CN111525262A - 一种圆形多波束相控阵列天线及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种圆形多波束相控阵列天线及通信方法，涉及高速率通信技术领域，能够实现一维全向辐射，以便于建立节点通信。本发明包括：圆环形天线阵列由2n个天线单元围成一个圆环组成，天线单元包括朝向圆环圆心的馈电端口和背离圆环圆心的辐射部分，可控馈电网络由一分2n功分器和2n个射频组件组成。在初始化组网时，触发2n个射频组件全部处于开启状态，并为2n个天线单元配置相位相等且幅度相同的信号；所述圆形多波束相控阵列天线通过2n个天线单元进行全向辐射。本发明适用于建立节点通信。

Description

一种圆形多波束相控阵列天线及通信方法
技术领域
本发明涉及高速率通信技术领域，尤其涉及一种圆形多波束相控阵列天线及通信方法。
背景技术
随着社会的发展，高速率通信在生活中发挥着越来越重要的作用，天线作为系统的重要组成部分，人们提出了越来越高的高增益和波束可变要求。高增益天线能满足自组网中大量的信息高速度传递的需求，并且传播距离可以更远。波束可变天线可以满足通信的更高要求，比如移动时的高速率通信。
近年来，业内基于圆弧形天线阵研究的过程中取得了一些进展，国外已开始研究圆极化圆形天线阵。国内对圆弧形天线阵进行了研究，并提出了一些方案，比如设计了一个以方向图可重构天线为阵元的共形圆弧阵，设置各阵元的工作模式和端口相位，实现阵列方向图以最佳形式准确指向预定角度，将弧形阵扩展至圆形阵可以实现方位面内扫描。
但是这种方案中，天线的波束不可调节，也不能同时产生多个波束。因此目前的自组网高速率通信天线阵的研究还不太成熟，高速率和波束覆盖范围不可兼得，因此应用在节点通信上还有许多问题需要解决。
发明内容
本发明的实施例提供一种圆形多波束相控阵列天线及通信方法，能够实现一维全向辐射，以便于建立节点通信。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，本申请实施例提供一种圆形多波束相控阵列天线，包括：圆环形天线阵列和馈电网络；
所述圆环形天线阵列由2n个天线单元围成一个圆环组成，其中，n为正整数，每一个天线单元由馈电端口和辐射部分组成，且馈电端口朝向所述圆环的圆心，辐射部分背离所述圆环的圆心；所述馈电网络由一分2n功分器和2n个射频组件组成，其中，所述一分2n功分器分出2n路终端，每一路终端连接1个射频组件的同轴接头，每个天线单元的馈电端口由同轴接头连接1个射频组件；每个射频组件用于为与自身相连的天线单元配置相位和幅度。
在一种可能的设计中，所述可控馈电网络由一分32功分器和32个射频组件组成；所述一分32功分器由1分2威尔金森功分器通过5级级联组成。
再一方面，本申请实施例提供一种应用于所述圆形多波束相控阵列天线的通信方法，所述通信方法包括：在初始化组网时，触发2n个射频组件全部处于开启状态，并为2n个天线单元配置相位相等且幅度相同的信号；所述圆形多波束相控阵列天线通过2n个天线单元进行全向辐射。
在一种可能的设计中，触发相邻的2p个射频组件处于开启状态，并为与所述相邻的2p个射频组件相连的2p个天线单元配置相位不相等且幅度不相同的信号，p为正整数且p＜n；所述圆形多波束相控阵列天线通过所述2p个天线单元辐射精细扫描波束。
在一种可能的设计中，触发2n个射频组件全部处于开启状态，并产生2n-p个互不干扰的定向波束。触发2n个射频组件不全部处于开启状态，并产生1-(2n-p-1)个互不干扰的扫描波束。
本发明实施例提供的圆形多波束相控阵列天线及通信方法，圆环形天线阵列由2n(n为整数)个天线单元围成一个圆环组成，所述天线单元包括朝向圆环圆心的馈电端口和背离圆环圆心的辐射部分，所述可控馈电网络由一分2n功分器和2n个射频组件组成。本实施例的天线结构紧凑，尺寸小，便于加工成型；且天线阵列可实现一维全向辐射以建立节点通信；并且天线阵列可通过编程同时控制1-4个低副瓣高增益的相扫波束以实现自组网高速率、远距离通信。
并且相对于目前的一些方案来说，存在以下优点：
本实施例中，能够产生多个波束，并实现360°的全方向覆盖。并且具体的发射方向可调并非固定，从而为进一步的精细扫描提供操作基础，解决了目前一些方案中波束不能精细扫描，只有固定值波束的问题。
本实施例中的阵列方式，能够实现多个方向的定向波束或相扫波束同时存在，而目前的一些方案中，波束的方向是受限的，比如很多方案在0-45°和135°-225°两个方向范围无法同时存在两个波束，而实施例中能够实现更加细致的波束角度的操作，多个波束同时存在不同的方向。并且本实施例能够进一步通过射频组件控制，形成精细扫描波束。
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它的附图。
图1为本发明实施例提供的圆形多波束相控阵列天线的一种可能的全向辐射模式示意图；
图2为本发明实施例提供的天线单元的示意图；
图3为本发明实施例提供的天线阵列曲面相位补偿示意图；
