CN103560338B - 一种结构紧凑的多频段阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构紧凑的多频段阵列天线，包括金属反射板，以及安装在金属反射板上的工作于较低频段的低频辐射单元和工作于较高频段的高频辐射单元；所述低频辐射单元和高频辐射单元在金属反射板上嵌套排列，且两者的正投影互不重合。所述低频辐射单元由水平振子和垂直振子连接馈电网络组成。所述低频振子结构灵活，可以根据实际应用要求灵活配置间距等参数。采用本发明的结构，可以保持多频段阵列天线在超宽带范围内的辐射特性稳定，并兼容移动通信中的2G，3G和4G？LTE所有制式，不仅可以减少基站所用的天线数目，减少布站成本，也可以减少运营维护费用。

Description

一种结构紧凑的多频段阵列天线

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种结构紧凑的多频段阵列天线。

背景技术

近年来，以智能手机和平板电脑为代表的智能移动终端的大规模使用，使移动通信中的数据业务出现了飞速增长。为了满足移动通信中对高速数据传输的要求，国内外各大运营商正在大力发展以TD-LTE和FDD-LTE两种制式为主的第四代（4G）移动通信技术。如今，2G，3G和即将普及的4GLTE网络并存，多个使用不同频段的系统同时存在，需要使用能工作在不同频段的基站天线。使用普通的窄频带天线，一个基站就需要布置许多副天线，增加了系统复杂性和物业成本。为了降低建网成本，天线的宽带化和小型化已经成为当前的热点之一。

为了兼容多种通信制式，双频双极化天线已被大规模使用。传统的双频天线多采用高频辐射单元跟低频辐射单元肩并肩并列（SidebySide）的结构，公开号为AU2011201657A1的澳大利亚专利申请提出的一种宽带天线单元就是这种形式。如图1所示，其振子位于方形腔体内部，由环状调谐电路和半波振子或者贴片组成的。采用这种结构的辐射单元组阵的双频段天线截面会比较大，不利于实现天线的小型化。

为了减小天线的迎风面积，高频辐射单元与低频辐射单元通过镶嵌的方式共轴排布为大多数开发者采用。公开号为CN101425626A的中国专利申请提出的一种多频阵列天线，即采用这种方式。不过，为了减弱高低频辐射单元之间耦合，其间距不能太小，导致双频天线的迎风面积依然很大。

此外，现有技术中的天线大多工作在790-960MHz和1710-2690MHz频段，难以扩展到700MHz频段，很难满足700MHzLTE的应用需求。况且，现有的镶嵌结构均适用于一列高频辐射单元与一列低频辐射单元，如果需要增加一列高频辐射单元，必须要增加天线宽度，使其应用受限。因而有必要针对以上问题，开发一种能将双频天线的工作频带拓宽到700MHz频段，结构紧凑的超宽带多频段天线。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种可以覆盖698-960MHz和1710-2690MHz超宽频带的结构紧凑的多频段阵列天线，以兼容目前的移动通信网络的所有频段。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种结构紧凑的多频段阵列天线，包括金属反射板，以及安装在金属反射板上的工作于较低频段的低频辐射单元和工作于较高频段的高频辐射单元；

所述低频辐射单元包括相互正交的水平振子和垂直振子，所述水平振子和垂直振子与馈电网络连接，产生±45度极化或者垂直和水平极化远场辐射方向图；多个低频辐射单元沿第一参考线排列，形成一列低频阵列；其中，所述多个低频辐射单元的垂直振子均分布于第一参考线上；

所述高频辐射单元包括相互正交的两个振子；多个高频辐射单元的中心分别沿数条参考线排列，形成数列高频阵列；所述数条参考线均平行于第一参考线，且不与第一参考线重合；所述高频辐射单元与第一参考线没有交叠。

优选地，所述低频辐射单元和高频辐射单元在金属反射板上的正投影互不重合。

优选地，多个高频辐射单元的中心分别沿偶数条参考线排列，形成偶数列高频阵列；所述偶数条参考线的其中一半位于第一参考线的一侧，另一半位于第一参考线的另一侧，位于第一参考线两侧的参考线关于第一参考线对称。

优选地，每一列高频阵列中，相邻高频辐射单元的间距有两种：位于相邻两低频辐射单元之间的多个高频辐射单元的间距相等，为第一间距；分别位于同一低频辐射单元的水平振子两侧的相邻高频辐射单元的间距为第二间距；所述第二间距大于或等于第一间距。

优选地，低频辐射单元中，水平振子包括对称分布于同一直线上的两个辐射臂以及连接于两个辐射臂之间的匹配电路；垂直振子也包括对称分布于同一直线上的两个辐射臂以及连接于两个辐射臂之间的匹配电路；水平振子的两个辐射臂和垂直振子的两个辐射臂互相垂直，且物理上互不连接；水平振子和垂直振子的匹配电路相互正交放置，并与金属反射板垂直；水平振子和垂直振子的辐射臂均平行于金属反射板。

