CN105048066B - 一种低剖面高增益分形小型基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了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、与天线振子连接的馈电同轴馈线;天线振子包括左右、上下均对称的四片状单元,四片状单元中每对角上的两单元构成一对偶极子,四片状单元构成交叉振子;利用二次迭代I2方形冯·科赫分形曲线首尾连接构造成一个闵科斯基分形环,然后填充为平面片,并在分形环的对角线右上角或左上角构造一对以对角线为对称轴的耳状体,将其与分形环合并后形成。本发明通过对分形小型基站天线结构的合理设计,实现低剖面后瓣显著抑制、前后向比和交叉极化比显著提高;实现了一对常规交叉振子无法达到的高增益和高效率。

Description

一种低剖面高増益分形小型基站天线
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-n)D、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⑶、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(IU)、等效全向辐射功率(EIRP)和有效辐射功率比pe (Per/ 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Pd时发射机应输出的功率Ρτ,计算公式为:EIRP (dBW) = [Pt (dBW) -Lt (dBW)] XGt (dBi) Jt表示发射功率,Lt表示天馈系统总损耗,Gt为天线增益。由上式知,EIRP 将发射功率Pt和天线增益Gt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Pt条件下,天线在目标方向的辐射功率 密度Pd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Pr在天 线周围空间各个方向的分布差异状况,跟发射功率Pt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IU则表示辐射功率Pr与发射功率Pt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Per;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Pt和 总损耗Lt一定时,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Gt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Pt之 比Peo
[0005] 以上各物理量有如下关系式:
[0006] Pt=Lt+Pr (1)
[0007] Pr = Per+Pir (2)
Figure CN105048066BD00051
[0009] (3)式中,υΤρ,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:
Figure CN105048066BD00052
[0011] Pr = TIa * Pt (5)
[0012] 其中,R为远场球面半径。
[0013] 由以上各式得:
Figure CN105048066BD00053
[0015]由式⑶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Pir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0HPBW或辦HPBW无法计算得到PER。式(6)表明,理想情况下即LT=0、nA =1时,总发射功率Pt全部转换成了辐射功率Pr = Pir+PER。可见,干扰功率Pir越小,则有效功 率Per越大,反之亦然。
Figure CN105048066BD00054
