CN105098383A - 多波束天线系统及其相位调节方法和双极化天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波束天线系统及其相位调节方法和双极化天线系统，涉及通信技术领域，实现较大的辐射覆盖范围。该多波束天线系统包括：连接于射频端口的一维多波束形成模块，多波束形成单元用于将射频端口传输的射频信号转换为具有不同相位的M路射频信号；二维多波束形成模块，二维多波束形成模块包括M个第一功分单元，每个第一功分单元的P条输出支路上设置有移相器；连接于第二多波束形成模块的M×N个辐射单元，M×N个辐射单元形成一个具有N行M列的矩阵，M列辐射单元分别连接于M个第一功分单元，每列射频单元中的N个辐射单元分别连接于一个第一功分单元的N条输出支路，与设置有移相器的输出支路连接的M×P个辐射单元组成P行M列的矩阵。

Description

多波束天线系统及其相位调节方法和双极化天线系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多波束天线系统及其相位调节方法和双极化天线系统。
背景技术
天线是一种能量转换器，能够将传输线上传播的导行波变换成在空间电磁波，或者进行相反的变换，在无线通信中用来发射或接收电磁波。无线通信系统中最常见传统天线为：玻璃钢全向天线、板状定向天线以及小型的鞭状天线等。很多时候人们需要天线具有最大的覆盖范围和最远的覆盖距离，即天线具有最大的波束宽度和最大的增益，而在单一波束天线上这两者是相互矛盾的。
多波束天线具有多波束的辐射能力，可以在不降低天线增益的情况下提升辐射覆盖的范围。但是，传统多波束天线的辐射覆盖范围仍然比较小。
发明内容
本发明提供一种多波束天线系统及其相位调节方法和双极化天线系统，实现较大的辐射覆盖范围。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种多波束天线系统，包括：
射频端口；
连接于所述射频端口的一维多波束形成模块，所述一维多波束形成模块包括多波束形成单元和连接于所述多波束形成单元的第一相位控制单元，所述多波束形成单元用于将所述射频端口传输的射频信号转换为具有不同相位的M路射频信号，其中M为大于1的整数，所述多波束形成单元具有用于分别输出所述M路射频信号的M个输出端，所述第一相位控制单元用于调节所述M路射频信号的相位；
连接于所述一维多波束形成模块的二维多波束形成模块，所述二维多波束形成模块包括移相器、连接于所述移相器的第二相位控制单元和分别连接于所述多波束形成单元中M个输出端的M个第一功分单元，每个第一功分单元用于将一路射频信号功分为N路射频信号，其中N为大于1的整数，每个第一功分单元具有用于分别输出所述N路射频信号的N条输出支路，所述N条输出支路中的P条输出支路上设置有所述移相器，P为大于等于1的整数，所述第二相位控制单元用于调节所述移相器进行移相时的相位；
连接于所述第二多波束形成模块的M×N个辐射单元，所述M×N个辐射单元形成一个具有N行M列的矩阵，所述M列辐射单元分别连接于所述M个第一功分单元，每列射频单元中的N个辐射单元分别连接于一个第一功分单元的N条输出支路，在所述N行M列的矩阵中，与所述M个第一功分单元中设置有移相器的输出支路连接的M×P个辐射单元组成P行M列的矩阵。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，每个第一功分单元包括第一功分器，所述第一功分器具有Q个输出端，所述第一功分器用于将一路射频信号功分为Q路射频信号，Q为大于1的整数；
每个第一功分单元还包括分别连接于所述第一功分器Q个输出端的Q个第二功分器，每个第二功分器包括R个输出端，每个第二功分器用于将一路射频信号功分为R路射频信号，R为大于1的整数，Q×R＝N；
在所述N行M列的矩阵中，每列射频单元中的N个辐射单元分别连接于Q个第二功分器的N个输出端。
结合第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第二种实现方式中，在每个第一功分单元中包括移相器的输出支路上，第一功分器通过移相器连接于第二功分器，或者第二功分器通过移相器连接于辐射单元。
