低增益低旁瓣微基站天线的制作方法

【技术领域】

本发明涉及蜂窝移动通信基站天线设备与技术，尤其是涉及一种低增益低旁瓣微基站天线。

背景技术：

随着网络部署密度不断增大，移动通信已基本实现信号广域连续覆盖。然而，受限于工作频带和广覆盖区域的限制，宏蜂窝难以满足高数据传输率和大系统容量的需求。相比之下，5.8g频段带宽宽、容量大、传播特性好、天线尺寸小，非常适合用户密集的局域高速数据业务。这类小微基站天线需要具备较大带宽(5.15～5.85ghz，bw＝12.73％)、宽(水平)波宽、mimo化的特点，以覆盖较大区域、服务较多用户，从而获得良好的覆盖效果和较佳的经济性。另外，为了进一步发挥5.8g频段高容量的优势，将该类微基站进行超密集部署，如覆盖区域仅数米远。此时，天线增益要求较低，并且旁瓣电平也要尽可能低，以免干扰到邻近小区。这跟常规微基站高增益、大区域覆盖的要求完全不一样。此外，双极化、紧凑化、低剖面、平面化也是重要的要求，以实现极化分集mimo效果和良好用户感受。再者，要实现上述宽波束、低增益、低旁瓣的波束赋形要求，必须选用宽波束单元组阵并进行副相加权电。然而，加权后的阵列增益必定高于单元增益，而工作增益要求比单元增益还低。虽然可以降低发射机输出功率，从而降低阵列的辐射功率，但是无法使天线对干扰信号的接收灵敏度下降。当然，接收灵敏度下降，也会使得对有用信号的接收信噪比变差。因此，需要提供一种抗干扰能力强、接收有用信号能力强的、宽波束、低增益、低旁瓣的微基站天线。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种宽频带、宽波束、低增益、低旁瓣的微基站天线。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种为蜂窝移动通信5.8g频段设计的可密集部署的宽频带、定向性、宽波束、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线，并为其他频段低增益、低旁瓣定向天线的优化设计提供有效或有益的参考方法。

本发明提供一种低增益低旁瓣微基站天线，其包括地板上设置的n个排列组阵的交叉振子对；每个交叉振子对包括两个交叉放置的下垂宽带振子，两个下垂宽带振子分别印制在两块介质基板上；在介质基板与该下垂宽带振子相对的另一面设有微带线；在地板上设有两路印制馈电网络，分别对阵列两子阵进行馈电；在馈电网络输入端设有两级级联威尔金森功分器，该威尔金森功分器通过各级功分支路对各阵元馈电，其中n为大于等2的自然数。

优选的，该威尔金森功分器包括前级不等功分器、中级不等功分器、末级等功分器；该前级不等功分器的其中一支路连接该中级不等功分器，该中级功分器的第一中级功分支路连接阵列的中间阵元，第二中级功分支路则后接末级等功分器；末级等功分器等分为第一末级功分支路、第二末级功分支路后，分别对阵列两侧边缘的阵元馈电。

优选的，该末级等功分器等分为第一末级功分支路、第二末级功分支路后，然后分别延伸出第一末级延伸支路、第二末级延伸支路，然后对阵列两侧边缘的阵元馈电。

优选的，该中级功分器的第一中级不等功分支路与末级等功分器的第二末级延伸支路垂直相交，第一中级不等功分支路通过金属过孔，经由微带线地平面的功分支路延伸段跨过末级等功分器的第二末级延伸支路，之后经功分支路弯折段连接中间阵元。

优选的，该前级不等功分器包括第一前级功分支路和第二前级功分支路，该第一前级功分支路端接衰减电阻，该第二前级功分支路则连接所述中级功分器。

优选的，各级功分器两输出支路之间接隔离电阻。

优选的，该下垂宽带振子包括对称设置的两个倒l形振子臂。

优选的，该下垂宽带振子的振子臂下部为振子竖直段，振子竖直段顶部连接振子水平段，振子水平段末端朝下延伸出振子弯折段，振子竖直段与振子水平段拐角处外侧切振子斜角。

优选的，该微带线以其中一振子臂的振子竖直段为地平面，顺着其中心线方向设置，该微带线起始段的线宽小于地平面宽度，且起始位置稍高于地平面；微带线起始段竖直朝上延伸出微带线竖直段，延伸至振子竖直段上部的振子斜角处后，朝振子水平段反方向延伸出微带线水平段，且在靠近振子斜角的第一直弯处有一朝下的开路短枝节；微带线水平段延伸至振子另一臂的振子斜角处，再朝下直弯折延伸出微带线下垂段，并顺着振子竖直段中心延伸至其中部后断开。

