專利名稱：空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種饋電網(wǎng)絡(luò)，特別涉及一種形成空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，屬于移動(dòng)通訊技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
移動(dòng)通訊是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣和最前沿的通訊領(lǐng)域之一。移動(dòng)通訊的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)任何人可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間和其他任何人進(jìn)行任何方式的通信。有專家預(yù)測(cè)，到2003年全球移動(dòng)用戶數(shù)量將達(dá)到10億。隨著移動(dòng)用戶的迅猛增長(zhǎng)及用戶對(duì)視頻和高速數(shù)據(jù)的通訊要求的不斷提高，如何最大限度的利用有限的頻率資源，最大限度地增加用戶容量是移動(dòng)通訊迫切需要解決的關(guān)鍵問題，F(xiàn)DMA、TDMA、CDMA就是采用不同的多址方式來擴(kuò)大頻率使用效率、增加用戶容量的幾種行之有效的方式。第三代移動(dòng)通訊技術(shù)的研究開發(fā)，正是以滿足人們對(duì)視頻、高速數(shù)據(jù)和更大的用戶容量等需求為目的的。
智能天線技術(shù)是第三代移動(dòng)通訊的核心技術(shù)之一，它不同于常規(guī)的基站天線技術(shù)。為了提高電磁波的利用率，該技術(shù)利用相控陣?yán)走_(dá)原理，采用多通道陣列天線和特殊的饋電網(wǎng)絡(luò)，天線的方向性比常規(guī)天線更強(qiáng)、天線波束更窄，可以做到定向地發(fā)射和接收。而當(dāng)用戶方位位置改變時(shí)，天線的波束指向也隨之變化。波束變窄意味著在常規(guī)基站一個(gè)波束覆蓋的范圍內(nèi)，可以同時(shí)存在若干窄波束，這樣可以使頻率的利用率可以得到很大提高。
在移動(dòng)系統(tǒng)中，基站的信道包括與移動(dòng)用戶之間傳輸語音或其他類型數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)信道和傳送不同類型控制信息的控制信道。業(yè)務(wù)信道傳送基站和移動(dòng)用戶之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息，基站使用其他的控制通道同時(shí)與所有在扇區(qū)單元內(nèi)的移動(dòng)用戶進(jìn)行通信，這就要求基站的天線在水平面有充分寬的波束，以便覆蓋所述整個(gè)扇區(qū)。
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息對(duì)通道的波段要求與點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)信息對(duì)通道的波段要求相同，在目前的系統(tǒng)中，上述的兩個(gè)功能可以使用一個(gè)相同扇區(qū)的天線實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息沒有必要對(duì)所有在該扇區(qū)中的移動(dòng)用戶發(fā)射，對(duì)某一特定移動(dòng)用戶而言，只要能將信息供其使用就足夠了，因此基站可以通過使用具有窄波束輻射方向圖的天線在所要求的方向上集中地發(fā)射功率。
對(duì)天線而言，波束變窄意味著天線增益將會(huì)增加。根據(jù)天線系統(tǒng)的互易性，用于接收時(shí)則在要求的方向?qū)@得接收機(jī)靈敏度的一個(gè)相應(yīng)增加，可以使用發(fā)射功率的集中和接收機(jī)靈敏度來增加作用距離和降低基站與移動(dòng)用戶發(fā)射機(jī)的功率要求。由于用此方法可以降低通道頻率再使用的間距，移動(dòng)系統(tǒng)總?cè)萘恳部捎么朔椒右愿纳啤?br> 能夠同時(shí)產(chǎn)生若干窄波束的一種可理解的方式是使用一個(gè)巴特勒(Butler)矩陣連接到天線陣列。巴特勒矩陣是一個(gè)完全無源的和互易的電路，該電路包括若干定向耦合器及相移元件。用于N單元的一個(gè)天線的巴特爾矩陣具有相應(yīng)的N個(gè)輸入端口和輸出端口，并因此能產(chǎn)生相應(yīng)的N個(gè)窄波束；其中，N為一個(gè)正整數(shù)，通常為2的正整數(shù)次方。對(duì)于巴特勒矩陣，在其任意一個(gè)輸入端加上一個(gè)信號(hào)將在該矩陣的某個(gè)特定輸出端上產(chǎn)生幅度基本相同但相位不同的信號(hào)，每一個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)輸出端上的相位的某種組合，這種相位組合激勵(lì)在天線上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定方向的窄波束。由于天線和巴特勒矩陣完全是互易的，所以該系統(tǒng)既可用作發(fā)射，也可用做接收。
