CN105703062A - 一种宽频带高增益双极化5g基站阵列天线及其辐射单元 - Google Patents

一种宽频带高增益双极化5g基站阵列天线及其辐射单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽频带高增益双极化5G基站阵列天线及其辐射单元，它涉及第五代移动通信Massive MIMO系统中大规模阵列天线的设计工作，工作频段为3500-5200MHz。本发明设计了包括辐射层1、巴伦2、反射板3，采用开放式可扩展模块化设计方法，以4×4子阵进行模块化设计，解决了系统设计中高集成度、可扩展及可维护性问题。本发明具有宽频带、高增益、双极化、低相关性、高集成度、可扩展及可维护性等特点，特别适用第五代移动通信Massive MIMO系统中大规模阵列天线应用。

Description

一种宽频带高增益双极化5G基站阵列天线及其辐射单元
技术领域
本发明涉及面向第五代移动通信MassiveMIMO系统中大规模阵列天线设计方法，特别适用于5G移动通信3500-5200MHz的宽频带、高增益、双极化、低相关性、高集成度、可扩展及可维护性大规模阵列天线设计。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线网络的丰富应用带动了无线数据业务的迅速增长。据权威机构预测，未来10年，数据业务以每年1.6-2倍的速率增长，到2020年时，数据业务将增长500-1000倍，这就给无线接入网络带来了巨大的挑战，需要未来通信系统设计能够更加高效地利用带宽资源，大幅度提升频谱效率。
大规模天线阵列系统(即MassiveMIMO)被认为是未来5G最具潜力的传输技术，在大规模天线阵列系统中，基站侧配置大规模的天线阵列(从几十至上千)，利用空分多址(SDMA)技术，可在同一时频资源上服务多个用户，同时利用大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，使得小区总频谱效率和边缘用户的频谱效率得到了极大的提升。
因此，MassiveMIMO系统是一个通信系统、信号处理、电磁场与微波技术等多学科融合的技术，具体到天线设计方面，需要解决3.5-6GHz频段中宽频带、低相关性、高增益、双极化阵列天线的设计问题，同时为了面向应用，需要模块化设计方案，以确保系统的集成化、可扩展和可维护性。
目前该领域的主要成果集中在信道容量、传输、检测与CSI等通信体制和信号设计方面。面向第五代移动通信中宽频带高增益双极化基站阵列天线设计方法较少，大部分设计工作还主要集中在第四代移动通信方向。
从天线应用领域来看，目前还未查到应用于第五代移动通信基站天线的设计专利。从天线设计形式来看，在第四代移动通信基站天线设计中有相关天线的设计专利，比较如下：
中国专利号为CN103151603A、名称为《超宽带双极化辐射单元及阵列天线》专利中公开了一种超宽带双极化阵列天线，中国专利号为200520110435.8、名称为《一种双极化宽频带辐射单元和基站天线》专利中公开了一种双极化宽频带基站天线，这两种天线均具有超宽带双极化的特性，但这两种天线存在共同的不足之处：(1)天线的工作频率为1710-2700MHz，不能满足第五代移动通信3500MHz频带以上的覆盖要求；(2)两专利均只考虑线性阵列组阵的需求，规模较小，并没有考虑大规模天线阵列情况下的模块化、可扩展和可维护性设计。(3)两专利在设计中均未考虑天线的相关性、高增益问题，以满足第五代移动通信信道独立性要求。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提出一种能应用于第五代移动通信系统的宽频带高增益双极化基站阵列天线及其辐射单元，满足高集成度、可扩展及可维护性设计要求，具有宽频带、高增益、双极化、低相关性等特点。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，包括振子臂、同轴电缆线和天线巴伦；所述的振子臂由共同环绕一个中心点均布的四个振子臂组成且该四个振子臂，四个振子臂为依次相邻设置的第一振子臂、第二振子臂、第三振子臂和第四振子臂，相邻的振子臂之间留有间隙；所述的天线巴伦由四个柱体组成；所述的四个振子臂一一对应设置在四个柱体的顶端；第一同轴电缆线的内导体穿过第一振子臂内设置的馈线孔与固定在第一振子臂上表面且与第一振子臂绝缘设置的第一馈电片相连接，第一馈电片与第三振子臂相连接，第一同轴电缆线的外导体直接与第一振子臂相连接；第二同轴电缆线的内导体穿过第二振子臂内设置的馈线孔与固定在第二振子臂上表面且与第二振子臂绝缘设置的第二馈电片相连接，第二馈电片与第四振子臂相连接，第二同轴电缆线的外导体直接与第二振子臂相连接；第一馈电片与第二馈电片为交叉设置且两者之间绝缘。
其中，在每个振子臂上还设置有两个陷波结构的缝隙和漏波陷波结构的通孔。
其中，第一馈电片与第二馈电片为高低错落设置，其中一个为高馈电片，另一个为低馈电片；与低馈电片相连接的两个振子臂设置有比振子臂上表面低的下沉切面。
其中，陷波结构的缝隙的形状为L型缝隙、一字形缝隙或十字缝隙。
其中，漏波陷波结构的通孔横截面的形状为圆形、椭圆形、十字、正方形、正多边形，或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
其中，四个振子臂的外缘均开设有用于降低天线辐射单元之间相关性的切角，切角的形状为线型切角、弧型切角或锯齿形切角。
其中，每个振子臂与对应的柱体顶端之间还设置有支撑盘。
一种带有如权利要求1所述辐射单元的宽频带高增益双极化5G基站阵列天线，其特征在于：包括辐射层和地板；所述的辐射层包括M×N个如权利要求1所述辐射单元，其中，M、N均为大于1的自然数；地板由底板和围合在底板边缘的侧壁组成。
