CN102916262B - 多模天线与基站 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模天线与基站。其中，该多模天线包括一根CDMA双极化天线，由多个线性排列的阵子构成，用于收发CDMA系统中的射频信号；两根MIMO双极化天线，均由多个线性排列的阵子构成，用于收发LTE系统中的射频信号；两根MIMO双极化天线在垂直方向上分别设置在CDMA双极化天线的中心阵子的正上方和正下方，根据CDMA双极化天线中的阵子间距和每根MIMO双极化天线中的阵子间距将两根MIMO双极化天线中的阵子嵌套在CDMA双极化天线的阵子中或插入到CDMA双极化天线的阵子间。本发明结合嵌套天线阵子和垂直隔离MIMO天线技术使得CDMA双极化天线和2根MIMO双极化天线能够集成为一根物理天线。

Description

多模天线与基站
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别地，涉及一种多模天线与基站。
背景技术
目前移动通信网络已经发展到了第三代(即，3G)，3G网络已经在世界范围内大规模部署并商用，随着数据业务及移动互联网的不断普及和推广，国际通信标准组织正在制定移动通信长期演进(Long TimeEvolution，LTE)及4G等技术标准，以满足网络技术和服务能力的不断发展。由于多入多出(Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO)技术可以充分使用独立空间传播路径来大大提升网络服务速率和链路性能，因此成为LTE及未来4G技术的核心技术之一。
对于移动网络运营商，为了能够保持原有业务的连续性并提供新网络与新业务，将需要同时部署和建设多套移动网络系统，特别是LTE系统采用的是MIMO天线，网络自身的天线数量就会很多，再加上原有的2G和3G系统天线，导致基站天面上的天线数量将大大超过现在站址的天线数量。此外，目前2G及3G网络大多使用低频段资源，例如，GSM使用900MHz频段、CDMA使用800MHz频段，而LTE和4G未来将很可能使用2GHz以上的频段，例如，2GHz或者2.6GHz频段。由于现有的800/900MHz的2G系统与未来的2GHz/2.6GHz的LTE系统频率差距甚远，很难实现同时支持这几个频段的宽频天线，所以无法采用宽频天线技术来减少未来多系统共存下的天线数量。另外，天线数量的增多，有可能出现因为站址天面空间不够而无法增加天线的情况。
因此，如何在满足网络建设要求的情况下减少物理天线数量就成为近来移动运营商噬待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种多模天线与基站，在支持多系统的情况下能够有效减少物理天线的数目。
根据本发明的一方面，提出了一种多模天线，包括一根CDMA双极化天线，由多个线性排列的阵子构成，用于收发CDMA系统中的射频信号；两根MIMO双极化天线，均由多个线性排列的阵子构成，用于收发LTE系统中的射频信号；其中，两根MIMO双极化天线在垂直方向上分别设置在CDMA双极化天线的中心阵子的正上方和正下方，根据CDMA双极化天线中的阵子间距和每根MIMO双极化天线中的阵子间距将两根MIMO双极化天线中的阵子嵌套在CDMA双极化天线的阵子中或插入到CDMA双极化天线的阵子间。
根据本发明的另一方面，还提出了一种基站，包括上述实施例的多模天线。
本发明提供的多模天线与基站，结合嵌套天线阵子技术和垂直隔离MIMO天线技术使得CDMA双极化天线和2根MIMO双极化天线能够集成为一根物理天线，同时可以支持CDMA网络2×2分集收发系统和LTE系统4×4MIMO配置，这将有利于LTE MIMO系统的建设，并降低网络运维成本和便利性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：
图1是本发明多模天线的一个实施例的结构示意图。
