特型宽频基站天线的研究
发布时间：2020-09-08 14:45
随着移动通信技术的不断发展,如今已经共存2 G/3 G/4 G等移动通信系统,需要对基站天线进行宽频带设计。常规基站天线的水平半功率波束宽度一般在65°左右,以覆盖方位角为120°的蜂窝小区。但在一些特定的应用场景,有特定的问题有待解决,需要采用一些特型基站天线。例如在一些微型基站和话务量较小的地区,适合采用水平面360°辐射的全向天线,以减小天线所占的空间资源和节约成本;在很多室内场所,如电梯和大型室内场馆,信号覆盖的范围较窄,需要采用波束较窄的窄波束天线;在人员密集的热点地区,可以采用宽频多波束天线以增加通信容量,提高通信质量。针对上述问题,本论文主要研究了宽频特型基站天线的设计方法,提出了几种宽频特型基站天线。具体来说,主要研究内容如下:(1)提出了一种工作在1.42-2.7 GHz频段的双极化基站天线单元和天线阵列。为了实现天线单元的±45°双极化辐射,将四个折叠电偶极子通过双线传输线连接并由两个馈电巴伦激励;为了使天线单元在1.42-2.7 GHz频段内具有良好的阻抗匹配,将一个寄生贴片放置于折叠电偶极子的上方;为了使天线单元的水平半功率波束宽度在阻抗带宽内稳定在70°±2.5°范围内,将金属地板设计成凸型形状。为了进一步改善水平半功率波束宽度使其稳定在65.7°±3.2°范围内,提出了一种新型的错开两单元子阵列。在此基础上设计了一种具有高增益的六单元天线阵列。(2)提出了一种工作在1.69-2.7 GHz频段的水平极化全向天线单元和天线阵列。为了使天线单元在宽频带内具有良好的水平双极化全向辐射和阻抗匹配,将三个新型宽频电偶极子辐射单元在水平面均匀分布并由一个三路宽频等幅等相功分器激励。为了进一步改善不圆度使其从2.5 dBi减小到1.2 dBi,提出了一种新型的旋转两单元子阵列。在此基础上设计了一种具有低不圆度的六单元天线阵列。(3)提出了一种工作在1.69-2.7 GHz频段的双极化全向天线单元和天线阵列。为了使天线单元在宽频带内具有良好的±45°双极化全向辐射和阻抗匹配,将三个宽频交叉电偶极子辐射单元在水平方向均匀分布并由一对三路宽频等幅等相功分器激励。在此基础上设计了一款具有高增益的十单元全向天线阵列,该阵列的增益为10.3±0.9 dBi,不圆度小于2.5 dBi。(4)提出了一种工作在1.69-2.7 GHz频段的菱形窄波束天线阵列和一种工作在0.69-0.96 GHz和1.69-2.7 GHz频段的双频菱形窄波束天线阵列。为了在宽频带内实现双极化低旁瓣窄波束辐射,将四个宽频交叉电偶极子天线以菱形结构分布并由两个四路宽频等幅等相的功分器激励。在此基础上,通过将四个高频交叉电偶极子天线单元嵌入在四个菱形分布的低频交叉电偶极子天线单元的内部,实现了宽频双频窄波束天线阵列的设计。这两种窄波束天线阵在工作频段内具有良好的阻抗匹配,端口隔离度大于28 dB,水平和垂直半功率波束宽度稳定在33°左右,而且水平和垂直方向图的旁瓣都小于-22dB。(5)提出了一种工作在1.69-2.7 GHz频段的双极化双波束4×6天线阵列的设计方法。该天线阵列包括三组4×2子阵列。每个4×2子阵列的上端4×1子阵列和下端4×1子阵列在水平方向错开,等效为一个具有减半水平辐射单元间距的8×1子阵列,以实现良好的水平方向图栅瓣抑制。为了实现天线阵列的低旁瓣且双波束辐射,设计了一种新型的性能优越的宽频波束形成网络。通过优化水平相邻辐射单元间距,实现了天线阵列在水平面的120°扇形覆盖。该双波束天线阵列在1.69-2.7 GHz频段内具有良好的水平双波束辐射,波束交叉电平在-10 dB左右,具有良好的120°扇形覆盖性能,而且水平与垂直方向图的旁瓣和栅瓣电平都在-18 dB以下。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN828.6
【部分图文】：
华南理工大学博士学位论文和成本。另外，在一些微型基站，也可以采用水平面 360o辐射的全向天线，以减小线所占的空间资源和节约成本。因此，全向基站天线的应用对移动通信天线产业的发具有重要的意义。在很多室内场合如隧道和电梯等通信区域范围较窄的场合，需要采用波束宽度较的窄波束天线；在人员较密集的大型室内场馆等场合，如果采用常规的水平半功率波宽度 65o的基站天线覆盖，会导致增益和通信容量不够而产生掉话等问题。这可以通采用多个窄波束天线来覆盖整个场馆的方案，提高天线的增益并增加整个场馆的通信量，以解决掉话问题。另外在狭长的公路和铁路区域，可以采用水平波束较窄的基站线来提高增益，减小天线的数量和提高通信质量。因此，宽频窄波束基站天线在这些用场合具有重要的应用价值。
