CN107834177A - 一种带有耦合单元的高隔离度大规模mimo基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，由十六个双极化天线单元、九个H型交叉耦合单元、一个金属底板及天线外壳构成；双极化天线单元由垂直相交放置的两个单元组成，相位分别为±45°；H型交叉耦合单元由耦合单元介质板，两个垂直的H型结构枝节构成；金属底板紧贴在天线外壳底部，双极化天线单元、H型交叉耦合单元位于金属底板正上方，水平放置；双极化天线单元按照4*4的矩阵均匀排列，H型耦合单元按照3*3的矩阵均匀排列。本发明能抑制5G大规模基站天线组合后在工作频带内的杂散发射，增强了基站天线的电磁兼容性；能改善两种天线间的隔离度，使互耦得到抑制；无需彻底改变天线形状，制作简单。

Description

一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线
技术领域
本发明一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，涉及一种用于5G通信的基站天线，天线间由H型的耦合单元间隔，并由此提高同频天线单元间的隔离度。本发明的耦合单元适用于多类同频天线间的耦合抑制。
背景技术
随着通信网络的日益发展及3G与4G技术的推广与应用，移动用户对于更快的数据传输以及更好的移动设备的需求越发的强烈。未来，衣服，车，火车，传感器等超过50亿的东西都将与移动网络相连接。相比于现在的网络，他们将会以10-100倍的速度，传输相当于现在数据量1000倍的数据，一些国家和地区的工程师们已经开始第五代移动通信(5G)相关标准的制定。世界无线电通信大会将3.5GHz C频段(3400-3600MHz)分配用于的未来宽带移动服务，因此，考虑到未来的5G通信应用，具有工作于C频段的MIMO天线的移动设备是未来的研发方向。5G时代已经到来。以5G相关频率范围而展开的基站Massive MIMO天线的设计已经成为一种趋势。
然而，在使用大规模MIMO天线作为室内外基站天线时，由于是通过多个同频天线组阵，导致相同极化方向的同频天线单元间的耦合特别大，对基站天线的整体辐射性能有很大影响。以往针对此类隔离度问题时，往往使用的方法是增大天线间的距离。而且，在目前对天线总尺寸的限制条件下，天线间的间距越来越小，因此，对于同频天线间的耦合问题，需要使用不影响整体尺寸结构的全新的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，为了抑制工作频带重合的天线之间的电磁耦合问题，本发明针对这种情况在基站天线中的干扰，设计了一种H型耦合单元。该耦合单元通过作用于5G通信的大规模MIMO天线中间，提高了同频天线的隔离度。
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，仅通过加载耦合单元实现了应用中的天线整改。
本发明设计了一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其是由十六个双极化天线单元、九个H型交叉耦合单元、一个金属底板及天线外壳构成；
所述双极化天线单元由垂直相交放置的两个单元组成，其相位分别为±45°，其中两个第一天线枝节以及穿过两个介质板过孔的用于馈电的第一天线馈电枝节构成一个单元，两个第二天线枝节以及第二天线馈电枝节构成另一个单元。双极化天线单元均采用覆铜工艺制作在天线单元介质板的上面板上。覆铜构形的覆铜厚度0.018～0.035mm。
其中，所述的第一、第二天线枝节均为半径r1、开口90°的扇形结构，两天线枝节间距为a10。第一天线馈电枝节的长度为a12、宽度为b12,其通过两个介质板过孔附在天线单元介质板底层，将两个第一天线枝节连接起来；第二天线馈电枝节的长度为a13、宽度为b13，其附在天线单元介质板上层，用于连接两个第二天线枝节并馈电。其中，介质板过孔半径为r11，过孔间距为a11。以波长λ为50mm～100mm作为天线约束尺寸，具体如下：
r1＝(0.1～0.3)λ、a10＝(0.001～0.006)λ；
a12＝(0.01～0.02)λ、b12＝(0.1～0.2)λ；
a13＝(0.01～0.02)λ、b13＝(0.1～0.2)λ；
r11＝(0.003～0.004)λ、a11＝(0.01～0.02)λ。
参考图2，所述H型交叉耦合单元由耦合单元介质板，以及两个垂直的H型结构枝节构成。第一H型结构枝节采用覆铜工艺制作在耦合单元介质板的下面板上，第二H型结构枝节采用覆铜工艺制作在耦合单元介质板的上面板上。覆铜构形的覆铜厚度0.018～0.035mm。其中，第二H型结构枝节由三个长方形组合而成，上下两个较短长方形，尺寸分别为长b23*宽a23、长b24*宽a24，连接上下两个长方形的中间较长的长方形长为a26，宽为b26。第一H型结构枝节也由三个长方形组合而成，上下两个长方形尺寸分别为长b21*宽a21、长b22*宽a22，连接上下两个长方形的中间较长的长方形长为a25，宽为b25。两个H型结构枝节均水平放置，但角度相差90°。以波长λ为50mm～100mm作为天线约束尺寸，具体如下：
