双波束天线的巴特勒矩阵及双波束天线的制作方法

本发明涉及移动通信基站天线技术领域，尤其涉及一种双波束天线的巴特勒矩阵及双波束天线。

背景技术：

当前移动通信网络逐渐呈现2g、3g、4g和5g将长期共存的发展趋势，基站天线领域面临着频谱利用、天面共享以及天线集成方面的重大挑战。在这种大背景下多波束天线以其不需要新增频谱和天面资源即可提升网络覆盖和容量的特点而备受业界重视，尤其是双波束天线、三波束天线以及五波束天线。

与常规单波束天线相比，多波束天线新增的关键部件是多波束形成网络。现有技术方案常常采用具有恒定功率比的巴特勒矩阵，由于天线阵列的组阵间距是固定的，不同频率对应的电长度不同，对应的阵因子也不同，导致多波束天线的单波束水平面波束宽度范围过大，以功率比约为1:4:4:1的四单元巴特勒矩阵为例，对应双波束天线的1710mhz的水平面波束宽度约43°，2690mhz的水平面波束宽度约22°。

理论上双波束天线的水平面波束宽度应尽量收敛在33°附近，当其范围过大时会造成覆盖越区和空洞，例如当1800mhz的水平面波宽过宽时对应的覆盖范围过大导致越区覆盖；当2600mhz的水平面波宽过窄时对应的覆盖范围过小导致覆盖空洞，2600mhz用户回落在1800mhz，造成1800mhz网络拥塞，影响用户体验。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

技术实现要素：

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种双波束天线的巴特勒矩阵及双波束天线，其输出信号的功率比具有随频率变化而变化的特点，具体为频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大，从而使频带低端的水平面波束宽度变小，频带高端的水平面波束宽度变大，从而解决现有巴特勒矩阵功率比恒定，超宽频双波束天线的水平面波束宽度范围过大导致覆盖越区和空洞的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种双波束天线的巴特勒矩阵，包括依次电性连接的一个第一级电桥，至少一个功分网络和至少一个第二级电桥，所述第一级电桥和所述第二级电桥分别有两个输入端和两个输出端，所述功分网络包括有一个输入端和两个输出端；所述第一级电桥、所述功分网络和所述第二级电桥均采用多层线路板的渐变形开槽耦合结构；

所述第一级电桥的两个输入端为巴勒特矩阵的输入端，所述第一级电桥的两个输出端分别连接所述功分网络的输入端和/或所述第二级电桥的输入端，所述功分网络的两个输出端分别连接到所述第二级电桥的输入端和/或直接与天线子阵列的辐射单元相连，所述第二级电桥的两个输出端分别与天线子阵列的辐射单元相连；

信号经过所述第一级电桥的输出端和/或所述功分网络的输出端形成p路输出信号，p大于等于3；所述p路输出信号按照功率大小分组后，分别连接到所述第二级电桥的输入端或直接与天线子阵列的辐射单元相连，所述第二级电桥的输出端的输出信号分别与天线子阵列的辐射单元相连。

根据本发明所述巴特勒矩阵，所述p路输出信号按照功率较大的两路输出信号分为一组和/或功率较小的两路输出信号分为一组。

根据本发明所述巴特勒矩阵，所述p路输出信号的功率比随频率变化而变化，且频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大；和/或

所述p路输出信号的功率比范围为1:1-1:15，且斜率可控。

根据本发明所述巴特勒矩阵，所述第一级电桥和所述第二级电桥为3db电桥；和/或

所述巴特勒矩阵的工作频段为1710-2690mhz，水平面波束宽度为25-41°。

根据本发明所述巴特勒矩阵，包括依次电性连接的一个所述第一级电桥，一个所述功分网络和一个所述第二级电桥；

所述第一级电桥的两个输出端分别接到所述功分网络的输入端和所述第二级电桥的一个输入端，所述功分网络的两个输出端分别连接到所述第二级电桥的另一个输入端和一个天线子阵列的辐射单元，所述第二级电桥的两个输出端分别与两个天线子阵列的辐射单元相连；

信号经过所述第一级电桥的一个输出端和所述功分网络的两个输出端形成三路输出信号；所述第一级电桥的输出信号和所述功分网络中功率较小的输出信号组合连接到所述第二级电桥的两个输入端，所述第二级电桥的两个输出端的输出信号分别与两个天线子阵列的辐射单元相连，所述功分网络中功率较大的输出信号直接与一个天线子阵列的辐射单元相连；或者

