CN112421215B - 一种高圆度的室内小基站及天线单元 - Google Patents

一种高圆度的室内小基站及天线单元 Download PDF

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Abstract

本申请涉及通信技术领域，提供的一种高圆度的室内小基站及天线单元，天线单元包括馈电网络、一体化支架和辐射体；一体化支架设置在金属载体上，辐射体设置在一体化支架上，且处于金属载体的边沿；辐射体包括辐射片以及连接辐射片的馈电探针和短路探针。在实际应用过程中，通过在辐射片周围加载寄生辐射体，在寄生辐射体上生成与金属载体表面电流反相的电流分布，实现与金属载体表面电流相互抵消，从而满足天线结构表面电流呈相对中心对称分布，即可实现水平方向上不圆度的优化，以此解决天线高集成以及一体化的趋势下，导致辐射体与金属载体表面产生的电流，无法实现相对中心对称分布，即无法满足天线单元水平方向上高圆度的特性的问题。

Description

一种高圆度的室内小基站及天线单元
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种高圆度的室内小基站及天线单元。
背景技术
在传统的移动通信系统中，室内小基站装置主要由金属载体、天线单元和天线罩等结构组成。在当下多天线(MIMO)技术兴起之时，常见多个天线单元一般被设置在小基站装置内的边沿处，这种多个天线单元的布局方式，会导致小基站装置结构上的非中心对称，致使小基站装置的天线水平上非均衡辐射，即天线水平不圆度的恶化，导致小基站装置在水平方向上会出现通信盲区，降低通信质量。
为了改善这类小基站装置中天线水平方向上的不圆度，现有技术中，通过改变辐射体的馈电探针和短路探针的位置以及数量，从而改变辐射体表面的电流分布，以此与金属载体表面产生的电流形成相对中心对称结构，使天线水平方向上的均衡辐射。
但是，在天线高集成以及一体化的趋势下，一般将多天线集成于一体化支架上，即将辐射体集成于一体化支架上，例如FPC(Flexible Printed Circuit)天线。但是一体化支架在实际应用中，需要进行直流接地，以及需要满足天线的电气性能，从而限制辐射体中的馈电探针和短路探针的位置以及数量，导致辐射体与金属载体表面产生的电流，无法实现相对中心对称分布，即无法满足天线单元水平方向上高圆度的特性。
发明内容
本申请提供了一种高圆度的室内小基站及天线单元，以解决天线高集成以及一体化的趋势下，导致辐射体与金属载体表面产生的电流，无法实现相对中心对称分布，即无法满足天线单元水平方向上高圆度的特性的问题。
本申请第一方面提供一种高圆度的天线单元，所述天线单元包括馈电网络、一体化支架和辐射体；所述一体化支架设置在金属载体上，所述辐射体设置在所述一体化支架上，且处于所述金属载体的边沿；
所述辐射体包括辐射片以及连接所述辐射片的馈电探针和短路探针，所述馈电网络的输出端连接所述馈电探针，所述短路探针接地；
所述天线单元还包括设置在所述一体化支架上的寄生辐射体，所述寄生辐射体包括耦合端和辐射端，所述耦合端一棱侧与所述辐射片的一棱侧相邻且平行设置，所述辐射端与所述耦合端的连接处结构为折角构造，且所述辐射端向远离所述辐射片的方向偏离。
可选的，所述耦合端和所述辐射端的总长度为λ/4，其中λ为天线单元的信号波波长。
可选的，所述耦合端与所述辐射片的距离为d，d＝2mm。
可选的，所述寄生辐射体的耦合端宽度为2mm-3mm，电长度为λ/8。
可选的，所述辐射端相对于所述一体化支架的一棱侧水平贴合设置，所述辐射端的宽度为所述耦合端宽度的两倍。
可选的，所述耦合端的长度等于所述辐射端的长度。
可选的，所述馈电探针和所述短路探针均设置在所述一体化支架的对角外侧；且与所述一体化支架的一棱侧贴合设置。
可选的，所述馈电探针和所述短路探针分别设置在所述一体化支架的相邻两棱侧；所述耦合端平行贴合所述辐射片内侧棱边设置。
可选的，所述馈电探针和所述短路探针设置在所述一体化支架的对角内侧；所述耦合端平行贴合所述辐射片外侧棱边。
可选的，所述室内小基站还包括天线单元、天线罩和有源模块；所述有源模块连接馈电网络，所述天线罩设置在金属载体上。