^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Per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Per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,θΗΡΒί^Ρ Whpbw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Pt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Pe很低、效率IU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Pe则很高。
[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/H面半功率波束宽度 (HPBW)、方向性⑶、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(PM)等,而对于天线性能来说极为重要的EIRP和pe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(VSWRS 2.0),但其整体效率并不高,一般IU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Pe则远低于这一值。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比pe。在提升效率ru的同时,尽可能增加有效辐射功 率比Pe,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、上下均对称的四片状单元,四片状单元中每对角上的两单元 构成一对偶极子,四片状单元构成交叉振子;每一片状单元是利用二次迭代I2方形冯•科 赫分形曲线首尾连接构造成一个闵科斯基分形环,然后将其填充为平面片,并在分形环的 对角线右上角或左上角构造一对以所述对角线为对称轴的耳状体,将其与分形环合并后形 成;
[0022] 反射板组合体包括边缘内弯折的开口朝上的倒梯形金属反射板和倒梯形金属反 射板左右内侧边沿的周期性扼流结构和上下两侧边沿的多卷曲扼流结构;周期性扼流结构 包括多块朝外倾斜设置的、等间距排列的金属板,多卷曲扼流结构包括竖直部分全部平行 等间隔排列的多弯折金属板;
[0023] 金属隔板阵包括分设于在倒梯形金属反射板内表面、衬底基板上下两侧的两组金 属隔板组,每组金属隔板组包括三组直立于的倒梯形金属反射板上的、水平排列的金属隔 板。
[0024] 优选地,所述介质基板选用介电常数ετ1 = 2.0〜4.0、损耗tarA <〇.〇〇1、厚度为Ti =2mm〜4mm的介质材料。
[0025] 优选地,衬底基板选用介电常数εΓ2 = 6.0〜12.0、损耗ΐ&amp;ηδ2<〇.〇〇1和板厚为T2 = 4mm〜8mm的介质材料。
[0026] 所述衬底基板的两侧边沿各设置有一排金属柱来实现与倒梯形金属反射板固定。
[0027] 优选地,所述介质基板通过固定于衬底基板上的支撑柱来支撑固定。
[0028] 优选地,所述馈电同轴馈线采用50 Ω或75 Ω阻抗的空气同轴线,且空气同轴线的 外导体自与天线振子的焊点延伸一段距离后再断开。
[0029] —种低剖面高增益分形小型基站天线的设计方法,其特征在于,它包括以下步骤: 步骤一,用四条二次迭代12方形冯•科赫分形曲线(Von Koch Curve)首尾连接构造一个闵 科斯基分形环(Minkowski Loop),然后将其填充为平面片,其边缘总长度相比欧式形状将 显著增长,迭代次数选用二次是权衡尺寸小型化和工作带宽两方面的结果;
[0030] 步骤二,在分形环的+45°对角线右上角构造以一对以之为对称轴的耳状体,以改 善低频匹配特性;将其与分形环合并后再分别进行水平和竖直对称复制,便构成左右、上下 均对称的四片状单元;其中对角上的两单元构成一对偶极子,四单元便构成两对±45°排列 的交叉振子,以实现± 45 °双线极化辐射;
[0031] 步骤三,采用印刷电路工艺将天线图案印制到方形双面介质基板顶面,在底面印 制出同轴芯线焊盘;
[0032] 步骤四,在基板中央靠近交叉振子对角点位置钻出两对大小圆孔以供馈电同轴馈 线外内导体穿过,在基板边缘各顶点处则分别钻出供金属调谐短粧和介质支撑杆穿过的 两个圆孔,短粧起调谐阻抗和改善交叉极化的作用;
