本發(fā)明涉及一種無線通信MIMO收發(fā)陣列，尤其設(shè)計一種高性能的寬帶混合波束成形一體化天線陣，屬于通信多波束合成應(yīng)用技術(shù)。
背景技術(shù)：
：在第五代移動通信中，用戶端與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸速度將大幅度提高，因此，單一通道的通信系統(tǒng)將逐步被淘汰，大規(guī)模MIMO技術(shù)將成為第五代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。但是，隨著射頻通道數(shù)目以及天線陣列數(shù)目的增加，通信基站的硬件成本也在顯著增加，全數(shù)字波束成形基站要求每一個天線陣列對應(yīng)一個完整的射頻通道與數(shù)字基帶處理單元，因此硬件設(shè)計復(fù)雜，且大量高速寬帶的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及高速數(shù)字處理器的單元不僅價格昂貴，并且功耗大，控制復(fù)雜，不利于進行基站的大規(guī)模集成應(yīng)用。相比之下，采用數(shù)字基帶域預(yù)編碼與射頻模擬域移相結(jié)合的混合波束成形結(jié)構(gòu)，可以有效減少數(shù)字硬件，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，在實際應(yīng)用中具有極大的優(yōu)勢。其中，直接在射頻鏈路對射頻信號進行相位調(diào)整具有很高的響應(yīng)速度以及準(zhǔn)確的移相精度等優(yōu)點，相較于其他移相結(jié)構(gòu)，在射頻鏈路上移相無疑是結(jié)構(gòu)最簡單的，并且不會引入額外的噪聲使得射頻信號的信噪比惡化。而射頻鏈路中的移相模塊往往成為制約射頻鏈路移相發(fā)展的瓶頸，傳統(tǒng)的電調(diào)移相器或者數(shù)字移相器存在價格高，精度低以及帶寬窄的缺點；矢量調(diào)制器芯片可以具有較高的精度，但目前大多在低頻段(小于2.4GHz)下作為移相模塊使用。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種可在水平面內(nèi)形成準(zhǔn)確的波束指向的高性能寬帶混合波束成形一體化天線陣，可應(yīng)用于多用戶波束成形通信系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開一種寬帶混合波束成形一體化天線陣，包括雙向移相收發(fā)陣列、天線陣列以及控制與校準(zhǔn)單元；其中：雙向移相收發(fā)陣列包括至少一個同相功分模塊和多個雙向移相收發(fā)單元；同相功分模塊包含多個功分器，用于將一路射頻信號同相等幅功分為多路射頻信號；雙向移相收發(fā)單元包括電連接的射頻收發(fā)前端模塊和正交合成移相模塊，射頻收發(fā)前端模塊用于放大射頻通道信號，正交合成移相模塊用于調(diào)整射頻通道的相位以及幅度，射頻通道包括接收和發(fā)射信號通道；天線陣列包含多個天線單元，用于輻射或接收各射頻通道的信號；控制與校準(zhǔn)單元的一端與各雙向移相收發(fā)單元相連接，另一端連接基帶處理板，用于對整個寬帶混合波束成形一體化天線陣的波束成形進行控制與校準(zhǔn)。進一步的，正交合成移相模塊包括正交耦合器、第一數(shù)控衰減器、第三射頻開關(guān)、第一傳輸線變壓器、第二數(shù)控衰減器、第四射頻開關(guān)、第二傳輸線變壓器以及功率合成器；正交耦合器的輸入端連接同相功分模塊，正交耦合器的0度輸出端依次經(jīng)過第一數(shù)控衰減器、第三射頻開關(guān)、第一傳輸線變壓器與功率合成器的第一輸入端口相連；正交耦合器的90度輸出端依次經(jīng)過第二數(shù)控衰減器、第四射頻開關(guān)、第二傳輸線變壓器與功率合成器的第二輸入端口相連，功率合成器的公共端口與所述射頻收發(fā)前端模塊相連。