CN107112631A - 辐射集成天线单元及多阵列天线 - Google Patents

辐射集成天线单元及多阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明的集成天线单元(10)，其中两个双极化辐射元件(1)连接于一个PCB(21)上，该PCB(21)用作反射板以及两个带通滤波器(20)的滤波器盖。两带通滤波器(20)的每一个直接连接一个双向功分器(25)，双向功分器(25)连接两个辐射元件(1)的同一极化。两平行壁(21a)(21b)自带通滤波器的边缘延伸，支撑滤波器的腔体(20)，且同时用作反射壁，反射壁控制辐射元件(1)产生的方位波束为3dB。进一步地，本发明的多阵列天线(100)由多个集成天线单元(10)构成。

Description

辐射集成天线单元及多阵列天线
技术领域
本发明涉及无线通讯，尤其涉及一种辐射集成天线单元及多阵列天线。
背景技术
常规天线系统受到以下挑战：
高层建筑覆盖率：有限的定向天线(在方位/仰角平面内)导致在高阶分区方面的局限性。
宏站和上行覆盖能力和容量限制：对于给定的分配时频，由于只有小量的现有天线能够定向方位窄波束而使小区间和小区内的干扰有效地调零，因此在不同用户的复用过程中仍然存在挑战。此外，随着业务扩张，难以获取UL：DL＝1：3的新站点。
楼内高容量的发展：即使是声称的SU-MIMO，也因为使用者设备的有限尺寸而并未得到充分使用。此外，楼内系统的成本更高，其WLAN性能也很差。
最近发展大规模MIMO天线以解决上述挑战和发展4.5G或更高级别的关键技术。具有垂直波束调整的智能同位或共形天线阵列能提高频谱效率。总之，标准的3D MIMO正在努力推动，原型与网络部署试点。从长远来看，高频率的波束形成和硬件进展将被考虑。
在传统的大规模MIMO天线中，通常在天线背面使用背腔滤波器，其输出端数量与天线端口的数目相同。且滤波器的输入端连接到多个发射/接收电路(Transmitting/Receiving circuits)(自RRU)。除了昂贵的开发和实施资源，还导致诸如重量、尺寸和集成灵活性等，因为不同的硬件进行集成之前必须分别设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种辐射集成天线单元，其具有低频辐射(切断更高的频率)且具有改进的端口间隔离度。
本发明的另一目的是提供一种多阵列天线，该阵列天线的带通滤波器不需要低通滤波，从而改善传统带通设计的复杂性且提高成本效应。
为达到上述主要目的，本发明的实施例提供一种辐射集成天线单元，包括：两个辐射元件和一个将两个辐射元件支撑其上的集成滤波装置。各集成滤波装置包括两个带通滤波器和PCB，PCB用作两个带通滤波器的滤波器盖而盖设于两个滤波器的顶端。两个辐射元件从PCB的顶面向上延伸。
进一步地，两个双向功分网络设置于PCB的顶面。每一辐射元件包括一辐射面以及辐射面下方的巴伦。每一带通滤波器有一个输入端和一个输出端。带通滤波器的每一输出端相应地连接于双向功分网络的一输入端。
每一辐射元件是双极化，一个单极对应一种极化。每个单极包括两个辐射臂和一个巴伦。双极化有两个相互交叉的巴伦以及四个臂，四个臂设计为其上具有辐射面的辐射板。两个辐射元件的同一极化通过所述两个双向功分网络而连接起来。
每一巴伦包括一个基板、在基板一个面上印刷的主馈线、以及在基板另一面上印刷的辅助馈线。主馈线用作来自给定源的信号输入的馈送和传送点，辅助馈线作为主馈线的接地支撑。双向功分网络的两个输出分别将具有同一极化的两个辐射元件的主馈线连接起来。
主馈线内形成一个主槽；主馈线内进一步地形成一个与所述主槽相邻的副槽；主槽和副槽的组合有低频截止。
主馈线从巴伦底端延伸到顶端从而连接辐射板；主槽和/或副槽形状为正方形、长方形或圆形。副槽位于主槽上方。
沿辅助馈线蚀刻至少一个第三槽，第三槽用作改进谐振特性以及两个极化之间的隔离。
有两个第三槽沿辅助馈线并排蚀刻。
PCB用作两个辐射元件的反射板，因此不需要额外的反射器，从而降低集成天线单元的重量并使其节省成本。
