具有控制波束宽度的小型化天线单元和大规模天线阵列的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有控制波束宽度的小型化天线单元和大规模天线阵列，其中，该小型化天线单元包括：辐射片、介质层、微带缝隙天线基板和反射腔；介质层设置于辐射片与微带缝隙天线基板的正面之间，且介质层的介电常数大于空气的介电常数；微带缝隙天线基板采用高介电常数基片，且高介电常数基片的介电常数大于3.5；反射腔设置于微带缝隙天线基板的反面。该小型化天线单元和大规模天线阵列具有更小的体积，且通过改变天线单元中介质层和高介电常数基片的介电常数，可以实现控制波束宽度。
【专利说明】具有控制波束宽度的小型化天线单元和大规模天线阵列
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及移动通信【技术领域】，具体地，涉及一种具有控制波束宽度的小型化天线单元和大规模天线阵列。
【背景技术】
[0002]随着智能终端的兴起及无线数据应用业务的丰富，无线通信系统中的数据用户数大幅增加，数据内容也不再限于传统的文字或图像，未来用户对高清晰度视频、手机电视等多媒体业务的需求越来越多，导致无线网络流量呈现出爆炸式增长的态势。根据市场机构预测，未来十年，无线数据业务将增长500-1000倍，平均每年增长1.6-2倍，这对无线通信系统的网络容量提出了更高的要求。提升无线通信系统网络容量的方法有多种，主要包括提升频谱效率、提高网络密度、增加系统带宽、智能业务分流等。
[0003]如图1所示，大规模天线阵列系统的基本特征就是通过在基站侧配置数量众多的天线阵列(从几十至几千)，获得比传统天线阵列系统(天线阵列数不超过8个)更为精确地波数控制能力，然后通过空间复用技术，在相同的时频资源上同时服务更多用户来提升无线通信系统的频谱效率，从而满足未来4G/5G无线通信系统中海量信息的传输需求。另外大规模天线阵列系统还可以很好的抑制无线通信系统中的干扰，带来巨大的小区内及小区间的干扰抑制增益，使得整个无线通信系统的容量和覆盖范围得到进一步提高。
[0004]大规模天线阵列系统能够深度利用空间无线资源，理论上可显著提高系统的频谱效率和功率效率，是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。但是，现有大规模天线阵列的天线单元由于体积设计较大，进一步造成大规模天线阵列的体积较大。目前，128个单元的天线阵列的面积可以做到30cmX120cm。此外，普通天线的波束宽度一般在65° ±10°左右，波束宽度较窄。
实用新型内容
[0005]本实用新型是为了克服现有技术中天线单元体积较大的缺陷，根据本实用新型的一个方面，提出一种具有控制波束宽度的小型化天线单元。
[0006]本实用新型实施例提供的一种具有控制波束宽度的小型化天线单元，包括:辐射片、介质层、微带缝隙天线基板和反射腔；介质层设置于辐射片与微带缝隙天线基板的正面之间，且介质层的介电常数大于空气的介电常数；微带缝隙天线基板采用高介电常数基片，且高介电常数基片的介电常数大于3.5 ;反射腔设置于微带缝隙天线基板的反面。
[0007]在上述技术方案中，微带缝隙天线基板包括高介电常数基片、微槽缝隙和微带线；微槽缝隙设置于高介电常数基片的正面，微带线设置于高介电常数基片的反面；微带缝隙天线基板的正面与高介电常数基片的正面为同一面，微带缝隙天线基板的反面与高介电常数基片的反面为同一面。
[0008]在上述技术方案中，介质层和高介电常数基片的介电常数的取值范围为:
[0009]3.5 < N < 10, I < M < 10 ；
[0010]其中，N为高介电常数基片的介电常数，M为介质层的介电常数。
[0011]本实用新型实施例提供的小型化天线单元，通过提高基片的介电常数，使在基片中激励出来的频率信号波长变短，这样为了达到谐振辐射，微槽缝隙就需要相应的变短，从而可以大大减小了天线基片的尺寸。此外，当天线辐射出的信号经过具有更高介电常数的介质层时，缩小了信号的波长，与其产生谐振的辐射片的尺寸也相应减小；同时，由于介质层的介电常数变高，其损耗相应变大，当天线辐射出的信号经过具有更高介电常数的介质层时，天线的辐射效率便会降低，即天线增益降低，从而使得天线的波束宽度变宽。所以，介质层的介电常数越高，波束宽度越宽，即本实用新型实施例提供的小型化天线单元通过改变介质层的材质(即改变介质层的介电常数)，可以控制天线的波束宽度。
[0012]本实用新型是为了克服现有技术中大规模天线阵列体积较大的缺陷，根据本实用新型的一个方面，提出一种具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列。
[0013]本实用新型实施例提供的一种具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列，由上述的具有控制波束宽度的小型化天线单元组成。
