一种适用于5G通信的小型化八木天线及其制造方法

技术领域

本发明涉及小型通信天线领域，具体是一种适用于5G通信的小型化八木天线及其制造方法。

背景技术

无线通信设备已经被广泛的应用于学习、生活、军事、医疗等各大领域，成为了当今社会不可缺失的一部分，而无线通信技术现在已经发展到了5G时代。5G通信网络的物理层是与4G通信网络差异最大的地方，由于信号分量通过不同障碍物产生的反射、散射和衍射后信号分量的叠加，使无线电信号在短时间或短距离传播时幅度、相位或多径实验快速变化，引起小尺度衰落。另一方面，由于移动通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对传播路径会形成电磁场阴影效应；电磁波在空间传播所产生的损耗会形成路径损耗。因此，对5G网络基站的收发天线提出了更高的要求。大规模5G基站与多天线用户之间、大规模分布天线与用户之间的通信链路受到小尺度衰落和大尺度衰落组成的复合衰落信道的影响。要提升大规模5G基站终端的天线阵列的辐射性能，需要进一步提升单个定向八木天线单元的辐射性能。

目前，在5G领域的天线广泛应用的还是八木天线，但是传统的八木天线带宽较窄，不超过500MHz。如果要覆盖5G网络，需要增加包含3.4～3.6GHz频段的宽频八木天线，才能满足最小数量的增加八木天线就可满足地铁的5G通信需求的目的，而且随着越来越多的智能通信设备将会投入到5G网络建设和运维中，使空间高频电磁环境日益复杂。现有高增益定向八木天线尺寸较大，超过100mm，容易引起不同系统间的电磁兼容问题，也会对公众产生潜在健康影响。所以，如何在满足5G通信的基础上缩小八木天线的尺寸便成为小型通信天线领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的八木天线在5G网络的建设和运维中由于带宽较窄导致需要增大尺寸才能提供5G通信的不足，提供了一种适用于5G通信的小型化八木天线，通过7单元准八木天线的设置，能够在提高天线增益的基础上有效的缩小八木天线的尺寸，从而达到在提高天线增益的同时也增强其灵活性的目的。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种适用于5G通信的小型化八木天线，包括介质基板，在介质基板上设有若干个开口谐振环，所述开口谐振环印刷于介质基板上，以开口谐振环所在面为介质基板的正面，以其相对的面为介质基板的反面，所述开口谐振环位于介质基板正面的最上方，在开口谐振环的下方印制有若干直线型引向器，在直线型引向器的下方印制有第一弯曲线型激励臂，在第一弯曲线型激励臂的下方印制有第一共面带线，所述第一共面带线的一端与弯曲线激励臂连接，其另一端延伸到介质基板的反面，在介质基板的反面的底部边缘设有反射器，在反射器的上方印制有第二共面带线，所述第一共面带线延伸到介质基板的反面的一端穿过反射器并向上延伸并与第二共面带线连接，在第二共面带线的上方印制有第二弯曲线型激励臂，所述第二弯曲线型激励臂与第二共面带线连接，所述第一弯曲线型激励臂和第二弯曲线型激励臂均为开口向下的圆弧段，并且第一弯曲线型激励臂以及第二弯曲线型激励臂的两端端点的连线均与介质基板的边缘平行，第一弯曲线型激励臂和第二弯曲线型激励臂远离共面带线的一端的延伸方向为同一方向。

