CN111129749A - 一种双极化天线、天线阵列及通讯设备 - Google Patents

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Abstract

一种双极化天线、天线阵列及通讯设备，该双极化天线包括基板、水平极化天线以及垂直极化天线；其中，所述基板包括第一衬底以及与所述第一衬底层叠的多个第二衬底；所述水平极化天线包括设置在所述第一衬底的第一辐射单元；以及给所述第一辐射单元馈电的第一馈电单元；所述垂直极化单元包括：第二辐射单元以及给所述第二辐射单元馈电的第二馈电单元，其中，所述第二辐射单元包括：设置在每个所述第二衬底的第一金属贴片。在上述技术方案中，通过采用层叠的衬底组成的基板作为支撑件，从而将水平极化天线及垂直极化天线设置在基板上，降低了双极化天线占用的空间。

Description

一种双极化天线、天线阵列及通讯设备
技术领域
本申请涉及到通信技术领域，尤其涉及到一种双极化天线、天线阵列及通讯设备。
背景技术
随着移动通信技术的不断发展，人们对于通信速度的要求越来越高，从2G到3G、4G再到即将到来的5G。5G具有传输速度快的优势，但由于5G的高频段频率达到28GHz，对天线的要求也相应提高。
目前用作室内微基站的吸顶天线，需要天线具有水平全向的辐射特性以实现室内信号的均匀覆盖，同时要求天线能够同时辐射水平极化波和垂直极化波以实现极化分集。由于毫米波段天线尺寸较小，因工艺限制，难以装配垂直的辐射结构，故需要天线能够采用多层PCB的工艺实现。此外由于毫米波段电磁波的路径损耗较大，需要组阵实现高增益，因此对单元天线有小型化的要求。
目前常见的用于室内微基站的全向双极化天线，其垂直极化一般采用金属的单极子或双锥天线等，而水平极化部分一般采用环天线，通过将二者组合实现全向的双极化辐射。但是现有技术中的双极化天线的尺寸比较大，占用空间较大。
发明内容
本申请提供了一种双极化天线、天线阵列及通讯设备，用以降低双极化天线的占用空间。
第一方面，提供了一种双极化天线，该双极化天线包括基板，该基板作为承载体用来设置水平极化天线以及垂直极化天线。在具体设置时，该基板包括多个层叠的结构，具体包括一个第一衬底，以及与该第一衬底层叠的多个第二衬底；其中，第一衬底用来设置水平极化天线，而多个第二衬底用来设置垂直极化天线。在设置水平极化天线时，该水平极化天线包括设置在第一衬底上的第一辐射单元以及给该第一辐射单元馈电的第一馈电单元。而垂直极化天线包括一个第二辐射单元以及给该第二辐射单元馈电的第二馈电点元，其中，该第二辐射单元由多层结构组成，其包括设置在每个第二衬底的第一金属贴片，多个第二金属贴片层叠设置形成垂直极化天线的第二辐射单元。在上述技术方案中，通过采用层叠的衬底组成的基板作为支撑件，从而将水平极化天线及垂直极化天线设置在基板上，从而降低双极化天线占用的空间。
在具体设置水平极化天线时，所述第一辐射单元包括设置在所述第一衬底的一表面上的金属层，以及设置在所述金属层上的多个呈环形排列的缝隙；该缝隙的个数可为不同的个数，如四个、六个、八个等不同个数。对应的，第一馈电单元包括第一馈电线以及与所述第一馈电线连接的功分器网络，且所述功分器网络分别与每个所述缝隙耦合连接。
此外，对于四个缝隙时，该功分器网络还连接了具有移相功能的微带线，该微带线的长度为工作频率对应介质波长的一半，使得相邻的缝隙之间的馈电相位相差180°。
在第一辐射单元及第一馈电单元设置在第一衬底上时，所述第一辐射单元设置在所述第一衬底上朝向所述第二衬底的表面；所述第一馈电线设置在所述第一衬底上背离所述第二衬底的表面。
