專利名稱：具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
陣列天線系統(tǒng)在許多應(yīng)用中需要具有可變波束寬度和變化的波束指向。比如，在移動通信系統(tǒng)中，隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)代移動通信已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，成為人們生活中不可或缺的一部分。在當(dāng)今通信聯(lián)系日益加強的狀況下，對通信系統(tǒng)的要求也越來越高。在日益多樣化、復(fù)雜化的現(xiàn)代通信應(yīng)用環(huán)境中，隨著移動用戶數(shù)量的激增、網(wǎng)絡(luò)覆蓋的密集化、覆蓋區(qū)域的廣闊化、網(wǎng)絡(luò)容量的擴(kuò)大化，有時容量和覆蓋區(qū)域的方位都是動態(tài)的。容量較低時，只需要一個波束就能滿足應(yīng)用，而在某些高容量區(qū)域需要將一個波束分裂成二個波束，且要求其波束寬度和波束指向可根據(jù)需要變化。
現(xiàn)有技術(shù)中，一種就是如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)Butler(巴特勒)矩陣網(wǎng)絡(luò)50?？蓞⒁?966年由J.L.Butler發(fā)明的專利“Multiple Beam Antenna SystemEmploying Multiple Directional Couplers In The Leadin”(U.S.Pat.No.3,255,450)以及1966年由W.R.Lowe發(fā)明的專利“Antenna System ForRadiating Directional Patterns”(U.S.Pat.No.3,295,134)。這種典型的波束形成網(wǎng)絡(luò)主要由4個90度3dB電橋41、42、43、44和固定相移裝置51、52構(gòu)成。其中90度3dB電橋原理如圖2所示，180度3db電橋原理請參閱圖3所示，它是由一個四端口的功率混合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其兩輸出端口具有輸出信號相位差90度的特性，即從輸入端口111輸入信號時，輸出端口114的輸出信號相位比輸出端口113的輸出信號相位滯后90度，或者從輸入端口112輸入信號時，輸出端口113的輸出信號相位比輸出端口114的輸出信號相位滯后90度；同時輸入端口112相對于輸入端口111是彼此隔離的。如此，當(dāng)從端口113和端口114同時輸入幅度相等、相位差90度的信號時，則所有的能量僅耦合并合成到一個端口，即端口111或端口112，而另一個端口輸出為零。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單，可以同時形成4個波束，也可以按照需求進(jìn)行波束切換。但是，這種網(wǎng)絡(luò)的形成波束都是固定波束，其波束指向和波束寬度都是預(yù)設(shè)的，不可變的。而且當(dāng)用戶位于波束邊緣、干擾信號位于波束最大位置時，則接收效果最差，不能實現(xiàn)最佳信號接收。
現(xiàn)有的另一種技術(shù)可參見1977年Joseph H.Provencher發(fā)明的專利“Multibeam adaptive array”(U.S.Pat.No.4,032,922)，其實施方案見圖4。這種波束形成網(wǎng)絡(luò)是在標(biāo)準(zhǔn)Butler矩陣網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。其中的開關(guān)電路61可以根據(jù)實際需要設(shè)計為單刀多擲、多刀多擲等多種形式，聯(lián)合合成網(wǎng)絡(luò)62，可以在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)實現(xiàn)波束指向和波束寬度的開關(guān)可變。但這種網(wǎng)絡(luò)依然采用固定波束，不能實現(xiàn)波束指向和波束寬度的可變，在當(dāng)今越來越復(fù)雜的通信應(yīng)用環(huán)境中不能滿足靈活、多變的應(yīng)用需要。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是要為了提供一種基于巴特勒(Butler)矩陣網(wǎng)絡(luò)的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，以克服上述固定波束的缺陷，實現(xiàn)對波束指向和波束寬度的可變，以滿足應(yīng)用環(huán)境因素，如通信容量、覆蓋區(qū)域方位、覆蓋范圍等對天線的性能要求。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，包括天線陣列，包括多個天線陣元列；巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)，用以產(chǎn)生不同指向的波束，其輸出信號被耦合到所述天線陣列中對應(yīng)的各個相應(yīng)的天線陣元列上；混合網(wǎng)絡(luò)，同一時刻接受兩路信號的任意一路輸入，在其內(nèi)調(diào)相后提供信號輸出至巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)，用以改變輸入至巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)的信號，進(jìn)而相應(yīng)地改變天線陣列的信號的饋電幅度和相位。
所述混合網(wǎng)絡(luò)包括第一3db電橋、可變移相器、第二3db電橋、第一功分器、第二功分器以及第一固定移相器和第二固定移相器第一3db電橋，同一時刻接受兩路信號的任意一路的輸入，并將該信號轉(zhuǎn)換為相差一定相位的兩路信號輸出；可變移相器，接受第一3db電橋的任意一路輸出信號進(jìn)行移相后與第一3db電橋的另一路輸出信號輸入至所述第二3db電橋；第二3db電橋，接受兩路信號輸入后，每路信號均轉(zhuǎn)換為相差一定相位的信號，兩路信號各自轉(zhuǎn)換后的信號兩兩進(jìn)行矢量疊加后，分別輸出至第一和第二功分器；第一與第二功分器接受信號輸入后將信號一分為二，共形成四路信號輸出，并且兩個功分器的各自的一路被輸出的信號分別通過所述第一和第二固定移相器進(jìn)行移相。
