CN114566776A - 一种高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，包括腔体、射频电缆，以及分别设置于腔体顶部的上盖板和设置于腔体底部的下盖板；所述腔体内设置有低频通道和高频通道，低频通道中设置有第一滤波器，高频通道中设置有第二滤波器和非谐振单元，第一滤波器和第二滤波器均由若干个谐振器组成，第一滤波器和第二滤波器之间通过公共腔连接，公共腔为一个谐振器，非谐振单元的开路端方向与谐振器的开路端方向相反；所述高频通道中设置有一个飞杆，飞杆跨接于非相邻的谐振器之间，飞杆与谐振器的连接处设置有飞杆支撑，所述飞杆的材质为金属材料，飞杆支撑的材质为非金属材料。本发明实现了双工器的小型化、轻量化、低成本、高性能和宽带宽。

Description

一种高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基站天线内置双工器。

背景技术

随着移动通信技术的快速发展，通信信号传输的频谱资源越来越紧张，在确保用于移动通信的频率带宽不增加的情况下，希望能够更合理的利用目前的频率和空间，基站天线的阵列频率复用和频率选择技术越来越多的被用在了这一新的需求上。其中基站天线内置双工器成为了上述需求中最为关键的部分。基站天线内置双工器不仅很好的解决了天线频率分频的问题，而且极大的缩小了基站天线的体积。但是随着天线内部结构越来越复杂，内部空间越来越紧凑，对基站天线内置双工器提出了小型化和轻量化的要求；基站天线的频段越来越宽，对基站天线内置双工器的频段需求也越来越宽。如何实现基站天线内置双工器的小型化、轻量化、低成本、高性能和宽带宽，成为了行业难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，以实现双工器的小型化、轻量化、低成本、高性能和宽带宽。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，包括腔体、射频电缆，以及分别设置于腔体顶部的上盖板和设置于腔体底部的下盖板；所述腔体内设置有低频通道和高频通道，低频通道中设置有第一滤波器，高频通道中设置有第二滤波器和非谐振单元，第一滤波器和第二滤波器均由若干个谐振器组成，第一滤波器和第二滤波器之间通过公共腔连接，公共腔为一个谐振器，非谐振单元的开路端方向与谐振器的开路端方向相反；所述高频通道中设置有一个飞杆，飞杆跨接于非相邻的谐振器之间，飞杆与谐振器的连接处设置有飞杆支撑，所述飞杆的材质为金属材料，飞杆支撑的材质为非金属材料；所述射频电缆为三根，其一端分别与第一滤波器、第二滤波器、公共腔连接，另一端引出于腔体外。

所述谐振器由谐振杆以及连接于谐振杆上的加载电容组成，加载电容中开设有调试孔，调试孔为通孔。

所述低频通道中，相邻的谐振器之间通过第一金属连筋连接，第一金属连筋分别与相邻的谐振器的谐振杆连接。

所述低频通道中，谐振器之间的间距可调。

所述飞杆的材质为黄铜，飞杆支撑的材质为ultem 1000。

所述高频通道中，相邻的谐振器之间通过第二金属连筋连接。

所述高频通道中，未设置飞杆处的第二金属连筋的高度可调，与飞杆相关联的三个谐振器两两之间的间距可调。

所述高频通道中，在飞杆跨过的谐振器上，该谐振器靠近飞杆的部分下沉。

有益效果：相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、小体积：本发明在相同频率和指标要求下，采用了比市场上同类产品更小的体积，本发明的外形尺寸为：114.5×40×14(长×宽×高，单位：mm，不含安装孔尺寸)，比同类产品尺寸缩小了约1/3；

2、轻重量：本发明在相同频率和指标要求下，实现的重量为：150(单位：g)，与同类产品相比，重量减轻了约40％；

3、低损耗、高隔离度：本发明的双工器插入损耗＜-0.6dB,回波损耗＜-20dB,两个通带之间的相互隔离＜-32dB；

4、高互调：本发明结构简单，三阶互调测试效果好，三阶互调＜-155dBc(2×20W)，互调通过率高；

5、宽带宽：本发明的高频通道，覆盖的频率范围为1920-2700MHz,实现了780MHz的绝对带宽、近35％的相对带宽，并对低频通道的1695-1880MHz的频率范围形成了很好的抑制；

