專利名稱：適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源天線，具體說是一種適用于FDD (Frequency DivisionDuplexing，頻分雙工)系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線。
背景技術(shù)：
天線是各種無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，衡量其優(yōu)劣的主要技術(shù)指標(biāo)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(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗以及饋線的損耗會(huì)大大降低整個(gè)系統(tǒng)的效率，從而致使相當(dāng)比例的發(fā)射機(jī)功率被天線和饋線所耗散，而且嚴(yán)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(biāo)。傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信基站主要由天線、饋線電纜和射頻收發(fā)信機(jī)組成，塔頂?shù)奶炀€通過一定長度的饋線電纜與下面的收發(fā)信機(jī)相連接。對(duì)于下行鏈路，射頻發(fā)射機(jī)的輸出功率通過饋線電纜饋入安裝于塔頂?shù)奶炀€并發(fā)射到空中；對(duì)于上行鏈路，手機(jī)信號(hào)被塔頂基站天線接收后通過饋線電纜進(jìn)入塔下的射頻接收機(jī)。傳統(tǒng)基站天線大多采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(gè)單元的陣列構(gòu)成。天線輻射單元的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、饋電網(wǎng)絡(luò)的插損以及饋線的損耗會(huì)大大降低天饋系統(tǒng)的效率，從而致使相當(dāng)比例的發(fā)射機(jī)功率被天線和饋線所耗散，而且嚴(yán)重影響接收靈敏度。天線效率沒有計(jì)及饋線電纜的損耗，顯然對(duì)于上述基站來說，將天線與饋線(即:天饋系統(tǒng))整體考慮更適合描述和EAF=Pe/Pt分析無線通信系統(tǒng)的性能。為此，我們定義天饋效率如下式中，Eaf表不天饋效率(Eff iciency 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(fā)射機(jī)的輸出功率。對(duì)于傳統(tǒng)基站和基站扇面天線情況，通常饋線長度可達(dá)幾十米，損耗可達(dá)3dB，甚至更大；扇面天線內(nèi)部饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗通常約I 2dB。相比之下，輻射單元的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗以及良好匹配時(shí)的反射損耗要小很多。因此，從射頻發(fā)射機(jī)輸出的功率只有不到一半被輻射出去，也就是說，此時(shí)的天饋效率Eaf〈50%。我們知道，在保證線性度的情況下射頻發(fā)射機(jī)輸出功率提高一倍，其成本將增加0.8 I倍，其直流功耗將增加I 1.2倍。因此，研究和實(shí)現(xiàn)高效率、波束可控、低功耗、低成本以及支持RoF(Radic) overFiber，光載無線通信)的各種優(yōu)良特性的新型天線技術(shù)顯得極為迫切。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線，使其在垂直平面內(nèi)發(fā)射通道與接收通道的波束指向獨(dú)立可控，高效節(jié)能。
技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線陣列，它包括光模塊、中頻收發(fā)模塊、射頻收發(fā)模塊和天線單元；與近端機(jī)相連的光模塊通過中頻收發(fā)模塊與多個(gè)射頻收發(fā)模塊相連，每個(gè)射頻收發(fā)模塊連接有一個(gè)天線單元。其中，所述的中頻收發(fā)模塊包括與光模塊相連的發(fā)射模塊，發(fā)射模塊與中頻功分器的輸入端相連；中頻收發(fā)模塊還包括與光模塊相連的接收模塊，接收模塊與中頻合路器的輸出端相連；所述的中頻功分器的輸出端通過射頻收發(fā)模塊與天線單元的饋電端口相連；所述的天線單元的饋電端口還通過射頻收發(fā)模塊與中頻合路器的輸入端相連。