一種低剖面高增益分形小型基站天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種蜂窩移動通信基站天線設備技術領域，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】
[0002] 基站天線是蜂窩移動通信系統中用戶與網絡連接的空中接口，因此是整個系統最 關鍵的部件之一，它的性能優劣直接決定通信質量的好壞。目前，基站天線按應用場合分為 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、 陣元數較少、增益較低、波束粗略賦形、功率容量較小，適合局部補盲覆蓋或用戶密集的"熱 點"區域覆蓋。由此可見，這里的小型基站天線是指陣元數目少、陣列規模小，而非特指陣列 物理尺寸小。當然，小型基站天線的尺寸客觀上是比較小的。
[0003] 隨著用戶高速數據業務的持續增長，在頻譜資源十分有限的情況下，通過增加基 站密度、提高頻譜復用程度便可實現高速通信。目前大部分數據通信是在室內場合進行，如 辦公室、住宅、地鐵站、商場、教室、圖書館、候車室、候機樓等。宏基站由于覆蓋范圍廣、用戶 數量多、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，也難以讓大量用戶同時獲得很高網絡速率。而且，宏基站覆蓋深度不夠，尤其是 在小區邊緣，信號強度明顯減弱，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運而生。它可看成是室外宏基站的小型版引入樓宇內進行密集部 署。這必將為小型基站天線的發展帶來巨大機遇。同時，室內復雜的傳播環境及嚴苛的外 形要求也給小型基站天線的設計帶來了嚴峻的挑戰。小型基站天線的主要性能指標有：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、與環境相融等。
[0004] 事實上，等效全向輻射功率是陣列天線設計中的一項重要但常被忽略的指標。 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 向產生相同的輻射功率密度P d時發射機應輸出的功率P τ，計算公式為：EIRP(dBW)= [PT(dBW)-Lt (dBW)] XGt(dBi)。Pt表示發射功率，Lt表示天饋系統總損耗，G t為天線增益。 由上式知，EIRP將發射功率Pt和天線增益G τ兩個重要指標關聯起來了，它能衡量單獨的增 益和效率指標所無法表征的天線性能特征。增益Gt表示在同發射功率P τ條件下，天線在目 標方向的輻射功率密度？4與假定它均勻輻射時在該方向產生的功率密度之比，其本質是反 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，跟發射功率P τ大小并無關系，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與發射功率P τ的比值，其意義是體現發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。由于發射功率中僅部分轉變成輻射功率，而輻射功率中又只有 部分集中于目標區域即主瓣寬度內，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，目標輻射區域內（HPBW)的有效輻射功率Per占總發 射功率Pt的比例這一指標十分重要。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：當發射功率PjP總損耗L τ-定時，EIRP越大，說明增益Gt越高，天線越好；當 EIRP -定時，發射功率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及它與發射功率P τ之比P ^
[0005] 以上各物理量有如下關系式：
[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為遠場球面半徑。
[0013] 由以上各式得：
[0014]
_5] 由式（6)知，總發射功率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，總發射功率Pt全部轉換成了輻射功率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，它可用主瓣E/Η面波束包 絡形狀示意圖描述。
[0016] 由圖1知，當主瓣包絡曲線為外虛線圓弧時，表示輻射功率密度Pd在整個HPBW內 與最大方向相同，這是大多數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 主瓣包絡為內虛線弦時，表示輻射功率密度Pd自最大輻射方向往兩側的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化成了陣列主瓣中的有效輻 射功率，大部分功率則轉變為了旁瓣和后瓣，形成嚴重的干擾，而且這個比例隨陣列規模、 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場空間不同方位實現完全同相疊加、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。在陣元數較多的大型陣列 中，可完全同相疊加的空間角域是相當小的，而大部分區域則不完全同相疊加，從而形成旁 瓣和后瓣，而且陣元數越多，旁瓣數也越多。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高增益 和波束賦形，其最受關注的技術指標包括：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（P頂）等，而對于天線性能來說極為重要的EIRP和p e指標，這里卻 成了無關緊要的因素。由此可見，目前大型基站天線設計的基本理念是：采用足夠數量的振 子單元來實現所需的高增益和方向性即可，而對于實現這一目標的能量轉換效率卻并不關 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%，這意味著發射機輸出功率Pt中僅有60% -70%被轉化為輻射功率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遠低于這一值。數量龐大的 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，也構成了有害電磁干擾，這 與今后基站節能高效、綠色環保的發展的趨勢不符。
[0018] 綜上所述，基站天線性能的進一步提升，除了要滿足常規指標外，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域中的一個嶄新方向。
【發明內容】
[0019] 本發明的目的就是為了解決現有技術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 站天線優化設計提供有效的參考方法。
[0020] 本發明是采用如下技術解決方案來實現上述目的：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 子的介質基板以及與天線振子連接的饋電同軸饋線，介質基板固定于襯底基板上，襯底基 板、金屬隔板陣設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