本申请提供的一种高圆度的室内小基站及天线单元，所述天线单元包括馈电网络、一体化支架和辐射体；所述一体化支架设置在金属载体上，所述辐射体设置在所述一体化支架上，且处于所述金属载体的边沿；所述辐射体包括辐射片以及连接所述辐射片的馈电探针和短路探针，所述馈电网络的输出端连接所述馈电探针，所述短路探针接地；所述天线单元还包括设置在所述一体化支架上的寄生辐射体，所述寄生辐射体包括耦合端和辐射端，所述耦合端一棱侧与所述辐射片的一棱侧相邻且平行设置，所述辐射端与所述耦合端的连接处结构为折角构造，且所述辐射端向远离所述辐射片的方向偏离。
在实际应用过程中，通过在辐射片周围加载所述寄生辐射体，利用电磁耦合理论，在寄生辐射体上生成与金属载体表面电流反相的电流分布，再根据镜像原理，实现与金属载体表面电流相互抵消，从而满足天线结构表面电流呈相对中心对称分布，即可实现水平方向上不圆度的优化，以此解决天线高集成以及一体化的趋势下，导致辐射体与金属载体表面产生的电流，无法实现相对中心对称分布，即无法满足天线单元水平方向上高圆度的特性的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例提供的一种高圆度的天线单元的整体结构示意图；
图2为本申请实施例提供的辐射体第一种布局结构示意图；
图3为本申请实施例提供的辐射体第二种布局结构示意图；
图4为本申请实施例提供的辐射体第三种布局结构示意图；
图5为本申请实施例提供的单极子天线镜像等效后的示意图；
图6为本申请实施例提供的未加载寄生辐射体的PIFA天线和金属载体表面电流分布；
图7为本申请实施例提供的加载寄生辐射体的PIFA天线和金属载体表面电流分布；
图8为本申请实施例提供的未加载寄生辐射体的情况下，水平切面(Theta＝80°)不圆度的HFSS电磁模拟仿真图；
图9为本申请实施例提供的加载寄生辐射体的情况下，水平切面(Theta＝80°)不圆度的HFSS电磁模拟仿真图。
图示说明：
其中，1-馈电网络，2-一体化支架，3-辐射体，31-辐射片，32-馈电探针，33-短路探针，4-述金属载体，5-寄生辐射体，51-耦合端，52-辐射端。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
为了解决天线高集成以及一体化的趋势下，导致辐射体与金属载体表面产生的电流，无法实现相对中心对称分布，即无法满足天线单元水平方向上高圆度的特性的问题。如图1所示，为本申请实施例提供的一种高圆度的天线单元的整体结构示意图，本申请实施例第一方面提供一种高圆度的天线单元，所述天线单元包括馈电网络1和一体化支架2以及辐射体3；所述一体化支架2设置在金属载体4上，所述辐射体3设置在所述一体化支架2上，且处于所述金属载体4的边沿；所述辐射体3包括辐射片31以及连接所述辐射片31的馈电探针32和短路探针33，所述馈电网络1的输出端连接所述馈电探针32，所述短路探针33接地。
所述天线单元主要为PIFA天线(平面倒F天线)，PIFA天线可以等效为单极子天线，在单极子天线中，由于地面对振子的影响可用天线的镜像来代替，如图5所示，为本申请实施例提供的单极子天线镜像等效后的示意图。单极子天线可以等效为自由空间内臂长为2L的对称振子，由于天线受到地面的影响，等效辐射仅局限于地面的上半空间，即PIFA天线可以等效为架设在无限大理想导电平面上的对称振子的辐射场，即：
Figure BDA0002733161260000041
式中I0是输入电流，Δ是仰角，L为单极子天线的高度，而F(Δ)为归一化方向函数，当Δ＝0°时，F(Δ)＝1，
Figure BDA0002733161260000043
为电流元距场点的位置矢量，亦即：
Figure BDA0002733161260000042
由F(Δ)可知，PIFA天线上的I0是定值时，水平面的方向图是一个圆，即可以实现水平方向均衡辐射。当PIFA天线电流分布呈中心对称分布(即使存在水平分量，只要使其与金属载体表面电流方向反相，认定为不存在此分量)，那么当地面为有限大时，天线置于地中央，地面产生的电流成中心对称，即相互抵消，即整体电流呈中心对称分布。
但是，当天线置于地边沿，地面产生的电流成非中心对称，无法抵消，与PIFA天线呈中心对称分布的电流形成非中心对称结构，水平方向上将会产生非均衡辐射，即水平不圆度恶化。
