CN108054514A - 一种二维辐射方向图可重构的天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维辐射方向图可重构的天线系统，包括用于发射和接收信号的天线振子阵列模块；用于在天线振子阵列模块发射信号前形成水平和垂直波束特性的巴特勒矩阵模块，其由3dB电桥组成；一用于传输馈电网络或者收发信机提供的输入信号，并为巴特勒矩阵模块提供输入信号的移相器模块，其包括至少一个等功率分配的移相器；其中移相器模块具有一个输入端口和四个输出端口，巴特勒矩阵模块具有多个输入端口和多个输出端口，移相器模块的四个输出端口均与巴特勒矩阵模块的输入端口连接，巴特勒矩阵模块的输出端口与天线振子阵列模块连接。本发明的天线系统，其波束宽度可调、结构简单、易于实现。

Description

一种二维辐射方向图可重构的天线系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地是涉及一种二维辐射方向图可重构的天线系统。
背景技术
在无线通信覆盖中，每个天线控制一定范围的区域，该区域称为扇区或者小区，在该区域内天线接收和辐射电磁波，通过控制波瓣下倾角来控制辐射半径，通过设定水平波束宽度来决定小区的扇区覆盖区域。
天线的下倾角调节可以采用多种方式，机械下倾以及电调下倾，相对来说技术发展已经较为成熟；而考虑到不同的小区的扇区覆盖区域，需要天线在水平波束宽度等指标参数做出相应调整，现有的传统的天线波束宽度固定，考虑到不同应用环境要重新研发设计新的天线以适应指标要求，造成了研发成本的增加和天线物质资源的浪费。
因此，亟需构思一种波束宽度可调的方法来改善其问题，降低研发成本和增加天线的适用性。
发明内容
本发明旨在提供一种二维辐射方向图可重构的天线系统，其波束宽度可调、结构简单、易于实现。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种二维辐射方向图可重构的天线系统，包括：
一用于发射和接收信号的天线振子阵列模块，其由若干等间距±45°双极化振子组成；
一用于在所述天线振子阵列模块发射信号前形成水平和垂直波束特性的巴特勒矩阵模块，其由3dB电桥组成；
一用于传输馈电网络或者收发信机提供的输入信号，并为所述巴特勒矩阵模块提供输入信号的移相器模块，其包括至少一个等功率分配的移相器；
其中所述移相器模块具有一个输入端口和四个输出端口，所述巴特勒矩阵模块具有多个输入端口和多个输出端口，所述移相器模块的四个输出端口均与所述巴特勒矩阵模块的输入端口连接，所述巴特勒矩阵模块的输出端口与所述天线振子阵列模块连接。
优选地，所述移相器为镜像移相器。
优选地，所述天线振子阵列模块包括四个等间距±45°双极化振子，相邻振子间距为105mm。
优选地，所述3dB电桥为90度3dB电桥。
采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：
本发明所述的二维辐射方向图可重构的天线系统，由多输入多输出的巴特勒矩阵实现信号的幅度分配可调可控，进而实现天线水平或垂直波束宽度连续可调。
附图说明
图1为本发明实施例的天线系统的示意框图；
图2为本发明实施例的天线系统的立体示意图；
图3为本发明实施例的天线系统的工作原理示意图；
图4为相位差为5°的天线系统的辐射方向图的仿真图；
图5为相位差为20°的天线系统的辐射方向图的仿真图；
图6为相位差为45°的天线系统的辐射方向图的仿真图。
其中：11.移相器模块，12.巴特勒矩阵模块，13.天线振子阵列模块。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，为符合本发明的一种二维辐射方向图可重构的天线系统，包括：
一用于发射和接收信号的天线振子阵列模块13，其由若干等间距±45°双极化振子组成；
一用于在所述天线振子阵列模块13发射信号前形成水平和垂直波束特性的巴特勒矩阵模块12，其由3dB电桥组成；
一用于传输馈电网络或者收发信机提供的输入信号，并为所述巴特勒矩阵模块12提供输入信号的移相器模块11，其包括至少一个等功率分配的移相器；
其中所述移相器模块11具有一个输入端口和四个输出端口，所述巴特勒矩阵模块12具有多个输入端口和多个输出端口，所述移相器模块11的四个输出端口均与所述巴特勒矩阵模块12的输入端口连接，所述巴特勒矩阵模块12的输出端口与所述天线振子阵列模块13连接。
上述方案所述的模块仅为天线系统所需的主要模块，还可以包括馈电网络模块，用于调节天线波瓣下倾角和水平方位角；本发明同时结合馈电网络模块实现信号下倾角和水平方位角可调，提高天线对环境的适用性，节省了研发成本和天线物质资源，系统结构简单，易于对天线进行远程控制和实时优化。
上述天线巴特勒矩阵模块12和天线振子阵列模块13中相应的电桥个数和振子个数不仅限于本发明实施例中的个数，还具有一定的扩展性。
优选地，所述移相器为镜像移相器。