结合第一方面的第二种实现方式，在第一方面的第三种实现方式中，与同一行的M个辐射单元分别连接的M个移相器组成联动移相器，所述联动移相器用于使多路射频信号以相同的相位移相。
结合第一方面或第一方面的第一至第三种实现方式中的任意一种，在第一方面的第四种实现方式中，所述多波束形成单元包括butler矩阵和S选一开关，所述butler矩阵通过所述S选一开关连接于所述射频端口；
所述butler矩阵包括S个输入端，S为大于1的整数，所述S选一开关包括S个输出端，所述S选一开关的S个输出端分别连接于所述butler矩阵的S个输入端；
所述第一相位控制单元连接于所述S选一开关的控制端，所述第一相位控制单元用于控制所述S选一开关在所述S个输出端中选择一个进行输出。
结合第一方面或第一方面的第一至第三种实现方式中的任意一种，在第一方面的第五种实现方式中，所述多波束形成单元包括第二功分单元和连接于所述第二功分单元的移相单元，所述移相单元连接于所述第一相位控制单元。
第二方面，提供一种双极化天线系统，包括两个上述的多波束天线系统；一个多波束天线系统中的每个辐射单元分别与另一个多波束天线系统中的每个辐射单元一一对应组成双极化辐射单元。
第三方面，提供一种多波束天线系统的相位调节方法，用于上述的多波束天线系统，包括：
调节多波束形成单元形成的M路射频信号的相位，使所述M路射频信号具有不同的相位；
对每个第一功分单元中N路射频信号中的P路射频信号进行移相，在M个第一功分单元中，输出至同一行的M个辐射单元的M路射频信号进行相同相位的移相。
本发明提供的多波束天线系统及其相位调节方法和双极化天线系统，形成矩阵式的辐射单元，并分别通过一维多波束形成模块和二维多波束形成模块分别调节矩阵式的辐射单元中两个维度上的最大增益方向，从而实现较大的辐射覆盖范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例一中一种多波束天线系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一中另一种多波束天线系统的结构示意图；
图3为本发明实施例二中一种第一功分单元的结构示意图；
图4为本发明实施例二中一种多波束天线系统的结构示意图；
图5为本发明实施例二中另一种第一功分单元的结构示意图；
图6为本发明实施例二中另一种第一功分单元的结构示意图；
图7为本发明实施例二中另一种第一功分单元的结构示意图；
图8为本发明实施例三中一种多波束天线系统的结构示意图；
图9为本发明实施例四中一种双极化辐射单元形成矩阵的结构示意图。
具体实施方式
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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种多波束天线系统，包括：射频端口1；连接于射频端口1的一维多波束形成模块2，一维多波束形成模块2包括多波束形成单元21和连接于多波束形成单元21的第一相位控制单元22，多波束形成单元21用于将射频端口1传输的射频信号转换为具有不同相位的M路射频信号，其中M为大于1的整数，多波束形成单元21具有用于分别输出上述M路射频信号的M个输出端，第一相位控制单元22用于调节上述M路射频信号的相位；连接于一维多波束形成模块2的二维多波束形成模块3，二维多波束形成模块3包括移相器32、连接于移相器32的第二相位控制单元33和分别连接于一维多波速形成模块2中M个输出端的M个第一功分单元31，每个第一功分单元31用于将一路射频信号功分为N路射频信号，其中N为大于1的整数，每个第一功分单元31具有用于分别输出上述N路射频信号的N条输出支路，上述N条输出支路中的P条输出支路上设置有移相器32，P为大于等于1的整数，上述第二相位控制单元33用于调节移相器32进行移相时的相位；连接于第二多波束形成模块3的M×N个辐射单元4，M×N个辐射单元4形成一个具有N行M列的矩阵，M列辐射单元4分别连接于M个第一功分单元31，每列射频单元4中的N个辐射单元分别连接于一个第一功分单元31的N条输出支路，在上述N行M列的矩阵中，与上述M个第一功分单元31中设置有移相器32的输出支路连接的M×P个辐射单元4组成P行M列的矩阵。需要说明的是，上述第一相位控制单元22和第二相位控制单元33可以是两个单独的单元，分别为多波束形成单元21和移相器32提供相应的控制信号；或者如图2所示，上述第一相位控制单元和第二相位控制单元为同一个相位控制单元5，分别为多波束形成单元21和移相器32提供相应的控制信号。
