CN109888509A - 大规模阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种大规模阵列天线，涉及移动通信设备技术领域。其包括PCB板，所述PCB板由多层微带板压合而成，在所述PCB板的表面设有馈电网络，在所述PCB板内部设有耦合校准网络。本发明提供的大规模阵列矩阵天线，PCB板由多层微带板压合而成，使得电的连续性程度提高，避免信号泄露，从而获得更好的幅相一致性；馈电网络与耦合校准网络在PCB板上分离设置，结构上一体压合在一起，装配时只需要将辐射单元装配在PCB板上即可，装配简单，有利于提高装配效率；另外，馈电网络位于PCB板的表面，便于样机的调试和检测。

Description

大规模阵列天线

技术领域

本发明实施例涉及移动通信设备技术领域，尤其涉及一种大规模阵列天线。

背景技术

随着我国互联网业务的不断深入发展，市场对于通信系统的无线流量、容量等要求更高。目前4G通信系统虽然仍能满足大部分业务，但由于种种原因已逐渐呈现力所不及的态势。更快的流量传输、更大的传输容量、更低的网络时延以及更宽的通信带宽是目前互联网业务发展的总体趋势。在这种背景下第五代通信系统(5G)的诞生变得迫在眉睫。2018年6月13日，3GPP 5G NR标准SA(Stand Alone)方案在3GPP第80次TSG RAN全会正式完成并发布，这标志着首个真正完整意义上的国际5G标准正式出炉。5G通信系统具有大数据流量、高速率、低时延等技术特点，因而对基站天线的要求也更高。由于用户端的基站数量限制，若使用传统的多端口基站天线来收发信号会造成空间增益有限和无线传播信号干扰的情况，从而导致用户接受到的信号不稳定。

目前行之有效的方式是使用大规模阵列(Massive-MIMO)技术。Massive-MIMO天线通常是由几十根、几百根甚至上千根天线组成。可以实现多根天线同时接收和发射不同信号，极大地提升了数据传输的稳定性和频谱利用率。密集型组网阵列天线作为目前5G移动通讯里面重要的核心技术之一，可深度利用空间频谱资源。在水平与垂直两个纬度均可实现深度覆盖，同时它还可以有效抑制信号干扰，因而能有效提升系统容量。

为了实现5G天线幅相良好的一致性，现有技术多是采用2+4层板，其中馈电网络和耦合校准网络采用分离式结构并通过电镀铜棒连接，在实践应用中多需要在功分板和耦合板之间通过添加反射板来实现分离结构，增加了整机的物料成本还相应地增加了整机天线的重量，不利于生产工艺要求。而且分离式结构在装配时，需要逐个焊接、逐个组装，从而让天线整机在装配方面变得繁琐，不利于提高生产效率；另外，当样机出现指标异常的情况时，往往需要拆除铜棒进行逐一检查，给样机调试方面带来极大不便。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种大规模阵列天线，用以解决现有的分离式结构成本高、装配繁琐以及调试不便的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种大规模阵列天线，包括PCB板，所述PCB板由多层微带板压合而成，在所述PCB板的表面相对设有馈电网络和多个辐射单元，所述PCB板内部设有耦合校准网络。

其中，所述PCB板包括三层微带板，每一层所述微带板包括基板及涂覆在所述基板上下两面的铜层，所述铜层自上而下依次为第一铜层、第二铜层、第三铜层、第四铜层、第五铜层与第六铜层，其中，所述馈电网络设置在所述第一铜层表层，所述耦合校准网络内置于所述第五铜层。

其中，多个所述辐射单元插接于所述第六铜层，每一个所述辐射单元为双极化振子，多个所述辐射单元呈方形阵列状排布，相邻两行和/或两列所述辐射单元之间安装有隔离条。

其中，相邻两列所述辐射单元之间的间距是对应中心频率波长的0.4～0.6倍，相邻两行所述辐射单元之间的间距是对应中心频率波长的0.6～0.8倍。

其中，所述辐射单元中的馈电片贯穿所述PCB板与所述馈电网络相连。

其中，所述馈电网络采用裸露的微带线形式。

其中，还包括安装在所述PCB板上的射频连接器，所述耦合校准网络包括耦合器、合路器及通道线，所述通道线的一端与所述馈电网络相连，另一端与所述射频连接器相连，所述耦合器位于所述通道线的一侧，若干所述耦合器通过若干所述合路器级联。

其中，所述PCB板包括两个子板，两个子板上分别设有一分三十二耦合校准网络，同一子板上的若干所述耦合器形成四个耦合器组，每一所述耦合器组内有八个成排分布的所述耦合器，同一所述耦合器组内的八个所述耦合器通过四个所述合路器合路后再连接至另外两个所述合路器合路，不同子板上的所述一分三十二耦合校准网络合路后连接至校准口。

