CN107134639B - 高异频隔离宽带双频基站天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高异频隔离宽带双频基站天线阵列，包括至少一个高频天线单元、一个低频天线单元和地板；高频天线单元为一个时，置于地板的一边，高频天线单元为多个时，分别置于地板的两边，包括多个振子臂和巴伦，振子臂之间通过分布式电感进行连接，并通过巴伦进行馈电；低频天线单元置于地板中间，包括多个振子臂和巴伦，振子臂之间通过分布式电容进行连接，并通过巴伦进行馈电，该巴伦上设有馈线和H型微带线枝节，H型微带线枝节与馈线连接。本发明在不级联滤波器的情况下，实现了在异频天线单元距离较小，地板较小的情况下的高隔离度，避免了滤波器插损，同时实现了在宽频带内的稳定方向图，而且去耦结构并不额外增加天线单元的体积。

Description

高异频隔离宽带双频基站天线阵列
技术领域
本发明涉及一种天线阵列，尤其是一种高异频隔离宽带双频基站天线阵列，属于移动通信领域。
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，尤其是宽频带双频或多频天线时，天线通常会在工作频段之外存在杂波。而这些带外杂波会造成不同频段之间的严重耦合，同时也会严重影响天线的方向图。
传统的双频双极化基站天线为了实现良好的异频隔离需要级联滤波器或者合路器/双工器。公开号为CN 103036073的发明专利申请《双频双极化天线》就采用了级联合路器的方案，实现两个不同频段天线的隔离，然而会带来额外的损耗以及增加天线的体积和设计复杂度。另外一种方案是采用滤波天线，即将辐射体和滤波性能相结合的方案。公开号为CN 202076403的实用新型专利《一种加载滤波器的双频双极化天线阵子》中，就在馈线上引入四分之一波长的枝节来实现不同频段的抑制，但是不能提供宽带的抑制，只能适合窄带应用。华南理工大学专利公开号为CN 105720364A的发明专利申请《一种具有高选择性和低交叉极化的双极化滤波天线》就实现了一种高选择性的滤波天线，并且不需要额外引入滤波器单元。但是，其选择性是针对与工作频段相近的邻近频段。当两个工作频段相隔比较远，带宽比较宽时，就难以起作用。以上的双频基站阵列，都是采用高低频嵌套的天线方案，因此只能实现两列天线性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高异频隔离宽带双频基站天线阵列，该天线阵列结构简单，在不引入滤波器等外插损情况下，克服上述现有技术中多频基站相互间耦合大或地板过大，方向图不稳定的缺陷。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
高异频隔离宽带双频基站天线阵列，包括至少一个高频天线单元、一个低频天线单元和地板；
所述高频天线单元为一个时，置于地板的一边，高频天线单元为多个时，分别置于地板的两边，高频天线单元包括多个振子臂和巴伦，振子臂之间通过分布式电感进行连接，并通过巴伦进行馈电；
所述低频天线单元置于地板中间，低频天线单元包括多个振子臂和巴伦，振子臂之间通过分布式电容进行连接，并通过巴伦进行馈电，该巴伦上设有馈线和H型微带线枝节，H型微带线枝节与馈线连接。
优选的，所述高频天线单元为单极化天线单元，高频天线单元上的振子臂有两个，所述分布式电感为一对微带弯折线电感，两个振子臂构成水平极化振子臂或垂直极化振子臂，两个振子臂之间通过一对微带弯折线电感进行连接。
优选的，所述高频天线单元为双极化天线单元，高频天线单元上的振子臂有四个，所述分布式电感为两对微带弯折线电感，其中两个振子臂构成-45度极化振子臂，-45度极化振子臂通过一对微带弯折线电感进行连接，另外两个振子臂构成+45度极化振子臂，+45度极化振子臂通过另一对微带弯折线电感进行连接；所述两对微带弯折线电感之间交叉连接。
优选的，所述微带弯折线电感上两两相邻的微带弯折线之间留有间隙，且微带弯折线电感嵌入到振子臂之间。
优选的，所述高频天线单元还包括介质板，所述振子臂和分布式电感位于介质板的同一层。
优选的，所述低频天线单元为单极化天线单元，低频天线单元上的振子臂有两个，两个振子臂构成水平极化振子臂或垂直极化振子臂；所述分布式电容为金属贴片，所述金属贴片设置在两个振子臂的中间，且与两个振子臂相靠近而无接触。
优选的，所述低频天线单元为双极化天线单元，低频天线单元上的振子臂有四个，其中两个振子臂构成-45度极化振子臂，另外两个振子臂构成+45度极化振子臂；所述分布式电容为金属贴片，所述金属贴片设置在四个振子臂的中间，且与四个振子臂相靠近而无接触。
