CN114883802A - 差分偶极子天线单元、高增益阵列天线及无线通信设备 - Google Patents

差分偶极子天线单元、高增益阵列天线及无线通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种差分偶极子天线单元、高增益阵列天线及无线通信设备，所述天线单元包括两个馈电结构组、两个振子臂组和两组差分馈电网络，两个馈电结构组与两组差分馈电网络一一对应，每个馈电结构组包括两个馈电结构，每个振子臂组包括两个振子臂，每个馈电结构对应一个振子臂；每个馈电结构的其中一端与对应的振子臂连接，另一端与对应的差分馈电网络连接，且每个馈电结构与对应振子臂连接的一端相对于该振子臂垂直向上延长一部分。本发明通过将天线单元的馈电结构垂直向上延长，在组成阵列天线时，相邻天线单元中的馈电结构充当反射器作用，将中间天线单元的波束宽度收窄并稳定，从而恢复由于天线单元互耦导致的方向图变宽和畸变问题。

Description

差分偶极子天线单元、高增益阵列天线及无线通信设备
技术领域
本发明涉及一种差分偶极子天线单元、高增益阵列天线及无线通信设备，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着科技的发展和社会的不断进步，无线通信技术得到高速发展，大规模多输入多输出（Massive MIMO）天线阵列因其具备高增益、波束扫描、高集成等优点，具有良好的应用前景。
传统的阵列天线为了实现小型化和宽角度波束扫描要求，天线单元通常间距较近，相互间的强耦合导致天线单元方向图凹陷，因此造成正向辐射增益降低的问题。即便采取高增益天线单元组阵，由于平面天线阵列在有限辐射口径效率下的约束，阵列中受到相邻单元耦合的天线单元方向图依然会变宽或畸变，增益下降。因此，解决阵列天线单元方向图由于互耦导致的畸变，从而提高阵列天线整体增益，是一个亟待解决的重大挑战。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的问题，提供了一种差分偶极子天线单元，该天线单元将馈电结构垂直向上延长，在组成阵列天线时，相邻天线单元中的馈电结构充当反射器作用，将中间天线单元的波束宽度收窄并稳定，从而恢复由于天线单元互耦导致的方向图变宽和畸变问题。
本发明的第二个目的在于提供一种高增益阵列天线。
本发明的第三个目的在于提供一种无线通信设备。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种差分偶极子天线单元，其特征在于，包括两个馈电结构组、两个振子臂组和两组差分馈电网络，两个馈电结构组与两组差分馈电网络一一对应，每个馈电结构组包括两个馈电结构，每个振子臂组包括两个振子臂，每个馈电结构对应一个振子臂；每个馈电结构的其中一端与对应的振子臂连接，另一端与对应的差分馈电网络连接，且每个馈电结构与对应振子臂连接的一端相对于该振子臂垂直向上延长一部分。
进一步的，所述馈电结构的电长度大于或等于天线单元工作频率的半波长。
进一步的，所述馈电结构为馈电金属柱。
进一步的，还包括两个寄生结构组，每个寄生结构组包括两个寄生结构，每个寄生结构对应一个振子臂，每个寄生结构与对应振子臂的末端连接。
进一步的，所述寄生结构为寄生金属柱。
进一步的，每个馈电结构与对应振子臂之间的连接、每个馈电结构与对应差分馈电网络之间的连接以及每个寄生结构与对应振子臂末端之间的连接均为电性连接。
进一步的，两个振子臂组的四个振子臂设置在介质板上表面，且四个振子臂在介质板上表面呈中心对称结构排布。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种高增益阵列天线，包括多个上述的差分偶极子天线单元和金属反射板，每个馈电结构与对应差分馈电网络连接的一端还与金属反射板连接。
进一步的，所述差分偶极子天线单元中至少有一个差分偶极子天线单元被相邻或周围的差分偶极子天线单元包围。
