一種低剖面高增益分形小型基站天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種蜂窩移動通信基站天線設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種低剖面高 增益分形小型基站天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 基站天線是蜂窩移動通信系統(tǒng)中用戶與網(wǎng)絡(luò)連接的空中接口，因此是整個系統(tǒng)最 關(guān)鍵的部件之一，它的性能優(yōu)劣直接決定通信質(zhì)量的好壞。目前，基站天線按應(yīng)用場合分為 兩類；一類是室外大型宏基站天線，其特點是頻帶寬、陣元數(shù)多、增益高、波束精確賦形、功 率容量大，適合于大范圍、用戶稀疏的場合覆蓋；另一類是小型基站天線，其特點是頻帶窄、 陣元數(shù)較少、增益較低、波束粗略賦形、功率容量較小，適合局部補(bǔ)盲覆蓋或用戶密集的"熱 點"區(qū)域覆蓋。由此可見，這里的小型基站天線是指陣元數(shù)目少、陣列規(guī)模小，而非特指陣列 物理尺寸小。當(dāng)然，小型基站天線的尺寸客觀上是比較小的。
[0003] 隨著用戶高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的持續(xù)增長，在頻譜資源十分有限的情況下，通過增加基 站密度、提高頻譜復(fù)用程度便可實現(xiàn)高速通信。目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)通信是在室內(nèi)場合進(jìn)行，如 辦公室、住宅、地鐵站、商場、教室、圖書館、候車室、候機(jī)樓等。宏基站由于覆蓋范圍廣、用戶 數(shù)量多、頻譜有限，不適合在人口密集場所部署，即便采用了諸如LTE-FDD、LTE-TDD和MMO 等新技術(shù)，也難以讓大量用戶同時獲得很高網(wǎng)絡(luò)速率。而且，宏基站覆蓋深度不夠，尤其是 在小區(qū)邊緣，信號強(qiáng)度明顯減弱，鏈路信噪比下降，造成用戶體驗大大下降。在此背景下，小 型蜂窩移動通信基站便應(yīng)運而生。它可看成是室外宏基站的小型版引入樓宇內(nèi)進(jìn)行密集部 署。這必將為小型基站天線的發(fā)展帶來巨大機(jī)遇。同時，室內(nèi)復(fù)雜的傳播環(huán)境及嚴(yán)苛的外 形要求也給小型基站天線的設(shè)計帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。小型基站天線的主要性能指標(biāo)有：帶 寬（BW)、駐波比（VSWR)、方向性（D)、增益（G)、半功率波束寬度（HPBW)、交叉極化（XPD)、前 后向比（FTBR)、旁瓣電平（SLL)、效率（n A)、等效全向輻射功率（EIRP)和有效輻射功率比 pJPER/PT);外形要則要低剖面、輕薄化、小型化、低可見、與環(huán)境相融等。
[0004] 事實上，等效全向輻射功率是陣列天線設(shè)計中的一項重要但常被忽略的指標(biāo)。 EIRP表示相對于某天線在其最大輻射方向上的功率密度Pd，假定的理想點源要在該方 向產(chǎn)生相同的輻射功率密度P d時發(fā)射機(jī)應(yīng)輸出的功率P τ，計算公式為：EIRP(dBW)= [PT(dBW)-Lt (dBW)] XGt(dBi)。Pt表示發(fā)射功率，Lt表示天饋系統(tǒng)總損耗，G t為天線增益。 由上式知，EIRP將發(fā)射功率Pt和天線增益G τ兩個重要指標(biāo)關(guān)聯(lián)起來了，它能衡量單獨的增 益和效率指標(biāo)所無法表征的天線性能特征。增益Gt表示在同發(fā)射功率P τ條件下，天線在目 標(biāo)方向的輻射功率密度？4與假定它均勻輻射時在該方向產(chǎn)生的功率密度之比，其本質(zhì)是反 映輻射功率P r在天線周圍空間各個方向的分布差異狀況，跟發(fā)射功率P τ大小并無關(guān)系，顯 然，若要獲得相同功率密度，則均勻輻射時功率要大到EIRP才行。效率ηΑ則表示輻射功 率P r與發(fā)射功率P τ的比值，其意義是體現(xiàn)發(fā)射功率中有多少功率被天線輻射了，與輻射功 率Pr大小及空間分布無關(guān)。由于發(fā)射功率中僅部分轉(zhuǎn)變成輻射功率，而輻射功率中又只有 部分集中于目標(biāo)區(qū)域即主瓣寬度內(nèi)，形成有效信號輻射功率P ER;其他部分則注入旁瓣和后 瓣，形成有害干擾輻射功率Pir。顯然，目標(biāo)輻射區(qū)域內(nèi)（HPBW)的有效輻射功率Per占總發(fā) 射功率Pt的比例這一指標(biāo)十分重要。然而，增益和效率都無法表征這一特征，但EIRP卻可 間接表示之：當(dāng)發(fā)射功率PjP總損耗L τ-定時，EIRP越大，說明增益Gt越高，天線越好；當(dāng) EIRP -定時，發(fā)射功率Pt越小，則增益G τ越高，天線越好。在這兩種情形下，還需要考察有 效輻射功率Per及它與發(fā)射功率P τ之比P ^
[0005] 以上各物理量有如下關(guān)系式：
[0006] Pt= L T+PR (1)
[0007] Pr=P ER+PIR (2)
[0008]
