CN212303896U - 一种基站mimo天线单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基站MIMO天线单元，属于天线技术领域。该天线单元包括射频接插件以及从上到下依次设置的加载层、辐射层、馈电网络层和金属地层。本实用新型具有结构紧凑，简单，电尺寸小的特点以及双极化辐射功能，可满足数字多波束天线对辐射单元的苛刻的技术要求。

Description

一种基站MIMO天线单元

技术领域

本实用新型涉及到天线技术领域，特别涉及一种局基站MIMO天线单元。

背景技术

由于通信系统商用在即，因此天线的设计得到了众多学者的关注，其中多以四端口与八端口天线居多，电尺寸较大的MIMO天线终端天线在波束赋形的基站天线系统中无法使用，应用场景为手持终端，物联网终端，四端口和八端口的的技术特点是具有较高的天线端口隔离度对称方向图，由于馈电网络复杂，占用空间较大，导致天线无法实现电小尺寸设计。

现阶段基站MIMO天线主要有以下几种形式：

1、双极化半波振子天线：该形式天线结构简单、驻波带宽大于60％，端口隔离度高，但其剖面较高，通常在0.25个波长左右，电尺寸0.8个波长，无法满足5G基站天线波束赋形对天线单元电小尺寸(0.5个波长)的要求；

2、双极化微带天线形式，为了展宽天线单元的驻波带宽、基于微带天线的形式多采用缝隙耦合的电磁结构来展宽天线的带宽，其驻波带宽为20％左右，端口隔离度满足大于25％，由于其为空气夹层结构，轮廓较高，且不容易实现有源集成设计；

3、磁耦合双极化振子天线，该形式天线采用两个正交放置的L探针，激励带有支柱的两对振子，此外形结构简单，带宽宽，端口隔离高，轮廓低，但其无法实现有源电路集成设计，电尺寸较大，无法满足5G基站天线波束赋形对天线单元电小尺寸(0.5个波长)的要求。

以上几种双极化天线单元的各有优缺点，虽个别指标特性较优，它们的共性缺陷是无法满足小型化宽频段工作的技术要求，尤其是作为宽带、超低轮廓、可有源集成的基站MIMO系统天线单元均无法满足所有技术指标要求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出一种基站MIMO天线单元，其具有小型化、带宽宽、结构紧凑、并且可作为双极化MIMO阵列天线阵列辐射单元。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

一种基站MIMO天线单元，包括从上到下依次设置的加载层、辐射层、馈电网络层以及金属地层；所述的加载层的主体为微波介质板，微波介质板的上表面设置有排布为矩形阵列的金属加载单元，所述金属加载单元为方形环状结构；

所述辐射层的主体为第二介质板，在第二介质板的上表面设置有排布为圆周阵列的四个振子结构；每个振子结构均包括矩形结构的馈电端以及等腰梯形结构的辐射端，所述馈电端位于第二介质板上表面的中央位置，辐射端位于第二介质板上表面的边沿位置，其矩形结构的一长边和等腰梯形的上底边重合；每个馈电端上均设有馈电过孔；

所述馈电网络层的主体为第三介质板，在第三介质板的上、下表面均设有两条微带馈线，其中一条微带馈线为短微带馈线，另一条微带馈线为长微带馈线，第三介质板同一表面的两条微带馈线相互垂直；其中，上表面的短微带馈线和下表面的长微带馈线位于两相对的馈电端的馈电过孔的连线投影上，下表面的短微带馈线和上表面的长微带馈线在另一两相对的馈电端的馈电过孔的连线投影上；第三介质板上表面的两条微带馈线的外端分别连接两相邻馈电端的馈电过孔，两条微带馈线的内端分别连接在对应的射频接插件的内导体上；第三介质板下表面的两条微带馈线的外端分别连接另一两相邻馈电端的馈电过孔上，其两条微带馈线的内端通过对应的过孔连接在对应的射频接插件的外导体上；

所述金属地层的主体为第四介质板，在第四介质板的下表面设有金属敷铜，所述射频接插件的外导体均焊接在所述金属敷铜上；所述过孔连接金属敷铜和第三介质板下表面的两条微带馈线。

本实用新型采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本实用新型具有结构紧凑，简单，电尺寸小的特点；借助金属加载单元，在不增加天线高度的前提下实现了展宽天线振子单元的阻抗带宽。

2、本实用新型采用过孔、带线馈电方式，实现了两极化的正交激励，其分层馈电的馈电方式提高了两极化端口的隔离度，实现高效率的双极化辐射。

3、本实用新型的所采用的微波介质板可适当缩小天线的电尺寸，这样可满足数字多波束天线对辐射单元的苛刻的技术要求。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。

