一种高低频滤波阵子交织排列的紧凑型多波束天线阵列的制作方法

本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种高低频滤波振子交织排列的紧凑型多波束天线阵列。

背景技术：

随着数据信息量的爆炸式的增加，对通信系统的容量提出了越来越多的要求，尤其是在人流量特别大的地方，比如，广场，车站，景区，宿舍等地。一方面，可以通过带内带宽或载波带宽来增加信道容量。由于单天线的带宽通常比较窄，所以通常使用多通带基站天线阵列来同时支持多种无线系统标准。另一方面，也可以通过降低基站天线的覆盖范围，即增加天线的数量来增加信道的容量。但这些方法往往会导致占用面积和建设成本的增加。为了在解决通信容量的问题的同时又不增加所占的物理空间，可以使用多波束阵列。

对于减少天线阵列尺寸，已有人提出了一种交织排布的方式，参考文献《F.Hyjazie,P.Watson,and H.Boutayeb,“Dual band interleaved base station phased array antenna with optimized cross-dipole and EBG/AMC structure,”in Proc.IEEE Antennas Propag.Soc.Int.Symp.,2014,pp.1558-1559.》但是由于阵子没有滤波特性，相互耦合性能有所影响。为了克服耦合性和结构复杂性的缺陷，文献《Y.Zhang,X.Y.Zhang,L.Ye,and Y.-M.Pan,“Dual-band base-station array using filtering antenna elements for mutual coupling suppression,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.64,no.8,pp.3423-3430,Aug.2016》提出一种紧凑型多频基站天线阵列，但该阵列每个频段仅拥有一个波束。

在工程运用中，设计多波束基站阵列如3G(1710-2170MHz)和LTE(2490-2690MHz)频段，常用的方法有两种，一是用一列覆盖3G和LTE整个频段(1710-2690MHz)的天线单元组成一个阵列，在前端级联一个双工器，通过设计高隔离度的双工器来进行工作频段之间的去耦合。然而，双工器必然会带来级联损耗，影响天线的增益。除此之外，该种方案仅仅使用一个阵列，因此在无线局域网优化的过程中无法对每个频段进行独立的电调下倾角。第二种方法是使用分别覆盖3G频段和LTE频段的两个子阵列并行排列，在两个子阵列之间加入去耦合网络，从而达到去耦合的效果。然而，这些去耦合网络会增加天线阵列的宽度，也会影响天线的辐射性能如辐射效率、前后比、增益等等。

技术实现要素：

为了克服现有技术中多频基站高低频阵子分离排布组阵的尺寸过大问题和没有滤波特性阵子交织组阵的相互耦合强、隔离性能差的缺陷，本发明提供一种高低频滤波振子交织排列的紧凑型多波束天线阵列。

本发明采用如下技术方案：

一种高低频滤波振子交织排列的紧凑型多波束天线阵列，包括设置于基板上的工作于第一频段的第一子阵列及工作于第二频段的第二子阵列，所述第一子阵列及第二子阵列交织排列，其中一个子阵列的阵元分散分布在另一个子阵列阵元之间的空间，所述第一子阵列由至少一个无外加损耗电路的第一滤波天线单元构成，所述第二子阵列由至少一个无外加损耗电路的第二滤波天线单元构成。

所述第一滤波天线单元及第二滤波天线单元具体为一种具有高选择性和低交叉极化的双极化滤波天线，由上至下依次包括第一介质基板、第二介质基板、用于支撑的第三介质基板及第四介质基板；

所述第一介质基板的上表面印刷用于产生和控制辐射通带高频处的辐射零点的寄生辐射金属贴片；

所述第二介质基板印刷主辐射金属贴片及两条馈线；

所述第四介质基板的下表面为金属地板。

所述主辐射金属贴片印刷在第二介质基板的上表面，所述两条馈线分别为第一馈线及第二馈线，所述第一及第二馈线均为H型，且正交耦合，所述第一馈线印刷在第二介质基板的下表面，所述第二馈线中H型的两条竖线及中间横线的一部分印刷在第二介质基板的下表面，第二馈线中间横线的另一部分印刷在第二介质基板的上表面，并通过金属化过孔与印刷在下表面的一部分连接，所述第二介质基板的几何中心与主辐射金属贴片的几何中心重合。

