CN112803146A - 一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线 - Google Patents

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CN112803146A CN201911114464.4A CN201911114464A CN112803146A CN 112803146 A CN112803146 A CN 112803146A CN 201911114464 A CN201911114464 A CN 201911114464A CN 112803146 A CN112803146 A CN 112803146A
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Abstract

本申请提供一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线，包括金属底座、外罩、多列天线单元和去耦装置，去耦装置设置在相邻两列天线单元之间；多列天线单元的频率相同，相邻两列天线单元之间的距离S小于天线单元中心频率波长的1/4，大于天线单元中心频率波长的1/10；去耦装置的长度L大于天线单元的长度，高度H等于天线单元的高度，宽度D大于天线单元中心频率波长的1/16。通过缩小多列天线单元之间的间距，使基站可以设置更多的天线，以便扩大基站的通信容量，且，在相邻两列天线单元之间设置去耦装置，以降低相邻天线单元之间的互耦效应，在满足基站天线设计尺寸的情况下，有效降低天线单元之间的互耦效应。

Description

一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线
技术领域
本申请涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线。
背景技术
为了适应移动通信技术的发展，特别是基于大规模MIMO(Multiple-InputMultiple-Output,多输入多输出)技术的第五代移动通信不断发展，天线(包括移动终端或基站中的天线)的数量呈现倍增趋势。
研究表明，在输出功率不变，信噪比恒定，天线单元互不相关的情况下，通信系统的容量随着天线数目的增加而线性增长。故，同一基站中设置的天线数目越多，通信容量越大。然而，现在大规模铺设的基站，均追求小型化，导致留给天线设计的空间也越来越小，从而极大的限制天线之间的间距。
若两列天线之间的间距较大时(两列天线的间距大于天线中心频率波长的1/4)，则天线之间的互耦效应可以忽略不计，一般简单消除或者不做处理，对天线辐射场的影响可以不做考虑；但是，若两列天线之间的间距较小时，(两列天线的间距小于天线中心频率波长的1/4)，则两列天线之间的互耦效应，会对系统辐射场的强度和方向性产生一定的影响，且距离越小，互耦强度越大，对系统辐射场的影响越大。
传统方法中，为了降低系统中相邻两列天线之间的互耦效应，在两列天线之间设置隔离墙，墙体两面贴有金属片(反射板)，墙体两侧的金属片作为反射板，利用反射板对辐射能量的反射原理，从而减小互耦效应。这种方法在两列异频天线之间，且间距较大时(两列天线的间距大于天线中心频率波长的1/4)，效果明显，但是，在追求小型化的基站中，相邻同频两列天线之间的距离被逐渐压缩，往往小于天线中心频率波长的1/4，此时，采用带有金属片的隔离墙，对互耦效应的消除效果较差，且会造成系统方向图主波束偏转，反射板两侧天线的方向图会在一定程度上产生畸变，从而影响系统辐射场的强度和方向性。
发明内容
本申请提供了一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线，以提供一种互耦效应较低的小型化基站天线。
本申请提供的一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线，包括金属底座和罩设在金属底座上的外罩，还包括多列天线单元和去耦装置，所述天线单元和所述去耦装置设置在所述金属底座上；
多列所述天线单元的频率相同，且，相邻两列所述天线单元之间的距离S小于所述天线单元中心频率波长的1/4，大于所述天线单元中心频率波长的1/10；
所述去耦装置设置在相邻两列所述天线单元之间，且，平行于所述天线单元；所述去耦装置的长度L大于所述天线单元的长度，高度H等于所述天线单元的高度，宽度D大于所述天线单元中心频率波长的1/16。
可选的，所述去耦装置为长条状铝块。
可选的，长条状铝块的侧面开设有多个方形槽，多个方形槽之间的间距相同。
可选的，多列所述天线单元相互平行；所述去耦装置的数量比所述天线单元的数量少1。
可选的，所述去耦装置与所述金属底座为一体压铸成型。
