天线装置及基站设备转让专利
申请号 : CN202010072548.2
文献号 : CN113224515B
文献日 : 2022-07-29
发明人 : 王世华 , 丁屹
申请人 : 大唐移动通信设备有限公司
摘要 :
本发明实施例提供了一种天线装置及基站设备。装置包括组成第一电偶极子的第一金属贴片和第二金属贴片、组成第二电偶极子的第三金属贴片和第四金属贴片和第五金属贴片；第一金属贴片与第二金属贴片之间设置有第一缝隙，第三金属贴片与第四金属贴片之间设置有第二缝隙；第一金属贴片与第三金属贴片之间设置有第三缝隙，第一金属贴片与第四金属贴片之间设置有第四缝隙；所有第一通孔和所有缝隙组成磁偶极子；通过第五金属贴片上开设的第二通孔用于将射频芯片发射的射频信号通过第二通孔耦合到第一电偶极子、第二电偶极子和磁偶极子上，从而实现提供了一种结构更为简单的天线装置，并且该天线装置能够满足5G毫米波通信系统对带宽的需求。
权利要求 :
1.一种天线装置，其特征在于，包括组成第一电偶极子的第一金属贴片和第二金属贴片、组成第二电偶极子的第三金属贴片和第四金属贴片、以及一个第五金属贴片；所述第一金属贴片、所述第二金属贴片、所述第三金属贴片和所述第四金属贴片上分别开设有至少一个第一通孔，所述第一金属贴片、所述第二金属贴片、所述第三金属贴片和所述第四金属贴片处于所述天线装置的辐射主体的第一敷铜层上，所述辐射主体包括所述第一敷铜层、第二敷铜层，所述第一金属贴片、所述第二金属贴片、所述第三金属贴片和所述第四金属贴片都为扇形贴片，且四个扇形贴片呈中心对称布置；
第一金属贴片与第二金属贴片之间设置有第一缝隙，第三金属贴片与第四金属贴片之间设置有第二缝隙，第一缝隙和所述第二缝隙形成第一通路；第一金属贴片与第三金属贴片之间设置有第三缝隙，第二金属贴片与第四金属贴片之间设置有第四缝隙，所述第三缝隙和所述第四缝隙形成第二通路；所有所述第一通孔、所述第一通路、以及所述第二通路组成磁偶极子；
所述第五金属贴片设置在所述第一通路上、且位于所述第一通路与所述第二通路的十字交汇处，所述第五金属贴片上开设有第二通孔，所述第五金属贴片用于将射频芯片发射的射频信号通过所述第二通孔耦合到所述第一电偶极子、所述第二电偶极子和所述磁偶极子上，以形成电磁振荡信号，其中，对射频信号耦合后获得的电磁振荡信号的谐振频率的个数为多个；
设置在所述第一敷铜层与所述第二敷铜层之间的一层第一介质层或多层第二介质层，所述第一介质层的厚度等于预设厚度，所述多层第二介质层的厚度等于所述预设厚度，所述预设厚度是根据带宽需求确定的。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述第一敷铜层、所述第二敷铜层、以及所述第一介质层或所述多层介质层上设置有第三通孔，且所述第三通孔与所述第二通孔连通。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述天线装置还包括射频电路层，所述射频电路层包括至少一层第三敷铜层，每两层所述第三敷铜层之间设置有第三介质层，所述第三敷铜层用于集成射频模块。
4.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于，两个所述第三敷铜层之间设置有第三介质层，所有所述第三敷铜层、以及所有第三介质层上设置有第四通孔，所述第四通孔与所述第三通孔连通，所述第二通孔、所述第三通孔、以及所述第四通孔形成中心馈电孔，所述中心馈电孔的内壁上喷涂有金属层，所述中心馈电孔用于抑制所述射频信号的辐射损耗。
5.根据权利要求4所述的天线装置，其特征在于，所述中心馈电孔的周围设置有屏蔽孔，所述屏蔽孔的内壁上喷涂有金属层，所述屏蔽孔用于抑制所述射频信号的辐射损耗。
6.根据权利要求5所述的天线装置，其特征在于，所述至少一层所述第三敷铜层上开设有第一屏蔽孔，和/或，所述至少一层所述第三介质层上开设有第二屏蔽孔，所述第一屏蔽孔与所述第二屏蔽孔连通，以形成所述屏蔽孔。
