CN111864407B - 一种准八木天线阵列及毫米波基站设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种准八木天线阵列及毫米波基站设备，该准八木天线阵列包括层叠且间隔设置的至少两个射频板，每个射频板设置有至少一个射频通道、以及阵列排列的至少两个准八木天线单元，且每个射频通道对应至少一个准八木天线单元。每个准八木天线单元包括与至少一个射频通道中的一个射频通道电连接的巴伦结构、与巴伦结构电连接的有源阵子、以及位于有源阵子一侧且背离巴伦结构的至少一个无源阵子。通过层叠且阵列排列形成的准八木天线阵列，扩充准八木天线阵列的工作带宽。便于天线与射频板的一体化，减小基站设备尺寸，提高准八木天线阵列的天线增益，减少传输损耗。通过加入巴伦结构以实现不平衡至平衡转换，实现准八木天线单元宽带特性。

Description

一种准八木天线阵列及毫米波基站设备
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种准八木天线阵列及毫米波基站设备。
背景技术
5G移动通信系统是一个广覆盖、高容量、多连接、低时延和高可靠性网络，毫米波频段作为5G峰值流量的承载频段，是5G频谱战略的重要组成部分。5G毫米波通信系统主要面向大带宽及高容量的应用，应用场景涵盖大型体育场馆，购物商城，飞机、火车站等热点地区。我国工信部发布的5G毫米波实验频段为24.25–27.5GHz，带宽为3.25GHz。毫米波基站设备若使用单一天线覆盖全部我国5G高频实验频段，其很难满足带宽要求。
发明内容
本发明提供一种准八木天线阵列及毫米波基站设备，用以提高天线的带宽。
第一方面，本发明提供了一种准八木天线阵列，该准八木天线阵列包括层叠且间隔设置的至少两个射频板，每个射频板设置有至少一个射频通道、以及阵列排列的至少两个准八木天线单元，其中，每个射频通道对应至少一个准八木天线单元。每个准八木天线单元包括与对应的射频通道电连接的巴伦结构、与巴伦结构电连接的有源阵子、以及位于有源阵子一侧且背离巴伦结构的至少一个无源阵子。
在上述的技术方案中，通过在层叠且间隔设置的至少两个射频板中的每个射频板上设置至少一个射频通道、以及与至少一个射频通道电连接且阵列排列的至少两个准八木天线单元，从而扩充准八木天线阵列的工作带宽。采用上述的设置方式，无需采用堆叠的设计方式，便于天线与射频板的一体化，从而减小基站设备的尺寸。采用在射频板上集成多个阵列排列的准八木天线单元的方式，可提高准八木天线阵列的天线增益及接收灵敏度，且无需采用射频连接器连接射频电缆与天线，从而减少传输损耗。通过在准八木天线单元中加入巴伦结构以实现不平衡至平衡的转换，从而实现准八木天线单元的宽带特性。
在一个具体的实施方式中，巴伦结构包括与对应的射频通道电连接且与有源阵子电连接的阻抗匹配段、以及与阻抗匹配段电连接的移相器。通过设置的阻抗匹配段以及移相器，便于控制每个准八木天线单元的相位及幅度，以形成大规模有源阵列天线。
在一个具体的实施方式中，移相器的内部边缘角的角度为90°，移相器的外部边缘角为45°切角，以保证电磁能量较为均匀的传播，从而达到宽带特性。
在一个具体的实施方式中，移相器为宽带180°移相器，阻抗匹配段为准八木天线单元工作频率下的四分之一波长阻抗匹配段，从而将射频通道传输过来的信号功分为等幅反相的两路信号以对有源阵子进行馈电。
在一个具体的实施方式中，无源阵子的长度小于有源阵子的长度，且无源阵子的长度为准八木天线单元工作频率下的0.3～0.5波长。且有源阵子与距有源阵子最近的无源阵子之间的间距为准八木天线单元工作频率下的0.15～0.25波长。在一个具有的实施方式中，无源阵子的长度为准八木天线单元工作频率下的0.4波长，有源阵子与距离有源阵子最近的无源阵子之间的间距为准八木天线单元工作频率下的0.2波长，从而使准八木天线单元的辐射方向指向无源阵子。
在一个具体的实施方式中，无源阵子的个数为一个。
在一个具体的实施方式中，每个射频通道电连接两个准八木天线单元，以提高单个射频通道的天线增益，压缩波束宽度。
在一个具体的实施方式中，每个射频板包括设置至少一个射频通道的多层导电层、以及设置至少两个准八木天线单元的单层导电层。其中，上述单层导电层与多层导电层中的一层导电层位于同一导电层。
在一个具体的实施方式中，任意相邻两个射频板之间的间距为准八木天线单元工作频率下的0.5～0.9波长。
