CN109273870B - 一种宽频六波束阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频六波束阵列天线，涉及通信技术领域，包括金属反射板、辐射单元阵列和波束形成网络；辐射单元阵列包括多个由垂直排列辐射单元构成的子阵列；所有辐射单元排列方式一致；辐射单元阵列中所有相邻子阵列的辐射单元排列方向相同或两侧的部分子阵列的辐射单元排列方向与中间位置的子阵列辐射单元相反；波束形成网络包括8×8巴特勒矩阵电路和用于对信号进行幅度调节的功率分配网络；8×8巴特勒矩阵电路的输出端口的相位存在递增关系；该天线结构简单，网络速率和容量高，此外使用压铸单元装配简单，而且优选的4行14列结构不仅天线尺寸更小、重量更轻，而且垂直面波宽更宽，更利于近距离覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种宽频六波束阵列天线。
背景技术
第四代移动通信技术4G/LTE规模商用后，移动通信网络中的数据流量激增，用户密集区域移动通信系统带宽容量面临巨大压力。针对单个小区容量有限的问题，使用多波束天线，常规单个扇区的覆盖区域可细分为多个扇区，无线信道容量成倍增加。公开号为CN102570057A的发明专利提出了一种使用6×6巴特勒矩阵来产生五波束的方法。均匀排布的辐射单元的每一列与垂直功分器相连，再与6×6的巴特勒矩阵输出口相连，每一个极化对应一个6×6巴特勒矩阵。但是该技术工作带宽只有23.7％(1710-2170MHz)，不能同时兼容4G LTE的2300和2600MHz频段，如果频段拓宽至1700-2700MHz频段，方位角面在2700MHz频率会产生非常高约-5dB的栅瓣，对相邻小区干扰非常大。专利201621038190.7利用水平错开的辐射单元排列方式，可以得到较好的栅瓣抑制能力。但是这种技术方案实现固定倾角的宽频五波束天线，一个极化需要2套波束形成网络并结合相位补偿电路，结构复杂，成本高，重量也比较重，大规模应用推广阻力大。
体育场馆在奥运会开幕式等场合聚集数万甚至10万移动通信用户，使用五波束进行小区分裂仍然不足以应付日益增长的流量需求。为了进一步增加容量，需要开发具有更多波束的基站天线，同时简化天线系统结构，降低成本。因此，有必要针对以上问题，设计一种结构简单的方位角面有6个波束的宽频六波束阵列天线，工作频带拓宽至1695-2700MHz，兼容4G、3G制式频段和部分2G制式的频段，且工作频带范围内方位角方向具有良好的旁瓣和栅瓣抑制性能，以克服上述问题。专利号为WO 2017/156635A1的专利提出了一种基于三层贴片天线单元组成的工作频段为1696-2690MHz的六波束天线，采用6行14列阵列，由于该技术的天线单元分层多，塑料支撑件多，生产装配效率低，而且地板上的缝隙对单元性能影响大，控制精度要求高，不利于大规模生产。
发明内容
本发明针对背景技术的问题提供一种宽频六波束阵列天线，该天线结构简单，网络速率和容量高，此外使用压铸单元装配简单，而且4行14列结构不仅天线尺寸更小、重量更轻，而且垂直面波宽更宽，更利于近距离覆盖。
为了实现上述目的，本发明提出一种宽频六波束阵列天线，包括：金属反射板、设置于金属反射板的辐射单元阵列和至少一个波束形成网络；
所述的辐射单元阵列包括多个由垂直排列辐射单元构成的子阵列；所述子阵列中的所有辐射单元排列方式一致；所述辐射单元阵列中所有相邻子阵列的辐射单元排列方向相同，或辐射单元阵列两侧的部分子阵列的辐射单元排列方向与中间位置的子阵列辐射单元相反；
优选地，所述的子阵列的个数为14个。
所述波束形成网络包括用于在方位角面形成六个波束的8×8巴特勒矩阵电路和用于对8×8巴特勒矩阵电路输出信号进行幅度调节的功率分配网络。
优选地，所述的8×8巴特勒矩阵电路，包括多级混合器组以及多个移相器，每一级混合器组包括多个90度混合器电路；混合器组之间通过移相器相连接。
优选地，所述的多级混合器组包括第一级混合器组、第二级混合器组和第三级混合器组；其中，
第一级混合器组输入端口中的6个输入端口作为8×8巴特勒矩阵电路的输入端口，第一级混合器组的输出端口通过4个移相器连接第二级混合器组的输入端口；第二级混合器组的输出端口通过4个移相器连接第三级混合器组的输入端口；第三级混合器组的8个输出端口为8×8巴特勒矩阵电路的输出端口。
