CN116683202A - 一种多波束阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种多波束阵列天线，包括安装于反射板上的若干行天线子阵列、若干个移相器以及若干个波束形成网络，每一行天线子阵列包括若干个辐射单元，每一个辐射单元分别与对应的波束形成网络输出端口相连，每一个波束形成网络输入端口分别与对应的移相器输出端口相连，相邻的两行天线子阵列之间错位设置，每一行天线子阵列中任意相邻的两个辐射单元之间安装有去耦隔离件。本发明通过在多波束阵列天线中将去耦隔离件设置于相邻的两个辐射单元之间，可以降低阵列里面辐射单元的互耦，提高增益，在扩容的同时确保小区的覆盖是均衡的，改善了因波束间增益差距大，导致覆盖区域不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种多波束阵列天线。
背景技术
5G系统商用后，多波束电调天线作为一种具有高性价比的扩容方案，在车站，高校宿舍楼以及广场等移动通信用户热点区域使用越来越广泛。在移动通信宏基站网络中，每一个65度半功率波束宽度的天线覆盖一个扇区，在方位角范围为120度，多波束天线对于常规的一个扇区进一步细化为2-3个更小范围的小扇区。
但是，现有技术中，不同波束之间存在较大的增益差距，特别是在下倾之后，宽频段天线里面不同指向波束增益最高相差2dB，严重影响总体覆盖效果。
发明内容
本发明的目的在于至少解决背景技术中提出的问题之一，为实现本发明的目的，采用以下技术方案：
一种多波束阵列天线，包括安装于反射板上的若干行天线子阵列、若干个移相器以及若干个波束形成网络，每一行天线子阵列包括若干个辐射单元，每一个辐射单元分别与对应的波束形成网络输出端口相连，每一个波束形成网络输入端口分别与对应的移相器输出端口相连，相邻的两行天线子阵列之间错位设置，每一行天线子阵列中任意相邻的两个辐射单元之间安装有去耦隔离件。
进一步的改进在于，每一个辐射单元包括+45度极化和-45度极化。
进一步的改进在于，任意一行天线子阵列中相邻的两个辐射单元之间的水平间距为工作频段中心频点波长的0.35-0.75倍，相邻的两行天线子阵列的两个辐射单元之间的垂直间距为工作频段中心频点波长的0.5-0.85倍，相邻的两行天线子阵列之间错位的距离为天线子阵列中相邻的两个辐射单元之间的水平间距的一半。
进一步的改进在于，所述辐射单元的工作频段为698-960MHz。
进一步的改进在于，所述天线子阵列数量为5行，每一行天线子阵列包括6个辐射单元，所述波束形成网络为3*6波束形成网络，每一个移相器的输出端口数量为5个，3*6波束形成网络的6个输出口对应于一行天线子阵列中的6个辐射单元的+45度极化或-45度极化，3*6波束形成网络的3个输入口对应于移相器的输出端口。
进一步的改进在于，所述3*6波束形成网络包括3*3巴特勒矩阵电路以及与3*3巴特勒矩阵电路相连的第一2路功分器、第二2路功分器以及第三2路功分器，所述3*3巴特勒矩阵电路的3个输出端口的幅度比值为1:1:1，相位递增为0、+120度以及-120度。
进一步的改进在于，所述去耦隔离件包括沿同一直线并列排布的若干块粗导体，任意相邻的两块粗导体之间通过一细导体相连。
进一步的改进在于，所述去耦隔离件的整体长度为工作频段中心频点波长的0.25-0.75倍，所述去耦隔离件的整体宽度为工作频段中心频点波长的0.02-0.2倍。
进一步的改进在于，所述粗导体为矩形，所述细导体为“几”字形。
进一步的改进在于，所述矩形粗导体的长度为工作频段中心频点波长的0.05至0.16倍，所述矩形粗导体的宽度为工作频段中心频点波长的0.02-0.2倍；所述“几”字形细导体的长度为工作频段中心频点波长的0.01至0.15倍，所述“几”字形细导体的宽度为工作频段中心频点波长的0.001-0.008倍。
本发明的有益效果为：
本发明通过在多波束阵列天线中将去耦隔离件设置于相邻的两个辐射单元之间，可以降低阵列里面辐射单元的互耦，提高增益，确保每一个波束在同一个频点的±45度极化增益差距基本在1dB之内(本发明中约为4％比例的采样频点增益差距≥1.0，而未加入去耦隔离件前则超过10％比例的采样频点增益差异≥1.0)。本发明的天线在扩容的同时确保小区的覆盖是均衡的，改善了因波束间增益差距大，导致覆盖区域不稳定的问题。
附图说明
图1为本发明一种多波束阵列天线的馈电网络图；
图2为本发明中3*6波束形成网络的结构组图；
图3为去耦隔离件印刷在PCB基材上的结构示意图；
图4为一种多波束阵列天线的结构立体图；
图5为一种多波束阵列天线的正投影图；
图6为有去耦隔离件与没有去耦隔离件的左波束4度下倾增益对比曲线图；
图7为有去耦隔离件与没有去耦隔离件的左波束12度下倾增益对比曲线图；
图8为有去耦隔离件与没有去耦隔离件的中间波束4度下倾增益对比曲线图；