具体地，首先射频端口1将射频信号传输至多波束形成单元21，多波束形成单元21将该射频信号转换为具有不同相位的M路射频信号并分别传输至M个第一功分单元31，每个第一功分单元31将接收到的一路射频信号进行功率分配为多路射频信号，经过功率分配后的一路或多路(图1中只示出了一路)射频信号直接传输至相应的辐射单元4，经过功率分配后的另外一路或多路射频信号由移相器32移相后传输至相应的辐射单元4，M×N个辐射单元4辐射各自接收到的射频信号。同一方向上的多个辐射单元的最大增益由这几个辐射单元的射频信号之间的相位差决定。首先，多波束形成单元21将一维多波束形成模块2输出的M路射频信号设置为不同相位，之后移相器32将每个第一功分单元31中P条输出支路上的射频信号进行移相，在M个第一功分单元31中，输出至同一行的M个辐射单元4的M路射频信号进行相同相位的移相，以保证移相器32不会改变同一行的M个辐射单元4的M路射频信号之间相位差。
例如，如图1所示，M＝4、N＝2、P＝1，一维多波束形成模块2输出的四路射频信号相位分别为-45度、-90度、-135度和-180度，每一路射频信号在第一功分单元31被分为相同相位的第一射频信号和第二射频信号，四路第一射频信号分别输出至第一行的四个射频单元4，四路第二射频信号以10度的相位进行移相并分别输出至第二行的四个射频单元4，第一行的四个射频单元4接收到的四路射频信号相位分别为-45度、-90度、-135度和-180度，第二行的四个射频单元4接收到的四路射频信号相位分别为-35度、-80度、-125度和-170度。在矩阵中，一行或一列射频单元的最大增益方向由该行或该列上多个射频单元射频信号的相位差决定，因此，第一维度(横向)的最大增益方向由一维多波束形成模块2调节决定，第二维度(纵向)的最大增益方向由二维多波束形成模块3调节决定，从而实现分别调节两个维度的最大增益方向。
本实施例中的多波束天线系统，形成矩阵式的辐射单元，并分别通过一维多波束形成模块和二维多波束形成模块分别调节矩阵式的辐射单元中两个维度上的最大增益方向，从而实现较大的辐射覆盖范围。
实施例二
在实施例一的基础上，具体地，如图3所示，每个第一功分单元31包括第一功分器311，第一功分器311具有Q个输出端，第一功分器311用于将一路射频信号功分为Q路射频信号，Q为大于1的整数；每个第一功分单元31还包括分别连接于第一功分器311中Q个输出端的Q个第二功分器312，每个第二功分器312包括R个输出端，每个第二功分器312用于将一路射频信号功分为R路射频信号，R为大于1的整数，Q×R＝N；如图4所示，在上述N行M列的矩阵中，每列射频单元4中的N个辐射单元4分别连接于Q个第二功分器的N个输出端(图4中未示出第二功分器)。
具体地，如图3所示，在每个第一功分单元31中包括移相器32的输出支路上，第二功分器312通过移相器32连接于第一功分器311；或者如图5所示，第二功分器312通过移相器32连接于辐射单元4；或者如图6所示，在第一功分单元31的部分输出支路中，第二功分器312通过移相器32连接于第一功分器311，在第一功分单元31的另外部分输出支路中，第二功分器312通过移相器32连接于辐射单元4。
具体地，由于要求输出至同一行的M个辐射单元4的M路射频信号进行相同相位的移相，因此与同一行的M个辐射单元4分别连接的M个移相器32组成联动移相器，联动移相器用于使多路射频信号以相同的相位移相，联动移相器与多个单独的移相器相比成本更低。
需要说明的是，如图7所示，在每个第一功分单元31中，设置有移相器32的输出支路可以被没有设置移相器的输出支路隔开。另外，上述辐射单元4用于射频信号的发射和接收，可以采用常见的对称偶极子或垂直极化等方式设置，辐射单元4间距可以根据波束覆盖范围调整，通常为二分之一波长。上述多波束天线系统可以扩展为多输入输出(MultiInputandMultipleOutput,MIMO)天线。
多波束天线系统的具体工作过程和原理与实施例一相同，在此不再赘述。
