CN107732467A - 一种带有耦合抑制的用于4g与5g通信的基站组合天线 - Google Patents

一种带有耦合抑制的用于4g与5g通信的基站组合天线 Download PDF

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Abstract

本发明一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，由十六个高频天线单元、一个低频天线单元、八个电感及一个金属底板构成；高频天线单元由垂直放置的两个天线单元组成；低频天线单元由垂直放置的两个环形天线单元组成；低频天线单元的天线枝节上切割有间隙，间隙处安装有电感；金属底板紧贴在一天线外壳底部，十六个高频天线单元置于金属底板上，处于同一水平面，构成4*4的矩阵，低频天线单元处于高频天线单元上，位于板正中心正上方。本发明增强了组合基站天线的电磁兼容性；可在4G与5G通信的过渡阶段使用，能够改善两种天线间的隔离度，使互耦得到有效抑制；无需彻底改变天线形状，制作简单。

Description

一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线
技术领域
本发明一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，涉及一种组合天线，更特别地说，是指一种用于基站发射与接收的大规模MIMO天线，其频带可用于4G以及5G通信。本发明的耦合抑制方法适用于此类天线中的异频天线间的耦合。
背景技术
随着无线通信的技术普及以及人们对更高通信速率需求的增长，在2020年通信的需求量可能将达到当前社会的1000倍。因此，可大幅提升系统容量及频谱和能量效率的第五代移动通信技术(5G)应运而生，并迅速引起了人们的广泛关注，5G被认为是基于4G的演进技术，且将在2020年商用。不过，在4G向5G发展的道路上，业界发现5G还太遥远，需要持续演进技术来满足流量增长和物联网等新业务发展。
天线的作用是实现电路中电磁信号和自由空间中传播的电磁波之间的相互转换，移动通信中的基站天线则是移动通信用户信息与基站设备连接的出口和入口。可以说移动蜂窝网的构建最关键的部分是移动基站，而移动基站中决定通信质量最关键的部分又是移动基站天线。天线作为移动通信系统中一个不可或缺的部分，其设计性能的好坏直接影响着整个通信系统的质量。随着移动通信用户的增加，对移动基站天线的需求也会越来越大，同时新的应用与需求对于基站天线的设计也提出了越来越严格的要求。Massive MIMO(大规模多入多出)移动通信基站天线正是5G通信最主要的技术手段之一，具有重要的理论意义和实用价值。MIMO技术对于提高数据传输的峰值速率与可靠性、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量有着重要作用。面对速率与频谱效率需求的不断提升，而Massive MIMO相比于传统MIMO能够有效提升性能的重要关键技术就是大规模阵列天线。其主要原理是基于相控阵天线，相控阵天线通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，其突出优点是增益高，能迅速准确地控制波束方向，波束无惯性，并且能在覆盖范围内同时跟踪多个用户。
然而，目前Massive MIMO基站天线由于其低剖面的要求，往往各天线单元间距离较近，由此也导致各天线单元间耦合较大，会导致对天线整体性能产生影响。尤其是当用于4G通信的低频天线与用于5G通信的高频天线进行组合后，两种天线会相互产生影响，天线间隔离度很大，原本的天线辐射方向图会产生一定的畸变。因此，在不改变组合天线的整体结构的前提下，提升天线隔离度就非常关键了。
发明内容
为了抑制工作频带不重合的天线之间的电磁耦合问题，本发明针对以上情况设计了一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，由于处于向5G通信的过渡阶段，因此可以称为4.5G通信。该组合天线通过在用于4G通信的低频环天线上加载电感，提高了低频天线与用于5G通信的高频天线的隔离度。