优选的，两个下垂宽带振子中心线重合并呈90°交叉放置，构成一个±45°或h/v交叉振子对，交叉处的两微带线水平段上下错开，并在其中之一介质基板的下方开设有第一互补槽，另一介质基板上方开设与第一互补槽配合的第二互补槽，第一互补槽与第二互补槽总深度等于介质基板的总高度。

优选的，该介质基板厚度、介电常数和损耗角分别为t、εr和tanδ，介质基板边缘与该下垂宽带振子走向基本平行。

优选的，微带线竖直段和微带线水平段的宽度比微带线起始段的宽度小，微带线下垂段的宽度比微带线竖直段和微带线水平段的宽度小。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明阵列馈电网络采用威尔金森功分器，通过两级或多级功分对阵元馈电，保证了各单元同相而不等幅馈电，从而获得低增益和低旁瓣特性。本发明技术方案降低增益而方向图保持不变。由增益和方向图的关系式：g＝η×d知，降低效率η，增益g即可减小。又由效率计算公式：η＝pr/po知，降低辐射功率pr与发射机输出功率po比值，即可降低天线效率η。在发射功率po不变的情况下，尽可能使辐射功率pr变小，从而降低效率η，而辐射功率pr等于输出功率po减掉馈电损耗功率pl，即pr＝po-pl。显然，增大损耗功率pl，使得输出功率在传送给天线的馈电路径中衰减掉足够的量，即可降低比值、减小效率，从而获得较低的增益。

本发明设计宽波束下垂pcb交叉振子单元，交叉振子对共轴组阵，双线极化辐射。本发明在常规pcb振子的基础上，通过将振子两臂下垂和减小地板尺寸，实现了交叉振子天线在5.8g频段良好的匹配(5.15～5.85ghz，vswr<2.32，bw＝12.73％)，宽波束(95°～133°)和±45°双极化。然后，采用相加权馈电网络，并对网络进行电阻性功率衰减，使得阵列水平波宽60°～86°，竖直波宽27°～30°，带内增益g＝6.3～9.2dbi，增益波动db以内；xpd大于15db(最好达到-25db)，隔离度优于-24db，前后比大于20db，sll低于-15db(最低达到-25db)，效率为33.2～44.5％；剖面高度小于0.26·λc(λc为中心波长)，适合容量高、密集业务场景。

另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是适合用户密集、高容量场景的理想天线方案。另外，对于其他频段的宽波束、低增益、低旁瓣的定向天线的设计和改进也是适用和有效的。

【附图说明】

图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。

图2为下垂宽带振子之一的构造模型图。

图3为下垂宽带振子之二的构造模型图。

图4为两个下垂宽带振子正交放置构成的交叉振子对的模型立体图。

图5为两个下垂宽带振子正交放置构成的交叉振子对的模型俯视图。

图6为三单元交叉振子对共轴组阵模型的侧视图。

图7为三单元交叉振子对阵列馈电网络的干路两级级联功分器的俯视图。

图8为三单元交叉振子对阵列的完整馈电网络模型的俯视图。

图9为三单元交叉振子对阵列的完整馈电网络的中间支路过孔部分的局部放大图。

图10为三单元交叉振子对阵列以及馈电网络的完整模型的俯视图。

图11为三单元交叉振子对阵列以及馈电网络的完整模型的侧视图。

图12为三单元交叉振子对阵列带馈电网络的完整模型的正视图。

图13为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的输入阻抗zin频率特性曲线。

图14为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的s参数曲线。

图15为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的驻波vswr曲线。

图16为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线在f1＝5.15ghz的实增益方向图。

图17为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线在f2＝5.50ghz的实增益方向图。

图18为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线在f3＝5.85ghz的实增益方向图。

图19为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的实增益gr随频率f变化曲线。

图20为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的e/h面半功率波束宽度hbpw随频率f变化曲线。

图21为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的e面(竖直面)归一化旁瓣电平sll随频率f变化曲线。

图22为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的最大辐射方向的归一化交叉极化比xpd随频率f变化曲线。

图23为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的效率ηa随频率f变化曲线。

本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制或限定。

【具体实施方式】

下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。需要说明的是，这里所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

本发明旨在为蜂窝移动通信5.8g频段设计一种可密集部署的宽频带、定向性、宽波束、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线，并为其他频段低增益、低旁瓣定向天线的优化设计提供有效或有益的参考方法。