该双极化天线还包括第三衬底，且所述第三衬底与所述第一衬底分列在所述多个第二衬底的两侧；其中，所述第三衬底背离所述第二衬底的一面设置有多个阵列排列的第二金属贴片；且所述第二金属贴片与所述第一辐射天线耦合连接。通过设置的第二金属贴片来提高水平极化天线的带宽。
在设置垂直极化天线时，所述第二馈电单元包括设置在所述第一衬底上背离所述第二衬底的表面的第二馈电线，以及穿设在所述第一衬底及所述多个第二衬底上的金属化过孔；其中，所述金属化过孔与所述第二馈电线电连接，所述金属化过孔与所述多个第一金属贴片耦合连接。其中，第二馈电线与第一馈电线设置在第一衬底的同一侧。
为了提高垂直极化天线的性能，所述多个第二衬底中至少一个第二衬底上设置有套设在该第二衬底上的第一金属贴片的金属环；且所述金属环与其对应的第一金属贴片耦合连，以改善低频匹配。
在一个具体的实施方案中，所述金属环的个数为两个，且所述两个金属环分别设置在所述多个层叠的第二衬底中位于两端的第二衬底上。当然，该金属环也可以设置在其他的第二衬底上。
在具体进行馈电时，所述金属化过孔与所述第一金属贴片同轴设置。
在具体设置第二金属贴片时，所述多个第一金属贴片同轴设置。并且，第一金属贴片的尺寸可以相同，也可以不同；在具体设置时，多个第二衬底中的第一金属贴片为不同尺寸，通过共轴设置引入新的谐振点拓展垂直极化天线带宽。
第一金属贴片的形状可以为不同的形状，如所述第一金属贴片为圆形、多边形或十字形的金属贴片。当然还可以为其他形状的金属贴片。
第二方面，提供了一种天线阵列，该天线阵列包括上述任一项所述的双极化天线。通过采用层叠的衬底组成的基板作为支撑件，从而将水平极化天线及垂直极化天线设置在基板上，降低了双极化天线占用的空间。
第三方面，提供了一种通讯设备，该通讯设备包括上述任一项的双极化天线或上述的天线阵列。通过采用层叠的衬底组成的基板作为支撑件，从而将水平极化天线及垂直极化天线设置在基板上，以降低双极化天线占用的空间。
附图说明
图1是本申请实施例提供的双极化天线的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的双极化天线的侧视图；
图3是本申请实施例提供的第一辐射单元的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的第一馈电单元的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的第二辐射单元的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的第二辐射单元的另一结构示意图；
图7是本申请实施例提供的第三金属贴片的结构示意图；
图8是图1所示的全向双极化天线两端口仿真驻波示意图；
图9是图1所示的全向双极化天线两端口仿真隔离度示意图；
图10a～图10b是图1所示的全向双极化天线垂直极化端口馈电时水平、俯仰面仿真主极化与交叉极化方向图；
图11a～图11b是图1所示的全向双极化天线水平极化端口馈电时水平、俯仰面仿真主极化与交叉极化方向图；
图12是本申请实施例提供的另一种双极化天线的结构示意图；
图13是本申请实施例提供的另一种双极化天线的结构示意图；
图14是本申请实施例提供的天线阵列的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
为了方便理解本申请实施例提供的双极化天线，首先说明一下其应用场景，在本申请实施例提供的双极化天线应用于室内的微基站。因此，需要双极化天线具有较小的体积。为了实现该效果，本申请实施例提供了一种双极化天线。
