CN102709662A - 紧凑型Wilkinson功分器及阵列天线的馈电网络 - Google Patents

Abstract

本发明适用于通信技术领域，提供了一种紧凑型Wilkinson功分器，至少包含依次连接的一组三线耦合线、一个隔离电阻和一组四线耦合线，所述紧凑型Wilkinson功分器在PCB线路板上实现，尺寸小，端口隔离度高，并且具有较宽的工作带宽。本发明还提供一种阵列天线的馈电网络，所述馈电网络包括若干所述紧凑型Wilkinson功分器和若干常用的Y型Wilkinson功分器，所述若干紧凑型Wilkinson功分器和所述若干Y型Wilkinson功分器之间相互连接，所述馈电网络的布局紧凑，尺寸小，带宽较高，并且在降低馈电网络成本的同时，具有良好的幅相分配和阻抗匹配性能，从而有效地改善了基站阵列天线的辐射方向图失真的问题。

Description

紧凑型Wilkinson功分器及阵列天线的馈电网络

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种紧凑型Wilkinson功分器及阵列天线的馈电网络。

背景技术

天线作为移动通信系统的咽喉要道，是辐射和接受电磁波的系统部件。天线性能的优劣，对移动通信系统的总体性能起着决定性的作用。如今，随着移动通信系统在容量和质量上的不断升级，人们对基站天线提出了越来越高的性能指标要求。

在蜂窝移动通信系统中，要求基站天线对使用相同频率的另一蜂窝辐射尽可能低的电平，而在服务区内辐射尽可能高的电平。因此必须对基站阵列天线的方向图进行波束赋形设计，这是高性能基站天线设计的关键因素。然而，基站阵列天线中阵列单元间的互耦会影响单元的激励系数，使方向图与设计值之间存在一定的偏差，最终导致其辐射方向图失真。此为阵列天线，尤其是平面阵列天线长期以来一直未得到有效解决的技术问题。

综上可知，现有基站阵列天线技术在实际使用上，显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种紧凑型Wilkinson功分器，其结构紧凑、成本低、端口隔离度高并且具有较宽的工作带宽。

本发明的目的之二在于提供一种阵列天线的馈电网络，其布局紧凑，带宽较高，并且在降低馈电网络成本的同时，具有良好的幅相分配和阻抗匹配性能，从而有效地改善了基站阵列天线的辐射方向图失真的问题。

为了实现上述目的之一，本发明提供紧凑型Wilkinson功分器，至少包含依次连接的一组三线耦合线、一个隔离电阻和一组四线耦合线。

根据本发明所述的紧凑型Wilkinson功分器，所述三线耦合线的长度L₄约等于工作频段中心频率波长的八分之一；

所述四线耦合线的长度为L₅约等于工作频段中心频率波长的八分之一。

根据本发明所述的紧凑型Wilkinson功分器，所述三线耦合线的线宽依次为W₄₁，W₄₂，W₄₃，且所述三线耦合线的线宽W₄₂=W₄₃；

所述四线耦合线的线宽依次为W₅₁，W₅₂，W₅₃，W₅₄，且所述四线耦合线的线宽W₅₂=W₅₃。

根据本发明所述的紧凑型Wilkinson功分器，所述三线耦合线之间的边间距依次为S₄₁，S₄₂；所述四线耦合线之间的边间距依次为S₅₁，S₅₂，S₅₃；

所述三线耦合线之间的边间距S₄₁与所述四线耦合线之间的边间距S₅₁的取值规则为：S₁=min（S₄₁，S₅₁），S₁∈[30%W1，50%W1]，其中W1为S₁对应的相邻两条传输线中线宽较大的线宽值；

所述三线耦合线之间的边间距S₄₂与所述四线耦合线之间的边间距S₅₂的取值规则为：S₂=min（S₄₂，S₅₂），S₂∈[30%W2，50%W2]，所述W2为S₂对应的相邻两条传输线中线宽较大的线宽值。

根据本发明所述的紧凑型Wilkinson功分器，所述四线耦合线之间的边间距满足：S₅₁>S₅₂，S₅₃>S₅₂。

根据本发明所述的紧凑型Wilkinson功分器，所述四线耦合线之间的边间距S₅₃的取值范围为[30%W3，50%W3]，所述W3为W₅₃与W₅₄中的最大值。

根据本发明所述的紧凑型Wilkinson功分器，所述紧凑型Wilkinson功分器还包括第一端口、第二端口和第三端口，所述三线耦合线分别连接所述第一端口和所述第二端口，所述四线耦合线分别连接所述第一端口和所述第三端口。

为了实现上述目的之二，本发明还提供一种包括上述紧凑型Wilkinson功分器的阵列天线的馈电网络，所述馈电网络包括若干所述紧凑型Wilkinson功分器和若干Y型Wilkinson功分器，所述若干紧凑型Wilkinson功分器和所述若干Y型Wilkinson功分器之间相互连接。

