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(dòng)通信技術(shù)4G/LTE規(guī)模商用后，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量激增，用戶(hù)密集區(qū)域移動(dòng)通信系統(tǒng)帶寬容量面臨巨大壓力。大型廣場(chǎng)、交通樞紐、體育中心、演藝場(chǎng)館、旅游景點(diǎn)、高校學(xué)生宿舍等區(qū)域用戶(hù)密集，高峰時(shí)期可積聚幾萬(wàn)乃至超過(guò)十萬(wàn)人口，數(shù)據(jù)流量和語(yǔ)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(duì)單個(gè)小區(qū)容量有限的問(wèn)題，使用多波束天線，常規(guī)單個(gè)扇區(qū)的覆蓋區(qū)域可細(xì)分為多個(gè)扇區(qū)，無(wú)線信道容量成倍增加。專(zhuān)利號(hào)為US20110205119A1的美國(guó)專(zhuān)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(shí)兼容4G LTE的2300和2600MHz頻段，而且對(duì)于用戶(hù)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(zhuān)利號(hào)為CN 102544763 A的發(fā)明專(zhuān)利提出了一種使用3×3巴特勒矩陣來(lái)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(gè)極化對(duì)應(yīng)一個(gè)3×3的巴特勒矩陣。雖然波束增加為3個(gè)，但是工作頻段只能覆蓋1710-2170MHz。現(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(huì)產(chǎn)生非常高的水平柵瓣。圖2仿真計(jì)算的方向圖顯示，2700MHz頻率處柵瓣高達(dá)-4dB，對(duì)相鄰小區(qū)干擾非常大。

因此，有必要設(shè)計(jì)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(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

為實(shí)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(gè)子陣列，每一個(gè)子陣列包含N個(gè)沿水平方向排列的輻射單元，至少一個(gè)子陣列在水平方向偏移；多個(gè)相位補(bǔ)償電路，對(duì)水平方向偏移的子陣列進(jìn)行相位補(bǔ)償；多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)，其包含2個(gè)3×3巴特勒矩陣電路，和2個(gè)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(jìn)一步地，輻射單元為雙極化天線單元。

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

進(jìn)一步地，每一個(gè)子陣列的多個(gè)輻射單元沿一水平線排列，3個(gè)子陣列水平方向偏移。

進(jìn)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(jìn)一步地，3個(gè)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(jìn)一步地，相位補(bǔ)償電路包含2個(gè)獨(dú)立傳輸線路，二者相位差為φ。

進(jìn)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(jìn)一步地，3×3巴特勒矩陣電路由三個(gè)混合器和至少一個(gè)相位偏移器組成。

進(jìn)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(jìn)一步具有三個(gè)移相器，每一個(gè)方位角方向的波束對(duì)應(yīng)一個(gè)移相器，每一個(gè)移相器包含兩個(gè)傾角調(diào)節(jié)電路，用于調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)波束兩個(gè)極化俯仰面的下傾角度，移相器的輸出端口通過(guò)相位補(bǔ)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(jìn)一步地，一個(gè)子陣列對(duì)應(yīng)一個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)子陣列的輻射單元連接對(duì)應(yīng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸出端口。

進(jìn)一步具有一功率分配網(wǎng)絡(luò)，其包含多個(gè)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(gè)輻射單元。

進(jìn)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(jìn)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(guò)相位補(bǔ)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(gè)子陣列包含N個(gè)沿水平方向排列的輻射單元，至少一個(gè)子陣列在水平方向偏移，多個(gè)相位補(bǔ)償電路，對(duì)水平方向偏移的子陣列進(jìn)行相位補(bǔ)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(duì)偏移的輻射單元添加一定的相位補(bǔ)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(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)相鄰小區(qū)的頻率復(fù)用，提高網(wǎng)絡(luò)容量。

【附圖說(shuō)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(shí)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(shí)施例1移相器輸出端口的相位補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D；

圖6為本發(fā)明實(shí)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(shí)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(shí)施例2波束形成網(wǎng)絡(luò)的連接圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2相位補(bǔ)償?shù)倪B線圖。

【具體實(shí)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(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(gè)相位補(bǔ)償電路、多個(gè)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(gè)波束主要由波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，每個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)包括2個(gè)3×3巴特勒矩陣電路和2個(gè)功率分配網(wǎng)絡(luò)。其中，3×3巴特勒矩陣電路由三個(gè)混合器和至少一個(gè)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(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種寬頻段三波束天線，每一個(gè)波束的俯仰面傾角可獨(dú)立調(diào)節(jié)，包括金屬反射板，輻射單元陣列，多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)，移相器，和相位補(bǔ)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(gè)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(cuò)開(kāi)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(duì)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(duì)于第一行111無(wú)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(duì)應(yīng)+45極化信號(hào)；3×3巴特勒矩陣電路105和功率分配網(wǎng)絡(luò)103，對(duì)應(yīng)-45極化信號(hào)。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(gè)2路功分器組成，每一個(gè)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(lèi)似。