可选的，所述天线单元的频率为1.8GHz，中心频率波长为168mm。
可选的，两列所述天线单元之间的距离S最小值为26mm。
可选的，所述去耦装置两侧边缘至相应侧天线单元的距离d相等，且等于或者大于5mm。
可选的，所述去耦装置的宽度D为16mm。
可选的，所述去耦装置的高度H为9mm。
本申请提供的一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线，包括金属底座和罩设在金属底座上的外罩，还包括多列天线单元和去耦装置，所述天线单元和所述去耦装置设置在所述金属底座上；多列所述天线单元的频率相同，且，相邻两列所述天线单元之间的距离S小于所述天线单元中心频率波长的1/4，大于所述天线单元中心频率波长的1/10；所述去耦装置设置在相邻两列所述天线单元之间，且，平行于所述天线单元；所述去耦装置的长度L大于所述天线单元的长度，高度H等于所述天线单元的高度，宽度D大于所述天线单元中心频率波长的1/16。
通过缩小多列天线单元之间的间距，使相同空间大小的基站可以设置更多的天线，以便扩大基站的通信容量，且，在相邻两列天线单元之间设置所述去耦装置，所述去耦装置的长度L大于所述天线单元的长度，高度H等于所述天线单元的高度，宽度D大于所述天线单元中心频率波长的1/16，以降低相邻天线单元之间的互耦效应，本申请提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，在满足基站天线设计尺寸的情况下，有效降低天线单元之间的互耦效应。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线整体结构示意图；
图2为本申请实施例提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线的天线单元和去耦装置结构示意图；
图3为本申请实施例提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线的去耦装置尺寸结构示意图；
图4为本申请实施例提供的基站天线的相邻两列天线单元的等效电路示意图；
图5为本申请实施例提供的基站天线的去耦装置降低耦合效应原理示意图；
图6为本申请实施例提供的去耦装置开槽结构示意图；
图7为本申请实施例提供的基站天线有无去耦装置的隔离度性能实验对比图；
图8为本申请实施例提供的基站天线有无去耦装置的水平波束宽度实验对比图。
图示说明：其中，1-金属底座，2-外罩，3-天线单元，4-去耦装置。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
参见图1，为本申请实施例提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线整体结构示意图。
参见图2，为本申请实施例提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线的天线单元和去耦装置结构示意图。
参见图3，为本申请实施例提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线的去耦装置尺寸结构示意图。
为了适应第五代移动通信的发展需求，提供一种基于MIMO技术的、互耦效应较低的小型化基站天线，如图1、图2和图3所示，本申请实施例提供的一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线，包括金属底座1和罩设在金属底座1上的外罩2，还包括多列天线单元3和去耦装置4，所述天线单元3和所述去耦装置4设置在所述金属底座1上；多列所述天线单元3的频率相同，且，相邻两列所述天线单元3之间的距离S小于所述天线单元3中心频率波长的1/4，大于所述天线单元3中心频率波长的1/10；所述去耦装置4设置在相邻两列所述天线单元3之间，且，平行于所述天线单元3；所述去耦装置4的长度L大于所述天线单元3的长度，高度H等于所述天线单元3的高度，宽度D大于所述天线单元3中心频率波长的1/16。
金属底座1作为基站天线底座，也被称作反射板，以安装天线组件(如天线单元、耦合单元及电路等)，通过在金属底座1上设置外罩2，以保护所述金属底座1上设置的天线组件。多列所述天线单元3的频率相同，故相邻两列所述天线单元3之间的耦合效应为同频互耦，相邻两列所述天线单元3之间的距离S较近(相邻两列所述天线单元3之间的距离S小于所述天线单元3中心频率波长的1/4)。在天线单元的频率相同时，一个天线单元(激励天线单元)辐射的能量在近距离下，会被邻近天线单元(耦合天线单元)接收，即，两个距离较近的天线单元之间存在很强的能量耦合。由于激励天线单元的能量被耦合到了邻近的耦合天线单元中，产生了能量损耗，激励天线单元的辐射效率被降低。同时，天线单元间的辐射方向图的相关性也将被提高。此时，天线的分集增益、通信容量也将受到影响。因此，同频耦合最终会扰乱天线单元的正常电流分布，进而影响基站天线的辐射性能，故本申请提供的基站天线，为了相邻两列天线单元3的间距大于所述天线单元3中心频率波长的1/10，以免相邻两列天线单元3之间的干扰(互耦效应)过于强烈。