在本申请实施例提供的双极化天线中，其包含两部分，分别为水平极化天线以及垂直极化天线。在具体设置两种天线时，通过设置的基板10来支撑，在具体制备上述天线时，该基板10可以采用PCB板，上述天线的结构可以直接印刷到基板10上，当然了还可以采用其他的板材以及其他的制备工艺来形成。如将天线的结构通过粘接或者其他的方式形成到基板10上。
对于承载该天线的结构来说，其包含多层结构，如图1及图2中所示，为了方便描述，对基板10的多层结构进行了命名划分，该多层结构分别为第一衬底11以及第二衬底12，其中，第一衬底11为一层，第二衬底12为多层，且第一衬底11及多层第二衬底12层叠排列形成基板10。以图2中所示的双极化天线的放置方向为参考方向，其中，第一衬底11位于底层，多层第二衬底12位于第一衬底11上方，并且沿竖直方向上依次向上排列。在承载水平极化天线及垂直极化天线时，通过第一衬底11承载水平极化天线的主要结构，通过第二衬底12承载垂直极化天线的主要结构。下面集合附图详细说明水平极化天线以及垂直计划天线在基板10上的设置方式。
一并参考图2及图3，其中，图3示出了水平极化天线的第一辐射单元40的结构。在本申请实施例中，水平极化天线主要包括两部分：第一辐射单元40以及第一馈电单元50。在功能上，第一辐射单元40用于发射信号，而第一馈电单元50用于将信号馈电到第一辐射单元40。在具体设置第一辐射单元40以及第一馈电单元50时，参考图3及图4，其中，第一一辐射单元设置在了第一衬底11的一面，而第一馈电单元50设置在了第一衬底11上相对的另一面，其中，第一辐射单元40所在的设置面朝向第二衬底12的表面；第一馈电线所在的设置面背离第二衬底12的表面。
该第一辐射单元40采用缝隙42辐射的方式。具体的，该第一辐射单元40包括设置在第一衬底11的一表面的金属层41，以及设置在该金属层41上的多个缝隙42。在具体设置该缝隙42时，如图3中所示，该缝隙42设置了四个，且四个缝隙42成环形排列的方式。但是应当理解的是，图3公开的缝隙42的个数仅仅为一个示例。该缝隙42的个数还可以是其他的个数，如六个、八个、十个等不同个数的缝隙42，并且多个缝隙42排列的环形的直径也可以根据需要进行设置，不局限于图3中所示的具体的直径大小。此外，在具体设置上述缝隙42时，该缝隙42均采用长条形的矩形缝隙42，当然还可以采用其他方式的缝隙42，如具有折弯结构的，更具体的如L形或者其他形状的缝隙42。
在实现馈电时，通过第一馈电单元50给第一辐射单元40进行馈电。在具体设置第一馈电单元50时，该第一馈电单元50包括第一馈电线以及与功分器网络，该功分器网络根据具体的缝隙42的个数进行设置。如在四个时，对应设置两个二级功分器，将第一馈电线的信号分别传输到四个缝隙42上。若采用六个或八个时，功分器网络对应进行设置，以保证每个缝隙42均能够实现馈电。此外，在具体设置第一馈电单元50时，该第一馈电单元50位于第一衬底11上与第一辐射单元40相对的另一表面上，并且，功分器网络通过耦合的方式进行馈电，该耦合馈电方式可以包括直接耦合和间接耦合。在直接耦合时，功分器直接与缝隙42的金属侧壁连接；在采用间接耦合时，通过缝隙42的侧壁与功分器形成电容结构，以实现耦合馈电。在具体到图4所示的四个缝隙42时，该功分器网络还连接了具有移相功能的微带线51，该微带线51的长度为工作频率对应介质波长的一半，使得相邻的缝隙42之间的馈电相位相差180°。在具体设置移相器时，移相器的个数为两个，且间隔设置，使得相邻的两缝隙42馈电方向相反，在此情况下为保证各缝隙42的馈电相位一致以形成环形的位移电流，具体实现时，通过设置一段180°相移线。应当理解的是，在缝隙42为多个时，如六个、八个等不同的个数时，也可以采用相应的方式进行设置，但是对应的相移的角度需要根据实际情况而定，只需要形成环形的位移电流即可。