请参阅图1～12，本发明通过如下方法构造所述低增益低旁瓣微基站天线：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造下垂宽带振子。首先，在xoz/yoz平面，顺着+z轴方向构造一倒l形片，其下部为振子竖直段10、30，振子竖直段顶部连接振子水平段11、31，振子水平段末端朝下延伸出振子弯折段12、32；振子竖直段与振子水平段拐角处外侧切振子斜角13、33，构成振子的一臂；然后，将倒l形片以z轴为对称轴左右镜像复制，得到振子的另一臂，所构造得到下垂宽带振子，振子两臂对称，两臂底端共同短路到地平面，如图2和图3所示；

步骤三，设置振子衬底基板。在步骤二的下垂宽带振子一侧，设置一层厚度、介电常数和损耗角分别为t、εr和tanδ的介质基板80、90，介质基板(pcb板)边缘与振子走向基本平行，见图2和图3；

步骤四，构造微带馈电巴仑馈电。以步骤二下垂宽带振子的一臂的振子竖直段10、30为地平面，在介质基板80、90另一面顺着其中心线方向设置一条微带线，微带线起始段20、40的线宽小于地平面宽度，且起始位置稍高于地平面，微带线起始段20、40竖直朝上延伸出微带线竖直段21、41，延伸至振子竖直段10、30上部的振子斜角13、33处后，朝振子水平段11、31反方向延伸出微带线水平段23、43，且在靠近振子斜角13、33的第一直弯处有一朝下的开路短枝节22、42，微带线水平段23、43延伸至振子另一臂的振子斜角13、33处，再朝下直弯折延伸出微带线下垂段24、44，并顺着振子竖直段10、30中心延伸至其中部后断开；微带线竖直段21、41和微带线水平段23、43的宽度比微带线起始段20、40的宽度小，微带线下垂段24、44的宽度比微带线竖直段21、41和微带线水平段23、43的宽度小，因此微带线是由长宽不等的三节变换段级联而成，见图2、图3和图4，该微带馈电巴伦高度约四分之一波长；

步骤五，两下垂宽带振子组成交叉振子对。将上述步骤的两个下垂宽带振子，中心线重合并呈90°交叉放置，构成一个±45°或h/v交叉振子对。为避免两振子相交影响，交叉处的两微带线水平段23、43上下错开，并在其中之一pcb板80的下方开设有第一互补槽81，另一pcb板90上方开设与第一互补槽81配合的第二互补槽91，第一互补槽81与第二互补槽91总深度等于pcb板的总高度，见图2～图5；

步骤六，交叉振子对组阵。将步骤五的交叉振子对，作为一个基本辐射单元排成直线阵或平面阵，然后，在阵列底部设置一层金属地板100，并在地板100正面或背面设计两路印制馈电网络，分别对阵列两正交极化子阵进行馈电，见图6的部分100；

步骤七，设计功分衰减网络。在步骤六的馈电网络输入端，设计一个两级级联的威尔金森功分器；威尔金森功分器的前级功分器201为不等分功分器，包括第一前级功分支路211端接一衰减电阻216rl，第二前级功分支路212则连接中级功分器202；中级功分器202为不等分功分器，包括第一中级功分支路203连接阵列的中间阵元，第二中级功分支路204则后接末级等功分器303；末级等功分器303等分为第一末级功分支路331、第二末级功分支路332后，然后分别延伸出第一末级延伸支路401、第二末级延伸支路402对阵列两侧边缘的阵元馈电；中级功分器202的第一中级功分支路203与末级等功分器303的第二末级延伸支路402垂直相交，为避免两者电气连接，第一中级功分支路203通过金属过孔431，经由微带线地平面的功分支路延伸段432跨过末级等功分器303的第二末级延伸支路402，之后经功分支路弯折段403连接中间阵元；各级功分器两输出支路之间接隔离电阻ri205、206、333，见图7～图10；

步骤八，连接馈电电缆。在步骤七的功分衰减网络的总输入端200处，连接一根50ω同轴电缆，电缆内外导体分别连接微带线总输入端200和地平面100，见图11、12，图12中功分板信号层为112、介质层为111、地平面为100。

在本实施例中，由上述方法所构造的低增益低旁瓣微基站天线，包括在金属地板100上设置的三个排列组阵的交叉振子对，每个交叉振子对包括两个交叉放置的下垂宽带振子，两个下垂宽带振子分别印制在介质基板80、90上，在介质基板80、90与该下垂宽带振子相对的另一面设有微带线，在地板100上设有两路印制馈电网络，分别对阵列两子阵进行馈电，在馈电网络输入端设有两级级联威尔金森功分器，该威尔金森功分器通过各级功分支路对各阵元馈电。

