一种5G超宽频双极化耦合辐射单元及天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种5g超宽频双极化耦合辐射单元及天线。

背景技术：

2019年6月6日，工业和信息化部正式向中国移动、中国联通、中国电信、中国光电发布了四张5g（第五代移动通信）商用牌照，这意味着中国正式迈入5g（第五代移动通信）时代。

现如今，4g（第四代移动通信）网络可以享受到丰富多彩的移动互联网业务，但受限于4g的速率和时延，在地铁、场馆等人流密集的地区存在网速下降，画面卡顿的情况。相比4g（第四代移动通信），5g（第五代移动通信）具备超高速率、超低时延、大容量等特性。智能家居、智慧城市、云办公、工业自动化等应用将孕育新一轮的移动互联网业务的创新发展。

天线作为5g（第五代移动通信）网络通信应用的一个载体，也在跟随通信技术的发展与时俱进。国内通信天线在跟随由2g（第二代移动通信）到现在的4g（第四代移动通信）迭代发展，由早期的gsm单频窄带天线、gsm双频、mimo宽频天线，再到5g时代的massivemimo天线技术。2g、3g、4g还不能完全被替代。所以，我们现今的5g天线方案中还必须保证能够兼容2g、3g、4g的网络制式。现有的常规双极化天线方案中因为天线单元的带宽限制，必须在设计过程中把2g、3g、4g与5g的双极化天线单元分开设计，之后再通过滤波器进行合路设计。这种常规双极化天线单元方案的设计方式虽然能够很好的把几种制式的双极化天线单元拼凑在一起，但这种双极化天线方案的缺陷也很致命，如体积大、结构庞杂化、成本高昂。而且常规双极化半波振子单元并无针对5g的低时延、高速率等进行优化设计，因此存在信噪比差、抗干扰能力差两种缺陷。万物互联是5g的未来重要应用场景，端到端之间的网络覆盖质量直接影响到未来用户对5g的网络体验，双极化天线单元的性能差异必然会对运营商5g网络的大规模覆盖效果产生无法估量的后果。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种5g超宽频双极化耦合辐射单元及天线。其中，一种5g超宽频双极化耦合辐射单元，通过振子臂之间增设去耦组件、极化零位的分集聚合片和振子臂末端的寄生单元三者的协同作用，使其频率带宽达到1710～3800mhz，既满足现有2g至4g网络制式的网络通信频段，又能够满足5g（第五代移动通信）网络制式的频段使用要求。与市面上的常规双极化天线单元方案分段设计双极化天线单元，再通过滤波器进行合路的天线对比，具有体积小型化、超宽频、高增益、抗干扰能力强、低成本、结构简单易于大批量生产制造、高数据传输率和向下向上兼容等优点。解决了运营商为应对多种网络制式的系统，而需要采购体积大、成本高、信噪比差、抗干扰能力差的5g天线大规模覆盖的网络效果和成本问题。同时为国内移动通信运营商提供性能优良的多系统5g系统天线产品，具有显著的经济效益。

为达到上述目的，本发明提供一种5g超宽频双极化耦合辐射单元及天线，采用了如下所述的技术方案：

一种5g超宽频双极化耦合辐射单元，其包括辐射体和馈电巴伦，所述馈电巴伦用于支撑所述辐射体并为其馈电，所述辐射体包括十字交叉对称设置的振子臂、设置在每一振子臂末端的寄生单元和分别设置在两端极化零位的极化分集聚合片，其中，相邻振子臂之间设置有去耦组件。

作为本发明提供的所述的5g超宽频双极化耦合辐射单元的一种改进，所述去耦组件为等距交错的去耦平衡齿。

作为本发明提供的所述的5g超宽频双极化耦合辐射单元的一种改进，所述去耦平衡齿齿间间距为0.5~1.0mm。

作为本发明提供的所述的5g超宽频双极化耦合辐射单元的一种改进，所述振子臂为直角水滴状振子臂，其直角边设置有所述去耦组件。

作为本发明提供的所述的5g超宽频双极化耦合辐射单元的一种改进，所述聚合片为凸字状聚合片，其较窄的一端靠近所述振子臂之间的缝隙设置。

作为本发明提供的所述的5g超宽频双极化耦合辐射单元的一种改进，所述振子臂与寄生单元为耦合连接。

作为本发明提供的所述的5g超宽频双极化耦合辐射单元的一种改进，所述辐射体形成在介质板上，所述振子臂、寄生单元、聚合片形成在所述介质板的正面，所述介质板的反面还形成有4个镂空金属环和2个馈电面，镂空金属环与振子臂对应设置，馈电面与与其对应的振子臂通过金属化圆孔连接。

