本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及通信基站的賦形技術(shù)及設(shè)計(jì)方法，具體來說是一種基于多目標(biāo)優(yōu)化算法并引入單元選擇性的寬頻帶平頂波束設(shè)計(jì)方法及具體的平面陣列基站天線實(shí)現(xiàn)，可靈活用于有不同形式信號覆蓋要求的無線通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站天線扮演著上傳下達(dá)的重要角色，其性能的好壞直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，城市內(nèi)的基站天線分布越來越密集，基站之間的干擾也越來越嚴(yán)重。為此移動(dòng)運(yùn)營商開始根據(jù)覆蓋區(qū)域的不同，進(jìn)行相應(yīng)的波束賦形設(shè)計(jì)來解決上述問題；另一方面，2G、3G再到4G系統(tǒng)的快速普及，基站天線的工作頻帶也要求越來越寬，寬帶基站天線單元設(shè)計(jì)或者同時(shí)使用高頻、低頻單元來達(dá)到寬頻帶被越來越多的采納，然而在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中仍有很多問題未得到滿意的解決，原因有以下幾點(diǎn)：

1、為實(shí)際解決基站天線信號覆蓋問題，要求天線方向圖特性良好。而在一些有特殊波束賦形要求(如正方向或菱形平頂波束)的情況下，難以同時(shí)滿足低副瓣和波束銳截止的特性。

2、在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往對基站天線的封裝尺寸有一定的要求。傳統(tǒng)的基站天線陣列布局方式一般采用等間距陣列形式，為減小天線單元間的互耦，單元間距一般較大(0.7-0.8λ)。同時(shí)單元數(shù)目越多，越有利于實(shí)現(xiàn)波束賦形，為達(dá)到基本的方向圖要求，尤其是對天線副瓣電平、過渡區(qū)有一定要求時(shí)，天線單元數(shù)目需要達(dá)到一定規(guī)模，這就直接導(dǎo)致陣列整體尺寸過大。

3、設(shè)計(jì)寬帶天線單元是實(shí)現(xiàn)基站天線寬頻帶工作的常用思路，但是傳統(tǒng)波束賦形針對的是單一頻點(diǎn)，這就導(dǎo)致無法保證頻帶內(nèi)方向圖的穩(wěn)定性，尤其是要求信號覆蓋范圍一定的情況下，低頻段和高頻端的主瓣寬度之間的顯著差異使得天線實(shí)用性很差。而對于近年提出的頻率不變方向圖綜合方法，需要給每一個(gè)激勵(lì)端口外接FIR濾波器，這就導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜，成本大大增加，并不適合一般的基站天線設(shè)計(jì)。故而雖然采取多種措施可提高單元的工作帶寬，目前尚未設(shè)計(jì)出僅依靠單列某種特定單元便可同時(shí)覆蓋低頻段及高頻段各自技術(shù)要求的先進(jìn)方案。

4、目前出現(xiàn)的寬帶基站天線多數(shù)采用對低頻段和高頻段天線分別組陣，再將兩者以嵌入式或分布式進(jìn)行布局的形式。該方法相對于采用寬帶天線單元的缺點(diǎn)在于會(huì)帶來尺寸和重量的增加，這就使得原本局促的總體尺寸要求更加難以調(diào)和；需要設(shè)計(jì)兩套天線單元和兩套激勵(lì)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加；對于較復(fù)雜的波束賦形，高低頻段的天線陣難以相互嵌入布局。

由于對于水平面方向圖要求不高，現(xiàn)有的基站天線大多為垂直面上的線陣列天線，但隨著通信需求的多樣化，實(shí)現(xiàn)三維方向圖的綜合設(shè)計(jì)顯得日益重要，從只考慮一個(gè)面上的二維方向圖綜合拓展到立體的三維方向圖綜合，同時(shí)考慮到上述的四點(diǎn)因素，實(shí)現(xiàn)一種寬頻帶方向圖穩(wěn)定的特殊波束基站天線具有一定的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種低副瓣銳截止平頂波束基站天線及設(shè)計(jì)方法，特點(diǎn)是基于多目標(biāo)優(yōu)化算法系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)出具有低副瓣電平和銳截止特性的雙極化基站天線，引入了在不同頻帶對單元的選擇性從而獲得寬頻帶內(nèi)方向圖的穩(wěn)定性。該天線具有菱形(正方形)平頂波束，滿足E面、H面主瓣寬度為50°±5°，副瓣電平低于-20dB，可以應(yīng)用于1.71-2.69GHz的通信系統(tǒng)中。相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法還可以用于其他形式的賦形波束陣列天線設(shè)計(jì)當(dāng)中。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

