CN107959121A - 基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线，以人工介质圆柱透镜为载体高度集成多个天线单元构成。包括人工介质圆柱透镜1、天线单元组2，金属底板3，该天线单元组2包括若干个天线单元，每个天线单元为独立个体，固定在金属底板3上，两者形成一个整体，等高均匀沿圆柱透镜的半圆周面排列成一行。本发明的天线在水平面内能够实现180°全覆盖，且每个波束的垂直面实测方向图较传统电调天线的垂直面实测方向图宽2‑3倍，覆盖的区域内场强占优，因此无需电调机构。能够有效避免传统天线易出现的“塔下黑”现象，特别适用于密集用户及大数据流量业务区，多波束可成倍地提升容量，可适应当前和未来信息传输大爆发的需求。

Description

基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线
技术领域
本发明涉及无线电天线领域，特别涉及一种用于移动通信基站的人工介质圆柱透镜扇区多波束天线，该天线能够在180°范围内实现水平面覆盖。
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。在满足高增益、低副瓣、窄波束、波束覆盖范围广等要求的同时还要兼顾扫描速度、成本、环境等需要。其中最重要的是天线既要能承载超大信息容量，又不能增加其数量和站址。
传统无线通讯系统中想要实现扇区覆盖多采用半功率波瓣宽度为65°的扇区天线覆盖120°扇区。如果要增大用户容量，一般是增多频点，但受频率资源限制，只有再加装扇区天线，这又受站点限制。为增大容量，已经采用的技术是所谓“劈裂天线”，它将每个扇区分成两个扇区，即2波束/120°覆盖。更多波束则用传统阵列天线理论及电子波束赋形方法，但非常复杂，能耗、成本、重量等大幅上升，难于大规模应用。
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(BF多)激励辐射单元平面阵列、或用多级巴特勒矩阵等做成。然而，由于存在不对称波束、隔离度、网络损耗导致增益损失、频带窄等问题，使其难以大规模应用。
龙伯透镜天线是一种透过电介质将电磁波聚焦至焦点的透镜天线，只需沿着透镜表面简单地移动馈源位置，或放置多个馈源，就可以同时接收/发射多个信号而不需改变透镜天线的位置，其具有承载多天线、多波束潜力，龙伯透镜天线主要通过龙伯球介质来实现其功能，传统龙伯球是一个具有多层介电常数不同材料的球体，各层介电常数材料理论上应在2到1之间渐变。自然界不存在这种介质，一般是人工合成。但实际上很难达到这种理想状态，此外最大的难点是质量太大。通常会模拟近似的变化状态来制成龙伯球。传统的龙伯透镜天线主要通过在基材上打孔或通过发泡方式制作。发泡法只能做到介电常数小于1.4，打孔法制造工艺极其复杂，介电常数很难贴近理想变化曲线，导致透镜的辐射效率低而且太重。长期以来只能作为厘米波雷达无源目标探测、机场跑道盲降等少量应用，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，最近在市场上已见到应用于移动通信领域的多波束龙伯球透镜天线(2017年美国特朗普总就职典的百万群众集会上，见US20110003131A1)。但支撑龙伯球透镜天线的结构过于庞大复杂。且与传统移动通信基站天线一样，也配有复杂的垂直波束下倾机构，这是由于垂直面波束宽度窄的缘故，这增加了应用的操作难度、复杂性和成本。
中国发明专利(200580038415.7：Luneberg介电透镜及其制造方法)公开了一种半球形介电透镜，其包括多个同心的半球层，每层都是含0至80％重量陶瓷的热塑性树脂膨胀珠的泡沫模制品。该发明公开的半球形介电透镜虽然能够克服传统天线的缺点能够实现较大增益且质量较轻，但透镜制造过程中需要将陶瓷与泡沫膨胀珠混合后再使用模具进行发泡，对工艺条件要求较高，且制备模具花费时间较长。
中国发明专利申请(201480057832.5：带透镜基站天线)公开了一种带透镜基站的天线，其核心是用一种均匀介电常数的介质圆柱棒作为透镜，在它的120°外围由3面10单元基站天线激励(照射)，形成3波束120°覆盖，波束增益只有1dB。一共用了30个单元天线。该发明所用介质体虽然也是圆柱形，但其介质体的介电常数为统一值，该天线的辐射效果很难媲美龙伯人工介质多层透镜。
发明内容
本发明提供了一种高增益人工介质圆柱透镜扇区多波束天线，用以解决当前移动通信基站天线面临的瓶颈：增大容量而不新增站址、提高增益而无需电调机构、信干比高网速更快、一维扫描等效二维扫描、重量轻、体积小、节能环保。
