CN114447585A - 多波束天线及其制备方法、通信装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种多波束天线及其制备方法、通信装置，属于通信技术领域，其可解决现有的多波束天线的旁瓣恶化很严重的问题。本公开的多波束天线划分为阵列排布的多个辐射区域，其中，在水平方向上，相邻的辐射区域均匀设置，在垂直方向上，相邻的辐射区域错位设置；多波束天线包括：多个第一辐射单元；仅部分辐射区域中设置有第一辐射单元，且一个辐射区域设置一个第一辐射单元，第一辐射单元的中心与其所在辐射区域的中心重合；其中，设置有第一辐射单元的辐射区域的数量与全部辐射区域的数量的比值满足预设值。

Description

多波束天线及其制备方法、通信装置

技术领域

本公开属于通信技术领域，具体涉及一种多波束天线及其制备方法、通信装置。

背景技术

随着通信技术的不断发展，基站天线领域面临着频谱利用、天面共享以及天线集成方面的重大挑战。在这种大背景下多波束天线以其不需要新增频谱和天面资源即可提升网络覆盖和容量的特点而备受业界重视，尤其是双波束天线、三波束天线以及五波束天线。

目前常常采用具有恒定功率比的巴特勒矩阵形成多波束天线，由于馈电网络幅度很难做到宽频带平稳，实际馈电幅度经常容易偏离设定的目标值，另一方面由于组阵形式的因素，往往导致多波束天线水平面方向图在大偏转角时，旁瓣恶化很严重，极大地影响了多波束天线的辐射性能。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种多波束天线及其制备方法、通信装置。

第一方面，本公开实施例提供一种多波束天线，所述多波束天线划分为阵列排布的多个辐射区域，其中，在水平方向上，相邻的所述辐射区域均匀设置，在垂直方向上，相邻的所述辐射区域错位设置；所述多波束天线包括：多个第一辐射单元；

仅部分所述辐射区域中设置有所述第一辐射单元，且一个所述辐射区域设置一个第一辐射单元，所述第一辐射单元的中心与其所在所述辐射区域的中心重合；其中，设置有所述第一辐射单元的所述辐射区域的数量与全部所述辐射区域的数量的比值满足预设值。

可选地，设置有所述第一辐射单元的所述辐射区域的数量与全部所述辐射区域的数量的比值为80％至90％。

可选地，所述辐射区域包括：设置于所述多波束天线周边区域的周边辐射区域；

至少部分所述周边辐射区域中空缺设置。

可选地，所述辐射区域包括：设置于所述多波束天线周边区域的周边辐射区域；所述多波束天线还包括：多个第二辐射单元；所述第二辐射单元不接入射频信号；

至少部分所述周边辐射区域中设置有所述第二辐射单元，且一个所述周边辐射区域设置一个所述第二辐射单元，所述第二辐射单元的中心与其所在的周边辐射区域的中心重合。

可选地，所述第一辐射单元与所述第二辐射单元的结构相同。

可选地，在水平方向上，相邻的所述辐射区域的中心之间的距离相等；

在垂直方向上，相邻的所述辐射区域的中心之间的距离相等。

可选地，在水平方向上，相邻的所述辐射区域的中心之间的距离为中心频率的0.5个波长至0.6个波长；

在垂直方向上，相邻的所述辐射区域的中心之间的距离为中心频率的0.6个波长至0.8个波长。

第二方面，本公开提供一种通信装置，所述通信装置包括如上述提供的多波束天线。

第三方面，本公开提供一种多波束天线的制备方法，所述多波束天线划分为阵列排布的多个辐射区域，其中，在水平方向上，相邻的所述辐射区域均匀设置，在垂直方向上，相邻的所述辐射区域错位设置；所述多波束天线的制备方法包括：