進一步的，正交耦合器、數(shù)控衰減器、射頻開關(guān)、傳輸線變化器以及功率合成器均采用寬帶器件，工作帶寬范圍為500MHz，中心頻率覆蓋范圍從2.5GHz至3.5GHz。進一步的，射頻收發(fā)前端模塊包括接收放大鏈路、發(fā)射放大鏈路、第一射頻開關(guān)和第二射頻開關(guān)；其中，第一射頻開關(guān)的公共端連接正交合成移相模塊，第一射頻開關(guān)的發(fā)射端口通過發(fā)射放大鏈路連接第二射頻開關(guān)的發(fā)射端口；第二射頻開關(guān)的公共端連接天線陣列，第二射頻開關(guān)的接收端口通過接收放大鏈路連接第一射頻開關(guān)的接收端口。進一步的，發(fā)射放大鏈路包括依次連接的帶通濾波器、射頻放大器和功率放大器，用于在射頻開關(guān)撥在發(fā)射端口時對從正交合成移相模塊出來的信號進行濾波和放大后送入天線陣列進行輻射；接收放大鏈路包括依次連接的低噪聲放大器、帶通濾波器和射頻放大器，用于在射頻開關(guān)撥在接收端口時對從天線陣列接收到的射頻信號進行放大和濾波后送入正交合成移相模塊。進一步的，低噪聲放大器工作頻段為50MHz～4GHz，噪聲系數(shù)為1.5dB；射頻放大器的工作范圍在50MHz～6GHz；功率放大器的工作范圍在200MHz～6GHz；帶通濾波器的性能要求為通帶內(nèi)插損小于2dB，帶外雜散抑制達(dá)到30dB。進一步的，控制與校準(zhǔn)單元包括控制部、控制接口及只讀存儲器；只讀存儲器與控制部連接通信，控制部的輸入端連接基帶處理板，輸出端通過控制接口連接各雙向移相收發(fā)單元；控制部可選用可編程邏輯器件或單片機。進一步的，只讀存儲器內(nèi)儲存有控制字表，所述控制字表包含作為控制字的預(yù)先寫入的相位及幅度值；預(yù)先寫入的相位及幅度值是通過基帶處理板在對各射頻通道進行初始相位校準(zhǔn)時寫入，包括各射頻通道的初始相位值及相對變化對應(yīng)控制。進一步的，基帶處理板在對各射頻通道進行初始相位校準(zhǔn)時，對于不同的射頻通道將初始幅度調(diào)為一致，僅初始相位不同。進一步的，一體化天線陣采用線性陣列結(jié)構(gòu)，包括至少兩組雙向移相收發(fā)子陣列和至少一組天線子陣列；所述天線陣列包含多個天線單元和多個功分器，功分器的公共端連接天線單元，功分器的分離端連接相鄰兩組雙向移相收發(fā)子陣列中的兩個雙向移相收發(fā)單元。進一步的，天線單元采用寬帶偶極振子天線，帶寬范圍為500MHz。有益效果：(1)通過對雙向移相收發(fā)陣列的各個通道幅度以及相位的調(diào)整，可以在水平面內(nèi)形成準(zhǔn)確的波束指向，并可以對天線旁瓣進行抑制；且波束指向精度可達(dá)0.31度，覆蓋范圍可達(dá)110度；在不同角度之間的變換時間均可在3us內(nèi)通過正交合成移相模塊實現(xiàn)完成，不影響通信符號的正常傳輸。(2)正交合成移相模塊可對信號的相位及幅度分別調(diào)整，每個通道內(nèi)射頻信號調(diào)整相位精度可達(dá)到1度，幅度精度可達(dá)到0.5dB；生成的低副瓣或者無副瓣波束，以減少副瓣干擾，更有利于進行多用戶同時通信這一功能；且正交合成移相模塊不改變射頻信號的頻率，因此對射頻信號的相位噪聲影響很小，在對射頻信號進行幅度及相位調(diào)整時并不影響信號本身的相位噪聲。(3)由于采用無源的正交合成移相模塊來控制射頻信號相位及幅度變化，使得傳輸?shù)男盘枎怆s散非常少，引入的噪聲也非常少，對射頻信號的信噪比無明顯惡化。(4)本發(fā)明正交移相合成模塊各個器件均采用寬帶器件，工作帶寬可達(dá)500MHz，并且中心頻率覆蓋范圍從2.5GHz至3.5GHz，可覆蓋未來第五代移動通信的部分頻段，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)覆蓋范圍窄，工作帶寬窄的缺點。