[0014]在上述技术方案中，具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列为二维大规模天线阵列。
[0015]本实用新型实施例提供的具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列，采用小型化天线单元，体积小，因此具有小型化、轻薄紧凑、受风面积小、重量轻、便于安装等优点。同时，通过改变天线单元中介质层和高介电常数基片的介电常数，可以实现控制波束宽度。该小型化天线阵列还可以实现绿色隐形化，将天线阵列设置于路标等建筑物中，实现高效信号覆盖。
[0016]本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0017]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
[0019]图1为现有技术中的大规模天线阵列系统配置图；
[0020]图2为本实用新型实施例中小型化天线单元的结构图；
[0021]图3为本实用新型实施例中4X4小型化大规模天线阵列的俯视图；
[0022]图4为本实用新型实施例中4X4小型化大规模天线阵列的侧视图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图，对本实用新型的【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0024]根据本实用新型实施例，提供了一种具有控制波束宽度的小型化天线单元，图2为该小型化天线单元的结构图，包括:辐射片10、介质层20、微带缝隙天线基板30和反射腔40。
[0025]其中，如图2所示，介质层20设置于辐射片10与微带缝隙天线基板30的正面之间，且介质层20的介电常数大于空气的介电常数；微带缝隙天线基板30采用高介电常数基片301，且高介电常数基片301的介电常数大于3.5 ;同时，反射腔40设置于微带缝隙天线基板30的反面。反射腔40的反射面401用于反射微带缝隙天线发射的信号，保证天线单兀只在一个方向上发射信号。
[0026]具体的，微带缝隙天线基板30包括高介电常数基片301、微槽缝隙302和微带线303。其中，微槽缝隙302设置于高介电常数基片301的正面，微带线303设置于高介电常数基片301的反面；微带缝隙天线基板30的正面与高介电常数基片301的正面为同一面，微带缝隙天线基板30的反面与高介电常数基片301的反面为同一面。
[0027]本实用新型实施例提供的小型化天线单元，通过提高基片的介电常数，使在基片中激励出来的频率信号波长变短，这样为了达到谐振辐射，微槽缝隙就需要相应的变短，从而可以大大减小了天线基片的尺寸。此外，当天线辐射出的信号经过具有更高介电常数的介质层时，缩小了信号的波长，与其产生谐振的辐射片的尺寸也相应减小；同时，由于介质层的介电常数变高，其损耗相应变大，当天线辐射出的信号经过具有更高介电常数的介质层时，天线的辐射效率便会降低，即天线增益降低，从而使得天线的波束宽度变宽。所以，介质层的介电常数越高，波束宽度越宽，即本实用新型实施例提供的小型化天线单元通过改变介质层的材质(即改变介质层的介电常数)，可以控制天线的波束宽度。
[0028]本实用新型实施例提供的小型化天线单元，采用的单元天线结构具有高增益的特点:当介质层为空气时，小型化天线单元的增益可达到8.3dB，而传统天线单元的增益一般在6dB左右。提高介质层介电常数后，单元天线增益虽然下降到跟传统天线单元一样的情况，但体积却比传统天线单元小很多。
[0029]下面以LTE天线为例，采用不同介电常数的基片和介质层时的测试结果如下表I所示:
[0030]表I
[0031]
Mt 、 增益波速宽度基片介介质层的介天线尺寸频率(MHz)
^(dBi) Γ ) 电常数电常数(mm)
天线名称'\______
传统天线2555-2635685°± 10°____100*100*80
参考天线2555-26358.365。± 10°3.5空气 I75*75*40
小型化天线单元2555-2635865°±10°6.15空气 I60*60*40
小型化天线单元2555-2635865°±10° 10空气 I60*60*40
小型化天线单元 2555-2635 6 5 80°±10° 6.15四爾?乙輝160*60*40
2.55
小型化天线单元 2555-2635 6 D 80°±10° 1049*49*35
2.55
小型化天线单元 2555-2635 4 90°±10° 3.5 ABS 3.275*75*40
小型化天线单元 2555-2635 4 90。±10。 10ABS 3.249*49*35
小型化天线单元 2555-2635 1.5 100°±10° 6.15 玻璃 5.560*60*40
小型化天线早元 2555-2635 I 5 100°±10° 10 玻璃 5 549*49*35