所述第二介质基板还包括用于隔开第二馈线中间横线的另一部分与主辐射金属贴片的环形槽线，还包括支撑铝板，支撑铝板设置在金属地板的下表面。

所述第一子阵列及第二子阵列由一列以上的滤波天线单元子纵列平行排布构成，子阵列中，第n子纵列和第n+1子纵列平行交错排布，第n子纵列和第n+2子纵列平行并列排布。

第一及第二子阵列中，位于第n、第n+1、第n+2子纵列的三个相邻阵元之间成三角形排布，用以增加阵元之间的距离。

第一子阵列的第n子纵列和第n+2子纵列之间只存在第二子阵列的一个子纵列。

第一子阵列由16个第一滤波天线单元呈4×4排列构成，第二子阵列由16个第二滤波天线单元呈4×4排列构成。

每一个子阵列由含巴特勒矩阵和功分器的波束赋形的网络进行馈电。

通过控制波束赋形网络来实现两波束或多波束，用于单极化或双极化。

本发明的有益效果：

(1)本发明的两种高低频贴片阵子具有滤波特性，可实现在带内高效辐射，带外有效抑制，增益的通带边沿滚降很快，可以无需设计双工器或者去耦合网络的情况下减小工作频段间的相互耦合。

(2)本发明交织排布组阵，相比高低频阵子分离排布组阵可以减少尺寸，相比没有滤波特性阵子交织组阵的相互耦合作用小，能够保持良好的隔离性能，也就是说本发明的高频滤波阵子和低频滤波阵子滤波阵子交织的天线阵列兼顾了尺寸小和隔离性能好的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高低频滤波阵子交织的紧凑型多波束天线阵列的俯视图；