7.根据权利要求4所述的天线装置，其特征在于，所述中心馈电孔通过传输线与所述射频芯片连接，用于使所述射频芯片与所述天线装置一体化设计。
8.根据权利要求7所述的天线装置，其特征在于，所述传输线包括微带线、带状线、共面微带传输线中的任意一种。
9.根据权利要求7或8所述的天线装置，其特征在于，所述中心馈电孔与所述传输线的连接处设置有环形扩展盘，所述环形扩展盘环绕所述中心馈电孔。
10.根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，所述第二敷铜层和每个所述第三敷铜层上开设有避让孔，所述避让孔环绕所述中心馈电孔，所述避让孔用于使所述天线装置接收的信号通过所述中心馈电孔穿过所述第二敷铜层和每个所述第三敷铜层传递到所述传输线，和/或，使所述射频信号通过所述中心馈电孔穿过所述第二敷铜层和每个所述第三敷铜层耦合到所述第一电偶极子、所述第二电偶极子和所述磁偶极子上。
11.根据权利要求1‑8任一所述的天线装置，其特征在于，所述第五金属贴片为矩形贴片。
12.一种基站设备，包括权利要求1‑11任一所述的天线装置。
说明书 :
天线装置及基站设备
技术领域
[0001] 本发明涉及通信领域，特别是涉及一种天线装置及基站设备。
背景技术
[0002] 基于第五代移动通信技术(5G，the 5th Generation mobile communication technology)的移动通信系统是一个广覆盖、高容量、多连接、低时延和高可靠性网络，其中，毫米波频段作为5G峰值流量的承载频段，是5G频谱战略的重要组成部分。5G毫米波通信系统主要面向大带宽及高容量的应用，应用场景涵盖大型体育场馆，购物商城，飞机、火车站等热点地区。
[0003] 目前，毫米波基站设备为了满足大带宽的需求，现有技术普遍采用多叠层微带天线的方式。多个叠层的微带天线的多层贴片分别和地之间构成了一个或多个谐振频率不同的微带天线，通过使用尺寸稍有差异的多层贴片，产生一个或多个较为接近的谐振频率，从而达到拓展带宽的效果。
[0004] 然而微带天线的相对带宽普遍较窄，很难满足5G毫米波通信系统对带宽的需求，如果需要增大带宽，则需要足够多的叠层才能实现较大的带宽，使用较多的叠层则会导致增加加工复杂度。
发明内容
[0005] 本发明实施例提供一种天线装置及基站设备，以解决目前如果实现能够满足5G毫米波通信系统对带宽的需求，则需要足够多的叠层才能实现较大的带宽，使用较多的叠层会导致增加加工复杂度的问题。
[0006] 本发明实施例的第一方面，提供了一种天线装置，包括：
[0007] 包括组成第一电偶极子的第一金属贴片和第二金属贴片、组成第二电偶极子的第三金属贴片和第四金属贴片、以及一个第五金属贴片；所述第一金属贴片、所述第二金属贴片、所述第三金属贴片和所述第四金属贴片上分别开设有至少一个第一通孔；
[0008] 第一金属贴片与第二金属贴片之间设置有第一缝隙，第三金属贴片与第四金属贴片之间设置有第二缝隙，第一缝隙和所述第二缝隙形成第一通路；第一金属贴片与第三金属贴片之间设置有第三缝隙，第二金属贴片与第四金属贴片之间设置有第四缝隙，所述第三缝隙和所述第四缝隙形成第二通路；所有所述第一通孔、所述第一通路、以及所述第二通路组成磁偶极子；
[0009] 所述第五金属贴片设置在所述第一通路上、且位于所述第一通路与所述第二通路的十字交汇处，所述第五金属贴片上开设有第二通孔，所述第五金属贴片用于将射频芯片发射的射频信号通过所述第二通孔耦合到所述第一电偶极子、所述第二电偶极子和所述磁偶极子上，以形成电磁振荡信号。
[0010] 本发明实施例的第二方面，提供了一种基站设备，包括上述所述的天线装置。
[0011] 针对在先技术，本发明具备如下优点：