6、可量产性高、低成本：本发明结构简单，易于大批量生产，通过率高，成本低。

附图说明

图1为本发明的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器的装配图；

图2为本发明的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器的内部结构图(正面)；

图3为本发明的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器的内部结构图(反面)；

图4为实施例的产品仿真曲线；

图5为实施例的产品测试曲线(1695-1880MHz频段)；

图6为实施例的产品测试曲线(1920-2700MHz频段)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至3，本发明的一种高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，包括腔体2、射频电缆4，以及分别设置于腔体2顶部的上盖板1和设置于腔体2底部的下盖板3；所述腔体2内设置有低频通道和高频通道，低频通道中设置有第一滤波器，高频通道中设置有第二滤波器和非谐振单元13，第一滤波器和第二滤波器均由若干个谐振器组成，第一滤波器和第二滤波器之间通过公共腔12连接，公共腔12为一个谐振器；所述射频电缆4为三根，其一端分别与第一滤波器、第二滤波器、公共腔12连接，另一端引出于腔体2外。

谐振器由谐振杆8以及连接于谐振杆8上的加载电容7组成，由谐振杆8和加载电容7组成谐振器，具有较高的品质因数，在本发明所在的1790MHz的中心频率上，可以达到1200以上，在同等滤波器阶数下，可以获得更低的损耗；根据理论公式：f＝1/(2pi ×sqrt(L×C))，其中f是谐振频率，C是电感，L是电容。减小谐振杆8的厚度和宽度，相当于增大L，这样可以在相同的腔体体积下，降低谐振器的本征频率；在相同的频率下，可以获得更小的体积，并且品质因数不会急剧恶化；根据理论公式：f＝1/(2pi×sqrt(L ×C))，其中f是谐振频率，C是电感，L是电容。增大加载电容7与腔体壁和上、下盖板之间的相对面积，相当于增大C，这样可以在相同的腔体体积下，降低谐振器的本征频率；在相同的频率下，可以获得更小的体积，并且品质因数不会急剧恶化。

加载电容7中开设有调试孔14，调试孔14为通孔；调试孔14用于调节滤波器的频率，增加了产品的可生产性。

低频通道中，相邻的谐振器之间通过第一金属连筋9连接，第一金属连筋9分别与相邻的谐振器的谐振杆8连接。理论上，相邻的谐振器之间会有耦合产生，不相邻的谐振器之间没有耦合产生。但是实际设计中，不相邻的谐振器之间也是会产生耦合的，不相邻的谐振器之间产生的耦合，叫做寄生耦合。在常规的滤波器设计中，这样的寄生耦合是非常弱的，也是需要避免的，过强的寄生耦合会影响滤波器的整体性能，使滤波器无法达到预期的指标。在本发明的低频通道中，采用了谐振器的线性排列来产生较强的寄生耦合，并且可以用谐振器之间的第一金属连筋9来增强和控制寄生耦合的大小，并能灵活控制它的位置，使这个较强的寄生耦合可以在滤波器的通带右边产生一个较强的感性传输零点，增大滤波器的矩形系数。这样将两个滤波器合并成双工器后，可以获得更高的隔离度。理论上，采用此结构，N阶的滤波器，可以产生(N-1)个传输零点。与传统的产品相比，可以获得更多的传输零点，更高的带外抑制。更多的传输零点，也意味着可以用更少的滤波器阶数来实现更高的性能，极大的缩小了滤波器的体积。不仅在传输零点的数量上有很大的优势，本发明中的低频通道没有增加任何额外的感性耦合结构，极大的减少了生产成本，且提高了产品的生产一致性和可靠性。

