一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線的製作方法

2023-07-25 06:28:21

專利名稱：一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種有源天線，具體說是一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線。
背景技術：
天線是各種無線通信系統的關鍵部件之一，衡量其優劣的主要技術指標有阻抗帶寬、波束寬度、副瓣電平、增益和效率等。天線輻射單元的導體損耗、介質損耗、饋電網絡的插入損耗以及饋線的損耗會大大降低整個系統的效率，從而致使相當比例的發射機功率被天線和饋線所耗散，而且嚴重影響接收靈敏度。因此，高效率和智能化就成為下一代無線通信天線的研究目標。傳統的蜂窩移動通信基站主要由天線、饋線電纜和射頻收發信機組成，塔頂的天線通過一定長度的饋線電纜與下面的收發信機相連接。對於下行鏈路，射頻發射機的輸出功率通過饋線電纜饋入安裝於塔頂的天線並發射到空中；對於上行鏈路，手機信號被塔頂基站天線接收後通過饋線電纜進入塔下的射頻接收機。傳統基站天線大多採用扇面輻射方 向圖的定向天線，水平面波束寬度一般為120度(IOdB波束寬度)，增益一般約為14. 5dBi。這樣的天線一般由垂直方向的8 12個單元的陣列構成。天線輻射單元的導體損耗、介質損耗、饋電網絡的插損以及饋線的損耗會大大降低天饋系統的效率，從而致使相當比例的發射機功率被天線和饋線所耗散，而且嚴重影響接收靈敏度。天線效率沒有計及饋線電纜的損耗，顯然對於上述基站來說，將天線與饋線(即天饋系統)整體考慮更適合描述和
v Pe^ap =—
Pt分析無線通信系統的性能。為此，我們定義天饋效率如下式中，Eaf表不天饋效率(Effciency of Antenna and Feeding Cable), Pe 是指真正輻射到空中的有效輻射功率，Pt是指射頻發射機的輸出功率。對於傳統基站和基站扇面天線情況，通常饋線長度可達幾十米，損耗可達3dB，甚至更大；扇面天線內部饋電網絡的損耗通常約f2dB。相比之下，輻射單元的導體損耗、介質損耗以及良好匹配時的反射損耗要小很多。因此，從射頻發射機輸出的功率只有不到一半被輻射出去，也就是說，此時的天饋效率Eaf〈50%。我們知道，在保證線性度的情況下射頻發射機輸出功率提高一倍，其成本將增加0. 8^1倍，其直流功耗將增加f I. 2倍。為了解決此問題，人們開始在實際應用中大量採用塔頂射頻技術，即將部分射頻或整個射頻子系統置於塔頂天線附近，這樣就可將饋線電纜壓縮到Im左右，損耗縮減到IdB以內(包括接頭損耗)。採用這種技術之後，顯然可將天饋系統的損耗減小到3dB以下，從而可使得天饋效率達到50% 70%。最近，有源一體化天線成為研究熱點，其基本思想是將饋線電纜全部去掉，將部分或整個射頻子系統與天線集成在一起。考慮到天線陣列的饋電網絡仍然存在，採用有源一體化天線技術後，天饋效率可提高到80%左右。除了效率，實際中還經常要求基站天線方向圖下傾角可電調。甚至方向圖垂直面可賦形，水平面可掃描也是期望的。因此，研究和實現高效率、波束可控、低功耗、低成本以及支持RoF(RadiC) overFiber)的各種優良特性的新型天線技術顯得極為迫切。

發明內容
發明目的本發明的目的是設計一種高效節能的有源一體化天線，使其在垂直平面內波束可控，並支持RoF。技術方案為了解決上述技術問題，本發明採用了如下的技術方案一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線陣列，它包括模擬光模塊、中頻收發模 塊、射頻收發模塊和天線單元；與近端機相連的模擬光模塊通過中頻收發模塊與若干射頻收發模塊相連，每個射頻收發模塊連接有一個天線單元。其中，所述的中頻收發模塊包括與模擬光模塊相連的發射模塊，發射模塊與中頻功分器相連；中頻收發模塊還包括與模擬光模塊相連的接收模塊，接收模塊與中頻合路器相連；所述的中頻功分器的輸出端通過射頻收發模塊與天線單元的饋電埠相連；所述的天線單元的饋電埠還通過射頻收發模塊與中頻合路器的輸入端相連。其中，所述的射頻收發模塊包括依次與中頻功分器相連的一號混頻器、一號移相器、放大器和射頻開關，射頻開關的另一端與天線單元的饋電埠相連；天線單元的饋電埠還通過射頻開關依次連接射頻接收模塊、二號移相器、二號混頻器，二號混頻器與中頻合路器相連。本發明的中頻模擬RoF型相控有源一體化天線包括天線單元、射頻收發、移相器、混頻器、中頻收發以及光模塊，其中中頻收發模塊包括了中頻功分器/合路器和放大電路部分；與傳統的陣列天線不同，本發明中的有源一體化天線陣列中每個天線單元都直接與一個完整的射頻收發模塊直接連接，各個單元的信號在中頻上完成功分/合路，通過中頻收發模塊後與光模塊相連接，最後信號可通過光模塊轉換為光信號後進行長距離的低損耗傳輸。