[0012] 本发明实施例提供的天线装置，装置包括组成第一电偶极子的第一金属贴片和第二金属贴片、组成第二电偶极子的第三金属贴片和第四金属贴片和第五金属贴片；第一金属贴片与第二金属贴片之间设置有第一缝隙，第三金属贴片与第四金属贴片之间设置有第二缝隙，第一缝隙和第二缝隙形成第一通路；第一金属贴片与第三金属贴片之间设置有第三缝隙，第一金属贴片与第四金属贴片之间设置有第四缝隙，第三缝隙和第四缝隙形成第二通路；所有第一通孔、第一通路以及第二通路组成磁偶极子；通过第五金属贴片上开设的第二通孔用于将射频芯片发射的射频信号通过第二通孔耦合到第一电偶极子、第二电偶极子和磁偶极子上，以形成满足5G毫米波通信系统带宽需求的电磁振荡信号。由于形成的电磁振荡信号的谐振频率为多个，因此可以获得较宽的带宽，并且，由于射频信号通过第二通孔耦合到所述第一电偶极子、所述第二电偶极子和所述磁偶极子上，从而保证射频信号通过第二通孔朝一个方向传输，并非如现有技术中朝各个方向传输，因此可以提高天线装置的天线增益。并且，由于叠层天线如果有足够多的叠层也能获得较大的带宽，但是加工复杂度会相应的增加很多，而叠层少了带宽又不能满足5G毫米波应用的系统带宽需求，本发明实施例提供的天线装置，结构更为简单，并且该天线装置能够实现满足5G毫米波通信系统对带宽的需求。
[0013] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015] 图1为本发明实施例提供的一种天线装置的结构示意图；
[0016] 图2为本发明实施例提供的另一种天线装置的结构示意图
[0017] 图3为本发明实施例提供的一种天线装置的侧面示意图；
[0018] 图4为本发明实施例提供的一种天线装置的仰视图；
[0019] 图5为本发明实施例提供的一种天线装置的回波损耗示意图；
[0020] 图6为本发明实施例提供的一种天线装置的辐射方向在H面的示意图；
[0021] 图7为本发明实施例提供的一种天线装置的辐射方向在E面的示意图。
[0022] 附图标记说明：
[0023] 101‑第一金属贴片，102‑第二金属贴片，103‑第三金属贴片，104‑第四金属贴片，105‑第五金属贴片，106‑第一通孔，107‑第一缝隙，108‑第二缝隙，109‑第三缝隙，110‑第四缝隙，111‑第二通孔，112‑第一敷铜层，113‑ 第二敷铜层，114‑第三敷铜层，115‑中心馈电孔，116‑屏蔽孔，117‑传输线， 118‑环形扩展盘，119‑避让孔。
具体实施方式
[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] 参照图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种天线装置的结构示意图，图2为本发明实施例提供的另一种天线装置的结构示意图。天线装置包括组成第一电偶极子的第一金属贴片101和第二金属贴片102、组成第二电偶极子的第三金属贴片103和第四金属贴片104、以及一个第五金属贴片 105；所述第一金属贴片101、所述第一金属贴片102、所述第三金属贴片103 和所述第四金属贴片104分别开设有至少一个第一通孔106。
[0026] 第一金属贴片101与第二金属贴片102之间设置有第一缝隙107，第三金属贴片103与第四金属贴片104之间设置有第二缝隙108，第一缝隙107 和所述第二缝隙108形成第一通路；第一金属贴片101与第三金属贴片103 之间设置有第三缝隙109，第一金属贴片102与第四金属贴片104之间设置有第四缝隙110，所述第三缝隙109和所述第四缝隙110形成第二通路；所有所述第一通孔106、所述第一通路、以及所述第二通路组成磁偶极子；
[0027] 所述第五金属贴片105设置在所述第一通路上、且位于所述第一通路与所述第二通路的十字交汇处，所述第五金属贴片105上开设有第二通孔111，所述第五金属贴片105用于将射频芯片发射的射频信号通过所述第二通孔 111耦合到所述第一电偶极子、所述第二电偶极子和所述磁偶极子上，以形成电磁振荡信号发射到空口。
