CN105634627A - 一种天线阵耦合校准网络装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线阵耦合校准网络装置，所述装置包括：介质板、耦合校准网络、天线阵列、第一射频连接器以及一个第二射频连接器；其中，所述耦合校准网络设置在所述介质板的一面，所述天线阵列设置在所述介质板的另一面，所述介质板上设有过孔，所述天线阵列与所述耦合校准网络通过过孔连接；所述介质板的中间层同时作为接地层和金属反射板；所述第一射频连接器和第二射频连接器排布在所述介质板上，分别与所述耦合校准网络连接。相应的，本发明还公开了天线阵耦合校准网络的校准方法，可以减小天线尺寸、提高基站系统集成化及小型化性能，有利于大规模智能天线阵耦合校准网络装置的实现。

Description

一种天线阵耦合校准网络装置及校准方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统的天线技术，更确切地说是涉及一种天线阵耦合校准网络装置及校准方法。

背景技术

在当代蜂窝系统中，用户对无线数据速率的不断增长的需求导致有限的带宽被相邻的小区共用，所造成的小区间的干扰是数据传输速率和服务质量的主要限制因素。处在小区边缘的用户受到小区的干扰尤其严重。很多无线服务供应商一直在努力改善小区边缘用户的服务质量。在这些尝试中，用多天线技术所提供的更多的自由度来缓解小区边缘用户的服务性能下降是最有潜力的方向。同时传统的4天线、8天线大功率基站系统对基站系统收发信机链路模块的设计难度高，如果将大功率均分到更大规模天线后，如16天线、64天线，将大大降低单天线功率，对基站系统收发信机链路设计难度大大降低。因此，大规模智能天线通信将成为一种发展趋势，而耦合校准网络作为大规模智能天线的关键部件之一，它的实现不但直接影响到大规模智能天线的波束赋形效果，而且间接影响到基站系统的模块架构设计。

如图1所示，在中国专利CN2755871Y中给出一种直线排列智能天线阵的耦合校准网络装置，包含N个天线阵元、N个耦合器和若干个功分器/合路器(N≥2)。N个天线阵元(11)成直线排列成直线天线阵；耦合器是微带定向耦合器，由两条近距离的金属平行微带组成；N个微带定向耦合器与若干个功分器/合路器制作在一块耦合校准网络电路板(12)上，该电路板设置在直线天线阵辐射方向的后面，N个微带定向耦合器在耦合校准网络电路板上的分布随N个天线阵元一一对应地分布；一块金属反射板(13)，设置在耦合校准网络电路板后面，使直线天线阵实现定向覆盖。此外，该装置还包括是耦合校准网络与天线阵元的射频连接器14、8个天线阵输入/输出接头15、和1个校准口输入/输出接头16。该专利天线阵、耦合校准网络、反射板各为单独板块，未集成在同一介质板上，不利于基站系统的集成化；天线阵输入/输出接头及校准口输入/输出接头与基站系统相连是通过在耦合校准网络边缘引出射频连接器或通过直接焊接电缆引出，对于大规模天线阵，必然需要增加射频连接器或者焊接线缆数量，如此，会显得杂乱繁琐，不利于基站系统的小型化和生产。

如图2所示，在中国专利CN103746193A中公开了一种智能天线及其校准装置，包括反射板(21)、振子(22)、端盖(23)及连接反射板(21)与端盖(23)的安装板(24)，其中，智能天线还包括校准装置；校准装置包括介质板(25)、多个接头(26)及校准网络(27)；校准网络(27)印制于介质板的表面，包括多个功率分配器形成的功率分配网络及多个定向耦合器；功率分配器网络的任一分路端口连接一定向耦合器；接头内芯直接与功率分配网络的合路端口或定向耦合器的信号输入端口连接，且一接头对应一端口；校准装置固定于安装板的一侧；安装板(24)设有至少一条折弯条(241)，折弯条(241)贯穿校准装置固定于反射板(21)上。该专利振子与校准网络之间通过焊接线缆(28)连接，若为大规模天线阵，线缆数量纵多，不利于生产；振子与校准网络之间是垂直装置关系，装配时还需借助一条折弯条(241)来固定装置，不利于后续生产，系统集成度不高。