其中，底板和侧壁之间的夹角为90度至170度。
其中，所述的辐射层、巴伦和地板由合成树脂材料、铝合金板、钢板或铜板材料制成，其中合成树脂材料表面涂覆有导电层。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明专利是适用于第五代移动通信MassiveMIMO系统中3500-5200MHz的宽频带、双极化大规模阵列天线设计。
2.本发明专利采用开放式可扩展化模块设计思路，解决了高集成度、可扩展及可维护性设计要求。
3.本发明采用了L型缝隙和圆形孔状形成的漏波和陷波结构减少天线单元之间的耦合度和相关性。
4.本发明针对面阵天线设计，可根据需求通过子阵扩展的方式实现移动通信系统高增益的需求。
附图说明
图1是本发明64单元(4子阵)结构俯视示意图。
图2是本发明64单元(4子阵)结构侧视示意图。
图3是本发明辐射单元立体结构示意图。
图4是本发明辐射层1平面示意图
图5是发明辐射单元侧视结构示意图。
图6是本发明4×4子阵结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图6，对本发明作进一步说明。
一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，包括振子臂、同轴电缆线19和天线巴伦2；所述的振子臂由共同环绕一个中心点均布的四个振子臂组成且该四个振子臂，四个振子臂为依次相邻设置的第一振子臂、第二振子臂、第三振子臂和第四振子臂，相邻的振子臂之间留有间隙17，四个振子臂构成±45°双极化；所述的天线巴伦2由四个柱体与底盘23一体化成形组成，该四个柱体可为半圆柱体，四个半圆柱圆周对称放置形成缝隙25，；所述的四个振子臂一一对应设置在四个柱体的顶端；第一同轴电缆线19的内导体穿过第一振子臂内设置的馈线孔与固定在第一振子臂上表面且与第一振子臂绝缘设置的第一馈电片20相连接，第一馈电片20与第三振子臂相连接，第一同轴电缆线19的外导体直接与第一振子臂相连接；第二同轴电缆线的内导体穿过第二振子臂内设置的馈线孔与固定在第二振子臂上表面且与第二振子臂绝缘设置的第二馈电片18相连接，第二馈电片18与第四振子臂相连接，第二同轴电缆线的外导体直接与第二振子臂相连接；第一馈电片20与第二馈电片18为交叉设置且两者之间绝缘。
在每个振子臂上还设置有两个陷波结构的缝隙12，13和漏波陷波结构的通孔14。陷波结构的缝隙的形状为L型缝隙、一字形缝隙或十字缝隙，L型缝隙的长度为4000MHz的半波长，形成陷波结构减少3500-4500MHz频段天线单元之间的相关性和提高耦合度。
漏波陷波结构的通孔14横截面的形状为圆形、椭圆形、十字、正方形、正多边形，或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。圆形通孔的直径为4850MHz的半波长，形成漏波和陷波结构减少4500-5200MHz频段天线单元之间的相关性和提高耦合度；
四个振子臂的外缘均开设有用于降低天线辐射单元之间相关性的切角11，切角的形状为线型切角、弧型切角或锯齿形切角。
第一馈电片20与第二馈电片18为高低错落设置，其中一个为高馈电片，另一个为低馈电片；与低馈电片相连接的两个振子臂设置有比振子臂上表面低的下沉切面16。在振子臂和馈电片之间设置有用于焊接馈电片的馈电连接柱，下沉切面16用于下沉馈电连接柱，使±45°极化能够形成交叉馈电结构。在振子臂的下沉切面16的相应位置还开设有半圆孔15用于避让馈电焊接点。
每个振子臂与对应的柱体顶端之间还设置有支撑盘22，用于巴伦2与振子臂进行连接。
一种带有如权利要求1所述辐射单元的宽频带高增益双极化5G基站阵列天线，包括辐射层1和地板3；所述的辐射层1包括M×N个如权利要求1所述辐射单元，其中，M、N均为大于1的自然数；地板3由底板24和围合在底板24边缘的侧壁26组成。实施例中，根据工作频率设计辐射层1，辐射层1根据5G移动通信系统覆盖要求设计M×N个辐射单元，M或N为大于1的自然数；M×N个辐射单元由K个子阵模块组成，以便于与射频板的组装集成以及可扩展、可维护化,K为大于1的自然数，图1中的天线阵列由4、5、6、7四个子模块组成。K个子阵模块以便于与射频板的组装集成、可扩展、可维护化，子阵模块形状为正方形、或正多边形、或圆形，子阵的规模为2×2、4×4或4×2。
底板24和侧壁26之间的夹角为90度至170度。
所述的辐射层1、巴伦2和地板3由合成树脂材料、铝合金板、钢板或铜板材料制成，其中合成树脂材料表面涂覆有导电层。
实施例中，振子臂的尺寸为12.5mm×12.5mm构成±45°双极化，第一馈电片和第二馈电片的尺寸均为10mm×3.2mm×0.8mm。根据天线巴伦设计原理设计天线巴伦2，巴伦高度为17mm；同轴电缆线的阻抗为50欧姆；支撑盘的直径为16mm。根据天线波瓣宽度及增益要求设计地板3，总体尺寸为480mm×480mm×12mm。
本发明的简要工作原理：
信号发射时，通过同轴电缆线进行馈电，同轴电缆线的外导体焊接在就近的振子臂上，同轴线的内导体焊接在馈电片的一侧，馈电片的另一侧焊接在对角的振子臂上，这样信号在两振子臂上形成谐振，激励其同相表面电流，完成了信号的辐射。接收时，信号工作流程与发射相反。
天线同极化的射频端口有64路，可完成与64射频通道的集成化连接，每端口的幅相分布可通过数字域或射频域进行设置，完成整个天线方向图的赋型功能。
本发明安装结构如下：本发明辐射层1、巴伦2通过支撑盘22进行一体化连接；巴伦2与地板3可与地板一体化加工或螺钉安装形成4×4子阵模块，4×4子阵模块可用外部紧固件安装成整体结构，组装成大规模阵列天线。

