CN110996496A - 电路板、天线组件和双极化天线 - Google Patents

电路板、天线组件和双极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电路板、天线组件和双极化天线，该电路板包括第一介质层、馈线层和第一金属层；馈线层包括水平极化馈线、垂直极化馈线和第一连接线路，第一连接线路用于将第一介质层的底面分隔成两个相对独立的区域，水平极化馈线和垂直极化馈线分别设置在两个区域内；第一金属层上且与水平极化馈线和垂直极化馈线对应的位置分别设置有水平极化耦合缝隙和垂直极化耦合缝隙，第一金属层通过第一金属化孔与第一连接线路连接。电路板配合外部的隔离板，可以将水平极化馈线和垂直极化馈线进行隔离，消除水平极化馈线和垂直极化馈线之间的电磁耦合，有利于提高双极化天线的隔离度，降低交叉极化分量。

Description

电路板、天线组件和双极化天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种电路板、天线组件和双极化天线。
背景技术
在现代无线通信系统中，双极化天线作为一个基础的辐射单元被广泛应用于基站天线、相控阵天线中，来实现系统性能的提升。
对于基站天线来说，使用极化分集技术是减小多径损耗的一种实现方式。由于双极化天线是在一个天线上实现两个互相正交的极化分量信号收发，相对于分别采用两个天线进行收发信号的天线的实现方式上，节省了天线的数量，从而减小天线整体体积，降低了重量。
对于双极化天线来说，除了常规的天线性能指标以外，极化隔离度成为衡量一个双极化性能好坏的重要指标，其直接影响了天线两个极化的交叉极化分量，该分量可通过交叉极化鉴别率这一性能指标表示。这一指标使得天线的设计难度大大增加。设计具有高极化隔离度的双极化天线成为了工程师的设计重点。
另外的，对于相控阵天线来说，由于收发组件在工作时会产生大量的热量，这些热量如果不能及时传走，则会导致收发组件的温度越来越高，过高的温度不仅会影响收发组件的性能，还会加速各个器件的老化速度，降低系统寿命。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电路板，能够提高双极化天线的隔离度。
本发明还提出一种具有上述电路板的天线组件。
本发明还提出一种具有上述天线组件的双极化天线。
根据本发明的第一方面实施例的电路板，包括第一介质层，设置有若干个第一金属化孔；馈线层，设置在所述第一介质层的底面，包括水平极化馈线、垂直极化馈线和第一连接线路，所述第一连接线路用于将所述第一介质层的底面分隔成两个相对独立的区域，所述水平极化馈线和所述垂直极化馈线分别设置在两个所述区域内，所述水平极化馈线和所述垂直极化馈线的端部分别设置有相应的连接器安装位；第一金属层，设置在所述第一介质层的表面，所述第一金属层上且与所述水平极化馈线和所述垂直极化馈线对应的位置分别设置有水平极化耦合缝隙和垂直极化耦合缝隙，所述第一金属层通过所述第一金属化孔与所述第一连接线路连接。
根据本发明实施例的电路板，至少具有如下有益效果：
该电路板可应用于双极化天线，在使用时，电路板配合外部的隔离板，可以将水平极化馈线和垂直极化馈线进行隔离，消除水平极化馈线和垂直极化馈线之间的电磁耦合，有利于提高双极化天线的隔离度，降低交叉极化分量，使双极化天线的两个极化的端口反射系数和增益方向图具有高度的一致性。
根据本发明的一些实施例，电路板还包括设置在所述第一金属层表面的第二介质层，所述第二介质层上设置有若干个第二金属化孔，所述第二介质层的上表面设置有第一金属片，所述第一金属片的外围设置有第二连接线路，所述第二连接线路通过所述第二金属化孔与所述第一金属层连接。
根据本发明第二方面实施例的天线组件，包括根据本发明第一方面的电路板；隔离板，设置在所述电路板的底部且与所述第一连接线路连接，所述隔离板上设置有两个隔离区域，所述水平极化馈线和所述垂直极化馈线分别位于两个所述隔离区域内，所述隔离板的底部设置有与所述连接器安装位对应的避让孔。
根据本发明实施例的天线组件，至少具有如下有益效果：
该天线组件可应用于双极化天线，电路板配合隔离板，可以将水平极化馈线和垂直极化馈线进行隔离，消除水平极化馈线和垂直极化馈线之间的电磁耦合，有利于提高双极化天线的隔离度，降低交叉极化分量，使双极化天线的两个极化的端口反射系数和增益方向图具有高度的一致性。
根据本发明的一些实施例，所述隔离板采用金属板，所述金属板上设置有两个隔离凹腔，所述水平极化馈线和所述垂直极化馈线分别位于两个所述隔离凹腔内。
根据本发明的一些实施例，所述隔离板为隔离电路板，所述离电路板上设置有若干个第三金属化孔，所述隔离电路板的表面设置有与所述第一连接线路对应的第三连接线路，所述隔离电路板的底面为第二金属层，所述第三连接线路通过所述第三金属化孔与所述第二金属层连接。
