CN106972270A - 多波束环形阵列天线及相位分布选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多波束环形阵列天线及相位分布选择方法，其中多波束环形阵列天线包括：设置为环形阵列的至少三个天线单元和单元控制装置，天线单元与单元控制装置连接并由单元控制装置控制，单元控制装置包括：单元选择器、相位选择器和相位变换器，单元选择器与天线单元连接，控制天线单元的开闭；相位选择器与相位变换器连接，选定相位并根据所选定的相位控制相位变换器；相位变换器与天线单元连接，控制天线单元的相位分布。本发明的多波束环形阵列天线及相位分布选择方法，可以实现根据用户的地理分布的变化调整多波束环形阵列天线的辐射覆盖范围，可以实现灵活覆盖，并且本发明的多波束环形阵列天线结构简单，可以有效的降低运营成本。

Description

多波束环形阵列天线及相位分布选择方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多波束环形阵列天线及相位分布选择方法。

背景技术

就现有无线基站的天线而言，其会根据应用场景选择全向天线和定向天线。一般来说，全向天线适用于需要全面通信覆盖范围的场合，而定向天线则适用于用户相对集中的场合。

但对于用户位置相对固定，但存在一定变化可能的场景而言，现有技术的全向天线和定向天线都难以满足需求。

例如，对于地广人稀的村镇，用户可以在家中使用无线终端接入基站。在这种情况下，如果使用全向天线进行全面的覆盖，在大部分方向上，天线的辐射功率都被浪费了。

若根据用户分布采用定向天线，则一旦新增用户或减少用户，就需要对天线的辐射方位进行调整。现有技术一般通过微带移相器来实现天线辐射方位的调整。但微带移相器成本相对很高，很难大规模应用在这种需要考虑成本要求的应用场景中。

因此，如何以简单便捷且低成本的实现对用户位置相对固定，但存在变化可能的应用场景进行灵活的通信覆盖，就成为亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术无法以简单便捷且低成本的实现对用户位置相对固定，但存在变化可能的应用场景进行灵活的通信覆盖的问题，本发明提供了一种多波束环形阵列天线，包括：

设置为环形阵列的至少三个天线单元和单元控制装置，所述天线单元与所述单元控制装置连接并由所述单元控制装置控制，

所述单元控制装置包括：单元选择器、相位选择器和相位变换器，

所述单元选择器与所述天线单元连接，控制所述天线单元的开闭；

所述相位选择器与所述相位变换器连接，选定相位并根据所选定的相位控制所述相位变换器；

所述相位变换器与所述天线单元连接，控制所述天线单元的相位分布，以生成相应的方向图。

本发明还提供了一种多波束环形阵列天线的相位分布选择方法，包括：

根据需要进行通信覆盖的用户地理位置生成目标覆盖区域；

提取所述目标覆盖区域的特征值，根据所述特征值在阵列天线方向图数据库中选择与所述特征值的匹配的方向图；

根据所述匹配的方向图通过单元选择装置选择选择相应的所述天线单元，及控制所选择的所述天线单元的相位变换器和相位选择器，以生成所述匹配的方向图。

本发明的多波束环形阵列天线及相位分布选择方法，可以实现根据用户的地理分布的变化调整多波束环形阵列天线的辐射覆盖范围，可以实现灵活覆盖，并且本发明的多波束环形阵列天线结构简单，可以有效的降低运营成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的多波束环形阵列天线的一个实施例的天线单元布置示意图。

图2为本发明的多波束环形阵列天线的一个实施例的结构示意图。

图3为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的流程图。

图4为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的多波束环形阵列天线的示意图。

图5为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的相位分布图。

图6为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的几个不同相位分布图的叠加示意图。

图7为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的相位分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的多波束环形阵列天线的一个实施例的天线单元布置立体结构图，图2为本发明的多波束环形阵列天线的一个实施例的结构示意图，如图1和图2所示，本实施例的多波束环形阵列天线，可以包括：设置为环形阵列的至少三个天线单元1和单元控制装置2，天线单元1与单元控制装置2连接并由单元控制装置2控制。

