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高异频隔离宽带双频基站天线阵列

申请号:
CN201710383966.1
专利权人:
华南理工大学
发明人:
章秀银;薛成戴;吴裕锋;
专利类别:
发明专利
所属类目:
通讯/电子/数码
权利状态:
有效
商品价格:
¥7,777,777.00
七弦琴官方服务:
七弦琴专利交割服务 ¥350.00
2020湾高赛 七弦琴自营
店 主:
13712165455
所在地:
广东省 珠海市
星 级:
弦 级:
1弦
客 服:
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  基础信息

  牵头参赛单位:华南理工大学

  证照号码:12100000455414429R

  单位类型:高校

  项目规模:初创型

  参赛团队负责人:章秀银

  参赛项目技术介绍

  核心技术介绍:

  1、本参赛项目的基本背景

  移动通信是我国重点发展的战略性领域,目前我国正在推进Sub-6GHz频段5G系统的部署和5G毫米波系统的发展。大规模天线是5G系统关键技术之一。然而,在5G系统部署中面临用于安装基站天线的天面资源严重不足的问题。在移动通信网络建设中,为节省成本,业界普遍采用多套系统共享基站站址的方案。在5G部署中,如果采用独立5G天线,面临天面资源被原有2G/3G/4G天线占用,导致5G天线没有合适安装位置、无法保证5G信号覆盖质量的问题。为解决该问题,需要将5G天线与原有2G/3G/4G天线集成设计。然而,多种异频天线大规模集成在同一口径时,天线单元紧凑排布,位置非常接近,单元间的互耦严重,导致端口隔离度变差、方向图畸变等问题。近几年章秀银教授团队创新地提出采用滤波天线作为阵列单元,得益于滤波单元固有的滤波特性,能对相邻的异频振子起到良好的隔离效果,阵列整体性能得到极大改善。在5G毫米波收发信机的设计中,由于滤波器Q值太低不适合集成在芯片里面,若将滤波器单独封装,则需要滤波器与天线、滤波器与芯片的互连,在毫米波频段损耗较大。此外,纯粹靠滤波器来实现抑制并且尽量降低损耗,则对滤波器的Q值要求高,为此同样需要将滤波功能与天线集成在一起。此外,在车载无线通信系统中,为了解决在狭窄空间中多频段子系统的兼容性问题,也需要使用滤波天线技术,对车载多频天线进行解耦,改善车载无线通信系统的信道质量,提升系统兼容性。

  滤波器与天线级联设计虽然能实现预期指标的滤波天线性能,但有滤波电路就势必引入额外的插入损耗,从而影响天线的辐射增益。为了推动解决这个难题,无外加滤波电路的滤波天线被逐渐设计出来,两个器件合并成一个器件,无额外滤波电路,却能保证天线在工作频段内的辐射性能不受或者受到很小影响的同时,有效抑制频段外的辐射,实现滤波辐射效果。通过设计具备高滚降、高抑制、宽阻带的天线单元组成大规模天线阵列,使得阵列本身也具备同天线单元相同的滤波性能。

  因此,基于融合滤波的设计方法,将滤波与天线集成在一起,一方面可以解决5GSub-6GHz系统中多频天线阵列集成的互耦干扰问题;另一方面可极大地减小5G毫米波系统中额外滤波电路占用面积和损耗问题。本发明的提出有望形成从理论方法到关键技术的体系性成果,推动融合滤波的天线技术的发展及应用。

  2、现有市场情况

  由于本发明主要的应用场景为基站天线,其市场分析也主要集中于基站天线中。当前的基站天线市场处于4G和5G需求的新老交换中,4G基站天线以及2G/3G/4G的共口径基站天线的需求量直线下降,但是5G基站天线以及2G/3G/4G/5G的共口径基站天线需求却持续增加,在未来的基站天线市场份额分布中,2G/3G/4G/5G的共口径多频基站天线和毫米波天线在基站天线市场中的占比将上升到接近80%份额;此外,在5G天线售价方面,根据申万宏源的预测,5G基站天线的单副售价约为7000元,比传统天线售价高约2-5倍,但是成本增幅不大,利润非常可观。因此,掌握2G/3G/4G/5G的共口径多频基站天线和毫米波天线的关键技术的厂家,必然也是未来的基站天线市场的赢家。