优选的，所述金属贴片为圆盘形结构、十字形结构、矩形结构或四角星形结构。
优选的，所述低频天线单元还包括介质板，所述振子臂位于介质板的其中一层，所述分布式电容位于介质板的另一层。
优选的，所述H型微带线枝节由一个水平枝节和两个垂直枝节组成，水平枝节与馈线连接，两个垂直枝节连接在水平枝节的两端，并贴合馈线垂直延伸。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的高频天线单元通过分布式电感将振子臂之间进行连接，利用感性电抗在低频短路，高频开路的特性，改变了原来的谐振电流路径，实现了对低频杂波的调控和抑制，低频天线单元通过分布式电容将振子臂之间进行连接，协同H型微带线枝节，利用容性电抗在低频开路，高频短路的特性，实现对高频杂波的调控和抑制，在不级联滤波器的情况下，实现了在异频天线单元距离较小，地板较小的情况下的高隔离度，避免了滤波器插损，同时实现了在宽频带内的稳定方向图，而且去耦结构并不额外增加天线单元的体积。
2、本发明的两种滤波天线单元在兼顾天线电路性能和匹配性能的前提下，可以组合成多列天线阵，低频天线单元置于地板中间，高频天线单元为一个时，置于地板的一边，高频天线单元为多个时，分别置于地板的两边，如此安排，可以在较小地板下，获得良好的辐射性能和良好的匹配隔离特性。
3、本发明的高频天线单元中，分布式电感采用微带弯折线电感，可以抑制单极化或双极化天线在低频的寄生谐振，微带弯折线电感通过折叠来增加电感量并减少体积，同时微带弯折线电感上两两相邻的微带弯折线之间留有间隙，避免互相接触短路，方便嵌入到振子臂之间。
4、本发明的高频天线单元中，分布式电感和振子臂位于介质板的同一层，而不影响天线极化的隔离，这避免了介质板下层走线和过孔，便于加工。
5、本发明的低频天线单元中，分布式电容采用金属贴片，金属贴片位于振子臂中间，与振子臂互相靠近而无电气接触，可以实现方便实现单极化或双极化天线振子臂之间的容性耦合，从而实现谐波抑制而不影响极化隔离。
6、本发明的低频天线单元中，振子臂位于介质板的其中一层，分布式电容位于介质板的另一层，如此可以方便通过改变金属贴片的大小，来调节连接振子臂的电容大小，同时避免和振子臂接触短路，从而实现杂波控制和改善天线匹配调整，同时也避免过孔，便于加工。
7、本发明的低频天线单元中，在巴伦上的H型微带线枝节的水平枝节与馈线连接，两个垂直枝节连接在水平枝节的两端，并贴合馈线垂直延伸，以紧凑的体积集成在巴伦上，具有小型化和易于加工的优点；H型微带线枝节具有宽带谐波抑制特性，可以抑制巴伦的高频谐波，再配合金属贴片，可以通过调整连接位置和两个垂直枝节的长度，方便地实现低频天线单元的整体高频谐波的控制和抑制，此外还成为匹配网络的一部分，方便实现天线阻抗匹配，而不占用额外体积，极化振子臂由于馈电位置的不同造成的匹配差异性，也可以通过调整H型微带线枝节位置来方便补偿。
附图说明
图1为本发明实施例1的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列俯视结构图。
图2为本发明实施例1的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列正面结构图。
图3为本发明实施例1的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列中高频天线单元的立体分解结构图。
图4为图3中A处的放大图。
图5为本发明实施例1的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列中低频天线单元的立体分解结构图。
图6为本发明实施例1的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列的的S参数曲线图。
图7为本发明实施例1的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列的高频水平方向方向图的仿真结果图。
图8为本发明实施例1的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列的低频水平方向方向图的仿真结果图。
图9为本发明实施例2的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列俯视结构图。
