CN110838621B - 多波束天线馈电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种多波束天线馈电装置及方法，该装置包括两个输入耦合器模块、两个输出耦合器模块、四个输入及四个输出端口；各耦合器模块分别包括两个入口和两个出口，各输入耦合器模块的入口分别连接至各输入端口，各输出耦合器模块的出口分别连接至各输出端口，输入耦合器模块的出口与输出耦合器模块的入口连接；各耦合器模块分别包括多个不同相位差的子耦合器及选择开关，选择开关用于选择一个子耦合器与端口及其他耦合器模块连接。应用本发明，可以根据实际需求，通过选择开关选择不同相位差的子输入耦合器和子输出耦合器的组合，能够得到不同的输出相位差，实现灵活的相位差输出，为波束辐射方向提供灵活的选择。

Description

多波束天线馈电装置及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种多波束天线馈电装置及方法。

背景技术

多波束天线可以同时形成多个波束指向，以覆盖特定的空域，多波束天线接收某一设备传输的信号并将该信号以电磁波的方式辐射到其他设备，完成该空域内设备间信号的传输，在军事和民用领域得到了广泛的应用，比如天地一体化信息网络建设、无人机侦察、战场广播系统建设皆用到了多波束天线。

现有的多波束天线馈电装置有很多，如Blass矩阵、Rotman透镜、Nolen矩和Butler矩阵，由于结构相对简单且功耗低，Butler矩阵是目前常用的一种装置。传统的Bulter矩阵有N个输入和N个输出，当信号在输入端口输入时，可以在输出端口实现等幅输出，且相邻输出端口的相位差相等。例如，现有技术中通过采用-45°定向耦合器与90°定向耦合器组合构成4×4Butler矩阵，输出相位差固定为±45°、±135°。然而输出相位差固定，导致天线阵列波束辐射方向难以根据实际需求调整，天线系统的抗干扰性能较差。

发明内容

本发明提供一种多波束天线馈电装置及方法，为波束辐射方向提供灵活的选择。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种多波束天线馈电装置，包括两个输入耦合器模块、两个输出耦合器模块、四个输入端口及四个输出端口；

各输入耦合器模块和各输出耦合器模块分别包括两个入口和两个出口，所述各输入耦合器模块的入口分别连接至各输入端口，所述各输出耦合器模块的出口分别连接至各输出端口；

各输入耦合器模块分别包括多个不同相位差的子输入耦合器及第一选择开关，各输出耦合器模块分别包括多个不同相位差的子输出耦合器及第二选择开关，所述第一选择开关用于选择输入耦合器模块的一个子输入耦合器与输入端口及输出耦合器模块连接，所述第二选择开关用于选择输出耦合器模块的一个子输出耦合器与输出端口及输入耦合器模块连接；

针对任一输入耦合器模块，该输入耦合器模块的两个出口分别连接至所述两个输出耦合器模块的入口，且一个输出耦合器模块的一个入口仅连接一个输入耦合器模块的出口。

特别的，第一输入耦合器模块的第一出口连接至第一输出耦合器模块的第一入口，其中，所述第一输入耦合器模块为所述两个输入耦合器模块中的任一个，所述第一出口为所述第一输入耦合器模块的两个出口中的任一个，所述第一输出耦合器模块为所述两个输出耦合器模块中的任一个，所述第一入口为所述第一输出耦合器模块的两个入口中的任一个；

所述第一输入耦合器模块的第二出口连接至第二输出耦合器模块的第二入口，其中，所述第二出口为所述第一输入耦合器模块的两个出口中除所述第一出口外的另一个出口，所述第二输出耦合器模块为所述两个输出耦合器模块中除所述第一输出耦合器模块外的另一个输出耦合器模块，所述第二入口为所述第二输出耦合器模块的两个入口中的任一个；

