CN107834198B - 一种多波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多波束天线，其包括反射板与固定在所述反射板上的三列或以上的相互平行的低频阵列，相邻两列所述低频阵列的低频辐射单元错位设置；设置在所述低频阵列的各轴线上或/和沿所述低频阵列延伸方向两侧的频率选择表面。本发明在满足小型化的前提下，提高了所述低频辐射单元之间的隔离度与交叉极化，提高了天线性能，实现结构简单，成本低的目的。

Description

一种多波束天线

技术领域

本发明涉及通信基站天线领域，尤其涉及基于频段选择面的多波束天线。

背景技术

当前移动通信数据流量爆发式增长，对系统容量提出了越来越高的要求。为了应对密集城区、频发的赛事、节假日等人流量高密集度场景下超高话务量和数据量，最大化提高站点的使用效率，一个最有效的方法是采用多波束天线，将常规120°扇区再进行分裂，无需新增任何频谱资源和站点资源，提高运营商无线网络运行稳定性和承载容量。随着天线越来越要求小型化，在5G等大规模阵列中，传统相控阵的设计观念是首先独立地设计出一个宽带的相控阵单元，将其置于阵列环境工作，特别对于多波束天线，随着阵列单元距离越来越近，天线的间的互耦效应也影响到天线的性能。

现有技术中，存在两列和三列振子混合使用的阵列布局多波束天线或者是方形和三角形模块式组合布阵的天线。但都是工作在高频段(1710MHz以上)、窄频带，这种阵列布局并不适用于低频段、超宽带多波束天线(694-950MHz)，由于低频段波长太长，会导致多波束天线宽度太宽，无法达到小型化设计要求，而且也不能达到同样水平面旁瓣抑制效果。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种多波束天线，通过在低频阵列间加设频率选择面，在保证天线小型化尺寸的前提下，减少互耦，达到提高隔离度和交叉极化的技术效果。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种多波束天线，包括反射板和与所述反射板连接的侧板，还包括:

至少三列固定在所述反射板上且相互平行的低频阵列，相邻两列所述低频阵列的低频辐射单元错位设置；

设置在所述低频阵列的各轴线上或/和沿所述低频阵列延伸方向排布于所述侧板上的频率选择表面。

进一步地，所述多波束天线所述反射板上设置有与所述低频阵列平行且间隔设置的第一隔板，所述第一隔板于远离所述反射板的一侧设有多个凸起，所述凸起与所述第一隔板其中一侧相邻的所述低频辐射单元对应设置，所述第一隔板另一侧的低频辐射单元与相邻两个凸起限定的缺口对应设置。

进一步地，设置在所述低频阵列的轴线上的所述频率选择表面为第一频率选择表面，其设置在同一列相邻两个低频辐射单元之间。

进一步地，所述第一频率选择表面为设置在第二隔板上，并且所述第二隔板与相邻两个所述低频辐射单元的间距相等。

进一步地，所述第一频率选择表面为蚀刻在第二隔板上，所述第二隔板为PCB板。

进一步地，所述第一频率选择表面为在第二隔板上开设的槽缝结构。

进一步地，所述第一频率选择表面由四个相对设置且呈L型的第一槽缝和横设在所述第一槽缝中间且呈“I”字型的第二槽缝组成。

进一步地，所述第一频率选择表面具有窄频带的第一谐振频点和第二谐振频点，其中，所述第一槽缝的长度为所述第一谐振频点波长的0.25倍，所述第二槽缝的长度为所述第二谐振频点波长的0.5倍。

进一步地，所述第一槽缝和所述第二槽缝的槽缝宽度为所述多波束天线的中心频点波长的0.005倍。

进一步地，所述第一隔板所述凸起的高度为所述多波束天线的中心频点波长的0.25-0.5倍，其长度为中心频点波长0.25-0.5倍。

进一步地，所述第二隔板的高度为所述多波束天线的中心频点波长的0.25-0.5倍。

进一步地，设置在沿所述低频阵列延伸方向两侧的所述频率选择表面为第二频率选择表面，其沿着所述低频阵列的延伸方向排布且位于所述侧板上。

进一步地，所述第二频率选择表面为一对对称的U型槽缝结构，所述U型槽缝结构具有窄频带的第三谐振频点和第四谐振频点，该U型槽缝结构包括相互平行的第三槽缝和第四槽缝及连接第三、第四槽缝的第五槽缝；其中；