其中，所述耦合器的一端与所述合路器相连，另外两端分别与接地电阻相连，每一个所述耦合器与每一级所述合路器分别带有隔离电阻。

其中，所述馈电网络与所述耦合校准网络之间通过镀铜的金属化过孔相连。

(三)有益效果

本发明提供的大规模阵列矩阵天线，PCB板由多层微带板压合而成，使得电的连续性程度提高，避免信号泄露，从而获得更好的幅相一致性；馈电网络与耦合校准网络在PCB板上分离设置，结构上一体压合在一起，装配时只需要将辐射单元装配在PCB板上即可，装配简单，有利于提高装配效率；另外，馈电网络位于PCB板的表面，便于样机的调试和检测。

附图说明

图1为本发明实施例大规模阵列矩阵天线中PCB板的结构示意图；

图2为本发明实施例大规模阵列矩阵天线中馈电网络的结构示意图；

图3为本发明实施例大规模阵列矩阵天线中耦合校准网络的结构示意图；

图4为图3中所示的耦合校准网络的部分结构放大图；

图5为本发明实施例大规模阵列矩阵天线中射频连接器的安装结构示意图；

图6为本发明实施例大规模阵列矩阵天线的结构示意图。

图中：10、PCB板；11、微带板；20、馈电网络；30、耦合校准网络；31、耦合器；32、合路器；33、通道线；34、接地电阻；35、隔离电阻；36、金属化过孔；37、校准口；40、辐射单元；50、射频连接器；60、天线罩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例大规模阵列矩阵天线包括PCB板10，如图1所示，该PCB板10由多层微带板11压合而成；如图2所示，馈电网络20设置在PCB板10的外表面，采用裸露的微带线形式；耦合校准网络30设置在PCB板10的内部；多个辐射单元40安装在PCB板10上，并与馈电网络20相对设置在PCB板10的两侧。比如，PCB板10可以由三层微带板11压合而成，三层微带板11顺次为第一微带板、第二微带板与第三微带板，其中，第一微带板远离第二微带板的一侧的表面上设置有馈电网络20，使馈电网络20位于PCB板10的外表面；第三微带板靠近第二微带板的一侧内置有耦合校准网络30，使得耦合校准网络30位于PCB板10的内部。相邻两层微带板11之间通过粘合剂粘合后压合成整体。

本发明实施例中的大规模阵列矩阵天线，PCB板10由多层微带板压合而成，使得电的连续性程度提高，避免信号泄露，从而获得更好的幅相一致性；馈电网络20与耦合校准网络30在PCB板10上分离设置，结构上一体压合在一起，装配时只需要将辐射单元40装配在PCB板10上即可，装配简单，有利于提高装配效率；另外，馈电网络20位于PCB板10的表面，便于样机的调试和检测。

出于天线性能和成本的考虑，PCB板10采用高频性能好且具有一定硬度的基材，具体的，每一层微带板11包括基板及涂覆在基板上下两个表面的铜层。微带板11的层数也可以是三层、四层、五层或六层等层数，对此本发明实施例不做具体限制。为了节约板材降低成本，优选的，微带板11为三层，如图1所示，此时铜层共有六层，自上而下顺次为第一铜层，第二铜层、第三铜层、第四铜层、第五铜层及第六铜层。其中，馈电网络20设置在第一铜层的表面；第二铜层与第三铜层之间通过粘合剂粘合，这两个铜层均为地层，用于屏蔽信号；第四铜层为空层，没有被利用；第五铜层内置耦合校准网络30；第六铜层为PCB板10的另一表面，用于插接辐射单元40。其中，馈电网络20与耦合校准网络30设置在不同的铜层，在结构上处于分离状态，以确保校准相位的稳定性；馈电网络20与耦合校准网络30通过压合工艺整合在一个PCB板10上，可以获得良好的幅相一致性。

第六铜层上插接的辐射单元40有多个，形成辐射单元阵，该辐射单元阵为方形阵列。每一个辐射单元40为带有针脚的双极化振子，通过针脚直接插接在PCB板10上；辐射单元40中的馈电片贯穿整个PCB板10与馈电网络20相连通，并通过金属螺钉安装在PCB板10上。

在辐射单元40之间设有去耦单元，具体地，沿方形阵列的行间或列间安装隔离条作为去耦单元，避免信号之间相互干扰；隔离条的尺寸可以不一致，其可以有三种不同规格的尺寸，方便组合以确保辐射单元40之间的隔离度指标满足要求。记天线中心频率波长为λ，其中相邻两行辐射单元40之间的间距为0.4λ～0.6λ，相邻两列辐射单元40之间的间距为0.6λ～0.8λ。比如相邻两行辐射单元40之间的间距为0.5λ，相邻两列辐射单元40之间的间距为0.7λ。