在一个具体的实施方式中，相邻两个射频板之间设置有用于调整相邻两个射频板的间距的楔形锁紧条。
第二方面，本发明还提供了一种毫米波基站设备，该毫米波基站设备包括上述任一种准八木天线阵列。通过采用准八木天线阵列的方式，以扩充毫米波基站设备工作时所覆盖的带宽。采用上述的设置方式，无需采用堆叠的设计方式，便于天线与射频板的一体化，从而减小毫米波基站设备的尺寸。采用上述在射频板上集成多个阵列排列的准八木天线单元的方式，可提高准八木天线阵列的天线增益及接收灵敏度，且无需采用射频连接器连接射频电缆与天线，从而减少传输损耗。
在一个具体的实施方式中，毫米波基站设备还包括与至少两个射频板连接的背板、与背板连接的中频板、以及包括背板、射频板与中频板且用于屏蔽的金属罩，其中，在金属罩上设置有用于准八木天线单元辐射的辐射窗口，以实现射频板与中频板的连接，以及准八木天线阵列的辐射。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种准八木天线阵列的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种射频板的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种射频板的剖视图；
图4为本发明实施例提供的一种准八木天线单元的俯视图；
图5为本发明实施例提供的一种准八木天线单元的仰视图；
图6为本发明实施例提供的一种准八木天线单元S参数示意图；
图7为本发明实施例提供的一种板卡模块的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种板卡模块的正视图；
图9为本发明实施例提供的一种毫米波基站设备的示意图。
附图标记：
10-射频板 101-第一射频板 102-第二射频板
11-多层导电层 12-单层导电层 13-射频通道
14-准八木天线单元 15-巴伦结构 151-阻抗匹配段
1511-第一阻抗匹配段 1512-第二阻抗匹配段
152-移相器 1521-内部边缘角 1522-外部边缘角
16-有源阵子 161-第一有源阵子 162-第二有源阵子
17-无源阵子 18-反射器 20-板卡模块
21-第一框架 22-第二框架 23-第三框架
24-楔形锁紧条 241-第一楔形块 242-第二楔形块
240-螺杆 30-背板 40-中频板
50-金属罩 51-辐射窗口 60-准八木天线阵列
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便理解本发明实施例提供的准八木天线阵列，首先说明一下其应用场景，该准八木天线阵列应用于无线通信基站设备上，以实现无线电波的辐射与接收。下面结合附图对准八木天线阵列进行详细的叙述。
本发明实施例提供了一种准八木天线阵列，参考图1，该准八木天线阵列包括层叠且间隔设置的至少两个射频板10。具体设置时，至少两个射频板10的数量具体可以为2个、3个、4个等至少两个，如图1示出的准八木天线阵列，其包括层叠且间隔设置的8个射频板10。
在具体设置每个射频板10时，如图2示出的射频板10，其包括设置至少一个射频通道13的多层导电层11，其中，导电层的层数具体可以为2层、3层、4层等至少两层。如图2示出的射频板10，其上设置的射频通道13的数量具体可以为1个、2个、3个等至少一个，如图2示出的射频板10上设置有8个射频通道13。在具体设置时，每个射频通道13上设置有用于与外部连接的发送接口(TX)与接收接口(RX)、以及与发送接口与接收接口电连接的射频链路，以与外部进行信息交互。
继续参考图2，每个射频板10还包括设置至少两个准八木天线单元14的单层导电层12，且单层导电层12与多层导电层11中的一层导电层位于同一导电层。具体制作时，单层导电层12由多层导电层11中的一层导电层延伸到射频板10的一侧以形成用于准八木天线单元14辐射的净空区域。具体的，如图3示出的单层导电层12，其与多层导电层11中的最上层(以图2所示位置为参考)的导电层位于同一导电层，即单层导电层12从多层导电层11中的最上层的导电层延伸到射频板10的一侧。采用上述的设置方式，射频板10上的多层导电层11可作为准八木天线单元14反射板的一部分，保证准八木天线阵列的辐射性能。应当理解的是，上述单层导电层12并不限于图2示出的与最上层的导电层位于同一导电层的方式，其还可以与位于最下层、或位于最上层与最下层之间的导电层中的任意一层导电层位于同一导电层。