本发明的另一目的在于，对于应用中的天线系统，应用本发明组合天线在未更改天线的尺寸和距离条件下，通过加载电感实现了应用中的天线整改。
本发明设计了一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其是由十六个高频天线单元、一个低频天线单元、八个电感及一个金属底板构成；
所述高频天线单元由垂直放置的两个天线单元组成，其相位分别为±45°，其中一个天线单元由两个第一高频天线枝节以及穿过两个高频天线介质板过孔用于馈电的第一高频天线馈电单元构成，另一个天线单元由两个第二高频天线枝节以及第二高频天线馈电单元构成。高频天线单元均采用覆铜工艺制作在介质板的上面板上。覆铜构形的覆铜厚度0.018～0.035mm。其中，第一、第二高频天线枝节均为半径r1的开口90°的扇形结构，两枝节间距为a2。第一高频天线馈电单元的长度为a22、宽度为b22,其通过高频天线单元介质板的过孔,附在高频天线单元介质板底层，将两个第一高频天线枝节连接起来；第二高频天线馈电单元的长度为a23、宽度为b23，其附在高频天线单元介质板上层，用于两个连接第二高频天线枝节并馈电。其中，所述的高频天线介质板过孔半径为r11，过孔间距为a21。其中，以波长λ为300mm～500mm作为约束尺寸，具体为：
r1＝(0.01～0.05)λ；a2＝(0.001～0.002)λ；
a22＝(0.001～0.005)λ、b22＝(0.001～0.002)λ；
a23＝(0.001～0.005)λ、b23＝(0.001～0.002)λ；
r11＝(0.01～0.05)λ、a21＝(0.001～0.005)λ。
所述低频天线单元由垂直放置的两个环形天线单元组成，其相位分别为±45°，其中两个第一低频天线枝节以及穿过两个低频天线介质板过孔用于馈电的第一低频天线馈电单元构成一个环形天线单元，两个第二低频天线枝节以及第二低频天线馈电单元构成另一个环形天线单元。所述第一、第二低频天线枝节上切割有间隙，所述间隙处安装有电感。低频天线单元均采用覆铜工艺制作在介质板的上面板上。覆铜构形的覆铜厚度0.018～0.035mm。其中，所述的间隙为1～2mm的切口。其中，所述电感的电感值为1.6nH～180nH。
其中，第一、第二低频天线枝节均为半径r2的开口90°的扇形，同时中间减去距离圆心a44、半径为r21的开口100°～110°的扇形结构，两枝节水平间距为a4。第一低频天线馈电单元的长度为a42、宽度为b42,其通过低频天线介质板过孔,附在低频天线单元介质板底层，将两个第一低频天线枝节连接起来；第二低频天线馈电单元的长度为a41、宽度为b41，其附在低频天线单元介质板上层，用于连接两个第二低频天线枝节并馈电。其中，低频天线介质板过孔的半径为r22，过孔间距为a43。其中，以波长λ为300mm～500mm作为约束尺寸，所述的：r2＝(0.1～0.3)λ、a44＝(0.02～0.05)λ、r21＝(0.08～0.28)λ、a4＝(0.002～0.006)λ；
a42＝(0.01～0.3)λ、b42＝(0.002～0.01)λ；
a41＝(0.01～0.03)λ、b41＝(0.002～0.01)λ；
r22＝(0.04～0.2)λ、a43＝(0.01～0.3)λ。
所述的金属底板紧贴在一天线外壳底部，十六个高频天线单元置于金属底板之上，处于同一水平面，构成4*4的矩阵，低频天线单元处于高频天线单元之上，位于板正中心正上方。
在本发明中，所述的高频天线单元选用的波长为50mm～100mm；所述低频天线单元选用的波长为300mm～500mm。
本发明设计的一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线的优点在于：
①通过在用于4G通信的低频双极化天线的适当位置上加载电感，能够有效抑制与5G天线组合后在工作频带外的杂散发射，增强了组合基站天线的电磁兼容性。
