CN109687171B - 天线阵列和天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线及天线阵列。一种天线阵列，包括作为第一工作单元的第一列元和第一馈电网络、作为第二工作单元的第二列元和第二馈电网络及作为复用单元的第三列元。第三列元包括环形器及至少一个第三辐射单元；环形器的输出端与至少一个第三辐射单元通过馈线电性连接；环形器的第一输入端与第一馈电网络电性连接；环形器的第二输入端与第二馈电网络电性连接。该天线阵列，通过环形器可以实现第三辐射单元的重复使用，从而减少了辐射单元的数量，降低了成本，也使天线阵列的结构布局更加简洁，优化了天线阵列的尺寸，进而提升了多频天线的使用性能。

Description

天线阵列和天线

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及天线阵列和天线。

背景技术

在基站天线领域，多频多端口天线是减少基建投资、节省天面空间及塔顶负载的重要技术。

传统的多频多端口天线，为了满足天线增益及波宽指标，通常采用的改善方法是增加辐射单元数目。

申请人在实现传统技术的过程中发现：通过增加辐射单元数目满足天线增益及波宽指标，会增加天线成本。

发明内容

基于此，有必要针对传统技术中存在的通过增加辐射单元数目满足天线增益及波宽指标会增加天线成本的问题，提供一种在满足天线增益及波宽指标的同时可以降低成本的天线阵列和天线。

一种天线阵列，包括：第一列元，包括至少一个第一辐射单元；第一馈电网络，通过馈线与所述至少一个第一辐射单元电性连接；第二列元，包括至少一个第二辐射单元；第二馈电网络，通过馈线与所述至少一个第二辐射单元电性连接；第三列元，包括第一环形器及至少一个第三辐射单元；所述第一环形器的输出端与所述至少一个第三辐射单元通过馈线电性连接；所述第一环形器的第一输入端与所述第一馈电网络电性连接；所述第一环形器的第二输入端与所述第二馈电网络电性连接。

在其中一个实施例中，所述天线阵列包括多个所述第三列元；每一所述第三列元中，所述第一环形器的第一输入端与所述第一馈电网络电性连接；所述第一环形器的第二输入端与所述第二馈电网络电性连接。

在其中一个实施例中，所述第一列元中的第一辐射单元、所述第二列元中的第二辐射单元以及所述第三列元中的第三辐射单元均沿第一方向排列，且分别位于不同的行或列。

在其中一个实施例中，所述第一列元中，沿所述第一方向，相邻两个所述第一辐射单元的间距在第一列元工作频段中心频点对应的0.9～1.0倍波长之间。

在其中一个实施例中，所述第二列元中，沿所述第二方向，相邻两个所述第二辐射单元的间距在第二列元工作频段中心频点对应的0.9～1.0倍波长之间。

在其中一个实施例中，所述第三辐射单元包括两对极化正交的偶极子；所述第一环形器的输出端与所述第三辐射单元的任一对偶极子通过馈线电性连接。

在其中一个实施例中，所述第三辐射单元为包括两对极化正交的偶极子的环形振子或十字振子。

在其中一个实施例中，所述第一环形器的驻波小于等于1.3；所述第一环形器的隔离度大于28dB。

一种天线，包括如上述任意一个实施例中所述的天线阵列。

在其中一个实施例中，所述天线还包括：第四列元，包括至少一个第四辐射单元；第四馈电网络，通过馈线与所述至少一个第四辐射单元电性连接；第五列元，包括至少一个第五辐射单元；第五馈电网络，通过馈线与所述至少一个第五辐射单元电性连接；第二环形器，第二环形器的第一输入端与所述第四馈电网络电性连接；所述第二环形器的第二输入端与所述第五馈电网络电性连接；所述第二环形器的输出端与所述第三辐射单元的另一对偶极子通过馈线电性连接。