目前，在5G领域的天线广泛应用的还是八木天线，但是传统的八木天线带宽较窄，不超过500MHz；如果要覆盖5G网络，需要增加包含3.4～3.6GHz频段的宽频八木天线，才能满足最小数量的增加八木天线就可满足地铁的5G通信需求的目的，传统的八木天线通常体积太大，由于材料和尺寸的限制，八木天线不能使用天线尺寸与载波表面共形，传统的八木天线工作带宽较窄，相对带宽一般在5％以内，极大地限制了八木天线在轨道环境中的使用；利用微带天线由于其小尺寸、重量轻、易共形于其他载体的优点，与八木天线结合而成的准八木天线可弥补传统八木天线庞大笨重的缺点，拓展八木天线的应用范围；作为一种新型天线，微带准八木天线用微带结构代替了传统八木天线的金属棒结构，微带印刷在单层介质基片上，使天线结构更加紧凑小巧；本发明中弯曲线激励臂和直线型引向器印制在介质基板的正面，在介质基板反面设置天线的反射器，有源振子是八木天线的激励源，用来提供天线辐射所需的能量，而无源振子本身没有馈电，但如果无源振子很靠近有源振子防止，有源振子将以几乎相等的幅度激励无源振子，受有源振子辐射场的作用，无源振子上将激发起电流，从而使无源振子辐射电磁场，无源振子中的反射器通过反射有源振子辐射的电磁能量使得天线向有源振子所在的方向形成断舍，而无源振子中的直线型引向器则是通过吸引有源振子辐射的电磁能量增强了天线的这种端射性能，接收点的场强便是有源振子辐射场与无源振子辐射场的矢量和，在本发明中准八木天线由弯曲线激励臂、直线型引向器，反射器，共面带线四部分组成，采用测馈端口馈电，正反两面的整体设置是7单元的准八木天线的设置，本发明中的第一弯曲线型激励臂和第二弯曲线型激励臂均为有源振子所表示的激励振子，也可作弯曲线激励臂，是激励振子在本发明中采用弯曲线的形式存在，当有源振子作为激励臂被馈电后在空间产生电磁波，通过耦合作用在直线型引向器上产生感应电流，有源振子的电磁场被反射器抵消，使得电磁波沿着直线型引向器方向向外辐射，微带八木天线达到了缩小尺寸并提高天线增益和灵活性的目的，并且由于第一弯曲线型激励臂和第二弯曲线型激励臂均为弧形，弧形的激励臂更加贴近电磁波传播形态，现有的八木天线中激励臂、引向器和反射器互相平行，且均垂直于端射方向，而本发明的弯曲线激励臂的设置使得本发明的八木天线在一定程度上展宽了阻抗带宽，从而能够有效的增加传播效率，能够在直线型引向器上激发出弧形感应电流，可以减小激励臂与引向器之间的耦合能量，也能达到减小准八木天线尺寸，拓宽准八木天线带宽的目的。

进一步的，所述若干个开口谐振环并列设置，所有开口谐振环的圆心的连接线与所述介质基板的边缘平行。传统的准八木天线是通过增加引向器的数量增大增益，但增加到一定程度时，其增益将不再增加，且会增加准八木天线的尺寸，本发明中通过增加开口谐振环阵列，增强引向器方向上的感应电流，以进一步提升天线增益，从而使得天线尺寸能够得到有效的控制。

进一步的，所述开口谐振环外半径为6mm，内半径为5mm，开口缝隙宽度为0.5mm并由金属制成。由于金属单元结构被垂直其表面的时变磁场激励时，通过调整金属单元的结构，会引起金属单元产生特殊的谐振能力，所以本发明中采用金属结构的开口谐振环，当加载在天线辐射口径方向的时候，能够起到引向器作用，使得天线表面电流集中于端射方向，在并且不会受到天线尺寸和带宽的影响，实现提升增益的作用。

进一步的，所述直线引向器的数量为5个，直线引向器之间互相平行，并且直线引向器与介质基板的边缘也平行。本发明中采用5个直线型引向器来产生感应电流，使得有源振子的电磁场被反射器抵消，电磁波能够沿着引向器方向向外辐射，提高微带八木天线的增益，并且缩小了天线的尺寸。

进一步的，所述反射器为金属贴片。本发明中采用金属材料能够将直线型引向器上的耦合作用发挥到最佳状态，从而提高天线增益和灵活性的有效性。

进一步的，所述介质基板长度为65mm，宽度为60mm，厚度为0.8mm。本发明中的介质基板的尺寸采用长为65mm，宽度为60mm，厚度为0.8mm的成品，达到了介质基板最大的利用率。

