CN211376942U - 一种移动通信基站的栅格式波导天线阵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了通信天线领域的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，包括安装板及至少一个栅格式波导天线，栅格式波导天线从上到下依次包括相连接的栅格辐射段、波导段、波导同轴变换段和连接器，安装板为圆盘，栅格式波导天线可调式倾斜固定在安装板水平面上，栅格辐射段的中心点位于3倍中心频率波长的圆周上。本实用新型采用波导天线辐射，波导形式的天线后向辐射小，对安装平台的依赖小，不需要反射板作为辅助，波导天线通过加载金属栅格，实现了功率分配，提升了天线增益的效果，有效地保证了安装后的天线方向图的一致性。而且，采用栅格结构作为功分网络，形式简洁，成本低，性能可靠、寿命长、维护简单。

Description

一种移动通信基站的栅格式波导天线阵

技术领域

本实用新型涉及通信天线领域，具体是一种移动通信基站的栅格式波导天线阵。

背景技术

对民用移动通信基站应用而言，基站天线决定了移动通信的覆盖范围、容量及网络运行的一系列重要指标，一个典型的发展方向来源于MIMO多天线技术，多个系统共用一个基站天线和基站多天线的集成。该发展方向可以有效提升数据传输速率。

移动通信天线是基站重要的组成部分，它主要实现以下功能：将来自发射机的信号进行传输，并发射到特点的空间；对空间移动的信号进行接收传输，送到接收机内，即实现移动通信信号的上行和下行功能。

移动台和基站之间的信息交换是通过天线来实现的，天线的性能主要有增益、3dB波束宽（水平面、垂直面、驻波、隔离度、覆盖范围等；天线对移动通信网的运行质量起作非常重要的作用，天线的形式、位置、技术参数都对基站的运行质量起着非常重要的作用。

天线的成本往往不到系统的10%，但对通信性能的影响要占到一半，天线性能的优劣及稳定性是无线网络质量的基础，好的天线在移动通信中可以起到性能倍增器的作用，尤其是随着3G、4G的发展，数据业务对天线性能及稳定性的要求越来越高。

目前，常见的基站天线单元有微带贴片、偶极子和磁电偶极子等类型。其中：

一、微带天线具有低成本、低剖面、易于集成和共形的特点（刘海兵，基于4GLTE小型基站的微带贴片天线设计开发，全国优秀硕士论文全文数据库，其缺点是需要设计复杂的功分和匹配网络，且需要金属安装板作为反射板。

二、印刷偶极子具有较宽的工作频带，在水平面全向辐射、结构简单、重量轻、易于印刷在印刷电路板上等特点，通常作为基站天线的基本辐射单元使用（秦冬梅等，宽频带印刷振子型基站天线的设计，测试技术学报，Vol30,No6,2016，缺点是需要考虑发射板的影响，并对反射板做专门设计。

三、磁电偶极子利用磁偶极子和电偶极子的互补性原理，使整个天线单元的E面和H面具有相同的辐射场图，且具有低交叉极化、增益稳定等优点（张泽胜等，一种磁电偶极子基站天线设计，通信技术，Vol51，No.3，2018，缺点是需要考虑发射板的影响，并对反射板做专门设计。

现有的天线技术资料指出了可以实现宽带和多极化的微带贴片、金属偶极子和磁电偶极子等类型，但上述几类天线的辐射性能均依赖于反射板，且其形状和接触电阻对天线方向图有明显的影响。在实际使用时，反射板安装在金属安装平台上。安装平台成为反射板的一部分，共同影响天线的辐射特性，影响天线波束对特定区域的覆盖。

此外，现有的基站天线技术中，部分天线单元的波束宽度过宽，需要采用外接功分网络合成的方式，得到一个波束宽度符合要求的方向图。这增加了设备量和成本，降低了天线系统的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，以解决上述背景技术中现有基站天线依赖发射板和波束过宽的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，包括安装板及至少一个栅格式波导天线，所述栅格式波导天线从上到下依次包括相连接的栅格辐射段、波导段、波导同轴变换段和连接器，所述安装板为圆盘，所述栅格式波导天线可调式倾斜固定在所述安装板水平面上，所述栅格辐射段的中心点位于3倍中心频率波长的圆周上。

