天线单元及全向偶极子天线的制作方法

1.本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种天线单元及一种具有该天线单元的全向偶极子天线。


背景技术：

2.近年来，随着移动通信技术的快速发展，对于天线性能的要求也在不断提高。传统的偶极子天线普遍为线性结构，存在体积大、结构不稳定和剖面高等问题，一定程度上难以满足当前天线性能的现实需要。为了满足当前无线通信系统的需求，研究人员在高增益天线的设计与研发上投入了大量的精力。然而，当前高增益天线仍面领着窄带宽、窄波束宽度、高旁瓣水平、结构复杂、体积大以及剖面高等亟需解决的问题。同时，部分天线还存在选材昂贵、成本高以及结构复杂，从而不利于实现低成本的商业应用等问题。
3.因此，寻找一种方法解决现有技术中的高增益天线存在窄带宽、窄波束宽度、高旁瓣水平、结构复杂、体积大、剖面高以及成本高的问题成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本技术提供一种天线单元以及全向偶极子天线，有利于解决由于高增益天线存在窄带宽、窄波束宽度、高旁瓣水平、结构复杂、体积大、剖面高以及成本高，进而导致通信质量得不到提升的问题。
5.第一方面，本技术提供一种天线单元，该天线单元包括：第一贴片结构、第二贴片结构、短路柱组件以及第三贴片结构，所述第一贴片结构、所述第二贴片结构以及所述第三贴片结构依次层叠间隔设置，所述短路柱组件安装于所述第二贴片结构和所述第三贴片结构之间，其中，所述第一贴片结构包括第一贴片、第二贴片以及第一基板，所述第一贴片和所述第二贴片间隔设置于所述第一基板背对所述第二贴片结构的一侧，所述第一贴片和所述第二贴片用于调整所述天线单元的高频谐振频率点；所述第二贴片结构包括第三贴片、第四贴片、第二基板、馈电片以及馈电探针，所述第三贴片和所述第四贴片分别间隔设置于所述第二基板靠近所述第一基板一侧的两端，所述第三贴片和所述第四贴片用于引入两个低频谐振频率点，所述馈电片设置于所述第二基板背对所述第一基板的一侧，所述馈电探针的相对两端分别与所述馈电片和所述第三贴片结构电性相连，所述馈电片和所述馈电探针用于将激励信号的电磁能量耦合到所述第三贴片和所述第四贴片；所述短路柱组件包括间隔设置的第一短路柱单元和第二短路柱单元，所述第一短路柱单元与所述第二短路柱单元安装于所述第二贴片结构和所述第三贴片结构之间，所述第一短路柱单元和所述第二短路柱单元用于分别调整所述第三贴片和所述第四贴片引入的两个谐振频率点位置。
6.基于本技术所述的天线单元，所述第一贴片和所述第二贴片间隔设置于所述第一基板背对所述第二贴片结构的一侧，所述第一贴片和所述第二贴片用于调整所述天线单元的谐振频率点，并且所述第三贴片和所述第四贴片分别间隔设置于所述第二基板靠近所述
第一基板一侧的两端，所述第三贴片和所述第四贴片用于引入两个低频谐振频率点，从而拓展了所述天线单元的带宽性能。所述馈电片和所述馈电探针用于将激励信号的电磁能量耦合到所述第三贴片和所述第四贴片，同时所述馈电片和所述馈电探针与所述第三贴片以及所述第四贴片之间重叠部分呈容性，其可以作为容性补偿，从而改善所述天线单元的阻抗匹配。同时，所述第一短路柱单元和所述第二短路柱单元可分别调整所述第三贴片和所述第四贴片引入的两个谐振频率点位置，从而优化所述天线单元的带宽性能。
7.在一种可能的实现方式中，所述第三贴片结构包括第三基板、反射地面以及连接器单元，其中，所述反射地面设置于所述第三基板背对所述第二基板的一侧，所述反射地面用于降低所述天线单元的背向辐射，所述连接器单元与所述反射地面以及所述馈电探针均电性相连。
8.在一种可能的实现方式中，所述第一短路柱单元的一端贯穿所述第二基板，并与所述第三贴片电性相连，所述第一短路柱单元的另一端贯穿所述第三基板，并与所述反射地面电性相连；所述第二短路柱单元的一端贯穿所述第二基板，并与所述第四贴片电性相连，所述第二短路柱单元的另一端贯穿所述第三基板，并与所述反射地面电性相连。
9.在一种可能的实现方式中，所述连接器单元为sma连接器。
10.在一种可能的实现方式中，所述第三基板为f4b介质基板，所述第三基板的相对介电常数为2.2，所述第三基板的损耗角正切值为0.001，所述第三基板的厚度为0.5mm。
11.在一种可能的实现方式中，所述第二基板与间隔设置于所述第二基板相对两端的所述第三贴片和所述第四贴片构成平面折叠型偶极子结构。
12.在一种可能的实现方式中，所述第二贴片结构位于所述第一贴片结构和所述第三贴片结构之间，且分别与所述第一贴片结构和所述第三贴片结构间隔预设间隔距离，其中，所述预设间隔距离为4mm。