其中，所述的射頻收發(fā)模塊包括依次與中頻功分器相連的第一混頻器、第一移相器、放大器和雙工器，雙工器的另一端與天線單元的饋電端口相連；天線單元的饋電端口還通過雙工器依次連接射頻接收模塊、第二移相器和第二混頻器，第二混頻器與中頻合路器的輸入端相連。本發(fā)明的適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線包括天線單元、射頻收發(fā)、移相器、混頻器、中頻收發(fā)以及光模塊，其中中頻收發(fā)模塊包括了中頻功分器/合路器和放大電路部分；與傳統(tǒng)的陣列天線不同，本發(fā)明中的有源一體化天線陣列中每個(gè)天線單元都直接與一個(gè)完整的射頻收·發(fā)模塊直接連接，各個(gè)單元的信號(hào)在中頻上完成功分/合路，通過中頻收發(fā)模塊后與光模塊相連接，最后信號(hào)可通過光模塊轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后進(jìn)行長距離的低損耗傳輸。每個(gè)天線單元后的射頻收發(fā)模塊的相位可控，這樣整個(gè)陣列的波束在垂直方向便可以進(jìn)行掃描。有益效果:本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):I:)具有較高的天饋效率，可達(dá)80% 90%。采用有源一體化天線陣列的設(shè)計(jì)后，射頻收發(fā)模塊通過接頭與天線單元直接相連接，避免了傳統(tǒng)的RRU+無源天線陣列方案中饋線電纜帶來的損耗，同時(shí)因?yàn)楣Ψ?合路網(wǎng)絡(luò)是在中頻完成，相比于無源天線陣列的射頻功分/合路網(wǎng)絡(luò)，損耗會(huì)進(jìn)一步降低，整體的損耗可以控制在IdB以內(nèi)，系統(tǒng)的天饋效率可達(dá)80% 90%。2:)垂直面內(nèi)發(fā)射和接收通道的波束可獨(dú)立進(jìn)行掃描，波束在±40°范圍內(nèi)可指向任意方向。本方案的射頻收發(fā)模塊相比傳統(tǒng)的RRU (Radio Remote Unit,射頻拉遠(yuǎn)單元)，每個(gè)通道都增加了一個(gè)高精度低損耗數(shù)控移相器，通過對(duì)移相器的控制可以設(shè)置天線陣列中每一個(gè)單元的相位，將每個(gè)天線單元的相位設(shè)置在合適的數(shù)值可以控制整個(gè)天線陣列的波束指向需要的方位，從而實(shí)現(xiàn)陣列波束在垂直平面內(nèi)的波束掃描。因?yàn)樯漕l收發(fā)模塊中接收和發(fā)射通道的移相器是獨(dú)立可控，系統(tǒng)的接收和發(fā)射波束指向也是獨(dú)立可控。3)得益于天線陣列的波束指向可控，當(dāng)天線陣列中一個(gè)或者幾個(gè)通道發(fā)生故障時(shí)，可通過調(diào)節(jié)剩余通道的相位，對(duì)天線陣列的輻射波束指向進(jìn)行調(diào)整，可以彌補(bǔ)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(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4)采用RoF，可進(jìn)行低損耗傳輸，組網(wǎng)方便。


圖1是本發(fā)明適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的天線接收通道的波束掃描(以10°為間隔，波束指向可自定義)；
圖3是本發(fā)明的天線發(fā)射通道的波束掃描(以10°為間隔，波束指向可自定義)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1所示，本發(fā)明的一種適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線陣列，包括光模塊1、中頻收發(fā)模塊2、射頻收發(fā)模塊3和天線單元4 ;與近端機(jī)相連的光模塊I通過中頻收發(fā)模塊2與若干射頻收發(fā)模塊3相連，每個(gè)射頻收發(fā)模塊3連接有一個(gè)天線單元4。電源為整個(gè)ROF型相控有源一體化天線供電，光模塊I通過光纖與近端機(jī)的光模塊相連。光模塊I的作用是光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送端把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)；通過光纖傳送后，接收端再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。