本实施例中的多波束天线系统，形成矩阵式的辐射单元，并分别通过一维多波束形成模块和二维多波束形成模块分别调节矩阵式的辐射单元中两个维度上的最大增益方向，从而实现较大的辐射覆盖范围。另外，在实现矩阵式的辐射单元辐射不同相位的射频信号时，无需对应每个辐射单元都单独设置用于移相的器件，只需要先根据一个维度的波束要求进行相位调节，再根据另一个维度的波束要求进行相位调节，通过两次调节后的相位叠加得到具有不同相位的多路射频信号，最终实现矩阵式的辐射单元辐射不同相位的射频信号，从而可以配合联动移相器使用，这样在移相过程中使用的用于移相的器件数量较少，降低了天线系统的复杂程度，节约了成本。
实施例三
在实施例一和二的基础上，如图8所示，上述多波束形成单元21可以包括butler矩阵23和S选一开关24，butler矩阵23通过S选一开关24连接于射频端口1；butler矩阵23包括S个输入端，S为大于1的整数，S选一开关24包括S个输出端，S选一开关24的S个输出端分别连接于butler矩阵23的S个输入端；第一相位控制单元22连接于S选一开关24的控制端，第一相位控制单元22用于控制S选一开关24在上述S个输出端中选择一个进行输出。butler矩阵23的不同输入端输入射频信号时，butler矩阵23具有不同的模式，在不同模式下butler矩阵23输出的射频信号相位不同，因此S选一开关24可以实现对butler矩阵23输出的射频信号的相位调节。
上述使用butler矩阵和S选一开关配合的方式成本较低，另外上述多波束形成单元可以包括第二功分单元和连接于上述第二功分单元的移相单元，移相单元连接于第一相位控制单元，此时第一相位控制单元直接调节移相单元进行移相时的相位，即通过由第二功分单元实现将射频端口传输的射频信号转换为M路射频信号，通过第一相位控制单元和移相单元实现使该M路射频信号具有不同相位。
多波束天线系统的具体工作过程和原理与实施例一相同，在此不再赘述。
本实施例中的多波束天线系统，形成矩阵式的辐射单元，并分别通过一维多波束形成模块和二维多波束形成模块分别调节矩阵式的辐射单元中两个维度上的最大增益方向，从而实现较大的辐射覆盖范围。另外，在实现矩阵式的辐射单元辐射不同相位的射频信号时，无需对应每个辐射单元都单独设置用于移相的器件，只需要先根据一个维度的波束要求进行相位调节，再根据另一个维度的波束要求进行相位调节，通过两次调节后的相位叠加得到具有不同相位的多路射频信号，最终实现矩阵式的辐射单元辐射不同相位的射频信号，从而可以配合butler矩阵使用，butler矩阵通过电桥来实现射频信号的相位调节功能，电桥与移相器相比成本更低。
实施例四
在实施例一、二或三的基础上，本实施例提供一种双极化天线系统，包括两个上述的多波束天线系统；如图9所示，一个多波束天线系统中的每个辐射单元分别与另一个多波束天线系统中的每个辐射单元一一对应组成双极化辐射单元。
其中每个多波束天线系统的具体工作过程和原理与实施例一相同，在此不再赘述。
本实施例中的双极化天线系统，形成矩阵式的辐射单元，并分别通过一维多波束形成模块和二维多波束形成模块分别调节矩阵式的辐射单元中两个维度上的最大增益方向，从而实现较大的辐射覆盖范围。
实施例五
基于实施例一、二或三，本实施例提供一种多波束天线系统的相位调节方法，用于上述的多波束天线系统，包括：
步骤101、调节多波束形成单元形成的M路射频信号的相位，使上述M路射频信号具有不同的相位；
步骤102、对每个第一功分单元中N路射频信号中的P路射频信号进行移相，在M个第一功分单元中，输出至同一行的M个辐射单元的M路射频信号进行相同相位的移相。
多波束天线系统的具体工作过程和原理与上述实施例相同，在此不再赘述。
本实施例中的多波束天线系统的相位调节方法，形成矩阵式的辐射单元，并分别通过一维多波束形成模块和二维多波束形成模块分别调节矩阵式的辐射单元中两个维度上的最大增益方向，从而实现较大的辐射覆盖范围。
需要说明的是，调节辐射单元辐射的射频信号相位可以实现调节波束辐射路径，上述各实施例中的多波束天线系统及其相位调节方法和双极化天线系统适用于需要调节波束辐射路径的各种应用场景。例如：室内WIFI场景，用户的位置不固定，WIFI热点需要随时调节波束辐射路径来跟踪用户；小站回传天线场景，回传天线与基站点对点传输，波束很窄，在安装天线时难以完全对准基站，上述实施例中的多波束天线系统可以通过调节波束辐射路径来实现天线与基站的对准，且增加了天线的鲁棒性；车载基站/车载回传天线场景，车子处于运动状态，需要随时调节波束辐射路径来实现天线与基站的对准。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多波束天线系统，其特征在于，包括：
