CN208507973U - 波束形成网络、子天线阵列和用于铁路系统的双波束天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线通信技术领域，公开了一种波束形成网络、采用所述波束形成网络的子天线阵列和用于铁路系统的双波束天线。该波束形成网络具有两个输入端口和多个输出端口，其包括具有两个输入端和多个输出端的巴特勒矩阵，所述波束形成网络的所述输入端口、所述输出端口与所述巴特勒矩阵的所述输入端、所述输出端一一对应连接，其中一个所述输入端口与对应连接的所述输入端之间设有增益控制模块。该增益控制模块实现了所述波束形成网络对应所述巴特勒矩阵该输入端的输入端口的降幅调控，进而使得采用该波束形成网络的子天线阵列和用于铁路系统的双波束天线所产生的两个指向的波束的增益不同，实现了高增益波束覆盖远距离狭长区域，低增益波束补充覆盖近距离弱覆盖盲区。

Description

波束形成网络、子天线阵列和用于铁路系统的双波束天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种波束形成网络，以及采用该波束形成网络的子天线阵列和用于铁路系统的双波束天线。

背景技术

随着高铁运输网络的不断完善，铁路成为了人们必不可少的出行方式之一，而如何满足人们在乘坐铁路交通工具时的通信需求也成为了无线通信技术所要解决的重要问题之一。目前，针对高铁等狭长区域场景，一般采用窄波束高增益天线解决覆盖问题。如图1所示，当天线基站的站点与高铁沿线的距离足够接近时，两副窄波束高增益天线背靠背且分别朝向轨道两侧覆盖即可满足需求。

然而，其局限性在于：在实际应用场景中，由于部分场景的站点获取问题或安全问题，部分天线基站站点并不能与高铁沿线保持较近的距离，如图2所示，当距离过远时会造成两个扇区中间水平夹角区域存在弱覆盖问题，进而导致通信信号的中断，降低了用户的使用满意度。若在沿线设置更多的天线，一方面会导致成本上升，另一方面会导致极端情况下的越区覆盖。因此，亟需提供一种有效方案，以解决上述信号覆盖问题，且在保证铁路沿线用户服务质量的同时，减少人工劳动的成本和开销，提高无线资源的利用率，保证整个网络的稳定性。

实用新型内容

本实用新型的首要目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种为实现直线等狭长场景下信号覆盖，解决弱覆盖和越区覆盖问题提供有力支持的波束形成网络。

本实用新型的另一个目的在于提供一种采用上述波束形成网络的子天线阵列。

本实用新型的又一个目的在于提供一种包括所述子天线阵列的用于铁路系统的双波束天线。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种波束形成网络，具有两个输入端口和多个输出端口，包括具有两个输入端和多个输出端的巴特勒矩阵，所述波束形成网络的所述输入端口、所述输出端口与所述巴特勒矩阵的所述输入端、所述输出端一一对应连接，其中一个所述输入端口与对应连接的所述输入端之间设有增益控制模块。

优选地，所述增益控制模块为满足与所述巴特勒矩阵的阻抗匹配关系的匹配负载。

优选地，所述波束形成网络为微带线或带状线结构，其中，所述增益控制模块为接地的耦合线，其平行设置于所述波束形成网络的一个输入端口和与其对应连接的所述巴特勒矩阵的一个输入端之间的传输线。

优选地，电信号从所述巴特勒矩阵的输入端输入时，所述巴特勒矩阵各相邻的所述输出端之间具有相同的传输相位差。

本实用新型还提供了一种子天线阵列，包括多个直线阵列和上述波束形成网络，所述直线阵列的数量与所述波束形成网络所述输出端口的数量相同，各所述直线阵列与所述波束形成网络的各所述输出端口一一对应连接，每个所述直线阵列包含至少一个辐射单元。

此外，本实用新型还提供了一种用于铁路系统的双波束天线，其包括上述子天线阵列。

优选地，所述子天线阵列为内设有由匹配负载构成增益控制模块的波束形成网络的第一子天线阵列；所述用于铁路系统的双波束天线还包括至少一个第二子天线阵列，所述第二子天线阵列内设有直接由巴特勒矩阵构成的波束形成网络。

与现有技术相比，本实用新型具备如下优点：

本实用新型提供的波束形成网络通过在巴特勒矩阵的其中一个输入端前设置增益控制模块，实现了所述波束形成网络对应所述巴特勒矩阵该输入端的输入端口的降幅调控，从而为实现直线等狭长场景下信号覆盖，并有效解决弱覆盖和越区覆盖问题提供了有力的支持。

