一种具有矩形平顶赋形的双极化阵列天线

技术领域

本发明属于室内基站移动通信技术领域，具体涉及一种具有矩形平顶赋形的双极化阵列天线。

背景技术

为满足大型车站、体育馆、会议厅等室内空间对数据流量的爆发式需求，通常需要赋形天线在一定区域范围内提高信号覆盖强度。为减小相邻区域的信号干扰程度，还要求赋形主波束在半功率角外能快速跌落。

目前的赋形技术主要是通过幅相加权的方式实现，这种赋形方式可以实现较低的旁瓣和较快的3dB到20dB的跌落效果。但幅相加权赋形技术的缺点也十分明显，具体来讲有以下两点：

一是幅相加权赋形技术需要设计复杂的馈电网络控制激励幅度与激励相位，因此该赋形技术会增加天线整体的复杂度与加工成本。

二是幅相加权赋形技术在保证3dB到20dB较快跌落的前提下，用于实现较宽的3dB波束宽度时，需要较多的阵元数目。因此幅相加权赋形技术难以实现小口径情况下的较宽的3dB波束宽度。

申请号为201811144089.3、发明名称为“一种小型化宽频矩形赋形阵列天线”的中国专利申请公开了一种矩形平顶赋形阵列天线，实现了1710MHz～2690MHz范围内的宽频工作，但需要加载五个五路功分器来控制幅度，3dB波束宽度在频带内为39°至54°之间。

申请号为201911418270.3、发明名称为“矩形赋形阵列天线及室内基站”的中国专利申请公开了一种矩形平顶赋形阵列天线，使用3×3阵列保证较小口径的情况下，在2510MHz～2680MHz频带范围内3dB波束宽度在42°至46°之间，同时也需要加载功分器、移相器来实现幅相加权。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有矩形平顶赋形的双极化阵列天线。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种具有矩形平顶赋形的双极化阵列天线，包括圆柱形介质支撑柱100、微带天线阵列200和部分反射表面300；

微带天线阵列200包括金属反射地板201、第一介质基板202、辐射阵列204和匹配哑源阵列203；辐射阵列204和匹配哑源阵列203位于第一介质基板202的上表面，金属反射地板201位于第一介质基板202的下表面；辐射阵列204位于第一介质基板202上表面的中心，匹配哑源阵列203环绕辐射阵列204放置；

部分反射表面300包括第二介质基板301、外环有限金属贴片302和内环有限金属贴片303；外环有限金属贴片302和内环有限金属贴片303都位于第二介质基板301的上表面；内环有限金属贴片303位于第二介质基板301上表面的中心，外环有限金属贴片302环绕内环有限金属贴片303；

四个圆柱形介质支撑柱100连接第一介质基板202和第二介质基板301，用于支撑微带天线阵列200和部分反射表面300。

进一步的，天线的增益指向为β时，部分反射表面300作用下附加增益ΔG的分布为：

其中，Γ为电磁波垂直入射部分反射表面300时的反射系数；α为电磁波垂直入射部分反射表面300时的反射相位；θ为天线法线方向到水平面的夹角；

通过设置部分反射表面300作用下的附加增益ΔG，将其施加于微带天线阵列200作用下的辐射增益G

进一步的，对辐射阵列204中的各单元采用等幅同相的馈电方式进行馈电，匹配哑源阵列203无需馈电。

进一步的，辐射阵列204为3×3的方形微带贴片，辐射阵列204最外侧一条边上的两端的两个方形微带贴片平行向外侧延伸得到两个哑源微带贴片，哑源微带贴片和方形微带贴片之间的间距与辐射阵列的单元间距相同；两个哑源微带贴片以辐射阵列为中心旋转90°、180°和270°，共计得到八个哑源微带贴片，为匹配哑源阵列203。

进一步的，外环有限金属贴片302是四个四单元线阵组成的方环阵列，内环有限金属贴片303是2×2的方环阵列，内环有限金属贴片303位于外环有限金属贴片302的内部，两个方环阵列的边都与第二介质基板301的边平行。

更具体的，圆柱形介质支撑柱100的直径D为0.1λ～0.2λ、圆柱中心距离边缘距离d3为0.2λ～0.3λ，λ为天线在自由空间中的工作波长。

更具体的，方形微带天线阵列200中金属反射地板201、第一介质基板202与第二介质基板301为边长L相等的正方形，边长L为2.0λ～2.3λ；第一介质基板202的厚度T1为0.03λ～0.05λ；辐射阵列204与匹配哑源阵列203的阵元贴片大小相等，方形微带贴片的边长d2为0.15λ～0.2λ，阵元间距d1为0.3λ～0.5λ；第二介质基板301的厚度T2为0.01λ～0.03λ。

更具体的，内环金属贴片303的边长d7为0.06λ～0.08λ，外环金属贴片302的边长d5为0.3λ～0.5λ。

本发明的有益效果是：

本发明针对现有的幅相加权赋形技术的不足，提出了一种具有矩形平顶赋形的双极化阵列天线，工作在2510MHz～2680MHz频段。在2510MHz～2680MHz频带内可实现：E面与H面3dB波束宽度均大于70°；E面3dB到20dB的功率跌落角小于25°，H面3dB到20dB的功率跌落角小于19°；E面与H面旁瓣电平均小于20dB。本发明采用等幅同相馈电，具有重量轻、口径小、结构简单、成本低、信号覆盖范围广等优点。