a21＝(0.005～0.03)λ、b21＝(0.03～0.18)λ；
a22＝(0.005～0.003)λ、b22＝(0.03～0.18)λ；
a23＝(0.005～0.03)λ、b23＝(0.03～0.18)λ；
a24＝(0.005～0.03)λ、b24＝(0.03～0.18)λ；
a25＝(0.06～0.36)λ、b25＝(0.005～0.03)λ；
a26＝(0.06～0.36)λ、b26＝(0.005～0.03)λ；
参见图3、图3A所示，本发明一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其由天线外壳、16个双极化天线单元、9个H型交叉耦合单元、1个金属底板组成。其中双极化天线单元的各单元用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°)。金属底板紧贴在天线外壳底部，双极化天线单元位于金属底板正上方，水平放置。H型交叉耦合单元置于双极化天线单元同一平面，亦水平放置。双极化天线单元和H型交叉耦合单元均放置在同一块大介质板上。H型交叉耦合单元的各单元用MXX±表示，第一个数字代表行数，第二个数字代表列数，正负号代表角度的符号(±45°)。H型交叉耦合单元M22位于整体的正中间，双极化天线单元按照4*4的矩阵均匀排列，H型耦合单元按照3*3的矩阵均匀排列。
其中，每两个双极化天线单元的中心横向距离为a31,纵向距离为b31；M22H型交叉耦合单元距离双极化天线单元H22横向距离为a32、纵向距离为b32；双极化天线单元H14距离天线外壳横向距离为a33、纵向距离为b33，以波长λ为50mm～100mm作为天线约束尺寸，具体如下：
a31＝(0.3～0.6)λ、b31＝(0.3～0.9)λ；
a32＝(0.15～0.3)λ、b32＝(0.15～0.45)λ；
a33＝(1～1.3)λ、b33＝(0.15～0.45)λ。
在本发明中，所述双极化天线单元选用的波长为50mm～100mm。
本发明设计的一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线的优点在于：
①通过在用于5G通信的双极化天线间加载天线耦合单元，能够有效抑制5G大规模基站天线组合后在工作频带内的杂散发射，增强了基站天线的电磁兼容性。
②本发明的耦合单元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，耦合单元的位置和尺寸可根据实际情况变化，无需彻底改变天线形状，制作简单，对原始天线的性能影响很小。
附图说明
图1是本发明双极化天线单元的结构图。
图1A是本发明双极化天线单元的分解图。
图2是本发明H型交叉耦合单元的结构图。
图3是本发明一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线的阵列组合示意图。
图3A是本发明一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线的阵列组合正视图。
图4是实施例1尺寸的添加H型交叉耦合单元前后天线单元S11参数对比图。
图4A是实施例1尺寸的添加H型交叉耦合单元前后相邻天线间耦合S12参数对比图。
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。
本发明设计了一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其是由十六个双极化天线单元3A、九个H型交叉耦合单元3B、一个金属底板3C构成；
参见图1、图1A所示，为其中一个双极化天线单元3A，其由天线单元介质板1.1A，第一天线枝节1.2A、1.2B，第一天线馈电枝节1.2C，以及第二天线枝节1.3A、1.3B，第二天线馈电单元1.3C共同组成。其中天线单元介质板长为a1、宽为b1，厚为c1，第一、第二天线枝节均为半径r1、开口90°的扇形结构、两天线枝节间距为a10。第一天线馈电枝节1.2C的长度为a12、宽度为b12,其通过两个介质板过孔1.1B、1.1C(半径为r11)，过孔间距为a11,附在天线单元介质板底层，将第一天线枝节1.2A、1.2B连接起来；第二天线馈电枝节1.3C的长度为a13、宽度为b13，其附在天线单元介质板上层，用于连接第二天线枝节1.3A、1.3B并馈电。
