CN106252901A - 宽频三波束阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽频三波束阵列天线，其包括一金属反射板；一辐射单元阵列，其包含M个子阵列，每一个子阵列包含N个沿水平方向排列的辐射单元，至少一个子阵列在水平方向偏移；多个相位补偿电路，对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿；多个波束形成网络，其包含2个3×3巴特勒矩阵电路，和2个功率分配网络；3×3巴特勒矩阵电路，包含形成第一波束的第一输入端口，形成第二波束的第二输入端口，和形成第三波束的第三输入端口，采用不同行的辐射单元在水平方向按照一定规律偏移的方案，并在馈电网络里对偏移的辐射单元添加一定的相位补偿来抑制栅瓣。

Description

宽频三波束阵列天线
【技术领域】
本发明涉及一种宽频三波束阵列天线，尤指一种提高网络速率和容量的宽频三波束阵列天线。
【背景技术】
***移动通信技术4G/LTE规模商用后，移动通信网络中的数据流量激增，用户密集区域移动通信***带宽容量面临巨大压力。大型广场、交通枢纽、体育中心、演艺场馆、旅游景点、高校学生宿舍等区域用户密集，高峰时期可积聚几万乃至超过十万人口，数据流量和语音通话都需要***具备极高的容量。为了增加通信网络容量，传统增加载波的方式提升有限，另外一种缩小基站天线覆盖区域从而增加基站数量的方法，面临站址选择和物业协调的难题，成本高昂，容量提高有限。
针对单个小区容量有限的问题，使用多波束天线，常规单个扇区的覆盖区域可细分为多个扇区，无线信道容量成倍增加。专利号为US20110205119A1的美国专利提出了混合使用2×3和2×4的巴特勒矩阵电路形成的双波束天线，具有20dB的方位角旁瓣抑制性能。但是该技术工作带宽只有25％(1710-2200MHz)，不能同时兼容4G LTE的2300和2600MHz频段，而且对于用户特别密集的地方，两波束天线小区***的数目仍然不够多。专利号为CN102544763 A的发明专利提出了一种使用3×3巴特勒矩阵来产生三波束的方法，阵列排列如图1所示。均匀排布的辐射单元的每一列与垂直功分器相连，再与3×3的巴特勒矩阵输出口相连，每一个极化对应一个3×3的巴特勒矩阵。虽然波束增加为3个，但是工作频段只能覆盖1710-2170MHz。现有的三波束技术，如果频段拓宽至1700-2700MHz频段，在2700MHz频率会产生非常高的水平栅瓣。图2仿真计算的方向图显示，2700MHz频率处栅瓣高达-4dB，对相邻小区干扰非常大。
因此，有必要设计一种好的宽频三波束阵列天线，工作频带拓宽至1700-2700MHz，兼容4G、3G制式频段和部分2G制式的频段，且工作频带范围内方位角方向具有良好的旁瓣和栅瓣抑制性能，以克服上述问题。
【发明内容】
针对背景技术所面临的问题，本发明的目的在于提供一种通过设置相位补偿电路对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿，提高网络速率和容量的宽频三波束阵列天线。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种宽频三波束阵列天线，其包括一金属反射板；一辐射单元阵列，其包含M个子阵列，每一个子阵列包含N个沿水平方向排列的辐射单元，至少一个子阵列在水平方向偏移；多个相位补偿电路，对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿；多个波束形成网络，其包含2个3×3巴特勒矩阵电路，和2个功率分配网络；3×3巴特勒矩阵电路，包含形成第一波束的第一输入端口，形成第二波束的第二输入端口，和形成第三波束的第三输入端口。
进一步地，辐射单元为双极化天线单元。
进一步地，子阵列数目M为6个，子阵列中辐射单元数目N为6个。
进一步地，每一个子阵列的多个辐射单元沿一水平线排列，3个子阵列水平方向偏移。
进一步地，各子阵列辐射单元间距相等，各子阵列之间的垂直间距相等。
进一步地，3个子阵列在水平方向偏移的距离为辐射单元水平间距的一半。
进一步地，相位补偿电路包含2个独立传输线路，二者相位差为φ。
进一步地，3×3巴特勒矩阵电路具有输出端口，其连接一功率分配网络的输入端口，3×3巴特勒矩阵电路的输入端口为波束形成网络的第一输入端口、第二输入端口和第三输入端口，功率分配网络的输出端口为波束形成网络的输出端口。
进一步地，3×3巴特勒矩阵电路由三个混合器和至少一个相位偏移器组成。
进一步地，第一波束的方位角范围为20至55度，第二波束的方位角为0度，第三波束的方位角范围为-20至-55度。
