本發(fā)明涉及一種寬頻三波束陣列天線，尤指一種提高網(wǎng)絡(luò)速率和容量的寬頻三波束陣列天線。

背景技術(shù)：

第四代移動通信技術(shù)4G/LTE規(guī)模商用后，移動通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量激增，用戶密集區(qū)域移動通信系統(tǒng)帶寬容量面臨巨大壓力。大型廣場、交通樞紐、體育中心、演藝場館、旅游景點、高校學生宿舍等區(qū)域用戶密集，高峰時期可積聚幾萬乃至超過十萬人口，數(shù)據(jù)流量和語音通話都需要系統(tǒng)具備極高的容量。為了增加通信網(wǎng)絡(luò)容量，傳統(tǒng)增加載波的方式提升有限，另外一種縮小基站天線覆蓋區(qū)域從而增加基站數(shù)量的方法，面臨站址選擇和物業(yè)協(xié)調(diào)的難題，成本高昂，容量提高有限。

針對單個小區(qū)容量有限的問題，使用多波束天線，常規(guī)單個扇區(qū)的覆蓋區(qū)域可細分為多個扇區(qū)，無線信道容量成倍增加。專利號為US20110205119A1的美國專利提出了混合使用2×3和2×4的巴特勒矩陣電路形成的雙波束天線，具有20dB的方位角旁瓣抑制性能。但是該技術(shù)工作帶寬只有25％(1710-2200MHz)，不能同時兼容4G LTE的2300和2600MHz頻段，而且對于用戶特別密集的地方，兩波束天線小區(qū)分裂的數(shù)目仍然不夠多。專利號為CN 102544763 A的發(fā)明專利提出了一種使用3×3巴特勒矩陣來產(chǎn)生三波束的方法，陣列排列如圖1所示。均勻排布的輻射單元的每一列與垂直功分器相連，再與3×3的巴特勒矩陣輸出口相連，每一個極化對應一個3×3的巴特勒矩陣。雖然波束增加為3個，但是工作頻段只能覆蓋1710-2170MHz?，F(xiàn)有的三波束技術(shù)，如果頻段拓寬至1700-2700MHz頻段，在2700MHz頻率會產(chǎn)生非常高的水平柵瓣。圖2仿真計算的方向圖顯示，2700MHz頻率處柵瓣高達-4dB，對相鄰小區(qū)干擾非常大。

因此，有必要設(shè)計一種好的寬頻三波束陣列天線，工作頻帶拓寬至1700-2700MHz，兼容4G、3G制式頻段和部分2G制式的頻段，且工作頻帶范圍內(nèi)方位角方向具有良好的旁瓣和柵瓣抑制性能，以克服上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對背景技術(shù)所面臨的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種通過設(shè)置相位補償電路對水平方向偏移的子陣列進行相位補償，提高網(wǎng)絡(luò)速率和容量的寬頻三波束陣列天線。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段：

一種寬頻三波束陣列天線，其包括一金屬反射板；一輻射單元陣列，其包含M個子陣列，每一個子陣列包含N個沿水平方向排列的輻射單元，至少一個子陣列在水平方向偏移；多個相位補償電路，對水平方向偏移的子陣列進行相位補償；多個波束形成網(wǎng)絡(luò)，其包含2個3×3巴特勒矩陣電路，和2個功率分配網(wǎng)絡(luò)；3×3巴特勒矩陣電路，包含形成第一波束的第一輸入端口，形成第二波束的第二輸入端口，和形成第三波束的第三輸入端口。

進一步地，輻射單元為雙極化天線單元。

進一步地，子陣列數(shù)目M為6個，子陣列中輻射單元數(shù)目N為6個。

進一步地，每一個子陣列的多個輻射單元沿一水平線排列，3個子陣列水平方向偏移。

進一步地，各子陣列輻射單元間距相等，各子陣列之間的垂直間距相等。

進一步地，3個子陣列在水平方向偏移的距離為輻射單元水平間距的一半。

進一步地，相位補償電路包含2個獨立傳輸線路，二者相位差為φ。

進一步地，3×3巴特勒矩陣電路具有輸出端口，其連接一功率分配網(wǎng)絡(luò)的輸入端口，3×3巴特勒矩陣電路的輸入端口為波束形成網(wǎng)絡(luò)的第一輸入端口、第二輸入端口和第三輸入端口，功率分配網(wǎng)絡(luò)的輸出端口為波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸出端口。

