CN113097748B - 一种适用于多制式基站的多频天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于多制式基站的多频天线阵列，属于移动通信基站天线技术领域。该天线阵列包括由两个低频辐射单元构成的低频天线阵列、由两列四个中频辐射单元构成的中频天线阵列、由五个高频辐射单元构成的高频天线阵列、大反射板、小反射板、高频隔离墙和中频隔离墙；低频天线阵列和高频天线阵列采用共轴嵌套的方式放置在大反射板的轴线上；高频辐射单元按照“一加三加一”原则，通过非均匀分布的方式放置在低频辐射单元内部和两个低频辐射单元之间，同时位于低频辐射单元内部的偶极子通过小反射板将高频辐射单元抬升一定高度。本发明改善了低频对高频辐射单元的干扰以及低频和高频阵列对中频阵列的干扰，并保证天线阵列辐射性能的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于移动通信基站天线技术领域，涉及一种适用于2G/3G/LTE/5G多制式基站的多频天线阵列。
背景技术
第五代移动通信系统已经进入以Sub-6GHz频段为主的新发展阶段，2G/3G/LTE/5G多个通信制式共存成为当前通信发展及应用的主要趋势。随着新通信频段的划分以及应用频率的升高，不得不建立更多的通信基站以满足当前呈爆炸式增长的用户数量和稳定的信号覆盖，这使得本就匮乏的天面资源更为紧张。同时，针对如此庞大的通信基站数量，其选址也存在非常大的困难。因此，多个通信制式共用站址和多系统共享天线技术成为解决以上问题的最有效方案，即同一个通信基站内支持多种通信制式，且能够独立运行，相互影响较小。而多频天线阵列正是适用于以上方案的主流天线类型。当前，多频天线阵列的研究方案主要是高频天线与低频天线之间以单一的肩并肩或共轴嵌套的方式组成阵列。但是该方案不满足于当前更多的通信制式共站址的现状，所以提出一个能够满足当前更多通信制式共址的研究方案成为了多频天线的研究重点和难点。
目前，研究多频天线阵列的频段主要集中在工信部新规划的Sub-6GHz频段，具体来说是690-960MHz、1710-2690MHz、3300-3600MHz和4800-5000MHz。共轴嵌套的研究方案将高频辐射单元依次放置在低频天线的内部和两个低频天线之间，该方案能够大幅缩减其阵列尺寸，但其一般多用于双频天线阵列。肩并肩的研究方案则是多个天线阵列按照肩并肩的形式排布，该方案虽然能够满足多频天线阵列的设计要求，但该天线阵列的尺寸较大。而想要完全覆盖上述频段，且需要保证相对较小的阵列尺寸，按照上述研究方案难以满足现阶段通信基站的需求。因此，研究适用于当前2G/3G/LTE/5G多制式基站的多频天线阵列具有十分重要的学术价值和工程意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于当前2G/3G/LTE/5G多制式基站的多频天线阵列（高频天线的工作频段为3220-5110MHz，中频天线的工作频段为1630-2710MHz，低频天线的工作频段为690-1070MHz），通过设计低频部分和中频部分来完整覆盖2G/3G/LTE所需的690-960MHz以及1710-2690MHz，设计高频部分覆盖当前5G的主要工作频段（3300-3600MHz和4800-5000MHz）。与现有的多频天线阵列相比，该天线提供了一种新的三频天线阵列组阵方式，为应用于当前2G/3G/LTE/5G多制式基站的多频天线阵列提供了设计参考。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于多制式基站的多频天线阵列，包括低频天线阵列、中频天线阵列、高频天线阵列、大反射板4、小反射板5、高频隔离墙6和中频隔离墙7；
所述低频天线阵列由两个低频辐射单元1构成，所述高频天线阵列由五个高频辐射单元2构成，二者采用共轴嵌套的方式放置在大反射板4的轴线上；所述高频辐射单元2按照“一加三加一”原则，通过非均匀分布的方式放置在低频辐射单元1内部和两个低频辐射单元1之间，同时位于低频辐射单元1内部的偶极子通过小反射板5将高频辐射单元2抬升一定高度，以减小高低频天线阵列之间的耦合；
所述中频天线阵列由两列四个中频辐射单元3构成，该阵列采用肩并肩的方式均匀放置在低频天线阵列和高频天线阵列两边，之间通过中频隔离墙7以降低其相互干扰；位于两个低频辐射单元1之间的三个高频辐射单元2通过高频隔离墙6加以隔离，以降低低频辐射单元对其干扰；