为实现上述目标，本发明采用的技术方案是：利用人工介质圆柱透镜多波束对辐射信号的放大功能(可将辐射元的增益提高10dB以上)，以人工介质圆柱透镜作为载体，将n个单元天线布置在圆柱透镜的焦线上，形成多波束天线，天线单元与介质圆柱透镜组合之后，低频天线增益可达14.6dBi，高频天线增益可达20dBi，构成多波束高增益天线。
关于本发明所用圆柱透镜的详细资料可参考中国发明专利201710713195.8：一种人工介质多层圆柱透镜。
所述圆柱透镜由人工介质材料制成；所述天线单元组包括若干个天线单元，每个天线单元为独立个体，其固定在金属底板上，两者形成一个整体，等高均匀排列在圆柱透镜的半圆周面上。
优选地，所述天线单元的水平中心线与圆柱透镜上表面距离的取值范围为4-12cm。
优选地，所述天线单元为双频双极化天线单元和单高频双极化天线单元、单频单极化天线单元中的一种或几种。
优选地，所述天线单元组每组包括n个独立的天线单元，n的取值取决于人工介质圆柱透镜直径。
优选地，所述天线单元组包括若干个双频双极化天线单元和若干个单高频双极化天线单元。
优选地，所述天线单元组中相邻天线单元距离的取值范围为1-3cm，天线单元到所述圆柱透镜间的天线焦距取值为4-12cm。
优选地，所述天线单元组中的单高频双极化天线单元和双频双极化天线单元间隔排列。
优选地，所述天线单元组中的双频双极化天线单元为嵌套式双频双极化天线单元，在一个低频天线单元内嵌套一个高频天线单元构成。
优选地，所述单高频天线单元含有一对+/-45°极化偶极子天线，所述高频天线单元含有一对+/-45°极化偶极子天线，所述低频天线单元含有一对+/-45°极化偶极子天线。
优选地，所述各个天线单元辐射最大方向通过所述圆柱透镜的中轴线。
优选地，所述圆柱透镜高度为40-70cm。
优选地，所述圆柱透镜高度为50-65cm。
优选地，所述圆柱透镜高度为50-60cm。
优选地，所述圆柱透镜直径为30-70cm。
优选地，所述圆柱透镜直径为50-65cm。
优选地，所述圆柱透镜直径为60-65cm。
优选地，所述圆柱透镜外形为圆柱体，包括多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其余各层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，所述人工介质多层圆柱透镜的多个同心层介电常数由第1层向外逐层降低，具体在2.05-1.05间变化。
优选地，所述多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，所述低介电常数的基材为轻型发泡介质材料，具体为密度0.02-0.03g/cm3的材料。
优选地，所述轻型发泡介质材料为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯，所述高介电常数、低比重的材料包括陶瓷粉、铝银粉、金属丝中的一种或几种。
优选地，各天线单元应具备优良电性能，所述人工介质透镜能在超宽频率下工作，应满足低频单元为806-960MHz，高频单元为1710-2690MHz，增益>8dBi，驻波比<1.4，隔离度>28dB，三阶互调<－150dBc。
优选地，天线的波束数可以根据应用场合设计，波束数为天线单元数。
优选地，天线增益可以根据应用场合设计，由单元的增益、波束数和人工介质圆柱透镜的尺寸决定，波束越多增益越高，各波束的增益值相同。
本发明所述增益均为天线波束增益。
根据应用场合，设定单高频双极化天线单元和双频双极化天线单元之间距离应根据两相邻波束在中间频率相交-10dB左右决定，由此确定单高频双极化天线单元和双频双极化天线单元沿人工介质圆柱透镜外圆周面排列间隔及顺序。
优选地，天线单元最大辐射方向通过介质圆柱轴线。
优选地，通过调整天线单元表面与介质圆柱面间距获得最大天线增益。
需注意，本发明中所述的高频天线单元和低频天线单元均为双频双极化单元内的嵌套单元，实质上，高频天线单元和低频天线单元均为双极化天线单元，为了清楚区分双频双极化内的高频天线单元和独立的单高频双极化天线单元，故双频双极化天线单元内的高频双极化天线单元和低频双极化天线单元在本发明的描述中均写为高频天线单元和低频天线单元，独立的单高频双极化天线单元均写为单高频双极化天线单元。
需注意，本发明所述dBi是相对无方向性天线辐射功率密度高的倍数取对数的值，dB是两种天线增益相对比较的增益，即dB＝dBi(1#)一dBi(2#)。
与现有技术相对比，本发明产生的有益效果是：