每個天線單元後的射頻收發模塊的相位可控，這樣整個陣列的波束在垂直方向便可以進行掃描。有益效果本發明具有以下優點I )具有較高的天饋效率，可達80% 90%。採用有源一體化天線陣列的設計後，射頻收發模塊通過接頭與天線單元直接相連接，避免了傳統的RRU+無源天線陣列方案中饋線電纜帶來的損耗，同時因為功分/合路網絡是在中頻完成，相比於無源天線陣列的射頻功分/合路網絡，損耗會進一步降低，整體的損耗可以控制在IdB以內，系統的天饋效率可達80 % 90 %。2 :)垂直面內波束可進行掃描，波束在±40°範圍內可指向任意方向。本方案的射頻收發模塊相比傳統的RRU，每個通道都增加了一個高精度低損耗數控移相器，通過對移相器的控制可以設置天線陣列中每一個單元的相位，將每個天線單元的相位設置在合適的數值可以控制整個天線陣列的波束指向需要的方位，從而實現陣列波束在垂直平面內的波束掃描。
3)得益於天線陣列的波束指向可控，當天線陣列中一個或者幾個通道發生故障時，可通過調節剩餘通道的相位，對天線陣列的輻射波束指向進行調整，可以彌補因通道故障帶來的天線輻射方向的改變，從一定程度上增強了系統的穩定性。4)採用中頻模擬RoF，可進行低損耗傳輸，組網方便。


圖I是本發明中頻模擬RoF型相控有源一體化天線的結構示意圖，圖2是本發明的天線工作於發射狀態下的波束掃描(以10°為間隔)圖3是本發明的天線工作於接收狀態下的波束掃描(以10°為間隔)
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。如圖I所示，本發明的一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線陣列，包括模擬光模塊I、中頻收發模塊2、射頻收發模塊3和天線單元4 ;與近端機相連的模擬光模塊I通過中頻收發模塊2與若干射頻收發模塊3相連，每個射頻收發模塊3連接有一個天線單元4。電源為整個中頻模擬ROF型相控有源一體化天線供電，模擬光模塊I通過光纖與近端機的模擬光模塊相連。模擬光模塊I的作用是光電轉換，發送端把電信號轉換成光信號；通過光纖傳送後，接收端再把光信號轉換成電信號。中頻收發模塊2中的發射模塊21將從模擬光模塊I傳遞來的中頻信號進行放大，然後經中頻功分器22傳遞給各個射頻發射通道；中頻接收模塊2的中頻合路器相24接收從射頻收發模塊3各個通道發過來的信號，中頻合路器24將各路信號合成一路信號，然後經接收模塊23放大後傳遞給模擬光模塊I。射頻收發模塊3是有源一體化天線陣列的核心部分，發射部分將中頻功分器22傳遞來的中頻信號上變頻到射頻頻率後進行濾波、移相和放大後，傳遞給天線單元4 ;射頻接收模塊37將天線單元4傳遞來的弱信號進行濾波和放大後，並下變頻到中頻頻率，然後各個通道的信號在中頻合路器24裡面完成合路。天線單元4是一個能量轉化裝置，將射頻發射模塊3產生的信號轉換為電磁波發射到空間去，並將空間的電磁波收集後轉換為射頻信號傳遞給射頻接收模塊3。其中，所述的中頻收發模塊2包括與模擬光模塊I相連的發射模塊21，發射模塊21與中頻功分器22相連；中頻收發模塊2還包括與模擬光模塊I相連的接收模塊23，接收模塊23與中頻合路器相24連。所述的射頻收發模塊3包括依次與中頻功分器22相連的一號混頻器31、一號移相器32、放大器33、射頻開關34 ;射頻開關34的另一端與天線單元4的饋電埠相連；天線單元4的饋電埠還通過射頻開關34依次連接射頻接收模塊37、二號移相器36、二號混頻器35，二號混頻器35與中頻合路器24相連。一號混頻器31、一號移相器32、放大器33、射頻開關34組成了射頻收發模塊3的發射部分，二號混頻器35、二號移相器36、射頻接收模塊37和射頻開關34組成了射頻收發模塊3的接收部分。其中，射頻開關37可以是普通的開關或者雙工器，所述的射頻接收模塊37包括依次與射頻開關34相連的濾波電路和放大器。