根据本发明所述的阵列天线的馈电网络，所述阵列天线的馈电网络直接印刷在印刷电路板上。

根据本发明所述的阵列天线的馈电网络，所述阵列天线为NхM阵列，N≥1且表示阵列天线的天线列数，M≥6且表示单列天线的单元个数。

根据本发明所述的阵列天线的馈电网络，所述阵列天线的单列天线的馈电网络的横向尺寸小于30mm。

本发明通过采用耦合线，提出了一种紧凑型Wilkinson功分器，至少包含依次连接的三线耦合线、隔离电阻和四线耦合线，所述紧凑型Wilkinson功分器在PCB线路板上实现，尺寸小，成本低，端口隔离度高并且带宽可拓展到45%以上。本发明还将所述紧凑型Wilkinson功分器引入阵列天线的馈电网络中，所述阵列天线优选为基站阵列天线，该馈电网络主要包括若干所述紧凑型Wilkinson功分器和若干常用的Y型Wilkinson功分器，所述馈电网络结构新颖，布局紧凑，尺寸小，带宽较高，并且在降低馈电网络成本的同时，具有良好的幅相分配和阻抗匹配性能，从而有效地改善了基站阵列天线的辐射方向图失真的问题。

附图说明

图1是本发明紧凑型Wilkinson功分器的结构示意图；

图2是常用的Y型Wilkinson功分器的结构示意图；以及

图3是本发明阵列天线的馈电网络的结构示意图。

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。

图1示出了本发明紧凑型Wilkinson（威尔金森功率分配器）功分器的结构示意图，所述紧凑型Wilkinson功分器至少包含依次连接的一组三线耦合线4、一个小尺寸的隔离电阻6和一组四线耦合线5。并且，所述紧凑型Wilkinson功分器优选为一分二功率分配器，其还包括第一端口1、第二端口2和第三端口3，所述三线耦合线4分别连接第一端口1和第二端口2，所述四线耦合线5分别连接第一端口1和第三端口3。

所述三线耦合线4的长度L₄约等于工作频段中心频率波长的八分之一，所述该工作频段指的是所述Wilkinson功分器的工作频段，所述三线耦合线4的线宽依次为W₄₁，W₄₂，W₄₃，且三线耦合线4的线宽W₄₂=W₄₃；所述四线耦合线5的长度为L₅约等于工作频段中心频率波长的八分之一，所述四线耦合线5的线宽依次为W₅₁，W₅₂，W₅₃，W₅₄，且四线耦合线5的线宽W₅₂=W₅₃。所述隔离电阻6为小尺寸贴片电阻。

所述三线耦合线4之间的边间距依次为S₄₁，S₄₂；所述四线耦合线5之间的边间距依次为S₅₁，S₅₂，S₅₃，所述边间距S₅₁，S₅₂，S₅₃优选满足以下要求：

1）三线耦合线4之间的边间距S₄₁与四线耦合线5之间的边间距S₅₁的取值规则为：S₁=min（S₄₁，S₅₁），S₁∈[30%W1，50%W1]，其中W1为S₁对应的相邻两条传输线中线宽较大的线宽值；

2）三线耦合线4之间的边间距S₄₂与四线耦合线5之间的边间距S₅₂的取值规则为：S₂=min（S₄₂，S₅₂），S₂∈[30%W2，50%W2]，W2为S₂对应的相邻两条传输线中线宽较大的线宽值；

3）四线耦合线5之间的边间距满足：S₅₁>S₅₂，S₅₃>S₅₂；和/或

4）四线耦合线5之间的边间距S₅₃的取值范围为[30%W3，50%W3]，W3为W₅₃与W₅₄中的最大值。

本发明采用耦合线的Wilkinson功分器，其在PCB线路板上实现，尺寸小，成本低，端口隔离度高，带宽亦可拓展到45%以上等优点。紧凑型Wilkinson功分器的端口隔离度大于20dB，纵向长度W为12.5mm。

图3是本发明阵列天线的馈电网络的结构示意图，所述阵列天线的馈电网络包括如图1所示的若干紧凑型Wilkinson功分器和如图2所示的常用的若干Y型Wilkinson功分器，若干紧凑型Wilkinson功分器和若干Y型Wilkinson功分器之间相互连接。本发明阵列天线的馈电网络每一级的功分器优选采用一分二Wilkinson功分器。所述阵列天线为NхM阵列，N≥1且表示阵列天线的天线列数，M≥6且表示单列天线的单元个数。

图2是常用的Y型Wilkinson功分器的结构示意图，其中包括第一端口21、第二端口22和第三端口23和隔离电阻24。

图3所示的阵列天线优选为十二单元阵列天线，主要包含紧凑型Wilkinson功分器301、302、303、304、305、306和一种常用Y型Wilkinson功分器310、311。同时，所述十二单元阵列天线还采用了类紧凑型的Wilkinson功分器307、308、309的布局，所述类紧凑型Wilkinson功分器307、308、309的横向尺寸（以天线的工作形态为基准）较大，未采用耦合线。

