本发明涉及移动通信领域，特别是关于一种加载菲涅尔透镜的双频基站天线及其辐射模式控制方法。
背景技术：
：伴随着移动通信技术的发展，目前正面临着2G，3G，LTE多制式并存的局面。为了节约成本，减小空间占用率，提高系统性能，在目前多制式并存和向5G迈进的技术需求下，基站天线需要工作在双频或者多频状态，并且要在宽频范围内保证基站天线的波束宽度收敛性，进而避免因波束宽度的过大差异，出现覆盖重叠和覆盖盲区，导致系统容量损失。基站天线的水平面波束收敛性是指天线的半功率波束宽度随着频率变化体现的波动性。波动越小表明收敛性越好，能提供稳定的网络覆盖性能，所以对基站天线的性能指标提出了更高的要求。介质加载是一种能有效地独立优化基站天线各个子阵列辐射方向图的有效技术。特定介电常数的低损耗介质材料可以存储电磁波能量，正是利用这一原理，在天线的周围加载介质可以相对地改变天线的辐射特性，从而达到宽频带内波束收敛的效果。在将波束收敛的同时，可以增大天线辐射增益，从而提高天线辐射效率。目前常用介质加载技术或在天线上直接加载，或在天线附近加载某些元件或网络，通过改变天线中电流的分布来改善天线的性能。然而，现有介质加载技术往往只能实现单一频点半功率波束宽度收敛，提高天线增益。而在目前多种移动通信制式并存情况下是远远不够的。现阶段基站天线工作在双频甚至多频状态，因此需要在基站天线在频段内各频点半功率波束宽度均收敛至固定角度(65°、120°)，才能在蜂窝组网过程中避免覆盖重叠和覆盖盲区，提供稳定的网络覆盖性能。而且，目前介质加载技术在实现收敛、提高增益的同时，不可避免的会增大驻波比，从而降低了天线的工作带宽。技术实现要素：针对上述问题，本发明的目的是提供一种加载菲涅尔透镜的双频基站天线及其辐射模式控制方法，能够有效提高天线增益，同时将双频基站天线大带宽范围内波束宽度收敛至相同角度。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种加载菲涅尔透镜的双频基站天线辐射模式控制方法，其特征在于包括以下步骤：根据移动通信宽频带需求，选取移动通信双频基站天线单元结构；根据双频基站天线单元结构各频点初始半功率波束宽度及波束收敛目标，依据斯涅耳定律，选取具有适当介电常数的介质材料；根据确定的双频基站天线单元结构的辐射波长，设计具有波束收敛功能的普通凸透镜；根据选取的介质材料，设计与所述普通凸透镜具有相同功能的菲涅尔透镜，作为介质加载透镜加载至所述双频基站天线单元辐射方向的远场区。设计具有波束收敛功能的普通凸透镜的方法为：首先根据不同频率电磁波通过介质透镜折射角度的不同，选取与双频基站天线电磁波长度相匹配的普通凸透镜；然后，在电磁仿真软件中建立模型，通过支撑结构，将普通凸透镜加载至双频基站天线辐射方向上的远场区；最后，对普通凸透镜的曲面曲率以及普通凸透镜距离双频基站天线的距离进行仿真优化，直到双频基站天线各频点半功率波束宽度收敛至目标宽度，得到最优值。一种加载菲涅尔透镜的双频基站天线，其特征在于：其包括宽带双频偶极子基站天线和菲涅尔介质透镜；所述基站天线包括反射板，垂向设置在所述反射板上的介质基片以及固定设置在所述介质基片上的天线模块；所述天线模块包括设置在所述介质基片一侧的正面贴片，固定设置在所述介质基片另一侧的背面贴片，所述正面贴片和背面贴片通过平行微带线串联连接后与所述介质基片底部的矩形微带实现同轴线馈电；所述正面贴片或背面贴片的上部还设置有一耦合振子；所述菲涅尔介质透镜加载在所述基站天线正上方，位于所述基站天线的辐射方向路径上。所述正面贴片和背面贴片互为对称，均包括由上向下依次并排间隔设置的低频段带状振子、第一高频段带状阵子和第二高频段带状振子，且所述低频段带状振子、第一高频段带状振子和第二高频段带状振子通过所述平行微带线串联连接，并通过设置在所述介质基片最下端的矩形微带实现同轴线馈电；所述低频段带状振子与第一、第二高频段带状振子处于所述平行微带线的两侧，所述第一、第二高频段带状振子处于所述平行微带线的同侧。所述低频段带状振子的长度大于第一、第二高频段带状振子，所述第一高频段带状振子的长度小于第二高频段带状振子。所述菲涅尔介质透镜距离所述基站天线正上方的距离为44mm。所述菲涅尔透镜采用介电常数为2.25的聚乙烯介质制作。所述菲涅尔透镜包括平面基底，所述基底顶部由内向外依次设置若干圈环形镜面单元，各所述环形镜面单元由直角三角形绕基底中心旋转而成，且各所述环形镜面单元相互连接并排列成阵列状。