一种人造介质圆柱透镜9波束天线的制作方法

本实用新型涉及一种无线电天线，具体地，涉及一种用于移动通信基站的人造介质圆柱透镜9波束天线。

背景技术：

随着移动通信4G、5G、MIMO、卫星通信、雷达、电子战等无线领域市场的需求迅速扩张，对作为无线出入口的天线也提出了新的技术要求。其中最重要的是天线要能承载超大信息容量，但又不能增加天线数量、站址。

近年发展的多波束天线是一种解决方案。

传统的多波束天线是用多波束形成网络（BFN）激励辐射单元平面阵列、或用多级巴特勒矩阵等做成。不仅复杂，还由于存在不对称波束、隔离度、网络损耗大等问题，使其难以大规模应用。

传统的龙伯球透镜技术具有承载多天线、多波束潜力。但由于它的重量太重及制造工艺极其复杂，长期以来只能作为雷达无源目标探测、机场跑道盲降等8GHz以上频段少量应用，难以进入民用领域。

为了减轻龙伯球的重量，研究人员进行了几十年的努力。最近在市场上见到应用于移动通信的龙伯球透镜多波束天线，但过于庞大。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种用于移动通信基站的多波束无线电天线，具有优于现有的电子多波束天线及球形龙伯透镜多波束天线的不同特色。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的天线包含一个外形为圆柱体的超宽频人造介质透镜，以及安装在透镜上的两种不同的独立天线单元；所述的独立天线单元中的一种为带有金属地板的双频双极化天线单元，另一种为带有金属地板的单频双极化天线单元；所述的独立天线单元的内侧辐射体朝向人造介质透镜的圆柱体，外侧分别带有反射板。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的透镜，其圆柱体的直径为600±40mm，高度为500~650mm。该人造介质圆柱透镜具有多层同心圆结构，包含n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成，n个同心层所含高介电常数、低比重的材料从第1层至第n层逐渐减少。n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05 - 1.05间渐变。低介电常数的基材为密度0.02 - 0.03 g/cm³的轻型发泡介质材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯等；高介电常数、低比重的材料优选为陶瓷粉、铝银粉、金属丝等。根据应用场合设计的天线指标（00010）（00011）（00012）（00013），选择人造介质圆柱透镜尺寸。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的独立天线单元有6个，其包含分别由单一的高频双极化天线单元构成的3个单频双极化天线单元，以及由3个高频双极化天线单元分别嵌套在3个低频双极化天线单元之间构成的3个嵌套式的双频双极化天线单元；所述的高频双极化天线单元和低频双极化天线单元，每个分别含有一对+/-45°的偶极子。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的独立天线单元形成3个低频波束和6个高频波束，共9个波束，等于低频双极化天线单元和高频双极化天线单元的总数；天线的标称增益为波束增益。根据应用场合设计天线指标，天线增益由天线单元的增益、波束数及人造介质圆柱透镜尺寸决定，波束越多增益越高，各波束的增益值相同。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的低频双极化天线单元的频率为806-960MHz，所述的高频双极化天线单元的频率为1710-2690MHz；全部低频双极化天线单元和高频双极化天线单元的驻波比均小于1.4，增益均大于8.0dBi，三阶互调均小于-150dBc，各低频双极化天线单元和高频双极化天线单元之间的隔离度分别大于28dB。各天线单元具备优良电性能。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的独立天线单元，其在透镜的圆柱体外围成扇区覆盖并排列成一行；所述的独立天线单元依次排列在透镜的圆柱体外围的等高环线上。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的独立天线单元，其最大辐射方向均通过透镜圆柱体的轴线，每个独立天线单元之间的间隙为1-3cm；独立天线单元内侧辐射体表面与透镜圆柱面之间距离为15~18cm。调整独立天线单元表面与介质圆柱面间距可得最大天线增益。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的天线，其中间频率波束交叉值为-10dB，根据其决定独立天线单元即低频及高频单元沿人造介质透镜的圆柱体外圆排列的间隔和顺序。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的天线设有笼罩所有独立天线单元的天线罩，天线罩的底部设有底座。独立天线单元中的嵌套式的双频双极化天线单元内分别设有二合一合路器并通过合路器进行连接，合路器的双口分别与+45°极化偶极子和-45°偶极子连接，合路器的单口与射频同轴座连接，每个嵌套式的双频双极化天线单元设有两个射频端口（+/-45°极化各一个），整个天线所有的射频同轴端口安装连接在天线罩的底座上。

