CN103441338A

CN103441338A - 一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线

Info

Publication number: CN103441338A
Application number: CN2013104080975A
Authority: CN
Inventors: 洪伟; 李林盛; 陈鹏; 陈继新; 蒯振起; 陈喆
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: CN103441338B

Abstract

本发明公开了一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线阵列，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和中频功分器/合路器与若干射频收发模块相连，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，本发明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，最后中频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远程控制，这样整个阵列的波束在水平和垂直方向的指向可以进行配置和扫描，并可调整辐射强度和覆盖范围。

Description

一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线

技术领域

本发明涉及一种有源天线领域，尤其是涉及一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线。

背景技术

天线是各种无线通信系统的关键部件之一，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、馈电网络的插入损耗以及馈线的损耗会大大降低整个系统的效率，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系统的效率，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：天馈系统）整体考虑更适合描述和分析无线通信系统的性能。为此，我们定义天馈效率如下

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

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。

为了解决此问题，人们开始在实际应用中大量采用塔顶射频技术，即将部分射频或整个射频子系统置于塔顶天线附近，这样就可将馈线电缆压缩到1m左右，损耗缩减到1dB以内（包括接头损耗）。采用这种技术之后，显然可将天馈系统的损耗减小到3dB以下，从而可使得天馈效率达到50%～70%。

最近，有源一体化天线成为研究热点，其基本思想是将馈线电缆全部去掉，将部分或整个射频子系统与天线集成在一起。考虑到天线阵列的馈电网络仍然存在，采用有源一体化天线技术后，天馈效率可提高到80%左右。

但除了效率，实际中还经常要求基站天线方向图下倾角可电调，甚至方向图垂直面可赋形，水平面可扫描也是期望的。

因此，研究和实现高效率、波束可控、低功耗、低成本以及支持光纤无线电(Radioover Fiber，以下简称ROF)的各种优良特性的新型天线技术显得极为迫切。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高效节能波束可控的有源一体化天线，使其在水平和垂直平面内波束可控，并支持ROF。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线阵列，包括光模块、中频收发模块、中频信号功分器/合路器，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中频信号功分器/合路器相连接；中频信号功分器/合路器与若干射频收发模块相连，且每个射频收发模块连接有一个天线单元。

射频收发模块包括与天线单元相连的一号射频开关，一号射频开关的接收端口通过一号射频滤波器、低噪声放大器与二号射频开关的接收端口相连，一号射频开关的发射端口通过放大器与二号射频开关的发射端口相连；二号射频开关的公共端口通过二号射频滤波器与混频器的射频端口相连，混频器的中频端口与中频信号功分器/合路器相连，所述混频器的本振端口与移相器相连。

射频收发模块工作于接收状态时，天线单元的馈电端口通过一号射频开关依次连接一号射频滤波器、低噪声放大器、二号射频开关，二号射频滤波器和混频器与中频合路器相连；射频收发模块工作于发射状态时，中频信号通过中频功分器与各个通道的射频收发模块相连接，每个通道的中频信号经过混频器，二号射频滤波器,二号射频开关，放大器和一号射频开关后连接到天线单元。

与传统的阵列天线不同，本发明采用中频模拟ROF，本发明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远程控制，每个通道都增加了一个高精度低损耗数控移相器，并且移相器可通过远程进行配置，通过对移相器的远程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，这样整个阵列的波束在水平和垂直方向便可以进行扫描。本发明中二维天线阵列中的每一列天线可以单独控制使之处于工作或关闭状态，天线阵列可以根据需要配置为二维相控阵（多列协同工作）或由多列垂直方向波束可控的子阵列组成的多波束天线（每一列单独工作），并且可以关闭其中的某一列或多列天线阵，调整辐射强度和覆盖范围。