当去耦装置4的高度H低于天线单元3高度时，其对互耦效应的抑制作用明显下降；当去耦装置4的高度H高于天线高度时，会造成带内异极化互耦增强，故，去耦装置4的高度H等于天线单元3的高度。
需要说明的是，这里的中心频率是指天线的中心频率，每列天线单元3都有一定的频率范围，称为带宽，在这个范围内，天线阻抗最小，效率最高，这个范围的中间最佳点即中心频率，驻波比最小。
参见图4，为本申请实施例提供的基站天线的相邻两列天线单元的等效电路示意图。
为了更好的理解相邻两列天线单元3之间的耦合原理，如图4所示，为两个天线阵的等效电路图，以接收端天线单元3为例，Va1和Va2是从空间中接收到的感应电压，负载阻抗为Z1和Z2，负载阻抗电压为V1和V2，电流为I1和I2，V01和V02代表开路电压，根据基尔霍夫电压定理：
Figure BDA0002273683580000041
令
Figure BDA0002273683580000042
代表互耦阻抗矩阵，由式(1.1)可以得到：
Figure BDA0002273683580000043
由以上式得，负载上得电压可以表示为：
Figure BDA0002273683580000051
其中，I是2×2维的单位矩阵。通过假设每列天线的参数相同，则有Z11＝Z22＝ZA。负载相同，则Z1＝Z2＝ZL，所以式(1.3)可以写成：
Figure BDA0002273683580000052
其中Γr＝(ZL+ZA)[Z+ZLI]-1为接收端天线矩阵的耦合矩阵。互耦阻抗矩阵Z中的元素Z(m)(m-1)表示天线阵列中第m根天线和第(m-1)天线之间的互耦阻抗，互耦阻抗Z(m)(m-1)可以写成：
Z(m)(m-1)＝R(m)(m-1)+jX(m)(m-1)…………………(1.5)
其中，R(m)(m-1)和X(m)(m-1)分别代表第m根天线与第m-1根天线之间的互阻抗和互感抗。因此，互耦阻抗的大小与天线的摆放位置有很大的关系。
为了降低距离较近的两列天线单元3之间的同频互耦效应，在相邻两列所述天线单元3之间设置所述去耦装置4，所述去耦装置4平行于所述天线单元3；所述去耦装置4的长度L大于所述天线单元3的长度，高度H等于所述天线单元3的高度，宽度D大于所述天线单元3中心频率波长的1/16，以降低相邻两列所述天线单元3之间的同频互耦效应。其中，所述去耦装置4的宽度D不能太小(如小于天线单元3中心频率波长的1/16)，否则起不到预期的去耦作用。由于所述去耦装置4是设置在两列天线单元3之间，故宽度D必须小于相邻两列天线单元3之间的最小距离S，避免接触天线单元3。
参见图5，为本申请实施例提供的基站天线的去耦装置降低耦合效应原理示意图；
为了更好的解释所述去耦装置4的工作原理，如图5左边视图所示，将天线单元3类比为线圈，将去耦装置4简化为金属板，上方的线圈连接有振荡器，振荡器两端的电压e1加载到线圈L1两端，若上下线圈之间无金属板，则线圈L1产生的磁通量能够会在线圈L2上产生最大感应电压e2；若在上下线圈之间设置金属板，则由于线圈L1的磁通量穿过金属板时，会在金属板内产生电涡流，该电涡流将消耗部分能量，从而使线圈L2感应磁力线减小，导致电压e2下降，即，降低线圈L2相对于线圈L1的耦合效应。图5右边视图展示的是线圈L2感应的电压e2与金属板厚度A的关系，可以明显看出，随着金属板厚度A的增加，线圈L2的感应电压e2降低。
本申请提供的一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线，包括金属底座1和罩设在金属底座1上的外罩2，还包括多列天线单元3和去耦装置4，所述天线单元3和所述去耦装置4设置在所述金属底座1上；多列所述天线单元3的频率相同，且，相邻两列所述天线单元3之间的距离S小于所述天线单元3中心频率波长的1/4，大于所述天线单元3中心频率波长的1/10；所述去耦装置4设置在相邻两列所述天线单元3之间，且，平行于所述天线单元3；所述去耦装置4的长度L大于所述天线单元3的长度，高度H等于所述天线单元3的高度，宽度D大于所述天线单元3中心频率波长的1/16。
通过缩小多列天线单元3之间的间距，使相同空间大小的基站可以设置更多的天线，以便扩大基站的通信容量，且，在相邻两列天线单元3之间设置所述去耦装置4，所述去耦装置4的长度L大于所述天线单元3的长度，高度H等于所述天线单元3的高度，宽度D大于所述天线单元3中心频率波长的1/16，以降低相邻天线单元3之间的互耦效应，本申请提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，在满足基站天线设计尺寸的情况下，有效降低天线单元3之间的互耦效应。
