CN101789548A - 移动通信用基站天线 - Google Patents

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CN101789548A CN200910226054A CN200910226054A CN101789548A CN 101789548 A CN101789548 A CN 101789548A CN 200910226054 A CN200910226054 A CN 200910226054A CN 200910226054 A CN200910226054 A CN 200910226054A CN 101789548 A CN101789548 A CN 101789548A
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清水隆行
村野慎介
安藤敏之
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Hitachi Cable Ltd
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Abstract

本发明提供一种无需大幅度地增加现有的移动通信用基站天线的设置面积便能够实现空间分割多重存取的移动通信用基站天线。由正交地配置的两个天线元件(3)构成，并具备将两天线元件(3)的偏振波特性相互正交的多个天线元件对(4)配置成阵列状的阵列天线(2)，为了提高频率的利用效率并实现波道容量的扩大，具备两根以上阵列天线(2)，并在铅直方向以规定的间隔配置各阵列天线(2)而构成。

Description

移动通信用基站天线
技术领域
本发明涉及偏振波共用天线以及阵列天线，尤其涉及实现空间分割多重存取的移动通信用基站天线。
背景技术
在移动通信所使用的基站，为了能实现多个用户的同时连接，提出了频率分割多重存取(FDMA)、时间分割多重存取(TDMA)、符号分割多重存取(CDMA)等方法，已经导入商用系统。
但是，伴随着近年来的移动通信的普及，用户急剧增加，因而产生超过分配给移动通信系统的频率波道的容许量的通话要求，发生频率紧张之类的问题。
于是，为了提高频率的利用效率并实现波道容量的扩大，提出了以一个频带实现与多个用户的通信的空间分割多重存取(SDAM)的方案。在空间分割多重存取中，通过基站天线的指向性的主线束方向朝向希望的用户的方向，其他用户的方向朝向空方向，从而用空间的不同分离多个用户。
作为实现空间分割多重存取的方法，有组合多个天线扩大数据发送接收的频带的称为MIMO(Multiple Input Multiple Output)的无线通信技术。在MIMO中，为了将发送数据分成多个信号(流)同时进行发送，需要设置多个天线。
在专利文献1中，提出了实现空间分割多重存取的移动通信基站的方案，为了改善多个用户的分辨能力，提出了将多个阵列天线配置在直线状或者圆周上的移动通信用基站天线的方案。
另外，在专利文献1中，提出了实现空间分割多重存取的移动通信基站天线的方案，并提出了将使用了V-H偏振波以及倾斜±45度偏振波的四根阵列天线沿水平方向排列的移动通信基站的方案。
专利文献1：日本特开2001-313525号公报
非专利文献1：K.Nishimri及另外两人，“Channel Capacity Measurement of8×2 MIMO Transmission by Antenna Configurations in an Actual CellularEnvironment”，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，VOL 54，No.11，2006年11月，pp.3285-3291。
非专利文献2：惠比根佳熊及另外两人，“陆地移动通信中的天线垂直配置空间分集的研究”，电子信息通信学会论文杂志B-II.No.6、1990年6月、pp.286-292。
然而，在上述专利文献1、非专利文献1中，由于将阵列天线配置在直线状或者圆周上，因此存在移动通信用基站天线整体的设置专用面变大之类的问题。而且，将阵列天线配置在直线状或者圆周上的场合，为了得到空间分集效果，需要扩大阵列天线的间隔，因此存在移动通信用基站天线的设置面积进一步变大之类的问题。
