CN102971906A - 模块化相控阵天线 - Google Patents

Abstract

一种模块化相控阵天线，包括：波束形成网络模块、贴片阵列模块，以及连接所述波束形成网络模块和所述贴片阵列模块的匹配网络模块。波束形成网络包括以巴特勒矩阵为形式配置的悬置带状线无源混合和交越单元，其与收发器天线贴片通过匹配网络相互连接，所述匹配网络进而包括悬置带状线相位匹配轨道和多个相对偏振的匹配单元。

Description

模块化相控阵天线

技术领域

本发明总的涉及用于蜂窝电信网络的天线。更具体地，本发明涉及用于多扇区网络场景的相控阵天线。

背景技术

如图11所示，传统的网络天线73位于三个相邻网络单元70的接合点。网络单元71包括有源网络用户，也就是说，该用户是在单元71内操作移动电信手机或任何其他网络兼容电信终端的某个人。

这里，网络天线73发射信号到用户，但这样做必须在整个单元71上进行广播，从而，辐射功率到一个以网络天线73为中心、跨越120度角的区域。网络单元中，广播功率如同对其他用户的干扰信号。接着，移动电信手机、或其他类似的有源终端全方向地发射信号，并且这些信号连同来自单元71中其他有源用户的所有其他被发射的信号被网络天线73接收。

现有技术有很多局限性。其中一个局限来自在广阔区域中上述天线发射功率的扩展以及伴随的有源用户的多个发射信号的天线接收。这种局限的结果导致来自有源用户的数据吞吐量被限制；且对于给定的工作功率输出，天线的范围受到限制，从而使得网络单元的可行大小有上限。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种解决上述问题的网络天线和一种能在网络扇区场景位置增加有效数据吞吐量的天线。

本发明的另一目的在于提供一种具有扩大的有效作用范围的网络天线。

根据本发明的一方面，提供了一种模块化相控阵天线，包括：包含多波束输入的波束形成网络模块；贴片阵列模块；及连接所述波束形成网络模块和所述贴片阵列模块的匹配网络模块。

优选地，贴片阵列模块包括形成规则周期阵列的多个贴片单元以及第一接地层。

在一个优选实施例中，每一个贴片单元包括成对耦合的驱动贴片和与所述成对耦合的驱动贴片隔开的至少一个寄生贴片。

第一绝缘基体隔开所述成对耦合的驱动贴片，并且所述配置网络模块包括：具有支撑第一带状线轨的第一表面的第二绝缘基体、位于所述第一表面的对面支撑第二带状线轨的第二表面，以及第二接地层。

优选地，波束形成网络模块包括：具有支撑第三带状线轨的第一表面的第三绝缘基体，和位于所述第一表面的对面支撑第四带状线轨的第二表面，以及第三接地层。

优选地，第一、第二和所述第三绝缘基体是环氧树脂基的绝缘基体，且第一、第二和第三接地层每一个都由相应的环氧树脂基的绝缘基体提供支撑。

更优选地，阻燃4型线路板（FR-4）被选为用于整个天线的环氧树脂基的绝缘基体。

波束形成网络模块、贴片阵列模块，和配对网络模块通过穿过分别支撑第一和第二接地层的FR-4型线路板中的孔的导电触针互相连接。此外，第一带状线轨和第二带状线轨通过导电通孔互连，所述第一和第二带状线轨形成连接波束形成网络模块和贴片单元的匹配网络。

优选地，第三和第四带状线轨通过导电通孔互联，第三和第四带状线轨包括无源混合和无源交越单元。

有利地，无源混合和无源交越单元被配置为形成适于产生第一偏振输出的第一巴特勒矩阵（Butler Matrix）波束形成器和适于产生第二偏振输出的第二巴特勒矩阵波束形成器。

在本发明的一个优选实施例中，第一偏振正交于第二偏振。

优选地，所述成对耦合的驱动贴片包括用于接收第一偏振的输出的第一输入触针和用于接收第二偏振输出的第二触针，以及优选地，第一偏振为+45°偏振且第二偏振为-45°偏振。