更进一步的，本发明提供的天线阵列为二维均匀天线阵列，天线单元和与之相连接的射频收发模块被布置为均匀的二维平面天线阵列，如矩形、圆形、多边形等等二维平面天线阵列，作为本发明优选实例，选用矩形行列结构，包括了M列，每一列中都包含了N个单元，每个单元包括一个天线单元和与之对应的射频收发模块，所有的射频收发模块通过中频功分器/合路器与中频收发模块相连接。

有益效果：本发明具有以下优点：

（1）本发明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，系统的天馈效率可达80%～90%。

（2）本发明水平和垂直面内波束可进行扫描，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，每个通道都增加了一个高精度低损耗数控移相器，并且移相器可通过远程进行配置，通过对移相器的远程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水平和垂直平面内的波束扫描。

（3）本发明中二维天线阵列中的每一列天线都可以单独控制使之处于工作或关闭状态，天线阵列可以根据需要配置为二维相控阵（多列协同工作）或由多列垂直方向波束可控的子阵列组成的多波束天线（每一列单独工作），并且可以根据需要关闭其中的某一列或多列天线阵，调整辐射强度和覆盖范围。

（4）本发明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系统的稳定性。

（5）本发明采用中频模拟RoF，可进行低损耗传输，组网方便。

附图说明

图1为本发明中可远程控制的二维平面相控有源一体化天线的结构示意图。

图2为图1中射频收发模块的结构示意图。

图3为本发明的天线工作于二维相控阵状态下水平方向的波束扫描（以10°为间隔）。

图4为本发明的天线工作于二维相控阵状态下垂直方向的波束扫描（以10°为间隔）。

图5为本发明优选实施例的天线阵列的一部分列工作时天线阵列水平面波束的图形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线阵列，包括光模块1、中频收发模块2、中频信号功分器/合路器3，射频收发模块4和天线单元5；与近端机相连的光模块1通过中频收发模块2与中频信号功分器/合路器3相连接；中频信号功分器/合路器3与若干射频收发模块4相连，且每个射频收发模块4连接有一个天线单元5。电源为整个可远程控制的二维平面相控有源一体化天线供电，光模块1通过光纤与近端机的模拟光模块相连。

射频收发模块4包括与天线单元5相连的一号射频开关41，一号射频开关41的接收端口通过一号射频滤波器42、低噪声放大器43与二号射频开关44的接收端口相连，一号射频开关41的发射端口通过放大器48与二号射频开关44的发射端口相连；二号射频开关44的公共端口通过二号射频滤波器45与混频器46的射频端口相连，混频器46的中频端口与中频信号功分器/合路器3相连，混频器46的本振端口与移相器47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传输给电路。系统工作于发射模式时，中频收发模块2中的发射部分将从光模块1传递来的中频信号进行放大处理后，然后经中频功分器3传递给各个射频发射通道；系统工作于接收模式时，中频合路器3将从各个射频收发模块4中的中频信号进行合路，再通过中频收发模块2的接收部分进行放大后传递给光模块1。

射频收发模块4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/合路器3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5；射频接收模块42和43将天线单元5传递来的弱信号进行滤波和放大后，并进行移相和下变频到中频频率，然后各个通道的信号在中频功分器/合路器3里面完成合路。

天线单元5是一个能量转化装置，将射频发射模块4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4。

如图2所示，所述的射频收发模块4包括依次与中频功分器/合路器3相连的混频器46、与本振信号相连接的移相器47、二号射频滤波器45、二号射频开关44、低噪声放大器43、一号射频滤波器42、放大器48、一号射频开关41；一号射频开关41的另一端与天线单元5的馈电端口相连；天线单元5的馈电端口还通过一号射频开关41依次连接一号射频滤波器42，低噪声放大器43、二号射频开关44、二号射频滤波器45和混频器46，混频器46与中频功分器/合路器3相连。混频器46、二号射频滤波器45、二号射频开关44、放大器48、一号射频开关41组成了射频收发模块4的发射部分；一号射频开关41、一号射频滤波器42、低噪声放大器43、二号射频开关44、二号射频滤波器45和混频器46组成了射频收发模块4的接收部分。射频收发模块中的低噪声放大器43和放大器48的电源可远程控制，在实际需要时可以设置部分天线单元的射频收发模块处于工作或者关闭状态，从而调节整个天线阵列辐射的波束形状和辐射功率。