另外，继续参阅图3和图4，本发明实施例中的耦合校准网络30包括耦合器31、合路器32及通道线33；通道线33的一端与馈电网络20相连，另一端与射频连接器50相连，具体地，通道线33的一端通过镀铜的金属化过孔36与馈电网络20进行连接；如图5所示，该射频连接器50作为射频信号输入端口，其安装在PCB板10上，并与辐射单元40位于PCB板10的相对两侧；耦合器31位于通道线33的一端，若干耦合器31通过若干合路器32级联。其中，耦合器31的一端与合路器32相连，另外两端分别与接地电阻34相连；为减少互耦效应，每一个耦合器31与每一级合路器32分别带有隔离电阻35。

本发明实施例中的耦合校准网络30中的耦合器31共有三十二个，分成四排排布，每一排包括八个耦合器31，位于同一排中的八个耦合器31通过四个分路器32合路后再连接到另外两个合路器32上进行合路。每个合路器32为一分二合路设备。

具体地，本发明实施例中的PCB板10包括两个子板，两个子板分别设有一分三十二耦合校准网络30，两个子板上的耦合校准网络30各自通过同轴线缆连接到总的一分二合路器两端进行合路后在通过线缆连接至校准口37，保证校准口37与各个射频端口的幅度相位保持一致。每一个子板上的耦合器31相对于周边安装的多个射频连接器50呈中心对称状，射频连接器50的接口形状呈喇叭状，与辐射单元40、馈电网络20共同组成射频传输通道。每个子板上的辐射单元均采用4*8形式的方形阵列，一通组成64通道128单元阵列。输入信号从射频连接器50输入通道线33，通过金属化过孔36传输至馈电网络20，耦合校准网络30通过耦合器31提取信号并在校准口37读出耦合强度。

除此之外，如图6所示，本发明实施例中的大规模阵列矩阵天线还包括天线罩60；天线罩60呈为方形壳体，一侧开口，罩设在PCB板10上；每一辐射单元50位于天线罩60与PCB板10之间形成的腔体内。

本发明实施例中的大规模阵列矩阵天线，通过整体结构设计，最终通过校准口可以对每个辐射单元40的幅度和相位一致性进行分配，实现良好的波束赋型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大规模阵列天线，其特征在于，包括PCB板，所述PCB板由多层微带板压合而成，在所述PCB板的表面相对设有馈电网络和多个辐射单元，所述PCB板内部设有耦合校准网络。

2.根据权利要求1所述的大规模阵列天线，其特征在于，所述PCB板包括三层微带板，每一层所述微带板包括基板及涂覆在所述基板上下两面的铜层，所述铜层自上而下依次为第一铜层、第二铜层、第三铜层、第四铜层、第五铜层与第六铜层；其中，所述馈电网络设置在所述第一铜层表层，所述耦合校准网络内置于所述第五铜层。

3.根据权利要求2所述的大规模阵列天线，其特征在于，多个所述辐射单元插接于所述第六铜层，每一个所述辐射单元为双极化振子，多个所述辐射单元呈方形阵列状排布，相邻两行和/或两列所述辐射单元之间安装有隔离条。

4.根据权利要求3所述的大规模阵列天线，其特征在于，相邻两列所述辐射单元之间的间距是对应中心频率波长的0.4～0.6倍，相邻两行所述辐射单元之间的间距是对应中心频率波长的0.6～0.8倍。

5.根据权利要求3所述的大规模阵列天线，其特征在于，所述辐射单元中的馈电片贯穿所述PCB板与所述馈电网络相连。

6.根据权利要求1所述的大规模阵列天线，其特征在于，所述馈电网络采用裸露的微带线形式。

7.根据权利要求1所述的大规模阵列天线，其特征在于，还包括安装在所述PCB板上的射频连接器，所述耦合校准网络包括耦合器、合路器及通道线，所述通道线的一端与所述馈电网络相连，另一端与所述射频连接器相连，所述耦合器位于所述通道线的一侧，若干所述耦合器通过若干所述合路器级联。

8.根据权利要求7所述的大规模阵列天线，其特征在于，所述PCB板包括两个子板，两个所述子板上分别设有一分三十二耦合校准网络，同一所述子板上的若干所述耦合器形成四个耦合器组，每一所述耦合器组内有八个成排分布的所述耦合器，同一所述耦合器组内的八个所述耦合器通过四个所述合路器合路后再连接至另外两个所述合路器合路，不同子板上的所述一分三十二耦合校准网络合路后连接至校准口。

9.根据权利要求7或8所述的大规模阵列天线，其特征在于，所述耦合器的一端与所述合路器相连，另外两端分别与接地电阻相连，每一个所述耦合器与每一级所述合路器分别带有隔离电阻。

10.根据权利要求7所述的大规模阵列天线，其特征在于，所述馈电网络与所述耦合校准网络之间通过镀铜的金属化过孔相连。