CN108695601A - 一种天线组阵及多端口天线 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种天线组阵及多端口天线，用以简化多端口天线的辐射元组阵，同时提升多端口天线的辐射性能。一种天线组阵，包括至少N+1个辐射单元阵列，每个辐射单元阵列包含至少M个辐射单元，其中，M、N为大于等于1的正整数，每个沿轴线分布的辐射单元阵列以及至少一个嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子组成一个辐射单元阵组合；其中，沿轴线分布的辐射单元阵列和相邻辐射单元阵列内嵌套的偶极子通过馈电网络并联馈电。本发明实现了多端口天线小型化、轻量化，同时保证了性能指标，使天线具有更高的工程适用性和更好的工程操作性。

Description

一种天线组阵及多端口天线

技术领域

本发明涉及移动通信天线技术领域，具体涉及一种天线组阵及多端口天线。

背景技术

随着移动宽带业务的快速发展，视频、VR、物联网等各种应用层出不穷，用户流量需求增长迅猛。面对巨大的容量需求，运营商纷纷通过获取新频谱、提升频谱效率、增加站点密度以及其他创新的技术来应对，那么与此息息相关的天线更需要持续不断的创新。面向未来，基站天线将朝着多频多端口、多制式融合组网、小型化、智能化等方向演进。单天线需要支持更多频谱和通道，更好的MIMO性能，满足网络平滑演进。

目前，实现多频多端口、小型化天线的解决方案主要分为两大类。方案之一是两列或多列辐射单元阵列沿与天线轴线垂直的方向并排布置，每列单元自身之间并联馈电，列与列单元之间无网络连接。这种方案的问题是天线辐射单元列与列之间间距减小，互藕影响大，水平波束宽度、前后比、增益等关键指标均会变差。所以其无法实现真正意义的多端口天线小型化。

方案之二是两列或多列辐射单元阵列沿与天线轴线垂直的方向并排布置，每列单元自身之间并联馈电的同时，新增其他列单元与本列单元之间网络连接。具体方案如下。

专利201610786107.2基站天线，公开了一种基站天线，通过在两列低频辐射单元列之间增设一个低频单元列，且增设的辐射单元列偏离各阵列轴线，增设的低频单元列分为两段并分别与另外两低频辐射单元列组阵，来改善天线水平面波束宽度。但是在天线的宽度方向额外增加了低频单元列，天线尺寸明显变大。另外，天线增益相比同长度尺寸且仅列单元自身之间并联馈电的天线增益会降低。

专利201610692818.3天线阵列及天线，公开了一种天线阵列，包括至少一个第一辐射单元和至少一个第二辐射单元，所述第一辐射单元的至少一个偶极子与第二辐射单元中相同极化的一个偶极子通过馈线相连，以通过馈电网络对其并联馈电。通过增大并联馈电的两个相同极化偶极子之间的间距，可以收窄天线水平面波束宽度。但是第一辐射单元和第二辐射单元之间的距离决定了天线的宽度，若增加并联馈电的两个相同偶极子之间的距离，即增加了天线的宽度，不利于天线小型化。另外，天线增益相比同长度尺寸且仅列单元自身之间并联馈电的天线增益会降低。同时，不同列单元中的同极化偶极子交叉连接后，会带来极化隔离度变差的问题。

所以，现有方案对于实现多频多端口天线及其小型化存在不同的不足，急需改进。

发明内容

本发明的首要目的旨在提供一种天线组阵，以优化多频多端口制式下天线方向图指标，同时保证天线电路指标。本发明另外提供一种应用上述组阵的多端口天线，其具有小型化、轻量化特点，同时水平波束宽度收敛，相比同长度天线具有更高的增益。

本发明技术方案提供一种天线组阵，包括至少N+1个辐射单元阵列，每个辐射单元阵列包含至少M个辐射单元，其中，M、N为大于等于1的正整数，每个沿轴线分布的辐射单元阵列以及至少一个嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子组成一个辐射单元阵组合；其中，沿轴线分布的辐射单元阵列和相邻辐射单元阵列内嵌套的偶极子通过馈电网络并联馈电。

而且，每个辐射单元阵列中各辐射单元沿与反射板轴线平行的直线呈直线或Z字型布置；不同辐射单元阵列在反射板轴线垂直的方向呈对齐或错位布置。

而且，一个沿轴线分布的辐射单元阵列与嵌套的相邻辐射单元列内的偶极子在沿垂直轴线方向的距离，为该辐射单元阵列工作频段中心频点对应波长的0.4～1倍。

而且，上下两两相邻同频段辐射单元的中间间距为其工作频段中心频点对应波长的0.7～0.9倍。

而且，沿轴线分布的辐射单元阵列与至少一个嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子之间电流矢量方向平行同向，且这些电流矢量方向平行同向的极化之间并联馈电；偶极子与相邻辐射单元阵列内电连接的辐射单元幅度相同或不同，偶极子与相邻辐射单元阵列内电连接的辐射单元相位相同或不同。