②本发明组合天线是将用于4G通信的低频双极化与用于5G通信的高频双极化天线进行组合，可在4G与5G通信的过渡阶段使用，且能够改善两种天线间的隔离度，使得互耦得到有效抑制。
③为了适应不同布局不同频段的组合天线，电感的加载位置可根据实际情况变化，无需彻底改变天线形状，制作简单。
附图说明
图1是本发明其中一个高频天线单元的结构图。
图1A是本发明其中一个高频天线单元的分解图。
图2是本发明低频天线单元的结构图。
图2A本发明低频天线单元的分解图。
图3是本发明一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线示意图。
图3A是本发明一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线正视图。
图4是实施例1尺寸组合天线的高频天线S11参数图。
图4A是实施例1尺寸组合天线的低频天线S22参数图。
图4B是实施例1尺寸组合天线的耦合S12参数图。
1.高频天线单元介质底板 1A.高频天线底板过孔 1B.高频天线底板过孔
2A.第一高频天线枝节 2B.第一高频天线枝节 2C.第一高频天线馈电枝节
3A.第二高频天线枝节 3B.第二高频天线枝节 3C.第二高频天线馈电枝节
4.低频天线单元介质底板 4A.低频天线底板过孔 4B.低频天线底板过孔
5A.第一低频天线枝节 5B.第一低频天线枝节 5C.第一低频天线馈电枝节
6A.第二低频天线枝节 6B.第二低频天线枝节 6C.第二低频天线馈电枝节
7A.电感 7B.电感 7C.电感
7D.电感 7E.电感 7F.电感
7G.电感 7H.电感 8.天线外壳
8A.高频天线单元 8B.低频天线单元 8C.金属底板
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图图3、图3A所示，本发明一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其是由十六个高频天线单元8A、一个低频天线单元8B、八个电感及一个金属底板8C构成；
参见图1、图1A所示，为其中一个高频天线单元，其由高频天线单元介质板1，第一高频天线枝节2A、2B，第一高频天线馈电单元2C以及第二高频天线枝节3A、3B，第二高频天线馈电单元3C组成。其中高频天线单元介质板长为a1、宽为b1，厚为c1，第一、第二高频天线枝节均为半径r1的开口90°的扇形结构，两枝节间距为a2。第一高频天线馈电单元2C的长度为a22、宽度为b22,其通过高频天线单元介质板的过孔1A、1B(半径为r11，过孔间距为a21),附在高频天线单元介质板底层，将第一高频天线枝节2A、2B连接起来；第二高频天线馈电单元3C的长度为a23、宽度为b23，其附在高频天线单元介质板上层，用于连接第二高频天线枝节3A、3B并馈电。
参见图2、图2A所示，为低频天线单元，其由低频天线单元介质板4，两个第一低频天线枝节5A、5B，第一低频天线馈电单元5C以及两个第二低频天线枝节6A、6B，第二低频天线馈电单元6C组成。其中低频天线单元介质板长为a3、宽为b3，厚为c3。第一、第二低频天线枝节均为半径r2的开口90°的扇形，同时中间减去距离圆心a44、半径为r21的开口100°～110°的扇形结构，两枝节水平间距为a4。第一低频天线馈电单元5C的长度为a42、宽度为b42,其通过介质板的过孔4A、4B(半径为r22，过孔间距为a43),附在低频天线单元介质板底层，将第一低频天线枝节5A、5B连接起来；第二低频天线馈电单元6C的长度为a41、宽度为b41，其附在低频天线单元介质板上层，用于连接第二低频天线枝节6A、6B并馈电。电感7A～7H分别加载在各低频天线枝节距离圆心为d处的切口处，其中，d＝0.75r2；。所述的切口为1～2mm。
