CN111310311B - 用于基站天线的精准赋形设计方法及其系统 - Google Patents
用于基站天线的精准赋形设计方法及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明适用于移动通信基站天线领域,提供了一种用于基站天线的精准赋形设计方法,包括步骤:分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图;根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位;提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积以获取阵列方向图;将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果。还提供了一种用于基站天线的精准赋形设计系统。借此,本发明能够减少基站天线赋形设计的样机版数,大幅提升产品开发速度。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信基站天线领域,尤其涉及一种用于基站天线的精准赋形设计方法及其系统。
背景技术
基站天线赋形设计:天线阵列的方向图等于阵列中每个单元的方向图乘以单元幅度相位,然后进行加权,赋形设计主要通过改变单元的幅度相位,来改变合成阵列的方向图。基站天线的赋形设计,主要针对的上副瓣和增益指标,通过调整单元幅度相位,降低上副瓣,同时增益不产生大幅下降。
现有的基站天线赋形设计中,单元幅度相位的获取方式主要有以下3种:1、使用阵列设计的理论幅度相位值;2、使用测试的馈电网络端口幅度相位值;3、使用同频段单元做的探头依次探测阵列中每个单元的幅度相位。
其中,方法1不用额外获取数据,直接可以进行仿真,但是理论幅相值与实际值差异较大,精度很低,尤其在超宽频天线上,几乎无法用于赋形设计;方法2使用测试的馈电网络端口数据作为单元的幅相,此种方法在单元匹配情况较好的情况下,仿真数据与实测数据吻合度较好,但是当单元驻波偏高,典型情况下,当单元在某个频点驻波高于1.3,该频点的仿真数据与实测数据就会存在较大差异,而随着基站天线的集成度进一步提高,单元驻波大部分在1.5左右,所以方法2已经不能满足当前基站天线的赋形设计;方法3使用探测的幅相作为单元幅相,该方法效率高,是目前主流使用的方法,但是该方法会造成单元幅度严重失真,探头放在被测单元上方会干扰被测单元,从而影响整机系统,另一方面,随着天线的集成,会有高频单元被低频遮挡的情况,在此种情况下,探头探测的方法将无法使用。
综上可知,现有的方法在实际使用上,存在着较多的问题,所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷,本发明的目的在于提供一种用于基站天线的精准赋形设计方法及其系统,能够减少基站天线赋形设计的样机版数,大幅提升产品开发速度。
为了实现上述目的,本发明提供一种用于基站天线的精准赋形设计方法,包括:
分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图;
根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位;
提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积以获取阵列方向图;
将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果。
优选的是,所述分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图的步骤包括:
通过矢量网络分析仪测试以分别获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络与所述阵列单元的所述S(N+1)P数据和所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
或者,所述分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图的步骤包括:
通过3D电磁软件仿真以获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络与所述阵列单元的所述S(N+1)P数据和所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
根据所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,所述根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位的步骤包括:
设所述馈电网络的散射输出为A,
则/>其中,S为所述馈电网络的所述S(N+1)P数据,an为所述馈电网络各端口的输入,其中a1,a2,...an均为0,an+1=1;
设全部所述阵列单元的输出为B,
则/>其中S'为全部所述阵列单元的所述SNP数据。
根据所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,所述提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积以获取阵列方向图的步骤包括:
通过仿真软件或者方向图测试场依次提取每一所述阵列单元的矢量方向图数据;
根据所述矢量方向图数据和方向图乘积原理计算得到阵列方向图数据。
所述根据所述矢量方向图数据和方向图乘积原理计算得到阵列方向图数据的步骤进一步包括:
设fθ为所述阵列方向图数据,则
其中,fiθ为所述阵列单元i的矢量方向图,Ai为所述阵列单元i的馈电幅度,θi为所述阵列单元i的馈电相位。
所述将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果的步骤包括:
根据预设的约束公式通过自动优化电缆的相位,迭代进行阵列方向图计算,以获取最终阵列方向图结果。
