CN112542704A - 一种适用于2/3/4/5g通信的高度集成的双极化基站阵列天线 - Google Patents

一种适用于2/3/4/5g通信的高度集成的双极化基站阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：包括介质基板，介质基板的正面是反射面，反面印刷低频馈电网络和高频馈电网络，在反射面上有n×n个低频阵子天线单元和N×N个高频阵子天线单元，n，N均为自然数，低频阵子天线单元和高频阵子天线单元采用上下分层嵌套结构。本发明所公开的阵列天线，具有宽频带，双频段，高度集成的特点，其方向图、增益和波瓣宽度稳定。由于不同阵子间采用上下分层嵌套设计，结构紧凑，尺寸、剖面均大大降低。

Description

一种适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线
技术领域
本发明属于阵列天线领域，特别涉及该领域中的一种适用于2/3/4/5G通信的高度集成的宽频段、双频段、双极化基站阵列天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，基站通信技术已由过去的2G，3G，4G逐步演进到现在的5G，基站天线则面临着越来越严峻的各种各样的技术挑战。首先，由于不同通信制式共存，导致通信频段越来越拥挤。现在国内的2/3/4G通信频段集中在0.69—0.96 GHz和1.71—2.69 GHz两个宽频段内。国内5G通信频段则在3.3—3.6 GHz和4.8—5GHz两个频段内。如此多和宽的频段对天线提出了严格的要求，现有的天线难以覆盖如此多和宽的频段。其次，基站通信天线相比于其他传统天线又有着不同，基站天线要求要有正负45度两个极化辐射以增加基站通信容量，减少通信信号的多路径效应，因此其设计难度相比于其他天线大，另外由于辐射双极化的要求其馈电网络的设计复杂度也较大。
为适应目前2/3/4/5G通信体制共存的情况，要求基站天线能够覆盖多个宽频段。为了使天线能够覆盖多个宽频段，最简单的方法就是将几幅天线直接分区域放置在一个天线罩内，这样多个频段的天线基本无干扰而共存。其缺点也显而易见，由于分区域放置，其尺寸也随着不同频段的天线加入而不断增加，从而导致天线非常笨重，天线的集成度差。另外一种较为复杂的方法则是将不同频段的天线有机的上下分层布置，这样的天线设计方法就可以大大的提高天线的集成度，合理的配置天线空间。但由于天线上下分层设计，其天线不同频段间的耦合相互影响将大大增加，不同频段的天线的设计难度将成倍增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种适用于2/3/4/5G通信的高度集成的宽频段、双频段、双极化基站阵列天线。
本发明采用如下技术方案：
一种适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其改进之处在于：包括介质基板，介质基板的正面是反射面，反面印刷低频馈电网络和高频馈电网络，在反射面上有n×n个低频阵子天线单元和N×N个高频阵子天线单元，n，N均为自然数，低频阵子天线单元和高频阵子天线单元采用上下分层嵌套结构，低频阵子天线单元位于上层，高频阵子天线单元位于下层；各低频阵子天线单元均由印刷在一张介质板上的四个相同且两两相对，对称设置的金属阵子臂组成，在四个阵子臂中间留有辐射空隙，四个阵子臂各通过一个印刷在独立介质板上的馈电巴伦与低频馈电网络相连接；各高频阵子天线单元均由印刷在一张介质板上的折叠环形阵子组成，高频阵子天线单元通过两根同轴电缆与高频馈电网络相连接，四个接地金属片两两相对的围绕在高频阵子天线单元周围。
进一步的，阵列天线配置有2×2个低频阵子天线单元和3×3个高频阵子天线单元，阵列天线在垂直方向天线间距为65mm，在水平方向天线间距为56mm。
进一步的，低频阵子天线单元工作于2/3/4G基站通信的1.7—2.7 GHz频段，回波损耗大于15dB，隔离度大于25dB；高频阵子天线单元工作于5G基站通信的3.3—3.6GHz频段，回波损耗大于15dB，隔离度大于25dB。
进一步的，介质基板、印刷低频阵子天线单元的介质板、印刷馈电巴伦的介质板和印刷高频阵子天线单元的介质板均为Rogers RO4003C板材。
进一步的，低频阵子天线单元具有四个公用的阵子臂，印刷在介质板的同一层，呈方环形配置。
进一步的，各低频阵子天线单元均有四个馈电端口，四个馈电端口分别对应四个馈电巴伦，给相对的一对馈电巴伦等幅同相激励以获得相对应的极化辐射。
进一步的，馈电巴伦由微带线和平行的共面传输线组成。
进一步的，低频馈电网络采用两个T型一分二等功分器给一个低频阵子天线单元的四个馈电巴伦馈电，一个功分器负责一个极化的辐射；高频阵子天线单元三个一组，高频馈电网络采用两个一分三等功分器通过同轴电缆给同组内的三个高频阵子天线单元馈电。
进一步的，高频阵子天线单元由印刷在介质板上的折叠环形阵子组成。