[0033] 步骤五,在天线基板下方放置一块无敷铜的厚衬底基板,在左右两侧边缘各钻一 排对称圆孔,以便安装金属扼流柱;高介电常数的厚基板是实现低剖面的关键,金属扼流柱 则既能扼制边缘电流又可以固定衬底基板;
[0034] 步骤六,在衬底基板下方放置一带L型卷边的倒梯形金属反射板(开口朝上,边缘 内弯折),反射板左右、上下两侧边缘分别采用周期性和多卷曲的扼流结构以有效地抑制边 缘电流,以实现高交叉极化比、低后瓣电平和高前后向比;左右内侧边沿的周期性扼流结构 是由多块顺竖直方向放置、朝外倾斜β角、等间距排列的金属板构成;上下两侧边沿的多卷 曲扼流结构是一块金属板向内90 °弯折数次后朝外90 °弯折一次,然后再连续向内90 °弯折 数次,使得竖直部分全部平行等间隔排列,使得反射板内表面电流路径大大增加,电流到达 边缘外侧时幅度大大减小,从而有效抑制后瓣和交叉极化电平;
[0035] 步骤七,在反射板内表面衬底基板上下两侧分别设置三组直立的、水平排列的金 属隔板,隔板底端与反射板相连,使得隔板顶端表面电流与振子表面电流同向和同相,从而 在不增加口径条件下显著提高天线;
[0036] 步骤八,采用两根空气同轴线分别对交叉振子馈电,同轴线外内导体穿过步骤四 的大小圆孔并分别与圆孔所在振子的两臂焊接,内导体末端还需与基板背面的金属焊盘焊 接以使固定更牢靠;两同轴线的内导体必须在上下同侧,而不能在左右同侧,以保证合成波 的极化方式为垂直极化;另外,外导体穿过振子一臂上的大圆孔后,并非立即断开而是往前 延续一段距离再断开,以便获得更好的交叉极化比;
[0037] 步骤九,在距交叉振子上方放置一顶部水平、边缘直弯的天线罩,以保护天线内部 部件。
[0038] 优选地,所述闵科斯基分形环单元在其右上角的耳状体的对角线右上方向设置延 伸导体段和竖直调谐短柱。
[0039] 优选地,所述耳状体、延伸段、背面焊盘,采用印刷电路工艺或压铸工艺一体加工 成型。
[0040] 优选地,所述低剖面高增益分形小型基站天线的直接馈电同轴线采用定制的非标 准50Ω或75Ω阻抗同轴线如空气同轴线,且外导体自焊点延伸一段距离后再断开。
[0041] 优选地,所述低剖面高增益分形小型基站天线实际馈电同轴线采用标准50 Ω阻抗 同轴线,连接头为50 Ω的SM、BNC、TNC、N型同轴连接头。
[0042] 优选地,所述低剖面高增益分形小型基站天线的反射板,包括边缘扼流结构和周 期性隔板选用金属材料,如紫铜(纯铜)、合金铜(如黄铜)、纯铝。
[0043] 优选地,所述低剖面高增益分形小型基站天线的周期性扼流板、多卷曲扼流板、扼 流柱、平行隔板和反射板采用分体式设计并用齿孔结构实现组装焊接。
[0044] 本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是:
[0045] 1、本发明针对辐射振子单元独特地采用分形几何和耳状体加载的方法,实现了辐 射振子单元尺寸小型化(尺寸减小20%);
[0046] 2、采用高介电常数和大厚度的衬底基板,以实现天线整体低剖面(0.178 · λ);
[0047] 3、反射板边缘采用周期性和多卷曲扼流结构,实现了显著的后瓣抑制(FTBR多 27dB)和高的交叉极化比(XPD彡50dB);
[0048] 4、反射板内表面、振子单元上下两侧附设一组水平隔板,实现了常规单对交叉振 子难以实现的高增益G (IOdBi)、高效率IU (>95%)和高有效辐射功率比pe;
[0049] 5、等增益情况下,本设计比两对交叉振子与普通梯形反射板构成的常规阵列长度 减小约25 %。
附图说明
[0050] 图1为主瓣E/Η面波束包络形状示意图;
[0051] 图2为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图;
[0052] 图3 (a)表示初始体或零次迭代10,图3 (b)表示一次迭代Il,图3 (c)表示二次迭代 12,图3(d)表示三次迭代13;
[0053] 图4 (a)表示闵科斯基分形环单元,图4 (b)表示闵科斯基分形环单元左右镜像复制 成一对单元,图4 (c)表示闵科斯基分形环单元上下镜像复制成两对单元;
[0054] 图5 (a)表示天线基板及印制图案,图5 (b)表示天线基板及下方衬底基板;
[0055]图6 (a)表不反射板前视图,图6 (b)表不反射板俯视图,图6 (c)表不反射板侧视图;
[0056] 图7 (a)表示反射板上下边缘附设多卷曲扼流结构后的右视图,图7 (b)表示反射板 上下边缘附设多卷曲扼流结构后的俯视图,图7 (c)表示反射板上下边缘附设多卷曲扼流结 构后的侧视图;