平頂波束基站天線，包括多個(gè)基站天線單元、金屬圍欄和地板，基站天線單元的激勵(lì)和在不同頻帶的選擇性以及單元間距通過多目標(biāo)優(yōu)化算法確定，以滿足特殊的方向圖要求，金屬圍欄置于天線單元周圍并與地板接觸。

作為一種優(yōu)選方案，所述的基站天線單元都采用相同的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)極化的輻射結(jié)構(gòu)印刷在上下兩層介質(zhì)板上，介質(zhì)板中間留有一定的空氣間隙，分別用兩個(gè)同軸線給不同極化輻射單元饋電。

作為一種優(yōu)選方案，所述的多目標(biāo)優(yōu)化算法采用基于分解的多目標(biāo)進(jìn)化算法(MOEA/D)。

作為一種優(yōu)選方案，所述的優(yōu)化算法采用的優(yōu)化變量中單元激勵(lì)幅度、相位及單元間距在整個(gè)頻段內(nèi)保持不變，單元選擇性則分高/低兩個(gè)頻段。

作為一種優(yōu)選方案，優(yōu)化算法設(shè)置三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)(分高低兩個(gè)頻段)：

目標(biāo)一：低頻段選擇一個(gè)頻點(diǎn)，依據(jù)低頻段選擇性計(jì)算該頻點(diǎn)方向圖使其滿足低頻段目標(biāo)方向圖；

目標(biāo)二：高頻段選擇一個(gè)頻點(diǎn)，依據(jù)高頻段選擇性計(jì)算該頻點(diǎn)方向圖使其滿足高頻段目標(biāo)方向圖；

目標(biāo)三：依據(jù)單元尺寸和單元間距計(jì)算陣列天線整體尺寸，使其滿足小于或等于給定最大尺寸。

作為一種優(yōu)選方案，金屬圍欄形式采用垂直于地板的金屬片，并將其放置于相鄰天線單元的中間位置并接觸地板，高度低于輻射結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：

1、引入在不同頻段內(nèi)對單元的選擇性，從而增加了與頻率相關(guān)的設(shè)計(jì)自由度，使得天線在寬頻帶內(nèi)獲得較穩(wěn)定的方向圖。

2、由于在低頻段和高頻段對單元的選擇性不同，因此天線單元性能可以不表現(xiàn)出對頻率的變化，即使用寬帶天線單元(不需分別設(shè)計(jì)高/低頻天線單元)也可以同時(shí)覆蓋低頻段及高頻段各自技術(shù)要求。

3、對于某一特定的天線單元，若在不同的頻段上都選擇該單元有效，則實(shí)現(xiàn)了該單元在整個(gè)頻段內(nèi)的復(fù)用，相比現(xiàn)有技術(shù)的低頻段和高頻段天線分別組陣的方式減少了單元個(gè)數(shù)，等效于在實(shí)現(xiàn)相同性能的前提下縮小了整體陣列尺寸。

4、使用多目標(biāo)優(yōu)化算法對方向圖進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)了對多種輻射性能指標(biāo)及陣列尺寸的同時(shí)優(yōu)化，從而在實(shí)施例1中實(shí)現(xiàn)了低副瓣銳截止平頂波束小型化的雙極化基站天線設(shè)計(jì)。

5、不同于利用FIR濾波器實(shí)現(xiàn)方向圖穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對單元的選擇性只需要將所有僅工作于該頻段的天線單元連接起來通過帶通濾波器，對于工作在整個(gè)頻段上的天線單元?jiǎng)t采用傳統(tǒng)的饋電方式，實(shí)現(xiàn)方式簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法流程圖。

圖2為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在低頻段中心頻率(1.94GHz)的三維方向圖(俯視圖)。

圖4為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在低頻段中心頻率(1.94GHz)的三維方向圖(側(cè)視圖)。

圖5為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在高頻段中心頻率(2.5GHz)的三維方向圖(俯視圖)。

圖6為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在高頻段中心頻率(2.5GHz)的三維方向圖(側(cè)視圖)。

