CN107611570B - 一种基站阵列天线和基站射频设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基站天线和基站射频设备，包括多个阵列天线，以及与各个所述阵列天线连接的馈电网络，所述馈电网络包括：输入端口，用于与外部电路连接；功分器单元，输入端与所述输入端口连接，所述功分器单元用于对传输信号进行功率分配以拓宽频段；多个可重构单元，各个所述可重构单元的输入端分别与所述功分器单元的各个输出端连接，用于对传输信号进行相位重构，各个所述可重构单元的输出端分别与一个所述阵列天线连接。本发明上述基站阵列天线和基站射频设备通过功分器对传输信号进行功率分配，增大阻抗带宽，实现拓宽频段；通过可重构单元对传输信号进行相位重构后再馈电。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是涉及一种可应用于第五代通信系统的波瓣可重构的基站阵列天线和基站射频设备。
背景技术
随着移动通信系统的快速发展，对宽波瓣且宽频段的基站天线的需求越来越多。为了满足实际应用中对波瓣和频段的要求，比如越来越宽的覆盖范围，近几年，人们正在研究不同种类的线极化天线。
目前，有在H面有着稳定的宽波瓣的宽频段的单向多极化天线，但是在整个应用频段其H面的波瓣宽度仅63.3°。而另一种能实现高达41％的频带宽度，而在H面的宽波瓣的电磁偶极子天线则只有约6.3dBi的增益。因此，我们需要一种更宽频段和更宽波瓣的基站天线，同时具备双极化多天线小型化效果。
发明内容
本发明提供了一种基站阵列天线，以解决现有技术中的基站天线存在的频段窄的问题。
本发明实施例提供的一种基站阵列天线，包括多个阵列天线，以及与各个所述阵列天线连接的馈电网络，所述馈电网络包括：
输入端口，用于与外部电路连接；
功分器单元，输入端与所述输入端口连接，所述功分器单元用于对传输信号进行功率分配以拓宽频段；
多个可重构单元，各个所述可重构单元的输入端分别与所述功分器单元的各个输出端连接，用于对传输信号进行相位重构，各个所述可重构单元的输出端分别与一个所述阵列天线连接。
进一步地，所述功分器单元包括：
一个与所述输入端口连接的三级二路功分器；和
一个与所述三级二路功分器两个输出端连接的单级M路功分器，其中M为2以上的整数。
进一步地，所述可重构单元为移相器。
进一步地，至少一个所述可重构单元具有可切换的同步传输通道和异步传输通道。
进一步地，所述阵列天线为3个，所述可重构单元为3个，所述单级M路功分器为具有三个输出端的单级二路功分器。
进一步地，所述的基站阵列天线还包括缺少面盖的反射盒，所述阵列天线和所述馈电网络设置在所述反射盒内。
进一步地，各个所述阵列天线包括电偶极子、与所述电偶极子相互垂直设置的磁偶极子以及与所述电偶极子耦合且相对所述电偶极子位于与所述磁偶极子同侧的馈电部。
进一步地，所述电偶极子包括N个中心对称的辐射片，其中所述N为4以上的偶数；所述磁偶极子包括用于接地的且位于所述电偶极子所在平面第一侧的短路部件。
进一步地，所述短路部件包括N个短路柱，N个所述短路柱分别与N个所述辐射片一一对应相对设置。
进一步地，所述馈电部包括N/2个呈“ㄇ”字形的馈电探针，N/2个所述馈电探针在所述辐射片的对称中心所在轴线处交叠，各个所述馈电探针与所述电偶极子耦合，且各个所述馈电探针的两端部自所述电偶极子所在平面向其第一侧方向延伸。
进一步地，“ㄇ”字形的所述馈电探针包括：
传输部，一端与所述可重构单元的输出端耦接；
耦合部，一端与所述传输部另一端垂直连接，所述耦合部与所述电偶极子耦合，且所述耦合部的中心与所述辐射片的对称中心所在轴线重合；
自由部，与所述耦合部另一端垂直连接。
进一步地，各个所述辐射片以缝隙相隔，各个所述馈电探针与所述缝隙相对。
