CN112106257B - 双极化天线以及天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双极化天线及天线阵列，更具体地，涉及一种双极化天线，包括：顶部，其具有辐射贴片(patch)；底部，其形成有探头(probe)；以及侧部，其沿着所述顶部的外表面形成为具有一定高度，所述侧部包括杯(cup)状的铝结构物，所述顶部、所述底部及所述侧部一体地形成。

Description

双极化天线以及天线阵列
技术领域
本发明涉及双极化天线及天线阵列，更具体地，涉及一种包括杯状铝结构物且能够以简单工艺制作的双极化天线及天线阵列。
背景技术
无线通信系统包括上行链路(uplink，UL)和下行链路(downlink，DL)。基站(basestation，BS)可通过下行链路向用户设备(user equipment，UE)发送信号，用户设备可通过上行链路向基站发送信号。如果支持双工通信，则为了避免上行链路和下行链路上并行传输信号造成的相互干扰，有必要分隔上行链路信号和下行链路信号。
目前，无线通信系统使用的双工模式包括频分双工(frequency divisionduplexing，FDD)和时分双工(time division duplexing，TDD)。在频分双工模式中，上行链路和下行链路中使用不同的载波频率，通过频率保护间隔来分隔上行链路信号和下行链路信号，由此可以实现同时不同频率间的全双工通信。在时分双工模式中，上行链路和下行链路使用不同的通信时间，通过时间保护间隔来分隔接收信号和发送信号，由此可以实现同频不同时的半双工通信。相比用户感受时间而言，时分双工模式使用的时间保护间隔极短，时分双工模式有时会被认为支持全双工通信。
理论上，在使用全双工技术的无线通信系统中，上行链路和下行链路使用相同的时间和相同的频率，频谱效率可以提升一倍。但是，全双工技术目前仍处于研究与实验阶段，如何有效地降低本地自干扰信号对接收远端无线信号的影响，仍然是全双工技术需要解决的关键技术问题。当前的研究方向包括两种类型，一种是在RF模块中通过信号处理，消除本地自干扰信号；另一种是在天线上进行优化，降低进入RF模块的本地自干扰信号的强度。
一般的基站天线结构是，根据增益沿着垂直方向排列单一天线元件，且形成连接所述天线元件连的电路，与一个连接器连接。在所述结构中，相比单一元件的特性，利用整体阵列合成的波束图案及RF特性将作为判别性能的基准。大容量MIMO(Massive MultiInput Multi Output；Massive MIMO)中至少一个元件与连接器连接，根据各个系统可形成水平、垂直或者任意组合，从而执行MIMO天线功能。不同于宏(Macro)阵列天线，基于单一天线元件的波束图案、RF性能将左右整个系统的性能，因此单一元件特性的重要度将被提高。
大容量MIMO中的天线为了实现小型化、低轮廓(Low profile)，接地面积受到限制且形成为平面形状。由于这些条件，与相邻天线元件间的影响相对变大，从而Co-pol、X-pol隔离(isolation)变差的现象凸显。而且，元件的接地面的非对称性造成波束图案的失真及非对称、交叉极化分辨率(Cross-Polarization Discrimination，XPD)降低、整体结构中位于外围和中心的天线元件的波束特性不均匀等问题。
图1是宏阵列天线结构的示意图，图2是大容量MIMO天线结构的示意图。
参照图1，宏阵列天线以相同波段为基准最多可具有8个连接器，而且各连接器沿着垂直方向连接。垂直方向上的波束特性基于阵列因子(Array Factor)而定。水平波束特性可通过在天线元件左右形成具有弯折部的面板来改善其特性。RF特性可通过以与连接器间的连接部为中心形成匹配电路来改善，而且可通过改善本地的结构物来改善隔离。
通过图2中的A部分可知，大容量MIMO天线中至少一个天线元件具有输入/输出连接器，因此形成匹配电路时受到限制。天线元件在垂直方向及水平方向上发生耦合，但很难分别形成用于抑制其耦合的电路。另外，很难形成具有弯折部的面板，根据天线元件的不同位置，接地面的非对称性会导致发生波束图案失真。