根据本发明的一些实施例，所述电路板和所述隔离电路板集成于一PCB板上。
根据本发明第三方面实施例的双极化天线，包括根据本发明第二方面实施例的天线组件，安装有水平极化射频连接器和垂直极化射频连接器；金属围栏，安装在所述天线组件的上表面；上层电路板，安装在所示金属围栏的上表面。
根据本发明实施例的双极化天线，至少具有如下有益效果：
电路板配合隔离板，可以将水平极化馈线和垂直极化馈线进行隔离，消除水平极化馈线和垂直极化馈线之间的电磁耦合，有利于提高双极化天线的隔离度，降低交叉极化分量，使双极化天线的两个极化的端口反射系数和增益方向图具有高度的一致性。
根据本发明的一些实施例，所述上层电路板包括第三介质层以及设置在所述第三介质层上的第二金属片。
根据本发明的一些实施例，所述天线组件、所述金属围栏和所述上层电路板通过胶粘、铆接或紧固件连接。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的电路板的叠层分解示意图之一；
图2为本发明实施例的电路板的叠层分解示意图之一；
图3为本发明实施例的天线组件的爆炸示意图；
图4为本发明实施例的天线组件的隔离板的叠层分解示意图；
图5为本发明实施例的双极化天线的爆炸示意图；
图6为本发明实施例的双极化天线的结构示意图；
图7为本发明实施例的双极化天线端口的反射系数和传输系数图；
图8为本发明实施例的双极化天线水平极化增益方向图；
图9为本发明实施例的双极化天线垂直极化增益方向图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
请参照图1，本实施例公开了一种电路板，包括第一介质层110、馈线层120和第一金属层130，第一介质层110设置有若干个第一金属化孔111；馈线层120设置在第一介质层110的底面，馈线层120包括水平极化馈线121、垂直极化馈线122和第一连接线路123，第一连接线路123用于将第一介质层110的底面分隔成两个相对独立的区域，水平极化馈线121和垂直极化馈线122分别设置在两个区域内，水平极化馈线121和垂直极化馈线122的端部分别设置有相应的连接器安装位；第一金属层130设置在第一介质层110的表面，第一金属层130上且与水平极化馈线121和垂直极化馈线122对应的位置分别设置有水平极化耦合缝隙131和垂直极化耦合缝隙132，第一金属层130通过第一金属化孔111与第一连接线路123连接。在生产加工时，水平极化耦合缝隙131和垂直极化耦合缝隙132可通过蚀刻的方式成型。
该电路板100可应用于双极化天线，在使用时，水平极化射频连接器124和垂直极化射频连接器125分别焊接在相应的连接器安装位上，多个第一金属化孔111排列组合，相当于金属罩的侧壁，第一金属化孔111和第一金属层130配合相当于金属罩，电路板100配合下述的隔离板，可以将水平极化馈线121和垂直极化馈线122进行隔离，消除水平极化馈线121和垂直极化馈线122之间的电磁耦合，有利于提高双极化天线的隔离度，降低交叉极化分量，使双极化天线的两个极化的端口反射系数和增益方向图具有高度的一致性。
请参照图2，电路板100还包括设置在第一金属层130表面的第二介质层140，第二介质层140上设置有若干个第二金属化孔141，第二介质层140的上表面设置有第一金属片151，第一金属片151的外围设置有第二连接线路152，第二连接线路152通过第二金属化孔141与第一金属层130连接。在使用时，水平极化射频连接器124和垂直极化射频连接器125分别焊接在相应的连接器安装位上，外部信号通过水平极化射频连接器124传输到水平极化馈线121的水平极化部分上，水平极化馈线121的能量通过水平极化耦合缝隙131耦合到第一金属片151上，然后通过第一金属片151进行辐射，同理，外部信号可通过垂直极化射频连接器125传输到垂直极化馈线122的垂直极化部分上，并通过第一金属片151进行能量辐射。第一连接线路123和第一金属化孔111用于连接下述的隔离板，第二连接线路152和第二金属化孔141用于连接下述的金属围栏300，以使隔离板和金属围栏300形成半封闭的腔体，从而消除双极化天线的表面波，以及降低双极化天线的后向辐射，提高前后比，进而提高双极化天线的增益。
请参照图3，根据本发明第二方面实施例的天线组件，包括上述的电路板100和隔离板；隔离板设置在电路板100的底部且与第一连接线路123连接，隔离板上设置有两个隔离区域，两个隔离区域分别对应于由第一连接线路123分隔成的两个区域，水平极化馈线121和垂直极化馈线122分别位于两个隔离区域内，隔离板的底部设置有与连接器安装位对应的避让孔201，水平极化射频连接器124和垂直极化射频连接器125分别穿设于对应的避让孔201。
