宽频五波束阵列天线的制作方法

本发明涉及一种宽频五波束阵列天线，尤指一种提高网络速率和容量的宽频五波束阵列天线。

背景技术：

第四代移动通信技术4G/LTE规模商用后，移动通信网络中的数据流量激增，用户密集区域移动通信系统带宽容量面临巨大压力。大型广场、交通枢纽、体育中心、演艺场馆、旅游景点、高校学生宿舍等区域用户密集，高峰时期可积聚几万乃至超过十万人口，数据流量和语音通话都需要系统具备极高的容量。为了增加通信网络容量，传统增加载波的方式提升有限，另外一种缩小基站天线覆盖区域从而增加基站数量的方法，面临站址选择和物业协调的难题，成本高昂，容量提高有限。

针对单个小区容量有限的问题，使用多波束天线，常规单个扇区的覆盖区域可细分为多个扇区，无线信道容量成倍增加。公开号为CN 102570057 A的发明专利提出了一种使用6×6巴特勒矩阵来产生五波束的方法，如图1所示。均匀排布的辐射单元的每一列与垂直功分器相连，再与6×6的巴特勒矩阵输出口相连，每一个极化对应一个6×6巴特勒矩阵。但是该技术工作带宽只有23.7％(1710-2170MHz)，不能同时兼容4G LTE的2300和2600MHz频段。现有的五波束技术，如果频段拓宽至1700-2700MHz频段，在2700MHz频率会产生非常高的水平栅瓣。图2仿真计算的方向图显示，2700MHz频率处栅瓣高达-5dB，对相邻小区干扰非常大。

因此，有必要设计一种好的宽频五波束阵列天线，工作频带拓宽至1700-2700MHz，兼容4G、3G制式频段和部分2G制式的频段，且工作频带范围内方位角方向具有良好的旁瓣和栅瓣抑制性能，以克服上述问题。

技术实现要素：

针对背景技术所面临的问题，本发明的目的在于提供一种通过设置相位补偿电路对水平方向偏移的子阵列在进行相位补偿，提高网络速率和容量的宽频五波束阵列天线。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种宽频五波束阵列天线，其包括一金属反射板；一辐射单元阵列，其包含M个子阵列，每一个子阵列包含N个沿水平方向排列的辐射单元，至少一个子阵列在水平方向偏移；多个相位补偿电路，对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿；多个波束形成网络，其包含2个3×3巴特勒矩阵电路、多个2路混合器电路、移相器电路和功率分配网络，波束形成网络，包含形成第一波束的第一输入端口，形成第二波束的第二输入端口，形成第三波束的第三输入端口，形成第四波束的第四输入端口，和形成第五波束的第五输入端口。

进一步地，辐射单元为双极化天线单元。

进一步地，子阵列的数目M为6个，每一个子阵列中辐射单元的数目N为10个。

进一步地，每一个子阵列的多个辐射单元沿一水平线排列，3个子阵列在水平方向偏移。

进一步地，各子阵列辐射单元的水平间距相等，各子阵列之间的垂直间距相等。

进一步地，子阵列在水平方向偏移的距离为辐射单元水平间距的一半。

进一步地，相位补偿电路包含2个独立传输线路，二者相位差为φ。

进一步地，3×3巴特勒矩阵电路的输入端口通过移相器电路连接2路混合器电路的输出端口，3×3巴特勒矩阵电路的输出端口连接功率分配网络的输入端口，2路混合器电路的输入端口为波束形成网络的第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口和第五输入端口，功率分配网络的输出端口为波束形成网络的输出端口。

进一步地，3×3巴特勒矩阵电路由三个混合器和至少一个相位偏移器组成。

进一步地，第一波束的方位角范围为30至55度，第二波束的方位角范围为15至23度，第三波束的方位角为0度，第四波束的方位角范围为-15至-23度，第五波束的方位角范围为-30至-55度。