其中，1-第一高频天线单元，2-第二高频天线单元，3-低频天线单元，4-地板，5-介质板，6-第一振子臂，7-第二振子臂，8-第三振子臂，9-第四振子臂，10-第一巴伦，11-第一微带弯折线电感，12-第二微带弯折线电感，13-第三微带弯折线电感，14-第四微带弯折线电感，15-第二介质板，16-第五振子臂，17-第六振子臂，18-第七振子臂，19-第八振子臂，20-第二巴伦，21-金属贴片，22-馈线，23-H型微带线枝节，24-水平枝节，25-第一垂直枝节，26-第二垂直枝节。
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。
实施例1：
如图1～图5所示，本实施例提供了一种高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列，包括第一高频天线单元1、第二高频天线单元2、低频天线单元3和地板4，即本实施例是三列天线阵列，从图1和图2中可以看到，三个天线单元均置于地板4上，且位于同一水平面，所述第一高频天线单元1和第二高频天线单元2分别置于地板4的两边，低频天线单元3置于地板4的中间，如此安排，可以在较小地板下，获得良好的辐射性能和良好的匹配隔离特性；由于频率的不同，三个天线单元的振子臂高度也有所不同，中间的低频频段天线单元3为低频故高度比较高，而两边的第一高频天线单元1、第二高频天线单元2为高频，因此高度比较低；第一高频天线单元1、第二高频天线单元2和低频天线单元3均为双极化天线单元。
所述第一高频天线单元1和第二高频天线单元2工作于高频段(如1710-2690MHz)，且结构尺寸相同，以其中一个高频天线单元为例，从图3和图4中可以看到，包括第一介质板5、第一振子臂6、第二振子臂7、第三振子臂8、第四振子臂9和第一巴伦10，四个振子臂之间通过分布式电感进行连接，并通过第一巴伦10进行馈电，第一巴伦10为双极化巴伦；所述分布式电感为两对微带弯折线电感，即四个微带弯折线电感，分别为第一微带弯折线电感11、第二微带弯折线电感12、第三微带弯折线电感13和第四微带弯折线电感14。
在本实施例中，第一振子臂6和第三振子臂8构成-45度极化振子臂，第一微带弯折线电感11和第三微带弯折线电感13构成一对微带弯折线电感连接-45度极化振子臂，可以抑制-45度极化的天线在低频的寄生谐振；第二振子臂7和第四振子臂9构成+45度极化振子臂，第二微带弯折线电感12和第四微带弯折线电感14连接+45度极化振子臂，可以抑制+45度极化的天线在低频的寄生谐振，至此，第一高频天线单元1和第二高频天线单元2的±45度的极化滤波可以分别独立实现；四个微带弯折线电感通过折叠来增加电感量并减少体积，同时四个微带弯折线电感上两两相邻的微带弯折线之间留有间隙，避免互相接触短路，由于存在间隙，方便将四个微带弯折线电感嵌入到四个振子臂之间。
两对微带弯折线电感之间可以交叉连接，无需额外过孔，同时两对微带弯折线电感和±45度极化振子臂位于第一介质板5的同一层，本实施例均位于第一介质板5的上层，而不影响天线两个±45度极化振子臂的隔离，这避免了第一介质板5的下层走线和过孔，便于加工。
从以上所述可知，本实施例的高频天线单元通过两对微带弯折线电感将四个振子臂之间进行连接，利用感性电抗在低频短路，高频开路的特性，改变了原来的谐振电流路径，实现了对低频杂波的调控和抑制。
所述低频天线单元3工作于低于两个高频天线单元工作频段的低频段(如690-960MHz)，从图5中可以看到，包括第二介质板15、第五振子臂16、第六振子臂17、第七振子臂18、第八振子臂19和第二巴伦20，第五振子臂16、第六振子臂17、第七振子臂18和第八振子臂19之间通过分布式电容连接，并通过第二巴伦20进行馈电；所述分布式电容为金属贴片21。
在本实施例中，第五振子臂16和第七振子臂18构成-45度极化振子臂，第六振子臂17和第八振子臂19构成+45度极化振子臂；金属贴片21为圆盘形结构、，以圆盘形结构为例，其设置在四个振子臂的中间，且与四个振子臂相靠近而无接触，可以实现±45度两种极化振子臂之间的容性耦合，从而实现谐波抑制而不影响极化隔离。
±45度极化振子臂位于第二介质板15的其中一层，圆盘形结构位于第二介质板15的另外一层，本实施例的±45度极化振子臂位于第二介质板15的上层，圆盘形结构位于第二介质板15的下层，如此可以方便通过改变圆盘形结构的大小，来调节连接振子臂的电容大小，同时避免和振子臂接触短路，从而实现杂波控制和改善天线匹配调整，同时也避免过孔，便于加工。
