CN106099352A - 一种紧凑型多频基站天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型多频基站天线阵列，包括设置于基板上的第一子阵列和第二子阵列，所述第一子阵列工作于第一频段，所述第二子阵列工作于不同于所述第一频段的第二频段，所述第一子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第一滤波天线单元，所述第二子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第二滤波天线单元。本发明提供的实施例，通过运用无外加损耗电路的滤波天线单元作为多频基站天线阵列的阵子，可利用其滤波特性减小工作频段相近的多个子阵列间的相互耦合；无需设计双工器或者去耦合网络，减小了设计双工器或者去耦合网络带来的复杂度，电路结构简单，设计简便，而可以采用廉价的PCB技术加工，成本较低。

Description

一种紧凑型多频基站天线阵列
技术领域
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种紧凑型多频基站天线阵列。
背景技术
随着移动通信技术的飞速发展，在基站天线建设中往往要求阵列天线不仅能够覆盖多个频段，而且能够支持多种无线制式的系统。在设计双频或者多频基站阵列天线时，如果不同频段的频率间隔很大，例如GSM频段(820-960MHz)与3G频段(1710-2170MHz)，这时，常用两列分别工作在相应频段的子阵列排列在一起设计阵列天线。然而，一旦两种无线频段的频率间隔很近，例如DCS频段(1710-1880MHz)和WCDMA频段(1920-2170MHz)，子阵列之间的相互耦合很大，只能通过增加两个子阵列之间的间距来减小相互耦合，增加端口的隔离度。而增加子阵列之间的间距就意味着增加阵列天线的体积。
在工程运用中，设计频率间隔很小的双频基站阵列如DCS(1710-1880MHz)和WCDMA(1920-2170MHz)频段，常用的方法有两种，一是用一列覆盖DCS和WCDMA整个频段(1710-2170MHz)的天线单元组成一个阵列，在前端级联一个双工器，通过设计高隔离度的双工器来进行工作频段之间的去耦合，具体文献如《X.-H.Guan,F.-Q.Yang,H.-W.Liu,and L.-Zhu,“Compact and high isolation diplexer using dual-mode stub-loadedresonators”,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.vol.24,no.6,pp.385-387,Jun.2014》。然而，双工器必然会带来级联损耗，影响天线的增益，而且由于频段很近，设计低插损高隔离度的双工器具有很大的挑战性。除此之外，该种方案仅仅使用一个阵列，因此在无线局域网优化的过程中无法对每个频段进行独立的电调下倾角。第二种方法是使用两列覆盖整个频段(1710-2710MHz)的子阵列并行排列，在两个子阵列之间加入去耦合网络，从而达到去耦合的效果。这些去耦合网络包括电磁壁(参考文献如《R.-I.Eva,Q.-T.Oscar,and I.-S.Luis,“Mutual coupling reduction in patch antenna arrays by using aplanar EBG structure and a multilayer dielectric substrate,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.56,no.6,pp.1648-1655,Jun.2008》)、缺陷地结构(参考文献如《N.-H.Noordin,A.Rayis,N.Haridas,B.Flynn,A.Erdogan,and T.Arslan,“Triangular lattices for mutual coupling reduction in patch antenna arrays,”in Proc.Loughborough.Conf.Antennas Propag,2011,pp.1-4》)、带阻谐振单元(参考文献如《C.-Y.Chiu,C.-H.Cheng,R.-D.Murch,and Corbett R.Rowell,“Reduction of mutualcoupling between closely-packed antenna elements,”IEEE Trans.AntennasPropag.,vol.55,no.6,pp.1732-1738,Jun.2007》)等等。