图2是本发明实施例提供的滤波天线单元的拆分结构示意图；

图3是图2所示的滤波天线单元的侧视图；

图4是图2所示的滤波天线单元的正视图；

图5是图2所示的滤波天线单元的俯视图；

图6是图2所示的滤波天线单元的第二介质基板上表面的图

图7是图2所示的滤波天线单元的第二介质基板下表面的图

图8是图2所示的滤波天线单元的仰视图；

图9是图1所示高低频滤波阵子交织的紧凑型多波束天线阵列中每个2×8的子阵列前面的含巴特勒矩阵和功分器的馈电网络示意图。

图10是滤波单元在3G频段的S参数。

图11是滤波单元在LTE频段的S参数。

图12是滤波单元第一端口馈电时在3G频段和LTE频段的增益。

图13是滤波单元第二端口馈电时在3G频段和LTE频段的增益。

图14是本发明一个实施例提供的阵列的第一子阵列所接馈电网络四个输入端口的反射系数。

图15是本发明一个实施例提供的阵列的第二子阵列所接馈电网络四个输入端口的反射系数。

图16是本发明一个实施例提供的阵列的第一子阵列所接馈电网络四个输入端口相互之间的传输系数。

图17是本发明一个实施例提供的阵列的第二子阵列所接馈电网络四个输入端口相互之间的传输系数。

图18是本发明一个实施例提供的阵列的第一子阵所列接馈电网络四个输入端口与第二子阵列所接馈电网络四个输入端口相互之间的传输系数。

图19是本发明一个实施例提供的阵列的第一子阵列在2.0GHz处的第一个极化方式的第一波束的水平辐射方向图；

图20是本发明一个实施例提供的阵列的第一子阵列在2.0GHz处的第一个极化方式的第二波束的水平辐射方向图；

图21是本发明一个实施例提供的阵列的第一子阵列在2.0GHz处的第二个极化方式的第一波束的水平辐射方向图；

图22是本发明一个实施例提供的阵列的第一子阵列在2.0GHz处的第二个极化方式的第一波束的水平辐射方向图；

图23是本发明一个实施例提供的阵列的第二子阵列在2.6GHz处的第一个极化方式的第一波束的水平辐射方向图；

图24是本发明一个实施例提供的阵列的第二子阵列在2.6GHz处的第一个极化方式的第二波束的水平辐射方向图；

图25是本发明一个实施例提供的阵列的第二子阵列在2.6GHz处的第二个极化方式的第一波束的水平辐射方向图；

图26是本发明一个实施例提供的阵列的第二子阵列在2.6GHz处的第二个极化方式的第二波束的水平辐射方向图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种高低频滤波振子交织排列的紧凑型多波束天线阵列，包括设置于基板上的工作于第一频段的第一子阵列及工作于第二频段的第二子阵列，所述第一子阵列及第二子阵列交织排列，其中一个子阵列的阵元分散分布在另一个子阵列阵元之间的空间，所述第一子阵列由至少一个无外加损耗电路的第一滤波天线单元构成，所述第二子阵列由至少一个无外加损耗电路的第二滤波天线单元构成，两个子阵的阵元数目可以相同，也可以不同，第一频段及第二频段完全不同。

通过运用无外加损耗电路的滤波天线单元作为多频基站天线阵列的阵子，交织排布组阵，相比高低频阵子分离排布组阵可以减少尺寸，相比没有滤波特性阵子交织组阵的相互耦合作用小，能够保持良好的隔离性能。即，兼顾了尺寸小和隔离性能好的优点。

为了便于描述，下文和附图都将以双频基站天线阵列为例来说明本发明实施例提供的天线阵列的机构，应当理解的是，本发明实施例并不限于双频双极化双波束基站天线阵列，而应包含所有具备本发明特征的所有多频多波束双极化或单极化基站天线阵列。

如图1所示，包括设置于基板3上的工作于第一频段的第一子阵列1及工作于第二频段的第二子阵列2，所述第一子阵列及第二子阵列交织排列，其中，第一频段与第二频段不同，例如第一频段是3G频段(1710-2170MHz)，第二频段是LTE频段(2490-2690MHz)，当然列举这两个频段仅用于举例说明，而不用于限制。所述第一子阵列及第二子阵列交织排列，其中一个子阵列的阵元分散分布在另一个子阵列阵元之间的空间。

图1中L1-L16表示第一子阵列的阵元，H1-H16表示第二子阵列的阵元。

第一子阵列由至少一个无外加损耗电路的第一滤波天线单元构成，所述第二子阵列由至少一个无外加损耗电路的第二滤波天线单元，滤波天线单元本身所具有的滤波特性使得两列子阵列之间的相互耦合大大减少。由于工作频率不同，第一滤波天线单元和第二滤波天线单元的结构相同，但是尺寸不同，在图1所示的实施例中，尺寸大的第一滤波天线单元工作在频率较低的第一频段(例如3G频段)，尺寸小的第二滤波天线单元工作在频率较高的第二频段(例如LTE频段)。基板3的尺寸也可以根据子阵列的数量和规模进行设置。

所述第一滤波天线单元及第二滤波天线单元具体为一种具有高选择性和低交叉极化的双极化滤波天线，由上至下依次包括第一介质基板5、第二介质基板10、用于支撑的第三介质基板14及第四介质基板15；

所述第一介质基板5的上表面印刷用于产生和控制辐射通带高频处的辐射零点的寄生辐射金属贴片4；

所述第二介质基板印刷主辐射金属贴片9及两条馈线；

所述第四介质基板15的下表面为金属地板16。

所述主辐射金属贴片9印刷在第二介质基板10的上表面，所述两条馈线分别为第一馈线13及第二馈线，所述第一及第二馈线均为H型，且正交耦合，所述第一馈线13印刷在第二介质基板10的下表面，所述第二馈线中H型的两条竖线及中间横线的一部分12印刷在第二介质基板的下表面，第二馈线中间横线的另一部分7印刷在第二介质基板10的上表面，并通过两个金属化过孔6与印刷在下表面的一部分连接，所述第二介质基板的几何中心与主辐射金属贴片的几何中心重合。

所述第二介质基板10还包括用于隔开第二馈线中间横线的另一部分与主辐射金属贴片9的环形槽线8；还包括支撑铝板17，支撑铝板17设置在金属地板16的下表面。

优选地，所述第一子阵列及第二子阵列由一列以上的滤波天线单元子纵列平行排布构成，子阵列中，第n子纵列和第n+1子纵列平行交错排布，第n子纵列和第n+2子纵列平行并列排布。