上述的人造介质圆柱透镜9波束天线，其中，所述的天线，其还设有安装架和天线支架，通过安装架将天线罩及其内部的独立天线单元与透镜固定，再通过天线支架将天线与抱杆固定。所述的天线具有与市场现有的多波束天线不同特色，特别是俯仰面方向图宽、并具有扇形波束特点，与传统电调天线以及球形龙伯球透镜多波束天线的俯仰面方向图比较，覆盖区内在蜂窝服务的大部分用户场强全面占优，因而可以去掉电调机构。这是本实用新型的核心技术特征。

本实用新型提供的人造介质圆柱透镜9波束天线具有以下优点：

本实用新型的结构可以形成9个波束，水平（方位）面波束为锐形波束，这与传统电子多波束及龙伯球多波束相同。而本实用新型的垂直（俯仰）面波束为赋形扇形宽波束，这与传统电子多波束及龙伯球多波束则不相同。其垂直面波瓣宽度比传统多波束天线的宽3倍。正是这一特性，在移动通信基站天线领域，本实用新型无需电调机构，却比传统电调天线相比，在蜂窝服务的大部分用户接收到的信号强度，比电调天线的信号强度平均要高10dB左右。这将提高终端用户的信干比，增强抗干扰能力，从而提升系统的吞吐量、提高网速及系统容量、降低掉线率。特别适用于密集用户及大数据业务区。

附图说明

图1为本实用新型的人造介质圆柱透镜9波束天线的结构示意图。

图2为本实用新型的人造介质圆柱透镜9波束天线的独立天线单元示意图。

图3为本实用新型的人造介质圆柱透镜9波束天线的独立天线单元的俯视图。

图4为本实用新型的人造介质圆柱透镜9波束天线的外侧示意图。

图5为本实用新型的人造介质圆柱透镜9波束天线的低频和高频（820-960MHz/1710-2690MHz）实测水平方向图。

图6为本实用新型的人造介质圆柱透镜9波束天线与电调天线对比的垂直平面方向图。

其中：1、透镜，2、独立天线单元，21、单频双极化天线单元，22、双频双极化天线单元，23、反射板，3、抱杆，4、安装架，5、天线支架，6、天线罩，7、底座，8、射频端口。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步地说明。

如图1和图2所示，本实用新型提供的人造介质圆柱透镜9波束天线，包含一个外形为圆柱体的超宽频人造介质透镜1，以及安装在透镜1上的两种不同的独立天线单元2；独立天线单元2中的一种为带有金属地板的双频双极化天线单元22，另一种为带有金属地板的单频双极化天线单元21；独立天线单元2的内侧辐射体朝向人造介质透镜1的圆柱体，外侧分别带有反射板23。

透镜1的圆柱体的直径为600±40mm，高度为500~650mm。该人造介质圆柱透镜1具有多层同心圆结构，包含n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成，n个同心层所含高介电常数、低比重的材料从第1层至第n层逐渐减少。n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05 - 1.05间渐变。低介电常数的基材为密度0.02 - 0.03 g/cm3的轻型发泡介质材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯等；高介电常数、低比重的材料优选为陶瓷粉、铝银粉、金属丝等。根据应用场合设计的天线指标（00010）（00011）（00012）（00013），选择人造介质圆柱透镜1尺寸。

独立天线单元2有6个，其包含分别由单一的高频双极化天线单元构成的3个单频双极化天线单元21，以及由3个高频双极化天线单元分别嵌套在3个低频双极化天线单元之间构成的3个嵌套式的双频双极化天线单元22；高频双极化天线单元和低频双极化天线单元，每个分别含有一对+/-45°的偶极子。

独立天线单元2形成3个低频波束和6个高频波束，共9个波束，等于低频双极化天线单元和高频双极化天线单元的总数；天线的标称增益为波束增益。根据应用场合设计天线指标，天线增益由天线单元的增益、波束数及人造介质圆柱透镜1尺寸决定，波束越多增益越高，各波束的增益值相同。

低频双极化天线单元的频率为806-960MHz，高频双极化天线单元的频率为1710-2690MHz；全部低频双极化天线单元和高频双极化天线单元的驻波比均小于1.4，增益均大于8.0dBi，三阶互调均小于-150dBc，各低频双极化天线单元和高频双极化天线单元之间的隔离度分别大于28dB。各天线单元具备优良电性能。