大反射板4用于承载整个天线阵列并改善整个天线阵列的辐射性能。
优选的，放置于低频辐射单元1之间的高频辐射单元2的间距为其中心频率点4GHz处波长的0.67倍；放置于低频辐射单元1内部的高频辐射单元2与其余高频辐射单元2的间距为中心频率点4 GHz处波长的0.95倍；低频辐射单元1之间的间距为其中心频率点0.82GHz处波长的0.74倍；中频辐射单元3之间的间距为其中心频率点2.2GHz处波长的0.85倍。
优选的，位于低频辐射单元1内部的偶极子通过小反射板5将高频辐射单元2抬升至68mm的高度，以降低高频辐射单元与低频辐射单元的相互影响。
优选的，所述低频辐射单元1为宽带碗形天线，该天线通过对辐射振子臂11进行扩宽和弯折处理获得，有效缩小辐射口径。
优选的，所述高频辐射单元2为宽带对称偶极子天线，该天线包括：第一介质基板21、分布在第一介质基板21下表面的环形偶极子22、分布在第一介质基板21上表面同轴线与Y形微带线相结合的第一馈电结构23，能实现较宽的工作带宽且具有稳定的辐射性能。
优选的，所述中频辐射单元3为宽带对称偶极子天线，该天线包括：第二介质基板31分布在第二介质基板31下表面的蝶形偶极子32和四组五个半径为1.5mm，高为5mm的金属柱33、分布在第二介质基板31上表面同轴线与T形微带线相结合的第二馈电结构34，能实现较宽的工作带宽且具有稳定的辐射性能。
优选的，所述大反射板4为盒形结构，两侧金属挡板以及中频隔离墙7的高度均为30mm，用于实现低频天线阵列的良好辐射以及中频阵列与其他阵列之间良好隔离；同时，为保证高频阵列的良好辐射性能，将大反射板4中段抬升5mm并设置高频隔离墙6，高频隔离墙的高度为30mm。
优选的，所述小反射板5为展开式盒形结构，用于抬高高频天线阵列并实现其良好的定向辐射性能，且小反射板5的每个盒壁向外展开20度。
优选的，所述低频辐射单元1、大反射板4、小反射板5、高频隔离墙6、中频隔离墙7和金属柱33均采用金属材质加工制作；所述高频辐射单元2和中频辐射单元3采用如FR4等PCB材料加工制作。
本发明的有益效果在于：
1）本发明的多频天线阵列的组阵方式为高频辐射单元按照“一加三加一”原则，通过非均匀分布的方式放置在低频辐射单元内部和两个低频辐射单元之间，中频天线阵列以肩并肩的方式均匀分布在嵌套阵列两边；该组阵方式有效解决了当前多频天线阵列中无法覆盖较多的制式频段的问题以及单一组阵形式所带来的局限性。
2）本发明的多频天线阵列采用两款反射板，其中大反射板用于支撑整个多频天线阵列并实现整个天线阵列的良好辐射，小反射板用于改善高频天线阵列的方向图稳定性；两款反射板结合的方式可以很好地保证天线整体的辐射性能。
3）本发明采用的高频辐射单元固定在距离大反射板68mm的高度，该方式可以显著提升高频天线阵列的方向图稳定性，并改善高低频阵列之间的耦合。
4）本发明采用的低频辐射单元为宽频碗形天线，工作频段完整地覆盖了2G/3G/LTE所需的690-960MHz；同时，该天线通过对辐射振子臂扩宽和弯折的方式有效缩小了辐射口径，天线的整体尺寸仅为140mm×140mm×86mm。
5）本发明采用的大反射板上包含有高频隔离墙和中频隔离墙，以降低天线单元之间的相互干扰，保证各天线单元正常工作。
6）本发明的多频天线阵列结构紧凑且辐射性能良好，为当前2G/3G/LTE/5G多制式基站的多频天线设计提供了一种解决方案。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
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优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述的多频天线阵列整体结构图；
图2为本发明所述的多频天线阵列俯视图；
图3为本发明所述的多频天线阵列侧视图；
图4为本发明所述的多频天线阵列的低频辐射单元结构图；
图5为本发明所述的多频天线阵列的高频辐射天线结构图，其中，图5（a）为小反射板上的部分高频辐射天线结构图，图5（b）为大反射板上的部分高频辐射天线结构图；
图6为本发明所述的多频天线阵列的中频辐射单元结构图；
图7为本发明实施例的多频天线阵列中低频、中频、高频天线的工作带宽（S11）仿真结果图，对应于图7（a）~图7（c）；
