CN109119760A - 阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线 - Google Patents

阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线，涉及移动通信基站天线技术领域，该阵列天线波束调节装置包括至少一个寄生辐射单元；该寄生辐射单元设置在待调节波束宽度的阵列辐射单元旁；该寄生辐射单元在预设频段内与该阵列辐射单元电磁耦合，以改变该阵列辐射单元在预设频段内的辐射方向图的波束宽度。本发明实施例提供的一种阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线，可以调节阵列天线的任意频段波束，且不会对其它不需要调节的频段造成影响，实现整个工作频段的超宽带。

Description

阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线
技术领域
本发明涉及移动通信基站天线技术领域，尤其是涉及一种阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线。
背景技术
在蜂窝移动通信基站系统中，为了提高系统容量，通常会使用频率复用技术。扇区基站天线是频率复用技术的简便的实现方法，它要求基站天线辐射波束满足特定的波束宽度范围，比如65°±6°。进一步地，随着移动通信技术的演进过程，2G、3G、4G以及将来的5G，需要基站天线在超宽带工作范围，比如690-960MHz，1695-2690MHz，并满足65°±6°。
现有改变振子辐射波束瓣宽的方法包括变换振子形式、改变振子距离反射板的高度以及改变反射板形状。但是，这些改变波束宽度的方法还存在以下不足：
第一，变换振子形式会影响输入振子阻抗，进而影响振子的工作带宽，导致设计超宽带天线难以实现；
第二，对于多频天线，不同频段的振子需要共用反射板，若改变某个频段振子距离反射板的高度，会影响其他频段振子的辐射波束形状；
第三，改变反射板形状仅可改变关注的某一小段频率的辐射方向图波束宽度的加宽或缩窄，不能实现在超宽带阵列中。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线，可以调节阵列天线的任意频段波束，且不会对其它不需要调节的频段造成影响，实现整个工作频段的超宽带。
第一方面，本发明实施例提供了一种阵列天线波束调节装置，包括：至少一个寄生辐射单元；该寄生辐射单元设置在待调节波束宽度的阵列辐射单元旁；该寄生辐射单元在预设频段内与该阵列辐射单元电磁耦合，以改变该阵列辐射单元在预设频段内的辐射方向图的波束宽度。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，该寄生辐射单元为半波对称振子，该半波对称振子的长度在预设频段对应波长的五分之一到二分之一倍之间。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，该半波对称振子为单极化对称振子或双极化对称振子。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，该寄生辐射单元为单极子，该单极子的长度在预设频段对应波长的五分之一到三分之一倍之间。
结合第一方面以及第一方面的第一种、第二种及第三种可能的实施方式之一，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，该寄生辐射单元有多个，且各个寄生辐射单元具有相同或不同的形状和尺寸。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，该寄生辐射单元设置在阵列辐射单元的一侧、两侧或四周。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，该寄生辐射单元为金属片或寄生于微带线上。
第二方面，本发明实施例还提供了一种可调节波束宽度的阵列天线，包括：阵列辐射单元、反射板和上述第一方面及其可能的实施方式之一提供的阵列天线波束调节装置；该阵列辐射单元与该阵列天线波束调节装置均设置在反射板上。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，该阵列天线波束调节装置与该反射板电磁耦合连接，且在该阵列天线波束调节装置和该反射板之间设置有非金属材料隔层。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，该阵列天线波束调节装置与该反射板通过螺钉固定连接。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的一种阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线，该阵列天线波束调节装置包括至少一个寄生辐射单元；该寄生辐射单元设置在待调节波束宽度的阵列辐射单元旁；该寄生辐射单元在预设频段内与该阵列辐射单元电磁耦合，以改变该阵列辐射单元在预设频段内的辐射方向图的波束宽度；可以调节阵列天线的任意频段波束，且不会对其它不需要调节的频段造成影响，实现整个工作频段的超宽带。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种单个寄生辐射单元应用场景侧视图；
图2为本发明实施例提供的一种单个寄生辐射单元应用场景俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种寄生辐射单元结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种多个寄生辐射单元应用场景侧视图；
图5为本发明实施例提供的一种可调节波束宽度的阵列天线的仿真结果示意图；
图6为本发明实施例提供的一种阵列天线应用场景侧视图；
图7为本发明实施例提供的另一种可调节波束宽度的阵列天线的仿真结果示意图。
图标：
10-阵列辐射单元；11-寄生辐射单元；12-反射板；111-第一寄生辐射单元；112-第二寄生辐射单元；113-第三寄生辐射单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，现有改变振子辐射波束瓣宽的方法包括：变换振子形式，比如半波长振子辐射波束宽，全波振子辐射波束窄，也可设计大于半波振子小于全波振子的单元，实现振子辐射波束宽度的变化；改变振子距离反射板的高度，比如振子距离反射板高度增大，反射板宽度不变的情况下振子辐射波束宽度变宽，或者降低振子距离反射板的高度，反射板宽度不变的情况下振子辐射波束变窄；改变反射板形状，反射板加宽变窄，侧边墙高低，以及反射板特殊形状的折弯等改变振子的辐射波束宽度。这些方法要么无法实现超宽带阵列，要么在改变振子某频段时会影响其他频段振子的辐射波束形状。基于此，本发明实施例提供的一种阵列天线波束调节装置及可调节波束宽度的阵列天线，可以调节阵列天线的任意频段波束，且不会对其它不需要调节的频段造成影响，实现整个工作频段的超宽带。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种阵列天线波束调节装置进行详细介绍。
本发明实施例提供了一种阵列天线波束调节装置，该装置包括至少一个寄生辐射单元。该寄生辐射单元设置在待调节波束宽度的阵列辐射单元旁。该寄生辐射单元在预设频段内与该阵列辐射单元电磁耦合，以改变该阵列辐射单元在预设频段内的辐射方向图的波束宽度。
在实际操作中，通过调节寄生辐射单元的形状、尺寸以及该寄生辐射单元与阵列辐射单元之间的距离，可以实现阵列天线波束调节装置与阵列辐射单元之间不同频段的电磁耦合，以增加阵列辐射单元在特定频段内的波束宽度。
对于特定形状和尺寸的寄生辐射单元，单独调整该寄生辐射单元与阵列辐射单元之间的距离也可以实现对阵列辐射单元不同频段的波束宽度的改变。在寄生辐射单元与阵列辐射单元之间的距离一定时，可以通过设置该寄生辐射单元的尺寸或形状来使它们之间的电磁耦合发生在预设的频段内。
在该阵列天线波速调节装置中，寄生辐射单元可以是一个、两个或多个，并且，当有多个寄生辐射单元共用于一个阵列辐射单元时，各个寄生辐射单元的形状、尺寸可以相同也可以不同。
在制作该寄生辐射单元时，可以通过PCB蚀刻、钣金或压铸的工艺进行加工。其中，该寄生辐射单元可以是以金属片的形式，也可以是以寄生于微带线的形式进行使用。并且，上述预设频段可以是2G、3G、4G或5G。
本发明实施例提供的一种阵列天线波束调节装置，该阵列天线波束调节装置包括至少一个寄生辐射单元；该寄生辐射单元设置在待调节波束宽度的阵列辐射单元旁；该寄生辐射单元在预设频段内与该阵列辐射单元电磁耦合，以改变该阵列辐射单元在预设频段内的辐射方向图的波束宽度。本发明实施例利用频率共振原理，通过在阵列辐射单元旁边增加小的寄生辐射单元或者寄生辐射阵列，当寄生辐射单元或者寄生辐射阵列上产生感应高频电流时，高频电流产生二次电磁辐射，并与阵列辐射单元的电磁辐射在空间干涉叠加，形成了原阵列辐射单元及寄生辐射单元或寄生辐射阵列组合体的辐射方向图。通过调整寄生辐射单元或寄生辐射阵列的尺寸、距离阵列辐射单元的位置，使该组合体的辐射方向图形状发生改变，从而可以通过该寄生辐射单元或寄生辐射阵列调节该阵列辐射单元的方向图波束宽度，实现对阵列辐射单元任意频段波束的调节，且不会对其它不需要调节的频段造成影响，实现整个工作频段的超宽带。
本发明实施例提供了另一种阵列天线波束调节装置，该装置包括单个寄生辐射单元。该寄生辐射单元设置在待调节波束宽度的阵列辐射单元旁。该寄生辐射单元在预设频段内与该阵列辐射单元电磁耦合，以改变该阵列辐射单元在预设频段内的辐射方向图的波束宽度。
在本实施例中，该寄生辐射单元为半波对称振子，且该半波对称振子的长度在预设频段对应波长的五分之一到二分之一倍之间。并且，该半波对称振子为单极化对称振子。在其他可能的实施方式中，该寄生辐射单元还可以是双极化对称振子或多极化对称振子。
如图1～3所示，为本发明实施例提供的单个寄生辐射单元应用场景的侧视图、俯视图以及该单个寄生辐射单元的结构示意图。由图1～2可知，该寄生辐射单元设置在阵列辐射单元的一侧，两者之间水平距离为d，该寄生辐射单元和阵列辐射单元均设置在反射板上；由图3可知，该寄生辐射单元的半臂长为d1，高为d2。该寄生辐射单元独立工作，通过调节该寄生辐射单元与阵列辐射单元之间的距离d，等效调节空间耦合强度及空间相位，合成辐射波束的变化，实现对阵列辐射单元的某个频率点的波束宽度的调节。对于需要调整波速宽度的频率点，满足以下公式：
其中，λ为被调节波束宽度的频率点的波长。也即，该寄生辐射单元的半臂长与高的和约为波束宽度改变的频率点波长的四分之一。
在至少一种或多种可能的实施方式中，该阵列天线波束调节装置中的寄生辐射单元还可以是单极子，并且，该单极子的长度在预设频段对应波长的五分之一到三分之一倍之间。
本发明实施例提供的阵列天线波束调节装置，其寄生辐射单元形式简单，外形是普通的半波对称振子，结构和加工简单，没有异性，可以使用PCB蚀刻、钣金或压铸进行加工生产。该阵列天线波束调节装置可以调节任意频段波束，而且不会对其它不需要调节的频段造成影响，可以实现整个工作频段的超宽带。
本发明实施例提供了另一种阵列天线波束调节装置，该装置包括多个寄生辐射单元。如图4所示，阵列天线波束调节装置包含有三个寄生辐射单元，且这三个寄生辐射单元并排设置在阵列辐射单元的一侧。这些寄生辐射单元可以单个独立工作，也可以多个同时工作强化作用。并且，这三个寄生辐射单元的尺寸、形状可以相同或不同。在其他可能的实施方式中，多个寄生辐射单元还可以设置在阵列辐射单元的四周。
另外，对于具有多个阵列辐射单元的阵列天线，寄生辐射单元可以加在每一个阵列辐射单元旁边，也可以只加在其中某一个或几个阵列辐射单元的旁边，以针对性改变需要调整波束宽度的目标阵列辐射单元。
本发明实施例还提供了一种可调节波束宽度的阵列天线，该阵列天线包括阵列辐射单元、反射板和上述实施例及其可能的实施方式之一提供的阵列天线波束调节装置，该阵列辐射单元与该阵列天线波束调节装置均设置在反射板上。
其中，该阵列天线波束调节装置中的寄生辐射单元既可以与反射板直接连接，也可以非直接连接。若采用直接连接的方式，则可以通过螺钉将该阵列天线波束调节装置固定在反射板上。若采用非直接连接的方式，则可以在该阵列天线波束调节装置与反射板之间设置非金属材料隔层，使该阵列天线波束调节装置与反射板电磁耦合连接。
在其中一种可能的实施方式中，该可调节波束宽度的阵列天线包括阵列辐射单元、反射板和单个寄生辐射单元(参见图1)，其中，该寄生辐射单元设置在阵列辐射单元的右侧，建立虚拟坐标系为XoYZ，可见，通过该寄生辐射单元可以调整该辐射阵列单元在YoZ面的方向图波束宽度。对于该寄生辐射单元，其满足下列关系式：
λ≈c/2.6GHz
其中，d1为该寄生辐射单元的半臂长，d2为该寄生辐射单元的高度，d为该寄生辐射单元和阵列辐射单元之间的距离，λ为2.6GHz电磁波对应的波长。
这里，对该阵列天线进行了仿真测试，如图5所示，为该阵列天线仿真测试的结果示意图，在图5中，黑色实线为单独阵列波束宽度曲线，虚线为阵列辐射单元和寄生辐射单元共同工作时的波束宽度曲线，其中可看到，在该阵列天线工作频段1.6-2.5GHz内，其辐射波束宽度几乎没有变化，但在2.6GHz点波束宽度由之前的66°跳变到81°。
如图6所示，为本发明实施例提供的另一种可调节波束宽度的阵列天线，在该阵列天线中，其阵列天线波束调节装置包含有六个寄生辐射单元，分两列分别设置在阵列辐射单元的两侧，建立虚拟坐标系为XoYZ。其中，这六个寄生辐射单元均为单极化对称振子，且共分三组，每组各有两个寄生辐射单元，每组的寄生辐射单元尺寸各不相同，其中包括第一寄生辐射单元、第二寄生辐射单元和第三寄生辐射单元。
这里，对该阵列天线进行了仿真测试，通过调节寄生辐射单元与阵列辐射单元之间的距离d，等效调节空间耦合强度及空间相位，合成辐射波束的变化。在原阵列辐射单元的工作频段F(f1-f2)中，如果要调整某个频点f(其对应的波长为λ)的波束宽度，可调整寄生辐射单元的尺寸d1+d2≈λ/4，该寄生辐射单元到阵列辐射单元的距离d≈λ/4。在该阵列天线中，上述三组寄生辐射单元对应的调整频点分别为2.5GHZ、2.6GHZ和2.7GHZ，并且，这三组寄生辐射单元分别满足：
第一组寄生辐射单元，λ1≈C/2.5GHz，(d1+d2≈λ1/4)，d≈λ1/2；
第二组寄生辐射单元，λ2≈C/2.5GHz，(d1+d2≈λ2/4)，d≈λ2/2；
第三组寄生辐射单元，λ3≈C/2.5GHz，(d1+d2≈λ3/4)，d≈λ3/2。
如图7所示，为该阵列天线仿真测试的结果示意图，在图7中，黑色实线为单独阵列波束宽度曲线，虚线为阵列辐射单元和寄生辐射单元共同工作时的波束宽度曲线，由图7可看到，该阵列天线在工作频段1.6-2.4GHz频段内波束宽度基本保持不变，而在频率为2.5GHZ、2.6GHZ和2.7GHZ处，波束宽度发生跳变，分别提高到93.9477°、102.3342°和78.3573°。
本发明实施例提供的可调节波束宽度的阵列天线，与上述实施例提供的阵列天线波束调节装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种阵列天线波束调节装置，其特征在于，包括：至少一个寄生辐射单元；
所述寄生辐射单元设置在待调节波束宽度的阵列辐射单元旁；所述寄生辐射单元在预设频段内与所述阵列辐射单元电磁耦合，以改变所述阵列辐射单元在所述预设频段内的辐射方向图的波束宽度。
2.根据权利要求1所述的阵列天线波束调节装置，其特征在于，所述寄生辐射单元为半波对称振子，所述半波对称振子的长度在所述预设频段对应波长的五分之一到二分之一倍之间。
3.根据权利要求2所述的阵列天线波束调节装置，其特征在于，所述半波对称振子为单极化对称振子或双极化对称振子。
4.根据权利要求1所述的阵列天线波束调节装置，其特征在于，所述寄生辐射单元为单极子，所述单极子的长度在所述预设频段对应波长的五分之一到三分之一倍之间。
5.根据权利要求1-4任一所述的阵列天线波束调节装置，其特征在于，所述寄生辐射单元有多个，且各个所述寄生辐射单元具有相同或不同的形状和尺寸。
6.根据权利要求5所述的阵列天线波束调节装置，其特征在于，所述寄生辐射单元设置在所述阵列辐射单元的一侧、两侧或四周。
7.根据权利要求1所述的阵列天线波束调节装置，其特征在于，所述寄生辐射单元为金属片或寄生于微带线上。
8.一种可调节波束宽度的阵列天线，其特征在于，包括：阵列辐射单元、反射板和权利要求1-7任一项所述的阵列天线波束调节装置；
所述阵列辐射单元与所述阵列天线波束调节装置均设置在所述反射板上。
9.根据权利要求8所述的可调节波束宽度的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线波束调节装置与所述反射板电磁耦合连接，且在所述阵列天线波束调节装置和所述反射板之间设置有非金属材料隔层。
10.根据权利要求8所述的可调节波束宽度的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线波束调节装置与所述反射板通过螺钉固定连接。
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