CN106664573B - 一种波束成形网络及基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种波束成形网络，包括：第一等功分180度电桥，不等功分180度电桥，90度移相器，第二等功分180度电桥；其中，所述第一等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口与所述不等功分180度电桥的差输入端口相连接，所述第一等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述90度移相器的输入端口相连接，所述90度移相器的输出端口与所述第二等功分180度电桥的差输入端口相连接，所述不等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述第二等功分180度电桥的和输入端口相连接；所述不等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口和所述第二等功分180度电桥的两个输出端口用于对天线阵馈电。该波束成形网络结构简单，易于加工。

Description

一种波束成形网络及基站天线
技术领域
本发明实施例涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种波束成形网络及基站天线。
背景技术
随着移动通信业务量的急剧增加，移动通信网络运营商及用户对网络覆盖和通信数据量的要求越来越高。作为网络关键组成部分的基站天线出现了很多种类，对应的新技术也随之出现，多波束天线就是其中一种。
传统单波束天线对应的覆盖区域只有一个宽波束区域，区域内所有的用户设备通过同一个波束接入网络，网络容量有限。多波束天线可以同时形成多个不同指向且相互正交的波束，不同波束可以覆盖不同的区域，显著提高了网络容量。多波束天线通常由波束成形网络(Beam Forming Network，BFN)和天线阵两部分组成。波束成形网络是一个馈电网络矩阵，具有多个输入端口和多个输出端口，每个输入端口称为一个波束口，波束成形网络通过数字或模拟方式使输入端口的信号跟输出端口的信号具有多个映射的幅度相位关系。以具有N个输出端口的波束成形网络为例，即当任一输入端口接收来自基站收发信机的信号时，在N个输出端口映射为一定幅度和相位的N个信号(例如N个信号幅度相同，相位呈线性关系)，N个输出端口对天线阵馈电形成一个波束。
具有代表性的波束成形网络是巴特勒矩阵，但巴特勒矩阵结构复杂，加工难度大。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种波束成形网络及基站天线，结构简单，易于加工。
第一方面，提供了一种波束成形网络，包括：第一等功分180度电桥，不等功分180度电桥，90度移相器，第二等功分180度电桥；所述第一等功分180度电桥、所述不等功分180度电桥和所述第二等功分180度电桥分别具有和输入端口、差输入端口、和输入端口的直通端口、和输入端口的耦合端口；其中，所述第一等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口与所述不等功分180度电桥的差输入端口相连接，所述第一等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述90度移相器的输入端口相连接，所述90度移相器的输出端口与所述第二等功分180度电桥的差输入端口相连接，所述不等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述第二等功分180度电桥的和输入端口相连接；所述第一等功分180度电桥的两个输入端口和所述不等功分180度电桥的和输入端口用于接收基站收发信机的信号，所述不等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口和所述第二等功分180度电桥的两个输出端口用于对天线阵馈电。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述不等功分180度电桥的功分比为1∶2或者1∶4。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述波束成形网络还包括第一功分器和第二功分器，其中，所述第二等功分180度电桥3的和输入端口的直通端口与所述第一功分器的输入端口相连接，所述第二等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口与所述第二功分器的输入端口相连接，所述第一功分器和所述第二功分器均具有两个输出端口，所述第一功分器和所述第二功分器的输出端口用于对所述天线阵馈电。