图8为本发明实施例的多频天线阵列中低频天线阵列分别在频点690MHz、825MHz和960MHz的方向图仿真结果图，其中，图8（a）对应于水平面，图8（b）对应于垂直面；
图9为本发明实施例的多频天线阵列中中频天线阵列分别在频点1700MHz、2200MHz和2700MHz的方向图仿真结果图，其中，图9（a）对应于水平面，图9（b）对应于垂直面；
图10为本发明实施例的多频天线阵列中高频天线阵列分别在频点3300MHz、4000MHz和5000MHz的方向图仿真结果图，其中，图10（a）对应于水平面，图10（b）对应于垂直面。
附图标记：1-低频辐射单元，2-高频辐射单元，3-中频辐射单元，4-大反射板，5-小反射板，6-高频隔离墙，7-中频隔离墙，11-辐射振子臂，12-振子臂弯折，21-第一介质基板，22-环形偶极子，23-第一馈电结构，31-第二介质基板，32-蝶形偶极子，33-金属柱，34-第二馈电结构。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图10，本发明设计了一种适用于当前2G/3G/LTE/5G多制式基站的多频天线阵列，包括：两个低频辐射单元1组成的低频天线阵列、五个高频辐射单元2组成的高频天线阵列、两组四个中频辐射单元3组成的中频天线阵列、多频天线阵列整体所需的大反射板4、高频天线阵列所需的小反射板5、减小阵元相互影响的高频隔离墙6和中频隔离墙7。其中，大反射板4为盒形结构，用于承载整个天线阵列并改善整个天线阵列的辐射性能。
如图2~3所示，低频辐射单元1和高频辐射单元2采用共轴嵌套的方式设置在大反射板4的轴线上，放置于低频辐射单元1之间的高频辐射单元2的间距d2为其中心频率点4GHz处波长的0.67倍，放置于低频辐射单元1内部的高频辐射单元2与其余高频辐射单元2的间距d1为中心频率点4GHz处波长的0.95倍，低频辐射单元1之间的间距D为其中心频率点0.82GHz处波长的0.74倍，中频辐射单元3之间的间距d3为其中心频率点2.2GHz处波长的0.85倍。同时，高频辐射单元2按照“一加三加一”原则非均匀分布在低频辐射单元1内部和两个低频辐射单元1中间，并通过小反射板5将高频辐射单元2抬升至距离大反射板4的高度h2为68mm，以减小高低频天线阵列之间的耦合。此外，大反射板4的侧边挡板高度和中频隔离墙7高度h4均为30mm，分别用于改善低频天线阵列的方向图稳定性和各不同辐射单元之间的相互影响。同时，为保证高频阵列的良好辐射性能，将大反射板4中段抬升5mm并设置高频隔离墙6，隔离墙的高度h3为30mm。
如图4所示，低频辐射单元1为宽带金属碗状天线，高度h1为86mm，该天线为辐射振子臂11，首先采用宽偶极子结构，随后对该辐射振子臂11弯折处理，形成振子臂弯折12，可有效将天线的辐射口径缩小为140mm×140mm。
如图5所示，高频辐射单元2为宽带对称偶极子天线，按照“一加三加一”原则的方式放置在大反射板4和小反射板5上；如图5（a）所示，小反射板5为展开式金属盒状结构，盒壁展开的角度为20度，尺寸为62mm×62mm×10mm，用于抬高高频天线阵列并实现其良好的定向辐射性能；高频辐射单元2为PCB结构，包含第一介质基板21、分布在第一介质基板21下表面的环形偶极子22、分布在第一介质基板21上表面同轴线与Y形微带线相结合的第一馈电结构23，通过采用上述结构，该天线实现了较宽的工作带宽（3220-5110MHz），并在频带内具有稳定的辐射性能。如图3和图5（b）所示，高频隔离墙6用于减少低频辐射单元1对高频辐射单元2的干扰，其高度h3为30mm。
如图6所示，中频辐射单元3为宽带对称偶极子天线，该天线包含第二介质基板31、分布在第二介质基板31下表面的蝶形偶极子32和四组五个半径为1.5mm，高h6为5mm的金属柱33、分布在第二介质基板31上表面同轴线与T形微带线相结合的第二馈电结构34，通过采用上述结构，实现了较宽的工作带宽（1630-2710MHz）且具有稳定的辐射性能。
如图7所示，为本发明实施例的多频天线阵列的工作带宽（S11）仿真结果。从图7（a）~图7（c）中可以得出：该多频天线阵列满足S11＜-15dB的高频天线的工作带宽为3220-5110MHz，中频天线的工作带宽为1630-2710MHz，低频天线的工作带宽为690-1070MHz。
