CN107978831B - 一种弱耦合电桥及基于该电桥的双频共轴阵列天线 - Google Patents

一种弱耦合电桥及基于该电桥的双频共轴阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弱耦合电桥及其应用的双频共轴阵列天线，所述弱耦合电桥采用两条微带线实现，包括耦合段、过渡段和四个端口，所述四个端口分别包括输入端、耦合端、直通端、隔离端，两条微带线在相互平行的耦合段构成耦合微带线，在过渡段实现阻抗匹配。所述双频共轴阵列天线给所述低频辐射单元馈电的电缆通过弱耦合电桥与所述两列辐射单元阵列中的低频辐射单元连接。本发明具有性能优良、结构紧凑、成本低廉，便于批量生产的优点，特别适用于基站天线中低频振子的各种赋形应用。

Description

一种弱耦合电桥及基于该电桥的双频共轴阵列天线
【技术领域】
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种应用于双频共轴阵列天线的弱耦合电桥。
【背景技术】
电桥作为一种具有信号分离、合并和隔离功能的四端口器件，在微波- 射频电路中得到广泛应用。通过波导缝隙、带线、微带之间的耦合，或者环形通路上分支线信号叠加等方法，电桥将输入信号分成两路，从称为直通端和耦合端的端口输出，与此同时剩下的一个端口(隔离端)与输入端之间保持高度隔离。由于耦合端和隔离端位于同一传输线的两端从而信号通路表现出显著的方向性，因此电桥又被称为定向耦合器。电桥在基站天线中常用作端口扩展、单元复用、波束成形或构建更为复杂电路，如：多路电桥、Butler 矩阵等的基本单元。虽然电桥应用十分广泛，然而绝大多数都是3dB电桥，即：耦合端和直通端信号强度相同，相位相差90度。而基站天线出于波束成形的目的，有时候希望将输入信号分成一路较强的激励信号和一路较弱的激励信号分别加载到主阵元和辅助阵元，从而获得期望的辐射波束；出于对称性，主阵元和辅助阵元是互易的，由此馈电网络也要具有互易性，这就使小型化、低损耗、高隔离的弱耦合电桥成为不二之选。面对上述日益增长的赋形需求，3dB电桥已经难以满足要求，而亟需开发尺寸更小、性能更优、成本更低的小型化弱耦合电桥。可以预见，小型化弱耦合电桥在即将到来的5G 时代市场需求将呈现爆发式增长。
因此，提供一种小型化、性能优越、成本低、低损耗、高隔离的弱耦合电桥实为必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种小型化、性能优越、成本低、低损耗、高隔离的弱耦合电桥及应用该电桥的双频共轴阵列天线。
为实现本发明目的，提供以下技术方案：
本发明提供一种弱耦合电桥，所述弱耦合电桥采用两条微带线实现，包括耦合段、过渡段和四个端口，所述四个端口分别包括输入端、耦合端、直通端、隔离端，两条微带线在耦合段构成耦合微带线实现功率分配，在过渡段实现阻抗匹配。
优选的，该弱耦合电桥采用单层双面PCB板制备。
优选的，所述耦合微带线尺寸为4.2cm*7.8cm。所述尺寸为较佳优选，本发明其他实施例也可以在该尺寸上根据实际需要稍作改变，也属于本发明权利范围。
优选的，所述弱耦合电桥的电介质相对介电常数为3.0，PCB基板厚度 0.76mm。
优选的，所述PCB板背面铜箔接地。
优选的，所述接地的铜箔厚度0.035mm。所述尺寸为较佳优选，本发明其他实施例也可以在该尺寸上根据实际需要稍作改变，也属于本发明权利范围。
本发明还提供一种双频共轴阵列天线，其包括至少两列共轴排列的辐射单元阵列，每一所述辐射单元阵列包括高频辐射单元和低频辐射单元，该双频共轴阵列天线还包括分别给所述高频辐射单元和低频辐射单元馈电的电缆，其中给所述低频辐射单元馈电的电缆通过弱耦合电桥与所述两列辐射单元阵列中的低频辐射单元连接，所述弱耦合电桥采用如上所述弱耦合电桥。
优选的，所述两列低频辐射单元的馈电电缆连接所述弱耦合电桥输入端和隔离端，所述耦合端和直通端分别连接两列所述低频辐射单元，所述隔离端与输入端保持高度隔离。