在一个优选的实施例中，第三和第四带状线轨是经由输出触针连接到匹配网络的相位匹配轨道。

优选地，无源混合单元和无源交越单元包括具有可变轨道宽度的悬置带状线导电轨。

优选地，用大致等于天线工作波长一半的距离隔开周期阵列中相邻的贴片单元，且其中所述贴片单元是菱形的。

在一个优选的实施例中，第一接地层和第二绝缘基体以距离R1彼此隔开，第二绝缘基体和第二接地层以距离R2彼此隔开，第二接地层和第三绝缘基体以距离R3彼此隔开，且第三绝缘基体和第三接地层以距离R4彼此隔开。

优选地，上述距离Rl、R2、R3和R4基本每个都在范围λ/40<Rn<t之内,其中λ是天线的工作波长，n等于1到4，且t是绝缘基体的厚度。

在一个优选的实施例中，第一、第二和第三绝缘基体各自的厚度在范围0.5mm到2.0mm之间。

附图说明

现在仅通过示例，并参考附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1示出了耦合到网络基站的根据本发明的天线；

图2是天线的三个主要组成绝缘基体的透视图（接地层未示出）；

图3是沿图2中的线A-A的剖视图（包括接地层）；

图4示出了根据本发明的天线的匹配网络；

图5示出了匹配网络模块的正匹配单元；

图6示出了匹配网络模块的负匹配单元；

图7是波束形成网络绝缘基体的平面图；

图8示出了根据本发明的天线所使用的悬置带状线结构的截面图；

图9是巴特勒矩阵波束形成器的无源混合单元；

图10是巴特勒矩阵波束形成器的无源交越单元；

图11示出了传统的三扇区蜂窝网络场景；

图12示出了根据本发明的扇区化蜂窝网络场景；

图13是信号发射模式中天线的示意图；

图14示出了使用四个波束的扇区化网络单元；

图15示出了无源混合单元的耦合的输出；以及

图16示出了无源交越单元的输出。

具体实施方式

根据图1、2和3，天线1包括三个模块：贴片阵列模块10、匹配网络模块20，和波束形成网络模块30。这些模块在使用时容纳在在金属壳体中（未示出）。通常，该壳体会包括置于贴片阵列模块对面的微波透明窗。天线经由通信链路3链接到网络基站2。

贴片阵列模块10包括第一绝缘基体15和多个以偏移周期阵排列的贴片单元。贴片阵列包括N列的M个贴片单元；图中所示实施例包括一个4x 4的贴片阵列（NxM）。贴片单元11的相邻列以相当于天线工作波长λ一半的距离隔开；隔开每一列中的M个贴片单元应使该距离足够长从而最小化互耦效应，并且使该距离足够小从而最大化紧密度。在所示实施例中，每一列中每个贴片单元之间的间距小于λ。

每个贴片单元11包括成对的导电驱动贴片13（a pair of conductivedriver patches）和成对的寄生贴片。然而，可以设想在所述天线的可替换实施例中，每个贴片单元11中可以没有寄生贴片对或者存在多于一对的寄生贴片对。驱动贴片13由绝缘基体15上的导电线路形成。所述寄生贴片12同样作为支撑基体上的双面导电线路而形成。这种支撑基体可通过尼龙紧固件或通过膨胀的低损耗泡沫层与绝缘基体15隔开。

如图2和图4中的虚线部分所示，贴片单元11为菱形。然而，应注意到贴片单元11可以是任意一种形状，例如在天线的另一实施例中单元是正方形。菱形的阵列构造有助于最大化单元之间的间距从而将阵列单元之间的耦合减至最低。

每个寄生贴片12通过间隙14与驱动对隔开。寄生贴片阵列与驱动贴片阵列是电磁耦合的。这样有助于扩展天线的工作带宽。

驱动贴片13在第一绝缘基体15上作为导电线路而形成。在一个优选的实施例中，第一绝缘基体15是用厚度在0.5mm到2.0mm的范围之间的FR-4型线路板制作的。业已发现，厚度在这个范围内的线路板利于机械刚性，同时最小化电磁损耗。

在可替换的实施例中，绝缘基体可由任何适当的介质材料制成，例如

层压板。然而，应注意这种层压板比FR-4线路板要贵很多，需要更昂贵的模具来制作，并且不能在保持所期望且有利的刚度重量比的同时提供所需的机械性能。

第一绝缘基体15通过尼龙紧固件（未示出）与第一接地层16隔开。第一绝缘基体15和第一接地层16之间的间隙14’最好是空气间隙，但使用膨胀的低损耗泡沫的替代方案也可用于隔开该基体和接地层。