然而，这些去耦合网络会增加天线阵列的宽度，也会影响天线的辐射性能如辐射效率、前后比、增益等等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种紧凑型多频基站天线阵列，克服现有技术中多频基站相互间耦合大或结构复杂的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紧凑型多频基站天线阵列，包括设置于基板上的第一子阵列和第二子阵列，所述第一子阵列工作于第一频段，所述第二子阵列工作于不同于所述第一频段的第二频段，所述第一子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第一滤波天线单元，所述第二子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第二滤波天线单元。
其中，所述第一滤波天线单元和所述第二滤波天线单元均包括上介质基板、下介质基板、设置于所述上介质基板上表面的寄生辐射金属贴片、设置于所述下介质基板上表面的主辐射金属贴片、以及设置于所述下介质基板下表面的金属地板，所述主辐射金属贴片的几何中心位置处设置有非对称的E字形槽线，所述主辐射金属贴片与所述金属地板之间连接有金属短路探针。
其中，所述非对称的E字形槽线的中间槽线最短，位于所述中间槽线一侧的槽线长于另一侧的槽线。
其中，所述第一子阵列和所述第二子阵列平行交错排列。
其中，所述第一子阵列中的相邻的第一滤波天线单元之间间隔距离与所述第二子阵列中的相邻的第二滤波天线单元之间间隔距离相等。
其中，所述第一滤波天线单元和所述第二滤波天线单元还包括塑料支撑柱，所述上介质基板和所述下介质基板通过所述塑料支撑柱固定连接。
其中，所述下介质基板上还设有穿过所述金属地板的馈电端口。
其中，所述第一子阵列包含6个无外加损耗电路的第一滤波天线单元，所述第二子阵列包含6个无外加损耗电路的第二滤波天线单元。
其中，所述第一频段是DCS频段，所述第二频段是WCDMA频段。
其中，所述基板两侧设置有金属挡板。
本发明具有如下有益效果：通过运用无外加损耗电路的滤波天线单元作为多频基站天线阵列的阵子，可实现在带内高效辐射，带外有效抑制，增益的通带边沿滚降很快，因而利用这一滤波特性就可以减小工作频段相近的多个子阵列间的相互耦合；无需设计双工器或者去耦合网络，减小了设计双工器或者去耦合网络带来的复杂度，电路结构简单，设计简便，而可以采用廉价的PCB技术加工，成本较低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的紧凑型双频基站天线阵列的俯视图；
图2是本发明实施例提供的滤波天线单元的爆炸结构示意图；
图3是图2所示的滤波天线单元的侧视图；
图4是图2所示的滤波天线单元的俯视图；
图5是图2所示的滤波天线单元的仰视图；
图6是本发明一个实施例提供的工作在DCS频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的反射系数S11-频率的仿真结果图；
图7是本发明一个实施例提供的工作在DCS频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的增益曲线-频率的仿真结果图；
图8是本发明一个实施例提供的工作在WCDMA频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的反射系数S11-频率的仿真结果图；
图9是本发明一个实施例提供的工作在WCDMA频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的增益曲线-频率的仿真结果图；
图10是本发明一个实施例提供的工作在DCS频段的子阵列的反射系数S11-频率的仿真结果图；
图11是本发明一个实施例提供的工作在DCS频段的子阵列的增益曲线-频率的仿真结果图；
图12是本发明一个实施例提供的工作在WCDMA频段的子阵列的反射系数S11-频率的仿真结果图；
图13是本发明一个实施例提供的工作在WCDMA频段的子阵列的增益曲线-频率的仿真结果图；
图14是本发明一个实施例提供的紧凑型双频基站天线阵列两个子阵列端口的隔离曲线S12-频率仿真图；
图15是本发明一个实施例提供的紧凑型双频基站天线阵列在1.8GHz处的E-面的主极化和交叉极化辐射方向图；
