一種緊湊型多頻基站天線陣列的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種緊湊型多頻基站天線陣列，包括設置于基板上的第一子陣列和第二子陣列，所述第一子陣列工作于第一頻段，所述第二子陣列工作于不同于所述第一頻段的第二頻段，所述第一子陣列包含至少一個無外加損耗電路的第一濾波天線單元，所述第二子陣列包含至少一個無外加損耗電路的第二濾波天線單元。本發明提供的實施例，通過運用無外加損耗電路的濾波天線單元作為多頻基站天線陣列的陣子，可利用其濾波特性減小工作頻段相近的多個子陣列間的相互耦合；無需設計雙工器或者去耦合網絡，減小了設計雙工器或者去耦合網絡帶來的復雜度，電路結構簡單，設計簡便，而可以采用廉價的PCB技術加工，成本較低。
【專利說明】
-種緊湊型多頻基站天線陣列
技術領域
[0001] 本發明設及移動通信領域，尤其設及一種緊湊型多頻基站天線陣列。
【背景技術】
[0002] 隨著移動通信技術的飛速發展，在基站天線建設中往往要求陣列天線不僅能夠覆 蓋多個頻段，而且能夠支持多種無線制式的系統。在設計雙頻或者多頻基站陣列天線時，如 果不同頻段的頻率間隔很大，例如GSM頻段(820-960MHZ)與3G頻段（1710-2170MHZ)，運時， 常用兩列分別工作在相應頻段的子陣列排列在一起設計陣列天線。然而，一旦兩種無線頻 段的頻率間隔很近，例如DCS頻段（1710-1880MHZ)和WCDMA頻段（1920-2170MHZ)，子陣列之 間的相互禪合很大，只能通過增加兩個子陣列之間的間距來減小相互禪合，增加端口的隔 離度。而增加子陣列之間的間距就意味著增加陣列天線的體積。
[0003] 在工程運用中，設計頻率間隔很小的雙頻基站陣列如DCS(m〇-1880MHz)和WCDMA (1920-2170M化）頻段，常用的方法有兩種，一是用一列覆蓋DCS和WCDMA整個頻段（1710- 2170MHz)的天線單元組成一個陣列，在前端級聯一個雙工器，通過設計高隔離度的雙工器 來進行工作頻段之間的去禪合，具體文獻如《X.-H.Guan,F.-Q.化ng，H.-W丄iu ,and L.- Zhu，（'Compact and high isolation diplexer using dual-mode stub-loaded resonators，'，IEEE Microw . Wireless Compon .Lett, vo I.24, no.6, pp.385-3 87， 化n.2014》。然而，雙工器必然會帶來級聯損耗，影響天線的增益，而且由于頻段很近，設計 低插損高隔離度的雙工器具有很大的挑戰性。除此之外，該種方案僅僅使用一個陣列，因此 在無線局域網優化的過程中無法對每個頻段進行獨立的電調下傾角。第二種方法是使用兩 列覆蓋整個頻段（1710-2710MHZ)的子陣列并行排列，在兩個子陣列之間加入去禪合網絡， 從而達到去禪合的效果。運些去禪合網絡包括電磁壁(參考文獻如《R.-I.Eva, Q.-T.Oscar, 曰nd I.-S丄uis,"Mutu曰1 coupling reduction in patch 曰ntenn曰 arrays by using 曰 planar EBG structure and a multi layer dielectric substrate ,IEEE Trans. Antennas Propag. , vol. 56,no. 6,卵.1648-1655, Jun. 2008》）、缺陷地結構（參考文 南犬女曰《N.-H.Noordin, A . Rayi S,N.Haridas,B. Flynn , A .Erdo邑an , and T. Arslan , 叮ri曰ngul曰r lattices for mutu曰I coupling reduction in patch 曰ntenn曰 arrays," in Proc.Lougliborou曲.Conf .Antennas Propag,2011 ,pp. 1-4》）、帶阻諧振單元（參考文獻 如《C.