所述第一和第二固定移相器的移相幅度為180度。
所述第一和第二功分器的輸出功分比為1∶n，n為大于或等于1的任意實數(shù)。
所述混合網(wǎng)絡(luò)中的可變移相器的相位延遲改變量的范圍為相對的-180度至+180度之間。
所述第一和第二3db電橋可按如下幾種方式組合1、第一和第二3db電橋均為90度3db電橋；2、第一和第二3db電橋中，其一采用90度3db電橋，另一則采用180度3db電橋；3、第一和第二3db電橋均為180度3db電橋。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備如下優(yōu)點采用簡單的結(jié)構(gòu)組成混合網(wǎng)絡(luò)，通過混合網(wǎng)絡(luò)擇一地接受信號的輸入并進(jìn)行調(diào)相，間接調(diào)整天線陣列的信號的幅度和相位，可生成兩個波束，在二個波束之間進(jìn)行變換，而且各波束之間的波束寬度和波束指向均可變。

圖1為標(biāo)準(zhǔn)巴特勒矩陣結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為90度3db電橋的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3為180度3db電橋的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中一種多波束自適應(yīng)陣列的波束形成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖6為對應(yīng)不同φ值，且第一、第二3db電橋均為90度時，所產(chǎn)生的兩個波束的變化情況；圖7為對應(yīng)不同φ值，且第一3db電橋為180度、第二3db電橋為90度時，所產(chǎn)生的兩個波束的變化情況；圖8為對應(yīng)不同φ值，且第一、第二3db電橋均為180度時，所產(chǎn)生的兩個波束的變化情況；圖9為對應(yīng)不同φ值，且第一3db電橋為90度、第二3db電橋為180度時，所產(chǎn)生的兩個波束的變化情況。
具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明請參閱圖5，本發(fā)明具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)由如下各部分組成一個4×4巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)50、一個能實現(xiàn)幅相可調(diào)的混合網(wǎng)絡(luò)70以及4個由多個天線陣元列21，22，23，24組成的天線陣列。
所述的混合網(wǎng)絡(luò)70具有兩個輸入端口81和82，具有四個輸出端口35，36，37，38，連接到巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)50對應(yīng)的四個輸入端口，所述的巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)50的四個輸出端口31，32，33，34分別耦合到天線陣列中的相應(yīng)陣元列21，22，23，24。
上述具有幅相可調(diào)的混合網(wǎng)絡(luò)70由如下各部分組成兩個具有180度的固定相移器52a，52b；一分為二的第一和第二功分器54，55；第一、第二3dB電橋46，45；一個可變移相器63。信號從第一3dB電橋46的輸入端口89、90輸入；第一3dB電橋46的輸出端口87通過可變移相器63連接到第二3dB電橋45的輸入端口85，輸出端口88直接與第二3dB電橋45的輸入端口86相連接；而第二3dB電橋45的兩輸出端口83、84分別與第一和第二功分器54、55各自的輸入端口83、84連接；第一功分器54的輸出端口91和第二功分器55的輸出端口92分別通過固定相移器52a，52b與巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)50的相應(yīng)輸入端口37，36相連接，而第一功分器54和第二功分器55的另兩個端口93，94直接與巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)50的相應(yīng)輸入端口35、38相連接。
上述混合網(wǎng)絡(luò)70中的第一和第二功分器54，55的輸出功分比為1∶n。其中n的值既可以等于1，為等功分狀態(tài)；也可以是其它的任意正實數(shù)。
上述混合網(wǎng)絡(luò)70中的可變移相器63的相位延遲改變量范圍為相對的-180度至+180度。
而對于上述混合網(wǎng)絡(luò)70中的第一和第二3dB電橋45，46，既可采用90度3dB電橋，也可以是180度3dB電橋，相應(yīng)的組合方式有四種，下面詳細(xì)分析各種不同組合方式及其作用效果(1)、當(dāng)?shù)谝缓偷诙?dB電橋45，46同時為90度3dB電橋時，可以同時形成二個波束，根據(jù)可變移相裝置相位延遲的不同，其波束變化存在5種典型情況，如圖6所示，圖中虛線所示為波束1，對應(yīng)于從輸入端口81輸入信號時所得波束；實線所示為波束2，對應(yīng)于從輸入端口82輸入信號時所得波束。
