设置有第三接地电路403和第四接地电路404。第三接地电路403和第四接地电路404之间,不存在电气连接。
第二馈电面载体103可以为印制电路板。通过在第二馈电面载体103的背面进行PCB印刷,形成第三接地电路403和第四接地电路404。
第三接地电路403,用于将第四辐射臂204接地;第四接地电路404,用于将第二辐射臂202接地。
第三接地电路403可以覆盖第二馈电面载体第二上凸台1032的全部或部分区域。第三接地电路403覆盖第二馈电面载体第二上凸台1032的部分为第三接地电路上焊脚面4031,第三接地电路上焊脚面4031与第四辐射臂204电气连接。
第四接地电路404可以覆盖第二馈电面载体第一上凸台1031的全部或部分区域。第四接地电路404覆盖第一馈电面载第一上凸台1031的部分为第四接地电路上焊脚面4041,第四接地电路上焊脚面4041与第二辐射臂202电气连接。
第三接地电路403可以覆盖第二馈电面载体第二下凸台1034的全部或部分区域。第三接地电路403覆盖第二馈电面载体第二下凸台1034的部分为第三接地电路下焊脚面4032,第三接地电路下焊脚面4032与功分电路板上的功分电路电气连接。
第四接地电路404可以覆盖第二馈电面载体第二下凸台1034的全部或部分区域。第四接地电路404覆盖第二馈电面载体第二下凸台1034的部分为第四接地电路下焊脚面4042,第四接地电路下焊脚面4042与功分电路板上的功分电路电气连接。
本发明实施例通过在第二馈电面载体相对的两个侧面分别设置第二馈电电路,及第三接地电路和第四接地电路,实现馈电及接地,能保证辐射单元的正常工作,从而能实现更好地极化隔离度。
基于上述各实施例的内容,第一接地电路401和第二接地电路402,均为缺陷地结构。
具体地,第一接地电路401和第二接地电路402,可以均为局部覆铜的缺陷地结构,用于扩展带宽。
缺陷地结构(Defected Ground Structure,DGS)是在微带线的接地金属板上刻蚀周期或非周期的栅格结构,改变传输线的分布电感和分布电容,获得带阻特性和慢波特性等。
本发明实施例通过将第一接地电路和第二接地电路设置为缺陷地结构,能扩展辐射单元的带宽。
基于上述各实施例的内容,第三接地电路403和第四接地电路404,均为缺陷地结构。
具体地,第三接地电路403和第四接地电路404,可以均为局部覆铜的缺陷地结构,用于扩展带宽。
本发明实施例通过将第三接地电路和第四接地电路设置为缺陷地结构,能扩展辐射单元的带宽。
基于上述各实施例的内容,辐射体20是通过PCB印刷、塑造、钣金或压铸成型的。
具体地,可以通过将金属导体通过塑造、钣金或压铸等方式成型,形成辐射体20。
辐射面载体101为PCB时,还可以通过PCB印刷的方式在辐射面载体101的上表面和/或下表面进行印刷,形成辐射体20。
本发明实施例通过PCB印刷、塑造、钣金或压铸方式,将辐射体成型,使得辐射单元的设计和制造更加灵活、方便。
图7为根据本发明实施例提供的辐射单元的隔离度对比示意图。图7示出了半波振子结构、类半波振子结构、全波振子结构的辐射单元和本发明实施例提供的类全波振子结构的辐射单元的隔离度。
半波振子结构与本发明实施例提供的类全波振子结构相比,区别在于不包括辐射框和连接体。
类半波振子结构与半波振子结构结构相比,区别在于每个辐射臂的末端为开口结构,存在两个端点。
全波振子结构与类半波振子结构相比,区别在于每两个相邻的辐射臂通过共用的振子臂连接,每个辐射臂的末端的两个端点分别通过不同的共用的振子臂,连接不同的两个其他辐射臂。
当对某个极化增加激励时,电流沿激励方向流动,辐射面上各个位置会存在电流的强弱分别,当两个极化之间电流密度分布最强时,极化耦合最强,隔离度最差,当两个极化之间电流密度分布最弱时,极化耦合最弱,隔离度最好。其中极化隔离度指的是一个极化到另一个极化的耦合电流强弱,常用S21和S12表示,分别对应激励为P1和P2。
