CN106252903A - 一种双频两波束天线阵列及双频两波束天线 - Google Patents

一种双频两波束天线阵列及双频两波束天线 Download PDF

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Abstract

本发明的双频两波束天线阵列，包括相互嵌套的低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列；低频辐射单元阵列由多个低频辐射单元子阵列，水平方向相邻错开排列组成；高频辐射单元阵列由多个高频辐射单元子阵列，水平方向相邻错开排列组成；低频辐射单元子阵列由行数不大于二，且垂直方向和水平方向都采用直线排列的低频辐射单元组成；高频辐射单元子阵列由行数不大于三，且垂直方向和水平方向都采用直线排列的高频辐射单元组成，可以支持超宽频低频频段和超宽频高频频段，实现全频段通信，同时还能实现具有良好的水平旁瓣抑制的方向图。

Description

一种双频两波束天线阵列及双频两波束天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及移动通信领域内的天线。
背景技术
随着智能手机和平板电脑等移动智能终端的大规模使用，伴随着Facebook，WhatsApp，Twitter和微信等即时通讯软件的惊人增长，以及移动视频等无线业务的快速发展，移动通信的数据流量呈现爆发式的增长,用户对通信系统的容量提出了越来越高的要求；提升系统容量一个有效的方法是天线采用多波束天线,使用水平面波束分裂的多波束天线，常规单个扇区的覆盖区域可细分为多个扇区，无线信道容量成倍增加。另一方面，目前为了满足移动通信中对高速数据传输的要求，国内外各大运营商正在大力发展以TD-LTE和FDD-LTE两种制式为主的第四代(简称4G)移动通信技术。使得如今，2G，3G和即将普及的4G LTE网络并存。为了兼容多种通信制式，节约站址资源，减少天线数目，使多个不同频段的系统同时存在，需要使用能同时工作在不同频段的基站天线。
现有专利号为US20110205119A1的美国专利提出了混合使用2×3和2×4的巴特勒矩阵电路形成的双波束天线，具有20dB的方位角旁瓣抑制性能；中国专利201210207884.9提出方形栅格和三角形栅格交替排列方式，形成具有18dB的方位角旁瓣抑制性能的双波束天线。但是它们工作带宽只有25％(1710-2200MHz)，不能同时兼容4G LTE的2300和2600MHz频段，不能做到超宽频(1710-2700MHz).而且只是单个频段，不能同时兼顾两个频段。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双频两波束天线阵列及双频两波束天线，以实现超宽频和同时兼容两个频段。
本发明采用如下技术方案，构造双频两波束天线阵列，包括相互嵌套的低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列；低频辐射单元阵列由多个低频辐射单元子阵列，水平方向相邻错开排列组成；高频辐射单元阵列由多个高频辐射单元子阵列，水平方向相邻错开排列组成；低频辐射单元子阵列由行数不大于二，且垂直方向和水平方向都采用直线排列的低频辐射单元组成；高频辐射单元子阵列由行数不大于三，且垂直方向和水平方向都采用直线排列的高频辐射单元组成。
优选的，相邻低频辐射单元子阵列错开排列的错开间距为0.4～0.7倍的低频辐射单元之间的列间距；相邻高频辐射单元子阵列之间的相邻行错开排列的错开间距为0.4～0.7倍的高频辐射单元之间的列间距。
优选的，所述低频辐射单元之间的列间距为二分之一的低频中心波长；所述高频辐射单元之间的列间距为二分之一的高频中心波长。
优选的，所述低频辐射单元阵列之间的行间距相等。
优选的，位于相邻两行低频辐射单元之间的多行高频辐射单元的行间距相等，为第一间距；分别位于同一行低频辐射单元两侧的相邻高频辐射单元的行间距为第二间距；第一间距和第二间距之和等于低频辐射单元之间的行间距。
优选的，所述第二间距大于第一间距。
优选的，所述低频辐射单元阵列的行数和为M，所述高频辐射单元阵列的行数和不大于2M；所述低频辐射单元阵列每行单元数和所述高频辐射单元阵列每行单元数均不小于3。
优选的，包括高频移相器，与高频移相器输出端连接的高频波束成形网络，以及如权利要求1至7任一所述的宽频双频两波束天线阵列，所述宽频双频两波束天线阵列与高频波束成形网络连接；