进一步地，第一功分器网络包含多个3路功分器电路，第二功分器网络包含多个2路功分器电路。

进一步地，3路功分器电路的输出端口连接不同行的位于同一水平位置的三个辐射单元，3路功分器电路的输入端口连接波束形成网络的输出端口。

进一步地，波束形成网络的第一输入端口、第二输入端口、第四输入端口和第五输入端口通过相位补偿电路连接第二功分器网络。

进一步地，波束形成网络的第一输入端口和第五输入端口，对应相位补偿电路的相位差相等；波束形成网络的第二输入端口和第四输入端口，对应相位补偿电路的相位差相等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

上述宽频五波束阵列天线，每一个子阵列包含N个沿水平方向排列的辐射单元，至少一个子阵列在水平方向偏移，多个相位补偿电路，对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿，这样采用不同行的辐射单元在水平方向按照一定规律偏移的排列方案，并在馈电网络里对偏移的辐射单元添加一定的相位补偿，五波束天线在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰，在不增加天线站址和天面资源的条件下实现相邻小区的频率复用，提高网络容量。

【附图说明】

图1为现有技术产生五波束天线的辐射单元排列方案；

图2为现有技术拓宽到1700-2700MHz频段时2700MHz频率五个波束的合成方向图；

图3为本发明的宽频五波束天线的辐射单元排布方案；

图4为本发明辐射单元与3路功分器电路的连线图；

图5为本发明波束形成网络的连接图；

图6为本发明第二功分器网络和相位补偿电路的连接图；

图7为本发明实施例仿真的五个波束2200MHz频率的合成方向图；

图8为本发明实施例仿真的五个波束2700MHz频率的合成方向图。

【具体实施方式】

为便于更好的理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明中，宽频五波束阵列天线包括一金属反射板、一辐射单元阵列、多个相位补偿电路、多个波束形成网络、第一功分器网络以及第二功分器网络，波束形成网络的五个波束主要由波束形成网络产生，每个波束形成网络包括2个3×3巴特勒矩阵电路，多个2路混合器电路，移相器电路，和功率分配网络。所述2路混合器电路的输入端口为波束形成网络的输入端口，功率分配网络的输出端口为波束形成网络的输出端口。所述3×3巴特勒矩阵电路由三个混合器和多于一个的相位偏移器组成。

下面将结合附图和具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明实施例提供的一种宽频段五波束天线，每一个波束的俯仰面电倾角固定，包括金属反射板，辐射单元阵列，多个波束形成网络，第一功分器网络，第二功分器网络，和相位补偿电路。

辐射单元阵列的相邻行在排布上采用水平方向偏移的方式，如图3所示。多个辐射单元101排成一行，辐射单元水平间距为HD，垂直间距为VD，相邻行水平错开的距离为HD1。优选地，每一行的辐射单元数目N＝10且水平间距相等，行数M＝6且相邻行的垂直间距相等；优选地，第二行辐射单元112，第四行辐射单元114，和第六行辐射单元116均相对于第一行111右偏移HD1；第三行辐射单元113与第五行辐射单元115相对于第一行111无偏移。优选地，辐射单元101为±45双极化的交叉偶极天线，贴片天线和缝隙天线。

优选地，每一行的辐射单元与第一功分器网络的输出端口相连，所述第一功分器网络由多个3路功分器电路组成，3路功分器电路数量为4×N。阵列中每一列的三个相同水平位置的辐射单元与同一个3路功分器电路输出端口相连，如图4所示。第一列辐射单元连接如下，辐射单元d11、d31和d51的+45极化连接3路功分器电路201输出端口，辐射单元d21、d41和d61的+45极化连接另外一个3路功分器电路202输出端口。其他列辐射单元与3路功分器电路的连接类似。图4显示的是辐射单元+45极化的连接，-45极化的连接类似。

优选地，3路功分器电路的输入端口与波束形成网络的输出端口相连，如图5所示。连接第1、3、5行辐射单元的3路功分器电路的输入端口连接波束形成网络301的输出端口；连接第2、4、6行辐射单元的3路功分器电路的输入端口连接波束形成网络302的输出端口。图5显示的是+45极化的连接图，-45极化的连接类似。

