CN117525848A - 一种用于5g通信基站的天线振子 - Google Patents
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Abstract
本发明用于5G通信基站的天线振子，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、介质基板和微带贴片，微带贴片上方通过金属支撑件架空设置有寄生金属贴片，金属支撑件的上端与寄生金属贴片可导电的固定，金属支撑件的下端与微带贴片可导电的固定，使得金属支撑件作为匹配部件用来调节高频谐振点以拓展带宽。此外，本发明创造性的将金属支撑件取自于寄生金属贴片本身，寄生金属贴片与金属支撑件可通过钣金工艺一体成型，以便在大规模生产中采用电子电路表面组装技术实现寄生金属贴片的固定，使本发明天线振子适用于大规模智能自动化生产。本发明提高了生产效率和产品品质，使得本发明天线振子特别适用于5G M‑MIMO基站。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种用于5G通信基站的天线振子。
背景技术
M-MIMO(Massive Multiple-Input Multiple-Output)是第五代移动通信技术(5G)中的一项关键技术。M-MIMO天线系统通常使用大规模的天线阵列，包含工作在多个频段的数十甚至数百个天线单元。天线数量的增加会带来安装复杂度和生产成本的增加，基站对于紧凑化和轻量化有着急切的需求。
传统的适用于M-MIMO基站的天线主要采用相对简单元素，例如PCB偶极子天线和贴片天线。偶极子天线常用巴伦或同轴馈电，其剖面高度受限于天线和反射器之间的距离，通常在0.25个中心频率波长左右。剖面高度的增加会带来其和其他频段天线耦合增加，不利于天线系统的性能表现。采用增加人工磁导体(AMC)结构来降低天线剖面高度也是常用的技术，但是会引入额外的结构，增加其成本。贴片天线具有原始的低剖面、低成本的性质，然而单层贴片天线的带宽普遍较窄，不适合基站应用。为了解决这个问题，研究人员采用增加叠层寄生结构来拓展贴片天线的带宽。然而这些寄生结构通常是增加一层或多层PCB板悬空在微带贴片上方，在安装时，需要额外的固定螺丝。这同样带来成本的增加，同时与偶极子天线和巴伦的装配一样都需要人工操作。
在实际大规模生产中则期望采用智能自动化的生产流程，降低人工干预和制造过程中的错误概率，以确保天线系统的质量和性能、提高生产效率和一致性的。因此，研究一种能够应用在5G M-MIMO基站的性能良好的且可以大规模生产的低成本小型化天线是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种用于5G通信基站的天线振子，特别适用于5G M-MIMO基站，其具有结构简单、成本低和安装便捷的优点。
为实现本发明目的，本发明提出的用于5G通信基站的天线振子，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、介质基板和微带贴片，其特征在于：所述微带贴片上方通过至少三个金属支撑件架空设置有一寄生金属贴片，所述金属支撑件以正多边形的形式排布，每个金属支撑件底部至微带贴片中心的距离相等，所述金属支撑件的上端与寄生金属贴片可导电的固定，金属支撑件的下端与微带贴片可导电的固定，使得金属支撑件作为匹配部件用来调节高频谐振点以拓展带宽。具体参数可以通过参数扫描法来获得，一般而言，金属支撑件的下端固定于微带贴片的电流较强处为宜。
进一步的，所述金属支撑件为金属支撑片，金属支撑件与寄生金属贴片为材质相同的一个整体件，金属支撑件与寄生金属贴片之间通过折弯形成夹角。
更进一步的，所述金属支撑件是在寄生金属贴片内部通过切割或冲压或刻画后折弯形成，或者通过冲压折弯一次成型。
此外，本发明还要求保护一种用于5G通信基站的天线单元，其特征在于：包括上述的天线振子和设置于天线振子的介质基板上表面的馈电网络，所述馈电网络通过所述两个馈电微带端口激励所述天线振子。