所述菲涅尔介质透镜基底直径与基底顶部最外圈环形镜面单元的直径相同，基底厚度为4mm。所述菲涅尔介质透镜上表面各所述环形镜面单元的高度h均为14mm，直径由小到大依次为76mm、152mm、228mm、304mm。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在双频基站天线外加载菲涅尔介质透镜，在不影响基站天线工作频带的前提下，既提高天线增益，又可以将双频基站天线大带宽范围内波束宽度收敛至相同角度；2、本发明菲涅尔介质透镜减少了电磁波在介质中传播路径，可以更好的提高天线增益；3、本发明菲涅尔介质透镜的结构相对于已有凸透镜结构加载介质，可以大大减小加载介质材料，减轻加载介质质量，而且本发明中菲涅尔介质透镜上各圈镜面单元由直角三角形绕基底中心旋转围成，加工简单。本发明可以使得双频基站天线在工作频带各频点波束宽度收敛，便于蜂窝移动通信基站天线组网，可以广泛应用于移动通信领域。附图说明图1是本发明实施例加载菲涅尔介质透镜基站天线结构图；图2是本发明实施例菲涅尔透镜俯视图；图3是本发明实施例菲涅尔透镜侧视图；图4是本发明实施例加载菲涅尔介质透镜前后双频印刷基站天线S参数仿真结果；图5是本发明实施例未加载菲涅尔介质透镜时双频印刷基站天线辐射方向图；图6是本发明实施例加载菲涅尔介质透镜后双频印刷基站天线辐射方向图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。和光类似，电磁波的折射只发生在介质的交界面，传统凸透镜结构加载介质较厚，电磁波在介质中直线传播的部分会使得电磁波衰减。如果可以去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能在省下大量材料的同时达到相同的收敛效果。将菲涅尔透镜加载在设计好的基站天线外部、辐射方向路径上，通过调整距离和菲涅尔透镜形状，将天线放置于透镜焦点附近，即可实现双频天线频带内半功率波束宽度收敛至相同角度。如图1所示，本发明提供的一种加载菲涅尔透镜的双频基站天线，其包括宽带双频偶极子基站天线1和菲涅尔介质透镜2。其中，基站天线1包括反射板11，垂向设置在反射板11上的介质基片12以及固定设置在介质基片12上的天线模块13；天线模块13包括设置在介质基片12一侧(前表面)的正面贴片131以及固定设置在介质基片12另一侧(后表面)的背面贴片132，正面贴片131和背面贴片132通过平行微带线133串联连接后与设置在介质基片12底部的矩形微带134相连实现同轴线馈电；正面贴片131或背面贴片132的上部还设置有一耦合振子135。菲涅尔介质透镜2加载在基站天线1正上方，位于基站天线1的辐射方向路径上。正面贴片131和背面贴片132互为对称，均包括由上向下依次并排间隔设置的低频段带状振子、第一高频段带状阵子和第二高频段带状振子，且低频段带状振子、第一高频段带状振子和第二高频段带状振子通过平行微带线133串联连接，并通过设置在介质基片12最下端的矩形微带134实现同轴线馈电。其中，低频段带状振子与第一、第二高频段带状振子处于平行微带线133的两侧，第一、第二高频段带状振子处于平行微带线133的同侧。如图2、图3所示，菲涅尔介质透镜2包括平面基底21，基底21顶部由内向外依次设置若干圈环形镜面单元22，各环形镜面单元22由直角三角形绕基底21中心旋转而成，且各镜面单元22相互连接并排列成阵列状。作为一个优选的实施例，低频段带状振子的长度大于第一、第二高频段带状振子，第一高频段带状振子的长度小于第二高频段带状振子。作为一个优选的实施例，低频段带状振子与耦合振子135之间的间隔为4mm。作为一个优选的实施例，介质基片12采用厚度为2mm，长为134mm，宽为144mm，相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯板。作为一个优选的实施例，平行微带线133是指两条宽度为2mm的宽面耦合带线，特性阻抗为Z0，相对有效介电常数为εeff。作为一个优选的实施例，低频段带状振子的两臂端部向下方弯折90度，以便能减小排阵间距从而缩小整个阵列长度，进而减小天线尺寸。