同样可以用FR-4型线路板制造的接地层16包括孔60，其中导电触针50穿过该孔。应注意贴片单元11和馈电模块20通过多个此类触针互相连接，但为清晰起见仅示出一个。

馈电模块20包括第二绝缘基体21和第二接地层28。第二绝缘基体21和第二接地层28均由FR-4型线路板构造而成。如上所述，该线路板的厚度在0.5mm到2.0mm的范围内。为使电磁损耗不超出工作允许偏差，第二绝缘基体21的厚度最好小于第一空气间隙26的三分之一。

第二绝缘基体21包括位于上表面22上的第一带状线轨24和位于下表面23上的第二带状线轨25。第一和第二带状线轨均使用已知的平版印刷和铜蚀技术，或使用对于本领域技术人员来说易于获取的其他类似的电镀方法形成于FR-4基体上。

在一个优选的实施例中，第一带状线轨24完全对应于第二带状线轨25，并且两者都包括形成了规则模式的多个匹配单元60。第一带状线轨24和第二带状线轨25以悬置带状线构造的方法（见图8）进行构造。

图4示出了第一带状线轨24的平面图。匹配单元60排列在四个组中，该组中的每个单元通过馈电轨道29互连。链接具有四个匹配单元的每个组的馈电轨道29包括波束输出触针42、43。输出触针42、43连接波束形成网络模块30的输出和馈电模块20的带状线轨。

如图4所示，在一个优选的实施例中共有32个匹配单元。然而，天线的任何实施例中匹配单元的数量通式为2x(NxM)。数字N即贴片单元的列数，其确定了方位平面中的天线所发射的波束的数量，并且数字M确定了方位平面中每个波束的束宽。在一个优选的实施例中，天线生成四个波束。

如图4所示，匹配网络包括十六个正匹配单元62和十六个负匹配单元63。正匹配单元62和负匹配单元63互为彼此的镜像（见图5和6）。正匹配单元62接收给定偏振的信号输入，且负匹配单元63接收其偏振与由正匹配单元63接收的信号输入正交的信号输入。

每个贴片单元11（为清晰起见仅有其中两个显示在虚线中），包括一对导电输入触针（未示出）。一个触针连接到正匹配单元62且另一个触针连接到负匹配单元63。因此，每个贴片单元11从匹配网络模块20接收具有正交偏振的两个输入信号。在所示的实施例中，每个贴片单元11从匹配网络模块20接收一个+45°偏振和一个-45°偏振的输入。

参考图5和6，每个匹配单元62和63包括配置为紧凑网络的带状线轨64，该带状线轨将来自波束形成器的输入信号匹配到连接到贴片单元11的输出触针。带状线轨64在第二基体21的上表面和下表面形成以构造一种悬置结构（见图8）。而且，这种结构经由已知的平板印刷和铜镀技术制造。

图7示出了形成部分的波束形成网络模块30的第三基体。与前述的第一和第二带状线轨24、25一样，第四带状线轨35完全对应于第三带状线轨34。然而，为清晰起见仅有第三带状线轨示出；第三基体31的反面包括对应的带状线模式。第三带状线轨34和第四带状线轨35以悬置带状线结构进行布置。如前所述，图8示出了基本的悬置带状线结构。当作为微波发射线实现时，悬置带状线有很多优势。主要优势在于悬置带状线是宽频带的，并且电磁场是空间受限的从而允许导电轨彼此邻近而不会引起明显的信号丢失。这进而提供了一种紧凑模块设计。

第三带状线轨34包括两个波束形成巴特勒矩阵。第一波束形成器有四个信号输入40，且第二波束形成器有四个输入41。因而，波束形成网络模块30具有总共八个输入（见图14）。一个波束形成器馈送四个输出触针42，其中每个触针连接到四个正匹配单元62的四个组。第二波束形成器馈送四个输出触针43，其依次连接到四个负匹配单元63的四个组。

如图7所示，每个波束形成器包括四个无源混合单元80和一个无源交越单元90。无源交越单元90无需连接电缆或电线即可促成信号交越。混合单元80和交越单元90以4-输入巴特勒矩阵的形式进行构造。在本发明的二-波束实施例中，每个波束形成器可包括一个无源混合单元80，且在一个八-波束的实施例中将需要十六个无源混合单元80。

