CN112542687A - 一种宽带滤波单元以及天线阵列 - Google Patents

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唐振兴
杨土富
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Abstract

本发明提供一种宽带滤波单元，包括接地支撑座、馈电巴伦以及方形辐射面，所述方形辐射面的正反面均覆铜，其中，正面覆铜形状类似于四个组合在一起的正方形结构，位于对角线上的两个正方形结构构成一个极化方向的两个振子臂，每一个振子臂的中部位置均全部掏空，振子臂由多个串接在一起的LC电路组成，振子臂上还设置有多个开路滤波支节，本发明用于多频多阵列组合天线中，能够很好地避免与邻近阵列间的干扰，其特殊的多重滤波结构能够适应于各种异形阵列，有效缩小天线尺寸，提升天线交织阵列的性能，并且结构简单，安装方便，成本低廉；同时，通过调节单元辐射面上的LC电路位置和滤波支节长度，可以实现不同频段的扩展与不同频段的滤波。

Description

一种宽带滤波单元以及天线阵列
技术领域
本发明涉及多频多阵列组合天线技术领域，具体涉及一种宽带滤波单元以及天线阵列。
背景技术
常规的多频多阵列组合天线为了保障各频段的性能指标，会在天线内部各阵列单独划分区域，从而导致天线尺寸大、天线运营成本高等问题。而在控制了尺寸的情况下，阵列布局十分紧凑，互耦影响非常大，从而造成了指标的严重下降。所以天线厂商在控制尺寸的同时，也要解决阵列互耦问题，而解决问题的关键在于天线振子单元的去耦技术。
多频多阵列的宽带天线去耦问题一直是行业内的重要研究领域，同样也一直是难以解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带滤波单元以及天线阵列，本发明在解决天线尺寸问题的同时，也能提供良好的辐射性能，特别在4G和5G结合布网的情况下，将该宽带滤波单元使用在双系统的天线中，能够大幅度降低天线应用成本，提升基站容量和用户体验。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种宽带滤波单元，包括接地支撑座、馈电巴伦以及含有±45°双极化方向的方形辐射面，所述方形辐射面的正反面均覆铜，其中，正面覆铜形状类似于四个组合在一起的正方形结构，位于对角线上的两个正方形结构构成一个极化方向的两个振子臂，每一个振子臂的中部位置均全部掏空，振子臂由多个串接在一起的LC电路组成，振子臂上还设置有多个开路滤波支节，方形辐射面的底部中间位置处连接有用于对方形辐射面进行馈电和起支撑作用的馈电巴伦，馈电巴伦的自由端连接至所述的接地支撑座，通过调节方形辐射面上的多个LC电路的位置和开路滤波支节的长度，可以实现对不同频段的扩展与滤波。
进一步的，方形辐射面反面的覆铜形状为方形环状结构，该方形环状结构的内部掏空，用于耦合四个振子臂的能量，从而形成电流回路来延长振子的电长度。
进一步的，所述振子臂在位于方形辐射面中间位置处的部分与馈电巴伦相连，且该部分为由三个类三角形结构依次连接并一体设置而成的角形结构，其中，位于中间的类三角形结构用于加大馈电焊盘并连接至馈电巴伦，位于两端的两个类三角形结构用于形成谐振腔，以降低振子的回波损耗。
进一步的，所述馈电巴伦采用PCB双面覆铜材料制成，其中一面设置阻抗匹配的微带线，另一面设置接地片。
进一步的，所述LC电路的数量为三个，分别为依次连接的第一LC电路、第三LC电路和第二LC电路，第一LC电路和第二LC电路的结构相同且均为半闭合的长方形结构，第三LC电路由用于连接第一LC电路和第二LC电路的边角和设置在方形辐射面的反面上的L形覆铜条耦合而成，第三LC电路分别与第一LC电路和第二LC电路间形成电容-电感连接，从而达到滤波效果。