因此，需要提出一种新的方案，以减小天线尺寸、提高基站系统集成化及小型化性能，便于大规模生产，提高系统可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无线阵耦合校准网络装置及校准方法，能减小天线尺寸、提高基站系统集成化及小型化性能，便于大规模生产。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种天线阵耦合校准网络装置，其特征在于，所述装置包括：介质板、耦合校准网络、天线阵列、第一射频连接器以及一个第二射频连接器；

其中，所述耦合校准网络设置在所述介质板的一面，所述天线阵列设置在所述介质板的另一面，所述介质板上设有过孔，所述天线阵列与所述耦合校准网络通过过孔连接；所述介质板的中间层同时作为接地层和金属反射板；所述第一射频连接器和第二射频连接器排布在所述介质板上，分别与所述耦合校准网络连接。

较佳地，所述耦合校准网络包括分路/合路器和M个微带定向耦合器；所述天线阵列包括M个天线阵元，所述第一射频连接器为M个，所述第二射频连接器为一个，M为不小于2的整数；

各个所述天线阵元并联馈电后通过过孔方式连接所述耦合校准网络上对应的微带定向耦合器；

每个所述第一射频连接器连接一个所述微带定向耦合器，所述分路/合路器的合路端口连接所述第二射频连接器。

较佳地，所述M个第一射频连接器和所述第二射频连接器排布在所述介质板的内部。

较佳地，每个所述微带定向耦合器包括两个微带，其中一个微带的一端通过过孔连接对应的天线阵元，另一端连接所述第一射频连接器。

较佳地，所述M个天线阵元为直线排列、环形排列或者其他不规则形状排列。

较佳地，所述M个天线阵元为等间距排列或者不等间距排列。

较佳地，所述M个天线阵元为定向方式、单极化方式或者双极化方式。

较佳地，

所述天线阵列中每两个相邻天线阵元列之间设置有一条纵向金属隔板；

和/或，所述天线阵列的每两个相邻天线阵元列之间设置有一条横向金属隔板；

和/或，所述天线阵列的外围设置有金属侧板。

较佳地，所述分路/合路器的数量根据分路数和天线阵元个数确定。

较佳地，所述介质板为印刷电路板PCB。

本发明又提供了一种天线阵耦合校准网络校准方法，

所述方法通过天线阵耦合校准网络装置执行，所述装置包括：介质板、耦合校准网络、天线阵列、第一射频连接器以及一个第二射频连接器；其中，所述耦合校准网络设置在所述介质板的一面，所述天线阵列设置在所述介质板的另一面，所述介质板上设有过孔，所述天线阵列与所述耦合校准网络通过过孔连接；所述介质板的中间层同时作为接地层和金属反射板；所述第一射频连接器和第二射频连接器排布在所述介质板上，分别与所述耦合校准网络连接；

来自基站系统发射通道的射频信号分别通过所述第一射频连接器输入，经由耦合校准网络耦合作用并合成一路校准信号，该校准信号再通过所述第二射频连接器输出到基站系统的校准链路。

本发明又提供了一种天线阵耦合校准网络校准方法，

所述方法通过天线阵耦合校准网络装置执行，所述装置包括：介质板、耦合校准网络、天线阵列、第一射频连接器以及一个第二射频连接器；其中，所述耦合校准网络设置在所述介质板的一面，所述天线阵列设置在所述介质板的另一面，所述介质板上设有过孔，所述天线阵列与所述耦合校准网络通过过孔连接；所述介质板的中间层同时作为接地层和金属反射板；所述第一射频连接器和第二射频连接器排布在所述介质板上，分别与所述耦合校准网络连接；

