一种低剖面双极化天线单元的制作方法

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种低剖面双极化天线单元，应用于第五代移动通信系统。

背景技术：

自上世纪八十年代以来，移动通信技术经历了以模拟蜂窝技术为主的第一代移动通信系统(1G)，以TDMA和FDMA为主的第二代数字蜂窝通信系统(2G)，以CDMA为主要特征支持宽带数据业务的第三代通信系统(3G)，以及以OFDM和MIMO为主要特征第四代通信系统(4G)。目前4G技术已经得到大规模商用，它使数据传输速率得到了一个很大的提升。但随着移动互联网、物联网、车联网等新兴技术的飞速发展，目前的移动通信系统面临着诸多的压力。

以第五代移动通信系统(5G)为主要研究方向的新一代移动通信系统采用多项新的关键技术，具备比现有移动通信系统更优的性能，如更快的用户体验速率、更高的数据峰值传输速率、更密集的设备连接数、毫秒级水平的端到端时延以及满足500Km/h以上的移动性。其中，用户体验速率、设备连接数密度和时延被看做第五代移动通信系统最基本的三项性能指标。同时，第五代移动通信系统还能够大幅度提高网络部署和运营的效率，实现几十倍频谱效率的提升以及百倍以上能效和成本效率的提升。

目前，半波振子天线是移动通信系统中最为常见的单元形式。半波振子天线电性能稳定，加工工艺成熟，但是在结构方面半波振子整体高度较大，并且与其相连的功分网络、耦合网络等均为深度方向排布，容易导致阵面辐射层总体厚度增加，给基站天线的架设带来不便。此外，半波振子需要采用十字交叉的方式来实现双极化特性，结构复杂，加工难度大。对于低剖面贴片天线单元，金属贴片剖面低，容易实现双极化辐射；采用常规方形贴片的天线单元其单元间距受限于贴片的大小，并且较大的贴片尺寸容易导致单元间较强耦合。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种移动通信系统小型化低剖面双极化天线单元，实现双极化辐射；通过在辐射贴片上开十字形槽，能够有效减小贴片的尺寸，天线单元整体结构紧凑，适合大批量生产加工。

本发明采用以下技术方案：一种低剖面双极化天线单元，包括金属片、支撑柱和耦合馈电层，所述支撑柱一端垂直固定在所述耦合馈电层上，另一端固定于所述金属片上，使所述金属片与所述耦合馈电层平行；所述金属片的边在所述耦合馈电层上的投影的延长线与所述耦合馈电层的边的延长线呈45°夹角；所述金属片中部开有十字形孔；所述耦合馈电层从上到下分别是上层地板层、介质基板和下层地板层，所述上层地板层表面设有第一馈电带状线、第二馈电带状线和若干贯穿所述耦合馈电层的金属化过孔，所述第一馈电带状线和所述第二馈电带状线层压在介质基板中间，均为“L”型，分列在所述耦合馈电层一条对角线两侧，成正交分布，所述上层地板层刻蚀有正交排布的“工”型缝隙，所述第一馈电带状线和所述第二馈电带状线分别经两个“工”型缝隙耦合激励金属片；所述第一馈电带状线和所述第二馈电带状线的长边分别与所述金属片的相邻边在所述耦合馈电层上的投影平行；分布在所述第一馈电带状线和所述第二馈电带状线两侧的金属化过孔为第一类金属化过孔；分布在所述第一馈电带状线和所述第二馈电带状线之间的金属化过孔为第二类金属化过孔。