使用由一個(gè)巴特勒矩陣饋電天線將可得到一組窄波束；其中，每個(gè)單獨(dú)的輻射方向圖對(duì)在另外的輻射方向圖指示一最大功率的每個(gè)角度上具有零點(diǎn)，符合此標(biāo)準(zhǔn)的窄波束被稱為互相正交的，使用同一天線陣列組合的巴特勒矩陣從而得到一組窄波束本身是預(yù)先知道的。
英國(guó)專利說明書GB 2 169 453公開了一種天線陣列產(chǎn)生許多窄波束以及一個(gè)寬波束的方法，窄波束具有不同的方向，寬波束覆蓋所有窄波束一起覆蓋的相同區(qū)域。該方法使用具有平行板的羅特曼型的電磁透鏡，透鏡的一側(cè)設(shè)有許多波束端口，其相對(duì)側(cè)設(shè)有許多天線端口，每個(gè)天線端口通過放大模塊連接到天線陣列中的一個(gè)天線單元，每一個(gè)波束端口在現(xiàn)有技術(shù)中相當(dāng)于一個(gè)窄波束。另外透鏡配備單獨(dú)的連接，其在透鏡上的位置可以調(diào)節(jié)，調(diào)整到天線端口的幾何距離使加到該連接的信號(hào)功率在天線端口上按照一定方式進(jìn)行分配，即使得由該天線陣列產(chǎn)生一個(gè)寬的波束。這樣一種電磁透鏡是空間大且貴重的的元件，市場(chǎng)上不太容易得到。同樣該寬波束，如以上討論的情況那樣，得到比窄波束更低的天線增益，需要對(duì)該波束附加單獨(dú)的放大措施，否則其作用距離會(huì)比窄波束低很多。
如上所述，通訊系統(tǒng)希望用一個(gè)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)同時(shí)產(chǎn)生許多窄波束和一個(gè)寬波束，寬波束基本上覆蓋單個(gè)窄波束一起所覆蓋的相同區(qū)域，對(duì)所要求的寬波束功能而言要達(dá)到足夠的距離，該寬波束的范圍必須基本上與窄波束的相同，與寬波束功能相比，窄波束具有更高的天線增益；在過去，符合這些要求是一個(gè)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，使用相同的波束形成設(shè)備得到同時(shí)能產(chǎn)生多個(gè)窄波束和一個(gè)基本上與該窄波束一起所覆蓋的區(qū)域相同的寬波束。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，得到用于第三代移動(dòng)通訊智能天線系統(tǒng)，使基站和移動(dòng)臺(tái)之間的通訊能在窄波束上進(jìn)行的設(shè)備。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，該裝置至少包括天線陣列、巴特勒矩陣和波束形成設(shè)備；其中，該巴特勒矩陣設(shè)置在波束形成設(shè)備的波束端口和天線陣列的天線端口之間，用于將波束形成設(shè)備每一個(gè)波束端口提供的信號(hào)功率均勻地分布在天線陣列的天線端口上，激勵(lì)來自天線陣列的各窄的主波束，并用相應(yīng)的相移信號(hào)同時(shí)激勵(lì)多個(gè)波束端，產(chǎn)生一個(gè)寬的波束。
該天線陣列由4個(gè)天線單元組成，并由多波束網(wǎng)絡(luò)饋電；該巴特勒矩陣至少包括第一組三分貝90度電橋、第二組三分貝90度電橋，該第一組三分貝90度電橋的一端與天線單元連接，另一端連接到第二組三分貝90度電橋；該第二組三分貝90度電橋一端與波束端口連接，另一端連接到第一組三分貝90度電橋；該巴特勒矩陣還包括一個(gè)以上固定的相移元件，該相移元件設(shè)在第一組三分貝90度電橋與第二組三分貝90度電橋之間；所述的該三分貝90度電橋?yàn)槿?jié)定向耦合器。
所述的波束形成設(shè)備為功分合成網(wǎng)絡(luò)，其上行信號(hào)與收信機(jī)相連，下行信號(hào)通過輸入端口和合成器連接到波束端口相應(yīng)的波束端口。
本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)1)僅用一個(gè)波束形成設(shè)備得到同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)窄波束和一個(gè)寬波束。
2)它能夠?qū)崿F(xiàn)在第三代移動(dòng)通訊系統(tǒng)中使用窄的波束，可減小干擾并改善頻率的使用效率。
3)采用三枝節(jié)三分貝90度電橋作為巴特勒矩陣的基本單元，電氣性能比兩枝節(jié)三分貝90度電橋形式有很大提高。
