CN113451754A - 一种矩形赋形阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种矩形赋形阵列天线，包括：第一天线子阵列、第二天线子阵列、第三天线子阵列和金属反射板，第一天线子阵列、第二天线子阵列和第三天线子阵列均位于金属反射板的表面；第一天线子阵列包括一个辐射阵元，该辐射阵元位于金属反射板的中心位置；第二天线子阵列包括四个辐射阵元，第二天线子阵列以第一天线子阵列为中心按照正方形进行排列；第三天线子阵列包括四个辐射阵元，第三天线子阵列以第一天线子阵列为中心，参照第二天线子阵列所形成的正方形旋转45度按照正方形进行排列。本发明所提出的矩形赋形阵列天线，通过错位设计,减少辐射阵元之间的互耦现象，采用较少的辐射阵元，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。

Description

一种矩形赋形阵列天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种矩形赋形阵列天线。
背景技术
在一些人流密集的室内空间场景，如体育场、展览馆、火车站、汽车站等场景，短时间内通信数量会爆发式的增长，而能使用的频率资源又有限，因此需通过频率复用技术来提高通信容量，需要在有限的空间内进行精确小区划分，进行分区覆盖。为减少分区覆盖时的邻区干扰，所使用的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。
目前通常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，但是这种赋形方式中相邻辐射阵元中心间距通常为0.5-0.8个波长，这样辐射阵元之间会出现强烈的互耦现象，馈电网络需要采用复杂的去耦设计方案，同时常规的赋形方式采用的辐射阵元较多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
本发明提供一种矩形赋形阵列天线，用以解决现有技术中存在的缺陷。
本发明提供的矩形赋形阵列天线，包括：
第一天线子阵列、第二天线子阵列、第三天线子阵列和金属反射板，所述第一天线子阵列、所述第二天线子阵列和所述第三天线子阵列均位于所述金属反射板的表面；其中：
所述第一天线子阵列包括一个辐射阵元，所述辐射阵元位于所述金属反射板的中心位置；
所述第二天线子阵列包括四个辐射阵元，所述第二天线子阵列以所述第一天线子阵列为中心按照正方形进行排列；
所述第三天线子阵列包括四个辐射阵元，所述第三天线子阵列以所述第一天线子阵列为中心，参照所述第二天线子阵列所形成的正方形旋转45度按照正方形进行排列。
在一个实施例中，所述第一天线子阵列中的辐射阵元与所述第二天线子阵列中的所有辐射阵元的相位相同，所述第一天线子阵列中的辐射阵元与所述第三天线子阵列中的所有辐射阵元的相位相反。
在一个实施例中，以第一天线子阵列中心为坐标原点，所述第二天线子阵列中的每个辐射阵元中心和所述坐标原点在坐标横轴方向上以及坐标纵轴方向上的间距相等，为第一间距；
所述第三天线子阵列中的每个辐射阵元中心分别位于坐标横轴或坐标纵轴上，并与所述坐标原点的间距相等，为第二间距。
在一个实施例中，所述第一间距为0.5-0.8λ，所述第二间距为1.0-1.8λ其中λ为天线的中心工作频率波长。
在一个实施例中，所述第一天线子阵列中的辐射阵元具有第一激励幅度，所述第二天线子阵列中的所有辐射阵元具有第二激励幅度，所述第三天线子阵列中的所有辐射阵元具有第三激励幅度；
所述第一激励幅度、所述第二激励幅度和所述第三激励幅度依次减小。
在一个实施例中，所述辐射阵元采用偶极子、微带天线或波导天线。
本发明提供的矩形赋形阵列天线，通过错位设计,使得阵元中心间距增大至坐标轴横向或者纵向间距的1.414倍，减少辐射阵元之间的互耦现象，采用较少的辐射阵元，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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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获得其他的附图。
图1是本发明提供的矩形赋形阵列天线的结构示意图；
图2是本发明提供的辐射阵元的相位分布示意图；
图3是本发明提供的辐射阵元的功率分布示意图；
图4是本发明提供的天线阵元间距/波长比值与隔离度关系示意图；
图5是本发明提供的矩形波束赋形天线的三维方向图；
