專利名稱：具有可變波束寬度的波束形成網絡的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，尤其涉及一種具有可變波束寬度的波束形成網絡。
背景技術：
陣列天線系統在許多應用中需要具有可變波束寬度和變化的波束指向。比如，在移動通信系統中，隨著移動通信技術的不斷發展和完善，現代移動通信已經走進千家萬戶，成為人們生活中不可或缺的一部分。在當今通信聯系日益加強的狀況下，對通信系統的要求也越來越高。在日益多樣化、復雜化的現代通信應用環境中，隨著移動用戶數量的激增、網絡覆蓋的密集化、覆蓋區域的廣闊化、網絡容量的擴大化，有時容量和覆蓋區域的方位都是動態的。容量較低時，只需要一個波束就能滿足應用，而在某些高容量區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需要變化。
現有技術中，一種就是如圖1所示的標準Butler(巴特勒)矩陣網絡50。可參見1966年由J.L.Butler發明的專利“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絡主要由4個90度3dB電橋41、42、43、44和固定相移裝置51、52構成。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絡構成，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。這種網絡結構比較簡單，可以同時形成4個波束，也可以按照需求進行波束切換。但是，這種網絡的形成波束都是固定波束，其波束指向和波束寬度都是預設的，不可變的。而且當用戶位于波束邊緣、干擾信號位于波束最大位置時，則接收效果最差，不能實現最佳信號接收。
現有的另一種技術可參見1977年Joseph H.Provencher發明的專利“Multibeam adaptive array”(U.S.Pat.No.4,032,922)，其實施方案見圖4。這種波束形成網絡是在標準Butler矩陣網絡的基礎上改進而成的。其中的開關電路61可以根據實際需要設計為單刀多擲、多刀多擲等多種形式，聯合合成網絡62，可以在預設的范圍內實現波束指向和波束寬度的開關可變。但這種網絡依然采用固定波束，不能實現波束指向和波束寬度的可變，在當今越來越復雜的通信應用環境中不能滿足靈活、多變的應用需要。
發明內容本發明的目的就是要為了提供一種基于巴特勒(Butler)矩陣網絡的具有可變波束寬度的波束形成網絡，以克服上述固定波束的缺陷，實現對波束指向和波束寬度的可變，以滿足應用環境因素，如通信容量、覆蓋區域方位、覆蓋范圍等對天線的性能要求。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的本發明具有可變波束寬度的波束形成網絡，包括天線陣列，包括多個天線陣元列；巴特勒矩陣網絡，用以產生不同指向的波束，其輸出信號被耦合到所述天線陣列中對應的各個相應的天線陣元列上；混合網絡，同一時刻接受兩路信號的任意一路輸入，在其內調相后提供信號輸出至巴特勒矩陣網絡，用以改變輸入至巴特勒矩陣網絡的信號，進而相應地改變天線陣列的信號的饋電幅度和相位。
所述混合網絡包括第一3db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，每路信號均轉換為相差一定相位的信號，兩路信號各自轉換后的信號兩兩進行矢量疊加后，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。
所述混合網絡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。
與現有技術相比，本發明具備如下優點采用簡單的結構組成混合網絡，通過混合網絡擇一地接受信號的輸入并進行調相，間接調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為標準巴特勒矩陣結構原理示意圖；圖2為90度3db電橋的結構原理示意圖；圖3為180度3db電橋的結構原理示意圖；圖4為現有技術中一種多波束自適應陣列的波束形成網絡的結構原理示意圖；圖5為本發明的結構原理示意圖6為對應不同φ值，且第一、第二3db電橋均為90度時，所產生的兩個波束的變化情況；圖7為對應不同φ值，且第一3db電橋為180度、第二3db電橋為90度時，所產生的兩個波束的變化情況；圖8為對應不同φ值，且第一、第二3db電橋均為180度時，所產生的兩個波束的變化情況；圖9為對應不同φ值，且第一3db電橋為90度、第二3db電橋為180度時，所產生的兩個波束的變化情況。
具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明請參閱圖5，本發明具有可變波束寬度的波束形成網絡由如下各部分組成一個4×4巴特勒矩陣網絡50、一個能實現幅相可調的混合網絡70以及4個由多個天線陣元列21，22，23，24組成的天線陣列。
所述的混合網絡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絡50對應的四個輸入端口，所述的巴特勒矩陣網絡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陣元列21，22，23，24。
上述具有幅相可調的混合網絡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與巴特勒矩陣網絡50的相應輸入端口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絡50的相應輸入端口35、38相連接。
上述混合網絡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；也可以是其它的任意正實數。
上述混合網絡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。
而對于上述混合網絡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，相應的組合方式有四種，下面詳細分析各種不同組合方式及其作用效果(1)、當第一和第二3dB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，對應于從輸入端口82輸入信號時所得波束。