优选地，所述的第一级混合器组输入端口中的另2个输入端口连接50欧姆负载。
优选地，所述8×8巴特勒矩阵电路的每一个输入端口输入信号时，其第三级混合器组的8个输出端口的相位存在递增关系。
优选地，所述的8×8巴特勒矩阵电路在方位角面形成六个波束，其中，第一波束的方位角范围为25至55度，第二波束的方位角范围为15至30度，第三波束的方位角为4至15度，第四波束的方位角范围为-4至-15度，第五波束方位角范围为-15至-30度，第六波束的方位角范围为-25至-55度。
优选地，所述的辐射单元为双极化天线单元。
优选地，每个子阵列中沿垂直方向排列的辐射单元个数为4个。
优选地，该天线还包括：功分器网络，所述的辐射单元的同一极化通过功分器网络与波束形成网络相连接；所述的功分器网络包括多个4路功分器电路。
优选地，该天线工作的频段为1695-2700MHz。
优选地，所述的辐射单元阵列，采用压铸单元，馈电片与振子体通过焊接连接。
本发明提出一种宽频六波束阵列天线，辐射单元阵列包括多个子阵列，每一个子阵列包含至少一个沿垂直方向排列的辐射单元，相邻子阵列排列方式一致或者位于两侧的部分子阵列排列与中间位置的子阵列反向；采用8×8巴特勒矩阵电路与功率分配网络构成波束形成网络，以产生方位角面的6个波束；所述多波束阵列天线，一套波束形成网络即可在方位角面产生一个极化的6个波束，相对于现有技术超宽频五波束使用两套波束形成网络的方案，部件减少一半，连接线缆减少一半；同时反向的子阵列减少了180度移相器的部件，二者结合简化了波束形成网络等组件，降低了成本；六波束天线在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰，在不增加天线站址和天面资源的条件下实现相邻小区的频率复用，提高网络容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一种优选实施例中宽频六波束天线的辐射单元排布结构示意图；
图2为本发明一种优选实施例中波束形成网络的连接图；
图3为本发明一种优选实施例中8×8巴特勒矩阵电路和功率分配网络连线图，其中，图(a)为8×8巴特勒矩阵电路示意图，图(b)为功率分配网络示意图；
图4为本发明一种优选实施例中辐射单元阵列排布图；
图5为本发明一种优选实施例中混合器和移相器机械结构示意图，其中，图(a)为3D立体图，图(b)为机械爆破图；
图6为本发明一种优选实施例中六个波束1695、2025和2700MHz频率的合成方向图，其中，图(a)为1695MHz频率的合成方向图，图(b)为2025MHz频率的合成方向图，图(c)为2700MHz频率的合成方向图；
符号说明：
121为子阵列；111为辐射单元；101为振子；301为第一波束形成网络；302为第二波束形成网络；B(2，1)...B(2，7)...B(2，14)为第一波束形成网络301的输出端；411、412、413、414、415、416为第一波束形成网络301的输入端；A(2，1)...A(2，7)...A(2，14)为第二波束形成网络302的输出端；421、422、423、424、425、426为第二波束形成网络302的输入端；310为移相器电路，311-1、311-2、311-3和311-4为第一级包含的四个90度混合器电路，312-1、312-2、312-3和312-4为第二级包含的四个90度混合器电路组；313-1、313-2、313-3和313-4为第三级包含的四个90度混合器电路组；314为负载；315为功率分配网络；501为连接块。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明一种优选实施例中，宽频六波束阵列天线每一个波束的俯仰面电倾角固定，如图1所示，包括：金属反射板、设置于金属反射板的辐射单元阵列、一个波束形成网络和功分器网络，波束形成网络的输出端通过分工器网络连接辐射单元阵列的输入端；所述的辐射单元阵列包括14个沿垂直方向排列的子阵列121，每个子阵列包含4个辐射单元111，所述辐射单元为双极化天线单元，包含两个相互正交的正负45度极化的振子101，辐射单元阵列第1、2、3子阵列与12、13、14子阵列的振子方向相同，并与4至11子阵列振子方向相反；各子阵列辐射单元的垂直间距VD相等，各子阵列之间的水平间距HD相等；