根据所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,所述约束公式包括有:公式一:公式二:fθMAX≥GainMIN;其中,LMAX为角度θ1到角度θ2之间的最大副瓣的目标值,GainMIN为阵列增益的最小目标值。
还提供了一种用于基站天线的精准赋形设计系统,包括有:
获取搭建单元,用于分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图;
幅度相位计算单元,用于根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位;
阵列方向图获取单元,用于提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积以获取阵列方向图;
自动优化单元,用于将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果。
优选的是,所述获取搭建单元具体用于:
通过矢量网络分析仪测试以分别获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络与所述阵列单元的所述S(N+1)P数据和所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
或者,所述获取搭建单元具体用于:
通过3D电磁软件仿真以获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络与所述阵列单元的所述S(N+1)P数据和所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
根据所述的用于基站天线的精准赋形设计系统,所述幅度相位计算单元用于:
设所述馈电网络的散射输出为A,
则/>其中,S为所述馈电网络的所述S(N+1)P数据,an为所述馈电网络各端口的输入,其中a1,a2,...an均为0,an+1=1;
设全部所述阵列单元的输出为B,
则/>其中S'为全部所述阵列单元的所述SNP数据。
所述阵列方向图获取单元包括:
提取子单元,用于通过仿真软件或者方向图测试场依次提取每一所述阵列单元的矢量方向图数据;
计算子单元,用于根据所述矢量方向图数据和方向图乘积原理计算得到阵列方向图数据。
所述计算子单元具体用于:
设fθ为所述阵列方向图数据,则
其中,fiθ为所述阵列单元i的矢量方向图,Ai为所述阵列单元i的馈电幅度,θi为所述阵列单元i的馈电相位。
根据所述的用于基站天线的精准赋形设计系统,所述自动优化单元具体用于:
根据预设的约束公式通过自动优化电缆的相位,迭代进行阵列方向图计算,以获取最终阵列方向图结果。
所述约束公式包括有:公式一:公式二:fθMAX≥GainMIN;其中,LMAX为角度θ1到角度θ2之间的最大副瓣的目标值,GainMIN为阵列增益的最小目标值。
本发明所述的用于基站天线的精准赋形设计方法通过建立基站阵列天线的微波电路系统,精确计算获取单元幅度相位,又通过方向图成形原理精准求解阵列方向图,并通过自动优化高效进行赋形设计,减少基站天线赋形设计的样机版数,大幅提升产品开发速度。
附图说明
图1为本发明优选实施例采用的所述用于基站天线的精准赋形设计方法的步骤流程图;
图2为本发明优选实施例所述用于基站天线的精准赋形设计系统的结构框图;
图3为本发明优选实施例所述用于基站天线的精准赋形设计系统的完整的矩阵网络散射参数的数据结构示意图;
图4为本发明优选实施例所述用于基站天线的精准赋形设计系统的微波网络系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的,本说明书中针对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用,指的是描述的该实施例可包括特定的特征、结构或特性,但是不是每个实施例必须包含这些特定特征、结构或特性。此外,这样的表述并非指的是同一个实施例。进一步,在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时,不管有没有明确的描述,已经表明将这样的特征、结构或特性结合到其它实施例中是在本领域技术人员的知识范围内的。
此外,在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件或部件,所属领域中具有通常知识者应可理解,制造商可以用不同的名词或术语来称呼同一个组件或部件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件或部件的方式,而是以组件或部件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求书中所提及的“包括”和“包含”为一开放式的用语,故应解释成“包含但不限定于”。以外,“连接”一词在此系包含任何直接及间接的电性连接手段。间接的电性连接手段包括通过其它装置进行连接。
图2示出本发明优选实施例所述的用于基站天线的精准赋形设计系统100,包括有获取搭建单元10、幅度相位计算单元20、阵列方向图获取单元30以及自动优化单元40,其中:
获取搭建单元10用于分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图;所述幅度相位计算单元20用于根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位;阵列方向图获取单元30用于提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积以获取阵列方向图;所述自动优化单元40用于将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果。通过建立基站阵列天线的微波电路系统,精确计算获取单元幅度相位,又通过方向图成形原理精准求解阵列方向图,并通过自动优化高效进行赋形设计,减少基站天线赋形设计的样机版数,大幅提升产品开发速度。
本实施例优选的是,所述获取搭建单元10具体用于:
通过矢量网络分析仪测试以分别获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络与所述阵列单元的所述S(N+1)P数据和所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。所述馈电网络相对所述阵列单元多一个总输入端口,因此所述馈电网络的S参数设为S(N+1)P数据,所述SNP数据为完整的矩阵网络散射参数,其中包含每个频点所有端口的传输及反射特性,数据结构如图3。参见图4,图中310为馈电网络电路,320为为阵列单元电路,330为优化用的同轴电缆,同轴电缆初始长度可以设置为0,340为提取单元幅度相位用的虚拟端口。
当然,在其他实施例中,所述获取搭建单元10还可具体用于:
通过3D电磁软件仿真以获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络与所述阵列单元的所述S(N+1)P数据和所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
所述幅度相位计算单元20用于:
设所述馈电网络的散射输出为A,
则/>其中,S为所述馈电网络的所述S(N+1)P数据,an为所述馈电网络各端口的输入,其中a1,a2,...an均为0,an+1=1;
设全部所述阵列单元的输出为B,
则/>其中S'为全部所述阵列单元的所述SNP数据。依据微波网络计算原理将搭建的电路系统进行运算,以求得全部所述阵列单元的输出即获取所述单元幅度相位。
优选的是,所述阵列方向图获取单元30包括提取子单元和计算子单元,其中:
所述提取子单元用于通过仿真软件或者方向图测试场依次提取每一所述阵列单元的矢量方向图数据;所述计算子单元用于根据所述矢量方向图数据和方向图乘积原理计算得到阵列方向图数据。
进一步的,所述计算子单元具体用于:
设fθ为所述阵列方向图数据,则
其中,fiθ为所述阵列单元i的矢量方向图,Ai为所述阵列单元i的馈电幅度,θi为所述阵列单元i的馈电相位。
所述自动优化单元40具体用于:根据预设的约束公式通过自动优化电缆的相位,迭代进行阵列方向图计算,以获取最终阵列方向图结果。
优选的是,所述约束公式包括有:公式一:公式二:fθMAX≥GainMIN;其中,LMAX为角度θ1到角度θ2之间的最大副瓣的目标值,GainMIN为阵列增益的最小目标值。
图1示出本发明优选实施例所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,包括步骤:
S101:分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图;
S102:根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位;
S103:提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积以获取阵列方向图;
S104:将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果。
通过建立基站阵列天线的微波电路系统,精确计算获取单元幅度相位,又通过方向图成形原理精准求解阵列方向图,并通过自动优化高效进行赋形设计,减少基站天线赋形设计的样机版数,大幅提升产品开发速度。
优选的是,所述步骤S101包括:
通过矢量网络分析仪测试以分别获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络与所述阵列单元的所述S(N+1)P数据和所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
或者在其他实施例中,所述步骤S101还可以包括:
通过3D电磁软件仿真以获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络与所述阵列单元的所述S(N+1)P数据和所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
所述馈电网络相对所述阵列单元多一个总输入端口,因此所述馈电网络的S参数设为S(N+1)P数据,所述SNP数据为完整的矩阵网络散射参数,其中包含每个频点所有端口的传输及反射特性,数据结构如图3。参见图4,图中310为馈电网络电路,320为为阵列单元电路,330为优化用的同轴电缆,同轴电缆初始长度可以设置为0,340为提取单元幅度相位用的虚拟端口。
所述步骤S102包括:
设所述馈电网络的散射输出为A,
则/>其中,S为所述馈电网络的所述S(N+1)P数据,an为所述馈电网络各端口的输入,其中a1,a2,...an均为0,an+1=1;
设全部所述阵列单元的输出为B,
则/>其中S'为全部所述阵列单元的所述SNP数据。
所述步骤S103包括:
通过仿真软件或者方向图测试场依次提取每一所述阵列单元的矢量方向图数据;
根据所述矢量方向图数据和方向图乘积原理计算得到阵列方向图数据。
所述步骤S103进一步包括:
设fθ为所述阵列方向图数据,则
其中,fiθ为所述阵列单元i的矢量方向图,Ai为所述阵列单元i的馈电幅度,θi为所述阵列单元i的馈电相位。
所述步骤S104包括:
根据预设的约束公式通过自动优化电缆的相位,迭代进行阵列方向图计算,以获取最终阵列方向图结果。
具体的是,所述约束公式包括有:公式一:公式二:fθMAX≥GainMIN;其中,LMAX为角度θ1到角度θ2之间的最大副瓣的目标值,GainMIN为阵列增益的最小目标值。
综上所述,本发明所述的用于基站天线的精准赋形设计方法通过建立基站阵列天线的微波电路系统,精确计算获取单元幅度相位,又通过方向图成形原理精准求解阵列方向图,并通过自动优化高效进行赋形设计,减少基站天线赋形设计的样机版数,大幅提升产品开发速度。
当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种用于基站天线的精准赋形设计方法,其特征在于,包括:
分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图;
根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位;
