CN111048912A - 矩形赋形阵列天线及室内基站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矩形赋形阵列天线，在3×3矩阵中，同一行的首尾两个反相的辐射单元的方向图叠加，并通过中间的辐射单元填补凹陷，可得到大致呈方形的方向图。同理，同一列的3个辐射单元也可形成类似的方向图，从而实现立体方形波束覆盖。进一步的，引向片可收窄主波束和增加辐射单元定向性，从而可以有效提升波束跌落效果和降低副瓣抑制，最终达到主波束波形在主覆盖上呈立体正方形，且在半功率角外波瓣能够快速跌落的目的。而且，上述矩形赋形阵列天线结构简单，最少只需9个辐射单元，故可实现小型化。此外，本发明还提供一种室内基站。

Description

矩形赋形阵列天线及室内基站
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种矩形赋形阵列天线及室内基站。
背景技术
在人流量密集的大型室内空间，如体育场、展销馆、演唱会、火车站、汽车站、医院等场景，常规的室内天线覆盖方案无法解决爆发式增长的数据流量需求，需要在有限的空间内进行精确小区分裂。为了减少分区覆盖时的邻区干扰，所使用天线在立体空间须有高质量的赋形特性，这既要求天线的主波束波形在主覆盖横截面方向上呈正方形，又要求天线主波束在半功率角外波瓣能够快速跌落。
目前，一般采用幅度加权赋形来获得近似方形的主波束赋形天线，这种赋形方式实现主波束在半功率角外波瓣具有快速跌落的特点。但随着主流天线的端口数不断增大，常规的赋形方式会导致天线体积过大，使用既不美观又存在安全隐患。
发明内容
基于此，有必要针对现有赋形天线体积较大的问题，提供一种小型化的矩形赋形阵列天线及室内基站。
一种矩形赋形阵列天线，包括：
多个等间隔设置的辐射单元，组成阵列，所述阵列包含3×3矩阵，在同一个所述3×3矩阵中，每同一行相邻两个所述辐射单元的相位相同并与另一个所述辐射单元的相位相差180度，每同一列相邻两个所述辐射单元的相位相同并与另一个所述辐射单元的相位相差180度；及
与多个所述辐射单元一一对应的多个引向片，每个所述引向片悬置于对应的所述辐射单元的辐射面。
在其中一个实施例中，相邻两个所述辐射单元的中心点之间的距离为0.6λ至0.8λ，λ为所述矩形赋形阵列天线的工作波长。
在其中一个实施例中，每个引向片在对应的所述辐射单元辐射面上的正投影位于对应的所述辐射单元的辐射面内。
在其中一个实施例中，所述辐射单元为双极化半波振子，所述引向片的最大横向尺寸为0.3λ至0.4λ，λ为所述矩形赋形阵列天线的工作波长。
在其中一个实施例中，所述引向片呈中心对称图形，且每个所述引向片与对应的所述辐射单元同轴设置。
在其中一个实施例中，所述引向片与对应的所述辐射单元的辐射面之间的距离为0.45λ至0.55λ，λ为所述矩形赋形阵列天线的工作波长。
在其中一个实施例中，在同一个3×3矩阵中，每一行中三个所述辐射单元功率比与其余两行中三个所述辐射单元功率比相同，每一列中三个所述辐射单元功率比与其余两列中三个所述辐射单元功率比相同。
在其中一个实施例中，所述辐射单元的数量为9个，并组成1个3×3阵列。
在其中一个实施例中，还包括金属反射板，多个所述辐射单元安装于所述金属反射板的表面。
上述矩形赋形阵列天线，在3×3矩阵中，同一行的首尾两个反相的辐射单元的方向图叠加，并通过中间的辐射单元填补凹陷，可得到大致呈方形的方向图。同理，同一列的3个辐射单元也可形成类似的方向图，从而实现立体方形波束覆盖。进一步的，引向片可收窄主波束和增加辐射单元定向性，从而可以有效提升波束跌落效果和降低副瓣抑制，最终达到主波束波形在主覆盖上呈立体正方形，且在半功率角外波瓣能够快速跌落的目的。而且，上述矩形赋形阵列天线结构简单，最少只需9个辐射单元，故可实现小型化。
一种室内基站，包括如上述优选实施例中任一项所述的矩形赋形阵列天线。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中矩形赋形阵列天线的结构示意图；
图2为图1所示矩形赋形阵列天线的爆炸图；
图3为图1所示矩形赋形阵列天线中辐射单元的相位分布示意图；
图4为图1所示矩形赋形阵列天线中辐射单元的功率分布示意图；
图5为两个水平方向的反相辐射单元叠加的辐射方向图；
图6为在图5的两个辐射单元中间位置增加一辐射单元的辐射方向图；
图7为对图6所示的辐射单元调整功率分配后的辐射方向图；
图8为图7所示的辐射单元上增加引向片的辐射方向图；
图9为图1所示矩形赋形阵列天线垂直面方向图；
图10为图1所示矩形赋形阵列天线辐射水平面方向图；
图11为图1所示矩形赋形阵列天线辐射三维方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明提供了一种矩形赋形阵列天线100。此外，本发明还提供一种室内基站。借助矩形赋形阵列天线100，该室内基站可在人流量密集的大型室内空间实现信号的收发。
请一并参阅图2，本发明较佳实施例中的矩形赋形阵列天线100包括辐射单元110及引向片120。
