CN200950586Y - 具有可变波束宽度的波束形成网络 - Google Patents
具有可变波束宽度的波束形成网络 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型具有可变波束宽度的波束形成网络包括：天线阵列，包括多个天线阵元列；巴特勒矩阵网络，用以产生不同指向的波束，其输出信号被耦合到所述天线阵列中对应的各个相应的天线阵元列上；混合网络，同一时刻接受两路信号的任意一路输入，在其内调相后提供信号输出至巴特勒矩阵网络，用以改变输入至巴特勒矩阵网络的信号，进而相应地改变天线阵列的信号的馈电幅度和相位。本实用新型采用简单的结构组成混合网络，通过混合网络择一地接受信号的输入并进行调相，间接调整天线阵列的信号的幅度和相位，可生成两个波束，在二个波束之间进行变换，而且各波束之间的波束宽度和波束指向均可变。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种具有可变波束宽度的波束形成网络。
【背景技术】
阵列天线系统在许多应用中需要具有可变波束宽度和变化的波束指向。比如，在移动通信系统中，随着移动通信技术的不断发展和完善，现代移动通信已经走进千家万户，成为人们生活中不可或缺的一部分。在当今通信联系日益加强的状况下，对通信系统的要求也越来越高。在日益多样化、复杂化的现代通信应用环境中，随着移动用户数量的激增、网络覆盖的密集化、覆盖区域的广阔化、网络容量的扩大化，有时容量和覆盖区域的方位都是动态的。容量较低时，只需要一个波束就能满足应用，而在某些高容量区域需要将一个波束分裂成二个波束，且要求其波束宽度和波束指向可根据需要变化。
现有技术中，一种就是如图1所示的标准Butler(巴特勒)矩阵网络50。可参见1966年由J.L.Butler实用新型的专利“Multiple Beam Antenna SystemEmploying Multiple Directional Couplers In The Leadin”(U.S.Pat.No.3,255,450)以及1966年由W.R.Lowe实用新型的专利“Antenna System ForRadiating Directional Patterns”(U.S.Pat.No.3,295,134)。这种典型的波束形成网络主要由4个90度3dB电桥41、42、43、44和固定相移装置51、52构成。其中90度3dB电桥原理如图2所示，180度3db电桥原理请参阅图3所示，它是由一个四端口的功率混合网络构成，其两输出端口具有输出信号相位差90度的特性，即从输入端口111输入信号时，输出端口114的输出信号相位比输出端口113的输出信号相位滞后90度，或者从输入端口112输入信号时，输出端口113的输出信号相位比输出端口114的输出信号相位滞后90度；同时输入端口112相对于输入端口111是彼此隔离的。如此，当从端口113和端口114同时输入幅度相等、相位差90度的信号时，则所有的能量仅耦合并合成到一个端口，即端口111或端口112，而另一个端口输出为零。这种网络结构比较简单，可以同时形成4个波束，也可以按照需求进行波束切换。但是，这种网络的形成波束都是固定波束，其波束指向和波束宽度都是预设的，不可变的。而且当用户位于波束边缘、干扰信号位于波束最大位置时，则接收效果最差，不能实现最佳信号接收。
现有的另一种技术可参见1977年Joseph H.Provencher实用新型的专利“Multibeam adaptive array”(U.S.Pat.No.4,032,922)，其实施方案见图4。这种波束形成网络是在标准Butler矩阵网络的基础上改进而成的。其中的开关电路61可以根据实际需要设计为单刀多掷、多刀多掷等多种形式，联合合成网络62，可以在预设的范围内实现波束指向和波束宽度的开关可变。但这种网络依然采用固定波束，不能实现波束指向和波束宽度的可变，在当今越来越复杂的通信应用环境中不能满足灵活、多变的应用需要。
【实用新型内容】
本实用新型的目的就是要为了提供一种基于巴特勒(Butler)矩阵网络的具有可变波束宽度的波束形成网络，以克服上述固定波束的缺陷，实现对波束指向和波束宽度的可变，以满足应用环境因素，如通信容量、覆盖区域方位、覆盖范围等对天线的性能要求。
本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：
本实用新型具有可变波束宽度的波束形成网络，包括：
天线阵列，包括多个天线阵元列；
巴特勒矩阵网络，用以产生不同指向的波束，其输出信号被耦合到所述天线阵列中对应的各个相应的天线阵元列上；
混合网络，同一时刻接受两路信号的任意一路输入，在其内调相后提供信号输出至巴特勒矩阵网络，用以改变输入至巴特勒矩阵网络的信号，进而相应地改变天线阵列的信号的馈电幅度和相位。
所述混合网络包括第一3db电桥、可变移相器、第二3db电桥、第一功分器、第二功分器以及第一固定移相器和第二固定移相器：
第一3db电桥，同一时刻接受两路信号的任意一路的输入，并将该信号转换为相差一定相位的两路信号输出；
可变移相器，接受第一3db电桥的任意一路输出信号进行移相后与第一3db电桥的另一路输出信号输入至所述第二3db电桥；
第二3db电桥，接受两路信号输入后，每路信号均转换为相差一定相位的信号，两路信号各自转换后的信号两两进行矢量叠加后，分别输出至第一和第二功分器；
第一与第二功分器接受信号输入后将信号一分为二，共形成四路信号输出，并且两个功分器的各自的一路被输出的信号分别通过所述第一和第二固定移相器进行移相。
所述第一和第二固定移相器的移相幅度为180度。
所述第一和第二功分器的输出功分比为1∶n，n为大于或等于1的任意实数。
所述混合网络中的可变移相器的相位延迟改变量的范围为相对的-180度至+180度之间。
所述第一和第二3db电桥可按如下几种方式组合：
1、第一和第二3db电桥均为90度3db电桥；
2、第一和第二3db电桥中，其一采用90度3db电桥，另一则采用180度3db电桥；
3、第一和第二3db电桥均为180度3db电桥。
与现有技术相比，本实用新型具备如下优点：采用简单的结构组成混合网络，通过混合网络择一地接受信号的输入并进行调相，间接调整天线阵列的信号的幅度和相位，可生成两个波束，在二个波束之间进行变换，而且各波束之间的波束宽度和波束指向均可变。
【附图说明】
图1为标准巴特勒矩阵结构原理示意图；
图2为90度3db电桥的结构原理示意图；
图3为180度3db电桥的结构原理示意图；
图4为现有技术中一种多波束自适应阵列的波束形成网络的结构原理示意图；
图5为本实用新型的结构原理示意图；
图6为对应不同φ值，且第一、第二3db电桥均为90度时，所产生的两个波束的变化情况；
图7为对应不同φ值，且第一3db电桥为180度、第二3db电桥为90度时，所产生的两个波束的变化情况；
图8为对应不同φ值，且第一、第二3db电桥均为180度时，所产生的两个波束的变化情况；
图9为对应不同φ值，且第一3db电桥为90度、第二3db电桥为180度时，所产生的两个波束的变化情况。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明：
