宽带混合波束成形一体化天线阵制造技术

本发明专利技术公开一种宽带混合波束成形一体化天线阵，包括双向移相收发阵列、天线阵列以及控制与校准单元；双向移相收发阵列包括至少一个同相功分模块和多个双向移相收发单元，同相功分模块用于将一路射频信号同相等幅功分为多路射频信号，双向移相收发单元包括用于放大射频通道信号的射频收发前端模块和用于调整射频通道的相位以及幅度的正交合成移相模块；天线阵列用于辐射或接收各射频通道的信号；控制与校准单元的一端用于对整个宽带混合波束成形一体化天线阵的波束成形进行控制与校准。通过该天线阵，各射频通道信号调整的精度高，可在水平面内形成准确的、低副瓣或者无副瓣的波束指向，更有利于进行多用户同时通信。

【技术实现步骤摘要】
宽带混合波束成形一体化天线阵
本专利技术涉及一种无线通信MIMO收发阵列，尤其设计一种高性能的宽带混合波束成形一体化天线阵，属于通信多波束合成应用技术。
技术介绍
在第五代移动通信中，用户端与基站之间的数据传输速度将大幅度提高，因此，单一通道的通信系统将逐步被淘汰，大规模MIMO技术将成为第五代移动通信系统的关键技术。但是，随着射频通道数目以及天线阵列数目的增加，通信基站的硬件成本也在显著增加，全数字波束成形基站要求每一个天线阵列对应一个完整的射频通道与数字基带处理单元，因此硬件设计复杂，且大量高速宽带的模拟数字转换器以及高速数字处理器的单元不仅价格昂贵，并且功耗大，控制复杂，不利于进行基站的大规模集成应用。相比之下，采用数字基带域预编码与射频模拟域移相结合的混合波束成形结构，可以有效减少数字硬件，降低系统复杂度，在实际应用中具有极大的优势。其中，直接在射频链路对射频信号进行相位调整具有很高的响应速度以及准确的移相精度等优点，相较于其他移相结构，在射频链路上移相无疑是结构最简单的，并且不会引入额外的噪声使得射频信号的信噪比恶化。而射频链路中的移相模块往往成为制约射频链路移相发展的瓶颈，传统的电调移相器或者数字移相器存在价格高，精度低以及带宽窄的缺点；矢量调制器芯片可以具有较高的精度，但目前大多在低频段(小于2.4GHz)下作为移相模块使用。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种可在水平面内形成准确的波束指向的高性能宽带混合波束成形一体化天线阵，可应用于多用户波束成形通信系统。为实现上述目的，本专利技术公开一种宽带混合波束成形一体化天线阵，包括双向移相收发阵列、天线阵列以及控制与校准单元；其中：双向移相收发阵列包括至少一个同相功分模块和多个双向移相收发单元；同相功分模块包含多个功分器，用于将一路射频信号同相等幅功分为多路射频信号；双向移相收发单元包括电连接的射频收发前端模块和正交合成移相模块，射频收发前端模块用于放大射频通道信号，正交合成移相模块用于调整射频通道的相位以及幅度，射频通道包括接收和发射信号通道；天线阵列包含多个天线单元，用于辐射或接收各射频通道的信号；控制与校准单元的一端与各双向移相收发单元相连接，另一端连接基带处理板，用于对整个宽带混合波束成形一体化天线阵的波束成形进行控制与校准。进一步的，正交合成移相模块包括正交耦合器、第一数控衰减器、第三射频开关、第一传输线变压器、第二数控衰减器、第四射频开关、第二传输线变压器以及功率合成器；正交耦合器的输入端连接同相功分模块，正交耦合器的0度输出端依次经过第一数控衰减器、第三射频开关、第一传输线变压器与功率合成器的第一输入端口相连；正交耦合器的90度输出端依次经过第二数控衰减器、第四射频开关、第二传输线变压器与功率合成器的第二输入端口相连，功率合成器的公共端口与所述射频收发前端模块相连。