作为本发明提供的所述的5g超宽频双极化耦合辐射单元的一种改进，还包括设置在所述辐射体的上方的调谐片。

一种天线，包括金属反射板，在所述金属反射板上设置有上述的5g超宽频双极化耦合辐射单元。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

一种5g超宽频双极化耦合辐射单元，通过振子臂之间增设去耦组件、极化零位的分集聚合片和振子臂末端的寄生单元三者的协同作用，使其频率带宽达到1710～3800mhz，既满足现有2g至4g网络制式的网络通信频段，又能够满足5g（第五代移动通信）网络制式的频段使用要求。与市面上的常规双极化天线单元方案分段设计双极化天线单元，再通过滤波器进行合路的天线对比，具有体积小型化（相对传统方式缩小了40%）、超宽频、高增益、抗干扰能力强、低成本（相对传统方式约降低了35%）、结构简单、易于大批量生产制造、高数据传输率和向下向上兼容等优点。解决了运营商为应对多种网络制式的系统，而需要采购体积大、成本高、信噪比差、抗干扰能力差的5g天线大规模覆盖的网络效果和成本问题。同时为国内移动通信运营商提供了性能优良的多系统5g系统天线产品，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明一种5g超宽频双极化耦合辐射单元的侧视图；

图2为本发明一种5g超宽频双极化耦合辐射单元的俯视图；

图3为本发明一种5g超宽频双极化耦合辐射单元中辐射体的正面图；

图4为本发明一种5g超宽频双极化耦合辐射单元中辐射体的背面图；

图5为图3中a1处的放大示意图；

图6为图3中a2处的放大示意图；

图7为图3中a3处的放大示意图；

图8为图4中a4处的放大示意图；

图9为本发明一种天线的侧视图；

图10为具有本发明5g超宽频双极化耦合辐射单元的天线的端口电压驻波比平面图；

图11为具有本发明5g超宽频双极化耦合辐射单元的天线的端口隔离度平面图；

图12为具有本发明5g超宽频双极化耦合辐射单元的天线的辐射方向图，分别为0度方向的水平面方向图、90度方向的垂直面方向图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至8所示，一种5g超宽频双极化耦合辐射单元，其包括辐射体100和馈电巴伦200，所述馈电巴伦200用于支撑所述辐射体100并为其馈电。其中，所述辐射体100包括十字交叉对称设置的振子臂110、寄生单元120和极化分集聚合片130，+45°方向上对角设置的两个振子臂110组成一个+45°极化组件，-45°方向上对角设置的两个振子臂110组成一个-45°极化组件，相邻振子臂110之间设置有去耦组件140，所述寄生单元120设置在每一振子臂110的末端，极化分集聚合片130设置在两端的极化零位。

于本发明实施例中，所述振子臂110为直角水滴状振子臂110，即每一振子臂110由一个圆形和直角形组成，四个振子臂110的直角均朝向所述辐射体100的中心靠拢而设置，则每两个振子臂110的相邻边均为直角边。具体到本实施例中，所述去耦组件140为等距交错的去耦平衡齿141，具体为相邻的两个振子臂110的两个直角边上均形成有齿状结构，两个直角边上的齿状结构相互错开且等间距设置，优选地，所述去耦平衡齿141的相邻齿的齿间间距d1为0.5~1.0mm，如图5所示。

值得注意的是，所述齿状结构可以理解为在一直角边上形成的若干个等间距齿，齿的数量为4个或4个以上，齿的形状可以是正方形，也可以是其他多边形，更优选地，多边形为规则多边形。

