一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，与现有技术相比解决了双极化5G基站天线阵列性能无法达到实际需求的缺陷。本发明专利技术的天线阵辐射组件包括印刷在微波介质基板上表面的金属接地板，天线单元穿过金属接地板镶嵌在微波介质基板上，天线单元的数量为四个。本发明专利技术通过使用倒L型辐射铜片代替传统的电磁偶极子提高了天线单元的阻抗带宽；微波介质基板代替传统金属铜制地板、在微波介质板上印刷微带功分馈电网络代替传统的同轴电缆馈电网络降低了天线阵的体积，同时天线阵列更易于组装、调试、集成化，并且通过在与功分馈电网络同一平面内涂覆具有去耦作用的EBG结构进一步提高阵列隔离度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列及其设计方法
本专利技术涉及基站天线阵列
，具体来说是一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列及其设计方法。
技术介绍
天线作为无线电通讯的发射和接收设备，直接影响电波信号的质量，因而，天线在无线电通讯中占有极其重要的地位。一个结构合理、性能优良的天线系统可以最大限度地降低对整个无线系统的要求，从而可以节约系统成本，同时可以提高整个通信系统的性能。电磁偶极子天线采用Γ型馈电条带同时对电偶极子和磁偶极子激励，能够实现宽的阻抗匹配，E面和H面的辐射方向图基本一致，具有良好的稳定性与单向性，因此市场上大多基站天线均采用电磁偶极子天线。由于该天线的良好特性，多种类型的电磁偶极子天线相继被提出。GeLei等提出了低剖面电磁偶极子天线设计，同时将电磁偶极子天线的工作带宽提升到95.2％(SWR<2)；HeKai和YangLei等学者提出了两种不同的双宽带电磁偶极子天线设计；AnWenXing等学者提出了两种不同的双宽带双极化电磁偶极子天线；WuFan等学者则实现了宽带三极化可重构磁电偶极子天线设计，这些天线都具有较好的方向图指标。当前随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。目前在天线领域中，双极化天线这类新型天线因能同时形成一对极化方式正交、频率相同的工作模而备受关注。最初，双极化天线的使用主要是为同一个通信频段提供两条通信通道的，实现频率复用。随着移动通信事业的飞速发展，双极化天线的应用也变得越来越广泛，主要是实现收发一体化、频率复用与极化分集等功能。同时，由于双极化天线能够接收空间电磁波中的全部极化信息，因此拥有很强的信号抗干扰、抗衰落、提高系统灵敏度和构成变极化系统等能力。随着4G网络的普及和5G移动通信技术研究的兴起，移动通信系统产生了从2G/3G/LTE频段向更高频段过渡的新需求。过大的尺寸使得天线的装配和维护工作很不方便，且増大天线制作成本，更不利于其美化和伪装。为了遵循全球移动通信网络高速率、高容量、低成本、低时延、按需覆盖、节能减排的发展趋势，未来三到五年，移动基站天线的发展呈现3个特点：小型化和宽带化，一体化和有源化，智能化和可感知。尤其在面对5G移动通信时，它与4G及其之前的移动通信有着巨大的差别。5G通信的网速可达5M/S-6M/S，它的一个重要的能力指标叫做“Gbps用户体验速率”，以大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等等为代表的先进技术是该能力指标的保证。大规模天线阵列主要用于提升系统频谱效率以满足5G对于系统容量和速率的需求；超密集组网主要用于增加基站部署密度并实现容量提升；新型多址技术提升了系统的接入能力，从而支撑5G通信所拥有的大量的终端需求。现有技术中，在组建大规模天线阵列时大部分场景采用天线单元根据适当的阵元间距构成天线阵，在实现天线激励时往往需要附加额外的同轴线与电缆构成的馈电网络。然而这种馈电网络通常具有体积大、成本高、不易与集成、安装校准繁琐、电磁干扰大等缺点。同时，阵列天线隔离度，即阵列天线阵元之间的互耦程度，是评价阵列天线性能的一个十分重要的参数。尤其对于应用于5G移动通信基站的小型化天线阵列来说，考虑到MassiveMIMO的应用以及高质量波束赋形的需求，对于阵列天线隔离度的要求则尤为严格。并且，从实际应用而言，在2020年5G商用之后相当长的一段时间里，现有的4G、Wi-Fi/WiMAX等通信方式都不会彻底消失，因此，如何在现有通信与5G通信之间进行良好的过渡，是5G商用后的一个必须解决也是亟待解决的问题。