信号经过所述第一级电桥的一个输出端和所述功分网络的两个输出端形成三路输出信号；所述第一级电桥的输出信号和所述功分网络中功率较大的输出信号组合连接到所述第二级电桥的两个输入端，所述第二级电桥的两个输出端的输出信号分别与两个天线子阵列的辐射单元相连，所述功分网络中功率较小的输出信号直接与一个天线子阵列的辐射单元相连。

根据本发明所述巴特勒矩阵，包括依次电性连接的一个所述第一级电桥，两个所述功分网络和两个所述第二级电桥；

所述第一级电桥的两个输出端分别接到两个所述功分网络的输入端，两个所述功分网络的两个输出端分别连接到两个所述第二级电桥的两个输入端，两个所述第二级电桥的两个输出端分别与四个天线子阵列的辐射单元相连；

信号经过两个所述功分网络的两个输出端分别形成四路输出信号；两个所述功分网络中功率较小的两路输出信号连接到一个所述第二级电桥的两个输入端，两个所述功分网络中功率较大的两路输出信号连接到另一个所述第二级电桥的两个输入端；两个所述第二级电桥的两个输出端的输出信号分别与四个所述天线子阵列的辐射单元相连。

根据本发明所述巴特勒矩阵，所述多层线路板的渐变形开槽耦合结构至少包括依次连接的上层线路层、地板和下层线路层；所述上层线路层和所述下层线路层分别对应设有一渐变形线路，所述地板对应设有渐变形开槽，两个所述渐变形线路均位于所述渐变形开槽中。

根据本发明所述巴特勒矩阵，所述渐变形线路和所述渐变形开槽呈中间宽且向两端方向逐渐变窄的形状。

根据本发明所述巴特勒矩阵，所述多层线路板的渐变形开槽耦合结构包括依次连接的所述上层线路层、上层介质基板、所述地板、粘合层、下层介质基板和所述下层线路层。

本发明还提供一种包括所述巴特勒矩阵的双波束天线。

本发明双波束天线的巴特勒矩阵包括第一级电桥，功分网络和第二级电桥，三者依次相连形成一个具有两路输入信号，p路输出信号的网络，p路输出信号分别与天线子阵列的p个辐射单元相连。第一级电桥，功分网络、第二级电桥均采用多层线路板渐变形开槽耦合结构，信号在经过第一级电桥或功分网络后按功率大小分组连接到第二级电桥的输入端或直接作为巴特勒矩阵的输出信号，借此实现超宽带阻抗匹配，同时使信号随着频率增大耦合度变小且斜率可控，因此p路输出信号的功率比具有随频率变化而变化的特点，具体为频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大，从而使频带低端的水平面波束宽度变小，频带高端的水平面波束宽度变大，以解决超宽频双波束天线的水平面波束宽度范围过大导致覆盖越区和空洞的问题。

附图说明

图1是本发明第一实施例中双波束天线的巴特勒矩阵的结构示意图；

图2是本发明第二实施例中双波束天线的巴特勒矩阵的结构示意图；

图3是本发明多层线路板的渐变形开槽耦合结构的优选结构示意图；

图4是本发明渐变形开槽耦合结构的优选结构示意图；

图5是本发明巴特勒矩阵一较佳实施例的功率比图；

图6是本发明巴特勒矩阵一较佳实施例的水平面方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的，本说明书中针对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用，指的是描述的该实施例可包括特定的特征、结构或特性，但是不是每个实施例必须包含这些特定特征、结构或特性。此外，这样的表述并非指的是同一个实施例。进一步，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，不管有没有明确的描述，已经表明将这样的特征、结构或特性结合到其它实施例中是在本领域技术人员的知识范围内的。

此外，在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件或部件，所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可以用不同的名词或术语来称呼同一个组件或部件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件或部件的方式，而是以组件或部件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求书中所提及的“包括”和“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“连接”一词在此系包含任何直接及间接的电性连接手段。间接的电性连接手段包括通过其它装置进行连接。

本发明提供一种双波束天线的巴特勒矩阵，包括依次电性连接的一个第一级电桥，至少一个功分网络和至少一个第二级电桥，所述第一级电桥和第二级电桥分别包括有两个输入端和两个输出端，所述功分网络为一分二功分网络，包括有一个输入端和两个输出端。三者依次相连形成一个具有两路输入信号，p路输出信号的网络，p路输出信号分别与双波束天线子阵列的p个辐射单元相连，其中p≥3。