进一步具有三个移相器，每一个方位角方向的波束对应一个移相器，每一个移相器包含两个倾角调节电路，用于调节对应波束两个极化俯仰面的下倾角度，移相器的输出端口通过相位补偿电路连接波束形成网络的第一输入端口和第三输入端口。
进一步地，一个子阵列对应一个波束形成网络，每一个子阵列的辐射单元连接对应的波束形成网络的输出端口。
进一步具有一功率分配网络，其包含多个3路功分器电路和2路功分器电路，3路功分器电路的输出端口连接不同行的位于同一水平位置的三个辐射单元。
进一步地，3路功分器电路的输入端口连接波束形成网络的输出端口。
进一步地，波束形成网络的第一输入端口和第三输入端口通过相位补偿电路连接2路功分器电路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
上述宽频三波束阵列天线，每一个子阵列包含N个沿水平方向排列的辐射单元，至少一个子阵列在水平方向偏移，多个相位补偿电路，对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿，这样采用不同行的辐射单元在水平方向按照一定规律偏移，并在馈电网络里对偏移的辐射单元添加一定的相位补偿，三波束天线在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰，在不增加天线站址和天面资源的条件下实现相邻小区的频率复用，提高网络容量。
【附图说明】
图1为现有技术产生三波束天线的辐射单元排列方案；
图2为现有技术拓宽到1700-2700MHz的三波束天线2700MHz方向图；
图3为本发明的宽频三波束天线的辐射单元排布方案；
图4为本发明实施例1第一排辐射单元与波束形成网络的连线图；
图5为本发明实施例1移相器输出端口的相位补偿的示意图；
图6为本发明实施例1仿真的三波束天线的合成方向图；
图7为本发明实施例2中辐射单元与3路功分器电路的连线图；
图8为本发明实施例2波束形成网络的连接图；
图9为本发明实施例2相位补偿的连线图。
【具体实施方式】
为便于更好的理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明中，宽频三波束阵列天线包括一金属反射板、一辐射单元阵列、多个相位补偿电路、多个波束形成网络以及功率分配网络，波束形成网络的三个波束主要由波束形成网络产生，每个波束形成网络包括2个3×3巴特勒矩阵电路和2个功率分配网络。其中，3×3巴特勒矩阵电路由三个混合器和至少一个相位偏移器组成，包含形成第一波束的第一输入端口，形成第二波束的第二输入端口，和形成第三波束的第三输入端口；第一波束的方位角范围20至55度，第二波束的方位角为0度，第三波束的方位角范围-20至-55度。波束形成网络中的功率分配网络的输入端口连接3×3巴特勒矩阵的输出端口，3×3巴特勒矩阵的输入端口为波束形成网络输入端口，功率分配网络的输出端口为波束形成网络的输出端口。
下面将结合附图和具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1：
本发明实施例提供的一种宽频段三波束天线，每一个波束的俯仰面倾角可独立调节，包括金属反射板，辐射单元阵列，多个波束形成网络，移相器，和相位补偿电路。
辐射单元阵列的相邻行在排布上采用水平方向偏移的方式，如图3所示。多个辐射单元101排成一行，辐射单元水平间距为HD，垂直间距为VD，相邻行水平错开的距离为HD1。优选地，每一行的辐射单元数目为6且水平间距相等，行数为6且相邻行的垂直间距相等；优选地，第二行辐射单元112，第四行辐射单元114，和第六行辐射单元116均相对于第一行111右偏移HD1；第三行辐射单元113与第五行辐射单元115相对于第一行111无偏移。优选地，辐射单元101为±45双极化的交叉偶极天线，贴片天线和缝隙天线。
优选地，每一行的辐射单元与波束形成网络的输出端口相连。第一行辐射单元111与波束形成网络121连接如图4所示。波束形成网络121中3×3巴特勒矩阵电路104和功率分配网络102，对应+45极化信号；3×3巴特勒矩阵电路105和功率分配网络103，对应-45极化信号。104和105的输出端口分别连接功率分配网络102和103的输入端口，功率分配网络102和103由多个2路功分器组成，每一个功分器的输出端口与第一行的辐射单元连接。巴特勒矩阵电路104输入端口41、42和43分别是+45极化第一、第二和第三输入端口。巴特勒矩阵电路105输入端口51、52和53分别是-45极化第一、第二和第三输入端口。其它行的辐射单元与波束形成网络的连接类似。
