一種適用于高層建筑物的波束賦形天線陣設(shè)計

崔潔

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院 江蘇徐州 221116)

隨著我國城鎮(zhèn)化進入快速發(fā)展期，越來越多的高層建筑出現(xiàn)在城鎮(zhèn)中。如此密集的建筑區(qū)域，勢必會導(dǎo)致高層建筑間信號覆蓋不佳問題的出現(xiàn)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，層數(shù)在30層以上、高度在120 m上的高層建筑已經(jīng)聳立在各大、中、小城市中，并且高層建筑年增長率還在不斷增加，高度和層次不斷突破新高，城市不斷向復(fù)雜立體空域擴張。因此，一棟高層建筑里的用戶數(shù)量急劇增加，單位面積內(nèi)的通信用戶數(shù)量將出現(xiàn)井噴式的增長。在建筑物的集中區(qū)域、邊角區(qū)域，經(jīng)常會出現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)信號問題，例如：信號強度減弱，信號覆蓋不均、存在盲區(qū)，信號質(zhì)量不穩(wěn)定導(dǎo)致的通話或數(shù)據(jù)傳輸斷斷續(xù)續(xù)等[4-6]。由此可以得出，目前所使用的平面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將不能滿足城鎮(zhèn)化立體空間的擴張式發(fā)展。因此，為了滿足目前以及未來城鎮(zhèn)化立體空間的擴張式發(fā)展，研究高層建筑密集區(qū)域信號的立體覆蓋，以滿足高層建筑內(nèi)通信用戶的數(shù)據(jù)需求是非常有必要的。

波束成形技術(shù)是通過改變天線陣列中各個陣元的激勵系數(shù)來調(diào)整所需的方向圖形狀，這在改善覆蓋區(qū)域、提升蜂窩邊緣吞吐量以及控制干擾等方面都有很大的優(yōu)勢[7-10]。傳統(tǒng)的波束成形技術(shù)普遍僅是進行水平維度內(nèi)的波束賦形，而不能在豎直維度內(nèi)對信號進行控制，無法滿足信號的立體覆蓋。所以，為了實現(xiàn)樓宇集中區(qū)域信號的立體覆蓋，需要引入豎直維度內(nèi)的波束賦形技術(shù)。

1 天線設(shè)計

1.1 單一的圓形貼片天線

單一的圓形貼片天線示意圖具體如圖1所示。

圖1 單一的圓形貼片天線結(jié)構(gòu)示意圖

該圓形貼片天線包括矩形地面、饋電探針、介質(zhì)襯底以及貼片；其中，貼片又包含一個圓形輻射貼片和饋電貼片，電磁能量由饋電貼片通過電容耦合的方式來給圓形輻射貼片供能，電容耦合的供電方式可以減少輻射貼片與同軸饋電之間的不匹配。介質(zhì)襯底使用低損耗角的相對介電常數(shù)為3的RO3003材料，其高度定為h1=1.56 mm。在介質(zhì)襯底和矩形地面之間有空氣層，該空氣層高度定為h2=6 mm。增加的空氣層可以提高圓形貼片天線的增益和阻抗帶寬。由HFSS 軟件進行仿真優(yōu)化，就可以得到最優(yōu)的尺寸：其中，矩形地面的長l=50 mm，寬w=50 mm，圓形輻射貼片直徑r=16 mm，饋電貼片的寬k=3.5 mm，圓形輻射貼片和饋電貼片間的距離d=2 mm。

其中，圖1中的圖（a）為單一的圓形貼片天線平面圖，圖（b）為單一的圓形貼片天線立面圖。

1.2 單一的圓形貼片天線的仿真研究

圓形輻射貼片和饋電貼片間的距離d是影響?zhàn)侂娦Ч闹匾蛩?。d過大，則會出現(xiàn)欠耦合狀態(tài)，d過小，則會出現(xiàn)過耦合狀態(tài)。因此，為了實現(xiàn)匹配，d有“最佳”尺寸。圖2為HFSS仿真的d的變化時的S11曲線。根據(jù)圖2 可知，d=2 mm 時，有“最佳”匹配。其中，-10 dB 阻抗帶寬為4.9～7.15 GHz，完全可以覆蓋5.15～5.85 GHz ISM 頻段，而且單一的圓形貼片天線在5.5 GHz 頻率下的最大增益為7 dBi。在下一節(jié)中，我們將把多個單一的圓形貼片集成到一個具有多個饋電端口的陣列中，以形成一個波束賦形天線。

圖2 單一的圓形貼片天線S11曲線圖

2 波束成形天線陣列的設(shè)計與仿真

2.1 波束成形天線陣列

將4 個單一的圓形貼片天線組成1×4 天線陣列，其水平和垂直尺寸如圖3 所示，天線元素間水平距離為23 mm。由于天線元素間水平距離較大，約為1/2λ，因此天線間耦合較小。

圖3 1×4天線陣列平面圖

2.2 波束成形陣列的仿真結(jié)果

如圖4 所示，仿真的回波損耗小于-10 dB 的阻抗帶寬為4.87～6.87 GHz。天線間耦合在-10 dB 的阻抗帶寬內(nèi)均小于-10 dB，天線間互耦較弱。

圖4 1×4天線陣列S11曲線圖

為了模擬HFSS中天線陣列的波束轉(zhuǎn)向能力，對進入端口1 到端口4 的信號給以不同的相移，具體見圖5。（1）端口1到端口4的相移均為0°，此時的遠場輻射3D圖如圖5（a）所示，此時波束指向0°方向。（2）端口1到端口4 的相移分別為0°、60°、120°、180°，此時的遠場輻射3D 圖如圖5（b）所示，此時波束指向+22°方向。（3）端口1 到端口4 的相移分別為180°、120°、60°、0°，此時的遠場輻射3D 圖如圖5（c）所示，此時波束指向-22°方向。（4）端口1到端口4的相移分別為0°、120°、-120°、0°，此時的遠場輻射3D圖如圖5（d）所示，此時波束指向+45°方向。（5）端口1 到端口4 的相移分別為0°、-120°、120°、0°，此時的遠場輻射3D圖如圖5（e）所示，此時波束指向-45°方向。（6）端口1到端口4的相移分別為0°、150°、-60°、90°，此時的遠場輻射3D圖如圖5（f）所示，此時波束指向+55°方向。（7）端口1到端口4的相移分別為90°、-60°、150°、0°，此時的遠場輻射3D圖如圖5（g）所示，此時波束指向-55°方向。

圖5 HFSS仿真1～4天線陣列的波束轉(zhuǎn)向能力

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，在0°時的時候增益最大，最大增益為12.2 dBi。1×4 天線陣列的波束轉(zhuǎn)向范圍為±55°，增益變化為2 dBi，變化幅度較小。

3 結(jié)語

通過將多個單一的圓形貼片天線集成到一個具有4 個饋電端口的陣列中，創(chuàng)建了1×4 波束形賦形天線陣。該天線陣的-10 dB 的阻抗帶寬為4.87～6.87 GHz，波束轉(zhuǎn)向范圍為±55°，最大增益為12.2 dBi。以上設(shè)計表明，該1×4 波束形賦形天線陣適用于高層建筑物。