当齿的形状是其他规则多边形时，则齿间间距d1按相邻两齿的最大间距来计算。

需要说明的是，所述等距交错的去耦平衡齿141的齿形状、数量和齿间间距，可根据预设5g频率的中心频率进行适当的调节，调节过程为现有调节技术，在此不再详述。

值得注意的是，上述振子臂110远离辐射体100中心的一侧设置为圆形仅是一种实施方式，也可以是其他形状，如多边形等，在此不再赘述。

在mimo系统里面，天线的互耦不仅仅会降低信道的隔离度，还会降低整个系统的辐射效率。常规半波双极化辐射单元的对称振子臂110之间一般设计平滑过渡，并无针对天线单元间的互耦效应进行过特定优化，而由于天线单元之间的互相干扰，造成信噪比变差，进而影响数据吞吐率；本发明在通过等距交错去耦平衡技术达到控制电流流向，通过等距交错去耦平衡技术导引辐射体100电场，使天线单元间的互耦电流互相弱化抵消，抑制天线单元间的互耦效应情况，提升天线信噪比，进而增加数据吞吐率。

进一步地，如图3、6所示，所述聚合片130为凸字状聚合片，其较窄的一端靠近两个所述振子臂110之间的缝隙设置。更进一步地，所述聚合片130朝向所述振子臂110的过渡角设置为弧形倒角131，如果过渡角是直角，则高频段的电流在经过直角的时候反射率会比弧形的高，反射率太高容易造成天线性能下降。

常规半波双极化辐射单元的振子因为空间尺寸的限制，基本上与另一极化组件的振子45°交错设置。而为了需要考量的端口隔离度指标，两端极化间距一般设置比较大。但这种设置方式天线性能又因为需要兼顾天线端口隔离度指标，而造成波束宽度产生离散能量，导致各频段间的能量无法完全聚合在零位；本发明在通过零位极化分集技术在两端的极化零位设置了两个极化分集聚合片130，匹配上述的等距交错去耦技术的效能，使两端极化所产生的电磁溢出离散能量在行经两个极化分集聚合片130后，通过极化分集聚合片130的磁场分离聚合效应达到分极化聚合无法完全聚合在波束零位的电磁溢出离散能量，达到两端极化的波束分别更集中聚合在两端极化的零位效果。

需要说明的是，所述聚合片130与振子臂110的相对距离可以根据天线的辐射效率情况进行适当的调整，在此不再详述。

更进一步地，在4个振子臂110末端沿中心四角分别对称设置4个寄生单元120，其与振子臂110末端的连接方式为耦合，如图7所示。优选地，所述寄生单元120为蘑菇形寄生单元120。

市面上大部分常规半波双极化辐射单元的振子臂110相对带宽虽然也有高达45%，但依然无法满足现有5g高频3300~3800mhz的应用频率。而本发明通过在振子臂110末端再增加四个蘑菇形耦合寄生单元120，将所述振子臂110末端与四个蘑菇形耦合寄生单元120的间隙d2合理的设计为0.1~0.5mm，使耦合量控制在最优的互感系数范围内，使振子臂110末端的电流流体路径经过流向四个蘑菇形耦合寄生单元120电流耦合后，匹配设置在振子臂110上方的调谐片300的电磁引向特性，达到带宽增幅的效果。使相对带宽比例进而拓展高达76%，再通过金属反射板400的反射倍增，进而既能兼容2g、3g、4g的使用频率，又能满足5g频率网络的高性能要求。

通过振子臂110之间增设去耦组件140（等距交错去耦技术）、极化零位的分集聚合片130（零位极化分集技术）和振子臂110末端的寄生单元120（边缘耦合宽带技术）三者的协同作用，使其频率带宽达到1710～3800mhz，既满足现有2g至4g网络制式的网络通信频段，又能够满足5g（第五代移动通信）网络制式的频段使用要求。解决了运营商为应对多种网络制式的系统，而需要采购体积大、成本高、信噪比差、抗干扰能力差的5g天线大规模覆盖的网络效果和成本问题。