[0057] 图8 (a)表示地板内表面、振子单元上下两侧附设一组平行金属隔板左视图,图8 (b)表示一组平行金属隔板俯视图,图8 (c)表示地板内表面、振子单元上下两侧分别附设一 组平行金属隔板俯视图;
[0058]图9 (a)表示两馈电同轴线前视图,图9 (b)表示两馈电同轴线侧视图,图9 (c)表示 两馈电同轴线俯视图;
[0059]图10 (a)表不天线罩左视图,图10 (b)表不天线罩前视图,图10 (c)表不天线罩俯视 图,图10 (d)表示天线罩与天线组装后的侧视图;
[0060] 图11 (a)表示天线组合整体前视图,图11 (b)表示天线组合整体左视图,图11 (c)表 示天线组合整体侧视图;
[0061] 图12为低剖面高增益分形小型基站天线输入阻抗Zin的频率特性曲线;其中,横 轴(X轴)是频率f,单位为MHz;纵轴(Y轴)是输入阻抗Zin,单位为Ω ;实线表示实部Rin,虚线 表示虚部Xin ;粗线表示Zll,细线表示Z22 ;
[0062] 图13为低剖面高增益分形小型基站天线的S参数曲线;其中,横轴(X轴)是频率f, 单位为MHz ;纵轴(Y轴)是S参数幅度I S I,单位为dB;粗实线表示I Sn I,细实线表示I S221,虚 线表示|s21|或Is12I,即两端□隔离度;
[0063] 图14为低剖面高增益分形小型基站天线在fL = 1700MHz的2D实增益方向图(G = 8.83dBi,XH) = 50.94dB,FTBR = 27. OdB);其中,实线是主极化分量Co-Pol,虚线是交叉极化 分量X-Pol;粗黑线表示H-面(Χ0Ζ平面);细灰线表示E-面(Υ0Ζ平面);
[0064] 图15为低剖面高增益分形小型基站天线在fc = 1800MHz的2D实增益方向图(G = 9.44dBi,XH) = 49.41dB,FTBR = 28.2dB);其中,实线是主极化分量Co-Pol,虚线是交叉极化 分量X-Pol;粗黑线表示H-面(Χ0Ζ平面);细灰线表示E-面(Υ0Ζ平面);
[0065] 图16 (a)和图16 (b)分别为低剖面高增益分形小型基站天线在fH= 1900MHz的2D和 3D实增益方向图(G= 10.04dBi,XPD = 50.47dB,FTBR= 32. IdB);其中,实线是主极化分量 Co-Pol,虚线是交叉极化分量X-Pol;粗黑线表示H-面(Χ0Ζ平面);细灰线表示E-面(Υ0Ζ平 面);
[0066] 图17为低剖面高增益分形小型基站天线的增益G随频率f变化曲线;
[0067] 图18为低剖面高增益分形小型基站天线主瓣半功率宽度0HPBW和φΗΡΒW随频 率f变化曲线;其中,实线表示H-面(Χ0Ζ平面);虚线表示E-面(Υ0Ζ平面);
[0068] 图19为低剖面高增益分形小型基站天线的效率IU随频率f变化曲线(彡95%)。
[0069] 附图标记说明:1、天线振子1-1、耳状体2、介质基板3、圆孔4、支撑柱5、衬底基 板6、反射板组合体6-1、倒梯形金属反射板6-2、周期性扼流结构6-3、多卷曲扼流结构 7、金属隔板阵7-1、金属隔板8、馈电同轴馈线9、天线罩。
具体实施方式
[0070] 如图2-图11 (c)所示,本发明是一种低剖面高增益分形小型基站天线,它包括天线 罩9、反射板组合体6、衬底基板5、金属隔板阵7、印刷有天线振子1的介质基板2以及与天线 振子连接的馈电同轴馈线8,介质基板2固定于衬底基板5上,衬底基板5、金属隔板阵7设置 在反射板组合体6上;天线振子1包括左右、上下均对称的四片状单元,四片状单元中每对角 上的两单元构成一对偶极子,四片状单元构成交叉振子;每一片状单元是利用二次迭代I2 方形冯•科赫分形曲线首尾连接构造成一个闵科斯基分形环,然后将其填充为平面片,并 在分形环的对角线右上角或左上角构造一对以所述对角线为对称轴的耳状体1-1,将其与 分形环合并后形成;反射板组合体6包括边缘内弯折的开口朝上的倒梯形金属反射板6-1和 倒梯形金属反射板左右内侧边沿的周期性扼流结构6-2和上下两侧边沿的多卷曲扼流结构 6-3;周期性扼流结构包括多块朝外倾斜设置的、等间距排列的金属板,多卷曲扼流结构包 括竖直部分全部平行等间隔排列的多弯折金属板;金属隔板阵7包括分设于在倒梯形金属 反射板内表面、衬底基板上下两侧的两组金属隔板组,每组金属隔板组包括三组直立于的 倒梯形金属反射板上的、水平排列的金属隔板7-1。