图9为有去耦隔离件与没有去耦隔离件的中间波束12度下倾增益对比曲线图；
图10为有去耦隔离件与没有去耦隔离件的右波束4度下倾增益对比曲线图；
图11为有去耦隔离件与没有去耦隔离件的右波束12度下倾增益对比曲线图。
附图标记说明：
1、反射板；201、波束形成网络；301、移相器；111、辐射单元；4、去耦隔离件；401、粗导体；402、细导体；5、PCB基材；6、塑料支撑件；7、金属隔离条。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“设置于”、“固设于”或“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。进一步地，当一个元件被认为是“传动连接”另一个元件，二者能够实现动力传递即可，其具体实现方式可以利用现有技术中实现，在此不再累赘。当元件与另一个元件相互垂直或近似垂直是指二者的理想状态是垂直，但是因制造及装配的影响，可以存在一定的垂直误差。本文所使用的术语“垂直”、“水平”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明中涉及的“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
请参考附图1-附图11，本发明实施例提出一种多波束阵列天线，图1所示为一种多波束阵列天线的馈电网络图，一种多波束阵列天线包括安装于反射板1上的若干行天线子阵列、若干个移相器301以及若干个波束形成网络(BFN)201，每一行天线子阵列包括若干个辐射单元111，所述辐射单元111为低频辐射单元111，所述辐射单元111工作频段为698-960MHz，每一个辐射单元111包括+45度极化和-45度极化，每一个辐射单元111分别与对应的波束形成网络201输出端口相连，每一个波束形成网络201输入端口分别与对应的移相器301输出端口相连，相邻的两行天线子阵列之间错位设置，每一行天线子阵列中任意相邻的两个辐射单元111之间安装有去耦隔离件4。
所述去耦隔离件4用于提升各个不同波束指向的波束增益的同时减少每一个波束在同一个频点的±45度极化增益差距。
应当理解的是，本发明通过通过相邻的两行天线子阵列之间错位设置能够抑制方位角的旁瓣和栅瓣。
在本实施例中，任意一行天线子阵列中相邻的两个辐射单元111之间的水平间距为工作频段中心频点波长的0.35-0.75倍，相邻的两行天线子阵列的两个辐射单元111之间的垂直间距为工作频段中心频点波长的0.5-0.85倍，相邻的两行天线子阵列之间错位的距离为天线子阵列中相邻的两个辐射单元111之间的水平间距的一半。
在本实施例中，所述天线子阵列数量为5行，每一行天线子阵列包括6个辐射单元111，所述波束形成网络201为3*6波束形成网络201，每一个3*6波束形成网络201包括3个输入口和6个输出口，每一个移相器301的输出端口数量为5个，3*6波束形成网络201的6个输出口对应于一行天线子阵列中的6个辐射单元111的+45度极化或-45度极化，3*6波束形成网络201的3个输入口对应于移相器301的输出端口。
具体地，如图2所示为3*6波束形成网络201的结构组图，所述3*6波束形成网络201包括一个3*3巴特勒矩阵电路以及与3*3巴特勒矩阵电路相连的第一2路功分器、第二2路功分器以及第三2路功分器，所述3*3巴特勒矩阵电路包括3个输入端口和3个输出端口，所述3*3巴特勒矩阵电路的3个输出端口的幅度比值为1:1:1，相位递增为0、+120度以及-120度，所述第一2路功分器、第二2路功分器以及第三2路功分器的输出端口的功率比值分别为1:9、1:1和1:9。
在本实施例中，所述去耦隔离件4包括沿同一直线并列排布的若干块粗导体401，任意相邻的两块粗导体401之间通过一细导体402相连。所述去耦隔离件4可以印刷在PCB基材5上。另外，去耦隔离件4还可以采用模切方式加工或者钣金冲压方式加工而成。
应当理解的是，本实施例所述的粗导体401和细导体402中的“粗”和“细”是相对而言的，即粗导体401比细导体402的宽度要大，而并不是限定“粗”和“细”的范围。
优选地，所述去耦隔离件4的整体长度为工作频段中心频点波长的0.25-0.75倍，所述去耦隔离件4的整体宽度为工作频段中心频点波长的0.02-0.2倍，所述去耦隔离件4的厚度为0.01-3mm。
优选地，如图3所示是去耦隔离件4印刷在PCB基材5上的结构示意图，所述粗导体401为矩形，所述细导体402为“几”字形。
所述矩形粗导体401的长度为工作频段中心频点波长的0.05至0.16倍，所述矩形粗导体401的宽度为工作频段中心频点波长的0.02-0.2倍。
所述“几”字形细导体402的长度为工作频段中心频点波长的0.01至0.15倍，所述“几”字形细导体402的宽度为工作频段中心频点波长的0.001-0.008倍。