在设置水平极化天线时，为了提高水平极化天线的带宽，还可以设置一个阵列排列的第二金属贴片20，该第二金属贴片20与第一辐射单元40耦合连接，具体的是与上述描述的缝隙42之间耦合。在设置时，第二金属贴片20与第一辐射单元40之间间隔设置，并通过在基板10上设置第三衬底13来支撑该第二金属贴片20，具体的可以参考图1。由图1可以看出，第三衬底13与第一衬底11及第二衬底12层叠设置，并且第三衬底13与第一衬底11分列在多个第二衬底12的两侧，以图1所示的双极化天线的放置方向为例，第三衬底13位于最顶端的第二衬底12的上方。在设置第二金属贴片20时，该第二金属贴片20设置在第三衬底13上背离第二衬底12的一面。并且第二金属贴片20采用阵列排列的方式设置，相邻的第二金属贴片20之间间隔设置。在具体阵列排列时，该第二金属贴片20的排列方向可以与第三衬底13的边沿平行，也可以呈一定的角度倾斜。如图1及图7中所示的结构中，第二金属贴片20的排列方向与第三衬底13的排列方向呈45°的夹角。应当理解的是，上述角度仅仅是个示例，第二金属贴片20的排列方向还可以采用其他的方式排列。并且对于第二金属贴片20的形状也不仅限于图1中所示的长方形，还可以采用其他的形状，只需要能够提高水平极化天线的带宽即可。
对于垂直极化天线来说，该垂直极化天线包括第二辐射单元以及第二馈电单元60。其中，第二辐射单元由多个第一金属贴片70组成，图5示出了其中一个第一金属贴片70的结构形式。以如图1中双极化天线的放置方向为参考方向，多个第一金属贴片70沿竖直方向排列形成。并且在具体设置多个第一金属贴片70时，每个第一金属贴片70与第二衬底12一一对应，即每个第一金属贴片70固定在一个第二衬底12的一个表面上。并且该第一金属贴片70在设置时，相邻的第一金属贴片70之间间隔设置，即第一金属贴片70设置在第二衬底12的同一表面上。并且在具体设置第一辐射单元40、第二辐射单元时，第一辐射单元40的金属层41与第二辐射单元的第一金属贴片70之间均间隔设置，体现在具体的放置方式上时，金属层41、第一金属贴片70分别设置在第一衬底11及第二衬底12的上表面。
该第一金属贴片70的形状可以为不同的形状，如第一金属贴片70为圆形、多边形或十字形的金属贴片。如图5所示，第一金属贴片70采用圆形，而在图12中所示，第一金属贴片70采用六边形，在图13中所示，第一金属贴片70采用十字形。当然第一金属贴片70不仅限于上述具体的形状，还可以为其他形状的金属贴片。但是应当注意的是，在第一金属贴片70确定好形状时，多个第一金属贴片70的形状均相同，如都是圆形，或者都是正方形。对于不同层的第一金属贴片70的尺寸来说，既可以相同，也可以采用不同的方式，如沿竖直方向上从上到下，第一金属贴片70的尺寸逐渐缩小。并且在具体层叠时，多个第一金属贴片70可以采用同轴设置，或者相互之间存在一定偏差的方式设置。在一个具体的实施方案中，多个第二衬底12中的第一金属贴片70为不同尺寸，通过共轴设置引入新的谐振点拓展垂直极化天线带宽。
在具体设置多个第一金属贴片70时，多个第一金属贴片70之间间隔设置，但是间隔的距离应该保证多个第一金属贴片70之间形成极化方向为垂直方向的辐射体。在本申请实施例中，第二衬底12为PCB板，其厚度有限，因此，虽然多个第一金属贴片70之间间隔设置，但是仍可以等效成一个极化方向为竖直方向的辐射体。
对于第一金属贴片70与缝隙42之间的相对位置关系，如图12及图13中所示，其在水平面上的垂直投影既可以相互重叠，也可以相互间隔，在此不作限定，只需要保证在具体设置缝隙42以及第一金属贴片70时，两者之间电隔离即可。对于空间位置，两者可以不做限定，因此，可以采用两者在水平面上的垂直投影存在重叠的方式设置，这样在水平方向上，可以减少水平极化天线占用的空间面积。
