本發明涉及一種半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束賦形天線，屬于天線和無線通信技術領域。

技術背景

大型場館在舉辦某些重要活動時通信數量急劇增加，而能使用的頻率資源又有限，因此需通過頻率復用技術來提高通信容量。然而，天線的輻射方向圖的形狀對蜂窩通信質量有著較大的影響。為滿足場館的通信覆蓋要求，需要天線的波瓣在橫截面方向上趨向于矩形，同時要求天線半功率角外波瓣快速的跌落。由于常規的矩形陣列通過幅相加權的方法來實現矩形波束賦形，但天線在矩形賦形效果、波瓣跌落、陣元數量等存在不足，因此需要研究并優化新的矩形波束賦形天線，以減少陣元數量的同時提高矩形波束半功率角外波瓣跌落能力，對提高通信系統頻率復用以及降低成本等方面具有十分重要的意義。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提出一種半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束賦形天線，該賦形天線采用了較少的陣元數量，實現了矩形波束半功率角外波瓣快速跌落，同時有效的消除鄰近頻率復用蜂窩區的覆蓋重疊，使蜂窩區的邊界盡量清晰，提高了頻率復用效率和系統的通信容量。

本發明的技術方案是：

一種半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束賦形天線，包括三組子陣列，三組子陣列的排布方式為：以n×n子陣列a組為中心，在a組子陣列的上、下、左、右分別增加n個陣元構成b組子陣列，再在b組子陣列的上、下、左、右分別外擴不多于n個陣元構成c組子陣列，其中n≥1；

同一組子陣列中陣元的激勵幅度相同，且a組子陣列中陣元的激勵幅度最大；a組和b組子陣列中陣元的相位相同，c組子陣列中陣元的相位與其它組陣元相差180°。

進一步地，本發明所述a組子陣列中相鄰陣元間距為0.5λ～0.8λ，b組與a組子陣列中對應相鄰陣元間距為0.5λ～0.85λ，c組與b組子陣列中相對應陣元的水平間距或豎直間距為0.5λ～0.85λ，其中λ為天線的中心工作頻率。

本發明與現有技術相比的優點在于：

第一，本發明通過靈活配置陣列布局、激勵幅度和相位，實現了不同的半功率波束寬度以及半功率角外波瓣的快速跌落，具有較好的矩形波束賦形效果，能有效降低熱點通信區域的鄰區干擾，實現相鄰小區的頻率復用，提高網絡容量。

第二，本發明采用了較少的陣元數量，在移動通信等領域應用中可以顯著降低生產成本和維護費用；相對于目前的矩形波束賦形天線，本發明能有效降低熱點通信區域的鄰區干擾，實現相鄰小區的頻率復用，提高網絡容量。

附圖說明

圖1為矩形波束賦形天線陣列的稀疏分布圖(n＝2)；

圖2為波束寬度為48°～56°的矩形波束賦形天線陣列的激勵幅度和相位(n＝2)；

圖3為矩形波束賦形天線陣列的三維方向圖及梯度圖；

圖4為矩形波束賦形天線2.3ghz和2.7ghz的二維方向圖及2.5ghz的各個切面方向圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實例對本發明的具體實施做詳細的描述，以便進一步理解本方案的原理、特點和優點。

本發明一種半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束賦形天線，其設計要點包括陣列布局、陣元激勵幅度和相位設計。該天線包括三組子陣列，三組子陣列采用陣元稀疏分布的排布方式，具體為：以n×n子陣列a組為中心，在a組子陣列的上、下、左、右分別增加n個陣元構成b組子陣列，再在b組子陣列的上、下、左、右分別外擴不多于n個陣元構成c組子陣列，其中n≥1；

a組子陣列中陣元的激勵幅度最大且一致，b組和c組子陣列中的陣元激勵幅度相對較小，其中b組和c組子陣列中的陣元激勵幅度組內相同。通過靈活配置b組和c組中的陣元激勵幅度值，不僅可以實現不同的半功率波束寬度，而且能有效控制半功率角外波瓣跌落能力以及旁瓣電平抑制水平。陣列中a組陣元和b組陣元的相位相同，c組陣元與其它陣元相差180°。

其中各組陣列中的陣元可采用±45°極化的偶極子、微帶天線或波導天線等。

矩形波束賦形天線陣列a組子陣列中相鄰陣元間距為0.5λ～0.8λ，b組與a組子陣列中對應相鄰陣元間距為0.5λ～0.85λ，c組與b組子陣列中相對應的陣元的水平間距或豎直間距為0.5λ～0.85λ，其中λ為天線的中心工作頻率。

實例一：

工作頻率為2.3ghz～2.7ghz的矩形波束賦形天線共采用16個陣元進行稀疏分布，如圖1所示，陣元采用±45°極化偶極子天線，各個陣元中心在xoy坐標系統的坐標分別為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)，其中單位為mm。

圖2給出了波束寬度為48°～56°情況下的幅相分布，其中a組中的單元激勵幅度最大且一致(設a組中的單元激勵幅度為0db)，b組的單元激勵幅度為-16.5db，c組的單元激勵幅度為-11.5db。陣列中a組和b組單元的激勵相位相同，而c組中的激勵相位與陣列中的其它單元相差180°。

圖3給出了矩形波束賦形天線陣列的三維方向圖及梯度圖；圖4為矩形波束賦形天線2.3ghz和2.7ghz的二維方向圖及2.5ghz的各個切面方向圖。從以上結果可以看出，該矩形波束賦形天線不僅具有陣元數少、半功率角外波瓣跌落快、旁瓣和背瓣電平低的優點，而且具有較好的矩形波束賦形效果。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。

盡管為說明目的公開了本發明的最佳實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于最佳實施例和附圖所公開的內容。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。

技術特征：

技術總結
本發明提供一種半功率角外波瓣快速跌落的矩形波束賦形天線，包括三組子陣列，三組子陣列的排布方式為：以N×N子陣列A組為中心，在A組子陣列的上、下、左、右分別增加N個陣元構成B組子陣列，再在B組子陣列的上、下、左、右分別外擴不多于N個陣元構成C組子陣列，其中N≥1；同一組子陣列中陣元的激勵幅度相同，且A組子陣列中陣元的激勵幅度最大；A組和B組子陣列中陣元的相位相同，C組子陣列中陣元的相位與其它組陣元相差180°。該賦形天線采用了較少的陣元數量，實現了矩形波束半功率角外波瓣快速跌落。

技術研發人員：徐明明;國愛燕;韓運忠;高文軍;張濤;馬炳;藺祥宇;呂爭
受保護的技術使用者：北京空間飛行器總體設計部
技術研發日：2017.05.09
技術公布日：2017.10.03