因此，有必要开发一种能够最大程度抑制天线元件间的相互影响且能够均匀地维持各天线元件特性的结构。在不增加整体阵列的大小与元件的高度的同时为了改善波束图案、隔离特性，杯状结构较为有效。只是，大容量MIMO中元件数量较多，天线元件间的空间狭窄，因此需要开发一种通过简单工艺即可导出稳定特性的技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明是为了解决如上所述的问题而提出的，其目的在于提供一种能够最大程度抑制天线元件间的相互影响，且能够均匀地维持各天线元件特性的双极化天线及天线阵列。
此外，本发明目的在于，提供一种包括杯状铝结构物的同时可通过简单工艺制作的双极化天线及天线阵列。
此外，本发明目的在于，提供一种双极化天线及天线阵列，其不同于现有组合体，一体地形成，从而不仅容易实现结构稳定性及均匀性，而且通过提供工艺自动化相比于手工作业能够显著缩短时间。
本发明的目的不限于如上所述，对于本发明所属技术领域具有通常知识的技术人员而言，在此未提及的其他目的基于下面的记载内容将显而易见。
(二)技术方案
为了实现如上所述的目的，本发明涉及的双极化天线包括：顶部，其具有辐射贴片(patch)；底部，其形成有探头(probe)；以及侧部，其沿着所述顶部的外表面形成为具有一定高度，所述侧部包括杯状的铝结构物，所述顶部、所述底部及所述侧部一体地形成。
(三)有益效果
本发明能够最大程度抑制天线元件间的影响，且能够均匀地维持各天线元件的特性。
此外，本发明包括杯状铝结构物且能够以简单的工艺制作。
此外，本发明不同于现有组合体，一体地形成，从而不仅可容易实现结构稳定性及均匀性，而且通过工艺自动化相比于手工作业显著缩短时间。
本发明的效果不限于上述说明，对于本发明所属技术领域具有通常知识的技术人员而言，在此未提及的其他效果基于下面的记载内容将显而易见。
附图说明
图1是宏阵列天线结构的示意图。
图2是大量MIMO天线结构的示意图。
图3a是根据本发明一实施例的天线元件的正面立体图。
图3b是根据本发明一实施例的天线元件的背面立体图。
图3c是根据本发明一实施例的天线元件的底部图案构造的透视图。
图3d是根据本发明一实施例的天线元件的接地构造的透视图。
图4是布置根据本发明一实施例的天线元件的一示例的侧视图。
图5是布置根据本发明一实施例的天线元件的一示例的等轴侧视图。
图6a是根据本发明另一实施例的天线元件的正面立体图。
图6b是根据本发明另一实施例的天线元件的背面立体图。
图7a是根据现有技术的天线元件的天线放射图案的示图。
图7b是根据本发明的天线元件的天线放射图案的示图。
具体实施方式
为了充分地理解本发明的构成及效果，下面将参照附图对本发明的优选实施例进行说明。但，本发明不受限于下面记载的实施例，可以以各种形态实施，并且可进行各种变更。只是，本实施例的说明是为了使本发明的公开更加完整且为了使本发明所属的技术领域具有通常知识的技术人员能够更加完整地理解发明的范畴而提供的。为了便于说明各组成要素，附图中各组成要素的尺寸相比于真实尺寸被放大显示，各组成要素的比例可被夸大或者缩小。
某一组成要素被记载为位于另一组成要素“之上”或者与另一组成要素“接触”时，应理解为直接放在另一组成要素之上或者与另一组成要素连接，而且中间可存在其他组成要素。相反，某一组成要素被记载为直接位于另一组成要素“之上”或者与另一组成要素“直接接触”时，应理解为中间不存其他组成要素。说明组成要素间的关系的其他表述，例如，“在～之间”和“直接在～之间”等也可以用同样的方式解释。
第一和第二等术语可用于说明各种组成要素，但是所述组成要素不受所述术语的限制。所述术语是为了将一个组成要素与其他组成要素区分而使用。例如，在不超出本发明的权利范围内，第一组成要素可以命名为第二组成要素，同样第二组成要素也可以命名为第一组成要素。
上下文中如无另行说明，单数表述包括复数。“包括”或者“具有”等术语用于指出说明书中记载的特征、数值、步骤、操作、组成要素、部件或者其组合的存在，可解释为可附加有一个或者一个以上的其他特征、数值、步骤、操作、组成要素、部件或者其组合。