利用遗传算法计算并获取所述波束天线的拓扑结构；

根据所述波束天线的拓扑结构，在仅部分所述辐射区域中设置第一辐射单元；其中，设置有所述第一辐射单元的所述辐射区域的数量与全部所述辐射区域的数量的比值满足预设值。

可选地，所述利用遗传算法计算并获取所述波束天线的拓扑结构，包括：

对所述多个所述辐射区域进行编码，以产生初始种群；

计算所述初始种群的适应度，并判断所述适应度是否达到预设值；

若所述适应度未达到预设值，则对所述初始种群进行选择、交叉、变异，以产生新种群，使得所述适应度达到预设值；

根据所述适应度达到预设值的新种群，获取所述波束天线的拓扑结构。

附图说明

图1为一种示例性的多波束天线的结构示意图；

图2为图1所示的多波束天线的一种仿真结果示意图；

图3为图1所示的多波束天线的另一种仿真结果示意图；

图4为本公开实施例提供的一种多波束天线的结构示意图；

图5为图4所示的多波束天线中的第一辐射单元的结构示意图；

图6为图4所示的多波束天线的一种仿真结果示意图；

图7为图4所示的多波束天线的另一种仿真结果示意图；

图8至图10为本公开实施例提供的一种多波束天线中的第一辐射单元不同的排布示意图；

图11为图8所示的多波束天线的一种仿真结果示意图；

图12至图21为本公开实施例提供的一种多波束天线中的第一辐射单元其他不同的排布示意图；

图22为本公开实施例提供的另一种多波束天线的结构示意图；

图23为本公开实施例提供的一种多波束天线的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

多波束天线(multi beam antenna)是能产生多个锐波束的天线，这些锐波束可以合成一个或几个成形波束，以覆盖特定的空域。常见的多波束天线有双波束天线、三波束天线以及五波束天线。在之后的描述中将以1710兆赫兹(MHz)至2690MHz宽频无波束天线为例进行说明。

图1为一种示例性的多波束天线的结构示意图，如图1所示，该多波束天线划分为阵列排布的多个辐射区域10；多波束天线包括：多个第一辐射单元101；各个第一辐射单元101分别与各个辐射区域10一一对应设置。具体地，面阵规格为8*10，水平方向每行上设置有10个辐射区域10，且对应设置有10个第一辐射单元101，垂直方向每列上设置有8个辐射区域，且对应设置有8个第一辐射单元101。其使用巴勒特矩阵板可以构造出0°、60°、120°-60°、-120°的相位差的网络，即每个输入端口可以分别产生一个波束，对阵面中每列第一辐射单元分别馈入0°、60°、120°-60°、-120°相位差，在上述相位差下，2690MHz频点水平方向图实际偏移为0°、16°、32°、-16°、-32°，从而产生五个波束。

图2为图1所示的多波束天线的一种仿真结果示意图，图3为图1所示的多波束天线的另一种仿真结果示意图，由图2和图3可以看出，在等幅馈电的情况下，上述的多波束天线的多个波束在水平业务区内旁瓣的增益为-13分贝(dB)，旁瓣恶化严重。在相关技术中，多波束天线中相邻的第一辐射单元101之间的距离一般水平向为中心频率的0.5个波长，垂直向为中心频率的0.8个波长。水平面需大角度偏转时，水平向第一辐射单元101的间距需要小，对旁瓣有利，但小于0.5个波长之后会有较为严重的互耦现象，有可能导致多波束天线方向图变形或者隔离度变差等现象，并不利于提高多波束天线的辐射性能。

为了至少解决上述的技术问题之一，本公开实施例提供了一种多波束天线及其制备方法、通信装置，下面将结合附图及具体实施方式对本公开实施例提供的多波束天线及其制备方法、通信装置进行进一步详细描述。

本公开实施例提供了一种多波束天线，图4为本公开实施例提供的一种多波束天线的结构示意图，如图4所示，该多波束天线划分为阵列排布的多个辐射区域10，其中，在水平方向上，相邻的辐射区域10均匀设置，在垂直方向上，相邻的辐射区域10错位设置；该多波束天线包括：多个第一辐射单元101；仅部分辐射区域10中设置有第一辐射单元101，且一个辐射区域10设置一个第一辐射单元101，第一辐射单元101的中心与其所在辐射区域10的中心重合；其中，设置有第一辐射单元101的辐射区域10的数量与全部辐射区域10的数量的比值满足预设值。

具体地，图5为图4所示的多波束天线中的第一辐射单元的结构示意图，如图5所示，第一辐射单元101可以包括：介质基板1011、位于介质基板1011上的多个子第一辐射单元1012。在本公开实施例中，以四个环状结构的偶极子天线为例进行说明，其中的四个环状结构即为第一辐射单元101中的四个子第一辐射单元1012，其可以向外辐射信号，以实现天线的辐射功能。当然四个环状结构还可以接收信号，以实现天线的接收功能。其中子第一辐射单元1012可以采用导电性能良好的金属材料制成，例如铝、铜或钼等金属材料。介质基板1011可以采用介电系数较高的柔性材料或者刚性材料制成，例如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯或亚克力等。

