CN105874646B - 一种阵列天线 - Google Patents
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Abstract
一种阵列天线，该阵列天线在组阵连续方向上至少包含一对交错排布TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的TX阵列和RX阵列交错排布，能够有效的改善现有技术中在组阵不连续方向上TX阵列和RX阵列的不连续性，从而降低阵列天线中因TX阵列之间的不连续和RX阵列之间的不连续带来的栅瓣或旁瓣，使得阵列天线的性能更好。
Description
技术领域
本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种阵列天线。
背景技术
阵列天线因为具有波束汇聚作用在通信领域具有广泛使用。如相控雷达的阵列天线包含几百甚至上千个单元，又如具有多扇区的基站通信天线，每个扇区通过天线组阵实现水平方向和俯仰方向的波束宽度控制从而实现特定区域的信号覆盖并提供更高的增益以获得更远的通信距离。同时，采用阵列天线还可以用来实现来波方向估计等等。
其中，阵列天线是指天线中包括多个天线单元的装置。根据需要，阵列天线的单元排列方式可以是一维直线排列，也可以是二维平面排列，还可以是共形于特定目标表面的共形排列或三维排列。具体排列可以是呈规则的等间距排列，另外根据需求也可以采用非等间距排列。阵列天线的指标主要包括增益、旁瓣电平(side lobe level，缩写为：SLL)、波束宽度以及系统成本等，依据应用场景的不同，关注指标的侧重点也不同。对于通信领域的应用，常常最为关心系统成本及SLL，更低的SLL会使系统具有更好的抗干扰性能。
阵列天线的SLL主要由阵列的排布方式及阵列单元的馈电幅度和相位决定。对于等间距规则排布的直线阵或矩阵阵列其SLL大致固定在13.5dB左右，具体由单元方向图、单元间距、单元互耦等因素决定，并且单元间距严格限制在1个波长以下以避免栅瓣出现。对阵列单元做激励幅度加权可以降低SLL，但同时也降低了口径效率并且不会降低系统成本还会增加系统设计实现难度，因而适用范围较窄。
在毫米波段通信领域，特别是高频段毫米波通信领域，如60GHz毫米波的工作波长只有5mm，对应阵列天线的单元尺寸通常小于半个波长即2.5mm。此时，系统的接收发射组件通常将接收和发射天线阵列集成在一起，但是对于工作于频分双工(Frequency DivisionDuplexing，缩写为：FDD)模式的系统来说，由于双工器等射频器件难于集成使得收发天线阵列通常采用接收天线阵列与发射天线阵列相互分离的形式集成，从外观上表现为分离的接收天线阵列(简称为：RX阵列)和发射天线阵列(简称为：TX阵列)，TX阵列和RX阵列共同组成了TR天线阵列，如图1所示，为现有技术中一个TR天线阵列的示意图，其中，TX阵列和RX阵列自身的排布可以是任意形式的阵列天线，且阵列天线中一般是利用图1所示的TR天线阵列进行组阵，也称二次组阵。
为了满足远距离通信需求，需要采用多个TR天线阵列进行二次组阵，请参阅图2，为现有技术中多个TR天线阵列组阵为阵列天线的示意图，其中，TX阵列与TX阵列之间和RX阵列与RX阵列之间相互间隔不连续的方向可称为组阵不连续方向，多个TX阵列之间相互连续且多个RX阵列之间相互连续的方向可称为组阵连续方向。然而，由于TX阵列和RX阵列的尺寸通常会大于1个工作波长同时物理上相互分离，采用通常规则的TR天线阵列的排布方法将会引入栅瓣或者旁瓣高的问题，造成系统抗干扰能力不强甚至无法正常工作。
发明内容
本发明实施例提供了一种阵列天线，用于解决现有技术中的多个TR天线阵列组阵带来的栅瓣或者旁瓣高的问题。
本发明第一方面提供了一种阵列天线，所述阵列天线在组阵连续方向上至少包含一对交错排布发射接收TR天线阵列，所述一对交错排布的TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的发射天线TX阵列和接收天线RX阵列交错排布。
在第一方面第一种可能的实现方式中，所述阵列天线在组阵连续方向上包含至少一行交错排布TR天线阵列，所述一行交错排布TR天线阵列是指一行TR天线阵列中至少包含一对交错排布的TR天线阵列。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，若所述阵列天线在组阵连续方向上包含至少两行交错排布TR天线阵列，则所述至少两行交错排布TR天线阵列的排布方式相同或者不同。
结合第一方面或者第一方面第一种可能的实现方式或者第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述阵列天线中的TR天线阵列按照均匀排布的方式排列。
