[發(fā)明專利]基于人工介質(zhì)圓柱透鏡扇區(qū)多波束天線

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711016223.7
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107959121B
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肖良勇;王建青;任玉文;焦西斌;王亞
• 申請（專利權(quán)）人: 西安肖氏天線科技有限公司
• 主分類號: H01Q15/08
• 分類號: H01Q15/08;H01Q1/12;H01Q1/24
• 代理公司: 北京精金石知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11470
• 代理人: 黃福偉

本發(fā)明公開了一種基于人工介質(zhì)圓柱透鏡扇區(qū)多波束天線，以人工介質(zhì)圓柱透鏡為載體高度集成多個天線單元構(gòu)成。包括人工介質(zhì)圓柱透鏡1、天線單元組2，金屬底板3，該天線單元組2包括若干個天線單元，每個天線單元為獨立個體，固定在金屬底板3上，兩者形成一個整體，等高均勻沿圓柱透鏡的半圓周面排列成一行。本發(fā)明的天線在水平面內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)180°全覆蓋，且每個波束的垂直面實測方向圖較傳統(tǒng)電調(diào)天線的垂直面實測方向圖寬2?3倍，覆蓋的區(qū)域內(nèi)場強占優(yōu)，因此無需電調(diào)機構(gòu)。能夠有效避免傳統(tǒng)天線易出現(xiàn)的“塔下黑”現(xiàn)象，特別適用于密集用戶及大數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)區(qū)，多波束可成倍地提升容量，可適應(yīng)當前和未來信息傳輸大爆發(fā)的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線電天線領(lǐng)域，特別涉及一種用于移動通信基站的人工介質(zhì)圓柱透鏡扇區(qū)多波束天線，該天線能夠在180°范圍內(nèi)實現(xiàn)水平面覆蓋。

背景技術(shù)

隨著移動通信4G、5G、MIMO、衛(wèi)星通信、雷達、電子戰(zhàn)等無線領(lǐng)域市場的需求迅速擴張，對作為無線出入口的天線也提出了新的技術(shù)要求。在滿足高增益、低副瓣、窄波束、波束覆蓋范圍廣等要求的同時還要兼顧掃描速度、成本、環(huán)境等需要。其中最重要的是天線既要能承載超大信息容量，又不能增加其數(shù)量和站址。

傳統(tǒng)無線通訊系統(tǒng)中想要實現(xiàn)扇區(qū)覆蓋多采用半功率波瓣寬度為65°的扇區(qū)天線覆蓋120°扇區(qū)。如果要增大用戶容量，一般是增多頻點，但受頻率資源限制，只有再加裝扇區(qū)天線，這又受站點限制。為增大容量，已經(jīng)采用的技術(shù)是所謂“劈裂天線”，它將每個扇區(qū)分成兩個扇區(qū)，即2波束/120°覆蓋。更多波束則用傳統(tǒng)陣列天線理論及電子波束賦形方法，但非常復雜，能耗、成本、重量等大幅上升，難于大規(guī)模應(yīng)用。

近年發(fā)展的多波束天線是一種解決方案。傳統(tǒng)的多波束天線是用多波束形成網(wǎng)絡(luò)(BF多)激勵輻射單元平面陣列、或用多級巴特勒矩陣等做成。然而，由于存在不對稱波束、隔離度、網(wǎng)絡(luò)損耗導致增益損失、頻帶窄等問題，使其難以大規(guī)模應(yīng)用。

龍伯透鏡天線是一種透過電介質(zhì)將電磁波聚焦至焦點的透鏡天線，只需沿著透鏡表面簡單地移動饋源位置，或放置多個饋源，就可以同時接收/發(fā)射多個信號而不需改變透鏡天線的位置，其具有承載多天線、多波束潛力，龍伯透鏡天線主要通過龍伯球介質(zhì)來實現(xiàn)其功能，傳統(tǒng)龍伯球是一個具有多層介電常數(shù)不同材料的球體，各層介電常數(shù)材料理論上應(yīng)在2到1之間漸變。自然界不存在這種介質(zhì)，一般是人工合成。但實際上很難達到這種理想狀態(tài)，此外最大的難點是質(zhì)量太大。通常會模擬近似的變化狀態(tài)來制成龍伯球。傳統(tǒng)的龍伯透鏡天線主要通過在基材上打孔或通過發(fā)泡方式制作。發(fā)泡法只能做到介電常數(shù)小于1.4，打孔法制造工藝極其復雜，介電常數(shù)很難貼近理想變化曲線，導致透鏡的輻射效率低而且太重。長期以來只能作為厘米波雷達無源目標探測、機場跑道盲降等少量應(yīng)用，難以進入民用領(lǐng)域。

為了減輕龍伯球的重量，研究人員進行了幾十年的努力，最近在市場上已見到應(yīng)用于移動通信領(lǐng)域的多波束龍伯球透鏡天線(2017年美國特朗普總就職典的百萬群眾集會上，見US20110003131A1)。但支撐龍伯球透鏡天線的結(jié)構(gòu)過于龐大復雜。且與傳統(tǒng)移動通信基站天線一樣，也配有復雜的垂直波束下傾機構(gòu)，這是由于垂直面波束寬度窄的緣故，這增加了應(yīng)用的操作難度、復雜性和成本。

中國發(fā)明專利(200580038415.7：Luneberg介電透鏡及其制造方法)公開了一種半球形介電透鏡，其包括多個同心的半球?qū)樱繉佣际呛?至80％重量陶瓷的熱塑性樹脂膨脹珠的泡沫模制品。該發(fā)明公開的半球形介電透鏡雖然能夠克服傳統(tǒng)天線的缺點能夠?qū)崿F(xiàn)較大增益且質(zhì)量較輕，但透鏡制造過程中需要將陶瓷與泡沫膨脹珠混合后再使用模具進行發(fā)泡，對工藝條件要求較高，且制備模具花費時間較長。

中國發(fā)明專利申請(201480057832.5：帶透鏡基站天線)公開了一種帶透鏡基站的天線，其核心是用一種均勻介電常數(shù)的介質(zhì)圓柱棒作為透鏡，在它的120°外圍由3面10單元基站天線激勵(照射)，形成3波束120°覆蓋，波束增益只有1dB。一共用了30個單元天線。該發(fā)明所用介質(zhì)體雖然也是圓柱形，但其介質(zhì)體的介電常數(shù)為統(tǒng)一值，該天線的輻射效果很難媲美龍伯人工介質(zhì)多層透鏡。