在此需要说明的是，图5所示的多波束天线中的第一辐射单元结构仅为一种示例性的结构，本公开实施例提供的波束天线中的第一辐射单元101还可以为其他的结构，其按照如图4所示的排布方式进行排布即可，在此不在一一列举。

多波束天线可以划分为阵列排布的多个辐射区域10，辐射区域10中可以设置用于辐射电磁信号的第一辐射单元101，以实现多波束天线的辐射效果。其中的各个辐射区域10呈阵列排布，与上述图1所示的多波束天线不同的地方在于，图4所示的多波束天线中，在水平方向上，相邻的辐射区域10均匀设置，在垂直方向上，相邻的辐射区域10错位设置，例如，图4中的间隔行中的辐射区域10可以均沿行方向向右侧移动一定距离，使得辐射区域10与相邻行中的辐射区域10不正对设置，即该辐射区域10与相邻行中辐射区域之间的空隙对应设置。这样，在相应的辐射区域10中设置第一辐射单元101时，若相邻两行的辐射区域10中均设置有第一辐射单元101，则第一辐射单元101与相邻行中的第一辐射单元101也是错位设置的。

在多波束天线中仅部分辐射区域10中设置有第一辐射单元101，即部分辐射区域10中是空缺的，整个多波束天线中第一辐射单元101的稀疏率较图1中较低，其中，设置有第一辐射单元101的辐射区域10的数量与全部辐射区域10的数量的比值满足预设值，设置有第一辐射单元101的辐射区域10的数量与全部辐射区域10的数量的比值即为稀疏率，以图1中面阵规格为8*10，全部的辐射区域10中均设置有第一辐射单元101为基数1，图4中仅在64个辐射区域10中设置有第一辐射单元101，设置有第一辐射单元101的辐射区域10的数量与全部辐射区域10的数量的比值为80％，即多波束天线的预设稀疏率为80％。当然也可以根据实际需要设置多波束天线的预设稀疏率，在此不再进行限定。

图6为图4所示的多波束天线的一种仿真结果示意图，图7为图4所示的多波束天线的另一种仿真结果示意图，在等幅馈电的情况下，由图6和图7可以看出，本公开实施例提供的多波束天线的多个波束在水平业务区内旁瓣的增益由原来的-13dB优化到-20dB，可以起到良好的旁瓣抑制效果，从而可以提高多波束天线的辐射性能。并且，本公开实施例提供的多波束天线中第一辐射单元101的稀疏率较低，即数量较少，相较于图1所示的多波束天线可以有效降低多波束天线的制备成本。

在一些实施例中，如图4所示，设置有第一辐射单元101的辐射区域10的数量与全部辐射区域10的数量的比值为80％至90％。

多波束天线中第一辐射单元101仅设置在部分辐射区域10中，其占全部辐射区域10的比例为80％至90％，即稀疏率为80％至90％，这样不仅可以提高多波束天线的辐射性能，避免相邻的第一辐射单元101之间发生互耦问题，并且可以有效降低多波束天线的制备成本。

在此需要说明的是，天线的稀疏率还可以设置为85％，其中的第一辐射单元101的排布方式可以如图8至图10所示，其仿真结果可以如图11所示，可以看出，在稀疏率为85％时，采用如图图8至图10的排布方式，多波束天线的多个波束在水平业务区内旁瓣的增益由原来的-13dB优化到-18dB，也可以起到良好的旁瓣抑制效果，从而可以提高多波束天线的辐射性能。