上述天线阵列，其第三辐射单元通过第一环形器分别与第一馈电网络和第二馈电网络电性连接。环形器具有隔离电阻和隔离电信号的特性。该天线阵列工作时，若第一馈电网络内具有通信信号，该通信信号进入第一辐射单元进行增益放大的同时，通过第一环形器进入第三辐射单元进行增益放大。若第二馈电网络内具有通信信号，该通信信号进入第而辐射单元进行增益放大的同时，也通过第一环形器进入第三辐射单元进行增益放大。该天线阵列，通过环形器可以实现第三辐射单元的重复使用，从而减少了辐射单元的数量，降低了成本，也使天线阵列的结构布局更加简洁，优化了天线阵列的尺寸，进而提升了多频天线的使用性能。

附图说明

图1为本申请一个实施例中天线阵列的结构示意图。

图2为本申请另一个实施例中天线阵列的结构示意图。

图3为本申请一个实施例中第一环形器的驻波特性示意图。

图4为本申请一个实施例中第一环形器的隔离特性示意图。

图5为传统技术中天线阵列的原始波宽方向图。

图6为本申请一个实施例中天线阵列的波宽方向图。

图7为传统技术中天线阵列的原始增益图。

图8为本申请一个实施例中天线阵列的增益图。

图9为本申请一个实施例中天线的结构示意图。

图10为本申请另一个实施例中天线的结构示意图。

其中，各附图标号所代表的含义分别为：

10、天线阵列；

110、第一列元；

112、第一辐射单元；

120、第二列元；

122、第二辐射单元；

130、第三列元；

132、第三辐射单元；

134、第一环形器；

136、第二环形器；

140、第四列元；

150、第五列元；

210、第一馈电网络；

220、第二馈电网络；

240、第四馈电网络；

250、第五馈电网络。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请提供一种天线阵列10，包括作为第一工作单元的第一列元110和第一馈电网络210、作为第二工作单元的第二列元120和第二馈电网络220及作为复用单元的第三列元130。

具体的，如图1所示，第一列元110由若干个第一辐射单元112规则排列构成，这里的若干个指一个或一个以上的整数。图1中，第一列元110包括两个第一辐射单元112。第一辐射单元112为双极化振子，包括两对极化正交的偶极子。第一列元110应至少包括一个第一辐射单元112。

第一馈电网络210通过馈线与第一列元110中的各第一辐射单元112电性连接，以通过馈线向第一辐射单元112内输入电信号。当第一馈电网络210向第一辐射单元112内输入电信号时，第一列元110工作，各第一辐射单元112产生辐射波。

第二列元120同样由若干个第二辐射单元122规则排列构成。这里若干个也指一个或一个以上的整数。图1中，第二列元120包括两个第二辐射单元122。第二辐射单元122为双极化振子，包括两对极化正交的偶极子。第二列元120应至少包括一个第二辐射单元122。

第二馈电网络220通过馈线与第二列元120中的各第二辐射单元122电性连接，以通过馈线向第二辐射单元122内输入电信号。当第二馈电网络220向第二辐射单元122内输入电信号时，第二列元120工作，各第二辐射单元122产生辐射波。

为增强天线阵列10的增益以及波宽指标，本申请的天线阵列10，还包括：第三列元130。第三列元130包括第一环形器134及至少一个第三辐射单元132。

第一环形器134包括第一输入端P2、第二输入端P3和输出端P1，其具备隔离器隔离电阻和隔离电信号的特性。当通过第一环形器134的第一输入端P2和第二输入端P3的一个输入电信号时，均可通过输出端P1输出该电信号，且第一输入端P2和第二输入端P3的另一个不受该电信号的影响。

第三辐射单元132为双极化振子，包括两对极化正交的偶极子。第三列元130包括至少一个第三辐射单元132。图1中，第三列元130包括一个第三辐射单元132。当第三列元130内输入电信号时，第三辐射单元132产生辐射波。