需要说明的是，为了方便说明，本实施例选择了八个天线单元1构成多波束环形阵列天线。实际上技术人员可以根据实际情况选择能构成全向辐射的任何多于三个天线单元1的组合，即通过天线单元1围成三角形、四边形、五边形……的多波束环形阵列天线。

单元控制装置2包括：单元选择器21、相位选择器22和相位变换器23。

单元选择器21与天线单元1连接，控制天线单元1的开闭。

具体的，单元控制装置2(由于技术人员可以根据实际需要设置单元控制装置2的位置，例如设置在环形阵列的中心、上部、下部甚至部分集成在天线单元1中都可以达到要求，因此其未在图1中示出)由单元选择器21、相位选择器22和相位变换器23组成。其中，单元控制装置2的单元选择器21与天线单元1连接，单元控制装置2可以控制天线单元1的开闭。即通过控制天线单元1的开闭，可以实现对某一个天线单元1的开闭(为了简明，图2仅示出了与一个天线单元1连接的示意图，实际上，多波束环形阵列天线包含几个天线单元1，单元控制装置2就应该以同样的方式与它们一一连接)。这样就可以实现由不同个数的天线单元1组合成的多波束环形阵列天线的效果。

例如，多波束环形阵列天线由八个天线单元1构成，通过单元控制装置2的单元选择器21可以这八个天线单元1的任意一个或几个的开启，从而实现一个、二个、三个……八个天线单元1辐射的效果。

相位选择器22与相位变换器23连接，选定相位并根据所选定的相位控制相位变换器23。

具体的，相位选择器22与相位变换器23连接，相位选择器22可以根据输入的指令或要求，相应的选定天线单元1的符合指令或要求的相位，并根据所选定的相位控制相位变换器23。

相位变换器23与天线单元1连接，控制天线单元1的相位分布，以生成相应的方向图。

具体的，相位变换器23与天线单元1连接，相位变换器23根据收到相位变换器23所选定的相位，相应的控制天线单元1的相位分布，从而生成相应的方向图。

本实施例的多波束环形阵列天线可以根据实际需求方便的对多波束环形阵列天线的辐射覆盖范围进行调整。例如，可以根据用户的实际分布，找出多波束环形阵列天线不需要覆盖的区域和需要增强辐射强度的区域，即相应的所需的天线辐射方向图。然后通过该所需的天线辐射方向图计算生成相应的实际天线辐射方向图时，所需开启的天线单元1和每个开启的天线单元的相位，然后通过单元选择器21、相位选择器22和相位变换器23执行相应的操作，以生成所需的多波束环形阵列天线的辐射覆盖范围。另外也可以事先计算出多波束环形阵列天线所能生成的大部分的天线辐射方向图。然后与所需的天线辐射方向图进行对比，从中找出最接近所需的天线辐射方向图的天线辐射方向图，然后通过单元选择器21、相位选择器22和相位变换器23执行相应的操作，以生成相应的多波束环形阵列天线的辐射覆盖范围。

优选的，相位变换器23可以包括不同长度的电缆，通过连接不同的电缆调整相应的天线单元的相位。

具体的，相位变换器23可以包括不同长度的电缆，每个天线单元1对应有一组不同长度的电缆。相位变换器23可以通过选择开关等方式，通过连接不同的电缆与天线单元1连接来直接调整相应的天线单元的相位。这样可以有效的降低多波束环形阵列天线的成本，有利于其大规模的应用。

优选的，环形阵列由8个天线单元构成。

具体而言，环形阵列可以由8个天线单元构成，即形成俯视为正八面体的结构(如图1所示)，根据发明人试验，针对室外基站场景而言，8个天线单元已经可以很好的满足实际需求。