射频收发模块4通过控制本振信号通道上的移相器47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，从而实现水平和垂直平面内的波束扫描。

本发明的每个天线单元5都与一个独立的射频收发模块4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，降低了系统对散热方面的要求，并可以进一步降低系统的成本和电路面积；同时因为最大发射功率的降低，在FDD系统中可以降低对双工器的功率容量的要求，进一步降低系统的成本和体积。

相比传统的RRU，本发明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水平和垂直平面内的波束扫描。

本发明的中的射频收发模块4的相位可以远程控制（比如通过添加远程通信接口等），通过设置移相器47到特定的相位，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4直接通过接头与天线单元5相连接，降低了馈线和馈电网络的损耗，提高了天馈效率。

下面结合本发明的一个实施例天线来进一步说明，该实施例天线为可远程控制的二维平面相控有源一体化天线，其射频工作频段为2.3GHz～2.4GHz，系统工作在TDD模式，收发通过开关进行切换，中频频率为1GHz～1.1GHz，阵列为32单元均匀分布平面阵列，垂直方向上每列包含8个单元，水平方向共有4列，相邻的各单元之间间距相同，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57dBm（1dB的损耗）。阵列的辐射波束在垂直平面的3dB波束宽度为10°，水平平面内的3dB波束宽度为24°，水平和垂直平面内的波束均可在±40°范围内指向任意角度。

图3和图4为本发明天线的水平和垂直平面内波束扫描结果，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，水平和垂直平面内的波束扫描均可以在±40°范围内精确指向要求的位置。

图3和图4给出了实施例有源天线在水平和垂直平面内的波束扫描结果，从结果可以看出，该有源一体化天线阵列的波束在水平和垂直平面内可根据系统需要进行调整，将该实施例天线用作移动通信的基站天线系统时，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系统的稳定性。

图5给出了该实施例天线阵列的一部分列工作时天线阵列水平面内波束的图形，图5给出了1列、2列和4列天线工作时水平面内天线阵波束的对比，在将该实施例天线用作移动通信的基站天线系统时，可以根据业务需要适时关闭或打开一列或多列天线，在覆盖范围和功耗中得到最优化配置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线阵列，其特征在于：包括光模块（1）、中频收发模块（2）、中频信号功分器/合路器（3），射频收发模块（4）和天线单元（5）；与近端机相连的光模块（1）通过中频收发模块（2）与中频信号功分器/合路器（3）相连接；所述中频信号功分器/合路器（3）与若干发射模块连接，所述发射模块包括射频收发模块（4）和天线单元（5）；

所述射频收发模块（4）包括与天线单元（5）相连的一号射频开关（41），所述一号射频开关（41）的接收端口通过一号射频滤波器（42）、低噪声放大器（43）与二号射频开关（44）的接收端口相连，所述一号射频开关（41）的发射端口通过放大器（48）与二号射频开关（44）的发射端口相连；所述二号射频开关（44）的公共端口通过二号射频滤波器（45）与混频器（46）的射频端口相连，所述混频器（46）的中频端口与中频信号功分器/合路器（3）相连，所述混频器（46）的本振端口与移相器（47）相连。

2.根据权利要求1所述的一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线阵列，其特征在于：该天线阵列为二维均匀天线阵列。

3.根据权利要求2所述的一种可远程控制的二维平面相控有源一体化天线阵列，其特征在于：所述二维均匀天线阵列为矩形行列结构，记该天线阵列包括了M列，每一列中都包含了N个发射模块单元，且每个发射模块单元包括一个天线单元（5）和一个射频收发模块（4）。