-Y.Chiu,C.-H.Cheng,R.-D.Murch,and Corbett R.Rowell,"Reduction of mutual coupling between closely-packed antenna elements IEEE Trans . Antennas Propag.，vol. 55，no .6，pp. 1732-1738 Jun. 2007》）等等。然而，運些去禪合網絡會增加天線 陣列的寬度，也會影響天線的福射性能如福射效率、前后比、增益等等。

【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題在于，提供一種緊湊型多頻基站天線陣列，克服現有 技術中多頻基站相互間禪合大或結構復雜的缺陷。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種緊湊型多頻基站天線陣列，包括設置 于基板上的第一子陣列和第二子陣列，所述第一子陣列工作于第一頻段，所述第二子陣列 工作于不同于所述第一頻段的第二頻段，所述第一子陣列包含至少一個無外加損耗電路的 第一濾波天線單元，所述第二子陣列包含至少一個無外加損耗電路的第二濾波天線單元。
[0006] 其中，所述第一濾波天線單元和所述第二濾波天線單元均包括上介質基板、下介 質基板、設置于所述上介質基板上表面的寄生福射金屬貼片、設置于所述下介質基板上表 面的主福射金屬貼片、W及設置于所述下介質基板下表面的金屬地板，所述主福射金屬貼 片的幾何中屯、位置處設置有非對稱的E字形槽線，所述主福射金屬貼片與所述金屬地板之 間連接有金屬短路探針。
[0007] 其中，所述非對稱的E字形槽線的中間槽線最短，位于所述中間槽線一側的槽線長 于另一側的槽線。
[0008] 其中，所述第一子陣列和所述第二子陣列平行交錯排列。
[0009] 其中，所述第一子陣列中的相鄰的第一濾波天線單元之間間隔距離與所述第二子 陣列中的相鄰的第二濾波天線單元之間間隔距離相等。
[0010] 其中，所述第一濾波天線單元和所述第二濾波天線單元還包括塑料支撐柱，所述 上介質基板和所述下介質基板通過所述塑料支撐柱固定連接。
[0011] 其中，所述下介質基板上還設有穿過所述金屬地板的饋電端口。
[0012] 其中，所述第一子陣列包含6個無外加損耗電路的第一濾波天線單元，所述第二子 陣列包含6個無外加損耗電路的第二濾波天線單元。
[0013] 其中，所述第一頻段是DCS頻段，所述第二頻段是WCDMA頻段。
[0014] 其中，所述基板兩側設置有金屬擋板。
[0015] 本發明具有如下有益效果:通過運用無外加損耗電路的濾波天線單元作為多頻基 站天線陣列的陣子，可實現在帶內高效福射，帶外有效抑制，增益的通帶邊沿滾降很快，因 而利用運一濾波特性就可W減小工作頻段相近的多個子陣列間的相互禪合;無需設計雙工 器或者去禪合網絡，減小了設計雙工器或者去禪合網絡帶來的復雜度，電路結構簡單，設計 簡便，而可W采用廉價的PCB技術加工，成本較低。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明實施例提供的緊湊型雙頻基站天線陣列的俯視圖；
[0017] 圖2是本發明實施例提供的濾波天線單元的爆炸結構示意圖；
[0018] 圖3是圖2所示的濾波天線單元的側視圖；
[0019] 圖4是圖2所示的濾波天線單元的俯視圖；
[0020] 圖5是圖2所示的濾波天線單元的仰視圖；
[0021] 圖6是本發明一個實施例提供的工作在DCS頻段的無外加損耗電路的濾波天線單 元的反射系數Sll-頻率的仿真結果圖；
[0022] 圖7是本發明一個實施例提供的工作在DCS頻段的無外加損耗電路的濾波天線單 元的增益曲線-頻率的仿真結果圖；