所述第一入口直通的出口所连接的第一输出端口与所述第二入口直通的出口所连接的第二输出端口为相邻输出端口。

特别的，选择出的两个子输出耦合器为相位差相同的耦合器，选择出的两个子输入耦合器为相位差不同的耦合器。

第二方面，本发明实施例提供一种多波束天线馈电方法，应用于上述的多波束天线馈电装置；所述方法包括：

获取天线设置请求，所述天线设置请求包括多波束天线的波束辐射方向；

根据所述波束辐射方向，选择输入端口连接的子输入耦合器及输出端口连接的子输出耦合器；

接收从所述输入端口输入的馈电信号，经过所选择的子输入耦合器及子输出耦合器对所述馈电信号进行处理，并通过所述子输出耦合器连接的输出端口输出处理后的信号。

特别的，所述根据所述波束辐射方向，选择输入端口连接的子输入耦合器及输出端口连接的子输出耦合器，包括：

根据所述波束辐射方向，计算将馈电信号输入各输入端口分别对应的输出相位差；

根据各输出相位差，计算各输入耦合器模块及各输出耦合器模块的待定相位差；

基于所述各输入耦合器模块的待定相位差，确定所述各输入耦合器模块的子输入耦合器，并基于所述各输出耦合器模块的待定相位差，确定所述各输出耦合器模块的子输出耦合器。

特别的，所述根据各输出相位差，计算各输入耦合器模块及各输出耦合器模块的待定相位差，包括：

根据各输出相位差，利用输出相位差计算公式，计算各输出耦合器模块的待定相位差，其中，所述各输出耦合器模块的待定相位差相同，所述相位差计算公式为：

根据所述各输出耦合器模块的待定相位差，利用相位差映射关系式，计算各输入耦合器模块的待定相位差，所述相位差映射关系式为：

其中，β₁、β₂分别为所述两个输入耦合器模块的待定相位差，β₃为所述各输出耦合器模块的待定相位差，Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃、Δθ₄为所述馈电信号分别从所述各输入端口输入得到的输出相位差，且Δθ₁≠Δθ₂≠Δθ₃≠Δθ₄，β₁、β₂、β₃的范围为0～π。

特别的，所述馈电信号从一个输入端口输入时，其余输入端口处于断开状态。

本发明实施例提供一种多波束天线馈电装置及方法，装置包括两个输入耦合器模块、两个输出耦合器模块、四个输入端口及四个输出端口，各输入耦合器模块和各输出耦合器模块分别包括两个入口和两个出口，各输入耦合器模块的入口分别连接至各输入端口，各输出耦合器模块的出口分别连接至各输出端口；各输入耦合器模块分别包括多个不同相位差的子输入耦合器及第一选择开关，各输出耦合器模块分别包括多个不同相位差的子输出耦合器及第二选择开关，第一选择开关用于选择输入耦合器模块的一个子输入耦合器与输入端口及输出耦合器模块连接，第二选择开关用于选择输出耦合器模块的一个子输出耦合器与输出端口及输入耦合器模块连接；针对任一输入耦合器模块，该输入耦合器模块的两个出口分别连接至所述两个输出耦合器模块的入口，且一个输出耦合器模块的一个入口仅连接一个输入耦合器模块的出口。

应用本发明，通过第一选择开关可以选择不同相位差的子输入耦合器，通过第二选择开关可以选择不同相位差的子输出耦合器，因此根据实际需求，可以通过选择开关选择不同相位差的子输入耦合器和子输出耦合器的组合，能够得到不同的输出相位差，实现灵活的相位差输出，为波束辐射方向提供灵活的选择。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例提供一种多波束天线馈电装置结构示意图。

图2为本发明实施例提供一种输入耦合器模块结构示意图。

图3为本发明实施例提供一种多波束天线馈电方法流程图。

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。

第一方面，本发明实施例提供一种多波束天线馈电装置，参见图1，该装置包括两个输入耦合器模块A1、A2，两个输出耦合器模块B1、B2，四个输入端口P1、P2、P3、P4，及四个输出端口P5、P6、P7、P8；

