CN110611175B - 双极化天线阵列和双极化2-波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，公开一种双极化天线阵列,包括沿导电反射板纵轴放置在其上且排成三列的双极化振子、两个波束形成网络和频率相关的三路功率分配器。本发明中频率相关的三路功率分配器的功率会随中间列上的双极化振子的频率增加而增加，会随其他两列上振子的频率的减小而降低。因此，中列的振子在低频下获得的功率较少,在高频时获得的功率较多。其他列上的振子在低频下获得较多的功率，在高频时获得较少的功率。与其他在工作频段中全频输出提供恒定功率的三路功率分配器的天线阵列相比，这种功率分布降低了对高频波束宽度和高频旁瓣的依赖性。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地说是一种带频率相关功率分配器的宽带双极化天线阵列和双极化2-波束天线，更具体的是涉及用于在60度扇区发射或接收两个正交极化的移动通信的天线阵列和双极化2-波束天线。
背景技术
在手机高使用率的信息化时代,市场上每年都需要大量的双极化天线,因此在这一领域里，为创造出一种易于生产制造的天线投入了大量工作。在过去基站中，使用最多的是一列振子的天线阵列,垂直平面上形成窄波束,水平平面上形成宽波束,覆盖120度扇区。现在在一些地区,通过120度扇区的流量对于一个基站来说太大了,因此需要增加第二个基站,并使用仅由两个基站覆盖60度扇区的天线阵列。已知的覆盖60度扇区的天线阵列包含两到三列振子,以减小水平面上的波束宽度。三列振子提供了理想的波束宽度和低旁瓣。CN105846113A公开了一种双频双极化窄波束阵列天线，描述了这种在水平平面上具有30-40度半功率波束宽度的双极化天线，其振子的配置如图1所示。
在现有的含三列振子的天线阵列中，其主要缺点是波束的形状对频率有很大的依赖性。通常,在中间频段下不同列振子之间的功率分布是33度的半功率波束宽度和小旁瓣,但在最低频段下,波束太宽。在最高频段下,波束太窄,旁瓣太大。因此,现有的60度扇区天线阵列仅通过窄频段提供理想的波束形状。
本发明的目的是克服现有技术和其他已有的双极化天线的缺陷。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供了一种带频率相关功率分配器的宽带双极化天线阵列，其在水平面上通过至少45％的频带提供28-38度半功率波束宽度和低旁瓣。
本发明为实现上述目的，采取以下技术方案予以实现：
一种双极化天线阵列，包括：
沿导电反射板纵轴放置在其上且排成三列的双极化振子；
两个波束形成网络，每个网络至少包含2个输出端口；
频率相关的三路功率分配器；
其中，每个频率相关的三路功率分配器的输入端口连接到波束形成网络的一个输出端口；每个频率相关的三路功率分配器的输出端口连接到位于中间一列振子和其他两列与之相邻的两个振子；
频率相关的三路功率分配器为置于中间列的双极化振子提供的功率随频率增加而增加，而为与中间一列振子相邻的其他两列双极化振子提供的功率随频率增加而降低；
频率相关的三路功率分配器由多段具有不同阻抗和不同长度的传输线组成，并且至少包含两条不同长度的开路传输线；
频率相关的三路功率分配器的电路包含两个连接到输入端的分支路，其中，第一分支路包括至少一条长度大于工作频段内最低频率的四分之一波的开路传输线，第二分支路包括至少一条长度小于工作频段内最高频率的四分之一波的开路传输线；第一分支路连接到位于中间列的双极化振子，第二分支路分为两个支路连接到与中间列相邻的另外两列的双极化振子。
优选地，其中频率相关的三路功率分配器由放置在介质衬底一个侧面上的条形导体与放置在其另一个侧面上覆盖的导电薄膜构成。
优选地，所述频率相关的三路功率分配器为至少两个，其中两个频率相关的三路功率分配器由放置在介质衬底一个侧面上的多个条形导体块与放置在其另一个侧面上覆盖的导电薄膜构成。
