CN110931987A - 移相馈电装置、辐射阵列及大规模阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移相馈电装置、辐射阵列及大规模阵列天线。通过焊接，金属腔体与馈电线路层的共地设置，而移相电路层与馈电线路层实现串联。因此，可在不采用同轴馈线的基础上实现馈电网络组件与移相组件进行集成。此外，金属腔体及移相电路层位于基板背向馈电线路层的一侧。也就是说，移相组件的集成并不会占用馈电线路层的布线空间，故基板的尺寸不会因移相组件的设置而增大。显然，将上述移相馈电装置应用于上述大规模阵列天线时，有利于减小体积并结构简化，从而有利于实现大规模阵列天线的小型化。

Description

移相馈电装置、辐射阵列及大规模阵列天线

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，特别涉及一种移相馈电装置、辐射阵列及大规模阵列天线。

背景技术

随着移动通信发展，大规模阵列(Massive MIMO)天线凭借其波束灵活可调，增益高等诸多优点，其应用及技术越来越受到关注。常见的大规模阵列天线多为32、64甚至128路射频通道。通过向天线的多个射频通道内分别馈入幅度和相位差分的信号，以实现天线覆盖波束的灵活调整。

目前，通过将移相器和馈电网络的有机组合，并通过机械拖动移相器，使天线各辐射单元或者辐射单元的组合获得差分的相位调节，便可实现天线波束的灵活可调。但是，由于移相器体积较大，且移相器和馈电网络之间的连接多使用射频电缆焊接的形式，故不利于集成在大规模阵列天线内，从而难以实现大规模阵列天线的小型化及轻量化。

发明内容

基于此，有必要提供一种利于实现小型化的移相馈电装置、辐射阵列及大规模阵列天线。

一种移相馈电装置，包括：

馈电网络组件，包括基板、形成于所述基板一侧的接地层及形成于所述基板另一侧的馈电线路层，所述馈电线路层具有射频入口及多个射频出口；及

移相组件，包括金属腔体、收容于所述金属腔体内的移相电路层及移相操作件，所述移相电路层具有输入端及输出端；

其中，所述金属腔体贴设于所述基板设置有所述接地层的一侧并与所述接地层焊接，所述输入端及所述输出端分别与所述馈电线路层焊接，以将所述移相电路层串联于所述馈电线路层中。

