CN110890617A - 一种pcb振子带宽提升方法、pcb振子及基站天线辐射单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种PCB振子带宽提升方法，其特征在于，在PCB振子的正面设置辐射臂，在PCB振子的背面设置金属贴片，利用所述金属贴片与所述辐射臂之间的耦合对辐射面内环和外环进行划分，从而改善高频、低频的阻抗匹配，使所述PCB振子在高频、低频两种模式间平滑转换，进而达到扩展所述PCB振子带宽的目的。本发明保持了辐射面的平面结构，便于采用印制电路工艺加工，批量生产成本低廉；同时，金属贴片可视为对金属压铸振子凸点调谐方式的平面化模拟，可实现金属压铸振子同等的辐射口面和工作带宽。本发明还提供一种PCB振子及基站天线辐射单元。
Description
技术领域
本发明专利涉及基站天线领域，特别是涉及一种不破坏辐射面平面结构的PCB振子带宽扩展方法、PCB振子及采用上述PCB振子的超宽频基站天线辐射单元。
背景技术
作为基本的无线信号发射和接收单元，振子犹如基站天线的细胞，其各项指标对基站天线整机的重要性是不言而喻的。为了满足日益高涨的新频谱、超宽带、小型化、集成化的需求，各基站天线厂家在开发小型化、超宽频辐射单元方面展开了激烈竞争，力图在5G市场占据更大的份额。新的辐射单元的开发必然紧密伴随新材料的应用，天线振子经过数次技术迭代，经历了金属压铸单元、钣金冲压单元、PCB印制单元以及最新的塑料电镀(Plastic Plating，简称PP)一体成型、激光烧结成型(Laser Direct Structuring，简称LDS)等不同工艺。
目前来看，金属压铸工艺最为成熟，各项指标优良，缺点是开模周期长，成本高，不适应5G时代定制化、小批量生产模式；塑料电镀和激光烧结成型技术上欠成熟，成本居高不下，而且无源互调等技术指标并未被业界普遍接受；PCB印制单元性能和成本都被业界广泛接受，其平面印制加工工艺无需开模，加工周期短，成本低廉，批量生产一致性好，无论是定制化、小批量供货还是规模化生产都极具竞争力。必须承认，与金属压铸振子相比，PCB振子存在以下不足：1)PCB振子无法像金属压铸振子一样利用辐射臂的厚度(垂直于辐射面方向)优化辐射电流和进行阻抗匹配，导致PCB振子带宽受限；2)如果生硬模仿金属压铸振子优化辐射臂的方法，通过垂直于PCB辐射面加载寄生单元(如：垂直于PCB所在平面的金属片或PCB板)，势必破坏平面结构，有悖于纯粹的印制电路板工业化生产模式，且加工和焊接固定上述寄生单元也会增加成本。因而，在PCB振子中，如何既保持便于印制电路加工的平面结构，又能扩展带宽和减小尺寸具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的一个目的在于在于提供一种提升PCB振子带宽的方法，实现PCB振子在1700～2700MHz内的超宽频工作。
本发明的另一个目的在于提供一种利用上述方法制得的PCB振子。
本发明的再一个目的在于提供一种具有上述PCB振子的、超宽频、高增益基站天线单元。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种PCB振子带宽提升方法，其特征在于，在PCB振子的正面设置辐射臂，在PCB振子的背面设置金属贴片，利用所述金属贴片与所述辐射臂之间的耦合对辐射面内环和外环进行划分，从而改善高频、低频的阻抗匹配，使所述PCB振子在高频、低频两种模式间平滑转换，进而达到扩展所述PCB振子带宽的目的。
更为优选的是，所述辐射臂和所述金属贴片都为印制在所述PCB振子上的覆铜层。
更为优选的是，所述金属贴片设置在所述辐射臂在所述背面正投影的间隙处，所述金属贴片包括中心贴片和边缘贴片中的至少一种，所述中心贴片用来增强所述辐射臂之间的耦合对高频谐振进行调谐，从而改善高频阻抗匹配；所述边缘贴片用来对低频谐振进行调谐，从而改善低频阻抗匹配。
更为优选的是，所述辐射臂为四个全波折合振子构成的双极化全波振子，各所述全波折合振子收尾处串联起来形成±45°双极化辐射单元。
一种PCB振子，包括：介质基板，印制在所述介质基板正面的辐射臂；其特征在于，在所述介质基板的背面印制有金属贴片，所述金属贴片位于所述辐射臂在所述背面正投影的间隙处。
更为优选的是，所述辐射臂和所述金属贴片构成辐射面，所述金属贴片包括与所述辐射面内环对应的中心贴片和与所述辐射面外环对应的边缘贴片中的至少一种。
更为优选的是，所述辐射臂为四个全波折合振子构成的双极化全波振子，各所述全波折合振子收尾处串联起来形成±45°双极化辐射单元；所述中心贴片位于各所述辐射臂的正投影内，所述边缘贴片位于相邻两所述辐射臂的正投影之间。