所述支撑柱有四根，连接所述金属片的一端分别固定于所述金属片的四个角。

所述支撑柱为塑料绝缘材质。

所述金属片的宽度为0.3λ～0.4λ，λ为中心频点对应自由空间波长。

所述十字形孔的长度为0.20λ～0.23λ。

所述金属片和所述耦合馈电层之间的空气层厚度为0.025λ～0.035λ。

本发明的效果主要有：

1、体积小、剖面低，适用于第五代移动通信系统；

2、易于实现双极化辐射：两个馈电带状线、“工”型缝隙不沿耦合馈电层的边设置，而是与其呈45°角，相应的，金属片也旋转45°，从而实现斜45°双极化辐射；

3、抑制了馈电网络的寄生辐射：本发明耦合馈电层和金属片之间有接地层，使耦合馈电层和金属贴片结构上隔离，避免了馈电网络寄生辐射对天线辐射方向图的影响；

4、结构紧凑，形式简单，分离部件少，装配简单，电性能良好，非常适合大批量生产加工。

附图说明

图1为本发明实施例低剖面双极化天线单元的结构图；

图2为图1中实施例的侧视图；

图3为图1实施例之耦合馈电层结构图；

图4为图1中实施例端口隔离度测试曲线；

图5为图1中实施例端口驻波比测试曲线；

附图标记说明：

1—金属片、10—十字形孔、2—支撑柱、3—耦合馈电层、30—第一馈电带状线、31—第二馈电带状线、32—介质基板、33—上层地板层、34—下层地板层、35—金属化过孔、36—”工”型缝隙。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1和图2所示，本实施例第五代移动通信系统小型化低剖面双极化天线单元，包括金属片1、支撑柱2、耦合馈电层3。支撑柱2为塑料材质，金属片1呈方形，表面刻蚀有十字形孔10，通过支撑柱2固定在耦合馈电层3上方。金属片1的边在耦合馈电层3上的投影与耦合馈电层3的边的延长线相交成45°角。

耦合馈电层3分为三层，如图3所示，从上到下依次是上层地板层33、介质基板32和下层地板层34，上层地板层33表面有第一馈电带状线30、第二馈电带状线31、金属化过孔35以及“工”型缝隙。第一馈电带状线30和第二馈电带状线31均呈“L”形，分列在耦合馈电层3的一条对角线两侧，其中一个馈电带状线的长边与上述对角线平行，另一个馈电带状线的长边与该对角线垂直，即第一馈电带状线30和第二馈电带状线31为正交分布。第一馈电带状线30、第二馈电带状线31层压在介质基板32中间。金属化过孔35贯穿耦合馈电层3。

第一馈电带状线30和第二馈电带状线31分别经两个”工”型缝隙36耦合激励金属片1，两个”工”型缝隙36分别与两个馈电带状线的长边垂直相交。这样，金属片1、第一馈电带状线30、第二馈电带状线31、”工”型缝隙36相对于耦合馈电层3的边整体旋转45°，从而实现正负45°双极化辐射，通过调节”工”型缝隙的结构尺寸可以改善低剖面双极化的匹配特性。采取第一馈电带状线30、第二馈电带状线31分别对金属片1进行馈电，馈电带状线传输的微波信号被上层地板层33所屏蔽，传输的微波信号直接辐射泄漏非常小，减小了馈电网络的寄生辐射。

金属化过孔35包括沿第一馈电带状线30、第二馈电带状线31两侧排布的第一类金属化过孔和排布在第一馈电带状线30、第二馈电带状线31之间的第二类金属化过孔。第一类金属化过孔可以抑制带状线高次模的传输，第二类金属化过孔可以有效减小第一馈电带状线30和第二馈电带状线31之间的电磁耦合。

支撑柱2将金属片1固定在耦合馈电层3上方。支撑柱2主要起固定金属片的作用，也可以采用塑料支撑架等固定件。通过对金属片1、支撑柱2、耦合馈电层3的统一装配，该天线结构牢靠耐用，剖面低，装配简单，非常适合大批量生产加工。

利用电磁场数值算法结合仿真技术，通过优化设计与性能比对来达到改善天线辐射特性及S参数可调节的参数较多，包括：金属片1的宽度，十字形孔10的尺寸，金属片1距离耦合馈电层3的高度，第一馈电带状线30、第二馈电带状线31的长度和宽度，”工”型缝隙的尺寸等等。通过对这些参数的优化，可以满足天线的性能要求。

本实施例中金属片1的宽度为0.3λ～0.4λ(λ为中心频点对应自由空间波长)，十字形孔的长度为0.20λ～0.23λ，金属片1和耦合馈电层3之间的空气层厚度为0.025λ～0.035λ。

图4为本实施例的带内端口隔离度曲线，横坐标表示工作频率，纵坐标表示双极化天线单元两个端口隔离度S21参数(以dB表示)，可以看出两端口间在3.4GHz到3.6HHz实现了26dB以上的隔离。

图5为本实施例的带内驻波比曲线，横坐标表示工作频率，纵坐标表示双极化天线单元两个端口的驻波比参数，可以看出两端口在3.4GHz到3.6HHz驻波比小于2。