中頻收發(fā)模塊2中的發(fā)射模塊21將從光模塊I傳遞來的信號(hào)進(jìn)行處理，然后經(jīng)中頻功分器22傳遞給各個(gè)射頻發(fā)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(fā)模塊3各個(gè)通道發(fā)過來的信號(hào)，中頻合路器24將各路信號(hào)合成一路信號(hào)并進(jìn)行后續(xù)處理，然后經(jīng)接收模塊23進(jìn)一步處理后傳遞給光模塊I。射頻收發(fā)模塊3是有源一體化天線陣列的核心部分，發(fā)射部分將中頻功分器22傳遞來的中頻信號(hào)上變頻到 射頻頻率后進(jìn)行濾波、移相和放大后，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(hào)進(jìn)行濾波和放大后，并下變頻到中頻頻率，然后各個(gè)通道的信號(hào)在中頻合路器24里面完成合路。天線單元4是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化裝置，將射頻發(fā)射模塊3產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射到空間去，并將空間的電磁波收集后轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)傳遞給射頻接收模塊3。其中，所述的中頻收發(fā)模塊2包括與光模塊I相連的發(fā)射模塊21，發(fā)射模塊21與中頻功分器22的輸入端相連；中頻收發(fā)模塊2還包括與光模塊I相連的接收模塊23，接收模塊23與中頻合路器24的輸出端相連。所述的射頻收發(fā)模塊3包括依次與中頻功分器22相連的第一混頻器31、第一移相器32、放大器33、雙工器34 ;雙工器34的另一端與天線單元4的饋電端口相連；天線單元4的饋電端口還通過雙工器34依次連接射頻接收模塊37、第二移相器36、第二混頻器35，第二混頻器35與中頻合路器24的輸入端相連。第一混頻器31、第一移相器32、放大器33、雙工器34組成了射頻收發(fā)模塊3的發(fā)射部分，第二混頻器35、第二移相器36、射頻接收模塊37和雙工器34組成了射頻收發(fā)模塊3的接收部分。中頻功分器22的輸出端通過射頻收發(fā)模塊3與天線單元4的饋電端口相連；所述的天線單元4的饋電端口通過射頻收發(fā)模塊3與中頻合路器24的輸入端相連。射頻收發(fā)模塊3通過移相器可以控制天線陣列中每一個(gè)通道的相位，將每個(gè)通道的相位設(shè)置在合適的數(shù)值可以控制整個(gè)天線陣列的波束指向需要的方位，從而實(shí)現(xiàn)垂直平面內(nèi)的波束掃描。本發(fā)明的每個(gè)天線單元4都與一個(gè)獨(dú)立的射頻收發(fā)模塊3直接相連接，與傳統(tǒng)的RRU (射頻拉遠(yuǎn)模塊)+無源天線陣列相比，在保證整個(gè)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(gè)射頻發(fā)射模塊需要的射頻輸出功率僅為傳統(tǒng)RRU方案中功率放大器輸出功率的1/N(N為天線陣列的數(shù)目，一般為8-12)，這樣就可以采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(tǒng)對(duì)散熱方面的要求，并可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本和電路面積；同時(shí)因?yàn)樽畲蟀l(fā)射功率的降低，在FDD系統(tǒng)中可以降低對(duì)雙工器的功率容量的要求，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本和體積。相比傳統(tǒng)的RRU，本發(fā)明的射頻收發(fā)模塊每個(gè)通道都增加了一個(gè)數(shù)控移相器，通過對(duì)移相器的控制可以設(shè)置天線陣列中每一個(gè)單元的相位，將每個(gè)天線單元的相位設(shè)置在合適的數(shù)值可以控制整個(gè)天線陣列的波束指向需要的方位，從而實(shí)現(xiàn)陣列波束在垂直平面內(nèi)的波束掃描。本發(fā)明的RoF型相控有源一體化天線的射頻收發(fā)模塊3的相位可以控制，通過設(shè)置特定的相位，可以使得陣列在垂直平面內(nèi)的波束指向需要的角度，實(shí)現(xiàn)波束掃描的功能。而射頻收發(fā)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(wǎng)絡(luò)的損耗，提高了天饋效率。