进一步地，N＝4时，各个所述辐射片为具有两个切角的矩形，两个所述切角靠近相邻的所述辐射片的两侧。
此外，还提供了一种基站射频设备，包括上述所述的基站阵列天线。
上述基站阵列天线和基站射频设备通过功分器对传输信号进行功率分配，增大阻抗带宽，实现拓宽频段；通过可重构单元对传输信号进行相位重构后再馈电。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中基站阵列天线的立体结构示意图；
图2为图1所示基站阵列天线中的馈电网络的结构示意图；
图3为图1所示基站阵列天线的阵列天线的立体结构示意图；
图4为图3所示阵列天线中的电偶极子的结构示意图；
图5为图3所示阵列天线中的馈电探针的透视结构示意图；
图6为图1的基站阵列天线中一个阵列天线模拟仿真的SWR和增益结果；
图7为图1的基站阵列天线中一个天线单元模拟仿真的前后比和隔离度结果；
图8A和图8B为图1的基站阵列天线两种模式下模拟仿真的SWR和增益结果；
图9为图1的基站阵列天线E面和H面不同工作模式下的辐射模式。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1和图2，本发明较佳实施例中的可应用于基站射频设备的基站阵列天线，包括多个阵列天线100以及与各个阵列天线100连接的馈电网络200，馈电网络200包括输入端口210、功分器单元220及多个可重构单元230。实施例中以3个阵列天线100进行说明。即可重构单元230为3个。
输入端口210用于与外部电路(未图示)连接；功分器单元220的输入端与输入端口210连接，功分器单元220用于对传输信号进行功率分配以拓宽频段；多个可重构单元230的输入端分别与功分器单元220的各个输出端连接，用于对传输信号进行相位重构，各个可重构单元230的输出端分别与一个阵列天线100连接。
本实施方式中，功分器单元220包括：一个与输入端口210连接的三级二路功分器221；和一个与三级二路功分器221两个输出端连接的单级M路222功分器，其中M为2以上的整数。三级二路功分器221为3-dB的威尔金森功分器，用于来增大阻抗带宽，实现拓宽频段功能。如图示，M为2，单级二路功分器具有三个输出端，为3-dB的威尔金森功分器，按1:2:1的功率比例给三个阵列天线100馈电，实现功分器和相位可重构功能。
具体地，可重构单元230为移相器。其中，至少一个可重构单元230(231)具有可切换的同步传输通道230A和异步传输通道230B。即可通过控制对应馈电网络200的开关选择工作在两种模式下：同步模式(0°差异)和异步模式(110°滞后于另外两个阵列天线100)
在一个实施例中，馈电网络200由0.787mm的罗杰斯介电材料(相对介电常数为2.33)构建，可同时实现了功分器和相位可重构功能。
基站阵列天线100还包括缺少面盖的反射盒300，阵列天线100和馈电网络200设置在反射盒300内。如此，在阵列天线100的周围加了反射面，这样使得阵列天线100的增益得到有效的提高，趋于稳定。
在一个实施方式中，请参阅图3，各个阵列天线100包括电偶极子110、与电偶极子110相互垂直设置的磁偶极子120以及与电偶极子110耦合且相对电偶极子110位于与磁偶极子120同侧的馈电部130。
本实施方式中，请参阅图3和图4，电偶极子110包括N个中心对称的辐射片111，其中N为4以上的偶数。以N为4说明相关实施方式。优选地，各个辐射片111以缝隙50相隔，缝隙50作为电偶极子110的纵横轴线将其表面贯穿。在其他实施方式中可以不设置开缝，或开缝不贯穿电偶极子110表面。
