宽带双极化宽波束覆盖天线设计

发布时间：2020-10-09 10:21

　　基站天线是无线通信系统中不可或缺的一环。随着人们对无线通信的质量和速率的要求,对基站天线的性能也提出了更严格的要求。在移动通信技术的发展过程中,无线局域网技术也开始被人们关注。无线局域网技术作为一种短距离无线通信技术,与移动通信技术形成相互补充,在某些场合发挥巨大作用。然而在一些人流量较大的公共场所,人们的上网体验常常非常糟糕,由于用户较多时的资源争抢问题,传输速率往往与理论上限相去甚远。为此人们进一步提出了MU-MIMO——多用户多入多出技术,MU-MIMO技术要求天线形成许多不同的波束,将用户从空间维度上区分开来,从而为多个用户提供稳定的服务。在某些场合中,要求波束的覆盖空间更宽,因此急需一种能够实现大扫描角性能的天线。为此,本文对可用于5GHz非授权频段的WIFI宽波束覆盖基站天线单元以及阵列扫描特性进行了研究设计。本文首先介绍了国内外对宽频双极化基站天线和宽波束天线的研究现状,对阵列天线的基础理论进行简要说明,为后文设计天线单元和阵列提供了依据。然后对微带天线的基本理论和常用技术进行研究,设计一款单极化宽频宽角基站天线单元,该单元工作频率在5.15GHz~5.875GHz,最大增益达到5dB,E面的半功率波束宽度达到±60°,验证了微带天线作为宽波束基站天线单元的可行性。并以此为基础,提出了双极化宽波束基站天线单元。结果表明,该天线在5.15GHz~5.875GHz的频段内,实现了±45°双斜极化,且有着较低的交叉极化电平,最大增益在3dB以上且有着超过90°的E面半功率波束宽度。在扫描方向上的半功率波束宽度仍然能够达到±60°。随后对其进行了实际加工验证。然后,将该单元组成小间距5单元的直线阵列先后对各单元的有源方向图和有源匹配特性进行分析,通过对阵列两端添加寄生单元,弥补了边缘效应,使阵列各单元的有源方向图保持较好的一致性,随后调整了单元内部的尺寸来对有源匹配特性进行修正。接着,进一步将该单元组成5X8的阵列形式,在非扫描面方向上组成8单元切比雪夫低副瓣阵列,在扫描方向上组成5单元紧耦合阵列,扩宽扫描面的波束宽度。对中心一行按照切比雪夫阵列分布进行理想馈电,其余单元接匹配负载,研究该天线的有源方向图特性,结果显示在5.15GHz~5.875GHz频段内有源方向图在扫描面的3dB波束宽度均超过±60°,最大增益大于12.8 dB,低副瓣面的副瓣电平在-20dB以下,交叉极化电平低于-10dB。根据威尔金森功分器原理,设计了一款微带形式的一分十六威尔金森功分器。最后,利用方向图乘积原理得出了基于该有源方向图的相控扫描特性,结果表明,该阵列在5.15GHz~5.875GHz频段内,扫描角达到±60°,在扫描范围内增益起伏不超过3.7dB、交叉极化基本都在-15dB以下,副瓣电平约-12dB,扫描性能良好。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN822
【部分图文】：

频段,研究现状,范围,双极化

GHz频段名称与对应频段范围

宽角,双极化,紧耦合,线阵

南电子技术研究所的何海丹教授提出将微质基片末端辐射出去，能够扩大微带天线线采用加载微扰枝节来实现圆极化，中间超过了地板，实现了超过的 180°的半功图 1.3 宽角扫描的宽带双极化紧耦合线阵[15]

圆极化微带天线

图 1. 5 添加三维地的圆极化微带天线[17]等人提出一种圆极化半包围式折叠贴片天线[18]，该天线带天线四周加载半包围折叠金属墙，克服了普通微带内半功率波束宽度达到 106°，剖面高度为 0.04 个波

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