这样，若为了提高频率的利用效率而导入MIMO，则需要曾设阵列天线，因此发生天线的设置专用面积变大的问题。而且，若增设阵列天线，则各个阵列天线的安装工事和配线等的附带设备也需要与阵列天线的根数相应的量，还存在成本增大的问题。
近年来，由于以便携电话为主的高速无线通信的普及，街上到处都是移动通信用基站天线。移动通信用基站天线配置在铁塔或建筑物的顶上等，因此增加阵列天线的根数将会提高设置费用及有损景观而不理想。
因此，为了提高频率的利用效率并实现波道容量的扩大，必须配置多个阵列天线并导入MIMO，但要求尽量避免设置专用面积变大，强烈希望设置专用面积小的移动通信用基站天线。
在非专利文献2中，提出了通过在铅直轴上垂直地排列两个接收天线构成垂直配置空间分集，从而减小天线设置占有面积的方案。
然而，在非专利文献2中，仅从天线间隔和相关系数的观点在理论上、实验上明确了垂直配置空间分集天线的有效性，停留在空间分集效果的验证上。也就是，在非专利文献2中，对用于实现空间分割多重存取的阵列天线结构没有提及。
发明内容
于是，本发明的目的在于解决上述课题，提供一种无需大幅度地增加现有的移动通信用基站天线的设置面积，便能够实现空间分割多重存取的移动通信用基站天线。
本发明是为了达到上述目的而提出的方案，方案的发明是一种移动通信用基站天线，由正交地配置的两个天线元件构成，并具备将两天线元件的偏振波特性相互正交的多个天线元件对配置成阵列状的阵列天线，为了提高频率的利用效率并实现波道容量的扩大，具备两根以上上述阵列天线，并在铅直方向以规定的间隔配置各阵列天线而构成。
上述各阵列天线的上下方向的配置间隔设定成上述阵列天线间的天线相关系数为0.8以下也可以。
上述各阵列天线的上下方向的配置间隔设定成上述阵列天线间的天线相关系数为0.7以下也可以
上述各阵列天线的上下方向的配置间隔相对于通信的频带的波长在4个波长至10个波长的范围为宜。
上述各阵列天线的上下方向的配置间隔相对于通信的频带的波长在5个波长至10个波长的范围为宜。
上述各阵列天线利用使各阵列天线的接地电极共通的导通板而分别连接为宜。
上述天线元件对也可以是将一方的天线元件垂直地配置、将另一方的天线元件水平地配置的水平垂直天线元件对。
上述天线元件对也可以是将一方的天线元件相对铅直方向以+45度、将另一方的天线元件相对铅直方向以-45度倾斜配置的±45度天线元件对。
上述阵列天线的至少一段使用将一方的天线元件垂直地配置、将另一方的天线元件水平地配置的水平垂直天线元件对，其他的上述阵列天线使用将一方的天线元件相对铅直方向以+45度、将另一方的天线元件相对铅直方向以-45度倾斜配置的±45度天线元件对。
上述阵列天线的构成为：交替地配置将一方的天线元件垂直地配置、将另一方的天线元件水平地配置的水平垂直天线元件对，和将一方的天线元件相对铅直方向以+45度、将另一方的天线元件相对铅直方向以-45度倾斜配置的±45度天线元件对。
上述天线元件是半波长偶极天线为宜。
上述天线元件是贴片天线为宜。
本发明的效果如下。
根据本发明，能够提供无需大幅度地增加现有的移动通信用基站天线的设置面积就能够实现空间分割多重存取的移动通信用基站天线，通过在铅直方向上配置两根以上的阵列天线，从而可以实现垂直方向的空间分割多重存取，能够增加MIMO的数据通信容量，可进行比现有方式速度高的数据通信。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的移动通信用基站天线的模式图。
图2是关于图1的移动通信用基站天线对阵列天线的构造进行说明的图(主视图以及侧视图)。
图3是关于图1的移动通信用基站天线对阵列天线的构造进行说明的图(立体图)。
图4是关于图1的移动通信用基站天线分解阵列天线来说明天线元件结构的图。
图5是表示关于图1的移动通信用基站天线，通过改变阵列天线间的间隔来调整天线相关系数的图。
图6是表示阵列天线间的天线相关系数与通信容量的关系的图。
图7是表示阵列天线间的间隔与阵列天线间的天线相关的系数的一个例子的图。
图8是表示本发明的一个实施方式的移动通信用基站天线的模式图。
图9是表示本发明的一个实施方式的移动通信用基站天线的模式图。
图10是表示本发明的一个实施方式的移动通信用基站天线的模式图。
图中：
1-移动通信用基站天线，2、2a、2b-阵列天线，3a、3b-天线元件，4-天线元件对(±45度天线元件对)，5-导通板，9-反射板，10-天线元件基板。
具体实施方式