  在当前2G/3G/4G/5G共口径多频基站天线产品中,只有华为和佛山盛路使用滤波天线技术作为对其互耦问题的解决方案,华为和佛山盛路已经通过横向合作开发的方式,获得了得华南理工大学的滤波天线专利背景知识产权授权,并将此授权应用于所销售的天线产品中。但是在毫米波领域,除本团队外,目前还未见滤波天线在具体产品中的应用。由于目前滤波天线技术是2G/3G/4G/5G共口径多频基站天线解耦和5G毫米波系统集成的关键技术,且仅有少数基站天线厂家获得授权使用,因此在未来规模庞大的基站天线市场中,滤波天线技术的应用和市场前景都非常广阔。

  3、本发明的具体内容

  为了解决上述问题,本团队提出了“一种具有高选择性和低交叉极化的双极化滤波天线”的设计方法,在实现天线高增益、低交叉极化鉴别率等性能前提下,在MassiveMIMO天线阵子中,采用无需植入额外滤波电路结构的技术,引入天线辐射零点,大幅增加天线对非工作频带干扰信号抑制,在天线端实现带通滤波器完整功能。具体实现如发明专利“一种具有高选择性和低交叉极化的双极化滤波天线”中图4所示(图示详见相关文件上传的发明专利正文,下列文中所提图示亦见发明专利正文),滤波天线方案包括底部的金属反射地板1,第一介质基板9,第二介质基板10,中间的馈电贴片2,顶部的寄生贴片3以及两条正交的H型馈电线4、5。寄生贴片边长为P1,馈电贴片的边长为P2;在第一介质基板9的上表面印刷寄生贴片,在第二介质基板10的上表面印刷馈电贴片;第一和第二介质板的介电常数均是2.65,厚度均是1mm,边长都用L表示。第一和第二介质基板之间有一个高度为h1的空气层,这样设计可以增加天线的带宽和增益性能。底部的金属反射地板1与两条正交的H型馈电线也有一定厚度空气间隙。两条正交耦合的H型馈电线分别为第一馈电线4及第二馈电线5,H型馈电线是一个立体结构。H型第二馈电线5的两条竖线印刷在第二介质基板的下表面,中间横线印刷在第二介质基板的上表面,且与H型的两条竖线通过金属化过孔连接,这样使得两条正交耦合的馈电线4、5不会交叉连接在一起。位于中间位置的馈电贴片的中间部分嵌入一个环形缝隙6,宽度为s,并关于馈电贴片中心点对称,第二馈电线5的中间横线位于环形缝隙内,成为环形缝隙的一部分,这种设计方法可以减少空气桥的使用,使得天线的加工更加容易,并且使得两个端口之间的极化隔离度得到提升。上述两个端口分别为发明专利“一种具有高选择性和低交叉极化的双极化滤波天线”中图5所示的由SMA接头内芯插入7、8过孔的SMA1及SMA2。为了得到更好的阻抗匹配,这种H型馈电线被设计成阶跃阻抗线的形式,第一、第二馈电线由SMA接头的内芯通过通孔7、8直接馈电,形成天线的双极化效应。

  在上述实现方案中,第一、第二H型馈电线寄生贴片3在原理上形成滤波器中的非谐振结构(NRN结构),分别在高于和低于天线工作频段外的频段内形成了辐射零点,改善天线带外抑制性能,从而实现了在天线阵子端引入滤波器功能的技术目地,完成了天线和滤波器集成理论和方案的论证。发明专利“一种具有高选择性和低交叉极化的双极化滤波天线”中图6为上述滤波天线方案的增益曲线,从结果中可知在2490-2690MHz的5G频段内滤波天线增益不低于9dBi,在3400-3800MHz频段和低于2GHz频段分别实现了-30dB和-40dB以上的带外抑制,有效减少天线带外干扰。

  综合本项目技术内容,项目所具有的实际意义:

  1)解决了2G/3G/4G/5G多频共口径天线设计中互耦严重而导致方向图畸变、隔离度变差等问题。

  2)在5G毫米波系统中,由于本发明提出的滤波天线技术在结构上采用层叠方式,同时又具有低损耗的电性能优势,在5G毫米波频段中有利于提高系统的集成度。

  3)无额外滤波电路的滤波天线技术降低了系统对滤波器指标的要求,减少了滤波器的使用,有利于降低系统的体积、重量和成本。

  技术先进性:本项目技术的核心内容为滤波天线设计技术,通过本团队前期的研究和探索,创新性地完成了滤波器天线的理论论证和方案设计,还成功将该项技术应用于2G/3G/4G/5G天线共口径设计的异频解耦、提高5G毫米波系统的集成度和改善车载无线通信系统的兼容性中,因此成为了5G基站天线产品乃至多频天线产品的关键技术之一。

