一种适用于高层建筑物的波束天线模块及波束天线阵

1.本实用新型属于波束赋形天线技术领域，具体涉及到一种适用于高层建筑物的波束天线模块及波束天线阵。


背景技术：

2.随着我国城镇化进入到快速发展期，越来越多的高层建筑出现在城镇中。如此密集的建筑区域，势必会导致高层建筑间信号覆盖不佳问题的出现。据统计，层数在30层以上、高度在120米以上的高层建筑已经耸立在各大中、小城市中，并且高层建筑年增长率还在不断增加，高度和层次不断突破新高，城市不断向复杂立体空域扩张。因此，一栋高层建筑里的用户数量急剧增加，单位面积内的通信用户数量将出现井喷式的增长。在建筑物的集中区域、边角区域，经常会出现各种网络信号问题，例如，信号强度减弱，信号覆盖不均、存在盲区，信号质量不稳定导致的通话或数据传输断断续续等。由此可以得出，目前所使用的平面网络覆盖，将不能满足城镇化立体空间的扩张式发展。因此，为了满足目前以及未来城镇化立体空间的扩张式发展，研究高层建筑密集区域信号的立体覆盖，以满足高层建筑内通信用户的数据需求是非常有必要的。。


技术实现要素：

3.本部分的目的在于概述本实用新型的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。
4.鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本实用新型。
5.本实用新型的其中一个目的是提供一种适用于高层建筑物的波束赋形天线阵，介质衬底和矩形地面之间设有空气层，增加的空气层可以提高圆形贴片天线的增益和阻抗带宽。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下技术方案：一种适用于高层建筑物的波束天线模块，所述波束天线模块包括，
7.基底；
8.辐射单元，所述辐射单元具有至少一个有效谐振尺寸；以及，
9.电介质材料，所述电介质材料位于所述基底与所述辐射单元之间；
10.其中，在所述电介质材料与所述基底之间提供一空气层。
11.作为本实用新型适用于高层建筑物的波束赋形天线阵的一种优选方案，其中：所述电介质材料与所述基底的尺寸相同。
12.作为本实用新型适用于高层建筑物的波束赋形天线阵的一种优选方案，其中：所述辐射单元为导电材料的贴片。
13.作为本实用新型适用于高层建筑物的波束赋形天线阵的一种优选方案，其中：所
述贴片包括矩形贴片或圆形贴片。
14.作为本实用新型适用于高层建筑物的波束赋形天线阵的一种优选方案，其中：所述辐射单元贴合于所述电介质材料表面。
15.作为本实用新型适用于高层建筑物的波束赋形天线阵的一种优选方案，其中：所述电介质材料与所述基底之间通过刚性的馈电探针相互支撑以形成所述空气层。
16.作为本实用新型适用于高层建筑物的波束赋形天线阵的一种优选方案，其中：所述馈电探针贯穿所述电介质材料并与贴合于所述电介质材料表面的馈电贴片相连，所述馈电贴片位于所述辐射单元的侧部。
17.作为本实用新型适用于高层建筑物的波束赋形天线阵的一种优选方案，其中：所述电介质材料与所述基底相互平行，所述馈电探针垂直所述电介质材料和所述基底设置。
18.本实用新型的另一个目的是提供一种适用于高层建筑物的波束天线阵，其特征在于：所述波束天线阵由若干如权利要求～中任一项所述的波束天线模块阵列而成。
19.作为本实用新型适用于高层建筑物的波束天线阵的一种优选方案，其中：所述波束天线模块等距直线阵列。
20.与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
21.本实用新型的介质衬底和矩形地面之间设有空气层，增加的空气层可以提高圆形贴片天线的增益和阻抗带宽，仿真的回波损耗小于-10db的阻抗带宽为4.87～6.87ghz，完全可以覆盖5g wlan(5.15-5.85ghz)频段。天线间耦合在-10db的阻抗带宽内均小于-10db，天线间互耦较弱。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
23.图1为本实用新型实施例1的结构示意图；
24.图2为本实用新型实施例2的结构示意图；
25.图3为本实用新型实施例3的结构示意图；
26.图4为本实用新型实施例4中试验所采用的波束天线阵的结构示意图；
27.图5为本实用新型实施例4试验结果的s11曲线图；
28.图6为本实用新型实施例4试验结果的波束转向能力图。
具体实施方式
29.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
30.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
31.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实
现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
32.实施例1
33.如图1所示，为本实用新型的第一个实施例，该实施例提供一种波束天线模块100，其包括基底101、辐射单元102和电介质材料103，电介质材料103位于基底101与辐射单元102之间；辐射单元102则具有一个有效谐振尺寸。