请参阅图5，本实用新型具有可变波束宽度的波束形成网络由如下各部分组成：一个4×4巴特勒矩阵网络50、一个能实现幅相可调的混合网络70以及4个由多个天线阵元列21，22，23，24组成的天线阵列。
所述的混合网络70具有两个输入端口81和82，具有四个输出端口35，36，37，38，连接到巴特勒矩阵网络50对应的四个输入端口，所述的巴特勒矩阵网络50的四个输出端口31，32，33，34分别耦合到天线阵列中的相应阵元列21，22，23，24。
上述具有幅相可调的混合网络70由如下各部分组成：两个具有180度的固定相移器52a，52b；一分为二的第一和第二功分器54，55；第一、第二3dB电桥46，45；一个可变移相器63。信号从第一3dB电桥46的输入端口89、90输入；第一3dB电桥46的输出端口87通过可变移相器63连接到第二3dB电桥45的输入端口85，输出端口88直接与第二3dB电桥45的输入端口86相连接；而第二3dB电桥45的两输出端口83、84分别与第一和第二功分器54、55各自的输入端口83、84连接；第一功分器54的输出端口91和第二功分器55的输出端口92分别通过固定相移器52a，52b与巴特勒矩阵网络50的相应输入端口37，36相连接，而第一功分器54和第二功分器55的另两个端口93，94直接与巴特勒矩阵网络50的相应输入端口35、38相连接。
上述混合网络70中的第一和第二功分器54，55的输出功分比为1∶n。其中n的值既可以等于1，为等功分状态；也可以是其它的任意正实数。
上述混合网络70中的可变移相器63的相位延迟改变量范围为相对的-180度至+180度。
而对于上述混合网络70中的第一和第二3dB电桥45，46，既可采用90度3dB电桥，也可以是180度3dB电桥，相应的组合方式有四种，下面详细分析各种不同组合方式及其作用效果：
(1)、当第一和第二3dB电桥45，46同时为90度3dB电桥时，可以同时形成二个波束，根据可变移相装置相位延迟的不同，其波束变化存在5种典型情况，如图6所示，图中虚线所示为波束1，对应于从输入端口81输入信号时所得波束；实线所示为波束2，对应于从输入端口82输入信号时所得波束。
①、如图6(a)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对-180°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像；
②、如图6(b)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对-90°时，波束1为一差波束，此差波束方向图的零点指向与天线阵面法线的指向重合，波束2为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的方向重合；
③、如图6(c)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对0°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，但偏离方向与φ为相对-180°时的情况刚好相反，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像；
④、如图6(d)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对90°时，波束1为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的指向重合，波束2为一差波束，此差波束方向图的指向与天线阵面法线的方向重合；
⑤、如图6(e)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对180°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像，波束1和波束2与φ为相对-180°时完全一样。
(2)、当第二3dB电桥45为90度3dB电桥而第一3dB电桥46为180度3dB电桥时，可以同时形成二个波束，根据可变移相器63相位延迟的不同，其波束变化存在5种典型情况，如图7所示，图中虚线所示为波束1，对应于从输入端口81输入信号时所得波束；实线所示为波束2，对应于从输入端口82输入信号时所得波束。
①、如图7(a)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对-180°时，波束1为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的指向重合，波束2为一差波束，此差波束方向图的指向与天线阵面法线的方向重合；
②、如图7(b)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对-90°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像；
③、如图7(c)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对0°时，波束1为一差波束，此差波束方向图的零点指向与天线阵面法线的指向重合，波束2为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的方向重合；
④、如图7(d)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对90°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，但偏离方向与φ为相对-90°时的情况刚好相反，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像；
⑤、如图7(e)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对180°时，波束1为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的指向重合，波束2为一差波束，此差波束方向图的指向与天线阵面法线的方向重合，波束1和波束2与φ为相对-180°时完全一样。
(3)、当第一和第二3dB电桥45，46同时为180度3dB电桥时，可以同时形成二个波束，根据可变移相器63相位延迟的不同，其波束变化存在5种典型情况，如图8所示，图中虚线所示为波束1，对应于从输入端口81输入信号时所得波束；实线所示为波束2，对应于从输入端口82输入信号时所得波束。
①、如图8(a)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对-180°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像；