进一步的，正交耦合器、数控衰减器、射频开关、传输线变化器以及功率合成器均采用宽带器件，工作带宽范围为500MHz，中心频率覆盖范围从2.5GHz至3.5GHz。进一步的，射频收发前端模块包括接收放大链路、发射放大链路、第一射频开关和第二射频开关；其中，第一射频开关的公共端连接正交合成移相模块，第一射频开关的发射端口通过发射放大链路连接第二射频开关的发射端口；第二射频开关的公共端连接天线阵列，第二射频开关的接收端口通过接收放大链路连接第一射频开关的接收端口。进一步的，发射放大链路包括依次连接的带通滤波器、射频放大器和功率放大器，用于在射频开关拨在发射端口时对从正交合成移相模块出来的信号进行滤波和放大后送入天线阵列进行辐射；接收放大链路包括依次连接的低噪声放大器、带通滤波器和射频放大器，用于在射频开关拨在接收端口时对从天线阵列接收到的射频信号进行放大和滤波后送入正交合成移相模块。进一步的，低噪声放大器工作频段为50MHz～4GHz，噪声系数为1.5dB；射频放大器的工作范围在50MHz～6GHz；功率放大器的工作范围在200MHz～6GHz；带通滤波器的性能要求为通带内插损小于2dB，带外杂散抑制达到30dB。进一步的，控制与校准单元包括控制部、控制接口及只读存储器；只读存储器与控制部连接通信，控制部的输入端连接基带处理板，输出端通过控制接口连接各双向移相收发单元；控制部可选用可编程逻辑器件或单片机。进一步的，只读存储器内储存有控制字表，所述控制字表包含作为控制字的预先写入的相位及幅度值；预先写入的相位及幅度值是通过基带处理板在对各射频通道进行初始相位校准时写入，包括各射频通道的初始相位值及相对变化对应控制。进一步的，基带处理板在对各射频通道进行初始相位校准时，对于不同的射频通道将初始幅度调为一致，仅初始相位不同。进一步的，一体化天线阵采用线性阵列结构，包括至少两组双向移相收发子阵列和至少一组天线子阵列；所述天线阵列包含多个天线单元和多个功分器，功分器的公共端连接天线单元，功分器的分离端连接相邻两组双向移相收发子阵列中的两个双向移相收发单元。进一步的，天线单元采用宽带偶极振子天线，带宽范围为500MHz。有益效果：(1)通过对双向移相收发阵列的各个通道幅度以及相位的调整，可以在水平面内形成准确的波束指向，并可以对天线旁瓣进行抑制；且波束指向精度可达0.31度，覆盖范围可达110度；在不同角度之间的变换时间均可在3us内通过正交合成移相模块实现完成，不影响通信符号的正常传输。(2)正交合成移相模块可对信号的相位及幅度分别调整，每个通道内射频信号调整相位精度可达到1度，幅度精度可达到0.5dB；生成的低副瓣或者无副瓣波束，以减少副瓣干扰，更有利于进行多用户同时通信这一功能；且正交合成移相模块不改变射频信号的频率，因此对射频信号的相位噪声影响很小，在对射频信号进行幅度及相位调整时并不影响信号本身的相位噪声。(3)由于采用无源的正交合成移相模块来控制射频信号相位及幅度变化，使得传输的信号带外杂散非常少，引入的噪声也非常少，对射频信号的信噪比无明显恶化。(4)本专利技术正交移相合成模块各个器件均采用宽带器件，工作带宽可达500MHz，并且中心频率覆盖范围从2.5GHz至3.5GHz，可覆盖未来第五代移动通信的部分频段，解决了传统结构覆盖范围窄，工作带宽窄的缺点。(5)基带处理板通过控制部即可对各个射频通道中信号的幅度和相位进行单独调整，控制方法简便；控制与校准单元采用自动校准方式，通过控制部与基带处理板可以自动对初始相位进行校准，减少了时间以及资源浪费。