基于反射超表面和部分反射表面的电调下倾基站天线制造技术

本发明专利技术提出了一种基于反射超表面和部分反射表面的电调下倾基站天线，主要解决现有技术结构复杂、设计成本高和损耗大的问题。其包括双极化天线阵列，矩形介质基板，金属地板，反射超表面阵列和反射覆层，该双极化天线阵列固定在反射超表面阵列上，它包括T型介质基板，T型金属片和集成可调巴伦，T型金属片和可调巴伦分别紧贴在介质基板的两面，反射覆层置于双极化天线阵列上方；反射超表面阵列包括谐振环和金属微带枝节，谐振环与矩形介质基板的上表面紧贴，金属微带枝节由谐振环中心延伸至内侧边中间，其上加载变容二极管；金属微带枝节与金属地板通过金属过孔连接。本发明专利技术结构简单，设计成本低，损耗小，可应用于基站通信系统中。

Base station antenna based on reflected hypersurface and partially reflected surface

The invention provides a base station antenna of electric modulation dip based on the reflection super surface and part of the reflection surface, which mainly solves the problems of complex structure, high design cost and large loss of the prior art. The dual polarization antenna array comprises a dual polarization antenna array, a rectangular dielectric substrate, a metal floor, a reflective hypersurface array and a reflective coating. The dual polarization antenna array is fixed on the reflective hypersurface array. The dual polarization antenna array comprises a T-shaped dielectric substrate, a T-shaped metal sheet and an integrated adjustable balun. The T-shaped metal sheet and the adjustable balun are respectively close to both sides of the dielectric substrate, and the reflective coating is arranged above the dual polarization antenna array; The reflection hypersurface array includes a resonant ring and a metal microstrip branch. The resonant ring is close to the upper surface of the rectangular dielectric substrate. The metal microstrip branch extends from the center of the resonant ring to the middle of the inner side, on which a varactor diode is loaded. The metal microstrip branch and the metal floor are connected through a metal via hole. The invention has the advantages of simple structure, low design cost and small loss, and can be applied to the base station communication system.