请参阅图2～6，该下垂宽带振子包括对称设置的两个倒l形振子臂。该下垂宽带振子的振子臂下部为振子竖直段10、30，振子竖直段顶部连接振子水平段11、31，振子水平段末端朝下延伸出振子弯折段12、32，振子竖直段与振子水平段拐角处外侧切振子斜角13、33。振子弯折段12、32与振子水平段11、31之间的弯折角度为90°～180°。

两个倒l形振子臂印制在介质基板80、90上，该介质基板80、90厚度、介电常数和损耗角分别为t、εr和tanδ，一般选用介电常数εr＝1～20的介质基板材，该介质基板边缘与该下垂宽带振子外轮廓走向基本平行。

在介质基板80、90与该下垂宽带振子相对的另一面设有微带线，该微带线以其中一振子臂的振子竖直段10、30为地平面，顺着其中心线方向设置，该微带线起始段20、40的线宽小于地平面宽度，且起始位置稍高于地平面，微带线起始段20、40竖直朝上延伸出微带线竖直段21、41，延伸至振子竖直段10、30上部的振子斜角13、33处后，朝振子水平段11、31反方向延伸出微带线水平段23、43，且在靠近振子斜角13、33的第一直弯处有一朝下的开路短枝节22、42，微带线水平段23、43延伸至振子另一臂的振子斜角13、33处，再朝下直弯折延伸出微带线下垂段24、44，并顺着振子竖直段10、30中心延伸至其中部后断开。其中，微带线竖直段21、41和微带线水平段23、43的宽度比微带线起始段20、40的宽度小，微带线下垂段24、44的宽度比微带线竖直段21、41和微带线水平段23、43的宽度小。

两个下垂宽带振子中心线重合并呈90°交叉放置，构成一个±45°或h/v交叉振子对，交叉处的两微带线水平段23、43上下错开，并在其中之一pcb板80的下方开设有第一互补槽81，另一pcb板90上方开设与第一互补槽81配合的第二互补槽91，第一互补槽81与第二互补槽91总深度等于pcb板的总高度。

该威尔金森功分器包括至少两级级联的不等分威尔金森功分器和单级威尔金森等功分器，级联数目根据具体阵元数目来定。

请参阅图7～11，具体的，该威尔金森功分器包括前级功分器201、中级功分器202、末级等功分器303，该前级功分器201为不等分功分器，其第一前级功分支路211端接一衰减电阻rl，第二前级功分支路212则连接中级功分器202；该中级功分器202为不等分功分器，其分出第一中级功分支路203连接阵列的中间阵元，第二中级功分支路204则后接末级等功分器303；该末级等功分器303等分为第一末级功分支路331、第二末级功分支路332，然后分别对应延伸出第一末级延伸支路401、第二末级延伸支路402，然后分别对阵列两侧边缘的阵元馈电。

如图9所示，该中级功分器202的第一中级功分支路203与末级等功分器303的第二末级延伸支路402垂直相交，第一中级功分支路203从一侧金属过孔431穿下，经由微带线地平面的功分支路延伸段432跨过末级等功分器303的第二末级延伸支路402，再从另一侧金属过孔431穿上，之后经功分支路弯折段403连接中间阵元。

第一前级功分支路211和第二前级功分支路212之间接隔离电阻206，第一中级功分支路203和第二中级功分支路204之间接隔离电阻205，第一末级功分支路331和第二末级功分支路332之间接隔离电阻333。

在本实施例中，三个所述交叉振子对排成直线阵，由所述威尔金森功分器馈电网络进行馈电。在另外的实施例中，多组这样的直线阵排布在金属地板100上，每组交叉振子直线阵的阵元分别由所述威尔金森功分器馈电网络进行馈电。馈电网络的总输入200端连接50ω馈电同轴电缆。

在另外的实施例中，每组天线阵包括三个以上阵元，则所述威尔金森功分器级联相应变化，例如四个阵元时，所述威尔金森功分器包括级联的前级不等分功分器、中级等功分器、末级等功分器，由中级等功分器、末级等功分器所分出的支路分别对四个阵元馈电。例如五个阵元时，所述威尔金森功分器包括级联的前级不等分功分器、第一中级不等分功分器、第二中级不等分功分器、第一末级等功分器、第二末级等功分器，该第一中级不等分功分器其中一个支路连接其中第一末级等功分器，对两个阵元馈电，该第一中级不等分功分器另一个支路连接第二中级不等分功分器，该第二中级不等分功分器其中一个支路对第三个阵元馈电，该第二中级不等分功分器另一个支路连接第二末级等功分器，该第二末级等功分器所分出的支路分别对剩下的两个阵元馈电。如此类推，根据实际阵元情况设置威尔金森功分器。