此外，为了改善垂直极化天线的性能，如图6所示，该第二辐射单元还包括嵌套在第一金属贴片70的金属环80，在具体设置该金属环80时，该金属环80的形状与第一金属贴片70的形状匹配。即第一金属贴片70为圆形，则金属环80为圆环；在第一金属贴片70为多边形时，金属环80也对应为多边形环；在第一金属片为十字形时，金属环80也对应成十字形。该金属环80在使用时，与其对应的第一金属贴片70同层设置，且耦合连接，该耦合连接为间接耦合连接，在此不再赘述。
对于金属环80的个数，可以为不同的个数。如每个第一金属贴片70均对应一个金属环80，或者只有其中的一部分第金属贴片对应金属环80。应用到本申请实施中时，对金属环80的限定应该满足：多个第二衬底12中至少一个第二衬底12上设置有套设在该第二衬底12上的第一金属贴片70的金属环80；且金属环80与其对应的第一金属贴片70耦合连接，以改善低频匹配。在一个具体的实施方案中，垂直极化天线采用两个金属环80的结构，并且在具体设置两个金属环80时，两个金属环80分别设置在多个层叠的第二衬底12中位于两端的第二衬底12上。当然，该金属环80也可以设置在其他的第二衬底12上。即两个金属环80分别对应位于最上方的第一金属贴片70和位于最下方的第一金属贴片70。当然，应当理解的是，上述仅仅为一个具体的示例，在本申请实施例提供的金属环80不限定于上述图中所示的一种方式，该不限定不仅指个数上的不限定，还包括设置位置的不限定，如金属环80的个数可以为三个、四个等不同的个数。即使金属环80的个数为两个时，该两个金属环80还可以对应位于中间部分的第一金属贴片70。
在具体实现馈电时，该垂直极化天线通过设置的第二馈电单元60进行馈电，该第二馈电单元60包括第二馈电线，如图4中所示，该第二馈电线与第一馈电线设置在第一衬底11的同一平面上。此外，为了实现给第二辐射单元的馈电，该第二馈电单元60还包括一个金属化过孔30，该金属化过孔30穿过第一衬底11以及多个第二衬底12，并且该金属化过孔30与第二馈电线电连接。此外，在具体设置金属化过孔30时，金属化过孔30通过设置第一衬底11及第二衬底12上的不同的孔串联而成，并且多个孔在串联后电连接，在金属化过孔30与第一金属贴片70连接时，采用耦合连接。此外，在具体实现上述技术方案时，金属化过孔30与第一辐射单元40之间电隔离的。如图5中所示金属化过孔30在与第一金属贴片70连接时，与第一金属贴片70的轴线共轴线。在使用时，第二馈电线的信号通过金属化过孔30将信号传递到每个第一金属贴片70上。
为了方便理解本申请实施例提供的双极化天线的性能，对图1所示的双极化天线进行仿真，其结果如图8所示，其中，图8是图1所示的全向双极化天线两端口驻波仿真示意图，由图8可以看出，在26.5GHz～29.5GHz频段内两端口电压驻波比小于2。一并参考图9，图9是图1所示的全向双极化天线两端口隔离度仿真示意图，由图9可以看出，该天线带内隔离度大于26dB。此外，同时参考图10a及图10b，其中，图10a及图10b是图1所示的全向双极化天线垂直极化端口馈电时的水平、俯仰面仿真主极化与交叉极化方向图。在图10a及图10b中，其中实线为主极化，虚线为交叉极化，由图10a及图10b可以看出，该天线水平面交叉极化电平值约-15dB。一并参考图11a及图11b，其中，图11a及图11b是图1所示的全向双极化天线水平极化端口馈电时的水平面仿真主极化与交叉极化方向图。在图11a及图11b中，其中实线为主极化，虚线为交叉极化，天线水平面交叉极化电平值约-14dB。