图16是本发明一个实施例提供的紧凑型双频基站天线阵列在1.8GHz处的H-面的主极化和交叉极化辐射方向图；
图17是本发明一个实施例提供的紧凑型双频基站天线阵列在2.06GHz处的E-面的主极化和交叉极化辐射方向图；
图18是本发明一个实施例提供的紧凑型双频基站天线阵列在2.06GHz处的H-面的主极化和交叉极化辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种紧凑型多频基站天线阵列，包括设置于基板上的多个子阵列，例如第一子阵列、第二子阵列……第N子阵列(N≥2，N为自然数)。其中第一子阵列工作于第一频段，第二子阵列工作于第二频段，……，第N子阵列工作于第N频段，且第一频段、第二频段……第N频段相近却不相同。第一子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第一滤波天线单元，所述第二子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第二滤波天线单元，……，第N子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第N滤波天线单元。通过运用无外加损耗电路的滤波天线单元作为多频基站天线阵列的阵子，可实现在带内高效辐射，带外有效抑制，增益的通带边沿滚降很快，因而利用这一滤波特性就可以减小工作频段相近的多个子阵列间的相互耦合；无需设计双工器或者去耦合网络，减小了设计双工器或者去耦合网络带来的复杂度，电路结构简单，设计简便，而可以采用廉价的PCB技术加工，成本较低。
为了便于描述，下文和附图都将以双频基站天线阵列为例来说明本发明实施例提供的天线阵列的机构，应当理解的是，本发明实施例并不限于双频基站天线阵列，而应包含所有具备本发明特征的所有多频基站天线阵列。
请参见图1，是本发明实施例提供的紧凑型双频基站天线阵列的俯视图。该天线阵列包括设置于基板4上的第一子阵列2和第二子阵列3，第一子阵列2工作于第一频段，第二子阵列3工作于第二频段，其中，第一频段与第二频段相近但不同，例如第一频段是DCS频段(1710-1880MHz)，第二频段是WCDMA频段(1920-2170MHz)，当然列举这两个频段仅用于举例说明，而不用于限制。第一子阵列2包含至少一个无外加损耗电路的第一滤波天线单元，所述第二子阵列3包含至少一个无外加损耗电路的第二滤波天线单元，滤波天线单元本身所具有的滤波特性使得两列子阵列之间的相互耦合大大减少。由于工作频率不同，第一滤波天线单元和第二滤波天线单元的尺寸也不同，在图1所示的实施例中，尺寸大的第一滤波天线单元工作在频率较低的第一频段(例如DCS频段)，尺寸小的第二滤波天线单元工作在频率较高的第二频段(例如WCDMA频段)。基板4的尺寸也可以根据子阵列的数量和规模进行设置，例如在图1所示的双频基站天线阵列的实施例中，基板4是一块长宽高分别为853mm、206mm、3mm的PCB介质基板，通过在该PCB介质基板的底面印刷铜并镀锡防止氧化来形成金属地板。PCB介质基板可以用相对介电常数εr＝2.65、厚度是2-4mm的材料加工而成。
优选地，如图1所示，基板4的两侧设置有金属挡板1，金属挡板1可以用金属铝板制成。在如图1所示的例子中，第一子阵列2和第二子阵列3分别工作在DCS频段和WCDMA频段，金属挡板1的高度为8mm。
优选地，如图1所示，第一子阵列2和第二子阵列3平行交错排列。具体地，如图1所示，第一子阵列2和第二子阵列3在第一方向上相互平行，且在与第一方向垂直的第二方向上相互交错，这种排列方式相对于传统的平行对齐排列方式，能够增加第一子阵列2和第二子阵列3之间的距离，从而更进一步的减小子阵列之间的相互耦合，得到更好的隔离效果。
优选地，如图1所示，第一子阵列2中的相邻的第一滤波天线单元之间间隔距离A与第二子阵列3中的相邻的第二滤波天线单元之间间隔距离B相等，例如，在第一滤波天线单元和第二滤波天线单元的工作频段分别为DCS频段和WCDMA频段时，A＝B＝130mm。
优选地，如图1所示，第一子阵列2包含6个第一滤波天线单元，第二子阵列3包含6个第二滤波天线单元。
下面将参考图2-5详细描述第一滤波天线单元和第二滤波天线单元的结构。第一滤波天线单元和第二滤波天线单元除了尺寸不同外，结构基本相同。为了方便描述，下文参考图2-5的举例说明中，统一使用滤波天线单元来表示第一滤波天线单元和第二滤波天线单元。