来自基站系统校准链路的校准信号通过所述第二射频连接器输入，经由耦合校准网络分成多路信号并耦合作用后，分别由所述第一射频连接器输出到基站系统的接收通道。

本发明中，将天线阵列、耦合校准网络、金属反射板全部集成到同一块介质板上，且天线阵元与耦合校准网络采用过孔方式连接，增加可靠性，避免大量射频电缆的使用，可以减小天线尺寸、提高基站系统集成化及小型化性能，有利于大规模智能天线阵耦合校准网络装置的实现，便于生产调试和大规模生产，更适用于无线通信系统的普及发展。

附图说明

图1为相关专利直线排列智能天线阵的耦合校准网络装置的结构示意图；

图2为相关专利智能天线及其校准装置的结构示意图；

图3为根据本发明实施例M＝16阵元的天线阵耦合校准网络装置立体结构侧视图；

图4为根据本发明实施例M＝16双极化阵元的天线阵列一个实例的俯视示意图；

图5为根据本发明实施例M＝16双极化阵元的天线阵列另一个实例的俯视示意图；

图6为根据本发明实施例M＝16阵元耦合校准网络的结构示意图；

图7为根据本发明实施例耦合校准网络任意一个耦合单元的组成结构示意图。

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，以下举实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图3是本发明实施例的M＝16阵元天线阵耦合校准网络的立体结构侧视图，其中，该天线阵耦合校准网络包括：介质板31、耦合校准网络32、天线阵列、16个第一射频连接器36和一个第二射频连接器37，其中，天线阵列与耦合校准网络32分别设置在介质板31的正反两个面，介质板31中间层同时作为接地层和金属反射板34，介质板31上设有过孔38，天线阵列通过过孔38与耦合校准网络32连接。

实际应用时，介质板31为印刷电路板(PCB，PrintedCircuitBoard)，一面设置天线阵列，一面印刷耦合校准网络32；所述介质板31中间层作为耦合校准网络32和天线阵列的接地层，同时也作为天线阵列的金属反射板34，加强天线阵列的定向辐射；

该天线阵列由16个用于接收或发射信号的天线阵元33排列组成，所述的16个天线阵元33可以是直线排列、环形排列或者其他不规则形状排列；和/或，16个天线阵元33还可以是等间距排列或者不等间距排列；和/或，16个天线阵元33还可以是定向方式、单极化方式或者双极化方式；和/或，16个天线阵元33的定向方式可以是任意角度的，如30°、60°等；和/或，16个天线阵元33的双极化方式可以是水平垂直极化或者±45°极化。

耦合校准网络32包括微带定向耦合器和分路/合路器，微带定向耦合器的个数与天线阵元的个数相同，并且一一对应，各个天线阵元33以微带线35等形式实现并联馈电后与耦合校准网络32上对应的微带定向耦合器通过过孔38连接，这样，可以使得天线阵列与耦合校准网络能设置在同一介质板上，还可以避免采用不利于生产的线缆焊接方式。

上述装置的下行校准工作链路流程为：基站系统发射通道的16路射频信号分别由16个第一射频连接器36输入，经耦合校准网络32耦合并以“等差损、等相移”的方式合成一路校准信号后，通过第二射频连接器37输出到基站系统的校准链路进行校准。

上述装置的上行校准工作链路流程为：来自基站系统校准链路的校准信号通过所述第二射频连接器37输入，经由耦合校准网络32以“等差损、等相移”的方式分成16路信号并耦合作用后，分别由所述16个第一射频连接器36输出到基站系统的接收通道。

所述的16个第一射频连接器36和第二射频连接器37排布在介质板31内部，非边缘延伸区域，有利于结构小型化及集成化，其他任何类似功能的可靠连接方式均可使用，不再赘述。第一射频连接器36用于输入或输出射频信号，第二射频连接器37用于输入或者输出校准信号，可以分别采用具有盲插、径向轴向浮动特性的射频连接器，便于与基站系统连接。

