一种馈电单元及金属导带馈电网络、天线结构的制作方法

1.本发明涉及5g基站天线设计技术领域，具体涉及一种馈电单元及金属导带馈电网络、天线结构。


背景技术：

2.随着5g通信技术的发展，基站天线作为移动通信中重要的功能组件，其技术研究已成为近年来的热点。为了充分利用无线空间资源，实现更高的频谱效率和功率效率，采用massive mimo技术是目前主要途径，然而，该技术需要更多的基站天线振子以实现天线波束赋形，天线振子数目几何倍增带来成本的大幅度增加，迫切需要一种低成本高性能的天线方案。
3.现有的天线方案包括pcb方案、塑胶电镀方案等，pcb方案是在电路板上蚀刻出所需馈电线路及辐射单元，塑胶电镀方案是在塑胶件上电镀出所需馈电线路及辐射单元。
4.但是，pcb方案和塑胶电镀方案生产的馈电线路及辐射单元的成本都比较高，而且加工工艺复杂，批量生产难度高；因此，需要设计一种生产低成本、易批量生产的馈电单元及金属导带馈电网络。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中天线结构中馈电单元及金属导带馈电网络的生产成本高、加工工艺复杂、难以批量化生产的缺陷，从而提供一种馈电单元及金属导带馈电网络、天线结构。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
7.一种馈电单元及金属导带馈电网络，包括至少两个馈电单元和连接在至少两个所述馈电单元之间的金属导带馈电网络，至少两个所述馈电单元和所述金属导带馈电网络为一体成型且在同一平面内延伸的片状结构。
8.进一步地，所述馈电单元的中间具有镂空结构，所述馈电单元在其所在平面内沿其周向方向具有宽度不相同的宽边部分和窄边部分。
9.进一步地，所述馈电单元呈回字形，所述馈电单元的四条边的长度相同且为天线工作频率波长的四分之一；所述馈电单元包括依次设置的第一边、第二边、第三边和第四边；所述窄边部分包括宽度相同的第一边和第三边，所述宽边部分包括宽度相同的第二边和第四边。
10.进一步地，所述第一边的阻抗为所述第二边的阻抗的1.3－1.5倍之间。
11.进一步地，所述金属导带馈电网络上设有两个馈电端口；所述金属导带馈电网络包括连接在所述馈电单元和所述馈电端口之间的多段阻抗变换传输线；所述阻抗变换传输线包括：
12.阻抗引出段，一端自所述馈电单元的边缘引出；
13.至少一级阻抗变换段，连接在所述阻抗引出段的另一端和所述馈电端口之间；
14.所述阻抗引出段、至少一级所述阻抗变换段分别具有不同的特征阻抗。
15.进一步地，所述阻抗变换段有两级，分别为第一阻抗变换段和第二阻抗变换段；所述第一阻抗变换段和所述第二阻抗变换段的长度均为天线工作频率波长的四分之一。
16.一种天线结构，包括；
17.金属背板，其上开设有向内凹陷的凹槽和与所述凹槽相通的馈线槽；
18.辐射单元，位于所述凹槽的正上方，与所述金属背板之间具有间隙；
19.如上所述的馈电单元及金属导带馈电网络；所述馈电单元通过第一介质支撑件支撑在所述凹槽内，所述金属导带馈电网络通过第二介质支撑件支撑在所述馈线槽内。
20.进一步地，所述第一介质支撑件固定在所述金属背板的凹槽内；所述第一介质支撑件上设有支撑台阶，所述馈电单元设置在所述支撑台阶上，所述辐射单元设置在所述第一介质支撑件的顶面上。
21.进一步地，所述金属背板的上方还盖设有金属盖板，所述金属盖板和所述馈线槽之间形成空气腔，所述金属导带馈电网络置于所述空气腔内。
22.进一步地，所述金属盖板上设有可供所述馈电单元露出的通孔，所述辐射单元所在的平面高于所述金属盖板的上表面。
23.进一步地，所述金属背板或所述金属盖板上设有中间具有若干缺口的隔离条凸起，所述隔离条凸起挡在不同列的所述辐射单元之间。
24.进一步地，所述凹槽在金属背板上间隔设置有多个，所述金属背板对应设有所述凹槽的部分的下底面设有凸起部分，所述金属背板的底部还嵌设有位于相邻两个所述凸起部分之间的间隙内的滤波器。