優(yōu)選地，多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)的輸入端口，通過(guò)相位補(bǔ)償電路與移相器的輸出端口相連。如圖5所示，方位角指向?yàn)檎?45極化第一波束信號(hào)81經(jīng)過(guò)移相器108分成6個(gè)輸出端口，分別連接相位補(bǔ)償電路106，相位補(bǔ)償電路106連接多個(gè)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(hào)91經(jīng)過(guò)移相器109分成6個(gè)輸出端口，分別連接相位補(bǔ)償電路107，相位補(bǔ)償電路107連接上述多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)第一輸入端口。所述相位補(bǔ)償電路對(duì)偏移的輻射單元，進(jìn)行相位偏移量為φ的補(bǔ)償，相位補(bǔ)償電路包含2個(gè)獨(dú)立傳輸線路，二者相位差為φ。

類(lèi)似地，方位角指向?yàn)樨?fù)的第三波束+45和-45極化信號(hào)通路中，移相器通過(guò)相位補(bǔ)償電路，連接多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)第三輸入端口。方位角指向?yàn)?的第二波束+45和-45極化信號(hào)通路中，移相器連接多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)第二輸入端口，中間無(wú)相位補(bǔ)償電路。所述移相器用于調(diào)節(jié)每一個(gè)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(bǔ)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(guò)對(duì)陣列單元交錯(cuò)排列，并添加相位補(bǔ)償電路來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于雙極化三波束天線，每一行輻射單元對(duì)應(yīng)一個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)；每一個(gè)波束對(duì)應(yīng)一個(gè)移相器，每一個(gè)移相器網(wǎng)絡(luò)包含兩個(gè)極化的傾角調(diào)節(jié)電路。本發(fā)明技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)不同波束下傾角獨(dú)立調(diào)節(jié)，而且通過(guò)陣列單元交錯(cuò)排列和相位補(bǔ)償技術(shù)，得到良好的方位角旁瓣?yáng)虐暌种菩阅堋?/p>

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(shí)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(duì)于傳統(tǒng)的三扇區(qū)和六扇區(qū)天線，可以進(jìn)一步通過(guò)小區(qū)分裂增加容量，同時(shí)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(gè)窄波束天線，每一個(gè)天線都非常龐大，同時(shí)安裝在天線塔上非常困難，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)9個(gè)扇區(qū)只需3個(gè)天線，可以方便的配置在天線塔上。

實(shí)施例2：

本發(fā)明實(shí)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(shí)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(gè)減少為2個(gè)，移相器簡(jiǎn)化為多個(gè)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(gè)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(gè)3路功分器電路202輸出端口，其他列的連接類(lèi)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(gè)功率分配網(wǎng)絡(luò)302的輸出端口。兩個(gè)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(duì)應(yīng)+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(guò)相位補(bǔ)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(guò)相位補(bǔ)償電路502連接到2路功分器電路603。所述相位補(bǔ)償電路對(duì)偏移的輻射單元，進(jìn)行相位偏移量為φ的補(bǔ)償。圖7-9顯示的是+45極化連接，-45極化的連接類(lèi)似。

該實(shí)施例的三波束天線下傾角固定，適合用戶(hù)較為密集而且相對(duì)固定的場(chǎng)景，比如中型的體育場(chǎng)館，演藝中心和廣場(chǎng)。通過(guò)對(duì)場(chǎng)館等應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行精細(xì)的小區(qū)劃分，使用多副的固定傾角三波束天線，可以實(shí)現(xiàn)通信容量的提升。

需要強(qiáng)調(diào)的是，以上2個(gè)實(shí)施例中，天線陣列中，位于水平方向相鄰兩個(gè)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(shí)際工程應(yīng)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(gè)振子也可以是不等間距排列的。在實(shí)施例中，第2、4、6行相對(duì)于第1、3、5行右偏移，在實(shí)際應(yīng)用中，也可以是左偏移的。這種振子排列交錯(cuò)變化的情形，也可以實(shí)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(hù)范圍之內(nèi)。

上述寬頻三波束陣列天線，每一個(gè)子陣列包含N個(gè)沿水平方向排列的輻射單元，多個(gè)子陣列在水平方向偏移，多個(gè)相位補(bǔ)償電路，對(duì)水平方向偏移的子陣列進(jìn)行相位補(bǔ)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(duì)偏移的輻射單元添加一定的相位補(bǔ)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(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)相鄰小區(qū)的頻率復(fù)用，提高網(wǎng)絡(luò)容量。

以上詳細(xì)說(shuō)明僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例的說(shuō)明，非因此局限本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，所以，凡運(yùn)用本創(chuàng)作說(shuō)明書(shū)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(zhuān)利范圍內(nèi)。