通过上述描述，可以看出，在采用基板10支撑垂直极化天线和水平极化天线，由于水平极化天线及垂直极化天线的辐射单元均采用金属贴片的方式，因此，可以占用较小的空间面积，并且通过设置的第二金属贴片20以及金属环80，来增大水平极化天线及垂直极化天线的带宽。
此外，如图14所示，本申请实施例提供了一种天线阵列，该天线阵列包括上述任一项的双极化天线。通过采用层叠的衬底组成的基板10作为支撑件，从而将水平极化天线及垂直极化天线设置在基板10上，降低双极化天线占用的空间。
本申请实施例还提供了一种通讯设备，该通讯设备包括上述任一项的双极化天线或上述的天线阵列。通过采用层叠的衬底组成的基板10作为支撑件，从而将水平极化天线及垂直极化天线设置在基板10上，可以降低双极化天线占用的空间。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种双极化天线，其特征在于，包括：基板、水平极化天线以及垂直极化天线；其中，
所述基板包括第一衬底以及与所述第一衬底层叠的多个第二衬底；
所述水平极化天线包括设置在所述第一衬底的第一辐射单元；以及给所述第一辐射单元馈电的第一馈电单元；
所述垂直极化单元包括：第二辐射单元以及给所述第二辐射单元馈电的第二馈电单元，其中，所述第二辐射单元包括：设置在每个所述第二衬底的第一金属贴片。
2.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述第一辐射单元包括设置在所述第一衬底的一表面上的金属层，以及设置在所述金属层上的多个呈环形排列的缝隙；
所述第一馈电单元包括第一馈电线以及与所述第一馈电线连接的功分器网络，且所述功分器网络分别与每个所述缝隙耦合连接。
3.根据权利要求2所述的双极化天线，其特征在于，所述第一辐射单元设置在所述第一衬底上朝向所述第二衬底的表面；所述第一馈电线设置在所述第一衬底上背离所述第二衬底的表面。
4.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，还包括第三衬底，且所述第三衬底与所述第一衬底分列在所述多个第二衬底的两侧；其中，所述第三衬底背离所述第二衬底的一面设置有多个阵列排列的第二金属贴片；且所述第二金属贴片与所述第一辐射天线耦合连接。
5.根据权利要求1～4任一项所述的双极化天线，其特征在于，所述第二馈电单元包括设置在所述第一衬底上背离所述第二衬底的表面的第二馈电线，以及穿设在所述第一衬底及所述多个第二衬底上的金属化过孔；其中，所述金属化过孔与所述第二馈电线电连接，所述金属化过孔与所述多个第一金属贴片耦合连接。
6.根据权利要求5所述的双极化天线，其特征在于，所述多个第二衬底中，至少一个第二衬底上设置有套设在该第二衬底上的第一金属贴片的金属环；且所述金属环与其对应的第一金属贴片耦合连接。
7.根据权利要求6所述的双极化天线，其特征在于，所述金属环的个数为两个，且所述两个金属环分别设置在所述多个层叠的第二衬底中位于两端的第二衬底上。
8.根据权利要求5所述的双极化天线，其特征在于，所述金属化过孔与所述第一金属贴片同轴设置。
9.根据权利要求5所述的双极化天线，其特征在于，所述多个第一金属贴片同轴设置。
10.根据权利要求5所述的双极化天线，其特征在于，所述第一金属贴片为圆形、多边形或十字形的金属贴片。
11.一种天线阵列，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的双极化天线。
12.一种通讯设备，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的双极化天线或如权11所述的天线阵列。
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