进一步的，所述开路滤波支节的长度接近所滤频段的四分之一波长。
一种天线阵列，包括天线阵列和如权利要求1所述的宽带滤波单元，宽带滤波单元上设置的接地支撑座放置于天线阵列的反射板上，并与反射板间形成耦合接地。
进一步的，所述的天线阵列包括但不仅限于FDD天线、FDD+TDD天线和FDD+MIMO天线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明用于多频多阵列组合天线中，能够很好地避免与邻近阵列间的干扰，其特殊的多重滤波结构能够适应于各种异形阵列，有效缩小天线尺寸，提升天线交织阵列的性能，并且结构简单，安装方便，成本低廉；同时，通过调节单元辐射面上的LC电路位置和滤波支节长度，可以实现不同频段的扩展与不同频段的滤波。
附图说明
图1是本发明一种宽带滤波单元中的正面结构示意图；
图2是本发明一种宽带滤波单元中的反面结构示意图；
图3是方形反射面、馈电巴伦及接地支撑座的连接关系示意图；
图4是第三LC电路的耦合示意图；
图5是本发明宽带滤波单元使用在FDD阵列中的示意图；
图6是本发明宽带滤波单元使用在FDD+TDD阵列的示意图；
图7是本发明宽带滤波单元嵌套在MIMO阵列的示意图；
图8是本发明宽带滤波单元使用在FDD阵列中的高频仿真结果图；
图9是常规非滤波单元使用在FDD阵列中的高频仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种宽带滤波单元，如图1和图2所示，该宽带滤波单元由3部分组成，分别为含有±45°双极化方向的方形辐射面1、用于PCB耦合馈电的馈电巴伦2和接地支撑座3。
方形辐射面1的正反面均覆铜，正面的覆铜形状类似于四个组合在一起的正方形结构1A、1B、1C和1D。位于其中一条对角线上的两个正方形结构构成一个极化方向的两个振子臂，位于另一条对角线上的两个正方形结构构成另一个极化方向的两个振子臂，每一个振子臂的中部位置均全部掏空，大部分覆铜区域实际宽度只有0.8mm。振子臂上包含了3个LC电路，其中，第一LC电路1a、第二LC电路1b放置于方形辐射面1的正上方，形状类似于一个半闭合的长方形，完全闭合的长方形能产生电容效果，而半闭合的长方形一方面能产生电容效果，另一方面能为第三LC电路6a提供电感效果。第三LC电路6a的电容由设置在方形辐射面1正面的边角1c与对应的设置在反面的L形覆铜条5a、5b、5c、5d耦合构成，同时，第三LC电路6a与另外两个LC电路形成电容-电感的连接，从而达到滤波效果，第三LC电路6a的示意图如图4所示。
方形辐射面1的振子臂上还设置有2个开路滤波支节2a、2b，长度接近所滤频段的四分之一波长，能够对振子的滤波性能进一步加强，从而满足更宽频段的滤波性能。
在方形辐射面1的反面有一个呈方形环状结构的覆铜区域4a，方形环状结构的内部全部掏空，实际线宽只有0.8mm。方形环状结构能够耦合4个方形振子臂的能量，从而形成电流回路来延长振子的电长度，振子电长度越长，其满足的带宽越宽。所以在方形环状结构的作用下，本发明所述的滤波单元能提升40%的相对带宽。
如图3所示，方形辐射面1的底部中间位置与馈电巴伦2连接，馈电巴伦2对方形辐射面1进行馈电和起支撑的作用。本实施例中，振子臂在位于方形辐射面1中部位置处的部分与馈电巴伦2相连，且该部分为由三个类三角形结构依次连接并一体设置而成的角形结构。其中，位于中间的三角形结构3a目的在于加大馈电焊盘，保证结构工艺完好。两边连接的三角形结构3b、3c目的是形成谐振腔，降低振子的回波损耗。馈电巴伦2采用PCB双面覆铜材料制成，一面是阻抗匹配的微带线，另一面是接地片，馈电巴伦2下方为接地支撑座3，接地支撑座3放置于天线的反射板上，与反射板形成耦合接地的方式。