[0023] 圖8是本發明一個實施例提供的工作在WCDMA頻段的無外加損耗電路的濾波天線 單元的反射系數Sll-頻率的仿真結果圖；
[0024] 圖9是本發明一個實施例提供的工作在WCDMA頻段的無外加損耗電路的濾波天線 單元的增益曲線-頻率的仿真結果圖；
[0025] 圖10是本發明一個實施例提供的工作在DCS頻段的子陣列的反射系數Sll-頻率的 仿真結果圖；
[0026] 圖11是本發明一個實施例提供的工作在DCS頻段的子陣列的增益曲線-頻率的仿 真結果圖；
[0027] 圖12是本發明一個實施例提供的工作在WCDM頻段的子陣列的反射系數Sll-頻率 的仿真結果圖；
[0028] 圖13是本發明一個實施例提供的工作在WCDMA頻段的子陣列的增益曲線-頻率的 仿真結果圖；
[0029] 圖14是本發明一個實施例提供的緊湊型雙頻基站天線陣列兩個子陣列端口的隔 離曲線Sl 2-頻率仿真圖；
[0030] 圖15是本發明一個實施例提供的緊湊型雙頻基站天線陣列在1.8G化處的E-面的 主極化和交叉極化福射方向圖；
[0031] 圖16是本發明一個實施例提供的緊湊型雙頻基站天線陣列在1.8G化處的H-面的 主極化和交叉極化福射方向圖；
[0032] 圖17是本發明一個實施例提供的緊湊型雙頻基站天線陣列在2.06G化處的E-面的 主極化和交叉極化福射方向圖；
[0033] 圖18是本發明一個實施例提供的緊湊型雙頻基站天線陣列在2.06G化處的H-面的 主極化和交叉極化福射方向圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0035] 本發明實施例提供了一種緊湊型多頻基站天線陣列，包括設置于基板上的多個子 陣列，例如第一子陣列、第二子陣列……第N子陣列(N>2，N為自然數）。其中第一子陣列工 作于第一頻段，第二子陣列工作于第二頻段，……，第N子陣列工作于第N頻段，且第一頻段、 第二頻段……第N頻段相近卻不相同。第一子陣列包含至少一個無外加損耗電路的第一濾 波天線單元，所述第二子陣列包含至少一個無外加損耗電路的第二濾波天線單元，……，第 N子陣列包含至少一個無外加損耗電路的第N濾波天線單元。通過運用無外加損耗電路的濾 波天線單元作為多頻基站天線陣列的陣子，可實現在帶內高效福射，帶外有效抑制，增益的 通帶邊沿滾降很快，因而利用運一濾波特性就可W減小工作頻段相近的多個子陣列間的相 互禪合;無需設計雙工器或者去禪合網絡，減小了設計雙工器或者去禪合網絡帶來的復雜 度，電路結構簡單，設計簡便，而可W采用廉價的PCB技術加工，成本較低。
[0036] 為了便于描述，下文和附圖都將W雙頻基站天線陣列為例來說明本發明實施例提 供的天線陣列的機構，應當理解的是，本發明實施例并不限于雙頻基站天線陣列，而應包含 所有具備本發明特征的所有多頻基站天線陣列。
[0037] 請參見圖I，是本發明實施例提供的緊湊型雙頻基站天線陣列的俯視圖。該天線陣 列包括設置于基板4上的第一子陣列2和第二子陣列3,第一子陣列2工作于第一頻段，第二 子陣列3工作于第二頻段，其中，第一頻段與第二頻段相近但不同，例如第一頻段是DCS頻段 (1710-1880MHZ)，第二頻段是WCDMA頻段（1920-2170MHZ)，當然列舉運兩個頻段僅用于舉例 說明，而不用于限制。第一子陣列2包含至少一個無外加損耗電路的第一濾波天線單元，所 述第二子陣列3包含至少一個無外加損耗電路的第二濾波天線單元，濾波天線單元本身所 具有的濾波特性使得兩列子陣列之間的相互禪合大大減少。由于工作頻率不同，第一濾波 天線單元和第二濾波天線單元的尺寸也不同，在圖1所示的實施例中，尺寸大的第一濾波天 線單元工作在頻率較低的第一頻段(例如DCS頻段），尺寸小的第二濾波天線單元工作在頻 率較高的第二頻段(例如WCDMA頻段）。基板4的尺寸也可W根據子陣列的數量和規模進行設 置，例如在圖1所示的雙頻基站天線陣列的實施例中，基板4是一塊長寬高分別為853mm、 206mm、3mm的PCB介質基板，通過在該PCB介質基板的底面印刷銅并鍛錫防止氧化來形成金 屬地板。PCB介質基板可W用相對介電常數er = 2.65、厚度是2-4mm的材料加工而成。