图2是图1中微波介质板上表面的结构示意图。

图3是图1中第二介质板上表面的结构示意图。

图4是图1中第三介质板上表面的结构示意图。

图5是图1中第三介质板下表面的结构示意图。

图中：1、加载层，2、辐射层，3、馈电网络层，4、金属地层，5、金属加载单元，6、微波介质板，7、馈电过孔，8、振子，9、第二介质板，10第一射频接插件的内导体，11、第二射频接插件的内导体，12、过孔。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。

一种基站MIMO天线单元，包括从上到下依次设置的加载层1、辐射层2、馈电网络层3以及金属地层4；所述的加载层的主体为微波介质板6，微波介质板的上表面设置有排布为矩形阵列的金属加载单元5，所述金属加载单元为方形环状结构；

所述辐射层的主体为第二介质板，在第二介质板9的上表面设置有排布为圆周阵列的四个振子结构；每个振子8结构均包括矩形结构的馈电端以及等腰梯形结构的辐射端，所述馈电端位于第二介质板上表面的中央位置，辐射端位于第二介质板上表面的边沿位置，其矩形结构的一长边和等腰梯形的上底边重合；每个馈电端上均设有馈电过孔7；

所述馈电网络层的主体为第三介质板，在第三介质板的上、下表面均设有两条微带馈线，其中一条微带馈线为短微带馈线，另一条微带馈线为长微带馈线，第三介质板同一表面的两条微带馈线相互垂直；其中，上表面的短微带馈线和下表面的长微带馈线位于两相对的馈电端的馈电过孔的连线投影上，下表面的短微带馈线和上表面的长微带馈线在另一两相对的馈电端的馈电过孔的连线投影上；第三介质板上表面的两条微带馈线的外端分别连接两相邻馈电端的馈电过孔，两条微带馈线的内端分别连接在对应的射频接插件的内导体上；第三介质板下表面的两条微带馈线的外端分别连接另一两相邻馈电端的馈电过孔上，其两条微带馈线的内端通过对应的过孔12连接在对应的射频接插件的外导体上；

所述金属地层的主体为第四介质板，在第四介质板的下表面设有金属敷铜，所述射频接插件的外导体均焊接在所述金属敷铜上；所述过孔连接金属敷铜和第三介质板下表面的两条微带馈线。

下面为一个更具体的实施例：

如图1～5所示，本实施例包括加载层1、辐射层2、馈电网络层3、金属地层4以及射频接插件组成，其中加载层1、辐射层2、馈电网络层3采用多层印制板加工工艺，借助半固化片材料结合微波介质多层板加工工艺实现层与层之间各部分紧密贴合，实现结构一体化设计，天线整体呈正方形实体结构，射频接插件外导体焊接在金属地层4的下表面敷铜，并做机械定位使其与天线辐射体的可靠固定连接，射频接插件完成微波信号的接收与发射。

所述的加载层1位于天线体的最上层，加载层为微波介质板材料，其上表面为金属加载单元阵列；下表面无敷铜设计，并与辐射层2上表面紧密贴合。金属加载单元呈方形环状结构，其作用是大幅降低辐射单元与金属地板之间的距离，从而降低天线的剖面高度。

方形环状的金属加载单元的外边长为0.045λ₀，内环边长为0.04λ₀，其中λ₀天线工作中心频率对应的波长。

进一步地，方形环状的金属加载单元正等间距排布，阵列形式为7×7，阵列间距为0.053λ₀。

进一步地，方形环状金属加载单元阵列的中心位置与加载层1上表面几何中心重合。

在加载层1下方设置有辐射层2，其上表面设置有四个六边形振子结构，馈电端位置为矩形区域的敷铜结构，辐射端为等腰梯形敷铜区域结构，等腰梯形的底边长L₁＝0.29λ₀，高为L₂＝0.13λ₀，等腰梯形底边平行方形辐射层的任意一条边，底边对应顶点方向指向辐射层2的几何中心点，四个六边形振子围绕着辐射层2的几何中心点旋转90°依次排布，矩形段线宽L₄＝0.03λ₀，每个矩形区域上设置有馈电过孔，对向过孔间距L₃＝0.06λ₀，两个相对的六边形振子构成了一个极化半波振子；同理，另一极化半波振子与之呈旋转90°对称，二者构成双极化辐射振子结构。

上述尺寸数据为参考值，根据对天线的性能，相关参数可适当调整，约束条件为四个振子不能交叉，且保证有足够的馈电空间。

在每个六边形振子矩形区域敷铜段设置有馈电过孔，四个馈电过孔依次是第一馈电过孔、第二馈电过孔、第三馈电过孔、第四馈电过孔，连接于六边形振子和馈电网络层3上、下表面微带线之间，导通二者之间的信号。