沿逆时针方向,上述四种结构的辐射单元均包括第一辐射臂、第二辐射臂、第三辐射臂和第四辐射臂。第一辐射臂和第三辐射臂组成一个极化,记为正45度振子;第二辐射臂和第四辐射臂组成另一个极化,记为负45度振子。
对于半波振子结构的辐射单元,正45度振子增加激励P1时,第三辐射臂和负45度振子之间的电流最强,耦合最强,相应的极化隔离度S21比较差;负45度振子增加激励P2时,第四辐射臂和正45度振子之间电流最强,耦合也最强,相应的极化隔离度S12也比较差。
对于类半波振子结构的辐射单元,正45度振子增加激励P1时,第一辐射臂和第二辐射臂之间,以及第三辐射臂和第四辐射臂之间电流最强,相对于半波振子结构,类半波振子结构两个极化之间电流更强,耦合更强,对应的极化隔离度S21更差;负45度振子增加激励P2时,第一辐射臂和第二辐射臂之间,以及第三辐射臂和类半波第四辐射臂之间电流最强,相对于半波振子结构,类半波振子结构两个极化之间电流更强,耦合更强,对应的极化隔离度S12更差。
由此可知,半波振子结构顶点断开呈类半波结构,两个极化之间耦合强,极化隔离度差。
对于全波振子结构的辐射单元,正45度振子增加激励P1时,第一辐射臂和第二辐射臂之间,以及第三辐射臂和第四辐射臂之间电流最强,与类半波振子和半波振子结构不同的是,全波振子结构部分电流分布在辐射臂的末端上;负45度全波振子增加激励P2时,第一辐射臂和第二辐射臂之间,以及第三辐射臂和第四辐射臂之间电流最强,与类半波振子和半波振子结构不同的是,全波振子结构部分电流分布在辐射臂末端上。
对于本发明上述任一实施例提供的类全波振子结构的辐射单元,正45度振子增加激励P1时,最强电流分布在第一辐射臂和第三辐射臂的末端,第二辐射臂和第四辐射臂的末端也存在强电流分布,而两个极化之间电流最强点分布距离较远,耦合减小,极化隔离度S21最优;负45度振子增加激励P2时,最强电流分布在第二辐射臂和第四辐射臂的末端,第一辐射臂2081和第三辐射臂的末端也存在强电流分布,而两个极化之间电流最强点分布距离较远,耦合减小,极化隔离度S12最优。
图7示出了上述四种结构的辐射单元的S12,横坐标为频率(单位GHz),纵坐标为S12(单位dB)。从图7可以看出,类全波振子结构的辐射单元极化隔离度明显优于其他三种结构的辐射单元,与电流分布得到的结论一致。
将全波振子结构的对角连接成一体呈闭合状,或者将半波振子结构四个对角顶点沿极化方向外延一连接面,连接面一端与半波振子顶点相连,另一端与辐射框相连,使得两个极化之间辐射电流减小,电流最强点分布在辐射臂末端,减小两个极化辐射臂之间的电流强度,同时使得电流最强点位于辐射臂末端上,增加了两个极化之间的耦合距离,减小了极化之间的耦合,改善了极化隔离度。
基于上述各实施例的内容,一种天线包括上述任一辐射单元实施例提供的辐射单元。
具体地,天线可以由功分电路板和若干个辐射单元组成。
辐射单元,可以为上述任一辐射单元实施例提供的辐射单元。
图8为根据本发明实施例提供的天线的隔离度对比示意图。图8示出了包括半波振子结构、类半波振子结构、全波振子结构的辐射单元的天线和本发明实施例提供的包括类全波振子结构的辐射单元的天线的隔离度。
图8示出了上述四种结构的天线的S12,横坐标为频率(单位GHz),纵坐标为S12(单位dB)。从图8可以看出,包括类全波振子结构的辐射单元的天线的极化隔离度,明显优于包括其他三种结构的辐射单元的天线。
本发明实施例提供的包括类全波振子结构的辐射单元的天线,具有更好地改善阵列天线的极化隔离度。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。