CN103779671A - 一种应用于有源天线系统的基站阵列天线 - Google Patents

Abstract

一种应用于有源天线系统的基站阵列天线，包含介质基板、位于介质基板正面的馈电网络、位于介质基板反面的开槽地板和馈电网络中的交叉结构，开槽地板上刻蚀有多个十字环槽，介质板下方有金属反射板，开槽地板和金属反射板之间由铜柱相连；本发明利用十字环槽实现两个相互正交的极化，实现阵列的双极化特性，所用铜柱一方面用于介质基板和反射板的固定，使结构稳定，另一方面起到单元隔离的作用，采用64个单元、128个端口独立馈电，实现了波束在x和y两个维度的扫描；本发明可覆盖LTE两个常用的频段，并且在工作频带内两个极化之间具有很高的隔离度，单元间的耦合也很低，同时阵列天线结构简单，主体部分仅由一块电路板实现，制作加工方便，成本低。

Description

一种应用于有源天线系统的基站阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种应用于有源天线系统的基站阵列天线。

背景技术

随着LTE网络在全球范围内的推广和部署，新一代的移动通信标准也已经在酝酿和起草之中，对天线技术将会有更新和更高的要求。MIMO技术作为LTE中的核心技术之一在不断演进中已经逐步完善，但现有的MIMO技术仅能使得基站天线波束在水平方向进行调整，而在垂直方向上对于每一个用户都具有固定的下倾角，各种波束赋形以及基带调整只能基于水平维度上的信道信息，在垂直维的自由度则不能充分利用，因此无法完全匹配实际的三维信道。另外，小区分裂或者扇区分裂是扩展系统容量的重要手段，但目前的技术还无法通过下倾角的划分实现垂直方向上的扇区化。

3D MIMO技术作为LTE MIMO技术的演进和延伸，极有可能成为新一代移动通信标准中的核心技术。其充分利用垂直方向上的信道信息以进一步提升系统的通信容量，同时具有提升频率效率、解决小区覆盖、降低小区间干扰等诸多优势。3D MIMO所涵盖的天线技术的实现基础是有源天线系统（AAS）。AAS技术将滤波器、低噪声放大器、功放、收发器集成到每一个阵列单元上，通过DSP单独控制每一个阵列单元，在阵面垂直方向上分割子阵，从而实现基站天线在垂直维的扇区化。

天线是AAS中的重要组成部分，其设计要求具有足良好的器件集成性、高隔离度、低互耦和低成本等特点。同时，双极化特性作为基站天线的基本属性也是AAS中阵列天线所应具备的。由于LTE拥有多个频段，因此AAS也需要具有宽带或多频带覆盖特性，这也意味着天线具有宽带或多频带的特性。

发明内容

为了实现以上天线设计目标，本发明的目的在于一种应用于有源天线系统的基站阵列天线，该阵列天线拥有64个（8×8）天线单元，每个单元具有±45°双极化特性，两个极化均可以覆盖LTE标准的两个常用频段LTE2300和LTE2500，所有单元和馈电网络被设计在一块介质板上，具有较高的极化隔离度和较低的单元耦合，以及结构简单，成本低廉，工艺一致性好等特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于有源天线系统的基站阵列天线，包括：

介质基板1；

位于介质基板1正面的馈电网络2；

位于介质基板1反面的开槽地板3，开槽地板3的正面与介质基板1的反面相对；

刻蚀于开槽地板3正面的若干十字环槽4；

金属反射板5；

以及

位于开槽地板3反面和金属反射板5之间的用于连接二者的多个铜柱6。

所述介质基板1材料为FR4_epoxy，介电常数4.4，损耗正切值为0.02。

所述介质基板1和开槽地板3具有相同的长和宽.

所述馈电网络2位于十字环槽4的上方，包括两个交汇的一分二结构，且在交汇处有交叉结构7。

所述交叉结构7由两个通孔8和一段微带线构成，馈电网络2的一个一分二结构的其中一个分支断开，并在断开处分别连接一个通孔8的上端，两个通孔8的下端分别连接微带线的一端，微带线的上部垂直跨有馈电网络2的另一个一分二结构的其中一个分支。

所述十字环槽4由一个环槽和四个相隔90°的窄槽构成。

所述馈电网络2上共有64个单元馈电网络，每个馈电网络有两个馈电端口，产生±45°两个正交的极化，共有128个馈电端口；所述开槽地板3有64个十字环槽4，十字环槽4沿x和y方向有相同的阵间距；所述铜柱6共有576个，每个天线单元周围有16个铜柱，相邻两个单元共用4个铜柱。

