低增益低旁瓣微基站天線的製作方法
2023-04-25 08:26:09 1

【技術領域】
本發明涉及蜂窩移動通信基站天線設備與技術,尤其是涉及一種低增益低旁瓣微基站天線。
背景技術:
隨著網絡部署密度不斷增大,移動通信已基本實現信號廣域連續覆蓋。然而,受限於工作頻帶和廣覆蓋區域的限制,宏蜂窩難以滿足高數據傳輸率和大系統容量的需求。相比之下,5.8g頻段帶寬寬、容量大、傳播特性好、天線尺寸小,非常適合用戶密集的局域高速數據業務。這類小微基站天線需要具備較大帶寬(5.15~5.85ghz,bw=12.73%)、寬(水平)波寬、mimo化的特點,以覆蓋較大區域、服務較多用戶,從而獲得良好的覆蓋效果和較佳的經濟性。另外,為了進一步發揮5.8g頻段高容量的優勢,將該類微基站進行超密集部署,如覆蓋區域僅數米遠。此時,天線增益要求較低,並且旁瓣電平也要儘可能低,以免幹擾到鄰近小區。這跟常規微基站高增益、大區域覆蓋的要求完全不一樣。此外,雙極化、緊湊化、低剖面、平面化也是重要的要求,以實現極化分集mimo效果和良好用戶感受。再者,要實現上述寬波束、低增益、低旁瓣的波束賦形要求,必須選用寬波束單元組陣並進行副相加權電。然而,加權後的陣列增益必定高於單元增益,而工作增益要求比單元增益還低。雖然可以降低發射機輸出功率,從而降低陣列的輻射功率,但是無法使天線對幹擾信號的接收靈敏度下降。當然,接收靈敏度下降,也會使得對有用信號的接收信噪比變差。因此,需要提供一種抗幹擾能力強、接收有用信號能力強的、寬波束、低增益、低旁瓣的微基站天線。
技術實現要素:
本發明的目的在於提供一種寬頻帶、寬波束、低增益、低旁瓣的微基站天線。
為實現本發明目的,提供以下技術方案:
本發明提供一種為蜂窩移動通信5.8g頻段設計的可密集部署的寬頻帶、定向性、寬波束、低旁瓣、低增益、低效率、小型化、低剖面、低成本的小基站或微基站天線,並為其他頻段低增益、低旁瓣定向天線的優化設計提供有效或有益的參考方法。
本發明提供一種低增益低旁瓣微基站天線,其包括地板上設置的n個排列組陣的交叉振子對;每個交叉振子對包括兩個交叉放置的下垂寬帶振子,兩個下垂寬帶振子分別印製在兩塊介質基板上;在介質基板與該下垂寬帶振子相對的另一面設有微帶線;在地板上設有兩路印製饋電網絡,分別對陣列兩子陣進行饋電;在饋電網絡輸入端設有兩級級聯威爾金森功分器,該威爾金森功分器通過各級功分支路對各陣元饋電,其中n為大於等2的自然數。
優選的,該威爾金森功分器包括前級不等功分器、中級不等功分器、末級等功分器;該前級不等功分器的其中一支路連接該中級不等功分器,該中級功分器的第一中級功分支路連接陣列的中間陣元,第二中級功分支路則後接末級等功分器;末級等功分器等分為第一末級功分支路、第二末級功分支路後,分別對陣列兩側邊緣的陣元饋電。
優選的,該末級等功分器等分為第一末級功分支路、第二末級功分支路後,然後分別延伸出第一末級延伸支路、第二末級延伸支路,然後對陣列兩側邊緣的陣元饋電。
優選的,該中級功分器的第一中級不等功分支路與末級等功分器的第二末級延伸支路垂直相交,第一中級不等功分支路通過金屬過孔,經由微帶線地平面的功分支路延伸段跨過末級等功分器的第二末級延伸支路,之後經功分支路彎折段連接中間陣元。
優選的,該前級不等功分器包括第一前級功分支路和第二前級功分支路,該第一前級功分支路端接衰減電阻,該第二前級功分支路則連接所述中級功分器。
優選的,各級功分器兩輸出支路之間接隔離電阻。
優選的,該下垂寬帶振子包括對稱設置的兩個倒l形振子臂。
優選的,該下垂寬帶振子的振子臂下部為振子豎直段,振子豎直段頂部連接振子水平段,振子水平段末端朝下延伸出振子彎折段,振子豎直段與振子水平段拐角處外側切振子斜角。
優選的,該微帶線以其中一振子臂的振子豎直段為地平面,順著其中心線方向設置,該微帶線起始段的線寬小於地平面寬度,且起始位置稍高於地平面;微帶線起始段豎直朝上延伸出微帶線豎直段,延伸至振子豎直段上部的振子斜角處後,朝振子水平段反方向延伸出微帶線水平段,且在靠近振子斜角的第一直彎處有一朝下的開路短枝節;微帶線水平段延伸至振子另一臂的振子斜角處,再朝下直彎折延伸出微帶線下垂段,並順著振子豎直段中心延伸至其中部後斷開。
