波束成形网络及其输入结构、三波束天线的制作方法

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及波束成形网络及其输入结构、三波束天线。

背景技术：

目前，移动通信领域技术飞速发展，用户业务量持续井喷，大量的数据业务对移动通信容量提出了更高的要求。通常，移动通信基站天线用一个较宽的波束来覆盖一个扇区，当该扇区内用户增多时，就会带来信号干扰增强、容量覆盖不足等问题。

多波束天线可理解为将一个较宽的波束“劈裂”成多个较窄的波束，在天馈端为系统容量扩容提供了一种可靠的解决方案。利用Butler矩阵形成多个波束是多波束天线设计的主要手段之一。

专利CN201210080959.1一种用于移动通信基站的双极化三波束天线，公开了一种三波束天线，该专利形成的-120°的相位差、0°相位差、+120°相位差分别能在天线上实现第一波束的方位角的指向向左偏移-40°、第二波束的方位角的指向为0°、第三波束的方位角的指向为0。对于要形成的-40°、0°、+40°的方位角。除了改变相位差以外，还可以优化天线中的阵列间距。通过改变其间距，也可以改变天线方位角的形成。但是由于该天线形成的波束方位角偏移较大，但天线的尺寸较大水平面旁瓣抑制不能满足现有的需求，且其整体结构设计较为复杂、成本较高。

专利CN201310294694.X一种3×3Butler矩阵和5×6Butler矩阵，公开了一种3×3Butler矩阵，包括由第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一移相器、第二移相器和第三移相器组成。由于3dB定向耦合器的的一个重要特性是直通口和耦合口能形成具有90°相位差，而该专利所述的3×3Butler矩阵形成的120°相位差是通过功率合成的。因此该专利中所述的第一输出口OUT1、第二输出口OUT2、第三输出口OUT3的输出功率必是相等的，这种功率分布对于天线的辐射方向图是不合理的。首先，其第一输出口OUT1、第二输出口OUT2、第三输出口OUT3的输出功率是相等的，则会使第一输入口in1的辐射方向图第一波束的波束方位角偏移-40°，因此，第一波束的水平面旁瓣抑制就无法得到抑制，会对第二输入口in2的辐射方向图(即第二波束)和第三输入口in3的辐射方向图(即第三波束)的主波束形成干扰。其次，由于相位差的增加，将会使天线的损耗加大。

所以，现有的Butler矩阵设计复杂、尺寸较大，生产一致性偏差急需改进。

技术实现要素：

本实用新型的首要目的旨在提供一种结构简单、尺寸更小、性能稳定且一致性较好的波束成形网络。

本实用新型的另一目的在于提供一种应用上述波束成形网络的三波束天线。

本实用新型的又一目的在于提供一种上述波束成形网络的输入结构。

为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种波束成形网络，其特征在于，包括：第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一功分器和至少一个移相器，所述第一定向耦合器的输出端分别与第二定向耦合器和第三定向耦合器的输入端连接，所述第一功分器的输出端分别与第二定向耦合器和第三定向耦合器的输入端连接；电信号分别经由第一定向耦合器和第一功分器输入，并分别由第二定向耦合器和第三定向耦合器的输出端输出和/或输出至所述移相器中，所述移相器至少一个连接在第二定向耦合器和/或第三定向耦合器的一个输出端上。

优选地，每个定向耦合器均具有第一、第二输入端和第一、第二输出端；第一定向耦合器的第一输出端与所述第二定向耦合器的第一输入端连接，第一定向耦合器的第二输出端与第三定向耦合器的第二输入端连接；所述第一功分器的两个输出端口与第二定向耦合器的第二输入端、第三定向耦合器的第一输入端一一对应连接，第二定向耦合器的第二输出端、第三定向耦合器的第一输出端各连接一个所述移相器。

进一步地，还包括与移相器的输出端和/或第二定向耦合器的第一输出端、第三定向耦合器的第二输出端连接的多个第二功分器。

优选地，每个所述定向耦合器为两个输出端具有90°相位差的定向耦合器。

优选地，所述第一定向耦合器为3dB等功率分配的定向耦合器，所述第二、第三定向耦合器为不等功率分配的定向耦合器。

优选地，每个移相器均引入90°的相位延迟。

一种三波束天线，包括反射板、设于反射板上的天线阵列、为天线阵列馈电的功分移相馈电网络、及其输出端与功分移相馈电网络的输入端连接的波束成形网络，所述天线阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括多个辐射单元；所述功分移相馈电网络的数目与子阵列的列数一致，每个功分移相馈电网络均具有一个输入端和多个输出端；所述波束成形网络为上述的波束成形网络，该波束成形网络的输出端口数量与天线阵列的子阵列数目一致，并且波束成形网络的多个输出端口与多个功分移相馈电网络的输入端一一对应连接，每个所述功分移相馈电网络的多个输出端与一个子阵列的多个辐射单元一一对应连接。

优选地，每个所述辐射单元为双极化辐射单元，所述波束成形网络的数量至少为两个，所述两个波束成形网络分别用于两个不同的极化，每个功分移相馈电网络的输入端与两个波束成形网络各自一个对应的输出端连接。

优选地，相邻两个子阵列的间距选自工作频段中心频点的0.5～1.2倍波长，同一个子阵列内相邻两个辐射单元的间距为选自工作频段中心频点的0.7～1.3倍波长。

优选地，相邻两个子阵列相互错位设置，错位间距为同一个子阵列中相邻两个辐射单元之间间距的0.5倍。

一种波束成形网络的输入输出方法，包括以下步骤：对输入的第一路电信号进行耦合及调相处理，并输出四路正向输出信号；对输入的第二路电信号进行耦合及调相处理，并输出四路反向输出信号；将输入的第三路电信号的分成两路输出相等的分流电信号，并对所述的分流电信号进行耦合，输出四路相位成公差为零的等差数列的信号；所述四路正向输出信号与所述四路反向输出信号一一对应，并且相互对应的信号之间具有相等的相位差。

所述耦合及调相处理包括耦合处理和移相处理，所述耦合处理将输入的电信号耦合出四路信号，所述移相处理对至少一路信号进行移相并输出。

所述耦合处理包括第一耦合处理和第二耦合处理，所述第一耦合处理将输入的电信号等功率分配地耦合出两路耦合信号，第二耦合处理分别对两路耦合信号进行耦合处理，并输出四路信号。

一种波束成形网络的输入结构，包括：至少两个耦合输入端和至少一个等功分输入端；所述两个耦合输入端包括被配置为用于为该波束成形网络输入两路信号的第一输入端口和第二输入端口，以使两路信号在该波束成形网络的等功率分配耦合下分别形成均具有相位差的第一、第二波束；所述等功分输入端，被配置为用于为该波束成形网络输入第三路信号，以使该第三路信号在该波束成形网络的等功率分配耦合下形成等相位的第三波束。

相比现有技术，本实用新型的方案具有以下优点：

本实用新型的波束成形网络，通过三个定向耦合器、两个移相器及一个功分器的相互配合，构造出一个三输入多输出(至少四个输出端口)的波束成形网络，使得射频信号通过不同的输入端口输入时，在四个不同输出端口处形成不同的相位配置，从而形成三个不同的波束指向。本实用新型的波束成形网络具有性能优异、结构简单、体积小且一致性好的特点。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型的3×4的波束成形网络的示意图；

图2为图1所示3×4的波束成形网络的内部结构图；

图3为本实用新型的3×5的波束成形网络的结构示意图；

图4为本实用新型的三波束天线的天线阵列与反射板的安装示意图；

图5为本实用新型的三波束天线的功分移相馈电网络的示意图；

图6为本实用新型的三波束天线的结构示意图，示出了波束成形网络、功分移相馈电网络及天线阵列的连接关系；

图7为采用本实用新型的波束成形网络的天线的方向图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

图1至图3共同示出了本实用新型的波束成形网络，用以从不同端口输入射频信号时在不同输出端口形成不同的相位配置，从而形成多个不同的波束指向。

以下以三输入多输出的3×N Butler矩阵网络(以下简称“Butler矩阵网络”)为例，对本实用新型的波束成形网络的组成及其原理进行说明。

所述Butler矩阵网络包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第一功分器和至少一个移相器，所述第一定向耦合器的输出端分别与第二定向耦合器和第三定向耦合器的输入端连接，所述第一功分器的输出端分别与第二定向耦合器和第三定向耦合器的输入端连接，所述移相器至少一个连接在第二定向耦合器和/或第三定向耦合器的一个输出端上。电信号分别经由第一定向耦合器和第一功分器输入，并分别由第二定向耦合器和第三定向耦合器的输出端输出。

实施例1

图1示出一种3×4的Butler矩阵网络100，包括三个输入端口和四个输出端口，分别为第一输入端口IN1、第二输入端口IN2、第三输入端口IN3、第一输出端口OUT1、第二输出端口OUT2、第三输出端口OUT3和第四输出端口OUT4。

图2为图1示出的Butler矩阵网络的一种具体实例示意图。该Butler矩阵网络100包括第一定向耦合器11、第二定向耦合器12、第三定向耦合器13、两个移相器21、22和一个功分器3。其中，每个定向耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，以第一定向耦合器11为例，第一定向耦合器11具有其第一输入端11a、第二输入端11b、第一输出端11c及第二输出端11d；两个所述移相器21、22各具有一个输入端和一个输出端；所述功分器3为一分二等功率功分器，即所述功分器3具有一个输入端3a和两个输出端3b、3c。

所述第一定向耦合器11的第一输入端11a作为该Butler矩阵网络100的第一输入端口IN1，所述第一定向耦合器11的第二输入端11b作为该Butler矩阵网络100的第二输入端口IN2，所述功分器3的输入端3a作为该Butler矩阵网络100的第三输入端口IN3。

所述第一定向耦合器11的第一输出端11c连接至第二定向耦合器12的第一输出端12a，第一定向耦合器11的第二输出端11d连接至第三定向耦合器13的第二输入端13b，所述功分器3的两个输出端3b、3c与第二定向耦合器12的第二输入端12b、第三定向耦合器13的第一输入端13a一一对应连接，所述第二定向耦合器12的第二输出端12d与一个移相器21的输入端连接，第三定向耦合器13的第一输出端13c则与另一个移相器22的输入端连接。

所述第二定向耦合器12的第一输出端12c作为该Butler矩阵网络100的第一输出端口OUT1，与第二定向耦合器12连接的一个移相器21的输出端作为该Butler矩阵网络100的第三输出端口OUT3，与第三定向耦合器13连接的一个移相器22的输出端作为该Butler矩阵网络100的第二输出端口OUT2，第三定向耦合器13的第二输出端13d作为该Butler矩阵网络100的第四输出端口OUT4。

优选的，上述器件中，每个所述定向耦合器11、12、13是两个输出端具有90°相位差的定向耦合器；每个所述移相器21、22均引入90°的相位延迟；所述功分器3的两个输出端3b、3c的相位保持一致。

由此，当射频信号从该Butler矩阵网络100的第一输入端口IN1输入时，信号通过第一定向耦合器11的第一输入端11a进入第一定向耦合器11并经第一定向耦合器11的两个输出端11c、11d输出，其中，第一定向耦合器11的第一输出端11c得到信号1/2∠0°，第二输出端11d得到信号1/2∠-90°。

第一定向耦合器11的第一输出端11c所得信号1/2∠0°经第二定向耦合器12的第一输入端12a流入第二定向耦合器12，并在第二定向耦合器12的第一输出端12c得到信号1/4∠0°，在第二定向耦合器12的第二输出端12d得到信号1/4∠-90°，信号1/4∠-90°再经与第二定向耦合器12的第二输出端12d连接的移相器21而输出，最终在该移相器21的输出端得到信号1/4∠-180°，即最终OUT1输出信号为1/4∠0°、OUT3输出信号1/4∠-180°。

第一定向耦合器11的第二输出端11d所得信号1/2∠-90°经第三定向耦合器13的第二输入端13b流入第三定向耦合器13，并在第三定向耦合器13的第一输出端13c得到信号1/4∠-180°，在第二输出端13d得到信号1/4∠-90°，信号1/4∠-180°再经与第三定向耦合器13第一输出端13c连接的移相器22而输出，最终在该移相器22的输出端得到信号1/4∠-270°，即最终OUT2输出信号为1/4∠-270°、OUT4输出信号为1/4∠-90°。

因此，若射频信号从该Butler矩阵网络100的第一输入端口IN1输入，则在四个输出端口得到的信号分别为1/4∠0°(OUT1)、1/4∠-270°(OUT2)、1/4∠-180°(OUT3)及1/4∠-90°(OUT4)。根据电磁波360°为一个周期的原理，OUT1输出信号可理解为1/4∠-360°。由此可以在四个输出端口间形成等幅、相位差为+90°的幅相分布。

当射频信号从该Butler矩阵网络100的第二输入端口IN2，也即第一定向耦合器12的第二输入端12b输入时，在第一定向耦合器11的第一输出端11c得到信号1/2∠-90°，第二输出端11d得到信号1/2∠0°。

第一定向耦合器11的第一输出端11c得到的信号1/2∠-90°经过第二定向耦合器12的第一输入端12a流入第二定向耦合器12，并在第二定向耦合器12的第一输出端12c处得到信号1/4∠-90°，第二输出端12d处得到信号1/4∠-180°，第二输出端12d所得信号再经移相器21输出，最终在移相器21的输出端得到信号1/4∠-270°，即最终OUT1输出信号1/4∠-90°、OUT3输出信号1/4∠-270°。

第一定向耦合器11的第二输出端11d得到的信号1/2∠0°经过第三定向耦合器13的第二输入端13b流入第三定向耦合器13，并在第三定向耦合器13的第一输出端13c得到信号1/4∠-90°，第二输出端13d处得到信号1/4∠0°，其中第一输出端13c的信号再经过移相器22而输出，使得移相器22处得到信号1/4∠-180°，即最终OUT2输出信号1/4∠-180°、OUT4输出信号1/4∠0°。即，四个输出端的输出信号分别为1/4∠-90°(OUT1)、1/4∠-180°(OUT2)、1/4∠-270°(OUT3)、1/4∠-360°(OUT4)。这样即可在四个输出端口间形成等幅、相位差为-90°的幅相分布。

当射频信号从功分器3的输入端3a(即该Butler矩阵网络100的第三输入端口IN3)输入时，信号通过功分器3并在功分器3两个输出端3b、3c得到两个等幅同相的射频信号1/2∠0°。

功分器3输出端口处的其中一个信号1/2∠0°通过第二定向耦合器12的第二输入端12b流入第二定向耦合器12，并在第二定向耦合器12的第一输出端12c得到信号1/4∠-90°，在第二输出端12d得到信号1/4∠0°，并且第二输出端12d所得信号再经过移相器21而输出，使得移相器21输出端处得到信号1/4∠-90°，即最终OUT1输出信号1/4∠-90°，OUT3输出信号1/4∠-90°。

功分器3输出端口处的另一个信号1/2∠0°通过第三定向耦合器13的第一输入端13a流入第三定向耦合器13，并在第三定向耦合器13的第一输出端13c得到信号1/4∠0°，第二输出端13d得到信号1/4∠-90°，其中信号1/4∠0°经移相器22输出而使得在移相器22的输出端处得到信号1/4∠-90°，即最终OUT2输出信号1/4∠-90°、OUT4输出信号1/4∠-90°。

由此，当射频信号经该Butler矩阵网络100的第三输入端口IN3输入时，四个输出端口处得到等幅同相的幅相分布(四个输出端口输出的信号均为1/4∠-90°)。

综上所述，在本实施例的Butler矩阵网络100与四个天线阵列连接时(矩阵网络的四个输出端口与四个天线阵列一一对应连接)，在三个输入端口形成3种不同的波束指向方向图，如图7所示。

本实施例的Butler矩阵网络100在三个输入端口输入射频信号时，在四个输出端口输出四路等幅且相位成公差为90°的正向信号，四路等幅且相位成公差为-90°的反向信号及四路等幅同相的信号。

在本实施例中，该Butler矩阵网络的设计思路简单而巧妙，尺寸更小，性能稳定而且一致性好。

优选的，所述第一定向耦合器11为3dB等功率分配的定向耦合器。

进一步的，考虑到射频信号在传输过程中的衰减，为使全部输出端口输出的射频信号保持等幅，所述第二、第三定向耦合器12、13可为不等功率分配的定向耦合器，并且使与移相器21、22连接的一个输出端的功率大于另一个输出端的功率。在本实施例中，第二定向耦合器12的第二输出端12d的输出功率大于其第一输出端12c的功率，第三定向耦合器13的第一输出端13c的输出功率大于其第二输出端13d的输出功率。

上述各定向耦合器11、12、13可采用分支线定向耦合器、耦合线定向耦合器(比如平行耦合线定向耦合器)或小孔耦合、匹配双T等其他设计形式的定向耦合器。各定向耦合器可采用同轴线、矩形波导、圆波导、带状线或微带线来构成。

在其他实施方式中，Butler矩阵网络100在三个输入端口IN1～IN3输入射频信号时，在四个输出端口OUT1～OUT4输出四路等幅并具有相位差的正向信号，四路等幅且并具有相位差的反向信号及四路等幅同相的信号，其中，四路正向信号与四路反向信号一一对应，并且对应的每两个信号之间具有相同的相位差。基于此，可由本领域技术人员根据相位差需求选用相应的定向耦合器、移相器来组配出特定的波束成形网络。

实施例2

图3示出了一种3×5的Butler矩阵网络100，具有三个输入端口和五个输出端口，其结构与实施例1相类似，不同之处在于，包括两个功分器3，为便于区别，定义提供第三输入端口IN3的一个功分器为第一功分器31，另一个功分器为第二功分器32。如前文可知，第一功分器31的输入端作为第三输入端口IN3，其两个输出端与第二、第三定向耦合器的输入端连接。第二功分器32的输入端32与第二定向耦合器12的第一输出端12c连接，以将原先的第一输出端口OUT1分成两个输出端口OUT1和OUT5来进行信号输出，即在原有的四输出端口的基础上增加一个第五输出端口OUT5。

在其他实施方式中，还可以包括更多功分器3，除提供第三输入端口IN3的一个第一功分器(即第一功分器31)外的其他功分器(即第二功分器32)，与移相器21、22的输出端连接，或者与第二定向耦合器12的第一输出端12c、第三定向耦合器13的第二输出端13d连接，或者移相器21、22输出端和第二、第三定向耦合器12、13的输出端都与功分器32有所连接，以通过不同的第二功分器32在原有多个输出端口的基础上扩展出更多的输出端口，从而适用于具有更多天线子阵列的天线。

实施例3

图4～图6示出了一种双极化三波束天线1000，包括反射板400、设于反射板400上的四个天线子阵列301、302、303和304、与天线子阵列数量一致的功分移相馈电网络201、202、203和204(参见图5和图6，由于功分移相馈电网络的结构相同，为示出方便，202、203、204不完全画出)、以及两个实施例1中的Butler矩阵网络100和100’。

在本实施例中，每个所述天线子阵列包括六个天线辐射单元，例如301，包括天线辐射单元301b～301g，并且六个天线辐射单元均为双极化天线辐射单元，每个辐射单元均连接至各自的功分移相馈电网络端口(即功分移相馈电网络的输出端)，也就是说，所述功分移相馈电网络具有至少六个输出端，比如图5所示的一分六的功分移相馈电网络，该功分移相馈电网络201具有输入端201a及六个输出端201b～201g，其中，输出端201b～201g与辐射单元301b～301g一一对应连接。

请结合图6，所述两个Butler矩阵网络100和100’的结构相同，分别用于两个不同的极化(比如+45°和-45°的线极化)。所述功分移相馈电网络201～204均可支持对两个极化的天线辐射单元同时馈电，即功分移相馈电网络(例如201)的输入端201a同时与Butler矩阵网络100的OUT1和Butler矩阵网络100’的OUT1’连接，同理地，功分移相馈电网络202、203、204与两个Butler矩阵网络100、100’对应的输出端口连接。

在其他实施方式中，该双极化三波束天线1000的每个子阵列301、302、303和304的辐射单元的个数可由不同增益需求进行调整。与此相应的，功分移相馈电网络输出端口及其匹配支路进行适当调整(譬如增加输出端口)以为辐射单元馈电。

优选的，相邻两个子阵列301、302、303和304的阵列间距可选自工作频段中心频点的0.5～1.2倍波长。

优选的，同一子阵列中的每两个相邻辐射单元的间距可选自工作频段中心频点的0.7～1.3倍波长。

进一步的，相邻两个子阵列301、302、303和304相互错位设置，一般地选取同一子阵列中相邻两个辐射单元间距的0.5倍进行错位。

该双极化三波束天线1000在其每个功分移相馈电网络201、202、203、204都具有电调移相的功能时即构成了双极化三波束独立电调天线。

该双极化三波束天线还可扩展其子阵列的数量，与此适应的，需通过在不同输出端口用功分器扩展至与子阵列数量相一致的输出端口，以使辐射。

以上示出本实用新型的双极化三波束天线。当辐射单元不是双极化辐射单元时，所述三波束天线为普通三波束天线。此时，所述波束成形网络只需要一个即可。

实施例4

在本实施例中，本实用新型提供了一种波束成形网络的输入结构，包括：至少两个耦合输入端和至少一个等功分输入端；所述两个耦合输入端包括被配置为用于为该波束成形网络输入两路信号的第一输入端口和第二输入端口，以使两路信号在该波束成形网络的等功率分配耦合下分别形成均具有相位差的第一、第二波束；所述等功分输入端，被配置为用于为该波束成形网络输入第三路信号，以使该第三路信号在该波束成形网络的等功率分配耦合下形成等相位的第三波束。

采用具有以上输入结构的波束成形网络的天线，可以在不同的输入端口输入射频信号时在不同输出端口形成不同的相位配置，从而形成多个不同的波束指向。

此外，本实用新型还涉及一种波束成形网络的输入输出方法，包括以下步骤：

(a)对输入的第一路电信号进行耦合及调相处理，并输出四路正向输出信号，所述四路正向输出信号的相位成公差为a的递增数列；

(b)对输入的第二路电信号进行耦合及调相处理，并输出四路反向输出信号，所述四路反向输出信号的相位成公差为b的递减数列；

(c)将输入的第三路电信号的分成两路输出相等的分流电信号，并对所述的分流电信号进行耦合，输出四路相位成公差为零的等差数列的信号。

其中，所述耦合及调相处理包括耦合处理和移相处理，所述耦合处理将每路输入的电信号耦合出四路信号；所述移相处理对耦合出的四路信号中的至少一路信号进行移相并输出，以使波束成形网络四个输出端口处输出的信号的相位成等差数列分布。

具体地，所述耦合处理包括第一耦合处理和第二耦合处理，所述第一耦合处理将输入的电信号等功率分配地耦合出两路耦合信号，第二耦合处理分别对第一耦合处理所得的两路耦合信号进行耦合处理，并输出四路信号。

在其他实施方式中，对第一路电信号处理形成的四路正向信号具有相位差，所述相位差可为等差数列的公差，也可不是固定值；同理地，对第二路电信号处理输出的四路反向信号也具有相位差。

总而言之，采用该输入输出方法，可以形成一种多输入多输出的波束网络，该波束网络在不同的输入端口输入射频信号时在不同输出端口形成不同的相位配置，从而形成多个不同的波束指向。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。