在其中一个实施例中，所述基板背向所述馈电线路层的一侧形成有与所述接地层电连接的平面焊盘，所述金属腔体贴装于所述平面焊盘的表面并焊接。

在其中一个实施例中，所述基板上开设有插槽式焊盘，所述插槽式焊盘与所述接地层绝缘并与所述馈电线路层电连接，所述输入端及所述输出端穿设于所述插槽式焊盘并焊接。

在其中一个实施例中，所述基板包括多个相互拼接的子板，同一个所述移相电路层的所述输入端及所述输出端分别穿设于相邻两个所述子板的所述插槽式焊盘。

在其中一个实施例中，所述基板与每个所述射频出口对应的位置分别设置有连接焊盘。

在其中一个实施例中，馈电网络组件还包括射频接头，所述射频接头设置于所述基板背向所述馈电线路层的一侧并与所述射频入口电连接。

在其中一个实施例中，所述金属腔体朝向所述基板的侧壁形成有开口，所述基板覆盖所述开口。

在其中一个实施例中，所述移相操作件为介质板，所述介质板部分收容于所述金属腔体内并与所述移相电路层相对设置，另一部分伸出所述金属腔体。

在其中一个实施例中，所述馈电线路层包括多级串联的功分器，每个所述移相电路层具有多个所述输出端，且多个所述输出端分别电连接于多个所述功分器。

一种辐射阵列，包括：

如上述优选实施例中任一项所述的移相馈电装置；及

多个辐射单元，贴设于所述基板背向所述移相组件的一侧并分别与所述多个射频出口焊接。

一种大规模阵列天线，包括：

如上述优选实施例中所述的辐射阵列；及

传动装置，位于所述基板背向所述辐射单元的一侧，所述传动装置与所述移相操作组件传动连接。

在其中一个实施例中，还包括反射板，所述辐射阵列安装于所述反射板的一侧，所述传动装置安装于所述反射板的另一侧。

在其中一个实施例中，所述反射板上开设有避位孔，所述金属腔体位于所述避位孔内。

上述移相馈电装置，通过焊接，金属腔体与馈电线路层的共地设置，而移相电路层与馈电线路层实现串联。因此，可在不采用同轴馈线的基础上实现馈电网络组件与移相组件进行集成。此外，金属腔体及移相电路层位于基板背向馈电线路层的一侧。也就是说，移相组件的集成并不会占用馈电线路层的布线空间，故基板的尺寸不会因移相组件的设置而增大。显然，将上述移相馈电装置应用于上述大规模阵列天线时，有利于减小体积并结构简化，从而有利于实现大规模阵列天线的小型化。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中大规模阵列天线的结构示意图；

图2为图1所示大规模阵列天线中移相馈电装置的正面结构示意图；

图3为图1所示大规模阵列天线中移相馈电装置的背面结构示意图；

图4为图2所示移相馈电装置中移相组件的结构示意图；

图5为图2所示移相馈电装置的简化的等效电路示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明提供了一种大规模阵列天线10及移相馈电装置100。其中，大规模阵列天线10包括移相馈电装置100、辐射单元200及传动装置300。

辐射单元200为多个，且与移相馈电装置100电连接。移相馈电装置100用于将多路相位差分的射频信号分别馈入多个辐射单元200。而且，传动装置300与移相馈电装置100传动连接，用于对多路射频信号的相位进行调节。

请一并参阅图2及图3，本发明较佳实施例中的移相馈电装置100包括馈电网络组件110及移相组件120。其中：

馈电网络组件110包括基板111、馈电线路层112及接地层113。馈电线路层112及接地层113分别形成于基板111一侧相对的两侧。基板111一般由介电常数较高的材料成型；接地层113可以是通过镀膜、印刷等方式形成于基板111表面的金属层；馈电线路层112可以是带状线或微带线结构。本实施例中，馈电网络组件110为一体的PCB电路结构，可以多单层或多层电路板形式。

进一步的，馈电线路层112具有射频入口1121及多个射频出口1122。具体的，多个辐射单元200贴设于基板111表面并分别与多个射频出口1122焊接，从而实现每个射频出口1122与一个辐射单元200电连接，进而实现为多个辐射单元200馈电。

具体在本实施例中，基板111与每个射频出口1122对应的位置分别设置有连接焊盘1111。因此，在将辐射单元200与射频出口1122电连接时，可先将辐射单元200贴装于对应的连接焊盘1111，再焊接即可，故可使辐射单元200的安装更方便。

在大规模阵列天线10的应用场景中，射频入口1121与基站的信号收发装置电连接。因此，射频信号可经射频入口1121进入馈电网络组件110，并由多个射频出口1122输出多路射频信号。

具体在本实施例中，馈电网络组件110还包括射频接头114，射频接头114设置于基板111背向馈电线路层112的一侧并与射频入口1121电连接。其中，射频接头114一般符合特定的接口标准。因此，在与信号收发装置电连接时，可直接将射频接头114与信号收发装置上对应的插孔插接，从而有效地简化安装步骤，使用更方便。

馈电线路层112一般由多级串联的功分器构成，每个后一级功分器的输入端与前一级功分器的一个支路的输出端电连接，从而实现射频信号的多路输出。如图5所示，本实施例中的馈电线路层112包括三级功分器。其中，第一级为1个一分二功分器、第二级为2个一分二功分器、第三级为4个一分三功分器。因此，可形成12个射频通道。射频出口1122的数量与射频通道的数量对应。对应的，馈电线路层112中射频出口1122的数量亦为12个。