本发明将Wilkinson功分器引入到阵列天线设计中，提出了一种十二单元阵列天线的馈电网络布线方式。其结构新颖，布局紧凑，尺寸小，在降低馈电网络成本的同时，拓展了带宽，具有良好的幅相分配和阻抗匹配性能，从而有效地改善了阵列天线的辐射方向图失真情况，尤其是减小了平面阵列辐射方向图失真程度。本发明阵列天线的馈电网络结构紧凑，纵向长度W31可为21mm，与同类馈电网络相比，尺寸优势明显，成本更低。

本发明的所述阵列天线优选为基站阵列天线，例如四列双极化平面的基站阵列天线，且所述阵列天线的馈电网络可直接印刷在PCB（Printed Circuit Board,印刷电路板）板上，优选采用介电常数为2.2，厚度为1mm的PCB板，且工作频段范围为1.7G～2.7G，可有效的控制馈电网络尺寸，从而在阵列天线有限的空间上得以实现。所述阵列天线的单列天线的馈电网络的横向尺寸W31小于30mm。本发明阵列天线的馈电网络的尺寸因工作频段和PCB板的不同而不同。本发明横向尺寸W31较小，纵向尺寸L可根据单元间距做调整。

综上所述，本发明通过采用耦合线，提出了一种紧凑型Wilkinson功分器，至少包含依次连接的三线耦合线、隔离电阻和四线耦合线，所述紧凑型Wilkinson功分器在PCB线路板上实现，尺寸小，成本低，端口隔离度高并且带宽可拓展到45%以上。本发明还将所述紧凑型Wilkinson功分器引入阵列天线的馈电网络中，所述阵列天线优选为基站阵列天线，该馈电网络主要包括若干所述紧凑型Wilkinson功分器和若干常用的Y型Wilkinson功分器，所述馈电网络结构新颖，布局紧凑，尺寸小，带宽较高，并且在降低馈电网络成本的同时，具有良好的幅相分配和阻抗匹配性能，从而有效地改善了基站阵列天线的辐射方向图失真的问题。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种紧凑型Wilkinson功分器，其特征在于，至少包含依次连接的一组三线耦合线、一个隔离电阻和一组四线耦合线。

2.根据权利要求1所述的紧凑型Wilkinson功分器，其特征在于，所述三线耦合线的长度L₄约等于工作频段中心频率波长的八分之一；

所述四线耦合线的长度为L₅约等于工作频段中心频率波长的八分之一。

3.根据权利要求1所述的紧凑型Wilkinson功分器，其特征在于，所述三线耦合线的线宽依次为W₄₁，W₄₂，W₄₃，且所述三线耦合线的线宽W₄₂=W₄₃；

所述四线耦合线的线宽依次为W₅₁，W₅₂，W₅₃，W₅₄，且所述四线耦合线的线宽W₅₂=W₅₃。

4.根据权利要求1所述的紧凑型Wilkinson功分器，其特征在于，所述三线耦合线之间的边间距依次为S₄₁，S₄₂；所述四线耦合线之间的边间距依次为S₅₁，S₅₂，S₅₃；

所述三线耦合线之间的边间距S₄₁与所述四线耦合线之间的边间距S₅₁的取值规则为：S₁=min（S₄₁，S₅₁），S₁∈[30%W1，50%W1]，其中W1为S₁对应的相邻两条传输线中线宽较大的线宽值；

所述三线耦合线之间的边间距S₄₂与所述四线耦合线之间的边间距S₅₂的取值规则为：S₂=min（S₄₂，S₅₂），S₂∈[30%W2，50%W2]，所述W2为S₂对应的相邻两条传输线中线宽较大的线宽值。

5.根据权利要求4所述的紧凑型Wilkinson功分器，其特征在于，所述四线耦合线之间的边间距满足：S₅₁>S₅₂，S₅₃>S₅₂。

6.根据权利要求4所述的紧凑型Wilkinson功分器，其特征在于，所述四线耦合线之间的边间距S₅₃的取值范围为[30%W3，50%W3]，所述W3为W₅₃与W₅₄中的最大值。

7.根据权利要求1所述的紧凑型Wilkinson功分器，其特征在于，所述紧凑型Wilkinson功分器还包括第一端口、第二端口和第三端口，所述三线耦合线分别连接所述第一端口和所述第二端口，所述四线耦合线分别连接所述第一端口和所述第三端口。

8.一种包括如权利要求1~7任一项紧凑型Wilkinson功分器的阵列天线的馈电网络，其特征在于，所述馈电网络包括若干所述紧凑型Wilkinson功分器和若干Y型Wilkinson功分器，所述若干紧凑型Wilkinson功分器和所述若干Y型Wilkinson功分器之间相互连接。

9.根据权利要求8所述的阵列天线的馈电网络，其特征在于，所述阵列天线的馈电网络直接印刷在印刷电路板上。

10.根据权利要求8所述的阵列天线的馈电网络，其特征在于，所述阵列天线为NхM阵列，N≥1且表示阵列天线的天线列数，M≥6且表示单列天线的单元个数。

11.根据权利要求10所述的阵列天线的馈电网络，其特征在于，所述阵列天线的单列天线的馈电网络的横向尺寸小于30mm。

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