  1.滤波天线在2G/3G/4G/5G多频段阵列天线共口径设计中的解耦的优势。

  由于天面资源的紧张,为了共享天面资源,在天线设计中,必须考虑将2G/3G/4G/5G多个频段的天线进行共口径设计,将个频段天线阵子紧密排列,因此各频段天线间的互耦很强。在本发明提出滤波器天线技术并与华为等公司进行解耦合作之前,业界解决天线间互耦的主流方法是在异频天线阵子之前加入隔离装置,提高异频阵子间的隔离度。虽然该方法能改善异频天线间的隔离度,但是由于引入了隔离装置,容易进一步造成天线方向图的严重畸变,影响天线的辐射性能。在本发明的滤波天线技术提出后,在2G/3G/4G/5G多频段阵列天线上采用滤波天线技术,通过天线上的滤波功能抑制非工作频段内的信号,不仅提高天线间的隔离,而且对天线方向图无明显影响,因此滤波天线在2G/3G/4G/5G多个频段解耦过程中的电性能优势非常明显。

  2.滤波天线在5G毫米波系统中的优势

  在5G无线通信系统的建设中,第一阶段(2019-2022年)将建设5GSub-6GHz基站,第二阶段(2022-2025年)将开始建设毫米波系统,但是毫米波系统由于频段选择的原因,与卫星通信系统中的K波段和Ka波段间频率保护频带很窄,不可避免存在相互干扰问题。在本发明滤波天线技术提出前,解决该问题的传统方法是在毫米波系统中使用滤波器抑制带外的信号干扰,但是,由于5G毫米波系统对整机集成性要求很高,为了便于集成,必然要求减少滤波器体积,导致滤波器损耗增加,造成毫米波系统功耗增大;增加滤波器的体积并提高谐振腔的Q值可以解决损耗问题,但是无法进行集成设计。为了解决该问题,而本发明提出使用无额外滤波电路的滤波器天线作为毫米波系统的辐射器,利用滤波天线自身的低损耗、高滚降电气性能优势以及层叠结构的特点,将滤波天线集成至毫米波系统中,提高5G毫米波系统的可集成性并减低功耗。所以滤波天线在5G毫米波系统的集成设计中有非常明显的优势。

  3.滤波天线在5G系统中的成本优势。

  滤波器天线除了具有解和降低能耗的作用外,滤波天线技术还可以部分替代或者全部替代5G系统中滤波器作用,降低5G无线通信系统对滤波器指标的要求,从而减少滤波器阶数的使用甚至可以免用滤波器,因而降低5G系统的成本、体积和重量,提高系统的市场竞争力。

  4.在车载无线通信系统中的优势

  为了兼容来自用户对不同频段通信系统的服务需求,需要车载通信系统在有限的空间中放置多种不同频段的天线,并由此引发异频天线间强烈的互耦,并造成车载通信系统的通信容量下降。通过采用本发明提出的滤波天线技术,在天线中实现滤波功能,解耦狭小空间中异频天线存在的互耦效应,改善系统信道质量,提升多频段车载通信系统在有限空间中的兼容性。

  技术壁垒:

  1、国内外各团队研究现状

  在学术界,滤波天线最早以“Filtenna”命名,是“Filter”和“Antenna”的合并简称,后来该词逐渐被“Filteringantenna”取代。滤波天线的设计大致可以分为两个主流阶段:一是滤波器/谐振器级联天线的阶段(2013年前);二是无额外滤波及谐振电路的滤波天线设计阶段(2013年后)。滤波器/谐振器与天线级联设计主要有两种方法,一是滤波器与天线独立设计,两个器件的端口阻抗均为50欧姆,通过50欧姆连接线串联在一起;二是先设计一个多阶滤波器,然后用天线取代滤波器的最后一阶谐振器。这两种方法均能实现预期指标的滤波天线性能,但有滤波电路就势必引入额外的插入,从而影响天线的辐射增益,这种设计方法与传统工业界采取滤波电路串联天线的设计并无本质区别。经检索,研究滤波天线技术的国内外团队大致有40个,分别隶属于新加坡国立大学、中佛罗里达大学、蒙特利尔大学、香港城市大学、东南大学、华南理工大学等知名高校,其中大部分团队均采用上述天线与滤波器级联的技术,并且多数设计工作在微波频段。具体文献如Chun-XuMao等人于2015年在IEEETransactionsonAntennasandPropagation期刊发表题为“MultimodeResonator-FedDual-PolarizedAntennaArrayWithEnhancedBandwidthandSelectivity”的文章;该类设计中额外滤波电路引入将造成较大的插损,并且边带频率选择性差,天线带宽窄。在低频,由于腔体滤波器具备高Q值的特性,可以使得滤波天线具有高滚降特性,因此,有学者研究利用腔体滤波器级联天线的方法,如2017年F.-C.Chen等人在IEEETrans.MTT期刊论文“X-BandWaveguideFilteringAntennaArrayWithNonuniformFeedStructure”中提出将传统腔体滤波器最后一级设计成波导缝隙天线。然而,由于腔体滤波器体积大、加工成本高,且难以实现双极化,所以很少直接应用于大规模基站天线的设计。目前,毫米波滤波天线的研究处于起步阶段,在学术界仅有少数IEEE期刊论文公开毫米波天线的设计方法。HuiChu等人于2017年在IEEETransactionsonAntennasandPropagation期刊发表题为“AFilteringDual-PolarizedAntennaSubarrayTargetingforBaseStationsinMillimeter-Wave5GWirelessCommunications”的文章,该文提出了一种工作在37GHz的集成波导式滤波天线及其阵列,其原理主要是利用多层介质谐振腔体的滤波功能,实现了高滚降特性的滤波效果,但是该种设计方式成本高,并且天线带宽窄,尺寸大,谐波复杂,不便用于大规模MIMO阵列设计。