独立天线单元2在透镜1的圆柱体外围成扇区覆盖并排列成一行；独立天线单元2依次排列在透镜1的圆柱体外围的等高环线上。

独立天线单元2的最大辐射方向均通过透镜1圆柱体的轴线，每个独立天线单元2之间的间隙为1-3cm；独立天线单元2内侧辐射体表面与透镜1圆柱面之间距离为15~18cm。调整独立天线单元2表面与介质圆柱面间距可得最大天线增益。参见图3所示。

天线的中间频率波束交叉值为-10dB，根据其决定独立天线单元2即低频及高频单元沿人造介质透镜1的圆柱体外圆排列的间隔和顺序。

天线设有笼罩所有独立天线单元2的天线罩6，天线罩6的底部设有底座7。独立天线单元2中的嵌套式的双频双极化天线单元22内分别设有二合一合路器并通过合路器进行连接，合路器的双口分别与+45°极化偶极子和-45°偶极子连接，合路器的单口与射频同轴座连接，每个嵌套式的双频双极化天线单元22设有两个射频端口8（+/-45°极化各一个），整个天线所有的射频同轴端口安装连接在天线罩6的底座7上。参见图4所示。

天线还设有安装架4和天线支架5，通过安装架4将天线罩6及其内部的独立天线单元2与透镜1固定，再通过天线支架5将天线与抱杆3固定。

下面结合实施例对本实用新型提供的人造介质圆柱透镜9波束天线做更进一步描述。

实施例1

一种人造介质圆柱透镜9波束天线，首先根据天线要求的频率范围选择带反射板23的一元双频双极化天线单元223个，双频双极化天线单元22是通过将3个高频单元分别嵌套于3个低频单元中央，构成的3个嵌套式双频双极化单元，再选择单高频单元3个作为单频双极化天线单元21。每个单元含有一对+/-45°偶极子。总共有9个波束(即9个天线)其中低频3个高频6个，外形上为6个独立天线单元2。

根据天线要求低频段双极化单元频率为806-960MHz，高频段双极化单元频率为1710-2690MHz，全部高低频单元驻波比小于1.4，增益大于8.0dBi，三阶互调小于-150dBc，各单元之间隔离度大于28dB。

选择人造介质圆柱体，所选人造介质圆柱体直径600+/-40mm、高度50-65cm。该人造介质圆柱透镜1具有多层同心圆结构，包含n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成，n个同心层所含高介电常数、低比重的材料从第1层至第n层逐渐减少。n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05 - 1.05间渐变。低介电常数的基材为密度0.02 - 0.03 g/cm3的轻型发泡介质材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯等；高介电常数、低比重的材料优选为陶瓷粉、铝银粉、金属丝等。根据应用场合设计的天线指标（00010）（00011）（00012）（00013），选择人造介质圆柱透镜1尺寸。

在所选人造介质圆柱体1/2高度处标记一周圆弧线，将6个带反射板23的独立天线单元2沿介质圆柱体外等高环线，依次排列，每个单元间隙为1-3cm，调节各单元辐射体平米距离圆柱体外表面为15-18cm，各天线单元辐射最大方向通过介质圆柱体中轴线。

将3个嵌套式双频双极化天线单元22用内置二合一合路器连接，合路器的双口分别与+45°极化偶极子和-45°偶极子连接，合路器的单口与射频同轴座连接，每个嵌套式双频双极化天线单元22两个射频端口8（+/-45°极化各一个），整个天线共计12个射频同轴端口（9个波束），安装在天线罩6的底座7上。

通过安装架4将带反射板23的独立天线单元2与透镜1的人造介质圆柱体及天线罩6固定成一体，构成人造介质圆柱透镜9波束天线，再通过天线支架5将天线与抱杆3固定。

本实施例的人造介质圆柱透镜9波束天线的低频（a）和高频（b）实测水平方向如图5所示，频率：820-960MHz/1710-2690MHz，增益：14dBi/19dBi。

本实施例的人造介质圆柱透镜9波束天线的垂直平面方向与电调天线的比较如图6所示，A是本实施例的天线实测，B是普通常规电调天线实测，为了便于比较，两者增益大体相同。

本实用新型提供的人造介质圆柱透镜9波束天线，具有与市场现有的多波束天线不同特色，特别是俯仰面方向图宽、并具有扇形波束特点，与传统电调天线以及球形龙伯球透镜多波束天线的俯仰面方向图比较，覆盖区内在蜂窝服务的大部分用户场强全面占优，因而可以去掉电调机构。这是本实用新型权利要求的核心技术。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。