進一步地，3×3巴特勒矩陣電路由三個混合器和至少一個相位偏移器組成。

進一步地，第一波束的方位角范圍為20至55度，第二波束的方位角為0度，第三波束的方位角范圍為-20至-55度。

進一步具有三個移相器，每一個方位角方向的波束對應一個移相器，每一個移相器包含兩個傾角調(diào)節(jié)電路，用于調(diào)節(jié)對應波束兩個極化俯仰面的下傾角度，移相器的輸出端口通過相位補償電路連接波束形成網(wǎng)絡(luò)的第一輸入端口和第三輸入端口。

進一步地，一個子陣列對應一個波束形成網(wǎng)絡(luò)，每一個子陣列的輻射單元連接對應的波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸出端口。

進一步具有一功率分配網(wǎng)絡(luò)，其包含多個3路功分器電路和2路功分器電路，3路功分器電路的輸出端口連接不同行的位于同一水平位置的三個輻射單元。

進一步地，3路功分器電路的輸入端口連接波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸出端口。

進一步地，波束形成網(wǎng)絡(luò)的第一輸入端口和第三輸入端口通過相位補償電路連接2路功分器電路。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

上述寬頻三波束陣列天線，每一個子陣列包含N個沿水平方向排列的輻射單元，至少一個子陣列在水平方向偏移，多個相位補償電路，對水平方向偏移的子陣列進行相位補償，這樣采用不同行的輻射單元在水平方向按照一定規(guī)律偏移，并在饋電網(wǎng)絡(luò)里對偏移的輻射單元添加一定的相位補償，三波束天線在超寬頻段內(nèi)都具有較好的旁瓣和柵瓣抑制性能，降低波束對應小區(qū)的鄰區(qū)干擾，在不增加天線站址和天面資源的條件下實現(xiàn)相鄰小區(qū)的頻率復用，提高網(wǎng)絡(luò)容量。

【附圖說明】

圖1為現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生三波束天線的輻射單元排列方案；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)拓寬到1700-2700MHz的三波束天線2700MHz方向圖；

圖3為本發(fā)明的寬頻三波束天線的輻射單元排布方案；

圖4為本發(fā)明實施例1第一排輻射單元與波束形成網(wǎng)絡(luò)的連線圖；

圖5為本發(fā)明實施例1移相器輸出端口的相位補償?shù)氖疽鈭D；

圖6為本發(fā)明實施例1仿真的三波束天線的合成方向圖；

圖7為本發(fā)明實施例2中輻射單元與3路功分器電路的連線圖；

圖8為本發(fā)明實施例2波束形成網(wǎng)絡(luò)的連接圖；

圖9為本發(fā)明實施例2相位補償?shù)倪B線圖。

【具體實施方式】

為便于更好的理解本發(fā)明的目的、結(jié)構(gòu)、特征以及功效等，現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明中，寬頻三波束陣列天線包括一金屬反射板、一輻射單元陣列、多個相位補償電路、多個波束形成網(wǎng)絡(luò)以及功率分配網(wǎng)絡(luò)，波束形成網(wǎng)絡(luò)的三個波束主要由波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，每個波束形成網(wǎng)絡(luò)包括2個3×3巴特勒矩陣電路和2個功率分配網(wǎng)絡(luò)。其中，3×3巴特勒矩陣電路由三個混合器和至少一個相位偏移器組成，包含形成第一波束的第一輸入端口，形成第二波束的第二輸入端口，和形成第三波束的第三輸入端口；第一波束的方位角范圍20至55度，第二波束的方位角為0度，第三波束的方位角范圍-20至-55度。波束形成網(wǎng)絡(luò)中的功率分配網(wǎng)絡(luò)的輸入端口連接3×3巴特勒矩陣的輸出端口，3×3巴特勒矩陣的輸入端口為波束形成網(wǎng)絡(luò)輸入端口，功率分配網(wǎng)絡(luò)的輸出端口為波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸出端口。

下面將結(jié)合附圖和具體的實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

實施例1：

本發(fā)明實施例提供的一種寬頻段三波束天線，每一個波束的俯仰面傾角可獨立調(diào)節(jié)，包括金屬反射板，輻射單元陣列，多個波束形成網(wǎng)絡(luò)，移相器，和相位補償電路。