13.在一种可能的实现方式中，所述第一贴片和所述第二贴片均为附加寄生贴片，所述第一基板为f4b介质基板，所述第一基板的相对介电常数为2.2，所述第一基板的损耗角正切值为0.001，所述第一基板的厚度为0.5mm。
14.在一种可能的实现方式中，所述第三贴片和所述第四贴片均为辐射贴片，所述第二基板为f4b介质基板，所述第二基板的相对介电常数为2.2，所述第二基板的损耗角正切值为0.001，所述第二基板的厚度为1.5mm。
15.第二方面，本技术还提供一种全向偶极子天线，该全向偶极子天线包括固定单元以及两个上述的天线单元，其中，两个所述天线单元背对背间隔设置，所述固定单元固设于两个所述天线单元之间。
16.在一种可能的实现方式中，所述固定单元为泡沫材料，所述固定单元的厚度为10mm，所述固定单元的介电常数为1.1。
17.在一种可能的实现方式中，所述全向偶极子天线为基于多模谐振结构的平面折叠型偶极子天线。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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。
19.图1是本技术实施例的一种天线单元的结构示意图；
20.图2是本技术实施例的一种天线单元的侧面结构示意图；
21.图3是本技术实施例的一种天线单元的俯视图；
22.图4是图1所示的天线单元的反射系数和增益的频率响应图；
23.图5是图1所示的天线单元的辐射方向图；
24.图6是本技术实施例的一种全向偶极子天线的结构示意图；
25.图7是本技术实施例的一种全向偶极子天线的侧面结构示意图；
26.图8是图6所示的全向偶极子天线的演变过程原理图；
27.图9是图6所示的全向偶极子天线的反射系数和增益的频率响应图；
28.图10是图6所示的全向偶极子天线的辐射方向图。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
30.本技术以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“该”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括复数表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，本技术中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个所列出项目的任何或所有可能组合。
31.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书中及上述附图中的属于“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
32.近年来，随着移动通信技术的快速发展，对于天线性能的要求也在不断提高。传统的偶极子天线普遍为线性结构，存在体积大、结构不稳定和剖面高等问题，一定程度上难以满足当前天线性能的现实需要。为了满足当前无线通信系统的需求，研究人员在高增益天线的设计与研发上投入了大量的精力。然而，当前高增益天线仍面领着窄带宽、窄波束宽度、高旁瓣水平、结构复杂、体积大以及剖面高等亟需解决的问题。同时，部分天线还存在选材昂贵、成本高以及结构复杂，从而不利于实现低成本的商业应用等问题。因此，寻找一种天线方案以解决现有技术中的高增益天线存在窄带宽、窄波束宽度、高旁瓣水平、结构复杂、体积大、剖面高以及成本高的问题成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
33.基于此，本技术希望提供一种能够解决上述技术问题的天线方案，其可以解决由
于高增益天线存在窄带宽、窄波束宽度、高旁瓣水平、结构复杂、体积大、剖面高以及成本高，进而导致通信质量得不到提升的问题，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。本技术方案的详细阐述一种天线单元以及一种具有该天线单元的全向偶极子天线。
34.请参见图1、图2和图3，图1为本技术实施例的一种天线单元的结构示意图，图2为本技术实施例的一种天线单元的侧面结构示意图，图3为本技术实施例的一种天线单元的俯视图。如图1和图2所示，本技术实施例提供一种天线单元100，其可为平面折叠型偶极子天线单元，尤其可以为基于多模谐振结构的平面折叠型偶极子天线单元结构。本技术的天线单元100具有低剖面、宽带宽的特点，主要应用于2g/3g/4g/5g无线通信中的室内分布系统和微基站系统。
