CN103700952B - 阵列天线和基站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天线和基站。其中，阵列天线包括多个线阵、上下行双工器和赋形网络，每个线阵均为双极化线阵，赋形网络的输入端与射频单元的下行输出端相耦合，两个输出端分别与两个上下行双工器的下行信号发射端相耦合；两个上下行双工器的收发共用端分别与相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，相邻的两个极化相同的线阵通过赋形网络在下行链路上形成65度的扇区化水平波束；两个上下行双工器的上行信号输出端与射频单元的上行输入端相耦合；多个线阵中未与上下行双工器相耦合的线阵均耦合至射频单元的上行输入端。本发明使得发射天线能够在下行链路上形成65度半功率角的扇区化水平波束。

Description

阵列天线和基站

技术领域

本发明涉及移动通信，特别地，涉及一种阵列天线和基站。

背景技术

目前移动通信网络已经发展到了第三代（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LTE（Long TermEvolution）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MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）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，成为在LTE及未来4G技术中最关键的核心技术之一。MIMO技术通过部署和建设多根天线，并使用MIMO信号处理技术来提升网络服务质量，所以一般对于LTE系统要求至少2×2的MIMO配置，甚至更多，例如，TDD（Time Division Duplex，时分双工）模式的LTE一般要求使用8根天线来保证MIMO的使用性能。

对于FDD（Frequency Division Duplex，频分双工）8天线，如果采用MIMO模式，则要求8天线中的下行发射天线满足65度水平半功率角的扇区化水平波形图。但是，如图1所示，因为阵列天线内各线阵之间肩并肩排列，不同线阵之间的间距较小使得不同线阵之间存在较严重的互耦现象，这将导致每个线阵在下行链路上辐射出的波束宽度超过65度，甚至达到80-90度，这样就无法满足三扇区覆盖对于波束半功率角宽度为65度的要求。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种阵列天线和基站，使得发射天线在下行链路上能够形成65度半功率角的扇区化水平波束，同时仍然保留上行8天线接收。

根据本发明的一方面，提出了一种阵列天线，包括多个线阵、上下行双工器和赋形网络，每个线阵均为双极化线阵，包括正极化线阵和负极化线阵，赋形网络的输入端与射频单元的下行输出端相耦合，赋形网络的两个输出端分别与两个上下行双工器的下行信号发射端相耦合；两个上下行双工器的收发共用端分别与相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，相邻的两个极化相同的线阵通过赋形网络在下行链路上形成65度的扇区化水平波束；两个上下行双工器的上行信号输出端与射频单元的上行输入端相耦合；多个线阵中未与上下行双工器相耦合的线阵均耦合至射频单元的上行输入端。

根据本发明的另一方面，还提出了一种基站，包括前述的阵列天线。

本发明提供的阵列天线和基站，通过对多个线阵中相邻两个线阵增加上下行双工器来实现上下行分路，并利用相邻两个线阵中极化相同的两个正极化线阵/负极化线阵和赋形网络在下行链路上形成65度的下行波束，避免了在下行链路上直接采用单线阵辐射波束而导致单线阵辐射波束宽度过宽的问题。同时，本发明还通过上下行双工器使得相邻两个线阵能够收发复用，因而有效保证了上行的多天线分集效果。

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是现有技术中基于固定赋形的2发8收阵列天线结构图。

图2是本发明阵列天线的一个实施例的结构示意图。

图3是本发明阵列天线的另一实施例的结构示意图。

图4是本发明阵列天线的又一实施例的结构示意图。

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。

为了解决LTE FDD阵列天线中各线阵下行波束宽度过宽的问题，本发明的下述实施例通过在部分线阵的下行链路中引入赋形网络来实现下行链路65度的波束形状，以满足扇区化天线的使用要求。

图2是本发明阵列天线的一个实施例的结构示意图。

如图2所示，该阵列天线20可以包括多个线阵202、上下行双工器204和赋形网络206。

其中，线阵的数目可以为2的n（n的取值为正整数）次方，接下来以4个线阵为例进行说明。

每个线阵均为双极化线阵，包括正极化线阵和负极化线阵，例如，第一个线阵包括正极化线阵1和负极化线阵5，第二个线阵包括正极化线阵2和负极化线阵6，第三个线阵包括正极化线阵3和负极化线阵7，第四个线阵包括正极化线阵4和负极化线阵8，每个正极化线阵和负极化线阵中均至少包括两个阵子（图2未示出，请参见图1）。

赋形网络206的输入端与射频单元的下行输出端相耦合，赋形网络的两个输出端分别与两个上下行双工器204的下行信号发射端相耦合。

两个上下行双工器204的收发共用端分别与相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，相邻的两个极化相同的线阵通过赋形网络206在下行链路上形成65度的扇区化水平波束。如果采用两个极化相同的线阵来形成65度波束宽度的方向图，通常可以通过控制每一个线阵的波束宽度为90度左右，再通过赋形网络来实现65度波束的合成。对于每个线阵波束宽度为90度左右的常规设计方案可以通过控制天线背板宽度和天线侧壁高度来实现，对于单根90度左右波束宽度的背板宽度通常为0.4-0.6波长，侧壁高度为8mm-14mm。

两个上下行双工器的上行信号输出端与射频单元的上行输入端相耦合，多个线阵中未与上下行双工器相耦合的线阵（例如，图2中的正极化线阵1、负极化线阵5、正极化线阵4和负极化线阵8）均耦合至射频单元的上行输入端。