辐射单元110用于发射及接收电磁波信号，本实施例中的辐射单元110为±45°双极化辐射单元，其工作频率在2510MHz～2680MHz之间。其中，多个辐射单元110等间隔设置的组成阵列，该阵列中包含3×3矩阵。具体的，多个辐射单元110组成的阵列中可包含一个或者多个3×3矩阵。譬如，假设该阵列为4×4阵列，则其可包含4个3×3矩阵。
在本实施例中，辐射单元110的数量为9个，并组成1个3×3阵列。因此，辐射单元110组成的阵列中只包括一个3×3矩阵。此时，矩形赋形阵列天线100所需辐射单元110的数量最少，有利于减小体积及质量。
需要指出的是，在其他实施例中，辐射单元110的数量可对多余9个，只要能保证其组成的阵列至少包含一个3×3矩阵即可。
在本实施例中，矩形赋形阵列天线100还包括金属反射板130，多个辐射单元110安装于金属反射板130的表面。
辐射单元110可以通过焊接、塑料件卡接等方式与金属反射板130实现固定。金属反射板130可支撑辐射单元110，并同时起到反射电磁波信号的作用，从而有利于提升辐射单元110的收发效率。
需要指出的是，在其他实施例中，金属反射板130可省略。譬如，针对矩形赋形阵列天线100的馈电网络为PCB板的情况，辐射单元110可直接安装于馈电网络的基板上。
进一步的，在同一个3×3矩阵中，同一行相邻两个辐射单元110的相位相同并与另一个辐射单元110的相位相差180度，同一列相邻两个辐射单元110的相位相同并与另一个辐射单元110的相位相差180度。
如图3所示，第一行和第二行的前两个辐射单元110的相位为0度，最后一个辐射单元110的相位为180度；第三行前两个辐射单元110的相位为180度，最后一个辐射单元110的相位为0度。这样，第一列和第二列的前两个辐射单元110的相位为0度，最后一个辐射单元110的相位为180度；第三列前两个辐射单元110的相位为180度，最后一个辐射单元110的相位为0度。
显然，多个辐射单元110的相位分布不限于上述一种情况。譬如，其他实施例中多个辐射单元110的相位分布情况可与图3所示的相位分布呈镜像。
下面以3×3矩阵中每一行的延伸方向作为X方向，每一列的延伸方向作为Y方向，简要分析矩形赋形阵列天线10的辐射指标。
在X方向上，存在两个等幅反相的辐射单元110(即，每一行首尾两个辐射单元110，其功率相同且相位相差180度)。此时，两个辐射单元110叠加，在X方向上得到如图5所示的方向图。其中，两个隔辐射单元110的间距大约为1.5λ，λ为矩形赋形阵列天线100的工作波长。
接着，上述两个辐射单元110的中心位置存在一个辐射单元110，该辐射单元110与上述两个辐射单元110中任一个的相位相同，可用于填补上述方向图中心位置的凹陷，并得出如图6所示的方向图。可见，该方图形已经具备较规则的边界。
具体在本实施例中，相邻两个辐射单元110的中心点之间的距离d为0.6λ至0.8λ。在此距离下，同一行的三个辐射单元110可获得较好的叠加效果。
然后，对三个辐射单元110的功率比进行调节，可进一步对方向图的边界进行修饰。譬如，调整三个辐射单元110的功率比为20：10：1，便可得到如图7所示的方向图。可见，上述方向图已基本实现方形波束的效果，但其“波束宽度从3dB到20dB功率跌落角”和“副瓣抑制”这两项指标不够理想。
进一步的，为每个辐射单元110引入引向片120。引向片120可导电，从而也可用于电磁波信号的收发。具体的，引向片120可以是金属片，也可以是PCB结构。多个引向片120与多个辐射单元110一一对应。即，每个辐射单元110上设置一个引向片120。引向片120可通过塑料件与辐射单元110实现安装，从而使其与对应的辐射单元110及金属反射版130保持绝缘。
每个引向片120悬置于对应的辐射单元110的辐射面。根据八木天线原理，在辐射单元110的上方增加可导电的引向片120，可起到收窄主波束和增加定向性的效果。
如图8所示，通过设置引向片120，可以有效提升X方向上波束跌落效果和降低副瓣抑制。可见，不仅实现了X方向上方形波束覆盖，“波束宽度从3dB到20dB功率跌落角”和“副瓣抑制”这两项指标也得到显著改善。进一步的，通过三行辐射单元110的方向图叠加，便可得到如图9所示的辐射方向图。
同理，通过每一列辐射单元110相互叠加以及对应的引向片120进行波束收敛，在Y方向上也可实现方形波束的效果。如图10所示，不仅实现了Y方向上方形波束覆盖，“波束宽度从3dB到20dB功率跌落角”和“副瓣抑制”这两项指标也得到显著改善。
进一步的，通过X方向与Y方向上辐射方向图的叠加，便可得到如图11所示的三维辐射方向图。可见，上述矩形赋形阵列天线10最终达到主波束波形在主覆盖方向上呈立体的正方形，且在半功率角外波瓣能够快速跌落的目的。
为了达到最佳的收窄效果，引向片120的尺寸一般略小于辐射单元110的尺寸。因此，在本实施例中，每个引向片120在对应的辐射单元110辐射面上的正投影位于对应的辐射单元110的辐射面内。