优选的，所述弱耦合电桥与电缆之间的馈电点在PCB板正面焊接，电缆从PCB板背面走线。避免了电缆与弱耦合电桥发生耦合，使电桥性能指标发生变化，具体的，电缆从PCB板背面通过馈电点焊盘附近的开孔穿过之后焊接至焊盘。
优选的，接不同极化方向的弱耦合电桥的PCB板相互背向安装。
优选的，该弱耦合电桥工作频率为690～960MHz，耦合系数为13dB,
本发明弱耦合电桥的插入损耗仅为0.3dB，隔离度高达25dB，该弱耦合电桥专为基站天线赋形网络设计，为低频阵列的波束赋形提供了一种简单易行，低成本的选择方案。
对比现有技术，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种小型化弱耦合电桥的设计，该弱耦合电桥具有性能优良、结构紧凑、成本低廉，便于批量生产的优点，特别适用于基站天线中低频振子的各种赋形应用；本发明双频共轴阵列天线采用上述弱耦合电桥进行双列双通道天线水平波束成形，改善水平半功率角一致性。本发明弱耦合电桥可将输入信号通过耦合微带线分成二路不同强度的激励信号，可以分别加载到阵列天线主阵元和辅助阵元，从而获得期望的辐射波束，并且具有互易性。从而实现小型化、性能优越、成本低、低损耗、高隔离的性能和优越技术效果。本发明解决了3dB电桥无法实现的水平波宽一致性设计难题，该弱耦合电桥性能可靠，结构紧凑。
【附图说明】
图1是本发明弱耦合电桥的平面示意；
图2是本发明弱耦合电桥在基站天线中的实施例示意图；
图3是本发明弱耦合电桥不同极化方向时安装示意图；
图4是本发明弱耦合电桥的输入端幅度-频率性能指标S11示意图；
图5是本发明弱耦合电桥的直通端幅度-频率性能指标S21示意图；
图6是本发明弱耦合电桥的耦合端幅度-频率性能指标S31示意图；
图7是本发明弱耦合电桥的隔离端幅度-频率性能指标S41示意图；
图8是本发明弱耦合电桥的耦合端和直通端相位差示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1～3，本发明双频共轴阵列天线的实施例中，其包括至少两列共轴排列的辐射单元阵列，每一所述辐射单元阵列包括高频辐射单元200和低频辐射单元100，该双频共轴阵列天线还包括分别给所述高频辐射单元和低频辐射单元馈电的电缆410、420，其中给所述低频辐射单元100馈电的电缆410通过弱耦合电桥300与所述两列辐射单元阵列中的低频辐射单元100连接。其中所述的低频辐射单元100可以是中低频辐射单元。
如图2所示，该实施例对698～960MHz和1710～2690MHz双频两列共轴型阵列的中低频部分实施波束赋形，改善水平方向半功率角一致性。在该种结构的两列双频共轴型阵列中，两列独立电调的子系统，受到天线内部空间限制，两列之前发生强烈的电磁耦合，其中低频振子之间的耦合尤为严重，采用常规的边界优化方法难以满足低频水平半功率角的设计指标。
本发明通过弱耦合电桥300使双频共轴阵列的低频振子100组成互易的二元组，将困难重重的边界优化问题转化为二元阵列水平波束赋形问题，通过调节二元组连接电缆的长度优化其相位从而实现所需的水平半功率角。
结合参阅图1和图3，本实施例中，所述弱耦合电桥300采用两条微带线实现，包括耦合段310、过渡段320和四个端口，所述四个端口分别包括输入端331、直通端332、耦合端333、隔离端334，图中分别标识P1、P2、P3、P4 代表所述输入端331、直通端332、耦合端333、隔离端334，两条微带线在耦合段310并行，在过渡段320实现阻抗匹配。
所述两列低频辐射单元的馈电电缆连接所述弱耦合电桥输入端331和隔离端334，所述耦合端333和直通端332分别连接两列所述低频辐射单元1 00，所述隔离端与输入端保持高度隔离。
所述弱耦合电桥各部分尺寸如图1所示，其中输入端和耦合端连接的微带线起始段的间距S2＝3.13mm，两条微带线的耦合段间距S1＝0.33mm，耦合段微带线宽W1＝1.56mm，隔离端334连接的过渡段微带线宽W2＝1.34mm。如图1，所述耦合段310大致呈
Figure BDA0001479449750000041