(1)本发明提供的天线采用人工介质多层圆柱透镜作为载体，将多个独立的单元天线，沿介质圆柱体外侧排列，而不用阵列排布天线，就能够达到传统多波束阵列天线的效能，结构简单，性能优良。
(2)本发明提供的天线采用人工介质圆柱透镜作为载体，与传统多波束天线以及现有球形或半球形龙伯透镜天线相比，垂直面波瓣宽度要宽2-3倍，无需俯仰面扫描即可得到更宽的覆盖面积，因此能省去复杂的电调机构，将传统天线的二维扫描简化为一维扫描，无论在移动通信基站天线、相控阵天线、室外WiFi覆盖、Mmimo以及5G上都有很大的潜力。
(3)本发明提供的天线是高度集成化的，它可将数以10计的单天线集成在一个不足半立方米的空间内，产生多达数以10计的波束并能全面覆盖，且只需一个站点，可节省空间资源和成本，有很高的性价比。
(4)本发明提供的天线采用人工介质多层圆柱透镜作为载体，人工介质圆柱透镜总表观密度为0.08-0.09g/cm3，质量比聚氯乙烯天然介质约轻11倍，较传统透镜质量轻，体积小，应用范围大大扩展。
(5)人工介质圆柱透镜多波束天线由于它的多波束高增益，加之垂直面宽的特性，在所服务的小区大部分地点，其信号更强，信干比要高于同增益的电调天线。本发明的波瓣宽度要比电调天线的垂直面天线实测方向图宽3倍左右，即本发明无需电调机构。另外，本发明的信干比要高于同增益的电调天线，即比电调天线平均约高10-15dB；根据香农定理，网速将更快，系统容量更大。特别适用于密集用户及大数据流量业务区。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明提供的多波束天线结构立体图；
图2是本发明提供的多波束天线结构俯视图；
图3是本发明提供的多波束天线结构主视图；
图4a是本发明提供的多波束天线高频单元水平面7波束天线实测方向图；
图4b是本发明提供的多波束天线低频单元水平面3波束天线实测方向图；
图4c是本发明提供的多波束天线高频垂直面实测方向图；
图4d是本发明提供的多波束天线低频垂直面实测方向图；
图5是本发明提供的多波束天线和传统电调天线垂直面实测方向比较图；
图6是本发明提供的双频双极化天线单元结构图；
图7是本发明提供的单高频双极化天线单元结构图；
附图中各个标记的具体含义如下：
1：圆柱透镜；2：天线单元组；3：金属底板；4：单高频双极化天线单元；5：双频双极化天线单元；6：高频天线单元；7：低频天线单元；8：低频天线单元+45°极化偶极子；9：高频天线单元+45°极化偶极子；10：高频天线单元-45°极化偶极子；11：低频天线单元-45°极化偶极子；12：单高频双极化天线单元+45°偶极子；13：单高频双极化天线单元-45°极化偶极子；14：本发明提供的多波束天线垂直面实测方向图；15：传统电镀天线垂直面实测方向图。
具体实施方式
本发明提供一种基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线，包括圆柱透镜1、天线单元组2、金属底板3，该天线单元组2包括若干个天线单元，每个天线单元为独立个体，固定在金属底板3上，两者形成一个整体，等高均匀沿圆柱透镜1的半圆周面排列成一行。
利用人工介质圆柱透镜多波束对辐射信号的放大功能(可将辐射元的增益提高10dB以上)，以人工介质圆柱透镜1作为载体，将n个单元天线布置在圆柱透镜的焦线上，形成多波束天线，天线单元与介质圆柱透镜1组合之后，低频天线增益可达14.6dBi，高频天线增益可达20dBi，构成多波束高增益天线。
其中人工介质圆柱透镜1包括多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，各同心层被装配成一个多层圆柱体，所述人工介质多层圆柱透镜的多个同心层介电常数由第1层逐层降低，具体在2.05-1.05间变化。多个同心层在制备过程中，由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成。
本发明中用以制造圆柱透镜1的低介电常数的基材通常选用轻型发泡介质材料。对具体材料没有特别限制，但一般应选用密度较低的发泡材料，例如可以选用密度为0.02-0.03g/cm3的材料。在一些优选的实施例中，制作圆柱透镜1的基材可以选自聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯。更优选的是，所用基材为聚苯乙烯。
本发明所用圆柱透镜1在制备过程中，向基材中添加的材料通常选用介电常数较高，同时比重较低的材料，以保证制备出的透镜密度更低，质量更轻。对于此材料的选择没有特别的限制，可以是一种也可以是多种材料的混合。在一些优选的实施例中，该材料可以选自陶瓷粉、铝银粉、金属丝中的一种或几种。