另外，各个辐射片111为具有两个切角的矩形，两个切角靠近相邻的辐射片111的两侧。故，电偶极子110上相邻的两个辐射片111的切角形成4个中心对称的”C”形槽112，“C”形槽112形成于相邻的两个辐射片111之间的，且各个“C”形槽112开口位于电偶极子110边缘；设有缝隙50时，”C”形槽112的底部与缝隙50相通。电磁偶极子本身具备提升天线增益的特性，同时在这里通过剪切切角使其能减小有效电长度，从而拓宽频段和降低剖面。与馈电网络200一起实现宽频段的效果。
请参阅图3和图5，磁偶极子120包括用于接地的且位于电偶极子110所在平面第一侧(图示3所示的底侧)的短路部件。短路部件包括4个金属的短路柱121，4个短路柱121分别与4个辐射片111一一对应相对设置。
馈电部130包括2个呈“ㄇ”字形的馈电探针131，2个馈电探针131在辐射片111的对称中心所在轴线处交叠，各个馈电探针131与电偶极子110耦合，且各个馈电探针131的两端部自电偶极子110所在平面向其第一侧方向延伸。各个短路柱121位于各个馈电探针131之间，各个馈电探针131在交叠处形成两个底部相对的缺口132。
阵列天线100设置中心对称的多个辐射片131，实现2G-5G的多频的辐射带宽，通过设置“ㄇ”字形的馈电探针131并在探针的一侧设置短路柱121和以及谐振板，使得天线频段整体平移，进而使得天线的高度降低，大大缩小了天线的体积，同时降低了天线的制作成本。请参阅图9，辐射方向图中，H面可重构波瓣的电磁偶极子120天线在E面的波瓣稳定为55°，得益于这种设计，在整个应用频段都能实现稳定的宽波瓣和宽阻抗带宽。因此，在未来的第五代移动通信系统中，这是一种发展前景良好的基站天线。
“ㄇ”字形的馈电探针131包括传输部131a、耦合部131b和自由部131c。传输部131a的一端与可重构单元230的输出端耦接；耦合部131b的一端与传输部131a另一端垂直连接，耦合部131b与电偶极子110耦合，且耦合部131b的中心与辐射片111的对称中心所在轴线重合；自由部131c的与耦合部131b另一端垂直连接。各个馈电探针131与缝隙50相对，各个馈电探针131的耦合部131b所在的平面与电偶极子110所在平面不重叠。
如此，两个馈电探针131是十字交叉型放置，这样使得阵列天线100双极化得到了很好的隔离特性。另外，馈电结构实现是序列馈电，使得阵列天线100分别有0°、90°、180°、270°的相位差，这使得天线单元阵列产生了一个圆极化，使得天线单元传输效率得到提高。
进一步地，传输部131a的长度大于自由部131c的长度。位于两个金属短路柱121之间的两个不同高度垂直正交的“ㄇ”字形馈电探针131可以实现超宽带功能，覆盖了2G、3G、4G和5G频段，同时还可以提高天线的隔离度。
“ㄇ”字形的馈电探针131减小有效电长度，与电磁偶极子120共同作用用于减低天线的剖面。本发明通过选择合适的单元间距、电磁偶极子120贴片的间距，具备着良好的隔离度和前后比性能。
在一个实施方式中，各个辐射片11129.7mm*29.7mm的切角方形。短路柱121高度为29.6mm；两个短路柱121间距为6.5mm。
波瓣可重构的阵列天线，通过剪切四个辐射片来实现超过80％的SWR≤2的带宽，可应用于1.56-3.78GHz的2G/3G/LTE频段和3.5GHz的C频段(3400-3600MHz)的设备,增益约为11.2dBi，同时具备一种实现了拓宽频段、功率分配和相位可重构功能的分级馈电网络结构。
请参阅图2、图5和图6，可以很容易地观察到端口1和端口2的模拟阻抗带宽分别为83.5％和83.4％(SWR≤2)。端口1和端口2的工作频率范围略有不同。这可能是由两条馈电探针尺寸和位置的微小差异造成的。两个端口共同的频带宽度为80％(SWR≤2),覆盖范围为1.56到3.77GHz。.端口1、端口2仿真模拟的增益范围分别为10.1到12.3dBi和9.8到12.2dBi。如图7所示，在工作频段内两个端口的隔离度优于30dB，满足商业基站天线的设计要求。仿真模拟的前后比(FBRs)大于20dB。