①、如圖6(a)所示，當可變移相器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關于天線陣面法線與波束1鏡像；②、如圖6(b)所示，當可變移相器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關于天線陣面法線與波束1鏡像；④、如圖6(d)所示，當可變移相器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)、當第二3dB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，對應于從輸入端口82輸入信號時所得波束。
①、如圖7(a)所示，當可變移相器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關于天線陣面法線與波束1鏡像；③、如圖7(c)所示，當可變移相器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關于天線陣面法線與波束1鏡像；⑤、如圖7(e)所示，當可變移相器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)、當第一和第二3dB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，對應于從輸入端口82輸入信號時所得波束。
①、如圖8(a)所示，當可變移相器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關于天線陣面法線與波束1鏡像；②、如圖8(b)所示，當可變移相器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關于天線陣面法線與波束1鏡像；④、如圖8(d)所示，當可變移相器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)、當第二3dB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，對應于從輸入端口82輸入信號時所得波束。
①、如圖9(a)所示，當可變移相器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關于天線陣面法線與波束1鏡像；③、如圖9(c)所示，當可變移相器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關于天線陣面法線與波束1鏡像；⑤、如圖9(e)所示，當可變移相器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，按照上述設計原則實現的波束形成網絡可以形成二個波束，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、復雜化的現代移動通信應用環境。
權利要求
1.一種具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于包括天線陣列，包括多個天線陣元列；巴特勒矩陣網絡，用以產生不同指向的波束，其輸出信號被耦合到所述天線陣列中對應的各個相應的天線陣元列上；混合網絡，同一時刻接受兩路信號的任意一路輸入，經調相后提供信號輸出至巴特勒矩陣網絡，用以改變輸入至巴特勒矩陣網絡的信號，進而相應地改變天線陣列的信號的饋電幅度和相位。
2.根據權利要求1所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于所述混合網絡包括第一3db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，每路信號均轉換為相差一定相位的信號，兩路信號各自轉換后的信號兩兩進行矢量疊加后，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行移相。
3.根據權利要求2所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，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.根據權利要求2所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，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。
5.根據權利要求2所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于所述混合網絡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.根據權利要求1至5任意一項所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于所述第二3db電橋為90度3db電橋。
7.根據權利要求1至5任意一項所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于所述第二3db電橋為180度3db電橋。
8.根據權利要求6所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于所述第一3db電橋為90度3db電橋。
9.根據權利要求7所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于所述第一3db電橋為90度3db電橋。
10.根據權利要求6所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于所述第一3db電橋為180度3db電橋。
11.根據權利要求7所述的具有可變波束寬度的波束形成網絡，其特征在于所述第一3db電橋為180度3db電橋。
全文摘要
本發明具有可變波束寬度的波束形成網絡包括天線陣列，包括多個天線陣元列；巴特勒矩陣網絡，用以產生不同指向的波束，其輸出信號被耦合到所述天線陣列中對應的各個相應的天線陣元列上；混合網絡，同一時刻接受兩路信號的任意一路輸入，在其內調相后提供信號輸出至巴特勒矩陣網絡，用以改變輸入至巴特勒矩陣網絡的信號，進而相應地改變天線陣列的信號的饋電幅度和相位。本發明采用簡單的結構組成混合網絡，通過混合網絡擇一地接受信號的輸入并進行調相，間接調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 優先權日2006年9月12日
發明者卜斌龍, 薛鋒章, 歐陽杰, 劉木林, 謝國慶, 徐東良 申請人:京信通信技術(廣州)有限公司