本发明的实施例中使用的术语如无另行定义，能够以该技术领域中具有通常知识的技术人员一般理解的含义进行解释。
图3a是根据本发明一实施例的天线元件的正面立体图，图3b是根据本发明一实施例的天线元件的背面立体图。另外，图3c是根据本发明一实施例的天线元件的底部图案构造的透视图，图3d是根据本发明一实施例的天线元件的接地构造的透视图。
参照图3a和图3b，根据本发明一实施例的天线元件1包括顶部10、底部20及侧部30，而且可具有用于一体地形成所述各构件的绝缘体结构。
首先，顶部10具有辐射贴片(patch)11，所述辐射贴片的面积小于或者等于顶部10的面积。
此处，辐射贴片具有金属属性，可以是四边形、菱形、圆形等各种形状。而且，为了改善RF特性，辐射贴片可变形为任意的形状，因此还包括局部插槽状。
另外，在结合有顶部10、底部20及侧部30的绝缘体结构上通过基于激光直接成型(Laser Direct Structuring,LDS)技术等的激光进行表面加工即蚀刻，使直接具有金属(metal)性质，或者额外制造金属结构物之后通过熔接的方法来形成辐射贴片11。
底部20上可形成有探头21(probe)，此时各探头从四边形状的底部20的各角部朝中心方向形成。虽然图3b中图示了'L'字形的探头，但是这只是探头的基本形态而已，为了改善RF特性还可具有各种形态。另外，探头21的一面形成有图案部22用于连接馈电信号。
侧部30沿着顶部的外表面形成为具有一定高度。此时，侧部30包括用于隔离及防止交叉极化的杯状铝结构物，该铝结构物是用于围绕侧部30的外表面而形成的铝质结构物。而且，为了改善RF特性，该铝结构物形成为小于或者等于天线元件1高度，不仅可以具有锯齿状或者插槽状，还可以实现为具有频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)性质的图案。
该铝结构物通过镀金属方式形成，或者通过基于LDS技术等的激光进行表面加工即蚀刻，从而可以使结构物具有直接金属性质。或者，可通过额外制作金属结构物之后进行熔接的方法来实现。即，铝结构物可通过镀金属的第一方式、通过激光对表面进行加工的第二方式以及熔接另外的金属结构物的第三方式中的任意种方式形成。
但是，图3a和图3b中图示的一体型天线元件仅为一实施例而已，也可以由PCB构成并形成结合型。对于该结合型而言，任何时候只要替换PCB就可以改变波段。
参照图3c，天线元件1在底部20进行图案化，此时图案化过程在底部20的探头21上进行，参照图3d，天线元件1在顶部10和侧部30形成接地。
该结构的天线元件，例如可安装在实现33大容量MIMO系统的PCB(PrintedCircuit Board)上，该电路可通过探头与焊接连接。另外，RF信号从PCB向探头传递，通过电磁耦合向辐射贴片感应RF信号。该感应的RF信号通过辐射贴片向空间放射，执行天线功能。
图4是布置根据本发明一实施例的天线元件的一示例的侧视图。
通常，大容量MIMO天线的排列间隔至少为0.5lamda以上，作为一示例，图4图示了布置成0.5lamda时不存在干扰且具有充分特性的优化结构。在包括铝结构物的单一天线元件中，由于优化的反射特性，排列间隔变宽，因此相互影响不大。而且，通常随着排列间隔变宽隔离将向变大方向收敛。
最小间隔布置且被优化的放射图案随着排列间隔变宽基于阵列因子的阵列理论特性而收敛。
图5是布置根据本发明一实施例的天线元件的一示例的等轴侧视图。
参照图5，单一天线元件在0.5lamda以上的间距L下可以沿水平和垂直方向自由地布置，垂直间距和水平间距可相同或者不同。例如，可布置在相同的行或者列上，也可以锯齿形态布置，所述布置形态将不受限制。此时，间距L是针对隔离被优化的长度。
即，双极化天线在平面上以阵列形态排列多个，该各双极化天线的间隔设置为0.5lamda以上，以此构成双极化天线阵列。
其中，天线元件1与侧部30的特性相匹配，因此不会对接地(Ground)产生影响，先形成侧部30，然后再根据该特性确定放射图案的尺寸。