各输入耦合器模块和各输出耦合器模块分别包括两个入口和两个出口，各输入耦合器模块的入口分别连接至各输入端口，各输出耦合器模块的出口分别连接至各输出端口；

各输入耦合器模块分别包括多个不同相位差的子输入耦合器及第一选择开关，各输出耦合器模块分别包括多个不同相位差的子输出耦合器及第二选择开关，第一选择开关用于选择输入耦合器模块的一个子输入耦合器与输入端口及输出耦合器模块连接，第二选择开关用于选择输出耦合器模块的一个子输出耦合器与输出端口及输入耦合器模块连接；

针对任一输入耦合器模块，该输入耦合器模块的两个出口分别连接至两个输出耦合器模块的入口，且一个输出耦合器模块的一个入口仅连接一个输入耦合器模块的出口。

应用本发明，通过第一选择开关可以选择不同相位差的子输入耦合器，通过第二选择开关可以选择不同相位差的子输出耦合器，因此根据实际需求，可以通过选择开关选择不同相位差的子输入耦合器和子输出耦合器的组合，能够得到不同的输出相位差，实现灵活的相位差输出，为波束辐射方向提供灵活的选择。

特别的，输入耦合器模块的出口与输出耦合器的入口之间的连接关系具体可以为：

第一输入耦合器模块的第一出口连接至第一输出耦合器模块的第一入口，其中，第一输入耦合器模块为两个输入耦合器模块中的任一个，第一出口为第一输入耦合器模块的两个出口中的任一个，第一输出耦合器模块为两个输出耦合器模块中的任一个，第一入口为第一输出耦合器模块的两个入口中的任一个；

第一输入耦合器模块的第二出口连接至第二输出耦合器模块的第二入口，其中，第二出口为第一输入耦合器模块的两个出口中除第一出口外的另一个出口，第二输出耦合器模块为两个输出耦合器模块中除第一输出耦合器模块外的另一个输出耦合器模块，第二入口为第二输出耦合器模块的两个入口中的任一个；

第一入口直通的出口所连接的第一输出端口与第二入口直通的出口所连接的第二输出端口为相邻输出端口。

本发明实施例中，从耦合器模块整体的角度来说，各输入耦合器模块和各输出耦合器模块分别包括两个入口和两个出口，各输入耦合器模块的入口分别连接至各输入端口，各输出耦合器模块的出口分别连接至各输出端口，输入耦合器模块的出口与输出耦合器模块的入口连接。以输入耦合器模块A1作为第一输入耦合器模块为例，该输入耦合器模块包括两个入口r1、r2和两个出口c1、c2，入口r1、r2分别连接至输入端口P1、P2，出口c1连接到输出耦合器模块B1的任一入口，则出口c2连接到输出耦合器模块B2的任一入口。如果出口c1连接到输出耦合器模块B2的任一入口，则出口c2连接到输出耦合器模块B1的任一入口。此时，输入耦合器模块A2的两个出口不会连接到输出耦合器模块上与出口c1、c2连接的入口。

从耦合器模块内部来说，参见图2，以输入耦合器模块A1为例，图中给出了不同相位差的子输入耦合器、第一选择开关、两个入口r1、r2和两个出口c1、c2的组合形式，其中子输入耦合器分别为z1、z2、z3、z4、……、zn。子输入耦合器包括两个入口和两个出口，子输入耦合器的入口通过第一选择开关连接至两个入口r1、r2，进而与输入端口P1、P2连接，子输入耦合器的出口通过第一选择开关连接至两个出口c1、c2，进而与输出耦合器模块连接。通过控制第一选择开关，可以连接输入耦合器模块内的任意一个子输入耦合器。

其他输入耦合器模块与输出耦合器模块的内部组合形式与输入耦合器模块A1的内部组合形式是相同的。输出耦合器模块中，子输出耦合器的入口通过第二选择开关连接至两个入口，进而与输入耦合器模块连接，子输出耦合器的出口通过第二选择开关连接至两个出口，进而与输出端口连接。