如图2和3所示，滤波天线单元均包括上介质基板6、下介质基板11和用于连接上介质基板6和下介质基板11的连接机构。上介质基板6的上表面上设置有寄生辐射金属贴片7，下介质基板11的上表面上设置有主辐射金属贴片10，下介质基板11的下表面上设置有金属地板14，寄生辐射金属贴片7、主辐射金属贴片10和金属地板14均为金属镀层。主辐射金属贴片10和金属地板14之间连接有金属短路探针12。具体地，如图2、3、5所示，设置有三个金属探针12，其直径为1mm。主辐射金属贴片10的几何中心位置处设置有非对称的E字形槽线13。具体地，如图2、3、5所示，所述非对称的E字形槽线的中间槽线最短，位于所述中间槽线一侧的槽线长于另一侧的槽线，该E字形槽线可以在增益曲线通带的低频边沿产生一个辐射零点。
优选地，如图2-5所示，滤波天线单元包括塑料支撑柱8，所述上介质基板6和所述下介质基板11通过所述塑料支撑柱8连接并固定为上下层结构。具体地，如图3所示，在塑料支撑柱8有四个，上介质基板6和下介质基板11的四角处均有四个过孔5，用于连接塑料支撑柱8。上介质基板6通过塑料支撑柱8固定在下介质基板的上面，形成一定的间隔，适当的调节该间距，可以在通带右侧产生一个高频辐射零点。这样通带的高低频侧均有一个辐射零点，保证了滤波天线的带通特性。
优选地，下介质基板11上还设有穿过金属地板14的馈电端口9。
在本发明的一个示范性实施例中，有两个工作频段分别为DCS频段和WCDMA频段的无外加损耗电路的滤波天线单元，这两个滤波天线单元均采用图2所示的电路结构，由于工作频段不同，所以具体的电路尺寸不同，其对应的无外加损耗电路的滤波天线单元的电路设计尺寸如下表1所示：
表1DCS频段和WCDMA频段滤波天线单元的电路尺寸
在该实施例中，两个子阵列的工作频段1710-1880MHz和1920-2170MHz的频率间隔很小，DCS频段的子阵列在其工作频段1710-1880MHz内高效辐射，在带外即WCDMA频段(1920-2170MHz)抑制辐射；同时，WCDMA频段的子阵列在其工作频段1920-2170MHz内高效辐射，在带外即DCS频段(1710-1880MHz)抑制辐射。因此，两个子阵列之间的辐射互不干扰，从而减小了相互干扰，达到较高的端口隔离度。
如图6-7所示，是本发明一个实施例提供的工作在DCS频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。可以看出工作频段为1710-1880MHz内有三个谐振模式，在S11-频率曲线中，S11在DCS频段内低于-10dB。在增益曲线中，两个辐射零点处的增益均在-22dBi以下，同时具有良好矩形度的带通滤波特性，通带边沿陡峭，边带抑制明显，频率选择性良好，并且带内增益平坦，在1.8GHz接近9dBi。
如图8-9所示，是本发明一个实施例提供的工作在WCDMA频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。可以看出工作频段为1920-2170MHz内有三个谐振模式，在S11-频率曲线中，S11在DCS频段内低于-10dB。在增益曲线中，两个辐射零点处的增益均在-20dBi以下，同时具有良好矩形度的带通滤波特性，通带边沿陡峭，边带抑制明显，频率选择性良好，并且带内增益平坦，在2.0GHz接近9dBi。
如图10-11所示，是本发明一个实施例提供的工作在DCS频段的子阵列的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。可以看出工作频段为1710-1880MHz内有三个谐振模式，在S11-频率曲线中，S11在DCS频段内低于-10dB。在增益曲线中，增益具有良好矩形度的带通滤波特性，通带边沿陡峭，边带抑制明显，频率选择性良好，并且带内增益平坦，在1.8GHz接近14.6dBi。
如图12-13所示，是本发明一个实施例提供的工作在WCDMA频段的子阵列的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。可以看出工作频段为1920-2170MHz内有三个谐振模式，在S11-频率曲线中，S11在WCDMA频段内低于-10dB。在增益曲线中，增益具有良好矩形度的带通滤波特性，通带边沿陡峭，边带抑制明显，频率选择性良好，并且带内增益平坦，在2.06GHz接近15dBi。