图4为本发明实施例提供的相扫波束示意图；
图5为本发明实施例提供的多个可精细扫描波束通信示意图；
图6为本发明实施例提供的3个定向波束通信示意图；
图7为本发明实施例提供的4个定向波束通信示意图；
图8为本发明实施例提供的圆形多波束相控阵列天线的一种可能的安装方式的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种圆形多波束相控阵列天线，包括：圆环形天线阵列和馈电网络。
所述圆环形天线阵列由2n个天线单元围成一个圆环组成，其中，n为正整数，每一个天线单元由馈电端口和辐射部分组成，且馈电端口朝向所述圆环的圆心，辐射部分背离所述圆环的圆心。
所述馈电网络由一分2n功分器和2n个射频组件组成，其中，所述一分2n功分器分出2n路终端，每一路终端连接1个射频组件的同轴接头，每个天线单元的馈电端口由同轴接头连接1个射频组件，完成圆环形天线阵列的馈电。需要说明的是，由同轴接头连接即为通过信号线相连接，在一些场景中，也可以称之为“电性连接”。
每个射频组件用于为与自身相连的天线单元配置相位和幅度。射频组件可通过软件控制其开关状态，并且可为天线单元配置不同的相位和幅度。
在本实施例的优选方案中，所述可控馈电网络由一分32功分器和32个射频组件组成。所述一分32功分器由1分2威尔金森功分器通过5级级联组成。
例如：如图1所示，圆环形天线阵列由32个天线单元围成一个圆环组成。每一个天线单元如图2所示，天线单元包括朝向圆环圆心的馈电端口和背离圆环圆心的辐射部分，可控馈电网络由一分32功分器和32个射频组件组成。一分32功分器由1分2威尔金森功分器5级级联组成，一分32功分器的32路终端与32个射频组件由同轴接头连接，每个射频组件再与每个天线单元的馈电端口由同轴接头连接，完成圆环形天线阵列的馈电。射频组件可通过软件控制其开关状态，并且可为天线单元配置不同的相位和幅度。
进一步的，所述圆环形天线阵列由2n个天线单元呈圆环布局在结构件上，具体的布局方式参照图1，所述结构件为圆形的铝合金结构件。如图8所示的，所述圆形多波束相控阵列天线通过旋转支架支撑，以便于辐射的波束在俯仰面实现机械扫描。
本实施例中，每一路终端连接1个射频组件，每个天线单元的馈电端口由同轴接头连接1个射频组件。并且，每个射频组件用于为与自身相连的天线单元配置相位和幅度。而这些天线单元又以圆环形的布局，形成天线阵列，该天线阵列可以安装在同样也是圆环形的结构件上。而圆环形的天线阵列，能够在360°全向上发射波束，且天线单元的数量越多则波束的发射角度的精细度越高，天线单元与射频组件一对一的配置，则又实现了每一个天线都可以独立发射波束，不同的天线则可以发射不同的波束，从而不仅实现了360°全向覆盖，还可以同时发射不同的相位和幅度。相对于传统的机械式旋转扫描的方案，本实施例实现了360°全向覆盖且不需要增加额外的机械旋转结构。而如图8所示的旋转支架支撑，则是为了进一步增大波束的俯仰面。同时实现了360°全向覆盖和同时发射不同的相位/幅度波束，这2大功能。
本实施例中，还包括一种应用于所述圆形多波束相控阵列天线的通信方法，所述通信方法包括：
在初始化组网时，触发2n个射频组件全部处于开启状态，并为2n个天线单元配置相位相等且幅度相同的信号。
所述圆形多波束相控阵列天线通过2n个天线单元进行全向辐射，所述圆形多波束相控阵列可产生全向辐射模式便于通信的初始化组网。
例如：如图1所示，每个天线单元工作时可向圆环外辐射一个波束，当32个射频组件被控制为全部开启状态，并且为32个天线单元配置等幅同相信号时，所述圆形多波束相控阵列可产生全向辐射模式便于通信的初始化组网。在馈电上，由于圆阵的波束非同一平面上，因此需要射频组件为天线单元配置不同的相位来适应阵面的曲面特性，图3是阵面的曲面特性补偿，因为有8个天线在同时工作，因此8个天线单元具有4种不同的相位组合，馈电的方式为中间落后两边超前的方式。
进一步的，还包括：触发相邻的2p个射频组件处于开启状态，并为与所述相邻的2p个射频组件相连的2p个天线单元配置相位不相等且幅度不相同的信号，p为正整数且p＜n。所述圆形多波束相控阵列天线通过所述2p个天线单元辐射精细扫描波束。
其中，相邻的2p个天线单元可产生一个可精细扫描波束，产生单个波束的天线单元数目越高，波束增益越高，辐射越远，通信距离越远。例如：如图4所示，当相邻的8个射频组件被控制为开启状态，并且为其相连的8个天线单元配置异幅异相信号时，相邻的8个天线单元可产生一个低副瓣高增益且可精细扫描波束，该波束增益比单个天线单元增益高9dB，可使天线阵列实现远距离通信。
本实施例中，还包括：触发2n个射频组件全部处于开启状态，并产生2n-p个互不干扰的定向波束。以及，触发2n个射频组件不全部处于开启状态，并产生1-(2n-p-1)个互不干扰的扫描波束。
具体的，当2n个所述射频组件被控制为全部开启状态时，所述圆形多波束相控阵列可产生2n-p个可互不干扰同时通信的定向波束；当2n个所述射频组件未被控制为全部开启状态时，所述圆形多波束相控阵列可产生1-(2n-p-1)个可互不干扰同时通信的可精细扫描波束。
