CN110011075B - 一种高性能波束赋形天线及波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信及测控领域中的波束赋形天线技术领域，尤其涉及一种高性能波束赋形天线，包括阵列天线和位于阵列天线周围的赋形结构，赋形结构用于改变阵列天线周围近场的幅度和相位分布，赋形结构为金属贴片或金属网格或金属齿槽或一定介电常数的介质。本发明能同时避免复杂的馈电网络和反射天线阵/传输天线阵剖面高的问题，实现天线阵列和波束赋形结构一体化设计，简化生产工艺、降低成本，使其更适用于通信基站微波回传天线。

Description

一种高性能波束赋形天线及波束赋形方法

技术领域

本发明涉及通信及测控领域中的波束赋形天线技术领域，尤其涉及一种高性能波束赋形天线及波束赋形方法，适用于低剖面平板扇区通信天线及电子对抗中的波束赋形天线，特别适用于移动通信基站回传天线领域。

背景技术

随着第四代移动通信的逐渐成熟和第五代移动通信的逐步部署，无线通信业务需求量出现爆炸式增长。第五代移动通信系统的基站数量相比上一代要高出一个数量级，而基站与基站之间的链接、基站与中心站之间的数据回传是必不可少的，基站数据回传有“有线”和“无线”两种方法，“有线”回传主要采用光纤，同轴电缆，而“无线”主要通过微波、毫米波回传。

基站数据微波回传有两种方式：点对点、点对面覆盖。点对点微波回传天线要求高增益，波束宽度非常小；而点对面微波回传天线要求在规定的远场张角范围内实现均匀的辐射增益，在张角范围之外的增益要迅速下降，以便抑制干扰。目前点对面的扇区天线主要有：带有复杂馈电网络的赋形天线阵列、反射阵/传输阵赋形天线。

馈电网络赋形天线的主要问题是馈电网络设计复杂，馈电损耗较大，可靠性相对较低，而且成本相对较高。

反射天线阵和传输天线阵本质上是相同的原理，都需要加载透镜，但传输天线阵可以有效避免馈源遮挡，后期又发展出加载极化反射栅的反射阵，可改变馈源位置减小遮挡。这类天线馈电网络比较简单，但其剖面较高、重量较大。

发明内容

本发明针对现有复杂的馈电网络和反射天线阵/传输天线阵剖面高的问题，实现天线阵列和波束赋形结构一体化设计，简化生产工艺、降低成本，使其成为更适用于通信基站微波回传天线。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种高性能波束赋形天线，包括阵列天线和位于阵列天线周围的赋形结构，赋形结构用于改变阵列天线周围近场的幅度和相位分布，赋形结构为金属贴片或金属网格或金属齿槽或一定介电常数的介质。

作为本发明的优化方案，一定介电常数的介质的介电常数范围为＞2。

作为本发明的优化方案，阵列天线为波导喇叭阵列或偶极子天线阵列或贴片天线阵列或缝隙天线阵。

作为本发明的优化方案，金属齿槽的形状为矩形台阶状或三角锯齿状或圆弧状。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：利用一种高性能波束赋形天线进行波束赋形的方法，包括如下步骤：

1)确定扇区阵列天线(1)的波束宽度k_c：

k_c＝2πsinθ_c/λ； 公式1

其中：λ为高性能波束赋形天线的工作波长，θ_c为阵列天线对应扇形波束截止角度；

2)获得阵列天线在天线近场区沿X轴方向的第一零点位置x₀：

x₀＝π/k_c 公式2

3)设计赋形结构的形状，使得阵列天线的近场相位在区间(0,x₀)，(x₀,2x₀)，(2x₀,3x₀)按照0～180°交替分布，所有相位分布关于x＝0点对称分布；