优选的，天线单元的相位分布为离散式相位分布。

具体而言，天线单元的相位分布为离散式相位分布。为了简化相位变换器的结构，降低相位变换器乃至整个多波束环形阵列天线的成本，天线单元的相位分布为离散式相位分布。即相位变换器为每个天线单元选定的相位角是离散的。这样尽管整个多波束环形阵列天线可以生成的天线辐射方向图的数量是有限的，但是通过选择天线单元的离散式相位分布，通过简单的排列组合，是可以生成大量的天线辐射方向图的。尽管在这些天线辐射方向图中可能没有与实际需求完全匹配的天线辐射方向图，但是总能找到与实际需求最为接近，且基本上能满足用户通信需求的方向图的。这样可以大幅的降低多波束环形阵列天线的制造成本，有利于其的大规模推广。

进一步优选的，离散式相位分布的相位角可以包括：-120、-90、-60、-45、-30、0、30、45、60、90、120和180中的至少三个。

具体而言，离散式相位分布的相位角可以包括：-120、-90、-60、-45、-30、0、30、45、60、90、120和180中的至少三个。这些相位角都是天线单元常用的相位角，这些相位角的天线单元的组合，可以形成较多的变化较大的天线辐射方向图。天线单元的相位角越多，整个多波束环形阵列天线可以生成的天线辐射方向图的数量就越多，这样就可以使个多波束环形阵列天线可以更好的满足用户的实际需求。

进一步优选的，环形阵列在垂直方向上至少为两层。

具体而言，环形阵列在垂直方向上可以设置为至少为两层。根据实际情况，为了提高增益，可以在垂直方向上采用多层的环形阵列，即构成环形阵列的不是一个一个的天线单元，是一列天线单元，每列至少由两个天线单元构成。

进一步优选的，天线单元可以包括：依次设置的外层介质基板、中间层介质基板、内层介质基板和反射板。

外层介质基板的外表面设置有寄生贴片；中间层介质基板的上表面设置有辐射贴片，中间层介质基板的内表面整体附着第一金属接地层。

内层介质基板的内表面设置馈电结构，内层介质基板的外表面整体附着有第二金属接地层。

馈电结构与相位变换器连接，由相位变换器控制馈电结构馈电。

反射板位于内层介质基板的内表面侧，反射板与内层介质基板间隔有空气层。

具体而言，本实施例的天线单元可以采用以下的结构：以组成多波束环形阵列天线由外至内依次设置的外层介质基板、中间层介质基板、内层介质基板和反射板。

天线单元的外层介质基板的外表面设置有寄生贴片。中间层介质基板的上表面设置有辐射贴片，中间层介质基板的内表面整体附着第一金属接地层。

内层介质基板的内表面设置馈电结构，内层介质基板的外表面整体附着有第二金属接地层。

馈电结构可以直接与相位变换器连接，由相位变换器控制馈电结构馈电。通过相位变换器控制馈电结构馈电，即可改变天线单元的辐射相位角。这样整个多波束环形阵列天线的各个天线单元都可以通过这样的方式调整辐射相位角，从而实现不同的天线辐射方向图。

反射板位于内层介质基板的内表面侧，反射板与内层介质基板间隔有空气层。反射板可以增强天线的方向性，可以有效的提高天线单元的辐射性能。

本实施例的多波束环形阵列天线，可以简单灵活的调整天线的天线辐射方向图，并且还具备结构简单，成本低廉的优势，适用于在地广人稀的地区的大规模普及。

图3为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的流程图，如图3所示，本实施例的使用前述实施例的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法，可以包括以下步骤：

步骤101，根据需要进行通信覆盖的用户地理位置生成目标覆盖区域。

具体的，首先获取需要进行通信覆盖的用户的地理位置，具体获取可以通过GPS、北斗等方式配合卫星图像或地图来准确定位用户的地理位置。根据用户的地理位置，相应就可以确定多波束环形阵列天线所需覆盖的目标覆盖区域。

