一种低剖面高增益分形小型基站天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种蜂窝移动通信基站天线设备技术领域，特别是涉及一种低剖面高 增益分形小型基站天线。
【背景技术】
[0002] 基站天线是蜂窝移动通信系统中用户与网络连接的空中接口，因此是整个系统最 关键的部件之一，它的性能优劣直接决定通信质量的好坏。目前，基站天线按应用场合分为 两类；一类是室外大型宏基站天线，其特点是频带宽、阵元数多、增益高、波束精确赋形、功 率容量大，适合于大范围、用户稀疏的场合覆盖；另一类是小型基站天线，其特点是频带窄、 阵元数较少、增益较低、波束粗略赋形、功率容量较小，适合局部补盲覆盖或用户密集的"热 点"区域覆盖。由此可见，这里的小型基站天线是指阵元数目少、阵列规模小，而非特指阵列 物理尺寸小。当然，小型基站天线的尺寸客观上是比较小的。
[0003] 随着用户高速数据业务的持续增长，在频谱资源十分有限的情况下，通过增加基 站密度、提高频谱复用程度便可实现高速通信。目前大部分数据通信是在室内场合进行，如 办公室、住宅、地铁站、商场、教室、图书馆、候车室、候机楼等。宏基站由于覆盖范围广、用户 数量多、频谱有限，不适合在人口密集场所部署，即便采用了诸如LTE-FDD、LTE-TDD和MMO 等新技术，也难以让大量用户同时获得很高网络速率。而且，宏基站覆盖深度不够，尤其是 在小区边缘，信号强度明显减弱，链路信噪比下降，造成用户体验大大下降。在此背景下，小 型蜂窝移动通信基站便应运而生。它可看成是室外宏基站的小型版引入楼宇内进行密集部 署。这必将为小型基站天线的发展带来巨大机遇。同时，室内复杂的传播环境及严苛的外 形要求也给小型基站天线的设计带来了严峻的挑战。小型基站天线的主要性能指标有：带 宽（BW)、驻波比（VSWR)、方向性（D)、增益（G)、半功率波束宽度（HPBW)、交叉极化（XPD)、前 后向比（FTBR)、旁瓣电平（SLL)、效率（n A)、等效全向辐射功率（EIRP)和有效辐射功率比 pJPER/PT);外形要则要低剖面、轻薄化、小型化、低可见、与环境相融等。
[0004] 事实上，等效全向辐射功率是阵列天线设计中的一项重要但常被忽略的指标。 EIRP表示相对于某天线在其最大辐射方向上的功率密度Pd，假定的理想点源要在该方 向产生相同的辐射功率密度P d时发射机应输出的功率P τ，计算公式为：EIRP(dBW)= [PT(dBW)-Lt (dBW)] XGt(dBi)。Pt表示发射功率，Lt表示天馈系统总损耗，G t为天线增益。 由上式知，EIRP将发射功率Pt和天线增益G τ两个重要指标关联起来了，它能衡量单独的增 益和效率指标所无法表征的天线性能特征。增益Gt表示在同发射功率P τ条件下，天线在目 标方向的辐射功率密度？4与假定它均匀辐射时在该方向产生的功率密度之比，其本质是反 映辐射功率P r在天线周围空间各个方向的分布差异状况，跟发射功率P τ大小并无关系，显 然，若要获得相同功率密度，则均匀辐射时功率要大到EIRP才行。效率ηΑ则表示辐射功 率P r与发射功率P τ的比值，其意义是体现发射功率中有多少功率被天线辐射了，与辐射功 率Pr大小及空间分布无关。由于发射功率中仅部分转变成辐射功率，而辐射功率中又只有 部分集中于目标区域即主瓣宽度内，形成有效信号辐射功率P ER;其他部分则注入旁瓣和后 瓣，形成有害干扰辐射功率Pir。显然，目标辐射区域内（HPBW)的有效辐射功率Per占总发 射功率Pt的比例这一指标十分重要。然而，增益和效率都无法表征这一特征，但EIRP却可 间接表示之：当发射功率PjP总损耗L τ-定时，EIRP越大，说明增益Gt越高，天线越好；当 EIRP -定时，发射功率Pt越小，则增益G τ越高，天线越好。在这两种情形下，还需要考察有 效辐射功率Per及它与发射功率P τ之比P ^
[0005] 以上各物理量有如下关系式：
[0006] Pt= L T+PR (1)
[0007] Pr=P ER+PIR (2)
[0008]
[0009] (3)式中，?Τ(§，φ):表示均匀辐射功率密度，它等于辐射功率PR与整个球面积之 比：
[0010]
[0011] Pr= n a * Pt (5)
[0012] 其中，R为远场球面半径。
[0013] 由以上各式得：
[0014]