低频通道中，谐振器之间的间距15可调。由于在上述的设计思路，巧妙的运用了滤波器的寄生耦合产生了传输零点，极大的缩小了滤波器的体积和减小了生产压力。但是这种方法也存在一定的局限性，当需要更宽的带宽时，需要减小两个谐振器之间的间距15来获得更大的耦合系数，由于实际机械加工的难度和工艺水平的限制等原因，不可能将谐振器之间的间距做到无限小来满足宽带滤波器的需求，因此这种方法只适用于相对带宽在0.5％-15％之间的滤波器。当滤波器的相对带宽大于15％时，此方法实现的滤波器难以加工实现，不具备可生产性。

高频通道中设置有一个飞杆5，飞杆5跨接于非相邻的谐振器之间，飞杆5与谐振器的连接处设置有飞杆支撑6，相邻的谐振器之间通过第二金属连筋10、11连接。飞杆 5的材质为金属材料，优选黄铜，飞杆支撑6的材质为非金属材料，优选ultem 1000。当需要实现宽带滤波器的时候，需要有新的思路来解决宽带宽的问题，利用飞杆支撑6 将同为金属材料的飞杆5和腔体2隔开，使飞杆5和腔体2之间只能通过面耦合的方式产生容性耦合，通过控制飞杆支撑6的厚度和在腔体2内部的位置，可在高频通道的通带左侧形成一个强弱可调节的传输零点。当引入了外置容性飞杆时，第二金属连筋10 的作用将会发生改变，此时第二金属连筋10的相对位置不再对滤波器产生的传输零点的强弱起调节作用，其在腔体内的相对位置，只影响相邻两个高频谐振器之间的耦合系数的大小。如果要实现滤波器的宽频带，只需将谐振器之间的金属连筋向谐振器的开路方向移动即可。但是对于与飞杆相关连的三个谐振器的两两之间的第二金属连筋11而言,它们不仅决定了这三个谐振器两两之间的耦合系数，而且还会形成一个与飞杆极性相同的传输零点。通过调节这两个金属连筋的位置，不仅可以改变谐振器之间的耦合系数，也可以调节这个传输零点的强弱。也就是说，我们在滤波器内部引入了一个产生容性耦合的飞杆，产生了两个容性耦合，在滤波器通道的左侧，形成了两个传输零点。理论上，采用此结构，N阶的滤波器，可以产生(N-1)个传输零点(N为奇数)；M阶的滤波器，可以产生(M-2)个传输零点(M为偶数，且M≥4)；与传统的产品相比，可以获得更多的传输零点，更高的带外抑制。更多的传输零点，也意味着可以用更少的滤波器阶数来实现更高的性能，极大的缩小了滤波器的体积。采用此结构，高频通道谐振器之间的间隙17不再起到调节耦合系数的作用，所以不需要采用很小的物理间距就可以实现宽带宽，极大的节约了生产成本。但是对于与飞杆相关联的三个谐振器两两之间金属连筋来说，它们不仅可以调节耦合系数，也控制着它们所产生的传输零点了强弱，所以为了获得较强的传输零点，可适当将这三个谐振器两两之间的间距18缩小，增大两两谐振器之间的耦合系数，以便它们之间的第二金属连筋11更多的可以用于调节传输零点的强弱。采用此结构，本发明中的高频通道实现了从1920-2700MHz的宽带滤波器，实现了780MHz的绝对带宽、近35％的相对带宽，并且在通带的左侧形成了两个较强的传输零点，对低频通道形成了很好的抑制；

同样的，如果低频通道需要实现宽带宽，且传输零点在低频通道通带的右侧、需要对高频通道产生抑制时，可引入感性飞杆，感性飞杆的种类多样、实现形式丰富，也可以在通带的右侧形成与本实施例类似的传输零点。

本发明中的高频通道设置非谐振单元13，将非谐振单元13的谐振频率调至高频通带左侧，形成了一个传输零点。采用非谐振单元产生传输零点的方式有：容易实现强传输零点、传输零点位置可控、相同非谐振单元实现的传输零点可放置在通带的左侧，也可以放置在通带的右侧，位置灵活多变、实现方式简单、可调节空间大等优点。本发明的高频通道采用非谐振单元产生传输零点，不仅提高了高频通道对低频通道的抑制、增加了隔离度，而且避免了为了实现多个传输零点而引入多个飞杆，降低了设计和生产难度；

