应用于Sub10 GHz的5G通信阵列天线

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随着Sub10 GHz频段在世界无线通信大会被提上议题,对于该频段基站天线的研究迫在眉睫。随着通信能力的日益提高,未来基站天线的小型化、低耦合和大范围覆盖是需要重点研究的对象。本文对具有大范围波束覆盖的阵列天线进行了以下的研究:1、应用于Sub10 GHz频段通信阵列天线单元及线阵的研究。首先设计了一款宽带宽波束±45°双线极化偶极子天线单元。通过选用椭圆形贴片和较大地平面实现了宽波束;通过对贴片进行挖孔等改进实现了阻抗带宽的展宽。由实测结果可知,在5.6-7.6 GHz频段内反射系数均低于-15 d B;频带范围内隔离度均高于28 d B,平均增益约为6.46 d Bi,3 d B波束宽度约为127.2°,交叉极化比为21.6 d B。其次设计了一款宽波束±45°双线极化微带天线单元。通过加载金属柱和扇形寄生贴片实现了波束的展宽;通过加载上层寄生贴片实现了阻抗带宽的展宽。由仿真结果可知,在6.36-7.03 GHz频段内反射系数均低于-10 d B;带内平均增益为5.3d Bi,H面方向图波束宽度为122.7°,交叉极化比为27.1 d B,E面方向图波束宽度为130.9°,交叉极化比为20.4 d B。将偶极子天线单元组成1×16的均匀直线阵,选取阵元间距为0.53λ0。仿真结果表明,阵列内各单元的波束宽度均大于130°;主波束增益下降小于3 d Bi时,阵列波束能够扫描到±55°的最大角度;主波束增益下降小于5 d Bi时,阵列波束能够扫描到±60°的最大角度;且旁瓣电平均低于9.2 d B,交叉极化比均达到15 d B以上。2、面阵的降耦合及宽角扫描研究。天线阵列阵元之间的相互耦合会导致天线增益、旁瓣和大扫描角度下的效率下降,因此,研究如何降低阵列的相互耦合对实现宽角扫描具有重要意义。首先对不同布阵方式(均匀分布、对称旋转分布以及对称旋转错位分布)进行研究,其中,对称旋转分布使得隔离度提高了2 d B,对称旋转错位分布使得隔离度提高了4 d B;然后采用地板开缝、加载寄生结构对阵列结构进行改进,仿真结果表明地板开缝使得隔离度提高了4 d B,加载寄生结构使得隔离度提高了6 d B。对偶极子天线阵列进行研究可知,随着阵元数增加,主波束增益下降3 d Bi时阵列最大扫描角度增大,但同时阵元间耦合与极化隔离变差。对微带天线单元组成面阵进行宽角扫描研究,由于阵元间具有金属柱,使得阵元间耦合与极化隔离都有所改善,在扫描角度达到60°时,交叉极化比仍然在15 d B以上。3、立体阵大范围覆盖的研究。首先对头脑风暴算法及其改进进行了分析。接下来研究了由面阵组成的三棱台体阵列,实现方位面达到360°覆盖辐射,俯仰面达到±120°覆盖辐射。然后采用改进的头脑风暴算法对立体阵列进行波束形成,分别对方位面、俯仰面以及对角线方向进行了波束形成研究。由仿真结果表明,每个面阵在方位面和俯仰面都可以实现±60°的波束覆盖,最大扫描时增益在12 d Bi以上;方位面最大扫描时旁瓣电平仍低于-9 d B,俯仰面最大扫描时旁瓣电平低于-6 d B,零陷均达到20 d B以上,交叉极化比均高于14 d B。
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