CN106816718A

CN106816718A - 一种低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法

Info

Publication number: CN106816718A
Application number: CN201710042495.8A
Authority: CN
Inventors: 陈益凯; 汪承慧; 杨仕文; 郭力文
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2017-06-09
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: CN106816718B

Abstract

本发明公开了一种低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法，特点是基于多目标优化算法系统化的设计出具有低副瓣电平和锐截止特性的双极化基站天线，引入了在不同频带对单元的选择性从而获得宽频带内方向图的稳定性。本发明提供的低副瓣锐截止平顶波束基站天线的优点是能够依靠某种特定单元便可同时覆盖低频段及高频段各自技术要求或者宽频带技术要求，具有尺寸小、设计简单的特点。其设计方法可灵活用于有不同形式信号覆盖要求的无线通信系统。

Description

一种低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，涉及通信基站的赋形技术及设计方法，具体来说是一种基于多目标优化算法并引入单元选择性的宽频带平顶波束设计方法及具体的平面阵列基站天线实现，可灵活用于有不同形式信号覆盖要求的无线通信系统。

背景技术

在移动通信系统中，基站天线扮演着上传下达的重要角色，其性能的好坏直接影响着整个通信系统的通信质量。随着移动通信系统的发展，城市内的基站天线分布越来越密集，基站之间的干扰也越来越严重。为此移动运营商开始根据覆盖区域的不同，进行相应的波束赋形设计来解决上述问题；另一方面，2G、3G再到4G系统的快速普及，基站天线的工作频带也要求越来越宽，宽带基站天线单元设计或者同时使用高频、低频单元来达到宽频带被越来越多的采纳，然而在实际的应用当中仍有很多问题未得到满意的解决，原因有以下几点：

1、为实际解决基站天线信号覆盖问题，要求天线方向图特性良好。而在一些有特殊波束赋形要求(如正方向或菱形平顶波束)的情况下，难以同时满足低副瓣和波束锐截止的特性。

2、在实际工程应用中，往往对基站天线的封装尺寸有一定的要求。传统的基站天线阵列布局方式一般采用等间距阵列形式，为减小天线单元间的互耦，单元间距一般较大(0.7-0.8λ)。同时单元数目越多，越有利于实现波束赋形，为达到基本的方向图要求，尤其是对天线副瓣电平、过渡区有一定要求时，天线单元数目需要达到一定规模，这就直接导致阵列整体尺寸过大。

3、设计宽带天线单元是实现基站天线宽频带工作的常用思路，但是传统波束赋形针对的是单一频点，这就导致无法保证频带内方向图的稳定性，尤其是要求信号覆盖范围一定的情况下，低频段和高频端的主瓣宽度之间的显著差异使得天线实用性很差。而对于近年提出的频率不变方向图综合方法，需要给每一个激励端口外接FIR滤波器，这就导致馈电网络过于复杂，成本大大增加，并不适合一般的基站天线设计。故而虽然采取多种措施可提高单元的工作带宽，目前尚未设计出仅依靠单列某种特定单元便可同时覆盖低频段及高频段各自技术要求的先进方案。

4、目前出现的宽带基站天线多数采用对低频段和高频段天线分别组阵，再将两者以嵌入式或分布式进行布局的形式。该方法相对于采用宽带天线单元的缺点在于会带来尺寸和重量的增加，这就使得原本局促的总体尺寸要求更加难以调和；需要设计两套天线单元和两套激励网络，设计复杂度增加；对于较复杂的波束赋形，高低频段的天线阵难以相互嵌入布局。

由于对于水平面方向图要求不高，现有的基站天线大多为垂直面上的线阵列天线，但随着通信需求的多样化，实现三维方向图的综合设计显得日益重要，从只考虑一个面上的二维方向图综合拓展到立体的三维方向图综合，同时考虑到上述的四点因素，实现一种宽频带方向图稳定的特殊波束基站天线具有一定的难度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的缺陷，提出一种低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法，特点是基于多目标优化算法系统化的设计出具有低副瓣电平和锐截止特性的双极化基站天线，引入了在不同频带对单元的选择性从而获得宽频带内方向图的稳定性。该天线具有菱形(正方形)平顶波束，满足E面、H面主瓣宽度为50°±5°，副瓣电平低于-20dB，可以应用于1.71-2.69GHz的通信系统中。相应的设计方法还可以用于其他形式的赋形波束阵列天线设计当中。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