为了在有效降低天线互耦效应的前提下，尽量降低基站天线的质量，如图3所示，在本申请的部分实施例中，所述去耦装置4为长条状铝块。金属里作为一种常见金属，能够在磁通量变化的情况下产生电涡流，从而消耗耦合能量，且金属铝的质量相对于铁质金属质量较轻，相对于贵重金属(如金、银、铜)的价格更便宜，有利于降低基站天线的质量和成本。
参见图6，为本申请实施例提供的去耦装置开槽结构示意图；
进一步的，为了实现对所述天线单元3不同的抑制效果，如图6所示，在本申请的部分实施例中，长条状铝块的侧面开设有多个方形槽，多个方形槽之间的间距相同。但是不局限于开设方形孔，还可以开设三角形槽、五角星形槽或者其他异型槽，可根据具体设计的天线频率及距离进行相应的选择。
若长条状铝块上未开设方形槽，其在空间上直接阻隔相邻两列天线单元3之间的电磁波传输，在相邻两列天线单元3之间形成完全封闭结构，相对于开槽设计的长条形铝块，长条状铝块使相邻两列天线单元3之间的隔离度更高。但是，会在一定程度上影响天线方向图的波宽，导致波宽增加，降低所示天线阵列3方向图的前后比。其中方向图的前后比是指定向天线主瓣的最大辐射方向(规定为0°)的功率通量密度与相反方向附近(规定为180°±30°范围内)的最大功率通量密度之比值。它表明了天线对后瓣抑制的好坏。前后比越大，天线的后向辐射(或接收)越小。
采用开槽设计的长条状铝块，可以起到频率选择表面(Frequency SelectiveSurface,FSS)的作用。保证长条状铝块阻隔相邻两列天线单元3的电磁波干扰，从而提升相邻两列天线之间的隔离度。
其中频率选择表面是一种二维周期阵列结构,就其本质而言是一个空间滤波器,与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性，包括贴片类型(介质类型)和开槽类型(波导类型)，贴片类型是在介质表面周期性的标贴同样的金属单元，一般作为带阻型滤波器的，具有低频透射、高频反射的特性；开槽类型是在金属介质上周期性的开一些金属单元的槽孔，从频率特性相应上看是带通型频率选择表面，具有低频反射、高频透射的特性。
为了更有效的利用基站天线的空间，且降低多列天线单元之间的互耦效应，如图1和图2所示，在本申请的部分实施例中，多列所述天线单元3相互平行；所述去耦装置4的数量比所述天线单元3的数量少1。这种设置方式即为天线单元3与去耦装置4间隔设置，两侧为天线单元3，故所述去耦装置4的数量比所述天线单元3的数量少1。
为了降低所述去耦装置4与所述金属底板1之间的安装误差，在本申请的部分实施例中，所述去耦装置4与所述金属底座1为一体压铸成型。通过在金属底座1上一体压铸成型所述去耦装置4，类似于在金属底座1上设置凸台形成所述去耦装置4，从而避免所述金属底板1与所述去耦装置4之间的安装误差。
进一步的，如图2所示，展示的是±45度极化的二单元阵列，在本申请的部分实施例中，所述天线单元3的频率为1.8GHz，中心频率波长为168mm。
进一步的，如图2所示，在本申请的部分实施例中，两列所述天线单元3之间的距离S最小值为26mm。为了缩小基站天线的整体体积，需要将天线单元3之间的距离S尽可能的减小，但是，多列天线单元3之间的距离S越小，则互耦效应越强烈，特别是在相邻两列天线单元3之间的距离S小于天线单元3中心频率波长的1/4时，互耦效应严重影响天线的性能，在相邻两列天线单元3之间的距离S小于天线单元3中心频率波长的1/10时，互耦效应的影响会极难消除。故，在天线单元3的频率为1.8GHz，中心频率波长为168mm的基础上，相邻两列天线单元3之间的距离S优选为26mm，该距离S的值充分考虑了基站天线的尺寸要求，和天线单元3之间的互耦效应(互相耦合效应)。
进一步的，去耦装置4与天线单元3之间的距离越近，越有利于降低基站天线的尺寸，但是，为了避免去耦装置4距离天线单元3过近，导致去耦装置4与天线单元3的耦合作用影响天线单元3的性能，在本申请的部分实施例，所述去耦装置4两侧边缘至相应侧天线单元3的距离d相等，且等于或者大于5mm。
去耦装置4两侧边缘至相应侧天线单元3的距离d相等的目的是，保证去耦装置4对两侧天线单元3的影响一致；距离d等于或者大于5mm，是保证不影响去耦装置4两侧天线单元3的性能。
进一步的，为了尽量降低相邻两列天线单元3之间的互耦效应，且不对天线单元3的性能产生其他影响，如图3所示，在本申请的部分实施例中，所述去耦装置4的宽度D为16mm，宽度D为16mm是在相邻两列天线单元3之间距离S的值为26mm情况下的，最优选择，且不影响去耦装置4两侧天线单元3的性能。
进一步的，在本申请实施例中提供的天线单元尺寸、频率为1.8GHz和中心频率波长为168mm的基础上，如图3所示，在本申请的部分实施例中，所述去耦装置4的高度H为9mm。
