CN203288755U

CN203288755U - 适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列

Info

Publication number: CN203288755U
Application number: CN2013201791256U
Authority: CN
Inventors: 洪伟; 李林盛; 张彦; 陈鹏; 陈继新; 蒯振起; 陈喆
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2023-04-10

Abstract

本实用新型公开了一种适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列，它包括光模块、中频收发模块、射频收发模块和天线单元；与近端机相连的光模块通过中频收发模块与多个射频收发模块相连，每个射频收发模块连接有一个天线单元。与传统的阵列天线不同，本实用新型中的有源一体化天线阵列中每个天线单元都直接与一个完整的射频收发模块直接连接，各个单元的信号在中频上完成功分/合路，通过中频收发模块处理后与光模块相连接，最后信号可通过光模块转换为光信号后进行长距离的低损耗传输；每个天线单元后的射频收发模块的相位可控，这样整个阵列的波束在垂直方向便可以进行扫描。

Description

适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列

技术领域

本实用新型涉及一种有源天线，具体说是一种适用于FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）***的RoF型相控有源一体化天线阵列。

背景技术

天线是各种无线通信***的关键部件之一，衡量其优劣的主要技术指标有：阻抗带宽、波束宽度、副瓣电平、增益和效率等。天线辐射单元的导体损耗、介质损耗、馈电网络的***损耗以及馈线的损耗会大大降低整个***的效率，从而致使相当比例的发射机功率被天线和馈线所耗散，而且严重影响接收灵敏度。因此，高效率和智能化就成为下一代无线通信天线的研究目标。

传统的蜂窝移动通信基站主要由天线、馈线电缆和射频收发信机组成，塔顶的天线通过一定长度的馈线电缆与下面的收发信机相连接。对于下行链路，射频发射机的输出功率通过馈线电缆馈入安装于塔顶的天线并发射到空中；对于上行链路，手机信号被塔顶基站天线接收后通过馈线电缆进入塔下的射频接收机。传统基站天线大多采用扇面辐射方向图的定向天线，水平面波束宽度一般为120度（10dB波束宽度），增益一般约为14.5dBi。这样的天线一般由垂直方向的8～12个单元的阵列构成。天线辐射单元的导体损耗、介质损耗、馈电网络的插损以及馈线的损耗会大大降低天馈***的效率，从而致使相当比例的发射机功率被天线和馈线所耗散，而且严重影响接收灵敏度。天线效率没有计及馈线电缆的损耗，显然对于上述基站来说，将天线与馈线（即：天馈***）整体考虑更适合描述和

E_{AF} = \frac{P_{e}}{P_{t}}

分析无线通信***的性能。为此，我们定义天馈效率如下

式中，E_AF表示天馈效率（Efficiency of Antenna and Feeding Cable）,P_e是指真正辐射到空中的有效辐射功率，P_t是指射频发射机的输出功率。

对于传统基站和基站扇面天线情况，通常馈线长度可达几十米，损耗可达3dB，甚至更大；扇面天线内部馈电网络的损耗通常约1～2dB。相比之下，辐射单元的导体损耗、介质损耗以及良好匹配时的反射损耗要小很多。因此，从射频发射机输出的功率只有不到一半被辐射出去，也就是说，此时的天馈效率E_AF<50%。我们知道，在保证线性度的情况下射频发射机输出功率提高一倍，其成本将增加0.8～1倍，其直流功耗将增加1～1.2倍。

因此，研究和实现高效率、波束可控、低功耗、低成本以及支持RoF(Radio over Fiber，光载无线通信)的各种优良特性的新型天线技术显得极为迫切。

实用新型内容

实用新型目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列，使其在垂直平面内发射通道与接收通道的波束指向独立可控，高效节能。

技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为一种适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列，它包括光模块、中频收发模块、射频收发模块和天线单元；与近端机相连的光模块通过中频收发模块与多个射频收发模块相连，每个射频收发模块连接有一个天线单元。

其中，所述的中频收发模块包括与光模块相连的发射模块，发射模块与中频功分器的输入端相连；中频收发模块还包括与光模块相连的接收模块，接收模块与中频合路器的输出端相连；所述的中频功分器的输出端通过射频收发模块与天线单元的馈电端口相连；所述的天线单元的馈电端口还通过射频收发模块与中频合路器的输入端相连。

其中，所述的射频收发模块包括依次与中频功分器相连的第一混频器、第一移相器、放大器和双工器，双工器的另一端与天线单元的馈电端口相连；天线单元的馈电端口还通过双工器依次连接射频接收模块、第二移相器和第二混频器，第二混频器与中频合路器的输入端相连。