[0071] 其中,所述介质基板选用介电常数£!! = 2.0〜4.0、损耗tanSKO.〇〇1、厚度为Ti = 2mm〜4mm的介质材料。衬底基板选用介电常数er2 = 6.0〜12.0、损耗tan52<0. OOl和板厚为 T2 = 4mm〜8mm的介质材料。衬底基板的两侧边沿各设置有一排金属柱来实现与倒梯形金属 反射板固定。介质基板通过固定于衬底基板上的支撑柱4来支撑固定。馈电同轴馈线采用 50 Ω或75 Ω阻抗的空气同轴线,且空气同轴线的外导体自与天线振子的焊点延伸一段距离 后再断开。
[0072] 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。其中,图 3 (a)_图3(d)为各次迭代方形科赫分形曲线(Von Koch Curve)的示意图;图4 (a)_图4 (c)为 二次迭代12闵科斯基分形环(Minkowski Loop)右上角附设耳状体和延伸段的示意图;图5 (a)-图5 (b)为天线基板和衬底基板组装关系的示意图;图6 (a)-图6 (c)为反射板左右边缘 内侧附设周期性扼流结构的示意图;图7 (a)-图7 (c)为反射板上下边缘附设多卷曲扼流结 构的示意图;图8 (a)-图8 (c)为表示地板内表面、振子单元上下两侧分别附设一组平行金属 隔板的示意图;图9 (a)-图9 (c)为交叉振子的两直接馈电空气同轴线的示意图;图10 (a)-图 10 (d)为天线罩结构的示意图;图11 (a)-图11 (c)为天线各部分组合整体的示意图。
[0073] 这里,将基于二次迭代12方形科赫分形曲线(Von Koch Curve)来设计低剖面高增 益分形小型基站天线,并给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是,这里所 描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明,并不用于限制或限定本发明。
[0074] 本发明的低剖面高增益分形小型基站天线设计方法包括以下步骤:
[0075] 步骤一,用四条二次迭代12方形冯•科赫分形曲线(Von Koch Curve,如图3 (c)所 示)首尾连接构造一个闵科斯基(Minkowski)分形环,然后将其填充为平面片(sheet),其边 缘总长度相比欧式形状将显著增长,迭代次数选用二次是权衡尺寸小型化和工作带宽两方 面的结果;
[0076] 步骤二,在分形环的+45°对角线右上角构造以一对以之为对称轴的耳状体,以改 善低频匹配特性,并在对角线右上方向设置延伸导体段和竖直调谐短柱。将耳状体与分形 环合并后再分别进行水平和竖直对称复制,便构成左右、上下均对称的四片状单元。其中对 角上的两单元构成一对偶极子,四单元便构成两对±45°排列的交叉振子,以实现±45°双 线极化辐射,如图4 (a) - (c)所示;
[0077] 步骤三,采用印刷电路工艺将天线图案印制到边长为L1、厚度ST1、敷铜厚度为t、 介电常数和损耗角分别为^1UanS1的方形双面介质基板顶面,在底面印制出同轴芯线焊 盘,如图5(b)所示;
[0078] 步骤四,在基板中央靠近交叉振子对角点位置钻出两对大小圆孔3以供馈电同轴 馈线外内导体穿过(大孔位于上侧),在基板边缘各顶点处则分别钻出供金属调谐短粧和介 质支撑杆穿过的两个圆孔,短粧起调谐阻抗和改善交叉极化的作用,如图5(b)所示;
[0079] 步骤五,在天线基板下方距离D处放置一块高介电常数(er2、tanS2)、无敷铜的厚衬 底基板(边长为L2、厚度为T2),在左右两侧边缘各钻一排对称圆孔,以便安装金属扼流柱,如 图5(b)所示。高介电常数的厚基板是实现低剖面的关键,金属扼流柱则既能扼制边缘电流 又可以固定衬底基板;
[0080] 步骤六,在衬底基板下方放置一带L型卷边的倒梯形金属地板(开口朝上,边缘内 弯折),地板左右、上下两侧边缘分别采用周期性和多卷曲的扼流结构以有效地抑制边缘电 流,以实现高交叉极化比、低后瓣电平和高前后向比。左右内侧边沿的周期性扼流结构是由 多块顺竖直方向放置、朝外倾斜β角、等间距排列的金属板构成,如图6 (a)-(c)所示;上下两 侧边沿的多卷曲扼流结构是一块金属板向内90°弯折数次后朝外90°弯折一次,然后再连续 向内90°弯折数次,使得竖直部分全部平行等间隔排列,如图7 (a)-(c)所示。平行斜置金属 板和多弯折金属板的存在,使得反射板内表面电流路径大大增加,电流到达边缘外侧时幅 度大大减小,从而有效抑制后瓣和交叉极化电平;