附图说明

图1为本发明所述双极化阵列天线的拆分结构示意图；

图2为实施例所述天线的结构参数示意图；

图3为实施例所述天线工作在2510MHz时的二维方向图；

图4为实施例所述天线工作在2600MHz时的二维方向图；

图5为实施例所述天线工作在2680MHz时的二维方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种具有矩形平顶赋形的双极化阵列天线，其拆分结构示意图如图1所示，包括圆柱形介质支撑柱100、微带天线阵列200和部分反射表面300；

微带天线阵列200包括金属反射地板201、第一介质基板202、辐射阵列204和匹配哑源阵列203；辐射阵列204和匹配哑源阵列203位于第一介质基板202的上表面，金属反射地板201位于第一介质基板202的下表面；

辐射阵列204为3×3的方形微带贴片，辐射阵列204最外侧一条边上的两端的两个方形微带贴片平行向外侧延伸得到两个哑源微带贴片，哑源微带贴片和方形微带贴片之间的间距与辐射阵列的单元间距相同；两个哑源微带贴片以辐射阵列为中心旋转90°、180°和270°，共计得到八个哑源微带贴片，为匹配哑源阵列203；

部分反射表面300包括第二介质基板301、外环有限金属贴片302和内环有限金属贴片303；外环有限金属贴片302和内环有限金属贴片303都位于第二介质基板301的上表面；外环有限金属贴片302是四个四单元线阵组成的方环阵列，内环有限金属贴片303是2×2的方环阵列，内环有限金属贴片303位于外环有限金属贴片302的内部，两个方环阵列的边都与第二介质基板301的边平行；

四个圆柱形介质支撑柱100连接第一介质基板202和第二介质基板301，用于支撑微带天线阵列200和部分反射表面300。

本实施例所述天线的结构参数示意图如图2所示，圆柱形介质支撑柱100的直径D为0.1λ～0.2λ、圆柱中心距离边缘距离d3为0.2λ～0.3λ，λ为本实施例所述天线在自由空间中的工作波长。

方形微带天线阵列200中金属反射地板201、第一介质基板202与第二介质基板301为边长L相等的正方形，边长L为2.0λ～2.3λ。第一介质基板202的厚度T1为0.03λ～0.05λ。辐射阵列204与匹配哑源阵列203的阵元贴片大小相等，方形微带贴片的边长d2为0.15λ～0.2λ，阵元间距d1为0.3λ～0.5λ。第二介质基板301的厚度T2为0.01λ～0.03λ。

内环金属贴片303的边长d7为0.06λ～0.08λ，具有控制矩形平顶纹波大小的作用。外环金属贴片302的边长d5为0.3λ～0.5λ，具有控制3dB至20dB跌落角大小的作用。部分反射表面300中覆盖于第二介质基板301上的外环金属贴片302与内环金属贴片303之间的区域未覆盖金属贴片，具有减小旁瓣的作用。

对辐射阵列204中的各方形微带贴片采用等幅同相的馈电方式进行馈电，匹配哑源阵列203无需馈电。

本发明中引入Fabry-Perot谐振腔原理用于矩形平顶波束的赋形问题。所述的Fabry-Perot谐振腔原理中部分反射表面作用下的附加增益ΔG为：

其中，Γ为电磁波垂直入射部分反射表面300时的反射系数；α为电磁波垂直入射部分反射表面300时的反射相位；h为部分反射表面300下表面到金属反射地板201的长度；θ为天线法线方向到水平面的夹角；λ为本实施例所述天线在自由空间中的工作波长；

引入Fabry-Perot谐振腔原理用于矩形平顶波束的赋形问题。其具体思路为：

基于上式，可知增益指向为β时，部分反射表面作用下附加增益ΔG的分布为：

本实施例中，Γ为电磁波垂直入射部分反射表面300时的反射系数；α为电磁波垂直入射部分反射表面300时的反射相位；θ为天线法线方向到水平面的夹角；

通过合理设置部分反射表面覆层(即本实施例中部分反射表面300)作用下的附加增益ΔG，将其施加于辐射源(即微带天线阵列200)作用下的辐射增益G

本实施例所述天线工作在2510MHz时的二维方向图如图3所示，E面3dB波束宽度为78.2°、20dB波束宽度为127.2°、全波束±180°内旁瓣抑制为20.0dB；H面3dB波束宽度为75.1°、20dB波束宽度为111°、全波束±180°内旁瓣抑制为20.6dB。

本实施例所述天线工作在2600MHz时的二维方向图如图4所示，E面3dB波束宽度为76.5°、20dB波束宽度为121.4°、全波束±180°内旁瓣抑制为20.2dB；H面3dB波束宽度为75°、20dB波束宽度为108.6°、全波束±180°内旁瓣抑制为20.9dB。

本实施例所述天线工作在2680MHz时的二维方向图如图5所示，E面3dB波束宽度为73.5°、20dB波束宽度为118.0°、全波束±180°内旁瓣抑制为21.6dB；H面3dB波束宽度为70.9°、20dB波束宽度为105.1°、全波束±180°内旁瓣抑制为20.0dB。

本发明中首次引入Fabry-Perot谐振腔原理用于解决矩形平顶波束赋形问题的技术方案，可以根据不同的应用场景、不同的工作频段合理设置所需的3dB波束宽度。本发明对工作在2510MHz～2680MHz频段，应用于室内基站天线的矩形平顶波束赋形优选实施例进行了具体的介绍。但并不能因此理解为限制本发明的专利范围。应当指出的是，对本领域普通技术人员来讲，可以在本发明所提出的技术方案基础上轻易做出变形和改进得到其它实施例，这些实施例均属于本发明的保护范围。