中頻功分器22的輸出端通過射頻收發模塊3與天線單元4的饋電埠相連；所述的天線單元4的饋電埠通過射頻收發模塊3與中頻合路器24的輸入端相連。射頻收發模塊3通過移相器可以控制天線陣列中每一個通道的相位，將每個通道的相位設置在合適的數值可以控制整個天線陣列的波束指向需要的方位，從而實現垂直平面內的波束掃描。本發明的每個天線單元4都與一個獨立的射頻收發模塊3直接相連接，與傳統的RRU (射頻拉遠模塊)+無源天線陣列相比，在保證整個天線陣列的EIRP (有效全向輻射功率)相同的條件下，本方案中單個射頻發射模塊需要的射頻輸出功率僅為傳統RRU方案中功率放大器輸出功率的1/N(N為天線陣列的數目，一般為8-12)，這樣就可以採用中小型功率放大器來替換普通RRU方案中的大功率放大器，降低了系統對散熱方面的要求，並可以進一步降低系統的成本和電路面積；同時因為最大發射功率的降低，在FDD系統中可以降低 對雙工器的功率容量的要求，進一步降低系統的成本和體積。相比傳統的RRU，本發明的射頻收發模塊每個通道都增加了一個數控移相器，通過對移相器的控制可以設置天線陣列中每一個單元的相位，將每個天線單元的相位設置在合適的數值可以控制整個天線陣列的波束指向需要的方位，從而實現陣列波束在垂直平面內的波束掃描。本發明的中頻模擬RoF型相控有源一體化天線的射頻收發模塊3的相位可以控制，通過設置特定的相位，可以使得陣列在垂直平面內的波束指向需要的角度，實現波束掃描的功能。而射頻收發模塊3直接通過接頭與天線單元4相連接，降低了饋線和饋電網絡的損耗，提高了天饋效率。下面結合本發明的一個實施例天線來進一步說明，該實施例天線為中頻模擬RoF型相控有源一體化天線，其射頻工作頻段為2. 3GHz 2. 4GHz，系統工作在TDD模式，收發通過開關進行切換，中頻頻率為IGHz I. IGHz,陣列為8單元均勻分布線性陣列，每個射頻單元最大發射功率為21dBm，天線單元的增益為7dB，整個陣列最大的EIRP為45. 5dBm(0. 5dB的損耗)。陣列的輻射波束在垂直平面的3dB波束寬度為10°，可在±40°範圍內指向任意角度。圖2和圖3為本發明天線的波束掃描結果，測量時以10°為間隔，實際可以指向任意角度，從測試結果可以看出，發射和接收狀態下的波束掃描均可以在±40°範圍內精確指向要求的位置。圖2和圖3給出了實施例有源天線在發射和接收狀態下的波束掃描結果，從結果可以看出，該有源一體化天線陣列的波束在垂直平面內可根據系統需要進行調整，將該實施例天線用作移動通信的基站天線系統時，可以根據業務需要適時調整波束的指向，得到最優化覆蓋；而得益於天線陣列的波束指向可控特性，當該實施例天線陣列中一個或者幾個通道發生故障時，可通過調節剩餘通道的相位，對天線陣列的波束指向進行調整，彌補因通道故障帶來的天線輻射方向的改變，從一定程度上增強了系統的穩定性。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線陣列，其特徵在於它包括模擬光模塊(I)、中頻收發模塊(2)、射頻收發模塊(3)和天線單元(4);與近端機相連的模擬光模塊(I)通過中頻收發模塊(2 )與若干射頻收發模塊(3 )相連，每個射頻收發模塊(3 )連接有一個天線單元(4)。
2.根據權利要求I所述的一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線陣列，其特徵在於所述的中頻收發模塊(2)包括與模擬光模塊(I)相連的發射模塊(21)，發射模塊(21)與中頻功分器(22)相連；中頻收發模塊(2)還包括與模擬光模塊(I)相連的接收模塊(23)，接收模塊(23)與中頻合路器相(24)連； 所述的中頻功分器(22)的輸出端通過射頻收發模塊(3)與天線單元(4)的饋電埠相連；所述的天線單元(4)的饋電埠還通過射頻收發模塊(3)與中頻合路器(24)的輸入端相連。
3.根據權利要求2所述的一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線陣列，其特徵在於所述的射頻收發模塊(3)包括依次與中頻功分器(22)相連的一號混頻器(31)、一號移相器(32)、放大器(33)和射頻開關(34)，射頻開關(34)的另一端與天線單元(4)的饋電埠相連；天線單元(4)的饋電埠還通過射頻開關(34)依次連接射頻接收模塊(37)、二號移相器(36)、二號混頻器(35)，二號混頻器(35)與中頻合路器(24)相連。
全文摘要
本發明公開了一種中頻模擬RoF型相控有源一體化天線陣列，它包括模擬光模塊、中頻收發模塊、射頻收發模塊和天線單元；與近端機相連的模擬光模塊通過中頻收發模塊與若干射頻收發模塊相連，每個射頻收發模塊連接有一個天線單元。與傳統的陣列天線不同，本發明中的有源一體化天線陣列中每個天線單元都直接與一個完整的射頻收發模塊直接連接，各個單元的信號在中頻上完成功分/合路，通過中頻收發模塊後與光模塊相連接，最後信號可通過光模塊轉換為光信號後進行長距離的低損耗傳輸；每個天線單元後的射頻收發模塊的相位可控，這樣整個陣列的波束在垂直方向便可以進行掃描。
文檔編號H01Q21/00GK102769212SQ20121025690
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月24日 優先權日2012年7月24日
發明者李林盛, 洪偉, 蒯振起, 陳喆, 陳繼新, 陳鵬 申請人:東南大學