图4是天线阵列一种实例的排布示意图，是M＝16双极化阵元的天线阵俯视示意图，其中，对于四个天线阵元列41、42、43、44，每个天线阵元列都包括4个双极化振子形成的天线阵元33，每个天线阵元列中各个天线阵元33关于垂直方向或者水平方向成+45°和-45°极化方向，用于发射信号和接收信号；每个天线阵元列中上下相邻的天线阵元33两两采用微带线35等结构实现并联馈电，通过过孔38与微带定向耦合器相连。其中，各个天线阵元可以是平行、等间距分布排列，也可是交错、不等间距分布排列或者这几种方式的不同组合分布排列。天线阵元33可以是金属振子，也可以是微带结构或者贴片结构，天线阵元33可以是双极化方式，也可以是单极化方式。

出于优化性能的目的，为了加强阵元间隔离度，如图5所示，可以在相邻的两个天线阵元列41和42、42和43、以及43和44之间分别竖向设置纵长金属隔板51、52、53，金属隔板51、52、53与金属反射板34之间采用导电连接或者电容耦合连接。为进一步优化性能，也可以以天线阵元为单位，四周都设置隔板，即可以增加与金属隔板51、52、53垂直相交的金属隔板54、55、56，同时还可以在天线阵元四周增加金属侧板57、58、59、60，金属隔板及四周侧板添加的方式不仅限于图5所示方式，所述的金属隔板可以单独设计，也可以集成在天线罩结构上，提高天线罩强度，加强天线系统安全稳定性。也可以在天线阵元上方增加小盖板等其他方式，使得每个天线阵元都有更加独立的空间，不再赘述。

图6是本发明实施例M＝16阵元耦合校准网络的俯视示意图，耦合校准网络包括16个完全相同的微带定向耦合电路61、15个1:2功率分路/合路器62、16个第一射频连接器36、1个用于校准信号输入输出的第二射频连接器37。其中，每两个相邻的微带定向耦合电路61的通过一个1:2功率分路/合路器62连接，每个微带定向耦合电路61的一端连接一个第一射频连接器36，另一端通过一个1:2功率分路/合路器62连接相邻的微带定向耦合电路，每个1:2功率分路/合路器62的两个分路端口分别连接两个微带定向耦合电路61，15个1:2功率分路/合路器的合路端口连接后接到第二射频连接器37上。

16个微带定向耦合器的个数与天线阵元的个数一致，采用两条相近的金属平行微带线，故而具有极佳的产品性能一致性。16个微带定向耦合电路61在耦合校准网络的电路板上随16个天线阵元一一分布，每个微带定向耦合器连接一个第一射频连接器，便于与基站系统的射频收发信机通信；所述的16个微带定向耦合器完全相同，便于生产及调试；所述的16个微带定向耦合器与对应的天线阵元之间电性能连接采用过孔方式，性能上更好地保证了微带定向耦合器到天线阵子的信号的幅相一致性，同时结构上简洁集成，可靠性高便于生产。

功率分路/合路器62的个数受限于分路/合路数，图6中实施例采用了1:2功率分路/合路器，因此需要15个功率分路/合路器62来完成16路信号的分路/合路，最终合成1路信号至第二射频连接器37。若采用1:4的功率分路/合路器，在设置16个天线阵元及16个微带定向耦合器后，则只需要5个1:4的功率分路/合路器来完成16路信号的分路/合路。

图7是本发明实施例耦合校准网络中任意一个耦合单元示意图，一个耦合单元包括两个微带定向耦合器61和一个1:2功率分路/合路器，具体的，每个微带定向耦合器61包括两条微带，一条微带71的一端通过过孔38对应连接一个天线阵元33，另一端连接基站系统对应的射频收发信机的射频输入端，即连接第一射频连接器36；另一条微带72的一端接50Ω匹配负载74(也可接地)，另一端连接1:2功率分路/合路器62的分路端口。图7中73为功率分路/合路器62的隔离电阻。

上述实施例是16阵元天线阵耦合校准网络装置，按照相同的原理也可以设计32、64、128等更大规模的天线阵耦合校准网络装置。本发明实施例尤其适用于大规模天线阵。

针对基站无线发射系统的校准，本发明实施例还提供了提供一种天线阵耦合校准网络校准方法，通过M(M为不小于2的整数，例如可以是16)阵元天线阵耦合校准网络装置实现，该方法包括：来自基站系统发射通道的M个射频信号分别通过M个第一射频连接器输入，经由耦合校准网络耦合作用并合成一路校准信号，该校准信号再通过所述第二射频连接器输出到基站系统的校准链路。