[0028] 如图1、图2所示，第一金属贴片101、所述第一金属贴片102、所述第三金属贴片103、所述第四金属贴片104和第五金属贴片105形成了类似共面波导的结构，通过第二通孔
111可以将射频芯片发射的射频信号耦合到所述第一电偶极子、所述第二电偶极子和所述磁偶极子上，以形成电磁振荡信号。对射频信号耦合后获得的电磁振荡信号的谐振频率的个数为多个，因此可以获得较大的带宽。并且，由于叠层天线如果有足够多的叠层也能获得较大的带宽，但是加工复杂度会相应的增加很多，而叠层少了带宽又不能满足 5G毫米波应用的系统带宽需求，而本实施例中提供的天线装置，结构更为简单，因此不会增大加工复杂度，并且该天线装置能够满足5G毫米波通信系统对带宽的需求。
111可以将射频芯片发射的射频信号耦合到所述第一电偶极子、所述第二电偶极子和所述磁偶极子上，以形成电磁振荡信号。对射频信号耦合后获得的电磁振荡信号的谐振频率的个数为多个，因此可以获得较大的带宽。并且，由于叠层天线如果有足够多的叠层也能获得较大的带宽，但是加工复杂度会相应的增加很多，而叠层少了带宽又不能满足 5G毫米波应用的系统带宽需求，而本实施例中提供的天线装置，结构更为简单，因此不会增大加工复杂度，并且该天线装置能够满足5G毫米波通信系统对带宽的需求。
[0029] 需要说明的是，第一金属贴片101、第二金属贴片102、第三金属贴片 103、以及第四金属贴片104上的第一通孔106的个数可以根据带宽需求设计，图2中以第一金属贴片101、第二金属贴片102、第三金属贴片103、以及第四金属贴片104上分别开设有三个第一通孔106。
[0030] 参照图3，图3为本发明实施例提供的一种天线装置的侧面示意图。可选的，所述第一金属贴片101、所述第一金属贴片102、所述第三金属贴片 103和所述第四金属贴片104设置在所述辐射主体的第一敷铜层112上，所述辐射主体包括第一敷铜层112、第二敷铜层113、以及设置在所述第一敷铜层112与所述第二敷铜层113之间的一层第一介质层或多层第二介质层，所述第一介质层的厚度等于预设厚度，所述多层第二介质层的厚度等于所述预设厚度，所述预设厚度是根据带宽需求确定的。
[0031] 在第一敷铜层112和第二敷铜层113之间设置了预设厚度的介质层，从而可以获得较宽的带宽。需要说明的是，当在第一敷铜层112和第二敷铜层 113之间设置了一层第一介质层的情况下，由于不需要将多层比较薄的第二介质层进行压合，因此可以减少工艺流程，降低工艺成本。
[0032] 需要说明的是，由于现有技术中需要较多的叠层(至少三层)才能实现较大的带宽，而本实施例中包括第一敷铜层112和第二敷铜层113，也即只需要包括两层叠层就可以实现较大的带宽，因此，进一步降低了成本。
[0033] 可选的，所述第一敷铜层112、所述第二敷铜层113、以及所述第一介质层或所述多层介质层上设置有第三通孔，且所述第三通孔与所述第二通孔连通。
[0034] 可选的，如图3所示，所述辐射主体还包括至少一层第三敷铜层114，所述第三敷铜层114用于集成射频模块。例如，图3中示出了6层第三敷铜层，每一层第三敷铜层114上可以用于集成射频模块，射频模块例如为功率放大模块等射频模块。从而实现将天线的辐射主体与射频模块集成一体化。
[0035] 可选的，如图3、图4所示，图4为本发明实施例提供的一种天线装置的仰视图。两个所述第三敷铜层114之间设置有第三介质层，所有所述第三敷铜层114、以及所有第三介质层上设置有第四通孔，所述第四通孔与所述第三通孔连通，所述第二通孔、所述第三通孔、以及所述第四通孔形成中心馈电孔115，所述中心馈电孔115的内壁上喷涂有金属层，所述屏蔽孔用于抑制所述射频信号的辐射损耗。