结合第一方面或者第一方面第一种可能的实现方式或者第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述阵列天线在组阵不连续方向上，最外一列TR天线阵列的TR天线阵列数目至中间一列TR天线阵列的TR天线阵列数目按照从少到多的趋势变化，使得所述阵列天线呈现锥削分布。
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，在所述阵列天线中包含：至少一行TR天线阵列与其相邻行的TR天线阵列呈现不规则对齐。
本发明第二方面提供了一种阵列天线，所述阵列天线在组阵不连续方向上，最外一列发射接收TR天线阵列的TR天线阵列数目至中间一列TR天线阵列的TR天线阵列数目按照从少到多的趋势变化，使得所述阵列天线呈现锥削分布。
在第二方面第一种可能的实现方式中，所述阵列天线中包含：至少一行TR天线阵列与其相邻的TR天线阵列呈现不规则对齐。
在第二方面第二种可能的实现方式中，所述阵列天线在组阵不连续方向上包含：至少一列TR天线阵列平移一个TX阵列或者平移一个TR天线阵列。
结合第二方面第二种可能的实现方式，在第二方面第三种可能的实现方式中，所述阵列天线中包含至少一个旋转180度的TR天线阵列或者至少一个TX阵列和RX阵列位置对调的TR天线阵列天线。
结合第二方面或者第二方面第一种可能的实现方式，在第二方面第四种可能的实现方式中，所述阵列天线在组阵连续方向上至少包含一对交错排布的TR天线阵列，所述一对交错排布的TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的TX阵列和RX阵列交错排布。
结合第二方面第四种可能的实现方式，在第二方面第五种可能的实现方式中，所述阵列天线在组阵连续方向上包含至少一行交错排布TR天线阵列，所述一行交错排布TR天线阵列是指一行TR天线阵列中至少包含一对交错排布的TR天线阵列。
结合第二方面第五种可能的实现方式，在第二方面第六种可能的实现方式中，若所述阵列天线在组阵连续方向上包含至少两行交错排布TR天线阵列，则所述至少两行交错排布TR天线阵列的排布方式相同或者不同。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
阵列天线在组阵连续方向上至少包含一对交错排布的TR天线阵列，且该一对交错排布的TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的TX阵列和RX阵列交错排布，能够有效的改善现有技术中在组阵不连续方向上TX阵列和RX阵列的不连续性，从而降低阵列天线中因TX阵列之间的不连续和RX阵列之间的不连续带来的栅瓣或旁瓣，使得阵列天线的性能更好。
附图说明
图1为现有技术中TR天线阵列的示意图；
图2为现有技术中多个TR天线阵列组阵为阵列天线的示意图；
图3a为本发明实施例中TX阵列和RX阵列的天线单元的排布方式一个示意图；
图3b为本发明实施例中TX阵列和RX阵列的天线单元的排布方式另一示意图；
图3c为本发明实施例中TX阵列和RX阵列的天线单元的排布方式另一示意图；
图4为本发明实施例中组阵连续方向上的一对交错排布的TR天线阵列的示意图；
图5为本发明实施例中阵列天线的一个示意图；
图6为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图7为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图8为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图9为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图10为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图11为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图12为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图13为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图14为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图15为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图16为本发明实施例中阵列天线的另一示意图；