结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第一功分器和所述第二功分器的功分比为3∶7，所述不等功分180度电桥的功分比为1∶2。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述波束成形网络还包括第一功分器、第二功分器及第三功分器，其中，所述第二等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述第一功分器的输入端口相连接，所述第二等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口与所述第二功分器的输入端口相连接，所述不等功分180度电桥的和输入端的耦合端口与所述第三功分器的输入端口相连接，所述第一功分器、第二功分器及第三功分器均具有两个输出端口，所述第一功分器、所述第二功分器和所述第三功分器的输出端口用于对所述天线阵馈电。
结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述第一功分器和第二功分器的功分比均为1∶4，第三功分器407的功分比为1∶1，所述不等功分180度电桥的功分比为1∶2。
第二方面，提供了一种基站天线，包括上述第一方面提供的波束成形网络和天线阵，所述天线阵包含多列直线阵列，每列所述直线阵列包括至少一个天线单元，所述波束成形网络的每个输出端口对一列所述直线阵列馈电。
通过上述方案，基站天线可以形成三个固定波束，波束成形网络结构简单，易于加工。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种波束成形网络电路图；
图2为本发明实施例中180度电桥电路图；
图3为本发明另一实施例提供的一种波束成形网络电路图；
图4为本发明另一实施例提供的一种波束成形网络电路图；
图5为本发明实施例提供的一种基站天线结构框图；
图6为本发明实施例提供的另一种基站天线结构框图；
图7为本发明实施例提供的另一种基站天线结构框图；
图8为本发明实施例提供的另一种基站天线结构框图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种以180度电桥为主要部件的波束成形网络，该波束成形网络结构简单，易于加工，能使基站天线同时形成3个不同指向的波束。
如图1所示，本发明实施例提供了一种以180度电桥为主要部件的波束成形网络。参照图1，该波束成形网络包括第一等功分180度电桥101，不等功分180度电桥102，90度移相器103，第二等功分180度电桥104。第一等功分180度电桥101、不等功分180度电桥102和第二等功分180度电桥104分别具有一个和输入端口、一个差输入端口、一个和输入端口的直通端口、一个和输入端口的耦合端口。
其中，第一等功分180度电桥101的和输入端口的耦合端口与不等功分180度电桥102的差输入端口相连接，第一等功分180度电桥101的和输入端口的直通端口与90度移相器103的输入端口相连接，90度移相器103的输出端口与第二等功分180度电桥104的差输入端口相连接，不等功分180度电桥102的和输入端口的直通端口与第二等功分180度电桥104的和输入端口相连接；第一等功分180度电桥101的两个输入端口和不等功分180度电桥102的和输入端口用于接收基站收发信机的信号，不等功分180度电桥102的和输入端口的耦合端口和第二等功分180度电桥104的两个输出端口用于对天线阵馈电。
图2为本发明实施例中180度电桥的电路图。如图2所示，180度电桥为无源4端口网络，包含两个输入端口201和202，两个输出端口203和204。∑用来标示电桥的和端口201，Δ用来标示电桥的差端口202，端口203称为和端口201的耦合端口，端口204称为和端口201的直通端口，同时，端口204称为差端口202的耦合端口，端口203称为差端口202的直通端口。