小型化天线单元 2555-2635 0.5 110°±10° 10 PCB 6,1549*49*35
小型化天线单元 2555-2635 O 110°±10° 10 大理石 8.349*49*35
小型化天线单元 2555-2635 O 110°±10° 10PCB 1049*49*35
[0032]由表I可得出。天线基片的介电常数一般是从3.5?10，介质层的介电常数达到10左右时，天线单元已不能正常工作。因此，介质层和高介电常数基片的介电常数的取值范围为:
[0033]3.5 < N < 10 ；1 < M < 10 ；
[0034]其中，N为高介电常数基片的介电常数，M为介质层的介电常数。相应的，天线波束宽度大约可控制在60°到110°之间。
[0035]本实用新型实施例还提供一种具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列，该小型化大规模天线阵列由上述的具有控制波束宽度的小型化天线单元组成。且该小型化大规模天线阵列为二维大规模天线阵列，具体可采用方形阵列或圆形阵列。本实用新型实施例以方形阵列为例，该小型化大规模天线阵列的结构图具体可参见图3-图4所示。需要说明的是，图3-图4以4X4为例，该阵列也可采用其他的排列，例如4X8、4X16、8X8、8X16、8X32等阵列，此处不做举例说明。
[0036]此外，由于本实用新型实施例中所采用的天线单元具有更小的体积，以49 X 49 X 35 (单位mm)为例,4X 16的天线阵列包括128个单元(由于每个天线单元具有两路信号线路，因此每个天线单元算作两个单元；4X 16的天线阵列包括64个如上所述的天线单元，共128个单元)，其面积可以做到20cmX80cm。同时,通过改变天线单元中介质层和高介电常数基片的介电常数，可以实现控制波束宽度。
[0037]本实用新型实施例提供的具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列，采用小型化天线单元，体积小，因此具有小型化、轻薄紧凑、受风面积小、重量轻、便于安装等优点。同时，通过改变天线单元中介质层和高介电常数基片的介电常数，可以实现控制波束宽度。该小型化天线阵列还可以实现绿色隐形化，将天线阵列设置于路标等建筑物中，实现高效信号覆盖。
[0038]本实用新型能有多种不同形式的【具体实施方式】，上面以图2-图4为例结合附图对本实用新型的技术方案作举例说明，这并不意味着本实用新型所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本实用新型权利要求的实施方式均应在本实用新型技术方案所要求保护的范围之内。
[0039]最后应说明的是:以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有控制波束宽度的小型化天线单元，其特征在于，包括:辐射片、介质层、微带缝隙天线基板和反射腔； 所述介质层设置于所述辐射片与所述微带缝隙天线基板的正面之间，且所述介质层的介电常数大于空气的介电常数； 所述微带缝隙天线基板采用高介电常数基片，且所述高介电常数基片的介电常数大于3.5 ； 所述反射腔设置于所述微带缝隙天线基板的反面。
2.根据权利要求1所述的小型化天线单元，其特征在于，所述微带缝隙天线基板包括高介电常数基片、微槽缝隙和微带线； 所述微槽缝隙设置于所述高介电常数基片的正面，所述微带线设置于所述高介电常数基片的反面；所述微带缝隙天线基板的正面与所述高介电常数基片的正面为同一面，所述微带缝隙天线基板的反面与所述高介电常数基片的反面为同一面。
3.根据权利要求1或2所述的小型化天线单元，其特征在于，所述介质层和所述高介电常数基片的介电常数的取值范围为:
3.5 < N < 10 ；1 < M < 10 ； 其中，N为高介电常数基片的介电常数，M为介质层的介电常数。
4.一种具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列，其特征在于，所述具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列由权利要求1-3任一所述的具有控制波束宽度的小型化天线单元组成。
5.根据权利要求4所述的小型化大规模天线阵列，其特征在于，所述具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列为二维大规模天线阵列。
6.根据权利要求5所述的小型化大规模天线阵列，其特征在于，所述具有控制波束宽度的小型化大规模天线阵列为4X4、4X16、8X8、8X16或8X32阵列的大规模天线阵列。
【文档编号】H01Q21/00GK203983493SQ201420450943
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】庄昆杰 申请人:庄昆杰