图17为本发明实施例中阵列天线的另一示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种阵列天线，用于解决现有技术中的多个TR天线阵列组阵带来的栅瓣或者旁瓣高的问题。
需要说明的是，本发明实施例中描述的阵列天线是基于图1所示的TR天线阵列进行二次组阵的，且TX阵列和RX阵列自身的排布也可以是任意形式的，请参阅图3a至图3c，均为本发明实施例中TR天线阵列中TX阵列和RX阵列可选的天线单元的排布方式，且TX阵列的天线单元可称为发射天线单元，RX阵列的天线单元可称为接收天线单元，其中，图3a中TX阵列和RX阵列中的天线单元按照标准矩形阵列的排布方式排布，图3b中的TX阵列和RX阵的天线单元按照三角排布阵列的排布方式排布，图3c中的TX阵列的天线单元为稀布阵，RX阵列的天线单元按照稀疏阵列的排布方式排布。且图3a至图3c是以TX阵列和RX的天线单元构成矩形为例进行说明的，在实际应用中，TX阵列和RX阵列的天线单元还可以构成圆形、不规则形状或者其他形状，且TX阵列的天线单元的排布方式与RX阵列的天线单元的排布方式可以相同也可以不相同，因此，可根据具体的需要确定TR天线阵列的TX阵列和RX阵列的天线单元的排布方式及天线单元构成的图形，此处不做限定。
实施例一
在本发明实施例中，为了解决阵列天线中因TX阵列和RX阵列在组阵方向上的不连续排布带来的栅瓣或高旁瓣的问题，阵列天线可按照如下方式进行排布，具体的：阵列天线在组阵连续方向上包含至少一对交错排布的TR天线阵列，其中，一对交错排布的TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的TX阵列和RX阵列交错排布，请参阅图4，为本发明实施例中，组阵连续方向上的一对交错排布的TR天线阵列的示意图，请参阅图5，为阵列天线的一个示意图，该阵列天线在组阵连续方向上的第二行包含交错排布的TR天线阵列。
在本发明实施例中，阵列天线中，在组阵连续方向上包含至少一对交错排布的TR天线阵列即可改善一对TR天线阵列在组阵不连续方向上的不连续性，从而降低TX阵列与TX阵列之间、及RX阵列和RX阵列之间因大间距不连续排布引入的栅瓣或者旁瓣，能够有效的提高阵列天线的性能。
优选的，基于阵列天线中至少包含一对交错排布的TR天线阵列，阵列天线还可以按照以下的方式进行排布：阵列天线在组阵连续方向上至少包含至少一行交错排布TR天线阵列，其中，一行交错排布TR天线阵列可以是指一行TR天线阵列中至少包含一对交错排布的TR天线阵列，请参阅图6，为阵列天线的另一示意图，其中，该阵列天线在组阵连续方向上的三行TR天线阵列天线均交错排列；请参阅图7，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线在组阵连续方向的三行TR天线阵列中，中间的两列TR天线阵列内，处于同一行的相邻TR天线阵列并未交错排布。
优选的，在本发明实施例中，若阵列天线在组阵连续方向上包含至少两行交错排布TR天线阵列，则该至少两行交错排布TR天线阵列的排布方式可以相同，也可以不同，请参阅图6，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线中的每一行交错排布TR天线阵列的排布方式相同的示意图。请参阅图8，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线的3行交错排布TR天线阵列的排布方式均不相同。
在本发明实施例中，图4至图8的阵列天线都是以均为排布的阵列天线为例进行说明的，其中，均匀排布的阵列天线的排布为M*N格式的，且M和N均大于2。优选的，为了更好的降低栅瓣或者旁瓣，阵列天线在组阵不连续方向上，最外一列TR天线阵列的TR天线阵列数目至中间一列TR天线阵列的TR天线阵列数目按照从少到多的趋势变化，使得阵列天线呈现锥削分布。请参阅图9，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线呈锥削分布，且包含交错排布的TR天线阵列。需要说明的是，在呈锥削分布的阵列天线中，包含至少一对交错排布的TR天线阵列的排布方式均属于本发明保护的技术方案。
优选的，基于包含至少一对交错排布的TR天线阵列且呈锥削分布的阵列天线的基础上，为了进一步的降低栅瓣或者旁瓣，本发明实施例中的阵列天线中还可以为：包含至少一行TR天线阵列与其相邻行的TR天线阵列呈现不规则对齐，请参阅图10，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线呈锥削分布，且包含交错排布TR天线阵列，且第一行和第三行TR天线阵列与第二行TR天线阵列并未对齐。
在本发明实施例中，通过在阵列天线中包含至少一对交错排布的TR天线阵列的阵列天线，能够有效改善组阵不连续方向上阵列天线的不连续性，降低栅瓣或者旁瓣，进一步的，该包含至少一对交错排布的TR天线阵列的阵列天线呈锥削排布，也能够进一步的降低栅瓣或者旁瓣，有效改善阵列天线的性能。