在具体设置准八木天线单元14时，准八木天线单元14的数目具体可以为2个、3个、4个等多个。如图2所示，多个准八木天线单元14阵列排列，具体的，多个准八木天线单元14在单层导电层12上呈一字形排列，从而形成平面的准八木天线阵列，以保证准八木天线阵列的辐射性能。应当理解的是，准八木天线单元14的阵列排列的方式并不限于图2示出的一字形排列的方式，其还可以采用其他能够形成阵列排列的方式。
如图2示出的射频板10，其上的每个射频通道13对应至少一个准八木天线单元14，具体设置时，每个射频通道13电连接有至少一个准八木天线单元14。具体的，每个射频通道13可以电连接准八木天线单元14的数目具体可以为1个、2个、3个等至少一个。如图2所示，每个射频通道13电连接有2个准八木天线单元14，具体设置时，每个射频通道13上设置有一个一分二的功分网络，分别为对应的两个准八木天线单元14连接，实现对两个准八木天线单元14的馈电，以提高单个射频通道13的天线增益，压缩波束宽度。通过上述的设置方式，通过在每个射频板10上设置8个射频通道13，且每个射频通道13对应两个准八木天线单元14，从而在每个射频板10上形成由16个准八木天线单元14阵列排列组成的平面准八木天线阵列。且通过将8个射频板10层叠且间隔设置，从而形成由128个准八木天线单元14阵列排列组成的空间准八木天线阵列，从而形成大规模有源阵列天线，以具备波束赋形能力。
在具体设置每个准八木天线单元14时，如图4示出的准八木天线单元14，其包括与对应的射频通道13电连接的巴伦结构15、与巴伦结构15电连接的有源阵子16、以及位于有源阵子16一侧且沿背离巴伦结构15的至少一个无源阵子17。下面对巴伦结构15、有源阵子16以及无源阵子17进行详细的叙述。
如图4示出的巴伦结构15，其包括与射频通道13连接的阻抗匹配段151、以及与阻抗匹配段151连接的移相器152。具体设置时，阻抗匹配段151为准八木天线单元14工作频率下的四分之一波长阻抗匹配段，具体的，如图3示出的阻抗匹配段151，其由两段阻抗匹配段151组成，分别为与射频通道13以及移相器152电连接的第一阻抗匹配段1511、以及与有源阵子16以及移相器152电连接的第二阻抗匹配段1512。在具体设置时，第一阻抗匹配段1511的长度l1与第二阻抗匹配段1512的长度l2之和约为准八木天线单元14工作频率下的四分之一波长，以实现对天线信号阻抗的调整。应当理解是，上述仅仅示出了阻抗匹配段151的一种方式，除此之外，还可以采用其他的方式。在具体设置移相器152时，如图4示出的移相器152，其具体为宽带180°移相器，以实现对准八木天线单元14相位的调整。如图3示出的移相器152，其内部边缘角1521的角度为90°，移相器152的外部边缘角1522为45°切角，以保证电磁能量较为均匀的传播，从而达到宽带特性。
在具体设置有源阵子16时，如图4示出的有源阵子16，其具体为偶极子，其包括与第二阻抗匹配段1512电连接的两段，为便于下面描述，有源阵子16包括对称分布的第一有源阵子161以及第二有源阵子162。具体应用时，馈源通过巴伦结构15进行阻抗变换，功分为等幅反相的两路信号为有源阵子16馈电。如图4示出的无源阵子17，其分布在有源阵子16的一侧，且与有源阵子16存在一定的间距。具体设置时，无源阵子17的长度l3为准八木天线单元14工作频率下的0.15～0.25波长，具体的，无源阵子17的长度l3可以为准八木天线单元14工作频率下的0.15波长、0.18波长、0.19波长、0.20波长、0.21波长、0.22波长、0.25波长等介于0.15～0.25波长之间的任意值。且有源阵子16的长度大于无源阵子17的长度l3，具体的，第一有源阵子161的长度l4与第二有源阵子162的长度l5之和大于无源阵子17的长度l3。且有源阵子16与无源阵子17之间的间距d1为准八木天线单元14工作频率下的0.3～0.5波长，具体的，有源阵子16与无源阵子17之间的间距d1可以为准八木天线单元14工作频率下的0.30波长、0.35波长、0.38波长、0.39波长、0.40波长、0.41波长、0.42波长、0.43波长、0.45波长、0.50波长等介于0.3～0.5波长之间的任意值。在上述的方案中，无源阵子17在有源阵子16场的作用下产生感应电流，引导电磁能量的辐射方向，提高增益，同时无源阵子17本身也是一个输入阻抗匹配单元，调整天线的阻抗。应当理解的是，无源阵子17的数量并不仅仅限于图3示出的1个，其还可以为2个、3个、4个等多个。在无源阵子17的数量为多个时，无源阵子17沿背离有源阵子16方向依次排列。
