CN105742828A - 双极化三波束天线及其馈电网络装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化三波束天线及其馈电网络装置。双极化三波束天线包括金属基板，至少4列天线阵，分别与天线阵列数相等的第一、第二极化功分器，及第一、第二极化巴特勒矩阵馈电网络，每个极化巴特勒矩阵馈电网络包括巴特勒矩阵和功分器，巴特勒矩阵包括第一、第二、第三电桥，第一、第二移相器。该天线结构能在水平方向上形成3 个固定指向的双极化波束，在垂直方向上形成一个固定指向的双极化波束，水平方向的3 个波束之间重叠区域小，能够增加设备RRU数量从而增加数据容量，该双极化三波束天线，增加了天线本身数据容量，抗干扰效果好，性能稳定，结构简单，重量轻，易于安装，能有效降低成本，满足场馆或者大面积覆盖区域的需求。

Description

双极化三波束天线及其馈电网络装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于移动通信基站的双极化三波束天线及其馈电网络装置。

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，需求量越来越大，需要波束形式越来越复杂。

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，这样由于通信业务量不断增加，覆盖面积加大，导致无法满足一面天线能够满足需求量，多面天线又容易产生干扰，成本也会增加一倍，且得不到很好的效果。

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供一种双极化三波束天线及其馈电网络装置，其容量大、抗干扰效果好、性能稳定、结构简单，重量轻，易于安装，能有效降低成本，满足场馆或者大面积覆盖区域的需求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种双极化三波束天线的馈电网络装置，包括：结构相同的第一、第二两个极化巴特勒矩阵馈电网络；每个所述极化巴特勒矩阵馈电网络包括巴特勒矩阵和功分器，所述巴特勒矩阵包括第一电桥、第二电桥、第三电桥、第一移相器和第二移相器，所述第一电桥、第二电桥和第三电桥各自包括两个输入端口和两个输出端口，所述第一移相器和第二移相器各自包括一个输入端口和一个输出端口，其中：所述第一电桥的两个输入端口分别作为巴特勒矩阵的两个输入端口，所述第二电桥的一个输入端口和第三电桥的一个输入端口连接合为一路作为巴特勒矩阵的另一输入端口；所述第一电桥的一个输出端口与第三电桥的另一个输入端口连接，所述第一电桥的另一个输出端口与第二电桥的另一个输入端口连接；所述第二电桥其中一个输出端口经过第二移相器后作为巴特勒矩阵的输出端口、另一个输出端口直接作为巴特勒矩阵的输出端口，所述第三电桥其中一个输出端口经过第一移相器后作为巴特勒矩阵端口阵的输出端口、另一输出端口直接作为巴特勒矩阵的输出端口；所述巴特勒矩阵的各输出端口对应与功分器的各输入端口连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种双极化三波束天线，包括至少四列天线阵、第一极化功分器、第二极化功分器以及如上所述的馈电网络装置；所述第一极化功分器和第二极化功分器的数量分别与天线阵的列数相等；每列所述天线阵包括至少两个天线辐射单元，所述天线辐射单元包括垂直交叉形成一体的一个+45°极化方式的天线单元和一个-45°极化方式的天线单元；每个所述第一极化功分器的功率分配端口的数量不少于每列天线阵中+45°极化方式的天线单元数量，每个所述第二极化功分器的功率分配端口的数量不少于每列天线阵中-45°极化方式的天线单元的数量；其中，每个所述第一极化功分器的功率分配端口分别与同一列天线阵中的+45°极化方式的天线单元电性连接，每个所述第二极化功分器的功率分配端口分别与同一列天线阵中的-45°极化方式的天线单元电性连接；每个所述第一极化功分器的功率合成端口分别与馈电网络装置中第一极化巴特勒矩阵馈电网络的功分器的功率分配端口电性连接，每个所述第二极化功分器的功率合成端口分别与馈电网络装置中第二极化巴特勒矩阵馈电网络的功分器的功率分配端口电性连接。

进一步地，所述双极化三波束天线包括金属基板，每列所述天线阵设置于金属基板的上表面，所述第一极化功分器、第二极化功分器设置于金属基板的下表面。

进一步地，所述馈电网络装置中第一极化巴特勒矩阵馈电网络的功分器的功率分配端口的数量不少于天线阵的列数，所述馈电网络装置中第二极化巴特勒矩阵馈电网络的功分器的功率分配端口的数量不少于天线阵的列数。

