一种适用于高层建筑物的波束赋形天线阵设计

2022-08-10崔洁

科技资讯 2022年16期

崔洁

(江苏建筑职业技术学院交通工程学院江苏徐州 221116)

随着我国城镇化进入快速发展期，越来越多的高层建筑出现在城镇中。如此密集的建筑区域，势必会导致高层建筑间信号覆盖不佳问题的出现[1-3]。据统计，层数在30层以上、高度在120 m上的高层建筑已经耸立在各大、中、小城市中，并且高层建筑年增长率还在不断增加，高度和层次不断突破新高，城市不断向复杂立体空域扩张。因此，一栋高层建筑里的用户数量急剧增加，单位面积内的通信用户数量将出现井喷式的增长。在建筑物的集中区域、边角区域，经常会出现各种网络信号问题，例如：信号强度减弱，信号覆盖不均、存在盲区，信号质量不稳定导致的通话或数据传输断断续续等[4-6]。由此可以得出，目前所使用的平面网络覆盖，将不能满足城镇化立体空间的扩张式发展。因此，为了满足目前以及未来城镇化立体空间的扩张式发展，研究高层建筑密集区域信号的立体覆盖，以满足高层建筑内通信用户的数据需求是非常有必要的。

波束成形技术是通过改变天线阵列中各个阵元的激励系数来调整所需的方向图形状，这在改善覆盖区域、提升蜂窝边缘吞吐量以及控制干扰等方面都有很大的优势[7-10]。传统的波束成形技术普遍仅是进行水平维度内的波束赋形，而不能在竖直维度内对信号进行控制，无法满足信号的立体覆盖。所以，为了实现楼宇集中区域信号的立体覆盖，需要引入竖直维度内的波束赋形技术。

1 天线设计

1.1 单一的圆形贴片天线

单一的圆形贴片天线示意图具体如图1所示。

图1 单一的圆形贴片天线结构示意图

该圆形贴片天线包括矩形地面、馈电探针、介质衬底以及贴片；其中，贴片又包含一个圆形辐射贴片和馈电贴片，电磁能量由馈电贴片通过电容耦合的方式来给圆形辐射贴片供能，电容耦合的供电方式可以减少辐射贴片与同轴馈电之间的不匹配。介质衬底使用低损耗角的相对介电常数为3的RO3003材料，其高度定为h1=1.56 mm。在介质衬底和矩形地面之间有空气层，该空气层高度定为h2=6 mm。增加的空气层可以提高圆形贴片天线的增益和阻抗带宽。由HFSS 软件进行仿真优化，就可以得到最优的尺寸：其中，矩形地面的长l=50 mm，宽w=50 mm，圆形辐射贴片直径r=16 mm，馈电贴片的宽k=3.5 mm，圆形辐射贴片和馈电贴片间的距离d=2 mm。

其中，图1中的图（a）为单一的圆形贴片天线平面图，图（b）为单一的圆形贴片天线立面图。

1.2 单一的圆形贴片天线的仿真研究

圆形辐射贴片和馈电贴片间的距离d是影响馈电效果的重要因素。d过大，则会出现欠耦合状态，d过小，则会出现过耦合状态。因此，为了实现匹配，d有“最佳”尺寸。图2为HFSS仿真的d的变化时的S11曲线。根据图2 可知，d=2 mm 时，有“最佳”匹配。其中，-10 dB 阻抗带宽为4.9～7.15 GHz，完全可以覆盖5.15～5.85 GHz ISM 频段，而且单一的圆形贴片天线在5.5 GHz 频率下的最大增益为7 dBi。在下一节中，我们将把多个单一的圆形贴片集成到一个具有多个馈电端口的阵列中，以形成一个波束赋形天线。

图2 单一的圆形贴片天线S11曲线图

2 波束成形天线阵列的设计与仿真

2.1 波束成形天线阵列

将4 个单一的圆形贴片天线组成1×4 天线阵列，其水平和垂直尺寸如图3 所示，天线元素间水平距离为23 mm。由于天线元素间水平距离较大，约为1/2λ，因此天线间耦合较小。

图3 1×4天线阵列平面图

2.2 波束成形阵列的仿真结果

如图4 所示，仿真的回波损耗小于-10 dB 的阻抗带宽为4.87～6.87 GHz。天线间耦合在-10 dB 的阻抗带宽内均小于-10 dB，天线间互耦较弱。

图4 1×4天线阵列S11曲线图

为了模拟HFSS中天线阵列的波束转向能力，对进入端口1 到端口4 的信号给以不同的相移，具体见图5。（1）端口1到端口4的相移均为0°，此时的远场辐射3D图如图5（a）所示，此时波束指向0°方向。（2）端口1到端口4 的相移分别为0°、60°、120°、180°，此时的远场辐射3D 图如图5（b）所示，此时波束指向+22°方向。（3）端口1 到端口4 的相移分别为180°、120°、60°、0°，此时的远场辐射3D 图如图5（c）所示，此时波束指向-22°方向。（4）端口1到端口4的相移分别为0°、120°、-120°、0°，此时的远场辐射3D图如图5（d）所示，此时波束指向+45°方向。（5）端口1 到端口4 的相移分别为0°、-120°、120°、0°，此时的远场辐射3D图如图5（e）所示，此时波束指向-45°方向。（6）端口1到端口4的相移分别为0°、150°、-60°、90°，此时的远场辐射3D图如图5（f）所示，此时波束指向+55°方向。（7）端口1到端口4的相移分别为90°、-60°、150°、0°，此时的远场辐射3D图如图5（g）所示，此时波束指向-55°方向。