两个平行的反射壁在两个带通滤波器的边缘延伸以支撑所述滤波器的腔体且控制波束宽度。
两个反射壁控制辐射元件产生的方位波束为3dB。
用作滤波器盖的PCB，其形状配合所述两个带通滤波器的顶端，且覆盖于所述两个带通滤波器的顶端；PCB固定在两个带通滤波器的顶端。
每一带通滤波器包括一个滤波器外壳，带通滤波器的输出端设置在滤波器的顶端表面上，带通滤波器的输入端设置在滤波器外壳的底端表面上；两个带通滤波器的两输入端连接到一组发射器/接收器单元。
为获得本发明的目的，本发明的实施例提供一种多阵列天线，包括多个集成天线单元阵列。多阵列天线包括多列辐射元件以及集成在所述集成天线单元的多个PCB上的多个带通滤波器；每一个PCB用作一个滤波器盖且覆盖在同一集成天线单元的两个的滤波器顶端。
一种多阵列天线由多个集成天线单元构成，其中带通滤波器的输入端可以连接到射频单元；从而获得多阵列有源天线。
有益效果
本发明实施例提供的集成天线单元包括两个双极化辐射元件连接于一个PCB，所述PCB同时和作反射板和两个带通滤波器的盖体，两个带通滤波器的每一个直接连接于一个双向功分器，该功分器连接具有同一极化的两个辐射元件。因此，所述集成天线单元以及多阵列天线具有以下优点：
1)具有低频辐射(截止高步频)以及提高端口间的隔离；
2)带通滤波器不需要低通滤波；
3)改善传统带通设计的复杂性同时提高成本效益。
进一步地，在带通滤波器的边缘延伸形成的两平行壁支撑滤波器的腔体，同时用作反射壁，能够控制辐射元件产生3dB波束方位。
附图说明
图1是本发明实施例辐射集成天线单元的平面视意图；
图2是图1集成天线单元上部的立体图；
图3是本发明实施例辐射元件的立体图；
图4是本发明实施例辐射元件另一个立体图；
图5是本发明实施例带通滤波器的俯视图；
图6是本发明实施例带通滤波器的侧视图；
图7是辐射集成天线单元电路原理图；
图8是本发明实施例多阵列天线的侧视图；
图9是本发明实施例多阵列天线的立体图；
图10是带有集成滤波器的辐射元件的回波损耗图；以及
图11是带有集成滤波器的辐射元件的增益图。
具体实施例
下结合附图进一步描述本发明的具体实施例。
参照图1-6，辐射集成天线单元10包括两个辐射元件1，以及两个带通滤波器20和PCB 21集成一个集成滤波装置2支撑于两个辐射元件1下方。集成滤波装置由两个带通滤波器20和所述集成天线单元10的PCB 21构成。PCB 21用作滤波器盖，且盖设于两个带通滤波器20顶端，同时形成两个辐射元件1的反射器，；因此，PCB 21的顶面210也是两个辐射元件1的反射面。两辐射元件1从PCB 21的顶面210向上延伸。
相应地，在本发明的实施例中，PCB、滤波器盖和反射器用相同标号21来表示。
每一带通滤波器20包括滤波器外壳200。两个带通滤波器20可以有两个滤波器外壳200相互结合成整体外壳，且整体外壳可设计成柱状，如长方体柱状。PCB 21很好地覆盖在整体外壳的顶端。
作为举例，每一带通滤波器20有一金属滤波器外壳200且为方形。每一带通滤波器20的顶端为一顶板28(如图5)，带通滤波器20的一个输出端23设置在顶板28上，而其输入端22设置在带通滤波器20的滤波器外壳200的底板(未标号)。两个带通滤波器20的整体外壳的顶板上设有两个输出端23，底板上对应设有两个输入端22。
在辐射集成天线单元10中，PCB/滤波器盖21(如图1-2)的形状与两个组合带通滤波器20的两个对齐顶板28相匹配，因此作为示例性实施例，其具有矩形形状。PCB/滤波器盖21覆盖在两个组合带通滤波器20的长方柱体的整体外壳上。
两反射壁21a和21b(如图2)相互平行，自两个组合带通滤波器20的边缘延伸，支撑滤波器20的腔体，同时用作反射壁能够控制辐射元件1产生3dB波束方位。特别地，两平行反射壁21a和21b自PCB/滤波器盖21两相对边缘延伸，且其高度控制波束宽度。
PCB 21焊接于两个滤波器20顶板28并盖住两滤波器20的顶端。可以理解，将滤波器20与PCB 21固定的固定方式可以是夹持、插入方式、螺纹或其它似类固定方式。
在该实施例中，两个谐振器带通滤波器20的滤波器盖21用作天线单元的PCB以及两个辐射元件1的反射板。因此不需要额外的反射器，从而减轻重量且节约成本。
