CN108666769A - 一种宽频九波束阵列天线 - Google Patents

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CN108666769A CN201810272926.4A CN201810272926A CN108666769A CN 108666769 A CN108666769 A CN 108666769A CN 201810272926 A CN201810272926 A CN 201810272926A CN 108666769 A CN108666769 A CN 108666769A
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Abstract

本发明涉及通信天线技术领域，具体涉及一种宽频九波束阵列天线。本发明包括金属反射板、辐射单元阵列、波束形成网络、第一功分器网络、第二功分器网络和相位补偿电路；所述辐射单元阵列与第二功分器网络连接，并固定安装于所述包括金属反射板上，所述波束形成网络通过所述相位补偿电路与所述第一功分器网络连接，并固定安装于所述包括金属反射板上。本发明在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰。与五波束天线相比，本发明的九波束天线在相同的空间范围实现了更多的小区分裂，在不增加天线站址的条件下实现更多的相邻小区的频率复用，进一步提高了网络容量。

Description

一种宽频九波束阵列天线
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，具体涉及一种宽频九波束阵列天线。
背景技术
第四代移动通信技术4G/LTE规模商用后，移动通信网络中的数据流量激增，用户密集区域移动通信系统带宽容量面临巨大压力。针对单个小区容量有限的问题，使用多波束天线，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。公开号为CN102570057A的发明专利提出了一种使用6×6巴特勒矩阵来产生五波束的方法，如图2所示。均匀排布的辐射单元的每一列与垂直功分器相连，再与6×6的巴特勒矩阵输出口相连，每一个极化对应一个6×6巴特勒矩阵。但是该技术工作带宽只有23.7％(1710-2170MHz)，不能同时兼容4G LTE的2300和2600MHz频段，如果频段拓宽至1700-2700MHz频段，方位角面2700MHz频率会产生非常高的栅瓣约-5dB，对相邻小区干扰非常大。专利201621038190.7利用水平错开的辐射单元排列方式，可以得到较好的栅瓣抑制能力。
体育场馆在奥运会开幕式等场合聚集数万甚至10万移动通信用户，使用五波束进行小区分裂仍然不足以应付日益增长的流量需求。因此，为了进一步增加容量，需要设计具有更多波束的基站天线，同时工作频带拓宽至1427-2700MHz，兼容目前移动通信4G/3G制式频段和2G制式的频段以及预留将来升级的需求，且工作频带范围内方位角方向具有良好的旁瓣和栅瓣抑制性能，以克服上述问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，有必要针对一些特殊场景网络覆盖，如移动通信非常密集的体育场馆和演艺中心等，提出一种更高容量的宽频九波束阵列天线。本发明提出一种宽频九波束阵列天线，包括金属反射板、辐射单元阵列、波束形成网络、第一功分器网络、第二功分器网络和相位补偿电路；
所述辐射单元阵列与第二功分器网络连接，并固定安装于所述包括金属反射板上，所述波束形成网络通过所述相位补偿电路与所述第一功分器网络连接，并固定安装于所述包括金属反射板上；
所述辐射单元阵列包括大于等于2个辐射单元组，所述每一个辐射单元组沿水平方向排列，至少有一个辐射单元组在水平方向偏移；
所述辐射单元组包括大于等于12个辐射单元；
所述波束形成网络至少为2个，每个所述波束形成网络包含一个12路巴特勒矩阵电路和一个2路功分器组；
所述相位补偿电路至少为8个，每一个所述相位补偿电路包含2个独立传输线路。
进一步地，所述辐射单元组为6个，所述辐射单元为双极化天线单元。
进一步地，所述辐射单元阵列的相邻行在排布上采用水平方向偏移的方式。
进一步地，所述第一功分器网络包含至少8个2路功分器电路，所述第一功分器网络的输入端口为天线的输入端口；
所述第二功分器网络包含至少24个3路功分器电路；所述3路功分器电路的输出端口连接不同行的位于同一水平位置的三个辐射单元，所述3路功分器电路的输入端口连接所述波束形成网络的输出端口。