所述第三槽缝长度为第三谐振频点波长的0.25倍，距离所述反射板底面高度为第三谐振频点波长的0.2-0.4倍；所述第四槽缝长度为第四谐振频点波长的0.25倍，距离所述反射板底面高度为第四谐振频点波长的0.04-0.1倍；并且所述第三槽缝和所述第四槽缝的长度不相等。

进一步地，所述对称的U型槽缝结构的槽缝宽度为所述多波束天线的中心频点波长的0.005倍。

进一步地，所述一对U型槽缝结构的第五槽缝相互平行或重合。

相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：

本发明的多波束天线中，天线阵列由处于不同列的低频辐射单元三角形错开构成，增大低频辐射单元距离，该天线还设置与所述低频阵列平行且间隔设置的第一隔板以及在所述低频阵列的各轴线上或/和沿所述低频阵列延伸方向排布于所述侧板上的频率选择表面。频率选择面结构具有一个或者多个谐振频率，具有一定的带通特性，而且其具有的特定电磁波谐振特性与低频辐射单元辐射场形成一种耦合寄生电流，从而可减少天线工作频带内振子单元之间的互耦，实现“解耦”作用，提高了所述低频辐射单元之间的隔离度与交叉极化，从而实现多波束天线在减少天线物理尺寸同时，提高了天线性能，简化天线结构，降低成本。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的多波束天线和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明提供的一种多波束天线的立体图；

图2为图1所示的多波束天线的俯视图；

图3为本发明中的所述第一隔板的局部立体示意图；

图4a-d为本发明中位于所述第一隔板上的关于所述第一频率选择表面的其他开槽单元的结构示意图；

图5为本发明中的所述反射板的局部立体示意图；

图6a为本发明中位于所述反射板的所述边缘挡板的所述第一频率选择表面的第一实施方式的示意图；

图6b为本发明中位于所述反射板的所述边缘挡板的所述第一频率选择表面的第二实施方式的示意图；

图7为本发明中的所述馈电网络的结构示意图；

图8为本发明中所述第一频率选择表面的传输特性曲线图；

图9为本发明中所述第二频率选择表面的传输特性曲线图；

图10为本发明提供的一种多波束天线的立体图的另一实施例；

图11为图10所述实施例中所述馈电网络的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

针对工作频段为690MHz～960MHz的基站天线，本发明提供一种多波束天线，解决现有技术中不能同时具备小型化和高隔离度、高交叉极化的技术问题。

本发明的一种多波束天线，包括反射板100、与所述反射板100连接的侧板110、至少三列固定在所述反射板100上的轴向相互平行的低频阵列，以及为所述低频阵列馈电的馈电网络。为便于描述，本发明以该多波束天线包括三列低频阵列为例进行说明，如图1、图2所示，该多波束天线1000的三列所述低频阵列分别定义为第一低频阵列10、第二低频阵列20、第三低频阵列30，三列低频阵列10、20、30沿所述反射板宽度方向依次排列，第二低频阵列20位于三阵列的中间位置。该三列所述低频阵列的低频辐射单元40在同一平面内交错设置，该设置有效缩小天线的尺寸。