另外，参考图5，在单层导电层12上与设置巴伦结构15、有源阵子16以及无源阵子17相对的一面(单层导电层12的背面)设置有反射器18，在具体设置反射器18时，其为设置在单层导电层12的背面的金属板，形成接地金属面，以增强准八木天线单元14的辐射性能。
采用上述的设置方式，该准八木天线单元14在应用于毫米波频段时仿真与实测的S参数如图6所示，准八木天线单元14的增益5.5dBi，工作相对带宽超过30％，完全满足我国毫米波试验频段的需求。
具体将至少两个射频板10层叠且间隔设置时，如图1所示，多个射频板10中的单层导电层12位于同一侧，从而使设置在单层导电层12上的多个准八木天线单元14位于同一侧，形成由多个准八木天线单元14组成的准八木天线阵列。且相邻两个射频板10之间的间距d2为准八木天线单元14工作频率下的0.5～0.9波长，具体的，相邻两个射频板10之间的间距可以为准八木天线单元14工作频率下的0.5波长、0.55波长、0.60波长、0.65波长、0.70波长、0.75波长、0.80波长、0.85波长、0.90波长等介于0.5～0.9波长中的任意值。
由于毫米波波长极短，射频板10之间的间距较窄，为有效控制射频板10之间的间距，便于整机组装，在相邻两个射频板10之间还设置有用于调整相邻两个射频板10间距的调整装置。具体设置时，如图7所示，首先将多个层叠的射频板10中相邻的两个射频板10组成一个板卡模块20，从而可以组成分别包含有两个射频板10的至少一个板卡模块20，具体的，可以组成板卡模块20的数量具体可以为1个、2个、3个等至少一个。且在板卡模块20为多个时，多个板卡模块20也是层叠且间隔设置，通过调整相邻两个板卡模块20之间的间距以实现对相邻两个射频板10间距的调整。为便于下面描述，如图7所示，每个板卡模块20包含层叠设置的第一射频板101与第二射频板102。在设置每个板卡模块20时，参考图7及图8，首先将第一射频板101放置在包含有第一腔体的第一框架21上，再将包含有第二腔体的第二框架22放置在第一射频板101上，其中，第二框架22上设置有螺纹通孔。然后通过第一框架21背面(图7位置中位于第一框架21下面的表面)的通孔用螺钉反向(从第一框架21的背面向上设置)锁紧第一框架21、第一射频板101以及第二框体22。再将第二射频板102放置在第二框架22上，然后将包含有第三腔体的第三框架23放置在第二射频板102上，再从正面(图7位置中位于第三框架23上面的表面)用螺钉锁紧固定第二框架22，第二射频板102以及第三框架23，从而将相邻的射频板10通过上述第一框架21、第二框架22以及第三框架22形成一个板卡模块20。之后采用现有技术中的楔形锁紧条24连接相邻的两个板卡模块20，具体的，楔形锁紧条24中的第一楔形块241与相邻两个板卡模块20中的一个板卡模块20通过螺钉紧固方式固定连接，楔形锁紧条24中的第二楔形块242与相邻两个板卡模块20中的另一个板卡模块20通过螺钉紧固方式固定连接，在楔形锁紧条24中的螺杆240旋转时，可增大或减小第一楔形块241与第二楔形块242之间的相错幅度，从而调整相邻两个板卡模块20之间的距离，以实现相邻两个射频板10间距的调整。
应当理解的是，上述仅仅示出了调整装置的一种方式，除此在外，还可以采用其他能够调整相邻两个射频板10间距的方式。例如，调整装置包括与相邻两个射频板10中的其中一个射频板10固定连接的第一壳体，相邻两个射频板10中的另一个射频板10通过螺钉紧固、粘接、卡接等方式固定在第二壳体上。楔形锁紧条24上的第一楔形块241通过螺钉紧固、卡接等方式与第一壳体固定连接，楔形锁紧条24上的第二楔形块242通过螺钉紧固、卡接等方式与第二壳体固定连接，第一楔形块241与第二楔形块242之间通过螺杆240连接，且在转动螺杆240时，可增大或减小第一楔形块241与第二楔形块242之间的相错幅度，从而调整第一壳体与第二壳体之间的间距，以实现相邻两个射频板10间距的调整。