优选地，多个波束形成网络的输入端口，通过相位补偿电路与移相器的输出端口相连。如图5所示，方位角指向为正的+45极化第一波束信号81经过移相器108分成6个输出端口，分别连接相位补偿电路106，相位补偿电路106连接多个波束形成网络(121、122、123、124、125、126)第一输入端口。同样的，-45极化第一波束信号91经过移相器109分成6个输出端口，分别连接相位补偿电路107，相位补偿电路107连接上述多个波束形成网络第一输入端口。所述相位补偿电路对偏移的辐射单元，进行相位偏移量为φ的补偿，相位补偿电路包含2个独立传输线路，二者相位差为φ。
类似地，方位角指向为负的第三波束+45和-45极化信号通路中，移相器通过相位补偿电路，连接多个波束形成网络第三输入端口。方位角指向为0的第二波束+45和-45极化信号通路中，移相器连接多个波束形成网络第二输入端口，中间无相位补偿电路。所述移相器用于调节每一个波束俯仰面的倾角,其输出端口数目跟阵列行数M相等。优选地，相邻行水平偏移距离HD1为辐射单元水平距离的一半，即HD1＝HD/2，相位补偿电路的相位差φ＝60度。
与现有的三波束技术相比，本发明通过对阵列单元交错排列，并添加相位补偿电路来实现技术优势。对于双极化三波束天线，每一行辐射单元对应一个波束形成网络；每一个波束对应一个移相器，每一个移相器网络包含两个极化的倾角调节电路。本发明技术不仅可以实现不同波束下倾角独立调节，而且通过阵列单元交错排列和相位补偿技术，得到良好的方位角旁瓣栅瓣抑制性能。
图6显示的是使用6行6列的阵列布局，仿真模拟的三波束方位角合成方向图，仿真模型里辐射单元使用交叉偶极天线,下倾角为0度。图6-a仿真结果显示，在1700MHz旁瓣以及栅瓣抑制优于21dB；图6-b显示在2700MHz旁瓣和栅瓣抑制优于22dB。波束交叉电平为10dB，10dB波束宽度范围76-126度。
本实施例的天线可以使用在传统的蜂窝网络中，替代三扇区天线和六扇区天线，形成九扇区的小区划分。相对于传统的三扇区和六扇区天线，可以进一步通过小区***增加容量，同时由于在超宽频(带宽45％)范围内具有较低的方位角旁瓣，小区的邻区干扰小，网络速率高。传统的9扇区划分需要9个窄波束天线，每一个天线都非常庞大，同时安装在天线塔上非常困难，本实施例实现9个扇区只需3个天线，可以方便的配置在天线塔上。
实施例2：
本发明实施例为下倾角固定的覆盖超宽频段1700-2700MHz的双极化三波束天线。与实施例1相比，辐射单元的排列是一致的，波束形成网络数量由6个减少为2个，移相器简化为多个3路功分器电路。所述3路功分器电路位于辐射单元和波束形成网络之间，用以控制俯仰面的波束倾角和波束宽度。
优选地，阵列中每一列的三个相同水平位置的辐射单元与3路功分器电路相连。图3中辐射单元的+45度极化连接如图7所示。第一列辐射单元连接如下，辐射单元d11、d31和d51连接3路功分器电路201输出端口，辐射单元d21、d41和d61连接另外一个3路功分器电路202输出端口，其他列的连接类似。
优选地，3路功分器电路的输入端口与波束形成网络的输出端口相连，如图8所示。连接第1、3、5行辐射单元的3路功分器电路的输入端口A21至A26连接波束形成网络中功率分配网络301的输出端口；连接第2、4、6行辐射单元的3路功分器电路的输入端口B21至B26连接另一个功率分配网络302的输出端口。两个3×3巴特勒矩阵电路401和402作为波束形成网络的输入端口，其输出端口连接功率分配网络301和302的输入端口。
如图9所示，波束形成网络对应+45极化第二输入端口412和422连接2路功分器电路602；第一输入端口411和421经过相位补偿电路501连接到2路功分器电路601；第三输入端口413和423经过相位补偿电路502连接到2路功分器电路603。所述相位补偿电路对偏移的辐射单元，进行相位偏移量为φ的补偿。图7-9显示的是+45极化连接，-45极化的连接类似。
该实施例的三波束天线下倾角固定，适合用户较为密集而且相对固定的场景，比如中型的体育场馆，演艺中心和广场。通过对场馆等应用场景进行精细的小区划分，使用多副的固定倾角三波束天线，可以实现通信容量的提升。
需要强调的是，以上2个实施例中，天线阵列中，位于水平方向相邻两个辐射单元之间的间距是固定的，即辐射单元是等间距排列的。然而，在实际工程应用中，振子单元也可以是不等间距排列的。同样的，垂直方向上的两个振子也可以是不等间距排列的。在实施例中，第2、4、6行相对于第1、3、5行右偏移，在实际应用中，也可以是左偏移的。这种振子排列交错变化的情形，也可以实现超宽频范围内具有低旁瓣的多波束方向图，由于不脱离本发明的构思，也在本发明的保护范围之内。