该第三列元130中，第一环形器134的输出端P1与第三辐射单元132通过馈线电性连接，以向第三辐射单元132内输入电信号。第一环形器134的第一输入端P2与第一馈电网络210电性连接，第二输入端P3与第二馈电网络220电性连接。该天线阵列10工作时，若第一馈电网络210向第一列元110内输入电信号，该电信号同时通过第一环形器134的第一输入端P2和输出端P1输入至第三辐射单元132。此时，第一辐射单元112和第三辐射单元132同时工作，发出辐射波。若第二馈电网络220向第二列元120内输入电信号，该电信号也可同时通过第一环形器134的第二输入端P3和输出端P1输入至第三辐射单元132。此时，第二辐射单元122和第三辐射单元132同时工作，发出辐射波。该天线阵列10，通过环形器可以实现第三辐射单元132的重复使用，从而减少了辐射单元的数量，降低了成本，也使天线阵列10的结构布局更加简洁，优化了天线阵列10的尺寸，进而提升了多频天线的使用性能。

在一个具体的实施例中，上述天线阵列10，其第一环形器134可以是三端口环形电桥。

在一个实施例中，上述天线阵列10，包括若干个第三列元130。这里的若干个指一个或一个以上的整数。

当天线阵列10包括一个第三列元130时，其结构如图1所示。第三列元130中的第一环形器134的第一输入端P2和第一馈电网络210电性连接，第二输入端P3和第二馈电网络220电性连接，输出端P1和第三辐射单元132电性连接。

当天线阵列10包括多个第三列元130时，每个第三列元130都包括一个第一环形器134和若干个与第一环形器134的输出端P1电性连接的第三辐射单元132。其中，每个第三列元130中的第一环形器134的第一输入端P2均与第一馈电网络210电性连接，每个第三列元130中的第一环形器134的第二输入端P3均与第二馈电网络220电性连接。这里的多个指两个或两个以上。

该天线阵列10，可以包括若干个复用使用的第三列元130，从而进一步提高了该天线阵列10的使用性能。

在一个实施例中，如图1或图2所示，为满足天线的增益及波宽指标，当第一列元110由多个第一辐射单元112构成时，第一列元110中的多个第一辐射单元112沿一个方向排列。为方便描述该方向，将多个第一辐射单元112的排列方向命名为第一方向。当第二列元120由多个第二辐射单元122构成时，第二列元120中的第二辐射单元122也沿第一方向排列。

同时，构成第三列元130的第三辐射单元132也沿第一方向排列。若天线阵列10包括多个第三列元130，则多个第三列元130中的所有第三辐射单元132也可沿第一方向排列。上述第一列元110、第二列元120和第三列元130位于不同行或不同列，换言之，第一列元110、第二列元120和第三列元130不是一列排列，其排列方式具体可以如图1或图2所示。

该实施例中，第一列元110与第二列元120沿第二方向排列，该第二方向垂直于第一方向。即第一列元110和第二列元120并排排列。第三列元130相对第一列元110和第二列元120沿第一方向排列。换言之，第一列元110中的第一辐射单元112和第三列元130中第三辐射单元132的整体排列沿第一方向；第二列元120中的第二辐射单元122和第三列元130中第三辐射单元132的整体排列也沿第一方向。

在一个实施例中，第一列元110中，沿上述第一方向，相邻两个第一辐射单元112的间距在第一列元110工作频段中心频点对应的0.9倍波长到1倍波长之间。具体来说，第一列元110工作时，第一馈电网络210向第一列元110内输入的电信号一般具有一定的频率范围。该频率范围的中间值即为第一列元110工作频段中心频点。根据该中心频点的频率及频率与波长的关系，即可得到该中心频点的波长。一般的，为避免水平面波束被收缩得过窄，第一列元110中相邻两个第一辐射单元112的间距可以在该中心频点对应的波长的0.9倍到1倍之间。具体来说，该间距既可以是第一列元110工作频段中心频点所对应波长的0.9倍，也可以是第一列元110工作频段中心频点所对应波长的1倍，还可以是第一列元110工作频段中心频点所对应波长的0.95倍。该间距的设置，可以提高天线的覆盖范围，从而满足天线覆盖范围的需求，提升天线阵列10的性能。