  2、滤波天线在工业界的发展,缺少独立研发企业

  在基站天线行业,当前除了与本发明团队有横向项目合作的企业外,并无相关企业使用滤波天线技术。但是为了解决如图9中类似双频基站天线的互耦问题,行业内一般在辐射单元之间使用增加隔离装置的技术方案。京信通信系统(中国)有限公司(专利:高低频嵌套天线及其去耦装置,授权号:ZL201822260879.X)开发了一款加载去耦组件的双频基站天线,去耦片设置于高频和低频辐射单元之间,能有效地降低高低频辐射单元之间耦合,从而提升高低频之间的异频隔离以及高频、低频的自隔离。另外,康普技术有限责任公司提出在辐射单元之间增加解耦单元(专利:具有解耦单元的相控阵列天线,授权号:ZL201680053843.5)、广东通宇通讯股份有限公司提出在辐射单元之间增加去耦缝隙单元的方式来减小辐射单元之间的耦合(专利:天线、MIMO天线及用于降低天线互耦能量的隔离条,授权号:ZL201690000368.0),提高辐射效率。

  上述技术均采用加载隔离结构等技术,可以在一定程度上改善不同频段天线之间的隔离,但一般达不到基站天线行业隔离度要求,往往需要在不同频段阵列的输入端口额外加载滤波器;同时隔离结构的增加对异频天线的方向图影响较大,隔离结构会影响异频天线电磁波的传输,导致方向图发生畸变,并减小辐射效率。

  3、本项目优势

  与国内外现有市场技术面临的问题相比,本项目主要在以下方面具有优势:

  1)体积小、剖面低。

  相比其他团队滤波天线技术,本发明的滤波天线采用层叠式结构,并通过双H型馈线对多层辐射patch天线进行馈电,该结构的剖面比传统基站使用dipole天线低,而且装配简单易行。因此本发明的滤波天线实现了一种对双极化滤波天线的小型化设计。

  2)电气性能优良。

  相比其他团队天线的性能,本发明滤波器天线具有带宽宽、插损小、增益高等优势,此外相对于其他团队使用的缝隙天线结构进行作为辐射器,本发明的层叠结构更容易实现天线的双极化,且交叉极化鉴别率优良。因此,在电气性能上,本发明的滤波天线更便于在5G大规模阵列天线中应用。

  3)成本低。

  相比其他团队的滤波天线工作,本发明技术在成本上有两点优势,第一,本发明无需额外引入滤波电路,节省了物料成本;其次本发明无需特殊的材料(如使用介质材料等)和生产工艺(如在金属上开缝隙),因此生产效率更高,生产成本更低。

  综合上文分析与比较可知,本发明技术内容不论是在体积、重量,还是整体的性能和可生产性都较其他团队有明显优势。

  产品或技术成熟度:在目前阶段,本发明的滤波天线技术应用主要集中在三种产品中,第一种为2G/3G/4G/5G多频天线的解耦应用,解决多频天线在共口径设计异频天线互耦问题;第二种为在5G毫米波系统中,替代滤波器的功能,提高毫米波系统的集成度;第三种为在车载系统中,解决由于多频天线互耦造成的车载多频系统的子系统无法兼容工作问题。