作为一个优选的实施例，耦合振子135也可以分别设置在介质基片12两面，且位于介质基片12两面的耦合振子135的端部通过金属过孔连接。通过调整耦合振子135的半波振子在金属过孔位置重叠的长度，可以对低频段的带宽范围进行调节，以得到更大的低频段带宽。作为一个优选的实施例，菲涅尔介质透镜2距离宽带双频基站天线1正上方的距离d为44mm。作为一个优选的实施例，菲涅尔介质透镜2采用介电常数为2.25的聚乙烯介质制作。作为一个优选的实施例，菲涅尔介质透镜2基底21直径与基底21顶部最外圈镜面单元22的直径相同，基底21厚度h为4mm。作为一个优选的实施例，菲涅尔介质透镜2上表面各圈环形镜面单元22的高度h1均为14mm，直径由小到大依次为76mm、152mm、228mm、304mm，即形成各圈环形镜面单元的直角三角形的高度h1为14mm，宽w1为38mm。基于上述加载菲涅尔透镜的双频基站天线，本发明还提供一种加载菲涅尔透镜的双频基站天线辐射模式控制方法，包括以下步骤：1)设计双频天线：根据移动通信宽频带需求，选取合适的移动通信双频基站天线单元结构。2)选择合适的材料进行透镜设计：根据双频基站天线各频点初始半功率波束宽度及波束收敛目标，依据斯涅耳定律(即介电常数越大，介质对电磁场折射效应越大，波束收敛越明显)，选取具有适当介电常数的介质材料，如玻璃、聚四氟乙烯、FR4等。3)设计具有波束收敛功能的介质加载透镜：与光学色散原理类似，电磁波通过介质透镜时，不同频率的电磁波折射角度不同。据此选取普通凸透镜结构，在电磁仿真软件中建立模型，通过支撑结构，加载至双频基站天线辐射方向上、远场区。仿真优化普通凸透镜曲面曲率及透镜与天线距离，实现双频基站天线各频点半功率波束宽度收敛至目标宽度。4)设计与上述普通透镜具有相同功能的菲涅尔透镜：为了进一步减小加载介质透镜体积及成本，依据步骤2)确定的普通凸透镜的曲率，设计具有相近斜率的等腰直角三角形组成的菲涅尔结构介质透镜，选取适当的菲涅尔环数。由于等腰直角三角形模拟凸透镜曲面带来的误差，需在电磁仿真软件中微调等腰直角三角形斜率进行优化，实现辐射模式控制。为了便于仿真建模，本例菲涅尔环数为四，依据实际需求可适当增大菲涅尔环数，进一步减小菲涅尔透镜厚度。实施例1本实施例中采用的基站天线的反射板材质为Aluminum，介质基板选取介电系数为2.65的Teflon。天线工作频带为690-1020MHz、1700-2700MHz，覆盖了当前所有移动通信制式的工作频段。由于该双频基站天线的辐射方向由反射板指向耦合振子(如图1所示)，故在此方向上、天线外部加载菲涅尔介质透镜。菲涅尔透镜与天线介质基片上沿距离d为44mm。其基本原理与光线经过透镜产生汇聚、色散的特性相同，天线放置于菲涅尔透镜焦点附近，电磁波在传播方向上经过菲涅尔透镜后，各频点波束宽度可以收敛至相同角度。如图4所示，为加载菲涅尔介质透镜前后双频基站天线的S参数仿真结果，可以看出加载菲涅尔介质透镜后，对天线工作频带影响不大。如图5、图6所示，选定中国移动部分制式工作频段内频点进行波束宽度仿真分析，高低频段分别选取两个频点，具体为GSM900上行907MHz、GSM900下行952MHz、4G上行1885MHz和3G下行2015MHz。未加载透镜时双频基站天线4个频点H面辐射方向图如图5所示，加载菲涅尔透镜后双频基站天线4个频点H面辐射方向图如图6所示。可以看出，加载菲涅尔介质透镜后，天线H面辐射方向图收敛性明显优于加载前。加载前后半功率波束宽度及辐射增益如表1所示。通过表中数据对比，可以明显看出加载后各频点增益均较加载前有了明显提高，且半功率波束宽度波动由波动范围由Δ43°收敛至Δ7°，基站天线工作带宽内四个频点波束宽度波动明显降低，实现了波束收敛的目的，为基站天线蜂窝组网提供基础。表1加载前后半功率波束宽度仿真结果对比频点增益dB(前/后)半功率波束宽度(前/后)907MHz/GSM900上行6.60/7.38132/118952MHz/GSM900下行6.23/7.25136/1231885MHz/4G下行5.19/8.04159/1252015MHz/3G下行4.62/7.59175/120上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。当前第1页1 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