现有常规半波双极化辐射单元的振子臂110大多为压铸金属振子或聚四氟乙烯板材，甚至进口板材，成本压力巨大。为了解决此问题，本发明所述的辐射体100形成在双面介质板150上，所述振子臂110、寄生单元120、聚合片130以覆铜方式形成在所述介质板150的正面，所述介质板150的反面通过覆铜方式还形成有4个用于导引电流方向的镂空金属环160和2个馈电面170，镂空金属环160与振子臂110对应设置，馈电面170与与其对应的振子臂110通过金属环圆孔171金属过孔连接。介质板150印制结构，基于低成本批量化制造考量，材质预设均为成本优势更大的fr4环氧树脂板，也可设置为成本较高的聚四氟乙烯等高频板材，但不局限于此。

进一步地，所述馈电巴伦200对极化组件采用同轴电缆直流馈电方式，具体地，所述馈电巴伦200包括：±45°馈电带210、220、巴伦支座和同轴电缆，其中，+45°馈电带210的一端设置有+45°馈电孔211，-45°馈电带220的一端设置有-45°馈电孔221；所述巴伦支座包括带有两个电缆孔的底座（图中未显示）、设置在底座上的两支撑柱230以及位于两支撑柱230顶端凸起的两定位销（图中未显示），所述两定位销分别嵌入到远离±45°馈电孔211、221一侧的所述振子臂110的插孔180并焊接固定，则所述辐射体100与馈电巴伦200顶端成90°正交插入；所述同轴电缆穿过所述电缆孔，同轴电缆的外导体焊接固定在所述电缆孔上，电缆芯线穿过±45°馈电孔211、221并与±45°馈电带210、220焊接。

进一步地，所述辐射单元还包括设置在所述辐射体100上方的调谐片300，所述振子臂110内不覆铜区域开设有镂空孔190，便于安装固定所述调谐片300。调谐片300距离辐射体100为0.1～0.2λ，其中，λ为该5g超宽频双极化耦合辐射单元的工作波长。需要说明的是，所述调谐片300不限定为圆形，也可设置为其他多边形。

如图9所示，本发明还提供了一种天线，该天线可按照使用类别定义为小板状天线、微基站天线或室分天线，具体地，所述天线包括金属反射板400以及设置在反射板400上的上述5g超宽频双极化耦合辐射单元，所述馈电巴伦200底端成90°正交固定在所述金属反射板400上，则辐射体100与金属反射板400的正面形成共面。更进一步地，所述同轴线缆的下端穿过所述金属反射板400与所述金属反射板400背面的馈电装置（图中未显示）连接。

有益效果

本发明提供的一种5g超宽频双极化耦合辐射单元，其通过振子臂110之间增设去耦组件140、极化零位的分集聚合片130和振子臂110末端的寄生单元120三者的协同作用，使其频率带宽达到1710～3800mhz，既满足现有2g至4g网络制式的网络通信频段，又能够满足5g（第五代移动通信）网络制式的频段使用的高性能要求。与市面上的常规双极化天线单元方案分段设计双极化天线单元，再通过滤波器进行合路的天线对比，具有体积小型化、超宽频、高增益、抗干扰能力强、低成本、结构简单、易于大批量生产制造、高数据传输率和向下向上兼容等优点。解决了运营商为应对多种网络制式的系统，而需要采购体积大、成本高、信噪比差、抗干扰能力差的5g天线大规模覆盖的网络效果和成本问题。同时为国内移动通信运营商提供了性能优良的多系统5g系统天线产品，具有显著的经济效益。

经过测试，从图10、图11预设频率1710mhz～3800mhz全段驻波比值都在≤1.5以下，端口隔离度达到＞30db。频率带宽达到2090mhz，实现了超宽带覆盖。而市场现有的常规半波双极化辐射单元普遍带宽最宽频都是400mhz～1000mhz；从图12可以看出水平面与垂直面半功率波瓣宽度1710~2700mhz均控制在75±8°，3000~3800mhz均控制在60±8°范围内，在频段范围内的半功率波瓣宽度均匀，不会因超宽带而造成不同频点波幅较大；所述天线有很好的信号集中定向辐射特性；从下表中可以看出天线的增益均≥8dbi，频段范围内的增益值波动变化均匀，达到了很好的高性能信号集中定向辐射特性要求。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的保护范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式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效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。