Claims (10)

1.一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，包括振子臂、同轴电缆线(19)和天线巴伦(2)；其特征在于：所述的振子臂由共同环绕一个中心点均布的四个振子臂组成且该四个振子臂，四个振子臂为依次相邻设置的第一振子臂、第二振子臂、第三振子臂和第四振子臂，相邻的振子臂之间留有间隙(17)；所述的天线巴伦(2)由四个柱体组成；所述的四个振子臂一一对应设置在四个柱体的顶端；第一同轴电缆线的内导体穿过第一振子臂内设置的馈线孔与固定在第一振子臂上表面且与第一振子臂绝缘设置的第一馈电片相连接，第一馈电片与第三振子臂相连接，第一同轴电缆线的外导体直接与第一振子臂相连接；第二同轴电缆线的内导体穿过第二振子臂内设置的馈线孔与固定在第二振子臂上表面且与第二振子臂绝缘设置的第二馈电片相连接，第二馈电片与第四振子臂相连接，第二同轴电缆线的外导体直接与第二振子臂相连接；第一馈电片与第二馈电片为交叉设置且两者之间绝缘。
2.根据权利要求1所述的一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，其特征在于：在每个振子臂上还设置有两个陷波结构的缝隙(12，13)和漏波陷波结构的通孔(14)。
3.根据权利要求1所述的一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，其特征在于：第一馈电片与第二馈电片为高低错落设置，其中一个为高馈电片，另一个为低馈电片；与低馈电片相连接的两个振子臂设置有比振子臂上表面低的下沉切面(16)。
4.根据权利要求2所述的一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，其特征在于：陷波结构的缝隙的形状为L型缝隙、一字形缝隙或十字缝隙。
5.根据权利要求2所述的一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，其特征在于：漏波陷波结构的通孔横截面的形状为圆形、椭圆形、十字、正方形、正多边形，或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
6.根据权利要求1所述的一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，其特征在于：四个振子臂的外缘均开设有用于降低天线辐射单元之间相关性的切角(11)，切角的形状为线型切角、弧型切角或锯齿形切角。
7.根据权利要求1所述的一种用于宽频带高增益双极化5G基站阵列天线的辐射单元，其特征在于：每个振子臂与对应的柱体顶端之间还设置有支撑盘(22)。
8.一种带有如权利要求1所述辐射单元的宽频带高增益双极化5G基站阵列天线，其特征在于：包括辐射层(1)和地板(3)；所述的辐射层(1)包括M×N个如权利要求1所述辐射单元，其中，M、N均为大于1的自然数；地板(3)由底板(24)和围合在底板(24)边缘的侧壁(26)组成。
9.根据权利要求8所述的阵列天线，其特征在于：底板(24)和侧壁(26)之间的夹角为90度至170度。
10.根据权利要求8所述的阵列天线，其特征在于：其特征在于：所述的辐射层(1)、巴伦(2)和地板(3)由合成树脂材料、铝合金板、钢板或铜板材料制成，其中合成树脂材料表面涂覆有导电层。
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