进一步地，所述第一极化功分器和第二极化功分器的结构相同；每个所述第一极化功分器和第二极化功分器的各功率分配端口的分配功率幅度相同，并且，各相邻功率分配端口的分配功率具有相同的相位差，以使天线垂直方向图具有一个相同的倾角。

进一步地，所述倾角为上倾角或下倾角，上倾角的取值范围为0°～30°，下倾角的取值范围为0°～30°。

进一步地，每列所述天线阵呈直线排列且相互平行设置，所有所述天线阵的两端相互对齐。

进一步地，每列所述天线阵呈直线排列且相互平行设置，所有奇数列的所述天线阵的两端相互对齐，所有偶数列的所述天线阵的两端相互对齐。

进一步地，相邻两列所述天线阵之间的距离为0.2λ-1.3λ，同一列所述天线阵中相邻两个辐射单元之间的距离为0.2λ-1.3λ，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。

进一步地，每列所述天线阵中的天线辐射单元相互之间错位排列。

本发明的双极化三波束天线能在水平方向上形成3个固定指向的双极化波束，在垂直方向上形成单个固定指向的双极化波束，水平方向的3个波束之间的干扰小，容量大。根据本发明的技术方案制成的双极化三波束天线，增加了天线本身数据容量，抗干扰效果好，性能稳定，结构简单，重量轻，易于安装，能有效降低成本，满足场馆或者大面积覆盖区域的需求。

附图说明

图1是本发明实施方式双极化三波束天线的总体结构的侧视图。

图2是图1所示双极化三波束天线天线阵列的第一实施例的排列示意图。

图3是图1所示双极化三波束天线天线阵列的第二实施例的排列示意图。

图4是图1所示双极化三波束天线天线阵列的第三实施例的排列示意图。

图5是图1所示双极化三波束天线中的天线辐射单元的示意图。

图6是图1所示双极化三波束天线的网络连接示意图。

图7是图1所示双极化三波束天线中的巴特勒矩阵馈电网络的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

参阅图1，本发明实施方式的双极化三波束天线，主要包括：金属基板1、天线阵2、极化功分器以及馈电网络装置。

具体而言，天线阵2数量为4列及以上，如图2所示，举例而言，本发明实施例的天线阵2数量为5列。天线阵2的排列方式至少可以有以下几种情况：

（1）如图2所示，每列天线阵2呈直线排列且相互平行设置，所有天线阵2的两端相互对齐。

（2）如图3所示，每列天线阵2呈直线排列且相互平行设置，所有奇数列的天线阵2的两端相互对齐，所有偶数列的天线阵2的两端相互对齐，且奇数列的天线阵2和偶数列的天线阵2两端不对齐。

（3）如图4所示，每列天线阵2中的天线辐射单元21相互之间错位排列。

在情况（1）或（2）中，相邻两列天线阵2之间的距离为0.2λ-1.3λ，同一列天线阵2中相邻两个辐射单元之间的距离为0.2λ-1.3λ，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；在本实施例中，举例而言，可取相邻两列天线阵2的距离为0.55λ，取同一列天线阵2中相邻天线辐射单元21的距离为0.86λ。而在情况（3）中，相邻两列天线阵2之间的距离、以及同一列天线阵2中相邻两个辐射单元之间的距离可以根据实际需求进行设计。

其中，结合图5进行参阅，每列天线阵2包括至少两个天线辐射单元21，该天线辐射单元21包括一个+45°极化方式的天线单元211和一个-45°极化方式的天线单元212，其中，+45°极化方式的天线单元211和-45°极化方式的天线单元212垂直交叉形成一体。

进一步地，结合图6进行参阅，极化功分器包括两类，具体为包括第一极化功分器31和第二极化功分器32，该第一极化功分器31的数量与天线阵2的列数相等，该第二极化功分器32的数量同样与天线阵2的列数相等。其中，每个第一极化功分器31的功率分配端口的数量不少于（包括大于等于）每列天线阵2中+45°极化方式的天线单元211数量，每个第二极化功分器32的功率分配端口的数量不少于（包括大于等于）每列天线阵2中-45°极化方式的天线单元212的数量。对应以图2所示的实施例，天线阵2为5列为例，第一极化功分器31及第二极化功分器32各自的功率分配端口的数量等于或大于5个。