本实用新型的适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列包括天线单元、射频收发、移相器、混频器、中频收发以及光模块，其中中频收发模块包括了中频功分器/合路器和放大电路部分；与传统的阵列天线不同，本实用新型中的有源一体化天线阵列中每个天线单元都直接与一个完整的射频收发模块直接连接，各个单元的信号在中频上完成功分/合路，通过中频收发模块后与光模块相连接，最后信号可通过光模块转换为光信号后进行长距离的低损耗传输。每个天线单元后的射频收发模块的相位可控，这样整个阵列的波束在垂直方向便可以进行扫描。

有益效果：本实用新型具有以下优点：

1：）具有较高的天馈效率，可达80%～90%。采用有源一体化天线阵列的设计后，射频收发模块通过接头与天线单元直接相连接，避免了传统的RRU+无源天线阵列方案中馈线电缆带来的损耗，同时因为功分/合路网络是在中频完成，相比于无源天线阵列的射频功分/合路网络，损耗会进一步降低，整体的损耗可以控制在1dB以内，***的天馈效率可达80%～90%。

2：）垂直面内发射和接收通道的波束可独立进行扫描，波束在±40°范围内可指向任意方向。本方案的射频收发模块相比传统的RRU（Radio Remote Unit，射频拉远单元），每个通道都增加了一个高精度低损耗数控移相器，通过对移相器的控制可以设置天线阵列中每一个单元的相位，将每个天线单元的相位设置在合适的数值可以控制整个天线阵列的波束指向需要的方位，从而实现阵列波束在垂直平面内的波束扫描。因为射频收发模块中接收和发射通道的移相器是独立可控，***的接收和发射波束指向也是独立可控。

3）得益于天线阵列的波束指向可控，当天线阵列中一个或者几个通道发生故障时，可通过调节剩余通道的相位，对天线阵列的辐射波束指向进行调整，可以弥补因通道故障带来的天线辐射方向的改变，从一定程度上增强了***的稳定性。

4）采用RoF，可进行低损耗传输，组网方便。

附图说明

图1是本实用新型适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列的结构示意图；

图2是本实用新型的天线接收通道的波束扫描（以10°为间隔，波束指向可自定义）；

图3是本实用新型的天线发射通道的波束扫描（以10°为间隔，波束指向可自定义）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本实用新型的一种适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列，包括光模块1、中频收发模块2、射频收发模块3和天线单元4；与近端机相连的光模块1通过中频收发模块2与若干射频收发模块3相连，每个射频收发模块3连接有一个天线单元4。电源为整个ROF型相控有源一体化天线供电，光模块1通过光纤与近端机的光模块相连。

光模块1的作用是光电转换，发送端把电信号转换成光信号；通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。

中频收发模块2中的发射模块21将从光模块1传递来的信号进行处理，然后经中频功分器22传递给各个射频发射通道；中频接收模块2的中频合路器相24接收从射频收发模块3各个通道发过来的信号，中频合路器24将各路信号合成一路信号并进行后续处理，然后经接收模块23进一步处理后传递给光模块1。

射频收发模块3是有源一体化天线阵列的核心部分，发射部分将中频功分器22传递来的中频信号上变频到射频频率后进行滤波、移相和放大后，传递给天线单元4；射频接收模块37将天线单元4传递来的弱信号进行滤波和放大后，并下变频到中频频率，然后各个通道的信号在中频合路器24里面完成合路。

天线单元4是一个能量转化装置，将射频发射模块3产生的信号转换为电磁波发射到空间去，并将空间的电磁波收集后转换为射频信号传递给射频接收模块3。

其中，所述的中频收发模块2包括与光模块1相连的发射模块21，发射模块21与中频功分器22的输入端相连；中频收发模块2还包括与光模块1相连的接收模块23，接收模块23与中频合路器24的输出端相连。

所述的射频收发模块3包括依次与中频功分器22相连的第一混频器31、第一移相器32、放大器33、双工器34；双工器34的另一端与天线单元4的馈电端口相连；天线单元4的馈电端口还通过双工器34依次连接射频接收模块37、第二移相器36、第二混频器35，第二混频器35与中频合路器24的输入端相连。第一混频器31、第一移相器32、放大器33、双工器34组成了射频收发模块3的发射部分，第二混频器35、第二移相器36、射频接收模块37和双工器34组成了射频收发模块3的接收部分。