[0009] (3)式中，?Τ(§，φ):表示均勻輻射功率密度，它等于輻射功率PR與整個球面積之 比：
[0010]
[0011] Pr= n a * Pt (5)
[0012] 其中，R為遠(yuǎn)場球面半徑。
[0013] 由以上各式得：
[0014]
_5] 由式（6)知，總發(fā)射功率Pt包括總損耗Lt功率、旁瓣/后瓣干擾輻射功率P IR和主 瓣有效輻射功率Per三部分；Ω A表示主瓣波束立體角。由于主瓣波束邊緣形狀常不規(guī)則，故 用E/Η面半功率波束寬度Θ HPBW或_願聚無法計算得到Per。式（6)表明，理想情況下即 Lt= 0、n A= 1時，總發(fā)射功率Pt全部轉(zhuǎn)換成了輻射功率Pr= P IR+PER。可見，干擾功率Pir 越小，則有效功率Per越大，反之亦然。{汰的表示增益函數(shù)，它可用主瓣E/Η面波束包 絡(luò)形狀示意圖描述。
[0016] 由圖1知，當(dāng)主瓣包絡(luò)曲線為外虛線圓弧時，表示輻射功率密度Pd在整個HPBW內(nèi) 與最大方向相同，這是大多數(shù)天線的理想主瓣方向圖，意味著有效福射功率P er最大；而當(dāng) 主瓣包絡(luò)為內(nèi)虛線弦時，表示輻射功率密度Pd自最大輻射方向往兩側(cè)的HPBW邊緣線性下 降至一半，這是最差的主瓣形狀，意味著有效輻射功率P er最小。實際中，大部分天線的主瓣 形狀包絡(luò)介于兩者之間。事實上，公式（6)用于表征陣列天線性能最有效。此時，Θ ΗΡΒ#Ρ Phpbw中的一個或兩個將同時減小。這意味著，陣元的有效輻射功率Per與總發(fā)射功率P τ 的比值要比單元情形時低得多，陣元僅有很少一部分功率轉(zhuǎn)化成了陣列主瓣中的有效輻 射功率，大部分功率則轉(zhuǎn)變?yōu)榱伺园旰秃蟀?，形成?yán)重的干擾，而且這個比例隨陣列規(guī)模、 增益增大而顯著下降，盡管此時效率可能較高。陣列天線原理是利用各陣元的空間位置不 同，使它們的輻射功率在遠(yuǎn)場空間不同方位實現(xiàn)完全同相疊加、不完全同相疊加或反相完 全相消，從而形成主瓣高增益、旁瓣較低增益及零點極低增益。在陣元數(shù)較多的大型陣列 中，可完全同相疊加的空間角域是相當(dāng)小的，而大部分區(qū)域則不完全同相疊加，從而形成旁 瓣和后瓣，而且陣元數(shù)越多，旁瓣數(shù)也越多。綜合以上分析知，陣列天線的有效全向輻射功 率（EIRP)很高、有效輻射功率比^很低、效率n A并不高。相比之下，依靠獨特幾何特性獲 得高增益的拋物面天線的有效功率比P JIj很高。
[0017] 目前，室外宏基站所用的大型板狀天線通常采用多對交叉振子組陣來實現(xiàn)高增益 和波束賦形，其最受關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)包括：帶寬（BW)、駐波比（VSWR)、E/Η面半功率波束寬 度（HPBW)、方向性（D)、增益（G)、旁瓣電平（SLL)、零點位置（Null)、前后向比（FTBR)、交叉 極化電平（XPD)和互調(diào)（P頂）等，而對于天線性能來說極為重要的EIRP和p e指標(biāo)，這里卻 成了無關(guān)緊要的因素。由此可見，目前大型基站天線設(shè)計的基本理念是：采用足夠數(shù)量的振 子單元來實現(xiàn)所需的高增益和方向性即可，而對于實現(xiàn)這一目標(biāo)的能量轉(zhuǎn)換效率卻并不關(guān) 心。事實上，這種陣列天線盡管匹配的很好（VSWR < 2.0)，但其整體效率并不高，一般ru 僅為60% -70%，這意味著發(fā)射機(jī)輸出功率Pt中僅有60% -70%被轉(zhuǎn)化為輻射功率Pr，其 他則為端口反射和天線損耗功率部分，而有效輻射功率比Pjlj遠(yuǎn)低于這一值。數(shù)量龐大的 基站天線，由于其能效利用率低，不僅造成了能量的巨大浪費，也構(gòu)成了有害電磁干擾，這 與今后基站節(jié)能高效、綠色環(huán)保的發(fā)展的趨勢不符。
[0018] 綜上所述，基站天線性能的進(jìn)一步提升，除了要滿足常規(guī)指標(biāo)外，還得減小有效全 向輻射功率EIRP和提高有效輻射功率Kp e。在提升效率nA的同時，盡可能增加有效輻射 功率比IV以使主瓣波束內(nèi)的輻射功率密度盡可能地大。鑒于高增益、高效率、高有效功率 比、低剖面、小尺寸的基站天線將是移動通信工程應(yīng)用中的一類重要天線，如何提升其性能 便成為基站天線研究領(lǐng)域中的一個嶄新方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供的一種寬波束、高增益、高效 率、高交叉極化比、高前后向比和高隔離度的低剖面高增益分形小型基站天線，為大型宏基 站天線優(yōu)化設(shè)計提供有效的參考方法。
[0020] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)解決方案來實現(xiàn)上述目的：一種低剖面高增益分形小型基 站天線，其特征在于，它包括天線罩、反射板組合體、襯底基板、金屬隔板陣、印刷有天線振 子的介質(zhì)基板以及與天線振子連接的饋電同軸饋線，介質(zhì)基板固定于襯底基板上，襯底基 板、金屬隔板陣設(shè)置在反射板組合體上；
[0021] 天線振子包括左右、上下均對稱的四