CN102544758B - 一种用于移动通信基站的单极化十波束天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于移动通信基站的单极化十波束天线，包括金属地板、至少6列相互平行的直线天线阵、至少6个第一功分器、至少6个第二功分器、第一巴特勒矩阵馈电网络、第二巴特勒矩阵馈电网络。其中，每列直线天线阵由至少2个相同的天线辐射单元组成。本发明的天线结构能在水平方向上形成5个固定指向的波束，在垂直方向上形成2个固定指向的波束，水平方向的5个波束之间的干扰小，且垂直方向的2个波束之间的干扰小。根据本发明的技术方案制成的十波束天线，抗干扰效果好，性能稳定，易于安装，能有效降低成本，很好地满足用户需求。

Description

一种用于移动通信基站的单极化十波束天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种用于移动通信基站的单极化十波束天线。
背景技术
随着移动通信技术的迅速发展和移动通信业务量的急剧增加，移动通信网络的覆盖区域在不断的扩大和完善，作为移动通信系统关键部件之一的基站天线相应地随着移动通信网络的建设而变得越来越重要。
传统的基站天线是通过在覆盖区域产生一个固定的宽波束来进行通信，这样由于容易产生干扰而使通信容量降低。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种抗干扰效果好的用于移动通信基站的单极化十波束天线。
一种用于移动通信基站的单极化十波束天线，包括金属地板、至少6列相互平行的直线天线阵、至少6个第一功分器、至少6个第二功分器、第一巴特勒矩阵馈电网络、第二巴特勒矩阵馈电网络，第一功分器的数量与直线天线阵的列数相等，第二功分器的数量与直线天线阵的列数相等，直线天线阵设置在金属地板的上表面，第一功分器和第二功分器设置在金属地板的下表面；
每列直线天线阵由至少2个相同的天线辐射单元组成，每个天线辐射单元由1个+45度极化方式的天线单元和1个-45度极化方式的天线单元组成，且+45度极化方式的天线单元和-45度极化方式的天线单元垂直交叉组合在一起；
第一巴特勒矩阵馈电网络的各输入端口与信号输入电缆连接，第一巴特勒矩阵馈电网络的各输出端口分别与各第一功分器的功率合成端口电性连接；第二巴特勒矩阵馈电网络的各输入端口与信号输入电缆连接，第二巴特勒矩阵馈电网络的各输出端口分别与各第二功分器的功率合成端口电性连接；
每个第一功分器的功率分配端口的数量与每列直线天线阵中的+45度极化方式的天线单元的个数相等，每个第二功分器的功率分配端口的数量与每列直线天线阵中的-45度极化方式的天线单元的个数相等；
每个第一功分器的各功率分配端口分别与同一列直线天线阵中的+45度极化方式的天线单元电性连接；每个第二功分器的各功率分配端口分别与同一列直线天线阵中的-45度极化方式的天线单元电性连接。
相邻两列直线天线阵的距离为0.3λ-1.5λ，每列直线天线阵中相邻天线辐射单元的距离为0.3λ-1.5λ。
各直线天线阵相互平行，且所有直线天线阵的两端相互对齐。
各直线天线阵相互平行，且所有奇数列的两端相互对齐，所有偶数列的两端相互对齐。
每个第一功分器的各功率分配端口的分配功率幅度是相同的，每个第一功分器的各相邻功率分配端口的分配功率具有相同的相位差，使垂直方向图有一个下倾角，下倾角的取值范围为0度到40度。
每个第二功分器的各功率分配端口的分配功率幅度是相同的，每个第二功分器的各相邻功率分配端口的分配功率具有相同的相位差，使垂直方向图有一个上倾角，上倾角的取值范围为0度到40度。
第一巴特勒矩阵馈电网络和第二巴特勒矩阵馈电网络的结构是相同的，当直线天线阵的列数等于6时，每个巴特勒矩阵馈电网络由1个六路巴特勒矩阵组成，六路巴特勒矩阵的各输入端口之间相互隔离，六路巴特勒矩阵的各输入端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输入端口，六路巴特勒矩阵的各输出端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输出端口。
第一巴特勒矩阵馈电网络和第二巴特勒矩阵馈电网络的结构是相同的，当直线天线阵的列数大于6时，每个巴特勒矩阵馈电网络由1个六路巴特勒矩阵和1个功分器网络组成，六路巴特勒矩阵的各输入端口之间相互隔离，六路巴特勒矩阵的各输出端口连接功分器网络的输入端口，功分器网络的输出端口的数量与直线天线阵的列数相等，六路巴特勒矩阵的各输入端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输入端口，功分器网络的各输出端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输出端口。