4)饋電網(wǎng)絡(luò)采用微帶電路方式實(shí)現(xiàn)，可利用印刷電路制作方式進(jìn)行加工，工藝簡(jiǎn)單，一致性好；并且所有波束形成網(wǎng)絡(luò)集中在一塊微帶板上，易于加工和大批量生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明的原理方塊圖。
圖2為圖1中所示系統(tǒng)得到的輻射方向圖。
圖3為本發(fā)明天線陣列、波束形成設(shè)備以及巴特勒矩陣之間的連接示意圖。
圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的外形示意圖。
圖5為圖1、2和3中所示實(shí)施例的輻射方向圖的信號(hào)圖。
圖6為圖1、2和3中所示實(shí)施例的寬波束功能的信號(hào)圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖1說明一個(gè)波束形成設(shè)備10，包括由4個(gè)天線單元131，132，133，134組成的一個(gè)天線陣列13、一個(gè)巴特勒矩陣12和4個(gè)波束端口111，112，113，114，陣列天線間距為d，巴特勒矩陣12包括4個(gè)天線端口121，122，123，124，每個(gè)天線端口連接到天線單元131，132，133，134。
圖2說明該波束形成設(shè)備10的主輻射方向圖，該波束形成設(shè)備被配置來產(chǎn)生4個(gè)部分重疊的窄波束211，212，213，214。單獨(dú)地激勵(lì)該波束端口將對(duì)該天線端口上的每個(gè)波束端口產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)分布，該信號(hào)分布對(duì)應(yīng)在一指定方向來自該天線陣列的一個(gè)窄波束。按本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，這些窄波束211，212，213，214將是正交的，因此，對(duì)于其他輻射方向圖具有最大功率的每個(gè)角度，每個(gè)單獨(dú)地窄波束的輻射方向圖具有零點(diǎn)。
圖3更詳細(xì)地表示巴特勒矩陣12，在波束端口111、112、113、114和天線端口131、132、133、134之間，如現(xiàn)有技術(shù)中了解的那樣巴特勒矩陣12包括第一組三分貝90度電橋3221、3222，第二組三分貝90度電橋3241、3242；按此方法，使每個(gè)波束端口111、112、113、114連接到每個(gè)天線端口131、132、133、134。在該波束端口的一個(gè)端口上提供的信號(hào)功率將基本上均勻地分布在該天線端口上。該巴特勒矩陣還包括固定的相移元件3231、3232，巴特勒矩陣的帶寬取決于三分貝90度電橋設(shè)計(jì)枝節(jié)數(shù)的選取和相移元件的實(shí)施。本發(fā)明實(shí)施例的三分貝90度電橋選用三枝節(jié)定向耦合器，帶寬完全符合第三代移動(dòng)通訊智能天線的帶寬要求。巴特勒矩陣的定義規(guī)定了該矩陣的波束端口和天線端口內(nèi)的確定關(guān)系。巴特勒矩陣12和功分合成網(wǎng)絡(luò)33相連，3321、3322、3323、3324是四個(gè)一分二的功分器，上行信號(hào)3331、3332、3333、3334與收信機(jī)相連，下行信號(hào)與336端口相接，通過合成器335、3341、3342和3321、3322、3323、3324，到達(dá)波束端口3311、3312、3313、3314進(jìn)入巴特勒矩陣12，然后通過天線發(fā)射完成信號(hào)的發(fā)射。
圖4所示就是多波束形成網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備巴特勒矩陣12的一個(gè)具體實(shí)施例，131、132、133、134是四個(gè)天線端口，與四個(gè)天線單元相接，111、112、113、114是四個(gè)信號(hào)端口，按圖3的連接方式與收發(fā)信機(jī)相接。
圖5是表示以上結(jié)合圖1、2和3表示的實(shí)施例的輻射圖形的信號(hào)圖。在該信號(hào)中S表示信號(hào)強(qiáng)度，按分貝測(cè)量，而θ表示相對(duì)垂直天線陣列方向的一個(gè)角度。在該信號(hào)圖中說明4個(gè)輻射函數(shù)，每一個(gè)由窄波束211，212，213，214和多個(gè)比窄波束幅度低的旁瓣特征。在圖1中，表示成111、112、113、114的巴特勒矩陣的波束激勵(lì)端的一個(gè)的激勵(lì)相應(yīng)于具有離開該天線陣列13的相關(guān)旁瓣的一個(gè)窄波束211，212，213，214。如圖5所示，由于巴特勒矩陣產(chǎn)生正交的輻射方向圖，存在多個(gè)角度。在該角度中除了一個(gè)基本具有零值之外所有4個(gè)輻射起作用。