35.在本技术实施例中，如图1和图2所示，所述天线单元100包括第一贴片结构110、第二贴片结构120、短路柱组件130以及第三贴片结构140。其中，所述第一贴片结构110、所述第二贴片结构120以及所述第三贴片结构140依次层叠间隔设置，也即为，所述第二贴片结构120位于所述第一贴片结构110和所述第三贴片结构140之间，且分别与所述第一贴片结构110和所述第三贴片结构140间隔设置。所述短路柱组件130安装于所述第二贴片结构120和所述第三贴片结构140之间，即所述短路柱组件130的一端安装固定于所述第二贴片结构120，相对的另一端安装固定于所述第三贴片结构140。
36.具体为，所述第一贴片结构110间隔设置于所述第二贴片结构120背对所述第三贴片结构140的一侧，且所述第一贴片结构110与所述第二贴片结构120间隔预设间隔距离。所述第三贴片结构140设置于所述第二贴片结构120背对所述第一贴片结构110的另一侧，所述第三贴片结构140与所述第二贴片结构120间隔预设间隔距离。其中，所述预设间隔距离为4mm。
37.在本技术实施例中，所述第一贴片结构110包括第一贴片111、第二贴片112以及第一基板113，其中，所述第一贴片111和所述第二贴片112均沿第一方向001延伸设置于所述第一基板113背对所述第二贴片结构120的一侧，且所述第一贴片111和所述第二贴片112在第二方向002上间隔第一预设距离。所述第一贴片111和所述第二贴片112均用于调整高频谐振频率点。当适当调整所述第一贴片111和所述第二贴片112的长度尺寸(即所述第一贴片111和所述第二贴片112沿所述第一方向001在所述第一基板113上的延伸距离)，可以将所述天线单元100的高频谐振频率点调整到3.4ghz左右。
38.在本技术实施例中，所述第一贴片111和所述第二贴片112均可为附加寄生贴片，所述第一基板113可为f4b介质基板。所述第一基板113的相对介电常数可为2.2，所述第一基板113的损耗角正切值可为0.001，所述第一基板113的长宽尺寸可为60*30mm2(即0.52λd*0.26λd)，所述第一基板113的厚度为0.5mm。其中，所述第一方向001与第二方向002相互垂直。λd为所述天线单元100的中心频率2.64ghz在自由空间中所对应的波长。通过所述第一贴片结构110的上述设计，相比较传统天线结构设计，本技术的天线单元100结构简单紧凑，剖面低。
39.在本技术实施例中，所述第二贴片结构120包括第三贴片121、第四贴片122以及第二基板123，其中，所述第三贴片121和所述第四贴片122分别设置于所述第二基板123靠近所述第一基板113一侧的两端，且所述第三贴片121和所述第四贴片122在第一方向001上间隔第二预设距离。所述第三贴片121和所述第四贴片122均用于引入两个低频谐振频率点。
当适当调整所述第三贴片121和所述第四贴片122的尺寸(即所述第三贴片121和所述第四贴片122沿第一方向001和/或在所述第二基板123上的延伸距离)，能够使引入的两个谐振频率点进一步靠近，从而拓展了所述天线单元100的带宽性能。
40.在本技术实施例中，所述第三贴片121和所述第四贴片122均可为辐射贴片，所述第二基板123可为f4b介质基板。所述第二基板123的相对介电常数可为2.2，所述第二基板123的损耗角正切值可为0.001，所述第二基板123的长宽尺寸可为60*30mm2(即0.52λd*0.26λd)，所述第二基板123的厚度为1.5mm。
41.在本技术实施例中，所述第二贴片结构120还包括馈电片124以及馈电探针125，其中，所述馈电片124沿第一方向001延伸设置于所述第二基板123背对所述第一基板113的一侧。所述馈电探针125的一端与所述馈电片124电性相连，所述馈电探针125的另一端与所述第三贴片结构140电性相连，所述馈电片124和所述馈电探针125用于将激励信号的电磁能量耦合到所述第三贴片121和所述第四贴片122，同时所述馈电片124和所述馈电探针125与所述第三贴片121以及所述第四贴片122之间重叠部分呈容性，可以作为容性补偿，从而改善所述天线单元100的阻抗匹配。此外，所述馈电片124和所述馈电探针125构成的耦合馈电结构还额外引入了一个高频的谐振频率点。
42.在本技术实施例中，通过在所述第二基板123上表面的两端设计两个辐射贴片(即第三贴片121和第四贴片122)，以及所述第二基板123下表面的馈电片124和馈电探针125，构成平面折叠型偶极子结构。
