CN110994203A - 一种宽频混合多波束阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽频混合多波束阵列天线，其各耦合器模组与各辐射单元子阵列一一对应电性连接，耦合器的一个输出端与辐射单元或者单元组电性连接，其第一输入端与波束形成网络的至少一个输出端电性连接，其第二输入端与第二天线网络电性连接；波束形成网络的输入端则与第一天线馈电网络电性连接。本发明包含单波束和多波束两种系统，且其共用辐射单元，工作在同一个超宽的工作频段上，通过采用耦合器将天线阵列分为多波束系统和常规宽波束系统，实现不同天线的融合，在减小混合多波束天线体积的同时，保持两个系统都工作在超宽频段，有效促进多运营商共用天线和共站共享，节省网络建设费用。

Description

一种宽频混合多波束阵列天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种可工作在宽频范围的宽频混合多波束阵列天线。
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，通过多个小间距阵列形成多个窄波束，将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。专利US13127592提出通过混合使用2×3和2×4的波束形成网络以及对应的辐射单元模块组合，构成一种可在1710-2200MHz工作的低旁瓣的双波束天线，该双波束天线旁瓣抑制优于20dB，并且95％的能量指向了被辐射的扇区，显著降低了对相邻扇区的干扰。但是这种天线阵列技术只能提供窄波束覆盖，无法满足天线系统同时提供宽波束和窄波束需求。
公开号为CN104577356A的发明专利公布了可同时具有窄波束和宽波束的天线系统和基站，其天线系统分别由第一天线阵列和第二天线阵列组成。第一天线阵列包括至少两列天线，第二天线阵列包括至少一列天线。这种65度波宽和多波束系统融合的天线，通过将两个不同的天线阵列上下或者左右分区域放置的方式来设计，体积过大，占用过多天面资源，风荷载过大以及过重。
公开号为CN109509980A的发明专利提出了一种混合多波束天线，宽波束和窄波束天线通过双工器共用天线单元，可实现阵列天线的小型化。该技术将多个窄波束阵列天线的其中1列或者2至4列的辐射单元或者单元组连接双工器，实现其中一个频段信号工作于多波束系统，而另一个频段信号工作于65度的单波束系统。由于双工器的引入，多波束天线和单波束天线可共用辐射单元，可实现整个天线系统小型化。但是无论是其中的单波束还是多波束系统，都只能工作在其中一个频段，不能工作在完整的宽频段范围内，无法满足多个频段制式的共天线需求。
因此，为了提升容量同时满足天线小型化以及宽频段工作需求，有必要开发一种小型化、宽频带的混合多波束阵列天线，其中的多波束和单波束系统可工作在同一个超宽频段。
发明内容
鉴于此，针对上述的问题，本发明提供一种宽频混合多波束阵列天线，其可包含单波束和多波束两种系统，且其共用辐射单元，工作在同一个超宽的工作频段上。本发明的宽频混合多波束阵列天线不仅具有小型化的特点，而且多波束和单波束同时工作在超宽频段可最大程度满足多运营商共享天线的需求。
一种宽频混合多波束阵列天线，包括天线阵列和耦合器模组、第一天线馈电网络、若干个第二天线馈电网络和若干个波束形成网络；
天线阵列包括若干个辐射单元子阵列；每个所述辐射单元子阵列包括若干个双极化天线单元，所述双极化天线单元沿水平方向排列，每个所述辐射单元子阵列相互平行；
所述耦合器包括两个输入端和两个输出端，其中一个输出端连接负载接地，另外一个输出端与辐射单元或者单元组电性连接，输入端包括第一输入端和第二输入端；
所述波束形成网络与各耦合器模组一一对应电性连接；
所述波束形成网络包括若干个输入端和若干个输出端，所述输入端与第一天线馈电网络电性连接，至少一个输出端与各耦合器的第一输入端电性连接，其余输出端则与辐射单元或者单元组电性连接；
所述耦合器的第二输入端与各第二天线馈电网络电性连接。
优选地，第一天线馈电网络为双波束网络或者多波束网络，第二天线馈电网络为65度天线馈电网络。
优选地，天线阵列中辐射单元之间的列间距为辐射单元工作频段的中心频点的二分之一波长，每一列的辐射单元的间距为0.5至1.2倍中心频点波长。
优选地，连接同一列辐射单元或者单元组的耦合器的第二输入端与第二天线馈电网络依次相连。
优选地，连接同一列的各耦合器的第二输入端基于交叉连接规则与第二天线网络电性连接；所述交叉连接规则为连接同一列辐射单元的相邻两个耦合器中，至多一个耦合器的第二输入端连接同一个第二天线馈电网络。
优选地，耦合器工作在宽频带范围。
优选地，辐射单元为宽带双极化辐射单元。
优选地，辐射单元、耦合器、波束形成网络、第一天线馈电网络以及第二天线馈电网络的工作频段为1427-2690MHz、600-960MHz、3300-5000MHz这三个频段的其中一个。