进一步地，每一个所述12路巴特勒矩阵电路包含4个3×3巴特勒矩阵电路、3个4×4巴特勒矩阵电路和9个移相器；3×3巴特勒矩阵电路和4×4巴特勒矩阵电路通过移相器交叉连接。
进一步地，每一个所述12路巴特勒矩阵电路包含12个彼此隔离的输入端口和12个彼此隔离的输出端口，其中有3个输入端口连接50欧姆负载并接地，其余输入端口作为波束形成网络的9个输入端口，分别为第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口，第五输入端口、第六输入端口、第七输入端口、第八输入端口和第九输入端口，并分别对应第一波束、第二波束、第三波束、第四波束、第五波束、第六波束、第七波束、第八波束和第九波束。
进一步地，所述第一波束的方位角范围为25至50度，所述第二波束的方位角范围为18至35度，所述第三波束的方位角范围为10至25度，所述第四波束的方位角范围为5至15度，所述第五波束的方位角为0度，所述第六波束的方位角范围为-5至-15度，所述第七波束的方位角范围为-10至-25度，所述第八波束的方位角范围为-18至-35度，所述第九波束的方位角范围为-25至-50度。
进一步地，所述2个独立传输线路相位差介于0度至90度范围内。
进一步地，所述辐射单元组中的所述辐射单元水平间距相等，所述辐射单元组之间的垂直间距相等；
所述间距为阵列天线工作频段中心频率的0.4至0.95倍波长；
每一行辐射单元的水平偏移距离为所述辐射单元水平距离的一半。
进一步地，所述波束形成网络的第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口、第六输入端口、第七输入端口、第八输入端口、第九输入端口通过所述相位补偿电路连接第一功分器网络。
进一步地，所述天线工作频段为1427-2700MHz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所提供的一种宽频九波束阵列天线，每一个辐射单元组包含多个沿水平方向排列的辐射单元，至少一个辐射单元组在水平方向偏移，多个相位补偿电路，对水平方向偏移的辐射单元组进行相位补偿，这样采用不同行的辐射单元在水平方向按照一定规律偏移的排列方案，并在馈电网络里对偏移的辐射单元添加一定的相位补偿，九波束天线在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰。同时采用12路巴特勒矩阵电路实现了可在方位角方向生成九个波束的波束形成网络，与五波束天线相比，本发明的九波束天线在相同的空间范围实现了更多的小区分裂，在不增加天线站址的条件下实现更多的相邻小区的频率复用，进一步提高了网络容量。
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为本发明的宽频九波束天线的辐射单元排布方案；
图2为现有技术产生五波束天线的辐射单元排列方案；
图3为本发明辐射单元与3路功分器电路的连线图；
图4为本发明波束形成网络的连接图；
图5为本发明波束形成网络的内部结构图，其中，图a为2路功分器电路示意图，图b为巴特勒矩阵电路和移相器交叉连接示意图；
图6为波束形成网络的3×3巴特勒矩阵电路结构图；
图7为波束形成网络的4×4巴特勒矩阵电路结构图
图8为本发明第二功分器网络和相位补偿电路的连接图，其中，图a为第一波束至第五波束连接示意图，图b为第六波束至第九波束连接示意图；
图9为本发明实施例实测的九个波束1710MHz频率的合成方位角面方向图；
图10为本发明实施例实测的九个波束2690MHz频率的合成方位角面方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
本发明提出一种宽频九波束阵列天线，具体包括金属反射板、辐射单元阵列、波束形成网络、第一功分器网络、第二功分器网络和相位补偿电路；
所述辐射单元阵列与第二功分器网络连接，并固定安装于所述包括金属反射板上，所述波束形成网络通过所述相位补偿电路与所述第一功分器网络连接，并固定安装于所述包括金属反射板上；
所述辐射单元阵列包括大于等于2个辐射单元组，所述每一个辐射单元组沿水平方向排列，至少有一个辐射单元组在水平方向偏移；
所述辐射单元组包括大于等于12个辐射单元；
所述波束形成网络至少为2个，每个所述波束形成网络包含一个12路巴特勒矩阵电路和一个2路功分器组；
所述相位补偿电路至少为8个，每一个所述相位补偿电路包含2个独立传输线路。
所述辐射单元组为6个，所述辐射单元为双极化天线单元。