一种基站天线辐射单元，包括：馈电PCB、巴伦和辐射振子，所述巴伦的两端分别连接所述馈电PCB和所述辐射振子；其特征在于，所述辐射振子为如上所述的PCB振子。
更为优选的是，所述巴伦由两个分别与±45°极化对应的PCB板组成，两所述PCB板通过中心开槽交叉相扣后与所述辐射振子及所述馈电PCB榫卯连接在一起；各所述PCB板上均设有依次连接的终端开路枝节、变换段和馈线焊盘。
更为优选的是，所述馈电PCB的正面印制有馈电图案，所述馈电PCB的背面为金属地，在所述金属地上设有将+45°极化与-45°极化隔开的隔离槽。
本发明的有益效果是：
一、通过在PCB振子的背面设置金属贴片，利用所述金属贴片与所述辐射臂之间的耦合对辐射面内环和外环进行划分，从而改善高频、低频的阻抗匹配，使所述PCB振子在高频、低频两种模式间平滑转换，进而达到扩展所述PCB振子带宽的目的；保持了辐射面的平面结构，便于采用印制电路工艺加工，批量生产成本低廉。
二、金属贴片可视为对金属压铸振子凸点调谐方式的平面化模拟，可实现金属压铸振子同等的辐射口面和工作带宽。
三、金属贴片采用覆铜形式，设计灵活，可根据具体指标对耦合覆铜的位置、形状(长度和宽度)和数量进行优化设计。
附图说明
图1所示为本发明提供的PCB振子带宽提升方法原理示意图。
图2所示为PCB振子在高频和低频两种不同的辐射电流分布模式。
图3所示为本发明提供的PCB振子正面示意图。
图4所示为本发明提供的PCB振子背面示意图。
图5所示为本发明提供的基站天线辐射单元结构示意图。
图6所示为巴伦和馈电PCB结构示意图。
图7所示为基站天线辐射单元增益测量结果。
图8所示为基站天线辐射单元方向图测量结果。
附图标记说明：
1：PCB振子，1-1：金属贴片，1-2：辐射臂，1-3：介质基板，2：馈电PCB，2-1：隔离槽，3：巴伦，3-1：中心开槽，3-2：终端开路枝节，3-3：变换段，3-4：馈线焊盘。
1-1a：调谐凸点。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
如图1所示，一种PCB振子带宽提升方法，其原理为：采用平面化类比金属压铸振子的方式，在PCB振子的背面设置金属贴片1-1，通过金属贴片1-1与PCB振子正面的辐射臂之间的耦合来模拟金属压铸振子调谐凸点1-1a，从而达到类似的扩展带宽的效果。为便于加工，优选所述辐射臂和所述金属贴片1-1都为印制在所述PCB振子上的覆铜层。
如图2所示，其为PCB振子的矢量图，通过该矢量图展示了PCB振子在高频a和低频b两种不同的辐射电流分布模式：高频时，辐射电流集中在辐射臂内环，外环几乎没有辐射电流，上述辐射电流分布模式与偶极子类似；低频时，辐射臂内环和外环都有电流分布。因此低频辐射电场由内环辐射电流和外环辐射电流共同产生，是两者对应辐射场的叠加。
实际设置金属贴片时，将金属贴片设置在所述辐射臂在所述背面正投影的间隙处、并对应内环和外环分别设置中心贴片和边缘贴片，所述中心贴片用来增强所述辐射臂之间的耦合对高频谐振进行调谐，从而改善高频阻抗匹配；所述边缘贴片用来对低频谐振进行调谐，从而改善低频阻抗匹配。利用中心贴片、边缘贴片和辐射臂对辐射面内环和外环进行合理的划分，从而确保两种模式的平滑转换，避免在高低频模式转换时发生阻抗突变。当然，根据实际需要的不同，金属贴片也可仅采用中心贴片和边缘贴片中的一种，不限于本实施例。
如图3、图4所示，其给出了一种PCB振子1，包括：介质基板1-3，印制在所述介质基板1-3正面的辐射臂1-2；其特征在于，在所述介质基板1-3的背面印制有金属贴片1-1，所述金属贴片1-1位于所述辐射臂1-2在所述背面正投影的间隙处。
其中，所述辐射臂1-2和所述金属贴片1-1构成辐射面，所述金属贴片1-1包括与所述辐射面内环A对应的中心贴片和与所述辐射面外环B对应的边缘贴片。通过调节辐射臂1-2的辐射电阻和电抗以及对高低频谐振频率进行优化提升振子工作带宽。
本实施例中，优选所述辐射臂1-2为四个全波折合振子构成的双极化全波振子，各所述全波折合振子收尾处串联起来形成±45°双极化辐射单元；所述中心贴片位于各所述辐射臂1-2的正投影内，所述边缘贴片位于相邻两所述辐射臂1-2的正投影之间。
如图5所示，其展示了一种基站天线辐射单元，包括：馈电PCB2、巴伦3和辐射振子，所述巴伦3的两端分别连接所述馈电PCB2和所述辐射振子；其特征在于，所述辐射振子为如上所述的PCB振子1。其中，PCB振子1上背面金属贴片1-1的应用不仅提升了工作带宽，而且使辐射面尺寸缩小，巴伦高度变矮。