圖6是說明結(jié)合圖1，2和3表示的實(shí)施例的寬波束函數(shù)的信號(hào)圖，當(dāng)圖1中表示成111、112、113、114的所有4個(gè)波束端口用均勻地幅相分布和結(jié)合圖1所討論那樣的相位關(guān)系激勵(lì)時(shí)，則得到一個(gè)寬的波束210，它基本上覆蓋與圖5中211，212，213，214一起所覆蓋的角度范圍相同。
天線單元由一個(gè)多波束網(wǎng)絡(luò)饋電，使天線形成多個(gè)相接的窄波束，每個(gè)窄波束覆蓋一定的子空域，整個(gè)天線覆蓋一定的空域。多個(gè)天線可實(shí)現(xiàn)整個(gè)空域的覆蓋。它大大增加了通訊容量，有效地抑制了干擾，覆蓋范圍靈活，容易與現(xiàn)有的基站連接。同時(shí)本發(fā)明所述方法和裝置，采用印制板電路，利用光繪技術(shù)加工方式，大大減少了生產(chǎn)周期，降低了調(diào)試難度，降低了智能天線系統(tǒng)成本，可迅速大批量生產(chǎn)滿足第三代移動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)(WCDMA和CDMA2000)的智能天線產(chǎn)品。第三代移動(dòng)通訊核心技術(shù)——智能天線技術(shù)的試驗(yàn)和商用生產(chǎn)，可以更好地為用戶提供高質(zhì)量的語音、視頻和高速數(shù)據(jù)服務(wù)。
最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于該裝置至少包括天線陣列、巴特勒矩陣和波束形成設(shè)備；其中，該巴特勒矩陣設(shè)置在波束形成設(shè)備的波束端口和天線陣列的天線端口之間，用于將波束形成設(shè)備每一個(gè)波束端口提供的信號(hào)功率均勻地分布在天線陣列的天線端口上，激勵(lì)來自天線陣列的各窄的主波束，并用相應(yīng)的相移信號(hào)同時(shí)激勵(lì)多個(gè)波束端，產(chǎn)生一個(gè)寬的波束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于該天線陣列由4個(gè)天線單元組成，并由多波束網(wǎng)絡(luò)饋電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于該巴特勒矩陣至少包括第一組三分貝90度電橋、第二組三分貝90度電橋，該第一組三分貝90度電橋的一端與天線單元連接，另一端連接到第二組三分貝90度電橋；該第二組三分貝90度電橋一端與波束端口連接，另一端連接到第一組三分貝90度電橋。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于該巴特勒矩陣還包括一個(gè)以上固定的相移元件，該相移元件設(shè)在第一組三分貝90度電橋與第二組三分貝90度電橋之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于所述的該三分貝90度電橋?yàn)槿?jié)定向耦合器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于所述的波束形成設(shè)備為功分合成網(wǎng)絡(luò)，其上行信號(hào)與收信機(jī)相連，下行信號(hào)通過輸入端口和合成器連接到波束端口相應(yīng)的波束端口。
全文摘要
一種空間多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)裝置，波束端口和天線端口之間設(shè)巴特勒矩陣，其將波束形成設(shè)備每一個(gè)波束端口提供的信號(hào)功率均勻地分布在天線端口上，激勵(lì)各窄的主波束，并用相移信號(hào)同時(shí)激勵(lì)多個(gè)波束端，產(chǎn)生一個(gè)寬的波束；本發(fā)明僅用一個(gè)波束形成設(shè)備同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)窄波束和一個(gè)寬波束，能夠?qū)崿F(xiàn)在第三代移動(dòng)通訊系統(tǒng)中使用窄的波束，可減小干擾并改善頻率的使用效率，它采用三枝節(jié)三分貝90度電橋作為巴特勒矩陣的基本單元，電氣性能有很大提高，其饋電網(wǎng)絡(luò)采用微帶電路方式，可利用印刷電路制作方式進(jìn)行加工，工藝簡(jiǎn)單，一致性好；并且所有波束形成網(wǎng)絡(luò)集中在一塊微帶板上，易于加工和大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H04B7/08GK1553725SQ0313182
公開日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者郭緒斌, 陳天才, 郭險(xiǎn)峰, 段斌, 趙建平, 劉建利 申請(qǐng)人:中興通訊股份有限公司