优选地，第一及第二子阵列中，位于第n、第n+1、第n+2子纵列的三个相邻阵元之间成三角形排布，用以增加阵元之间的距离。

优选地，所述的紧凑型多波束天线阵列，第一子阵列的第n子纵列和第n+2子纵列之间只存在第二子阵列的一个子纵列。

优选地，所述的紧凑型多波束天线阵列，第一子阵列由16个第一滤波天线单元呈4×4排列构成，第二子阵列由16个第二滤波天线单元呈4×4排列构成。

优选地，所述每一个子阵列由两个含巴特勒矩阵和功分器的波束赋形的网络进行馈电，分别控制子阵列的两个极化方式。

优选地，所述的紧凑型多波束天线阵列，通过控制波束赋形网络来实现两波束或多波束，用于单极化或双极化。

下面将参考图2-8详细描述第一滤波天线单元和第二滤波天线单元的结构。第一滤波天线单元和第二滤波天线单元除了尺寸不同外，结构基本相同。为了方便描述，下文参考图2-8的举例说明中，统一使用滤波天线单元来表示第一滤波天线单元和第二滤波天线单元。

如图2、图3和图4所示，滤波天线单元均包括第一介质基板5、第二介质基板10和支撑用的第三介质板14和第四介质板15、支撑铝板17。第一介质基板5的上表面上设置有寄生辐射金属贴片4，第二介质基板10的上表面上设置有主辐射金属贴片9和第二个H形馈线的上表面部分7，第二介质基板10的下表面上设置第一个H形馈线13和第二个H形馈线的下面部分12，第四介质基板15下表面设置有金属地板16。寄生辐射金属贴片4、主辐射金属贴片9和金属地板16均为金属镀层。第二个H形馈线的上表面部分7和下表面部分12之间连有金属短路探针6。具体地，如图2、3、4所示，设置有两个金属探针6。如图2、3、4所示，设有支撑铝板17，如图8所示，支撑铝板上的中心有一个正方形槽，供输入馈电的同轴线通过，标号11为同轴线的内芯，主辐射金属贴片9的几何中心位置处环形槽线8。

其中，第一介质基板5、第二介质基板10和支撑用的第三介质板14和第四介质板15，均采用F4B材料，介电常数为2.65。

优选地，如图2、3、4所示，所述第一馈线13和第二馈线的总长约为波长的四分之一，可以通过调节馈线的长度来调节零点的位置。

如图9所示，是本发明一个实施例的波束赋形网络及其和滤波单元的连接情况。优选的，所述波束赋形网络由巴特勒矩阵和功分器组成。所述巴特勒矩阵拥有两个输入端口(A、B)，所述端口A、B分别控制子阵列的同一极化方式的不同的波束。所述第一子阵列第一极化方式的巴特勒矩阵拥有四个输出端口(C、D、E、F)，所述巴特勒矩阵的每个端口分别与一个一分四的功分器(H、M、N、P)连接。所述功分器H的四个输出端口分别连接第一子阵列的第一子纵列的四个3G频段的滤波单元。所述功分器M的四个输出端口分别连接第一子阵列的第二子纵列的四个3G频段的滤波单元。所述功分器N的四个输出端口分别连接第一子阵列的第三子纵列的四个3G频段的滤波单元。所述功分器P的四个输出端口分别连接第一子阵列的第四子纵列的四个3G频段的滤波单元。第一子阵列第二极化方式、第二子阵列第一极化方式以及第二子阵列第二极化方式的波束赋形网络类似。

在本发明的一个示范性实施例中，有两个工作频段分别为3G频段和LTE频段的无外加损耗电路的滤波天线单元，这两个滤波天线单元均采用图2所示的电路结构，由于工作频段不同，所以具体的电路尺寸不同，其对应的无外加损耗电路的滤波天线单元的电路设计尺寸如下表所示：