所述辐射单元阵列的相邻行在排布上采用水平方向偏移的方式。
具体地，辐射单元阵列的相邻行在排布上采用水平方向偏移的方式，如图1所示。多个辐射单元101排成一行形成辐射单元组111，辐射单元水平间距为HD，垂直间距为VD，相邻行水平错开的距离为HD1。优选地，每一行的辐射单元数目N＝20且水平间距相等，行数M＝6且相邻行的垂直间距相等；优选地，第二行辐射单元组112，第四行辐射单元组114，和第六行辐射单元组116均相对于第一行111右偏移HD1；第三行辐射单元组113与第五行辐射单元组115相对于第一行111无偏移。优选地，辐射单元101为±45双极化的交叉偶极天线，贴片天线和缝隙天线。
在本发明实施例中，所述第一功分器网络包含至少8个2路功分器电路，所述第一功分器网络的输入端口为天线的输入端口；所述第二功分器网络包含至少24个3路功分器电路；所述3路功分器电路的输出端口连接不同行的位于同一水平位置的三个辐射单元，所述3路功分器电路的输入端口连接所述波束形成网络的输出端口。
在本发明实施例中，每一个所述12路巴特勒矩阵电路包含4个3×3巴特勒矩阵电路、3个4×4巴特勒矩阵电路和9个移相器；3×3巴特勒矩阵电路和4×4巴特勒矩阵电路通过移相器交叉连接。每一个所述12路巴特勒矩阵电路包含12个彼此隔离的输入端口和12个彼此隔离的输出端口，其中有3个输入端口连接50欧姆负载并接地，其余输入端口作为波束形成网络的9个输入端口，分别为第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口，第五输入端口、第六输入端口、第七输入端口、第八输入端口和第九输入端口，并分别对应第一波束、第二波束、第三波束、第四波束，第五波束、第六波束、第七波束、第八波束和第九波束。
较佳地，所述第一波束的方位角范围为25至50度，所述第二波束的方位角范围为18至35度，所述第三波束的方位角范围为10至25度，所述第四波束的方位角范围为5至15度，所述第五波束的方位角为0度，所述第六波束的方位角范围为-5至-15度，所述第七波束的方位角范围为-10至-25度，所述第八波束的方位角范围为-18至-35度，所述第九波束的方位角范围为-25至-50度。
所述2个独立传输线路相位差介于0度至90度范围内。
所述辐射单元组中的所述辐射单元水平间距相等，所述辐射单元组之间的垂直间距相等；
所述间距为阵列天线工作频段中心频率的0.4至0.95倍波长；
每一行辐射单元的水平偏移距离为所述辐射单元水平距离的一半。
也就是说，每一行的辐射单元与第二功分器网络的输出端口相连，所述第二功分器网络由多个3路功分器电路组成，3路功分器电路数量为80。阵列中每一列的三个相同水平位置的辐射单元与同一个3路功分器电路输出端口相连，其中一个极化的连接如图3所示。第一列辐射单元连接如下，辐射单元d(1,1)、d(3,1)和d(5,1)的+45极化连接3路功分器电路201输出端口，辐射单元d(2,1)、d(4,1)和d(6,1)的+45极化连接另外一个3路功分器电路221输出端口。其他列辐射单元与3路功分器电路的连接类似。图3显示的是辐射单元+45极化的连接，-45极化的连接类似。
优选地，3路功分器电路的输入端口与波束形成网络的输出端口相连，如图4所示。连接第1、3、5行辐射单元的3路功分器电路的输入端口连接波束形成网络302的输出端口；连接第2、4、6行辐射单元的3路功分器电路的输入端口连接波束形成网络301的输出端口。所述波束形成网络含有9个输入端口，输出端口数目等于阵列的列数N＝20。图4显示的是+45极化的连接图，-45极化的连接类似。所述的双极化宽频九波束天线包含4个波束形成网络。
如图5中的图a和图b所示，每一个波束形成网络包含2路功分器电路组315，3×3巴特勒矩阵电路组(314-1至314-4)，4×4巴特勒矩阵电路组(313-1至313-3)，和9个移相器312。所述4×4巴特勒矩阵电路的一个输入端口连接50电阻后接地。所述2路功分器电路组包含8个2路功分器，其作用是形成阵列水平方向辐射单元激励信号幅度的锥形分布，以抑制近旁瓣和控制波束交叉电平。所述每一个3×3巴特勒矩阵电路包含3个90度混合器312和3个移相器311，如图6所示。所述每一个4×4巴特勒矩阵电路包含4个90度混合器312和2个45度移相器311，如图7所示。4×4巴特勒矩阵电路组的输出端口通过移相器311与3×3巴特勒矩阵电路组的输入端口交叉相连，3×3巴特勒矩阵电路的部分输出端口与2路功分器输入端口相连。所述4×4巴特勒矩阵电路组的9个输入端口(411至419)为波束形成网络的输入端口，分别对应9个不同的波束指向；所述2路功分器电路组的输出端口以及部分未连接2路功分器的3×3巴特勒矩阵电路的输出端口为波束形成网络的输出端口，连接第二功分器网络的3路功分器电路的输入端口。
所述波束形成网络的第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口、第六输入端口、第七输入端口、第八输入端口、第九输入端口通过所述相位补偿电路连接第一功分器网络。
优选地，波束形成网络的输入端口通过相位补偿电路连接第一功分器网络，如图8中的图a和图b所示。所述第一功分器网络由16个2路功分器电路组成。所述相位补偿电路包含两个独立传输线路，二者之间相位差为两个波束形成网络第一波束的输入端口411、421经过相位补偿电路401连接到2路功分器电路501，第二波束的输入端口412、422经过相位补偿电路402连接到2路功分器电路502，第三波束的输入端口413、423经过相位补偿电路403连接到2路功分器电路503，第四波束的输入端口414、424经过相位补偿电路404连接2路功分器电路504；第六波束的输入端口416、426经过相位补偿电路406连接到2路功分器电路506；第七波束的输入端口417、427经过相位补偿电路407连接到2路功分器电路507；第八波束的输入端口418、428经过相位补偿电路408连接到2路功分器电路508；第九波束的输入端口419、429经过相位补偿电路409连接到2路功分器电路509。第五波束的输入端口415、425直接连接到2路功分器电路508。-45极化的连接类似。
优选地，每一行辐射单元的水平偏移距离HD1为辐射单元水平距离的一半，即HD1＝HD/2，第一和第九波束对应的相位补偿电路的相位差为60度，第二和第八波束对应的相位补偿电路的相位差为45度，第三和第七波束对应的相位补偿电路的相位差为30度，第四和第六波束对应的相位补偿电路的相位差为15度，第五波束无需连接相位补偿电路。
在本发明实施例中，较佳地，辐射单元组的数目M＝6，每一个辐射单元组中辐射单元数N＝20，波束形成网络的数量为4个。天线包含20个3路功分器组，每个3路功分器组包含4个3路功分器，此效果最佳。
在本发明实施例中，所述天线工作频段为1427-2700MHz。优选地，所述宽频九波束阵列天线工作频段为1427-2700MHz，辐射单元间距为80mm，垂直面间距为110mm，相邻行偏移距离为40mm，每一列的辐射单元设置相位差形成6度下倾角。所述阵列天线在方位角面形成九个波束，每一个波束的垂直面倾角为6度。图9为1700MHz频点处方位角面九个波束的测试合成方向图，图10位2700MHz频点处方位角面九个波束的测试合成方向图。可以看出方位角面的9个波束交叉电平在-10dB，旁瓣以及栅瓣电平抑制均优于16dB，干扰小，可最大程度提升容量。
实施例的九波束天线电子下倾角固定，适合用户非常密集的场景，比如大型的体育场馆，演艺中心和广场。在使用多副的九波束天线，通过对场馆等应用场景进行精细小区划分，可以实现通信容量的数倍提升。相对于传统的波束宽度为65度的常规基站天线，不仅通过小区分裂增加容量，而且超宽频(相对带宽大于60％)范围内具有较低的方位角旁瓣，小区的邻区干扰小，网络速率高。传统的九扇区划分需要九个窄波束天线，每一个天线都非常庞大，同时安装在天线塔上非常困难，本实施例实现九个扇区只需一副天线，可以方便的配置在天线塔上。
需要强调的是，以上实施例中，天线阵列中位于水平方向相邻两个辐射单元之间的间距是固定的，即辐射单元是等间距排列的。然而，在实际工程应用中，振子单元也可以是不等间距排列的。同样的，垂直方向上的两个振子也可以是不等间距排列的。在实施例中，第2、4、6行相对于第1、3、5行右偏移，在实际应用中，也可以是左偏移的。这种振子排列交错变化的情形，也可以实现超宽频范围内具有低旁瓣的多波束方向图，由于不脱离本发明的构思，也在本发明的保护范围之内。
上述宽频九波束阵列天线，每一个辐射单元组包含N个沿水平方向排列的辐射单元，多个辐射单元组在水平方向偏移，多个相位补偿电路，对水平方向偏移的辐射单元组进行相位补偿，这样采用不同行的辐射单元在水平方向按照一定规律偏移的排列方案，并在馈电网络里对偏移的辐射单元添加一定的相位补偿，九波束天线在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰，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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所以的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，包括金属反射板、辐射单元阵列、波束形成网络、第一功分器网络、第二功分器网络和相位补偿电路；
所述辐射单元阵列与第二功分器网络连接，并固定安装于所述包括金属反射板上，所述波束形成网络通过所述相位补偿电路与所述第一功分器网络连接，并固定安装于所述包括金属反射板上；
所述辐射单元阵列包括大于等于2个辐射单元组，所述每一个辐射单元组沿水平方向排列，至少有一个辐射单元组在水平方向偏移；
所述辐射单元组包括大于等于12个辐射单元；
所述波束形成网络至少为2个，每个所述波束形成网络包含一个12路巴特勒矩阵电路和一个2路功分器组；
所述相位补偿电路至少为8个，每一个所述相位补偿电路包含2个独立传输线路。
2.根据权利要求1所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，所述辐射单元组为6个，所述辐射单元为双极化天线单元。
3.根据权利要求1所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，所述辐射单元阵列的相邻行在排布上采用水平方向偏移的方式。
4.根据权利要求1所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，所述第一功分器网络包含至少8个2路功分器电路，所述第一功分器网络的输入端口为天线的输入端口；
所述第二功分器网络包含至少24个3路功分器电路；所述3路功分器电路的输出端口连接不同行的位于同一水平位置的三个辐射单元，所述3路功分器电路的输入端口连接所述波束形成网络的输出端口。
5.根据权利要求1所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，每一个所述12路巴特勒矩阵电路包含4个3×3巴特勒矩阵电路、3个4×4巴特勒矩阵电路和9个移相器；3×3巴特勒矩阵电路和4×4巴特勒矩阵电路通过移相器交叉连接。
6.根据权利要求5所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，每一个所述12路巴特勒矩阵电路包含12个彼此隔离的输入端口和12个彼此隔离的输出端口，其中有3个输入端口连接50欧姆负载并接地，其余输入端口作为波束形成网络的9个输入端口，分别为第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口，第五输入端口、第六输入端口、第七输入端口、第八输入端口和第九输入端口，并分别对应第一波束、第二波束、第三波束、第四波束、第五波束、第六波束、第七波束、第八波束和第九波束。
7.根据权利要求6所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，所述第一波束的方位角范围为25至50度，所述第二波束的方位角范围为18至35度，所述第三波束的方位角范围为10至25度，所述第四波束的方位角范围为5至15度，所述第五波束的方位角为0度，所述第六波束的方位角范围为-5至-15度，所述第七波束的方位角范围为-10至-25度，所述第八波束的方位角范围为-18至-35度，所述第九波束的方位角范围为-25至-50度。
8.根据权利要求1所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，所述2个独立传输线路相位差介于0度至90度范围内。
9.根据权利要求1所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，所述辐射单元组中的所述辐射单元水平间距相等，所述辐射单元组之间的垂直间距相等；
所述间距为阵列天线工作频段中心频率的0.4至0.95倍波长；
每一行辐射单元的水平偏移距离为所述辐射单元水平距离的一半。
10.根据权利要求1所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，所述波束形成网络的第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口、第六输入端口、第七输入端口、第八输入端口、第九输入端口通过所述相位补偿电路连接第一功分器网络。
11.根据权利要求1所述一种宽频九波束阵列天线，其特征在于，所述天线工作频段为1427-2700MHz。
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