償相位分布為 圖3 (b)的一維天線陣5時(shí)，每個(gè)饋源所對應(yīng)的有效口面、每個(gè)饋源照射一維天線陣5時(shí)產(chǎn) 生的實(shí)際口面相位分布（實(shí)際口面相位分布是指饋源照射相位分布和口面補(bǔ)償相位的疊 加）和最大方向示意：當(dāng)饋源25照射一維天線陣5時(shí)，有效口面為一維天線陣5右側(cè)21個(gè) 單元，如圖4(b)中實(shí)心天線單元所示，此時(shí)其它單元上也會(huì)受到饋源的照射，但是和有效 口面內(nèi)單元相比它們接收到的信號功率較小。圖4(b)中一維天線陣5的實(shí)際口面相位分 布如圖4(a)所示，有效口面上的實(shí)際口面相位分布決定了饋源25照射一維天線陣5時(shí)的 最大波束方向，如圖4(a)所示；當(dāng)饋源由25變?yōu)轲佋?6、27時(shí)，有效口面隨著饋源的右移 沿著一維天線陣5右移，如圖4 (d)和4 (f)所示，對應(yīng)的天線陣的實(shí)際口面相位分布和波束 最大方向的變化如圖4(c)和4(e)所示，最大波束方向隨著饋源的右移在連續(xù)掃描，形成掃 描波束。值得注意的是，這里以一維天線陣5為反射陣為例，一維天線陣5也可以是透射 陣，此時(shí)口面修正相位分布和實(shí)際口面相位分布保持不變，最大方向發(fā)生變化，與反射陣的 最大方向關(guān)于天線陣對稱。
[0038] 圖5表示本發(fā)明的二維滑動(dòng)口面天線陣和X方向一維饋源陣配置，這里的二維天 線陣為圖1中二維天線陣1的一個(gè)簡化特例：為1X2型矩形陣列；實(shí)心五角星表示照射饋 源，空心五角星所表示的饋源不工作，實(shí)心圓圈表示照射饋源所對應(yīng)的有效口面。圖5(a)、 5 (b)、5 (c)表示饋源沿X方向滑動(dòng)時(shí)，不同位置的饋源所對應(yīng)的有效口面保持不變，雖然口 面補(bǔ)償相位相同，但是隨著饋源沿X方向的滑動(dòng)，不同位置的饋源照射到有效口面上的波 程差產(chǎn)生的照射口面相位分布不同，導(dǎo)致實(shí)際口面相位分布在不斷變化，從而產(chǎn)生不同指 向的波束；
[0039] 圖6表示圖5所示的1X2型二維滑動(dòng)口面天線陣和Y方向一維饋源陣配置，圖 6(a)、6(b)、6(c)饋源沿Y方向滑動(dòng)時(shí)，有效口面也沿著Y方向在二維天線陣上滑動(dòng)，雖然不 同位置的饋源照射到其所對應(yīng)的有效口面上的波程差產(chǎn)生的照射口面相位分布相同，但是 不同有效口面的口面補(bǔ)償相位分布不同，導(dǎo)致實(shí)際口面相位分布在不斷變化，從而產(chǎn)生不 同指向的波束。
[0040] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，以工作頻率為30GHz的二維滑動(dòng)口面反射陣為例進(jìn)一步詳 細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)施過程。
[0041] 圖7表示本發(fā)明實(shí)施例所采取的二維滑動(dòng)口面天線陣7和二維饋源陣8的配置： 二維天線陣7以由21X21個(gè)反射式天線單元3構(gòu)成的平面正方形反射陣為例，天線單元 間距為半波長5mm，天線陣口面尺寸為52. 5mmX52. 5mm。二維天線陣7可以看作由四塊相 同的正方形二維子陣71、72、73、74構(gòu)成，每塊子陣由11X11個(gè)反射式單元3構(gòu)成，并且相 鄰兩子陣共用中心行或者中心列；二維饋源陣8以由11X11個(gè)饋源4構(gòu)成的平面陣為例， 這里的饋源方向圖以cos4_3 ( 0 )為例，饋源間距為半波長5_，在XY平面俯視，二維饋源陣 8位于二維天線陣7的中心區(qū)域。首先來說明二維天線陣7的口面補(bǔ)償相位分布設(shè)計(jì)思想： 在不同焦徑比（饋源陣8距離天線陣7的高度與天線陣7的邊長之比）的情況下，位于饋源 陣8左上方頂點(diǎn)處的饋源81照射子天線陣71時(shí)，子天線陣71產(chǎn)生的實(shí)際口面相位分布使 得反射波束的最大方向指向1=315°, 0m= 45°。