(5)基帶處理板通過控制部即可對各個射頻通道中信號的幅度和相位進行單獨調(diào)整，控制方法簡便；控制與校準(zhǔn)單元采用自動校準(zhǔn)方式，通過控制部與基帶處理板可以自動對初始相位進行校準(zhǔn)，減少了時間以及資源浪費。(6)兩組雙向移相收發(fā)子陣列可分別對輸入的射頻信號進行波束成形，通過功分器將不同的子陣列連接至同一組天線子陣列可以在同一組天線子陣列上輻射出兩個不相干的波束，互相獨立，互不影響，從而實現(xiàn)與兩個用戶同時進行通信傳輸?shù)哪康模煌瑯拥?，也可以通過多個雙向移相收發(fā)子陣列共用一組或多組天線子陣列，以實現(xiàn)同時進行多用戶通信。(7)天線陣列采用線陣結(jié)構(gòu)，能增大天線輻射功率，提高定向性，且組陣簡單，天線間互耦較??；天線陣列采用寬帶偶極振子天線，覆蓋范圍廣，保證工作頻帶范圍內(nèi)的電磁波信號能夠發(fā)射與接收，制作成本低。(8)一體化天線陣采用模塊化創(chuàng)新設(shè)計，對各雙向移相收發(fā)單元實現(xiàn)單獨控制，在部分雙向移相收發(fā)單元損壞的情況下依然能保持較為準(zhǔn)確的波束指向，同時也可以用備用單元替換掉損壞的雙向移相收發(fā)單元，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并且減小維護成本；同時，模塊化的設(shè)計還大大降低了系統(tǒng)的成本和電路的復(fù)雜程度，在保證移相精度與響應(yīng)速度的同時大幅降低了帶外雜散幅度以及改善了信號的相位噪聲指標(biāo)；整體結(jié)構(gòu)簡單，制作和維護成本也很低。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的混合波束成形一體化天線陣結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明提供的雙向移相收發(fā)單元的模塊示意圖。圖3為本發(fā)明提供的控制與校準(zhǔn)單元示意圖。圖4為正交移相合成模塊原理示意圖。圖5為本發(fā)明提供的水平面內(nèi)接收狀態(tài)波束掃描測試結(jié)果圖6為本發(fā)明提供的水平面內(nèi)發(fā)射狀態(tài)波束掃描測試結(jié)果具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。如圖1所示，實施例1公開一種高性能寬帶混合波束成形一體化天線陣，包括雙向移相收發(fā)陣列、天線陣列以及控制與校準(zhǔn)單元。其中，雙向移相收發(fā)陣列包括同相功分模塊6和多個雙向移相收發(fā)單元1。各雙向移相收發(fā)單元1又包括相互連接的射頻收發(fā)前端模塊4和正交合成移相模塊5，射頻收發(fā)前端模塊4用于放大射頻通道信號，正交合成移相模塊5用于調(diào)整射頻通道的相位以及幅度；射頻收發(fā)前端模塊4的另一端連接天線陣列，正交合成移相模塊5的另一端連接至同相功分模塊6，同相功分模塊6的另一端連接控制與校準(zhǔn)單元。同相功分模塊6用于將輸入的射頻信號進行同相功分為N路，分別輸入各個雙向移相收發(fā)單元。天線陣列2至少包含多個天線單元21用于輻射與接收各個射頻通道的信號，天線陣列2還可以包括功分器22，用于將幾個子陣的不同射頻信號合成為一路?？刂婆c校準(zhǔn)單元3用于對整個寬帶混合波束成形一體化天線陣的波束成形進行控制與校準(zhǔn)。如圖2所示，射頻收發(fā)前端模塊4由接收放大鏈路、發(fā)射放大鏈路、第一射頻開關(guān)41及第二射頻開關(guān)42組成，射頻開關(guān)41和42用于接收和發(fā)射鏈路的切換；接收放大鏈路的輸入端連接第二接射頻開關(guān)42的輸出端，輸出端連接第一射頻開關(guān)41的輸入端；發(fā)射放大鏈路的輸入端連接第一射頻開關(guān)41的輸出端，輸出端連接第二射頻開關(guān)42的輸入端。接收放大鏈路包括依次連接的低噪聲放大器43、第一帶通濾波器44及第一射頻放大器45；發(fā)射放大鏈路包括依次連接的第二帶通濾波器47、第二射頻放大器46及功率放大器48。