(6)两组双向移相收发子阵列可分别对输入的射频信号进行波束成形，通过功分器将不同的子阵列连接至同一组天线子阵列可以在同一组天线子阵列上辐射出两个不相干的波束，互相独立，互不影响，从而实现与两个用户同时进行通信传输的目的；同样的，也可以通过多个双向移相收发子阵列共用一组或多组天线子阵列，以实现同时进行多用户通信。(7)天线阵列采用线阵结构，能增大天线辐射功率，提高定向性，且组阵简单，天线间互耦较小；天线阵列采用宽带偶极振子天线，覆盖范围广，保证工作频带范围内的电磁波信号能够发射与接收，制作成本低。(8)一体化天线阵采用模块化创新设计，对各双向移相收发单元实现单独控制，在部分双向移相收发单元损坏的情况下依然能保持较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带混合波束成形一体化天线阵，其特征在于：包括双向移相收发阵列、天线阵列以及控制与校准单元；其中，所述双向移相收发阵列包括至少一个同相功分模块和多个双向移相收发单元；所述同相功分模块包含多个功分器，用于将一路射频信号同相等幅功分为多路射频信号；所述双向移相收发单元包括用于放大射频通道信号的射频收发前端模块和用于调整射频通道的相位以及幅度正交合成移相模块，射频通道包括接收和发射信号通道；所述天线阵列包含多个天线单元，用于辐射或接收各射频通道的信号；所述控制与校准单元的一端与各双向移相收发单元相连接，另一端连接基带处理板，用于对整个宽带混合波束成形一体化天线阵的波束成形进行控制与校准。

【技术特征摘要】
1.一种宽带混合波束成形一体化天线阵，其特征在于：包括双向移相收发阵列、天线阵列以及控制与校准单元；其中，所述双向移相收发阵列包括至少一个同相功分模块和多个双向移相收发单元；所述同相功分模块包含多个功分器，用于将一路射频信号同相等幅功分为多路射频信号；所述双向移相收发单元包括用于放大射频通道信号的射频收发前端模块和用于调整射频通道的相位以及幅度正交合成移相模块，射频通道包括接收和发射信号通道；所述天线阵列包含多个天线单元，用于辐射或接收各射频通道的信号；所述控制与校准单元的一端与各双向移相收发单元相连接，另一端连接基带处理板，用于对整个宽带混合波束成形一体化天线阵的波束成形进行控制与校准。2.根据权利要求1所述的一体化天线阵，其特征在于：所述正交合成移相模块包括正交耦合器、第一数控衰减器、第三射频开关、第一传输线变压器、第二数控衰减器、第四射频开关、第二传输线变压器以及功率合成器；正交耦合器的输入端连接同相功分模块，正交耦合器的0度输出端依次经过第一数控衰减器、第三射频开关、第一传输线变压器与功率合成器的第一输入端口相连；正交耦合器的90度输出端依次经过第二数控衰减器、第四射频开关、第二传输线变压器与功率合成器的第二输入端口相连，功率合成器的公共端口与所述射频收发前端模块相连。3.根据权利要求2所述的一体化天线阵，其特征在于：所述正交耦合器、数控衰减器、射频开关、传输线变化器以及功率合成器均采用宽带器件，工作带宽范围为500MHz，中心频率覆盖范围从2.5GHz至3.5GHz。4.根据权利要求1所述的一体化天线阵，其特征在于：所述射频收发前端模块包括接收放大链路、发射放大链路、第一射频开关和第二射频开关；其中，第一射频开关的公共端连接正交合成移相模块，第一射频开关的发射端口通过发射放大链路连接第二射频开关的发射端口；第二射频开关的公共端连接天线阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：周健义，张若峤，杨彬祺，于志强，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32