参见图7，为本申请实施例提供的基站天线有无去耦装置的隔离度性能实验对比图。
参见图8，为本申请实施例提供的基站天线有无去耦装置的水平波束宽度实验对比图。
如图7和图8所示，为本申请实施例提供的实验数据，采用的是在±45度极化的二单元阵列(两个天线单元3)之间安装一个去耦装置4，图7展示的是有有无去耦装置的情况下，两个天线单元3之间的隔离度天线频率关系，横坐标为天线单元3的频率，纵坐标为两个天线单元3之间的隔离度。图8展示的是有有无去耦装置的情况下，二单元阵列的水平波束宽度与天线频率关系，横坐标为天线单元3的频率，纵坐标为二单元阵列的水平波束宽度。
本申请提供的一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线，包括金属底座1和罩设在金属底座1上的外罩2，还包括多列天线单元3和去耦装置4，所述天线单元3和所述去耦装置4设置在所述金属底座1上；多列所述天线单元3的频率相同，且，相邻两列所述天线单元3之间的距离S小于所述天线单元3中心频率波长的1/4，大于所述天线单元3中心频率波长的1/10；所述去耦装置4设置在相邻两列所述天线单元3之间，且，平行于所述天线单元3；所述去耦装置4的长度L大于所述天线单元3的长度，高度H等于所述天线单元3的高度，宽度D大于所述天线单元3中心频率波长的1/16。
通过缩小多列天线单元3之间的间距，使相同空间大小的基站可以设置更多的天线，以便扩大基站的通信容量，且，在相邻两列天线单元3之间设置所述去耦装置4，所述去耦装置4的长度L大于所述天线单元3的长度，高度H等于所述天线单元3的高度，宽度D大于所述天线单元3中心频率波长的1/16，以降低相邻天线单元3之间的互耦效应，本申请提供的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，在满足基站天线设计尺寸的情况下，有效降低天线单元3之间的互耦效应。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种具备同频互耦效应降低装置的基站天线，包括金属底座(1)和罩设在金属底座(1)上的外罩(2)，其特征在于，还包括：
多列天线单元(3)和去耦装置(4)，所述天线单元(3)和所述去耦装置(4)设置在所述金属底座(1)上；
多列所述天线单元(3)的频率相同，且，相邻两列所述天线单元(3)之间的距离S小于所述天线单元(3)中心频率波长的1/4，大于所述天线单元(3)中心频率波长的1/10；
所述去耦装置(4)设置在相邻两列所述天线单元(3)之间，且，平行于所述天线单元(3)；所述去耦装置(4)的长度L大于所述天线单元(3)的长度，高度H等于所述天线单元(3)的高度，宽度D大于所述天线单元(3)中心频率波长的1/16。
2.根据权利要求1所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，所述去耦装置(4)为长条状铝块。
3.根据权利要求2所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，长条状铝块的侧面开设有多个方形槽，多个方形槽之间的间距相同。
4.根据权利要求1所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，多列所述天线单元(3)相互平行；所述去耦装置(4)的数量比所述天线单元(3)的数量少1。
5.根据权利要求1所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，所述去耦装置(4)与所述金属底座(1)为一体压铸成型。
6.根据权利要求1所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，所述天线单元(3)的频率为1.8GHz，中心频率波长为168mm。
7.根据权利要求6所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，两列所述天线单元(3)之间的距离S最小值为26mm。
8.根据权利要求7所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，所述去耦装置(4)两侧边缘至相应侧天线单元(3)的距离d相等，且等于或者大于5mm。
9.根据权利要求7所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，所述去耦装置(4)的宽度D为16mm。
10.根据权利要求7所述的具备同频互耦效应降低装置的基站天线，其特征在于，所述去耦装置(4)的高度H为9mm。
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