例如：当32个所述射频组件未被控制为全部开启状态时，所述圆形多波束相控阵列可产生1-3个可互不干扰同时通信的可精细扫描波束(但是全开启时会干扰)，比如如图5所示的1个定向波束，或者图6所示，3个可互不干扰同时通信的可精细扫描波束；实际应用中也可以是2个可互不干扰同时通信的可精细扫描波束，具体视具体应用场景的需求而定；当32个射频组件被控制为全部开启状态时，如图7所示的，圆形多波束相控阵列可产生4个可互不干扰同时通信的定向波束。这两种模式使天线阵列实现互不干扰实时高速率、远距离通信。
在实际应用中。还可根据需要设置天线单元的数量，根据天线单元的数量相应更改功分器和射频组件的数量进行馈电；也可根据需要更改产生相扫波束的天线的单元的数量。
本发明实施例提供的圆形多波束相控阵列天线及通信方法，圆环形天线阵列由2n(n为整数)个天线单元围成一个圆环组成，所述天线单元包括朝向圆环圆心的馈电端口和背离圆环圆心的辐射部分，所述可控馈电网络由一分2n功分器和2n个射频组件组成。本实施例的天线结构紧凑，尺寸小，便于加工成型；且天线阵列可实现一维全向辐射以建立节点通信；并且天线阵列可通过编程同时控制1-4个低副瓣高增益的相扫波束以实现自组网高速率、远距离通信。
结合本申请公开内容所描述的方法或者算法的步骤可以硬件的方式来实现，也可以是由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、闪存、只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)、可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammableROM，EPROM)、电可擦可编程只读存储器(ElectricallyEPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、只读光盘(CD-ROM)或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。另外，该ASIC可以位于核心网接口设备中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于核心网接口设备中。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆形多波束相控阵列天线，其特征在于，包括：圆环形天线阵列和馈电网络；
所述圆环形天线阵列由2n个天线单元组成并呈圆环布局，其中，n为正整数，每一个天线单元由馈电端口和辐射部分组成，且馈电端口朝向所述圆环的圆心，辐射部分背离所述圆环的圆心；
所述馈电网络由一分2n功分器和2n个射频组件组成，其中，所述一分2n功分器分出2n路终端，每一路终端连接1个射频组件，每个天线单元的馈电端口由同轴接头连接1个射频组件；
每个射频组件用于为与自身相连的天线单元配置相位和幅度。
2.根据权利要求1所述的圆形多波束相控阵列天线，其特征在于，所述可控馈电网络由一分32功分器和32个射频组件组成。
3.根据权利要求2所述的圆形多波束相控阵列天线，其特征在于，所述一分32功分器由1分2威尔金森功分器通过5级级联组成。
4.根据权利要求1所述的圆形多波束相控阵列天线，其特征在于，所述圆环形天线阵列由2n个天线单元呈圆环布局在结构件上，所述结构件为圆形的铝合金结构件。
5.根据权利要求1所述的圆形多波束相控阵列天线，其特征在于，还包括：所述圆形多波束相控阵列天线通过旋转支架支撑，以便于辐射的波束在俯仰面实现机械扫描。
6.一种通信方法,其特征在于,应用于权利要求1至5中任意一项所述的圆形多波束相控阵列天线,包括:在初始化组网时，触发2n个射频组件全部处于开启状态，并为2n个天线单元配置相位相等且幅度相同的信号；
所述圆形多波束相控阵列天线通过2n个天线单元进行全向辐射。
7.根据权利要求6所述的通信方法，其特征在于，还包括：
触发相邻的2p个射频组件处于开启状态，并为与所述相邻的2p个射频组件相连的2p个天线单元配置相位不相等且幅度不相同的信号，p为正整数且p＜n；
所述圆形多波束相控阵列天线通过所述2p个天线单元辐射精细扫描波束。
8.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于，当相邻的8个射频组件被控制为开启状态，为所述8个射频组件各自相连的8个天线单元配置异幅异相信号。
9.根据权利要求6所述的通信方法，其特征在于，还包括：
触发2n个射频组件全部处于开启状态，并产生2n-p个互不干扰的定向波束。
10.根据权利要求6所述的通信方法，其特征在于，还包括：
触发2n个射频组件不全部处于开启状态，并产生1至(2n-p-1)个互不干扰的扫描波束。
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