34.其中，电介质材料103与基底101相互平行，在电介质材料103与基底101之间提供一空气层104，空气层104是由支撑结构(图中未示出)将电介质材料103撑离基底101而形成。
35.电介质材料103和基底101之间设有空气层104，增加的空气层104可以提高天线的增益和阻抗带宽。
36.实施例2
37.如图2所示，本实施例与第一个实施例的区别在于，电介质材料103与基底101之间通过刚性的馈电探针105相互支撑以形成空气层104。
38.其中，馈电探针105垂直电介质材料103和基底101设置。需要说明的是，馈电探针105整体呈阶梯轴状，其轴向两端均具有小于本体直径的连接端，馈电探针105分别通过连接端贯穿电介质材料103和基底101，电介质材料103和基底101则由连接端与本体之间的过渡处限位。穿过基底101的馈电探针105连接端则与sma连接器107建立连接。
39.其中，馈电探针105贯穿电介质材料103并与贴合于电介质材料103表面的馈电贴片106相连，馈电贴片106位于辐射单元102的侧部，馈电贴片106与辐射单元102之间留有间隙。
40.通过馈电结构的引入，一方面电磁能量由馈电贴片106通过电容耦合的方式来给辐射单元102供能；另一方面，通过刚性的馈电探针105即可对电介质材料103提供支撑以形成空气层104，省去支撑结构。
41.实施例3
42.如图3所示，本实施例提供一种适用于高层建筑物的波束天线阵，波束天线阵200由四个实施例2所提供的波束天线模块100阵列而成；具体的，四个波束天线模块100等距直线阵列。
43.其中，四个波束天线模块100的电介质材料103、基底101分别一体成型；电介质材料103则由四个波束天线模块100的馈电探针105支撑，而与基底101之间形成空气层104。
44.通过对进入四个波束天线模块100的信号给以不同的相移，能够实现不同的波束控制能力。
45.实施例4
46.为了验证实施例3的性能，对实施例3进行试验验证。
47.如图4所示，具体采用的波束天线阵200具有如下尺寸：
48.电介质材料103的长l＝140mm，电介质材料103的宽w＝50mm，电介质材料103的高h1＝1.56mm，电介质材料103的材质为ro3003。
49.空气层104与电介质材料103的尺寸相同，空气层104的高h2＝6mm。
50.辐射单元102的直径r＝16mm，辐射单元102和基底101的材质均为金属铜片，厚度
为0.8mm。
51.馈电贴片106呈矩形，材质为金属铜片，厚度为0.8mm；馈电贴片106的宽k＝1.7mm，长g＝3.5mm；圆形的辐射单元102和矩形的馈电贴片106间的距离d＝2mm。
52.四个波束天线模块100等距直线阵列，其中辐射单元102之间的间距为23mm。
53.下面结合附图具体说明其性能。
54.图5是利用hfss仿真，s11是天线1或者是端口1所在天线的回波损耗，s21，s31是端口1的天线和端口2和端口3的天线之间的耦合曲线。由图5可以看出，仿真的回波损耗小于-10db的阻抗带宽为4.87～6.87ghz。天线间耦合在-10db的阻抗带宽内均小于-10db，天线间互耦较弱。
55.为了模拟hfss中天线阵列的波束转向能力，我们对进入端口1到端口4的信号给以不同的相移。图6是hfss仿真的阵列天线的3d方向图，由图6可以看出，天线最大辐射方向，也就是波束方向是可变的，说明天线波束可以在一定角度内变化。具体的：
56.(1)端口1到端口4的相移均为0
°
，此时的远场辐射3d图如图6(a)所示，此时波束指向0
°
方向。
57.(2)端口1到端口4的相移分别为0
°
/60
°
/120
°
/180
°
，此时的远场辐射3d图如图:6(b)所示，此时波束指向+22
°
方向。
58.(3)端口1到端口4的相移分别为180
°
/120
°
/60
°
/0
°
，此时的远场辐射3d图如图6(c)所示，此时波束指向-22
°
方向。
59.(4)端口1到端口4的相移分别为0
°
/120
°
/-120
°
/0
°
，此时的远场辐射3d图如图6(d)所示，此时波束指向+45
°
方向。
60.(5)端口1到端口4的相移分别为0
°
/-120
°
/120
°
/0
°
，此时的远场辐射3d图如图6(e)所示，此时波束指向-45
°
方向。
61.(6)端口1到端口4的相移分别为0
°
/150
°
/-60
°
/90
°
，此时的远场辐射3d图如图6(f)所示，此时波束指向+55
°
方向。
62.(7)端口1到端口4的相移分别为90
°
/-60
°
/150
°
/0
°
，此时的远场辐射3d图如图6(g)所示，此时波束指向-55
°
方向。
63.本实用新型中，介质衬底和矩形地面之间设有空气层，增加的空气层可以提高圆形贴片天线的增益和阻抗带宽，仿真的回波损耗小于-10db的阻抗带宽为4.87～6.87ghz，完全可以覆盖5g wlan(5.15-5.85ghz)频段。天线间耦合在-10db的阻抗带宽内均小于-10db，天线间互耦较弱。
64.本实用新型中，将4个单一的圆形贴片天线组成1*4天线阵列，通过对进入端口1到端口4的信号给以不同的相移，实现
±
55
°
波束控制能力，最大增益为12.22dbi。
65.应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。