同样，在第二列元120中，沿上述第一方向，相邻两个第二辐射单元122的间距在第二列元120工作频段中心频点对应的0.9倍波长到1倍波长之间。具体来说，第二列元120工作时，第二馈电网络220向第二列元120内输入的电信号也具有一定的频率范围。该频率范围的中间值即为第二列元120工作频段中心频点。根据该中心频点的频率及频率与波长的关系，即可得到该中心频点的波长。一般的，为避免水平面波束被收缩得过窄，第二列元120中相邻两个第二辐射单元122的间距可以在该中心频点对应的波长的0.9倍到1倍之间。具体来说，该间距既可以是第二列元120工作频段中心频点所对应波长的0.9倍，也可以是第二列元120工作频段中心频点所对应波长的1倍，还可以是第二列元120工作频段中心频点所对应波长的0.95倍。该间距的设置，可以提高天线的覆盖范围，从而满足天线覆盖范围的需求，提升天线阵列10的性能。

可以理解的是，为进一步提高天线的覆盖范围，在允许的情况下，多个第三列元130中的所有第三辐射单元132与第一辐射单元112的间距也可以满足在第一列元110工作频段中心频点对应的0.9倍波长到1倍波长之间；多个第三列元130中的所有第三辐射单元132与第二辐射单元122的间距也可以同时满足在第二列元120工作频段中心频点对应的0.9倍波长到1倍波长之间。

下面从一个具体的实施例对本申请的天线阵列10进行说明。如图2所示，一种天线阵列10，其由双极化天线振子、反射板、馈电网络、三端口环形电桥和结构等构成。

双极化天线振子作为辐射单元，其包括构成第一列元110的第一辐射单元112、构成第二列元120的第二辐射单元122和构成第三列元130的第三辐射单元132。第一列元110包括四个第一辐射单元112，四个第一辐射单元112沿列方向排列。第二列元120包括四个第二辐射单元122，四个第二辐射单元122沿列方向排列。第一列元110和第二列元120沿行方向排列。第三列元130包括三端口环形电桥和一个第三辐射单元132。第三辐射单元132和三端口环形电桥的输出端P1电性连接。

第一列元110、第二列元120和第三列元130排布于反射板上，形成上述阵列。第一馈电网络210通过馈线和接头与所有第一辐射单元112的一对极化偶极子电性连接。同时，第一馈电网络210还通过馈线与三端口环形电桥的第一输入端P2电性连接。第二馈电网络220通过馈线和接头与所有第二辐射单元122的一对极化偶极子电性连接。同时，第二馈电网络220还通过馈线与三端口环形电桥的第二输入端P3电性连接。当第一馈电网络210开始输送电信号时，该电信号同时输入四个第一辐射单元112内，并通过三端口环形电桥输入第三辐射单元132内。当第二馈电网络220开始输送电信号时，该电信号同时输入四个第二辐射单元122内，并通过三端口环形电桥输入第三辐射单元132内。

其中，第一列元110中，各第一辐射单元112的彼此间距为第一馈电网络210中心频点对应的波长的0.95倍。各第二辐射单元122的彼此间距为第二馈电网络220中心频点对应的波长的0.93倍。第三辐射单元132与距离最近的第一辐射单元112的间距在第一馈电网络210中心频点对应的波长的0.9倍到1倍之间；第三辐射单元132与距离最近的第二辐射单元122的间距也在第二馈电网络220中心频点对应的波长的0.9倍到1倍之间。