【技术实现步骤摘要】
基于反射超表面和部分反射表面的电调下倾基站天线
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种电调下倾基站天线，可应用于基站通信系统中。
技术介绍
随着无线通信技术的不断发展，5G通信技术应运而生，为了加快5G技术的普及，新型基站天线的建设需求也与日俱增，传统的基站天线下倾多为机械下倾和移相器电调下倾，机械下倾需要人工调节矫正，耗时耗力且对塔工辐射伤害大，而现有研究中的移相器电调下倾技术。例如授权公告号为CN209045968U，名称为”一种电调基站天线”的中国专利，公开了一种双极化阵子天线，该天线是通过移相器网络对阵列单元加以特定相位以实现波束偏转，从而实现电调基站天线下倾。又如授权公告号为CN109713406A，名称为一种移相单元，移相器及基站天线的中国专利，公开了一种用于基站天线移相网络的新型移相单元，其包括滑动介质和多段带线，通过滑动介质改变所述带线的覆盖状态，从而实现相位的覆盖，满足基站天线端口相位补偿，实现电调基站天线下倾。上述现有研究虽然都实现了基站天线的电调下倾，但是利用在天线馈电网络中耦合串馈移相器网络，使得阵列的馈电网络相对复杂，馈电端口幅相误差对波束影响较大，馈电网络过长的走线和移相单元之间的端口失配使得整体的插入损耗大，移相网络设计成本高，且不具备FP谐振腔提升增益的特性，影响基站天线的有效覆盖范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术上存在的不足，提出一种基于反射超表面和部分反射表面的电调下倾基站天线，以减小插入损耗和设计成本，简化天线结构,使其具备FP谐振腔提升增益的特性，增加基站天线的有效覆盖范围。为实现上述目的，本专利技术基于反射超表面和部分反射表面的电调下倾基站天线，包括双极化天线阵列，矩形介质基板和金属地板，双极化天线阵列固定在矩形介质基板上，金属地板的尺寸与矩形介质基板相同，且紧贴在矩形介质基板的下表面，其特征在于：双极化天线阵列的两侧设有单极化反射超表面阵列，矩形介质基板的上方固定有反射覆层，该反射覆层与单极化反射超表面阵列构成FP谐振腔，以对双极化天线阵列的前向辐射波束进行反射，使前向辐射波束受单极化反射超表面阵列的调控，实现波束偏转。进一步，所述双极化天线阵列垂直于反射覆层和反射超表面阵列，其位置介于两者之间，且双极化天线阵列等效的相位中心在反射超表面阵列的中心轴线上，作为馈源；所述双极化天线阵列的每一个单元包括垂直交叉的T型介质板，T型微带和可调集成巴伦，且T型微带与T型介质板的背面紧贴，可调集成巴伦与T型介质板的正面紧贴。进一步，所述单极化反射超表面阵列的每个单元包括周期性排列的谐振环、变容二极管结构和金属过孔，该谐振环中心引出与谐振环内侧边缘相连接的微带枝节，该变容二极管结构嵌在微带枝节的中间，金属过孔位于谐振环与金属地板之间，用于对这两者进行连接。进一步，所述反射覆层与金属底板的高度差H由反射覆层的反射相位决定，其计算公式为：其中，c为自由空间电磁波传播速度，为反射覆层的反射相位，为金属底板的反射相位，默认为180°，f为中心工作频率。进一步，所述谐振环采用矩形金属环结构，调节变容二极管的值cx可以改变其反射相位φ，其计算公式为：φ＝k0·Δl＝k0(rf+Δdi)+2nπ其中，k0为自由空间波数，Δl为电磁波传播路径差，rf为双极化天线阵列相位中心到谐振环相位中心的距离，Δdi为谐振环反射电磁波传播路径差。其计算公式为：其中，和为双极化天线阵列相位中心的坐标，xi、yi和zi为第i个谐振环的相位中心分别在x、y和z方向上与坐标原点的距离，θ0为波束偏转角度，为方位角本技术专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1、本专利技术通过设计一种新的反射超表面阵列，实现对双极化天线阵列进行相位补偿，与现有技术相比，在实现天线电子下倾的前提下，制作成本降低，结构简单，插入损耗低，控制精度精确，提升了电调基站天线的实用性。2、本专利技术通过改变矩形金属谐振环上的变容二极管的值来调节补偿相位，与现有馈电网络加载移相器技术相比，降低了插入损耗，提升电调基站天线的发射效率。3、本专利技术通过结合反射超表面阵列与反射覆层构成FP谐振腔，将双极化天线阵列前向辐射波束反射，一是满足了反射超表面阵列对双极化天线阵列前向波束的调控，二是具备FP谐振腔提升天线增益的特性，三是具备天线罩保护天线的作用。4、本专利技术通过在天线阵列上方加载高反射系数介质基板作为部分反射表面，在底层介质板上加载单极化反射超表面结构，并改变反射单元上加载的集总元件状态来实现对天线发射电磁波和部分反射表面反射电磁波特定的相位补偿，从而控制波束偏转，在实现双极化基站天线的电子下倾的前提下，还具有结构简单，设计成本低，插入损耗低的优点。附图说明图1是本专利技术实施例的整体结构示意图；图2是本专利技术实施例的双极化天线阵列单元结构示意图；图3是本专利技术实施例的反射超表面阵列结构示意图；图4是本实施例除去反射超表面阵列和反射覆层后的天线阵列的S11仿真图；图5是本专利技术实施例的S11仿真图；图6是本实施例除去反射超表面阵列和反射覆层后的天线阵列的增益仿真图；图7是本专利技术实施例的增益仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施例和效果对作进一步的详细描述。参照图1，本专利技术基于反射超表面和部分反射表面的电调下倾基站天线，包括双极化天线阵列1，矩形介质基板2，金属地板3，反射超表面阵列4和部分反射覆层5。所述双极化天线阵列1作为馈源固定在矩形介质基板2上，金属地板3与矩形介质基板2的背面紧贴，两者尺寸相同，反射超表面阵列2的单元分居双极化天线阵列1的两侧，双极化天线阵列1与反射超表面阵列4均沿x方向排列，相邻双极化天线阵列1与反射超表面阵列2的单元间距均为d，45mm＜d≤55mm。反射覆层5位于双极化天线阵列1的上方，其采用介电常数为10.2，损耗正切为0.0023的Rogers6010介质板，反射覆层5的长为330mm,宽为130mm,厚度为2mm，其与金属底板3构成FP谐振腔，以对双极化天线阵列1的前向辐射波束进行反射，使前向波束受单极化反射超表面阵列3的调控，实现波束偏转，该谐振腔高度为H，其计算公式为：其中，c为自由空间电磁波传播速度，为反射覆层的反射相位，为金属底板的反射相位，默认为180°，f为中心工作频率，矩形介质基板2采用介电常数为2.65，损耗正切为0.005的F4B介质板，其长为330mm,宽为110mm，厚度为2mm。参照图2，所述双极化天线阵列1的每一个单元包括垂直交叉的T型介质板11，T型微带12和可调集成巴伦13，且T型微带12与T型介质板11的背面紧贴，可调集成巴伦13与T型介质板11的正面紧贴，T型介质板11采用介电常数为4.4，损耗正切为0.02的FR4材质。参照图3，反射超表面阵列4由12个单元构成，每个单元包括谐振环41、变容二极管42、金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于反射超表面和部分反射表面的电调下倾基站天线，包括双极化天线阵列(1)，矩形介质基板(2)和金属地板(3)，双极化天线阵列(1)固定在矩形介质基板(2)上，金属地板(3)的尺寸与矩形介质基板(2)相同，且紧贴在矩形介质基板(2)的下表面，其特征在于：/n双极化天线阵列(1)的两侧设有单极化反射超表面阵列(4)，矩形介质基板(2)的上方固定有反射覆层(5)，该反射覆层(5)与单极化反射超表面阵列(4)构成FP谐振腔，以对双极化天线阵列(1)的前向辐射波束进行反射，使前向辐射波束受单极化反射超表面阵列(3)的调控，实现波束偏转。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于反射超表面和部分反射表面的电调下倾基站天线，包括双极化天线阵列(1)，矩形介质基板(2)和金属地板(3)，双极化天线阵列(1)固定在矩形介质基板(2)上，金属地板(3)的尺寸与矩形介质基板(2)相同，且紧贴在矩形介质基板(2)的下表面，其特征在于：
双极化天线阵列(1)的两侧设有单极化反射超表面阵列(4)，矩形介质基板(2)的上方固定有反射覆层(5)，该反射覆层(5)与单极化反射超表面阵列(4)构成FP谐振腔，以对双极化天线阵列(1)的前向辐射波束进行反射，使前向辐射波束受单极化反射超表面阵列(3)的调控，实现波束偏转。