一个双极化阵列天线通过剪切四个辐射片来实现超过80％的SWR≤2的带宽，可应用于1.56-3.78GHz的2G/3G/LTE频段和3.5GHz的C频段(3400-3600MHz)的设备。
这种三单元的波瓣可重构的双极化天线阵列可以实现一个宽的阻抗带宽以满足未来5G应用的要求。如图8A和8B所示，模式1和模式2共同的阻抗带宽为1.92到2.8GHz和3.1-3.65GHz，其中模式2稍宽一点，为1.9到3.9GHz。如表1所示，H面的波瓣宽度可以在两个工作模式间切换。同时，不管哪种工作模式，波瓣宽度在整个工作频段的波动小于20°。因此，就基站天线而言，这是在未来第五代通信系统下有着良好发展前景的一种天线。
表1：天线阵列的不同工作模式
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基站阵列天线，其特征在于，包括多个阵列天线，以及与各个所述阵列天线连接的馈电网络，所述馈电网络包括：
输入端口，用于与外部电路连接；
功分器单元，输入端与所述输入端口连接，所述功分器单元用于对传输信号进行功率分配以拓宽频段；
多个可重构单元，各个所述可重构单元的输入端分别与所述功分器单元的各个输出端连接，用于对传输信号进行相位重构，各个所述可重构单元的输出端分别与一个所述阵列天线连接；
所述功分器单元包括：一个与所述输入端口连接的三级二路功分器；和一个与所述三级二路功分器两个输出端连接的单级M路功分器，其中M为2以上的整数；
各个所述阵列天线包括电偶极子、与所述电偶极子相互垂直设置的磁偶极子以及与所述电偶极子耦合且相对所述电偶极子位于与所述磁偶极子同侧的馈电部；
至少一个所述可重构单元具有可切换的同步传输通道和异步传输通道；
所述电偶极子包括N个中心对称的辐射片，其中所述N为4以上的偶数；所述磁偶极子包括用于接地的且位于所述电偶极子所在平面第一侧的短路部件；
各个所述辐射片以缝隙相隔，各个馈电探针与所述缝隙相对；
N=4时，各个所述辐射片为具有两个切角的矩形，两个所述切角靠近相邻的所述辐射片的两侧。
2.如权利要求1所述的基站阵列天线，其特征在于，所述可重构单元为移相器。
3.如权利要求1所述的基站阵列天线，其特征在于，所述阵列天线为3个，所述可重构单元为3个，所述单级M路功分器为具有三个输出端的单级二路功分器。
4.如权利要求1所述的基站阵列天线，其特征在于，还包括缺少面盖的反射盒，所述阵列天线和所述馈电网络设置在所述反射盒内。
5.如权利要求1所述的基站阵列天线，其特征在于，所述短路部件包括N个短路柱，N个所述短路柱分别与N个所述辐射片一一对应相对设置。
6.如权利要求1所述的基站阵列天线，其特征在于，所述馈电部包括N/2个呈“ㄇ”字形的馈电探针，N/2个所述馈电探针在所述辐射片的对称中心所在轴线处交叠，各个所述馈电探针与所述电偶极子耦合，且各个所述馈电探针的两端部自所述电偶极子所在平面向其第一侧方向延伸。
7.如权利要求6所述的基站阵列天线，其特征在于，“ㄇ”字形的所述馈电探针包括：
传输部，一端与所述可重构单元的输出端耦接；
耦合部，一端与所述传输部另一端垂直连接，所述耦合部与所述电偶极子耦合，且所述耦合部的中心与所述辐射片的对称中心所在轴线重合；
自由部，与所述耦合部另一端垂直连接。
8.一种基站射频设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的基站阵列天线。
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