CN208189786U - 一种基于宽频合路器的多波束天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于宽频合路器的多波束天线，包括金属反射板，在金属反射板上设有至少两列相互平行的包含有若干辐射单元的直线天线阵，在金属反射板上还设有工作在高低不同频段的用于向直线天线阵馈电的第一馈电网络和第二馈电网络，直线天线阵对应有工作带宽包含第一馈电网络和第二馈电网络工作频段的宽频合路器，宽频合路器具有两个分别用于连接第一馈电网络和第二馈电网络的输入端，宽频合路器的输出端与直线天线阵连接。针对不同频段设计相互独立的馈电网络，使多波束天线可在宽频范围内灵活选择不同的射频信号，有效增加工作频段，实现宽带化，同时可以复用天线阵列，在实现相同数量窄波束的情况下缩减天线的体积，有利于多波束天线的小型化。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多波束天线，具体地说是一种基于宽频合路器的多波束天线。
背景技术
随着高新技术的迅猛发展和经济效益的大幅度提高，通信产业已变成国内最大的产业之一；尤其是通信产业中移动通信的飞速发展，使得它在用户的日常生活中发挥着越来越重要的作用。无线通信用户的高速增长意味着必须寻找到提高网络容量的新办法。由于传统的基站天线是通过在覆盖区域产生一个固定的宽波束来进行通信，容易产生干扰而使通信容量降低。无线通信系统的容量受到干涉的限制，为了提高频谱资源的利用率，增大信道容量，多波束天线越来越多地应用于个人通信系统、卫星通信系统、无线局域网、无线本地回路和无线ATM系统。在无线通信系统中采用多波束天线的窄波束，可通过空间分集的方法选出有用的射频信号，从而改善信噪干扰比SNIR（Signal to Noise andInterference Ratio)。同时由于多波束天线具有一定的波束增益，使得接收机的灵敏度得到一定程度的提升。将多波束天线使用到发射机中还可以减小发射功率，降低功耗。因此，多波束天线在未来的无线通信领域里将会扮演重要角色。
多波束天线的关键在于波束形成网络。现有的多波束天线方案常常采用基于电路形式的矩阵，利用电桥和移相器来构成波束形成网络，而巴特勒矩阵是最常用的矩阵形式之一。波束形成网络是一种拥有若干输入端口和输出端口的馈电网络。对这些输入端口进行激励，可在输出端口之间产生若干组相位系数，从而实现不同指向的波束。将波束形成网络与天线阵列相结合，即可构成多波束阵列天线。现有的多波束天线方案大多采用将巴特勒矩阵馈电网络直接与天线阵列电性连接；由于宽频巴特勒矩阵在实现方式上有技术难度，使得多波束天线的宽频化受到极大限制。随着多频及宽频技术在无线通信中的应用越来越广泛，多波束天线的窄频缺陷将在很大程度上限制其应用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服多波束天线工作频段窄的缺陷，提供一种基于宽频合路器的多波束天线，可在宽频范围内灵活选择需要的不同的射频信号，有效增加其工作频段，实现宽带化。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于宽频合路器的多波束天线，包括金属反射板，在金属反射板上设有至少两列相互平行的包含有若干辐射单元的直线天线阵，在金属反射板上还设有工作在高低不同频段的用于向直线天线阵馈电的第一馈电网络和第二馈电网络，直线天线阵对应有工作带宽包含第一馈电网络和第二馈电网络工作频段的宽频合路器，宽频合路器具有两个分别用于连接第一馈电网络和第二馈电网络的输入端，宽频合路器的输出端与直线天线阵连接。
所述的第一馈电网络和第二馈电网络均为巴特勒矩阵馈电网络。