优选地，同一个低频辐射单元中，水平振子的辐射臂与垂直振子的辐射臂距离金属反射板的高度相同，且水平振子和垂直振子的对称中心重合。

优选地，所述低频辐射单元的两侧还设有两个寄生的半波振子单元，所述两个半波振子单元与垂直振子平行排列，且分别设置于水平振子延伸方向的两侧，通过与水平振子的辐射臂的耦合进行馈电。

优选地，所述低频辐射单元工作于698～960MHz频段范围，所述高频辐射单元工作于1710～2690MHz频段范围。

优选地，每列高频阵列中，位于相邻两个低频辐射单元之间的高频辐射单元有2个以上。

优选地，一列或多列高频阵列从属于同一个高频系统；或者，一列高频阵列中的多个高频辐射单元从属于多个相互独立的高频系统。

优选地，所述馈电网络由一个180度混合器构成；所述180度混合器的第一输出口与低频辐射单元的水平振子相连，第二输出口与低频辐射单元的垂直振子相连。

优选地，高频辐射单元的两个振子的延伸方向与低频辐射单元的水平振子的延伸方向呈45度夹角。

本发明提供的一种结构紧凑的多频段阵列天线，低频辐射单元和高频辐射单元在金属反射板上相互嵌套排列，两者在金属反射板上的正投影互不重合，最大程度降低了高低频信号之间的电气干扰；其结构紧凑且排布方式灵活，能够利用多个相互独立的高频系统和低频实现对多个不同频段的覆盖，进而从整体上有效实现对698-960MHz和1710-2690MHz超宽频带的覆盖，以兼容目前的移动通信网络的所有频段。

采用本发明的结构，可以保持多频段阵列天线在超宽带范围内的辐射特性稳定，并兼容移动通信中的2G，3G和4GLTE所有制式，不仅可以减少基站所用的天线数目，减少布站成本，也可以减少运营维护费用。

附图说明

图1为现有技术中的一种宽带天线单元。

图2为本发明实施例一提供的一种3频段阵列天线的局部结构示意图。

图3为本发明实施例一中的馈电网络的结构示意图。

图4为本发明实施例一提供的一种3频段阵列天线的整体结构示意图。

图5为本发明实施例二提供的一种5频段阵列天线的整体结构示意图。

图6为本发明实施例三提供的一种含有TD智能系统的4频段天线的整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一

如图2至图4所示，本发明实施例提供的一种结构紧凑的3频段阵列天线，包括金属反射板，以及安装在金属反射板上的工作于较低频段的低频辐射单元1和工作于较高频段的高频辐射单元2。优选地，所述低频辐射单元1工作于698～960MHz频段范围，所述高频辐射单元2工作于1710～2690MHz频段范围。

所述低频辐射单元1包括相互正交的水平振子101和垂直振子102，所述水平振子101和垂直振子102与馈电网络连接，产生±45度极化或者垂直和水平极化远场辐射方向图。多个低频辐射单元1沿第一参考线等间距排列，形成一列低频阵列；其中，所述多个低频辐射单元1的垂直振子102均分布于第一参考线上。需要特别说明的是，所述的水平振子101和垂直振子102仅仅是结合本实施例附图所示的方向进行的区别性命名，并不能代表在实际的三维空间中，振子是水平或垂直的。

所述高频辐射单元2包括相互正交的两个振子，高频辐射单元2的两个振子的延伸方向与低频辐射单元1的水平振子101的延伸方向呈45度夹角；多个高频辐射单元2的中心分别沿第二参考线和第三参考线排列，形成两列高频阵列。其中，所述第二参考线和第三参考线平行于第一参考线，但三者互不重合。本发明实施例中，所述第二参考线和第三参考线关于第一参考线对称，且分别位于第一参考线两侧。所有高频辐射单元2与第一参考线均没有交叠。

每一列高频阵列中，相邻高频辐射单元2的间距有两种：位于相邻两低频辐射单元1之间的多个高频辐射单元2的间距相等，为第一间距d1；分别位于同一低频辐射单元1的水平振子101两侧的相邻高频辐射单元2的间距为第二间距d2。所述第二间距d2略大于第一间距d1，使低频辐射单元1和高频辐射单元2之间的距离尽可能拉开。

结合图2所示，本发明实施例中，每相邻两个低频辐射单元1之间分布有6个高频辐射单元2；即每列高频阵列中，位于相邻两个低频辐射单元1之间的高频辐射单元2有3个。这3个高频辐射单元2之间的间距为第一间距d1，而同一低频辐射单元1的水平振子101两侧两个高频辐射单元2之间的间距为第二间距d2。相邻低频辐射单元1的间距D与第一间距d1和第二间距d2之间的关系为：D=2*d1+d2。这样的布局下，低频辐射单元1和高频辐射单元2在金属反射板上的正投影互不重合，且低频辐射单元1和高频辐射单元2之间的距离保持最大，有效地降低了两者之间的电气干扰。