優選的,兩個下垂寬帶振子中心線重合併呈90°交叉放置,構成一個±45°或h/v交叉振子對,交叉處的兩微帶線水平段上下錯開,並在其中之一介質基板的下方開設有第一互補槽,另一介質基板上方開設與第一互補槽配合的第二互補槽,第一互補槽與第二互補槽總深度等於介質基板的總高度。
優選的,該介質基板厚度、介電常數和損耗角分別為t、εr和tanδ,介質基板邊緣與該下垂寬帶振子走向基本平行。
優選的,微帶線豎直段和微帶線水平段的寬度比微帶線起始段的寬度小,微帶線下垂段的寬度比微帶線豎直段和微帶線水平段的寬度小。
對比現有技術,本發明具有以下優點:
本發明陣列饋電網絡採用威爾金森功分器,通過兩級或多級功分對陣元饋電,保證了各單元同相而不等幅饋電,從而獲得低增益和低旁瓣特性。本發明技術方案降低增益而方向圖保持不變。由增益和方向圖的關係式:g=η×d知,降低效率η,增益g即可減小。又由效率計算公式:η=pr/po知,降低輻射功率pr與發射機輸出功率po比值,即可降低天線效率η。在發射功率po不變的情況下,儘可能使輻射功率pr變小,從而降低效率η,而輻射功率pr等於輸出功率po減掉饋電損耗功率pl,即pr=po-pl。顯然,增大損耗功率pl,使得輸出功率在傳送給天線的饋電路徑中衰減掉足夠的量,即可降低比值、減小效率,從而獲得較低的增益。
本發明設計寬波束下垂pcb交叉振子單元,交叉振子對共軸組陣,雙線極化輻射。本發明在常規pcb振子的基礎上,通過將振子兩臂下垂和減小地板尺寸,實現了交叉振子天線在5.8g頻段良好的匹配(5.15~5.85ghz,vswr<2.32,bw=12.73%),寬波束(95°~133°)和±45°雙極化。然後,採用相加權饋電網絡,並對網絡進行電阻性功率衰減,使得陣列水平波寬60°~86°,豎直波寬27°~30°,帶內增益g=6.3~9.2dbi,增益波動db以內;xpd大於15db(最好達到-25db),隔離度優於-24db,前後比大於20db,sll低於-15db(最低達到-25db),效率為33.2~44.5%;剖面高度小於0.26·λc(λc為中心波長),適合容量高、密集業務場景。
另外,該方法還具有思路新穎、原理清晰、方法普適、實現簡單、低成本、適合批量生產等特點,是適合用戶密集、高容量場景的理想天線方案。另外,對於其他頻段的寬波束、低增益、低旁瓣的定向天線的設計和改進也是適用和有效的。
【附圖說明】
圖1為天線模型所採用的直角坐標系定義的示意圖。
圖2為下垂寬帶振子之一的構造模型圖。
圖3為下垂寬帶振子之二的構造模型圖。
圖4為兩個下垂寬帶振子正交放置構成的交叉振子對的模型立體圖。
圖5為兩個下垂寬帶振子正交放置構成的交叉振子對的模型俯視圖。
圖6為三單元交叉振子對共軸組陣模型的側視圖。
圖7為三單元交叉振子對陣列饋電網絡的幹路兩級級聯功分器的俯視圖。
圖8為三單元交叉振子對陣列的完整饋電網絡模型的俯視圖。
圖9為三單元交叉振子對陣列的完整饋電網絡的中間支路過孔部分的局部放大圖。
圖10為三單元交叉振子對陣列以及饋電網絡的完整模型的俯視圖。
圖11為三單元交叉振子對陣列以及饋電網絡的完整模型的側視圖。
圖12為三單元交叉振子對陣列帶饋電網絡的完整模型的正視圖。
圖13為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的輸入阻抗zin頻率特性曲線。
圖14為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的s參數曲線。
圖15為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的駐波vswr曲線。
圖16為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線在f1=5.15ghz的實增益方向圖。