作为一种实施例，如图7所示，每一辐射元件1具有双极化，且包括辐射板11以及在辐射板11下垂直支撑的巴伦12(如图3-4)。每一个极化具有两个臂111和一个巴伦12，因此实施例的每一辐射元件1有四个臂111和两个巴伦12。四个臂111形成辐射板11，其具有顶部辐射面110暴露于环境中，且例如为方形。两巴伦12相互交叉，将辐射板11竖直地支撑在两巴伦12的顶端，且自PCB 21的顶面210向上竖直延伸。在本实施例中，两个辐射元件1形成±45°极化。
每一巴伦12包括一个基板13，主馈线14印制于基板13的一个表面；且辅助馈线15印制于基板13的另一个表面，因此，通过基板13及其两相对表面上分别印制的主馈线14和辅助馈线15，形成了巴伦12的三层结构。主馈线14用作来自给定源的信号输入的馈送和传送点，辅助馈线15作为主馈线14的接地支撑。主馈线14的顶端140延伸穿过辐射板11至顶部辐射面110且与对应的辐射臂111电连接。且辅助馈线15的顶端150延伸穿过辐射板11至顶部辐射面110且与对应的辐射臂111电连接。
主馈线14内形成一个主槽141。一个副槽142与所述主槽141相邻，该两组合槽很好地实现低频截止。换言之，这种组合能够消除更高的频率；因此辐射元件1将以较低的频率工作。槽141，142可以配置为正方形、矩形、圆形或其他形状，其可以进行低频截止，以消除较高的频率。在本示例性实施例中，槽141，142是方形，且所述主槽141尺寸更大。
根据本实施例，主馈线14自巴伦12的底端向顶端向上沿着巴伦12的高度延伸。作为示例性实施例，主馈线14是具有一定长度的直线，自巴伦12的底端延伸至一定高度后分成两条分支且向上延伸围成方形的主槽141，且继续向上延伸且在在方形主槽141旁边形成方形副槽142，最后两条分支合并为一条延伸至辐射板11。方形副槽142和方形主槽141通过二者之间的一段水平馈电线隔开或连接。
根据本实施例，辅助馈线15也从巴伦12底端沿巴伦12的高度向顶端延伸。两个第三槽151(如图3-4中的标示)沿辅助馈线15蚀刻而成，用作共振特性的改善以及两个极化之间的隔离。槽151蚀刻在辅助馈线15内能够激发主馈线14缺陷接地；从而提高共振。作为示例性实施例，所述两个第三槽151沿着辅助馈线并排且为长方形。槽151为长槽。
一个极化的辅助馈线15直接对着另一极化的主馈线14；这样，槽151也可以改善从一个极化到另一个的信号泄漏，因此，所述两个极化之间的隔离提高。每一辐射元件1，有两个主馈线14以及相应地两个辅助馈线15，每一极化都有一对由一个主馈线14和一个辅助馈线15组成，该对主馈线14和辅助馈线15分别位于所述极化的巴伦12的正反两面。作为示例性实施例，每一辐射元件1的馈线14、15布置的方式为：一个极化的主馈线14位于一个巴伦12的一个面上，正对着另一个极化的辅助馈线15，该另一个极化的辅助馈线15位于另一个巴伦12的另一个面上。
所述两个第三槽151，主、副槽141和142能使天线单元低频辐射且切断高频率，从而改进天线单元10的端口间隔离。
再次参照图2和7，PCB 21的顶面210上印制有两个双向功分网络25。两个双向功分网络25(图2只显示了一个极化)支撑于PCB/滤波器盖21上，分别与双极化两个辐射元件1对应的两个带通滤波器20电连接。两个辐射元件1的同一极化通过双向功分网络25连接。所述两个滤波器20的两个输入端22可以连接到一组发射器/接收器单元。每一双向功分网络25有一个输入端250和两个输出端251。输入端250连接于带通滤波器20的输出端23，且所述两个输出端251分别连接于具有同一极化的两个辐射元件1的主馈线26。
所述集成天线单元10，其紧凑的带通滤波器20连接到辐射元件1，利用紧凑的带通组件21作为辐射元件支撑板。简要地，集成顺序特性(integrating order property)是从带通滤波器20到辐射元件1。因此，在带通滤波器20上不需要低通滤波；从而改善传统的带通设计的复杂性以及提高成本效应。此外，作为滤波器盖的PCB 21也起辐射元件1的反射板/反射器的作用。