图6是本发明提供的矩形赋形阵列天线实施例中水平面方向图；
图7是本发明提供的矩形赋形阵列天线实施例中竖直面方向图。
附图标记：
100：矩形赋形阵列天线； 201：第一天线子阵列； 202：第二天线子阵列；
203：第三天线子阵列； 210：辐射阵元； 300：金属反射板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中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作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。
针对现有技术中存在的诸多不足，本发明提出一种矩形赋型阵列天线，该天线采用了较少的阵元数量，实现了主波束波形在主覆盖横截面方向上呈正方形，同时主波束在半功率角外波瓣快速跌落，能有效消除邻区干扰。
图1是本发明提供的矩形赋形阵列天线的结构示意图，如图1所示，包括：
第一天线子阵列、第二天线子阵列、第三天线子阵列和金属反射板，所述第一天线子阵列、所述第二天线子阵列和所述第三天线子阵列均位于所述金属反射板的表面；其中：
所述第一天线子阵列包括一个辐射阵元，所述辐射阵元位于所述金属反射板的中心位置；
所述第二天线子阵列包括四个辐射阵元，所述第二天线子阵列以所述第一天线子阵列为中心按照正方形进行排列；
所述第三天线子阵列包括四个辐射阵元，所述第三天线子阵列以所述第一天线子阵列为中心，参照所述第二天线子阵列所形成的正方形旋转45度按照正方形进行排列。
具体地，如图1所示，本发明提出的矩形赋形阵列天线100，包括第一天线子阵列201、第二天线子阵列202、第三天线子阵列203和金属反射板300，金属反射板300作为承载基础，第一天线子阵列201、第二天线子阵列202和第三天线子阵列203全部设置于金属反射板300的表面。
需要说明的是，第一天线子阵列201包括了一个辐射阵元210，该辐射阵元210位于金属反射板的中心位置；第二天线子阵列202包括四个辐射阵元210，以第一天线子阵列201的中心按照正方形进行排列；第三天线子阵列203也包括四个辐射阵元210，还是以第一天线子阵列201为中心，参照第二天线子阵列所形成的正方形旋转45°之后仍按照正方形进行排列。
本发明采用设置三个天线子阵列进行旋转错位排列设计，减少了辐射阵元之间互耦现象，更利于天线馈电网络设计；同时采用了较少的辐射阵元数量，结构简单，尺寸较小，在移动通信等领域应用中可以显著降低生产成本和维护费用。
基于上述实施例，所述第一天线子阵列中的辐射阵元与所述第二天线子阵列中的所有辐射阵元的相位相同，所述第一天线子阵列中的辐射阵元与所述第三天线子阵列中的所有辐射阵元的相位相反。
具体地，如图2所示，第二天线子阵列202的所有辐射阵元210和第一天线子阵列201中辐射阵元210相位相同，为0°；第三天线子阵列203的所有辐射阵元210和第一天线子阵列201中辐射阵元210相位相反为180°。
天线子阵列天线子阵列基于上述任一实施例，以第一天线子阵列中心为坐标原点，所述第二天线子阵列中的每个辐射阵元中心和所述坐标原点在坐标横轴方向上以及坐标纵轴方向上的间距相等，为第一间距；
所述第三天线子阵列中的每个辐射阵元中心分别位于坐标横轴或坐标纵轴上，并与所述坐标原点的间距相等，为第二间距。
其中，所述第一间距为0.5-0.8λ，所述第二间距为1.0-1.8λ，其中λ是天线的中心工作频率波长。
具体地，本发明设置中，以第一天线子阵列201中心为坐标原点，第二天线子阵列202中每个辐射阵元210中心和坐标原点XY两个方向上的第一间距相等，为0.5λ-0.8λ，其中λ为天线的中心工作频率波长；
第三天线子阵列203以第一天线子阵列201的中心为中心旋转45度的正方形排列，同样以第一天线子阵列201中心为坐标原点，第三天线子阵列203每个辐射阵元210中心在X轴或者Y轴上，和坐标原点的第二间距为1.0λ-1.8λ，其中λ为天线的中心工作频率波长。本发明提出的矩形波束赋形天线采用错位布局结构，虽然辐射阵元之间在坐标轴横向或者坐标轴纵向方向上间距为0.5-0.8λ，但是阵列之间采用了旋转错位方式排列，使得相邻辐射阵元中心间距增大至坐标轴横向或者纵向间距的1.414倍，减少了辐射阵元之间互耦现象，更利于天线馈电网络设计。
基于上述任一实施例，所述第一天线子阵列中的辐射阵元具有第一激励幅度，所述第二天线子阵列中的所有辐射阵元具有第二激励幅度，所述第三天线子阵列中的所有辐射阵元具有第三激励幅度；
所述第一激励幅度、所述第二激励幅度和所述第三激励幅度依次减小。