[0081] 步骤七,在地板内表面衬底基板上下两侧分别设置三组直立的、水平排列的金属 隔板,隔板底端与地板相连,使得隔板顶端表面电流与振子表面电流同向和同相,从而在不 增加口径条件下显著提高天线(增大1.5dBi左右),如图8 (a) - (c)所示;
[0082] 步骤八,采用两根特性阻抗为Z。(非标准50 Ω或75 Ω阻抗)的空气同轴线分别对交 叉振子馈电,同轴线外内导体穿过步骤四的大小圆孔并分别与圆孔所在振子的两臂焊接, 内导体末端还需与基板背面的金属焊盘焊接以使固定更牢靠。需要指出的是,两同轴线的 内导体必须在上下同侧,而不能在左右同侧,以保证合成波的极化方式为垂直极化。另外, 外导体穿过振子一臂上的大圆孔后,并非立即断开而是往前延续一段距离再断开,以便获 得更好的交叉极化比,如图9 (a) - (c)所示;
[0083] 步骤九,在距交叉振子上方H处放置一顶部水平、边缘直弯、厚度为T3的天线罩 (er3、tanS3、),以保护天线内部部件,如图10 (a) - (d)所示。
[0084] 本发明通过采用分形结构实现了振子单元尺寸小型化;通过高介电常数的厚衬底 基板实现了天线整体低剖面(〇. 178 · λ);通过采用特殊边缘形状的地板实现了后瓣/旁瓣 显著抑制,极大地提高了交叉极化比(多50dB)和前后向比(>27dB);通过地板内表面增设 平行隔板阵列实现了一对常规交叉振子所无法达到的高增益(IOdBi)和高效率(多95%); 通过特殊阻抗空气同轴线实现了带内的良好匹配(|Sn I <-15dB)。
[0085] 所述闵科斯基分形辐射体包括耳状体、延伸段、背面焊盘,采用印刷电路工艺或压 铸工艺一体加工成型。
[0086] 所述低剖面高增益分形小型基站天线的直接馈电同轴线采用定制的非标准50 Ω 或75Ω阻抗同轴线如空气同轴线,且外导体自焊点延伸一段距离后再断开。
[0087] 优选地,所述低剖面高增益分形小型基站天线实际馈电同轴线采用标准50 Ω阻抗 同轴线,连接头为50Ω的5獻、8从^从^型等常见同轴连接头。
[0088] 所述低剖面高增益分形小型基站天线的反射板,包括周期性扼流结构和多卷曲 扼流结构分别选用金属材料,如紫铜(纯铜)、合金铜(如黄铜)、纯铝等优良导体制作;低剖 面高增益分形小型基站天线的周期性扼流板、多卷曲扼流板、扼流柱、平行隔板和反射板采 用分体式设计并用齿孔结构实现组装焊接。
[0089] 本发明与现有技术相比,其积极进步效果在于:一、独特地采用分形几何和耳状体 加载的方法,实现了辐射振子单元尺寸小型化(尺寸减小20%);二、采用高介电常数和大厚 度的衬底基板,以实现天线整体低剖面(0.178 · λ);三、反射板边缘采用周期性和多卷曲扼 流结构,实现了显著的后瓣抑制(FTBR彡27dB)和高交叉极化比(XPD彡50dB);四、反射板内 表面、振子单元上下两侧附设一组水平隔板,实现了常规单对交叉振子难以实现的高增益G (IOdBi)、高效率IU(>95%)和高有效辐射功率比pe;五、等增益情况下,本设计比两对交叉振 子与普通梯形反射板构成的常规阵列长度减小约25%。
[0090] 本发明独特地采用分形辐射单元、高介电常数介质加载及特殊形状地板相结合的 方法,实现了常规小型基站天线小型化、低剖面、高增益G、高效率ru、高有效辐射功率比pe、 低交叉极化XPD、高前后向比FTBR,以及良好的阻抗匹配和端口隔离度。另外,该方法还具有 思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单等特点,对于大型宏基站天线的小型化、高增益、 尚效率、低芳辦、尚如向后相比、尚交叉极化等性能指标提升也是适用和有效的。
[0091] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员 来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明 的保护范围。

Claims (10)