43.在本技术实施例中，所述短路柱组件130包括第一短路柱单元131和第二短路柱单元132，所述第一短路柱单元131与所述第二短路柱单元132安装于所述第二贴片结构120和所述第三贴片结构140之间，且在第一方向001上间隔第三预设距离设置。其中，所述第一短路柱单元131的一端贯穿所述第二基板123，并与所述第三贴片121电性相连，所述第一短路柱单元131的另一端安装至所述第三贴片结构140；所述第二短路柱单元132的一端贯穿所述第二基板123，并与所述第四贴片122电性相连，所述第二短路柱单元132的另一端安装至所述第三贴片结构140。所述第一短路柱单元131和所述第二短路柱单元132用于分别调整所述第三贴片121和所述第四贴片122引入的两个谐振频率点位置，从而优化所述天线单元100的带宽性能。
44.在本技术实施例中，所述第一短路柱单元131和所述第二短路柱单元132均包括多个间隔排列设置的短路柱。所述第一短路柱单元131和第二短路柱单元132在印制电路板(printed circuit board，pcb)技术金属化过孔工艺上更容易制备和组装，且成本也更低。
45.在本技术实施例中，所述第三贴片结构140包括第三基板141、反射地面142以及连接器单元143，其中，所述反射地面142设置于所述第三基板141背对所述第二基板123的一侧，所述反射地面142用于降低所述天线单元100的背向辐射，并加强所述天线单元100的定向辐射性能。所述连接器单元143的一端(外导体)与所述反射地面142电性相连，所述连接器单元143的一端(内心)与所述馈电探针125电性相连，所述连接器单元143用于为需要同轴线连接的所述天线单元100内的射频(radio frequency，rf)组件提供连接。
46.在本技术实施例中，所述第一短路柱单元131与所述第二短路柱单元132安装于所述第二贴片结构120和所述第三贴片结构140之间，且在第一方向001上间隔第三预设距离设置。其中，所述第一短路柱单元131的一端贯穿所述第二基板123，并与所述第三贴片121
电性相连，所述第一短路柱单元131的另一端贯穿所述第三贴片结构140的第三基板141，并与所述反射地面142电性相连。所述第二短路柱单元132的一端贯穿所述第二基板123，并与所述第四贴片122电性相连，所述第一短路柱单元131的另一端贯穿所述第三贴片结构140的第三基板141，并与所述反射地面142电性相连。
47.在本技术实施例中，所述连接器单元143可为同轴电缆连接器，具体可为sma(sub-miniature a)连接器。
48.在本技术实施例中，所述第三基板141可为f4b介质基板，所述第三基板141的相对介电常数可为2.2，所述第三基板141的损耗角正切值可为0.001，所述第三基板141的长宽尺寸可为60*30mm2(即0.52λd*0.26λd)，所述第三基板141的厚度为0.5mm，所述反射地面142可为矩形。
49.在本技术实施例中，所述第一基板113设置有所述第一贴片111和所述第二贴片112的侧面可定义为所述天线单元100的正面，所述第三基板141设置有所述反射地面142的侧面可定义为所述天线单元100的背面。
50.综上所述，本技术的天线单元中，所述第一贴片111和所述第二贴片112均沿第一方向001延伸设置于所述第一基板113背对所述第二贴片结构120的一侧，所述第一贴片111和所述第二贴片112均用于调整高频谐振频率点，并且所述第三贴片121和所述第四贴片122分别设置于所述第二基板123靠近所述第一基板113一侧的两端，所述第三贴片121和所述第四贴片122均用于引入两个低频谐振频率点，从而在一定程度上拓展了所述天线单元100的带宽性能，所述馈电片124和所述馈电探针125用于将激励信号的电磁能量耦合到所述第三贴片121和所述第四贴片122，同时所述馈电片124和所述馈电探针125与所述第三贴片121以及所述第四贴片122之间重叠部分呈容性，可以作为容性补偿，从而改善所述天线单元100的阻抗匹配，同时，所述第一短路柱单元和所述第二短路柱单元132用于分别调整所述第三贴片121和所述第四贴片122引入的两个低频谐振频率点位置，从而优化所述天线单元100的带宽性能。而且所述第一基板113、所述第二基板123以及所述第三基板141的价格相对便宜，能够降低生产成本。
51.如图4所示，图4是图1所示的天线单元的反射系数和增益的频率响应图。由图可知，在反射系数小于-10db情况下，所述天线单元100实现了约80％(即1.58ghz-3.7ghz)优良的宽带宽性能，能够很好地覆盖2g/3g/4g/5g蜂窝系统和无线局域网(wireless local area networks，wlan)等通信系统的工作频段。同时，由图4可知，所述天线单元100在整个工作带宽内获得了从4dbm到5.5dbm的增益特性，增益变化在1.5dbm以内，所述天线单元100在辐射方向上具有稳定的增益性能。
52.如图5所示，图5是图1所示的天线单元的辐射方向图。由图可知，所述天线单元100在1.8ghz、2.6ghz和3.6ghz的辐射方向，由于所述天线单元100在结构上具有对称性，在整个工作带宽内的方向图性能中呈现出较好的对称性能，并且获得了小于-20dbm的交叉极化特性。