根據(jù)最大增益和最小旁瓣的原則先確 定最佳焦徑比：確定的最佳焦徑比為0. 76,即饋源陣8距天線陣7高度為40mm;然后在這個(gè) 焦徑比的情況下，得到子陣71的口面補(bǔ)償相位分布。子陣72、73的相位分布通過沿XZ面、 YZ面鏡像子陣71除去中心列和中心行的剩余口面補(bǔ)償相位得到，子陣74的相位分布通過 沿XZ面鏡像子陣73除去中心列的口面補(bǔ)償相位或者沿YZ面鏡像72除去中心行的口面補(bǔ) 償相位分布得到。注意：相鄰子陣共用一行或者一列天線單元。從而，整個(gè)滑動(dòng)口面天線陣 系統(tǒng)，包括天線陣7的單元數(shù)目和分布、天線陣7的口面補(bǔ)償相位分布、饋源陣8的數(shù)目和 分布以及饋源單元方向圖都確定了下來。這樣，不同的饋源對應(yīng)的有效口面不同，例如：饋 源81的有效口面是子陣71，饋源82的有效口面是子陣72,饋源83的有效口面是子陣73， 饋源84的有效口面是子陣74。隨著饋源沿X方向或者Y方向滑動(dòng)，其對應(yīng)的有效口面也沿 X方向或者Y方向在天線陣7上滑動(dòng)，從而產(chǎn)生不同的實(shí)際口面相位分布，這樣就產(chǎn)生了連 續(xù)的掃描波束；如果是二維饋源陣8照射二維天線陣7,則二維天線陣7的不同口面區(qū)對應(yīng) 著每個(gè)饋源的有效口面，不同的有效口面上產(chǎn)生不同的實(shí)際口面相位分布，這樣就可以產(chǎn) 生覆蓋波束。
[0042] 本發(fā)明的該實(shí)施例的具體結(jié)果說明如下：
[0043] 以圖7所示結(jié)構(gòu)配置的二維滑動(dòng)口面反射陣的方向圖計(jì)算結(jié)果如圖8所示，圖 8 (a)表示饋源陣8中從饋源85到饋源86的Y方向一維饋源陣照射二維天線陣7時(shí)在YZ 面內(nèi)產(chǎn)生的歸一化二維方向圖，饋源85對應(yīng)的波束最大方向?yàn)?m= 29°，饋源86對應(yīng)的 波束最大方向?yàn)镼m=-29°，其余饋源對應(yīng)的波束最大方向位于0 m= 29°到0m=-29° 之間；圖8 (b)表示饋源陣8中從饋源81到饋源84的對角線方向一維饋源陣照射二維天線 陣7時(shí)在P= 315°面內(nèi)產(chǎn)生的歸一化二維方向圖，此時(shí)每個(gè)饋源照射二維天線陣7產(chǎn)生的 最大方向都位于P= 315°的俯仰面內(nèi)，饋源81對應(yīng)的波束最大方向?yàn)?^=43°，饋源84 對應(yīng)的波束最大方向?yàn)?m=-43°，其余饋源對應(yīng)的波束最大方向位于0 m= 43°到0m = -43°之間。利用實(shí)施例產(chǎn)生的多波束具有波形相似、波束一致性較好、旁瓣較低、掃描 (覆蓋）范圍大等優(yōu)點(diǎn)，非常適于多波束應(yīng)用。
[0044] 本發(fā)明的滑動(dòng)口面多波束天線陣，在未來希望應(yīng)用于第五代移動(dòng)通信基站天線， 用多波束來產(chǎn)生區(qū)域覆蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，包括： 天線陣（1)，為由若干個(gè)天線單元（3)構(gòu)成的一維直線陣列或一維曲線陣列或二維平 面陣列或二維曲面陣列； 饋源陣（2)，為由若干個(gè)饋源（4)構(gòu)成的一維直線陣列或一維曲線陣列或二維平面陣 列或二維曲面陣列； 其中，所述饋源（4)用于照射所述天線陣（1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，所述天線單元（3) 為反射式單元或透射式單元，從而構(gòu)成反射陣或透射陣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，所述若干個(gè)天線 單元（3)提供多個(gè)不同的補(bǔ)償相位，入射波照射所述天線單元（3)時(shí)，入射波和出射波位之 間存在由所述天線單元（3)提供的補(bǔ)償相位差，當(dāng)所述天線單元（3)為反射式單元時(shí)，入射 波和出射波位于天線單元（3)的同側(cè)；當(dāng)所述天線單元（3)為透射式單元時(shí)，入射波和出射 波位于天線單元（3)的異側(cè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，所述饋源（4)具有 特定形狀的方向圖。