本发明的天线结构能在水平方向上形成5个固定指向的波束，在垂直方向上形成2个固定指向的波束，水平方向的5个波束之间的干扰小，且垂直方向的2个波束之间的干扰小。根据本发明的技术方案制成的十波束天线，抗干扰效果好，性能稳定，易于安装，能有效降低成本，很好地满足用户需求。
附图说明
图1为本发明总体结构的侧视图。
图2为本发明总体结构的俯视图。
图3为直线天线阵的平面排列示意图。
图4为天线辐射单元的示意图。
图5为第一功分器的示意图。
图6为第二功分器的示意图。
图7和图8为巴特勒矩阵馈电网络的示意图。
图9为六路巴特勒矩阵的结构示意图。
图10为三路巴特勒矩阵的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，本发明用于移动通信基站的单极化十波束天线包括至少6列相互平行的直线天线阵104（图1中是以10列为例进行说明）、金属地板103、至少6个第一功分器105（图2中是以10个为例进行说明）、至少6个第二功分器106（图2中是以10个为例进行说明）、第一巴特勒矩阵馈电网络107、第二巴特勒矩阵馈电网络108，第一功分器105的数量与直线天线阵104的列数相等，第二功分器106的数量与直线天线阵104的列数相等，直线天线阵104设置在金属地板103的上表面，第一功分器105和第二功分器106设置在金属地板103的下表面。
请参阅图3，相邻两列直线天线阵104的距离为0.3λ-1.5λ。每列直线天线阵104由至少2个（图3中是以10个为例进行说明）相同的天线辐射单元203组成，且每列中相邻天线辐射单元203的距离为0.3λ-1.5λ。其中，λ表示天线工作频段的中心频率在空气中对应的波长。
各直线天线阵104的排列方式有：
1、各直线天线阵相互平行，且所有直线天线阵的两端相互对齐。
2、各直线天线阵相互平行，且所有奇数列的两端相互对齐，所有偶数列的两端相互对齐。
请参阅图4，每个天线辐射单元203由1个+45度极化方式的天线单元202和1个-45度极化方式的天线单元201组成，且+45度极化方式的天线单元202和-45度极化方式的天线单元201垂直交叉组合在一起。
请参阅图5，每个第一功分器105具有1个功率合成端口402和若干个功率分配端口403，每个第一功分器105的功率分配端口403的数量与每列直线天线阵104中的+45度极化方式的天线单元的个数相等（图5中采用的是一分十功分器）。每个第一功分器105的各功率分配端口403的分配功率幅度和相位可以根据实际需求来确定。在本实施例中，每个第一功分器105的各功率分配端口403的分配功率幅度是相同的。每个第一功分器105的各相邻功率分配端口403的分配功率具有相同的相位差，使垂直方向图有一个下倾角，下倾角的取值范围为0度到40度，在本实施例中，下倾角为6度。
请参阅图6，每个第二功分器106具有1个功率合成端口404和若干个功率分配端口405，每个第二功分器106的功率分配端口404的数量与每列直线天线阵104中的-45度极化方式的天线单元的个数相等（图6中采用的是一分十功分器）。每个第二功分器106的各功率分配端口405的分配功率幅度和相位可以根据实际需求来确定。在本实施例中，每个第二功分器106的各功率分配端口405的分配功率幅度是相同的。每个第二功分器106的各相邻功率分配端口405的分配功率具有相同的相位差，使垂直方向图有一个上倾角，上倾角的取值范围为0度到40度，在本实施例中，上倾角为6度。
第一巴特勒矩阵馈电网络107和第二巴特勒矩阵馈电网络108的结构是相同的。当直线天线阵的列数等于6时，每个巴特勒矩阵馈电网络由1个六路巴特勒矩阵602组成，如图7所示。六路巴特勒矩阵602的各输入端口之间相互隔离，六路巴特勒矩阵602的各输入端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输入端口，六路巴特勒矩阵602的各输出端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输出端口。
当直线天线阵的列数大于6时，每个巴特勒矩阵馈电网络由1个六路巴特勒矩阵602和1个功分器网络601组成，如图8所示。六路巴特勒矩阵602的输入端口之间相互隔离，六路巴特勒矩阵602的输出端口连接功分器网络601的输入端口，功分器网络601的输出端口的数量与直线天线阵104的列数相同。