①、如圖6(a)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對-180°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像；②、如圖6(b)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對-90°時，波束1為一差波束，此差波束方向圖的零點指向與天線陣面法線的指向重合，波束2為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的方向重合；③、如圖6(c)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對0°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，但偏離方向與φ為相對-180°時的情況剛好相反，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像；④、如圖6(d)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對90°時，波束1為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的指向重合，波束2為一差波束，此差波束方向圖的指向與天線陣面法線的方向重合；⑤、如圖6(e)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對180°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像，波束1和波束2與φ為相對-180°時完全一樣。
(2)、當(dāng)?shù)诙?dB電橋45為90度3dB電橋而第一3dB電橋46為180度3dB電橋時，可以同時形成二個波束，根據(jù)可變移相器63相位延遲的不同，其波束變化存在5種典型情況，如圖7所示，圖中虛線所示為波束1，對應(yīng)于從輸入端口81輸入信號時所得波束；實線所示為波束2，對應(yīng)于從輸入端口82輸入信號時所得波束。
①、如圖7(a)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對-180°時，波束1為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的指向重合，波束2為一差波束，此差波束方向圖的指向與天線陣面法線的方向重合；②、如圖7(b)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對-90°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像；③、如圖7(c)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對0°時，波束1為一差波束，此差波束方向圖的零點指向與天線陣面法線的指向重合，波束2為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的方向重合；④、如圖7(d)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對90°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，但偏離方向與φ為相對-90°時的情況剛好相反，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像；⑤、如圖7(e)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對180°時，波束1為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的指向重合，波束2為一差波束，此差波束方向圖的指向與天線陣面法線的方向重合，波束1和波束2與φ為相對-180°時完全一樣。
(3)、當(dāng)?shù)谝缓偷诙?dB電橋45，46同時為180度3dB電橋時，可以同時形成二個波束，根據(jù)可變移相器63相位延遲的不同，其波束變化存在5種典型情況，如圖8所示，圖中虛線所示為波束1，對應(yīng)于從輸入端口81輸入信號時所得波束；實線所示為波束2，對應(yīng)于從輸入端口82輸入信號時所得波束。
①、如圖8(a)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對-180°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像；②、如圖8(b)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對-90°時，波束1為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的指向重合，波束2也為一和波束，此和波束方向圖的指向也與天線陣面法線的方向重合；③、如圖8(c)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對0°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，但偏離方向與φ為相對-180°時的情況剛好相反，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像；④、如圖8(d)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對90°時，波束1為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的指向重合，波束2也為一和波束，此和波束方向圖的指向也與天線陣面法線的方向重合；⑤、如圖8(e)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對180°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像，波束1和波束2與φ為相對-180°時完全一樣。
(4)、當(dāng)?shù)诙?dB電橋45為180度3dB電橋而第一3dB電橋46為90度3dB電橋時，可以同時形成二個波束，根據(jù)可變移相器63相位延遲的不同，其波束變化存在5種典型情況，如圖9所示，圖中虛線所示為波束1，對應(yīng)于從輸入端口81輸入信號時所得波束；實線所示為波束2，對應(yīng)于從輸入端口82輸入信號時所得波束。