参见图2所示，为其中一个H型交叉耦合单元3B，其由耦合单元介质板2.1A、第一H型结构枝节2.2A、第二H型结构枝节2.2B构成。第一H型结构枝节2.2A采用覆铜工艺制作在耦合单元介质板的下面板上，第二H型结构枝节2.2B采用覆铜工艺制作在耦合单元介质板的上面板上，且相互垂直，无馈电结构。其中，第二H型结构枝节2.2B由三个长方形组合而成，上下两个较短长方形，尺寸分别为长b23*宽a23、长b24*宽a24，连接上下两个长方形的中间较长的长方形长为a26，宽为b26。第一H型结构枝节2.2A也由三个长方形组合而成，上下两个长方形尺寸分别为长b21*宽a21、长b22*宽a22，连接上下两个长方形的中间较长的长方形长为a25，宽为b25。两个H型结构枝节均水平放置，但角度相差90°。
参见图3、图3A所示，为本发明一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其由天线外壳3、16个双极化天线单元3A、9个H型交叉耦合单元3B、1个金属底板3C组成。金属底板3C紧贴在天线外壳3底部，双极化天线单元3A位于金属底板正上方，水平放置。H型交叉耦合单元3B置于双极化天线单元3A同一平面，亦水平放置。双极化天线单元和H型交叉耦合单元均放置在同一块大介质板上。其中双极化天线单元3A的各单元用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3的长为a3，宽为b3，高为c3，其中金属底板3C紧贴在天线外壳3底部，双极化天线单元3A距离外壳底部距离为c31，水平放置。H型交叉耦合单元3B距离外壳底部c31，与天线同一平面，亦水平放置。每两个双极化天线单元的中心横向距离为a31,纵向距离为b31；H型交叉耦合单元的各单元用MXX±表示，第一个数字代表行数，第二个数字代表列数，正负号代表角度的符号(±45°)。H型交叉耦合单元M22位于整体的正中间，M22H型交叉耦合单元距离双极化天线单元H22横向距离为a32、纵向距离为b32；双极化天线单元H14距离天线外壳横向距离为a33、纵向距离为b33。
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50mm～100mm作为天线约束尺寸设计：(这里波长的选择和频率成一定的关系，波长＝光速/频率，5G的频带范围是3GHz-6GHz,对应的带宽也就是50～100mm)
a1＝(0.1～0.5)λ、b1＝(0.1～0.5)λ、c1＝(0.003～0.015)λ、r1＝(0.1～0.3)λ；
a10＝(0.001～0.006)λ；
a11＝(0.01～0.02)λ、r11＝(0.003～0.004)λ；
a12＝(0.01～0.02)λ、b12＝(0.1～0.2)λ；
a13＝(0.01～0.02)λ、b13＝(0.1～0.2)λ；
a2＝(0.2～0.7)λ、b2＝(0.2～0.7)λ、c2＝(0.001～0.01)λ；
a21＝(0.005～0.03)λ、b21＝(0.03～0.18)λ；
a22＝(0.005～0.003)λ、b22＝(0.03～0.18)λ；
a23＝(0.005～0.03)λ、b23＝(0.03～0.18)λ；
a24＝(0.005～0.03)λ、b24＝(0.03～0.18)λ；
a25＝(0.06～0.36)λ、b25＝(0.005～0.03)λ；
a26＝(0.06～0.36)λ、b26＝(0.005～0.03)λ；
a3＝(3～3.5)λ、b3＝(2.2～2.7)λ、c3＝(0.2～1)λ；
a31＝(0.3～0.6)λ、b31＝(0.3～0.9)λ；
a32＝(0.15～0.3)λ、b32＝(0.15～0.45)λ；
a33＝(1～1.3)λ、b33＝(0.15～0.45)λ；
实施例1
实施例1：双极化天线单元以及H型交叉耦合单元的覆铜构形覆铜厚度为0.035mm。其他具体尺寸如下：
a1＝20mm、b1＝20mm、c1＝0.8mm、r1＝15mm；
a10＝0.4mm；
a11＝1.2mm、r11＝0.35mm；
a12＝1.2mm、b12＝0.7mm；
a13＝1.2mm、b13＝0.7mm；
a2＝35mm、b2＝35mm、c2＝0.8mm；
a21＝2mm、b21＝12mm；
a22＝2mm、b22＝12mm；
a23＝2mm、b23＝12mm；
a24＝2mm、b24＝12mm；
a25＝24mm、b25＝2mm；
a26＝24mm、b26＝2mm；
a3＝344mm、b3＝250mm、c3＝63mm；
a31＝43mm、b31＝62.5mm；
a32＝21mm、b32＝31.25mm；
a33＝107.5mm、b33＝31.25mm；
对实施例1采用S参数进行性能评价，仅考虑H11以及H22的耦合，以及M11的作用：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，S11参数表示两个天线3A的工作性能，在耦合单元加载前后其在工作频率3.4GHz～4.6GHz处的性能基本不变，整体工作频带平移了200MHz左右。
参见图4A所示，S12参数表示两天线H11+、H22+的隔离度，在电感加载前后其在工作频率3.4GHz～5.2GHz处的耦合被抑制超过10dB，最多处可以达到25dB，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 (6)