优选地，每个第一极化功分器31的功率分配端口的数量大于每列天线阵2中+45°极化方式的天线单元211数量，每个第二极化功分器32的功率分配端口的数量大于每列天线阵2中-45°极化方式的天线单元212的数量。

其电性连接关系为：每个第一极化功分器31的功率分配端口分别与同一列天线阵2中的+45°极化方式的天线单元211电性连接，每个第二极化功分器32的功率分配端口分别与同一列天线阵2中的-45°极化方式的天线单元212电性连接。

第一极化功分器31和第二极化功分器32的结构通常可以是相同的。每个第一极化功分器31和第二极化功分器32的各功率分配端口的分配功率幅度相同，并且，各相邻功率分配端口的分配功率具有相同的相位差，以使天线垂直方向图具有一个相同的倾角，其中，该倾角为上倾角或下倾角，上倾角的取值范围为0°～30°，下倾角的取值范围为0°～30°，而在本实施例中，下倾角可以选择为6°。当然，在其它实施方式中，每个第一极化功分器31和第二极化功分器32的各功率分配端口的分配功率幅度和相位可以不一定是相同的，根据实际需求进行设计。

在实际安装结构中，每列天线阵2均设置在金属基板1的上表面，每个第一极化功分器31及第二极化功分器32均设置在金属基板1的下表面。当然，馈电网络装置亦设置于金属基板1的下表面，其相应输出端口与第一极化功分器31、第二极化功分器32的功率合成端口相电性连接。

在一具体实施方式中，具体可参阅图7，该馈电网络装置包括第一、第二两个极化巴特勒矩阵馈电网络41、42，该第一极化巴特勒矩阵馈电网络41和第二极化巴特勒矩阵馈电网络42结构相同。为方便描述，仅对第一极化巴特勒矩阵馈电网络41进行详细描述，第二极化巴特勒矩阵馈电网络42的结构及工作原理与第一极化巴特勒矩阵馈电网络41相同，在此不作重复赘述。

该第一极化巴特勒矩阵馈电网络41包括1个巴特勒矩阵411和1个功分器412。其中，该巴特勒矩阵411包括：包括第一电桥A1、第二电桥A2、第三电桥A3、第一移相器C1和第二移相器C2。

该第一电桥A1、第二电桥A2和第三电桥A3各自包括两个输入端口和两个输出端口，第一移相器C1和第二移相器C2各自包括一个输入端口和一个输出端口。

第一电桥A1的两个输入端口分别作为巴特勒矩阵411的两个输入端口P2、P3，第二电桥A2的一个输入端口（如第二输入端口）和第三电桥A3的一个输入端口（如第二输入端口）连接合为一路作为巴特勒矩阵411的另一输入端口P1。该巴特勒矩阵411的三个输入端口之间相互隔离。

第一电桥A1的一个输出端口（如第一输出端口）与第三电桥A3的另一个输入端口（如第一输入端口）连接，第一电桥A1的另一个输出端口（如第二输出端口）与第二电桥A2的另一个输入端口（如第一输入端口）连接。

第二电桥A2其中一个输出端口（如第二输出端口）经过第二移相器C2后作为巴特勒矩阵411的输出端口、另一个输出端口（如第一输出端口）直接作为巴特勒矩阵411的输出端口，第三电桥A3其中一个输出端口（如第二输出端口）经过第一移相器C1后作为巴特勒矩阵411端口阵的输出端口、另一输出端口（如第一输出端口）直接作为巴特勒矩阵411的输出端口。该实施方式中，第一输出端口、第二输出端口、第一输入端口以及第二输出端口的定义是为了方便描述，事实上，用户可以自行选择相应合适的端口作为第一或第二输入输出端口端进行电性连接。

巴特勒矩阵411的各输出端口对应与功分器412的各输入端口连接。

其中，该功分器412的功率分配端口的数量不少于天线阵2的列数，该功分器412的功率分配端口与相应极化功分器（第一极化功分器31）的功率合成端口电性连接。优选地，该功分器412的功率分配端口的数量大于天线阵2的列数。