180度电桥分为等功分180度电桥和不等功分180度电桥，其中等功分180度电桥通常也称为3dB180度电桥。通常用功分比来限定180度电桥两个输出端口的功率关系，功分比定义为任一输入端口输入信号时，该输入端口对应的耦合端口与直通端口的输出信号功率比。对等功分180度电桥来说，当和端口201输入信号时，两输出端口对应的输出信号功率比为1∶1，相移差为0度(图2中输出端口204处的0度标识表示此相位关系)，当差端口202输入信号时，两输出端口对应的输出信号功率比为1∶1，输出端口203比输出端口204的信号相位延迟180度(图2中输出端口203处的-180度标识表示此相位关系)。对不等功分180度电桥来说，假设功分比为1∶2，当和端口201输入信号时，耦合端口203与直通端口204对应的输出信号功率比为1∶2，当差端口输入信号时，耦合端口204与直通端口203对应的输出信号功率比为1∶2。不等功分180度电桥在相位特性上与等功分180度电桥一致。
上述实施例中，可选的，不等功分180度电桥102的功分比可以为1∶2或者1∶4，以实现三个波束正交。实际***中，为了满足不同的波束旁瓣优化、波束正交性、插损等要求，可以灵活设置不等功分180度电桥102的功分比。
可选的，上述各部件可以用同轴结构的传输线或者微带线连接。
可选的，上述波束成形网络具有三个输出端口，天线阵可以包含三列直线阵列，每列直线阵列包含至少一个天线单元，波束成形网络的每个输出端口对一列直线阵列馈电。
本发明实施例中的用于形成三个固定波束的波束成形网络，结构简单，易于加工。
如图3所示，本发明实施例提供了另一种波束成形网络。基于图2所示的波束成形网络，增加了两个功分器。该波束成形网络包括第一等功分180度电桥301，不等功分180度电桥302，90度移相器303，第二等功分180度电桥304，第一功分器305，第二功分器306。
其中，第一等功分180度电桥301的和输入端口的耦合端口与不等功分180度电桥302的差输入端口相连接，第一等功分180度电桥301的和输入端口的直通端口与90度移相器303的输入端口相连接，90度移相器303的输出端口与第二等功分180度电桥304的差输入端口相连接，不等功分180度电桥302的和输入端口的直通端口与第二等功分180度电桥304的和输入端口相连接，第二等功分180度电桥304的和输入端口的直通端口与第一功分器305的输入端口相连接，第二等功分180度电桥304的和输入端口的耦合端口与第二功分器306的输入端口相连接，第一功分器305和第二功分器306均具有两个输出端口，第一功分器305和第二功分器306的输出端口用于对天线阵馈电；第一等功分180度电桥301的两个输入端口、不等功分180度电桥302的和输入端口用于接收基站收发信机的信号。
可选的，第一功分器305和第二功分器306的功分比为3∶7，不等功分180度电桥202的功分比可以为1∶2，以实现三个波束正交，有效抑制波束旁瓣。实际***中，为了满足不同的波束旁瓣优化、波束正交性、插损等要求，可以灵活设置第一功分器305、第二功分器306、不等功分180度电桥302的功分比。
不等功分180度电桥302的和输入端口的耦合端口、第一功分器305的两个输出端口、第二功分器306的两个输出端口用于对天线阵馈电。
上述波束成形网络具有五个输出端口，可选的，天线阵可以包含五列直线阵列，每列直线阵列包含至少一个天线单元，波束成形网络的每个输出端口对一列直线阵列馈电。
本发明实施例中的用于形成三个固定波束的波束成形网络，结构简单，易于加工。
如图4所示，本发明实施例提供了另一种波束成形网络。基于图2所示的波束成形网络，增加了三个功分器。参照图4，该波束成形网络包括第一等功分180度电桥401，不等功分180度电桥402，90度移相器403，第二等功分180度电桥404，第一功分器405，第二功分器406，第三功分器407。
其中，第一等功分180度电桥401的和输入端口的耦合端口与不等功分180度电桥402的差输入端口相连接，第一等功分180度电桥401的和输入端口的直通端口与90度移相器403的输入端口相连接，90度移相器403的输出端口与第二等功分180度电桥404的差输入端口相连接，不等功分180度电桥402的和输入端口的直通端口与第二等功分180度电桥404的和输入端口相连接，第二等功分180度电桥404的和输入端口的直通端口与第一功分器405的输入端口相连接，第二等功分180度电桥404的和输入端口的耦合端口与第二功分器406的输入端口相连接，不等功分180度电桥402的和输入端的耦合端口与第三功分器407的输入端口相连接，第一功分器405、第二功分器406、第三功分器407均具有两个输出端口，第一功分器405、第二功分器406、第三功分器407的输出端口用于对天线阵馈电；第一等功分180度电桥401的两个输入端口、不等功分180度电桥402的和输入端口用于接收基站收发信机的信号。
可选的，第一功分器405的功分比和第二功分器406的功分比可以均为1∶4，第三功分器407的功分比为1∶1，不等功分180度电桥402的功分比可以为1∶2，以实现三个波束正交，有效抑制波束旁瓣。实际***中，为了满足不同的波束旁瓣优化、波束正交性、插损等要求，可以灵活设置第一功分器405、第二功分器406、第三功分器407、不等功分180度电桥402的功分比。