针对基站无线接收系统的校准，本发明实施例还提供了提供一种天线阵耦合校准网络校准方法，通过M(M为不小于2的整数，例如可以是16)阵元天线阵耦合校准网络装置实现，该方法包括：来自基站系统校准链路的校准信号通过所述第二射频连接器输入，经由耦合校准网络分成M路信号并耦合作用后，分别由所述M个第一射频连接器输出到基站系统的接收通道。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种天线阵耦合校准网络装置，其特征在于，所述装置包括：介质板、耦合校准网络、天线阵列、第一射频连接器以及一个第二射频连接器；

其中，所述耦合校准网络设置在所述介质板的一面，所述天线阵列设置在所述介质板的另一面，所述介质板上设有过孔，所述天线阵列与所述耦合校准网络通过过孔连接；所述介质板的中间层同时作为接地层和金属反射板；所述第一射频连接器和第二射频连接器排布在所述介质板上，分别与所述耦合校准网络连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合校准网络包括分路/合路器和M个微带定向耦合器；所述天线阵列包括M个天线阵元，所述第一射频连接器为M个，所述第二射频连接器为一个，M为不小于2的整数；

各个所述天线阵元并联馈电后通过过孔方式连接所述耦合校准网络上对应的微带定向耦合器；

每个所述第一射频连接器连接一个所述微带定向耦合器，所述分路/合路器的合路端口连接所述第二射频连接器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述M个第一射频连接器和所述第二射频连接器排布在所述介质板的内部。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每个所述微带定向耦合器包括两个微带，其中一个微带的一端通过过孔连接对应的天线阵元，另一端连接所述第一射频连接器。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述M个天线阵元为直线排列、环形排列或者其他不规则形状排列。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述M个天线阵元为等间距排列或者不等间距排列。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述M个天线阵元为定向方式、单极化方式或者双极化方式。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述天线阵列中每两个相邻天线阵元列之间设置有一条纵向金属隔板；

和/或，所述天线阵列的每两个相邻天线阵元列之间设置有一条横向金属隔板；

和/或，所述天线阵列的外围设置有金属侧板。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分路/合路器的数量根据分路数和天线阵元个数确定。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介质板为印刷电路板PCB。

11.一种天线阵耦合校准网络校准方法，其特征在于，

所述方法通过天线阵耦合校准网络装置执行，所述装置包括：介质板、耦合校准网络、天线阵列、第一射频连接器以及一个第二射频连接器；其中，所述耦合校准网络设置在所述介质板的一面，所述天线阵列设置在所述介质板的另一面，所述介质板上设有过孔，所述天线阵列与所述耦合校准网络通过过孔连接；所述介质板的中间层同时作为接地层和金属反射板；所述第一射频连接器和第二射频连接器排布在所述介质板上，分别与所述耦合校准网络连接；

来自基站系统发射通道的射频信号分别通过所述第一射频连接器输入，经由耦合校准网络耦合作用并合成一路校准信号，该校准信号再通过所述第二射频连接器输出到基站系统的校准链路。

12.一种天线阵耦合校准网络校准方法，其特征在于，

所述方法通过天线阵耦合校准网络装置执行，所述装置包括：介质板、耦合校准网络、天线阵列、第一射频连接器以及一个第二射频连接器；其中，所述耦合校准网络设置在所述介质板的一面，所述天线阵列设置在所述介质板的另一面，所述介质板上设有过孔，所述天线阵列与所述耦合校准网络通过过孔连接；所述介质板的中间层同时作为接地层和金属反射板；所述第一射频连接器和第二射频连接器排布在所述介质板上，分别与所述耦合校准网络连接；

来自基站系统校准链路的校准信号通过所述第二射频连接器输入，经由耦合校准网络分成多路信号并耦合作用后，分别由所述第一射频连接器输出到基站系统的接收通道。