本实用新型提供的子天线阵列和用于铁路系统的双波束天线通过采用了包含增益控制模块的波束形成网络，使得所产生的两个指向的波束的增益不同，其中一个指向的波束受所述增益控制模块的影响而具有较低的增益。通过采用增益控制模块使得天线产生高低增益的波束，实现了一个高增益波束覆盖远距离狭长区域，一个低增益波束补充覆盖近距离弱覆盖盲区，且可有效减少狭长区域沿线的天线数量，进而避免了越区覆盖问题，并提高了天线资源的利用率，降低建设、维护成本。

附图说明

图1为现有技术中一种铁路天线基站系统示意图；

图2为现有技术中另一种铁路天线基站系统示意图；

图3为本实用新型提供的第一实施例的波束形成网络的结构示意图；

图4为本实用新型提供的第二实施例的波束形成网络的结构示意图；

图5为本实用新型提供的第三实施例的波束形成网络的结构示意图；

图6为本实用新型提供的第四实施例的波束形成网络的结构示意图；

图7为本实用新型提供的一个实施例的子天线阵列的结构示意图；

图8为本实用新型提供的一个实施例的用于铁路系统的双波束天线的结构示意图；

图9为本实用新型提供的另一个实施例的用于铁路系统的双波束天线的结构示意图；

图10为本实用新型提供的用于铁路系统的双波束天线的方向图仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和示例性实施例对本实用新型作进一步地描述，其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本实用新型的特征是不必要的，则将其省略。

如图3至图6所示，本实用新型提供了一种为实现直线等狭长场景下信号覆盖，解决弱覆盖和越区覆盖问题提供有力支持的波束形成网络。

图3示出本实用新型第一个实施例的波束形成网络101。对于本实施例，所述波束形成网络101具有两个输入端口和四个输出端口，两个所述输入端口分别为第一输入端口IN1、第二输入端口IN2，四个所述输出端口分别第一输出端口OUT1、第二输出端口OUT2、第三输出端口OUT3和第四输出端口OUT4。所述波束形成网络101包括2×4巴特勒矩阵1011和增益控制模块1012。

所述2×4巴特勒矩阵1011为无源六端口网络，其具有两个输入端和四个输出端，两个所述输入端分别为第一输入端I1、第二输入端I2，四个所述输出端分别第一输出端O1、第二输出端O2、第三输出端O3和第四输出端O4。所述波束形成网络101的所述输入端口、所述输出端口与所述巴特勒矩阵1011的所述输入端、所述输出端一一对应连接，具体地，所述第一输入端口IN1与所述第一输入端I1对应连接，所述第二输入端口IN2与所述第二输入端I2对应连接，所述第一输出端口OUT1与所述第一输出端O1对应连接，所述第二输出端口OUT2与所述第二输出端O2对应连接，所述第三输出端口OUT3与所述第三输出端O3对应连接，所述第四输出端口OUT4与所述第四输出端O4对应连接。需明确指出的是，本实用新型提供的波束形成网络101的输出端口的数量并不受本实施例的限制，其可根据实际应用需求，调整为3、5、9等大于等于2的整数，相应的，所述巴特勒矩阵1011的输出端的数量可根据实际应用需求调整为与所述波束形成网络101的输出端口相同的数量。

当电信号从所述巴特勒矩阵1011任一端输入时，所述巴特勒矩阵1011各相邻的所述输出端之间具有相同的传输相位差。具体地，当电信号从所述巴特勒矩阵1011的第一输入端I1输入时，所述第二输入端I2被隔离，第一输出端O1至第四输出端O4之间的相邻输出端具有相同的传输相位差当电信号从所述巴特勒矩阵1011的第二输入端I2输入时，所述第一输入端I1被隔离，第一输出端O1至第四输出端O4之间的相邻输出端具有相同的传输相位差-通常地，巴特勒矩阵1011由定向耦合器和移相器等器件构成，其相邻输出端之间的传输相位差和各输出端之间的功分比由巴特勒矩阵1011内各器件的连接结构决定，所述巴特勒矩阵1011的内部结构及其输出端的传输相位差和功分比在本实施例中不做限定。在其他实施方式中，所述巴特勒矩阵1011的输出端之间的传输相位差也可不相等设置。

其中一个输入端口与对应连接的所述输入端之间设有所述增益控制模块1012。对于本实施例，所述第二输入端口IN2与其对应连接的所述第二输入端I2之间设有所述增益控制模块1012。所述增益控制模块1012通过负反馈系统实现降幅输出，进而实现与所述增益控制模块1012的输出端连接的所述巴特勒矩阵1011的输入端相比没有连接所述增益模块的输入端降幅输入，以使采用所述波束形成网络101的天线产生增益高低不同的波束。