请一并参阅图4，移相组件120包括金属腔体121、移相电路层122及移相操作件123。其中，移相电路层122收容于金属腔体121内，移相电路层122具有输入端(图未标)及输出端(图未标)。

金属腔体121一般为长条形，移相电路层122沿金属腔体121的纵长方向延伸。移相电路层122的电路形式可以为PCB板结构、金属立体结构、带状线结构或微带线结构等，可与馈电线路层112的电路形式相同。通过改变移相电路层122电长度，可实现其输出端信号的相位变化，即移相。

其中，金属腔体121贴设于基板111设置有接地层113的一侧并与接地层113焊接，输入端及输出端分别与馈电线路层112焊接，以将移相电路层122串联于馈电线路层112中。移相电路层122可对流经馈电线路层112的射频信号实现移相，从而使得不同射频出口1122输出的射频信号存在相位差。

移相组件120可以是单腔或多腔结构，即移相电路层122具有一路或者多路输出端。如图5所示，移相组件120为一路输入一路出，故每个移相电路层122只能串联于一个功分器的支路。其中，第一级的一分二功分器的支路输出信号的相位分别为φ和0；第二级一分二功分器支路的其中一路串联接入移相电路层122，故使得第二级一分二功分器的支路输出信号的相位分别为2φ、1φ、0和-1φ。

在另一个实施例中，每个移相电路层122具有多个输出端，且多个输出端分别电连接于多个功分器。即，同一个移相电路层122可串联于多个功分器的支路，可使得多个射频通道共用移相组件120，从而有利于减小移相馈电装置100的体积。

通过焊接，可在不采用同轴馈线的基础上实现馈电网络组件110与移相组件120进行集成，故移相馈电装置100的体积相较于传统移相器与馈电网络的体积之和显著减小。此外，金属腔体121及移相电路层122位于基板111背向馈电线路层112的一侧。也就是说，移相组件120的集成并不会占用馈电线路层112的布线空间，故基板111的尺寸不会因移相组件120的设置而增大，故馈电网络组件110的尺寸相较于传统的馈电网络也不会增大。

进一步的，通过操作移相操作件123，可改变移相电路层122的电长度，从而实现对每个射频出口1122输出的射频信号的相位进行调节。具体的，传动装置300位于基板111背向辐射单元200的一侧，传动装置300与移相操作组件123传动连接。

根据移相原理的不同，可分介质滑动式移相及导体滑动式移相。由于介质滑动式移相具有结构紧凑、互调干扰小等优势，故本实施例中也采用介质滑动的方式实现移相。因此，本实施例中的移相操作件123为介质板。

介质板部分收容于金属腔体121内并与移相电路层122相对设置，另一部分伸出金属腔体121。介质板可沿金属腔体121滑动。传动装置300通过带动介质板滑动，便可改变移相电路层122的电长度，从而改变射频出口1122输出的信号的相位，对天线的波束实现调节。

在本实施例中，基板111背向馈电线路层112的一侧形成有与接地层113电连接的平面焊盘1112，金属腔体121贴装于平面焊盘1112的表面并焊接。

具体的，金属腔体121与基板111的焊接位置为平面结构，无需插槽等立体结构用以两者固定。在实际生产过程中，可直接将金属腔体121采用表面贴装工艺进行定位及放置，从而提升效率。而且，由于金属腔体是型材拉挤成型，因此无需对金属腔体121进行额外的插槽等加工，故还可降低成本。

平面焊盘1112呈长条形，与金属腔体121的延伸方向大致一致。金属腔体121在定位并放置好后，可采用回流焊的焊接方式与平面焊盘1112实现焊接。

在本实施例中，基板111上开设有插槽式焊盘1113，插槽式焊盘1113与接地层113绝缘并与馈电线路层112电连接，输入端及输出端穿设于插槽式焊盘1113并焊接。