图2是本发明天线阵子间距设计示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
LTE系统使用的MIMO天线配置一般包括：2×2、4×2、4×4等(即，发射天线数×接收天线数)，这样就需要基站天线有多根天线，用于发射和接收信号。目前，主流的2×2MIMO天线设计方案一般采用双极化天线来满足要求，由于双极化天线的2个极化方向上的相关性较弱，所以可以满足2×2MIMO天线的设计要求。对于4×2和4×4的MIMO天线，则需要基站部署4根天线，本发明采用双极化和垂直隔离相结合的MIMO天线实现方案，将2根双极化天线按照下述图1所示的方式进行垂直排列，这样就可以使得上天线和下天线形成垂直隔离，最终形成4根弱空间相关性的MIMO天线来保证4×2和4×4MIMO天线的性能。由于采用了垂直隔离，只是增加了天线的长度，不会对基站天面提出新的空间要求，同时也容易保证两根上下天线的倾角(即，天线与抱杆之间的夹角)一致性。MIMO中每根天线的下倾角都要保证尽量一样，如果采用垂直隔离的方式，可以很容易做到每根天线的下倾角保持一样，因为他们是相对于同一个抱杆进行调整，而如果采用水平隔离天线，则两根天线分别固定在两个抱杆上，那么就会引入两个抱杆之间的误差，导致天线下倾角的不一致性。
对于CDMA系统，目前主流的天线配置为1根双极化天线，用于CDMA系统的接收分集和发射分集。要将4根MIMO天线和CDMA双极化天线进行天线集成，传统上采用宽频天线来支持不同频段系统的收发。但是，由于800MHz的CDMA系统频率与2GHz/2.6GHz的LTE系统频率相隔较远，采用宽频天线技术的难度较大，很难同时保证800MHz和2GHz/2.6GHz两个频段的天线辐射特性都满足要求。
由于LTE网络所采用的MIMO技术大大增加了基站站址的天线数量，为此，本发明基于双频天线所使用的嵌套天线阵子技术和垂直隔离技术提出了一种多模天线的设计方法，具体如下：
(1)基于CDMA系统和LTE系统所使用的中心频率，按照天线阵子间距为0.7λ-1λ的原则，计算并设计CDMA与LTE两个系统天线阵子的间距，获得在两个CDMA/LTE嵌套阵子之间可以插入的独立LTE天线阵子数；
(2)按照步骤(1)所设计的CDMA和LTE天线阵子间距，根据CDMA和LTE各自系统所需的天线增益，获得CDMA和LTE MIMO上下天线所需的天线阵子总数；
(3)根据步骤(2)所获得的CDMA天线阵子数，先纵向排列CDMA天线阵子，然后根据步骤(1)所获得的两个CDMA阵子之间插入的独立LTE天线阵子数，在CDMA天线阵子之间插入独立的LTE天线阵子；
(4)假设CDMA天线阵子数为奇数，则以中间一个CDMA天线阵子为中心，分别将上面和下面的CDMA阵子设计为CDMA/LTE嵌套天线阵子，直到CDMA/LTE嵌套天线阵子和独立LTE天线阵子的总数超过MIMO上下天线所需的天线阵子总数为止；
(5)假设CDMA天线阵子数为偶数，则以中间两个CDMA天线阵子中的任意一个为中心，分别将上面和下面的CDMA阵子设计为CDMA/LTE嵌套天线阵子，直到CDMA/LTE嵌套天线阵子和独立LTE天线阵子的总数超过MIMO上下天线所需的天线阵子总数为止；
(6)将CDMA天线中心阵子上面和下面的LTE天线阵子分别设计为MIMO垂直隔离的上天线和下天线；
(7)CDMA天线阵子采用一套独立的电调系统，而LTE MIMO上天线和下天线共同采用另外一套独立的电调系统，两套电调系统分别独立控制CDMA和LTE天线的电下倾角。
根据上述设计方法可以设计出下述实施例所示的CDMA与LTE共用的多模天线结构，具体如下：
图1是本发明多模天线的一个实施例的结构示意图。
如图1所示，该实施例的多模天线10可以包括：
一根CDMA双极化天线11，由多个线性排列的双极化阵子构成，用于收发CDMA系统中的射频信号，并构成CDMA系统的接收分集/发射分集；