所述的直线天线阵设置在金属反射板的上表面，第一馈电网络、第二馈电网络和宽频合路器以一定间距平行设置在金属反射板的下表面。
相邻两列直线天线阵之间的列间距为第一馈电网络或第二馈电网络工作波长的0.3—0.6倍，直线天线阵中相邻两个辐射单元之间的行间距为第一馈电网络或第二馈电网络工作波长的0.7—1倍。
在相邻两列直线天线阵之间设置有高度为第一馈电网络或第二馈电网络工作波长0.1—0.3倍的L形隔离条。
所述金属反射板上设置的直线天线阵中，奇数列直线天线阵与偶数列直线天线阵之间交错排布，交错距离为第一馈电网络或第二馈电网络工作波长的0.4—0.6倍。
所述第一馈电网络和第二馈电网络均包含多个输入端口和输出端口，各自的输入端口间相互隔离，输出端口之间具有梯度相位差。
所述第一馈电网络和第二馈电网络输出端口之间的梯度相位差不相同。
所述的多波束天线为至少两列相互平行的双极化直线天线阵构成的双极化天线，两个极化的天线均对应设有一个第一馈电网络和一个第二馈电网络，每个极化天线对应的第一馈电网络和第二馈电网络的输出经宽频合路器合路后连接至直线天线阵。
本实用新型的有益效果是：所述多波束天线在巴特勒矩阵馈电网络与天线阵列之间增加宽频合路器（即巴特勒矩阵的输出端口与宽频合路器的输入端口电性连接之后，宽频合路器的输出端口再与天线阵列的输入端口电性连接），针对不同频段，设计相互独立的巴特勒矩阵馈电网络，采用不同的幅相权值分布和天线阵列数，可以大大降低巴特勒矩阵技术难度的同时有效改善波束赋形自由度。使得所述多波束天线可以在宽频范围内灵活选择需要的不同的射频信号，有效增加其工作频段，实现宽带化，同时可以复用天线阵列，在实现相同数量窄波束的情况下，大大缩减了天线的体积，有利于多波束天线的小型化。另一方面可以减少塔上天线的数量，增加系统容量，有效降低安装成本和后期的维护成本。
综上所述，本实用新型所述的基于宽频合路器的多波束天线形式，集成度高、信号容量大、性能稳定、小型化且易于实现带宽的扩展、安装方便、可重复性好、易于大规模生产，同时有效降低了生产的成本，可以很好的满足客户需求，应用前景非常广阔。
附图说明
图1为本实用新型天线的整体结构示意图；
图2为本实用新型具体实施例的反射板下表面结构的俯视示意图；
图3为本实用新型具体实施例的天线阵结构的俯视示意图；
图4为本实用新型具体实施例的第一馈电网络的结构示意图；
图5为本实用新型具体实施例的第二馈电网络的结构示意图；
图6为本实用新型具体实施例的宽频合路器的结构示意图；
图7为本实用新型具体实施例的一个极化天线的馈电网络、宽频合路器及直线天线阵列的连接示意图；
图8为本实用新型具体实施例的一个极化天线的馈电网络、宽频合路器及直线天线阵列的另一种连接示意图；
图中标记：1、金属反射板，2、第一馈电网络，3、第二馈电网络，4、宽频合路器，5、直线天线阵，501、辐射单元，6、L形隔离条，7、第一馈电网络波束输入端口，8、第一馈电网络输出端口，9、第二馈电网络波束输入端口，10、第二馈电网络输出端口，11、合路器第一输入端口、12、合路器第二输入端口，13、合路器输出端口。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的说明。下面实施例所列出的具体内容不限于权利要求记载的技术方案要解决的技术问题所必须的技术特征。同时，所述列举是实施例仅仅是本实用新型的一部分，而不是全部实施例。