具体的，可通过在基板111上开设金属化插槽，并在插槽的一端设置焊盘的方式形成插槽式焊盘1113。可在插槽式焊盘1113的边缘设置非金属环带，从而使其与接地层113绝缘。此时，移相电路层122可采用PCB板、金属线路板等立体结构，且局部突出形成插脚结构(图未示)，输入端及输出端位于该插脚结构上。将插脚结构插入插槽式焊盘1113，即可对移相组件120进行定位及预固定，故便于后续的焊接操作。接着，可采用回流焊将带有输入端及输出端的插脚结构焊接于插槽式焊盘1113。

进一步的，在本实施例中，基板111包括多个相互拼接的子板(图未示)，同一个移相电路层122的输入端及输出端分别穿设于相邻两个子板的插槽式焊盘1113。

也就是说，馈电网络组件110可以不用采用一整张大的板，而是分成多个小板(即，子板)拼接。而小板拼接的形式，可使馈电网络组件110的设计更灵活、更便宜。具体的，每个子板上可分别形成馈电线路层112的一部分(譬如，一个功分器)。进一步的，通过移相电路层122的“跨接”，不仅可实现相邻两个子板的物理连接，还可将多个子板上的电路部分连接成整体，并最终得到所需的馈电线路层112。

在本实施例中，金属腔体121朝向基板111的侧壁形成有开口1211，基板111覆盖开口1211。

具体的，金属腔体121为U型槽结构，开口1211一般沿其长度方向延伸。金属腔体121可由底壁及沿底壁两侧延伸且相对设置的两个侧壁围成，也可由仅由一个弧形侧壁围成。因此，金属腔体121与传统移相器的腔体相比，相当于缺省一个侧壁，故其厚度及重量均可显著减小，可进一步有利于大规模阵列天线10实现小型化。

而且，由于基板111覆盖开口1211，且金属腔体121与接地层113电连接，故基板111在功能上相当于金属腔体121缺省的侧壁。因此，在金属腔体121的厚度及重量显著减小的前提下，还能保证移相馈电装置100的功能不受影响。

请再次参阅图1，在本实施例中，大规模阵列天线10还包括反射板400。移相馈电装置100安装于反射板400的一侧，传动装置300安装于反射板400的另一侧。

反射板400一般为金属板状结构，可起到增强电磁波信号的作用。此外，反射板400还作为承载主体，具有较高的机械强度。显然，当馈电网络组件110及移相组件120足以提供天线的机械强度支撑时，反射板400页可以省去。此时，传动装置300可直接安装于移相组件120上。

进一步的，在本实施例中，反射板400上开设有避位孔410，金属腔体121位于避位孔410内。

具体的，避位孔410与金属腔体121的轮廓相匹配，避位孔410用于对突出于基板111表面的移相组件120进行避让。因移相主键120在反射板400表面的投影面积较小，故即便开避位孔410仍旧能保持反射板400的机械强度，并令反射板400的重量减轻。同时，移相组件120嵌设于反射板400，两者厚度方向存在重叠，故还可使大规模阵列天线10的厚度进一步减小。

上述移相馈电装置100，通过焊接，金属腔体121与馈电线路层112的共地设置，而移相电路层122与馈电线路层112实现串联。因此，可在不采用同轴馈线的基础上实现馈电网络组件110与移相组件120进行集成。此外，金属腔体121及移相电路层122位于基板111背向馈电线路层112的一侧。也就是说，移相组件120的集成并不会占用馈电线路层112的布线空间，故基板111的尺寸不会因移相组件120的设置而增大。显然，将移相馈电装置100应用于上述大规模阵列天线10时，有利于减小体积并结构简化，从而有利于实现大规模阵列天线10的小型化。

请再次参阅图1，本发明还提供一种辐射阵列20。该辐射阵列200包括上述移相馈电装置100及多个辐射单元200。具体的，多个辐射单元200贴设于基板111背向移相组件120的一侧并分别与多个射频出口1122焊接。