  本发明技术在2G/3G/4G/5G多频天线的解耦应用中,分别与相关企业展开了横向合作,如与华为、佛山盛路通信等企业进行2G/3G/4G/5G多频天线产品的解耦合作,并在滤波天线技术应用中取得了很大的突破,采用滤波天线后,电气性能较传统的解耦技术更优,且成本更低。目前与上述公司合作多频天线产品已经进入了量产阶段,并成功推向市场,实现了年产值超过6亿的市场收入,因此本发明提出的滤波天线技术在多频天线解耦应用中的成熟度非常高,相关技术产品已经在市场中形成销售,是一种可以进行量产的创新技术。

  为了适应5G第二阶段基站建设的市场需求,本发明将滤波天线技术推广至5G毫米波系统中,与华为海思在毫米波领域展开横向合作,将滤波天线技术应用于5G毫米波系统中,取代滤波器功能,解决了滤波器在5G毫米波系统应用中存在的集成度与损耗之间的矛盾问题,提升5G毫米波系统的集成度,并降低由于额外滤波器电路的使用引起的5G毫米波的功耗。目前所用的滤波天线技术方案通过仿真优化已经获得良好的电气性能,并获得横向项目合作方的认可,目前样品已经加工完毕,进入到样品测试阶段。预计将在2021年左右完成全部测试和可靠性认证工作。未来上市和稳定运行时间与5G毫米波基站建设的时间同步。

  此外,在车载无线通信系统中,不同频段子系统在有限空间中的兼容性是车载通信系统的重要课题之一。为了解决车载通信系统中,不同频段子系统的兼容性问题,本团队通过与广州汇智通信技术有限公司的横向合作,将滤波天线技术应用于有限空间中的多种不同频段的车载天线中,通过天线上的滤波功能,实现对不同频段天线辐射的解耦,提升了车载通信系统的兼容性。目前与汇智通信合作滤波天线技术在相关车载通信产品中的应用已经完成,汇智通信获得了华南理工大学在滤波天线技术方面背景知识产权的授权,实现产品的批量生产和销售。因此,本发明的滤波天线技术是一种成熟、可靠的专利技术。

   

    联系人:孙明达,  邮箱:sunmingda@7ipr.com,  电话:18618174056,  微信:18618174056

为贯彻落实习近平总书记关于建设粤港澳大湾区的重要战略部署,党中央、国务院和广东省委、省政府关于推动高质量发展的重大决策要求,积极推进知识产权融入粤港澳大湾区建设,广东省市场监督管理局联合港、澳发起举办“粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”。

“2020年粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”由广东省市场监督管理局、香港特别行政区政府知识产权署、澳门特别行政区政府经济局、珠海市人民政府、东莞市人民政府主办,珠海市市场监督管理局、东莞市市场监督管理局、横琴国际知识产权交易中心承办。

粤港澳大湾区是继美国纽约湾区和旧金山湾区、日本东京湾区之后的世界第四大湾区。建设粤港澳大湾区,是习近平总书记亲自谋划、亲自部署、亲自推动的国家战略,是新时代推动形成全面开放新格局的新举措,也是推动“一国两制”事业发展的新实践。举办“粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”是推进内地和港澳科技创新创业创造交流合作的重要举措与尝试。

通过举办粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛(简称“湾高赛”),倡导高价值专利培育布局理念,展现高价值专利培育布局成果,树立高价值专利培育布局标杆,引导带动一批创新主体积极开展高价值专利培育布局工作;同时,通过大赛吸引高水平的创业团队和高成长性专利项目在粤港澳大湾区落地,为粤港澳大湾区的高质量发展提供支撑;通过广泛动员各类创新主体、知识产权服务机构、金融机构、风险投资机构参与大赛,营造粤港澳大湾区专利创新创业创造氛围,培育知识产权文化,引导全社会对高价值专利培育布局工作的关注和投入。

首届湾高赛(2019)初审通过项目438个,涵盖新一代信息技术、高端装备制造、绿色低碳、生物医药、数字经济领域、新材料、海洋经济、现代农业八大领域。初赛综合专家评审及网络投票结果,选出百强项目,其中内地项目83个,香港地区项目12个,澳门地区项目5个。复赛选出五十强(因两个参赛项目并列第50名,最终名单为51个项目)项目中,内地入围45个,香港地区入围4个,澳门地区入围2个。最终首届湾高赛决赛角逐出金奖、银奖、优秀奖、最佳分析评议奖、最具投资潜力奖等共计28个奖项。

11月12日,2020年第二届湾高赛以“高价值专利支撑大湾区高质量发展”为主题,在2019年粤港澳大湾区知识产权博览会上隆重启动。


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