优选地，所述频率相关的三路功率分配器为至少两个，其中两个频率相关的三路功率分配器的输出端口连接到所放置的双极化振子上，其输出端口与所放置的双极化振子的馈电金属带状线相互接近或相反，即其中两个频率相关的三路功率分配器的输出端口与馈电金属带状线在振子所在的一面相互焊接或在其反面相互焊接。
优选地，所述介质衬底上设有第一交叉金属带状线、第二交叉金属带状线和第三交叉金属带状线，所述第二交叉金属带状线分为两段，两段中间为间隙；所述第一交叉金属带状线设置在所述间隙；所述第三交叉金属带状线置于所述第一、第二交叉金属带状线之下，所述第三交叉金属带状线的两端分别通过金属化过孔与第二交叉金属带状线两段的端部连接。
更优选地，所述第一交叉金属带状线与第二交叉金属带状线垂直设置。当然也可以不垂直。
优选地，所述介质衬底上还设有两个附加导体，这两个附加导体分别设置在第一交叉金属带状线与第二交叉金属带状线之间，并通过金属化过孔连接到导电薄膜上。
优选地，所述三列双极化振子放置在介质衬底之上，其馈电金属带状线连接到频率相关功率分配器的输出端口上。
优选地，所述双极化振子放置在介质衬底上方，并由与置于介质衬底上的条形导体相连接的导体所激发。
优选地，所述频率相关的三路功率分配器的电路由印刷电路板制成。
优选地，所述频率相关的三路功率分配器的每个输出口连接有提供输出相位差为180度的功率分配器。
优选地，所述振子由贴片形状的振子构成。
优选地，所述振子由包含对称传输线馈电的振子构成。
优选地，所述双极化振子包含巴伦和放置在巴伦上的纵向孔内的激励导体。
优选地，所述导电反射板边缘有纵向侧壁。
优选地，所述振子周围放置额外的侧壁。
优选地，所述双极化振子为交叉偶极子形状.
优选地，所述双极化振子为折合偶极子形状.
优选地，所述双极化振子的上方放置有引向器。
优选地，所述波束形成网络包含相移装置，在其输出之间提供可变相移。
本发明的另一目的在于公开一种双极化2-波束天线，包括两个如上所述的双极化天线阵列，这两个双极化天线阵列并置于沿纵向轴线弯曲的导电反射板上，导电反射板形成的夹角在100-140度范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明中频率相关的三路功率分配器的功率会随中间列上的双极化振子的频率增加而增加，会随其他两列上振子的频率的减小而降低。因此，中列的振子在低频下获得的功率较少,在高频时获得的功率较多。其他列上的振子在低频下获得较多的功率，在高频时获得较少的功率。与其他在工作频段中全频输出提供恒定功率的三路功率分配器的天线阵列相比，这种功率分布降低了对高频波束宽度和高频旁瓣的依赖性。
本发明中频率相关的三路频率相关功率分配器简单而紧凑。
本发明一种双极化2-波束天线，在波束之间很好地隔离,因为创建左波束的波束形成网络与创建右边波束的波束形成网络是相互独立分开的。
附图说明
图1是来自现有技术CN105846113A的双极化天线阵列的俯视图,其中振子排列成三列的高频段天线阵列；
图2是美国2019/015672A1的现有频率相关功率分配器的示意图；
图3是天线阵列的图形侧面视图；根据本发明包含排列成三列的15个振子和5个PCB电路板,其中包含10个由介质衬底表层的带状线组成的频率相关的3路功率分配器；
图4是图3所示天线阵列的简化电路图；
图5a是介质衬底上的带状线组成的两个频率相关的三路功率分配器的俯视图；
图5b是图5a所示的介质衬底表层交叉金属带状线的放大视图；
图5c是图5a所示的介质衬底底部交叉金属带状线的放大视图；
图6a显示如图5a所示功率分配器顶部输出的功率分布示意图；
图6b显示如图5a所示功率分配器底部输出端口的功率分布示意图；
图6c显示如图5a所示的功率分配器输出的回波损耗示意图；
图7a-7b显示了图3所示天线阵列的在1.69、2.2GHz的水平方向图；
图8是在介质衬底上方的三个交叉振子的图形侧面视图；其中包含表层的带状线组成的2个频率相关的3路功率分配器；
图9是衬底的俯视图；其中包含在介质衬底表层的带状线,并形成两个频率相关的3路功率分配器和与介质衬底上的振子匹配的功率分配器输出口的附加电路；
