一种低成本5GM-MIMO基站天线阵列

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种低成本5g massive-mimo基站天线阵列。

背景技术：

1、随着移动通信的发展，人们对数据传输速度和信道容量的要求越来越高。大规模多输入多输出(multiple-input-multiple-output,mimo)已被纳入5g标准。作为一项关键技术，它旨在通过利用大量的天线单元和网络复用来提高通信系统的性能为多个用户提供服务，实现更高的频谱效率。适应于大规模mimo应用的5g通信系统通常拥有32或64个通道组成，相当于96或192个天线单元。因为单个振子的能量很弱，所以由三个振子组成的1×3子阵列作为逻辑上的单天线存在。通过调节子阵列，可以控制垂直方向和水平方向的电磁波进行波束成形。

2、现有的采用1×3单元形式的子阵列的mimo基站主要采用直插式的钣金振子的单元阵子，馈电方式采用差分馈电，除了基本的一分三的功率分配器之外，还需要额外的一部分差分馈电馈线的设计，带来设计、安装的复杂度的增加，无法做到完全的非人工干预的生产过程。

3、另外mimo基站为了更精确的3d波束赋形，提升终端接收信号强度，同时同频服务更多用户，提高网络容量，更好的覆盖远端和近端的小区，通常需要较宽的波束宽度，因此在组阵时也要关注波束宽度的拓展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种安装简便、结构简单的低成本5g m-mimo基站天线阵列单元，馈电网络和天线的下层贴片印刷在同一层基板上，并且不需要组装馈电网络，其上层寄生贴片结构采用电子电路表面组装技术(smt)与基板进行装配，节省人工，适应于智能自动化生产。同时提供了几种在组阵后提高天线阵列波束宽度的方案，以便更好地波束赋形。

2、为实现本发明目的，本发明提出的低成本5g m-mimo基站天线阵列单元，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、介质基板和1×3阵列排布的微带贴片，所述介质基板上表面还设置有用于激励微带贴片的馈电网络，其特征在于：所述每个微带贴片上方通过至少三个金属支撑件架空设置有一个寄生金属贴片，所述金属支撑件以正多边形的形式排布，每个金属支撑件底部至对应微带贴片中心的距离相等，所述金属支撑件的上端与寄生金属贴片可导电的固定，金属支撑件的下端与微带贴片可导电的固定，使得金属支撑件作为匹配部件用来调节高频谐振点以拓展带宽；所述金属支撑件为金属支撑片，金属支撑件与寄生金属贴片为材质相同的一个整体件，金属支撑件与寄生金属贴片之间通过折弯形成夹角，金属支撑件的下端与微带贴片焊接固定。

3、进一步的，高频谐振点通过金属支撑件的高度和金属支撑件底部至微带贴片中心的距离进行调节。具体参数可以通过参数扫描法来获得，一般而言，金属支撑件的下端固定于微带贴片的电流较强处为宜。

4、进一步的，金属支撑件是在寄生金属贴片内部通过切割或冲压或刻画后折弯形成，或者通过冲压折弯一次成型。

5、进一步的，微带贴片的相邻两角设置有馈电微带端口，馈电网络通过50ω输入馈线连接所述的馈电微带端口；所述微带贴片的中心处开设有用于增加电流路径以调节天线阻抗匹配的孔，所述孔沿天线的两个极化方向对称，金属支撑件的底部设置于孔的周围，所述孔为圆形或正多边形，当所述孔为正多边形时，天线馈电端口与微带贴片中心的连线与正多边形中靠近天线馈电端口的一条边垂直；所述寄生金属贴片与微带贴片呈45°夹角，寄生金属贴片被切除四个角，并在切角处设置垂直矩形金属挡板。

6、此外，本发明还要求保护一种低成本5g m-mimo基站天线阵列，其特征在于包括：m个纵向排布的权利要求1-4任一项所述阵列单元，相邻阵列单元之间设置有波束拓展结构。

7、波束拓展结构可以是以下几种形式之一：

8、1、所述波束拓展结构为设置于相邻阵列单元之间的垂直于介质基板的金属隔板，所述金属隔板的底部与金属反射地板可导电的固定。作为本方案的优化，所述金属隔板与寄生金属贴片对应的位置开设有盲槽。

9、2、所述波束拓展结构为设置于相邻阵列单元之间的垂直于介质基板的竖向的栅型金属条，所述栅型金属条通过在单面印刷电路板或双面印刷电路板上刻蚀获得。

10、3、所述波束拓展结构为垂直地设置于寄生金属贴片xy四个方向上的金属柱，相邻寄生金属贴片共用所述的金属柱。作为本方案的优化，每处金属柱的数量为2个，金属柱之间的间距等于金属柱的直径，金属柱的底部与设置在介质基板上表面的焊盘焊接固定。

11、本发明基站天线阵列单元中，金属支撑件同时具备了两个功能：1、支撑寄生金属贴片；2、将微带贴片与寄生金属贴片进行了电连接，从而相当于引入一个微扰，金属支撑件作为匹配部件可用来调节高频谐振点以拓展带宽。

12、本发明创造性的将金属支撑件取自于寄生金属贴片本身，寄生金属贴片与金属支撑件可通过钣金工艺一体成型(可行的方法是：用于支撑的金属支撑件是从上层寄生金属贴片上切割下来的枝节弯曲形成)，以便在大规模生产中采用电子电路表面组装技术(smt)实现焊接固定，使本发明天线振子适用于大规模智能自动化生产。由于上述原因，本发明避免了传统天线安装过程中需要人工拧螺丝固定寄生结构的步骤，提高了生产效率和产品品质，使得本发明特别适用于5g m-mimo基站，并且可以大大降低制造和安装成本。