其中，用于发射下行信号的相邻两个线阵（例如，第二个线阵和第三个线阵）之间的间距（即，图1中的a）可以介于[0.35λ，0.7λ]之间，以形成65度的下行波束，之所以利用相邻两个线阵是考虑了相邻两个线阵之间的相关性较强，从而更容易控制波束的形状；为了防止上行互耦问题，线阵之间的间距越大越好，但是，在实际应用中还需要考虑阵列天线的尺寸，因此用于接收上行信号的相邻两个线阵（例如，第一个线阵与第二个线阵之间、第三个线阵与第四个线阵之间）之间的间距（即，图1中的d）可以介于[λ/2，λ]之间，其中，λ为阵列天线工作的中心频点对应的波长。

具体地，正极化线阵1和负极化线阵5作为第一个线阵的两个极化单元，可以用于接收信号（上行1和上行2），正极化线阵4和负极化线阵8作为第四个线阵的两个极化单元，也用于接收信号（上行3和上行4）。正极化线阵2和负极化线阵6、正极化线阵3和负极化线阵7分别作为第二个线阵和第三个线阵的两个极化单元，通过上下行双工器进行分路，在下行链路上增加赋形网络以形成两个固定赋形波束用于下行发射（下行1和下行2），上行链路用于接收信号（上行5、上行6、上行7和上行8）。此外，第二个线阵和第三个线阵的下行链路均通过赋形网络形成固定赋形波束，该波束是由同极化的波束合成的，例如，正极化线阵2和正极化线阵3合成为一个正极化65度波束，负极化线阵6和负极化线阵7合成为一个负极化65度波束。

图2所示的基于固定波束赋形的2发8收的阵列天线，在发射端利用中间两列合成波束进行发射，在接收端利用四列八个正、负极化线阵来接收信号，从而实现了一种2发8收的MIMO阵列天线。

该实施例可以利用阵列天线中任意两个相邻的线阵形成下行65度的扇区化波形图，从而满足下行扇区化定向发射的目的，也避免了采用单线阵直接进行辐射而带来的波束宽度展宽的问题。

如图2所示，至少一对相邻的线阵可以复用为收发天线。复用为收发天线的线阵可以位于阵列天线的中央。当复用为收发天线的线阵位于阵列天线的中央时，由于天线结构与背板的对称性，使得赋形波束具有良好的对称性，从而使得这两个下行波束具有更好的重叠性，将有利于提高MIMO系统的下行传输速率。

从图2中可以看出，其通过2个线阵来发射2路下行数据，从而形成2发8收的MIMO阵列天线。

图3是本发明阵列天线的另一实施例的结构示意图。

如图3所示，可以将最左侧的相邻两个线阵复用为收发天线。利用正极化线阵1、正极化线阵2和赋形网络来形成一个正极化65度波束，利用负极化线阵5、负极化线阵6和赋形网络再形成一个负极化65度波束。

依此类推，也可以利用正极化线阵3、正极化线阵4、负极化线阵7、负极化线阵8和两个赋形网络来形成两个正负极化65度的下行波束。

图4是本发明阵列天线的又一实施例的结构示意图。

如图4所示，可以通过4个线阵发射4路下行数据。具体地，可以利用正极化线阵1和正极化线阵2，负极化线阵5和负极化线阵6、正极化线阵3和正极化线阵4、负极化线阵7和负极化线阵8、以及四个赋形网络来形成4个65度的下行波束，从而形成4发8收的MIMO阵列天线。

需要指出的是，还可以将上述实施例中的阵列天线应用到基站中，以提高网络服务速度和链路性能。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分可以相互参见。

本发明的上述实施例在下行方向上仅基于两根同极化的天线来形成一个固定波束，为了在下行方向上实现MIMO，至少可以形成一个正极化65度固定波束和一个负极化65度固定波束，在这两个波束重叠的情况下可以最高效地实现下行MIMO。此外，本发明的下行波束不基于用户位置变化，而是能够覆盖整个扇区的固定波束。

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 (8)

1.一种阵列天线，其特征在于，包括多个线阵、上下行双工器和赋形网络，其中，

每个线阵均为双极化线阵，包括正极化线阵和负极化线阵；

所述赋形网络的输入端与射频单元的下行输出端相耦合，所述赋形网络的两个输出端分别与两个上下行双工器的下行信号发射端相耦合；

所述两个上下行双工器的收发共用端分别与相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，相邻的两个极化相同的线阵通过所述赋形网络在下行链路上形成65度的扇区化水平波束；

所述两个上下行双工器的上行信号输出端与射频单元的上行输入端相耦合；

所述多个线阵中未与上下行双工器相耦合的线阵均耦合至射频单元的上行输入端。

2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，用于发射下行信号的相邻两个线阵之间的间距介于[0.35λ，0.7λ]之间，用于接收上行信号的相邻两个线阵之间的间距介于[λ/2，λ]之间，其中，λ为阵列天线工作的中心频点对应的波长。

3.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线包括4个线阵，其中至少一对相邻的线阵复用为收发天线。

4.根据权利要求3所述的阵列天线，其特征在于，复用为收发天线的线阵位于所述阵列天线的中央。

5.根据权利要求3所述的阵列天线，其特征在于，通过2个线阵发射2路下行数据。

6.根据权利要求3所述的阵列天线，其特征在于，通过4个线阵发射4路下行数据。

7.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，每个正极化线阵和每个负极化线阵中均至少包括两个阵子。

8.一种基站，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的阵列天线。