所述波束形成网络含有5个输入端口，输出端口数目等于阵列的列数N＝10。所述2路混合器电路的输入端口为波束形成网络的输入端口，2路混合器电路的输出端口连接移相器电路。所述3×3巴特勒矩阵电路的输入端口连接移相器电路，3×3巴特勒矩阵电路的输出端口连接功率分配网络的输入口。所述功率分配网络由多个2路功分器电路构成，用于形成阵列每一行辐射单元幅度的锥形分布以抑制方位角旁瓣。功率分配网络的输出端口为波束形成网络的输出端口。

优选地，波束形成网络的输入端口通过相位补偿电路连接第二功分器网络，如图6所示。所述第二功分器网络由多个2路功分器电路组成。所述相位补偿电路包含两个独立传输线路，二者之间相位差为φ。波束形成网络第三波束的输入端口413、423连接2路功分器电路503；第一波束的输入端口411、421经过相位补偿电路401连接到2路功分器电路501；第二波束的输入端口412、422经过相位补偿电路402连接到2路功分器电路502；第四波束的输入端口414、424经过相位补偿电路403连接到2路功分器电路504；第五波束的输入端口415、425经过相位补偿电路404连接到2路功分器电路505。-45极化的连接类似。

优选地，每一行辐射单元的水平偏移距离HD1为辐射单元水平距离的一半，即HD1＝HD/2，第一和第五波束对应的相位补偿电路的相位差为60度，第二和第四波束对应的相位补偿电路的相位差为30度。

与现有的五波束技术相比，本发明通过对阵列单元交错排列和多套波束形成网络来实现技术优势。图7和8显示的是使用6行10列的阵列布局，仿真模拟的方位角平面五波束合成方向图，显示频率分别为2200MHz和2700MHz。仿真模型里辐射单元使用交叉偶极天线，垂直倾角为6度。仿真结果显示，旁瓣以及栅瓣抑制优于18dB，波束交叉电平为9.5dB，10dB波束宽度范围80-140度。

实施例的五波束天线电子下倾角固定，适合用户非常密集的场景，比如大型的体育场馆，演艺中心和广场。通过对场馆等应用场景进行精细小区划分，使用多副的五波束天线，可以实现通信容量的成倍提升。相对于传统的波束宽度为65度的常规基站天线，不仅通过小区分裂增加容量，而且超宽频(45％)范围内具有较低的方位角旁瓣，小区的邻区干扰小，网络速率高。传统的5扇区划分需要5个窄波束天线，每一个天线都非常庞大，同时安装在天线塔上非常困难，本实施例实现5个扇区只需一副天线，可以方便的配置在天线塔上。

需要强调的是，以上实施例中，天线阵列中位于水平方向相邻两个辐射单元之间的间距是固定的，即辐射单元是等间距排列的。然而，在实际工程应用中，振子单元也可以是不等间距排列的。同样的，垂直方向上的两个振子也可以是不等间距排列的。在实施例中，第2、4、6行相对于第1、3、5行右偏移，在实际应用中，也可以是左偏移的。这种振子排列交错变化的情形，也可以实现超宽频范围内具有低旁瓣的多波束方向图，由于不脱离本发明的构思，也在本发明的保护范围之内。

上述宽频五波束阵列天线，每一个子阵列包含N个沿水平方向排列的辐射单元，多个子阵列在水平方向偏移，多个相位补偿电路，对水平方向偏移的子阵列进行相位补偿，这样采用不同行的辐射单元在水平方向按照一定规律偏移的排列方案，并在馈电网络里对偏移的辐射单元添加一定的相位补偿，五波束天线在超宽频段内都具有较好的旁瓣和栅瓣抑制性能，降低波束对应小区的邻区干扰，在不增加天线站址和天面资源的条件下实现相邻小区的频率复用，提高网络容量。

以上详细说明仅为本发明之较佳实施例的说明，非因此局限本发明的专利范围，所以，凡运用本创作说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的专利范围内。