圖17為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線在f2=5.50ghz的實增益方向圖。
圖18為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線在f3=5.85ghz的實增益方向圖。
圖19為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的實增益gr隨頻率f變化曲線。
圖20為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的e/h面半功率波束寬度hbpw隨頻率f變化曲線。
圖21為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的e面(豎直面)歸一化旁瓣電平sll隨頻率f變化曲線。
圖22為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的最大輻射方向的歸一化交叉極化比xpd隨頻率f變化曲線。
圖23為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的效率ηa隨頻率f變化曲線。
本文附圖是用來對本發明的進一步闡述和理解,並且構成說明書的一部分,與本發明的具體實施例一起用於解釋本發明,但並不構成對本發明的限制或限定。
【具體實施方式】
下面結合附圖給出本發明的較佳實施例,以詳細說明本發明的技術方案。需要說明的是,這裡所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明,並不用於限制或限定本發明。
本發明旨在為蜂窩移動通信5.8g頻段設計一種可密集部署的寬頻帶、定向性、寬波束、低旁瓣、低增益、低效率、小型化、低剖面、低成本的小基站或微基站天線,並為其他頻段低增益、低旁瓣定向天線的優化設計提供有效或有益的參考方法。
請參閱圖1~12,本發明通過如下方法構造所述低增益低旁瓣微基站天線:
步驟一,建立空間直角坐標系,見圖1;
步驟二,構造下垂寬帶振子。首先,在xoz/yoz平面,順著+z軸方向構造一倒l形片,其下部為振子豎直段10、30,振子豎直段頂部連接振子水平段11、31,振子水平段末端朝下延伸出振子彎折段12、32;振子豎直段與振子水平段拐角處外側切振子斜角13、33,構成振子的一臂;然後,將倒l形片以z軸為對稱軸左右鏡像複製,得到振子的另一臂,所構造得到下垂寬帶振子,振子兩臂對稱,兩臂底端共同短路到地平面,如圖2和圖3所示;
步驟三,設置振子襯底基板。在步驟二的下垂寬帶振子一側,設置一層厚度、介電常數和損耗角分別為t、εr和tanδ的介質基板80、90,介質基板(pcb板)邊緣與振子走向基本平行,見圖2和圖3;
步驟四,構造微帶饋電巴侖饋電。以步驟二下垂寬帶振子的一臂的振子豎直段10、30為地平面,在介質基板80、90另一面順著其中心線方向設置一條微帶線,微帶線起始段20、40的線寬小於地平面寬度,且起始位置稍高於地平面,微帶線起始段20、40豎直朝上延伸出微帶線豎直段21、41,延伸至振子豎直段10、30上部的振子斜角13、33處後,朝振子水平段11、31反方向延伸出微帶線水平段23、43,且在靠近振子斜角13、33的第一直彎處有一朝下的開路短枝節22、42,微帶線水平段23、43延伸至振子另一臂的振子斜角13、33處,再朝下直彎折延伸出微帶線下垂段24、44,並順著振子豎直段10、30中心延伸至其中部後斷開;微帶線豎直段21、41和微帶線水平段23、43的寬度比微帶線起始段20、40的寬度小,微帶線下垂段24、44的寬度比微帶線豎直段21、41和微帶線水平段23、43的寬度小,因此微帶線是由長寬不等的三節變換段級聯而成,見圖2、圖3和圖4,該微帶饋電巴倫高度約四分之一波長;