该多波束天线还包括平行且间隔设置于所述低频阵列之间的第一隔板50，以及至少设置在所述低频阵列的轴线上和所述低频阵列两侧的其中一处的频率选择表面。

所述第一隔板50与所述第一、第二、第三低频阵列10、20、30间隔设置且与相邻的两列所述低频阵列的距离相等。所述第一隔板50上于远离所述反射板100的一侧间隔设有多个凸起51。如图1-2所示，三列阵列之间设有两个所述第一隔板50，任一所述第一隔板50的凸起51与所述第一低频阵列10和所述第三低频阵列30上的所述低频辐射单元40对应设置，对应地，由相邻两个所述凸起51限定的缺口52与所述第二低频阵列20上的所述低频辐射单元40对应设置，也即所述凸起和缺口分别对应第一隔板两侧的低频辐射单元设置。由于该凸起51的高度略高于阵列间的隔板的通常设计高度，因此其可抑制所述第一低频阵列10与所述第三低频阵列30在空间上的电磁波耦合。

在本实施例中，所述凸起51长度为所述多波束天线的中心频点波长的0.25-0.5倍。

除了所述第一隔板50，所述多波束天线还包括设置在所述低频阵列10、20、30的各个轴线上或/和沿所述低频阵列延伸方向排布于所述侧板的频率选择表面。

本发明主要基于频率选择面的使用，达到提高隔离度与交叉极化的技术效果。其具体的设计可以为：

所述设置在所述低频阵列10、20、30的各轴线上的频率选择表面为第一频率选择表面，其设置在与同一单列且相邻两个低频辐射单元之间等距间隔的第二隔板上，所述第二隔板和与其相邻的两个低频辐射单元的间距相等。此外，第一频率选择表面可以是是蚀刻在第二隔板上，所述第二隔板为PCB板。

所述第一隔板50和所述第二隔板60均为金属材质。

由图1、图2可知，所述第二隔板60置于每列所述低频阵列的轴线上，其与同轴的所述低频辐射单元40等距间隔设置。每一所述第二隔板60上开设所述第一频率选择表面61，该第一频率选择表面61由四个相对设置的L型的第一槽缝和横设于所述第一槽缝中间并呈“I”字型的第二槽缝组成。如图3所示，所述第一槽缝分别为611、612、613、614，其尺寸相同，形成一个虚线矩形框，所述第二槽缝615位于该虚线矩形框的正中间。由于所述第二隔板60的尺寸相同，与其相邻两侧的所述低频辐射单元40的距离相等，如果所述虚线矩形框位于所述第二隔板60正中间，那么相邻的两个虚线矩形框的距离也相同。优选地，所述第一槽缝611、612、613、614和所述第二槽缝615的槽缝宽度为所述多波束天线的中心频点波长的0.005倍。

如图8所示，所述第一频率选择表面61分别在较低频段和较高频段具有两个谐振频点，在谐振频点附近都产生了窄工作频段，此时频段的透射特性S21接近于0，即在该两个谐振频点触具有较好的带通特性。所述两个谐振频点分别是第一谐振频点和第二谐振频点，所述第一槽缝611、612、613、614的长度是所述第一谐振频点波长的0.25倍，所述第二槽缝615的长度为所述第二谐振频点波长的0.5倍。因此，所述第二隔板60也因此具有较好的带通特性。所述第一频率选择表面61之间的频率选择面还可以是如图4a-4d所示的另几种开槽单元结构，其位置与现在的频率选择面一样，整体尺寸满足选定的工作频段的谐振频点波长的整数倍长度。

在本实施例中，该第二隔板60的高度为所述多波束天线的中心频点波长的0.25-0.5倍，其长度为与其相邻两个所述低频辐射单元40距离的0.6-0.8倍。

在任意实施例中，在上述所述的多波束天线中，还可以设置有第二频率选择表面，其沿着所述低频阵列10、20、30的延伸方向间隔分布且位于所述侧板110上，使该双波束天线进一步提升频率的透射性，提高抑制水平栅瓣的技术效果。