具体而言，每个第一极化功分器31的功率合成端口分别与第一极化巴特勒矩阵馈电网络41的功分器412的一个功率分配端口电性连接。相应地，每个第二极化功分器32的功率合成端口分别与第二极化巴特勒矩阵馈电网络42的功分器的一个功率分配端口电性连接。

在一应用实施方式中，该巴特勒矩阵411包括一个功分器，该功分器具体可选一分二功分器B1，该一分二功分器B1的功率合成端口作为该巴特勒矩阵411的输入端口，该一分二功分器B1的一个功率分配端口（如第一功率分配端口）与第三电桥A3的第二输入端口连接、另一个功率分配端口（如第二功率分配端口）与第二电桥A2的第二输入端口连接。优选地，该巴特勒矩阵411中，第一电桥A1的第一输出端口到第三电桥A3的第一输入端口之间的线长与第一电桥A1的第二输出端口到第二电桥A2的第一输入端口之间的线长相等，而一分二功分器B1的第一功率分配端口到第三电桥A3的第二输入端口之间的线长与一分二功分器B1的第二功率分配端口到第二电桥A2的第二输入端口之间的线长相等。更进一步地，第一电桥A1的第一输出端口到第三电桥A3的第一输入端口之间的线长、第一电桥A1的第二输出端口到第二电桥A2的第一输入端口之间的线长相等、一分二功分器B1的第一功率分配端口到第三电桥A3的第二输入端口之间的线长以及一分二功分器B1的第二功率分配端口到第二电桥A2的第二输入端口之间的线长全部相等。

上述实施方式中，第一电桥A1、第二电桥A2、第三电桥A3以及一分二功分器B1之间的电性连接关系包括直接电性连接或间接电性连接，其中，直接电性连接关系的含义如前文字面含义所述，而间接电性连接的含义隐含在前文字面含义内，具体为：第一电桥A1分别与第二电桥A2和第三电桥A3之间、第二电桥A2和第三电桥A3分别与一分二功分器B1之间的还可以设置用于调整各路馈电信号相位等参数的移相器或混合器等。

综上所述，本发明的整体电性连接关系如下：

巴特勒矩阵411的各输入端口P1、P2、P3分别与信号输入电缆连接；第二电桥A2的第二输出端口经过PCB微带线或者同轴电缆连接到第二移相器C2后作为巴特勒矩阵411的一输出端口，第三电桥A3的第二输出端口经过PCB微带线或者同轴电缆连接到第一移相器C1后作为巴特勒矩阵411的一输出端口。

巴特勒矩阵411端口阵中的各输出端口都可以经过同轴电缆连接到天线阵2的主路上。其中，天线阵2本身是一个带相位的网络，同一列天线阵2中的各天线辐射单元21均电性连接在该网络上，天线阵2上各天线辐射单元21的幅度是接近二项分布的，相位可以根据实际情况来进行确定，其中，每个天线阵2由若干个功分器Bn(n代表1、2、3、4、5、6…)电连接而成。

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P1产生水平0°指向的波束，输入端口P2产生水平-30°指向的波束，输入端口P3产生水平+30°指向的波束。

当第一极化巴特勒矩阵馈电网络104的3个端口同时馈电时，天线产生水平指向0°、±30°，且在垂直方向下倾6度的3个+45°极化波束；同理当+45°极化巴特勒矩阵馈电网络的3个端口同时馈电时，天线产生水平指向0°、±30°，且在垂直方向下倾6°的3个-45°极化波束。因此，当这两个巴特勒矩阵馈电网络的6个端口同时馈电时，天线能产生3个水平方向图指向0°、±30°和垂直方向图具有6°下倾的±45°双极化的3个波束。

本发明的双极化三波束天线能在水平方向上形成3个固定指向的双极化波束，在垂直方向上形成单个固定指向的双极化波束，水平方向的3个波束之间的干扰小，容量大。根据本发明的技术方案制成的双极化三波束天线，增加了天线本身数据容量，抗干扰效果好，性能稳定，结构简单，重量轻，易于安装，能有效降低成本，满足场馆或者大面积覆盖区域的需求。

特别需要强调的是,本发明的双极化三波束天线产生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。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双极化三波束天线的馈电网络装置，其特征在于，包括：