特别的，选择出的两个子输出耦合器为相位差相同的耦合器，选择出的两个子输入耦合器为相位差不同的耦合器。

第二方面，本发明实施例提供一种多波束天线馈电方法，应用于上述的多波束天线馈电装置；参见图3，该方法包括：

S301：获取天线设置请求，天线设置请求包括多波束天线的波束辐射方向。

S302：根据波束辐射方向，选择输入端口连接的子输入耦合器及输出端口连接的子输出耦合器。

S303：接收从输入端口输入的馈电信号，经过所选择的子输入耦合器及子输出耦合器对馈电信号进行处理，并通过子输出耦合器连接的输出端口输出处理后的信号。

应用本发明，能够根据实际天线设置请求，通过馈电装置中的选择开关选择不同相位差的子输入耦合器和子输出耦合器的组合，能够得到不同的输出相位差，实现灵活的相位差输出，为波束辐射方向提供灵活的选择。

多波束天线的波束辐射方向受很多因素的影响，实际中用辐射方向图的空间特性来表示波束辐射方向。

特别的，根据波束辐射方向，选择输入端口连接的子输入耦合器及输出端口连接的子输出耦合器，包括：

根据波束辐射方向，计算将馈电信号输入各输入端口分别对应的输出相位差；

根据各输出相位差，计算各输入耦合器模块及各输出耦合器模块的待定相位差；

基于各输入耦合器模块的待定相位差，确定各输入耦合器模块的子输入耦合器，并基于各输出耦合器模块的待定相位差，确定各输出耦合器模块的子输出耦合器。

特别的，馈电信号从一个输入端口输入时，其余输入端口处于断开状态。

一个波束辐射方向与馈电信号从一个输入端口输入对应的输出相位差是一一对应的，馈电信号从不同输入端口输入时，输出相位差发生改变，进而波束辐射方向发生偏转，馈电信号从一个输入端口输入时，其余输入端口处于断开状态，通过馈电矩阵外接控制开关，控制输入端口的状态。

根据波束辐射方向计算输出相位差的计算公式如下所示：

式中，θ₀为波束辐射方向，λ为波长，Δθ为输出相位差，d是天线阵列单元间隔。

特别的，根据各输出相位差，计算各输入耦合器模块及各输出耦合器模块的待定相位差，包括：

根据各输出相位差，利用输出相位差计算公式，计算各输出耦合器模块的待定相位差，其中，各输出耦合器模块的待定相位差相同，相位差计算公式为：

根据各输出耦合器模块的待定相位差，利用相位差映射关系式，计算各输入耦合器模块的待定相位差，相位差映射关系式为：

其中，β₁、β₂分别为两个输入耦合器模块的待定相位差，β₃为各输出耦合器模块的待定相位差，Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃、Δθ₄为馈电信号分别从各输入端口输入得到的输出相位差，且Δθ₁≠Δθ₂≠Δθ₃≠Δθ₄，β₁、β₂、β₃的范围为0～π。

按照图1所示的结构，输入耦合器模块A1的待定相位差为β₁，输入耦合器模块A2的待定相位差为β₂，输出耦合器模块B1、B2的待定相位差均为β₃，在P1端口输入馈电信号时P5端口的输出相位为α₁，在P3端口输入馈电信号时P5端口的输出相位为α₂。通过相位偏转，可以得到馈电信号分别在P1、P2、P3、P4端口输入时，P5、P6、P7、P8端口的输出相位，如表1所示。

表1输入端口和输出端口与输出相位的对应关系

馈电信号从一个输入端口输入时，得到的相邻输出端口间的输出相位差相等，即P6和P5的相位差等于P7和P6的相位差等于P8和P7的相位差，因此从表1中可以得出馈电信号从不同端口输入时输出端口的输出相位差。馈电信号从P1、P2、P3、P4端口输入时输出相位差Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃、Δθ₄分别为：

Δθ₁＝-β₁＝β₁-β₃+2n₁π

Δθ₂＝π-β₁＝β₁-β₃-π+2n₂π

Δθ₃＝-β₂＝π+β₂-β₃+2n₃π

Δθ₄＝π-β₂＝β₂-β₃+2n₄π

n₁、n₂、n₃、n₄为整数；

根据上述等式关系进行变换，可以得到相位差计算公式为：

和相位差映射关系式为：

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多波束天线馈电装置，其特征在于，包括两个输入耦合器模块、两个输出耦合器模块、四个输入端口及四个输出端口；