下面結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例天線來進(jìn)一步說明，該實(shí)施例天線為適用于WCDMA系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線，其射頻發(fā)射工作頻段為2110MHz 2170MHz，接收工作頻率為1920MHz 1980MHz，系統(tǒng)工作在FDD模式，收發(fā)通道通過雙工器進(jìn)行隔離，陣列為8單元均勻分布線性陣列，每個(gè)射頻單元最大發(fā)射功率為21dBm，天線單元的增益為7dB，整個(gè)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°范圍內(nèi)指向任意角度。圖2和圖3為本發(fā)明天線的波束掃描結(jié)果，測(cè)量時(shí)以10°為間隔，實(shí)際可以指向任意角度，從測(cè)試結(jié)果可以看出，發(fā)射和接收通道的波束掃描均可以在±40°范圍內(nèi)精確指向要求的位置。圖2和圖3給出了實(shí)施例有源天線在發(fā)射和接收狀態(tài)下的波束掃描結(jié)果，從結(jié)果可以看出，該有源一體化天線 陣列的波束在垂直平面內(nèi)可根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行調(diào)整，將該實(shí)施例天線用作移動(dòng)通信的基站天線系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要適時(shí)調(diào)整波束的指向，得到最優(yōu)化覆蓋；而得益于天線陣列的波束指向可控特性，當(dāng)該實(shí)施例天線陣列中一個(gè)或者幾個(gè)通道發(fā)生故障時(shí)，可通過調(diào)節(jié)剩余通道的相位，對(duì)天線陣列的波束指向進(jìn)行調(diào)整，彌補(bǔ)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(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線陣列，其特征在于:它包括光模塊(I)、中頻收發(fā)模塊(2)、射頻收發(fā)模塊(3)和天線單元(4);與近端機(jī)相連的光模塊(I)通過中頻收發(fā)模塊(2 )與多個(gè)射頻收發(fā)模塊(3 )相連，每個(gè)射頻收發(fā)模塊(3 )連接有一個(gè)天線單元(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線陣列，其特征在于:所述的中頻收發(fā)模塊(2)包括與光模塊(I)相連的發(fā)射模塊(21)，發(fā)射模塊(21)與中頻功分器(22)的輸入端相連；中頻收發(fā)模塊(2)還包括與光模塊(I)相連的接收模塊(23)，接收模塊(23)與中頻合路器(24)的輸出端相連； 所述的中頻功分器(22)的輸出端通過射頻收發(fā)模塊(3)與天線單元(4)的饋電端口相連；所述的天線單元(4)的饋電端口還通過射頻收發(fā)模塊(3)與中頻合路器(24)的輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線陣列，其特征在于:所述的射頻收發(fā)模塊(3)包括依次與中頻功分器(22)相連的第一混頻器(31)、第一移相器(32)、放大器(33)和雙工器(34)，雙工器(34)的另一端與天線單元(4)的饋電端口相連；天線單元(4)的饋電端口還通過雙工器(34)依次連接射頻接收模塊(37)、第二移相器(36)和第二混頻器( 35)，第二混頻器(35)還與中頻合路器(24)的輸入端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于FDD系統(tǒng)的RoF型相控有源一體化天線陣列，它包括光模塊、中頻收發(fā)模塊、射頻收發(fā)模塊和天線單元；與近端機(jī)相連的光模塊通過中頻收發(fā)模塊與多個(gè)射頻收發(fā)模塊相連，每個(gè)射頻收發(fā)模塊連接有一個(gè)天線單元。與傳統(tǒng)的陣列天線不同，本發(fā)明中的有源一體化天線陣列中每個(gè)天線單元都直接與一個(gè)完整的射頻收發(fā)模塊直接連接，各個(gè)單元的信號(hào)在中頻上完成功分/合路，通過中頻收發(fā)模塊處理后與光模塊相連接，最后信號(hào)可通過光模塊轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后進(jìn)行長距離的低損耗傳輸；每個(gè)天線單元后的射頻收發(fā)模塊的相位可控，這樣整個(gè)陣列的波束在垂直方向便可以進(jìn)行掃描。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK103236587SQ20131012453
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者洪偉, 李林盛, 張彥, 陳鵬, 陳繼新, 蒯振起, 陳喆 申請(qǐng)人:東南大學(xué)