如图5所示，在两所述侧板110上设有多个第二频率选择表面120，所述第二频率选择表面120的延伸方向与所述低频阵列10、20、30的延伸方向平行。

根据图6a-6b所示，所述第二频率选择表面为一对称的U型槽缝结构，所述U型槽缝结构包括平行于所述反射板100的两槽缝，其分别是第三槽缝121，121’和第四槽缝122，122’，所述第三槽缝121，121’和各自对应第四槽缝122，122’的长度不一致；所述第三槽缝121，121’和所述第四槽缝122，122’之间以第五槽缝123，123’相连接，所述第五槽缝123，123’分别垂直于所述第三槽缝121，121’和所述第四槽缝122，122’。

如图9所示，所述第二频率选择表面分别在较高频段也具有两个谐振频点，在谐振频点附近都产生了窄工作频段，此时频段的透射特性S21接近于0，即在该两个谐振频点触具有较好的带通特性。所述两个谐振频点分别是第三谐振频点和第四谐振频点，所述第三槽缝121的长度是所述第三谐振频点波长的0.25倍，距离所述反射板100底面高度为第三谐振频点波长的0.2-0.4倍；所述第四槽缝122的长度为所述第四谐振频点波长的0.25倍，距离所述反射板100底面高度为第四谐振频点波长的0.04-0.1倍。因此，所述侧板110也具有较好的带通特性。

对称的两侧所述U型槽缝结构中，所述第五槽缝可平行或重合。如图6a，当所述第五槽缝为左右侧相互平行的第五槽缝123时，其分别连接的所述第三槽缝121，121’和所述第四槽缝122，122’相互分离。如图6b，当所述第五槽缝为重合的第五槽缝123’时，其垂直连接两侧的所述第三槽缝121，121’和所述第四槽缝122，122’也分别对应连接。

所述U型槽缝结构的槽缝宽度为所述多波束天线的中心频点波长的0.005倍。

上述的所述第一频率选择表面和所述第二频率选择表面可以在所述多波束天线上同时使用或只用其中一种频率选择表面，其共同的目的均是达到抑制水平栅瓣的技术效果。

本实施例中所述多波束天线的馈电网络70的结构如图7所示，其包括巴特勒电桥矩阵71和相位补偿电路72。每个波束信号经过移相器，波束形成网络以及天线阵列向空间发射。本实施例中，采用2X3巴特勒电桥矩阵，两个波束的射频信号经过移相器后直接馈入电桥的两个输入端a1和a2输入，在三个输出端b1、b2、b3输出，然后再连接到三列所述低频阵列，其中所述巴特勒电桥矩阵71的中间输出端口b2连接所述相位补偿电路72，所述相位补偿电路72连接所述第二低频阵列20，用于补偿阵列错位的相位，抑制水平面栅瓣，达到波束变窄、提高天线的分辨率。

对于本发明提供的多波束天线，可包括有四列低频阵列，如图10所示，该多波束天线分别包括第四低频阵列210、第五低频阵列220、第六低频阵列230和第七低频阵列240。与包括有所述三列低频阵列10、20、30的多波束天线1000的区别在于馈电网络270，其包括巴特勒电桥矩阵271和相位补偿电路272，相应地，所述巴特勒电桥矩阵271为2X4巴特勒电桥矩阵，两个波束的射频信号经过移相器后直接馈入电桥的两个输入端c1和c2输入，经过所述巴特勒电桥矩阵271后，信号通过两级输出端口传输至低频阵列中，一级输出端口为两个输出端d1和d2，二级输出端口为一级输出端口d1和d2再各自分为两个输出端e1和e2，e3和e4。所述四个二级输出端口e1和e2，e3和e4分别对两相邻的所述第四低频阵列210和所述第五低频阵列220、所述第六低频阵列230和所述第七低频阵列240分别馈电，其中输出端口e2和e4分别通过所述相位补偿电路连接所述第五低频阵列220和所述第七低频阵列240，从图11所示。所述第五低频阵列220和所述第七低频阵列240为相互间隔低频阵列的位置关系。