_5] 由式（6)知，总发射功率Pt包括总损耗Lt功率、旁瓣/后瓣干扰辐射功率P IR和主 瓣有效辐射功率Per三部分；Ω A表示主瓣波束立体角。由于主瓣波束边缘形状常不规则，故 用E/Η面半功率波束宽度Θ HPBW或_願聚无法计算得到Per。式（6)表明，理想情况下即 Lt= 0、n A= 1时，总发射功率Pt全部转换成了辐射功率Pr= P IR+PER。可见，干扰功率Pir 越小，则有效功率Per越大，反之亦然。{汰的表示增益函数，它可用主瓣E/Η面波束包 络形状示意图描述。
[0016] 由图1知，当主瓣包络曲线为外虚线圆弧时，表示辐射功率密度Pd在整个HPBW内 与最大方向相同，这是大多数天线的理想主瓣方向图，意味着有效福射功率P er最大；而当 主瓣包络为内虚线弦时，表示辐射功率密度Pd自最大辐射方向往两侧的HPBW边缘线性下 降至一半，这是最差的主瓣形状，意味着有效辐射功率P er最小。实际中，大部分天线的主瓣 形状包络介于两者之间。事实上，公式（6)用于表征阵列天线性能最有效。此时，Θ ΗΡΒ#Ρ Phpbw中的一个或两个将同时减小。这意味着，阵元的有效辐射功率Per与总发射功率P τ 的比值要比单元情形时低得多，阵元仅有很少一部分功率转化成了阵列主瓣中的有效辐 射功率，大部分功率则转变为了旁瓣和后瓣，形成严重的干扰，而且这个比例随阵列规模、 增益增大而显著下降，尽管此时效率可能较高。阵列天线原理是利用各阵元的空间位置不 同，使它们的辐射功率在远场空间不同方位实现完全同相叠加、不完全同相叠加或反相完 全相消，从而形成主瓣高增益、旁瓣较低增益及零点极低增益。在阵元数较多的大型阵列 中，可完全同相叠加的空间角域是相当小的，而大部分区域则不完全同相叠加，从而形成旁 瓣和后瓣，而且阵元数越多，旁瓣数也越多。综合以上分析知，阵列天线的有效全向辐射功 率（EIRP)很高、有效辐射功率比^很低、效率n A并不高。相比之下，依靠独特几何特性获 得高增益的抛物面天线的有效功率比P JIj很高。
[0017] 目前，室外宏基站所用的大型板状天线通常采用多对交叉振子组阵来实现高增益 和波束赋形，其最受关注的技术指标包括：带宽（BW)、驻波比（VSWR)、E/Η面半功率波束宽 度（HPBW)、方向性（D)、增益（G)、旁瓣电平（SLL)、零点位置（Null)、前后向比（FTBR)、交叉 极化电平（XPD)和互调（P頂）等，而对于天线性能来说极为重要的EIRP和p e指标，这里却 成了无关紧要的因素。由此可见，目前大型基站天线设计的基本理念是：采用足够数量的振 子单元来实现所需的高增益和方向性即可，而对于实现这一目标的能量转换效率却并不关 心。事实上，这种阵列天线尽管匹配的很好（VSWR < 2.0)，但其整体效率并不高，一般ru 仅为60% -70%，这意味着发射机输出功率Pt中仅有60% -70%被转化为辐射功率Pr，其 他则为端口反射和天线损耗功率部分，而有效辐射功率比Pjlj远低于这一值。数量庞大的 基站天线，由于其能效利用率低，不仅造成了能量的巨大浪费，也构成了有害电磁干扰，这 与今后基站节能高效、绿色环保的发展的趋势不符。
[0018] 综上所述，基站天线性能的进一步提升，除了要满足常规指标外，还得减小有效全 向辐射功率EIRP和提高有效辐射功率Kp e。在提升效率nA的同时，尽可能增加有效辐射 功率比IV以使主瓣波束内的辐射功率密度尽可能地大。鉴于高增益、高效率、高有效功率 比、低剖面、小尺寸的基站天线将是移动通信工程应用中的一类重要天线，如何提升其性能 便成为基站天线研究领域中的一个崭新方向。
【发明内容】
[0019] 本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种宽波束、高增益、高效 率、高交叉极化比、高前后向比和高隔离度的低剖面高增益分形小型基站天线，为大型宏基 站天线优化设计提供有效的参考方法。
[0020] 本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种低剖面高增益分形小型基 站天线，其特征在于，它包括天线罩、反射板组合体、衬底基板、金属隔板阵、印刷有天线振 子的介质基板以及与天线振子连接的馈电同轴馈线，介质基板固定于衬底基板上，衬底基 板、金属隔板阵设置在反射板组合体上；
[0021] 天线振子包括左右、上下均对称的四