本技术方案中，栅格辐射段用于实现电磁波对空间辐射，波导段实现电磁场模式激励，波导段和栅格辐射段共同实现需要的波束宽度、增益，波导同轴变换实现馈电，用于保证天线的驻波满足设计要求。栅格辐射段的中心店位于安装板表面3倍中心频率波长的圆周上，能够以极小的布局空间实现电磁波向全方位辐射。

作为本实用新型的改进方案，为了满足电磁场在不同工程应用中的空间需求，所述栅格式波导天线中心轴线与安装板水平面夹角位于40～70°之间。

作为本实用新型的改进方案，为了使电磁场的覆盖范围相对最优化，所述栅格式波导天线中心轴线与安装板水平面夹角为50°。

作为本实用新型的改进方案，为了激励不同比例的电磁场模式与提高天线辐射效率，所述栅格辐射段包括内部固定有十字形栅格的辐射段边框及固定在辐射段边框底部的辐射段底板，所述辐射段边框通过十字形栅格均匀分隔，所述辐射段底板上开设有第一矩形通孔。

作为本实用新型的改进方案，所述栅格辐射段高度为0.16倍中心频率波长，辐射段边框内口径的宽边长度为1.6倍中心频率波长而窄边长度为0.80倍中心频率波长；所述十字形栅格厚度为0.16倍中心频率波长，辐射段底板厚度为0.014倍中心频率波长；所述第一矩形通孔的长宽分别为1.4倍中心频率波长和0.70倍中心频率波长。

作为本实用新型的改进方案，为了激励不同比例的电磁场模式与提高天线辐射效率，所述波导段包括波导段边框及固定在波导段边框底部的波导段底板，所述波导段底板上开设有第二矩形通孔。

作为本实用新型的改进方案，所述波导段边框内口径的宽边长度为1.4倍中心频率波长而窄边长度为0.7倍中心频率波长，所述第二矩形通孔的长宽分别为0.8倍中心频率波长和0.4倍中心频率波长。

作为本实用新型的改进方案，为了便于生成不同的电磁场模式并完成电磁场模式的匹配，所述波导同轴变换段包括上方开口的腔体，所述腔体内部设有从上到下依次递增的台阶且台阶关于所述腔体中心线对称，所述腔体底部与所述连接器对应开设有通孔而台阶底面对应连接器设有盲孔。

作为本实用新型的改进方案，所述腔体高度为0.8倍中心频率波长，其内口径的宽边长度为0.8倍中心频率波长而窄边长度为0.4倍中心频率波长；所述台阶底面与腔体内底面高度为0.018倍中心频率波长，台阶设有三层，且各层的高度均为0.21倍中心频率波长，各层与波导段宽边平行的长度均为0.22倍中心频率波长，各层的厚度从上到下依次为0.11倍中心频率波长、0.21倍中心频率波长与0.28倍中心频率波长。

作为本实用新型的改进方案，为了便于传递电磁场能量，所述连接器包括介质段以及位于介质段上端部的内导体，所述介质段穿过所述通孔并与腔体固定，所述内导体与所述盲孔过盈配合。

有益效果：本实用新型采用波导天线辐射，波导形式的天线后向辐射小，对安装平台的依赖小，不需要反射板作为辅助，波导天线通过加载金属栅格，实现了功率分配，提升了天线增益的效果，有效地保证了安装后的天线方向图的一致性。而且，采用栅格结构作为功分网络，形式简洁，成本低，性能可靠、寿命长、维护简单。

附图说明

图1为本实用新型的整体俯视示意图；

图2为本实用新型的整体结构示意图；

图3为本实用新型栅格式波导天线的整体结构示意图；

图4为本实用新型栅格辐射段的结构示意图；

图5为本实用新型波导段的结构示意图；

图6为本实用新型波导同轴变换段的结构示意图；

图7为本实用新型天线驻波的仿真曲线；

图8为本实用新型天线E面、H面中频方向图的仿真曲线；

图9为本实用新型天线增益的仿真结果；

图10为本实用新型天线俯仰同乡馈电时的天线阵方向图。

图中：1-安装板；2-栅格式波导天线；21-栅格辐射段；211-辐射段边框；212-十字形栅格；213-辐射段底板；22-波导段；221-波导段边框；222-波导段底板；23-波导同轴变换段；231-腔体；232-台阶；24-连接器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，参见图1-3，一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，包括安装板1及至少一个栅格式波导天线2，栅格式波导天线2从上到下依次包括相连接的栅格辐射段21、波导段22、波导同轴变换段23和连接器24，安装板1为圆盘，栅格式波导天线2可调式倾斜固定在安装板1水平面上，栅格辐射段21的中心点位于3倍中心频率波长的圆周上。