图9是六路巴特勒矩阵602的具体电路结构。图9中，701表示混合器，702表示移相器，703表示三路巴特勒矩阵。
图10是三路巴特勒矩阵703的具体电路结构。三路巴特勒矩阵703由第一混合器801、第二混合器802、第三混合器803、第一移相器804、第二移相器805、第三移相器806组成。每个混合器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口，每个移相器包括一个输入端口和一个输出端口。
第一混合器801的两个输入端口、第二混合器802的第二输入端口分别作为三路巴特勒矩阵的输入端口。
第一混合器801的第一输出端口通过第一移相器804与第三混合器803的第一输入端口连接，第一混合器801的第二输出端口与第二混合器802的第一输入端口连接，第二混合器802的第一输出端口与第三混合器803的第二输入端口连接；
第二移相器805的输入端口与第三混合器803的第一输出端口连接，第三移相器806的输入端口与第二混合器802的第二输出端口连接。
第二移相器805的输出端口、第三混合器803的第二输出端口、第三移相器806的输出端口分别作为三路巴特勒矩阵602的输出端口。
综上，本发明的整体电性连接关系如下：
第一巴特勒矩阵馈电网络107和第二巴特勒矩阵馈电网络108的各输入端口与信号输入电缆连接，第一巴特勒矩阵馈电网络107的各输出端口分别与各第一功分器105的功率合成端口402电性连接；第二巴特勒矩阵馈电网络108的各输出端口分别与各第二功分器106的功率合成端口404电性连接。每个第一功分器105的各功率分配端口403分别与同一列直线天线阵104中的+45度极化方式的天线单元202电性连接；每个第二功分器106的各功率分配端口405分别与同一列直线天线阵104中的-45度极化方式的天线单元201电性连接。
巴特勒矩阵馈电网络的各输入端口馈电时，输出端口的信号相位呈不同的线性变化。因此，巴特勒矩阵馈电网络的各输入端口馈电时，天线水平方向的辐射波束指向不同，其中输入端口1产生水平0度指向的波束，输入端口2产生水平+70度指向的波束，输入端口3产生水平+20度指向的波束，输入端口4产生水平-40度指向的波束，输入端口5产生水平-20度指向的波束，输入端口6产生水平+40度指向的波束。在本实施例中，输入端口2连接50欧姆负载，即一个巴特勒矩阵馈电网络能产生5个水平方向不同指向的波束。
当第一巴特勒矩阵馈电网络107的5个端口同时馈电时，天线产生水平指向0度、±20度、±40度的5个波束，且这5个波束在垂直方向下倾6度；当第二巴特勒矩阵馈电网络108的5个端口同时馈电时，天线产生水平指向0度、±20度、±40度的5个波束，且这5个波束在垂直方向上倾6度。因此，当这两个巴特勒矩阵馈电网络的10个端口同时馈电时，天线能产生5个水平方向图指向0度、±20度、±40度和垂直方向图具有6度下倾的波束，同时天线能产生5个水平方向图指向0度、±20度、±40度和垂直方向图具有6度上倾的波束，即天线能产生10个波束。
本发明的天线结构能在水平方向上形成5个固定指向的波束，在垂直方向上形成2个固定指向的波束，水平方向的5个波束之间的干扰小，且垂直方向的2个波束之间的干扰小。根据本发明的技术方案制成的十波束天线，性能稳定，易于安装，能有效降低成本，很好地满足用户需求。
以上所述为本发明的优选实施例而已，本发明的实施和要求保护的范围并不局限于上述实施例的范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。特别需要强调的是本发明的波束的指向和波束宽度可以根据不同的需求做出调整，通过调整本方案中直线天线阵的列数、相邻两列直线天线阵之间的距离、每列直线天线阵的辐射单元个数、相邻辐射单元之间的距离、功分器功率分配端口的分配功率幅度和相位，从而调节波束指向和宽度的改动亦在本发明保护范围之内。另外，通过调整馈电端口的数量而改变水平波束的数量的改动也在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于移动通信基站的单极化十波束天线，其特征在于：包括金属地板、至少6列相互平行的直线天线阵、至少6个第一功分器、至少6个第二功分器、第一巴特勒矩阵馈电网络、第二巴特勒矩阵馈电网络，第一功分器的数量与直线天线阵的列数相等，第二功分器的数量与直线天线阵的列数相等，直线天线阵设置在金属地板的上表面，第一功分器和第二功分器设置在金属地板的下表面；