偶极子天线和宽频磁电偶极子天线，下面分别介绍这几类天线的研究现状 宽频贴片天线于贴片天线具有尺寸小、剖面低和成本低等优点因此贴片天线被广泛应用业中。贴片天线的馈电方式包括微带直接馈电、微带耦合馈电和探针耦合式。常规的贴片天线存在阻抗带宽较窄的不足，比如参考文献[3-15]中提片天线的工作带宽小于 37.5%，不能覆盖全部的 DCS/PCS/UMTS/LT00/TD-LTE 通信频段(1.71-2.7 GHz)，这限制了贴片天线在宽频基站天线中的eng 等人于 2013 年提出的一种贴片天线[12]，其结构如图 1-2 所示。该天线作为辐射单元，每个极化采用双 L-形探针耦合馈电的方式来扩展带宽。该宽为 23.7%，能覆盖 DCS/PCS/UMTS 通信频段(1.71-2.17 GHz)。该贴片天，剖面低，易于加工且结构稳定，可以用来作为 DCS/PCS/UMTS 频段基辐射单元，但缺点是工作带宽相对较窄，不能应用于 LTE2300/ LTE2500线阵列中。
华南理工大学博士学位论文抗带宽， K. M. Luk 教授于 2017 年提出了一种双极化宽频贴片天线[16]，天线的结构如图 1-3 所示。从图中可见，每个形探针耦合馈电，这样可以为贴片天线提供电容，从而扩展了针呈反向馈电，这样可以使得两个 L-形探针的辐射性能相抵对贴片天线的辐射干扰。另外，通过在辐射贴片上方增加寄生匹配，使贴片天线的阻抗匹配带宽扩展到 47% (VSWR <1 .5Bi 之间，测试结果如图 1-4 所示。该天线能覆盖 1.71- 2.69 GHz波动较大。
本文编号：2814301
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN828.6
【部分图文】：
华南理工大学博士学位论文和成本。另外，在一些微型基站，也可以采用水平面 360o辐射的全向天线，以减小线所占的空间资源和节约成本。因此，全向基站天线的应用对移动通信天线产业的发具有重要的意义。在很多室内场合如隧道和电梯等通信区域范围较窄的场合，需要采用波束宽度较的窄波束天线；在人员较密集的大型室内场馆等场合，如果采用常规的水平半功率波宽度 65o的基站天线覆盖，会导致增益和通信容量不够而产生掉话等问题。这可以通采用多个窄波束天线来覆盖整个场馆的方案，提高天线的增益并增加整个场馆的通信量，以解决掉话问题。另外在狭长的公路和铁路区域，可以采用水平波束较窄的基站线来提高增益，减小天线的数量和提高通信质量。因此，宽频窄波束基站天线在这些用场合具有重要的应用价值。
偶极子天线和宽频磁电偶极子天线，下面分别介绍这几类天线的研究现状 宽频贴片天线于贴片天线具有尺寸小、剖面低和成本低等优点因此贴片天线被广泛应用业中。贴片天线的馈电方式包括微带直接馈电、微带耦合馈电和探针耦合式。常规的贴片天线存在阻抗带宽较窄的不足，比如参考文献[3-15]中提片天线的工作带宽小于 37.5%，不能覆盖全部的 DCS/PCS/UMTS/LT00/TD-LTE 通信频段(1.71-2.7 GHz)，这限制了贴片天线在宽频基站天线中的eng 等人于 2013 年提出的一种贴片天线[12]，其结构如图 1-2 所示。该天线作为辐射单元，每个极化采用双 L-形探针耦合馈电的方式来扩展带宽。该宽为 23.7%，能覆盖 DCS/PCS/UMTS 通信频段(1.71-2.17 GHz)。该贴片天，剖面低，易于加工且结构稳定，可以用来作为 DCS/PCS/UMTS 频段基辐射单元，但缺点是工作带宽相对较窄，不能应用于 LTE2300/ LTE2500线阵列中。
华南理工大学博士学位论文抗带宽， K. M. Luk 教授于 2017 年提出了一种双极化宽频贴片天线[16]，天线的结构如图 1-3 所示。从图中可见，每个形探针耦合馈电，这样可以为贴片天线提供电容，从而扩展了针呈反向馈电，这样可以使得两个 L-形探针的辐射性能相抵对贴片天线的辐射干扰。另外，通过在辐射贴片上方增加寄生匹配，使贴片天线的阻抗匹配带宽扩展到 47% (VSWR <1 .5Bi 之间，测试结果如图 1-4 所示。该天线能覆盖 1.71- 2.69 GHz波动较大。
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 苏道一;移动通信系统中天线的分析与设计[D];西安电子科技大学;2008年
相关硕士学位论文 前1条
1 王静波;宽带双极化基站天线的研究与设计[D];西安电子科技大学;2018年
本文编号：2814301
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