帶通濾波器用于濾除帶外干擾，包括基站射頻輸入本身頻譜不純凈引入的干擾。這里也可以采用其他形式，比如一個高通濾波器和一個低通濾波器的組合；射頻放大器用于抵消整個鏈路的損耗，因為正交耦合模塊是無源的，只有損耗沒有增益，故需要在后一級的射頻收發(fā)模塊增加射頻放大器，實施例中射頻收發(fā)前端模塊4包含兩個射頻放大器，但實際應(yīng)用中射頻放大器數(shù)目不限于此，射頻放大器的數(shù)目以及型號取決于需要的輸出功率，根據(jù)實際需要可以包含一個或者更多數(shù)目的射頻放大器；低噪聲放大器43用于對接收的信號進行低噪聲放大，由于在空間中接收到的射頻信號比較微弱，放大器自身的噪聲會對信號的干擾十分嚴(yán)重，而低噪聲放大器自身的噪聲十分小，并不會對射頻信號產(chǎn)生干擾，可顯著減小信號信噪比。功率放大器48用于對發(fā)射的信號進行末級放大，由于發(fā)射時需要的信號功率比較大，普通射頻發(fā)達(dá)器線性度無法滿足要求，而功率放大器的線性度非常優(yōu)異，可以完成高功率的放大輸出。該射頻收發(fā)前端模塊4的工作狀態(tài)分為發(fā)射狀態(tài)以及接收狀態(tài)，在接收狀態(tài)時，第一射頻開關(guān)41及第二射頻開關(guān)42打在接收端，低噪聲放大器43及帶通濾波器44對從天線陣列2接收到的射頻信號進行低噪聲放大及濾波后送入正交合成移相模塊5；在發(fā)射狀態(tài)時，一號射頻開關(guān)41及二號射頻開關(guān)42打在發(fā)射端，帶通濾波器47及功率放大器48對從正交合成移相模塊5輸出的信號進行放大后送入天線陣列2進行輻射。作為實施例中的優(yōu)選方案，低噪聲放大器43的工作范圍在50MHz～4GHz，噪聲系數(shù)為1.5dB；功率放大器48的工作范圍在200MHz～6GHz，1dB壓縮點為27dBm；第一射頻放大器45與第二射頻放大器46的工作范圍在50MHz～6GHz，增益為19dB，以滿足通信基站對于發(fā)射功率以及接收靈敏度的要求；帶通濾波器的性能要求為通帶內(nèi)插損小于2dB，帶外雜散抑制達(dá)到30dB。在笛卡爾坐標(biāo)系中，對于任意一個矢量信號都可以上被分解為正交的兩個矢量之和，對分解后的兩個正交矢量進行衰減后再合成，可以得到由此兩個正交矢量構(gòu)成的平面上任意角度及幅度的矢量。如圖4所示，圖中任意一個矢量對應(yīng)一個射頻信號，其與原點的夾角角度為相位值，向量長度絕對值為幅度值。對于這樣一個矢量A，都可以分解為一個0度坐標(biāo)軸上的矢量B與一個90度坐標(biāo)軸上的矢量C之和，如圖4虛線對應(yīng)的矢量。此時通過分別調(diào)整0度和90度坐標(biāo)軸上的矢量幅度，相當(dāng)于矢量A的幅度與相位在進行改變。但，新的射頻矢量只是完成了在圖4中90度范圍內(nèi)的改變，如果想要完成360度的改變，可通過引入射頻開關(guān)和傳輸線變換器的結(jié)構(gòu)來切換象限。其原理是利用傳輸線變換器的反相機理，傳輸線變換器有兩個輸入端口，一個輸出端口，另一個接匹配負(fù)載端口，其功能為1號口輸入的射頻信號從輸出口輸出時相位不變，從2號口輸入的射頻信號從輸出口輸出時相位變化180度。在圖4中可以認(rèn)為分別是對矢量B和矢量C進行反相的操作。通過對射頻開關(guān)來完成選擇兩個端口輸入的功能，這樣就可以擴展至360度相位可調(diào)。若只需完成移相操作，即保持幅度不變，只是改變相位的話，對于新的射頻矢量A′只要沿著圖4中圓圈變化即可。圖2實施例中的正交合成移相模塊5包括正交耦合器51、第一數(shù)控衰減器52、第二數(shù)控衰減器55、第三射頻開關(guān)53、第四射頻開關(guān)56、第一傳輸線變壓器54，第二傳輸線變壓器57以及功率合成器58。