25.1.本发明提供的馈电单元及金属导带馈电网络，馈电单元和金属导带馈电网络采用一体化的片状结构，在生产加工时，可以由同一片片材切割而成；这种生产方式制造的馈电单元及金属导带馈电网络，结构简单，尺寸精度易于控制，制作成本低，可以大幅降低天线的生产成本。
26.2.本发明提供的馈电单元及金属导带馈电网络，馈电单元的各边采用不等线宽的结构设计，通过调整馈电单元的宽边部分和窄边部分的宽度，当宽边部分和窄边部分的宽度达到适当数值时，使采用该馈电单元的天线的隔离度和交叉极化比可以得到明显改善。
27.3.本发明提供的馈电单元及金属导带馈电网络，金属导带馈电网络包括连接在馈电单元和馈电端口之间的多段阻抗变换传输线，阻抗变换传输线包括多段具有不同特征阻抗的阻抗引出段和至少一级阻抗变换段，多段的阻抗变换段可以将馈电单元的边缘输入阻抗逐级变换到与馈电端口处的阻抗相匹配；这种采用多级阻抗不同的阻抗变换段进行传输的金属导带馈电网络，一方面可以拓展带宽，另一方面可以规避不容易实现的特征阻抗值，如采用一级阻抗变换段时，可能需要很高的阻抗来进行变换，但高阻抗需要更深、更宽的凹槽，实际可能没有足够的尺寸空间。
28.4.本发明提供的馈电单元及金属导带馈电网络，阻抗变换传输线包括一级阻抗引出段和两级阻抗变换段，为最优设计，在金属导带馈电网络布线时，可使每个馈电单元到馈电端口的波程最短，充分利用金属背板上的空间，有利于提高金属背板上辐射振子的集成度。
29.5.本发明提供的天线结构，通过在金属背板对应馈电单元的部位设置凹槽，可以
增加馈电单元和金属背板之间距离的调整范围，方便通过设计凹槽的槽深和槽宽，拓展天线的带宽，使天线可以达到系统要求的工作带宽范围；天线带宽得到提高到，天线的容差率提升，有利于提升生产直通率。另外，通过在金属背板上设置供金属导带馈电网络走线的馈线槽，金属导带馈电网络可以在馈线槽内以空气微带线的形式走线，空气带状线的传输损耗极低，采用该形式传输线设计的金属导带馈电网络插损小，由此可获得较高的天线增益。
30.6.本发明提供的天线结构，将第一介质支撑件固定在金属背板的凹槽内，在第一介质支撑件上设置为馈电单元提供支撑的支撑台阶，同时第一介质支撑件的上顶面还可以为辐射单元提供支撑，减少了天线结构的零部件数量，降低了生产成本，也减少了介质支撑件给天线引入的损耗。
31.7.本发明提供的天线结构，金属导带馈电网络在金属盖板和金属背板的馈电槽之间形成的空气腔内走线，这种金属导带馈电网络的传输形式，传输损耗极低，插损小，性能高，由此可获得较高的天线增益。
32.8.本发明提供的天线结构，在金属背板或金属盖板上设置中间具有若干缺口的隔离条凸起，在天线的子阵列之间添加隔离条凸起可以提高同一极化间的隔离度，但同时添加的隔离条凸起会恶化不同极化间的隔离度，隔离条凸起上的缺口可以改善不同极化间的隔离度恶化问题。
33.9.本发明提供的天线结构，将滤波器嵌设在金属背板相邻两个凸起部件之间的间隙内，在金属背板下底面设置凸起部分，可以在金属背板上开设足够深的凹槽，以拓展天线的带宽，使天线可以达到系统要求的工作带宽范围；提升天线的容差率，有利于提升生产直通率。同时，将滤波器设置在金属背板的相邻两个凸起部分之间，可以提高空间利用率，有利于实现天线结构的扁平化设计。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
35.图1为本发明实施例提供的天线结构的整体结构示意图；
36.图2为本发明实施例中馈电单元及金属导带馈电网络置于金属背板的凹槽中的俯视图；
37.图3为本发明实施例中提供的afu天线结构的爆炸图；
38.图4为本发明实施例中馈电单元的俯视图；
39.图5为本发明实施例中afu天线结构的隔离度仿真结果示意图；
40.图6为本发明实施例中afu天线结构的交叉极化比仿真结果示意图；
41.图7为本发明实施例中馈电单元的支撑形式示意图；
42.图8为本发明实施例中馈电单元的支撑形式爆炸示意图；
43.图9为本发明实施例中金属导带馈电网络的支撑形式示意图；