每列直线天线阵由至少2个相同的天线辐射单元组成，每个天线辐射单元由1个+45度极化方式的天线单元和1个-45度极化方式的天线单元组成，且+45度极化方式的天线单元和-45度极化方式的天线单元垂直交叉组合在一起；
第一巴特勒矩阵馈电网络的各输入端口与信号输入电缆连接，第一巴特勒矩阵馈电网络的各输出端口分别与各第一功分器的功率合成端口电性连接；第二巴特勒矩阵馈电网络的各输入端口与信号输入电缆连接，第二巴特勒矩阵馈电网络的各输出端口分别与各第二功分器的功率合成端口电性连接；
每个第一功分器的功率分配端口的数量与每列直线天线阵中的+45度极化方式的天线单元的个数相等，每个第二功分器的功率分配端口的数量与每列直线天线阵中的-45度极化方式的天线单元的个数相等；
每个第一功分器的各功率分配端口分别与同一列直线天线阵中的+45度极化方式的天线单元电性连接；每个第二功分器的各功率分配端口分别与同一列直线天线阵中的-45度极化方式的天线单元电性连接；
第一巴特勒矩阵馈电网络和第二巴特勒矩阵馈电网络的结构是相同的，每个巴特勒矩阵馈电网络包括1个六路巴特勒矩阵；
六路巴特勒矩阵由3个混合器、3个移相器和2个三路巴特勒矩阵组成；
三路巴特勒矩阵由第一混合器、第二混合器、第三混合器、第一移相器、第二移相器、第三移相器组成；
每个混合器包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口，每个移相器包括一个输入端口和一个输出端口；
第一混合器的两个输入端口、第二混合器的第二输入端口分别作为三路巴特勒矩阵的输入端口；
第一混合器的第一输出端口通过第一移相器与第三混合器的第一输入端口连接，第一混合器的第二输出端口与第二混合器的第一输入端口连接，第二混合器的第一输出端口与第三混合器的第二输入端口连接；
第二移相器的输入端口与第三混合器的第一输出端口连接，第三移相器的输入端口与第二混合器的第二输出端口连接；
第二移相器的输出端口、第三混合器的第二输出端口、第三移相器的输出端口分别作为三路巴特勒矩阵的输出端口。
2.根据权利要求1所述的用于移动通信基站的单极化十波束天线，其特征在于：相邻两列直线天线阵的距离为0.3λ-1.5λ，每列直线天线阵中相邻天线辐射单元的距离为0.3λ-1.5λ。
3.根据权利要求1所述的用于移动通信基站的单极化十波束天线，其特征在于：各直线天线阵相互平行，且所有直线天线阵的两端相互对齐。
4.根据权利要求1所述的用于移动通信基站的单极化十波束天线，其特征在于：各直线天线阵相互平行，且所有奇数列的两端相互对齐，所有偶数列的两端相互对齐。
5.根据权利要求1所述的用于移动通信基站的单极化十波束天线，其特征在于：每个第一功分器的各功率分配端口的分配功率幅度是相同的，每个第一功分器的各相邻功率分配端口的分配功率具有相同的相位差，使垂直方向图有一个下倾角，下倾角的取值范围为0度到40度。
6.根据权利要求1所述的用于移动通信基站的单极化十波束天线，其特征在于：每个第二功分器的各功率分配端口的分配功率幅度是相同的，每个第二功分器的各相邻功率分配端口的分配功率具有相同的相位差，使垂直方向图有一个上倾角，上倾角的取值范围为0度到40度。
7.根据权利要求1所述的用于移动通信基站的单极化十波束天线，其特征在于：第一巴特勒矩阵馈电网络和第二巴特勒矩阵馈电网络的结构是相同的，当直线天线阵的列数等于6时，每个巴特勒矩阵馈电网络由1个六路巴特勒矩阵组成，六路巴特勒矩阵的各输入端口之间相互隔离，六路巴特勒矩阵的各输入端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输入端口，六路巴特勒矩阵的各输出端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输出端口。
8.根据权利要求1所述的用于移动通信基站的单极化十波束天线，其特征在于：第一巴特勒矩阵馈电网络和第二巴特勒矩阵馈电网络的结构是相同的，当直线天线阵的列数大于6时，每个巴特勒矩阵馈电网络由1个六路巴特勒矩阵和1个功分器网络组成，六路巴特勒矩阵的各输入端口之间相互隔离，六路巴特勒矩阵的各输出端口连接功分器网络的输入端口，功分器网络的输出端口的数量与直线天线阵的列数相等，六路巴特勒矩阵的各输入端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输入端口，功分器网络的各输出端口作为巴特勒矩阵馈电网络的输出端口。
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