需要说明的是，在阵列天线理论中，阵列天线的方向图由阵列单元的方向图和阵列因子相乘构成，阵列因子由阵列单元的几何排布确定。对应于本发明：阵列单元为TX阵列或RX阵列，阵列因子由TR天线阵列的几何排布方式决定，同时阵列单元间距越大对应的阵列因子旁瓣越高，且该阵列因子与阵列单元方向图相乘后的旁瓣也会更高，而采用TX阵列和RX阵列交错排布的方式降低了TX阵列与TX阵列之间的间距以及RX阵列与RX阵列之间的间距，因而降低了阵列因子的旁瓣，使得阵列因子与阵列单元方向图相乘后所得的阵列方向图具有更低的栅瓣或者旁瓣，从而达到降低栅瓣或者旁瓣的目的，因此，本发明实施例中的技术方案能够有效的降低栅瓣或者旁瓣，改善阵列天线的性能。此外，锥削分布的阵列因子旁瓣更低，也能够降低栅瓣或者旁瓣。
实施例二
在本发明实施例中，为了解决阵列天线中因TX阵列和RX阵列在组阵方向上的不连续排布带来的栅瓣或高旁瓣的问题，阵列天线可按照如下方式进行排布：阵列天线在组阵不连续方向上，最外一列TR天线阵列的TR天线阵列数目至中间一列TR天线阵列的TR天线阵列数目按照从少到多的趋势变化，使得阵列天线呈现锥削分布。请参阅图11，为本发明实施例中，阵列天线的另一示意图，该阵列天线两端的TR天线阵列个数小于中间的TR天线阵列个数，呈锥削分布；请参阅图12，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线的外围四边的TR天线阵列个数均小于中间行的TR天线阵列的个数，呈锥削分布。
在本发明实施例中，基于天线阵列的锥削分布，有以下几种扩展的排布方式：
1、阵列天线中还可以包含：至少一行TR天线阵列与其相邻的TR天线阵列呈现不规则对齐。请参阅图13，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线呈锥削分布，且在组阵连续方向上，第一行与第二行为不规则对齐，第四行与第三行为不规则对齐，第二行和第三行为规则对齐。通过组阵时TX阵列和RX阵列之间不规则对齐的排布方式，也能够有效的改善阵列天线在组阵不连续方向上的不连续性，降低栅瓣或者旁瓣，改善阵列天线的性能。
需要说明的是，在锥削分布的阵列天线中包含至少一行TR天线阵列与其相邻的TR天线阵列呈现不规则对齐的基础上，该阵列天线中还可以包含至少一对交错排布的TR天线阵列，其中，一对交错排布的TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的TX阵列和RX阵列交错排布。进一步的，该阵列天线在组阵连续方向上可包含至少一行交错排布TR天线阵列，该一行交错排布TR天线阵列是指一行TR天线阵列中至少包含一对交错排布的TR天线阵列。请参阅图10，为本发明实施例中阵列天线的一个示意图，该阵列天线呈锥削分布，第一行至第三行均包含交错排布的TR天线阵列，且在组阵连续方向上，第一行与第二行的TR天线阵列不规则对齐，且第二行与第三行的TR天线阵列不规则对齐。
2、该阵列天线在组阵不连续方向上包含：至少一列TR天线阵列平移一个TX阵列或者平移一个TR天线阵列，使得在组阵不连续方向上有连续的TX阵列和连续的RX阵列，降低栅瓣或者旁瓣，改善阵列天线的性能。请参阅图14，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线的中间两列均移动了一个TX阵列或者移动了一个RX阵列。
优选的，为了进一步降低栅瓣或者旁瓣，该阵列天线中包含至少一个旋转180度的TR天线阵列，或者包含至少一个TX阵列和RX阵列的位置对调的TR天线阵列，且该至少一个旋转180度的TR天线阵列或者TX阵列和RX阵列的位置对调的TR天线阵列可以不在上述的平移一个TX阵列或者平移一个RX阵列的TR天线阵列中，也可以在上述的平移一个TX阵列或者平移一个RX阵列的TR天线阵列中，请参阅图15，为阵列天线的另一示意图，其中，该天线阵列的第二列平移了一个TX阵列或者平移了一个RX阵列，且加粗的TR天线阵列为旋转180度的TR天线阵列或者TX阵列和RX阵列位置对调的TR天线阵列。
3、阵列天线在组阵连续方向上至少包含一对交错排布的TR天线阵列，其中，一对交错排布的TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的TX阵列和RX阵列交错排布。进一步的，该阵列天线在组阵连续方向上可包含至少一行交错排布TR天线阵列，该一行交错排布TR天线阵列是指一行TR天线阵列中至少包含一对交错排布的TR天线阵列。请参阅8，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线呈锥削分布且包含交错排布TR天线阵列，请参阅图10，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线呈锥削分布且包含交错排布TR天线阵列。