本实用新型提供的波束形成网络101通过在巴特勒矩阵1011的其中一个输入端前连接增益控制模块1012，实现了所述波束形成网络101对应所述巴特勒矩阵1011该输入端的输入端口的降幅调控，从而为实现直线等狭长场景下信号覆盖，并有效解决弱覆盖和越区覆盖问题提供了有力的支持。

如图4所示，为本实用新型的第二实施例的波束形成网络101。

本实施例的所述波束形成网络101与第一实施例的类似，其不同在于，所述输出端口设有三个，对应地，所采用的所述巴特勒的输出端也设有三个。本实施例的巴特勒矩阵1011与所述波束形成网络101的连接结构以及工作原理与第一实施例所述基本一致，此处不再赘述。

如图5所示，为本实施例的第三实施例的波束形成网络101。

对于本实施例，所述波束形成网络101与第一实施例类似，其不同在于，所述增益控制模块具体体现为匹配负载1012，其中所述匹配负载1012与所述巴特勒矩阵1011满足阻抗匹配关系，用以吸收由对应输入端口输入的信号能量，从而使信号由波束形成网络101的两个输入端口输入时，仅对应输出从未连接有所述匹配负载1012的输入端口输入的信号能量。本实施例的巴特勒矩阵1011与所述波束形成网络101的连接结构以及工作原理与第一实施例所述基本一致，此处不再赘述。

如图6所示，为本实用新型的第四实施例的波束形成网络101。

对于本实施例，所述波束形成网络101与第一实施例类似，其不同在于，所述增益控制模块具体体现为接地的耦合线1012。本实施例的巴特勒矩阵1011与所述波束形成网络101的连接结构以及工作原理与第一实施例所述基本一致，此处不再赘述。

对于本实施例，所述波束形成网络101为微带线或带状线结构。其中，所述波束形成网络101的所述第二输入端口IN2与其对应连接的所述第二输入端I2之间的传输线L2设有与之耦合的接地的耦合线1012。从所述波束形成网络101的所述第二输入端口IN2输入的电信号通过所述耦合线1012耦合减少部分能量，进而实现所述巴特勒矩阵1011设有所述耦合线1012的输入端相比未设有所述耦合线1012的输入端降幅输入，以使采用所述波束形成网络101的天线产生增益高低不同的波束。所述耦合线1012与所述传输线L2之间存在间隙，两者之间的耦合量关于所述间隙的大小，具体地，当所述耦合线1012与所述传输线L2之间的间隙越小时，两者之间的耦合量越大，进而使得经由所述耦合线1012耦合减少的能量越多，从而实现所述巴特勒矩阵1011设有所述耦合线1012的输入端相比未设有所述耦合线1012的输入端的降幅输入更为明显。

此外，本实用新型还提供了一种子天线阵列201，其包括多个直线阵列2011和本实用新型提供的波束形成网络101。如图7所示，对于本实施例，所述子天线阵列201包括四个直线阵列2011和上述本实用新型第一、第三或第四实施例的波束形成网络101。所述波束形成网络101的结构及其作用如以上各实施例中提供的波束形成网络101所述，此处不再赘述。所述每个直线阵列2011中包含至少一个辐射单元，每个所述直线阵列2011的所述辐射单元的数量在本实施例中不做限定。

四个所述直线阵列2011的输入端(未标示)与所述波束形成网络101的四个所述输出端口OUT1、OUT2、OUT3、OUT4一一对应连接，所述波束形成网络101的四个所述输出端口OUT1、OUT2、OUT3、OUT4对与其对应连接的所述直线阵列2011进行馈电。当电信号从以上第一实施例或第四实施例所述的波束形成网络101的所述第一输入端口IN1和所述第二输入端口IN2输入时，所述子天线阵列201能够产生两个不同指向且增益大小不同的波束。当电信号从以上第三实施例所述的波束形成网络101的所述第一输入端口IN1和所述第二输入端口IN2输入时，由于所述匹配负载1012吸收了由对应输入端口输入的信号能量，使得波束形成网络101仅对应输出从未连接有所述匹配负载1012的输入端口输入的信号能量，进而所述子天线阵列201仅产生一个指向的波束。

本实用新型还提供了一种用于铁路系统的双波束天线301，其包括多个本实用新型提供的所述子天线阵列201。对于本实施例，如图8所示，所述用于铁路系统的双波束天线301包括五个上述子天线阵列201，所述子天线阵列201采用的为上述第一实施例或第四实施例的波束形成网络(图8未示出)。需明确指出的是，所述子天线阵列201的数量并不受本实施例的限制，其可以根据实际应用场景中天线所需增益的大小进行调整。当电信号从各所述子天线阵列201中的所述波束形成网络(图8未示出)的所述第一输入端口IN1和所述第二输入端口IN2输入，且经所述波束形成网络(图8未示出)输入至其对应的子天线阵列201时，包含多个所述子天线阵列201的所述用于铁路系统的双波束天线301能够产生两个不同指向且增益大小不同的波束。