本发明一种优选实施例中，每一列的辐射单元与功分器网络的输出端口相连，所述功分器网络由多个4路功分器电路组成，本实施例中4路功分器电路数量为14×2＝28个；辐射单元阵列中每一列的辐射单元的同一个极化的振子通过电缆与同一个4路功分器电路输出端口相连，每一个波束在垂直面有6度下倾，再与图2中的第一波束形成网络301和第二波束形成网络302相连。
本发明一种优选实施例中，如图2所示，第一波束形成网络301和第二波束形成网络302分别通过14个4路功分器连接同一个垂直方向子阵列的不同极化振子；图中B(2，1)...B(2，7)...B(2，14)为第一波束形成网络301的输出端，411、412、413、414、415、416为第一波束形成网络301的输入端；A(2，1)...A(2，7)...A(2，14)为第二波束形成网络302的输出端，421、422、423、424、425、426为第二波束形成网络302的输入端；
本发明实施例中，每一个波束形成网络由8×8巴特勒矩阵电路和功率分配网络组成，如图3中图(a)和图(b)所示，8×8巴特勒矩阵电路如图3中图(a)所示，包含三级混合器电路组，第一级包含四个90度混合器电路311-1、311-2、311-3和311-4，第二级包含四个90度混合器电路组312-1、312-2、312-3和312-4，第三级包含四个90度混合器电路组313-1、313-2、313-3和313-4；第一级混合器电路组311-1至311-4的输出端口通过移相器电路310与第二级混合器电路组312-1至312-4的输入端口交错相连；第二级混合器电路组312-1至312-4的输出端口通过移相器电路310与第三级混合器电路组313-1至313-4的输入端口交错相连；第三级混合器电路组313-1至313-4的6个输出端口与图3中图(b)的功率分配网络315相连。
本发明实施例中，如图3中图(a)所示，8×8巴特勒矩阵电路的第一级混合器电路组311-1至311-4有两个输入端口接50欧姆负载314，剩余的6个端口B1至B6作为6个波束的输入输出端口；端口B1为第一波束，方位角范围为25至55度；端口B2为第二波束，方位角范围为15至30度；端口B3为第三波束，方位角为4至15度；端口B4为第四波束，方位角范围为-4至-15度；端口B5为第五波束，方位角范围为-15至-30度；端口B6为第六波束，方位角范围为-25至-55度。
本发明一种优选实施例中，第一波束形成网络301和第二波束形成网络302的端口输入信号时，其输出端口的相位分别按照±22.5、±67.5和±112.5度递增。
本发明一种优选实施例中，如图4所示，本发明实施例中设置4行14列的阵列布局，采用带有缺口的压铸单元，馈电片与振子体直接焊接，可使用自动化设备实现振子组件焊接自动化，提高了振子装配焊接效率；振子之间为15mm高度的金属隔离片，可以改善交叉极化比。
本发明一种优选实施例中，如图5所示，本发明实施例中，90度混合器和移相器进行集成，对应图3的311-1和310；图5中图(a)是3D图，图5中图(b)是爆炸视图；该模块采用带状线结构，电路位于中间层，顶层以及底层均为金属地，电路与顶层、底层的金属地之间为PCB介质板，输入输出端口采用连接块501对线缆进行焊接和固定；相较于现有技术微带线结构的波束形成网络，其屏蔽性能更好，互调更稳定，前后比更优。
如图6中图(a)、图(b)和图(c)所示，是使用4行14列的阵列布局，样机测试的方位角面六波束合成方向图，显示频率分别为1695MHz，2025MHz和2700MHz。结果显示，除了较低的频点1695MHz旁瓣抑制低于15dB，其余频点旁瓣以及栅瓣抑制优于15dB，波束交叉电平为10.5dB，10dB波束宽度范围70-121度。
本发明所提出的六波束天线电子下倾角固定，适合用户非常密集的场景，比如大型的体育场馆，演艺中心和广场。通过对场馆等应用场景进行精细小区划分，使用多副的六波束天线，可以实现通信容量的成倍提升。相对于现有技术的宽频五波束天线，不仅多了一个波束，容量更多，而且一个极化振子只需要使用单套波束形成网络，不需要两套波束形成网络来抑制栅瓣，结构更加简单，重量更轻，成本更低。同时，该天线尺寸与五波束天线相当，没有增加风荷载，可以方便的配置在天线塔上。