为了能够有效改善天线水平方向上的不圆度，所述天线单元还包括设置在所述一体化支架2上的寄生辐射体5，所述寄生辐射体5包括耦合端51和辐射端52，所述耦合端51一棱侧与所述辐射片31的一棱侧相邻且平行设置，且两条平行相邻的棱侧距离为d，d＝2mm。所述辐射端52与所述耦合端51的连接处结构为折角构造，且所述辐射端52向远离所述辐射片31的方向偏离。
进一步的，在本申请实施例中，所述耦合端51和所述辐射端52的总长度为λ/4，其中λ为天线单元的信号波波长。所述寄生辐射体5的耦合端51宽度为2mm-3mm，电长度为λ/8，即所述耦合端51的长度等于所述辐射端52的长度，需要说明的是，在实际应用过程中，所述耦合端51的长度于所述辐射端52的长度相近即可，并不要求严格相等。所述辐射端52相对于所述一体化支架2的一棱侧水平贴合设置，所述辐射端52的宽度为所述耦合端51宽度的两倍。
如图2所示，为本申请实施例提供的辐射体第一种布局结构示意图，在本申请的部分实施例中，所述馈电探针32和所述短路探针33均设置在所述一体化支架2的对角外侧；且与所述一体化支架2的一棱侧贴合设置。为了减小主辐射体对辐射端的影响，辐射端52需偏离辐射片31，与支架一棱侧水平朝外、贴合摆放，基于以上的排布，再利用电磁耦合理论和镜像原理，可以在寄生辐射体上产生与金属载体表面电流反相的电流分布，从而抵消导致电流非中心对称分布的金属载体表面电流分布，以此满足整体结构电流呈中心对称分布，从而弥补原天线水平方向上圆度的不足。
如图3所示，为本申请实施例提供的辐射体第二种布局结构示意图，在本申请的部分实施例中，所述馈电探针32和所述短路探针33分别设置在所述一体化支架2的相邻两棱侧；所述耦合端51平行贴合所述辐射片31内侧棱边设置。
如图4所示，为本申请实施例提供的辐射体第三种布局结构示意图，在本申请的部分实施例中，所述馈电探针32和所述短路探针33设置在所述一体化支架2的对角内侧；所述耦合端51平行贴合所述辐射片31外侧棱边。
需要说明的是，在所述金属载体4上设置的辐射体3数量可以为多个，如图1所示，为设置四个辐射体3的结构示意图，所述金属载体4上设置的辐射体3数量不局限于四个，可以根据实际应用需求，设计符合要求的数量。
所述图5所示，为单极子天线镜像等效后的示意图，如图6所示，为本申请实施例提供的未加载寄生辐射体的PIFA天线和金属载体表面电流分布；如图7所示，为本申请实施例提供的加载寄生辐射体的PIFA天线和金属载体表面电流分布。通过图6和图7的对比，可以很明显的看出在辐射片31周围加载所述寄生辐射体5，是如何利用电磁耦合理论和镜像原理，来弥补原天线水平方向上圆度的不足。
为了更好地验证本申请实施例提供天线单元的高圆度性，将加载了电长度为λ/4的寄生辐射体5的PIFA天线安装于室内小基站装置内，其工作频段为3.3～4.2GHz，与未加载寄生辐射体5的相同PIFA天线在相同工作环境下，在电磁仿真软件HFSS进行模拟仿真对比。如表I所示，为未加载寄生辐射体5的天线在水平切面(此处取Theta＝80°，加以分析研究)上不圆度的变化。从表I可知，随着频段的增高，水平切面(Theta＝80°)的不圆度逐渐恶化，最差为11.9dB，已远超运营商的指标要求，在正常使用过程中会出现通信盲区，减小通信范围，降低通信质量。而通过表II可知，加载了寄生辐射体5的天线，在不影响低频频段圆度的情况下，高频段水平切面(Theta＝80°)的不圆度得到了明显的优化，最差为7.8dB(﹤8dB)。
为了更直观了解在加载了寄生辐射体5，对天线水平辐射的影响，如图8所示，为本申请实施例提供的未加载寄生辐射体的情况下，水平切面(Theta＝80°)不圆度的HFSS电磁模拟仿真图，如图9所示，为本申请实施例提供的加载寄生辐射体的情况下，水平切面(Theta＝80°)不圆度的HFSS电磁模拟仿真图。从图8中可知，未加载寄生辐射体5的天线在水平方向图上(Theta＝80°)，部分频点将会产生明显的凹陷(从表I可知，高频频点的方向图存在凹陷)；而加载了寄生辐射体5的天线，在对应频点水平方向图上的凹陷区得到了明显的改善，即不圆度得到优化。
表I
Figure BDA0002733161260000051
表II
Figure BDA0002733161260000061
本申请实施例第二方面提供一种高圆度的室内小基站，所述室内小基站还包括天线单元、天线罩和有源模块；所述有源模块连接馈电网络，所述天线罩设置在金属载体4上。