在一些实施例中，如图4所示，辐射区域10包括：设置于多波束天线周边区域的周边辐射区域；至少部分周边辐射区域中空缺设置。

以多波束天线为规则的多边形为例，具体地，多波束天线为矩形，其具有四个拐角位置的周边辐射区域，周边辐射区域中排布有多个辐射区域10，可以记作周边辐射区域，其中只有部分周边辐射区域中设置有第一辐射单元101，部分周边辐射区域中空缺设置，较其他位置的辐射区域10，拐角位置的周边辐射区域中的第一辐射单元101的排布较为稀疏，稀疏率较低，其他位置的第一辐射单元101的排布较为密集，稀疏率较高。例如图4所示，其中第3、4、5、6行中的辐射区域10大部分设置有第一辐射单元101，其他行中的拐角位置的周边辐射区域中的第一辐射单元101大部分缺失。多波束天线中的第一辐射单元101的排布方式还可以为其他形式，例如本公开实施例提供的多波束天线的结构还可以如图12至图21进行设置。可以理解的是可以根据实际需要，合理设置多波束天线中的第一辐射单元101的具体排布方式。图22为本公开实施例提供的另一种多波束天线的结构示意图，如图22所示，辐射区域包括：设置于多波束天线周边区域的周边辐射区域；多波束天线还包括：多个第二辐射单元102；第二辐射单元102不接入射频信号；至少部分周边辐射区域中设置有第二辐射单元102，且一个周边辐射区域设置一个第二辐射单元102，第二辐射单元102的中心与其所在的周边辐射区域的中心重合。

与图4所示的多波束天线的不同之处在于，图21所示的多波束天线中，在未设置有第一辐射单元101的周边辐射区域中设置有第二辐射单元102，第二辐射单元102的结构与第一辐射单元101的结构相同，第二辐射单元102不接入射频信号，不进行电磁信号辐射。在制备过程中，可以利用同一工艺、相同的材料在各个辐射区域10中形成一层金属层，或者多层复合金属层，之后对所形成的金属层进行切割，以在各个辐射区域10内形成第一辐射单元101及第二辐射单元102，这样可以不必将周边辐射区域的第二辐射单元102去除，以减少工艺步骤，节约制备成本。为了使得第二辐射单元102不接入射频信号，可以将第二辐射单元102的内部断开设置形成开路。可以理解的是，在实际应用中，多波束天线中的第一辐射单元101的结构不同，其制备的工艺也不尽相同，可以根据实际需要在未设置有第一辐射单元101的周边辐射区域设置第二辐射单元102，也可以不设置第二辐射单元102而空缺，例如，上述的四个环状结构的偶极子天线，可以在未设置第一辐射单元101的辐射区域101不设置任何第二辐射单元102，即可以实现与上述相同的技术效果。

在一些实施例中，如图4所示，在水平方向上，相邻的辐射区域10的中心之间的距离相等；在垂直方向上，相邻的辐射区域10的中心之间的距离相等。

具体地，在水平方向上，相邻的辐射区域10的中心之间的距离为中心频率的0.5个波长至0.6个波长，具体可以为70毫米至100毫米。在垂直方向上，相邻的辐射区域10的中心之间的距离为中心频率的0.6个波长至0.8个波长，具体可以为110毫米至140毫米。当然也可以根据实际需要设置相邻辐射区域10的间距，这样可以不近可以保证多波束辐射天线具有良好的辐射能力，同时可以避免相邻的第一辐射单元101之间发生互耦问题。

本公开实施例还提供了一种通信装置，该通信装置包括如上述任一实施例提供的多波束天线，其实现原理及有益效果与上述任一实施例提供的多波束天线的实现原理及有益效果相同，在此不再赘述。

本公开实施例还提供了一种多波束天线的制备方法，多波束天线划分为阵列排布的多个辐射区域，其中，在水平方向上，相邻的辐射区域均匀设置，在垂直方向上，相邻的辐射区域错位设置。图23为本公开实施例提供的一种多波束天线的制备方法的流程示意图，如图23所示，该多波束天线的制备方法包括如下步骤：

S201，利用遗传算法计算并获取波束天线的拓扑结构。

S201，根据波束天线的拓扑结构，在仅部分辐射区域中设置第一辐射单元。

上述的设置有所述第一辐射单元的所述辐射区域的数量与全部所述辐射区域的数量的比值可以为80％，可以理解的是，可以根据不同的应用场景设置预设稀疏率的大小，例如还可以将预设稀疏率设置为85％。在预设稀疏率为80％的情况下，通过遗传算法计算并获取多波束天线对应的拓扑结构。

以面阵规格为8*10为例，可以在其中的64个辐射区域中设置第一辐射单元，这样不仅可以提高多波束天线的辐射性能，避免相邻的第一辐射单元101之间发生互耦问题，并且可以有效降低多波束天线的制备成本。具体地，多波束天线的结构可以为如图4所示的结构，也可以如图8至18所示的结构。