②、如图8(b)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对-90°时，波束1为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的指向重合，波束2也为一和波束，此和波束方向图的指向也与天线阵面法线的方向重合；
③、如图8(c)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对0°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，但偏离方向与φ为相对-180°时的情况刚好相反，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像；
④、如图8(d)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对90°时，波束1为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的指向重合，波束2也为一和波束，此和波束方向图的指向也与天线阵面法线的方向重合；
⑤、如图8(e)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对180°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像，波束1和波束2与φ为相对-180°时完全一样。
(4)、当第二3dB电桥45为180度3dB电桥而第一3dB电桥46为90度3dB电桥时，可以同时形成二个波束，根据可变移相器63相位延迟的不同，其波束变化存在5种典型情况，如图9所示，图中虚线所示为波束1，对应于从输入端口81输入信号时所得波束；实线所示为波束2，对应于从输入端口82输入信号时所得波束。
①、如图9(a)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对-180°时，波束1为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的指向重合，波束2也为一和波束，此和波束方向图的指向也与天线阵面法线的方向重合；
②、如图9(b)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对-90°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像；
③、如图9(c)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对0°时，波束1为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的指向重合，波束2也为一和波束，此和波束方向图的指向也与天线阵面法线的方向重合；
④、如图9(d)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对90°时，波束1偏离天线阵面法线方向一定角度，但偏离方向与φ为相对-90°时的情况刚好相反，波束2关于天线阵面法线与波束1镜像；
⑤、如图9(e)所示，当可变移相器63的相位延迟φ为相对180°时，波束1为一和波束，此和波束方向图的指向与天线阵面法线的指向重合，波束2也为一和波束，此和波束方向图的指向也与天线阵面法线的方向重合，波束1和波束2与φ为相对-180°时完全一样。
由此，按照上述设计原则实现的波束形成网络可以形成二个波束，且二个波束的波束宽度和波束指向均可变，完全满足日益多样化、复杂化的现代移动通信应用环境。
Claims (11)
1、一种具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于包括：
天线阵列，包括多个天线阵元列；
巴特勒矩阵网络，用以产生不同指向的波束，其输出信号被耦合到所述天线阵列中对应的各个相应的天线阵元列上；
混合网络，同一时刻接受两路信号的任意一路输入，经调相后提供信号输出至巴特勒矩阵网络，用以改变输入至巴特勒矩阵网络的信号，进而相应地改变天线阵列的信号的馈电幅度和相位。
2、根据权利要求1所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：
所述混合网络包括第一3db电桥、可变移相器、第二3db电桥、第一功分器、第二功分器以及第一固定移相器和第二固定移相器：
第一3db电桥，同一时刻接受两路信号的任意一路的输入，并将该信号转换为相差一定相位的两路信号输出；
可变移相器，接受第一3db电桥的任意一路输出信号进行移相后与第一3db电桥的另一路输出信号输入至所述第二3db电桥；
第二3db电桥，接受两路信号输入后，每路信号均转换为相差一定相位的信号，两路信号各自转换后的信号两两进行矢量叠加后，分别输出至第一和第二功分器；
第一与第二功分器接受信号输入后将信号一分为二，共形成四路信号输出，并且两个功分器的各自的一路被输出的信号分别通过所述第一和第二固定移相器进行移相。
3、根据权利要求2所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述第一和第二固定移相器的移相幅度为180度。
4、根据权利要求2所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述第一和第二功分器的输出功分比为1∶n，n为大于或等于1的任意实数。
5、根据权利要求2所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述混合网络中的可变移相器的相位延迟改变量的范围为相对的-180度至+180度之间。
6、根据权利要求1至5任意一项所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述第二3db电桥为90度3db电桥。
7、根据权利要求1至5任意一项所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述第二3db电桥为180度3db电桥。
8、根据权利要求6所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述第一3db电桥为90度3db电桥。
9、根据权利要求7所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述第一3db电桥为90度3db电桥。
10、根据权利要求6所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述第一3db电桥为180度3db电桥。
11、根据权利要求7所述的具有可变波束宽度的波束形成网络，其特征在于：所述第一3db电桥为180度3db电桥。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070919 Termination date: 20130912 |