本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种无线通信设备，包括上述的高增益阵列天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明的天线单元将馈电结构垂直向上延长，在组成阵列天线时，垂直向上延长的馈电结构充当相邻天线单元的反射器结构，从两边收窄被包围的中间天线单元的辐射场，从而恢复由于天线单元互耦导致的方向图变宽和畸变问题，有效提高其增益；此外，设置寄生结构与振子臂的末端连接，可以降低天线单元的工作频率，从而减小天线单元的整体电尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为常规阵列天线的原理示意图。
图2为本发明实施例1中高增益阵列天线的高增益原理示意图。
图3为本发明实施例1中常规差分偶极子天线单元的立体结构示意图。
图4为本发明实施例1中馈电金属柱垂直向上延长后的差分偶极子天线单元的立体结构示意图。
图5为本发明实施例1中馈电金属柱垂直向上延长后的差分偶极子天线单元的侧视结构示意图。
图6为本发明实施例2中高增益阵列天线的俯视结构示意图。
图7为本发明实施例2中高增益阵列天线的侧视结构示意图。
图8为本发明实施例2中高增益阵列天线的中间天线单元的方向图在延长馈电金属柱前后的对比图。
图9为本发明实施例3中高增益阵列天线的俯视结构示意图。
图10为本发明实施例3中高增益阵列天线的中间天线单元的水平方向图在延长馈电金属柱前后的对比图。
图11为本发明实施例3中高增益阵列天线的中间3×3天线阵列的水平方向图在延长馈电金属柱前后的对比图。
其中，101-差分偶极子天线单元，111-馈电金属柱，112-振子臂，113-差分馈电网络，114-寄生金属柱，115-金属反射板。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。
实施例1：
如图1所示，在常规阵列天线中，天线单元之间存在着互耦将导致方向图变宽和畸变问题；为了解决这个问题并提高天线增益，如图2所示，本实施例提出向上延长天线单元的馈电结构大于天线单元工作频率的半波长，使其工作等效于垂直设置的反射器，从而旁边的天线单元从两边反射中间天线单元的辐射电场，收窄波束宽度并提高其增益。
如图3~图5所示，本实施例提供了一种差分偶极子天线单元101，该天线单元包括馈电金属柱111、振子臂112和差分馈电网络113，差分馈电网络113为两组，馈电金属柱111为四根，振子臂112为四个，每个振子臂112为方形环状结构，四个振子臂112设置在介质板上表面，且四个振子臂112在介质板上表面呈中心对称结构排布，从介质板上表面看，上面的两个振子臂112构成一个振子臂组，下面的两个振子臂构成另一个振子臂组，因此共有两个振子臂组；每根馈电金属柱111对应一个振子臂112，对应上面两个振子臂112的两根馈电金属柱111构成一根馈电金属柱组，对应下面两个振子臂112的两根馈电金属柱111构成另一根馈电金属柱组，两根馈电金属柱组与两组差分馈电网络一一对应；每根馈电金属柱的其中一端与对应的振子臂112连接，另一端与对应的差分馈电网络113连接。
对比图3中的常规差分偶极子天线单元，图4和图5中的差分偶极子天线单元的每根馈电金属柱111与对应振子臂112连接的一端相对于该振子臂112垂直向上延长一部分，延长的高度稍大于天线单元工作频率的四分之一波长，而不延长的馈电金属柱111标准值为天线单元工作频率的四分之一波长，使得每根馈电金属柱111的总高度H大于天线单元工作频率的半波长（二分之一波长），在组成阵列天线时，由于天线单元的馈电金属柱111具备反射作用，将对被包围在中间的天线单元辐射电场产生聚集效果，实现了阵列天线中的天线单元以及天线阵列的方向图收窄、稳定以及正向辐射增益的提升；可以理解，每根馈电金属柱111延长的高度可以等于天线单元工作频率的四分之一波长，即每根馈电金属柱111的总高度H也可以等于天线单元工作频率的半波长，同样地，馈电金属柱111还可以替换为电长度大于或等于天线单元工作频率半波长的其他馈电结构。
进一步地，本实施例的差分偶极子天线单元101还包括寄生金属柱114，寄生金属柱114为四根，每根寄生金属柱114对应一个振子臂112，每根寄生金属柱114与对应振子臂112的末端连接，可以降低天线单元的工作频率，从而减小天线单元的整体电尺寸；每根寄生金属柱114与对应差分馈电网络113连接的一端还与金属反射板115连接，该连接为非电性连接。