所述第一级电桥的两个输入端为巴勒特矩阵的输入端，第一级电桥的两个输出端分别连接功分网络的输入端和/或第二级电桥的输入端，功分网络的两个输出端分别连接到第二级电桥的输入端和/或直接与天线子阵列的辐射单元相连，第二级电桥的两个输出端分别与天线子阵列的辐射单元相连。

所述第一级电桥、功分网络和第二级电桥均采用多层线路板的渐变形开槽耦合结构。信号在经过第一级电桥的输出端和/或功分网络的输出端形成p路输出信号，p路输出信号按照功率大小分组后，分别连接到第二级电桥的输入端或直接作为巴特勒矩阵的输出信号与天线子阵列的辐射单元相连，第二级电桥的输出端的输出信号也分别与天线子阵列的辐射单元相连。借此，实现超宽带阻抗匹配，同时使信号随着频率增大耦合度变小且斜率可控，因此p路输出信号的功率比具有随频率变化而变化的特点，具体为频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大，从而使频带低端的水平面波束宽度变小，频带高端的水平面波束宽度变大，以解决超宽频双波束天线的水平面波束宽度范围过大导致覆盖越区和空洞的问题。

优选的是，所述p路输出信号按照功率较大的两路输出信号分为一组和/或功率较小的两路输出信号分为一组。

优选的是，本发明巴特勒矩阵的工作频段为1710-2690mhz，可将水平面波束宽度由22-43°收敛为25-41°水平面波束宽度为25-41°。

优选的是，所述p路输出信号的功率比范围为1:1-1:15，且斜率可控。

图1是本发明第一实施例中双波束天线的巴特勒矩阵的结构示意图，所述巴特勒矩阵100包括依次电性连接的一个第一级电桥10，一个功分网络20和一个第二级电桥30。第一级电桥10包括有两个输入端1、2和两个输出端3、4，第二级电桥30包括有两个输入端和两个输出端，功分网络20为一分二功分网络，包括有一个输入端和两个输出端。所述第一级电桥10、功分网络20和第二级电桥30均采用多层线路板的渐变形开槽耦合结构。优选的是，第一级电桥10和第二级电桥30为3db电桥。巴特勒矩阵100的输出信号路数p为3。

所述第一级电桥10的两个输入端1、2为巴勒特矩阵100的输入端，第一级电桥10的两个输出端3、4分别接到功分网络20的输入端和第二级电桥30的一个输入端，从而形成三路输出信号3，5和6。功分网络20的两个输出端分别连接到第二级电桥30的另一个输入端和一个天线子阵列的辐射单元，第二级电桥30的两个输出端分别与两个天线子阵列的辐射单元相连。

第一种形式：信号经过第一级电桥10的一个输出端和功分网络20的两个输出端形成三路输出信号3、5和6。第一级电桥10的输出信号3和功分网络20中功率较小的输出信号5组合连接到第二级电桥30的两个输入端，第二级电桥30的两个输出端形成两路输出信号7、8分别与两个天线子阵列的辐射单元相连，功分网络20中功率较大的输出信号6直接直接作为巴特勒矩阵100的一路输出信号与一个天线子阵列的辐射单元相连，三路输出信号6，7和8分别连接到双波束天线子阵列的三个辐射单元的输入端。

第二种形式：信号经过第一级电桥10的一个输出端和功分网络20的两个输出端形成三路输出信号。第一级电桥10的输出信号和功分网络20中功率较大的输出信号组合连接到第二级电桥30的两个输入端，第二级电桥30的两个输出端的输出信号分别与两个天线子阵列的辐射单元相连，功分网络20中功率较小的输出信号直接与一个天线子阵列的辐射单元相连。所述巴特勒矩阵100的三路输出信号的功率比随频率变化而变化，具体为频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大。

优选的是，所述三路输出信号的功率比随频率增大而变大且斜率可控，功率比范围为1:1-1:15，且斜率可控。

本发明提供一种功率比随频率变化而变化的巴特勒矩阵100，使频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大，那么就可通过改变阵因子使频带低端的水平面波束宽度变小，频带高端的水平面波束宽度变大，从而解决现有技术中巴特勒矩阵功率比恒定，超宽频双波束天线的水平面波束宽度范围过大导致覆盖越区和空洞的问题。