图10是PCB电路板的俯视图；其中包含两个频率相关的3路功率分配器和六个可在移相器之间提供180度输出相差的2路功率分配器；
图11a-11b是由具有高阻抗的对称传输线激发的双极化振子的图形侧视图；根据本发明,适合制造天线阵列；
图12是双极化振子的侧面视图；包含放置在振子上方的引向器，此发明适用于制造天线阵列；
图13是介质衬底的俯视图；其中包含顶部表层的带状线,并形成一个频率相关的三路功率分配器；
图14是双波束天线阵列的图像侧视图；根据本发明其中两组天线阵列沿纵轴排列在弯曲60度的一个反射板上。
具体实施方式
实施例1
在US2019/0115672 A1中描述了在功率分配器的输出端口提供与频率相关的功率值。图2显示了已知功率分配器的示意图,该功率分配器包括普通功率分配器、延迟线和定向耦合器。如果将一个额外的普通功率分配器连接到定向耦合器的一个输出端口,则此已知电路可用于创建一个理想的天线阵列振子的功率分布。这种包含四个组件的电路的主要缺点是尺寸较大。因此,创建一个简单而紧凑的三路频率相关功率分配器是本发明的第二个目的。
根据本发明的双极化天线阵列的第一个实施例在图3中的图片侧视图中显示，其中15个双极化振子1以交叉振子的形状排成三列，并沿其纵轴排列在反射板3的5个介质衬底。短侧壁4放置在中列振子15的周围。两个频率相关的三路功率分配器5a和5b由放置在介质衬底2顶部的带状线组成。每个频率相关的三路功率分配器包含具有不同宽度和长度的多个导体。图4描述了图3所示的天线阵列示意图。功率分配器5a的输入端口51a连接到波束形成网络6a输出端口61a-65a的。功率分配器5b的输入端口51b连接到波束形成网络6b输出端口61b-65b。输出端口71a-73a的功率分配器5a通过传输线连接到辐射臂-45度极化。输出端口71b-73b的功率分配器5b通过传输线连接到辐射臂+45度极化。因此，天线阵列从输入端口60a和60b辐射对应-45度和+45度极化。
图5a中的俯视图显示了包含多个带状线的介质衬底，并组成了频率相关的3路功率分配器5a和5b。输入端口51a和51b放置在介质衬底2的中间。将放置在介质衬底下的传输线由输入端口51a和51b连接到波束形成网络输出端口6a和6b。输出端口71a-73a和71b-73b对应的反方向传输线激发放置在介质衬底2上方的振子1。频率相关的三路功率分配器5a的电路包含两个分支由带状线11a连接输入端口51a。第一分支由带状线12a-16a串联而成,其中带状线31a平行连接于带状线12a和13a之间,由带状线31a组成的开路线的电长度超过工作频段最低频率的四分之一波。这种长的开路线反应出低频,并降低了连接另一端分支输出端口71a在低频时的功率。带状线12a-15a组成与输出端口71a匹配的电路。带状线16a形成连接到输出端口71a的传输线。
第二分支由带状线17a和18a串联而成，并包含平行连接在17a和18a带状线之间的带状线32a。由带状线32a形成的开路线的电长度短于最高频率的四分之一波。这种短的开路线反应出高频，并降低了连接另一端的第二分支的20a和40a(即第一交叉金属带状线)的导体在高频工作段时的功率水平。串联的带状线20a-23a与输入端口51a和输出端口72a组成相匹配的电路。带状线24a形成连接到输出端口72a的传输线。
串联的带状线40a–43a与输入端口51a和输出端口73a组成相匹配电路。带状线44a形成连接到输出端口73a的传输线。带状线20a–24a和40a–44a形成相同的电路，但这些导体在不同的点弯曲，以避免与在同一介质衬底上2的功率分隔线5a和5a之间产生不必要的耦合。调整16a、24a和44a带状线的长度,以便在输出端口71a、71a和73a时提供相等的相位。