輻射單元陣列的相鄰行在排布上采用水平方向偏移的方式，如圖3所示。多個輻射單元101排成一行，輻射單元水平間距為HD，垂直間距為VD，相鄰行水平錯開的距離為HD1。優(yōu)選地，每一行的輻射單元數(shù)目為6且水平間距相等，行數(shù)為6且相鄰行的垂直間距相等；優(yōu)選地，第二行輻射單元112，第四行輻射單元114，和第六行輻射單元116均相對于第一行111右偏移HD1；第三行輻射單元113與第五行輻射單元115相對于第一行111無偏移。優(yōu)選地，輻射單元101為±45雙極化的交叉偶極天線，貼片天線和縫隙天線。

優(yōu)選地，每一行的輻射單元與波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸出端口相連。第一行輻射單元111與波束形成網(wǎng)絡(luò)121連接如圖4所示。波束形成網(wǎng)絡(luò)121中3×3巴特勒矩陣電路104和功率分配網(wǎng)絡(luò)102，對應+45極化信號；3×3巴特勒矩陣電路105和功率分配網(wǎng)絡(luò)103，對應-45極化信號。104和105的輸出端口分別連接功率分配網(wǎng)絡(luò)102和103的輸入端口，功率分配網(wǎng)絡(luò)102和103由多個2路功分器組成，每一個功分器的輸出端口與第一行的輻射單元連接。巴特勒矩陣電路104輸入端口41、42和43分別是+45極化第一、第二和第三輸入端口。巴特勒矩陣電路105輸入端口51、52和53分別是-45極化第一、第二和第三輸入端口。其它行的輻射單元與波束形成網(wǎng)絡(luò)的連接類似。

優(yōu)選地，多個波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸入端口，通過相位補償電路與移相器的輸出端口相連。如圖5所示，方位角指向為正的+45極化第一波束信號81經(jīng)過移相器108分成6個輸出端口，分別連接相位補償電路106，相位補償電路106連接多個波束形成網(wǎng)絡(luò)(121、122、123、124、125、126)第一輸入端口。同樣的，-45極化第一波束信號91經(jīng)過移相器109分成6個輸出端口，分別連接相位補償電路107，相位補償電路107連接上述多個波束形成網(wǎng)絡(luò)第一輸入端口。所述相位補償電路對偏移的輻射單元，進行相位偏移量為φ的補償，相位補償電路包含2個獨立傳輸線路，二者相位差為φ。

類似地，方位角指向為負的第三波束+45和-45極化信號通路中，移相器通過相位補償電路，連接多個波束形成網(wǎng)絡(luò)第三輸入端口。方位角指向為0的第二波束+45和-45極化信號通路中，移相器連接多個波束形成網(wǎng)絡(luò)第二輸入端口，中間無相位補償電路。所述移相器用于調(diào)節(jié)每一個波束俯仰面的傾角,其輸出端口數(shù)目跟陣列行數(shù)M相等。優(yōu)選地，相鄰行水平偏移距離HD1為輻射單元水平距離的一半，即HD1＝HD/2，相位補償電路的相位差φ＝60度。

與現(xiàn)有的三波束技術(shù)相比，本發(fā)明通過對陣列單元交錯排列，并添加相位補償電路來實現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢。對于雙極化三波束天線，每一行輻射單元對應一個波束形成網(wǎng)絡(luò)；每一個波束對應一個移相器，每一個移相器網(wǎng)絡(luò)包含兩個極化的傾角調(diào)節(jié)電路。本發(fā)明技術(shù)不僅可以實現(xiàn)不同波束下傾角獨立調(diào)節(jié)，而且通過陣列單元交錯排列和相位補償技術(shù)，得到良好的方位角旁瓣柵瓣抑制性能。

圖6顯示的是使用6行6列的陣列布局，仿真模擬的三波束方位角合成方向圖，仿真模型里輻射單元使用交叉偶極天線,下傾角為0度。圖6-a仿真結(jié)果顯示，在1700MHz旁瓣以及柵瓣抑制優(yōu)于21dB；圖6-b顯示在2700MHz旁瓣和柵瓣抑制優(yōu)于22dB。波束交叉電平為10dB，10dB波束寬度范圍76-126度。