步骤102，提取目标覆盖区域的特征值，根据特征值在阵列天线方向图数据库中选择与特征值的匹配的方向图。

具体的，提取多波束环形阵列天线所需覆盖的目标覆盖区域的特征值，即可以根据距离多波束环形阵列天线所在位置的远近，确定相应方向上多波束环形阵列天线辐射功率所能达到该位置的辐射强度大小(辐射强度大小应当满足用户的基本通信要求)作为特征值。相应可以找出覆盖目标覆盖区域的天线辐射方向图所应满足的最小覆盖范围。这样根据这个最小覆盖范围，就可以到阵列天线方向图数据库中选择与特征值的匹配的方向图。阵列天线方向图数据库中可以存储有多波束环形阵列天线所能生成的方向图，或者多波束环形阵列天线所能生成典型的，适用性强的部分方向图。尤其当多波束环形阵列天线的天线单元的相位角是离散式相位分布的情况下，阵列天线方向图数据库可以存储有多波束环形阵列天线所能生成的方向图。阵列天线方向图数据库可以位于网络服务器中或后台，由网络服务器中或后台计算找出，然后发送至现场执行，以供多波束环形阵列天线生成相应的方向图。

步骤103，根据匹配的方向图通过单元选择装置选择选择相应的天线单元，及控制所选择的天线单元的相位变换器和相位选择器，以生成匹配的方向图。

具体的，多波束环形阵列天线收到匹配的方向图后，可以根据匹配的方向图通过单元选择装置选择选择相应的天线单元，即启动相应的天线单元。并根据匹配的方向图控制 启动的天线单元的相位变换器和相位选择器，使启动的每个天线单元以所需的相位辐射，从而生成所需的匹配的方向图。

优选的，阵列天线方向图数据库中包含的方向图数目为 其中，N为离散式相位分布的相位角个数，M为环形阵列的天线单元个数。

具体的，当具有M个天线单元的多波束环形阵列天线的天线单元的相位角是离散式相位分布的情况下，每个天线单元可以选择N个不同的相位角，同时多波束环形阵列天线也可以通过单元选择装置选择选择启动相应的天线单元。这样多波束环形阵列天线可以选择的天线单元组合为：而相应对于所选的启动α个天线单元的组合，则有个方向图。这样，对于具备M个天线单元，每个天线单元具备N个离散式相位分布的相位角的多波束环形阵列天线而言，其具备 种不同的方向图可供选择。这样，具备M个天线单元，每个天线单元具备N个离散式相位分布的相位角的多波束环形阵列天线的阵列天线方向图数据库中所包含的方向图数目最多为个，当然本领域技术人员也可以根据实际需要在阵列天线方向图数据库中选择存储常用的方向图，这样的选择也应纳入本发明的范围。

图4为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的多波束环形阵列天线的示意图，图5为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的相位分布图，图6为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的几个不同相位分布图的叠加示意图，如图4、图5和图6所示，本实施例采用如图1和图4所示的8个天线单元P1至P8。通过对每个天线单元的-180°、-90°、0°、90°和180°这几个离散式相位分布的相位角进行选择，就可以实现不同组合的天线方向图分分布，相应所需的由不同的方向图组成的方向图数据库。

图7为本发明的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法的一个实施例的相位分布图，如图7所示，当8个天线单元P1至P8的相位角为：P1为-180°、P2为-90°、P3为0°、P4为90°、P5为0°、P6为-90°、P7为-180°、P8为90°时所获得的天线辐射方向图。这样的天线辐射组合，可以相应满足用户分布在这种情况下的天线覆盖范围内的情况。

这样根据实际需要，当检测到用户集中在基站的P7方向上的呈60°的扇面上时，就可以通过特征值的计算和查找方向图数据库获得与用户实际分布最接近的方向图，即如图5所示的方向图。进而控制8个天线单元，将与60°方向对应的天线单元P7开启，并选择合适的相位，同时将其他天线单元的相位角选择为0°从而获得图5所示的相位分布，这样就可以有效的提升用户的通信质量，使有限的辐射功率都投射到有用户的位置。