低频辐射单元1中，水平振子101包括对称分布于同一直线上的两个辐射臂以及连接于两个辐射臂之间的匹配电路；垂直振子102也包括对称分布于同一直线上的两个辐射臂以及连接于两个辐射臂之间的匹配电路。水平振子101的两个辐射臂和垂直振子102的两个辐射臂互相垂直，且物理上互不连接；水平振子101的匹配电路和垂直振子102的匹配电路相互正交放置，并分别与金属反射板垂直。水平振子101和垂直振子102的辐射臂均平行于金属反射板。

由于低频辐射单元1的辐射是由互不相连的水平振子101和垂直振子102的辐射臂在远场合成而得，故垂直振子102可以应使用要求灵活放置。本发明实施例中，水平振子101的辐射臂与垂直振子102的辐射臂距离金属反射板的高度相同，且水平振子101和垂直振子102的对称中心重合，即水平振子101的两个辐射臂与垂直振子102的两个辐射臂成十字形排布。

优选地，本发明实施例中，所述水平振子101的长度大于低频辐射单元1覆盖频段范围中心频率的半个波长（180mm），而垂直振子102的长度略小于低频辐射单元1覆盖频段范围中心频率的半个波长。

作为改进，所述低频辐射单元1的两侧还设有两个寄生的半波振子单元103，所述两个半波振子单元103与垂直振子102平行排列，且分别设置于水平振子101延伸方向的两侧，通过与水平振子101的辐射臂的耦合进行馈电，以调节远场辐射的垂直极化分量，并提高波束收敛度。

所述馈电网络可以是外部的也可以集成于天线内部，本发明实施例中，所述馈电网络集成于天线内部。进一步地，当采用带有混合器的馈电网络进行馈电时，低频辐射单元1的垂直振子102和水平振子101产生±45度极化远场辐射方向图；当采用不具有混合器的馈电网络进行馈电时，低频辐射单元1的垂直振子102和水平振子101产生垂直和水平极化远场辐射方向图。如图3所示，为本发明实施例中与低频辐射单元1的水平振子101和垂直振子102相连的馈电网络的结构示意图。所述馈电网络由一个180度混合器构成；所述180度混合器为二进二出的网络，工作在698～960MHz频段；其输入口有两个，包括同相输入口202和反相输入口203；同样的，输出口有两个，包括第一输出口204和第二输出口205。第一输出口204通过50欧姆电缆与水平振子101相连，第二输出口205通过50欧姆电缆与垂直振子102相连。

在本发明实施例中，每一列高频阵列分别从属于一个独立的高频系统。如图4所示，处于第二参考线和第三参考线上的高频辐射单元2分别从属于不同的高频系统。换而言之，本发明实施例中具有两个相互独立的高频系统，分别为图4中的两个矩形框框选的部分。所述两个高频系统可以工作于不同频段，也可以工作在相同频段，并共同覆盖1710～2690MHz频段，同时，处于第一参考线上的低频辐射单元1覆盖698～960MHz频段；因此，本发明实施例中容纳有3个系统，即构成了1个低频系统和2个高频系统共存的3频段阵列天线。

实施例二

如图5所示，本发明实施例在实施例一的基础上进行了变化，提供了一种5频段阵列天线。具体地，本发明实施例中的每一列高频阵列中的多个高频辐射单元2分别从属于两个相互独立的高频系统。换而言之，本发明实施例中共具有四个相互独立的高频系统，分别为图5中的四个矩形框框选的部分，加上另外一个低频系统，构成了1个低频系统和4个高频系统共存的5频段阵列天线。

本发明实施例中的其他特征与实施例一相同，故在此不再赘述。

实施例三

如图6所示，本发明实施例提供了一种含有TD智能系统的4频段天线。其中，图中框选的4列高频阵列为工作在1880～2690MHz频段，覆盖TD-SCDMA和TD-LTE制式工作频段的TD智能系统，即4列高频阵列共同从属于同一个高频系统。位于TD智能系统两侧的两列高频阵列分别从属于两个独立的高频系统，工作在1710-2690MHz频段；而处于整个阵列天线中心的一列低频阵列，从属于工作在698-960MHz频段的低频系统。