在一些实施例中，上述步骤S201中，利用遗传算法计算并获取波束天线的拓扑结构，具体包括：首先，根据预设稀疏率，对多个辐射区域进行编码，以产生初始种群；之后，计算初始种群的适应度，并判断适应度是否达到预设值；若适应度未达到预设值，则对初始种群进行选择、交叉、变异，以产生新种群，使得适应度达到预设值；然后，根据适应度达到预设值的新种群，获取波束天线的拓扑结构。

在本公开实施例中，可以对各个辐射区进行编码，例如可以对各个辐射区域以0和1标记，1表示设置第一辐射单元，0表示未设置第一辐射单元，以形成二进制的初始种群，计算初始种群的适应度，并利用仿真软件对多波束天线进行仿真，判断多波束天线是否可以达到预期的旁瓣抑制的辐射效果，即适应度是否达到预设值。如果多波束天线不能达到预期的旁瓣抑制的辐射效果，对二进制的初始种群进行选择、交叉、变异，以产生新种群，直至多波束天线达到预期的旁瓣抑制的辐射效果。最后根据适应度达到预期的新种群，得到多波束天线的拓扑结构，例如稀疏率为80％，在全部的辐射区域中的80％的区域中设置第一辐射单元，其具体设置方式可以如图4以及图12至图21所示。当然，其稀疏率还可以为85％，其具体设置方式可以如图8至图10所示。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种多波束天线，其特征在于，所述多波束天线划分为阵列排布的多个辐射区域，其中，在水平方向上，相邻的所述辐射区域均匀设置，在垂直方向上，相邻的所述辐射区域错位设置；所述多波束天线包括：多个第一辐射单元；

仅部分所述辐射区域中设置有所述第一辐射单元，且一个所述辐射区域设置一个第一辐射单元，所述第一辐射单元的中心与其所在所述辐射区域的中心重合；其中，设置有所述第一辐射单元的所述辐射区域的数量与全部所述辐射区域的数量的比值满足预设值。

2.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，设置有所述第一辐射单元的所述辐射区域的数量与全部所述辐射区域的数量的比值为80％至90％。

3.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述辐射区域包括：设置于所述多波束天线周边区域的周边辐射区域；

至少部分所述周边辐射区域中空缺设置。

4.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，所述辐射区域包括：设置于所述多波束天线周边区域的周边辐射区域；所述多波束天线还包括：多个第二辐射单元；所述第二辐射单元不接入射频信号；

至少部分所述周边辐射区域中设置有所述第二辐射单元，且一个所述周边辐射区域设置一个所述第二辐射单元，所述第二辐射单元的中心与其所在的周边辐射区域的中心重合。

5.根据权利要求4所述的多波束天线，其特征在于，所述第一辐射单元与所述第二辐射单元的结构相同。

6.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于，在水平方向上，相邻的所述辐射区域的中心之间的距离相等；

在垂直方向上，相邻的所述辐射区域的中心之间的距离相等。

7.根据权利要求6所述的多波束天线，其特征在于，在水平方向上，相邻的所述辐射区域的中心之间的距离为中心频率的0.5个波长至0.6个波长；

在垂直方向上，相邻的所述辐射区域的中心之间的距离为中心频率的0.6个波长至0.8个波长。

8.一种通信装置，其特征在于，所述通信装置包括如权利要求1-7任一项所述的多波束天线。

9.一种多波束天线的制备方法，其特征在于，所述多波束天线划分为阵列排布的多个辐射区域，其中，在水平方向上，相邻的所述辐射区域均匀设置，在垂直方向上，相邻的所述辐射区域错位设置；所述多波束天线的制备方法包括：

利用遗传算法计算并获取所述波束天线的拓扑结构；

根据所述波束天线的拓扑结构，在仅部分所述辐射区域中设置第一辐射单元；其中，设置有所述第一辐射单元的所述辐射区域的数量与全部所述辐射区域的数量的比值满足预设值。

10.根据权利要求9所述的多波束天线的制备方法，其特征在于，所述利用遗传算法计算并获取所述波束天线的拓扑结构，包括：

对所述多个所述辐射区域进行编码，以产生初始种群；

计算所述初始种群的适应度，并判断所述适应度是否达到预设值；

若所述适应度未达到预设值，则对所述初始种群进行选择、交叉、变异，以产生新种群，使得所述适应度达到预设值；

根据所述适应度达到预设值的新种群，获取所述波束天线的拓扑结构。

Images