以下根据附图对本发明的优选实施方式进行说明。本发明的移动通信用基站天线是实现空间分割多重存取(SDMA)的天线，是实现组合多个天线来扩大数据接收发送的波段(频带)的MIMO的天线。
实施例1
图1是表示本实施方式的移动通信用基站天线的模式图。
如图1所示，移动通信用基站天线1具备两根以上阵列天线(图1中为两根)，在铅直方向以规定的间隔配置各阵列天线2而构成。在本实施方式中，对在铅直方向配置两根阵列天线2a、2b的场合进行说明。
阵列天线2a、2b用导通板5连接。导通板5向两阵列天线2a、2b提供共用的接地电位(GND电位)。
阵列天线2a、2b在铅直方向上离开规定的距离而配置构成。
阵列天线2a、2b是将多个天线元件对4配置成阵列状的天线。天线元件对4由正交地配置且偏振波特性相互正交的两个天线元件3a、3b构成。
在本实施方式中，作为天线元件对4，使用了将一方的天线元件3a相对铅直方向以+45度、将另一方的天线元件3b相对铅直方向以-45度倾斜配置的±45度天线元件对4。也就是，在本实施方式中所使用的阵列天线2是通过一个天线共用+45度偏振波以及-45度偏振波的偏振波共用天线。
图2是对该场合(作为阵列天线2使用了偏振波共用天线的场合)的阵列天线2的构造进行说明的图，(a)是阵列天线2的主视图，(b)是阵列天线2的侧视图。另外，图3是图2的立体图。
如图2以及图3所示，阵列天线2成为沿着反射板9的长度方向以阵列状配置了多个天线元件对(±45度天线元件对)4的构造。天线元件对(±45度天线元件对)4通过将天线元件3a、3b以剖面为十字形的方式组合而构成，该天线元件3a、3b是通过在天线元件基板10的表面形成由金属或金属及电介质等构成的天线元件图形(未图示)而构成的。利用天线元件对(±45度天线元件对)4能够共用+45度偏振波以及-45度偏振波的电波并进行接收发送。天线元件3a、3b通过供电线(未图示)分别与不同的供电点(未图示)连接。
另外，在本实施方式中，作为天线元件3a、3b使用了半波长偶极天线。作为这种半波长偶极天线，除此之外还可以使用日本特开2004-32392号公报、日本特开2004-266600号公报所记载的偶极天线等。另外，天线元件3a、3b并不限于此，也可以使用贴片天线或其他偏振波分集式天线。
图4是分解阵列天线2a、2b来说明天线元件结构的图。
如图4所示，阵列天线2a、2b具有将以+45度倾斜配置的天线元件3a配置成阵列状的阵列结构21、和将以-45度倾斜配置的天线元件3b配置成阵列状的阵列结构22，通过将这些阵列结构21、22重叠在相同位置，从而形成作为偏振波分集式天线的一个元件的天线元件对4，并形成阵列天线2a、2b。
天线元件3a、3b的各尺寸根据使用的频率或带宽适当决定。另外，天线元件对4的数量根据天线增益或天线的线束宽度等、希望的天线样式适当决定即可。
阵列天线2a、2b由于构成±45度的倾斜分集式天线，因此各阵列结构21、22间的天线相关系数理想的是接近于0的值。因而，通过使用作为偏振波共用天线的阵列天线2a(或者2b)可以得到与设置了两根通常的天线相同的效果，能够实现2MIMO天线结构。
因此，通过使用两根阵列天线2a、2b，能够构成共计4MIMO(或者4支(分集式))的移动通信用基站天线1。
然而，使用了多个阵列天线2的场合，各阵列天线2间的天线相关系数成为问题。因为天线相关系数大时，用各阵列天线2a、2b接收的相关信号变高，因而不能得到充分的通信容量的提高。
图5(a)、(b)是表示在图1的移动通信用基站天线1中通过改变阵列天线2间的间隔来调整天线相关系数的说明图。而且，图5(a)表示天线相关系数大的情况，图5(b)表示天线相关系数小的情况。
如图5(a)、(b)所示，天线相关系数通过改变阵列天线2a、2b的上下方向的间隔(配置间距离)d而可以调整。
如图5(a)所示，两阵列天线2a、2b间的间隔小的场合，天线相关系数变大而不理想。因此，要想减小天线相关系数，就需要扩大阵列天线2a、2b间的间隔d，但是如图5(b)所示，若扩大阵列天线2a、2b间的间隔d，则会导致移动通信用基站天线1的全长(铅直方向的尺寸)变长。因此，需要求出最佳的阵列天线2a、2b间的间隔d。
图6是表示移动通信用基站天线1中的阵列天线2a、2b间的天线相关系数与通信容量的关系的图。
如图6所示，在天线相关系数为0～0.8，优选为0～0.7时，移动通信用基站天线1的通信容量几乎为一定。在上述范围中，通信容量影响实际的传播条件，与阵列天线2a和阵列天线2b间的天线相关系数的减小无关，通信容量提高的效果不会变大。