进一步的，该阵列天线可以作为基站天线、卫星通信天线和无线局域网通信天线，该阵列天线可以扩展为大型的天线阵列，天线阵列的形式包括但不限于线阵和面阵。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的阵列天线，具有宽频带，双频段，高度集成的特点，其方向图、增益和波瓣宽度稳定。由于不同阵子间采用上下分层嵌套设计，结构紧凑，尺寸、剖面均大大降低。低频阵子天线单元采用四个公用的金属阵子臂，印刷在介质板的同一层，呈方环形配置，以提高低频阵子天线的集成度，缩小其尺寸。高频阵子天线单元采用折叠环形阵子辐射结构，具有尺寸小、端口隔离度高、辐射结构紧凑的优点。可以将高频阵子天线有效的嵌入低频阵子天线中间，两者互不遮挡，减少低频阵子天线对高频阵子天线的影响。低频阵子天线单元采用对称的等幅同相激励，具有不同极化端口隔离度高的优点。高频阵子天线单元水平方向间距小，垂直方向三个为一组，可以有效实现波束扫描。本发明所公开的阵列天线可以广泛应用于2/3/4/5G混合基站通信领域。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开阵列天线的结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开阵列天线中低频阵子天线单元的结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开阵列天线中高频阵子天线单元的结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开阵列天线中高频阵子天线单元一分三功分馈电网络的结构示意图；
图5是本发明实施例1所公开阵列天线中低频阵子天线单元的回波损耗结果图；
图6是本发明实施例1所公开阵列天线中高频阵子天线单元的回波损耗结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，包括介质基板，介质基板的正面是反射面7（地板），反射面使天线获得稳定的定向辐射方向图。反面印刷低频馈电网络和高频馈电网络，在反射面上有2×2个低频阵子天线单元1和3×3个高频阵子天线单元2，为保证阵列天线在垂直方向窄波束，水平方向波束扫描功能，阵列天线在垂直方向天线间距为65mm，在水平方向天线间距为56mm。低频阵子天线单元和高频阵子天线单元采用上下分层嵌套结构，低频阵子天线单元位于上层，高频阵子天线单元位于下层；如图2所示，各低频阵子天线单元均由印刷在一张介质板上的四个相同且两两相对，对称设置的金属阵子臂11组成，在四个阵子臂中间留有高频阵子天线单元的辐射空隙，四个阵子臂各通过一个印刷在独立介质板上的馈电巴伦3与低频馈电网络4相连接；如图3所示，各高频阵子天线单元均由印刷在一张介质板上的折叠环形阵子21组成，具有尺寸小端口隔离度高的优点，可以将高频阵子天线单元有效的嵌入低频阵子天线单元中间，减少低频阵子天线单元对其的影响。高频阵子天线单元通过两根同轴电缆与高频馈电网络5相连接，为增加高、低频阵子天线单元间的隔离度，减少高频阵子天线单元的交叉极化电平，四个接地金属片6两两相对的围绕在高频阵子天线单元周围。
低频阵子天线单元工作于2/3/4G基站通信的1.7—2.7 GHz频段，回波损耗大于15dB，隔离度大于25dB；高频阵子天线单元工作于5G基站通信的3.3—3.6GHz频段，回波损耗大于15dB，隔离度大于25dB。
介质基板、印刷低频阵子天线单元的介质板、印刷馈电巴伦的介质板和印刷高频阵子天线单元的介质板均为Rogers RO4003C板材，以保证天线的高效率辐射性能。
各低频阵子天线单元均有四个馈电端口，四个馈电端口分别对应四个馈电巴伦，给相对的一对馈电巴伦等幅同相激励以获得相对应的极化辐射。
馈电巴伦由微带线和平行的共面传输线组成。通过单端微带线将信号传输转换到平行的共面传输线，并由共面传输线对四个对称阵子臂进行平衡的等幅同相激励，以实现宽的工作带宽和高的极化端口隔离度。
低频馈电网络采用两个T型一分二等功分器给一个低频阵子天线单元的四个馈电巴伦馈电，一个功分器负责一个极化的辐射；高频阵子天线单元三个一组，如图4所示，高频馈电网络采用两个一分三等功分器51通过同轴电缆给同组内的三个高频阵子天线单元馈电。
通过调整低频阵子天线单元四个阵子臂的长度，馈电巴伦中的共面传输线，微带线的尺寸，可以有效调节低频阵子天线单元的工作带宽。通过调整高频阵子臂的折叠尺寸，可以有效的调整高频阵子天线单元的工作带宽。通过调整高频阵子天线单元的接地隔离金属片，可以有效的调整高频阵子天线单元与低频阵子天线单元的耦合和高频阵子天线单元的交叉极化电平。
该阵列天线主要作为2/3/4/5G基站通信中的宽频段、双频段天线。所述的阵列天线也可应用于卫星通信和无线局域网通信等无线通信领域。该阵列天线可以扩展为更大的天线阵列，如6×8、9×8、12×8等不同的阵列组合，以适应高增益多波束的扫描需求。天线阵列的形式包括但不限于线阵和面阵。
如图5所示，该阵列天线的低频段阵子在工作频段1.69—2.72GHz范围内的回波损耗低于-15dB。
如图6所示，该阵列天线的高频段阵子在工作频段3.20—3.65GHz范围内的回波损耗低于-15dB。