正是鉴于这个问题，在工信部于2017年11月9日出台的频段规划中，将3.3GHz-3.6GHz及4.8GHz-5GHz作为应用于5G通信的中频频段，而研究一款可以同时兼容上述5G中频频段与现有4G频段的天线也具有十分重要的意义。那么，如何在大规模天线阵列具有双极化特性的前提下，提高天线的阻抗带宽、阵列隔离度，同时能够辐射稳定的方向图、减小天线体积、易于集成化为急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中双极化5G基站天线阵列性能无法达到实际需求的缺陷，提供一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列及其设计方法来解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，包括天线阵辐射组件和天线阵馈电组件，所述的天线阵馈电组件包括微波介质基板，微波介质基板的下表面印刷有第一功分馈电网络、第二功分馈电网络和去耦EBG；天线阵辐射组件包括印刷在微波介质基板上表面的金属接地板，天线单元穿过金属接地板镶嵌在微波介质基板上，天线单元的数量为四个；所述的天线单元包括Γ型馈电结构A、Γ型馈电结构B和四个倒L形铜片，四个倒L形铜片分别位于基于金属接地板的四个象限上，Γ型馈电结构A和Γ型馈电结构B分别位于两个相邻的倒L形铜片之间，Γ型馈电结构A位于基于金属接地板的坐标系X轴上，Γ型馈电结构B位于基于金属接地板的坐标系Y轴上，四个Γ型馈电结构A均通过馈电探针A与第一功分馈电网络的输出端口相连，四个Γ型馈电结构B均通过馈电探针B与第二功分馈电网络的输出端口相连。还包括矩形切口，所述的矩形切口穿透金属接地板切割在微波介质基板的上表面，倒L形铜片插在矩形切口内。还包括圆形槽，所述的圆形槽蚀刻在金属接地板上且贯穿微波介质基板，馈电探针A插在圆形槽内且与圆形槽同圆心。所述的Γ型馈电结构A与Γ型馈电结构B呈垂直布置，且分别与微波介质基板的长边或短边相平行。所述同一天线单元内的四个倒L形铜片分别位于基于金属接地板四个象限的角平分线上。所述的第一功分馈电网络与第二功分馈电网络的结构相同，第一功分馈电网络的输出端口通过两阶功分器级联分为四个输出端口。还包括矩形铜片，矩形铜片环绕微波介质基板四周且焊接在微波介质基板上。所述的去耦EBG涂覆在微波介质基板下表面的中心位置且与第一功分馈电网络和第二功分馈电网络均不接触。一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列的设计方法，包括以下步骤：倒L型铜片尺寸的设计；计算微波介质基板的尺寸；所述计算微波介质基的尺寸包括以下步骤：设微波介质基板的长度为LG、宽度为WG；根据倒L型铜片中心频率f计算，其计算公式如下：LG≈4·λ，WG≈λ，DG≈0.5λ-λ，其中，f为倒L型铜片的中心频率，c为自由空间中的光速，λ为中心频率波长，DG为天线单元之间的距离；第一功分馈电网络和第二功分馈电网络枝节长度的设计；所述第一功分馈电网络和第二功分馈电网络枝节长度的设计包括以下步骤：获取功分馈电网络的工作中心频率；根据功分馈电网络的工作中心频率确定工作波长；设定第一功分馈电网络或第二功分馈电网络功分器中阻抗变换器枝节长度为四分之一波长、合路端口和分路端口的枝节长度根据天线阵元之间的距离选择合适的长度；计算第一功分馈电网络或第二功分馈电网络各微带枝节的阻抗，其计算公式如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，包括天线阵辐射组件和天线阵馈电组件，其特征在于：所述的天线阵馈电组件包括微波介质基板(801)，微波介质基板(801)的下表面印刷有第一功分馈电网络(501)、第二功分馈电网络(502)和去耦EBG(503)；天线阵辐射组件包括印刷在微波介质基板(801)上表面的金属接地板(901)，天线单元穿过金属接地板(901)镶嵌在微波介质基板(801)上，天线单元的数量为四个；所述的天线单元包括Γ型馈电结构A(201)、Γ型馈电结构B(202)和四个倒L形铜片(101)，四个倒L形铜片(101)分别位于基于金属接地板(901)的四个象限上，Γ型馈电结构A(201)和Γ型馈电结构B(202)分别位