正交耦合器51將輸入信號進行正交功分，從0度端口輸出未移相的信號，從90度端口輸出移相90度的信號；第一數(shù)控衰減器52和第二數(shù)控衰減器55分別用于對0度信號以及90度信號的幅度和相位進行衰減控制；其中，數(shù)控衰減器用于調(diào)整幅度，對兩路正交的信號上分別調(diào)整幅度再同相合成即相當(dāng)于對合成信號調(diào)整相位及幅度；作為實施例中的優(yōu)選方案，數(shù)控衰減器可采用本領(lǐng)域慣用的功率衰減器件，第一數(shù)控衰減器52和第二數(shù)控衰減器55的衰減范圍的最大上限為31.5dB，衰減間隔為0.5dB；當(dāng)然，實際應(yīng)用中并僅不限于此，可根據(jù)需求采用其它衰減間隔和其它形式的數(shù)控衰減器。第三射頻開關(guān)53、第四射頻開關(guān)56、第一傳輸線變壓器54以及第二傳輸線變壓器57用于不同的象限的切換，第三射頻開關(guān)的兩個輸出端分別接第一傳輸線變壓器的兩個輸入端，從兩個輸入端輸入的信號進過第一傳輸線變壓器會相差180度，第三射頻開關(guān)在第一傳輸線變壓器的兩個輸入端之間切換即相應(yīng)于在坐標(biāo)系上對本路信號進行反相操作；相應(yīng)的第四射頻開關(guān)在第二傳輸線變壓器的兩個輸入端之間切換可對另一路90度的信號進行反相操作。最后通過功率合成器58將0度信號和90度信號同相合成，從而完成對相應(yīng)射頻通道信號的相位進行360度范圍內(nèi)任意角度和幅度的調(diào)整。比如，當(dāng)只有第三射頻開關(guān)在第一傳輸線變壓器的兩個輸入端切換時，相當(dāng)于合成信號關(guān)于Y軸對稱，當(dāng)只有第四射頻開關(guān)在第二傳輸線變壓器的兩個輸入端切換時，相當(dāng)于合成信號關(guān)于X軸對稱。由此，通過對第一數(shù)控衰減器52和第二數(shù)控衰減器55的衰減控制可以得到在0至90度范圍內(nèi)任意角度和幅度的點；而通過兩路信號上的射頻開關(guān)和傳輸線變壓器的切換可以選擇對信號進行正相或反相操作，相當(dāng)于對合成矢量進行象限選擇，從而完成對相應(yīng)射頻通道信號的相位進行360度范圍內(nèi)任意角度和幅度的調(diào)整。本發(fā)明所公開的正交移相合成模塊5中的正交耦合器、數(shù)控衰減器、射頻開關(guān)、傳輸線變化器以及功率合成器均采用寬帶器件，工作帶寬可達(dá)500MHz，并且中心頻率覆蓋范圍從2.5GHz至3.5GHz，可覆蓋未來第五代移動通信的部分頻段。實施例中選用的31.5dB范圍以及0.5dB步長的功率衰減器件，使得正交合成移相模塊5對各通道內(nèi)射頻信號調(diào)整相位的精度可達(dá)到1度，幅度精度可達(dá)到0.5dB；生成的低副瓣或者無副瓣波束，以減少副瓣干擾，從而更有利于進行多用戶同時通信這一功能。且，正交合成移相模塊5不改變射頻信號的頻率，因此對射頻信號的相位噪聲影響很小，在對射頻信號進行幅度及相位調(diào)整時并不影響信號本身的相位噪聲。如圖3所示，實施例中的控制與校準(zhǔn)單元3包括一個現(xiàn)場可編程邏輯器件31，一個只讀存儲器32以及控制接口8?，F(xiàn)場可編程邏輯器件31用于控制整個一體化天線陣中的各個雙向移相收發(fā)單元的射頻信號的相位及幅度。在實際應(yīng)用中，實施例中的控制部不僅可以選用現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)31，還可以根據(jù)需求選用其它可編程邏輯器件(PLD)或單片機(MCU)。圖3實施例中控制與校準(zhǔn)單元3將基帶處理板發(fā)出的波束指向指令通過控制接口8傳遞至現(xiàn)場可編程邏輯器件31內(nèi)，現(xiàn)場可編程邏輯器件31將波束指向指令轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的只讀存儲器地址，然后根據(jù)相應(yīng)地址對讀取在只讀存儲器32相應(yīng)存儲的各個通道的相位值和幅度值，回傳至現(xiàn)場可編程邏輯器件31中并轉(zhuǎn)化為SPI控制字，再輸出至各個通道的數(shù)控衰減器和射頻開關(guān)，完成對整個波束的控制。