第一功分器405的两个输出端口、第二功分器406的两个输出端口、第三功分器407的两个输出端口用于对天线阵馈电。
上述波束成形网络具有六个输出端口，可选的，天线阵可以包含六列直线阵列，每列直线阵列包含至少一个天线单元，波束成形网络的每个输出端口对一列直线阵列馈电。
本发明实施例中的用于形成三个固定波束的波束成形网络，结构简单，易于加工。
需要说明的是，本发明实施例中，波束成形网络可以包含更多的功分器，天线阵可以包含更多的直线阵列。
如图5所示，本发明实施例还提供了一种基站天线，包含上述实施例中的波束成形网络501和天线阵502，天线阵502包含多列直线阵列5021，每列直线阵列5021包含至少一个天线单元，波束成形网络501的每个输出端口用于对一列直线阵列5021馈电。
图5中仅示意性的画出了三列直线阵列，本发明不对列数做限制，例如可以为3列、5列、6列，对应的结构框图分别如图6、图7、图8所示。多列直线阵列可以顺序等间距排列。
本发明实施例提供的用于形成三个固定波束的基站天线，结构简单，易于加工。
以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种波束成形网络，其特征在于，包括：
第一等功分180度电桥，不等功分180度电桥，90度移相器，第二等功分180度电桥；所述第一等功分180度电桥、所述不等功分180度电桥和所述第二等功分180度电桥分别具有和输入端口、差输入端口、和输入端口的直通端口、和输入端口的耦合端口；
其中，所述第一等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口与所述不等功分180度电桥的差输入端口相连接，所述第一等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述90度移相器的输入端口相连接，所述90度移相器的输出端口与所述第二等功分180度电桥的差输入端口相连接，所述不等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述第二等功分180度电桥的和输入端口相连接；
所述第一等功分180度电桥的两个输入端口和所述不等功分180度电桥的和输入端口用于接收基站收发信机的信号，所述不等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口和所述第二等功分180度电桥的两个输出端口用于对天线阵馈电。
2.如权利要求1所述的波束成形网络，所述不等功分180度电桥的功分比为1:2或者1:4。
3.如权利要求1或2所述的波束成形网络，所述波束成形网络还包括第一功分器和第二功分器，
其中，所述第二等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述第一功分器的输入端口相连接，所述第二等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口与所述第二功分器的输入端口相连接，所述第一功分器和所述第二功分器均具有两个输出端口，所述第一功分器和所述第二功分器的输出端口用于对所述天线阵馈电。
4.如权利要求3所述的波束成形网络，所述第一功分器和所述第二功分器的功分比为3:7,所述不等功分180度电桥的功分比为1:2。
5.如权利要求1或2所述的波束成形网络，所述波束成形网络还包括第一功分器、第二功分器及第三功分器，
其中，所述第二等功分180度电桥的和输入端口的直通端口与所述第一功分器的输入端口相连接，所述第二等功分180度电桥的和输入端口的耦合端口与所述第二功分器的输入端口相连接，所述不等功分180度电桥的和输入端的耦合端口与所述第三功分器的输入端口相连接，所述第一功分器、第二功分器及第三功分器均具有两个输出端口，所述第一功分器、所述第二功分器和所述第三功分器的输出端口用于对所述天线阵馈电。
6.如权利要求5所述的波束成形网络，所述第一功分器和第二功分器的功分比均为1:4，第三功分器407的功分比为1:1,所述不等功分180度电桥的功分比为1:2。
7.一种基站天线，包括如权利要求1-6任一所述的波束成形网络和天线阵，所述天线阵包含多列直线阵列，每列所述直线阵列包括至少一个天线单元，所述波束成形网络的每个输出端口对一列所述直线阵列馈电。
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