本发明的基于宽频合路器的多波束天线包括金属反射板1，设置在金属反射板1上的直线天线阵5、第一馈电网络2、第二馈电网络3和多个宽频合路器4。直线天线阵5至少设有两列，且相互平行。每列直线天线阵5均包含有若干线性排布的辐射单元501。第一馈电网络2和第二馈电网络3为巴特勒矩阵馈电网络，用于向直线天线阵5馈电。第一馈电网络2和第二馈电网络3工作在高低不同频段，例如，第一馈电网络2工作在较低频段f1，第二馈电网络3工作在较高频段f2。每列直线天线阵5均对应设有宽频合路器4，宽频合路器4的工作带宽包含第一馈电网络和第二馈电网络工作频段。宽频合路器4具有两个输入端，其中一个输入端口工作在较低频段f1，另一个输入端口工作在较高频段f2，可以分别连接第一馈电网络2和第二馈电网络3。宽频合路器4的输出端与直线天线阵5连接。
如图1和2所示，直线天线阵5设置在金属反射板1的上表面，第一馈电网络2、第二馈电网络3和宽频合路器4以一定间距平行设置在金属反射板1的下表面。
多列直线天线阵5以一定间距设置在金属反射板1上。每列直线天线阵5中的多个辐射单元501也以一定间距分布。相邻两列直线天线阵5之间的列间距为第一馈电网络2或第二馈电网络3工作波长的0.3—0.6倍，直线天线阵5中相邻两个辐射单元501之间的行间距为第一馈电网络2或第二馈电网络3工作波长的0.7—1倍。在相邻两列直线天线阵5之间设置有高度为第一馈电网络2或第二馈电网络3工作波长0.1—0.3倍的L形隔离条6。
所述金属反射板1上设置的直线天线阵5中，奇数列的直线天线阵两端对齐排列，偶数列的直线天线阵两端对齐排列。奇数列直线天线阵与偶数列直线天线阵之间交错排布，交错距离为第一馈电网络2或第二馈电网络3工作波长的0.4—0.6倍。
所述的多波束天线为至少两列相互平行的双极化直线天线阵构成的双极化天线。两个极化的天线结构相同，均对应设有一个第一馈电网络2和一个第二馈电网络3，每个极化天线对应的第一馈电网络2和第二馈电网络3的输出经宽频合路器4合路后连接至直线天线阵5。
以+45°极化天线为例，所述第一馈电网络2和第二馈电网络3均包含多个波束输入端口和输出端口。第一馈电网络2的波束输入端口与对应工作频段f1的信号输入电缆连接，其波束输入端口的数量与其在水平面上形成的窄波束数量相等。第二馈电网络3的波束输入端口与对应工作频段f2的信号输入电缆连接，其波束输入端口的数量与其在水平面上形成的窄波束数量相等。第一馈电网络2和第二馈电网络3输出端口的数量与其工作时用到的直线天线阵的数量相等。第一馈电网络2的多个输出端口与若干个宽频合路器4对应f1频段的输入端通过同轴电缆连接，第二馈电网络3的多个输出端口与若干个宽频合路器4对应f2频段的输入端通过同轴电缆连接。所述若干个宽频合路器4的输出端分别与对应数量的若干列直线天线阵通过同轴电缆连接。第一馈电网络2和第二馈电网络3各自的输入端口间相互隔离，输出端口之间具有梯度相位差。第一馈电网络2和第二馈电网络3输出端口之间的梯度相位差不相同。
当所述多波束天线工作在较低频段f1时，信号经由第一馈电网络2进入宽频合路器4相对应工作频段f1的输入端口，再由宽频合路器4的合成输出端口选择若干列直线天线阵，从而在水平方向上形成若干个固定指向的双极化波束，在垂直方向上形成单个固定指向的双极化波束；当所述多波束天线工作在较高频段f2时，信号经由巴特勒矩阵馈电网络B进入宽频合路器相对应工作频段f2的输入端口，再由宽频合路器的合成输出端口选择若干列直线天线阵，从而在水平方向上形成若干个固定指向的双极化波束，在垂直方向上形成单个固定指向的双极化波束。
以双极化三波束天线为例，如图1、图2和图3所示，包括一块金属反射板1、两个巴特勒矩阵结构的第一馈电网络2、两个巴特勒矩阵结构的第二馈电网络3、十二个宽频合路器4、六列相互平行的直线天线阵5。第一馈电网络2工作在较低频段f1，第二馈电网络3工作在较高频段f2，宽频合路器4的工作带宽包含f1和f2频段。所述两个第一馈电网络2、两个第二馈电网络3及十二个宽频合路器4以一定间距平行放置在金属反射板1的下表面，整个直线天线阵列放置在金属反射板1的上表面。