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，所述饋源陣（2)相 對天線陣（1)沿不同方向滑動(dòng)，饋源陣（2)照射所述天線陣（1)時(shí)，組成其的每個(gè)饋源（4) 所對應(yīng)的有效口面在天線陣（1)的不同局部口面區(qū)，分別將每個(gè)饋源（4)照射的非平面波 轉(zhuǎn)換為平面波，同時(shí)產(chǎn)生不同指向的、一致性較好多個(gè)高增益覆蓋波束。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，所述單個(gè)饋源（4) 照射所述天線陣（1)時(shí)，饋源（4)相對天線陣（1)沿不同方向滑動(dòng)，饋源（4)所對應(yīng)的有效 口面隨著滑動(dòng)方向在天線陣（1)上滑動(dòng)，饋源（4)在不同位置時(shí)所對應(yīng)的有效口面將照射 的非平面波轉(zhuǎn)換為平面波，產(chǎn)生不同指向的、一致性較好的高增益掃描波束。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，當(dāng)所述天線單元 (3)為反射式單元時(shí)，滑動(dòng)饋源（4)或者饋源陣（2)照射產(chǎn)生不同指向的反射波束；當(dāng)所述 天線單元（3)為透射式單元時(shí)，滑動(dòng)饋源（4)或者饋源陣（2)照射產(chǎn)生不同指向的透射波 束。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，所述天線陣（1)形 狀為矩形、正方形、圓形或楠圓形。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，所述天線陣（1)的 口面相位分布設(shè)計(jì)規(guī)則為： 當(dāng)某個(gè)饋源照射天線陣（1)的部分邊緣區(qū)域時(shí)，形成的出射波束指向某個(gè)最大方向； 該饋源照射天線陣（1)的另一部分邊緣區(qū)域時(shí)，形成的出射波束指向另一個(gè)最大方向；中 間部分的饋源產(chǎn)生的波束在上述兩個(gè)最大方向之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，其特征在于，W實(shí)現(xiàn)增益最大 或者副瓣電平更低為目標(biāo)，對所述天線單元（3)的補(bǔ)償相位進(jìn)行分布。
【專利摘要】基于滑動(dòng)口面的多波束天線陣，包括天線陣和饋源陣；天線陣由可以提供不同修正相位的反射式單元或透射式單元構(gòu)成；饋源陣由多個(gè)饋源構(gòu)成，提供天線陣的激勵(lì)；天線陣和饋源陣可以是一維陣列，也可以是二維平面陣列或二維曲面陣列；不同位置的饋源利用天線陣的不同局部口面區(qū)域形成多波束，可以實(shí)現(xiàn)寬角度波束掃描或大范圍波束覆蓋；本發(fā)明具有波束一致性好、波束掃描或波束覆蓋范圍大、利用平面印刷電路板工藝便可加工、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合用作第五代移動(dòng)通信基站天線。
【IPC分類】H01Q3-24, H01Q21-00, H01Q1-50
【公開號】CN104600438
【申請?zhí)枴緾N201510044150
【發(fā)明人】張志軍, 常樂
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月28日