本发明方案中，各耦合器模组与各辐射单元子阵列一一对应电性连接，耦合器的输出端与辐射单元，耦合器的第一输入端与波束形成网络的至少一个输出端电性连接，耦合器的第二输入端与第二天线网络电性连接；波束形成网络的输入端则与第一天线馈电网络电性连接。本发明的混合多波束天线方案，可通过第一天线馈电网络将第一电信号通过波束形成网络、耦合器馈入对应的辐射单元；通过第二馈电网络将第二电信号馈入对应的辐射单元，实现天线阵列复用。通过采用耦合器将天线阵列分为多波束系统和常规宽波束系统，实现不同天线的融合，在减小混合多波束天线体积的同时，保持两个系统都工作在超宽频段，可以促进多运营商共用天线和共站共享，节省网络建设费用。
附图说明
图1为本发明实施例中混合多波束天线的第一结构示意图；
图2为本发明实施例中耦合器的连线图；
图3混合多波束天线的第二结构示意图；
图4为本发明实施例中混合多波束天线的第三结构示意图。
其中，11-天线阵列；12-耦合器模组；13-波束形成网络；14-第一天线馈电网络；15-第二天线馈电网络；110-辐射单元子阵列；112-双极化天线单元；120-耦合器子模组；122-耦合器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，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。
实施例一
为了解决传统的融合天线中，天线体积过大的问题，本发明实施例提供了一种混合多波束天线，其包含的多波束天线和常规宽波束均可以工作在超宽频段。图1为一个实施例中混合多波束天线的第一结构示意图，包括天线阵列11和耦合器模组12；天线阵列11包括若干个辐射单元子阵列110(本实施例以“天线阵列11包括至少3个辐射单元子阵列110”示例说明，但“辐射单元子阵列”不受限于“至少3个”)；辐射单元子阵列110包含若干个双极化天线单元112；所述双极化天线单元112沿水平方向排列，每一个所述辐射单元子阵列相互平行。
耦合器模组12包括若干个耦合器子模组120，各耦合器子模组120与各辐射单元子阵列110一一对应电性连接；耦合器子模组120包括至少一个耦合器122。每一个耦合器122包括两个输入端和两个输出端，其中一个输出端连接负载接地，另外一个输出端与辐射单元或者单元组电性连接，输入端包括第一输入端和第二输入端。耦合器122的第一输入端连接波束形成网络的输出端，耦合器122的第二输入端与各第二天线馈电网络电性连接。单元组不是辐射单元子阵列，是垂直方向的多个振子。
上述混合多波束天线还包括第一天线馈电网络14、若干个第二天线馈电网络15和若干个波束形成网络13；各波束形成网络包括若干个输入端和若干个输出端，各波束形成网络的输出端与各耦合器子模组120一一对应电性相连，各波束形成网络的输入端与第一天线馈电网络电性连接。
其中，天线阵列11指的是由多个相同的双极化天线单元按照一定规律组成的二维天线阵，天线阵列的每一行可包含多个双极化天线单元112；双极化天线单元112指的是有效辐射或接收无线电波的器件，其有相互正交的±45度极化的天线振子组成。耦合器122用于将射频信号按比例分成两路输出到天线阵列的功率分配器件，其结构与连线图如图2所示。每一个耦合器122包含有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第二输出端连接50欧姆电阻接地，第一输入端和第二输入端相互隔离；耦合器的第一输出端连接每一行的双极化振子单元，耦合器的第一输入端连接波束形成网络的输出端，波束形成网络的输入端与第一天线馈电网络电性连接；耦合器的第二输入端连接第二天线馈电网络的输出端。波束形成网络13指的是巴特勒矩阵电路单元，使得相连接的天线阵列形成不同指向的波束，每一个巴特勒矩阵电路单元包括定向耦合器和固定移相器电路。
在实施例一中，第一天线馈电网络为双波束馈电网络或多波束馈电网络。其中，双波束馈电网络指的是能够对两个不同水平指向的波束进行下倾角调节或者预置电下倾角的馈电网络。多波束馈电网络指的是能够对多个不同水平指向的波束进行下倾角调节或者预置电下倾角的馈电网络。
在本实施例中，第二天线馈电网络为65度或者90度天线的馈电网络。65度或者90度天线指的是水平波瓣宽度为65度或者90度的天线。
天线阵列中辐射单元之间的列间距为辐射单元工作频段的中心频点的二分之一波长，每一列的辐射单元的间距为0.5至1.2倍中心频点波长。
连接同一列辐射单元或者单元组的耦合器的第二输入端与第二天线馈电网络依次相连。
耦合器工作在宽频带范围。
辐射单元为宽带双极化辐射单元。
辐射单元、耦合器、波束形成网络、第一天线馈电网络以及第二天线馈电网络的工作频段为1427-2690MHz或者600-960MHz或者3300-5000MHz。