其中，辐射阵列20中可集成多个移相馈电装置100，多个移相馈电装置100并列设置。以图1为例，辐射阵列20呈8列12行的阵列排布，移相馈电装置100的数量为8个，且每个移相馈电装置100上焊接有12个辐射单元200，共具有96个射频通道。

显然，根据对射频通道数量的不同需求，辐射阵列20中集成的移相馈电装置100的数量可相应调整。

在实际生产应用中，可以考虑将电气部件，即馈电网络组件110、移相组件120及辐射单元200先行进行组装及焊接，便得到上述辐射阵列20。该辐射阵列20再与传动装置300及反射板400等机械部件进行组装，即可得到上述大规模阵列天线10。如此，通过一次过的回流焊或其他自动化焊接工艺完成电气部件的生产，从而提升焊接工作的效率及质量。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种移相馈电装置，其特征在于，包括：

馈电网络组件，包括基板、形成于所述基板一侧的接地层及形成于所述基板另一侧的馈电线路层，所述馈电线路层具有射频入口及多个射频出口；及

移相组件，包括金属腔体、收容于所述金属腔体内的移相电路层及移相操作件，所述移相电路层具有输入端及输出端；

其中，所述金属腔体贴设于所述基板设置有所述接地层的一侧并与所述接地层焊接，所述输入端及所述输出端分别与所述馈电线路层焊接，以将所述移相电路层串联于所述馈电线路层中。

2.根据权利要求1所述的移相馈电装置，其特征在于，所述基板背向所述馈电线路层的一侧形成有与所述接地层电连接的平面焊盘，所述金属腔体贴装于所述平面焊盘的表面并焊接。

3.根据权利要求1所述的移相馈电装置，其特征在于，所述基板上开设有插槽式焊盘，所述插槽式焊盘与所述接地层绝缘并与所述馈电线路层电连接，所述输入端及所述输出端穿设于所述插槽式焊盘并焊接。

4.根据权利要求3所述的移相馈电装置，其特征在于，所述基板包括多个相互拼接的子板，同一个所述移相电路层的所述输入端及所述输出端分别穿设于相邻两个所述子板的所述插槽式焊盘。

5.根据权利要求1所述的移相馈电装置，其特征在于，所述基板与每个所述射频出口对应的位置分别设置有连接焊盘。

6.根据权利要求1所述的移相馈电装置，其特征在于，馈电网络组件还包括射频接头，所述射频接头设置于所述基板背向所述馈电线路层的一侧并与所述射频入口电连接。

7.根据权利要求1所述的移相馈电装置，其特征在于，所述金属腔体朝向所述基板的侧壁形成有开口，所述基板覆盖所述开口。

8.根据权利要求1所述的移相馈电装置，其特征在于，所述移相操作件为介质板，所述介质板部分收容于所述金属腔体内并与所述移相电路层相对设置，另一部分伸出所述金属腔体。

9.根据权利要求1所述的移相馈电装置，其特征在于，所述馈电线路层包括多级串联的功分器，每个所述移相电路层具有多个所述输出端，且多个所述输出端分别电连接于多个所述功分器。

10.一种辐射阵列，其特征在于，包括：

如上述权利要求1至9任一项所述的移相馈电装置；及

多个辐射单元，贴设于所述基板背向所述移相组件的一侧并分别与所述多个射频出口焊接。

11.一种大规模阵列天线，其特征在于，包括：

如上述权利要求10所述的辐射阵列；及

传动装置，位于所述基板背向所述辐射单元的一侧，所述传动装置与所述移相操作组件传动连接。

12.根据权利要求11所述的大规模阵列天线，其特征在于，还包括反射板，所述辐射阵列安装于所述反射板的一侧，所述传动装置安装于所述反射板的另一侧。

13.根据权利要求12所述的大规模阵列天线，其特征在于，所述反射板上开设有避位孔，所述金属腔体位于所述避位孔内。

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