CN110994150A - 一种小型化超宽频低频辐射单元及高低频嵌套阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型化超宽频低频辐射单元，应用于高低频嵌套阵列，该低频辐射单元由四组中间断开的单极子辐射电臂和上下叠层开窗的钣金巴伦组成，在相邻两单极子辐射电臂之间加载耦合金属片。其中互为对角的一对单极子辐射电臂具有相同极化方向，在馈点处焊接等长的75Ω射频电缆，同一极化方向的两根75Ω电缆通过馈电槽焊接在一起后连接50Ω馈线进行激励。本发明具有尺寸小、重量轻、超宽带、匹配简单、成本低廉的优点。本发明还提供一种高低频嵌套阵列。

Description

一种小型化超宽频低频辐射单元及高低频嵌套阵列

技术领域

本发明专利涉及基站天线领域，特别是涉及一种共轴嵌套空间复用阵列中的小型化超宽频低频辐射单元和应用上述低频辐射单元组成的高低频嵌套阵列。

背景技术

5G的到来对基站天线的小型化和集成化提出了更高的要求。高低频辐射单元共轴嵌套空间复用组阵作为一种相对成熟的缩小基站天线尺寸、提高集成度的技术，在行业内得到广泛应用，目前已经成为解决小型化和集成化问题的主要方法之一。

高低频辐射单元共轴嵌套空间复用组阵是将高频辐射单元间隔地安装在低频辐射单元中心轴上方的托台以及低频直线阵相邻阵元的中间位置，通过高频阵列复用低频阵列空间的方式，在不增加基站天线物理尺寸的前提下实现高低频阵列的集成。上述方案面临着两个技术难题：1)高频辐射单元和低频辐射单元之间的交互影响。对于低频辐射单元来说，在其附近特别是内部中轴线上安装高频辐射单元相当于改变了边界，势必会影响驻波和方向图；而对于高频辐射单元来说，无论是位于低频辐射单元中心托台的嵌套高频振子还是位于相邻低频辐射单元中间位置的外部高频振子，都不可避免地受到来自低频振子的杂散波的影响。2)高低频嵌套阵列超宽带特性的保持。从共轴嵌套阵列的布局不难看出-高频阵列的单元间距是低频阵列单元间距的一半。为了确保垂直面副瓣抑制达标，高频工作频率下限至多是低频工作频率上限的两倍，这同时也意味着低频嵌套单元口面不能太大！如何通过较小的口面实现低频阻抗匹配和较高的增益因此成为低频嵌套辐射单元设计亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种口面小、高度低、超宽带、高增益的小型化低频辐射单元。

本发明还提供一种具有上述低频辐射单元的高低频嵌套阵列。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种小型化超宽频低频辐射单元，应用于高低频嵌套阵列，其特征在于：在低频辐射单元断开的相邻两单极子辐射电臂之间加载耦合金属片，并且在钣金巴伦以上下层叠的方式开窗，从而优化电流路径，调谐多模谐振，在保持较小尺寸的同时扩展低频带宽。

更为优选的是，所述低频辐射单元包括框架结构和设置在所述框架结构中轴线上方的带上翻边的托台，所述框架结构和所述托台均为铝制件，所述托台距离所述框架结构底部高度为1/4高频振子中心频率波长。

更为优选的是，所述托台距离所述框架结构底部高度为30～35mm。

更为优选的是，所述框架结构为铝板弯折加工形成的中空四棱台状框架件；所述单极子辐射电臂为四个、分别由开窗的棱及位于棱两侧的辐射臂构成，所述耦合金属片设置在相邻两所属单极子辐射电臂的所述辐射臂之间；所述钣金巴伦由镂空的侧板构成。

更为优选的是，互为对角的所述单极子辐射电臂具有相同的极化方向，同一极化方向的一对所述单极子辐射电臂在馈点处焊接等长的75Ω射频电缆，通过馈电槽焊接在一起接50Ω馈线。

更为优选的是，所述低频辐射单元的工作频率为698～960MHz。

一种高低频嵌套阵列，包括：反射板，安装在所述反射板上的若干高频辐射单元、若干低频辐射单元，各所述低频辐射单元阵列排布，所述高频辐射单元间隔地安装在所述低频辐射单元中心轴上方以及相邻所述低频辐射单元的中间位置；其特征在于，所述低频辐射单元如上所述。