Claims (10)

1.一种适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：包括介质基板，介质基板的正面是反射面，反面印刷低频馈电网络和高频馈电网络，在反射面上有n×n个低频阵子天线单元和N×N个高频阵子天线单元，n，N均为自然数，低频阵子天线单元和高频阵子天线单元采用上下分层嵌套结构，低频阵子天线单元位于上层，高频阵子天线单元位于下层；各低频阵子天线单元均由印刷在一张介质板上的四个相同且两两相对，对称设置的金属阵子臂组成，在四个阵子臂中间留有辐射空隙，四个阵子臂各通过一个印刷在独立介质板上的馈电巴伦与低频馈电网络相连接；各高频阵子天线单元均由印刷在一张介质板上的折叠环形阵子组成，高频阵子天线单元通过两根同轴电缆与高频馈电网络相连接，四个接地金属片两两相对的围绕在高频阵子天线单元周围。
2.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：阵列天线配置有2×2个低频阵子天线单元和3×3个高频阵子天线单元，阵列天线在垂直方向天线间距为65mm，在水平方向天线间距为56mm。
3.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：低频阵子天线单元工作于2/3/4G基站通信的1.7—2.7 GHz频段，回波损耗大于15dB，隔离度大于25dB；高频阵子天线单元工作于5G基站通信的3.3—3.6GHz频段，回波损耗大于15dB，隔离度大于25dB。
4.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：介质基板、印刷低频阵子天线单元的介质板、印刷馈电巴伦的介质板和印刷高频阵子天线单元的介质板均为Rogers RO4003C板材。
5.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：低频阵子天线单元具有四个公用的阵子臂，印刷在介质板的同一层，呈方环形配置。
6.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：各低频阵子天线单元均有四个馈电端口，四个馈电端口分别对应四个馈电巴伦，给相对的一对馈电巴伦等幅同相激励以获得相对应的极化辐射。
7.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：馈电巴伦由微带线和平行的共面传输线组成。
8.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：低频馈电网络采用两个T型一分二等功分器给一个低频阵子天线单元的四个馈电巴伦馈电，一个功分器负责一个极化的辐射；高频阵子天线单元三个一组，高频馈电网络采用两个一分三等功分器通过同轴电缆给同组内的三个高频阵子天线单元馈电。
9.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：高频阵子天线单元由印刷在介质板上的折叠环形阵子组成。
10.根据权利要求1所述适用于2/3/4/5G通信的高度集成的双极化基站阵列天线，其特征在于：该阵列天线可以作为基站天线、卫星通信天线和无线局域网通信天线，该阵列天线可以扩展为大型的天线阵列，天线阵列的形式包括但不限于线阵和面阵。
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