结构相同的第一、第二两个极化巴特勒矩阵馈电网络；

每个所述极化巴特勒矩阵馈电网络包括巴特勒矩阵和功分器，所述巴特勒矩阵包括第一电桥、第二电桥、第三电桥、第一移相器和第二移相器，所述第一电桥、第二电桥和第三电桥各自包括两个输入端口和两个输出端口，所述第一移相器和第二移相器各自包括一个输入端口和一个输出端口，其中：

所述第一电桥的两个输入端口分别作为巴特勒矩阵的两个输入端口，所述第二电桥的一个输入端口和第三电桥的一个输入端口连接合为一路作为巴特勒矩阵的另一输入端口；

所述第一电桥的一个输出端口与第三电桥的另一个输入端口连接，所述第一电桥的另一个输出端口与第二电桥的另一个输入端口连接；

所述第二电桥其中一个输出端口经过第二移相器后作为巴特勒矩阵的输出端口、另一个输出端口直接作为巴特勒矩阵的输出端口，所述第三电桥其中一个输出端口经过第一移相器后作为巴特勒矩阵端口阵的输出端口、另一输出端口直接作为巴特勒矩阵的输出端口；

所述巴特勒矩阵的各输出端口对应与功分器的各输入端口连接。

2.一种双极化三波束天线，其特征在于，包括至少四列天线阵、第一极化功分器、第二极化功分器以及如权利要求1所述的馈电网络装置；

所述第一极化功分器和第二极化功分器的数量分别与天线阵的列数相等；

每列所述天线阵包括至少两个天线辐射单元，所述天线辐射单元包括垂直交叉形成一体的一个+45°极化方式的天线单元和一个-45°极化方式的天线单元；

每个所述第一极化功分器的功率分配端口的数量不少于每列天线阵中+45°极化方式的天线单元数量，每个所述第二极化功分器的功率分配端口的数量不少于每列天线阵中-45°极化方式的天线单元的数量；

其中，每个所述第一极化功分器的功率分配端口分别与同一列天线阵中的+45°极化方式的天线单元电性连接，每个所述第二极化功分器的功率分配端口分别与同一列天线阵中的-45°极化方式的天线单元电性连接；

每个所述第一极化功分器的功率合成端口分别与馈电网络装置中第一极化巴特勒矩阵馈电网络的功分器的功率分配端口电性连接，每个所述第二极化功分器的功率合成端口分别与馈电网络装置中第二极化巴特勒矩阵馈电网络的功分器的功率分配端口电性连接。

3.根据权利要求2所述的双极化三波束天线，其特征在于：

所述双极化三波束天线包括金属基板，每列所述天线阵设置于金属基板的上表面，所述第一极化功分器、第二极化功分器设置于金属基板的下表面。

4.根据权利要求2所述的双极化三波束天线，其特征在于：

所述馈电网络装置中第一极化巴特勒矩阵馈电网络的功分器的功率分配端口的数量不少于天线阵的列数，所述馈电网络装置中第二极化巴特勒矩阵馈电网络的功分器的功率分配端口的数量不少于天线阵的列数。

5.根据权利要求2所述的双极化三波束天线，其特征在于：

所述第一极化功分器和第二极化功分器的结构相同；

每个所述第一极化功分器和第二极化功分器的各功率分配端口的分配功率幅度相同，并且，各相邻功率分配端口的分配功率具有相同的相位差，以使天线垂直方向图具有一个相同的倾角。

6.根据权利要求5所述的双极化三波束天线，其特征在于：

所述倾角为上倾角或下倾角，上倾角的取值范围为0°～30°，下倾角的取值范围为0°～30°。

7.根据权利要求2所述的双极化三波束天线，其特征在于：

每列所述天线阵呈直线排列且相互平行设置，所有所述天线阵的两端相互对齐。

8.根据权利要求2所述的双极化三波束天线，其特征在于：

每列所述天线阵呈直线排列且相互平行设置，所有奇数列的所述天线阵的两端相互对齐，所有偶数列的所述天线阵的两端相互对齐。

9.根据权利要求7或8所述的双极化三波束天线，其特征在于：

相邻两列所述天线阵之间的距离为0.2λ-1.3λ，同一列所述天线阵中相邻两个辐射单元之间的距离为0.2λ-1.3λ，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。

10.根据权利要求2所述的双极化三波束天线，其特征在于：

每列所述天线阵中的天线辐射单元相互之间错位排列。