结合图6所示，所述馈电PCB2的正面印制有馈电图案，所述馈电PCB2的背面为金属地，在所述金属地上设有将+45°极化与-45°极化隔开的隔离槽2-1。通过隔离槽2-1可增加极化电流通过公共地传导到对方区域的隔离电阻，进而改善+45°极化与-45°极化之间的隔离度。
所述巴伦3由两个分别与±45°极化对应的PCB板组成，为使展示更加清晰，该图只给出了一个极化方向的PCB板的三维视图，另一个极化方向的PCB板与之类似。两所述PCB板通过中心开槽3-1交叉相扣后与所述PCB振子1及所述馈电PCB2榫卯连接在一起；各所述PCB板上均设有依次连接的终端开路枝节3-2、变换段3-3和馈线焊盘3-4。
为了展示本发明所述之PCB振子带宽提升方法、PCB振子的效用及本发明所述之基站天线辐射单元在带宽和辐射方向图上的优良指标，图7和图8分别展示了上述基站天线辐射单元的增益和方向图测试结果。
从图7可以看出：上述基站天线辐射单元实现了三阶谐振，在1700～2700MHz工作带宽内驻波低于1.4。从图8可以看出：上述基站天线辐射单元在工作带宽内方向图具有优良的一致性，整体呈现较高的增益。
需要强调的是：本实施例所述之PCB振子带宽提升方法的核心是：利用位于PCB振子背面、辐射臂投影缝隙的带状或贴片状覆铜对辐射面谐振进行调谐，以对金属压铸振子调谐凸点进行平面化类比和模拟的方式获得带宽的提升。上述方法并未限制背面带状覆铜的形状、位置和数量，即：既可以同时使用中心贴片和边缘贴片，也可以只采用二者之一；或根据具体的谐振模式和谐振阶数，亦可选择其它任意数量的背面贴片。与之相对应地，本发明所述之PCB振子、基站天线辐射单元亦可以根据具体设计指标优化背面金属贴片的位置和数量；而凡是采用本实施例所述之PCB振子带宽提升方法的设计都理所当然被纳入本实施例所述之PCB振子、基站天线辐射单元的一种具体实现形式。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
Claims (10)
1.一种PCB振子带宽提升方法，其特征在于，在PCB振子的正面设置辐射臂，在PCB振子的背面设置金属贴片，利用所述金属贴片与所述辐射臂之间的耦合对辐射面内环和外环进行划分，从而改善高频、低频的阻抗匹配，使所述PCB振子在高频、低频两种模式间平滑转换，进而达到扩展所述PCB振子带宽的目的。
2.根据权利要求1所述的一种PCB振子带宽提升方法，其特征在于，所述辐射臂和所述金属贴片都为印制在所述PCB振子上的覆铜层。
3.根据权利要求1所述的一种PCB振子带宽提升方法，其特征在于，所述金属贴片设置在所述辐射臂在所述背面正投影的间隙处，所述金属贴片包括中心贴片和边缘贴片中的至少一种，所述中心贴片用来增强所述辐射臂之间的耦合对高频谐振进行调谐，从而改善高频阻抗匹配；所述边缘贴片用来对低频谐振进行调谐，从而改善低频阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的一种PCB振子带宽提升方法，其特征在于，所述辐射臂为四个全波折合振子构成的双极化全波振子，各所述全波折合振子收尾处串联起来形成±45°双极化辐射单元。
5.一种PCB振子，包括：介质基板，印制在所述介质基板正面的辐射臂；其特征在于，在所述介质基板的背面印制有金属贴片，所述金属贴片位于所述辐射臂在所述背面正投影的间隙处。
6.根据权利要求5所述的一种PCB振子，其特征在于，所述辐射臂和所述金属贴片构成辐射面，所述金属贴片包括与所述辐射面内环对应的中心贴片和与所述辐射面外环对应的边缘贴片中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的一种PCB振子，其特征在于，所述辐射臂为四个全波折合振子构成的双极化全波振子，各所述全波折合振子收尾处串联起来形成±45°双极化辐射单元；所述中心贴片位于各所述辐射臂的正投影内，所述边缘贴片位于相邻两所述辐射臂的正投影之间。
8.一种基站天线辐射单元，包括：馈电PCB、巴伦和辐射振子，所述巴伦的两端分别连接所述馈电PCB和所述辐射振子；其特征在于，所述辐射振子为如权利要求4-7中任意一项所述的PCB振子。
9.根据权利要求8所述的一种基站天线辐射单元，其特征在于，所述巴伦由两个分别与±45°极化对应的PCB板组成，两所述PCB板通过中心开槽交叉相扣后与所述辐射振子及所述馈电PCB榫卯连接在一起；各所述PCB板上均设有依次连接的终端开路枝节、变换段和馈线焊盘。
10.根据权利要求8所述的一种基站天线辐射单元，其特征在于，所述馈电PCB的正面印制有馈电图案，所述馈电PCB的背面为金属地，在所述金属地上设有将+45°极化与-45°极化隔开的隔离槽。
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