1.一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其特征在于：该基站天线是由十六个双极化天线单元、九个H型交叉耦合单元、一个金属底板及天线外壳构成；
所述双极化天线单元由垂直相交放置的两个单元组成，其相位分别为±45°，其中两个第一天线枝节以及穿过两个介质板过孔的用于馈电的第一天线馈电枝节构成一个单元，两个第二天线枝节以及第二天线馈电枝节构成另一个单元；双极化天线单元均采用覆铜工艺制作在天线单元介质板的上面板上；
所述H型交叉耦合单元由耦合单元介质板，以及两个垂直的H型结构枝节构成；第一H型结构枝节采用覆铜工艺制作在耦合单元介质板的下面板上，第二H型结构枝节采用覆铜工艺制作在耦合单元介质板的上面板上；
金属底板紧贴在天线外壳底部，十六个双极化天线单元位于金属底板正上方，水平放置；九个H型交叉耦合单元置于双极化天线单元同一平面，亦水平放置；双极化天线单元和H型交叉耦合单元均放置在同一块大介质板上；双极化天线单元按照4*4的矩阵均匀排列，H型耦合单元按照3*3的矩阵均匀排列。
2.根据权利要求1所述的一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其特征在于：所述的第一、第二天线枝节均为半径r1、开口90°的扇形结构，两天线枝节间距为a10；第一天线馈电枝节的长度为a12、宽度为b12,其通过两个介质板过孔附在天线单元介质板底层，将两个第一天线枝节连接起来；第二天线馈电枝节的长度为a13、宽度为b13，其附在天线单元介质板上层，用于连接两个第二天线枝节并馈电；其中，介质板过孔半径为r11，过孔间距为a11；以波长λ为50mm～100mm作为天线约束尺寸，具体如下：
r1＝(0.1～0.3)λ、a10＝(0.001～0.006)λ；
a12＝(0.01～0.02)λ、b12＝(0.1～0.2)λ；
a13＝(0.01～0.02)λ、b13＝(0.1～0.2)λ；
r11＝(0.003～0.004)λ、a11＝(0.01～0.02)λ。
3.根据权利要求1所述的一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其特征在于：所述的第二H型结构枝节由三个长方形组合而成，上下两个较短长方形，尺寸分别为长b23*宽a23、长b24*宽a24，连接上下两个长方形的中间较长的长方形长为a26，宽为b26；第一H型结构枝节也由三个长方形组合而成，上下两个长方形尺寸分别为长b21*宽a21、长b22*宽a22，连接上下两个长方形的中间较长的长方形长为a25，宽为b25；两个H型结构枝节均水平放置，但角度相差90°；以波长λ为50mm～100mm作为天线约束尺寸，具体如下：
a21＝(0.005～0.03)λ、b21＝(0.03～0.18)λ；
a22＝(0.005～0.003)λ、b22＝(0.03～0.18)λ；
a23＝(0.005～0.03)λ、b23＝(0.03～0.18)λ；
a24＝(0.005～0.03)λ、b24＝(0.03～0.18)λ；
a25＝(0.06～0.36)λ、b25＝(0.005～0.03)λ；
a26＝(0.06～0.36)λ、b26＝(0.005～0.03)λ。
4.根据权利要求1所述的一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其特征在于：所述的双极化天线单元的各单元用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；所述的H型交叉耦合单元的各单元用MXX±表示，第一个数字代表行数，第二个数字代表列数，正负号代表角度的符号；每两个双极化天线单元的中心横向距离为a31,纵向距离为b31；H型交叉耦合单元M22位于整体的正中间，且距离双极化天线单元H22横向距离为a32、纵向距离为b32；双极化天线单元H14距离天线外壳横向距离为a33、纵向距离为b33，以波长λ为50mm～100mm作为天线约束尺寸，具体如下：
a31＝(0.3～0.6)λ、b31＝(0.3～0.9)λ；
a32＝(0.15～0.3)λ、b32＝(0.15～0.45)λ；
a33＝(1～1.3)λ、b33＝(0.15～0.45)λ。
5.根据权利要求1所述的一种带有耦合单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其特征在于：所述的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单元的高隔离度大规模MIMO基站天线，其特征在于：所述双极化天线单元选用的波长为50mm～100mm。
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