射频端口；
连接于所述射频端口的一维多波束形成模块，所述一维多波束形成模块包括多波束形成单元和连接于所述多波束形成单元的第一相位控制单元，所述多波束形成单元用于将所述射频端口传输的射频信号转换为具有不同相位的M路射频信号，其中M为大于1的整数，所述多波束形成单元具有用于分别输出所述M路射频信号的M个输出端，所述第一相位控制单元用于调节所述M路射频信号的相位；
连接于所述一维多波束形成模块的二维多波束形成模块，所述二维多波束形成模块包括移相器、连接于所述移相器的第二相位控制单元和分别连接于所述多波束形成单元中M个输出端的M个第一功分单元，每个第一功分单元用于将一路射频信号功分为N路射频信号，其中N为大于1的整数，每个第一功分单元具有用于分别输出所述N路射频信号的N条输出支路，所述N条输出支路中的P条输出支路上设置有所述移相器，P为大于等于1的整数，所述第二相位控制单元用于调节所述移相器进行移相时的相位；
连接于所述第二多波束形成模块的M×N个辐射单元，所述M×N个辐射单元形成一个具有N行M列的矩阵，所述M列辐射单元分别连接于所述M个第一功分单元，每列射频单元中的N个辐射单元分别连接于一个第一功分单元的N条输出支路，在所述N行M列的矩阵中，与所述M个第一功分单元中设置有移相器的输出支路连接的M×P个辐射单元组成P行M列的矩阵。
2.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于，
每个第一功分单元包括第一功分器，所述第一功分器具有Q个输出端，所述第一功分器用于将一路射频信号功分为Q路射频信号，Q为大于1的整数；
每个第一功分单元还包括分别连接于所述第一功分器Q个输出端的Q个第二功分器，每个第二功分器包括R个输出端，每个第二功分器用于将一路射频信号功分为R路射频信号，R为大于1的整数，Q×R＝N；
在所述N行M列的矩阵中，每列射频单元中的N个辐射单元分别连接于Q个第二功分器的N个输出端。
3.根据权利要求2所述的多波束天线系统，其特征在于，
在每个第一功分单元中包括移相器的输出支路上，第一功分器通过移相器连接于第二功分器，或者第二功分器通过移相器连接于辐射单元。
4.根据权利要求3所述的多波束天线系统，其特征在于，
与同一行的M个辐射单元分别连接的M个移相器组成联动移相器，所述联动移相器用于使多路射频信号以相同的相位移相。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的多波束天线系统，其特征在于，
所述多波束形成单元包括butler矩阵和S选一开关，所述butler矩阵通过所述S选一开关连接于所述射频端口；
所述butler矩阵包括S个输入端，S为大于1的整数，所述S选一开关包括S个输出端，所述S选一开关的S个输出端分别连接于所述butler矩阵的S个输入端；
所述第一相位控制单元连接于所述S选一开关的控制端，所述第一相位控制单元用于控制所述S选一开关在所述S个输出端中选择一个进行输出。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的多波束天线系统，其特征在于，
所述多波束形成单元包括第二功分单元和连接于所述第二功分单元的移相单元，所述移相单元连接于所述第一相位控制单元。
7.一种双极化天线系统，其特征在于，包括两个如权利要求1至6中任意一项所述的多波束天线系统；
一个多波束天线系统中的辐射单元分别与另一个多波束天线系统中的辐射单元一一对应组成双极化辐射单元。
8.一种多波束天线系统的相位调节方法，用于如权利要求1至6中任意一项所述的多波束天线系统，其特征在于，包括：
调节多波束形成单元形成的M路射频信号的相位，使所述M路射频信号具有不同的相位；
对每个第一功分单元中N路射频信号中的P路射频信号进行移相，在M个第一功分单元中，输出至同一行的M个辐射单元的M路射频信号进行相同相位的移相。
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