而且，各辐射单元阵列的工作频段包含但不限于690MHz～960MHz低频段，沿轴线分布的辐射单元阵列与之并联馈电的相邻辐射单元阵列内偶极子为工作于同一移动通信工作频段的辐射单元。

本发明提供一种多端口天线，包括如上所述的天线组阵。

而且，天线包括反射板、金属隔离板以及安装于反射板上的天线组阵；金属隔离板布置在沿反射板轴线平行的任意两列辐射单元阵列之间，金属隔离板高度为工作频段中心频点对应波长的0.25倍以内；若同时存在高、低频辐射单元，所述隔离板高度为低频段中心频点对应波长的0.25倍以内。

本发明的有益效果是：区别于现有天线组阵技术，通过在相邻列内嵌套偶极子，与本列辐射单元阵列并联馈电，实现改善水平面波束宽度及方向图对称性。无需在天线宽度方向新增单元列，能有效控制天线宽度，有利于实现多端口天线小型化；无需左右相邻列辐射单元极化间交叉并联，有利于提升增益、前后比等指标。

通过上述技术方案，实现了多端口天线小型化、轻量化，同时保证了性能指标，使天线具有更高的工程适用性和更好的工程操作性。

附图说明

图1是本发明的第一实施例结构示意图；

图2是图1所示实施例的天线一个极化馈电网络连接示意图；

图3是图2所示实施例的天线极化电流矢量示意图；

图4是本发明的第二实施例结构示意图；

图5是本发明的第三实施例结构示意图；

图6是本发明的第四实施例结构示意图；

图7是本发明的第五实施例结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

一种天线组阵，包括至少N+1个辐射单元阵列，每列包含至少M个辐射单元，其中，M、N为大于等于1的正整数，即天线组阵包括至少2个辐射单元阵列。所述多列辐射单元阵列轴线分别为A1、A2…，每个辐射单元阵组合包括沿轴线分布的辐射单元阵列以及至少一个嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子组成。具体实施时，每列辐射单元沿与反射板轴线平行的直线(列轴线)可呈直线或Z字型布置；不同列辐射单元在反射板轴线垂直的方向呈对齐或错位布置。反射板轴线即反射板长度方向的中心镜像线，例如图1所示的中心板4的重合线。Z字型布置时，每列辐射单元沿与反射板轴线平行的直线两侧交叉布置，每个辐射单元的中心点连线不共直线，呈折线分布。其中，沿轴线分布的辐射单元阵列和相邻列嵌套的偶极子通过微波功率分配网络并联馈电，组成完整的天线辐射体。

优选的，所述沿轴线分布的辐射单元阵列与嵌套的相邻列内的偶极子在沿垂直轴线方向的距离为其(本辐射单元阵列)工作频段中心频点对应波长的0.4～1倍，保证水平面波宽的收敛性和方向图对称性。

优先的，上述上下两两相邻同频段辐射单元的中间间距为其工作频段中心频点对应波长的0.7～0.9倍，保证阵列天线辐射效率最大化。

一种多端口天线，包括反射板3、隔离板4以及安装于反射板上的上述天线组阵。通过调整隔离板4高度，部分消除相邻两列辐射单元阵之间的电磁互耦合影响，金属隔离板4高度为工作频段中心频点对应波长的0.25倍以内。若同时存在高、低频辐射单元，所述金属板高度为低频段中心频点对应波长的0.25倍以内，以免带来方向图的非对称性和最大波束指向偏移。

上述多端口天线，通过偏离本列轴线且具有一定水平距离的偶极子与本辐射单元阵列并联馈电，使得偶极子产生的水平波束与本单元阵列水平波束叠加，从而达到收敛天线水平波束宽度的目的，改善天线水平面方向图对称性。另外，可以灵活的调整偶极子的位置，或者改变偶极子的相对功率或相位，或者改变偶极子的数量，可以保证天线的水平波束宽度在30°～70°之间调整。同时，由于偶极子D11/D22/D12/D21…嵌套分布在相邻辐射单元阵列内，不额外增加垂直于轴线方向的距离，也不增加沿轴线方向的长度，保证天线宽度尺寸和长度尺寸不增加，利于实现多端口天线小型化。