提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积原理以获取阵列方向图;
将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果;
所述将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果的步骤包括:
根据预设的约束公式通过自动优化电缆的相位,迭代进行阵列方向图计算,以获取最终阵列方向图结果;
所述约束公式包括有:公式一:公式二:fθMAX≥GainMIN;其中,LMAX为角度θ1到角度θ2之间的最大副瓣的目标值,GainMIN为阵列增益的最小目标值,fθ为阵列方向图数据。
2.根据权利要求1所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,其特征在于,所述分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图的步骤包括:
通过矢量网络分析仪测试以分别获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络的所述S(N+1)P数据和所述阵列单元的所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
3.根据权利要求1所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,其特征在于,所述分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图的步骤包括:
通过3D电磁软件仿真以获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络的所述S(N+1)P数据和所述阵列单元的所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
4.根据权利要求2或3所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,其特征在于,所述根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位的步骤包括:
设所述馈电网络的散射输出为A,
则/>其中,S为所述馈电网络的所述S(N+1)P数据,an为所述馈电网络端口n的输入,其中a1,a2,...an均为0,an+1=1;
设全部所述阵列单元的输出为B,
则/>其中S'为全部所述阵列单元的所述SNP数据。
5.根据权利要求1所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,其特征在于,所述提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积原理以获取阵列方向图的步骤包括:
通过仿真软件或者方向图测试场依次提取每一所述阵列单元的矢量方向图数据;
根据所述矢量方向图数据和方向图乘积原理计算得到阵列方向图数据。
6.根据权利要求5所述的用于基站天线的精准赋形设计方法,其特征在于,所述根据所述矢量方向图数据和方向图乘积原理计算得到阵列方向图数据的步骤进一步包括:
设fθ为所述阵列方向图数据,则);
其中,fiθ为所述阵列单元i的矢量方向图,Ai为所述阵列单元i的馈电幅度,θi为所述阵列单元i的馈电相位。
7.一种用于基站天线的精准赋形设计系统,其特征在于,包括有:
获取搭建单元,用于分别获取完整馈电网络和全部阵列单元的S参数,并根据所述S参数以搭建微波电路系统图;
幅度相位计算单元,用于根据所述微波电路系统图和微波网络计算原理以计算获取单元幅度相位;
阵列方向图获取单元,用于提取所述阵列单元的矢量方向图,并通过方向图乘积原理以获取阵列方向图;
自动优化单元,用于将所述单元幅度相位和所述阵列方向图通过自动优化进行赋形设计,以获取最终阵列方向图结果;
所述自动优化单元具体用于:
根据预设的约束公式通过自动优化电缆的相位,迭代进行阵列方向图计算,以获取最终阵列方向图结果;
所述约束公式包括有:公式一:公式二:fθMAX≥GainMIN;其中,LMAX为角度θ1到角度θ2之间的最大副瓣的目标值,GainMIN为阵列增益的最小目标值,fθ为阵列方向图数据。
8.根据权利要求7所述的用于基站天线的精准赋形设计系统,其特征在于,所述获取搭建单元具体用于:
通过矢量网络分析仪测试以分别获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络的所述S(N+1)P数据和所述阵列单元的所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
9.根据权利要求7所述的用于基站天线的精准赋形设计系统,其特征在于,所述获取搭建单元具体用于:
通过3D电磁软件仿真以获取完整所述馈电网络的S(N+1)P数据和全部所述阵列单元的SNP数据;
将所述馈电网络的所述S(N+1)P数据和所述阵列单元的所述SNP数据通过电路软件组建完整的微波电路系统图。
10.根据权利要求8或9所述的用于基站天线的精准赋形设计系统,其特征在于,所述幅度相位计算单元用于:
设所述馈电网络的散射输出为A,
则/>其中,S为所述馈电网络的所述S(N+1)P数据,an为所述馈电网络端口n的输入,其中a1,a2,...an均为0,an+1=1;
设全部所述阵列单元的输出为B,
则/>其中S'为全部所述阵列单元的所述SNP数据。
11.根据权利要求7所述的用于基站天线的精准赋形设计系统,其特征在于,所述阵列方向图获取单元包括:
提取子单元,用于通过仿真软件或者方向图测试场依次提取每一所述阵列单元的矢量方向图数据;
计算子单元,用于根据所述矢量方向图数据和方向图乘积原理计算得到阵列方向图数据。
12.根据权利要求11所述的用于基站天线的精准赋形设计系统,其特征在于,所述计算子单元具体用于:
设fθ为所述阵列方向图数据,则);
其中,fiθ为所述阵列单元i的矢量方向图,Ai为所述阵列单元i的馈电幅度,θi为所述阵列单元i的馈电相位。
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