本實施例的天線可以使用在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，替代三扇區(qū)天線和六扇區(qū)天線，形成九扇區(qū)的小區(qū)劃分。相對于傳統(tǒng)的三扇區(qū)和六扇區(qū)天線，可以進一步通過小區(qū)分裂增加容量，同時由于在超寬頻(帶寬45％)范圍內(nèi)具有較低的方位角旁瓣，小區(qū)的鄰區(qū)干擾小，網(wǎng)絡(luò)速率高。傳統(tǒng)的9扇區(qū)劃分需要9個窄波束天線，每一個天線都非常龐大，同時安裝在天線塔上非常困難，本實施例實現(xiàn)9個扇區(qū)只需3個天線，可以方便的配置在天線塔上。

實施例2：

本發(fā)明實施例為下傾角固定的覆蓋超寬頻段1700-2700MHz的雙極化三波束天線。與實施例1相比，輻射單元的排列是一致的，波束形成網(wǎng)絡(luò)數(shù)量由6個減少為2個，移相器簡化為多個3路功分器電路。所述3路功分器電路位于輻射單元和波束形成網(wǎng)絡(luò)之間，用以控制俯仰面的波束傾角和波束寬度。

優(yōu)選地，陣列中每一列的三個相同水平位置的輻射單元與3路功分器電路相連。圖3中輻射單元的+45度極化連接如圖7所示。第一列輻射單元連接如下，輻射單元d11、d31和d51連接3路功分器電路201輸出端口，輻射單元d21、d41和d61連接另外一個3路功分器電路202輸出端口，其他列的連接類似。

優(yōu)選地，3路功分器電路的輸入端口與波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸出端口相連，如圖8所示。連接第1、3、5行輻射單元的3路功分器電路的輸入端口A21至A26連接波束形成網(wǎng)絡(luò)中功率分配網(wǎng)絡(luò)301的輸出端口；連接第2、4、6行輻射單元的3路功分器電路的輸入端口B21至B26連接另一個功率分配網(wǎng)絡(luò)302的輸出端口。兩個3×3巴特勒矩陣電路401和402作為波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸入端口，其輸出端口連接功率分配網(wǎng)絡(luò)301和302的輸入端口。

如圖9所示，波束形成網(wǎng)絡(luò)對應+45極化第二輸入端口412和422連接2路功分器電路602；第一輸入端口411和421經(jīng)過相位補償電路501連接到2路功分器電路601；第三輸入端口413和423經(jīng)過相位補償電路502連接到2路功分器電路603。所述相位補償電路對偏移的輻射單元，進行相位偏移量為φ的補償。圖7-9顯示的是+45極化連接，-45極化的連接類似。

該實施例的三波束天線下傾角固定，適合用戶較為密集而且相對固定的場景，比如中型的體育場館，演藝中心和廣場。通過對場館等應用場景進行精細的小區(qū)劃分，使用多副的固定傾角三波束天線，可以實現(xiàn)通信容量的提升。

需要強調(diào)的是，以上2個實施例中，天線陣列中，位于水平方向相鄰兩個輻射單元之間的間距是固定的，即輻射單元是等間距排列的。然而，在實際工程應用中，振子單元也可以是不等間距排列的。同樣的，垂直方向上的兩個振子也可以是不等間距排列的。在實施例中，第2、4、6行相對于第1、3、5行右偏移，在實際應用中，也可以是左偏移的。這種振子排列交錯變化的情形，也可以實現(xiàn)超寬頻范圍內(nèi)具有低旁瓣的多波束方向圖，由于不脫離本發(fā)明的構(gòu)思，也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

上述寬頻三波束陣列天線，每一個子陣列包含N個沿水平方向排列的輻射單元，多個子陣列在水平方向偏移，多個相位補償電路，對水平方向偏移的子陣列進行相位補償，這樣采用不同行的輻射單元在水平方向按照一定規(guī)律偏移，并在饋電網(wǎng)絡(luò)里對偏移的輻射單元添加一定的相位補償，三波束天線在超寬頻段內(nèi)都具有較好的旁瓣和柵瓣抑制性能，降低波束對應小區(qū)的鄰區(qū)干擾，在不增加天線站址和天面資源的條件下實現(xiàn)相鄰小區(qū)的頻率復用，提高網(wǎng)絡(luò)容量。

以上詳細說明僅為本發(fā)明之較佳實施例的說明，非因此局限本發(fā)明的專利范圍，所以，凡運用本創(chuàng)作說明書及圖示內(nèi)容所為的等效技術(shù)變化，均包含于本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。