本发明天线振子中，金属支撑件同时具备了两个功能：1、支撑寄生金属贴片；2、将微带贴片与寄生金属贴片进行了电连接，从而相当于引入一个微扰，金属支撑件作为匹配部件可用来调节高频谐振点以拓展带宽。
本发明创造性的将金属支撑件取自于寄生金属贴片本身，寄生金属贴片与金属支撑件可通过钣金工艺一体成型(可行的方法是：用于支撑的金属支撑件是从上层寄生金属贴片上切割下来的枝节弯曲形成)，以便在大规模生产中采用电子电路表面组装技术(SMT)实现焊接固定，使本发明天线振子适用于大规模智能自动化生产。由于上述原因，本发明避免了传统天线安装过程中需要人工拧螺丝固定寄生结构的步骤，提高了生产效率和产品品质，使得本发明天线振子特别适用于5G M-MIMO基站。
此外，为了改善天线的匹配，使之在目标频率范围内具有良好的性能。本发明在微带贴片的中心处开设有用于增加电流路径以调节天线阻抗匹配的孔，该孔沿天线的两个极化方向对称，金属支撑件的底部设置于孔的周围。作为较佳的方案，孔优选正方形。
为了实现小型化，本发明天线振子中，寄生金属贴片与微带贴片呈45°夹角，寄生金属贴片被切除四个角，并在切角处设置垂直矩形金属挡板。
上层寄生贴片相比于传统叠层结构的贴片天线，性能几乎不会被影响，在此基础上切除其四个角，添加垂直矩形金属挡板，可以拓展天线的波束宽度，同时缩小了单元的平面面积，以达到小型化的目的。这样的小型化可以在天线振子应用于阵列固定组阵距离的情况下，减小相邻振子之间的耦合，提高隔离。
附图说明
图1为本发明实施例天线振子的示意图。
图2为本发明实施例天线振子的爆炸图。
图3为本发明实施例天线振子的寄生金属贴片示意图。
图4为本发明实施例天线振子的微带贴片示意图。
图5为本发明实施例天线振子的侧视图及相关尺寸。
图6为本发明实施例天线振子的寄生金属贴片的顶视图及相关尺寸。
图7为本发明实施例天线振子的微带贴片的顶视图及相关尺寸。
图8为本发明实施例天线振子的微带贴片电流图(四个金属支撑片)。
图9为采用三个金属支撑片方案的微带贴片电流图。
图10为本发明实施例的天线振子的金属支撑片与微带贴片中心的距离lm长度对谐振模式的影响。
图11为本发明实施例天线振子的|S11|以及|S21|曲线图。
图12为本发明实施例天线振子的工作带宽内半功率波束宽度和增益图。
图13为本发明实施例天线振子在3.3GHz频点处的方向图。
图14为本发明实施例天线振子在3.5GHz频点处的方向图。
图15为本发明实施例天线振子在3.8GHz频点处的方向图。
附图标号示意如下：1-寄生金属贴片；101-金属垂直挡板；111-支撑金属片；2-微带贴片；201-孔；3-馈电微带端口；4-介质基板；5-金属反射地板。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1至图7所示，本发明实施例天线振子，特别适用于用于5G M-MIMO基站，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板5、介质基板4和微带贴片2，微带贴片2上方通过四个支撑金属片111架空设置有寄生金属贴片1。
介质基板的介电常数为3.0、厚度为0.762mm，金属反射地板是在介质基板的背面覆铜得到，厚度为0.035mm。微带贴片2被印制在介质基板的正面，微带贴片2的厚度为0.035mm。寄生金属贴片1厚0.3mm，与微带贴片2之间有5.7mm的高度差。寄生金属贴片1与微带贴片2呈45°夹角，寄生金属贴片1被切除四个角，并在切角处设置垂直矩形金属挡板101。该设计可以拓展天线的波束宽度，同时缩小了单元的平面面积，以达到小型化的目的。微带贴片2的相邻两角设置有用于连接输入馈线的馈电微带端口3。激励从微带贴片的两个相邻角上的两条微带线倾斜45°输入实现。
本实施例中，支撑金属片111的上端与寄生金属贴片1可导电的固定，金属支撑片111的下端与微带贴片2可导电的固定，使得金属支撑片111作为匹配部件用来调节高频谐振点以拓展带宽。具体参数可以通过参数扫描法来获得，一般而言，金属支撑件111的下端固定于微带贴片2的电流较强处为宜。