步驟五,兩下垂寬帶振子組成交叉振子對。將上述步驟的兩個下垂寬帶振子,中心線重合併呈90°交叉放置,構成一個±45°或h/v交叉振子對。為避免兩振子相交影響,交叉處的兩微帶線水平段23、43上下錯開,並在其中之一pcb板80的下方開設有第一互補槽81,另一pcb板90上方開設與第一互補槽81配合的第二互補槽91,第一互補槽81與第二互補槽91總深度等於pcb板的總高度,見圖2~圖5;
步驟六,交叉振子對組陣。將步驟五的交叉振子對,作為一個基本輻射單元排成直線陣或平面陣,然後,在陣列底部設置一層金屬地板100,並在地板100正面或背面設計兩路印製饋電網絡,分別對陣列兩正交極化子陣進行饋電,見圖6的部分100;
步驟七,設計功分衰減網絡。在步驟六的饋電網絡輸入端,設計一個兩級級聯的威爾金森功分器;威爾金森功分器的前級功分器201為不等分功分器,包括第一前級功分支路211端接一衰減電阻216rl,第二前級功分支路212則連接中級功分器202;中級功分器202為不等分功分器,包括第一中級功分支路203連接陣列的中間陣元,第二中級功分支路204則後接末級等功分器303;末級等功分器303等分為第一末級功分支路331、第二末級功分支路332後,然後分別延伸出第一末級延伸支路401、第二末級延伸支路402對陣列兩側邊緣的陣元饋電;中級功分器202的第一中級功分支路203與末級等功分器303的第二末級延伸支路402垂直相交,為避免兩者電氣連接,第一中級功分支路203通過金屬過孔431,經由微帶線地平面的功分支路延伸段432跨過末級等功分器303的第二末級延伸支路402,之後經功分支路彎折段403連接中間陣元;各級功分器兩輸出支路之間接隔離電阻ri205、206、333,見圖7~圖10;
步驟八,連接饋電電纜。在步驟七的功分衰減網絡的總輸入端200處,連接一根50ω同軸電纜,電纜內外導體分別連接微帶線總輸入端200和地平面100,見圖11、12,圖12中功分板信號層為112、介質層為111、地平面為100。
在本實施例中,由上述方法所構造的低增益低旁瓣微基站天線,包括在金屬地板100上設置的三個排列組陣的交叉振子對,每個交叉振子對包括兩個交叉放置的下垂寬帶振子,兩個下垂寬帶振子分別印製在介質基板80、90上,在介質基板80、90與該下垂寬帶振子相對的另一面設有微帶線,在地板100上設有兩路印製饋電網絡,分別對陣列兩子陣進行饋電,在饋電網絡輸入端設有兩級級聯威爾金森功分器,該威爾金森功分器通過各級功分支路對各陣元饋電。
請參閱圖2~6,該下垂寬帶振子包括對稱設置的兩個倒l形振子臂。該下垂寬帶振子的振子臂下部為振子豎直段10、30,振子豎直段頂部連接振子水平段11、31,振子水平段末端朝下延伸出振子彎折段12、32,振子豎直段與振子水平段拐角處外側切振子斜角13、33。振子彎折段12、32與振子水平段11、31之間的彎折角度為90°~180°。
兩個倒l形振子臂印製在介質基板80、90上,該介質基板80、90厚度、介電常數和損耗角分別為t、εr和tanδ,一般選用介電常數εr=1~20的介質基板材,該介質基板邊緣與該下垂寬帶振子外輪廓走向基本平行。
在介質基板80、90與該下垂寬帶振子相對的另一面設有微帶線,該微帶線以其中一振子臂的振子豎直段10、30為地平面,順著其中心線方向設置,該微帶線起始段20、40的線寬小於地平面寬度,且起始位置稍高於地平面,微帶線起始段20、40豎直朝上延伸出微帶線豎直段21、41,延伸至振子豎直段10、30上部的振子斜角13、33處後,朝振子水平段11、31反方向延伸出微帶線水平段23、43,且在靠近振子斜角13、33的第一直彎處有一朝下的開路短枝節22、42,微帶線水平段23、43延伸至振子另一臂的振子斜角13、33處,再朝下直彎折延伸出微帶線下垂段24、44,並順著振子豎直段10、30中心延伸至其中部後斷開。其中,微帶線豎直段21、41和微帶線水平段23、43的寬度比微帶線起始段20、40的寬度小,微帶線下垂段24、44的寬度比微帶線豎直段21、41和微帶線水平段23、43的寬度小。