该具体实施例中，所采用的三端口环形电桥，其介电常数为4.4，介质厚度为0.93mm，微带线厚度为0.035mm，整体周长在上述第一馈电网络210中心频点对应波长和第二馈电网络220中心频点对应波长的1倍到1.5倍之间。同时，该三端口环形电桥的微带线阻抗设置为50Ω。三端口环形电桥的第一输入端P2、第二输入端P3和输出端P1的微带线阻抗也设为50Ω，长度设为上述工作波长的0.25倍。对该三端口环形电桥进行驻波和隔离测试，所得到的测试图如图3和图4所示。图3为该三端口环形电桥的驻波示意图，从中可以得出，该三端口环形电桥的驻波小于等于1.3。图4为该三端口环形电桥的隔离示意图，从中可以得出，该三端口环形电桥的隔离度在28dB到38dB之间。由此可知，该三端口环形电桥满足端口隔离度的要求。

对不具有第三列元130的天线阵列10进行波宽测试，所得到的波宽方向图如图5所示。增加三端口环形电桥和一个第三辐射单元132后，对增加了第三列元130的天线阵列10进行波宽测试，所得到的波宽方向图如图6所示。图5和图6中的不同线条代表了不同频率所对应波长的工作信号。从图中可以看出，增加一个作为复用的第三辐射单元132后，天线阵列10的波宽明显得到优化。

对不具有第三列元130的天线阵列10进行增益测试，所得到的增益效果图如图7所示。增加三端口环形电桥和一个第三辐射单元132后，对增加了第三列元130的天线阵列10进行增益测试，所得到的增益效果图如图8所示。图7和图8中的不同线条代表了不同频率所对应波长的工作信号。从图中可以看出，增加一个作为复用的第三辐射单元132后，天线阵列10的增益效果明显加强。

在又一个具体的实施例中，上述天线阵列10中，其第三辐射单元132可以包括两对极化正交的偶极子，上述天线阵列10中的第一环形器134的输出端P1仅和第三辐射单元132的一对偶极子电性连接。在该实施例中，第三辐射单元132为包括两对极化正交的偶极子的环形振子。在其他的具体实施例中，第三辐射单元132也可以是包括两对极化正交的偶极子的十字振子。环形振子与十字振子是本领域中常见的两种双极化振子，此处不再赘述。

本申请还提供一种天线，包括上述任意一个实施例中的天线阵列10。

具体来说，该天线包括上述天线阵列10。天线阵列10包括作为第一工作单元的第一列元110和第一馈电网络210、作为第二工作单元的第二列元120和第二馈电网络220及作为复用单元的第三列元130。第一馈电网络210通过馈线与第一列元110中的第一辐射单元112电性连接。第二馈电网络220通过馈线与第二列元120中的第二辐射单元122电性连接。第三列元130包括第一环形器134和第三辐射单元132。第一环形器134的输出端P1与第三辐射单元132通过馈线电性连接；第一输入端P2与第一馈电网络210电性连接；第二输入端P3与第二电网络电性连接。

该天线包括上述天线阵列10，通过环形器可以实现第三辐射单元132的重复使用，从而减少了辐射单元的数量，降低了成本，也使天线的结构布局更加简洁，优化了天线阵列10的尺寸，进而提升了多频天线的使用性能。

在一个实施例中，在上述天线阵列10的第三辐射单元132包括两对极化正交的偶极子的情况下，该天线还可以进一步包括：作为第四工作单元的第四列元140和第四馈电网络240、作为第五工作单元的第五列元150和第五馈电网络250以及第二环形器136。

具体的，上述天线阵列10中，第一馈电网络210通过馈线向各第一辐射单元112馈电，并同时通过第一环形器134的第一输入端P2和输出端P1向第三辐射单元132的一对偶极子馈电。第二馈电网络220通过馈线向各第二辐射单元122馈电，并同时通过第一环形器134的第二输入端P3和输出端P1向第三辐射单元132的同一对偶极子馈电。此时，第三辐射单元132的另一对偶极子闲置。