类似的，依次开启每个天线单元P1至P8，并关闭其他天线单元，而获得的相位叠加图，如图5所示，可以看出，每个天线单元单P1至P8独辐射而获得的不同方向的方向图是稳定的，实际上类似于一个天线单元通过旋转获得不同的方向图。这样根据用户集中分布于相应的某一个方向的情况，相应可以获得合适的方向图进行有效的覆盖。

对于其他用户分布情况，可以通过选择天线单元P1至P8的相位角，来查询方向图数据库获得与实际需求最接近的天线辐射方向图，进而控制天线单元P1至P8实现该天线辐射方向图。这样就可以优化天线的辐射，使天线的辐射集中到用户所在的区域，并且可以在一定程度上扩大天线的辐射覆盖范围，使天线的辐射可以根据用户的实际分布进行有效的调整。

本实施例的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法，可以实现根据用户的地理分布的变化调整多波束环形阵列天线的辐射覆盖范围，相应可以提高多波束环形阵列天线的辐射效率，有利于节约运营成本。

本发明的多波束环形阵列天线及相位分布选择方法，可以实现根据用户的地理分布的变化调整多波束环形阵列天线的辐射覆盖范围，可以实现灵活覆盖，并且本发明的多波束环形阵列天线结构简单，可以有效的降低运营成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种多波束环形阵列天线，其特征在于，包括：设置为环形阵列的至少三个天线单元和单元控制装置，所述天线单元与所述单元控制装置连接并由所述单元控制装置控制，

所述单元控制装置包括：单元选择器、相位选择器和相位变换器，

所述单元选择器与所述天线单元连接，控制所述天线单元的开闭；

所述相位选择器与所述相位变换器连接，选定相位并根据所选定的相位控制所述相位变换器；

所述相位变换器与所述天线单元连接，控制所述天线单元的相位分布，以生成相应的方向图。

2.根据权利要求1所述的多波束环形阵列天线，其特征在于，所述相位变换器包括不同长度的电缆，通过连接不同的电缆调整相应的天线单元的相位。

3.根据权利要求1所述的多波束环形阵列天线，其特征在于，所述环形阵列由8个天线单元构成。

4.根据权利要求1所述的多波束环形阵列天线，其特征在于，所述天线单元的相位分布为离散式相位分布。

5.根据权利要求4所述的多波束环形阵列天线，其特征在于，所述离散式相位分布的相位角可以包括：-120、-90、-60、-45、-30、0、30、45、60、90、120和180中的至少三个。

6.根据权利要求2至5中任一权利要求所述的多波束环形阵列天线，其特征在于，所述环形阵列在垂直方向上至少为两层。

7.根据权利要求6所述的多波束环形阵列天线，其特征在于，所述天线单元包括：依次设置的外层介质基板、中间层介质基板、内层介质基板和反射板，

所述外层介质基板的外表面设置有寄生贴片；所述中间层介质基板的上表面设置有辐射贴片，所述中间层介质基板的内表面整体附着第一金属接地层；

所述内层介质基板的内表面设置馈电结构，所述内层介质基板的外表面整体附着有第二金属接地层；

所述馈电结构与所述相位变换器连接，由所述相位变换器控制所述馈电结构馈电；

所述反射板位于内层介质基板的内表面侧，所述反射板与所述内层介质基板间隔有空气层。

8.一种使用如权利要求1至7中任一权利要求所述的多波束环形阵列天线的相位分布选择方法，其特征在于，包括：

根据需要进行通信覆盖的用户地理位置生成目标覆盖区域；

提取所述目标覆盖区域的特征值，根据所述特征值在阵列天线方向图数据库中选择与所述特征值的匹配的方向图；

根据所述匹配的方向图通过单元选择装置选择选择相应的所述天线单元，及控制所选择的所述天线单元的相位变换器和相位选择器，以生成所述匹配的方向图。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阵列天线方向图数据库中包含的方向图数目为其中，N为离散式相位分布的相位角个数，M为环形阵列的天线单元个数。