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(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)入快速發(fā)展期，越來(lái)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(shì)必會(huì)導(dǎo)致高層建筑間信號(hào)覆蓋不佳問(wèn)題的出現(xiàn)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(zhǎng)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(kuò)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(zhǎng)。在建筑物的集中區(qū)域、邊角區(qū)域，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)問(wèn)題，例如：信號(hào)強(qiáng)度減弱，信號(hào)覆蓋不均、存在盲區(qū)，信號(hào)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(kuò)張式發(fā)展。因此，為了滿足目前以及未來(lái)城鎮(zhèn)化立體空間的擴(kuò)張式發(fā)展，研究高層建筑密集區(qū)域信號(hào)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(guò)改變天線陣列中各個(gè)陣元的激勵(lì)系數(shù)來(lái)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(shì)[7-10]。傳統(tǒng)的波束成形技術(shù)普遍僅是進(jìn)行水平維度內(nèi)的波束賦形，而不能在豎直維度內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，無(wú)法滿足信號(hào)的立體覆蓋。所以，為了實(shí)現(xiàn)樓宇集中區(qū)域信號(hào)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(jì)

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(gè)圓形輻射貼片和饋電貼片，電磁能量由饋電貼片通過(guò)電容耦合的方式來(lái)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(duì)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(jìn)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(zhǎng)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(guò)大，則會(huì)出現(xiàn)欠耦合狀態(tài)，d過(guò)小，則會(huì)出現(xiàn)過(guò)耦合狀態(tài)。因此，為了實(shí)現(xiàn)匹配，d有“最佳”尺寸。圖2為HFSS仿真的d的變化時(shí)的S11曲線。根據(jù)圖2 可知，d=2 mm 時(shí)，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(gè)單一的圓形貼片集成到一個(gè)具有多個(gè)饋電端口的陣列中，以形成一個(gè)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(jì)與仿真

2.1 波束成形天線陣列

將4 個(gè)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(duì)進(jìn)入端口1 到端口4 的信號(hào)給以不同的相移，具體見(jiàn)圖5。（1）端口1到端口4的相移均為0°，此時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射3D圖如圖5（a）所示，此時(shí)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(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射3D 圖如圖5（b）所示，此時(shí)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(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射3D 圖如圖5（c）所示，此時(shí)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(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射3D圖如圖5（d）所示，此時(shí)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(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射3D圖如圖5（e）所示，此時(shí)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(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射3D圖如圖5（f）所示，此時(shí)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(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射3D圖如圖5（g）所示，此時(shí)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(shí)的時(shí)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(yǔ)

通過(guò)將多個(gè)單一的圓形貼片天線集成到一個(gè)具有4 個(gè)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(jì)表明，該1×4 波束形賦形天線陣適用于高層建筑物。