1. 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; 天线振子包括左右、上下均对称的四片状单元,四片状单元中每对角上的两单元构成 一对偶极子,四片状单元构成交叉振子;每一片状单元是利用二次迭代I2方形冯·科赫分形 曲线首尾连接构造成一个闵科斯基分形环,然后将其填充为平面片,并在分形环的对角线 右上角或左上角构造一对以所述对角线为对称轴的耳状体,将其与分形环合并后形成; 反射板组合体包括边缘内弯折的开口朝上的倒梯形金属反射板和倒梯形金属反射板 左右内侧边沿的周期性扼流结构和上下两侧边沿的多卷曲扼流结构;周期性扼流结构包括 多块朝外倾斜设置的、等间距排列的金属板,多卷曲扼流结构包括竖直部分全部平行等间 隔排列的多弯折金属板; 金属隔板阵包括分设于倒梯形金属反射板内表面、衬底基板上下两侧的两组金属隔板 组,每组金属隔板组包括若干组直立于倒梯形金属反射板上的、水平排列的金属隔板。
2. 根据权利要求1所述的一种低剖面高增益分形小型基站天线,其特征在于,所述介质 基板选用介电常数ειΐ=2·0〜4.0、损耗tanSeo.OOl、厚度为Ti=2 mm〜4 mm的介质材料。
3. 根据权利要求1所述的一种低剖面高增益分形小型基站天线,其特征在于,衬底基板 选用介电常数εΓ2=6.0〜12.0、损耗tan52<0.001和板厚为T2=4 mm〜8 mm的介质材料。
4. 根据权利要求1所述的一种低剖面高增益分形小型基站天线,其特征在于,所述衬底 基板的两侧边沿各设置有一排金属柱来实现与倒梯形金属反射板固定。
5. 根据权利要求1所述的一种低剖面高增益分形小型基站天线,其特征在于,所述介质 基板通过固定于衬底基板上的支撑柱来支撑固定。
6. 根据权利要求1所述的一种低剖面高增益分形小型基站天线,其特征在于,所述馈电 同轴馈线采用50 Ω或75 Ω阻抗的空气同轴线,且空气同轴线的外导体从天线振子的焊点延 伸一段距离后再断开。
7. —种如权利要求1-6任意一项所述的低剖面高增益分形小型基站天线的设计方法, 其特征在于,它包括以下步骤:步骤一,用四条二次迭代I2方形冯·科赫分形曲线首尾连接 构造一个闵科斯基分形环,然后将其填充为平面片; 步骤二,在平面片的闵科斯基分形环+45°对角线右上角构造一对以之为对称轴的耳状 体;将其与分形环合并后再分别进行水平和竖直对称复制,构成左右、上下均对称的四片状 单元;其中对角上的两单元构成一对偶极子,四单元便构成两对±45°排列的交叉振子,以 实现±45°双线极化辐射; 步骤三,采用印刷电路工艺将天线图案印制到方形双面介质基板顶面,在底面印制出 同轴芯线焊盘; 步骤四,在基板中央靠近交叉振子对角点位置钻出两对大小圆孔以供馈电同轴馈线外 内导体穿过,在基板边缘各顶点处则分别钻出供金属调谐短粧和介质支撑杆穿过的两个圆 孔; 步骤五,在天线基板下方放置一块无敷铜的衬底基板,在左右两侧边缘各钻一排对称 圆孔,安装金属扼流柱; 步骤六,在衬底基板下方放置一带卷边的倒梯形金属反射板,反射板左右、上下两侧边 缘分别采用周期性扼流结构和多卷曲扼流结构;左右内侧边沿的周期性扼流结构包括多块 朝外倾斜、等间距排列的金属板;上下两侧边沿的多卷曲扼流结构是一块金属板向内90°弯 折数次后朝外90°弯折一次,然后再连续向内90°弯折数次,使得竖直部分全部平行等间隔排 列; 步骤七,在反射板内表面衬底基板上下两侧分别设置至少三组直立的、水平排列的金 属隔板,隔板底端与反射板相连,使得隔板顶端表面电流与振子表面电流同向和同相; 步骤八,采用两根空气同轴线分别对交叉振子馈电,同轴线外内导体穿过步骤四的大 小圆孔并分别与圆孔所在振子的两臂焊接,内导体末端还需与基板背面的金属焊盘焊接; 两同轴线的外导体穿过振子一臂上的大圆孔后,往前延续一段距离再断开; 步骤九,在交叉振子上方放置一天线罩。
8. 根据权利要求7所述的低剖面高增益分形小型基站天线的设计方法,其特征在于,所 述闵科斯基分形环单元在其右上角的耳状体的对角线右上方向设置延伸导体段和竖直调 谐短柱。
9. 根据权利要求7所述的低剖面高增益分形小型基站天线的设计方法,其特征在于,所 述闵科斯基分形环的耳状体、方形双面介质基板背面的焊盘,采用印刷电路工艺或压铸工 艺一体加工成型。
10. 根据权利要求7所述的低剖面高增益分形小型基站天线的设计方法,其特征在于, 所述周期性扼流结构、多卷曲扼流结构、金属扼流柱、金属隔板和反射板采用分体式设计并 用齿孔结构实现组装焊接。
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