本发明的原理是：单元天线利用十字环槽实现两个相互正交的极化；两个极化方向图具有旋转对称特性；铜柱一方面用于介质板和反射板的固定，使结构稳定，另一方面起到单元隔离的作用；64个单元、128个端口独立馈电，从而实现波束在x和y两个维度的扫描；金属反射板使天线定向辐射。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：阵列天线结构简单，主体部分仅由一块电路板实现，制作加工方便，成本低；天线可以同时覆盖LTE2300和

LTE2500两个常用频段；天线的极化隔离度很高，单元间耦合很低。

附图说明

图1为8×8阵列天线的分层结构图。

图2为单元天线的分层结构图。

图3为单元天线的俯视尺寸图，单位均为毫米（mm）。

图4为单元天线中馈电网络2的交叉结构7。

图5为2×2阵列样例S参数测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，阵列单元沿x和y方向间距均为95mm。介质板1的材料为FR4_epoxy，介电常数4.4，损耗正切角为0.02，厚度1mm。介质板1和地板3的尺寸均为815mm×815mm，金属反射板5的尺寸为965mm×965mm。连接地板3和金属反射板5的铜柱6的高度为30mm。

图2所示为单元天线的分层结构图，馈电网络2（单元）有两个输入端口，其中端口1激励45°方向极化，端口2激励-45°极化。开槽地板3上的槽由一个环槽和相差90°的四个窄槽构成。每个单元下方有16个铜柱6，即四边每边四个。

如图3所示，单元天线的尺寸标于图中。十字环槽4内径为11.5mm，宽6.5mm。周围四个窄槽宽2.0mm，长12.0mm，分别位于45°、135°、225°和315°四个位置。馈电结构2由多段微带线构成，起到阻抗匹配的作用。铜柱6的间距为23.75mm，对边的两个铜柱6相距95mm，也即单元间距。

如图4所示，馈电网络2中的交叉结构由两个单元内部的通孔8和开槽地板上的一小段微带构成。通孔8上端连接馈电网络2的馈线，即图3中从端口2发出的馈线。

如图5所示，一个2×2阵列样例的S参数测试结果。对于一个2×2阵列，其共有8个输入端口。图5显示8个输入端口的共有带宽（回波损耗大于10dB）为2.23至2.70GHz，且各端口隔离度都超过20dB。该2×2阵列天线的测试结果可以推广到8×8阵列天线。因此该天线可以覆盖LTE2300（2.3至2.4GHz）和LTE2500（2.5至2.69GHz）两个LTE常用频段。

Claims (6)

1.一种应用于有源天线系统的基站阵列天线，包括：

介质基板（1）；

位于介质基板（1）正面的馈电网络（2）；

位于介质基板（1）反面的开槽地板（3），开槽地板（3）的正面与介质基板（1）的反面相对；

刻蚀于开槽地板（3）正面的若干十字环槽（4）；

金属反射板（5）；

以及

位于开槽地板（3）反面和金属反射板（5）之间的用于连接二者的多个铜柱（6）。

2.根据权利要求1所述的应用于有源天线系统的基站阵列天线，其特征在于，所述介质基板（1）材料为FR4_epoxy，介电常数4.4，损耗正切值为0.02。

3.根据权利要求1所述的应用于有源天线系统的基站阵列天线，其特征在于，所述馈电网络（2）位于十字环槽（4）的上方，包括两个交汇的一分二结构，且在交汇处有交叉结构（7）。

4.根据权利要求1所述的应用于有源天线系统的基站阵列天线，其特征在于，所述交叉结构（7）由两个通孔（8）和一段微带线构成，馈电网络（2）的一个一分二结构的其中一个分支断开，并在断开处分别连接一个通孔（8）的上端，两个通孔（8）的下端分别连接微带线的一端，微带线的上部垂直跨有馈电网络（2）的另一个一分二结构的其中一个分支。

5.根据权利要求1所述的应用于有源天线系统的基站阵列天线，其特征在于，所述十字环槽（4）由一个环槽和四个相隔90°的窄槽构成。

6.根据权利要求1所述的应用于有源天线系统的基站阵列天线，其特征在于，所述馈电网络（2）上共有64个单元馈电网络，每个馈电网络有两个馈电端口，产生±45°两个正交的极化，共有128个馈电端口；所述开槽地板（3）有64个十字环槽（4），十字环槽（4）沿x和y方向有相同的阵间距；所述铜柱（6）共有576个，每个天线单元周围有16个铜柱，相邻两个单元共用4个铜柱。

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