功率分配器5b具有与功率分配器5a相同的电路，并与功率分配器5a的带状线形状相同，只是带状线40b(即第二交叉金属带状线)穿过带状线40a。带状线40b在带状线40a附近被切割阻断，其两端通过金属化过孔34与带状线40c(即第三交叉金属带状线)的一端连接，此带状线40c的位置是在覆盖在底部衬底2的导电薄膜35的缝隙33中，且位于带状线40a下部。附加导体36沿带状线40a放置在带状线40b近端,并通过金属化过孔37与导电膜35连接。附加导体36会减少放置在衬底上的带状线40a和反方向放置的衬底带状线40c之间不必要的耦合，并增加输入端口51a和51a之间的隔离，最高可达-37dB。通过调整带状线16b、24b和44b的长度，达到71b、71b和73b输出时的相等相位。
图6a显示了从输出端口71a和71b的功率与频率的关系，图6b显示了输出端口72a、73a、72a和73a功率与频率的关系。输入51a和51a处的回波损耗如图6c所示。工作频带1.696-2.6GHz，所有输出的各相之间的差异小于7度。根据发明，图6a-6c所示的测量结果显示了输出之间理想的功率分布。
图7a-7b显示了双极化天线阵列的水平平面上的方向图,如图3所示。计算结果表明,通过在工作频带1.696-2.2GHz时,水平平面上的波束宽度和旁瓣变化很小。
图8是放置在介质衬底2上方的三个交叉振子1的图片侧视图，如图5a所示。带状线16a和16b直接连接到馈电金属带状线39a和39b并激发放置在天线阵列中间列的交叉振子1。带状线44a和24b直接连接到馈电金属带状线39a和39b激发放置在左侧的交叉振子1。带状线24a和44b直接连接到馈电金属带状线39a和39b激发放置在右侧的交叉振子1。因而输出频率相关的三路功率分配器5a和5b连接到没有同轴交叉的振子1。这种天线阵列的制造方法比制造一个用同轴电缆连接功率分配器和振子要更简单。带状线与传输线的直接连接也提供了其他优势。
实施例2
本发明的第二个实施例在图9的俯视图中显示，其中介质衬底38包含多个带状线，这些带状线组成两个频率相关的3路功率分配器和六个由带状线52-54形成的匹配电路。带状线52-54串联在频率相关的3路功率分配器输出端口和71a-73a输出口之间、71b-73b连接到传输线并激发双极化振子1。匹配电路提高了双极化振子1的回波损耗，从而提高了天线阵列的回波损耗。同其他带状线52-54的振子相匹配的电路可包含短路和开路导体。
实施例3
本发明的第三个实施例在图10的俯视图中显示，其中放置在介质衬底45上的带状线组成两个频率相关的3路功率分配器和六个双向功率分配器，在其端部之间提供180度的输出相差。第一个0-180度功率分配器由窄条状线55a和56a组成，其中56a平行连接到由带状线16a一端。由带状线55a和56a组成的传输线的阻抗是带状线16a阻抗的两倍。由短条状线55a形成的传输线的电长度是工作频段的半波，短于长条带状线56a组成的传输线的电长度。这种功率分配器与非对称传输线匹配，而对称传输线的阻抗是其四倍。具有相同电路的第二个0-180度功率分配器由窄带状线55b和56b组成，其中平行连接到由带状线16b一端。双极化贴片振子或其他由两条具有高阻抗的对称传输线激发，此对称传输线连接到带状线的另一端55a、56a、55b和56b的振子。
具有相同电路的第三个0-180度功率分配器由窄条状线57a和58a平行连接并连接到带状线24a的一端。第四个0-180度功率分配器由窄条状线57b和58b平行连接并连接到带状线44b的一端。第二双极化贴片振子连接到带状线57a、58a、57b和58b的另一端。第三个双极化贴片振子连接到带状线57a、58a、57b和58b并连接到带状线24b和44a的一端。
图10显示了具有简单电路的0-180度功率分配器，仅提供本发明的说明。宽频工作的0-180度功率分配器的电路更加复杂。这种电路可以包括耦合传输线、开路半波长度的传输线或短端四波长度的传输线，以便通过宽频带在其输出端保持180度的相位差。
图11a和图11b显示了由具有高阻抗的对称传输线激发的双极化振子，并适用于天线阵列的制造。
实施例4
本发明的第四个实施例如图11a所示，它是一个图形侧视图，其中三个双极化贴片由四个连接在介质衬底45上组成的0-180度功率分配器的输出导体81a-81d所激发.