实施例二
在实施例二中，如图3所示，天线阵列由若干个辐射单元子阵列组成，每一个辐射单元子阵列由沿水平方向排列的4个双极化天线单元组成。每一个天线单元与耦合器的第一输出端电性连接，耦合器的第一输入端与波束形成网络的输出端电性连接，波束网络的输入端与两波束天线馈电网络电性连接；耦合器的第二输入端则与各自的65度天线馈电网络电性连接。
需要指出的是，每一行的振子可有一至三个天线单元直接与波束形成网络电性连接，中间无耦合器，同样的，其它列同样位置的天线单元也是直接与对应的波束形成网络电性连接，中间无耦合器。65度天线馈电网络的数量也会因此而减少。
该实施例中，同一列的双极化天线单元与各自的耦合器的第一输出端连接后，对应的耦合器的第二输入口与同一个65度天线馈电网络电性连接。
实施例三
在实施例三中，如图4所示，天线阵列由若干个辐射单元子阵列组成，每一个辐射单元子阵列由沿水平方向排列的4个双极化天线单元组成。每一行有一个天线单元与耦合器的第一输出端电性连接，耦合器的第一输入端与波束形成网络的输出端电性连接，波束网络的输入端与两波束天线馈电网络电性连接；耦合器的第二输入端则与65度天线馈电网络电性连接。
连接同一列的各耦合器的第二输入端基于交叉连接规则与第二天线网络电性连接；所述交叉连接规则为连接同一列辐射单元的相邻两个耦合器中，至多一个耦合器的第二输入端连接同一个第二天线馈电网络。
需要指出的是，与耦合器相连的双极化天线单元交错排列，如图4所示，这样交错排列有益于缩窄波宽或者在宽频段范围内保持波宽稳定。
本发明所述的一种宽频混合多波束阵列天线，其各耦合器模组与各辐射单元子阵列一一对应电性连接；耦合器包括两个输入端和两个输出端；一个输出端连接负载接地，另外一个输出端与辐射单元或者单元组电性连接；耦合器的第一输入端与波束形成网络的至少一个输出端电性连接，耦合器的第二输入端与第二天线网络电性连接；波束形成网络的输入端则与第一天线馈电网络电性连接。本发明的混合多波束天线方案，可通过第一天线馈电网络将第一电信号通过波束形成网络、耦合器馈入对应的辐射单元；通过第二馈电网络将第二电信号馈入对应的辐射单元，实现天线阵列复用。通过采用耦合器将天线阵列分为多波束系统和常规宽波束系统，实现不同天线的融合，在减小混合多波束天线体积的同时，保持两个系统都工作在超宽频段，可以促进多运营商共用天线和共站共享，节省网络建设费用。
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 (8)

1.一种宽频混合多波束阵列天线，其特征在于，包括天线阵列、耦合器模组、第一天线馈电网络、若干个第二天线馈电网络和若干个波束形成网络；
所述天线阵列包括至少3个辐射单元子阵列，每个所述辐射单元子阵列包括若干个双极化天线单元，所述双极化天线单元沿水平方向排列，每一个所述辐射单元子阵列相互平行；
所述耦合器模组包括至少一个耦合器，每一个耦合器包括两个输入端和两个输出端，其中一个输出端连接负载接地，另外一个输出端与辐射单元或者单元组电性连接，输入端包括第一输入端和第二输入端；
所述波束形成网络与各耦合器模组一一对应电性连接；
所述波束形成网络包括若干个输入端和若干个输出端，所述输入端与第一天线馈电网络电性连接，至少一个输出端与各耦合器的第一输入端电性连接，其余输出端则与辐射单元或者单元组电性连接；
所述耦合器的第二输入端与各第二天线馈电网络电性连接。
2.根据权利要求1所述的宽频混合多波束阵列天线，其特征在于，所述第一天线馈电网络为双波束网络或者多波束网络，第二天线馈电网络为单波束或者65度天线馈电网络。
3.根据权利要求2所述的宽频混合多波束阵列天线，其特征在于，连接同一列辐射单元或者单元组的耦合器的第二输入端与第二天线馈电网络依次相连。
4.根据权利要求2所述的宽频混合多波束阵列天线，其特征在于，连接同一列的各耦合器的第二输入端基于交叉连接规则与第二天线网络电性连接；所述交叉连接规则为连接同一列辐射单元的相邻两个耦合器中，至多一个耦合器的第二输入端连接同一个第二天线馈电网络。
5.根据权利要求2所述的宽频混合多波束阵列天线，其特征在于，所述天线阵列中辐射单元之间的列间距为辐射单元工作频段的中心频点的二分之一波长，每一列的辐射单元的间距为0.5至1.2倍中心频点波长。
6.根据权利要求2所述的宽频混合多波束阵列天线，其特征在于，所述耦合器工作在宽频带范围。
7.根据权利要求2所示的宽频混合多波束阵列天线，其特征在于，所述辐射单元为宽带双极化辐射单元。
8.根据权利要求2所示的宽频混合多波束阵列天线，其特征在于，所述辐射单元、耦合器、波束形成网络、第一天线馈电网络以及第二天线馈电网络的工作频段为1427-2690MHz、600-960MHz、3300-5000MHz这三个频段的其中一个。
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