如图9所示，本实用新型还提供了另一种用于铁路系统的双波束天线301，其包括至少一个本实用新型提供的所述子天线阵列201，所述子天线阵列201为内设有由匹配负载构成增益控制模块的波束形成网络的第一子天线阵列201。该内设有由匹配负载构成增益控制模块的波束形成网络即本实用新型第三实施例所述的波束形成网络101，其具体结构和工作原理此处不再赘述。

所述用于铁路系统的双波束天线301还包括至少一个第二子天线阵列202，所述第二子天线阵列202内设有直接由巴特勒矩阵构成的波束形成网络。所述第二子天线阵列202中的所述巴特勒矩阵的具体结构和工作原理如本实用新型第一实施例所述，此处不再赘述。

当电信号分别从各子天线阵列的第一输入端口IN1和第二输入端口IN2输入时，所述第一子天线阵列201会产生一个指向的波束，所述第二子天线阵列202则产生两个不同指向、增益相同的波束，且其中一个波束的指向与所述第一子天线阵列201所产生波束的指向一致。通过波束叠加，包含所述第一子天线阵列201和第二子天线阵列202的所述用于铁路系统的双波束天线301能够产生两个不同指向且增益大小不同的波束。需明确指出的是，所述用于铁路系统的双波束天线301中的所述第一子天线阵列201和所述第二子天线阵列202的数量并不受本实施例的限制，所述第一子天线阵列201与所述第二子天线阵列202的数量比例可根据实际应用时两个不同指向的波束的增益差进行调整。

如图10所示，为本实用新型提供的用于铁路系统的双波束天线301的方向图仿真结果，所述用于铁路系统的双波束天线301产生两个指向分别为30°和-30°的波束，且指向为-30°的波束相比指向为30°的波束具有更高的增益，具体地，指向为-30°的波束保持有21dBi高增益，经所述增益控制模块1012降幅调控后得到的指向为30°的波束仅有14dBi低增益。

本实用新型提供的子天线阵列201和用于铁路系统的双波束天线301通过采用了包含增益控制模块1012的波束形成网络101，使得所产生的两个指向的波束的增益不同，其中一个指向的波束受所述增益控制模块1012的影响而具有较低的增益。通过采用增益控制模块1012使得天线产生高低增益的波束，实现了一个高增益波束覆盖远距离狭长区域，一个低增益波束补充覆盖近距离弱覆盖盲区；且由于本实用新型提供的用于铁路系统的双波束天线301可有效地解决狭长区域沿线通信信号的覆盖问题，无需在狭长区域沿线安装更多的天线以保证通信信号覆盖，有效减少了狭长区域沿线的天线数量，进而避免了越区覆盖问题，并提高了天线资源的利用率，降低建设、维护成本。

虽然上面已经示出了本实用新型的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本实用新型的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种波束形成网络，具有两个输入端口和多个输出端口，其特征在于，包括具有两个输入端和多个输出端的巴特勒矩阵，所述波束形成网络的所述输入端口、所述输出端口与所述巴特勒矩阵的所述输入端、所述输出端一一对应连接，其中一个所述输入端口与对应连接的所述输入端之间设有增益控制模块。

2.根据权利要求1所述的波束形成网络，其特征在于，所述增益控制模块为满足与所述巴特勒矩阵的阻抗匹配关系的匹配负载。

3.根据权利要求1所述的波束形成网络，其特征在于，所述波束形成网络为微带线或带状线结构，其中，所述增益控制模块为接地的耦合线，其平行设置于所述波束形成网络的一个输入端口和与其对应连接的所述巴特勒矩阵的一个输入端之间的传输线。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的波束形成网络，其特征在于，电信号从所述巴特勒矩阵的输入端输入时，所述巴特勒矩阵各相邻的所述输出端之间具有相同的传输相位差。

5.一种子天线阵列，其特征在于，包括多个直线阵列和如权利要求1至4任一项所述的波束形成网络，所述直线阵列的数量与所述波束形成网络所述输出端口的数量相同，各所述直线阵列与所述波束形成网络的各所述输出端口一一对应连接，每个所述直线阵列包含至少一个辐射单元。

6.一种用于铁路系统的双波束天线，其特征在于，包括如权利要求5所述的子天线阵列。

7.根据权利要求6所述的用于铁路系统的双波束天线，其特征在于，所述子天线阵列为内设有由匹配负载构成增益控制模块的波束形成网络的第一子天线阵列；

所述用于铁路系统的双波束天线还包括至少一个第二子天线阵列，所述第二子天线阵列内设有直接由巴特勒矩阵构成的波束形成网络。