具体地，如图3所示，第一天线子阵列201中辐射阵元210、第二天线子阵列202中的所有辐射阵元210、第三天线子阵列203中的所有辐射阵元210激励幅度依次减小，优选的为5-15:1:0.05-0.1，分别对应于第一激励幅度、第二激励幅度和第三激励幅度，并且同一天线子阵列的所有辐射阵元210幅度相同。
基于上述任一实施例，所述辐射阵元采用偶极子、微带天线或波导天线。
具体地，本发明所采用的辐射阵元210可采用偶极子、微带天线或波导天线等多种形式，本发明不做任何限制。
天线阵元互耦的指标可以用天线阵元的隔离度来衡量，隔离度越好，互耦现象越小，从图4中的天线阵元间距/波长比值的与隔离度关系示意图可见，随着天线阵元间距的增大，天线阵元之间隔离度变大，互耦现象减小。
本发明采用天线辐射阵元错位排列的方式，相邻阵元中心间距为单个方向上的间距的1.414倍，在总体尺寸不变的情况下提高了阵元间距，改善了隔离度，减少了互耦现象。
基于上述任一实施例，本发明提出如下优选实施例：
设置工作频率范围为2.4GHz～2.7GHz，中心频率波长为117.6mm，辐射阵元210中心XY两个方向上间距为59mm，第三天线子阵列203每个辐射阵元210中心在X轴或者Y轴上，和第一天线子阵列202中辐射阵元210中心间距为120mm；第一天线子阵列、第二天线子阵列、第三天线子阵列辐射阵元相位为0°、0°、180°；第一天线子阵列、第二天线子阵列、第三天线子阵列辐射阵元激励幅度依次减小，为12：1：0.05。
另外，中心频点的三维方向图如图5所示。
图6和图7分别为上述优选实施例中实际测试得到的2.4GHz、2.5GHz、2.6GHz、2.7GHz仿真的水平和垂直二维方向图，统计如表1所示：
表1
Figure BDA0002967872570000071
Figure BDA0002967872570000081
可见，天线在设计带宽内，整体波束呈方形，波束宽度从3dB到20dB变化量小于50°，旁瓣抑制大于20dB，可以满足使用要求。
本发明采用灵活的布阵方式，实现了天线主波束波形在主覆盖横截面方向上呈正方形，同时波束半功率角外波瓣快速跌落，有效的消除邻近频率复用蜂窝区的覆盖重叠。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种矩形赋形阵列天线，其特征在于，包括：第一天线子阵列、第二天线子阵列、第三天线子阵列和金属反射板，所述第一天线子阵列、所述第二天线子阵列和所述第三天线子阵列均位于所述金属反射板的表面；其中：
所述第一天线子阵列包括一个辐射阵元，所述辐射阵元位于所述金属反射板的中心位置；
所述第二天线子阵列包括四个辐射阵元，所述第二天线子阵列以所述第一天线子阵列为中心按照正方形进行排列；
所述第三天线子阵列包括四个辐射阵元，所述第三天线子阵列以所述第一天线子阵列为中心，参照所述第二天线子阵列所形成的正方形旋转45度按照正方形进行排列。
2.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，所述第一天线子阵列中的辐射阵元与所述第二天线子阵列中的所有辐射阵元的相位相同，所述第一天线子阵列中的辐射阵元与所述第三天线子阵列中的所有辐射阵元的相位相反。
3.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，以第一天线子阵列中心为坐标原点，所述第二天线子阵列中的每个辐射阵元中心和所述坐标原点在坐标横轴方向上以及坐标纵轴方向上的间距相等，为第一间距；
所述第三天线子阵列中的每个辐射阵元中心分别位于坐标横轴或坐标纵轴上，并与所述坐标原点的间距相等，为第二间距。
4.根据权利要求3所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，所述第一间距为0.5-0.8λ，所述第二间距为1.0λ-1.8λ，其中λ是天线的中心工作频率波长。
5.根据权利要求1所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，所述第一天线子阵列中的辐射阵元具有第一激励幅度，所述第二天线子阵列中的所有辐射阵元具有第二激励幅度，所述第三天线子阵列中的所有辐射阵元具有第三激励幅度；
所述第一激励幅度、所述第二激励幅度和所述第三激励幅度依次减小。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的矩形赋形阵列天线，其特征在于，所述辐射阵元采用偶极子、微带天线或波导天线。
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