本实施例中去耦隔离件4的粗导体401作为低阻抗部分，细导体402作为高阻抗部分，形成阶跃阻抗谐振器。谐振器的尺寸对应辐射单元111工作频率，通过在密集阵列中相邻的两个辐射单元111之间安装去耦隔离件4，针对互耦严重的频点设计谐振器尺寸，包括粗导体401和细导体402的长度和宽度，可以让辐射单元111之间的耦合信号集聚在去耦隔离件4上，从而降低对辐射单元111本体电流分布的影响。
如图4和图5所示分别为本发明一实施例中一种多波束阵列天线的结构立体图和正投影图。
在本实施例的一种多波束阵列天线中，包括反射板1、3*6波束形成网络201、移相器301，反射板上1安装有5行天线子阵列，每一行天线子阵列包括6个间隔排列的辐射单元111，所述辐射单元111的工作频段为698-960MHz，每一个辐射单元111包括±45度两个极化的射频通道的巴伦电路。每一个辐射单元111的辐射体包含有四个相互对称的辐射臂，每一个辐射臂包含有方形环状的主辐射体以及环内分布的细枝节，细枝节与环状电路连接。
在本实施例中，每一行天线子阵列中相邻的两个辐射单元111间距为810MHz自由空间的0.52个波长(194mm)，相邻的两行天线子阵列的两个辐射单元111之间的垂直间距为810MHz自由空间的0.757个波长(280mm)。相邻的两行天线子阵列之间错位的距离为97mm。
在本实施例中，每一行天线子阵列中任意相邻的两个辐射单元111之间安装有一个去耦隔离件4，去耦隔离件4通过印刷的方式印刷在PCB基材5上，PCB基材5固定安装在塑料支撑件6上，塑料支撑件6固定安装在相邻的两个辐射单元111之间的金属隔离条7上，金属隔离条7固定安装在反射板1上。
所述去耦隔离件4的整体长度为180mm，宽度为15mm，去耦隔离件4上包括四块沿一条直线均匀分布的矩形粗导体401，相邻的两块粗导体401之间通过一块“几”字形细导体402相连，其中，粗导体401宽度为15mm，长度为41mm，细导体402长度为14mm，宽度为0.8mm，所述去耦隔离件4印刷在PCB基材5上，粗导体401和细导体402厚度为0.035mm，PCB基材5厚度为1mm。
如图6所示是有去耦隔离件4与没有去耦隔离件4的左波束4度下倾增益对比曲线图，如图7所示是有去耦隔离件4与没有去耦隔离件4的左波束12度下倾增益对比曲线图，左波束的波束指向为正方向。测试采样频点分别为698、730、760、790、820、850、880、910、960MHz等9个频点。
表1是左波束4度倾角增益的统计数据，表2是左波束12度倾角增益的统计数据。
从实验数据可以看出，增加去耦隔离件4后，+45度极化增益在4度下倾时880MHz频点略下降0.31dB，在960MHz提升0.4dB，整体变化不大；而-45度极化增益整体提升较明显，880MHz提升约1dB，均值提升0.33dB。左波束在12度下倾时，+45度极化增益在820-960MHz频段有提升，整体频段均值提升0.11dB，-45度极化整体频段均值提升0.32dB，880MHz提升0.85dB。
表1左波束4度倾角增益(dBi)
表2左波束12度倾角增益(dBi)
如图8所示是有去耦隔离件4与没有去耦隔离件4的中间波束4度下倾增益对比曲线图，如图9所示是有去耦隔离件4与没有去耦隔离件4的中间波束12度下倾增益对比曲线图，中间波束的波束指向为0度附近。测试采样频点为同样的9个频点。表3是中间波束4度倾角增益的统计数据，表4是中间波束12度倾角增益的统计数据。从实验数据可以看出，增加去耦隔离件4后，+45度极化增益在4度下倾时整个频段均值提升0.18dB；-45度极化增益整体提升较明显，整体频段均值提升0.40dB。中间波束在12度下倾时，+45度极化增益整体频段均值提升0.12dB，-45度极化整体频段均值提升0.37dB。
表3中间波束4度倾角增益(dBi)
表4中间波束12度倾角增益(dBi)
如图10所示是有去耦隔离件4与没有去耦隔离件4的右波束4度下倾增益对比曲线图，如图11所示是有去耦隔离件4与没有去耦隔离件4的右波束12度下倾增益对比曲线图，右波束的波束指向为负方向。测试采样频点为同样的9个频点。
表5是右波束4度倾角增益的统计数据，表6是右波束12度倾角增益的统计数据。
从实验数据可以看出，增加去耦隔离件4后，+45度极化增益在4度下倾时整个频段提升0.12dB；-45度极化增益整体提升较明显，整体频段均值提升0.26dB。右波束在12度下倾时，+45度极化增益整体频段均值提升0.14dB，-45度极化整体频段均值提升0.20dB。右波束的+45度极化的增益，加了去耦隔离件4之后，在880MHz提升最显著，在4度和12度下倾时均有1dB左右，可见，去耦隔离件4发挥了极其重要的作用。
表5右波束4度倾角增益(dBi)
表6右波束12度倾角增益(dBi)