参见图3、图3A所示，其中高频天线单元8A的各高频天线枝节用HXX±表示，第一个数字代表行数，第二个数字代表列数，正负号代表极化相位的符号(±45°)。天线外壳8的长为a0，宽为b0，高为c0，其中金属底板8C紧贴在天线外壳底部，高频天线单元8A距离天线外壳底部距离为c4，低频天线单元8B距离天线外壳底部距离为c2。每两个高频天线单元8A的中心横向距离为a7,纵向距离为b7；低频天线单元与距离其最近的高频天线单元H22的中心横向距离为a5、纵向距离为b5；高频天线单元H14距离天线外壳横向距离为a6、纵向距离为b6。
在本发明中，电感7A～7H电感值为1.6nH～180nH。
覆铜构形的尺寸约束：
在本发明中，考虑到天线实际应用场景，以波长λ为300mm～500mm作为高频天线约束尺寸设计：
a0＝(0.5～1.2)λ、b0＝(0.6～0.8)λ、c0＝(0.1～0.3)λ；
a1＝(0.02～0.1)λ、b1＝(0.02～0.1)λ、c1＝(0.001～0.005)λ、r1＝(0.01～0.05)λ；
a2＝(0.001～0.002)λ；
a21＝(0.001～0.005)λ、c2＝(0.1～0.2)λ、r11＝(0.01～0.05)λ；
a22＝(0.001～0.005)λ、b22＝(0.001～0.002)λ；
a23＝(0.001～0.005)λ、b23＝(0.001～0.002)λ；
a3＝(0.2～0.7)λ、b3＝(0.2～0.7)λ、c3＝(0.001～0.005)λ、r2＝(0.1～0.3)λ；
a4＝(0.002～0.006)λ、、c4＝(0.03～0.06)λ；
a41＝(0.01～0.03)λ、r21＝(0.08～0.28)λ、r22＝(0.04～0.2)λλ；b41＝(0.002～0.01)λ
a42＝(0.01～0.3)λ、b42＝(0.002～0.01)λ；
a43＝(0.01～0.3)λ；
a44＝(0.02～0.05)λ；
a5＝(0.02～0.08)λ、b5＝(0.05～0.1)λ；
a6＝(0.1～0.5)λ、b6＝(0.05～0.1)λ；
a7＝(0.1～0.3)λ；b7＝(0.1～0.3)λ；
d＝0.75r2＝(0.075～0.225)λ。
实施例1
实施例1的覆铜构形覆铜厚度为0.035mm，天线的尺寸如下：
a0＝344mm、b0＝250mm、c0＝63mm；
a1＝20mm、b1＝20mm、c1＝0.8mm、r1＝15mm；
a2＝0.4mm；
a21＝1.2mm、c2＝63mm、r11＝0.35mm；
a22＝1.2mm、b22＝0.7mm；
a23＝1.2mm、b23＝0.7mm；
a3＝200mm、b3＝200mm、c3＝0.8mm、r2＝82mm；
a4＝2mm、c4＝18mm；
a41＝5mm、b41＝1.5mm、r21＝67mm、r22＝1.5mm；
a42＝5mm、b42＝1.5mm；
a43＝5mm；
a44＝12.5mm；
a5＝21.5mm、b5＝31.25mm；
a6＝107.5mm、b6＝31.25mm；
a7＝43mm、b7＝62.5mm；
d＝61.5mm。
所加载电感值：1.8nH。
对实施例1采用S参数进行性能评价：图中虚线表示传统天线，实线表示设计的实施例1天线。
参见图4所示，S11参数表示单个高频天线单元8A的工作性能，在电感加载前后其在工作频率3.4GHz～4.6GHz处的性能基本不变。
参见图4A所示，S22参数表示低频天线单元8B的工作性能，在电感加载前后其在工作频率700MHz～940MHz处的性能基本不变。
参见图4B所示，本发明使用S12评价电感加载前后低频天线单元8B的一个枝节与高频天线单元H23-之间的隔离度，如图4B所示，在工作频率3.4GHz～4.4GHz处的耦合度改进后相较于传统天线普遍下降了5dB，即有效的抑制了天线在工作频带外的杂散发射，改善了天线的电磁兼容性。

Claims (7)

1.一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其特征在于：该基站组合天线是由十六个高频天线单元、一个低频天线单元、八个电感及一个金属底板构成；