①、如圖9(a)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對-180°時，波束1為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的指向重合，波束2也為一和波束，此和波束方向圖的指向也與天線陣面法線的方向重合；②、如圖9(b)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對-90°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像；③、如圖9(c)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對0°時，波束1為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的指向重合，波束2也為一和波束，此和波束方向圖的指向也與天線陣面法線的方向重合；④、如圖9(d)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對90°時，波束1偏離天線陣面法線方向一定角度，但偏離方向與φ為相對-90°時的情況剛好相反，波束2關(guān)于天線陣面法線與波束1鏡像；⑤、如圖9(e)所示，當(dāng)可變移相器63的相位延遲φ為相對180°時，波束1為一和波束，此和波束方向圖的指向與天線陣面法線的指向重合，波束2也為一和波束，此和波束方向圖的指向也與天線陣面法線的方向重合，波束1和波束2與φ為相對-180°時完全一樣。
由此，按照上述設(shè)計原則實現(xiàn)的波束形成網(wǎng)絡(luò)可以形成二個波束，且二個波束的波束寬度和波束指向均可變，完全滿足日益多樣化、復(fù)雜化的現(xiàn)代移動通信應(yīng)用環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于包括天線陣列，包括多個天線陣元列；巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)，用以產(chǎn)生不同指向的波束，其輸出信號被耦合到所述天線陣列中對應(yīng)的各個相應(yīng)的天線陣元列上；混合網(wǎng)絡(luò)，同一時刻接受兩路信號的任意一路輸入，經(jīng)調(diào)相后提供信號輸出至巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)，用以改變輸入至巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)的信號，進(jìn)而相應(yīng)地改變天線陣列的信號的饋電幅度和相位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述混合網(wǎng)絡(luò)包括第一3db電橋、可變移相器、第二3db電橋、第一功分器、第二功分器以及第一固定移相器和第二固定移相器第一3db電橋，同一時刻接受兩路信號的任意一路的輸入，并將該信號轉(zhuǎn)換為相差一定相位的兩路信號輸出；可變移相器，接受第一3db電橋的任意一路輸出信號進(jìn)行移相后與第一3db電橋的另一路輸出信號輸入至所述第二3db電橋；第二3db電橋，接受兩路信號輸入后，每路信號均轉(zhuǎn)換為相差一定相位的信號，兩路信號各自轉(zhuǎn)換后的信號兩兩進(jìn)行矢量疊加后，分別輸出至第一和第二功分器；第一與第二功分器接受信號輸入后將信號一分為二，共形成四路信號輸出，并且兩個功分器的各自的一路被輸出的信號分別通過所述第一和第二固定移相器進(jìn)行移相。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述第一和第二固定移相器的移相幅度為180度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述第一和第二功分器的輸出功分比為1∶n，n為大于或等于1的任意實數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述混合網(wǎng)絡(luò)中的可變移相器的相位延遲改變量的范圍為相對的-180度至+180度之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述第二3db電橋為90度3db電橋。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述第二3db電橋為180度3db電橋。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述第一3db電橋為90度3db電橋。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述第一3db電橋為90度3db電橋。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述第一3db電橋為180度3db電橋。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述第一3db電橋為180度3db電橋。
全文摘要
本發(fā)明具有可變波束寬度的波束形成網(wǎng)絡(luò)包括天線陣列，包括多個天線陣元列；巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)，用以產(chǎn)生不同指向的波束，其輸出信號被耦合到所述天線陣列中對應(yīng)的各個相應(yīng)的天線陣元列上；混合網(wǎng)絡(luò)，同一時刻接受兩路信號的任意一路輸入，在其內(nèi)調(diào)相后提供信號輸出至巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)，用以改變輸入至巴特勒矩陣網(wǎng)絡(luò)的信號，進(jìn)而相應(yīng)地改變天線陣列的信號的饋電幅度和相位。本發(fā)明采用簡單的結(jié)構(gòu)組成混合網(wǎng)絡(luò)，通過混合網(wǎng)絡(luò)擇一地接受信號的輸入并進(jìn)行調(diào)相，間接調(diào)整天線陣列的信號的幅度和相位，可生成兩個波束，在二個波束之間進(jìn)行變換，而且各波束之間的波束寬度和波束指向均可變。
文檔編號H04B7/06GK1921341SQ20061012210
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日
發(fā)明者卜斌龍, 薛鋒章, 歐陽杰, 劉木林, 謝國慶, 徐東良 申請人:京信通信技術(shù)(廣州)有限公司