更为优选的是，相邻两所述低频辐射单元之间的间距为250～270mm。

更为优选的是，在所述反射板上设有高频边界板，所述高频边界板与安装在相邻所述低频辐射单元中间位置的所述高频辐射单元对应。

更为优选的是，在安装于相邻所述低频辐射单元中间位置的所述高频辐射单元上方设有引向器。

为了减小尺寸和拓展低频带宽，本发明所述之低频振子将上述四组辐射电臂从中心处断开，通过在缝隙处加载金属耦合片延长电流路径，改善低频匹配。

本发明的有益效果是：

一、通过在低频辐射单元断开的相邻两单极子辐射电臂之间加载耦合金属片，并且在钣金巴伦上以上下层叠的方式开窗，从而优化电流路径，调谐多模谐振，在保持较小尺寸的同时扩展低频带宽，实现低频辐射单元的口面小、高度低、重量轻、带宽大、高增益和容易加工。

二、采用四个单极子辐射电臂，互为对角的单极子辐射电臂具有相同的极化方向，使得匹配简单，无需使用PCB匹配电路或变换段；±45°极化分别只需在对应电臂处连接两根75Ω射频电缆，上述电缆通过馈电槽焊接到一起后即可匹配到50Ω。

附图说明

图1所示为本发明所述之小型化超宽频低频辐射单元结构示意图。

图2所示为本发明所述之小型化超宽频低频辐射单元的馈电网络连接示意图。

图3所示为本发明所述之高低频嵌套阵列结构示意图。

图4所示为本发明所述之小型化超宽频低套辐射单元驻波测量结果。

图5所示为本发明所述之小型化超宽频低套辐射单元方向图测量结果。

附图标记说明：

1：低频辐射单元，1-1：框架结构，1-2：托台，1-1-1：单极子辐射电臂，1-1-2：钣金巴伦，1-3：耦合金属片，1-4：75Ω射频电缆，1-5：馈电槽。

2：高频辐射单元，2-1：嵌套高频振子，2-2：外部高频振子。

3：高频边界板。

4：引向器。

5：反射板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

如图1、图2所示，一种小型化超宽频低频辐射单元1，包括框架结构1-1和设置在所述框架结构1-1中轴线上方的带上翻边的托台1-2。

其中，所述框架结构1-1为一铝板弯折而成的底部小顶部大的中空棱台状框架件，该框架件上成型有四个单极子辐射电臂1-1-1和相应的钣金巴伦1-1-2，各所述单极子辐射电臂1-1-1分别由开窗的棱及位于棱两侧的辐射臂构成，所述钣金巴伦1-1-2由镂空的侧板构成。

所述托台1-2为铝制托台，用来安装嵌套高频辐射单元。所述托台1-2距离框架结构1-1底部高度约为1/4高频振子中心频率波长，建议30～35mm，如此既有利于提高高频增益，又有利于低频振子的匹配。

为了在保持小尺寸同时拓展低频带宽，本实施例采用了两种主要的技术手段：1)将单极子辐射电臂1-1-1从中间断开，缝隙长度约为2～5mm，在缝隙处加载耦合金属片1-3。这样设置的好处是：一方面延长低频电流路径提高辐射电阻，另一方面通过寄生电容对谐振频率进行调谐。2)在框架结构1-1的侧板进行叠层开窗，即镂空成上下两层，通过两层开窗之间的钣金横条对辐射电流进行调节使模式转换更加平滑，减少了因电流变化不连续造成的失配。

优选地，互为对角的一对单极子辐射电臂1-1-1具有相同的极化方向，在馈点处焊接等长的75Ω射频电缆1-4，同一极化方向的两根75Ω射频电缆1-4通过馈电槽1-5焊接在一起后连接50Ω馈线进行激励，无需匹配段或复杂的印制电路板，简化了装配和焊接作业步骤，降低了成本。75Ω射频电缆的长度可根据低频辐射单元的工作频率、辐射面口径和巴伦高度进行调节，从而使阻抗匹配最优。

本实施例中，所述低频辐射单元的工作频率为698～960MHz，口面尺寸(棱台顶部)为147mm×147mm，振子高度为76mm，所用的75Ω电缆长度为250mm。在其他实施方式中，根据工作频率的不同，口面尺寸、振子高度、以及75Ω电缆长度都可进行适当调整，具体调整方式为本领域技术人员所掌握的普通技术知识，这里不再详细赘述。