本发明公共腔12采用谐振器的形式，将两个滤波器合并成为一个双工器，这种公共腔的形式，可以提高双工器的隔离度，减小两个滤波器之间的相互干扰，而且结构简单，易于生产；

射频电缆采用RG-401射频电缆，作为50Ω端口连接，更易于基站天线内部转接。

本发明结构简单，简单的内部结构不仅可以获得更高的三阶互调，还可以提高生产一致性，从而降低生产成本。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例的双工器工作频率为1695MHz-1880MHz/1920MHz-2700MHz。 1695MHz-1880MHz频段，采用5阶滤波器，由5个谐振器组成；1920MHz-2700MHz频段，采用7阶滤波器，由7个谐振器和一个非谐振单元13组成。

对于低频通道1695MHz-1880MHz频段，谐振器之间用第一金属连筋9将5个谐振器连接，这样不仅可以增强双工器的整体结构强度，也可以加强非相邻谐振器之间的寄生耦合，在通带附近产生很强的传输零点，并通过调节金属连筋的高度，使产生的传输零点正好落在通带的右边。调节金属连筋的高度，也可以调节寄生耦合所产生的传输零点的位置，使其依次分布，达到较好的阻带抑制作用。由指标需要，将1695MHz-1880MHz 频段所产生的4个交叉耦合，都放在了通带的右侧。通过调节低频通道谐振器之间的间距15，可以改变相邻谐振器之间的耦合系数，使滤波器达到指标要求的带宽。利用寄生耦合产生交叉耦合的好处：1：减少了加交叉耦合所需要的零部件，使滤波器结构更加简单；2：交叉耦合的极性可以通过寄生耦合的强弱调节，既可以产生感性耦合，也可以产生容性耦合，而且产生的交叉耦合位置可以任意调节，也可以产生较强的交叉耦合 3：N阶的滤波器，可以产生(N-1)个交叉耦合，使滤波器获得更好的矩形系数，相同的指标需求下，可以节省滤波器的阶数，这样不仅可以极大的缩小滤波器的尺寸，也可以减小滤波器的插入损耗，使滤波器的性能更优。

对于高频通道1920MHz-2700MHz频段，谐振器之间用第二金属连筋10将7个谐振器连接，调节金属连筋的高度，可以改变相邻腔谐振器之间的耦合系数，由于金属连筋可调节的高度范围较大，当高度接近谐振器开路端，即靠近谐振器的顶端时，可实现的耦合系数非常大，故可实现较宽的传输通道。当第二金属连筋10只用于改变谐振器之间的耦合系数，不再用于调节传输零点的时候，高频通道振器之间的间隙17就不再被用于改变谐振器之间的耦合系数，所以此时的间距可以做到很大，减小加工成本。高频通道采用了飞杆5和置于飞杆下方、用来起物理隔离作用的飞杆支撑6来实现容性耦合，在高频通带左边产生传输零点。由于引入的飞杆与相关联谐振器之间存在寄生耦合的缘故，此滤波器同时还会产生一个与飞杆产生的传输零点极性相同的传输零点，并可以通过与飞杆相关联谐振器的第二金属连筋11来控制此传输零点的强弱，此时这三个谐振器之间的耦合系数可以通过耦合间距18来调节。本发明中引入了一个飞杆，在高频通道通带的左侧，产生了两个较强的传输零点。在相同滤波器阶数的情况下，本发明中的结构可以获得更好的带外抑制。在飞杆跨过的谐振器上，采用部分下沉的方式来减小飞杆与此谐振器之间可能会产生的耦合，此下沉部分16的深度为1mm，这样可以尽量减小引入飞杆对滤波器带内驻波产生的影响。引入飞杆所产生的两个传输零点，并不能完全满足高频通道的带外抑制的需求，所以本发明中采用了非谐振单元13来产生另外一个传输零点。将此非谐振单元的谐振频率置于高频通道左边的第一个最强的零点位置，将飞杆产生的两个零点分别置于高频通道左边的第二、第三个零点位置，这样可以保证滤波器在有大功率信号输入的情况下，有较好的耐功率性能。如图2所示，非谐振单元13 的开路端方向与其他谐振单元的方向相反，这样可以有效的减小非谐振单元对谐振单元产生的寄生耦合，而且在相同的间距下，相反的开路方向可以获得更大的耦合系数，从而可增大谐振器之间的间距，便于生产。