兩個下垂寬帶振子中心線重合併呈90°交叉放置,構成一個±45°或h/v交叉振子對,交叉處的兩微帶線水平段23、43上下錯開,並在其中之一pcb板80的下方開設有第一互補槽81,另一pcb板90上方開設與第一互補槽81配合的第二互補槽91,第一互補槽81與第二互補槽91總深度等於pcb板的總高度。
該威爾金森功分器包括至少兩級級聯的不等分威爾金森功分器和單級威爾金森等功分器,級聯數目根據具體陣元數目來定。
請參閱圖7~11,具體的,該威爾金森功分器包括前級功分器201、中級功分器202、末級等功分器303,該前級功分器201為不等分功分器,其第一前級功分支路211端接一衰減電阻rl,第二前級功分支路212則連接中級功分器202;該中級功分器202為不等分功分器,其分出第一中級功分支路203連接陣列的中間陣元,第二中級功分支路204則後接末級等功分器303;該末級等功分器303等分為第一末級功分支路331、第二末級功分支路332,然後分別對應延伸出第一末級延伸支路401、第二末級延伸支路402,然後分別對陣列兩側邊緣的陣元饋電。
如圖9所示,該中級功分器202的第一中級功分支路203與末級等功分器303的第二末級延伸支路402垂直相交,第一中級功分支路203從一側金屬過孔431穿下,經由微帶線地平面的功分支路延伸段432跨過末級等功分器303的第二末級延伸支路402,再從另一側金屬過孔431穿上,之後經功分支路彎折段403連接中間陣元。
第一前級功分支路211和第二前級功分支路212之間接隔離電阻206,第一中級功分支路203和第二中級功分支路204之間接隔離電阻205,第一末級功分支路331和第二末級功分支路332之間接隔離電阻333。
在本實施例中,三個所述交叉振子對排成直線陣,由所述威爾金森功分器饋電網絡進行饋電。在另外的實施例中,多組這樣的直線陣排布在金屬地板100上,每組交叉振子直線陣的陣元分別由所述威爾金森功分器饋電網絡進行饋電。饋電網絡的總輸入200端連接50ω饋電同軸電纜。
在另外的實施例中,每組天線陣包括三個以上陣元,則所述威爾金森功分器級聯相應變化,例如四個陣元時,所述威爾金森功分器包括級聯的前級不等分功分器、中級等功分器、末級等功分器,由中級等功分器、末級等功分器所分出的支路分別對四個陣元饋電。例如五個陣元時,所述威爾金森功分器包括級聯的前級不等分功分器、第一中級不等分功分器、第二中級不等分功分器、第一末級等功分器、第二末級等功分器,該第一中級不等分功分器其中一個支路連接其中第一末級等功分器,對兩個陣元饋電,該第一中級不等分功分器另一個支路連接第二中級不等分功分器,該第二中級不等分功分器其中一個支路對第三個陣元饋電,該第二中級不等分功分器另一個支路連接第二末級等功分器,該第二末級等功分器所分出的支路分別對剩下的兩個陣元饋電。如此類推,根據實際陣元情況設置威爾金森功分器。
本發明實施例可以體現出其積極進步效果在於:一、設計寬波束下垂pcb交叉振子單元;二、交叉振子沿45°角共軸組陣,構成±45°雙線極化輻射;三、陣列饋電網絡採用三級威爾金森功分器,第一級支路附加衰減電阻;四、第二級功分,一路直接對中間單元饋電,另一路則後接一個等功分器後再對兩側單元饋電,保證了三單元同相而不等幅饋電,從而獲得低增益和低旁瓣特性。本發明實現了三單元陣列在5.8g頻段寬帶工作(5.15~5.85ghz,vswr<2.32,bw=12.73%),水平波寬60°~86°,豎直波寬27°~30°,帶內增益g=6.3~9.2dbi,增益波動3db以內;xpd大於15db(最好達到-25db),隔離度優於-24db,前後比大於20db,sll低於-15db(最低達到-25db),效率為33.2~44.5%;剖面高度小於0.26·λc(λc為中心波長),達到了設計目標。
具體數據可參考圖13~23:
圖13為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的輸入阻抗zin頻率特性曲線。其中,橫軸(x軸)是頻率f,單位為ghz;縱軸(y軸)是輸入阻抗zin,單位為ω;實線表示振子#1,虛線表示振子#2;光滑線表示實部rin,點線表示虛部xin。