各输入耦合器模块和各输出耦合器模块分别包括两个入口和两个出口，所述各输入耦合器模块的入口分别连接至各输入端口，所述各输出耦合器模块的出口分别连接至各输出端口；

各输入耦合器模块分别包括多个不同相位差的子输入耦合器及第一选择开关，各输出耦合器模块分别包括多个不同相位差的子输出耦合器及第二选择开关，所述第一选择开关用于选择输入耦合器模块的一个子输入耦合器与输入端口及输出耦合器模块连接，所述第二选择开关用于选择输出耦合器模块的一个子输出耦合器与输出端口及输入耦合器模块连接；

针对任一输入耦合器模块，该输入耦合器模块的两个出口分别连接至所述两个输出耦合器模块的入口，且一个输出耦合器模块的一个入口仅连接一个输入耦合器模块的出口。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，

第一输入耦合器模块的第一出口连接至第一输出耦合器模块的第一入口，其中，所述第一输入耦合器模块为所述两个输入耦合器模块中的任一个，所述第一出口为所述第一输入耦合器模块的两个出口中的任一个，所述第一输出耦合器模块为所述两个输出耦合器模块中的任一个，所述第一入口为所述第一输出耦合器模块的两个入口中的任一个；

所述第一输入耦合器模块的第二出口连接至第二输出耦合器模块的第二入口，其中，所述第二出口为所述第一输入耦合器模块的两个出口中除所述第一出口外的另一个出口，所述第二输出耦合器模块为所述两个输出耦合器模块中除所述第一输出耦合器模块外的另一个输出耦合器模块，所述第二入口为所述第二输出耦合器模块的两个入口中的任一个；

所述第一入口直通的出口所连接的第一输出端口与所述第二入口直通的出口所连接的第二输出端口为相邻输出端口。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，选择出的两个子输出耦合器为相位差相同的耦合器，选择出的两个子输入耦合器为相位差不同的耦合器。

4.一种多波束天线馈电方法，应用于权利要求1所述的多波束天线馈电装置；其特征在于，所述方法包括：

获取天线设置请求，所述天线设置请求包括多波束天线的波束辐射方向；

根据所述波束辐射方向，选择输入端口连接的子输入耦合器及输出端口连接的子输出耦合器；

接收从所述输入端口输入的馈电信号，经过所选择的子输入耦合器及子输出耦合器对所述馈电信号进行处理，并通过所述子输出耦合器连接的输出端口输出处理后的信号。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述根据所述波束辐射方向，选择输入端口连接的子输入耦合器及输出端口连接的子输出耦合器，包括：

根据所述波束辐射方向，计算将馈电信号输入各输入端口分别对应的输出相位差；

根据各输出相位差，计算各输入耦合器模块及各输出耦合器模块的待定相位差；

基于所述各输入耦合器模块的待定相位差，确定所述各输入耦合器模块的子输入耦合器，并基于所述各输出耦合器模块的待定相位差，确定所述各输出耦合器模块的子输出耦合器。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述根据各输出相位差，计算各输入耦合器模块及各输出耦合器模块的待定相位差，包括：

根据各输出相位差，利用输出相位差计算公式，计算各输出耦合器模块的待定相位差，其中，所述各输出耦合器模块的待定相位差相同，所述相位差计算公式为：

根据所述各输出耦合器模块的待定相位差，利用相位差映射关系式，计算各输入耦合器模块的待定相位差，所述相位差映射关系式为：

其中，β₁、β₂分别为所述两个输入耦合器模块的待定相位差，β₃为所述各输出耦合器模块的待定相位差，Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃、Δθ₄为所述馈电信号分别从所述各输入端口输入得到的输出相位差，且Δθ₁≠Δθ₂≠Δθ₃≠Δθ₄，β₁、β₂、β₃的范围为0～π。

7.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述馈电信号从一个输入端口输入时，其余输入端口处于断开状态。

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