阵列的设计尺寸如下：Lx＝110mm，Ly＝60mm，Hx＝45mm，Hy＝50mm，Gx＝1000mm，Gy＝340mm。

在该实施例中，两个子阵列的工作频段1710-2170MHz和2490-2690MHz，3G频段的子阵列在其工作频段1710-2170MHz内高效辐射，在带外即LTE频段(2490-2690MHz)抑制辐射；同时，LTE频段的子阵列在其工作频段2490-2690MHz MHz内高效辐射，在带外即3G频段(1710-2170MHz)抑制辐射。因此，两个子阵列之间的辐射互不干扰，从而减小了相互干扰，达到较高的端口隔离度。

如图10所示，是本发明一个实施例提供的工作在3G频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的反射系数S参数-频率。可以看出工作频段为1710-2170MHz内有两个谐振模式，在S11-频率曲线中，S11在3G频段内低于-15dB。在S21-频率曲线中，S21在3G频段内低于-30dB。

如图11所示，是本发明一个实施例提供的工作在LTE频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的反射系数S参数-频率。可以看出工作频段为2490-2690MHz内也有两个谐振模式，在S11-频率曲线中，S11在LTE频段内低于-15dB。在S21-频率曲线中，S21在LTE频段内低于-30dB。

如图12、13所示，分别是本发明一个实施例提供的工作在3G频段和LTE频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的1端口(图12)和2端口(图13)分别激励时的增益-频率曲线，可以看到在3G频段内的增益约为8.5dBi，同时LTE频段内的增益约为8.2dBi，辐射零点的增益均低于-20dBi。通带边沿陡峭，边带抑制明显，选择性良好，并且带内增益平坦。

如图14、15、16、17、18所示，是本发明实例提供的高低频滤波阵子交织的紧凑型多波束天线阵列得反射系数-频率，传输系数-频率的仿真结果图。可以看出，在整个3G频段(1710-2170MHz)和LTE频段(2490-2690MHz)内，该阵列的S11低于-22dB，说明该端口的匹配良好。在整个3G频段(1710-2170MHz)和LTE频段(2490-2690MHz)内，该阵列的S12低于-25dB，说明该阵列的子阵列之间的相互耦合作用很小，端口隔离度高。同时，如图17、18所示，在整个3G频段(1710-2170MHz)和LTE频段(2490-2690MHz)内，该阵列的波束隔离达到15dB，说明该阵列的波束隔离好。图19-26分别给出了该天线阵列在2.0GHz和2.6GHz的每个波束的水平面方向图，同样说明该天线阵列具有稳定的辐射方向图。

本发明实施例具有如下优点：

1、集成滤波特性和辐射特性，天线阵列自身有滤波性能，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择特性，无需外加双工器或去耦合网络电路，克服了采用外加双工器或去耦合网络容易造成损耗大缺点；

2、该天线阵列适用于3G频段和LTE频段，在无需去耦合电路的情况下，实现了端口的高隔离度，抑制临频干扰，提高了基站收发信机的性能；

3、该天线阵列的子阵列之间交织排列，高频滤波阵子和低频滤波阵子滤波阵子交织排布所组成的阵列，通过含有巴特勒矩阵在内的馈电网络设计进行馈电，可以实现紧凑型多波束基站天线阵列，相比分离排布组阵减小了阵列的尺寸；

4、整个结构主要由金属贴片、金属化过孔、介质板通孔和环型槽组成，结构简单，设计简便。

5、该天线阵列为多波束阵列，波束窄，增益高，适用于扇区划分以及可以覆盖较远的距离。

6、该天线阵列的波束隔离效果好。

本发明提供的实施例适用于无线移动通信基站领域，可应用于各类无线通信系统的接收和发射设备中，由于本发明的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的多频段多制式通信场景中，工作在3G频段以及LTE频段的基站天线。同时受益于滤波特性与辐射特性的集成，本发明也适用于无线移动通信系统设备的一体化和集成化，降低设计要求，提高通信设备抗邻频干扰的能力。

本发明实施例的高频滤波阵子和低频滤波阵子交织排布所组成的阵列，通过含有巴特勒矩阵在内的馈电网络进行馈电，可以实现紧凑型多波束基站天线阵列。示例的紧凑型基站天线阵列在水平面实现两波束覆盖120°扇区，垂直面形成旁瓣抑制的窄波束辐射方向图。由于交织的贴片阵子有滤波特性，高频阵子与低频阵子之间的相互耦合作用大大减小。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。