圖14為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的s參數曲線。其中,橫軸(x軸)是頻率f,單位為ghz;縱軸(y軸)是s參數的幅度|sij|,單位為db;實線為+45°極化|s11|,虛線為-45°極化|s22|,點線為兩埠隔離度|s21|。由圖知,陣列天線在5.8g頻段(5.15~5.85ghz,bw=700mhz,12.73%)實現了良好的阻抗匹配(|s11|≤~8.5db),實現了寬帶工作,兩埠隔離度|s21|<~24db。
圖15為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的駐波vswr曲線。其中,橫軸(x軸)是頻率f,單位為ghz;縱軸(y軸)是駐波vswr;實線表示+45°極化,虛線表示-45°極化。由圖知,陣列天線在5.8g頻段(5.15~5.85ghz,bw=700mhz,12.73%)實現了良好的阻抗匹配(vswr≤2.22),實現了寬帶工作。
圖16為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線在f1=5.15ghz的實增益方向圖。其中,圖中實線表示水平面(phi=0°,h-面,xoz平面),虛線表示豎直面(phi=90°,e-面,yoz平面)。由圖知,該頻點水平波寬hpbw=59.18°,豎直波寬hpbw=27.12°,實增益gr=8.05dbi。
圖17為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線在f2=5.50ghz的實增益方向圖。其中,圖中實線表示水平面(phi=0°,h-面,xoz平面),虛線表示豎直面(phi=90°,e-面,yoz平面)。由圖知,該頻點水平波寬hpbw=77.5°,豎直波寬hpbw=27.52°,實增益gr=7.93dbi。
圖18為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線在f3=5.85ghz的實增益方向圖。其中,圖中實線表示水平面(phi=0°,h-面,xoz平面),虛線表示豎直面(phi=90°,e-面,yoz平面)。由圖知,該頻點水平波寬hpbw=85.34°,豎直波寬hpbw=30.4°,實增益gr=6.42dbi。
圖19為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的實增益gr隨頻率f變化曲線。由圖知,在整個5.8g頻段,天線實增益gr變化範圍為:6.3~9.2dbi。
圖20為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的e/h面半功率波束寬度hbpw隨頻率f變化曲線。由圖知,在5.8g頻段,e/h面半功率波束寬度分別為:hpbw=27~30°、60~86°。
圖21為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的e面(豎直面)歸一化旁瓣電平sll隨頻率f變化曲線。由圖知,在5.8g頻段,e面(豎直面)上下兩側的歸一化旁瓣電平sll的變化範圍為:-14~-25db,滿足低旁瓣的要求。
圖22為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的最大輻射方向的歸一化交叉極化比xpd隨頻率f變化曲線。由圖知,在5.8g頻段,主瓣歸一化xpd的變化範圍為:-14.6~-24.8db。
圖23為三單元pcb印製交叉振子對陣列天線的效率ηa隨頻率f變化曲線。由圖知,在5.8g頻段,天線效率變化範圍為33.2%~44.5%,可見饋電網絡的功分衰減器起到了良好的功率衰減作用。
以上僅為本發明的優選實例而已,並不用於限制或限定本發明。對於本領域的研究或技術人員來說,本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明所聲明的保護範圍之內。