53.请参见图6和图7，图6为本技术实施例的一种全向偶极子天线的结构示意图，图7为本技术实施例的一种全向偶极子天线的侧面结构示意图。
54.如图6所示，本技术实施例提供一种全向偶极子天线10，所述全向偶极子天线10包括两个所述天线单元100和固定单元200，其中，两个所述天线单元100背对背间隔设置，所
述固定单元200设置于两个所述天线单元100之间，用于将两个所述天线单元100进行固定，并能够保持间隔第四预设距离。也即为，两个所述天线单元100背对背固定于所述固定单元200的相对两侧。具体为，两个所述天线单元100背对背间隔设置指的是两个所述天线单元100的反射地面142面对面正对设置，且二者之间间隔第四预设距离。
55.在本技术实施例中，两个所述天线单元100由于共同辐射和相互耦合作用，使得所述天线单元100靠近第二方向002的辐射性能得到增强，同时第一方向001的辐射强度基本保持不变，从而使得所述全向偶极子天线10获得较好的全向辐射性能。如图7所示，所述全向偶极子天线10通过两个馈电单元300同时进行馈电，两个馈电单元300的内芯(图未示)分别通过两个所述天线单元100的所述馈电探针125分别与两个所述天线单元100的所述馈电片124可通过焊接的方式电性相连，两个馈电单元300的一端分别与两个所述天线单元100的所述反射地面142电性相连，两个馈电单元300的另一端分别与两个所述天线单元100的所述连接器单元143电性相连。
56.在本技术实施例中，所述馈电单元300可为50欧姆的同轴线。
57.在本技术实施例中，所述固定单元200可为泡沫材料，所述固定单元200的厚度为10mm，所述固定单元200的介电常数为1.1。
58.在本技术实施例中，两个所述天线单元100之间的距离即为固定单元200的厚度，即所述第四预设距离等于10mm。
59.在本技术实施例中，所述全向偶极子天线10可为背对背型折叠偶极子天线，其主要是基于上述的多模谐振结构的平面折叠型偶极子天线单元结构。
60.如图8是图6所示的全向偶极子天线的演变过程原理图。由图8可知，由于所述天线单元100在最大辐射方向上的辐射方向图具有类全向辐射特性，在第一方向001上，所述天线单元100的增益逐渐减小，背对背相反设置两个所述天线单元100由于两个所述天线单元100的位置完全相反，两个所述天线单元100的辐射效果叠加作用，所述天线单元100靠近第二方向002的增益得到提高，同时第一方向001的增益基本保持不变，从而使得全向偶极子天线10在第一方向001和第二方向002构成的平面内获得更加均匀的辐射效果。
61.如图9所示，图9是图6所示的全向偶极子天线的反射系数和增益的频率响应图。由图9可知，由于多个谐振模式的共同作用，所述全向偶极子天线10获得了约80％(即1.6ghz-3.6ghz)良好的宽带宽性能，能够很好地覆盖2g/3g/4g/5g蜂窝系统和无线局域网(wireless local area networks，wlan)等通信系统的工作频段。同时，由图9可知，所述全向偶极子天线10在整个工作带宽内获得了约2dbm的稳定的全向增益特性，增益变化在均1.5dbm以内，所述全向偶极子天线10在辐射方向上具有稳定的增益性能。
62.如图10所示，图10是图6所示的全向偶极子天线的辐射方向图。由图10可知，所述全向偶极子天线10在1.8ghz、2.6ghz和3.6ghz的辐射方向图，所述全向偶极子天线10在第一方向001和第二方向002构成的平面内具有全向辐射特性。并且在整个工作带宽内实现了小于1bm的不圆度性能，从而使得所述全向偶极子天线10能够更好的应用于2g/3g/4g/5g中的室内分布系统和微基站。
63.需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些操作可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知
悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
64.本技术提供的各实施例的描述可以相互参照，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。为描述的方便和简洁，例如关于本技术实施例提供的各装置、设备的功能以及执行的操作可以参照本技术方法实施例的相关描述，各方法实施例之间、各装置实施例之间也可以互相参考、结合或引用。
65.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。