第二巴伦20为双极化巴伦，有四个面，在任意两个相邻的面上分别设有一馈线22和一H型微带线枝节23，H型微带线枝节23由水平枝节24、第一垂直枝节25和第二垂直枝节26组成，水平枝节24与馈线22连接，第一垂直枝节25和第二垂直枝节26连接在水平枝节24的两端，并贴合馈线22垂直延伸，以紧凑的体积集成在第二巴伦20上，具有小型化和易于加工的优点；H型微带线枝节23具有宽带谐波抑制特性，可以抑制第二巴伦20的高频谐波，再配合圆盘形结构，可以通过调整连接位置和两个垂直枝节的长度，方便地实现低频天线单元3的整体高频谐波的控制和抑制，此外还成为匹配网络的一部分，方便实现天线阻抗匹配，而不占用额外体积；低频天线单元3的±45度极化振子臂由于馈电位置的不同造成的匹配差异性，也可以通过调整H型微带线枝节23位置来方便补偿。
从以上所述可知，本实施例的低频天线单元3通过圆盘形结构将四个振子臂之间进行连接，协同第二巴伦20的H型微带线枝节23，利用容性电抗在低频开路，高频短路的特性，实现对高频杂波的调控和抑制。
本实施例提供超过40％带宽的谐波抑制，在不级联滤波器的情况下，实现了在异频天线单元距离较小，地板较小的情况下的高隔离度，避免了滤波器插损，同时实现了在宽频带内的稳定方向图，而且去耦结构并不额外增加天线单元的体积；由于具有良好的杂波抑制性能，在本实施例中，两个高频天线单元与低频天线单元之间的间隔仅仅为100mm，地板4的宽度为280mm，这样就可以保证隔离和辐射性能。
如图6所示，为本实施例提供的一种抑制谐波的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列的S参数，可以看出低频(690-960MHz)天线单元的高频杂波被抑制后，对高频天线单元在1710-2690MHz频段的耦合降低到-40dB以下，和普通阵列对比，提升超过30dB。高频(1710-2690MHz)天线单元的低频杂波被抑制后，对低频天线单元在690-960MHz频段的耦合降到-30dB以下，和普通阵列对比，提升超过了20dB。
如图7所示，为本发明实施例提供的一种抑制谐波的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列的高频水平方向方向图，选取了1710-2690MHz四个有代表性的频点方向图。可以看出，10dB波瓣基本满足120度的波瓣宽度，同时3dB波瓣宽度也在56-71度之间。另外，0度交叉极化大于12dB，±60度交叉极化大于8dB。
如图8所示，为本发明实施例提供的一种抑制谐波的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列的低频水平方向方向图，选取了690-960MHz四个有代表性的频点方向图。可以看出，10dB波瓣基本满足120度的波瓣宽度，同时3dB波瓣宽度也在64-71度之间。另外，0度交叉极化大于12dB，±60度交叉极化大于8dB。
本实施例具有如下优点：
1)滤波天线单元之间间距小，异频单元间距仅仅为100mm；地板小，地板只有280mm，为当前工业界较高水平；
2)该天线阵列适用于频率690-960MHz频段和1710-2690MHz频段，具有超过40％的杂波抑制性能，高、低频天线单元耦合度都在-30dB以下。
3)该天线单元在小体积的前提下，实现了方向图不畸变的特性，基本满足基站方向图要求。
4)容易加工，安装方便，并且不需要额外的电路加载。
实施例2：
如图9所示，本实施例的高异频隔离宽带双频双极化基站天线阵列，包括一个高频天线单元1、一个低频天线单元2和地板3，即本实施例是两列天线阵列，两个天线单元均置于地板3上，且位于同一水平面，高频天线单元1置于地板3的一边，低频天线单元2置于地板3的中间，本实施例的高频天线单元1和低频天线单元2均为双极化天线单元，具体结构同实施例1。
实施例3：
本实施例提供了一种高异频隔离宽带双频单极化基站天线阵列，第一高频天线单元1和第二高频天线单元2为单极化天线单元，即振子臂有两个，所述分布式电感为一对微带弯折线电感，两个振子臂构成水平极化振子臂或垂直极化振子臂，两个振子臂之间通过一对微带弯折线电感进行连接；同样地，低频天线单元3为双极化天线单元，即振子臂有两个，两个振子臂构成水平极化振子臂或垂直极化振子臂；所述分布式电容为金属贴片，所述金属贴片设置在两个振子臂的中间，且与两个振子臂相靠近而无接触；第一巴伦和第二巴伦为单极化巴伦，第二巴伦的其中一个面上设有一馈线22和一H型微带线枝节23。其余同实施例1。