实施例一

参见图1，在本实施列中，所述天线组阵包括至少两个辐射单元阵列，列轴线分别为A1,A2。第一列辐射单元包括但不限于10、11、12三个双极化辐射单元。第二列辐射单元包括但不限于20、21、22三个双极化辐射单元。第10辐射单元包括两对极化正交的偶极子组成。优选的，101、101’偶极子组成第10辐射单元+45°极化，102、102’偶极子组成第10辐射单元-45°极化。

如图2所示，虚线表示天线右列-45°极化的馈电网络连接。通过对A2阵列内202、202’一对偶极子，另212、212’一对偶极子，另222、222’一对偶极子并联馈电，同时并联馈电嵌套布置在A1阵列内的D22偶极子，所述七个偶极子通过馈电网络连接组成天线右列-45°极化。通过改变D22偶极子的位置，或者改变D22偶极子的相对功率或相位，调整优化天线右列-45°极化的水平面波束宽带及波形对称性，同时提升所述极化前后比和增益。

本发明提出，沿轴线分布的辐射单元阵列与至少一个嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子之间电流矢量方向平行同向，且这些电流矢量方向平行同向的极化之间并联馈电。偶极子与相邻列内电连接的辐射单元幅度相同或不同，偶极子与相邻列内电连接的辐射单元相位相同或不同。通过电流矢量方向平行同向，可以保证这些辐射单元发射或接收的电磁波能量之间互相叠加加强，而不是抵消减弱，该组阵实施的天线定向发生或接收电磁波能量的功效最大化。如图3所示，通过箭线在相应位置一一表示图2中偶极子的电流矢量方向，A2阵列内并联的偶极子以及并联嵌套在A1列内的偶极子D22应具有相同或平行方向的电流矢量。

同理地，通过对A2阵列内201、201’一对偶极子，另211、211’一对偶极子，另221、221’一对偶极子并联馈电，同时并联馈电嵌套布置在A1阵列内的D21偶极子，所述七个偶极子通过馈电网络连接组成天线右列+45°极化。

同理地，天线左列+45°通过并联馈电101、101’、111、111’、121、121’以及D11组成，天线左列-45°通过并联馈电102、102’、112、112’、122、122’以及D12组成。

本实施例中辐射单元的工作频段包含但不限于690MHz～960MHz低频段。沿轴线分布的辐射单元阵列与之并联馈电的相邻列内偶极子为工作于同一移动通信工作频段的辐射单元。690MHz～960MHz低频段工作天线的方向图指标和尺寸小型化是目前移动通信天线较难解决的问题，而本实施例对解决690MHz～960MHz低频段天线的所述问题益处尤为明显。

通过应用以上方式的天线组阵，多端口天线各极化均通过本列辐射单元阵列与嵌套在相邻列内的偶极子并联馈电，达到优化水平面波束宽带，提升增益前后比指标的目的，同时利于实现多端口天线小型化。

实施例二

本实施例的天线组阵与实施例一类似，其不同之处在于：

如图4所示，通过对A2阵列内202、202’一对偶极子，另212、212’一对偶极子，另222、222’一对偶极子并联馈电，同时并联馈电嵌套布置在A1阵列内的D22偶极子，所述七个偶极子通过馈电网络连接组成天线右列-45°极化。所述嵌套偶极子D22位置在A1列内11与12辐射单元中间；而实施列一嵌套偶极子D22位置在A1列内10与11辐射单元中间。显而易见地，嵌套偶极子位置在相邻列内可以灵活的调整。

实施例三

本实施例的天线组阵与实施例一类似，其不同之处在于：

如图5所示，通过对A2阵列内202、202’一对偶极子，另212、212’一对偶极子，另222、222’一对偶极子并联馈电，同时并联馈电嵌套布置在A1阵列内的D22、D22’偶极子，所述八个偶极子通过馈电网络连接组成天线右列-45°极化。

同理的，通过对A2阵列内201、201’一对偶极子，另211、211’一对偶极子，另221、221’一对偶极子并联馈电，同时并联馈电嵌套布置在A1阵列内的D21、D21’偶极子，所述八个偶极子通过馈电网络连接组成天线右列+45°极化。

同理的，偶极子D11、D11’与A1阵列内偶极子101、101’及111、111’及121、121’并联馈电，所述八个偶极子通过馈电网络连接组成天线左列+45°极化。

同理的，偶极子D12、D12’与A1阵列内偶极子102、102’及112、112’及122、122’并联馈电，所述八个偶极子通过馈电网络连接组成天线左列-45°极化。