44.图10为本发明实施例中金属导带馈电网络在金属背板上的示意图；
45.图11为本发明实施例中第一介质支撑件和第二介质支撑件在金属背板上的示意
图；
46.图12为本发明实施例中馈电单元及金属导带馈电网络的正面图；
47.图13为本发明实施例中滤波器嵌套在金属底板上的侧视图；
48.图14为本发明实施例中滤波器嵌套在金属底板上的正视图。
49.附图标记说明：01、滤波器；02、金属背板；020、凹槽；021、馈线槽；022、隔离条凸起；022a、缺口；03、第二介质支撑件；04、第一介质支撑件；041、支撑台阶；05、馈电单元及金属导带馈电网络；050、馈电单元；051、金属导带馈电网络；06、金属盖板；07、辐射单元；051a、阻抗引出段；051b、第一阻抗变换段；051c、第二阻抗变换段；051d、第三阻抗变换段；08、馈电端口。
具体实施方式
50.下面将结合附图对本发明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做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。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
54.如图1和图3所示的一种天线结构，包括滤波器01、金属背板02、辐射单元07、馈电单元及金属导带馈电网络05、第一介质支撑件04、第二介质支撑件03和金属盖板06。
55.如图2和图3所示，金属背板02上开设有向内凹陷的凹槽020和与凹槽020相通的馈线槽021。辐射单元07位于凹槽020的正上方，与金属背板02之间具有间隙，其被配置成确定天线的谐振频率。辐射单元07具体为采用金属材料制成的辐射片。馈电单元及金属导带馈电网络05包括两个馈电单元050和连接在两个馈电单元050之间的金属导带馈电网络051，两个馈电单元050之间的金属导带馈电网络051为一体成型且在同一平面内延伸的片状结构。在可替换的实施方式中，馈电单元及金属导带馈电网络05上馈电单元050的数量还可以是三个或以上。
56.如图3所示，馈电单元050通过第一介质支撑件04支撑在凹槽020内，金属导带馈电网络05通过第二介质支撑件03支撑在馈线槽021内。馈电单元050通过与辐射单元07之间的缝隙将信号耦合入辐射单元07，金属导带馈电网络051用于将信号馈入馈电单元050。
57.这种天线结构，馈电单元050和金属导带馈电网络051采用一体化的片状结构，在
生产加工时，可以由同一片材切割而成；这种生产方式制造的馈电单元及金属导带馈电网络05，结构简单，零部件少，尺寸精度易于控制，制作成本低，可以大幅降低天线的生产成本。而且，通过在金属背板02对应馈电单元050的部位设置凹槽020，可以增加馈电单元050和金属背板02之间距离的调整范围，方便通过设计凹槽020的槽深和槽宽，拓展天线的带宽，使天线可以达到系统要求的工作带宽范围；天线带宽得到提高到，天线的容差率提升，有利于提升生产直通率。另外，通过在金属背板02上设置供金属导带馈电网络051走线的馈线槽021，金属导带馈电网络051可以在馈线槽021内以空气微带线的形式走线，空气带状线的传输损耗极低，采用该形式传输线设计的金属导带馈电网络051插损小，由此可获得较高的天线增益。
58.如图4为馈电单元050的结构示意图，馈电单元050的中间具有镂空结构，馈电单元050在其所在平面内沿其周向方向具有宽度不相同的宽边部分和窄边部分。凹槽020呈方形，馈电单元050呈回字形，馈电单元050为中间具有矩形方孔的片状环形结构。馈电单元050的各边采用不等线宽的结构设计，通过调整馈电单元050的宽边部分和窄边部分的宽度，当宽边部分和窄边部分的宽度达到适当数值时，使采用该馈电单元050的天线的隔离度和交叉极化比可以得到明显改善。在其他可替换的实施方式中，馈电单元050还可以采用圆形或多边形的结构，只要馈电单元050各边的线宽采用不等宽的方式设计即可。
59.在本实施例中，馈电单元050的四条边的长度相同且为天线工作频率波长的四分之一。例如，当天线工作带宽中心频率为2.3ghz时，天线工作带宽中心频率波长为130.4mm，此时馈电片3的边长为32.6mm；当天线工作带宽中心频率为2.6ghz时，天线工作带宽中心频率波长为115.4mm，此时馈电片3的边长为28.8mm；当天线工作带宽中心频率为3.5ghz时，天线工作带宽中心频率波长为85.7mm，此时馈电片3的边长为21.4mm。
60.馈电单元050包括依次设置的第一边0501、第二边0502、第三边0503和第四边0504；窄边部分包括宽度相同的第一边0501和第三边0503，宽边部分包括宽度相同的第二边0502和第四边0504；窄边部分的阻抗为宽边部分的阻抗的1.3－1.5倍之间，该阻抗比值优选为倍。
61.图5为三种不同线宽馈电单元050制作的天线的隔离度与频率的仿真结果示意图，当宽边部分的宽度为5mm定值的情况下，窄边部分的宽度越小，天线的隔离度越小，且当仿真的频率在3.3ghz－3.7ghz范围之间，窄边部分的宽度为3.5mm时，也即是馈电片3的宽边部分和窄边部分的线宽比值约为1.4时，天线的隔离度有一个显著的下降。
62.图6为三种不同线宽的馈电单元050制作的天线的交叉极化比与方位角的仿真结果示意图，当宽边部分的宽度为5mm的定值的情况下，方位角在
±
50度之间，且窄边部分的宽度为3.5mm时，天线的交叉计划比显著增大，说明天线能够获得信号的正交性越强，两路信号之间的相关性越小，极化效果越好。
63.在本实施例中，第一介质支撑件04和第二介质支撑件03均为低介电材料，如聚四氟乙烯(特氟龙)等。第一介质支撑件04可以通过注塑等方式固定在凹槽020内，第二介质支撑件03也可以通过注塑等方式固定在馈线槽021内。
64.馈电单元050和辐射单元07的支撑方式如图7和图8所示，第一介质支撑件04有四个且分别固定在凹槽020的四个拐角处，第一介质支撑件04呈l型，每个第一介质支撑件04朝内的一侧设有支撑台阶041，四个第一介质支撑件04的四个支撑台阶041分别支撑在馈电
单元050的四个顶角位置处。第一介质支撑件04的顶面高于金属背板02的上表面，四个第一介质支撑件04的顶面还可以为辐射单元07提供支撑。如此设计，第一介质支撑件04可以同时为馈电单元050和辐射单元07提供支撑，减少了天线结构的零部件数量，也减少了介质支撑件给天线引入的损耗。
65.金属导带馈电网络051的支撑方式如图9所示，金属导带馈电网络051由多个高度不同的第二介质支撑件03提供支撑，金属导带馈电网络051宽度较大的部分，相应的馈电槽的槽深较小，支撑所采用的第二介质支撑件03的高度也较小；金属导带馈电网络051宽度较小的部分，相应的馈电槽的槽深较大，支撑所采用的第二介质支撑件03的高度也较大。第二介质支撑件03的高度可以灵活选取，以适应金属导带馈电网络051各段部分的支撑需求。第二介质支撑件03上设有安装孔，金属导带馈电网络051上设有通孔，金属导带馈电网络051通过穿过通孔和安装孔的螺钉固定在第二介质支撑件03上。
66.如图3、10－11所示，金属盖板06盖设在金属背板02的正上方，金属盖板06和馈线槽021之间形成空气腔，金属导带馈电网络051置于空气腔内。金属导带馈电网络051在空气腔内传输，传输损耗极低，插损小，性能高，可以防止电磁泄漏与串扰，由此可获得较高的天线增益。金属盖板06上设有可供馈电单元050露出的通孔，当金属盖板06盖设在金属背板02上时，从外部只能看到馈电单元050，而看不到金属导带馈电网络051。辐射单元07距离金属盖板06有一定的高度，辐射单元07与馈电单元050在同一中轴线上，辐射单元07为一带方孔的方形(可不带孔，也可为其他形状)。