实施例5
本发明的第五个实施例如图11b所示，是一个图形侧视图，其中三个交叉的振子80a和80b由连接到介质衬底上45的0-180度功率分配器的输出端口的对称传输线83a和83b所激发。每个交叉的振子与传输线是由一块平面导电材料组成的。
实施例6
本发明的第六个实施例显示在图12中的图片侧视图中,其中控制器91–94被放置在双极化振子1之上。控制器91-94降低了双极化振子1的波束宽度,双极化振子1在侧面方向的辐射较少。因此，由引向器组成的天线阵列会降低旁瓣水平。
在低频下工作的天线阵列的振子彼此放置得很远,因此,由带状线连接功率分配器的介质衬底的尺寸较大。由于一个大PCB电路板的制造需要高成本，因此这种在小介质衬底上连接同轴振子的频率相关三路功分器的天线阵列更加有生产的盈利性.
实施例7
本发明的第七个实施例在图13的俯视图中显示。放置在介质衬底39的表层的带状线组成一个三路功率分配器。输入端口51被放置在介质衬底39靠近第一边缘的中间。输出端口71-73被放置在相反的边缘附近。频率相关的三路功率分配器的电路包含由带状线11连接到输入端口51的二个分支。第一支路由串联在一起的带状线12-15组成,其中带状线31平行于带状线12并连接到带状线13。由带状线31形成的开路线的电长度超过工作频带最低频率的四分之一波。这种长的开路线反应出低频,并降低了连接到分支另一端的输出端口71的低频功率水平。带状线12–15形成与输入端口51和输出端口71匹配电路。
第二支路由带状线17和18串联组成,其中的带状线32与带状线17平行并连接带状线18。由带状线32形成的开路线的电长度短于工作频带最高频率的四分之一波。这种短开路线反应出高频,并降低了在高频率下另一端的第二分支连接到输出端口72-73的功率水平，串联的带状线20-23形成与输入端口51和输出端口72-73相匹配电路,在工作频带的中间频率上,由12至15串联带状线组成的电路的电长度小于波长。在工作频带的中间频率上,由17、18和20-23系列带状线连接的电路的电气长度小于三个四分之一波长度。因此,根据本发明在介质衬底39上形成了频率相关的三路功率分配器,其尺寸小,制造这种PCB电路的成本较低。
实施例8
本发明的第八实施例显示在图14中的图片侧视图中,根据本发明，说明了由两个双极化天线阵列组成的一种双极化2-波束天线。两个双极化天线阵列平行放置在沿60度弯曲的纵轴导电板上。每个天线阵列创建一个波束,在水平平面上覆盖60度扇区。两个双极化天线阵列提供两个覆盖120度扇区的波束。这种双波束天线阵列从频率上有点依赖波束方向,因为放置成三列的振子是通过频率相关的三路功率分配器来激发相位的。这种设计的第二个优点是在波束之间很好地隔离,因为创建左波束的波束形成网络与创建右边波束的波束形成网络是相互独立分开的。
虽然本发明已通过对其实施例的描述进行了说明,而且实施例非常详细,但申请人并非以任何方式限制或限制所附权利要求的范围,此权利要求仅为本发明所涵盖的权利要求。同领域以及此领域非常熟悉技术的人员会推陈出新或作出修改。因此,本发明并不局限于其具体细节、代表实施例和对一些例子所作出的描述。因此,在不背离申请人的发明宗旨和总体概念的前提下,可以对此提出不同意见。
Claims (20)
1.一种双极化天线阵列，其特征在于，包括：
沿导电反射板纵轴放置在其上且排成三列的双极化振子；
两个波束形成网络，每个网络至少包含2个输出端口；
频率相关的三路功率分配器；
其中，每个频率相关的三路功率分配器的输入端口连接到波束形成网络的一个输出端口；每个频率相关的三路功率分配器的输出端口连接到位于中间一列振子和其他两列与之相邻的两个振子；
频率相关的三路功率分配器为置于中间列的双极化振子提供的功率随频率增加而增加，而为与中间一列振子相邻的其他两列双极化振子提供的功率随频率增加而降低；
频率相关的三路功率分配器由多段具有不同阻抗和不同长度的传输线组成，并且至少包含两条不同长度的开路传输线；
频率相关的三路功率分配器的电路包含两个连接到输入端的分支路，其中，第一分支路包括至少一条长度大于工作频段内最低频率的四分之一波的开路传输线，第二分支路包括至少一条长度小于工作频段内最高频率的四分之一波的开路传输线；第一分支路连接到位于中间列的双极化振子，第二分支路分为两个支路连接到与中间列相邻的另外两列的双极化振子。
2.根据权利要求1所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述频率相关的三路功率分配器由放置在介质衬底一个侧面上的条形导体与放置在其另一个侧面上覆盖的导电薄膜构成。