栅格式波导天线的数量一般应用在2到4个左右，特殊模式下也可单个使用。当栅格式波导天线2数量大于等于2个时，栅格式波导天线2径向均匀分布在安装板1表面，连接器24底部随机固定在安装板1表面同心的圆周上，连接器24为射频接口。

其中，栅格辐射段实现电磁波对空间辐射，波导段实现电磁场模式激励，波导同轴变换实现馈电。波导段和栅格辐射段共同实现需要的波束宽度、增益，波导同轴变换段用于保证喇叭天线的驻波满足设计要求。栅格辐射段21的中心点位于3倍中心频率波长的圆周上，能够以极小的布局空间实现电磁波向全方位辐射。

本实施例中，优选栅格式波导天线2地数量为4个，4个天线覆盖不含顶空的上半空间，每个天线的E面3dB波束宽度在60°左右，H面3dB波束宽度在30°左右。

本实施例中，栅格式波导天线2中心轴线与安装板1水平面夹角位于40～70°之间，以满足工程应用中不同空间的电磁波覆盖需求，优选为50°，此时可以实现相对较优的覆盖区域，如直线距离30米，可实现对高度170米高度的建筑约95%范围的覆盖，可以满足约90%的应用场景。

优选地，如图4所示，栅格辐射段21包括内部固定有十字形栅格212的辐射段边框211及固定在辐射段边框211底部的辐射段底板213，辐射段边框211通过十字形栅格212均匀分隔成4个相同尺寸的小口径，辐射段底板213上开设有第一矩形通孔。如图5所示，波导段22包括波导段边框221及固定在波导段边框221底部的波导段底板222，波导段底板222上开设有第二矩形通孔。

如图6所示，波导同轴变换段23包括上方开口的腔体231，腔体231内部设有从上到下依次递增的台阶232且台阶232关于腔体231中心线对称，腔体231底部与连接器24对应开设有通孔而台阶232底面对应连接器24设有盲孔。10．连接器24包括介质段以及位于介质段上端部的内导体，介质段穿过通孔并与腔体231固定，内导体与盲孔过盈配合。

台阶232用于实现口径变换和电磁场模式匹配，其设置在腔体231中心对称位置，用于保证电磁场分布对称，有助于获得对称波瓣。以发射过程为例，电磁场能量经过连接器24馈入波导同轴变换段23，在波导同轴变换段23内部，由于存在盲孔、台阶等结构，进而产生了各种电磁场模式，它们的幅度按照一定比例分配；各种电磁场模式送至栅格辐射段后，被辐射至自由空间，并合成为所需的波束。

本实施例中，栅格辐射段21、波导段22、波导同轴变换段23的材质均为金属，便于传到电磁波能量。

优选地，栅格辐射段21高度为0.16倍中心频率波长，辐射段边框211内口径的宽边长度为1.6倍中心频率波长而窄边长度为0.80倍中心频率波长；十字形栅格212厚度为0.16倍中心频率波长，辐射段底板213厚度为0.014倍中心频率波长；第一矩形通孔的长宽分别为1.4倍中心频率波长和0.70倍中心频率波长。波导段边框221内口径的宽边长度为1.4倍中心频率波长而窄边长度为0.7倍中心频率波长，第二矩形通孔的长宽分别为0.8倍中心频率波长和0.4倍中心频率波长。腔体231高度为0.8倍中心频率波长，其内口径的宽边长度为0.8倍中心频率波长而窄边长度为0.4倍中心频率波长；台阶232底面与腔体231内底面高度为0.018倍中心频率波长，台阶232设有三层，且各层的高度均为0.21倍中心频率波长，各层与波导段22宽边平行的长度均为0.22倍中心频率波长，各层的厚度从上到下依次为0.11倍中心频率波长、0.21倍中心频率波长与0.28倍中心频率波长。上述数据根据覆盖范围、增益、驻波等指标进行设计、分析、优化得出。