圖7為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在低頻段頻點(diǎn)(1.71GHz)的E面、H面主極化和交叉極化方向圖。

圖8為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在低頻段頻點(diǎn)(1.94GHz)的E面、H面主極化和交叉極化方向圖。

圖9為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在低頻段頻點(diǎn)(2.17GHz)的E面、H面主極化和交叉極化方向圖。

圖10為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在高頻段頻點(diǎn)(2.3GHz)的E面、H面主極化和交叉極化方向圖。

圖11為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在高頻段頻點(diǎn)(2.5GHz)的E面、H面主極化和交叉極化方向圖。

圖12為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例1在高頻段頻點(diǎn)(2.69GHz)的E面、H面主極化和交叉極化方向圖。

圖13為低副瓣銳截止平頂波束基站天線實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方案

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中附圖對本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

實(shí)施例1：

如圖1所示，首先確定需要綜合的輻射方向圖為低副瓣銳截止平頂波束，其滿足E面、H面主瓣寬度為50°±5°，副瓣電平低于-20dB，工作頻帶為1.71-2.69GHz，陣列整體尺寸小于560×560mm²,考慮到實(shí)際天線單元的尺寸及單元間的耦合，限制單元間距不小于56mm。

選擇基于分解的多目標(biāo)進(jìn)化算法(MOEA/D)并設(shè)置單元激勵(lì)幅度、相位、單元間距及低(1.71-2.17GHz)/高(2.3-2.69GHz)頻段兩個(gè)頻帶內(nèi)單元選擇性為變量，1.71GHz和2.69GHz兩個(gè)頻點(diǎn)的方向圖特性及整體陣列尺寸為優(yōu)化目標(biāo)。

根據(jù)目標(biāo)方向圖的對稱性，對多目標(biāo)進(jìn)化算法做如下簡化以提高方向圖的計(jì)算速度和優(yōu)化算法的收斂速度：

1、如圖2所示，只取區(qū)域1里的單元激勵(lì)幅度、相位和不同頻段選擇性作為變量，其它單元的激勵(lì)及選擇性可由對稱性得到。

2、單元成行或成列排布，且關(guān)于phi＝0/45/90/135度對稱。

3、根據(jù)以上簡化推導(dǎo)出快速的方向圖計(jì)算公式：

根據(jù)綜合結(jié)果，選擇一組最優(yōu)解，建立基站天線模型。

為減小單元之間的互耦，在天線單元周圍添加金屬圍欄(圖2)，微調(diào)本實(shí)施例中的單元和金屬圍欄的部分尺寸參數(shù)后，通過電磁場仿真對本實(shí)施例的基站天線輻射特性進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖3～圖6所示，為該天線在低頻段和高頻段的中心頻點(diǎn)處的三維方向圖，可以看出，仿真結(jié)果非常吻合預(yù)期的菱形平頂波束(基站天線旋轉(zhuǎn)45度放置則為方形平頂波束)。圖7～圖12給出了該天線在1.71、1.94、2.17、2.3、2.5、2.69GHz六個(gè)頻點(diǎn)處的E面、H面主極化和交叉極化方向圖，可以看出，在整個(gè)頻帶內(nèi)，E面、H面3dB主瓣寬度為50°±5°范圍內(nèi)，副瓣電平低于-20dB，過渡區(qū)約為12度?？傮w尺寸為460×460mm²。仿真結(jié)果表明本實(shí)施例的雙極化基站天線性能良好，具有穩(wěn)定的賦形波束和小型化的尺寸，能夠滿足1.71-2.69GHz的寬帶高速無線通訊系統(tǒng)的要求。

實(shí)施例2：

如圖13所示，為進(jìn)一步突出該方法中不同頻段單元的選擇性及單元間距作為變量所起的重要作用，本實(shí)施例中進(jìn)一步綜合了一款具有方形平頂波束的基站天線，從其結(jié)構(gòu)圖可以清楚的看出，不同單元間的間距有顯著差別，由于陣列四個(gè)角落的部分單元在所有頻帶上都選擇為無效，所以直接刪去了這些單元。

前面已經(jīng)描述本發(fā)明的兩個(gè)具體實(shí)施例，應(yīng)該理解這只是以一種示例形式被提出，并無限制性。因此，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以作出多種形式上和細(xì)節(jié)上的變更，這對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，無需創(chuàng)造性勞動(dòng)。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。