中频功分器22的输出端通过射频收发模块3与天线单元4的馈电端口相连；所述的天线单元4的馈电端口通过射频收发模块3与中频合路器24的输入端相连。

射频收发模块3通过移相器可以控制天线阵列中每一个通道的相位，将每个通道的相位设置在合适的数值可以控制整个天线阵列的波束指向需要的方位，从而实现垂直平面内的波束扫描。

本实用新型的每个天线单元4都与一个独立的射频收发模块3直接相连接，与传统的RRU（射频拉远模块）+无源天线阵列相比，在保证整个天线阵列的EIRP（有效全向辐射功率）相同的条件下，本方案中单个射频发射模块需要的射频输出功率仅为传统RRU方案中功率放大器输出功率的1/N（N为天线阵列的数目，一般为8-12），这样就可以采用中小型功率放大器来替换普通RRU方案中的大功率放大器，降低了***对散热方面的要求，并可以进一步降低***的成本和电路面积；同时因为最大发射功率的降低，在FDD***中可以降低对双工器的功率容量的要求，进一步降低***的成本和体积。

相比传统的RRU，本实用新型的射频收发模块每个通道都增加了一个数控移相器，通过对移相器的控制可以设置天线阵列中每一个单元的相位，将每个天线单元的相位设置在合适的数值可以控制整个天线阵列的波束指向需要的方位，从而实现阵列波束在垂直平面内的波束扫描。

本实用新型的RoF型相控有源一体化天线阵列的射频收发模块3的相位可以控制，通过设置特定的相位，可以使得阵列在垂直平面内的波束指向需要的角度，实现波束扫描的功能。而射频收发模块3直接通过接头与天线单元4相连接，降低了馈线和馈电网络的损耗，提高了天馈效率。

下面结合本实用新型的一个实施例天线来进一步说明，该实施例天线为适用于WCDMA***的RoF型相控有源一体化天线，其射频发射工作频段为2110MHz～2170MHz，接收工作频率为1920MHz～1980MHz，***工作在FDD模式，收发通道通过双工器进行隔离，阵列为8单元均匀分布线性阵列，每个射频单元最大发射功率为21dBm，天线单元的增益为7dB，整个阵列最大的EIRP为45.5dBm（0.5dB的损耗）。阵列的辐射波束在垂直平面的3dB波束宽度为10°，可在±40°范围内指向任意角度。

图2和图3为本实用新型天线的波束扫描结果，测量时以10°为间隔，实际可以指向任意角度，从测试结果可以看出，发射和接收通道的波束扫描均可以在±40°范围内精确指向要求的位置。

图2和图3给出了实施例有源天线在发射和接收状态下的波束扫描结果，从结果可以看出，该有源一体化天线阵列的波束在垂直平面内可根据***需要进行调整，将该实施例天线用作移动通信的基站天线***时，可以根据业务需要适时调整波束的指向，得到最优化覆盖；而得益于天线阵列的波束指向可控特性，当该实施例天线阵列中一个或者几个通道发生故障时，可通过调节剩余通道的相位，对天线阵列的波束指向进行调整，弥补因通道故障带来的天线辐射方向的改变，从一定程度上增强了***的稳定性。

Claims

1.一种适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列，其特征在于：它包括光模块（1）、中频收发模块（2）、射频收发模块（3）和天线单元（4）；与近端机相连的光模块（1）通过中频收发模块（2）与多个射频收发模块（3）相连，每个射频收发模块（3）连接有一个天线单元（4）。

2.根据权利要求1所述适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列，其特征在于：所述的中频收发模块（2）包括与光模块（1）相连的发射模块（21），发射模块（21）与中频功分器（22）的输入端相连；中频收发模块（2）还包括与光模块（1）相连的接收模块(23），接收模块（23）与中频合路器（24）的输出端相连；

所述的中频功分器（22）的输出端通过射频收发模块（3）与天线单元（4）的馈电端口相连；所述的天线单元（4）的馈电端口还通过射频收发模块（3）与中频合路器（24）的输入端相连。

3.根据权利要求2所述适用于FDD***的RoF型相控有源一体化天线阵列，其特征在于：所述的射频收发模块（3）包括依次与中频功分器（22）相连的第一混频器（31）、第一移相器（32）、放大器（33）和双工器（34），双工器（34）的另一端与天线单元（4）的馈电端口相连；天线单元（4）的馈电端口还通过双工器（34）依次连接射频接收模块（37）、第二移相器（36）和第二混频器（35），第二混频器（35）还与中频合路器(24）的输入端相连。