型，该耦合段310其中的竖直段长度 L1＝22.63mm，该耦合段其中的横向段长度由内至外分别为L2＝10.6mm， L3＝11.38mm，L4＝12.03mm，所述竖直段与横向段之间连接的拐角段长度由外至内分别为L5＝5.68，L6＝4.38mm，L7＝2.82mm。所述尺寸为较佳优选，本发明其他实施例也可以在该尺寸上根据实际需要稍作改变，也属于本发明权利范围。
该弱耦合电桥工作频率为690～960MHz，耦合系数为13dB,插入损耗仅为0.3dB，隔离度高达25dB。所述尺寸为较佳优选，本发明其他实施例也可以在该尺寸上根据实际需要稍作改变，也属于本发明权利范围。该弱耦合电桥专为基站天线赋形网络设计，为低频阵列的波束赋形提供了一种简单易行，低成本的选择方案。
该弱耦合电桥微带线印制在单层双面PCB板上。所述弱耦合电桥的电介质相对介电常数为3.0，PCB基板厚度0.76mm。具体可采用Taconic RF-30。所述PCB板背面铜箔接地，本实施例中，所述接地的铜箔厚度0.035mm。所述尺寸为较佳优选，本发明其他实施例也可以在该尺寸上根据实际需要稍作改变，也属于本发明权利范围。
请结合参阅图3，所述弱耦合电桥与电缆之间的馈电点在PCB板正面焊接，电缆从PCB板背面走线。避免了电缆与弱耦合电桥发生耦合，使电桥性能指标发生变化，具体的，电缆从PCB板背面通过馈电点焊盘附近的开孔530 穿过之后焊接至焊盘。
该弱耦合电桥作为双极化天线赋形用途时可成对使用，为节省空间，同时避免耦合的发生，接不同极化方向的弱耦合电桥的PCB板510、520相互背向安装。例如接+45度极化的电桥和接-45度极化的电桥可采取如图3所示“背靠背”安装方式，设有微带线的一面相互背向，两个PCB板之间可设置支柱 600间隔开。
请参阅图4～7，是本发明弱耦合电桥的各端幅度-频率性能指标示意图，从图中看到该电桥耦合系数为-12.8～-13.2dB，隔离度大于25dB，插入损耗小于0.3分贝，输入端回波损耗小于23分贝。以上指标满足了大部分应用场景的要求。图8是本发明弱耦合电桥的耦合端和直通端相位差示意图。图4～8所示均显示本发明具有成本低、低损耗、高隔离的技术效果，性能优越。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于弱耦合电桥的双频共轴阵列天线，其特征在于，包括至少两列共轴排列的辐射单元阵列，每一所述辐射单元阵列包括高频辐射单元和低频辐射单元，该双频共轴阵列天线还包括分别给所述高频辐射单元和低频辐射单元馈电的电缆，其中给所述低频辐射单元馈电的电缆通过弱耦合电桥与所述两列辐射单元阵列中的低频辐射单元连接；
所述弱耦合电桥采用两条微带线实现，包括耦合段、过渡段和四个端口，所述四个端口分别包括输入端、耦合端、直通端、隔离端，两条微带线在耦合段构成耦合微带线实现功率分配，在过渡段实现阻抗匹配；
两列低频辐射单元的馈电电缆连接所述弱耦合电桥输入端和隔离端，所述耦合端和直通端分别连接两列所述低频辐射单元，所述隔离端与输入端保持高度隔离；所述弱耦合电桥与电缆之间的馈电点在PCB板正面焊接，电缆从PCB板背面走线。
2.如权利要求1所述的一种基于弱耦合电桥的双频共轴阵列天线，其特征在于，所述弱耦合电桥采用单层双面PCB板制备。
3.如权利要求1所述的一种基于弱耦合电桥的双频共轴阵列天线，其特征在于，所述耦合微带线尺寸为4.2cm*7.8cm。
4.如权利要求1所述的一种基于弱耦合电桥的双频共轴阵列天线，其特征在于，所述弱耦合电桥的电介质相对介电常数为3.0，PCB基板厚度0.76mm。
5.如权利要求1所述的一种基于弱耦合电桥的双频共轴阵列天线，其特征在于，所述PCB板背面铜箔接地，铜箔厚度0.035mm。
6.如权利要求1所述的一种基于弱耦合电桥的双频共轴阵列天线，其特征在于，接不同极化方向的弱耦合电桥的PCB板相互背向安装。
7.如权利要求1所述的一种基于弱耦合电桥的双频共轴阵列天线，其特征在于，所述弱耦合电桥工作频率为690~960MHz，耦合系数为13dB。
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