平顶波束基站天线，包括多个基站天线单元、金属围栏和地板，基站天线单元的激励和在不同频带的选择性以及单元间距通过多目标优化算法确定，以满足特殊的方向图要求，金属围栏置于天线单元周围并与地板接触。

作为一种优选方案，所述的基站天线单元都采用相同的结构，两个极化的辐射结构印刷在上下两层介质板上，介质板中间留有一定的空气间隙，分别用两个同轴线给不同极化辐射单元馈电。

作为一种优选方案，所述的多目标优化算法采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)。

作为一种优选方案，所述的优化算法采用的优化变量中单元激励幅度、相位及单元间距在整个频段内保持不变，单元选择性则分高/低两个频段。

作为一种优选方案，优化算法设置三个优化目标(分高低两个频段)：

目标一：低频段选择一个频点，依据低频段选择性计算该频点方向图使其满足低频段目标方向图；

目标二：高频段选择一个频点，依据高频段选择性计算该频点方向图使其满足高频段目标方向图；

目标三：依据单元尺寸和单元间距计算阵列天线整体尺寸，使其满足小于或等于给定最大尺寸。

作为一种优选方案，金属围栏形式采用垂直于地板的金属片，并将其放置于相邻天线单元的中间位置并接触地板，高度低于辐射结构。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、引入在不同频段内对单元的选择性，从而增加了与频率相关的设计自由度，使得天线在宽频带内获得较稳定的方向图。

2、由于在低频段和高频段对单元的选择性不同，因此天线单元性能可以不表现出对频率的变化，即使用宽带天线单元(不需分别设计高/低频天线单元)也可以同时覆盖低频段及高频段各自技术要求。

3、对于某一特定的天线单元，若在不同的频段上都选择该单元有效，则实现了该单元在整个频段内的复用，相比现有技术的低频段和高频段天线分别组阵的方式减少了单元个数，等效于在实现相同性能的前提下缩小了整体阵列尺寸。

4、使用多目标优化算法对方向图进行综合，实现了对多种辐射性能指标及阵列尺寸的同时优化，从而在实施例1中实现了低副瓣锐截止平顶波束小型化的双极化基站天线设计。

5、不同于利用FIR滤波器实现方向图稳定性，实现对单元的选择性只需要将所有仅工作于该频段的天线单元连接起来通过带通滤波器，对于工作在整个频段上的天线单元则采用传统的馈电方式，实现方式简单。

附图说明

图1为本发明的设计方法流程图。

图2为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1的结构示意图。

图3为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在低频段中心频率(1.94GHz)的三维方向图(俯视图)。

图4为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在低频段中心频率(1.94GHz)的三维方向图(侧视图)。

图5为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在高频段中心频率(2.5GHz)的三维方向图(俯视图)。

图6为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在高频段中心频率(2.5GHz)的三维方向图(侧视图)。

图7为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在低频段频点(1.71GHz)的E面、H面主极化和交叉极化方向图。

图8为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在低频段频点(1.94GHz)的E面、H面主极化和交叉极化方向图。

图9为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在低频段频点(2.17GHz)的E面、H面主极化和交叉极化方向图。

图10为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在高频段频点(2.3GHz)的E面、H面主极化和交叉极化方向图。

图11为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在高频段频点(2.5GHz)的E面、H面主极化和交叉极化方向图。

图12为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例1在高频段频点(2.69GHz)的E面、H面主极化和交叉极化方向图。

图13为低副瓣锐截止平顶波束基站天线实施例2的结构示意图。

具体实施方案

下面将结合本发明实施例中附图对本发明实施例的技术方案做进一步详细的描述。

实施例1：

如图1所示，首先确定需要综合的辐射方向图为低副瓣锐截止平顶波束，其满足E面、H面主瓣宽度为50°±5°，副瓣电平低于-20dB，工作频带为1.71-2.69GHz，阵列整体尺寸小于560×560mm²,考虑到实际天线单元的尺寸及单元间的耦合，限制单元间距不小于56mm。