本发明所用圆柱透镜1的层数、高度、直径，以及天线单元的个数，在圆柱透镜1外的排列方式等均可以根据应用场景和天线指标选择或制作，没有特别限制。制成的产品需在天线测量的微波暗室检验。例如透镜圆柱透镜1的层数可以为大于1(不含)的所有整数。通常情况下，透镜层数越多，其介电常数变化更接近理想的变化趋势，圆柱透镜1性能越好。但是随着层数的增多，制作越复杂，各层之间在装配时可能会出现的空隙量就越大，空气的存在会使得透镜的性能大大折扣。因此，在根据实际情况设计选择透镜层数时，也应该考虑到装配时可能出现的空隙。
另外，圆柱透镜1的高度和直径可以根据实际需要选择，但不宜过大。考虑到本发明提供的圆柱透镜1辐射效果更好，质量更轻，所需体积也不需要太大就能实现传统天线复杂机构所能实现的效果。因此，在一些优选的实施例中，本发明所用透镜的高度为40-70cm，更优选50-65cm，进一步优选50-60cm；直径优选为30-70cm，更优选为50-65cm，进一步优选60-65cm。
本发明中天线单元组2包括若干个天线单元，每个天线单元为独立个体，其固定在金属底板3上，两者形成一个整体，等高均匀沿圆柱透镜1的半圆周面排列成一行。所用天线单元可以根据具体需要选择，例如可以选用双频双极化天线单元、单频双极化天线单元、单频单极化天线单元中的一种或几种。其排列方式也可以根据具体需要设置，但应保证各个天线单元的辐射最大方向通过圆柱透镜1中轴线。本发明提供的多波束天线中，天线单元组2沿圆柱透镜1外侧等高排列成一行，天线单元的个数取决于圆柱透镜1的直径，本发明中圆柱透镜1的直径优选为60-65cm。
本发明提供的多波束天线中，天线单元在圆柱透镜1外排列时，各天线单元之间距离应根据具体需要选择。各天线单元内侧与圆柱透镜1柱面外侧之间的距离，即通常所说的天线焦距，应根据天线具体性能需要调整以获得最大增益。
本发明提供的多波束天线中，天线单元的具体排列方式和间距应根据具体需要确定。在本发明的一个实施例中，圆柱透镜1高度优选50-60cm，直径优选60-65cm时，天线单元组2沿圆柱透镜1的半圆周面均匀等高排列成一行，天线单元组2的水平中心线与圆柱透镜1上表面距离的取值优选为4-12cm，单高频双极化天线单元和双频双极化天线单元之间距离应根据两相邻波束在中间频率相交-10dB左右决定，优选为1-3cm，各天线单元与圆柱透镜1柱面外侧之间的距离，即通常所说的天线焦距优选为4-12cm。
实施例：
下面结合附图和具体实施例，对本发明提供的基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线的具体实施方式作详细说明。
参图1所示，图1为本发明提供的多波束天线结构立体图，本发明提供的基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线，包括圆柱透镜1、天线单元组2、金属底板3。
其中，选择人造介质圆柱体透镜1，该介质圆柱体透镜1包括多个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，其他层围绕中心圆柱层依次向外套叠排列，各同心层被装配成一个多层圆柱体，所述人工介质多层圆柱透镜1的多个同心层介电常数由第1层向外逐层降低，具体在2.05-1.05间变化。本发明中用以制造圆柱透镜1的低介电常数的基材通常选用轻型发泡介质材料。对具体材料没有特别限制，但一般应选用密度较低的发泡材料，例如可以选用密度为0.02-0.03g/cm3的材料。在一些优选的实施例中，制作圆柱透镜1的基材可以选自聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯。更优选的是，所用基材为聚苯乙烯。所选人造介质圆柱体1直径为65cm，高度为55cm。
天线单元组2包括若干个天线单元，每个天线单元为独立个体，其固定在金属底板3上，两者形成一个整体。天线单元组2沿圆柱透镜1的半圆周面等高均匀排列成一行。各天线单元辐射最大方向通过介质圆柱体中轴线。