两根MIMO双极化天线12，均由多个线性排列的双极化阵子构成，用于收发LTE系统中的射频信号，如图1所示，上面的MIMO双极化天线阵子构成一根MIMO双极化天线，下面的MIMO双极化天线阵子构成另一根MIMO双极化天线，上下两根MIMO双极化天线共同构成4根MIMO天线，可以实现下行4×2或4×4的LTE MIMO系统配置；
其中，两根MIMO双极化天线在垂直方向上分别设置在CDMA双极化天线的中心阵子的正上方和正下方，根据CDMA双极化天线中的阵子间距和每根MIMO双极化天线中的阵子间距将两根MIMO双极化天线中的阵子嵌套(嵌套天线阵子技术是将高频天线阵子与低频天线阵子嵌套在一起，因为高频天线阵子小，而低频天线阵子大，所以外观上看是低频天线阵子中间放了一个高频天线阵子，两个天线阵子的中心位置是重叠的)在CDMA双极化天线的阵子中或插入到CDMA双极化天线的阵子间，如图1所示，MIMO双极化天线阵子中的一部分与CDMA双极化天线阵子嵌套在一起，MIMO双极化天线阵子中的另一部分位于两根CDMA双极化天线阵子之间。
该实施例结合嵌套天线阵子技术和垂直隔离MIMO天线技术使得CDMA双极化天线和2根MIMO双极化天线能够集成为一根物理天线，同时可以支持CDMA网络2×2分集收发系统和LTE系统4×4MIMO配置，这将有利于LTE MIMO系统的建设，并降低网络运维成本和便利性。
在一个实例中，为了保证MIMO上天线和MIMO下天线之间的空间信道隔离度和端口隔离度(通常要求天线端口之间的隔离度达到30dB左右)，可以将CDMA双极化天线的中心阵子正上方的MIMO双极化天线中的最下一个阵子与CDMA双极化天线的中心阵子正下方的MIMO双极化天线中的最上一个阵子之间的间距d设置为0.5λ1以上，其中，λ1为LTE MIMO双极化天线支持频段中心频点波长。根据天线长度的限制，还可以将该间距设置为0.5λ1～2λ1，优选地，可以为0.7λ1～1λ1，从而既可以满足隔离度要求，同时也不增大天线的长度。
再如图1所示，CDMA双极化天线和两根MIMO双极化天线中的阵子均采用±45度的极化方式，CDMA双极化天线和两根MIMO双极化天线中阵子的个数由天线增益决定，CDMA双极化阵子之间的间距保持相同，一般为0.7λ2～1λ2，其中，λ2为CDMA双极化天线支持频段中心频点波长，同样，MIMO双极化阵子之间的间距也保持一样，一般为0.7λ1～1λ1，因为CDMA系统与LTE系统所使用的频率不同，所以CDMA系统的λ2与LTE系统的λ1大小不同，导致CDMA双极化阵子间距与MIMO双极化阵子间距不同，进一步地，由于CDMA所使用的频率较低，所以CDMA天线阵子间距大于LTE MIMO天线阵子间距。
由于本发明采用嵌套天线阵子技术来完成CDMA与LTE MIMO天线的集成，所以关于CDMA和MIMO天线阵子间距的设计就需要同时考虑两个系统的设计要求。为了方便说明，CDMA系统以850MHz的中心频率为例，LTE系统中心频率可以选取两种场景，分别为2GHz和2.6GHz。
首先分析LTE系统中心频率为2GHz的场景，根据天线阵子间距设计范围0.7λ-1λ，可以得出CDMA天线阵子间距为247mm-353mm，LTE天线阵子间距为105mm-150mm。从两个系统的天线阵子间距选取范围来看，可以有很多种方案，例如设置CDMA天线阵子间距为300mm，LTE天线阵子间距为150mm，但是基本上是在两个CDMA天线阵子之间只能插入一个单独的LTE天线阵子，如图2所示。
接下来分析LTE系统中心频率为2.6GHz的场景，根据天线阵子间距设计范围0.7λ-1λ，可以得出CDMA天线阵子间距为247mm-353mm，LTE天线阵子间距为81mm-115mm。从两个系统的天线阵子间距选取范围来看，可以有很多种方案，基本上是在两个CDMA天线阵子之间插入两个单独的LTE天线阵子，例如，设置CDMA天线阵子间距为300mm，LTE天线阵子间距为100mm，如图2所示。
上述对于天线阵子间距设计的分析，只是示例性说明，在实际的天线设计过程中，可以按照具体使用频率及天线阵子间距0.7λ-1λ的原则来灵活设计。