本发明实施例可以体现出其积极进步效果在于：一、设计宽波束下垂pcb交叉振子单元；二、交叉振子沿45°角共轴组阵，构成±45°双线极化辐射；三、阵列馈电网络采用三级威尔金森功分器，第一级支路附加衰减电阻；四、第二级功分，一路直接对中间单元馈电，另一路则后接一个等功分器后再对两侧单元馈电，保证了三单元同相而不等幅馈电，从而获得低增益和低旁瓣特性。本发明实现了三单元阵列在5.8g频段宽带工作(5.15～5.85ghz，vswr<2.32，bw＝12.73％)，水平波宽60°～86°，竖直波宽27°～30°，带内增益g＝6.3～9.2dbi，增益波动3db以内；xpd大于15db(最好达到-25db)，隔离度优于-24db，前后比大于20db，sll低于-15db(最低达到-25db)，效率为33.2～44.5％；剖面高度小于0.26·λc(λc为中心波长)，达到了设计目标。

具体数据可参考图13～23：

图13为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的输入阻抗zin频率特性曲线。其中，横轴(x轴)是频率f，单位为ghz；纵轴(y轴)是输入阻抗zin，单位为ω；实线表示振子#1，虚线表示振子#2；光滑线表示实部rin，点线表示虚部xin。

图14为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的s参数曲线。其中，横轴(x轴)是频率f，单位为ghz；纵轴(y轴)是s参数的幅度|sij|，单位为db；实线为+45°极化|s11|，虚线为-45°极化|s22|，点线为两端口隔离度|s21|。由图知，阵列天线在5.8g频段(5.15～5.85ghz，bw＝700mhz，12.73％)实现了良好的阻抗匹配(|s11|≤～8.5db)，实现了宽带工作，两端口隔离度|s21|<～24db。

图15为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的驻波vswr曲线。其中，横轴(x轴)是频率f，单位为ghz；纵轴(y轴)是驻波vswr；实线表示+45°极化，虚线表示-45°极化。由图知，阵列天线在5.8g频段(5.15～5.85ghz，bw＝700mhz，12.73％)实现了良好的阻抗匹配(vswr≤2.22)，实现了宽带工作。

图16为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线在f1＝5.15ghz的实增益方向图。其中，图中实线表示水平面(phi＝0°，h-面，xoz平面)，虚线表示竖直面(phi＝90°，e-面，yoz平面)。由图知，该频点水平波宽hpbw＝59.18°，竖直波宽hpbw＝27.12°，实增益gr＝8.05dbi。

图17为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线在f2＝5.50ghz的实增益方向图。其中，图中实线表示水平面(phi＝0°，h-面，xoz平面)，虚线表示竖直面(phi＝90°，e-面，yoz平面)。由图知，该频点水平波宽hpbw＝77.5°，竖直波宽hpbw＝27.52°，实增益gr＝7.93dbi。

图18为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线在f3＝5.85ghz的实增益方向图。其中，图中实线表示水平面(phi＝0°，h-面，xoz平面)，虚线表示竖直面(phi＝90°，e-面，yoz平面)。由图知，该频点水平波宽hpbw＝85.34°，竖直波宽hpbw＝30.4°，实增益gr＝6.42dbi。

图19为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的实增益gr随频率f变化曲线。由图知，在整个5.8g频段，天线实增益gr变化范围为：6.3～9.2dbi。

图20为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的e/h面半功率波束宽度hbpw随频率f变化曲线。由图知，在5.8g频段，e/h面半功率波束宽度分别为：hpbw＝27～30°、60～86°。

图21为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的e面(竖直面)归一化旁瓣电平sll随频率f变化曲线。由图知，在5.8g频段，e面(竖直面)上下两侧的归一化旁瓣电平sll的变化范围为：-14～-25db，满足低旁瓣的要求。

图22为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的最大辐射方向的归一化交叉极化比xpd随频率f变化曲线。由图知，在5.8g频段，主瓣归一化xpd的变化范围为：-14.6～-24.8db。

图23为三单元pcb印制交叉振子对阵列天线的效率ηa随频率f变化曲线。由图知，在5.8g频段，天线效率变化范围为33.2％～44.5％，可见馈电网络的功分衰减器起到了良好的功率衰减作用。

以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。