一种半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束赋形天线的制作方法

本发明涉及一种半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束赋形天线，属于天线和无线通信技术领域。

技术背景

大型场馆在举办某些重要活动时通信数量急剧增加，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。然而，天线的辐射方向图的形状对蜂窝通信质量有着较大的影响。为满足场馆的通信覆盖要求，需要天线的波瓣在横截面方向上趋向于矩形，同时要求天线半功率角外波瓣快速的跌落。由于常规的矩形阵列通过幅相加权的方法来实现矩形波束赋形，但天线在矩形赋形效果、波瓣跌落、阵元数量等存在不足，因此需要研究并优化新的矩形波束赋形天线，以减少阵元数量的同时提高矩形波束半功率角外波瓣跌落能力，对提高通信系统频率复用以及降低成本等方面具有十分重要的意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束赋形天线，该赋形天线采用了较少的阵元数量，实现了矩形波束半功率角外波瓣快速跌落，同时有效的消除邻近频率复用蜂窝区的覆盖重叠，使蜂窝区的边界尽量清晰，提高了频率复用效率和系统的通信容量。

本发明的技术方案是：

一种半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束赋形天线，包括三组子阵列，三组子阵列的排布方式为：以n×n子阵列a组为中心，在a组子阵列的上、下、左、右分别增加n个阵元构成b组子阵列，再在b组子阵列的上、下、左、右分别外扩不多于n个阵元构成c组子阵列，其中n≥1；

同一组子阵列中阵元的激励幅度相同，且a组子阵列中阵元的激励幅度最大；a组和b组子阵列中阵元的相位相同，c组子阵列中阵元的相位与其它组阵元相差180°。

进一步地，本发明所述a组子阵列中相邻阵元间距为0.5λ～0.8λ，b组与a组子阵列中对应相邻阵元间距为0.5λ～0.85λ，c组与b组子阵列中相对应阵元的水平间距或竖直间距为0.5λ～0.85λ，其中λ为天线的中心工作频率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

第一，本发明通过灵活配置阵列布局、激励幅度和相位，实现了不同的半功率波束宽度以及半功率角外波瓣的快速跌落，具有较好的矩形波束赋形效果，能有效降低热点通信区域的邻区干扰，实现相邻小区的频率复用，提高网络容量。

第二，本发明采用了较少的阵元数量，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；相对于目前的矩形波束赋形天线，本发明能有效降低热点通信区域的邻区干扰，实现相邻小区的频率复用，提高网络容量。

附图说明

图1为矩形波束赋形天线阵列的稀疏分布图(n＝2)；

图2为波束宽度为48°～56°的矩形波束赋形天线阵列的激励幅度和相位(n＝2)；

图3为矩形波束赋形天线阵列的三维方向图及梯度图；

图4为矩形波束赋形天线2.3ghz和2.7ghz的二维方向图及2.5ghz的各个切面方向图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明的具体实施做详细的描述，以便进一步理解本方案的原理、特点和优点。

本发明一种半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束赋形天线，其设计要点包括阵列布局、阵元激励幅度和相位设计。该天线包括三组子阵列，三组子阵列采用阵元稀疏分布的排布方式，具体为：以n×n子阵列a组为中心，在a组子阵列的上、下、左、右分别增加n个阵元构成b组子阵列，再在b组子阵列的上、下、左、右分别外扩不多于n个阵元构成c组子阵列，其中n≥1；

a组子阵列中阵元的激励幅度最大且一致，b组和c组子阵列中的阵元激励幅度相对较小，其中b组和c组子阵列中的阵元激励幅度组内相同。通过灵活配置b组和c组中的阵元激励幅度值，不仅可以实现不同的半功率波束宽度，而且能有效控制半功率角外波瓣跌落能力以及旁瓣电平抑制水平。阵列中a组阵元和b组阵元的相位相同，c组阵元与其它阵元相差180°。

其中各组阵列中的阵元可采用±45°极化的偶极子、微带天线或波导天线等。

矩形波束赋形天线阵列a组子阵列中相邻阵元间距为0.5λ～0.8λ，b组与a组子阵列中对应相邻阵元间距为0.5λ～0.85λ，c组与b组子阵列中相对应的阵元的水平间距或竖直间距为0.5λ～0.85λ，其中λ为天线的中心工作频率。

实例一：

工作频率为2.3ghz～2.7ghz的矩形波束赋形天线共采用16个阵元进行稀疏分布，如图1所示，阵元采用±45°极化偶极子天线，各个阵元中心在xoy坐标系统的坐标分别为a1(31,-31)、a2(31,31)、a3(-31,31)、a4(-31,-31)、b1(93,-31)、b2(93,31)、b3(31,93)、b4(-31,93)、b5(-93,31)、b6(-93,-31)、b7(-31,-93)、b8(31,93)、c1(155,0)、c2(0,155)、c3(-155,0)、c4(0,-155)，其中单位为mm。

图2给出了波束宽度为48°～56°情况下的幅相分布，其中a组中的单元激励幅度最大且一致(设a组中的单元激励幅度为0db)，b组的单元激励幅度为-16.5db，c组的单元激励幅度为-11.5db。阵列中a组和b组单元的激励相位相同，而c组中的激励相位与阵列中的其它单元相差180°。

图3给出了矩形波束赋形天线阵列的三维方向图及梯度图；图4为矩形波束赋形天线2.3ghz和2.7ghz的二维方向图及2.5ghz的各个切面方向图。从以上结果可以看出，该矩形波束赋形天线不仅具有阵元数少、半功率角外波瓣跌落快、旁瓣和背瓣电平低的优点，而且具有较好的矩形波束赋形效果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束赋形天线，包括三组子阵列，三组子阵列的排布方式为：以N×N子阵列A组为中心，在A组子阵列的上、下、左、右分别增加N个阵元构成B组子阵列，再在B组子阵列的上、下、左、右分别外扩不多于N个阵元构成C组子阵列，其中N≥1；同一组子阵列中阵元的激励幅度相同，且A组子阵列中阵元的激励幅度最大；A组和B组子阵列中阵元的相位相同，C组子阵列中阵元的相位与其它组阵元相差180°。该赋形天线采用了较少的阵元数量，实现了矩形波束半功率角外波瓣快速跌落。

技术研发人员：徐明明;国爱燕;韩运忠;高文军;张涛;马炳;蔺祥宇;吕争
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：2017.05.09
技术公布日：2017.10.03