图8示出了悬置带状线结构的剖视图，该结构被用于波束形成网络模块30和匹配网络模块20。箭头表示悬置带状线构造中典型的场方向。

带状线轨24、25、34、35在所示上层接地层16、28和下层接地层28、38之间悬置。这种悬置带状线构造的优势在于电磁场空间受限在导电轨的附近。另一优势在于只有少部分的电磁场延伸进入绝缘基体21、31，其最小化了基体对于横电磁波的传播的影响。因此，选择适于在天线中使用的绝缘基体更多是根据它们的机械性能（例如强度、宽度、热膨胀系数等），而不是根据他们的电气性能。电气性能（诸如阻抗）可通过改变带状线轨的宽度来控制。

参考图9和15，每个无源混合单元80包括带状线轨段81到84。每个轨段81到84具有由无源混合单元80的期望阻抗确定的轨道宽度和长度。该无源混合单元是不同于常规混合单元的宽频带单元，因为其可以在更宽的频带宽度中运作。

带状线轨段的长度等于沿轨道运动的横电磁波的速度。狭窄的轨道具有相对较高的阻抗，然而这导致穿透绝缘基体的电磁场比例更高，这导致更高的损耗和减慢的横波速度。因此，沿轨道运行的信号波长比在阻抗较低的轨道中的信号波长要短。

比较理想的情况是：轨道长度是工作波长的整分数（whole fraction），从而轨道一定都是等化的。例如，如果轨段阻抗是25Ω，轨道中信号的有效波长可能为320mm，然而如果阻抗为100Ω则波长可能变为310mm。

在图9中，轨段81和83因为具有不同的轨道宽度而具有不同的阻抗。电学上，轨段81和83具有工作波长的相同有效部分，但物理上具有不同的长度。这有利于实现更高的性能。

参考图9和15，每个无源混合单元具有一对输入和一对输出。对于分别具有向量级数A和B的给定的一对输入，其输出如图15中所示。以这种方法，无源混合单元80将输入耦合到输出并引入相位增量到输出。等于一半波长的相位增量被表示为-180(度)。其他增量可以360度适当的倍数来表示，其中360度等于一个完整波长。

类似地，参考图10和16，每个无源交越单元90包括多个带状线轨段，该带状线轨段的宽度和长度由有效介电常数和阻抗以及相位补偿来确定。再一次的，如同混合单元，该无源交越单元不同于传统交越单元，因为其在一个更宽的频带中运行。交越单元包括两个输入90、91以及两个输出93、94。对于分别具有向量级数A和B的一对输入，其输出如图16所示。这里，输入被交越处理且引入的相位增量如图所示。

如图13所示，发射模式中天线从网络基站2接收信号输入40和41。输入40和41分别被馈送入波束形成器51和波束形成器52。在所描述的实施例中，输入40包括四个+45°偏振信号I1到I4，且输入41包括四个-45°偏振信号I5到I8。应注意+45/-45仅是示例性的。实际中,可使用任何偏振，但输入40相对于输入41总是呈一个正交偏振的关系。

波束形成器51具有四个输出S1到S4，并且相应地，波束形成器52具有四个输出S5到S8。来自每个输入I1到I4的输入功率在输出S 1到S4之间平均分配，并且相应的，来自每个输入I5到I8的输入功率在输出S5到S8之间平均分配。输出的相位增量如表1所示。

θ	I1/I5	I2/I6	I3/I7	I4/I8
					S1/S5	-45°	0°	-135°	-90
S2/S6	-180°	-45°	-90°	45°
					S3/S7	45°	-19°	-45°	-180°
S4/S8	-90°	-135°	0°	-45°

表1

输出S 1到S4每个都馈送给四个正匹配单元62’的组。输出S5到S8每个都馈送给四个负匹配单元63’的组。如图13所示，每组正和负匹配单元62’、63’与四个贴片单元11’的组相连。

波束权重根据如下公式确定：

$S\left(j\right)=\underset{k=1}{\overset{k=4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_k\frac{e^{-j{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{jk}}}}{2}$

这里，S(j)是波束形成器的输出，k表示输入40或41。相位θ由表1确定。

如图14所示，天线1的输出被分成四个波束110、120、130、140。因此，其单元边界延伸到传统的单元71的范围之外，且根据四个波束110、120、123，140被划分成四个扇区。在接收模式中，上述过程反过来运行。

Claims (23)