2.根据权利要求书1所述的基站天线，其特征在于：
所述双极化天线阵列(1)垂直于反射覆层(4)和反射超表面阵列(6)，其位置介于两者之间，且双极化天线阵列(1)等效的相位中心在反射超表面阵列(4)的中心轴线上，作为馈源。
所述双极化天线阵列(1)的每一个单元包括垂直交叉的T型介质板(11)，T型微带(12)和可调集成巴伦(13)，且T型微带(12)与T型介质板(11)的背面紧贴，可调集成巴伦(13)与T型介质板(11)的正面紧贴。


3.根据权利要求书2所述的基站天线，其特征在于：T型介质板(11)采用介电常数为4.4，损耗正切为0.02的FR4材质。


4.根据权利要求书1所述的基站天线，其特征在于，单极化反射超表面阵列(4)的每个单元包括周期性排列的谐振环(41)、变容二极管结构(42)和金属过孔(43)，该谐振环(41)中心引出与谐振环内侧边缘相连接的微带枝节(44)，该变容二极管结构(42)嵌在微带枝节(44)的中间，金属过孔(43)位于谐振环(41)与金属地板(3)之间，用于对这两者进行连接。


5.根据权利要求书1所述的基站天线，其特征在于：所述反射覆层(5)与金属底板(3)的高度差H由反射覆层(5)的反射相位决定，其计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，李志龙，韩家奇，刘海霞，高晓贺，穆亚洁，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61