[0036] 可选的，如图3、图4所示，所述中心馈电孔115的周围设置有屏蔽孔 116，所述屏蔽孔116的内壁上喷涂有金属层，所述屏蔽孔用于抑制所述射频信号的辐射损耗(寄生平行板模式带来的辐射损耗)。如图4所示，图4 中示出了6个屏蔽孔。
[0037] 可选的，所述至少一层所述第三敷铜层上开设有第一屏蔽孔，和/或，所述至少一层所述第三介质层上开设有第二屏蔽孔，所述第一屏蔽孔与所述第二屏蔽孔连通，以形成所述屏蔽孔。如图3所示，图3中示出的屏蔽孔开设在第一层的第三敷铜层至第五层的第三敷铜层(按照从上至下的顺序)，且包括第一层的第三敷铜层至第五层的第三敷铜层之间的第三介质层上。具体在哪些第三敷铜层上开设屏蔽孔116可以根据加工工艺调整。例如，在第二层的第三敷铜层上屏蔽孔经过的位置如果布置有射频模块，则可以不在第二层的第三敷铜层上开设屏蔽孔116。
[0038] 可选的，如图4所示，所述中心馈电孔115通过传输线117与所述射频芯片连接，用于使所述射频芯片与所述天线装置一体化设计。
[0039] 可选的，所述传输线117包括微带线、带状线、共面微带传输线中的任意一种。
[0040] 可选的，所述中心馈电孔115与所述传输线117的连接处设置有环形扩展盘118，所述环形扩展盘118环绕所述中心馈电孔115。
[0041] 如图4所示，中心馈电孔115与传输线117的连接处使用环形扩展盘118 进行过渡，有助于电磁振荡信号的传输，并且能较好的兼容形成中心馈电孔 115的工艺过程中所产生的加工误差，有效的改善传输性能。
[0042] 可选的，所述第二敷铜层113和每个所述第三敷铜层114上开设有所述避让孔119，避让孔119环绕所述中心馈电孔115，所述避让孔119环绕所述中心馈电孔115，避让孔119用于使所述天线装置接收的信号通过所述中心馈电孔115穿过所述第二敷铜层113和每个所述第三敷铜层114传递到所述传输线117，和/或，使所述射频信号通过所述中心馈电孔115穿过所述第二敷铜层113和每个所述第三敷铜层114耦合到所述第一电偶极子、所述第二电偶极子和所述磁偶极子上。
[0043] 如图4所示，由于中心馈电孔115深埋在多层介质中，其内部的耦合与传输电磁波的发散都可能造成过渡结构(中心馈电孔115)的传输不连续性，使得电磁能量传输性能发生恶化。通过在中间的敷铜层(第二敷铜层113至倒数第二层第三敷铜层，只在敷铜层上开设避让孔119)上开设避让孔119，可以使天线装置接收到的信号通过中心馈电孔115穿过中间的第二敷铜层 113至倒数第二层第三敷铜层，传递到底层的传输线117。
[0044] 从传输模型上看，该中心馈电孔115与中间带有避让孔119的敷铜层可以等效于同轴结构，中心馈电孔115为同轴内芯，中间的敷铜层为同轴结构外围地。本发明提出的超宽带天线的回波损耗如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种天线装置的回波损耗示意图。图5中的纵轴表示反馈信号与发射信号的比值，图5中的横轴为频率(单位为GHz)，一般将‑10dB以下的频率范围作为天线装置的辐射带宽，从图5中可以看出本申请提供的天线装置可以获得约有4.5GHz的带宽，足以满足我国毫米波试验频段3.25GHz 带宽的需求，且天线的辐射方向图在H面(图6)和E面(图7)的一致性较好,增益可达到7.2dBi，图6为本发明实施例提供的一种天线装置的辐射方向在H面的示意图，图7为本发明实施例提供的一种天线装置的辐射方向在E面的示意图，天线的辐射方向在H面和E面的一致性较好,高于一般微带贴片天线的增益，有助于提升5G毫米波基站的整机辐射性能。
[0045] 可选的，所述第一金属贴片101、所述第一金属贴片102、所述第三金属贴片103和所述第四金属贴片104都为扇形贴片，所述第五金属贴片105 为矩形贴片。
[0046] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。