上述宽频六波束阵列天线，每一个子阵列包含4个沿垂直方向排列的辐射单元，六波束天线在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰，在不增加天线站址和天面资源的条件下实现相邻小区的频率复用，提高网络容量。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (11)
1.一种宽频六波束阵列天线，其特征在于，包括：金属反射板、设置于金属反射板的辐射单元阵列和至少一个波束形成网络；
所述的辐射单元阵列包括多个由垂直排列辐射单元构成的子阵列；各子阵列中的所有辐射单元排列方式一致；辐射单元阵列两侧的部分子阵列的辐射单元朝向与中间位置的子阵列辐射单元相反；
所述波束形成网络包括用于在方位角面形成六个波束的8×8巴特勒矩阵电路和用于对8×8巴特勒矩阵电路输出信号进行幅度调节的功率分配网络，所述的8×8巴特勒矩阵电路的每一个输入端口对应的输出端口的相位存在递增关系；
所述辐射单元为水平非对称结构，朝向相反的辐射单元获得与其他辐射单元的180度相位差。
2.根据权利要求1所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，所述的子阵列的个数大于或等于8个。
3.根据权利要求1所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，所述的子阵列中沿垂直方向排列的辐射单元个数为4个。
4.根据权利要求1所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，所述的8×8巴特勒矩阵电路，包括多级混合器组以及多个移相器，每一级混合器组包括多个90度混合器电路；混合器组之间通过移相器相连接。
5.根据权利要求1所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，所述的8×8巴特勒矩阵电路，在方位角面形成六个波束，其中，第一波束的方位角范围为25至55度，第二波束的方位角范围为15至30度，第三波束的方位角为4至15度，第四波束的方位角范围为-4至-15度，第五波束方位角范围为-15至-30度，第六波束的方位角范围为-25至-55度。
6.根据权利要求1所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，所述的辐射单元为双极化天线辐射单元。
7.根据权利要求4所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，所述的多级混合器组包括第一级混合器组、第二级混合器组和第三级混合器组；其中，
第一级混合器组输入端口中的6个输入端口作为8×8巴特勒矩阵电路的输入端口，第一级混合器组的输出端口通过4个移相器连接第二级混合器组的输入端口；第二级混合器组的输出端口通过4个移相器连接第三级混合器组的输入端口；第三级混合器组的8个输出端口为8×8巴特勒矩阵电路的输出端口。
8.根据权利要求6所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，该天线还包括：功分器网络，所述的辐射单元的同一极化通过功分器网络与波束形成网络相连接；所述的功分器网络包括多个4路功分器电路。
9.根据权利要求7所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，所述的第一级混合器组输入端口中的另2个输入端口连接负载。
10.根据权利要求1所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，该天线工作的频段为1695-2700MHz。
11.根据权利要求1所述的宽频六波束阵列天线，其特征在于，所述的辐射单元阵列，采用压铸单元，馈电片与振子体之间焊接连接。
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