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CN112400256B - 易于制造且在高频带下性能可控的贴片天线设计 - Google Patents

易于制造且在高频带下性能可控的贴片天线设计 Download PDF

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CN112400256B CN201980046676.5A CN201980046676A CN112400256B CN 112400256 B CN112400256 B CN 112400256B CN 201980046676 A CN201980046676 A CN 201980046676A CN 112400256 B CN112400256 B CN 112400256B
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Abstract

公开了一种用于天线的高频辐射器。高频辐射器是由辐射器板安装于其上的两个互锁的PCB杆形成的。在每个互锁PCB杆上布置的是馈线金属迹线与相对的金属迹线的两个组合，馈线金属迹线与相对的金属迹线布置于PCB杆的相对侧，并通过形成在PCB杆中的至少一个通孔和通孔内部的焊点电耦合在一起。与常规设计相比，这种高频辐射器的构造制造起来相当便宜，并且不易受焊接连接件尺寸不一致导致的阻抗匹配问题的影响。

Description

易于制造且在高频带下性能可控的贴片天线设计
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年5月15日提交的美国临时专利申请号62/671,706的优先权，所述美国临时专利申请通过引用以其全文并入本文。
发明背景
技术领域
本发明涉及无线通信，并且更具体地涉及能够在高频范围内工作的天线。
背景技术
随着移动通信迈向5G时代，通过载波聚合实现的对更高数据速率的需求不断增长，这导致了更高频率范围内频谱的利用。新的3GPP频段，诸如公民宽带无线电服务(CBRS)频谱(3550–3700MHz)和许可辅助访问(LAA)频谱(5150–5350MHz和5470–5925MHz)给天线设计人员和制造商带来了挑战，因为在这些频段中工作的辐射器对制造差异非常敏感。考虑到与这些更高频率相对应的更短波长，焊接连接件或辐射器板安装中的轻微缺陷或不精确性可能导致很大比例的波长变化，从而导致不良的阻抗匹配。
图1A展示了常规的高频辐射器100，所述常规的高频辐射器包括PCB(印刷电路板)辐射器板110和无源辐射器板120，两者均机械地安装至非导电支撑基座130。PCB/辐射器板110电耦合至四个金属引脚140，所述四个金属引脚携带待辐射至PCB辐射器板110的RF信号。
图1B是常规高频辐射器100的剖视图，示出了PCB/辐射器板110和四个金属引脚140之一。金属引脚140通过焊点150在馈送金属焊盘160处电耦合至PCB/辐射器板110，并且通过另一焊点电耦合至馈电线170。其他三个金属引脚140类似地耦合。
图1C是常规高频辐射器100的侧视图，展示了PCB/辐射器板110与第一无源辐射器板120的相对高度。可以添加机械地安装至非导电支撑基座130的第二无源辐射器板122或/和第三无源辐射器124以获得更好的带宽。从图示中明显的是，焊点150在PCB/辐射器板110上方的高度或突出度是PCB/辐射器板110与无源辐射器板120之间距离的显著百分比。
常规的高频辐射器100提出了以下挑战。首先，给定四个金属引脚140，每个金属引脚都被焊接在馈电金属焊盘160和相应的馈电线170上，将每个常规的高频辐射器100安装至天线阵列面上需要八个焊接连接件。此外，给定焊点150的高度或突出度，并且给定焊接中的标准制造变化，给定焊点150的高度可以变化了PCB/辐射器板110与无源辐射器板120之间的距离的相当大的百分比。焊点150高度的这些变化可能会导致常规高频辐射器100出现相当大的阻抗失配。此外，由于板110/120/122/124的中心被安装至非导电支撑基座130，所以它们可能会弯曲。这可能会导致PCB/辐射器板110与无源辐射器板120之间的距离发生变化。
为了组装一个天线，需要不导电的支撑基座130、四个金属引脚140、PCB/辐射器板110和至少一个无源辐射器板120，以及八个焊接连接件。
因此，需要一种高频辐射器，所述高频辐射器制造成本更低并且还基本上不受诸如焊接和弯曲的金属片之类的制造变化的影响。
发明内容
本公开文本的一方面涉及一种用于天线的辐射器。所述辐射器包括以交叉方式布置的PCB杆对，每个所述PCB杆都具有前侧和后侧，其中，在每个PCB杆上布置有馈线金属迹线对和相应的相对金属迹线对，其中，每个馈线金属迹线与相应的相对金属迹线的组合通过形成在所述PCB杆中的至少一个通孔电耦合。所述辐射器还包括机械耦合至所述PCB杆对的辐射器板。
本发明的另一方面涉及一种具有多个高频辐射器的天线。每个所述高频辐射器包括以交叉方式布置的PCB杆对，每个所述PCB杆都具有前侧和后侧，其中，在每个PCB杆上布置有馈线金属迹线对和相应的相对金属迹线对，其中，每个馈线金属迹线与相应的相对金属迹线的组合通过形成在所述PCB杆中的至少一个通孔电耦合。每个所述高频辐射器还包括机械耦合至所述PCB杆对的辐射器板。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图展示了易于制造且在高频带下性能可控的贴片天线设计。与描述一起，附图进一步用于解释本文描述的易于制造且在高频带下性能可控的贴片天线设计的原理，并且从而使相关领域的技术人员能够制造和使用易于制造且在高频带下性能可控的贴片天线设计。
图1A展示了常规的高频辐射器。
图1B是图1A的常规高频辐射器的剖视图。
图1C是图1A的常规高频辐射器的侧视图。
图2展示了根据本公开文本的高频辐射器。
图3展示了用于图2的高频辐射器的PCB杆的两侧。
图4A展示了布置在PCB杆(其中，PCB杆结构从图示中移除)的前侧和后侧上、通过在布置在PCB杆结构中的通孔内布置的多个导电迹线连接的前后金属迹线。
图4B是通过布置在通孔内的多个导电迹线连接的前后金属迹线的“俯视”图。
图4C是前金属迹线的侧视图以及示例尺寸。
图5A是根据本公开文本的示例性高频辐射器的PCB辐射器板的俯视图。
图5B展示了采用金属贴片代替PCB辐射器板的替代实施方案。
图6展示了示例性高频辐射器的布置，因为它们可以被构造在阵列面上。
图7是与根据本公开文本的高频辐射器相对应的示例性回波损耗绘图。
图8是与根据本公开文本的高频辐射器相对应的示例性隔离绘图。
图9是与根据本公开文本的高频辐射器相对应的示例性方位角辐射图案。
图10是与根据本公开文本的高频辐射器相对应的示例性俯仰辐射图案。
具体实施方式
现在将参考附图详细地描述易于制造且在高频带下性能可控的贴片天线设计的实施方案。
图2展示了根据本公开文本的布置在阵列面PCB 202上的示例性高频辐射器200。高频辐射器200包括PCB辐射器板210，所述PCB辐射器板安装至以互锁交叉构造布置的两个PCB杆230。每个PCB杆230上布置的是馈线金属迹线240和相对的金属迹线245，每个馈线金属迹线和相对的金属迹线布置在相应的PCB杆230的相对侧。馈线金属迹线240通过焊接连接件260耦合至RF馈电线(未示出)。
图3展示了PCB杆230的两侧，包括前侧和后侧。在PCB杆230的前侧上布置的是馈线金属迹线240。馈线金属迹线240具有竖直馈线部分320和水平迹线部分330。在PCB杆230的后侧上布置的是相对的金属迹线245。相对的金属迹线245可以具有可与馈线金属迹线240的水平迹线部分330的轮廓基本重叠的轮廓(或尺寸)。在馈线金属迹线240和相对的金属迹线245内布置的是多个通孔350，所述多个通孔穿透PCB杆230，并使馈线金属迹线240与相对的金属迹线245能够使用焊料或另一种形式的电连接来电耦合。通孔350可以沿着水平迹线部分330和相对的金属迹线245的轮廓水平地布置。水平迹线部分330及其对应的相对的金属迹线245沿着竖直尺寸的位置可以使得在水平迹线部分330、相对的金属迹线245以及通孔350中的焊料的组合中流动的RF电流可以施加与PB辐射器板210耦合的RF辐射。
PCB杆230的变化是可能的并且在本公开文本的范围内。例如，代替具有两对馈线金属迹线240和相对的金属迹线245的单个PCB杆230，每个馈线金属迹线240和相对的金属迹线245可以具有其自己的PCB杆组件，并且两个PCB杆组件可以以物理方式耦合或单独地机械耦合至PCB辐射器板210。此外，尽管展示了PCB杆230，在一侧上具有两个馈线金属迹线240而在另一侧上具有两个相对的金属迹线245，但是将容易理解的是，馈线金属迹线240和相对的金属迹线245的每种组合可以颠倒，使得一个馈线金属迹线240可以在PCB杆230的一侧上，而另一馈线金属迹线240可以在PCB杆230的另一侧上。另外，尽管PCB杆230被展示为单个PCB组件，但PCB杆230可以由两个单独的PCB段组成，每个PCB段都具有馈线金属迹线240与相对的金属迹线245的一个组合。
图4A展示了布置在PCB杆(其中，PCB杆结构从图示中移除)的前侧和后侧上、通过在布置在PCB杆结构中的通孔350内布置的多个导电迹线连接的馈线金属迹线240和相对的金属迹线245。通过相应的通孔350耦合的迹线240与245的每个组合以适当的构造和与PCB辐射器板210的接近度来提供足够体积的导电材料，从而将足够的RF通量泵入PCB辐射器板210，来使高频辐射器200以与常规高频辐射器100基本上相同的效率工作，但组件更少。考虑到PCB杆230的刚性和互锁性质，高频辐射器200不需要常规高频辐射器100所需的附加支撑结构。此外，高频辐射器200仅需要四个焊接连接件260，而不是八个。
另外，馈线金属迹线240和相对的金属迹线245、及其对应的通孔350的构造使得通孔350内的焊点能够以不向PCB辐射器板210突出的方式完成，并且因此不会造成像常规的高频辐射器100那样出现的阻抗匹配的不精确性。换句话说，高频辐射器200的设计容许焊接中的不精确性。
图4B是馈线金属迹线240、相对的金属迹线245及其对应的通孔350的“俯视”图，并且图4C是馈线金属迹线240的侧视图。两个图均包括示例性尺寸。可以具体选择金属迹线的长度、金属迹线的宽度、通孔的长度(PCB基板厚度)、通孔之间的间隔以及通孔的数量，以便在整个期望的频带上获得良好的阻抗匹配。
图5A是高频辐射器200的PCB辐射器板210的俯视图，所述PCB辐射器板包括金属板510和交叉的孔520，互锁的PCB杆230通过所述孔机械地接合以支撑PCB的辐射器板210并为高频辐射器200提供机械刚性。
图5B展示了采用金属贴片550代替PCB辐射器板210的替代实施方案。为了确保金属贴片550的稳定和一致的取向，提供了非导电支撑基础结构560。将理解的是，这种变化是可能的并且在本公开文本的范围内。
图6展示了示例性高频辐射器200的布置，因为它们可以被构造在阵列面上。通过RF输入端口605a/b、输入馈送610a/b、扇出馈送615a/b和相位分离馈送620a/b一起耦合至两个RF信号的三个高频辐射器200被展示。每个RF输入信号被馈送至PCB杆230之一上的馈线金属迹线240对。如所展示的，给定的RF输入信号被分成两个相位分离的馈送620a/b。给定分离馈送620a/b之间的长度差，呈现至给定PCB杆230上的一个馈线金属迹线240的RF信号将与呈现至同一PCB杆240上的另一个前侧馈线金属迹线240的RF信号相移基本上90度。这为天线实现了两个功能：(1)将发射的RF信号的极化矢量旋转45度；(2)通过将单个RF信号输入到两个RF输入端605a/b，但是在它们之间具有90度的相位偏移，使高频辐射器200能够以圆极化模式工作。