1.一种模块化相控阵天线，包括：

包含多波束输入的波束形成网络模块；

贴片阵列模块；和

连接波束形成网络模块和贴片阵列模块的匹配网络模块。

2.根据权利要求1所述的模块化相控阵天线，其中所述贴片阵列模块包括多个形成规则周期阵列的贴片单元，和第一接地层。

3.根据权利要求2所述的模块化相控阵天线，其中每个贴片单元包括成对耦合的驱动贴片。

4.根据权利要求3所述的模块化相控阵天线，其中每个贴片单元还包括至少一个与所述成对耦合的驱动贴片隔开的寄生贴片。

5.根据权利要求3所述的模块化相控阵天线，其中第一绝缘基体隔开所述成对耦合的驱动贴片。

6.根据前述权利要求的任一个所述的模块化相控阵天线，其中所述匹配网络模块包括：具有支撑第一带状线轨的第一表面的第二绝缘基体、与所述第一表面相对的支撑第二带状线轨的第二表面，和第二接地层。

7.根据前述权利要求的任一个所述的模块化相控阵天线，其中所述波束形成网络模块包括：具有支撑第三带状线轨的第一表面的第三绝缘基体和与所述第一表面相对的支撑第四带状线轨的第二表面，以及第三接地层。

8.根据权利要求7所述的模块化相控阵天线，其中所述第一、所述第二和所述第三绝缘基体是环氧树脂基的绝缘基体。

9.根据权利要求7所述的模块化相控阵天线，其中所述第一、所述第二和所述第三接地层每个都由相应的环氧树脂基的绝缘基体所支撑。

10.根据权利要求8或9所述的模块化相控阵天线，其中所述环氧树脂基的绝缘基体是由阻燃4型线路板（FR-4）制造的。

11.根据权利要求10所述的模块化相控阵天线，其中所述波束形成网络模块、所述贴片阵列模块，和所述匹配网络模块由穿过FR-4型线路板中的孔的导电触针相互连接，该FR-4型线路板分别支撑所述第一和第二接地层。

12.根据权利要求7所述的模块化相控阵天线，其中第一带状线轨和第二带状线轨通过导电通孔相连接，所述第一和第二带状线轨形成连接波束形成网络模块和贴片单元的匹配网络。

13.根据权利要求12所述的模块化相控阵天线，其中第三和第四带状线轨通过导电通孔相连接，所述第三和第四带状线轨包括无源混合和无源交越单元。

14.根据权利要求13所述的模块化相控阵天线，其中无源混合和无源交越单元被配置为形成适于产生第一偏振输出的第一巴特勒矩阵波束形成器和适于产生第二偏振输出的第二巴特勒矩阵波束形成器。

15.根据权利要求14所述的模块化相控阵天线，其中第一偏振正交于第二偏振。

16.根据权利要求15所述的模块化相控阵天线，其中成对耦合的驱动贴片包括用于接收第一偏振输出的第一输入触针和用于接收第二偏振输出的第二触针。

17.根据权利要求16所述的模块化相控阵天线，其中第一偏振为+45°偏振且第二偏振为-45°偏振。

18.根据权利要求7到17的任一个所述的模块化相控阵天线，其中第三和第四带状线轨是通过输出触针连接到匹配网络模块的相位匹配轨道。

19.根据权利要求13所述的模块化相控阵天线，其中无源混合单元和无源交越单元包括具有可变轨道宽度的悬置带状线导电轨。

20.根据权利要求2到19的任一个所述的模块化相控阵天线，其中周期阵列的相邻贴片单元以大致等于天线工作波长一半的距离隔开，且其中所述贴片单元是菱形的。

21.根据权利要求7到20的任一个所述的模块化相控阵天线，其中第一接地层和第二绝缘基体以距离R1相互隔开，第二绝缘基体和第二接地层以距离R2相互隔开，第二接地层和第三绝缘基体以距离R3相互隔开，且第三绝缘基体和第三接地层以距离R4相互隔开。

22.根据权利要求21所述的模块化相控阵天线，其中距离Rl、R2、R3和R4大致在范围λ/40<Rn<t之内,其中λ是天线的工作波长，n等于1到4，且t是绝缘基体的厚度。

23.根据权利要求22所述的模块化相控阵天线，其中第一、第二和第三绝缘基体各自的厚度t在范围0.5mm到2.0mm之内。

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