3.根据权利要求1所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述频率相关的三路功率分配器为至少两个，其中两个频率相关的三路功率分配器由放置在介质衬底一个侧面上的多个条形导体块与放置在其另一个侧面上覆盖的导电薄膜构成。
4.根据权利要求3所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述频率相关的三路功率分配器为至少两个，其中两个频率相关的三路功率分配器的输出端口连接到所放置的双极化振子上，其输出端口与所放置的双极化振子的馈电金属带状线相互接近。
5.根据权利要求4所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述介质衬底上设有第一交叉金属带状线、第二交叉金属带状线和第三交叉金属带状线，所述第二交叉金属带状线分为两段，两段中间为间隙；所述第一交叉金属带状线设置在所述间隙；所述第三交叉金属带状线置于所述第一、第二交叉金属带状线之下，所述第三交叉金属带状线的两端分别通过金属化过孔与第二交叉金属带状线两段的端部连接。
6.根据权利要求5所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述介质衬底上还设有两个附加导体，这两个附加导体分别设置在第一交叉金属带状线与第二交叉金属带状线之间，并通过金属化过孔连接到导电薄膜上。
7.根据权利要求1或3所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述三列双极化振子放置在介质衬底之上，其馈电金属带状线连接到频率相关功率分配器的输出端口上。
8.根据权利要求7所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述双极化振子放置在介质衬底上方，并由与置于介质衬底上的条形导体相连接的导体所激发。
9.根据权利要求7所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述频率相关的三路功率分配器的电路由印刷电路板制成。
10.根据权利要求7所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述频率相关的三路功率分配器的每个输出口连接有提供输出相位差为180度的功率分配器。
11.根据权利要求1、3、6和10任一项所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述振子由贴片形状的振子构成。
12.根据权利要求1、3、6和10任一项所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述振子由包含对称传输线馈电的振子构成。
13.根据权利要求1、3、6任一项所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述双极化振子包含巴伦和放置在巴伦上的纵向孔内的激励导体。
14.根据权利要求1所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述导电反射板边缘有纵向侧壁。
15.根据权利要求1所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述振子周围放置额外的侧壁。
16.根据权利要求1所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述双极化振子为交叉偶极子形状。
17.根据权利要求1所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述双极化振子为折合偶极子形状。
18.根据权利要求1所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述双极化振子的上方放置有引向器。
19.根据权利要求1所述的一种双极化天线阵列，其特征在于，所述波束形成网络包含相移装置，在其输出之间提供可变相移。
20.一种双极化2-波束天线，包括两个权利要求1所述的双极化天线阵列，所述两个双极化天线阵列并置于沿纵向轴线弯曲的导电反射板上，导电反射板形成的夹角在100-140度范围内。
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