图6a是根据本发明另一实施例的天线元件的正面立体图，图6b是根据本发明另一实施例的天线元件的背面立体图。
参照图6a和图6b，根据本发明另一实施例的天线元件2的结构与图3a和图3b所示的天线元件1的结构基本上相同，只是还包括屏蔽壁部40。此时，屏蔽壁部40从底部20的外表面向顶部10方向以具有一定角度地延伸形成。在另一实施例的天线元件2中，屏蔽壁部40包括杯状铝结构物而侧部30不包括杯状铝结构物。
同样，该铝结构物通过镀金属方式形成，或者通过基于LDS技术等的激光对表面进行加工即蚀刻，从而可以使该结构物具有直接金属性质。或者，可通过额外制作金属结构物之后进行熔接的方法来实现。
一个天线元件2的波束宽度角可为60°至65°。此时，波束宽度可随着屏蔽壁部40的角度变化。
另外，可通过向整个B部分填充绝缘体使天线元件2具有图案化的结构。
图7a是根据现有技术的天线元件的天线放射图案的示图，图7b是根据本发明的天线元件的天线放射图案的示图。
参照图7a和图7b，根据本发明的天线元件，前后比(F/B ratio)得到改善。在现有放射图案中，130°时的前后比改善为15dBc至25dBc以上，从而解决了与侧后方扇区(sector)间的干扰。在XPD中，以0°为基准，在现有放射图案中改善为15dBc至25dBc左右，从而可提高MIMO效果。
此外，本发明的天线元件不同于现有组合体，一体地形成，从而可确保结构的稳定性及均匀性。在实现大容量MIMO系统的PCB上安装时可采用自动化工艺，从而可防止因手工作业导致的组装失误，可确保组装质量的稳定性。上述所有工艺中均可进行自动化，相比于手工作业能够显著地缩短时间。
本说明书和附图中公开了本发明的优选实施例，虽然使用了特定的术语，但这只是为了便于说明本发明的技术内容且为了有助于理解发明内容基于一般的含义而使用，而非用于限定本发明的范围。对于本发明所属技术领域具有通常知识的技术人员而言，除了在此公开的实施例以外，基于本发明的技术思想还可实施另外的变形例。

Claims (8)

1.一种双极化天线，包括：
顶部，其具有辐射贴片；
底部，其用于形成探头；
侧部，其沿着所述顶部的外表面形成为具有一定高度；以及
屏蔽壁部，沿着所述底部的外表面朝所述顶部方向以具有一定角度地延长形成，以在屏蔽壁部与所述侧部之间形成空间，所述空间中填充有绝缘体，
所述侧部包括杯状的铝结构物，所述顶部、所述底部及所述侧部一体地形成，并且所述顶部、所述底部及所述侧部一体地形成绝缘体结构，
所述底部为四边形，所述探头在所述四边形底部的各角部朝中心方向形成，所述探头的一面形成有图案部用于连接馈电信号。
2.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述屏蔽壁部上形成有所述铝结构物。
3.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述铝结构物形成为具有小于或者等于天线元件的高度。
4.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述辐射贴片的面积小于或者等于所述顶部的面积，而且具有四边形、菱形、圆形、三角形、八边形中的任意一个形状。
5.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述铝结构物通过镀金属的第一方式、通过激光对表面进行加工的第二方式及熔接另外的金属结构物的第三方式中任意一个方式形成。
6.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述探头为L字形。
7.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述铝结构物形成为锯齿状或者插槽状。
8.一种双极化天线阵列，其特征在于，在平面上以阵列形态排列多个权利要求1所述的双极化天线，而且所述各双极化天线的间距为0.5lamda以上。
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