如图14所示，是本发明一个实施例提供的紧凑型双频基站天线阵列两个子阵列端口的隔离曲线S12-频率仿真图。可以看出在整个频段1.5GHZ-2.5GHz内，该阵列的端口隔离系数S12低于35dB，说明该天线阵列的子阵列之间的相互耦合很小，端口隔离度很高。图15-18分别给出了该天线阵列在1.8GHz和2.06GHz处的H-面和E面的主极化与交叉极化的辐射方向图，同样说明该天线阵列具有稳定的辐射方向图。
本发明实施例具有如下优点：
1、集成滤波特性和辐射特性，天线阵列自身有滤波性能，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择特性，无需外加双工器或去耦合网络电路，克服了采用外加双工器或去耦合网络容易造成损耗大和体积大的缺点；
2、该天线阵列适用于频率间隔很近的DCS频段和WCDMA频段，在无需去耦合电路的情况下，实现了端口的高隔离度，抑制临频干扰，提高了基站收发信机的性能；
3、子阵列之间相互平行排列，且在垂直方向上错开一定的间距，从而更进一步的减小子阵列之间的相互耦合；
4、整个结构主要由金属贴片、金属化过孔、介质板通孔和U型槽组成，结构简单，设计简便，可以采用廉价的PCB技术加工。
本发明提供的实施例适用于无线移动通信基站领域，可应用于各类无线通信系统的接收和发射设备中，由于本发明的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的多频段多制式通信场景中，工作在4G-LTE D频段(2.3-2.7GHz)的基站天线，以及大型无线局域网WLAN2.4GHz AP。同时受益于滤波特性与辐射特性的集成，本发明也适用于无线移动通信系统设备的一体化和集成化，降低设计要求，提高通信设备抗邻频干扰的能力。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，包括设置于基板上的第一子阵列和第二子阵列，所述第一子阵列工作于第一频段，所述第二子阵列工作于不同于所述第一频段的第二频段，所述第一子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第一滤波天线单元，所述第二子阵列包含至少一个无外加损耗电路的第二滤波天线单元。
2.如权利要求1所述的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述第一滤波天线单元和所述第二滤波天线单元的结构相同，均包括上介质基板、下介质基板、设置于所述上介质基板上表面的寄生辐射金属贴片、设置于所述下介质基板上表面的主辐射金属贴片、以及设置于所述下介质基板下表面的金属地板，所述主辐射金属贴片的几何中心位置处设置有非对称的E字形槽线，所述主辐射金属贴片与所述金属地板之间连接有金属短路探针。
3.如权利要求2所示的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述非对称的E字形槽线的中间槽线最短，位于所述中间槽线一侧的槽线长于另一侧的槽线。
4.如权利要求1所述的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述第一子阵列和所述第二子阵列平行交错排列。
5.如权利要求1所述的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述第一子阵列中的相邻的第一滤波天线单元之间间隔距离与所述第二子阵列中的相邻的第二滤波天线单元之间间隔距离相等。
6.如权利要求2所述的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述第一滤波天线单元和所述第二滤波天线单元还包括塑料支撑柱，所述上介质基板和所述下介质基板通过所述塑料支撑柱固定连接。
7.如权利要求2所述的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述下介质基板上还设有穿过所述金属地板的馈电端口。
8.如权利要求1所述的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述第一子阵列包含6个无外加损耗电路的第一滤波天线单元，所述第二子阵列包含6个无外加损耗电路的第二滤波天线单元。
9.如权利要求1所述的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述第一频段是DCS频段，所述第二频段是WCDMA频段。
10.如权利要求1所述的紧凑型多频基站天线阵列，其特征在于，所述基板两侧设置有金属挡板。
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