参图2、6、7所示，图2为本发明提供的多波束天线结构俯视图，图6为本发明提供的双频双极化天线单元结构图，图7为本发明提供的单高频双极化天线单元结构图；本发明提供天线单元组2包括7个独立的天线单元，其中，4个为单高频双极化天线单元4，3个为双频双极化天线单元5。其中，单高频双极化天线单元4和双频双极化天线单元5沿圆柱透镜1外侧间隔排列，单高频双极化天线单元4和双频双极化天线单元5之间距离应根据两相邻波束在中间频率相交-10dB左右决定，即天线间隔取值平均为2cm，天线焦距平均为8cm。双频双极化天线单元5为嵌套式双频双极化天线单元5，它通过在一个低频天线单元7内嵌套一个高频天线单元6构成。将3个嵌套式双频双极化天线单元5的12个+/-45°极化偶极子与射频同轴座连接；将4个单高频双极化天线单元4的8个+/-45°极化偶极子与射频同轴座连接。整个天线单元组2外形上为7个独立天线单元，其中低频天线单元7为3个，高频天线单元6为7个，共计20个射频同轴头(10个波束，+/-极化都算上也可称20波束)，安装在天线罩的底座上；将带反射板的天线单元与介质圆柱体透镜1及天线罩固定成一体，构成去电调下倾机构10波束全频180°水平覆盖天线。
参图3所示，图3为本发明提供的多波束天线结构主视图，图中的天线单元组2固定在圆柱透镜1上，天线单元组2的水平中心线与圆柱透镜1上表面之间的距离为8cm。
根据天线要求，各个独立的天线单元选择具备以下优良电性能：低频段双极化天线单元频率为806-960MHz，高频段双极化天线单元频率为1710-2690MHz，全部高低频天线单元驻波比小于1.4，全部高低频天线单元增益大于8.0dBi，各天线单元之间隔离度大于28dB，根据天线要求，全部高低频天线单元三阶互调小于-150dBc。与介质圆柱透镜1组合之后，低频天线增益能够达到14.6dBi，高频天线增益能够达到20dBi。
参图4a、4b、4c、4d所示，本发明提供的多波束天线(也可称为10波束全频180°扇区水平覆盖天线)实测方向图，高频(1920MHz)7波束天线单元，增益达20dBi，低频(850MHz)3波束天线单元增益为14.6dBi。
参图5所示，图5是本发明提供的多波束天线和传统电调天线垂直面实测方向比较图，线14为本发明提供的的多波束天线垂直面实测方向图，线15为传统电镀天线垂直面实测方向图，其中，线14的瓣宽为14.74°，线15瓣宽为5.56°，显然可见，本发明的无电调多波束天线瓣宽明显大于传统电调天线的瓣宽。即说明本发明天线覆盖区域内大部分地点场强更强。因而无需电调机构。由图5仔细对比可见在基站辐射下倾角0°至90°的大部分地点本发明的场强更高，比电调天线平均约高10-15dB，即信干比要高于同增益的电调天线。
上文所述的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并不是用以限制本发明的保护范围，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线，包括圆柱透镜，天线单元组，金属底板，其特征在于，
所述圆柱透镜由人工介质材料制成；
所述天线单元组包括若干个天线单元，每个天线单元为独立个体，固定在金属底板上，两者形成一个整体；
所述天线单元组沿所述圆柱透镜的半圆周面等高均匀排列成一行。
2.如权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述天线单元组的水平中心线与圆柱透镜上表面距离的取值范围为4-12cm。
3.如权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述天线单元组每组包括n个独立的天线单元，n的取值取决于人工介质圆柱透镜直径。
4.如权利要求3所述的多波束天线，其特征在于，所述天线单元组包括若干个双频双极化天线单元和若干个单高频双极化天线单元。
5.如权利要求4所述的多波束天线，其特征在于，所述天线单元组中相邻天线单元距离的取值范围为1-3cm，天线单元到所述圆柱透镜间的天线焦距取值为4-12cm。
6.如权利要求4所述的多波束天线，其特征在于，所述天线单元组中的单高频双极化天线单元和双频双极化天线单元间隔排列。
7.如权利要求4所述的多波束天线，其特征在于，所述天线单元组中的双频双极化天线单元为嵌套式双频双极化天线单元，在一个低频天线单元内嵌套一个高频天线单元构成。
8.如权利要求7所述的多波束天线，其特征在于，所述单高频天线单元含有一对+/-45°极化偶极子天线；
所述高频天线单元含有一对+/-45°极化偶极子天线；
所述低频天线单元含有一对+/-45°极化偶极子天线。
9.如权利要求1-8任一所述的多波束天线，其特征在于，所述各个天线单元辐射最大方向通过所述圆柱透镜的中轴线。
10.如权利要求1-8中任一项所述的多波束天线，其特征在于，所述圆柱透镜高度为40-70cm，直径为30-70cm。
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