本实施例中，每根馈电金属柱111与对应振子臂112之间的连接、每根馈电金属柱111与对应差分馈电网络113之间的连接以及每根寄生金属柱114与对应振子臂112末端之间的连接均为电性连接。
实施例2：
如图6和图7所示，本实施例提供了一种高增益阵列天线，该阵列天线包括3×3个差分偶极子天线单元101和金属反射板115，即本实施例的高增益阵列天线为3×3阵列天线，每个差分偶极子天线单元101为上述实施例1中图4-图5的差分偶极子天线单元101，中间天线单元被相邻八个天线单元包围，其中天线单元中心间距的等效电长度仅为0.34波长，且中间天线单元的水平方向图如图8所示，可以看到，当馈电金属柱111不向上延长时，中间天线单元的水平方向图由于互耦导致凹陷问题，正向增益低；而将馈电金属柱111向上延长后，中间天线单元受到相邻八个天线单元的馈电金属柱111反射作用，波束宽度明显收窄，并且正向增益大幅提升超过5dB。
实施例3：
如图9所示，本实施例提供了一种高增益阵列天线，该阵列天线包括5×5个差分偶极子天线单元101和金属反射板115，即本实施例的高增益阵列天线为5×5阵列天线，每个差分偶极子天线单元101为上述实施例1中图4-图5的差分偶极子天线单元101，中间3×3天线阵列被周围十六个天线单元包围，中间天线单元的水平方向图如图10所示，可以看到，当馈电金属柱111不向上延长时，中间天线单元的水平方向图虽然没有凹陷问题，但是波束较宽，正向增益较低；而将馈电金属柱111向上延长后，中间天线单元受到周围天线单元的馈电金属柱111反射作用，波束宽度明显收窄，并且正向增益提升2.5dB；同样，如图11所示，当同时激励中间3×3天线阵列时，向上延长馈电金属柱111依然能提升阵列天线整体增益1dB。
可以理解，上述高增益阵列天线有多种组合方式，并不限于“3×3”或“5×5”，且不限于平面阵列天线或线阵列天线。
综上所述，本发明基于天线单元自身馈电结构反射作用，实现了阵列天线中的天线单元以及天线阵列的方向图收窄、稳定以及正向辐射增益的提升。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种差分偶极子天线单元，其特征在于，包括两个馈电结构组、两个振子臂组和两组差分馈电网络，两个馈电结构组与两组差分馈电网络一一对应，每个馈电结构组包括两个馈电结构，每个振子臂组包括两个振子臂，每个馈电结构对应一个振子臂；每个馈电结构的其中一端与对应的振子臂连接，另一端与对应的差分馈电网络连接，且每个馈电结构与对应振子臂连接的一端相对于该振子臂垂直向上延长一部分。
2.根据权利要求1所述的差分偶极子天线单元，其特征在于，所述馈电结构的电长度大于或等于天线单元工作频率的半波长。
3.根据权利要求1所述的差分偶极子天线单元，其特征在于，所述馈电结构为馈电金属柱。
4.根据权利要求1所述的差分偶极子天线单元，其特征在于，还包括两个寄生结构组，每个寄生结构组包括两个寄生结构，每个寄生结构对应一个振子臂，每个寄生结构与对应振子臂的末端连接。
5.根据权利要求4所述的差分偶极子天线单元，其特征在于，所述寄生结构为寄生金属柱。
6.根据权利要求4所述的差分偶极子天线单元，其特征在于，每个馈电结构与对应振子臂之间的连接、每个馈电结构与对应差分馈电网络之间的连接以及每个寄生结构与对应振子臂末端之间的连接均为电性连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的差分偶极子天线单元，其特征在于，两个振子臂组的四个振子臂设置在介质板上表面，且四个振子臂在介质板上表面呈中心对称结构排布。
8.一种高增益阵列天线，其特征在于，包括多个权利要求1-7任一项所述的差分偶极子天线单元和金属反射板，每个馈电结构与对应差分馈电网络连接的一端还与金属反射板连接。
9.根据权利要求8所述的高增益阵列天线，其特征在于，所述差分偶极子天线单元中至少有一个差分偶极子天线单元被相邻或周围的差分偶极子天线单元包围。
10.一种无线通信设备，其特征在于，包括权利要求8-9任一项所述的高增益阵列天线。
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