在CDMA双极化天线中阵子的个数为奇数时，以中间的一个天线阵子作为中心阵子，在CDMA双极化天线中阵子的个数为偶数时，以中间的两个天线阵子中的任一个作为中心阵子，并保证上下MIMO天线的对称性。
由于本发明将CDMA天线和LTE MIMO天线集成为一根物理天线，所以两个系统将保持相同的机械下倾角。为了能够让两个系统根据各自网络规划需求来选取不同的天线倾角，本发明中的CDMA和LTE天线将采用分离的电调控制方案，各自具有独立的天线倾角电调装置，以分别控制CDMA双极化天线和两根MIMO双极化天线的电下倾角。
本发明将CDMA双极化天线与两根MIMO双极化天线封装在一个天线罩内，保证了天线的高集成度和小体积，有利于运营商的实际网络部署、便于运营商对基站的选址，同时一体化的结构也给天线的安装带来极大的便利性。
另外，根据LTE系统对MIMO天线的配置需求，例如，8×8，还可以在图1所示天线的左侧或右侧再上下配置两根MIMO双极化天线，以实现更好的发射分集/接收分集。
此外，还可以将本发明的多模天线应用于CDMA与LTE共址的基站中。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多模天线，其特征在于，包括：
一根CDMA双极化天线，由多个线性排列的阵子构成，用于收发CDMA系统中的射频信号；
两根MIMO双极化天线，均由多个线性排列的阵子构成，用于收发LTE系统中的射频信号；
其中，
所述两根MIMO双极化天线在垂直方向上分别设置在所述CDMA双极化天线的中心阵子的正上方和正下方，根据所述CDMA双极化天线中的阵子间距和每根MIMO双极化天线中的阵子间距将所述两根MIMO双极化天线中的阵子嵌套在所述CDMA双极化天线的阵子中或插入到所述CDMA双极化天线的阵子间。
2.根据权利要求1所述的多模天线，其特征在于，所述CDMA双极化天线的中心阵子正上方的MIMO双极化天线中的最下一个阵子与所述CDMA双极化天线的中心阵子正下方的MIMO双极化天线中的最上一个阵子之间的间距大于0.5λ1，λ1为LTE MIMO双极化天线支持频段中心频点波长。
3.根据权利要求2所述的多模天线，其特征在于，所述CDMA双极化天线的中心阵子正上方的MIMO双极化天线中的最下一个阵子与所述CDMA双极化天线的中心阵子正下方的MIMO双极化天线中的最上一个阵子之间的间距介于0.7λ1与1λ1之间。
4.根据权利要求1所述的多模天线，其特征在于，所述CDMA双极化天线和所述两根MIMO双极化天线均采用±45度的极化方式。
5.根据权利要求1所述的多模天线，其特征在于，所述CDMA双极化天线与所述两根MIMO双极化天线形成一根物理天线，并封装在一个天线罩内。
6.根据权利要求1所述的多模天线，其特征在于，所述CDMA双极化天线和所述两根MIMO双极化天线中阵子的个数由天线增益决定。
7.根据权利要求1所述的多模天线，其特征在于，所述CDMA双极化天线中阵子的间距介于0.7λ2与1λ2之间，每根MIMO双极化天线中阵子的间距介于0.7λ1与1λ1之间，其中，λ2为CDMA双极化天线支持频段中心频点波长，λ1为LTE MIMO双极化天线支持频段中心频点波长。
8.根据权利要求6所述的多模天线，其特征在于，在所述CDMA双极化天线中阵子的个数为奇数时，以中间的一个天线阵子作为中心阵子，在所述CDMA双极化天线中阵子的个数为偶数时，以中间的两个天线阵子中的任一个作为中心阵子。
9.根据权利要求1所述的多模天线，其特征在于，所述CDMA双极化天线与所述两根MIMO双极化天线采用独立的电调系统，以分别控制所述CDMA双极化天线和所述两根MIMO双极化天线的电下倾角。
10.一种基站，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的多模天线。
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