图2是本发明第二实施例中双波束天线的巴特勒矩阵的结构示意图，所述巴特勒矩阵100包括依次电性连接的一个第一级电桥10，两个功分网络20和两个第二级电桥30。第一级电桥10包括有两个输入端1、2和两个输出端3、4，第二级电桥30包括有两个输入端和两个输出端，功分网络20为一分二功分网络，包括有一个输入端和两个输出端。所述第一级电桥10、功分网络20和第二级电桥30均采用多层线路板的渐变形开槽耦合结构。优选的是，第一级电桥10和第二级电桥30为3db电桥。巴特勒矩阵100的输出信号路数p为4。

所述第一级电桥10的两个输入端1、2为巴勒特矩阵100的输入端，第一级电桥10的两个输出端3、4分别接到两个功分网络20的输入端，从而形成四路输出信号5～8，两个功分网络20的两个输出端分别连接到两个第二级电桥30的两个输入端，两个第二级电桥30的两个输出端分别与四个天线子阵列的辐射单元相连。

具体地，信号经过两个功分网络20的两个输出端分别形成四路输出信号5～8，然后将四路输出信号5～8按照功率大小分组。例如将两个功分网络20中功率较小的两路输出信号7、8连接到一个第二级电桥30的两个输入端，两个功分网络20中功率较大的两路输出信号5、6连接到另一个第二级电桥30的两个输入端，从而形成四路输出信号9和10，11和12，两个第二级电桥30的两个输出端的输出信号9和10，11和12分别与四个天线子阵列的辐射单元的输入端相连。所述巴特勒矩阵100的四路输出信号的功率比随频率变化而变化，具体为频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大。

优选的是，所述四路输出信号的功率比随频率增大而变大且斜率可控，功率比范围为1:1-1:15，且斜率可控。

图3是本发明多层线路板的渐变形开槽耦合结构的优选结构示意图，所述巴特勒矩阵100蚀刻在线路板上，其截面为多层结构。巴特勒矩阵100的第一级电桥10、功分网络20和第二级电桥30均采用多层线路板的渐变形开槽耦合结构，所述多层线路板的渐变形开槽耦合结构至少包括依次连接的上层线路层21、地板23和下层线路层26。如图4所示，上层线路层21和下层线路层26分别对应设有一渐变形线路211和261，地板23对应设有渐变形开槽231，两个渐变形线路211和261均位于渐变形开槽231中。所述渐变形线路211和261和渐变形开槽231呈中间宽且向两端方向逐渐变窄的形状。通过设置在地板23上的渐变形开槽231和设置在上层线路层21和下层线路层26上的渐变形线路211和261，巴特勒矩阵100能够实现超宽带阻抗匹配，同时使信号随着频率增大耦合度变小且斜率可控。

优选的是，所述多层线路板的渐变形开槽耦合结构包括依次连接的上层线路层21、上层介质基板22、地板23、粘合层24、下层介质基板25和下层线路层26。上层线路层21和下层线路层26的线路共用地板23。粘合层24的材料可选用pp(聚丙烯)，工艺为高温粘合。本发明巴特勒矩阵100具有走线灵活，加工精度高的特点。

图5本发明巴特勒矩阵一较佳实施例的功率比图，所述巴特勒矩阵的四路输出信号的功率比随频率变化而变化，具体为频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大，其中1710mhz功率比约为1:2.5:2.5:1，2690mhz功率比约为1:6:6:1。

图6本发明巴特勒矩阵一较佳实施例的水平面方向图，所述巴特勒矩阵的双波束天线的水平面波束宽度收敛，具体为1710-2690mhz范围内25-41°。

本发明还提供一种包括有上述巴特勒矩阵100的双波束天线。

综上所述，本发明双波束天线的巴特勒矩阵包括第一级电桥，功分网络和第二级电桥，三者依次相连形成一个具有两路输入信号，p路输出信号的网络，p路输出信号分别与天线子阵列的p个辐射单元相连。第一级电桥，功分网络、第二级电桥均采用多层线路板渐变形开槽耦合结构，信号在经过第一级电桥或功分网络后按功率大小分组连接到第二级电桥的输入端或直接作为巴特勒矩阵的输出信号，借此实现超宽带阻抗匹配，同时使信号随着频率增大耦合度变小且斜率可控，因此p路输出信号的功率比具有随频率变化而变化的特点，具体为频带低端的功率比较小，频带高端的功率比较大，从而使频带低端的水平面波束宽度变小，频带高端的水平面波束宽度变大，以解决超宽频双波束天线的水平面波束宽度范围过大导致覆盖越区和空洞的问题。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。