一种适用于5G通信的小型化八木天线的制造方法，包括以下步骤：

S1：准备一块待印刷的介质基板，所述介质基板具有相对的两个面，分别将这两个面定义为正面和反面，在介质基板的正面划分有至少四个单元区域，在介质基板的反面划分有至少三个单元区域，划定介质基板各个单元区域的开孔位置并进行钻孔，对介质基板进行沉铜处理，在介质基板的半边与所述单元区域之间分别设有连接位；

S2：在所述介质基板的正面上由上向下依次通过蚀刻、镀金、镀锡和镀银的方式印刷开口谐振环、直线型引向器、第一弯曲线型激励臂和第一共面带线；

在所述介质基板的反面上，由上向下依次通过蚀刻、镀金、镀锡和镀银的方式印刷第二弯曲线型激励臂和第二共面带线，第二弯曲线型激励臂的印刷方向与第一弯曲线型激励臂的印刷方向对应；

在第二共面带线的下方至介质基板的边缘贴上反射器贴片并在介质基板的正面和反面作阻焊处理；

S3：对成型后的介质基板进行检验烘烤，得到小型化八木天线。

本发明中的步骤S1中的各个步骤均能够进行顺序上的交替，并且不会影响本发明最终的实施效果，而且在本发明中，由于所述介质基板上的单元区域分为七个，主要包括开口谐振环、直线引向器、第一弯曲线型激励臂、第一共面带线、第二弯曲线型激励臂、第二共面带线和反射器，在介质基板上的开口谐振环、直线引向器、第一弯曲线型激励臂、第一共面带线、第二弯曲线型激励臂、第二共面带线均是通过印刷的方式印制在介质基板上的，而这种印刷的方式，能够有效的减小天线的尺寸，当有源振子作为激励臂被馈电后在空间产生电磁波，通过耦合作用在直线型引向器上产生感应电流，有源振子的电磁场被反射器抵消，使得电磁波沿着直线型引向器方向向外辐射，微带八木天线达到了缩小尺寸并提高天线增益和灵活性的目的，并且由于第一弯曲线型激励臂和第二弯曲线型激励臂均为弧形，弧形的激励臂更加贴近电磁波传播形态，通过本发明中的方法得到的天线板能够有效达到减小准八木天线尺寸，拓宽准八木天线带宽的目的。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)在本发明中以有源振子作为激励臂被馈电后在空间产生电磁波，通过耦合作用在直线型引向器上产生感应电流，有源振子的电磁场被反射器抵消，使得电磁波沿着直线型引向器方向向外辐射，微带八木天线达到了缩小尺寸并提高天线增益和灵活性的目的。

(2)在本发明中由于金属单元结构被垂直其表面的时变磁场激励时，通过调整金属单元的结构，会引起金属单元产生特殊的谐振能力，所以本发明中采用金属结构的开口谐振环，当加载在天线辐射口径方向的时候，能够起到引向器作用，使得天线表面电流集中于端射方向，在并且不会受到天线尺寸和带宽的影响，实现提升增益的作用。

(3)本发明通过第一弯曲线型激励臂和第二弯曲线型激励臂均为弧形，弧形的激励臂更加贴近电磁波传播形态，从而能够有效的增加传播效率，能够在直线型引向器上激发出弧形感应电流，可以减小激励臂与引向器之间的耦合能量，达到减小准八木天线尺寸，拓宽准八木天线带宽的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明正面结构示意图；