根据表1-表6的统计数据可以看出，从均值来看，增加了去耦隔离件4之后，三个波束指向(左波束、中间波束、右波束)的波束增益均值都有所提升，提升的数值从0.03至0.40dB不等。同时，±45度极化的增益差距也得以缩小，改善特别显著的是左波束下倾4度时，880MHz时±45极化增益差异在不加去耦隔离件4为1.4dB左右，加了去耦隔离件4之后增益差异为0.1dB左右，两个极化增益变得非常接近；而右波束下倾12度时，880MHz时±45极化增益差异在不加去耦隔离件4为1.7dB左右，加了去耦隔离件4之后增益差异为0.8dB左右，改善了0.9dB左右。
本发明通过在多波束阵列天线中将去耦隔离件4设置于相邻的两个辐射单元111之间，可以降低阵列里面辐射单元111的互耦，提高增益，确保每一个波束在同一个频点的±45度极化增益差距基本在1dB之内(本实施例中约为4％比例的采样频点增益差距≥1.0，而未加入去耦隔离件前则超过10％比例的采样频点增益差异≥1.0)。本发明的天线在扩容的同时确保小区的覆盖是均衡的，改善了因波束间增益差距大，导致覆盖区域不稳定的问题。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多波束阵列天线，其特征在于，包括安装于反射板上的若干行天线子阵列、若干个移相器以及若干个波束形成网络，每一行天线子阵列包括若干个辐射单元，每一个辐射单元分别与对应的波束形成网络输出端口相连，每一个波束形成网络输入端口分别与对应的移相器输出端口相连，相邻的两行天线子阵列之间错位设置，每一行天线子阵列中任意相邻的两个辐射单元之间安装有去耦隔离件。
2.根据权利要求1所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，每一个辐射单元包括+45度极化和-45度极化。
3.根据权利要求1所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，任意一行天线子阵列中相邻的两个辐射单元之间的水平间距为工作频段中心频点波长的0.35-0.75倍，相邻的两行天线子阵列的两个辐射单元之间的垂直间距为工作频段中心频点波长的0.5-0.85倍，相邻的两行天线子阵列之间错位的距离为天线子阵列中相邻的两个辐射单元之间的水平间距的一半。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，所述辐射单元的工作频段为698-960MHz。
5.根据权利要求2所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，所述天线子阵列数量为5行，每一行天线子阵列包括6个辐射单元，所述波束形成网络为3*6波束形成网络，每一个移相器的输出端口数量为5个，3*6波束形成网络的6个输出口对应于一行天线子阵列中的6个辐射单元的+45度极化或-45度极化，3*6波束形成网络的3个输入口对应于移相器的输出端口。
6.根据权利要求5所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，所述3*6波束形成网络包括3*3巴特勒矩阵电路以及与3*3巴特勒矩阵电路相连的第一2路功分器、第二2路功分器以及第三2路功分器，所述3*3巴特勒矩阵电路的3个输出端口的幅度比值为1:1:1，相位递增为0、+120度以及-120度。
7.根据权利要求1所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，所述去耦隔离件包括沿同一直线并列排布的若干块粗导体，任意相邻的两块粗导体之间通过一细导体相连。
8.根据权利要求7所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，所述去耦隔离件的整体长度为工作频段中心频点波长的0.25-0.75倍，所述去耦隔离件的整体宽度为工作频段中心频点波长的0.02-0.2倍。
9.根据权利要求7或8所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，所述粗导体为矩形，所述细导体为“几”字形。
10.根据权利要求9所述的一种多波束阵列天线，其特征在于，所述矩形粗导体的长度为工作频段中心频点波长的0.05至0.16倍，所述矩形粗导体的宽度为工作频段中心频点波长的0.02-0.2倍；所述“几”字形细导体的长度为工作频段中心频点波长的0.01至0.15倍，所述“几”字形细导体的宽度为工作频段中心频点波长的0.001-0.008倍。
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- 2023-07-21 CN CN202310897685.3A patent/CN116683202A/zh active Pending
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