本发明实施例中的其他特征与实施例一相同，故在此不再赘述。

需要指出的是，以上提供的三个实施例中，每个系统中的高频辐射单元和低频辐射单元的数目只是本发明技术方案在实际应用中的一种具体选择。根据实际工程需求，增加或者减少高频辐射单元和低频辐射单元的数目，仍可以实现所述的3频段、4频段或5频段天线阵列。同时，在以上三个实施例中，通过减少或者增加其中一列或多列高频阵列中高频系统的数量，进而实现其他阵列形式的双频段、3频段、4频段、5频段或者其他多频段阵列天线都是比较简单而容易的事情，本领域的技术人员有能力根据本发明结构上的灵活性拓展其应用的场合。

需要强调的是，在以上三个实施例中，每列高频阵列中，位于相邻两个低频辐射单元之间的高频辐射单元的数量优选为3个，其他数量的高频辐射单元，比如2个或者4个甚至5个乃至更多数量的高频辐射单元，可以实现覆盖不同的高频与低频频率范围，由于不脱离本发明的构思，也在本发明保护范围之内。

特别需要强调的是，以上三个实施例中，每列高频阵列中，位于相邻两个低频辐射单元之间的高频辐射单元数目是固定的，即低频辐射单元是等间距排列的。然而，在实际工程应用中，各低频辐射单元也可以是不等间距排列的，在这种情况下，位于相邻两个低频辐射单元之间的高频辐射单元的数目则是不固定的。比如，第一对相邻低频辐射单元之间有2个高频辐射单元，第二对相邻低频辐射单元之间有3个高频辐射单元，这种低频辐射单元的间距变化交错排列的情形，也可以实现高低频覆盖范围的优化，由于不脱离本发明的构思，也在本发明的保护范围之内。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，包括金属反射板，以及安装在金属反射板上的工作于较低频段的低频辐射单元和工作于较高频段的高频辐射单元；

所述低频辐射单元包括相互正交的水平振子和垂直振子，所述水平振子和垂直振子与馈电网络连接，产生±45度极化或者垂直和水平极化远场辐射方向图；多个低频辐射单元沿第一参考线排列，形成一列低频阵列；其中，所述多个低频辐射单元的垂直振子均分布于第一参考线上；

所述高频辐射单元包括相互正交的两个振子；多个高频辐射单元的中心分别沿数条参考线排列，形成数列高频阵列；所述数条参考线均平行于第一参考线，且不与第一参考线重合；所述高频辐射单元与第一参考线没有交叠；

每一列高频阵列中，相邻高频辐射单元的间距有两种：位于相邻两低频辐射单元之间的多个高频辐射单元的间距相等，为第一间距；分别位于同一低频辐射单元的水平振子两侧的相邻高频辐射单元的间距为第二间距；所述第二间距大于第一间距，并且第二间距与两倍的第一间距之和等于相邻低频辐射单元的间距。

2.根据权利要求1所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，所述低频辐射单元和高频辐射单元在金属反射板上的正投影互不重合。

3.根据权利要求1所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，多个高频辐射单元的中心分别沿偶数条参考线排列，形成偶数列高频阵列；所述偶数条参考线的其中一半位于第一参考线的一侧，另一半位于第一参考线的另一侧，位于第一参考线两侧的参考线关于第一参考线对称。

4.根据权利要求1所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，低频辐射单元中，水平振子包括对称分布于同一直线上的两个辐射臂以及连接于两个辐射臂之间的匹配电路；垂直振子也包括对称分布于同一直线上的两个辐射臂以及连接于两个辐射臂之间的匹配电路；水平振子的两个辐射臂和垂直振子的两个辐射臂互相垂直，且物理上互不连接；水平振子和垂直振子的匹配电路相互正交放置，并与金属反射板垂直；水平振子和垂直振子的辐射臂均平行于金属反射板。

5.根据权利要求4所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，同一个低频辐射单元中，水平振子的辐射臂与垂直振子的辐射臂距离金属反射板的高度相同，且水平振子和垂直振子的对称中心重合。

6.根据权利要求4所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，所述低频辐射单元的两侧还设有两个寄生的半波振子单元，所述两个半波振子单元与垂直振子平行排列，且分别设置于水平振子延伸方向的两侧，通过与水平振子的辐射臂的耦合进行馈电。

7.根据权利要求1所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，所述低频辐射单元工作于698～960MHz频段范围，所述高频辐射单元工作于1710～2690MHz频段范围。

8.根据权利要求1所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，每列高频阵列中，位于相邻两个低频辐射单元之间的高频辐射单元有2个以上。

9.根据权利要求1所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，一列或多列高频阵列从属于同一个高频系统；或者，一列高频阵列中的多个高频辐射单元从属于多个相互独立的高频系统。

10.根据权利要求1所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，所述馈电网络由一个180度混合器构成；所述180度混合器的第一输出口与低频辐射单元的水平振子相连，第二输出口与低频辐射单元的垂直振子相连。

11.根据权利要求1所述的结构紧凑的多频段阵列天线，其特征在于，高频辐射单元的两个振子的延伸方向与低频辐射单元的水平振子的延伸方向呈45度夹角。