于两个相邻的倒L形铜片(101)之间，Γ型馈电结构A(201)位于基于金属接地板(901)的坐标系X轴上，Γ型馈电结构B(202)位于基于金属接地板(901)的坐标系Y轴上，四个Γ型馈电结构A(201)均通过馈电探针A(401)与第一功分馈电网络(501)的输出端口相连，四个Γ型馈电结构B(202)均通过馈电探针B(402)与第二功分馈电网络(502)的输出端口相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，包括天线阵辐射组件和天线阵馈电组件，其特征在于：所述的天线阵馈电组件包括微波介质基板(801)，微波介质基板(801)的下表面印刷有第一功分馈电网络(501)、第二功分馈电网络(502)和去耦EBG(503)；天线阵辐射组件包括印刷在微波介质基板(801)上表面的金属接地板(901)，天线单元穿过金属接地板(901)镶嵌在微波介质基板(801)上，天线单元的数量为四个；所述的天线单元包括Γ型馈电结构A(201)、Γ型馈电结构B(202)和四个倒L形铜片(101)，四个倒L形铜片(101)分别位于基于金属接地板(901)的四个象限上，Γ型馈电结构A(201)和Γ型馈电结构B(202)分别位于两个相邻的倒L形铜片(101)之间，Γ型馈电结构A(201)位于基于金属接地板(901)的坐标系X轴上，Γ型馈电结构B(202)位于基于金属接地板(901)的坐标系Y轴上，四个Γ型馈电结构A(201)均通过馈电探针A(401)与第一功分馈电网络(501)的输出端口相连，四个Γ型馈电结构B(202)均通过馈电探针B(402)与第二功分馈电网络(502)的输出端口相连。2.根据权利要求1所述的一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，其特征在于：还包括矩形切口(601)，所述的矩形切口(601)穿透金属接地板(901)切割在微波介质基板(801)的上表面，倒L形铜片(101)插在矩形切口(601)内。3.根据权利要求1所述的一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，其特征在于：还包括圆形槽(301)，所述的圆形槽(301)蚀刻在金属接地板(901)上且贯穿微波介质基板(801)，馈电探针A(401)插在圆形槽(301)内且与圆形槽(301)同圆心。4.根据权利要求1所述的一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，其特征在于：所述的Γ型馈电结构A(201)与Γ型馈电结构B(202)呈垂直布置，且分别与微波介质基板(801)的长边或短边相平行。5.根据权利要求4所述的一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，其特征在于：所述同一天线单元内的四个倒L形铜片(101)分别位于基于金属接地板(901)四个象限的角平分线上。6.根据权利要求1所述的一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，其特征在于：所述的第一功分馈电网络(501)与第二功分馈电网络(502)的结构相同，第一功分馈电网络(501)的输出端口通过两阶功分器级联分为四个输出端口。7.根据权利要求1所述的一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，其特征在于：还包括矩形铜片(701)，矩形铜片(701)环绕微波介质基板(801)四周且焊接在微波介质基板(901)上。8.根据权利要求1所述的一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5G基站天线阵列，其特征在于：所述的去耦EBG(503)涂覆在微波介质基板(801)下表面的中心位置且与第一功分馈电网络(501)和第二功分馈电网络(502)均不接触。9.根据权利要求1所述的一种基于天线阵与功分馈电网络一体化集成设计的面向5...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱浩然，孙玉发，吴先良，余俊南，李帆，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34