请参照图2和图3，该天线组件可应用于双极化天线，电路板100配合隔离板，可以将水平极化馈线121和垂直极化馈线122进行隔离，消除水平极化馈线121和垂直极化馈线122之间的电磁耦合，有利于提高双极化天线的隔离度，降低交叉极化分量，使双极化天线的两个极化的端口反射系数和增益方向图具有高度的一致性。
具体的，隔离板采用金属板200，金属板200上设置有两个隔离凹腔202，水平极化馈线121和垂直极化馈线122分别位于两个隔离凹腔202内。第一连接线路123和第一金属化孔111使隔离板和第一金属层130连接并形成两个隔离的腔体，由于水平极化馈线121和垂直极化馈线122被隔离，信号能量分别通过水平耦合缝隙131和垂直耦合缝隙132进行耦合，馈线及耦合缝隙的馈电结构使得双极化天线的各个极化具有较高的极化纯度，从而使得交叉极化分量降低，获得良好的辐射性能。
请参照图4，除了金属板外，隔离板还可以采用隔离电路板210，隔离电路板210上设置有若干个第三金属化孔211，隔离电路板210的表面设置有与第一连接线路123对应的第三连接线路212，隔离电路板210的底面为第二金属层213，第三连接线路212通过第三金属化孔211与第二金属层213连接。第三连接线路212将隔离电路板210的表面分隔成两个相对独立的区域，第三连接线路212、第三金属化孔211和第二金属层213形成两个隔离区域，隔离区域在功能上相当于上述的隔离凹腔202，水平极化馈线121和垂直极化馈线122分别位于两个隔离区域内，隔离板和电路板100贴合后，可以消除两个馈线网络之间的内部电磁耦合，有利于提高双极化天线的隔离度。
进一步的，电路板100和隔离电路板210集成于一PCB板上，实现集成设置，缩小产品体积和节约生产成本。
请参照图5和图6，根据本发明第三方面实施例的双极化天线，包括上述的天线组件、金属围栏300和上层电路板400，天线组件安装有水平极化射频连接器124和垂直极化射频连接器125；金属围栏300安装在天线组件的上表面，具体的，金属围栏300与第二连接线路152连接；上层电路板400安装在所示金属围栏300的上表面。
电路板100配合隔离板，可以将水平极化馈线121和垂直极化馈线122进行隔离，消除水平极化馈线121和垂直极化馈线122之间的电磁耦合，有利于提高双极化天线的隔离度，降低交叉极化分量，使双极化天线的两个极化的端口反射系数和增益方向图具有高度的一致性。隔离板和金属围栏300可以有效降低双极化天线的后向辐射分量，从而实现半全向辐射。电路板100上的热量可通过第二金属化孔141传导到金属围栏300，并通过金属围栏300进行热量扩散，有利于提高散热效率。
请参照图5，上层电路板400包括第三介质层410以及设置在第三介质层410上的第二金属片420。需要说明的是，第二金属片420可以设置在第三介质层410的表面或底面。本实施例中，第二金属片420设置在第三介质层410的底面，上层电路板400起到天线罩的作用，装配后，第二金属片420设置在金属围栏300内部，避免与外部环境接触，可有效降低产品的老化速度。通过调节第一金属片151和第二金属片420的尺寸以及水平极化耦合缝隙131和垂直极化耦合缝隙132的尺寸，可以调节双极化天线水平极化和垂直极化的输入阻抗，达到阻抗匹配的目的，从而实现宽带天线。第一金属片151和第二金属片420之间存在空气介质，使双极化天线具有空气层的堆叠式微带天线结构，从而使双极化天线增加一个谐振点，令双极化天线的输入阻抗变得平缓，有利于提高双极化天线的工作带宽。
天线组件、金属围栏300和上层电路板400均为相对独立的模块，装配结构简单，使用灵活性高，装配时，天线组件、金属围栏300和上层电路板400通过胶粘、铆接或紧固件500连接等方式进行组装固定，紧固件500包括螺钉、螺栓和销钉。金属围栏300还有利于提高产品的结构强度，使产品更加可靠耐用。
以下是通过上述方案设计的一款S波段双极化天线：
1、第三介质层410的厚度为1.5mm，相对介电常数为3.6，长度和宽度均为50mm，第二金属片420的尺寸为28mmX28mm；
2、金属围栏300的截面尺寸为50mmX50mm，金属围栏300的高度为10mm；
3、第二介质层140的厚度为1.5mm，第一介质层110的厚度为0.8mm，第一介质层110和第二介质层140的相对介电常数均为3.6，水平极化耦合缝隙131长度为17.7mm，最大宽度为3.8mm，垂直极化耦合缝隙132长度为12.6mm，最大宽度为3.6mm，第一金属片151的尺寸为22mmX22mm，第一金属化孔111和第二金属化孔141的直径均为0.4mm；