实施例4：
本实施例的主要特点是：第一高频天线单元1和第二高频天线单元2为单极化天线单元，低频天线单元3为双极化天线单元；或第一高频天线单元1和第二高频天线单元2为双极化天线单元，低频天线单元3为单极化天线单元。其余同实施例1。
综上所述，本发明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690-960MHz和1710-2690MHz的基站天线；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。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，例如天线阵列还可以为四列或以上天线阵列，微带弯折线电感还可以为其他类似的电感，金属贴片还可以为十字形结构、矩形结构、四角星形结构等形状，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：包括至少一个高频天线单元、一个低频天线单元和地板；
所述高频天线单元为一个时，置于地板的一边，高频天线单元为多个时，分别置于地板的两边，高频天线单元包括多个振子臂和巴伦，振子臂之间通过分布式电感进行连接，并通过巴伦进行馈电；
所述低频天线单元置于地板中间，低频天线单元包括多个振子臂和巴伦，振子臂之间通过分布式电容进行连接，并通过巴伦进行馈电，该巴伦上设有馈线和H型微带线枝节，H型微带线枝节与馈线连接。
2.根据权利要求1所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述高频天线单元为单极化天线单元，高频天线单元上的振子臂有两个，所述分布式电感为一对微带弯折线电感，两个振子臂构成水平极化振子臂或垂直极化振子臂，两个振子臂之间通过一对微带弯折线电感进行连接。
3.根据权利要求1所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述高频天线单元为双极化天线单元，高频天线单元上的振子臂有四个，所述分布式电感为两对微带弯折线电感，其中两个振子臂构成-45度极化振子臂，-45度极化振子臂通过一对微带弯折线电感进行连接，另外两个振子臂构成+45度极化振子臂，+45度极化振子臂通过另一对微带弯折线电感进行连接；所述两对微带弯折线电感之间交叉连接。
4.根据权利要求2或3所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述微带弯折线电感上两两相邻的微带弯折线之间留有间隙，且微带弯折线电感嵌入到振子臂之间。
5.根据权利要求1所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述高频天线单元还包括介质板，所述振子臂和分布式电感位于介质板的同一层。
6.根据权利要求1所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述低频天线单元为单极化天线单元，低频天线单元上的振子臂有两个，两个振子臂构成水平极化振子臂或垂直极化振子臂；所述分布式电容为金属贴片，所述金属贴片设置在两个振子臂的中间，且与两个振子臂相靠近而无接触。
7.根据权利要求1所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述低频天线单元为双极化天线单元，低频天线单元上的振子臂有四个，其中两个振子臂构成-45度极化振子臂，另外两个振子臂构成+45度极化振子臂；所述分布式电容为金属贴片，所述金属贴片设置在四个振子臂的中间，且与四个振子臂相靠近而无接触。
8.根据权利要求6或7所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述金属贴片为圆盘形结构、十字形结构、矩形结构或四角星形结构。
9.根据权利要求1所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述低频天线单元还包括介质板，所述振子臂位于介质板的其中一层，所述分布式电容位于介质板的另一层。
10.根据权利要求1所述的高异频隔离宽带双频基站天线阵列，其特征在于：所述H型微带线枝节由一个水平枝节和两个垂直枝节组成，水平枝节与馈线连接，两个垂直枝节连接在水平枝节的两端，并贴合馈线垂直延伸。
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