[0038] 優選地，如圖1所示，基板4的兩側設置有金屬擋板1，金屬擋板1可W用金屬侶板制 成。在如圖1所示的例子中，第一子陣列2和第二子陣列3分別工作在DCS頻段和WCDMA頻段， 金屬擋板1的高度為8mm。
[0039] 優選地，如圖1所示，第一子陣列2和第二子陣列3平行交錯排列。具體地，如圖1所 示，第一子陣列2和第二子陣列3在第一方向上相互平行，且在與第一方向垂直的第二方向 上相互交錯，運種排列方式相對于傳統的平行對齊排列方式，能夠增加第一子陣列2和第二 子陣列3之間的距離，從而更進一步的減小子陣列之間的相互禪合，得到更好的隔離效果。
[0040] 優選地，如圖1所示，第一子陣列2中的相鄰的第一濾波天線單元之間間隔距離A與 第二子陣列3中的相鄰的第二濾波天線單元之間間隔距離B相等，例如，在第一濾波天線單 元和第二濾波天線單元的工作頻段分別為DCS頻段和WCDM頻段時，A = B = 130mm。
[0041 ]優選地，如圖1所示，第一子陣列2包含6個第一濾波天線單元，第二子陣列3包含6 個第二濾波天線單元。
[0042] 下面將參考圖2-5詳細描述第一濾波天線單元和第二濾波天線單元的結構。第一 濾波天線單元和第二濾波天線單元除了尺寸不同外，結構基本相同。為了方便描述，下文參 考圖2-5的舉例說明中，統一使用濾波天線單元來表示第一濾波天線單元和第二濾波天線 單元。
[0043] 如圖2和3所示，濾波天線單元均包括上介質基板6、下介質基板11和用于連接上介 質基板6和下介質基板11的連接機構。上介質基板6的上表面上設置有寄生福射金屬貼片7， 下介質基板11的上表面上設置有主福射金屬貼片10,下介質基板11的下表面上設置有金屬 地板14,寄生福射金屬貼片7、主福射金屬貼片10和金屬地板14均為金屬鍛層。主福射金屬 貼片10和金屬地板14之間連接有金屬短路探針12。具體地，如圖2、3、5所示，設置有=個金 屬探針12,其直徑為1mm。主福射金屬貼片10的幾何中屯、位置處設置有非對稱的E字形槽線 13。具體地，如圖2、3、5所示，所述非對稱的E字形槽線的中間槽線最短，位于所述中間槽線 一側的槽線長于另一側的槽線，該E字形槽線可W在增益曲線通帶的低頻邊沿產生一個福 射零點。
[0044] 優選地，如圖2-5所示，濾波天線單元包括塑料支撐柱8，所述上介質基板6和所述 下介質基板11通過所述塑料支撐柱8連接并固定為上下層結構。具體地，如圖3所示，在塑料 支撐柱8有四個，上介質基板6和下介質基板11的四角處均有四個過孔5,用于連接塑料支撐 柱8。上介質基板6通過塑料支撐柱8固定在下介質基板的上面，形成一定的間隔，適當的調 節該間距，可W在通帶右側產生一個高頻福射零點。運樣通帶的高低頻側均有一個福射零 點，保證了濾波天線的帶通特性。
[0045] 優選地，下介質基板11上還設有穿過金屬地板14的饋電端口 9。
[0046] 在本發明的一個示范性實施例中，有兩個工作頻段分別為DCS頻段和WCDMA頻段的 無外加損耗電路的濾波天線單元，運兩個濾波天線單元均采用圖2所示的電路結構，由于工 作頻段不同，所W具體的電路尺寸不同，其對應的無外加損耗電路的濾波天線單元的電路 設計尺寸如下表1所示：
[0047] 表1DCS頻段和WCDMA頻段濾波天線單元的電路尺寸 [004引
[0049] 在該實施例中，兩個子陣列的工作頻段1710-1880MHZ和1920-2170MHZ的頻率間隔 很小，DCS頻段的子陣列在其工作頻段1710-1880M化內高效福射，在帶外即WCDMA頻段 (1920-2170MHZ)抑制福射；同時，WCDMA頻段的子陣列在其工作頻段1920-2170MHZ內高效福 射，在帶外即DCS頻段(1710-1880MHz)抑制福射。因此，兩個子陣列之間的福射互不干擾，從 而減小了相互干擾，達到較高的端口隔離度。