上述宽频三波束阵列天线，每一个子阵列包含N个沿水平方向排列的辐射单元，多个子阵列在水平方向偏移，多个相位补偿电路，对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿，这样采用不同行的辐射单元在水平方向按照一定规律偏移，并在馈电网络里对偏移的辐射单元添加一定的相位补偿，三波束天线在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰，在不增加天线站址和天面资源的条件下实现相邻小区的频率复用，提高网络容量。
以上详细说明仅为本发明之较佳实施例的说明，非因此局限本发明的专利范围，所以，凡运用本创作说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的专利范围内。

Claims (15)

1.一种宽频三波束阵列天线，其特征在于，包括：
一金属反射板；
一辐射单元阵列，其包含M个子阵列，每一个子阵列包含N个沿水平方向排列的辐射单元，至少一个子阵列在水平方向偏移；
多个相位补偿电路，对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿；
多个波束形成网络，其包含2个3×3巴特勒矩阵电路，和2个功率分配网络；3×3巴特勒矩阵电路，包含形成第一波束的第一输入端口，形成第二波束的第二输入端口，和形成第三波束的第三输入端口。
2.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：辐射单元为双极化天线单元。
3.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：子阵列数目M为6个，子阵列中辐射单元数目N为6个。
4.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：每一个子阵列的多个辐射单元沿一水平线排列，3个子阵列在水平方向偏移。
5.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：各子阵列辐射单元间距相等，各子阵列之间的垂直间距相等。
6.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：3个子阵列在水平方向偏移的距离为辐射单元水平间距的一半。
7.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：相位补偿电路包含2个独立传输线路，二者相位差为φ。
8.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：3×3巴特勒矩阵电路具有输出端口，其连接一功率分配网络的输入端口，3×3巴特勒矩阵电路的输入端口为波束形成网络的第一输入端口、第二输入端口和第三输入端口，功率分配网络的输出端口为波束形成网络的输出端口。
9.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：3×3巴特勒矩阵电路由三个混合器和至少一个相位偏移器组成。
10.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：第一波束的方位角范围为20至55度，第二波束的方位角为0度，第三波束的方位角范围为-20至-55度。
11.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：进一步具有三个移相器，每一个方位角方向的波束对应一个移相器，每一个移相器包含两个倾角调节电路，用于调节对应波束两个极化俯仰面的下倾角度，移相器的输出端口通过相位补偿电路连接波束形成网络的第一输入端口和第三输入端口。
12.如权利要求11的宽频三波束阵列天线，其特征在于：一个子阵列对应一个波束形成网络，每一个子阵列的辐射单元连接对应的波束形成网络的输出端口。
13.如权利要求1的宽频三波束阵列天线，其特征在于：进一步具有一功率分配网络，其包含多个3路功分器电路和2路功分器电路，3路功分器电路的输出端口连接不同行的位于同一水平位置的三个辐射单元。
14.如权利要求13的宽频三波束阵列天线，其特征在于：3路功分器电路的输入端口连接波束形成网络的输出端口。
15.如权利要求14的宽频三波束阵列天线，其特征在于：波束形成网络的第一输入端口和第三输入端口通过相位补偿电路连接2路功分器电路。
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