图7是与根据本公开文本的高频辐射器相对应的示例性测量的回波损耗绘图,并且图8是与根据本公开文本的高频辐射器相对应的示例性测量的隔离绘图，描绘了高频辐射器200的优越性能。
图9是与根据本公开文本的高频辐射器相对应的示例性方位角辐射图案绘图,并且图10是与根据本公开文本的高频辐射器相对应的示例性方位角辐射图案绘图，描绘了高频辐射器200的优越性能。所提议的结构示出了可实现且可控制的良好的阻抗匹配和隔离特性。
尽管上面已经描述了易于制造且在高频带下性能可控的贴片天线设计的各种实施方案，但是应该理解，它们仅以示例性而非限制的方式呈现。对于相关领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开文本的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。因此，本发明的广度和范围不应由任何上述示例性实施方案限制，而应仅根据所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (7)

1.一种用于天线的辐射器，所述辐射器包括：
以互锁交叉方式布置的PCB杆对，每个所述PCB杆都具有前侧和后侧，其中，在每个PCB杆的前侧上布置的是馈线金属迹线对，其中每个馈线金属迹线包括馈线部分和水平迹线部分，由此所述水平迹线部分垂直于所述馈线部分，并且在每个PCB杆的后侧上布置的是相应的相对水平金属迹线对，所述水平金属迹线具有与所述PCB杆的前侧上的相应水平迹线部分的轮廓基本重叠的轮廓，其中，每个水平迹线部分与其相应的相对水平金属迹线通过形成在所述PCB杆中并且沿所述水平迹线部分的轮廓布置的多个通孔电耦合；以及
机械地耦合至所述PCB杆对的辐射器板。
2.根据权利要求1所述的辐射器，其中，所述辐射器板包括：PCB基板；以及
设置在所述PCB基板上的金属板。
3.根据权利要求1所述的辐射器，其中，所述辐射器板包括：金属板；以及
所述金属板机械地耦合至的非导电支撑基础结构。
4.根据权利要求1所述的辐射器，其中，所述水平迹线部分具有与所述相应的相对金属迹线的轮廓基本重叠的轮廓。
5.根据权利要求4所述的辐射器，其中，所述水平迹线部分的轮廓包括长度和宽度，并且其中，每个通孔具有通孔长度，并且其中，所述长度、所述宽度、所述通孔长度、通孔之间的间隔和通孔数量被选择以获得在整个频率范围上的期望阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的辐射器，其中，每个PCB杆包括两个PCB段，每个PCB段都具有所述馈线金属迹线与所述相应的相对金属迹线的一个组合。
7.一种具有多个高频辐射器的天线，每个所述高频辐射器包括：
以互锁交叉方式布置的PCB杆对，每个所述PCB杆都具有前侧和后侧，其中，在每个PCB杆的前侧上布置的是馈线金属迹线对，其中每个馈线金属迹线包括馈线部分和水平迹线部分，由此所述水平迹线部分垂直于所述馈线部分，并且在每个PCB杆的后侧上布置的是相应的相对水平金属迹线对，所述水平金属迹线具有与所述PCB杆的前侧上的相应水平迹线部分的轮廓基本重叠的轮廓，其中，每个水平迹线部分与其相应的相对水平金属迹线通过形成在所述PCB杆中并且沿所述水平迹线部分的轮廓布置的多个通孔电耦合；以及
机械地耦合至所述PCB杆对的辐射器板。
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