在只讀存儲器32中存儲有一張完整的覆蓋各射頻信號通道的相位值和幅度值的控制字表，控制字表內(nèi)的控制字在基帶處理板和控制部對射頻信號通道校準(zhǔn)時預(yù)先寫好。具體的，在校準(zhǔn)過程中，對一張寫有所有幅度與相位對應(yīng)點(即所有可能的控制字組合)的控制字表進行掃描，使用基帶處理板自動讀取矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中相應(yīng)控制字的幅度與相位并使用算法進行判斷，根據(jù)需要自動選取符合要求的點存入只讀寄存器32中，即預(yù)先寫入的控制字。通過這種方式，將每一個通道的初始相位值及相對變化對應(yīng)控制存儲于只讀存儲器中，在射頻信號控制時，通過現(xiàn)場可編程邏輯器件31進行讀取預(yù)先寫好的控制字表即可，省去傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)人工校準(zhǔn)的時間和精力。進一步的，當(dāng)控制各射頻通道信號時，對于不同的射頻通道，可以通過收發(fā)鏈路上的調(diào)整將初始幅度調(diào)為一致，只是初始相位選取上有所不同，從而大大減少前期校準(zhǔn)工作量和資源占用量。通過自動校準(zhǔn)的方式，將每一個通道的初始相位值及相對變化對應(yīng)控制存儲于只讀存儲器32中，并通過現(xiàn)場可編程邏輯器件31進行讀取，省去傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)人工校準(zhǔn)的時間和精力。綜上述，通過基帶處理板和控制部可以對每一個射頻通道的幅度值和相位值進行調(diào)整，這樣不僅可以快速準(zhǔn)確控制波束的方向，還可以根據(jù)一些計算對波束的形態(tài)進行調(diào)整，以達(dá)成無旁瓣波束或者雙主瓣波束；由于每一種幅度和相位的組合數(shù)量十分巨大，通過現(xiàn)場可編程邏輯器件與基帶處理板對初始值進行自動校準(zhǔn)，根據(jù)各個射頻通道的相似性，在控制每一個射頻通道信號時，可以通過查詢同一張表，只是初始相位選取上有所不同，從而大大減少前期校準(zhǔn)工作量和資源占用量。一體化天線陣采用線性陣列結(jié)構(gòu)，包括至少兩組雙向移相收發(fā)子陣列和至少一組天線子陣列；所述天線陣列包含多個天線單元和多個功分器。作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，雙向移相收發(fā)子陣列有2M組，天線陣列的有M組，每一組雙向移相收發(fā)子陣列包括N個天線單元和N個功分器，每個功分器的功分器的公共端連接天線單元，功分器的分離端連接相鄰兩組雙向移相收發(fā)子陣列中的兩個雙向移相收發(fā)單元。如圖1所示的實施例天線陣包括兩組雙向移相收發(fā)子陣列，每組雙向移相收發(fā)子陣列包括8個雙向移相收發(fā)單元。同相功分模塊6使用7個功分器將一路射頻信號分為8路同相等幅的射頻信號輸送至8個雙向移相收發(fā)單元的正交合成模塊；一組天線子陣列包含功分器22共有8個，8個功分器22的公共端分別與相應(yīng)的8個天線單元21相連，功分器的分離端同時連接兩組不同雙向移相收發(fā)子陣列中的雙向移相收發(fā)單元，每兩個天線單元21之間間距為半個電磁波波長。與傳統(tǒng)波束成形天線陣不同，實施例采用的兩組雙向移相收發(fā)子陣列分別對輸入的射頻信號進行波束成形，由于兩路射頻信號的不相關(guān)性，可以在同一個天線陣列上輻射出兩個不相關(guān)的波束，互相獨立，互不影響，從而實現(xiàn)與兩個用戶同時進行通信傳輸?shù)哪康?。同樣的，也可根?jù)需要按上述方法設(shè)計多組雙向移相收發(fā)子陣列的天線陣，以實現(xiàn)同時進行多用戶通信。天線陣列中的天線單元采用寬帶偶極振子天線，覆蓋范圍在水平面上可達(dá)120度，保證工作頻帶范圍內(nèi)的電磁波信號能夠發(fā)射與接收，制作成本低。