馈电网络层3位于辐射层2的下表面，馈电网络层上、下表面各设置有两条微带馈线，上表面的两条微带线为长微带馈线和短微带馈线，二者的一端分别馈接在相邻馈电过孔上，通过馈电过孔与微带馈线与对应辐射层2上表面的一六边形振子导通。此短微带馈线一端馈接在第一射频接插件的内导体上；与之对应的微带馈线为下表面的长微带馈线，其一端馈接在馈电过孔上，另一馈接在过孔上，过孔与第一射频接插件的内导体10共轴、同心，并导通微带馈线与金属地层3的下表面金属地之间的信号，实现共地设计。

进一步地，射频接插件的外导体馈接在金属地层4的下表面金属敷铜上；

这样，射频接插件实现了对一极化半波振子5的电磁激励设置。

与上述同样设置，上表面的长微带馈线，一端馈接在馈电过孔上，导通六边形振子，另一端馈接在第二射频接插件的内导体上；与之对应的微带馈线为下表面的短馈线，设置在馈电网络层3的下表面，其一端馈接在馈电过孔上，导通多边形辐射振子，另一端馈接在过孔上，过孔与第二射频接插件的内导体11共轴、同心，并导通微带馈线与金属地层的下表面金属地之间的信号，实现共地设计。

进一步地，第二射频接插件馈电位置设置在对应馈电过孔在馈电网络层投影连线之间的位置，并偏离馈电网络层3几何中心点。

进一步地，过孔直径大于射频接插件内导体直径，使其不与射频接插件的内导体接触，其连导通微带馈线和金属地信号。

这样可避免两条长微带馈线分别处于馈电网络层3的上、下表面，互不交叉，实现正交双极化馈电。

这样，射频接插件实现了对正交极化半波振子的电磁激励设置。

本MIMO天线单元装置主要其包括微波介质和射频接插件两个部件，微波介质层采用多层板加工工艺，介质内部内部为多层介质、金属化过孔，结构紧凑、轮廓低满足5G基站系统对天线部件的结构、电气的技术要求，其技术优势明显。

该MIMO天线单元工作原理如下：当发射信号进入到射频接插件时，在微带馈线上激励起正、负电压，经由过孔在极化半波振子上产生波腹感应电流，在相应的频率下，该电流分布的表面阻抗经由介质加载层结构实现阻抗变换，达到与空间阻抗匹配目的，并将信号辐射到自由空间，与传统微带天线结构空气加载层结构比较实现了天线的低轮廓设计；同样另一极化半波采用同样方式实现激励。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基站MIMO天线单元，其特征在于，包括从上到下依次设置的加载层(1)、辐射层(2)、馈电网络层(3)以及金属地层(4)；所述的加载层的主体为微波介质板(6)，微波介质板的上表面设置有排布为矩形阵列的金属加载单元(5)，所述金属加载单元为方形环状结构；

所述辐射层的主体为第二介质板，在第二介质板(9)的上表面设置有排布为圆周阵列的四个振子结构；每个振子(8)结构均包括矩形结构的馈电端以及等腰梯形结构的辐射端，所述馈电端位于第二介质板上表面的中央位置，辐射端位于第二介质板上表面的边沿位置，其矩形结构的一长边和等腰梯形的上底边重合；每个馈电端上均设有馈电过孔(7)；

所述馈电网络层的主体为第三介质板，在第三介质板的上、下表面均设有两条微带馈线，其中一条微带馈线为短微带馈线，另一条微带馈线为长微带馈线，第三介质板同一表面的两条微带馈线相互垂直；其中，上表面的短微带馈线和下表面的长微带馈线位于两相对的馈电端的馈电过孔的连线投影上，下表面的短微带馈线和上表面的长微带馈线在另一两相对的馈电端的馈电过孔的连线投影上；第三介质板上表面的两条微带馈线的外端分别连接两相邻馈电端的馈电过孔，两条微带馈线的内端分别连接在对应的射频接插件的内导体上；第三介质板下表面的两条微带馈线的外端分别连接另一两相邻馈电端的馈电过孔上，其两条微带馈线的内端通过对应的过孔(12)连接在对应的射频接插件的外导体上；

所述金属地层的主体为第四介质板，在第四介质板的下表面设有金属敷铜，所述射频接插件的外导体均焊接在所述金属敷铜上；所述过孔连接金属敷铜和第三介质板下表面的两条微带馈线。

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