如图3所示，所述六列相互平行的直线天线阵5，每列线性排布十二个辐射单元501，辐射单元501采用宽频双极化压铸振子，且相邻两列直线天线阵的列间距约为0.57个较高频f2工作波长，行间距约为0.97个较高频f2工作波长，相邻两列间设置有高约为0.1个较高频f2工作波长的L形隔离条8。所有奇数列直线天线阵两端对齐排列，所有偶数列直线天线阵两端对齐排列，奇数列直线天线阵与偶数列直线天线阵以约0.48个较高频f2工作波长的差值交错排布。
所述天线的极化为±45°极化，两个极化的天线结构相同，下面以+45°极化天线为例：如图4所示，所述第一馈电网络2包含三个波束输入端口7及六个输出端口8，且输入端口间相互隔离，输出端口间具有梯度相位差，使天线在水平面上形成三个固定指向的窄波束。如图5所示，第二馈电网络3包含三个波束输入端口9及五个输出端口10，且输入端口间相互隔离，输出端口间具有梯度相位差，使天线在水平面上形成三个固定指向的窄波束。第一馈电网络2的波束输入端口7的数量与其在水平面上形成的窄波束数量相等。第二馈电网络3的波束输入端口9的数量与其在水平面上形成的窄波束数量相等。第一馈电网络2输出端口8的数量，以及第二馈电网络3输出端口10的数量与各自工作时用到的直线天线阵的列数相等。所述第一馈电网络2与第二馈电网络3输出端口间的梯度相位差不相同；如图6所示，宽频合路器4包含两个输入端口11和12，其中一个输入端口11工作在较低频段f1，另一个输入端口12工作在较高频段f2。
如图7所示，一个极化天线的馈电网络、宽频合路器及直线天线阵列的连接示意图。该实施例中，每列直线天线阵5对应有宽频合路器4。所述第一馈电网络2的三个波束输入端口7与其对应工作频段f1的信号输入电缆连接，第二馈电网络3的三个波束输入端口9与其对应工作频段f2的信号输入电缆连接；第一馈电网络2的六个输出端口8与六个宽频合路器4相对应频段f1的输入端口11通过同轴电缆连接，第二馈电网络3的五个输出端口10与所述六个宽频合路器4中的其中五个的相对应频段f2的输入端口12通过同轴电缆连接；六个宽频合路器4的输出端口13分别与六列直线天线阵的输入端通过同轴电缆连接。
进一步地，如图8所示另一种连接方式，该实施例中部分直线天线阵5对应有宽频合路器4。所述第一馈电网络2的三个波束输入端口7与其对应工作频段f1的信号输入电缆连接，第二馈电网络3的三个波束输入端口9与其对应工作频段f2的信号输入电缆连接；第一馈电网络2六个输出端口8中的任意五个与五个宽频合路器4相对应频段f1的输入端口11通过同轴电缆连接，第一馈电网络2六个输出端口8中的一个可与六列直线天线阵中的任意一列输入端通过同轴电缆连接，第二馈电网络3的五个输出端口10与所述五个宽频合路器4相对应频段f2的输入端口12通过同轴电缆连接；所述五个宽频合路器4的输出端口13分别与六列直线天线阵中的其余五列直线天线阵的输入端通过同轴电缆连接。
当所述三波束天线工作在较低频段f1时，信号经由第一馈电网络2进入宽频合路器4相对应工作频段f1的输入端口11，再由宽频合路器4的输出端口13选择六列直线天线阵，从而在水平方向上形成3个固定指向的双极化波束，在垂直方向上形成单个固定指向的双极化波束；当所述三波束天线工作在较高频段f2时，信号经由第二馈电网络3进入宽频合路器4相对应工作频段f2的输入端口12，再由宽频合路器4的输出端口13选择五列直线天线阵，从而在水平方向上形成3个固定指向的双极化波束，在垂直方向上形成单个固定指向的双极化波束。