4)调节阵列天线相对于赋形结构的高度，使得近场幅度的分布更接近归一化天线口面场|f(x)|的模，从而得到具有明显的矩形下降特性的远场分布F(k)，

F(k)＝(2π/k_c)×(u(k+k_c)-u(k-k_c)) 公式3

其中，k为传播常数，u(k)为阶跃函数，k与远场方向图中θ的关系为k＝2πsinθ/λ，θ为俯仰角。

本发明具有积极的效果：本发明能够通过天线阵列周围的赋形结构设计控制远场电磁波的覆盖范围，同时避免复杂的馈电网络和反射天线阵/传输天线阵剖面高的问题，实现天线阵列和波束赋形结构一体化设计，简化生产工艺、降低成本，使其更适用于通信基站微波回传天线。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明阵列天线为一维阵列天线的结构示意图；

图3是二维阵列天线的结构示意图；

图4是三维阵列天线的结构示意图；

图5是本发明金属齿槽的形状为矩形台阶状的结构示意图；

图6是本发明金属齿槽的形状为三角锯齿状的结构示意图；

图7是本发明金属齿槽的形状为圆弧状的结构示意图；

图8是图1的俯视图；

图9是图1的正视图；

图10是图1的侧视图；

图11是本发明阵列天线为两个波导喇叭的透视图；

图12是本发明阵列天线为四个波导喇叭的透视图；

图13是波导喇叭一维阵列天线在天线近场区沿x轴方向的电场强度分布图；

图14是波导喇叭一维阵列天线在天线远场区沿x轴方向的电场强度分布图；

图15是波导喇叭一维阵列天线两侧的近场相位分布图；

图16是波导喇叭一维阵列天线两侧的近场幅度分布图；

图17是波导喇叭一维阵列天线的远场辐射方向图。

其中：1、阵列天线，2、赋形结构，102、波导喇叭的辐射口，103、波导馈电网络。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种高性能波束赋形天线，包括阵列天线1和位于阵列天线1周围的赋形结构2，赋形结构2用于改变阵列天线1周围近场的幅度和相位分布，赋形结构2为金属贴片或金属网格或金属齿槽或一定介电常数的介质。一定介电常数的介质的介电常数范围为＞2。

阵列天线1为波导喇叭阵列或偶极子天线阵列或贴片天线阵列或缝隙天线阵。其中，阵列天线1的维度可以是一维阵列天线，如图2所示；也可以是二维阵列天线，如图3所示；或者是三维阵列天线，如图4所示；阵列天线1的单元个数取决于天线增益的设计要求，或者是波束方向图的要求。

金属齿槽的形状为矩形台阶状(如图5所示)或三角锯齿状(如图6所示)或圆弧状(如图7所示)。

图8～图10是图1的俯视图、正视图、侧视图。图11是阵列天线1为波导喇叭阵列，其中，波导喇叭为两个，102是波导喇叭的辐射口，103是波导馈电网络。图12是四个波导喇叭的波导馈电网络图。波导喇叭阵列配合赋形结构2能在天线近场区沿垂直于线阵方向(x轴)，实现接近f(x)＝sin(k_cx)/k_cx的归一化近场分布(如图13所示)，其中：x₀＝π/k_c，x₀为近场分布沿x方向第一零点的位置。根据一维线阵的近场分布可运用傅里叶变换关系得到一维波导喇叭阵列的远场分布为：F(k)＝(2π/k_c)×(u(k+k_c)-u(k-k_c))，结果如图14所示，其中k与远场方向图中θ的关系为k＝2πsinθ/λ，u(k)为阶跃函数，k_c对应扇形波束截止角度θ_c，其中k_c＝2πsinθ_c/λ。

利用一种高性能波束赋形天线进行波束赋形的方法，包括如下步骤：

1)确定扇区阵列天线1的波束宽度k_c：

k_c＝2πsinθ_c/λ； 公式1

其中：λ为高性能波束赋形天线的工作波长，θ_c为阵列天线1对应扇形波束截止角度；

2)获得阵列天线1在天线近场区沿X轴方向的第一零点位置x₀：

x₀＝π/k_c 公式2

3)设计赋形结构2的形状，使得阵列天线1的近场相位在区间(0,x₀)，(x₀,2x₀)，(2x₀,3x₀)按照0～180°交替分布，所有相位分布关于x＝0点对称分布；