图5为本发明中的宽带滤波单元使用在FDD天线中的示意图，由于振子臂上多重滤波结构的作用，在与其他阵列组合时，可以采用异形排列，与其他阵列的相对位置也可以通过尺寸来适当调整。
图6、图7分别为本发明所述的宽带滤波单元使用在FDD+TDD和FDD+MIMO中构成4G+5G双系统融合天线中的的示意图，4G+5G双系统的融合后，能进一步提升5G覆盖的质量、容量以及提升用户体验。
图8和图9为使用本发明的宽带滤波单元和常规非滤波单元的阵列仿真图。仿真结果显示在本发明滤波单元的作用下，高频阵列的平均增益比常规增益更高，波束收敛性更好。
综上，本发明用于多频多阵列组合天线中，能够很好地避免与邻近阵列间的干扰，其特殊的多重滤波结构能够适应于各种异形阵列，有效缩小天线尺寸，提升天线交织阵列的性能，并且结构简单，安装方便，成本低廉。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种宽带滤波单元，包括接地支撑座、馈电巴伦以及含有±45°双极化方向的方形辐射面，其特征在于：
所述方形辐射面的正反面均覆铜，其中，正面覆铜形状类似于四个组合在一起的正方形结构，位于对角线上的两个正方形结构构成一个极化方向的两个振子臂，每一个振子臂的中部位置均全部掏空，振子臂由多个串接在一起的LC电路组成，振子臂上还设置有多个开路滤波支节，方形辐射面的底部中间位置处连接有用于对方形辐射面进行馈电和起支撑作用的馈电巴伦，馈电巴伦的自由端连接至所述的接地支撑座，通过调节方形辐射面上的多个LC电路的位置和开路滤波支节的长度，可以实现对不同频段的扩展与滤波。
2.根据权利要求1所述的一种宽带滤波单元，其特征在于：方形辐射面反面的覆铜形状为方形环状结构，该方形环状结构的内部掏空，用于耦合四个振子臂的能量，从而形成电流回路来延长振子的电长度。
3.根据权利要求1所述的一种宽带滤波单元，其特征在于：所述振子臂在位于方形辐射面中间位置处的部分与馈电巴伦相连，且该部分为由三个类三角形结构依次连接并一体设置而成的角形结构，其中，位于中间的类三角形结构用于加大馈电焊盘并连接至馈电巴伦，位于两端的两个类三角形结构用于形成谐振腔，以降低振子的回波损耗。
4.根据权利要求3所述的一种宽带滤波单元，其特征在于：所述馈电巴伦采用PCB双面覆铜材料制成，其中一面设置阻抗匹配的微带线，另一面设置接地片。
5.根据权利要求1所述的一种宽带滤波单元，其特征在于：所述LC电路的数量为三个，分别为依次连接的第一LC电路、第三LC电路和第二LC电路，第一LC电路和第二LC电路的结构相同且均为半闭合的长方形结构，第三LC电路由用于连接第一LC电路和第二LC电路的边角和设置在方形辐射面的反面上的L形覆铜条耦合而成，第三LC电路分别与第一LC电路和第二LC电路间形成电容-电感连接，从而达到滤波效果。
6.根据权利要求1所述的一种宽带滤波单元，其特征在于：所述开路滤波支节的长度接近所滤频段的四分之一波长。
7.一种天线阵列，其特征在于：包括天线阵列和如权利要求1所述的宽带滤波单元，宽带滤波单元上设置的接地支撑座放置于天线阵列的反射板上，并与反射板间形成耦合接地。
8.根据权利要求7所述的一种天线阵列，其特征在于：所述的天线阵列包括但不仅限于FDD天线、FDD+TDD天线和FDD+MIMO天线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114156638A (zh) * 2021-11-30 2022-03-08 华南理工大学 辐射单元及天线

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