还包括低频移相器，与低频移相器输出端连接的低频波束成形网络，以及如权利要求1至7任一所述的宽频双频两波束天线阵列，所述宽频双频两波束天线阵列与低频波束成形网络连接。
优选的，所述低频波束成形网络采用相位补偿电路和2×3巴特勒矩阵形成，所述高频波束成形网络采用相位补偿电路和2×4巴特勒矩阵形成；巴特勒矩阵的输入端与相位补偿电路相连。
本发明的有益技术效果是：本发明的双频两波束天线阵列由低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列彼此嵌套且阵列之间水平错开排列构成，不仅可以实现超宽频，而且同时支持低频频段和高频频段，且能得到具有良好的水平旁瓣抑制的方向图。采用本发明的双频两波束天线经测试得水平方向：低频水平旁瓣抑制在16dB以上，高频水平旁瓣抑制在20dB以上。该天线能够在超宽频范围内提供较低的水平面副瓣电平，有效降低了对相邻小区的干扰，同时一幅天线可以同时支持两种频段(694-960MHz/1695-2690MHz),使多个不同频段的系统同时存在,兼容多种通信制式，在不增加天线站址和天面资源的条件下实现相邻小区的频率复用，提高网络容量，节约站址资源，减少天线数目。
附图说明
图1a实施例一中的低频波束成形网络结构图；
图1b实施例一中的高频波束成形网络结构图；
图2a实施例一中的低频波束馈电网络图；
图2b实施例一中的高频波束馈电网络图；
图3实施例一中的双频两波束天线阵列排布图；
图4a实施例一中的双频两波束天线低频段水平方向方向图；
图4b实施例一中的双频两波束天线高频段水平方向方向图；
图5实施例二中的双频两波束天线阵列排布图；
图6实施例三中的双频两波束天线阵列排布图；
图7实施例四中的双频两波束天线阵列排布图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例中的双频两波束天线工作在低频(694-960MHz)和高频(1695-2690MHz)两个宽频段。
每个波束包括移相器，波束成形网络以及与该网络连接的天线阵列。移相器用于垂直方向的波束赋形，波束成形网络用于方位角方向的波束赋形。
低频波束成形网络采用相位补偿电路和2×3巴特勒(Butler)矩阵形成，高频波束成形网络采用相位补偿电路和2×4巴特勒(Butler)矩阵形成。巴特勒矩阵的输入端与相位补偿电路相连，低频波束成形网络和高频波束成形网络的具体组成图见图1a,1b。
波束成形网络的各输出端将与同行振子相连，波束成形网络的输入端与移相器相连。低频波束馈电网络图见图2a，高频波束馈电网络图见图2b。天线阵列主要采用不同行的辐射单元在水平方向按照一定规律偏移，并在馈电网络里对偏移的辐射单元添加一定的相位补偿来抑制旁瓣，这种排列等效地增加了阵列水平面的振子数目，有效地增大了天线水平面的有效口径，从而提高了阵列水平面的旁瓣抑制。
如图3，本实施例中的双频两波束天线阵列，包括相互嵌套的低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列；低频辐射单元阵列由6个低频辐射单元子阵列1组成，且相邻低频辐射单元子阵列水平方向错开排列；高频辐射单元阵列由12个高频辐射单元子阵列2组成，且相邻高频辐射单元子阵列水平方向错开排列；每个低频辐射单元子阵列1只有一行低频单元；每个高频辐射单元子阵列2只有一行高频单元。
低频辐射单元子阵列1每行的单元数不小于3，每行低频辐射单元之间的列间距L11相等，列间距L11为二分之一低频中心波长；相邻行低频辐射单元之间的行间距L12相等，且相邻行低频辐射单元错开排列，错开间距L13为0.4～0.7倍列间距L11。
高频辐射单元子阵列2嵌入低频辐射单元子阵列1中。每行高频辐射单元的单元数不小于3。每行高频辐射单元之间的列间距L21相等，列间距为二分之一高频中心波长。相邻行高频辐射单元错开排列，错开间距约为L23为0.4～0.7倍列间距L21。相邻行高频辐射单元的行间距有两种：
1、位于相邻两行低频辐射单元之间的两行高频辐射单元的行间距为第一间距d1；
2、分别位于同一行低频辐射单元两侧的相邻高频辐射单元的行间距为第二间距d2。
第二间距d2大于第一间距d1，使低频辐射单元子和高频辐射单元之间的行距离尽可能拉开，以减少低频辐射单元对高频辐射单元的遮挡。第一间距d1和第二间距d2之和等于低频辐射单元之间的行间距L12，具体排布见图3。