于是，在本实施方式中，调整阵列天线2a、2b间的间隔，以使阵列天线2a、2b间的天线相关系数为0.8以下，更优选为0.7以下。阵列天线2a、2b间的间隔d利用导通板5的铅直方向的长度进行调整即可。即、将导通板5的铅直方向的长度形成为与天线相关系数为0.8以下的间隔d相等的长度，用导通板5连接两阵列天线2a、2b即可。
作为一例，图7表示在2GHz波段使用移动通信用基站天线1的场合的、阵列天线2a、2b间的间隔d与天线相关系数的关系。
如图7所示可知，例如在2GHz波段使用移动通信用基站天线1的场合，为了将天线相关系数设定成0.8，阵列天线2a和阵列天线2b间的间隔d需要大约600mm。优选地，为了将天线相关系数设定成0.7，阵列天线2a和阵列天线2b间的间隔d需要大约700mm。
这里，对在2GHz波段使用移动通信用基站天线1的场合进行了说明，阵列天线2a、2b的上下方向的配置间隔d相对于通信的频带的波长设为5个波长至10个波长的范围即可。这样，能够将天线相关系数设为0.8以下。
在本实施方式中，对使用了两根阵列天线2a、2b的场合进行了说明。通常，在移动通信用2GHz波段使用的频率约为1920MHz～2200MHz，其波长约150mm，更具体地，约为156mm～136mm。为了将天线相关系数设定成0.7以下，阵列天线2a和阵列天线2b间的铅直方向的间隔d可以为700mm以上。此外，为了将天线相关系数设定成0.8以下，阵列天线2a和阵列天线2b间的铅直方向的间隔d可以为600mm以上。因此，间隔d的下限值是600mm，这相当于4个波长(使用频率的波长的4倍)，优选地，间隔d的下限值是700mm，这相当于5个波长(使用频率的波长的5倍)。
另一方面，如上所述，移动通信用基站天线1的全长随着间隔d的增加而增加。虽然移动通信用基站天线1的全长可适当设定，但间隔d的上限值为1500mm较好，这相当于10个波长(使用频率的波长的10倍)。如果间隔d的该上限值提高，则在大厦等建筑物的顶上设置移动通信用基站天线1时，不能由在该建筑物上设置的电梯搬运，而是需要另外使用起重机等进行搬运，所以设置成本高昂，不理想。
在本实施方式中，说明了使用两个阵列天线2a、2b的情况，但是阵列天线2也可以是两根以上。使用了N根阵列天线2的场合，通过将各阵列天线2以规定的间隔配置在铅直方向，从而可以实现2×N的MIMO天线。
对本实施方式的作用进行说明。
本实施方式的移动通信用基站天线1具备两根以上将天线元件3的偏振波特性相互正交的多个天线元件对4配置成阵列状的阵列天线2，并将各阵列天线2以规定的间隔d配置在铅直方向上。
通过在铅直方向上配置两根阵列天线2，从而无需大幅度地增加设置专用面积就可以实现垂直方向的空间分割多重存取。因而，能够加大MIMO形成的数据通信容量，能够实现比现有方式速度高的数据通信。
并且，由于在铅直方向上配置两根以上阵列天线2作为移动通信用基站天线1，因此不必另外安装天线(阵列天线)，天线安装用的专用支柱或安装金属零件等的机械的安装机构的新的追加可以是最低限度或者不需要追加。
另外，在本实施方式中，由于使用偏振波共用天线作为阵列天线2，因此可以实现阵列天线2的根数×2的MIMO天线，无需大幅度地增加设置专用面积就能够实现较多的MIMO天线。
再有，在本实施方式中，将各阵列天线2的上下方向的配置间隔d设定成阵列天线2间的天线相关系数为0.8以下。在本实施方式中，由于在铅直方向配置两根以上的阵列天线2，因此移动通信用基站天线1的铅直方向的尺寸虽然变长，但通过以天线相关系数为0.8以下的间隔d配置阵列天线2，从而使移动通信用基站天线1的铅直方向的尺寸最短，而且可以确保足够的通信容量。间隔d的上限值为使用频率的波长的10倍。
实施例2
其次，对本发明的其他实施方式进行说明。
图8所示的移动通信用基站天线61是代替在图1中的移动通信用基站天线1中将±45度天线元件对4配置成阵列状的阵列天线2，而使用将水平垂直天线元件62配置成阵列状的阵列天线63。水平垂直天线元件对62是将一方的天线元件64a垂直地配置、将另一方的天线元件64b水平地配置的天线元件对。
移动通信用基站天线61由于在图1的移动通信用基站天线1中将±45度天线元件对4变更为水平垂直天线元件对62，因此能够得到与图1的移动通信用基站天线1同样的效果。
实施例3
其次，在下面对实施例3的移动通信用基站天线71进行说明。
图9是表示本发明的实施例3的移动通信用基站天线71的模式图。