如图4所示，微带贴片2的中心处开设有孔201，孔201沿天线的两个极化方向对称，金属支撑件111的底部设置于孔201的周围。孔201用于增加电流路径以调节天线阻抗匹配，从而使天线在目标频率范围内有良好的性能。孔201可是圆形，也可以是正多边形。实验表明，当孔201选用正多边形时，天线馈电端口与微带贴片2中心的连线与正多边形中靠近天线馈电端口的一条边垂直，可以取得较好的“打断”电流的效果。本实施例中，孔201为正方形，该正方形与微带贴片形成45度夹角。微带贴片电流图参见图8。
为了便于在工业上大规模生产，本实施例中的金属支撑片111与寄生金属贴片1为材质相同(金属铜)的一个整体件，金属支撑片与寄生金属贴片1之间通过折弯形成夹角。具体来说，金属支撑片是在寄生金属贴片1内部通过切割或冲压或刻画后折弯形成，或者通过冲压折弯一次成型，即采用钣金工艺一体成型。这样大大提高了生产效率，节约了传统方案中增设的PCB板以及人工拧螺丝进行固定的步骤。折弯形成的金属支撑片，其下端与微带贴片焊接固定，在实际的生产中可以采用SMT进行连接，生产效率高且工艺性好。
通过钣金工艺获得金属支撑片的同时，在寄生金属贴片1表面形成对应的槽，这些槽及其分部几乎不影响天线性能，因此可忽略。虽然本实施例中四个槽及四个金属支撑片呈对称分部，并且沿极化方向或与极化方向呈45°夹角设置。但经过测试发现，即便不按照这样的形式排布，依然可以获得本发明的技术效果。本发明还对三个金属支撑片方案的天线振子做了仿真，只需要对金属支撑片的位置做调整即可获得同样的技术效果(对寄生金属贴片有效支撑的同时实现了高频谐振点的调节)。三个金属支撑片方案的微带贴片电流图见图9。此外，本发明还进行了更多个金属支撑片方案的测试，如5个金属支撑片方案、6个金属支撑片方案等，均获得了相同的技术效果。因此发明人认为通过至少三个金属支撑片架空设置一个寄生金属贴片即可实现本发明方案，并且金属支撑件11需要以正多边形的形式排布，每个金属支撑件底部至微带贴片2中心的距离相等(相邻金属支撑件之间需要保证等间距)，这样才能确保实施例两个极化方向上的匹配性能是一致的。实验表明，该正多边形的摆放角度与极化方向的无关，该角度可以任意设置，或者根据实际情况结合孔201来进行设计。
可见，虽然本实施例仅列举了四个金属支撑片及对应的排布方案，但其显然不是唯一可行的实施方案，只要满足通过至少三个金属支撑片架空设置一个寄生金属贴片，并且金属支撑件以正多边形的形式排布，每个金属支撑件底部至微带贴片2中心的距离相等，即可获得本发明技术效果。
本发明实施例天线振子的参数见下表1
表1
| 参数 | h1 | h2 | t1 | t2 | ly | lm | wz | lz |
| 值(mm) | 5.7 | 4.3 | 0.762 | 0.3 | 2.5 | 5 | 2mm | ly+h1 |
| 参数 | l1 | l2 | lp | lc | lf | wf | ||
| 值(mm) | 10.5 | 15 | 22.9 | 5.3 | 2 | 1.8 |
表1中，h1为寄生金属贴片1上层到介质基板4的距离，h2为寄生金属贴片1上金属垂直挡板101的长度，t1为介质基板4的厚度，t2为寄生金属贴片1的厚度，ly为金属支撑片111与微带贴片连接处的部分的长度，lm为金属支撑片111距离微带贴片2中心的距离，l1为寄生金属贴片1短边长度，l2为寄生金属贴片1长边长度，lp为微带贴片2的边长，lc为微带贴片2上菱形切槽201的边长，lf为馈电微带端口3的斜馈部分的长度，wf为馈电微带端口3的50欧姆阻抗线的宽度，wz为寄生金属贴片1上开槽的宽度，lz为寄生金属贴片1上开槽的长度。
图10展示了本发明用于5G通信基站的天线振子实施例的金属支撑片111与微带贴片2中心的距离lm长度对谐振模式的影响，结果表明，当lm的值增大时，高频的谐振点会往高频移动。可见，本实施例天线振子的高频谐振点可通过金属支撑件的高度和金属支撑件底部至微带贴片中心的距离进行调节。合理设置lm的值可以拓展天线振子的工作带宽，具体参数可以通过参数扫描法来获得。图11展示了本发明用于5G通信基站的天线振子实施例的工作频带内的仿真峰值增益以及仿真半功率波束宽度，结果表明，该设计的仿真带内峰值增益在8.4dBi到8.9dBi之间，仿真半功率波束宽度为71±3°。图12为本发明用于5G通信基站的天线振子的的S参数仿真结果，结果表明，该设计|S11|<-15dB阻抗带宽为14.3％(3.3GHz-3.8GHz)，带内的两端口极化隔离优于17dB。图13-图15分别展示了本发明实施例在3.3GHz、3.5GHz、3.8GHz处的辐射方向圆图，其辐射方向图具有良好的对称性，两个极化的方向图具有良好的一致性，交叉极化优于20dB。