4、隔离板采用金属板，截面尺寸为50mmX50mm，隔离凹腔202的深度为3mm。
请参照图7，图7为S波段双极化天线端口的反射系数和传输系数图。从图中可知，两个极化端口的工作带宽较宽，其中水平极化为2.50GHz～3.14GHz，垂直极化为2.50GHz～3.14GHz。在该工作频带内，两个极化端口之间的传输系数主要在-46dB以下，因此，该S波段双极化天线的极化隔离度达到46dB以上，天线具有较高的端口隔离度。
请参照图8，图8为双极化天线水平极化增益方向图。从图中可知，水平极化增益高于6dBi，交叉极化分量小于-33dBi，说明水平极化的交叉极化鉴别率达到39dB以上。
请参照图9，图9为双极化天线垂直极化增益方向图。从图中可知，垂直极化增益高于6dBi，交叉极化分量小于-33dBi，说明垂直极化的交叉极化鉴别率达到39dB以上。
值得注意的是，S波段双极化天线的两个极化的端口反射系数以及增益方向图具有高度的一致性，说明该天线具有良好的辐射性能，可以作为阵列天线单元使用。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种电路板，其特征在于，包括：
第一介质层(110)，设置有若干个第一金属化孔(111)；
馈线层(120)，设置在所述第一介质层(110)的底面，包括水平极化馈线(121)、垂直极化馈线(122)和第一连接线路(123)，所述第一连接线路(123)用于将所述第一介质层(110)的底面分隔成两个相对独立的区域，所述水平极化馈线(121)和所述垂直极化馈线(122)分别设置在两个所述区域内，所述水平极化馈线(121)和所述垂直极化馈线(122)的端部分别设置有相应的连接器安装位；
第一金属层(130)，设置在所述第一介质层(110)的表面，所述第一金属层(130)上且与所述水平极化馈线(121)和所述垂直极化馈线(122)对应的位置分别设置有水平极化耦合缝隙(131)和垂直极化耦合缝隙(132)，所述第一金属层(130)通过所述第一金属化孔(111)与所述第一连接线路(123)连接。
2.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，还包括设置在所述第一金属层(130)表面的第二介质层(140)，所述第二介质层(140)上设置有若干个第二金属化孔(141)，所述第二介质层(140)的上表面设置有第一金属片(151)，所述第一金属片(151)的外围设置有第二连接线路(152)，所述第二连接线路(152)通过所述第二金属化孔(141)与所述第一金属层(130)连接。
3.一种天线组件，其特征在于，包括：
根据权利要求2所述的电路板(100)；
隔离板，设置在所述电路板(100)的底部且与所述第一连接线路(123)连接，所述隔离板上设置有两个隔离区域，所述水平极化馈线(121)和所述垂直极化馈线(122)分别位于两个所述隔离区域内，所述隔离板的底部设置有与所述连接器安装位对应的避让孔(201)。
4.根据权利要求3所述的天线组件，其特征在于，所述隔离板采用金属板(200)，所述金属板(200)上设置有两个隔离凹腔(202)，所述水平极化馈线(121)和所述垂直极化馈线(122)分别位于两个所述隔离凹腔(202)内。
5.根据权利要求3所述的天线组件，其特征在于，所述隔离板为隔离电路板(210)，所述隔离电路板(210)上设置有若干个第三金属化孔(211)，所述隔离电路板(210)的表面设置有与所述第一连接线路(123)对应的第三连接线路(212)，所述隔离电路板(210)的底面为第二金属层(213)，所述第三连接线路(212)通过所述第三金属化孔(211)与所述第二金属层(213)连接。
6.根据权利要求5所述的天线组件，其特征在于，所述电路板(100)和所述隔离电路板(210)集成于一PCB板上。
7.一种双极化天线，其特征在于，包括：
根据权利要求3至6任意一项所述的天线组件，安装有水平极化射频连接器(124)和垂直极化射频连接器(125)；
金属围栏(300)，安装在所述天线组件的上表面；
上层电路板(400)，安装在所示金属围栏(300)的上表面。
8.根据权利要求7所述的双极化天线，其特征在于，所述上层电路板(400)包括第三介质层(410)以及设置在所述第三介质层(410)上的第二金属片(420)。
9.根据权利要求7或8所述的双极化天线，其特征在于，所述天线组件、所述金属围栏(300)和所述上层电路板(400)通过胶粘、铆接或紧固件(500)连接。
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