如图3所示，其为一种采用上述低频辐射单元的高低频嵌套阵列，包括反射板5，安装在所述反射板5上的若干高频辐射单元2、若干低频辐射单元1，各所述低频辐射单元1阵列排布，所述高频辐射单元2间隔地安装在所述低频辐射单元1中心轴上方以及相邻所述低频辐射单元1的中间位置。该阵列中低频辐射单元1采用等间距的直线阵，相邻两低频辐射单元1间距250～270mm，间距太小会引起阵元之间的强耦合，不利于隔离；间距太大则会引起旁瓣电平上升。

在上述高低频嵌套阵列中，为了方便区分，安装在低频辐射单元1中心托台上的高频辐射单元2记为嵌套高频振子2-1，安装在相邻低频辐射单元1中间位置的高频辐射单元2在记为外部高频振子2-2。外部高频振子2-2受到低频辐射单元1杂散影响较大，通过使用高频边界板3和在外部高频振子2-2上方加装引向器4可聚焦辐射波束，从而一定程度上克服杂散波对辐射方向图的影响。

图4给出了上述小型化超宽带低频辐射单元的驻波测量结果。从该图可以看到：虽然尺寸小而且没有采用阻抗变换和复杂的匹配电路，但该低频辐射单元仍具有698～960MHz的工作带宽，在工作带宽范围内驻波低于1.65。

图5给出了上述小型化超宽带低频辐射单元的方向图测量结果。从该图可以看到：该低频辐射单元在工作带宽内具有收敛的半功率角，随着频率上升增益从7.9dBi平滑增加至8.9dBi，前后比优于22dB，完全满足超宽频共轴嵌套空间复用阵列的指标要求。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (10)

1.一种小型化超宽频低频辐射单元，应用于高低频嵌套阵列，其特征在于：在低频辐射单元断开的相邻两单极子辐射电臂之间加载耦合金属片，并且在钣金巴伦上以上下层叠的方式开窗。

2.根据权利要求1所述的一种小型化低频辐射单元，其特征在于：所述低频辐射单元包括框架结构和设置在所述框架结构中轴线上方的带上翻边的托台，所述框架结构和所述托台均为铝制件，所述托台距离所述框架结构底部高度为1/4高频振子中心频率波长。

3.根据权利要求2所述的一种小型化低频辐射单元，其特征在于：所述托台距离所述框架结构底部高度为30～35mm。

4.根据权利要求2所述的一种小型化低频辐射单元，其特征在于：所述框架结构为铝板弯折加工形成的中空四棱台状框架件；所述单极子辐射电臂为四个、分别由开窗的棱及位于棱两侧的辐射臂构成，所述耦合金属片设置在相邻两所属单极子辐射电臂的所述辐射臂之间；所述钣金巴伦由镂空的侧板构成。

5.根据权利要求4所述的一种小型化低频辐射单元，其特征在于：互为对角的所述单极子辐射电臂具有相同的极化方向，同一极化方向的一对所述单极子辐射电臂在馈点处焊接等长的75Ω射频电缆，通过馈电槽焊接在一起接50Ω馈线。

6.根据权利要求1所述的一种小型化低频辐射单元，其特征在于：所述低频辐射单元的工作频率为698～960MHz。

7.一种高低频嵌套阵列，包括：反射板，安装在所述反射板上的若干高频辐射单元、若干低频辐射单元，各所述低频辐射单元阵列排布，所述高频辐射单元间隔地安装在所述低频辐射单元中心轴上方以及相邻所述低频辐射单元的中间位置；其特征在于，所述低频辐射单元如权利要求1-6中任意一项所述。

8.根据权利要求7所述的一种高低频嵌套阵列，其特征在于，相邻两所述低频辐射单元之间的间距为250～270mm。

9.根据权利要求7所述的一种高低频嵌套阵列，其特征在于，在所述反射板上设有高频边界板，所述高频边界板与安装在相邻所述低频辐射单元中间位置的所述高频辐射单元对应。

10.根据权利要求7所述的一种高低频嵌套阵列，其特征在于，在安装于相邻所述低频辐射单元中间位置的所述高频辐射单元上方设有引向器。

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