本发明实施例所提出的一种用于5G通信基站的天线振子具有以下技术效果：天线振子仅有0.343λL×0.343λL×0.071λL(λL为3.3GHz处的自由空间波长)的小平面尺寸，其回波损耗|S11|<-15dB的阻抗带宽可以覆盖3.3-3.8GHz，分数带宽计算为14.1％。工作带宽内的极化隔离度大于17dB，半功率波束宽度(HPBW)为71±3°，平均增益为8.65dBi。获得的辐射方向图具有良好的对称性，且两个端口的方向图具有良好的一致性，交叉极化优于20dB。
本实施例天线振子可应用于5G通信基站的天线单元，该天线单元包含本实施例天线振子和设置于介质基板4上表面的馈电网络，馈电网络通过两个馈电微带端口3激励所述天线振子。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于5G通信基站的天线振子，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板（5）、介质基板（4）和微带贴片（2），其特征在于：所述微带贴片（2）上方通过至少三个金属支撑件（111）架空设置有一个寄生金属贴片（1），所述金属支撑件（111）以正多边形的形式排布，每个金属支撑件底部至微带贴片（2）中心的距离相等，所述金属支撑件（111）的上端与寄生金属贴片（1）可导电的固定，金属支撑件（111）的下端与微带贴片（2）可导电的固定，使得金属支撑件（111）作为匹配部件用来调节高频谐振点以拓展带宽。
2.根据权利要求1所述的一种用于5G通信基站的天线振子，其特征在于：所述高频谐振点通过金属支撑件（111）的高度和金属支撑件底部至微带贴片（2）中心的距离进行调节。
3.根据权利要求1所述的一种用于5G通信基站的天线振子，其特征在于：所述金属支撑件（111）为金属支撑片，金属支撑件（111）与寄生金属贴片（1）为材质相同的一个整体件，金属支撑件（111）与寄生金属贴片（1）之间通过折弯形成夹角。
4.根据权利要求1所述的一种用于5G通信基站的天线振子，其特征在于：所述金属支撑件（111）是在寄生金属贴片（1）内部通过切割或冲压或刻画后折弯形成，或者通过冲压折弯一次成型。
5.根据权利要求1所述的一种用于5G通信基站的天线振子，其特征在于：所述金属支撑件（111）的下端与微带贴片（2）焊接固定。
6.根据权利要求1所述的一种用于5G通信基站的天线振子，其特征在于：所述微带贴片（2）的中心处开设有用于增加电流路径以调节天线阻抗匹配的孔（201），所述孔（201）沿天线的两个极化方向对称，金属支撑件（111）的底部设置于孔（201）的周围，所述孔（201）为圆形或正多边形。
7.根据权利要求6所述的一种用于5G通信基站的天线振子，其特征在于：当所述孔（201）为正多边形时，天线馈电端口与微带贴片（2）中心的连线与正多边形中靠近天线馈电端口的一条边垂直。
8.根据权利要求1所述的一种用于5G通信基站的天线振子，其特征在于：所述寄生金属贴片（1）与微带贴片（2）呈45°夹角，寄生金属贴片（1）被切除四个角，并在切角处设置垂直矩形金属挡板。
9.根据权利要求1所述的一种用于5G通信基站的天线振子，其特征在于：微带贴片（2）的相邻两角设置有用于连接输入馈线的馈电微带端口（3）。
10.一种用于5G通信基站的天线单元，其特征在于：包括权利要求1-9所述的天线振子和设置于天线振子的介质基板（4）上表面的馈电网络，所述馈电网络通过所述两个馈电微带端口（3）激励所述天线振子。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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