一种用于无线中继系统的收发天线阵列

1.本发明涉及无线通信技术领域，特别是关于一种用于无线中继系统的收发天线阵列。


背景技术：

2.未来面向万物联网、智慧生活、远程医疗等新技术，对无线通信系统提出了更高要求。由于低频段频谱资源枯竭，扩展频谱资源是提高峰值速率最有效的办法，因而从5g的毫米波到更高频段的太赫兹成为满足6g峰值速率的主要解决手段。在电磁波的传播中，遇到体积比自身波长更大的物体会发生全反射现象，并且短波电磁波在介质中传输时损耗更大。因而，在工程的实践中，信号中继系统广泛得到应用。信号中继系统，能够对基站所不能覆盖或者电磁波衰减大等通信“盲区”进行补盲。
3.随着人口密度和无线设备的增加，无线通信的容量亟待提升。时分多址、码分多址、空分多址等技术已经不能满足未来通信需要，极化多址通信方式已经成为提高容量的重要方式。
4.然而，本技术的发明人在研究中发现，现有的极化天线阵列，其极化方向的主波束方向并非是可明确区分的，使其不能应用到需要明确指向性的信号中继系统中。并且现有的双极性收发天线之间具有较强的干扰，也限制了其应用。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于无线中继系统的收发天线阵列，实现两个方向独立性的正交极化波束，并降低阵列之间的远场干扰，可以应用于无线中继系统中。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
7.第一方面，本技术提供一种用于无线中继系统的收发天线阵列，包括：信号接收天线阵列和信号发送天线阵列；
8.所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列为共面的多单元阵列，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的极化方向正交；
9.所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列之间的阵列间距为0.65-1.13倍波束信号的波长。
10.在本技术的一种实现方式中，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列，均为四天线单元阵列。
11.在本技术的一种实现方式中，所述四天线单元阵列中的天线单元，周期性连续排列，且相邻天线单元相距0.6倍波束信号的波长。
12.在本技术的一种实现方式中，所述无线中继系统，包括连接所述信号接收天线阵列和信号发送天线阵列的能量环馈网络。
13.在本技术的一种实现方式中，所述能量环馈网络由两个功分网络级联而成，其中
之一的功分网络用于信号接收天线阵列的功率分配与合成，另一功分网络用于信号发送天线阵列的功率分配与合成。
14.在本技术的一种实现方式中，所述功分网络为一分四功分网络。
15.在本技术的一种实现方式中，所述所述无线中继系统，还包括加载在所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的信号传输路径上的超材料透镜。
16.在本技术的一种实现方式中，所述所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列位于所述超材料透镜的焦距位置处。
17.在本技术的一种实现方式中，所述超材料透镜，由周期性排列的超材料单元构成，每一超材料单元，用于对透过该位置处的电磁波信号进行相位补偿。
18.在本技术的一种实现方式中，所述超材料透镜的超材料单元的排列方式为61单元
×
125单元。
19.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明申请方案中的用于无线中继系统的收发天线阵列，包括：信号接收天线阵列和信号发送天线阵列；其中，信号接收天线阵列和信号发送天线阵列为共面的多单元阵列，信号接收天线阵列和信号发送天线阵列的极化方向正交；且信号接收天线阵列和信号发送天线阵列之间的阵列间距为0.65-1.13倍波束信号的波长，实现两个方向独立性的正交极化波束，并降低阵列之间的远场干扰，可以应用于无线中继系统中。
附图说明
20.图1为本技术实施例的信号接收天线阵列和信号发送天线阵列的示意图；
21.图2为本技术实施例的阵列之间的不同间距下的仿真远场方向图；
22.图3为本技术实施例的无线中继系统的应用场景的示意图；
23.图4是本发明实施例的能量环馈网络的示意图；
24.图5为本技术实施例的超材料透镜示意图；
25.图6是本技术实施例加载超材料透镜后的远场方向图。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.针对现有技术的极化天线阵列，不能应用到需要明确指向性的信号中继系统，并且现具有较强的干扰的问题。本技术相应提供一种用于无线中继系统的收发天线阵列，包括：信号接收天线阵列和信号发送天线阵列；所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列为共面的多单元阵列，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的极化方向正交；所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列之间的阵列间距为0.65-1.13倍波束信号的波长。本技术方案，实现两个方向独立性的正交极化波束，并降低阵列之间的远场干扰。
28.下面在本技术的一些详细的实施例中，说明本技术的技术方案。
29.如图1，用于无线中继系统的收发天线阵列，包括：信号接收天线阵列(阵列一)和信号发送天线阵列(阵列二)。
30.具体的，信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列为共面的多单元阵列(例如四单元天线阵列)，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的极化方向正交。
31.图1中，两路正交极化的天线被放置在同一平面上，其中阵列一的极化方向为45
°
，阵列二的极化方向为-45
°
。
32.如图2所示，仿真过程中发现，两个共面阵列的间距对其远场影响较大，且并不是传统上认为的间距越大，干扰越小。两阵列间距为7.5-34.5mm时，同时激励两个阵列，远场方向图均会产生不同的效果，当两阵列间距为7.5-13mm(0.65-1.13个波长)时，不会出现副瓣；当两阵列间距为17.25-34.5mm(1.5-3个波长)时，出现明显副瓣。由此可见，将两正交极化的天线阵列之间的阵列间距调整为0.65-1.13信号波长时，可有效降低之间的远场干扰。
33.对阵列间距为7.5-13mm的两阵列加载超材料透镜，该超材料透镜由61
×
125个单元组成，两阵列位于该透镜的两个焦点位置。仿真示意图如图6，当两个阵列间距为7.5mm时，加载透镜后的远程方向图主瓣增益为18dbi,副瓣增益为10dbi,两瓣增益差8db；当阵列间距为11.5mm(1个波长)时，加载透镜后的远场方向图主瓣最大增益为19.5dbi，副瓣增益为7dbi,两瓣增益差12.5db，两个主瓣之间的零点增益为9.5dbi左右；当阵列间距为13mm(1.13个波长)时，主瓣增益为19.6dbi，副瓣增益为8dbi,两瓣增益差为11.6db，两个主瓣之间的零点增益为9.5dbi左右。由此可见，正交极化的天线同时激励时在远场也会互相影响，距离不当时远场会产生仅低于主瓣增益的副瓣。无论是否加载透镜，两个阵列的间距要保持1个波长左右才能产生两个极化独立、空间方向性独立且没有副瓣的高增益波束。
34.在图3中，示意了无线中继系统(具体的，命名为“超透中继”信道增强系统)的应用场景，该无线中继系统由两个四单元(天线)阵列、能量环馈网络、超材料透镜组成。
35.更为具体的，两个四单元阵列位于同一平面，阵列间距为1.13个波长；阵列一辐射出指向基站的固定波束，用来接收基站发出的信号；阵列二指向用户，具有波束扫描能力，用于将接收到的基站信号“转发”至用户。
36.能量环馈网络，用于两个阵列之间的信号传递，以及能量的功率分配和功率合成。
37.超材料透镜，由可以调控电磁波相位的超材料单元构成，用于电磁波的聚焦。
38.请参阅图3的应用场景，假定基站天线被安装在高度为15m的塔上，“超透中继”系统被固定在建筑物一的墙体上，阵列一产生指向基站的波束，阵列二产生指向基站覆盖不到(信号被建筑物二遮挡)的用户。
39.两个正交极化收、发阵列的阵元间距为0.6个波长，两阵列间距为1.13个波长。
40.请参阅图4，能量环馈网络由两个一分四功分网络级联而成，其中固定功分网络一负责阵列一的功率分配和功率合成，可调功分网络二负责阵列二的功率分配与功率合成，调整阵列二的波束指向。两个阵列通过该环馈网络进行能量交换，完成信号接收和转发。
41.如图5，超材料透镜示意图，该透镜由周期性排列的超材料单元构成，每个超材料单元都能对该位置处的电磁波进行相位补偿。在本技术的一个具体实施例中，超材料透镜可以是采用61单元
×
125单元排列方式。
42.上述无线中继系统，实现低成本、低时间开销、低复杂度的中继系统，对基站所不能覆盖或者电磁波衰减大等通信“盲区”进行补盲。
43.综上所述，本发明申请方案中的用于无线中继系统的收发天线阵列，包括：信号接收天线阵列和信号发送天线阵列；其中，信号接收天线阵列和信号发送天线阵列为共面的多单元阵列，信号接收天线阵列和信号发送天线阵列的极化方向正交；且信号接收天线阵列和信号发送天线阵列之间的阵列间距为0.65-1.13倍波束信号的波长，实现两个方向独立性的正交极化波束，并降低阵列之间的远场干扰，可以应用于无线中继系统中。
44.以上上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