显而易见地，参与天线本阵列并联馈电但位置嵌套在相邻阵列内的偶极子可以灵活的调整数量。

实施例四

本实施例的天线组阵与实施例一类似，其不同之处在于：

如图6所示，低频阵子列与嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子并联馈电，同时，A1和A2阵列内分别包括但不限于G10、G11、G12、G13、G14和G20、G21、G22、G23、G24高频阵子。显而易见地，相邻列内嵌套偶极子位置不影响高、低频辐射单元的共轴线阵列布置，应用上述天线组阵有利于实现多频多端口天线小型化。

实施例五

本实施例的天线组阵与实施例四类似，其不同之处在于：

如图7所示，A1与A2阵列内高低频辐射单元分别共轴线布置，低频阵子列与嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子并联馈电，同时，新增但不限于A3和A4阵列，所述阵列内同样高低频辐射单元分别共轴线布置，低频阵子列与嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子并联馈电。

具体的，通过对A4阵列内402、402’一对偶极子，另412、412’一对偶极子，另422、422’一对偶极子并联馈电，同时并联馈电嵌套布置在A3阵列内的D42偶极子，所述七个偶极子通过馈电网络连接组成天线A4阵右列-45°极化；相应的，D41偶极子与A4阵列内偶极子401、401’及411、411’及421、421’并联馈电，所述七个偶极子通过馈电网络连接组成天线A4阵右列+45°极化。

同理的，D31偶极子与A3阵列内偶极子301、301’及311、311’及321、321’并联馈电，所述七个偶极子通过馈电网络连接组成天线A3阵右列+45°极化；相应的，D32偶极子与A3阵列内偶极子302、302’及312、312’及322、322’并联馈电，所述七个偶极子通过馈电网络连接组成天线A3阵左列+45°极化。

显而易见地，采用所述天线组阵，重复新增高、低频共轴线的阵列，有利于实现多列多频多端口天线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，用以说明本发明而并非限制本发明的专利范围，凡是利用本发明所作的修改或等同替换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均应包括在本发明的保护范围内。

具体实施时，通过改变相邻列内嵌套的偶极子与本列辐射单元之间的距离，或者改变偶极子的幅度或相位，或偶极子数量，可以灵活调整天线水平面波束宽度，改善天线辐射波形对称性，同时提升天线增益和前后比指标。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的。因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种天线组阵，其特征在于：包括至少N+1个辐射单元阵列，每个辐射单元阵列包含至少M个辐射单元，其中，M、N为大于等于1的正整数，每个沿轴线分布的辐射单元阵列以及至少一个嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子组成一个辐射单元阵组合；其中，沿轴线分布的辐射单元阵列和相邻辐射单元阵列内嵌套的偶极子通过馈电网络并联馈电。

2.根据权利要求1所述的一种天线组阵，其特征在于：每个辐射单元阵列中各辐射单元沿与反射板轴线平行的直线呈直线或Z字型布置；不同辐射单元阵列在反射板轴线垂直的方向呈对齐或错位布置。

3.根据权利要求1所述的一种天线组阵，其特征在于：一个沿轴线分布的辐射单元阵列与嵌套的相邻辐射单元列内的偶极子在沿垂直轴线方向的距离，为该辐射单元阵列工作频段中心频点对应波长的0.4～1倍。

4.根据权利要求3所述的一种天线组阵，其特征在于：上下两两相邻同频段辐射单元的中间间距为其工作频段中心频点对应波长的0.7～0.9倍。

5.根据权利要求4所述的一种天线组阵，其特征在于：沿轴线分布的辐射单元阵列与至少一个嵌套在相邻辐射单元阵列内的偶极子之间电流矢量方向平行同向，且这些电流矢量方向平行同向的极化之间并联馈电；偶极子与相邻辐射单元阵列内电连接的辐射单元幅度相同或不同，偶极子与相邻辐射单元阵列内电连接的辐射单元相位相同或不同。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种天线组阵，其特征在于：各辐射单元阵列的工作频段包含但不限于690MHz～960MHz低频段，沿轴线分布的辐射单元阵列与之并联馈电的相邻辐射单元阵列内偶极子为工作于同一移动通信工作频段的辐射单元。

7.一种多端口天线，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的天线组阵。

8.根据权利要求7所述的一种多端口天线，其特征在于：天线包括反射板、金属隔离板以及安装于反射板上的天线组阵；金属隔离板布置在沿反射板轴线平行的任意两列辐射单元阵列之间，金属隔离板高度为工作频段中心频点对应波长的0.25倍以内；若同时存在高、低频辐射单元，所述隔离板高度为低频段中心频点对应波长的0.25倍以内。