在上述的技术方案中，通过在层叠且间隔设置的至少两个射频板10中的每个射频板10上设置至少一个射频通道13、以及与至少一个射频通道13电连接且阵列排列的至少两个准八木天线单元14，从而扩充准八木天线阵列的工作带宽。采用上述的设置方式，无需采用堆叠的设计方式，便于天线与射频板10的一体化，从而减小基站设备的尺寸。采用上述在射频板10上集成多个阵列排列的准八木天线单元14的方式，可提高准八木天线阵列的天线增益及接收灵敏度，且无需采用射频连接器连接射频电缆与天线，从而减少传输损耗。通过在准八木天线单元14中加入巴伦结构15以实现不平衡至平衡的转换，从而实现准八木天线单元14的宽带特性。
另外，本发明实施例还提供了一种毫米波基站设备，参考图9，该毫米波基站设备包括上述任意一种准八木天线阵列60。
在具体设置时，如图9示出的毫米波基站设备，其包括与上述至少两个射频板10连接的背板30、与背板30连接的中频板40，通过使射频板10与背板30连接，中频板40与背板30连接，从而实现中频板40与射频板10之间的连接。如图9示出的毫米波基站设备，其还包括包裹背板30、中频板40以及准八木天线阵列60且用于屏蔽的金属罩50，具体设置时，金属罩50为一个材质为金属的壳体结构，背板30、中频板40以及准八木天线阵列60设置在金属罩50内。
如图9示出的金属罩50，其上设置有用于准八木天线阵列60辐射的辐射窗口51。在具体设置辐射窗口51时，如图9所示，辐射窗口51设置在金属罩50上靠近准八木天线单元14的一侧，从而便于准八木天线单元14的辐射。在辐射窗口51上设置由塑料、玻璃钢等不影响天线辐射的材料制成的板材覆盖在辐射窗口51上，以保护金属罩50内的准八木天线阵列60。
在上述的技术方案中，通过采用准八木天线阵列60的方式，以扩充毫米波基站设备工作时所覆盖的带宽。采用上述的设置方式，无需采用堆叠的设计方式，便于天线与射频板10的一体化，从而减小毫米波基站设备的尺寸。采用上述在射频板10上集成多个阵列排列的准八木天线单元14的方式，可提高准八木天线阵列60的天线增益及接收灵敏度，且无需采用射频连接器连接射频电缆与天线，从而减少传输损耗。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种准八木天线阵列，其特征在于，包括：
层叠且间隔设置的至少两个射频板，每个射频板设置有至少一个射频通道、以及阵列排列的至少两个准八木天线单元，其中，每个射频通道对应至少一个准八木天线单元；
每个准八木天线单元包括：与对应的射频通道电连接的巴伦结构；与所述巴伦结构电连接的有源阵子；位于所述有源阵子一侧且背离所述巴伦结构的至少一个无源阵子；
其中，每个射频板包括设置所述至少一个射频通道的多层导电层、以及设置所述至少两个准八木天线单元的单层导电层，其中，所述单层导电层与所述多层导电层中的一层导电层位于同一导电层；
所述单层导电层由所述多层导电层中的一层导电层延伸到所述射频板的一侧以形成用于准八木天线单元辐射的净空区域。
2.如权利要求1所述的准八木天线阵列，其特征在于，所述巴伦结构包括与对应的射频通道电连接且与所述有源阵子电连接的阻抗匹配段、以及与所述阻抗匹配段电连接的移相器。
3.如权利要求2所述的准八木天线阵列，其特征在于，所述移相器的内部边缘角的角度为90°，所述移相器的外部边缘角为45°切角。
4.如权利要求2所述的准八木天线阵列，其特征在于，所述移相器为宽带180°移相器，所述阻抗匹配段为所述准八木天线单元工作频率下的四分之一波长阻抗匹配段。
5.如权利要求1～4任一项所述的准八木天线阵列，其特征在于，所述无源阵子的长度小于所述有源阵子的长度，且所述无源阵子的长度为所述准八木天线单元工作频率下的0.3～0.5波长；
且所述有源阵子与距所述有源阵子最近的无源阵子之间的间距为所述准八木天线单元工作频率下的0.15～0.25波长。
6.如权利要求5所述的准八木天线阵列，其特征在于，任意相邻两个射频板之间的间距为所述准八木天线单元工作频率下的0.5～0.9波长。
7.如权利要求6所述的准八木天线阵列，其特征在于，相邻两个射频板之间设置有用于调整所述相邻两个射频板间距的楔形锁紧条。
8.一种毫米波基站设备，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的准八木天线阵列。
9.如权利要求8所述的毫米波基站设备，其特征在于，还包括：
与所述至少两个射频板连接的背板；
与所述背板连接的中频板；
包裹所述背板、所述射频板与所述中频板且用于屏蔽的金属罩，其中，所述金属罩上设置有用于所述准八木天线单元辐射的辐射窗口。
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