技术特征：
1.一种用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，包括：信号接收天线阵列和信号发送天线阵列；所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列为共面的多单元阵列，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的极化方向正交；所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列之间的阵列间距为0.65-1.13倍波束信号的波长。2.根据权利要求1所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列，均为四天线单元阵列。3.根据权利要求2所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述四天线单元阵列中的天线单元，周期性连续排列，且相邻天线单元相距0.6倍波束信号的波长。4.根据权利要求1所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述无线中继系统，包括连接所述信号接收天线阵列和信号发送天线阵列的能量环馈网络。5.据权利要求4所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述能量环馈网络由两个功分网络级联而成，其中之一的功分网络用于信号接收天线阵列的功率分配与合成，另一功分网络用于信号发送天线阵列的功率分配与合成。6.根据权利要求5所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述功分网络为一分四功分网络。7.根据权利要求1所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述所述无线中继系统，还包括加载在所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的信号传输路径上的超材料透镜。8.根据权利要求7所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列位于所述超材料透镜的焦距位置处。9.根据权利要求8所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述超材料透镜，由周期性排列的超材料单元构成，每一超材料单元，用于对透过该位置处的电磁波信号进行相位补偿。10.根据权利要求9所述的用于无线中继系统的收发天线阵列，其特征在于，所述超材料透镜的超材料单元的排列方式为61单元
×
125单元。

技术总结
本发明涉及一种用于无线中继系统的收发天线阵列，包括：信号接收天线阵列和信号发送天线阵列；所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列为共面的多单元阵列，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的极化方向正交；所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列之间的阵列间距为0.65-1.13倍波束信号的波长。本方案，实现两个方向独立性的正交极化波束，并降低阵列之间的远场干扰，可以应用于无线中继系统中。于无线中继系统中。于无线中继系统中。


技术研发人员：张金玲 段立凤 郑占奇 朱雄志
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/15