結(jié)上述，實施例中公開的一體化天線陣工作原理如下：當(dāng)處在接收狀態(tài)時，每一個射頻收發(fā)模塊的射頻開關(guān)均切換在接收狀態(tài)，射頻信號通過天線單元接收饋入功分器，分別輸入兩個子陣的射頻收發(fā)模塊中，經(jīng)過低噪聲放大器，帶通濾波器以及射頻放大器后進入正交合成移相模塊，對各個通道的信號相位以及幅度進行控制，再經(jīng)過同相功分模塊將一個子陣列的N個通道的同相等幅射頻信號合成為一路射頻信號送入基站端，實施例中N取8。當(dāng)處在發(fā)射狀態(tài)時，每一個射頻收發(fā)模塊的射頻開關(guān)均切換在發(fā)射狀態(tài)，射頻信號通過同相功分模塊分為N路同相等幅信號，分別輸入至8個正交合成移相模塊，通過對正交合成移相模塊的控制達(dá)到對各個通道的相位和幅度的控制，然后各個通道信號分別經(jīng)過射頻收發(fā)模塊5的發(fā)射鏈路，經(jīng)帶通濾波器47、射頻放大器46和功率放大器48，從功率放大器48輸出的信號經(jīng)過功分器與另一個子陣列對應(yīng)的射頻信號合路，再通過天線單元輻射進空間中。下面結(jié)合一個實施案例對本案做出進一步的說明。該實施例天線陣射頻工作中心頻率為3.5GHz，工作帶寬為500MHz，天線陣列為水平方向8單元等半波長間距分布一維陣列，單個天線單元的增益為6dBi，而雙向移相收發(fā)單元陣列為2*8，即分為上下兩層子陣，每一個子陣包括8個雙向移相收發(fā)單元，上下兩層的對應(yīng)雙向移相收發(fā)單元通過功分器進行連接，功分器的公共端再接入天線陣列。因此，每一個天線陣列單元對應(yīng)上下兩路雙向移相收發(fā)單元，同時可以進行兩個通信信號流的傳輸；每一個雙向移相收發(fā)單元接收鏈路最大增益為12.7dB，噪聲系數(shù)為2.5dB，發(fā)射鏈路最大增益為16dB，輸出最大功率10dBm。天線陣列的輻射波束在水平平面的3dB波束寬度為14°，垂直平面內(nèi)的3dB波束寬度為78°，水平平面內(nèi)的波束可在±50°范圍內(nèi)指向任意角度。對于單通道的雙向移相收發(fā)單元采用20MHz的TDD模式不同調(diào)制模式的LTE信號進行EVM(誤差向量幅度)測試，結(jié)果見表1；同時對該系統(tǒng)的鄰道功率比ACPR(AdjacentChannelPowerRatio)為-43.97dBc，完全滿足通信要求。表1在不同調(diào)制模式下LTE信號的EVM測試結(jié)果調(diào)制方式EVM值TDDQPSK0.321％TDD16QAM0.314％TDD64QAM0.316％圖5給出了本發(fā)明在發(fā)射狀態(tài)下水平平面內(nèi)波束掃描測試結(jié)果，在每一個角度上可以獲得26dB的增益，圖6給出了本發(fā)明在接收狀態(tài)下水平平面內(nèi)波束掃描測試結(jié)果，在每一個角度上可以獲得21dB的增益；為了保證波束成形角度的準(zhǔn)確性與線性度，此時雙向移相收發(fā)單元并沒有工作在最大增益情況；雖然圖5及圖6中是以10°為間隔進行掃描的，但是實際波束可在±50°范圍內(nèi)指向任意角度，其相位精度為0.31度，幅度精度為0.5dB?？梢?，在實際運行中，將射頻信號首先分解為16路同相等幅的信號，再經(jīng)過雙向移相收發(fā)中的正交合成移相模塊進行幅度及相位的調(diào)整，對于每一個通信射頻信號流均可生成穩(wěn)定準(zhǔn)確的波束成形，且波束指向精度為0.31度，覆蓋范圍為110度；在不同角度之間的變換時間均在3us內(nèi)通過正交合成移相模塊實現(xiàn)完成，不影響通信符號的正常傳輸，經(jīng)測試，優(yōu)化結(jié)構(gòu)傳輸64QAM調(diào)制的LTE信號可以達(dá)到0.316％的EVM。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3