[0050] 如圖6-7所示，是本發明一個實施例提供的工作在DCS頻段的無外加損耗電路的濾 波天線單元的反射系數Sll-頻率和增益曲線-頻率的仿真結果圖。可W看出工作頻段為 1710-1880MHZ內有S個諧振模式，在Sll-頻率曲線中，Sll在DCS頻段內低于-lOdB。在增益 曲線中，兩個福射零點處的增益均在-22地i W下，同時具有良好矩形度的帶通濾波特性，通 帶邊沿睹峭，邊帶抑制明顯，頻率選擇性良好，并且帶內增益平坦，在1.8G化接近9地i。
[0051] 如圖8-9所示，是本發明一個實施例提供的工作在WCDMA頻段的無外加損耗電路的 濾波天線單元的反射系數Sll-頻率和增益曲線-頻率的仿真結果圖。可W看出工作頻段為 1920-2170MHZ內有S個諧振模式，在Sll-頻率曲線中，Sll在DCS頻段內低于-lOdB。在增益 曲線中，兩個福射零點處的增益均在-20地i W下，同時具有良好矩形度的帶通濾波特性，通 帶邊沿睹峭，邊帶抑制明顯，頻率選擇性良好，并且帶內增益平坦，在2.OG化接近9地i。
[0052] 如圖10-11所示，是本發明一個實施例提供的工作在DCS頻段的子陣列的反射系數 Sll-頻率和增益曲線-頻率的仿真結果圖。可W看出工作頻段為1710-1880MHZ內有=個諧 振模式，在Sll-頻率曲線中，Sll在DCS頻段內低于-10地。在增益曲線中，增益具有良好矩形 度的帶通濾波特性，通帶邊沿睹峭，邊帶抑制明顯，頻率選擇性良好，并且帶內增益平坦，在 1.8GHz 接近 14.6地 i。
[0053] 如圖12-13所示，是本發明一個實施例提供的工作在WCDMA頻段的子陣列的反射系 數Sll-頻率和增益曲線-頻率的仿真結果圖。可W看出工作頻段為1920-2170MHZ內有=個 諧振模式，在Sl 1-頻率曲線中，Sl 1在WCDMA頻段內低于-lOdB。在增益曲線中，增益具有良好 矩形度的帶通濾波特性，通帶邊沿睹峭，邊帶抑制明顯，頻率選擇性良好，并且帶內增益平 坦，在2.06G化接近15地i。
[0054] 如圖14所示，是本發明一個實施例提供的緊湊型雙頻基站天線陣列兩個子陣列端 口的隔離曲線S12-頻率仿真圖。可W看出在整個頻段1.5G監-2.5G化內，該陣列的端口隔離 系數S12低于35地，說明該天線陣列的子陣列之間的相互禪合很小，端口隔離度很高。圖15- 18分別給出了該天線陣列在1.8G化和2.06G化處的H-面和E面的主極化與交叉極化的福射 方向圖，同樣說明該天線陣列具有穩定的福射方向圖。
[0055] 本發明實施例具有如下優點：
[0056] 1、集成濾波特性和福射特性，天線陣列自身有濾波性能，通帶邊緣睹峭，邊帶抑制 明顯，具有良好的頻率選擇特性，無需外加雙工器或去禪合網絡電路，克服了采用外加雙工 器或去禪合網絡容易造成損耗大和體積大的缺點；
[0057] 2、該天線陣列適用于頻率間隔很近的DCS頻段和WCDM頻段，在無需去禪合電路的 情況下，實現了端口的高隔離度，抑制臨頻干擾，提高了基站收發信機的性能；
[005引3、子陣列之間相互平行排列，且在垂直方向上錯開一定的間距，從而更進一步的 減小子陣列之間的相互禪合；
[0059] 4、整個結構主要由金屬貼片、金屬化過孔、介質板通孔和U型槽組成，結構簡單，設 計簡便，可W采用廉價的PCB技術加工。
[0060] 本發明提供的實施例適用于無線移動通信基站領域，可應用于各類無線通信系統 的接收和發射設備中，由于本發明的濾波特性，特別適用于在開闊復雜的多頻段多制式通 信場景中，工作在4G-LTE D頻段（2.3-2.7GHz)的基站天線，W及大型無線局域網WLAN 2.4G化AP。同時受益于濾波特性與福射特性的集成，本發明也適用于無線移動通信系統設 備的一體化和集成化，降低設計要求，提高通信設備抗鄰頻干擾的能力。