本发明通过在包括三列或四列平行且错位排列低频阵列的多波束天线，增加了所述低频辐射单元之间的距离，有益于小型化的实现。同时该多波束天线加设了位于所述低频阵列中的设有所述第一频率选择表面的所述第二隔板以及位于相邻所述低频阵列之间的所述第一隔板，以及位于所述反射板两侧的设有所述第二频率选择表面的所述侧板。上述频率选择面周期单元结构具有一个或者多个谐振频率，通过利用频率选择面对不同的频率、极化状态和入射角度的电磁波具有不同的频率选择特性，当频率选择面处于谐振状态时，入射电磁波发生全反射或者全透射，开孔、槽形的频率选择面阻抗特性呈现感性，可以由电磁场和等效磁流的角度得到结论，频率选择面在谐振时呈现完全透射状态，可实现一定带宽的通带特性。同时频率选择面具有的特定电磁波谐振特性与振子单元辐射场形成一种耦合寄生电流，既可减少天线工作频带内振子单元之间的互耦，实现“解耦”作用，提高了单元之间的隔离度与交叉极化。同时本发明中，包括巴特勒电桥矩阵和相位补偿电路的馈电网络有效抑制水平面栅瓣，提高天线的分辨率。本发明中的一种多波束天线在减少天线物理尺寸同时，提高了天线性能，实现简单，成本低。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多波束天线，包括反射板和与所述反射板连接的侧板，其特征在于，还包括:

至少三列固定在所述反射板上且相互平行的低频阵列，相邻两列所述低频阵列的低频辐射单元错位设置；

在所述低频阵列的各轴线上和沿所述低频阵列延伸方向排布于所述侧板上分别设置有第一频率选择表面和第二频率选择表面；

第一频率选择表面设置在同一列相邻两个低频辐射单元之间的第二隔板上，所述第二隔板与相邻两个所述低频辐射单元的间距相等；所述第一频率选择表面由四个相对设置且呈L型的第一槽缝和横设在所述第一槽缝中间且呈“I”字型的第二槽缝组成；所述第一频率选择表面具有窄频带的第一谐振频点和第二谐振频点，其中，所述第一槽缝的长度为所述第一谐振频点波长的0.25倍，所述第二槽缝的长度为所述第二谐振频点波长的0.5倍。

2.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于：所述多波束天线所述反射板上设置有与所述低频阵列平行且间隔设置的第一隔板，所述第一隔板于远离所述反射板的一侧设有多个凸起，所述凸起与所述第一隔板其中一侧相邻的所述低频辐射单元对应设置，所述第一隔板另一侧的低频辐射单元与相邻两个凸起限定的缺口对应设置。

3.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于：所述第一频率选择表面为蚀刻在第二隔板上，所述第二隔板为PCB板。

4.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于：所述第一槽缝和所述第二槽缝的槽缝宽度为所述多波束天线的中心频点波长的0.005倍。

5.根据权利要求2所述的多波束天线，其特征在于：所述第一隔板所述凸起的高度为所述多波束天线的中心频点波长的0.25-0.5倍，其长度为中心频点波长0.25-0.5倍。

6.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于：所述第二隔板的高度为所述多波束天线的中心频点波长的0.25-0.5倍。

7.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于：所述第二频率选择表面为一对对称的U型槽缝结构，所述U型槽缝结构具有窄频带的第三谐振频点和第四谐振频点，该U型槽缝结构包括相互平行的第三槽缝和第四槽缝及连接第三、第四槽缝的第五槽缝；其中；

所述第三槽缝长度为第三谐振频点波长的0.25倍，距离所述反射板底面高度为第三谐振频点波长的0.2-0.4倍；所述第四槽缝长度为第四谐振频点波长的0.25倍，距离所述反射板底面高度为第四谐振频点波长的0.04-0.1倍；并且所述第三槽缝和所述第四槽缝的长度不相等。

8.根据权利要求7所述的多波束天线，其特征在于：所述对称的U型槽缝结构的槽缝宽度为所述多波束天线的中心频点波长的0.005倍。

9.根据权利要求8所述的多波束天线，其特征在于：所述一对U型槽缝结构的第五槽缝相互平行或重合。