优选地，所述天线振子阵列模块13包括四个等间距±45°双极化振子，相邻振子间距为105mm。
优选地，所述3dB电桥为90度3dB电桥。
在一优选实施例中，以四进四出巴特勒矩阵为例，系统包括移相器模块11、巴特勒矩阵模块12、天线振子阵列模块13，系统馈电网络或者收发信机的输出信号进入一出四的镜像移相器模块11，然后由移相器输出的信号输入由90度3dB电桥构成的巴特勒矩阵模块12，巴特勒矩阵输出的信号对天线振子阵列进行馈电，天线振子阵列发出的信号合成天线波瓣方向图，通过调节移相器，改变输入到巴特勒矩阵的信号的相位，进而影响巴特勒矩阵的输出信号的功率大小，在保证副瓣指标要求的前提下，对天线振子以不同的功率进行馈电，可以实现天线的波束宽度在一定角度范围内连续可调。
图3为本发明实施例的天线系统的工作原理，设输入信号用S_In表示，镜像移相器的四个端口输出信号分别用S_Out(1)、S_Out(1)、S_Out(3)、S_Out(4)表示，巴特勒矩阵模块12四端口输出信号分别用M_Out(1)、M_Out(2)、M_Out(3)、M_Out(4)表示，移相器移动相位用Delta_Phz表示；由图3容易得到S_Out(1)和S_Out(2)的相位差为2*Delta_Phz；同理，S_Out(4)和S_Out(3)的相位差也为2*Delta_Phz。输入信号经过等功率分配的镜像移相器得到移相器输出信号功率相等，输出信号的相位由移相器决定，具有相等相位差的移相器输出信号输入给90度3dB电桥的两个输入端口，根据巴特勒矩阵原理可以得到巴特勒矩阵的输出信号，由不同相位差可以得到不同的功率分配的输出信号，根据巴特勒矩阵工作原理可以知道此种结构巴特勒矩阵输出信号的相位差相等；而巴特勒矩阵输出的不同功率分配的信号对天线振子阵列进行馈电，可以调整天线的波束宽度；由于移相器可以对相位进行连续调节，则移相器输出信号也同样可以有一个连续相位差，巴特勒矩阵输出信号的幅度可以有一个连续调节过程，此种情况对阵列振子进行馈电就可以得到连续的波束宽度的调节。
下表1为移相器不同移相情况下，输入信号相位差和移相器输出信号以及巴特勒矩阵输出信号的幅度和相位的一些典型数据统计，其中Phz_Out表示移相器输出相位，Amp_M_Out表示巴特勒矩阵输出幅度，Phz_M_Out表示巴特勒矩阵输出相位，可以知道，在移相器相差为45°时，可以使巴特勒矩阵输出信号的1路和4路输出幅度值为零，此时只有中间两个振子起作用，实现此模型条件下的波束宽度的最大值。
表1 移相器和巴特勒矩阵输出信号统计
以1710-2170MHz频段为例，采用四个等间距±45°双极化振子，设定相邻振子间距为105mm，通过仿真可以得到阵列辐射信号的方向图，如图4至图6所示，下表2为表1对应的辐射方向图的波宽和旁瓣抑制具体数值统计；仿真可以实现20°～37.5°角度范围的变化，通过调整中间辐射单元环境条件，如：调整反射板或者挡板的高度、加大或者减小相邻振子间间距等，水平波束宽度调节还可以得到进一步的扩展；同时，在天线垂直方向设置相同结构也可以实现天线垂直方向波束宽度的调节。
天线水平方位角和波瓣下倾角的调节可以通过在巴特勒矩阵输出信号处加移相器，调节信号的输出相位，实现天线水平方位角和波瓣下倾角可调，从而实现天线系统二维方向图可调。
表2 天线辐射方向图波宽和旁瓣统计
综上所述，本发明可以实现天线系统的水平波束宽度可调节，天线发射和接收信号是一个逆过程，原理相同，因此在此不作赘述。巧妙的利用镜像移相器的相位差，使得巴特勒矩阵的输出信号具有相等的相位，不需要额外的电缆相位补偿，结构简单，易于实现。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种二维辐射方向图可重构的天线系统，其特征在于，包括：
一用于发射和接收信号的天线振子阵列模块，其由若干等间距±45°双极化振子组成；
一用于在所述天线振子阵列模块发射信号前形成水平和垂直波束特性的巴特勒矩阵模块，其由3dB电桥组成；
一用于传输馈电网络或者收发信机提供的输入信号，并为所述巴特勒矩阵模块提供输入信号的移相器模块，其包括至少一个等功率分配的移相器；
其中所述移相器模块具有一个输入端口和四个输出端口，所述巴特勒矩阵模块具有多个输入端口和多个输出端口，所述移相器模块的四个输出端口均与所述巴特勒矩阵模块的输入端口连接，所述巴特勒矩阵模块的输出端口与所述天线振子阵列模块连接。
2.如权利要求1所述的二维辐射方向图可重构的天线系统，其特征在于：所述移相器为镜像移相器。
3.如权利要求1或2所述的二维辐射方向图可重构的天线系统，其特征在于：所述天线振子阵列模块包括四个等间距±45°双极化振子，相邻振子间距为105mm。
4.如权利要求1-3任一所述的二维辐射方向图可重构的天线系统，其特征在于：所述3dB电桥为90度3dB电桥。
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