[0061 ] W上所掲露的僅為本發明一種較佳實施例而已，當然不能W此來限定本發明之權 利范圍，本領域普通技術人員可W理解實現上述實施例的全部或部分流程，并依本發明權 利要求所作的等同變化，仍屬于發明所涵蓋的范圍。
【主權項】
1. 一種緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，包括設置于基板上的第一子陣列和第 二子陣列，所述第一子陣列工作于第一頻段，所述第二子陣列工作于不同于所述第一頻段 的第二頻段，所述第一子陣列包含至少一個無外加損耗電路的第一濾波天線單元，所述第 二子陣列包含至少一個無外加損耗電路的第二濾波天線單元。2. 如權利要求1所述的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述第一濾波天線單元 和所述第二濾波天線單元的結構相同，均包括上介質基板、下介質基板、設置于所述上介質 基板上表面的寄生輻射金屬貼片、設置于所述下介質基板上表面的主輻射金屬貼片、以及 設置于所述下介質基板下表面的金屬地板，所述主輻射金屬貼片的幾何中心位置處設置有 非對稱的E字形槽線，所述主輻射金屬貼片與所述金屬地板之間連接有金屬短路探針。3. 如權利要求2所示的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述非對稱的E字形槽 線的中間槽線最短，位于所述中間槽線一側的槽線長于另一側的槽線。4. 如權利要求1所述的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述第一子陣列和所述 第二子陣列平行交錯排列。5. 如權利要求1所述的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述第一子陣列中的相 鄰的第一濾波天線單元之間間隔距離與所述第二子陣列中的相鄰的第二濾波天線單元之 間間隔距離相等。6. 如權利要求2所述的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述第一濾波天線單元 和所述第二濾波天線單元還包括塑料支撐柱，所述上介質基板和所述下介質基板通過所述 塑料支撐柱固定連接。7. 如權利要求2所述的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述下介質基板上還設 有穿過所述金屬地板的饋電端口。8. 如權利要求1所述的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述第一子陣列包含6 個無外加損耗電路的第一濾波天線單元，所述第二子陣列包含6個無外加損耗電路的第二 濾波天線單元。9. 如權利要求1所述的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述第一頻段是DCS頻 段，所述第二頻段是WCDMA頻段。10. 如權利要求1所述的緊湊型多頻基站天線陣列，其特征在于，所述基板兩側設置有 金屬擋板。
【文檔編號】H01Q21/08GK106099352SQ201610624802
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月29日 公開號201610624802.9, CN 106099352 A, CN 106099352A, CN 201610624802, CN-A-106099352, CN106099352 A, CN106099352A, CN201610624802, CN201610624802.9
【發明人】章秀銀, 張垚, 潘詠梅
【申請人】華南理工大學