进一步地参照图8-9，多阵列天线100是通过配置多阵列集成天线单元10而获得，且包括在多个带通滤波器20上的多列辐射元件1。多个带通滤波器20集成为一个大的滤波器主体22，且多个PCB 21的每一个覆盖于两个滤波器20且将两个辐射元件1支撑于其上。每一集成天线单元10具有上述相同的结构。多个带通滤波器20的输入端可以连接到一个射频单元。从而获得多阵列有源天线。如图9，多个PCB/滤波器盖/反射器21已从多阵列天线100移除以清楚地分析和显示在所述大的滤波器主体22上的多阵列的辐射元件1。
图9-10分别说明了一个辐射元件1的回波损耗和已实现增益。从这些图可见，我们可以实现辐射元件1的低频操作特点。
以上只是本发明的实施例，并不限制本发明的范围，基于说明书和附图的类似结构或修改，或直接或间接应用于其他领域，都包括在发明的范围和精神内。

Claims (15)

1.一种辐射集成天线单元，包括：
两个辐射元件；以及
将两个辐射元件支撑在其上的一个集成滤波装置；
其特征在于，每一集成滤波装置包括：两个带通滤波器，一个用作两带通滤波器的滤波器盖、且覆盖在滤波器的顶端的PCB，以及从PCB的顶面向上延伸的两个辐射元件。
2.如权利要求1所述的集成天线单元，其特征在于，两个双向功分网络设置在PCB的顶面；每一辐射元件有一辐射面和辐射面下方的巴伦；每一带通滤波器有一个输入端和一个输出端；带通滤波器的每一输出端连接于对应双向功分网络的输入端。
3.如权利要求2所述的集成天线单元，其特征在于，每个辐射单元都是双极化的，每个极化都有一个单极；每一单极包括两个辐射臂和一个巴伦；所述双极化有两个相互交叉的巴伦和四个臂，四个臂配置为具有辐射表面的辐射板；两个辐射元件的同一极化通过两个双向功分网络中的一个连接。
4.如权利要求2-3所述的集成天线单元，其特征在于，每一巴伦包括一个基板，主馈线印制在所述基板的一个面上，辅助馈线印制在在基板另一面上；所述主馈线用作输入信号的馈送和传送点；辅助馈线作为主馈线的接地支撑；双向功分网络的两个输出分别将具有同一极化的两个辐射元件的主馈线连接起来。
5.如权利要求4所述的集成天线单元，其特征在于，主馈线内形成一个主槽；主馈线内形成一个与所述主槽相邻的副槽；主槽和副槽的结合具有低频截止。
6.如权利要求5所述的集成天线单元，其特征在于，主馈线从巴伦底端延伸到顶端从而连接辐射板；主槽和/或副槽形状为正方形、长方形或圆形；副槽位于主槽上方。
7.如权利要求4所述的集成天线单元，其特征在于，沿辅助馈线蚀刻至少一个第三槽，第三槽用作改进谐振特性以及两个极化之间的隔离。
8.如权利要求7所述的集成天线单元，其特征在于，有两个第三槽沿辅助馈线并排蚀刻。
9.如权利要求1所述的集成天线单元，其特征在于，PCB用作两个辐射元件的反射板，不需要额外的反射器，降低集成天线单元的重量并使其节省成本。
10.如权利要求1所述的集成天线单元，其特征在于，两个平行的反射壁在两个带通滤波器的边缘延伸从而支撑所述滤波器的腔体且控制波束宽度。
11.如权利要求10所述的集成天线单元，其特征在于，所述两个反射壁控制辐射元件产生的方位波束为3dB。
12.如权利要求1所述的集成天线单元，其特征在于，用作滤波器盖的PCB，其形状配合所述两个带通滤波器的顶端，且覆盖于所述两个带通滤波器的顶端；PCB固定在两个带通滤波器的顶端。
13.如权利要求1所述的集成天线单元，其特征在于，每一带通滤波器包括一个滤波器外壳，带通滤波器的输出端设置在滤波器的顶端表面上，带通滤波器的输入端设置在滤波器外壳的底端表面上；两个带通滤波器的两输入端连接到一组发射器/接收器单元。
14.多阵列天线，包括多个如权利要求1-13中任一项所述的集成天线单元阵列，其特征在于，多阵列天线包括多列辐射元件以及集成在所述集成天线单元的多个PCB上的多个带通滤波器；每一个PCB用作一个滤波器盖且覆盖在同一集成天线单元的两个的滤波器顶端。
15.如权利要求14所述的多阵列天线，其特征在于，多个带通滤波器的输入端各连接于一个射频单元；因此获得多阵列有源天线。
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