所述高频天线单元由垂直放置的两个天线单元组成，其相位分别为±45°，其中一个天线单元由两个第一高频天线枝节以及穿过两个高频天线介质板过孔用于馈电的第一高频天线馈电单元构成，另一个天线单元由两个第二高频天线枝节以及第二高频天线馈电单元构成；高频天线单元均采用覆铜工艺制作在介质板的上面板上；
所述低频天线单元由垂直放置的两个环形天线单元组成，其相位分别为±45°，其中两个第一低频天线枝节以及穿过两个低频天线介质板过孔用于馈电的第一低频天线馈电单元构成一个环形天线单元，两个第二低频天线枝节以及第二低频天线馈电单元构成另一个环形天线单元；低频天线单元均采用覆铜工艺制作在介质板的上面板上；
所述第一、第二低频天线枝节上切割有间隙，所述间隙处安装有电感；
所述的金属底板紧贴在一天线外壳底部，十六个高频天线单元置于金属底板之上，处于同一水平面，构成4*4的矩阵，低频天线单元处于高频天线单元之上，位于板正中心正上方。
2.根据权利要求1所述的一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其特征在于：所述的第一、第二高频天线枝节均为半径r1的开口90°的扇形结构，两枝节间距为a2；第一高频天线馈电单元的长度为a22、宽度为b22,其通过高频天线单元介质板的过孔,附在高频天线单元介质板底层，将两个第一高频天线枝节连接起来；第二高频天线馈电单元的长度为a23、宽度为b23，其附在高频天线单元介质板上层，用于两个连接第二高频天线枝节并馈电；高频天线介质板过孔半径为r11，过孔间距为a21；其中，以波长λ为300mm～500mm作为约束尺寸，具体为：
r1＝(0.01～0.05)λ、a2＝(0.001～0.002)λ；
a22＝(0.001～0.005)λ、b22＝(0.001～0.002)λ；
a23＝(0.001～0.005)λ、b23＝(0.001～0.002)λ；
r11＝(0.01～0.05)λ、a21＝(0.001～0.005)λ。
3.根据权利要求1所述的一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其特征在于：所述的第一、第二低频天线枝节均为半径r2的开口90°的扇形，同时中间减去距离圆心a44、半径为r21的开口100°～110°的扇形结构，两枝节水平间距为a4；第一低频天线馈电单元的长度为a42、宽度为b42,其通过低频天线介质板过孔,附在低频天线单元介质板底层，将两个第一低频天线枝节连接起来；第二低频天线馈电单元的长度为a41、宽度为b41，其附在低频天线单元介质板上层，用于连接两个第二低频天线枝节并馈电；低频天线介质板过孔的半径为r22，过孔间距为a43；以波长λ为300mm～500mm作为约束尺寸，具体为：
r2＝(0.1～0.3)λ、a44＝(0.02～0.05)λ、r21＝(0.08～0.28)λ、a4＝(0.002～0.006)λ；
a42＝(0.01～0.3)λ、b42＝(0.002～0.01)λ；
a41＝(0.01～0.03)λ、b41＝(0.002～0.01)λ；
r22＝(0.04～0.2)λ、a43＝(0.01～0.3)λ。
4.根据权利要求1所述的一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其特征在于：所述的高频天线单元选用的波长为50mm～100mm；所述低频天线单元选用的波长为300mm～500mm。
5.根据权利要求1所述的一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其特征在于：所述覆铜工艺的覆铜厚度0.018～0.035mm。
6.根据权利要求1所述的一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其特征在于：所述的间隙为1～2mm的切口。
7.根据权利要求1所述的一种带有耦合抑制的用于4G与5G通信的基站组合天线，其特征在于：所述电感的电感值为1.6nH～180nH。
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