选择基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)并设置单元激励幅度、相位、单元间距及低(1.71-2.17GHz)/高(2.3-2.69GHz)频段两个频带内单元选择性为变量，1.71GHz和2.69GHz两个频点的方向图特性及整体阵列尺寸为优化目标。

根据目标方向图的对称性，对多目标进化算法做如下简化以提高方向图的计算速度和优化算法的收敛速度：

1、如图2所示，只取区域1里的单元激励幅度、相位和不同频段选择性作为变量，其它单元的激励及选择性可由对称性得到。

2、单元成行或成列排布，且关于phi＝0/45/90/135度对称。

3、根据以上简化推导出快速的方向图计算公式：

根据综合结果，选择一组最优解，建立基站天线模型。

为减小单元之间的互耦，在天线单元周围添加金属围栏(图2)，微调本实施例中的单元和金属围栏的部分尺寸参数后，通过电磁场仿真对本实施例的基站天线辐射特性进行了验证。如图3～图6所示，为该天线在低频段和高频段的中心频点处的三维方向图，可以看出，仿真结果非常吻合预期的菱形平顶波束(基站天线旋转45度放置则为方形平顶波束)。图7～图12给出了该天线在1.71、1.94、2.17、2.3、2.5、2.69GHz六个频点处的E面、H面主极化和交叉极化方向图，可以看出，在整个频带内，E面、H面3dB主瓣宽度为50°±5°范围内，副瓣电平低于-20dB，过渡区约为12度。总体尺寸为460×460mm²。仿真结果表明本实施例的双极化基站天线性能良好，具有稳定的赋形波束和小型化的尺寸，能够满足1.71-2.69GHz的宽带高速无线通讯系统的要求。

实施例2：

如图13所示，为进一步突出该方法中不同频段单元的选择性及单元间距作为变量所起的重要作用，本实施例中进一步综合了一款具有方形平顶波束的基站天线，从其结构图可以清楚的看出，不同单元间的间距有显著差别，由于阵列四个角落的部分单元在所有频带上都选择为无效，所以直接删去了这些单元。

前面已经描述本发明的两个具体实施例，应该理解这只是以一种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims

1.一种低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法，它包括平顶波束基站天线和该类型天线的设计方法。

2.根据权利要求1所述的低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法，其特征在于：所述的平顶波束基站天线设计时采用多目标优化算法确定天线单元激励和在不同频带的单元选择性以及单元间距。

3.根据权利要求1所述的低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法，其特征在于：所述的平顶波束基站天线由多个基站天线单元、金属围栏和地板构成。

4.根据权利要求2所述的低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法，其特征在于：所述的多目标优化算法将多个频带内的辐射方向图特性及天线整体尺寸同时作为优化目标进行优化。

5.根据权利要求2所述的低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法，其特征在于：所述的平顶波束基站天线设计中在不同频带对单元的选择性不同。

6.根据权利要求1或2或3所述的低副瓣锐截止平顶波束基站天线及设计方法，其特征在于：所述的平顶波束基站天线单元形式及初始单元个数在进行阵列方向图综合之前已经确定，最终布局及实际单元个数由优化算法确定。

7.根据权利要求1所述的平顶波束基站天线设计方法，其特征在于：该方法是一种引入多频带单元选择性并采用多目标优化算法得到满足多种辐射指标、宽频带稳定的方向图，主要包括下列步骤：

步骤A：获取宽带天线的电性能和机械性能的整体要求，并以此选择合适的宽带天线单元；

步骤B：依据电性能要求划分频带。若在不同的频带技术指标要求不同，则直接按提出指标要求时划分的频带划分；若提出的是宽带指标要求，则按常规阵列能够达到的最大带宽进行划分；

步骤C：根据步骤B划分的频带确定各个频带内和全频带内的优化目标及优化变量，其中优化变量中引入不同频带的单元选择性；

步骤D：选择合适的多目标优化算法进行优化，并选出最优解；

步骤E：依据最优解设计天线布局及馈电形式并进行仿真验证。