图2为本发明反面结构示意图；

图3为本发明的天线辐射性能曲线图；

图4为本发明带馈源端口的正面结构示意图；

图5为本发明带馈源端口的反面结构示意图；

附图标记所表示的名称为：1-开口谐振环，2-直线型引向器，3-第一共面带线，4-第一弯曲线型激励臂，5-第二弯曲线型激励臂，6-第二共面带线，7-反射器，8-介质基板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1～3所示，一种适用于5G通信的小型化八木天线，包括介质基板8，在介质基板8上设有若干个开口谐振环1，所述开口谐振环1印刷于介质基板8上，以开口谐振环1所在面为介质基板8的正面，以其相对的面为介质基板8的反面，所述开口谐振环1位于介质基板8正面的最上方，在开口谐振环1的下方印制有若干直线型引向器2，在直线型引向器2的下方印制有第一弯曲线型激励臂4，在第一弯曲线型激励臂4的下方印制有第一共面带线3，所述第一共面带线3的一端与弯曲线激励臂连接，其另一端延伸到介质基板8的反面，在介质基板8的反面的底部边缘设有反射器7，在反射器7的上方印制有第二共面带线6，所述第一共面带线3延伸到介质基板8的反面的一端穿过反射器7并向上延伸并与第二共面带线6连接，在第二共面带线6的上方印制有第二弯曲线型激励臂5，所述第一弯曲线型激励臂4和第二弯曲线型激励臂5均为开口向下的圆弧段，并且第一弯曲线型激励臂4以及第二弯曲线型激励臂5的两端端点的连线均与介质基板8的边缘平行，第一弯曲线型激励臂4和第二弯曲线型激励臂5远离共面带线的一端的延伸方向为同一方向；所述第二弯曲线型激励臂5与第二共面带线6连接；所述反射器7为金属贴片；所述介质基板8长度为65mm，宽度为60mm，厚度为0.8mm。

八木天线是由若干个振子组成的，在天线小型化过程中，振子间距减小会增加互藕效应，无源振子会使有源振子的输入阻抗下降，并且其更容易随频率变化。本发明的设置通过弯曲线激励臂、直线型引向器2，反射器7，共面带线四部分组成，正反两面的整体设置是7单元的准八木天线的设置，以有源振子作为激励臂被馈电后在空间产生电磁波，通过耦合作用在直线型引向器上产生感应电流，有源振子的电磁场被反射器抵消，使得电磁波沿着直线型引向器方向向外辐射，微带八木天线达到了缩小尺寸并提高天线增益和灵活性的目的。

在本实施例在实际应用中由第一弯曲线型激励臂4、第二弯曲线型激励臂5、直线型引向器2，反射器7，第一共面带线3和第二共面带线6组成，采用测馈端口馈电，正反两面的整体设置是7单元的准八木天线的设置，这样不仅尺寸有效的减小，而且通过降低互耦效应，有效的对天线产生了增益，针对不同结构的准八木天线，以直线型激励臂和弯曲线激励臂为两组不同的实验组进行参数测定，测定结果如下：

表1不同结构准八木天线的参数性能对照表

由表1可知，在天线尺寸减小后，基于开口谐振环的小型化准八木天线，带宽会继续扩展35％，增益提高0.82dBi。可见，利用弯曲线激励臂和开口谐振环结构，可以在缩小准八木天线尺寸的情况下，改善八木天线的各项辐射性能。

实施例2：

如图1～3所示，在实施例1的基础上，所述若干个开口谐振环1并列设置，所有开口谐振环1的圆心的连接线与所述介质基板8的边缘平行；所述开口谐振环1外半径为6mm，内半径为5mm，开口缝隙宽度为0.5mm并由金属制成。

开口谐振环1作为金属圆环，在与其垂直的变化磁场中会产生感应电磁场，但却并非谐振的系统。但当在每个金属环上加入一个缺口时，由于形成了电容，电荷会在两端积聚。这样这个开口谐振环1就类比于一个带有电容的谐振电路。

对于开口谐振环1，由于金属单元被垂直其表面的时变磁场激励时，通过调整金属单元的结构，会引起金属单元产生特殊的谐振能力。当加载在天线辐射口径方向的时候，能够起到引向器作用，使得天线表面电流集中于端射方向，在并且不会受到天线尺寸和带宽的影响，实现提升增益的作用。