基于此，可以增加第四列元140和第四馈电网络240、第五列元150和第五馈电网络250以及第二环形器136。其中第四馈电网络240通过馈线向第四列元140馈电，并同时通过第二环形器136的第一输入端P2和输出端P1向第三辐射单元132的另一对偶极子馈电。第五馈电网络250通过馈线向第五列元150馈电，并同时通过另一环形器134的第二输入端P3和输出端P1向第三辐射单元132的另一对偶极子馈电。

该第二环形器136的参数可以与第一环形器的参数134相同，也可以根据不同的天线阵列选择不同参数的环形器。

上述天线，将一个第三辐射单元132同时应用于四组工作单元，实现了第三辐射单元132的多次复用。从而减少了相同增益要求下辐射单元的数量，降低了成本，也使天线阵列10的结构布局更加简洁，优化了天线阵列10的尺寸，进而提升了多频天线的使用性能。

在一个实施例中，上述天线，其第三辐射单元132既可以是包括两对极化正交的偶极子的环形振子，也可以是包括两对极化正交的偶极子的十字振子。图9示出了第三辐射单元132为环形振子的情况。图10示出了第三辐射单元132为十字振子的情况。

以上所述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 (10)

1.一种天线阵列，其特征在于，包括：

第一列元，包括至少一个第一辐射单元；

第一馈电网络，通过馈线与所述至少一个第一辐射单元电性连接；

第二列元，包括至少一个第二辐射单元；

第二馈电网络，通过馈线与所述至少一个第二辐射单元电性连接；

第三列元，包括第一环形器及至少一个第三辐射单元；所述第一环形器为三端口环形电桥，所述第一环形器的输出端与所述至少一个第三辐射单元通过馈线电性连接；所述第一环形器的第一输入端与所述第一馈电网络电性连接；所述第一环形器的第二输入端与所述第二馈电网络电性连接，所述第一环形器的第一输入端与所述第一环形器的第二输入端之间电信号隔离。

2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括多个所述第三列元；每一所述第三列元中，所述第一环形器的第一输入端与所述第一馈电网络电性连接；所述第一环形器的第二输入端与所述第二馈电网络电性连接。

3.根据权利要求2所述的天线阵列，其特征在于，所述第一列元中的第一辐射单元、所述第二列元中的第二辐射单元以及所述第三列元中的第三辐射单元均沿第一方向排列，且分别位于不同的行或列。

4.根据权利要求3所述的天线阵列，其特征在于，所述第一列元中，沿所述第一方向，相邻两个所述第一辐射单元的间距在第一列元工作频段中心频点对应的0.9～1.0倍波长之间。

5.根据权利要求3所述的天线阵列，其特征在于，所述第二列元中，沿所述第一方向，相邻两个所述第二辐射单元的间距在第二列元工作频段中心频点对应的0.9～1.0倍波长之间。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的天线阵列，其特征在于，所述第三辐射单元包括两对极化正交的偶极子；所述第一环形器的输出端与所述第三辐射单元的任一对偶极子通过馈线电性连接。

7.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，所述第三辐射单元为包括两对极化正交的偶极子的环形振子或十字振子。

8.根据权利要求7所述的天线阵列，其特征在于，所述第一环形器的驻波小于等于1.3；所述第一环形器的隔离度大于28dB。

9.一种天线，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至8任意一项所述的天线阵列。

10.根据权利要求9所述的天线，其特征在于，所述天线阵列的第三辐射单元包括两对极化正交的偶极子；所述天线阵列的第一环形器的输出端与所述第三辐射单元的任一对偶极子通过馈线电性连接，所述天线还包括：

第四列元，包括至少一个第四辐射单元；

第四馈电网络，通过馈线与所述至少一个第四辐射单元电性连接；

第五列元，包括至少一个第五辐射单元；

第五馈电网络，通过馈线与所述至少一个第五辐射单元电性连接；

第二环形器，所述第二环形器的第一输入端与所述第四馈电网络电性连接；所述第二环形器的第二输入端与所述第五馈电网络电性连接；所述第二环形器的输出端与所述第三辐射单元的另一对偶极子通过馈线电性连接。

Images