也就是说，引向片120的横向尺寸不超过对应的辐射单元110辐射面的范围，故对辐射单元110波束的收窄效果更好。
进一步的，在本实施例中，辐射单元110为双极化半波振子，引向片120的最大横向尺寸为0.3λ至0.4λ，λ为矩形赋形阵列天线10的工作波长。
双极化半波振子是一种常见且可靠的辐射单元，其尺寸为0.5λ。因此，引向片120的最大横向尺寸为0.3λ至0.4λ，可保证引向片120不超过对应的辐射单元110辐射面的范围。
引向片120的形状可以是方形、矩形、圆形或十字型等多种形状。具体在本实施例中，引向片120呈中心对称图形，且每个引向片120与对应的辐射单元110同轴设置。更具体的，图1及图2所示的引向片120为矩形。
如此设置，可使引向片120在收窄波束时对不同方向的作用大致相同，从而进一步改善矩形赋形阵列天线10方向图的对称性。
在本实施例中，引向片120与对应的辐射单元110的辐射面之间的距离为0.45λ至0.55λ。根据分析，引向片120位于该位置时，能够更好地提升辐射单元110波束的定向性，从而进一步改善副瓣抑制的指标。
在本实施例中，在同一个3×3矩阵中，每一行中三个辐射单元110功率比与其余两行中三个辐射单元110功率比相同，每一列中三个辐射单元110功率比与其余两列中三个辐射单元110功率比相同。
如图4所示，每一行中三个辐射单元110的功率比均为20：10：1，每一列中三个辐射单元110的功率比也均为20：10：1。此时，矩形赋形阵列天线10的波形最佳。其中，功率分配可通过馈电过程进行控制实现。
需要指出的是，辐射单元110的功率比不限于为20：10：1。而且，也对其中部分辐射单元110的功率进行微调，以改变功率比。虽然，这将整体效果略有下降但也基本达到赋形的目标。
上述矩形赋形阵列天线10，在3×3矩阵中，同一行的首尾两个反相的辐射单元110的方向图叠加，并通过中间的辐射单元110填补凹陷，可得到大致呈方形的方向图。同理，同一列的3个辐射单元110也可形成类似的方向图，从而实现立体方形波束覆盖。进一步的，引向片120可收窄主波束和增加辐射单元110定向性，从而可以有效提升波束跌落效果和降低副瓣抑制，最终达到主波束波形在主覆盖横截面方向上呈正方形，且在半功率角外波瓣能够快速跌落的目的。而且，上述矩形赋形阵列天线10结构简单，最少只需9个辐射单元110，故可实现小型化。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种矩形赋形阵列天线，其特征在于，包括：
多个等间隔设置的辐射单元，组成阵列，所述阵列包含3×3矩阵，在同一个所述3×3矩阵中，每同一行相邻两个所述辐射单元的相位相同并与另一个所述辐射单元的相位相差180度，每同一列相邻两个所述辐射单元的相位相同并与另一个所述辐射单元的相位相差180度；及
与多个所述辐射单元一一对应的多个引向片，每个所述引向片悬置于对应的所述辐射单元的辐射面。
2.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，相邻两个所述辐射单元的中心点之间的距离为0.6λ至0.8λ，λ为所述矩形赋形阵列天线的工作波长。
3.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，每个引向片在对应的所述辐射单元辐射面上的正投影位于对应的所述辐射单元的辐射面内。
4.根据权利要求3所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，所述辐射单元为双极化半波振子，所述引向片的最大横向尺寸为0.3λ至0.4λ，λ为所述矩形赋形阵列天线的工作波长。
5.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，所述引向片呈中心对称图形，且每个所述引向片与对应的所述辐射单元同轴设置。
6.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，所述引向片与对应的所述辐射单元的辐射面之间的距离为0.45λ至0.55λ，λ为所述矩形赋形阵列天线的工作波长。
7.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，在同一个3×3矩阵中，每一行中三个所述辐射单元功率比与其余两行中三个所述辐射单元功率比相同，每一列中三个所述辐射单元功率比与其余两列中三个所述辐射单元功率比相同。
8.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，所述辐射单元的数量为9个，并组成1个3×3阵列。
9.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，还包括金属反射板，多个所述辐射单元安装于所述金属反射板的表面。
10.一种室内基站，其特征在于，包括如上述权利要求1至9任一项所述的矩形赋形阵列天线。
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