该实施例中的的双频两波束天线，经测试得水平方向图如图4a,4b所示：低频水平旁瓣抑制在16dB以上，高频水平旁瓣抑制在20dB以上。该天线能够在超宽频范围内提供较低的水平面副瓣电平，有效降低了对相邻小区的干扰，同时一幅天线可以同时支持两种频段(694-960MHz/1695-2690MHz),使多个不同频段的系统同时存在,兼容多种通信制式，在不增加天线站址和天面资源的条件下实现相邻小区的频率复用，提高网络容量，节约站址资源，减少天线数目。
实施例二：
本实施例中的双频两波束天线阵列低频辐射单元子阵列1的排布和实施例一中的相同；高频辐射单元阵列由六个高频辐射单元子阵列2组成，每个高频辐射单元子阵列2由两行高频辐射单元，两行高频辐射单元水平方向无偏移排列，具体见图5。同行高频辐射单元的列间距与实施例一中的相同，相邻两行高频辐射单元错开的间距与实施例一中的相同，第一间距和第二间距也满足实施例一中的关系。
实施例三：
本实施例中的双频两波束天线阵列低频辐射单元子阵列1的排布和实施例一中的相同，高频辐射单元阵列由四个高频辐射单元子阵列2组成，每个高频辐射单元子阵列2由三行高频辐射单元，三行高频辐射单元水平方向无偏移排列，具体见图6。同行高频辐射单元的列间距与实施例一中的相同，相邻三行高频辐射单元错开的间距与实施例一中的相同，第一间距和第二间距也满足实施例一中的关系。
实施例四：
本实施例中的双频两波束天线阵列低频辐射单元子阵列1的排布和实施例一中的相同，高频辐射单元阵列由七个高频辐射单元子阵列2组成，第一个和最后一个高频辐射单元子阵列2各由一行高频辐射单元组成，中间高频辐射单元子阵列2各由两行高频辐射单元组成，两行高频辐射单元水平方向无偏移排列，具体见图7。同行高频辐射单元的列间距与实施例一中的相同，相邻高频辐射单元子阵列错开的间距与实施例一中的相同，第一间距和第二间距也满足实施例一中的关系。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种双频两波束天线阵列，其特征在于：包括相互嵌套的低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列；低频辐射单元阵列由多个低频辐射单元子阵列，水平方向相邻错开排列组成；高频辐射单元阵列由多个高频辐射单元子阵列，水平方向相邻错开排列组成；低频辐射单元子阵列由行数不大于二，且垂直方向和水平方向都采用直线排列的低频辐射单元组成；高频辐射单元子阵列由行数不大于三，且垂直方向和水平方向都采用直线排列的高频辐射单元组成。
2.如权利要求1所述的双频两波束天线阵列，其特征在于：相邻低频辐射单元子阵列水平方向错开排列的错开间距为0.4～0.7倍的低频辐射单元之间的列间距；相邻高频辐射单元子阵列水平方向错开排列的错开间距为0.4～0.7倍的高频辐射单元之间的列间距。
3.如权利要求2所述的双频两波束天线阵列，其特征在于：所述低频辐射单元之间的列间距为二分之一的低频中心波长；所述高频辐射单元之间的列间距为二分之一的高频中心波长。
4.如权利要求1至3任一所述的双频两波束天线阵列，其特征在于：所述低频辐射单元阵列之间的行间距相等。
5.如权利要求1至3任一所述的双频两波束天线阵列，其特征在于：位于相邻两行低频辐射单元之间的两行高频辐射单元的行间距为第一间距；分别位于同一行低频辐射单元两侧的相邻高频辐射单元的行间距为第二间距；第一间距和第二间距之和等于低频辐射单元之间的行间距。
6.如权利要求5所述的双频两波束天线阵列，其特征在于：所述第二间距大于第一间距。
7.如权利要求1至3任一所述的双频两波束天线阵列，其特征在于：所述低频辐射单元阵列的行数和为M，所述高频辐射单元阵列的行数和不大于2M；所述低频辐射单元阵列每行单元数和所述高频辐射单元阵列每行单元数均不小于3。
8.一种双频两波束天线，其特征在于：包括高频移相器，与高频移相器输出端连接的高频波束成形网络，以及如权利要求1至7任一所述的双频两波束天线阵列，所述双频两波束天线阵列与高频波束成形网络连接；
还包括低频移相器，与低频移相器输出端连接的低频波束成形网络，以及如权利要求1至7任一所述的双频两波束天线阵列，所述双频两波束天线阵列与低频波束成形网络连接。
9.如权利要求8所述的双频两波束天线，其特征在于：所述低频波束成形网络采用相位补偿电路和2×3巴特勒矩阵形成，所述高频波束成形网络采用相位补偿电路和2×4巴特勒矩阵形成；巴特勒矩阵的输入端与相位补偿电路相连。
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