67.如图11所示，金属背板02或金属盖板06上设有中间具有若干缺口022a的隔离条凸起022，隔离条凸起022挡在不同列的天线子阵列之间。在天线的子阵列之间添加隔离条凸起022可以提高同一极化间的隔离度，但同时添加的隔离条凸起022会恶化不同极化间的隔离度，隔离条凸起022上的缺口022a可以改善不同极化间的隔离度恶化问题。
68.图12为一两振子辐射单元07的馈电单元及金属导带馈电网络05的示意图；金属导带馈电网络051上设有两个馈电端口08，金属导带馈电网络051包括连接在每个馈电单元050和每个馈电端口08之间的四段阻抗变换传输线。阻抗变换传输线用于将馈电端口08输入的信号通过馈电单元050馈入辐射单元07。
69.阻抗变换传输包括阻抗引出段051a、第一阻抗变换段051b和第二阻抗变换段051c。阻抗引出段051a用于引出馈电单元050的边缘输入阻抗；第一阻抗变换段051b和第二阻抗变换段051c，依次连接在阻抗引出段051a和馈电端口08之间，用于将阻抗引出段051a引出的阻抗逐级变换到与馈电端口08处的阻抗相匹配。其中，阻抗引出段051a、第一阻抗变换段051b和第二阻抗变换段051c的长度均为天线工作频率波长的四分之一。例如，当天线的工作带宽中心频率为2.3ghz时，天线的工作带宽中心频率波长为130.4mm，此时阻抗变换段的长度为32.6mm；当天线的工作带宽中心频率为2.6ghz时，天线的工作带宽中心频率波长为115.4mm，此时阻抗变换段的长度为28.8mm；当天线的工作带宽中心频率为3.5ghz时，天线的工作带宽中心频率波长为85.7mm，此时阻抗变换段的长度为21.4mm。同一馈电单元050连接的两条阻抗引出段051a总长度相等，第一阻抗变换段051b的总长度相等，第二阻抗变换段051c的总长度相等，保证每个辐射单元07的相位一致。也可设计为长度不等，使各个辐射单元07产生一定的相位差，实现辐射波束下倾或上仰。具体的，各阻抗变换段的弯折可根据实际情况如尺寸空间限制进行灵活设计。本实施例中，所采用阻抗变换段级数为最优
设计，同时，每个辐射单元07到馈电端口08的波程最短。
70.阻抗变换传输线包括多段具有不同特征阻抗的阻抗引出段051a和阻抗变换段，多段的阻抗变换段可以馈电单元050的边缘输入阻抗逐级变换到与馈电端口08处的阻抗相匹配；这种采用多级阻抗不同的阻抗变换段进行传输的金属导带馈电网络051，一方面可以拓展带宽，另一方面可以规避不容易实现的特征阻抗值，如采用一级阻抗变换段时，可能需要很高的阻抗来进行变换，但高阻抗需要更深、更宽的凹槽020，实际可能没有足够的尺寸空间。
71.阻抗变换传输线还包括第四阻抗变换段051d，第四阻抗变换段051d的特征阻抗为50欧姆，其长度可任意调整，当馈电端口08位置发生变化时，可相应延长、减短或弯折。在其他实施方式中，天线子阵列的辐射单元07数目可扩展为三个、四个等，整体天线的端口数目也可通过不同的组阵方式进行扩展。子阵列辐射单元07数目增加时需重新设计相应的金属导带馈电网络。
72.如图13－14所示，凹槽020在金属背板02上间隔设置有多个，金属背板02对应设有凹槽020的部分的下底面设有凸起部分，金属背板02的底部还嵌设有位于相邻两个凸起部分之间的间隙内的滤波器01。将滤波器01嵌设在金属背板02相邻两个凸起部件之间的间隙内，在金属背板02下底面设置凸起部分，可以在金属背板02上开设足够深的凹槽020，以拓展天线的带宽，使天线可以达到系统要求的工作带宽范围；提升天线的容差率，有利于提升生产直通率。同时，将滤波器01设置在金属背板02的相邻两个凸起部分之间，可以提高空间利用率，有利于实现天线结构的扁平化设计。
73.综上所述，本发明实施例提供的馈电单元及金属导带馈电网络、天线结构，馈电单元050和金属导带馈电网络051采用一体化的片状结构，在生产加工时，可以由同一片材切割而成；这种生产方式制造的馈电单元及金属导带馈电网络05，结构简单，零部件少，尺寸精度易于控制，制作成本低，可以大幅降低天线的生产成本。
74.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。