所以本实施例通过对比工作于5G频段的直线型准天线、小型化准八木天线，基于开口谐振环的小型化准八木天线，结果表明：使用弯曲线激励臂的准八木天线尺寸减小了28％。无开口谐振环的小型化准八木天线带宽增加了1.4倍，增益提升了0.05dBi，有开口谐振环的小型化准八木天线带宽增加了2.3倍，增益提升了0.87dBi。

对本实施例进行回波损耗的仿真实验，回波损耗(S11)仿真实验结果如图3表明，S11低于-10dB的频段范围为3.076～4.23GHz，带宽为1.154GHz。

实施例3：

如图1～3所示，在实施例1或2任一实施例的基础上，所述直线引向器2的数量为5个，直线引向器2之间互相平行，并且直线引向器2与介质基板8的边缘也平行。本实施例中采用5个直线型引向器2来产生感应电流，使得有源振子的电磁场被反射器抵消，电磁波能够沿着引向器方向向外辐射，提高微带八木天线的增益，并且缩小了天线的尺寸。

在本实施例中第一弯曲线型激励臂4和直线型引向器2印制在介质基板8的正面，在介质基板8背面设置金属贴片作为天线的反射器，当以有源振子作为激励臂被馈电后在空间产生电磁波，通过耦合作用在5个直线型引向器2上产生感应电流，有源振子的电磁场被反射器7抵消，使得电磁波沿着直线型引向器2方向向外辐射，微带八木天线达到了缩小尺寸并提高天线增益和灵活性的目的。

实施例4：

如图1～5所示，在实施例1～3任意一个实施例的基础上，所述测馈端口即馈源端口，馈电端口位于介质基板8的底部并延伸到介质基板8外，本实施例中的馈源端口采用SAM端口，通过SAM端口与50欧姆的同轴电缆相连接进行测试和收发信号。

实施例5：

如图1～3所示，一种适用于5G通信的小型化八木天线的制造方法，包括以下步骤：

S1：准备一块待印刷的介质基板8，所述介质基板8具有相对的两个面，分别将这两个面定义为正面和反面，在介质基板8的正面划分有至少四个单元区域，在介质基板8的反面划分有至少三个单元区域，划定介质基板8各个单元区域的开孔位置并进行钻孔，对介质基板进行沉铜处理，在介质基板8的半边与所述单元区域之间分别设有连接位；

S2：在所述介质基板8的正面上由上向下依次通过蚀刻、镀金、镀锡和镀银的方式印刷开口谐振环1、直线型引向器2、第一弯曲线型激励臂4和第一共面带线3；

在所述介质基板8的反面上，由上向下依次通过蚀刻、镀金、镀锡和镀银的方式印刷第二弯曲线型激励臂5和第二共面带线6，第二弯曲线型激励臂5的印刷方向与第一弯曲线型激励臂4的印刷方向对应；

在第二共面带线的下方至介质基板8的边缘贴上反射器7贴片并在介质基板的正面和反面作阻焊处理；

S3：对成型后的介质基板8进行检验烘烤，得到小型化八木天线。

在本实施例中当有源振子作为激励臂被馈电后在空间产生电磁波，通过耦合作用在直线型引向器上产生感应电流，有源振子的电磁场被反射器抵消，使得电磁波沿着直线型引向器2方向向外辐射，微带八木天线达到了缩小尺寸并提高天线增益和灵活性的目的，并且由于第一弯曲线型激励臂4和第二弯曲线型激励臂5均为弧形，弧形的激励臂更加贴近电磁波传播形态，通过本实施例的方法所得到的天线板能够有效达到减小准八木天线尺寸，拓宽准八木天线带宽的目的，本实施例中的S1步骤中的各个小步骤能够进行顺序上的替换，从而使得本实施例能够有更加自由的制造方式，并且经过测试，交换步骤后产出的天线板的效果和质量均能够保持一致。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。