优选的，在本发明实施例中，若阵列天线在组阵连续方向上包含至少两行交错排布TR天线阵列，则该至少两行交错排布TR天线阵列的排布方式相同或者不同。请参阅图16，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线呈锥削分布，且该阵列天线在组阵连续方向上的三行交错排布TR天线阵列的排布方式相同。请参阅图17，为阵列天线的另一示意图，该阵列天线呈锥削分布，且该阵列天线在组阵连续方向上的两行交错排布TR天线阵列的排布方式不同。
在本发明实施例中，通过锥削分布的方式排布阵列天线能够有效降低栅瓣或者旁瓣，改变阵列天线的性能。且对于锥削分布的阵列天线，还可通过TR天线阵列交错排布和/或TR天线阵列的不规则对齐等方式降低栅瓣或者旁瓣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种阵列天线，进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (12)
1.一种阵列天线，其特征在于，所述阵列天线在组阵连续方向上至少包含一对交错排布的发射接收TR天线阵列，所述一对交错排布的TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的发射天线TX阵列和接收天线RX阵列交错排布。
2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线在组阵连续方向上包含至少一行交错排布TR天线阵列，所述一行交错排布TR天线阵列是指一行TR天线阵列中至少包含一对交错排布的TR天线阵列。
3.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，若所述阵列天线在组阵连续方向上包含至少两行交错排布TR天线阵列，则所述至少两行交错排布TR天线阵列的排布方式相同或者不同。
4.根据权利要求1至3任一项所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线中的TR天线阵列按照均匀排布的方式排列。
5.根据权利要求1至3任一项所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线在组阵不连续方向上，最外一列TR天线阵列的TR天线阵列数目至中间一列TR天线阵列的TR天线阵列数目按照从少到多的趋势变化，使得所述阵列天线呈现锥削分布。
6.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，在所述阵列天线中包含：至少一行TR天线阵列与其相邻行的TR天线阵列呈现不规则对齐。
7.一种阵列天线，其特征在于，所述阵列天线在组阵不连续方向上，最外一列发射接收TR天线阵列的TR天线阵列数目至中间一列TR天线阵列的TR天线阵列数目按照从少到多的趋势变化，使得所述阵列天线呈现锥削分布；所述阵列天线在组阵连续方向上至少包含一对交错排布的发射接收TR天线阵列，所述一对交错排布的TR天线阵列是指两个相邻TR天线阵列的发射天线TX阵列和接收天线RX阵列交错排布。
8.根据权利要求7所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线中包含：至少一行TR天线阵列与其相邻的TR天线阵列呈现不规则对齐。
9.根据权利要求7所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线在组阵不连续方向上包含：至少一列TR天线阵列平移一个TX阵列或者平移一个TR天线阵列。
10.根据权利要求9所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线中包含至少一个旋转180度的TR天线阵列或者至少一个TX阵列和RX阵列位置对调的TR天线阵列天线。
11.根据权利要求7所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线在组阵连续方向上包含至少一行交错排布TR天线阵列，所述一行交错排布TR天线阵列是指一行TR天线阵列中至少包含一对交错排布的TR天线阵列。
12.根据权利要求11所述的阵列天线，其特征在于，若所述阵列天线在组阵连续方向上包含至少两行交错排布TR天线阵列，则所述至少两行交错排布TR天线阵列的排布方式相同或者不同。
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