采用本实用新型所述天线方案制成的三波束天线，关键在于可以针对三波束天线的不同工作频段，设计相互独立的巴特勒矩阵馈电网络，采用不同的幅相权值分布和天线阵列数，大大降低巴特勒矩阵技术难度的同时有效改善波束赋形自由度；一方面使得所述三波束天线可以在宽频范围内灵活选择需要的不同的射频信号，有效增加其工作频段，实现宽带化，同时可以复用天线阵列，在实现相同数量窄波束的情况下，大大缩减了天线的体积，有利于三波束天线的小型化；另一方面可以减少塔上天线的数量，增加系统容量，有效降低安装成本和后期的维护成本。
以上对具体实施方式的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术构思及其核心思想，尽管本文使用了特定的优选实施例对技术方案进行了描述和说明，但其不应理解为对本实用新型自身的限制。本领域技术人员在不脱离本实用新型技术构思的前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。这些轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于宽频合路器的多波束天线，包括金属反射板（1），在金属反射板（1）上设有至少两列相互平行的包含有若干辐射单元（501）的直线天线阵（5），其特征在于：在金属反射板（1）上还设有工作在高低不同频段的用于向直线天线阵馈电的第一馈电网络（2）和第二馈电网络（3），直线天线阵（5）对应有工作带宽包含第一馈电网络和第二馈电网络工作频段的宽频合路器（4），宽频合路器（4）具有两个分别用于连接第一馈电网络（2）和第二馈电网络（3）的输入端，宽频合路器（4）的输出端与直线天线阵（5）连接。
2.如权利要求1所述的一种基于宽频合路器的多波束天线，其特征在于：所述的第一馈电网络（2）和第二馈电网络（3）均为巴特勒矩阵馈电网络。
3.如权利要求1所述的一种基于宽频合路器的多波束天线，其特征在于：所述的直线天线阵（5）设置在金属反射板（1）的上表面，第一馈电网络（2）、第二馈电网络（3）和宽频合路器（4）以一定间距平行设置在金属反射板（1）的下表面。
4.如权利要求1所述的一种基于宽频合路器的多波束天线，其特征在于：相邻两列直线天线阵（5）之间的列间距为第一馈电网络（2）或第二馈电网络（3）工作波长的0.3—0.6倍，直线天线阵（5）中相邻两个辐射单元（501）之间的行间距为第一馈电网络（2）或第二馈电网络（3）工作波长的0.7—1倍。
5.如权利要求1所述的一种基于宽频合路器的多波束天线，其特征在于：在相邻两列直线天线阵（5）之间设置有高度为第一馈电网络（2）或第二馈电网络（3）工作波长0.1—0.3倍的L形隔离条（6）。
6.如权利要求1所述的一种基于宽频合路器的多波束天线，其特征在于：所述金属反射板（1）上设置的直线天线阵（5）中，奇数列直线天线阵与偶数列直线天线阵之间交错排布，交错距离为第一馈电网络（2）或第二馈电网络（3）工作波长的0.4—0.6倍。
7.如权利要求1所述的一种基于宽频合路器的多波束天线，其特征在于：所述第一馈电网络（2）和第二馈电网络（3）均包含多个输入端口和输出端口，各自的输入端口间相互隔离，输出端口之间具有梯度相位差。
8.如权利要求7所述的一种基于宽频合路器的多波束天线，其特征在于：所述第一馈电网络（2）和第二馈电网络（3）输出端口之间的梯度相位差不相同。
9.如权利要求1—8任一项所述的一种基于宽频合路器的多波束天线，其特征在于：所述的多波束天线为至少两列相互平行的双极化直线天线阵构成的双极化天线，两个极化的天线均对应设有一个第一馈电网络（2）和一个第二馈电网络（3），每个极化天线对应的第一馈电网络（2）和第二馈电网络（3）的输出经宽频合路器（4）合路后连接至直线天线阵（5）。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |