基站天线及其波束整形方法与流程

【技术领域】

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基站天线及其波束整形方法。

背景技术：

随着小型化的发展，多通道天线的隔离成为基站天线设计中一道技术难题：一方面，反射板宽度越来越窄，致使通道间距变小，系统间隔离度变差；另一方面，不同通道阵元之间的耦合严重影响了天线的辐射方向图，如：水平半功率角变宽、增益下降、前后比变差、交叉极化恶化等。通信技术的发展对辐射波束的形状提出了越来越高的要求，对于宏基站天线，不仅要满足增益和下倾角的要求，水平半功率角也要具有一致性，必须落在规定的角度区间，从而满足减少噪声和提高空间分集的要求。基站天线需要在保证信号覆盖的同时尽量减少信号重叠区域，这就要求更精确的辐射方向图控制-不仅要使交叉极化、前后比和副瓣抑制满足要求，与此同时，半功率角也必须限制在规定的区间，一些特殊的应用甚至对波束形状提出了更为严格的要求。

目前大部分基站天线按照频率、极化方向和独立电调划分成若干相互独立的系统，每一系统往往由一列同频率阵元组成。对于一个系统，垂直方向是一列线阵，对应半功率角主要由阵元数量和间距决定；而水平方向只有一个阵元，对应半功率角只能通过边界进行控制。上述现实决定了水平方向半功率角的优化成为基站天线设计的一道难题。由于采用高低频阵元交错排列，混合组阵方式，在优化低频半功率角时必须兼顾对高频半功率角的影响；反之，在优化高频半功率角时亦需兼顾对高频半功率角的影响。不仅于此，基站天线的小型化使得系统与系统之间的耦合愈发严重，相邻两列之间阵元的电磁耦合，特别是低频阵元之间的电磁耦合使辐射波束变形严重，水平波宽展宽，增益下降。现有技术一般设计流程是：通过优化反射板翻边、隔离条、升高阵元、弯折地板、地板开槽，及加载寄生单元等边界手段使每一个阵元的辐射方向图均达到指标要求。这种设计方法固然可以使天线整体性能达标，然而，设计难度大、优化参数多，且存在诸多不确定因素，特别是对天线尺寸和性能要求较为苛刻的时候仅通过优化边界很难同时满足各项指标。单纯依靠优化边界，很多情况下水平半功率角过宽而不满足设计指标；利用常见的3db电桥，从另一个通道“借用”一个单元压缩波宽又会使半功率角过窄，同时造成波束变形严重。为解决以上设计难题。

因此，提供一种小型化、性能优越、成本低、低损耗、高隔离、波束宽、实现所需半功率角的基站天线及其波束整形方法实为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种波束宽、隔离度高、性能优越的基站天线及其波束整形方法。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种基站天线，其包括至少两列共轴排列的辐射单元阵列，还包括分别给所述两列辐射单元馈电的电缆，所述电缆通过弱耦合电桥与所述两列辐射单元连接，并且通过所述弱耦合电桥对辐射单元波束进行赋形。

优选的，所述弱耦合电桥采用两条微带线实现，包括耦合段、过渡段和四个端口，所述四个端口分别包括输入端、耦合端、直通端、隔离端，两条微带线在耦合段并行，在过渡段实现阻抗匹配。

优选的，所述弱耦合电桥的四个端口分别连接两列天线阵列馈电电缆以及两列天线阵列的相应阵元，组成二元子阵。

优选的，所述两列辐射单元的馈电电缆分别连接所述弱耦合电桥的输入端和隔离端，所述耦合端和直通端分别连接所述两列辐射单元，所述隔离端与输入端保持高度隔离。

优选的，所述弱耦合电桥采用单层双面pcb板制备，与电缆之间的馈电点在pcb板正面焊接，电缆从pcb板背面走线。

本发明还提供一种应用于基站天线的波束整形方法，所述波束整形方法应用于如上所述的基站天线，不同通道的两列天线相应阵元通过弱耦合电桥实现波束叠加，所述弱耦合电桥的四个端口分别包括输入端、耦合端、直通端、隔离端，该四个端口分别连接两列天线阵列馈电电缆以及两列天线阵列的相应阵元，组成二元子阵，采用所述弱耦合电桥对所述二元子阵进行波束整形时，当其中一个通道为使用通道时，另一通道的阵元通过耦合端馈入微弱电信号进行激励，与使用通道的主馈电列中对应阵元通过波束叠加达到所需水平半功率角。

优选的，所述弱耦合电桥与两列天线阵列馈电电缆的移相器连接。

优选的，所述弱耦合电桥的耦合系数在-20db～-10db。

优选的，采用所述弱耦合电桥对所述二元子阵进行波束整形之前，还包括判断是否加载所述弱耦合电桥到二元子阵的步骤，其包括：

读取各端口分别加激励的电场仿真结果；

对于每一种二元子阵组合通过线性叠加获得对应的方向图数据；

将该数据与预定指标进行比较，计算二元子阵组合对应的适应度；

对上述过程实施二进制粒子群优化。

优选的，所述判断流程中的算法采用0和1组成的字符串代表二元子阵排列组合，分别代表二元子阵被选中或未被选中。例如：0代表二元子阵被选中，对应振子之间用所述弱耦合电桥连接，1代表二元子阵未被选中，对应振子不连接所述弱耦合电桥；或相反。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明公开了一种基于弱耦合电桥的两列复用水平波束半功率角一致性解决方案，采用本发明，水平半功率角通过波束整形(beam-reshaping)进行实现，轻松实现所需的水平半功率角；于此同时，前后比和交叉极化也获得一定程度改善。

本发明创造性地提出利用弱耦合电桥构建分组的二元子阵，通过优化二元子阵组合配置方案实现所需水平半功率角；弱耦合电桥合成水平波束的方案利用弱耦合电桥的耦合端向另一通道施加微弱激励信号从而抵消了阵元间耦合和边界的影响，用波束叠加取代了边界优化，将困难的边界优化问题转化为较为容易的波束叠加问题，使双通道双列天线的设计从繁杂的边界优化中解脱出来，大大降低了设计难度，缩短了产品设计周期；显著改善了水平半功率角的一致性，扩大了水平半功率角设计区间。此外，该发明专利在一定程度上改善了天线前后比和交叉极化。本发明基站天线中的高低频阵元互不影响，简化了仿真流程，低成本的水平半功率角一致性解决方案，便于在基站天线阵列中批量部署。

【附图说明】

图1为本发明基站天线实施例示意图；

图2为本发明双列共用波束整形方法原理图；

图3为本发明基于二进制粒子群优化算法的二元组优化流程。

【具体实施方式】

请参阅图1，本发明基站天线实施例示意图，其包括至少两列独立电调的辐射单元阵列，每一所述辐射单元阵列包括高频辐射单元200和低频辐射单元100，该双频共轴阵列天线还包括分别给所述高频辐射单元和低频辐射单元馈电的电缆410、420，其中给所述低频辐射单元100馈电的电缆410通过弱耦合电桥300与所述两列辐射单元阵列中的低频辐射单元连接，并且通过所述弱耦合电桥300对辐射单元波束进行赋形。更近一步地，所述弱耦合电桥300与两列天线阵列馈电电缆的移相器连接。其中所述的低频辐射单元可以是中低频辐射单元。

该实施例对698～960mhz和1710～2690mhz双频两列共轴型阵列的中低频部分实施波束赋形，改善水平方向半功率角一致性。在该种结构的两列双频共轴型阵列中，两列独立电调子系统受到天线内部空间限制，两列之间发生强烈的电磁耦合，其中低频振子之间的耦合尤为严重，采用常规的边界优化方法难以满足低频水平半功率角的设计指标。本发明通过弱耦合电桥使双频共轴阵列的低频振子组成互易的二元组，将困难重重的边界优化问题转化为二元阵列水平波束赋形问题，通过调节二元组连接电缆的长度优化其相位从而实现所需的水平半功率角。

本实施例中，所述弱耦合电桥采用两条微带线实现，包括耦合段、过渡段和四个端口，所述四个端口分别包括输入端、耦合端、直通端、隔离端，两条微带线在耦合段并行，在过渡段实现阻抗匹配。所述弱耦合电桥的四个端口分别连接两列天线阵列馈电电缆以及两列天线阵列的相应阵元，组成多个二元子阵。

具体的，所述两列辐射单元的馈电电缆分别连接所述弱耦合电桥的输入端和隔离端，所述耦合端和直通端分别连接所述两列辐射阵元，所述隔离端与输入端保持高度隔离。所述两列辐射阵元以及馈电网络具有互易性。

所述弱耦合电桥的耦合系数较佳取值在-20db～-10db，工作频率为690～960mhz。

具体的，所述弱耦合电桥采用单层双面pcb板制备，与电缆之间的馈电点在pcb板正面焊接，电缆从pcb板背面走线。接不同极化方向的弱耦合电桥的pcb板相互背向安装，所述耦合电桥的电介质相对介电常数为3.0，pcb基板厚度0.76mm，所述pcb板背面铜箔接地，铜箔厚度0.035mm。

注意：图中仅显示了弱耦合电桥可能的插入位置，实际应用中，弱耦合电桥的配置跟耦合系数、移相器功分比、列间距、单列包含的阵元数目均有关系，需通过优化算法流程进行优化后获得优化配置方案。

请结合参阅图2和图3，以图1实施例基站天线为例说明所述波束整形方法，所述波束整形方法应用于如上所述的基站天线，图2中所示包括左列振子i(i＝1,……n，n为自然数)、右列振子i(i＝1,……n，n为自然数)，不同通道的两列天线相应阵元通过13db弱耦合电桥(i＝1,……n，n为自然数)实现波束叠加，所述弱耦合电桥的四个端口分别包括输入端p1、耦合端p3、直通端p2、隔离端p4，该四个端口分别连接两列天线阵列馈电电缆以及两列天线阵列的相应阵元，组成二元子阵，采用所述弱耦合电桥对所述二元子阵进行波束整形时，当其中一个通道为使用通道时，另一通道的阵元通过耦合端馈入微弱电信号进行激励，与使用通道的主馈电列中对应阵元通过波束叠加达到所需水平半功率角。具体数据显示，其中输入端p1与隔离端p4的耦合系数s(p4，p1)＜-25db，输入端p1与直通端p2的耦合系数s(p2，p1)＞-0.4db，输入端p1与耦合端p3的耦合系数-13.3＜s(p3，p1)＜-12.8db。

例如，所述基站天线包括左、右两通道，当使用左通道时，右通道中的阵元通过耦合端馈入微弱电信号进行激励，与左边主馈电阵列中对应阵元通过波束叠加达到所需水平半功率角要求；反之，当使用右通道时，左通道中阵元通过耦合端馈入微弱电信号进行激励，与右边主馈电阵列列中对应阵元通过波束叠加达到所需水平半功率角要求。

从图2可以分析出，本发明的顺利实施取决于所述弱耦合电桥的耦合系数和二元组的优化组合。如图3所示，采用所述弱耦合电桥对所述二元子阵进行波束整形之前，还包括判断是否加载所述弱耦合电桥到二元子阵的步骤，其包括：

1)读取各端口分别加激励的电场仿真结果；

2)对于每一种二元子阵组合通过线性叠加获得对应的方向图数据；

3)将该数据与预定指标进行比较，计算二元子阵组合对应的适应度；

4)对上述过程实施二进制粒子群优化。

图3是基于二进制粒子群优化算法的二元组优化设计流程。以图1所示698～960mhz/1710～2690mhz共轴两列天线为例，该实施例中698～960mhz低频段采用所述弱耦合电桥的两列共用水平波束整形方法，所述判断流程中的算法采用0和1组成的字符串代表二元子阵排列组合，分别代表二元子阵被选中或未被选中。例如：0代表二元子阵被选中，对应振子之间用所述弱耦合电桥连接，1代表二元子阵未被选中，对应振子不连接所述弱耦合电桥；或相反。

如：“{10101}”代表第1、第3和第5对振子之间用电桥连接，而第2和第4对振子不加电桥。利用二进制粒子群优化算法(binaryparticleswarmoptimization)对二元组的各种排列组合进行优化，优化过程如图3所示：首先读取各端口分别加激励的电场仿真结果rex/rey/rez，对于每一种二元组组合可通过线性叠加获得对应的方向图数据，将该数据与设计指标进行比较，计算二元组对应的适应度，对上述过程实施二进制粒子群优化，可获得二元组的最优配置。综上，图3所示二元组优化流程解决了弱耦合电桥加载到哪些振子上的问题。

更进一步，为了实现水平半功率角的精确控制同时不使波束变形，同时考虑到制造工艺和成本，电桥耦合系数在-20db～-10db较为合适。出于实施效果的灵活性，可选用不同耦合系数，如：-10db/-13db/-16db系列化弱耦合电桥。

本发明公开了一种基于弱耦合电桥的基站天线双列共用整形方案，采用与传统上通过优化边界消除耦合的设计方法截然不同的策略，该方案有意识地利用耦合，即通过弱耦合电桥使两列阵元形成一一对应的二元阵列组，通过波束整形的方法实现所需的水平半功率角，从而大大降低了水平半功率角的设计困难。

应当指出：本发明所公开的波束整形(beam-reshaping)方案与通常所称的波束成形(beam-forming)技术有根本的不同。表现在：本发明通过优化弱耦合电桥的耦合系数和二元组的组合实现特定的水平半功率角；而波束成形则是通过优化阵元相位对波束形状和指向进行调整。更进一步，本发明的有如下特征：1)通过弱耦合电桥在独立电调的两个通道间建立若干二元子阵列。弱耦合电桥的耦合系数通常在-10db以下，出于应用的灵活性，可以设计耦合系数不同的系列化弱耦合电桥；2)通过对电桥耦合系数进行灵活配置和对二元组排列组合进行优化，实现所需的水平半功率角。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。