图7为本实施例中天线驻波的仿真曲线，表明本实施例中栅格式波导天线在相当贷款10%的工作频带内，驻波优于1.5。

图8为本实施例中天线E面、H面中频方向图的仿真曲线，表明本实施例中栅格式波导天线在工作频带内E面波束宽度约为60°，H面波束宽度约为30°，且两面交叉级化优于35dB。

图10为本实施例中4个栅格式波导天线俯仰同向馈电时的天线阵方向图，此天线阵方向图可覆盖安装板除顶部空间之外的上半其他空间，使天线通信范围更为宽广。

本实用新型采用栅格式波导天线辐射，天线后向辐射小，不需要反射板作为辅助，波导天线通过加载金属栅格，实现了功率分配，提升了天线增益的效果，有效地保证了安装后的天线方向图的一致性。而且，采用栅格结构作为功分网络，形式简洁，成本低，性能可靠、寿命长、维护简单。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存 在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，包括安装板(1)及至少一个栅格式波导天线(2)，其特征在于，所述栅格式波导天线(2)从上到下依次包括相连接的栅格辐射段(21)、波导段(22)、波导同轴变换段(23)和连接器(24)，所述安装板(1)为圆盘，所述栅格式波导天线(2)可调式倾斜固定在所述安装板(1)水平面上，所述栅格辐射段(21)的中心点位于3倍中心频率波长的圆周上。

2.根据权利要求1所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述栅格式波导天线(2)中心轴线与安装板(1)水平面夹角位于40～70°之间。

3.根据权利要求2所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述栅格式波导天线(2)中心轴线与安装板(1)水平面夹角为50°。

4.根据权利要求2所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述栅格辐射段(21)包括内部固定有十字形栅格(212)的辐射段边框(211)及固定在辐射段边框(211)底部的辐射段底板(213)，所述辐射段边框(211)通过十字形栅格(212)均匀分隔，所述辐射段底板(213)上开设有第一矩形通孔。

5.根据权利要求4所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述栅格辐射段(21)高度为0.16倍中心频率波长，辐射段边框(211)内口径的宽边长度为1.6倍中心频率波长而窄边长度为0.80倍中心频率波长；所述十字形栅格(212)厚度为0.16倍中心频率波长，辐射段底板(213)厚度为0.014倍中心频率波长；所述第一矩形通孔的长宽分别为1.4倍中心频率波长和0.70倍中心频率波长。

6.根据权利要求4所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述波导段(22)包括波导段边框(221)及固定在波导段边框(221)底部的波导段底板(222)，所述波导段底板(222)上开设有第二矩形通孔。

7.根据权利要求6所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述波导段边框(221)内口径的宽边长度为1.4倍中心频率波长而窄边长度为0.7倍中心频率波长，所述第二矩形通孔的长宽分别为0.8倍中心频率波长和0.4倍中心频率波长。

8.根据权利要求6所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述波导同轴变换段(23)包括上方开口的腔体(231)，所述腔体(231)内部设有从上到下依次递增的台阶(232)且台阶(232)关于所述腔体(231)中心线对称，所述腔体(231)底部与所述连接器(24)对应开设有通孔而台阶(232)底面对应连接器(24)设有盲孔。

9.根据权利要求8所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述腔体(231)高度为0.8倍中心频率波长，其内口径的宽边长度为0.8倍中心频率波长而窄边长度为0.4倍中心频率波长；所述台阶(232)底面与腔体(231)内底面高度为0.018倍中心频率波长，台阶(232)设有三层，且各层的高度均为0.21倍中心频率波长，各层与波导段(22)宽边平行的长度均为0.22倍中心频率波长，各层的厚度从上到下依次为0.11倍中心频率波长、0.21倍中心频率波长与0.28倍中心频率波长。

10.根据权利要求8所述的一种移动通信基站的栅格式波导天线阵，其特征在于，所述连接器(24)包括介质段以及位于介质段上端部的内导体，所述介质段穿过所述通孔并与腔体(231)固定，所述内导体与所述盲孔过盈配合。

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