本申请实施例提供的一种高圆度的室内小基站及天线单元，所述天线单元包括馈电网络1和一体化支架2以及辐射体3；所述一体化支架2设置在金属载体4上，所述辐射体3设置在所述一体化支架2上，且处于所述金属载体4的边沿；所述辐射体3包括辐射片31以及连接所述辐射片31的馈电探针32和短路探针33，所述馈电网络1的输出端连接所述馈电探针32，所述短路探针33接地；所述天线单元还包括设置在所述一体化支架2上的寄生辐射体5，所述寄生辐射体5包括耦合端51和辐射端52，所述耦合端51一棱侧与所述辐射片31的一棱侧相邻且平行设置，所述辐射端52与所述耦合端51的连接处结构为折角构造，且所述辐射端52向远离所述辐射片31的方向偏离。
在实际应用过程中，通过在辐射片31周围加载所述寄生辐射体5，利用电磁耦合理论，在寄生辐射体5上生成与金属载体4表面电流反相的电流分布，再根据镜像原理，实现与金属载体4表面电流相互抵消，从而满足天线结构表面电流呈相对中心对称分布，即可实现水平方向上不圆度的优化，以此解决天线高集成以及一体化的趋势下，导致辐射体与金属载体表面产生的电流，无法实现相对中心对称分布，即无法满足天线单元水平方向上高圆度的特性的问题。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种高圆度的天线单元，其特征在于，所述天线单元包括馈电网络(1)、一体化支架(2)和辐射体(3)；所述一体化支架(2)设置在金属载体(4)上，所述辐射体(3)设置在所述一体化支架(2)上，且处于所述金属载体(4)的边沿；所述辐射体(3)包括辐射片(31)以及连接所述辐射片(31)的馈电探针(32)和短路探针(33)，所述馈电网络(1)的输出端连接所述馈电探针(32)，所述短路探针(33)接地；
所述天线单元还包括设置在所述一体化支架(2)上的寄生辐射体(5)，所述寄生辐射体(5)包括耦合端(51)和辐射端(52)，所述耦合端(51)一棱侧与所述辐射片(31)的一棱侧相邻且平行设置，所述辐射端(52)与所述耦合端(51)的连接处结构为折角构造，且所述辐射端(52)向远离所述辐射片(31)的方向偏离。
2.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述耦合端(51)和所述辐射端(52)的总长度为λ/4，其中λ为天线单元的信号波波长。
3.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述耦合端(51)与所述辐射片(31)的距离为d，d＝2mm。
4.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述寄生辐射体(5)的耦合端(51)宽度为2mm-3mm，电长度为λ/8。
5.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述辐射端(52)相对于所述一体化支架(2)的一棱侧水平贴合设置，所述辐射端(52)的宽度为所述耦合端(51)宽度的两倍。
6.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述耦合端(51)的长度等于所述辐射端(52)的长度。
7.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述馈电探针(32)和所述短路探针(33)均设置在所述一体化支架(2)的对角外侧；且与所述一体化支架(2)的一棱侧贴合设置。
8.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述馈电探针(32)和所述短路探针(33)分别设置在所述一体化支架(2)的相邻两棱侧；所述耦合端(51)平行贴合所述辐射片(31)内侧棱边设置。
9.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述馈电探针(32)和所述短路探针(33)设置在所述一体化支架(2)的对角内侧；所述耦合端(51)平行贴合所述辐射片(31)外侧棱边。
10.一种高圆度的室内小基站，其特征在于，所述室内小基站包括权利要求1-9任一项所述的天线单元，所述室内小基站还包括天线罩和有源模块；所述有源模块连接馈电网络，所述天线罩设置在金属载体(4)上。
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