如图8所示，为本发明实施例中低频天线阵列在不同频率点处的仿真结果。可以得出：低频阵列方向图在690MHz、825MHz和960MHz的水平面半功率波瓣宽度分别为70o、66o和62o，变化范围满足65o±5o，如图8（a）所示；垂直面半功率波瓣宽度分别为36o、31o和30o，变化范围满足33o±3o，如图8（b）所示。
如图9所示，为本发明实施例中中频天线阵列在不同频率点处的仿真结果。可以得出：中频阵列方向图在1700MHz、2200MHz和2700MHz的水平面半功率波瓣宽度分别为60o、70o和62o，变化范围满足65o±5o，如图9（a）所示；垂直面半功率波瓣宽度分别为26o、22o和20o，变化范围满足23o±3o，如图9（b）所示。
如图10所示，为本发明实施例中高频天线阵列在不同频率点处的仿真结果。可以得出：高频阵列方向图在3300MHz、4000MHz和5000MHz的水平面半功率波瓣宽度分别为59o、58o和64o，变化范围满足61o±3o，如图10（a）所示；垂直面半功率波瓣宽度分别为15o、13o和11o，变化范围满足13o±2o，如图10（b）所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种适用于多制式基站的多频天线阵列，其特征在于，包括低频天线阵列、中频天线阵列、高频天线阵列、大反射板（4）、小反射板（5）、高频隔离墙（6）和中频隔离墙（7）；
所述低频天线阵列由两个低频辐射单元（1）构成，所述高频天线阵列由五个高频辐射单元（2）构成，二者采用共轴嵌套的方式放置在大反射板（4）的轴线上；所述高频辐射单元（2）按照“一加三加一”原则，通过非均匀分布的方式放置在低频辐射单元（1）内部和两个低频辐射单元（1）之间，同时位于低频辐射单元（1）内部的偶极子通过小反射板（5）将高频辐射单元（2）抬高，以减小高低频天线阵列之间的耦合；放置于低频辐射单元（1）之间的高频辐射单元（2）的间距为中心频率点4GHz处波长的0.67倍；放置于低频辐射单元（1）内部的高频辐射单元（2）与其余高频辐射单元（2）的间距为中心频率点4GHz处波长的0.95倍；低频辐射单元（1）之间的间距为中心频率点0.82GHz处波长的0.74倍；中频辐射单元（3）之间的间距为中心频率点2.2GHz处波长的0.85倍；
所述高频辐射单元（2）为宽带对称偶极子天线，该天线包括：第一介质基板（21）、分布在第一介质基板（21）下表面的环形偶极子（22）、分布在第一介质基板（21）上表面同轴线与Y形微带线相结合的第一馈电结构（23）；
所述大反射板（4）为盒形结构，两侧金属挡板以及中频隔离墙（7）的高度相同；同时，为保证高频阵列的良好辐射性能，将大反射板（4）中段抬升5mm并设置高频隔离墙（6），中频隔离墙（7）与高频隔离墙（6）的高度相同；大反射板（4）用于承载整个天线阵列并改善整个天线阵列的辐射性能；
所述小反射板（5）为展开式盒形结构，且小反射板（5）的每个盒壁向外展开20度；所述中频天线阵列由两列四个中频辐射单元（3）构成，该阵列采用肩并肩的方式均匀放置在低频天线阵列和高频天线阵列两边，之间设置有中频隔离墙（7）；位于两个低频辐射单元（1）之间的三个高频辐射单元（2）通过高频隔离墙（6）加以隔离。
2.根据权利要求1所述的多频天线阵列，其特征在于，位于低频辐射单元（1）内部的偶极子通过小反射板（5）将高频辐射单元（2）抬升至68mm的高度。
3.根据权利要求1所述的多频天线阵列，其特征在于，所述低频辐射单元（1）为宽带碗形天线，该天线通过对辐射振子臂（11）进行扩宽和弯折处理获得。
4.根据权利要求1所述的多频天线阵列，其特征在于，所述中频辐射单元（3）为宽带对称偶极子天线，该天线包括：第二介质基板（31）、分布在第二介质基板（31）下表面的蝶形偶极子（32）和四组五个金属柱（33）、分布在第二介质基板（31）上表面同轴线与T形微带线相结合的第二馈电结构（34）。
5.根据权利要求1所述的多频天线阵列，其特征在于，所述低频辐射单元（1）、大反射板（4）、小反射板（5）、高频隔离墙（6）、中频隔离墙（7）和金属柱（33）均采用金属材质加工制作；所述高频辐射单元（2）和中频辐射单元（3）采用PCB材料加工制作。
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