本发明中的谐振器由加载电容7和谐振杆8组成，在保证机械强度和可生产性的基础上，将谐振杆8的厚度和宽度均缩小至3mm；将加载电容7与腔体内壁的距离缩小至1.5mm，将加载电容7与上下盖板之间的间距缩小至0.5mm，这样在相同的本征频率下，可以使滤波器的宽度和高度尺寸得到大幅度的减小，并且品质因数不会恶化很多。

在本发明中，在加载电容7上开了4.5mm的通孔14，这样可以在双工器的上盖板上增加调试螺钉，来调节每个谐振器的谐振频率，增加了可生产性。

本发明采用了公共腔12将1695MHz-1880MHz频段的滤波器和1920MHz-2700MHz频段的滤波器相连，构成双工器，这样可以在很大程度上减小两路滤波器之间的相互影响，并且能提高双工器的隔离度，使双工器的结构更加简单，从而也提高了三阶互调的通过率，降低生产成本。

本发明采用了RG-401射频电缆作为输入输出端口与双工器的三个端口连接，由于基站天线内部大多是使用RG-401射频电缆连接复杂的馈电网络，所以这样的端口形式可以更好的与天线内部的馈电网络连接，避免了各种端口转接过程中产生的不匹配。如图3所示，将三根RG-401射频电缆分别与腔体内部的焊接点A、B和C焊接，这种连接方式强度大、结构简单、易于生产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：包括腔体(2)、射频电缆(4)，以及分别设置于腔体(2)顶部的上盖板(1)和设置于腔体(2)底部的下盖板(3)；所述腔体(2)内设置有低频通道和高频通道，低频通道中设置有第一滤波器，高频通道中设置有第二滤波器和非谐振单元(13)，第一滤波器和第二滤波器均由若干个谐振器组成，第一滤波器和第二滤波器之间通过公共腔(12)连接，公共腔(12)为一个谐振器，非谐振单元(13)的开路端方向与谐振器的开路端方向相反；所述高频通道中设置有一个飞杆(5)，飞杆(5)跨接于非相邻的谐振器之间，飞杆(5)与谐振器的连接处设置有飞杆支撑(6)，所述飞杆(5)的材质为金属材料，飞杆支撑(6)的材质为非金属材料；所述射频电缆(4)为三根，其一端分别与第一滤波器、第二滤波器、公共腔(12)连接，另一端引出于腔体(2)外。

2.根据权利要求1所述的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：所述谐振器由谐振杆(8)以及连接于谐振杆(8)上的加载电容(7)组成，加载电容(7)中开设有调试孔(14)，调试孔(14)为通孔。

3.根据权利要求1所述的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：所述低频通道中，相邻的谐振器之间通过第一金属连筋(9)连接，第一金属连筋(9)分别与相邻的谐振器的谐振杆(8)连接。

4.根据权利要求1所述的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：所述低频通道中，谐振器之间的间距(15)可调。

5.根据权利要求1所述的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：所述飞杆(5)的材质为黄铜，飞杆支撑(6)的材质为ultem 1000。

6.根据权利要求1所述的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：所述高频通道中，相邻的谐振器之间通过第二金属连筋(10)、(11)连接。

7.根据权利要求6所述的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：所述高频通道中，未设置飞杆(5)处的第二金属连筋(10)的高度可调，与飞杆(5)相关联的三个谐振器两两之间的间距(18)可调。

8.根据权利要求1所述的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：所述高频通道中，在飞杆(5)跨过的谐振器上，该谐振器靠近飞杆(5)的部分下沉。

9.根据权利要求1所述的高性能小型化基站天线内置宽带腔体双工器，其特征在于：所述低频通道中的第一滤波器为5阶滤波器；所述高频通道中的第二滤波器为7阶滤波器。

Images