4)调节阵列天线1相对于赋形结构2的高度，使得近场幅度的分布更接近归一化天线口面场|f(x)|的模，从而得到具有明显的矩形下降特性的远场分布F(k)，

F(k)＝(2π/k_c)×(u(k+k_c)-u(k-k_c)) 公式3

其中，k为传播常数，u(k)为阶跃函数，k与远场方向图中θ的关系为k＝2πsinθ/λ，θ为俯仰角。

在本实施例中设计了工作在10.4GHz，水平波束宽度为90°的扇区天线，该天线位于中心位置的是一维阵列天线1，有八个喇叭单元构成，位于一维阵列天线1两侧赋形结构2由金属齿槽构成。通过调节喇叭高度和金属齿槽的分布可以对一维阵列天线1阵近场的相位和幅度实现调节。本实施例中工作中心频率所对应波长λ＝28.85mm，θ_c＝45°，k_c＝2πsinθ_c/λ，x0＝π/k_c,得到x₀＝20.4mm，然后设计周期为x₀的金属齿槽，其中槽深槽宽，以及槽脊的高度均可进行调节，实现近场0度和180度的相位，所需近场相位分布如图15所示。本实施例中当波导喇叭口的高度和第一槽脊平齐即可实现所需的功率分布。

本实施例中实现如图15和图16所示的近场相位和幅度分布后，即可得到如图17所示的远场方向图，该远场分布具有明显的矩形下降特性，在0°到45°远场的波动幅度≤3dB，45°以后表现出明显的截止特性。

根据上述实施例中的步骤和原理，即可实现高性能波束赋形天线的设计。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高性能波束赋形天线，其特征在于：包括阵列天线(1)和位于阵列天线(1)周围的赋形结构(2)，所述的赋形结构(2)用于改变阵列天线(1)周围近场的幅度和相位分布，所述的赋形结构(2)为金属齿槽，天线阵列和波束赋形结构一体化，通过调节喇叭高度和金属齿槽的分布实现对阵列天线(1)阵近场的相位和幅度的调节，通过金属齿槽槽深槽宽，以及槽脊的高度的调节，实现近场0度和180度的相位。

2.根据权利要求1所述的一种高性能波束赋形天线，其特征在于：所述的阵列天线(1)为波导喇叭阵列。

3.根据权利要求1或2所述的一种高性能波束赋形天线，其特征在于：所述的金属齿槽的形状为矩形台阶状或三角锯齿状或圆弧状。

4.利用权利要求3所述的一种高性能波束赋形天线进行波束赋形的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)确定扇区阵列天线(1)的波束宽度k_c：

k_c ＝ 2πsinθ_c /λ； 公式1

其中：λ为高性能波束赋形天线的工作波长，θ_c为阵列天线(1)对应扇形波束截止角度；

2)获得阵列天线(1)在天线近场区沿X轴方向的第一零点位置x₀：

x₀ ＝ π/k_c 公式2

3)设计赋形结构(2)的形状，赋形结构(2)由金属齿槽构成，设计周期为x₀的金属齿槽，调节金属齿槽的槽深槽宽，以及槽脊的高度，使得阵列天线(1)的近场相位在区间(0,x₀)，(x₀,2x₀)，(2x₀,3x₀)按照0～180°交替分布，所有相位分布关于x＝0点对称分布；

4)调节阵列天线(1)相对于赋形结构(2)的高度，使得近场幅度的分布更接近归一化天线口面场|f(x)|的模，从而得到具有明显的矩形下降特性的远场分布F(k)，

F(k)＝(2π/k_c)×(u(k+ k_c)-u(k- k_c)) 公式3

其中，k为传播常数，u(k)为阶跃函数，k与远场方向图中θ的关系为k＝2πsinθ/λ，θ为俯仰角。