图9所示的移动通信用基站天线71是在垂直方向配置了将±45度天线元件对4配置成阵列状的阵列天线2、和将水平垂直天线元件对62配置成阵列状的阵列天线63的天线。
阵列天线2和阵列天线63偏振波方向不同，因此邻接地配置阵列天线2和阵列天线63时，与邻接地配置了阵列天线2彼此、阵列天线63彼此的场合相比较，能够减小阵列天线2、63间的天线相关系数。因而，可以减小阵列天线2、63间的间隔d，能够减小移动通信用基站天线71的铅直方向的尺寸。
图9表示分别使用了一个阵列天线2、63的场合，但是并不限定于此，阵列天线2、63数量不同也可以。而且，即使阵列天线2、63不邻接地配置，也可得到与图1的移动通信用基站天线1同样的效果。
实施例4
其次，在下面对实施例3的移动通信用基站天线71进行说明。
图10是表示本发明的实施例4的移动通信用基站天线81的模式图。
图10所示的移动通信用基站天线81使用交替地配置了水平垂直天线元件对对62和±45度天线元件对4的阵列天线82，并在垂直方向上配置了两根该阵列天线82。
即使如图10这样构成移动通信用基站天线81，也可得到与图1的移动通信用基站天线1同样的效果。
这样，本发明并不限定于上述实施方式，应解释为对于本行业人员来说能想到的包含于本说明书中说明的基本的指导范围内的全部变更以及将代替的结构具体化的发明。

Claims (12)

1.一种移动通信用基站天线，由正交地配置的两个天线元件构成，并具备将两天线元件的偏振波特性相互正交的多个天线元件对配置成阵列状的阵列天线，其特征在于，
具备两根以上上述阵列天线，并在铅直方向以规定的间隔配置各阵列天线而构成。
2.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述各阵列天线的上下方向的配置间隔设定成上述阵列天线间的天线相关系数为0.8以下。
3.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述各阵列天线的上下方向的配置间隔设定成上述阵列天线间的天线相关系数为0.7以下。
4.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述各阵列天线的上下方向的配置间隔相对于通信的频带的波长在4个波长至10个波长的范围。
5.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述各阵列天线的上下方向的配置间隔相对于通信的频带的波长在5个波长至10个波长的范围。
6.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述各阵列天线利用使各阵列天线的接地电极共通的导通板而分别连接。
7.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述天线元件对是将一方的天线元件垂直地配置、将另一方的天线元件水平地配置的水平垂直天线元件对。
8.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述天线元件对是将一方的天线元件相对铅直方向以+45度、将另一方的天线元件相对铅直方向以-45度倾斜配置的±45度天线元件对。
9.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述阵列天线的至少一段使用将一方的天线元件垂直地配置、将另一方的天线元件水平地配置的水平垂直天线元件对，其他的上述阵列天线使用将一方的天线元件相对铅直方向以+45度、将另一方的天线元件相对铅直方向以-45度倾斜配置的±45度天线元件对。
10.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述阵列天线的构成为：交替地配置将一方的天线元件垂直地配置、将另一方的天线元件水平地配置的水平垂直天线元件对，和将一方的天线元件相对铅直方向以+45度、将另一方的天线元件相对铅直方向以-45度倾斜配置的±45度天线元件对。
11.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述天线元件是半波长偶极天线。
12.根据权利要求1所述的移动通信用基站天线，其特征在于，
上述天线元件是贴片天线。
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