13、本发基站天线阵列单元中，上层寄生贴片相比于传统叠层结构的贴片天线，性能几乎不会被影响，在此基础上切除其四个角，添加垂直矩形金属挡板，可以拓展天线的波束宽度，同时缩小了单元的平面面积，以达到小型化的目的。这样的小型化可以在天线振子应用于阵列固定组阵距离的情况下，减小相邻振子之间的耦合，提高隔离。

14、本发明采用了小型化低成本、结构简单的天线振子，其本身的宽带、低交叉极化、宽波束宽度的特点在加入阵列元素(馈电网络、波束拓展结构)后得到了进一步的提高。天线振子的小尺寸带来了较低的单元互耦，在mimo天线较为固定的组阵间距的情况下，使得本发明的阵列有着更好的性能表现。馈电网络的形式并不拘泥于所提出来的直接一分三形式的功率分配器，能够保证天线输入端阻抗为50ω且匹配的馈电网络均可使用。波束拓展的结构能够有效拓展天线的波束宽度，且设计时考虑到了安装的方式，使得天线能够具有更强的工程应用性。

技术特征：

1. 一种低成本5g m-mimo基站天线阵列单元，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板（5）、介质基板（4）和1×3阵列排布的微带贴片（2），所述介质基板（4）上表面还设置有用于激励微带贴片（2）的馈电网络（9），其特征在于：所述每个微带贴片（2）上方通过至少三个金属支撑件（111）架空设置有一个寄生金属贴片（1），所述金属支撑件（111）以正多边形的形式排布，每个金属支撑件底部至对应微带贴片（2）中心的距离相等，所述金属支撑件（111）的上端与寄生金属贴片（1）可导电的固定，金属支撑件（111）的下端与微带贴片（2）可导电的固定，使得金属支撑件（111）作为匹配部件用来调节高频谐振点以拓展带宽；所述金属支撑件（111）为金属支撑片，金属支撑件（111）与寄生金属贴片（1）为材质相同的一个整体件，金属支撑件（111）与寄生金属贴片（1）之间通过折弯形成夹角，金属支撑件（111）的下端与微带贴片（2）焊接固定。

2. 根据权利要求1所述的一种低成本5g m-mimo基站天线阵列单元，其特征在于：所述金属支撑件（111）是在寄生金属贴片（1）内部通过切割或冲压或刻画后折弯形成，或者通过冲压折弯一次成型。

3. 根据权利要求1所述的一种低成本5g m-mimo基站天线阵列单元，其特征在于：所述高频谐振点通过金属支撑件（111）的高度和金属支撑件底部至微带贴片（2）中心的距离进行调节。

4. 根据权利要求1所述的一种低成本5g m-mimo基站天线阵列单元，其特征在于：微带贴片（2）的相邻两角设置有馈电微带端口（3），馈电网络（9）通过50ω输入馈线连接所述的馈电微带端口（3）；所述微带贴片（2）的中心处开设有用于增加电流路径以调节天线阻抗匹配的孔（201），所述孔（201）沿天线的两个极化方向对称，金属支撑件（111）的底部设置于孔（201）的周围，所述孔（201）为圆形或正多边形，当所述孔（201）为正多边形时，天线馈电端口与微带贴片（2）中心的连线与正多边形中靠近天线馈电端口的一条边垂直；所述寄生金属贴片（1）与微带贴片（2）呈45°夹角，寄生金属贴片（1）被切除四个角，并在切角处设置垂直矩形金属挡板。

5. 一种低成本5g m-mimo基站天线阵列，其特征在于包括：m个纵向排布的权利要求1-4任一项所述阵列单元，相邻阵列单元之间设置有波束拓展结构。

6. 根据权利要求5所述的低成本5g m-mimo基站天线阵列，其特征在于：所述波束拓展结构为设置于相邻阵列单元之间的垂直于介质基板（4）的金属隔板（6），所述金属隔板（6）的底部与金属反射地板（5）可导电的固定。

7. 根据权利要求6所述的低成本5g m-mimo基站天线阵列，其特征在于：所述金属隔板（6）与寄生金属贴片（1）对应的位置开设有盲槽（601）。

8. 根据权利要求5所述的低成本5g m-mimo基站天线阵列，其特征在于所述波束拓展结构为设置于相邻阵列单元之间的垂直于介质基板（4）的竖向的栅型金属条（702），所述栅型金属条（702）通过在单面印刷电路板或双面印刷电路板（701）上刻蚀获得。

9. 根据权利要求1所述的低成本5g m-mimo基站天线阵列，其特征在于：所述波束拓展结构为垂直地设置于寄生金属贴片（1）xy四个方向上的金属柱（8），相邻寄生金属贴片（1）共用所述的金属柱。

10. 根据权利要求1所述的低成本5g m-mimo基站天线阵列，其特征在于：每处金属柱（8）的数量为2个，金属柱之间的间距等于金属柱的直径，金属柱的底部与设置在介质基板（4）上表面的焊盘焊接固定。

技术总结
本发明低成本5G M‑MIMO基站天线阵列单元，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、介质基板和1×3阵列排布的微带贴片，介质基板上表面还设置有用于激励微带贴片的馈电网络，每个微带贴片上方通过至少三个金属支撑件架空设置有一个寄生金属贴片，使得金属支撑件作为匹配部件用来调节高频谐振点以拓展带宽。本发明中，馈电网络和下层微带贴片印刷在同一层基板上，并且不需要组装馈电网络，其上层寄生金属贴片结构可采用电子电路表面组装技术(SMT)与基板进行装配，节省人工，适应于智能自动化生产。此外，本发明还提出了几种在组阵后提高天线阵列波束宽度的方案，以便更好地波束赋形。

技术研发人员：陈建新,严恬煜,丁鑫浩,杨珺尧
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21