CN104143692B - 多天线阵列和基站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线阵列和基站，涉及移动通信领域。该多天线阵列包括多个线阵和赋形网络；每个线阵均为双极化线阵；赋形网络的第一端口和第二端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，相邻两个线阵中极化相同的线阵通过赋形网络形成65度扇区化水平波束，赋形网络的第三端口与射频单元相耦合；多个线阵中未与赋形网络相耦合的线阵均耦合至射频单元的上行输入端口；赋形网络的第三端口用作输入/出端口时，赋形网络的第一端口和第二端口用作输出/入端口。本发明可以形成65度波束形状，以满足扇区化天线的使用要求，避免了天线阵元之间互耦带来的波束宽度展宽问题。

Description

多天线阵列和基站

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别地，涉及一种多天线阵列和基站。

背景技术

目前移动通信网络已经发展到了第三代（简称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（LongTerm Evolution，简称LTE）及第四代（简称4G）等技术标准，以满足网络技术和服务能力地不断发展。由于MIMO（Multiple InputMultiple 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技术是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系统都要求至少2×2的MIMO配置，甚至更多，例如LTE时分复用（Time Division Duplexing，简称TDD）模式一般要求使用8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天线中的每一根天线都能够满足65度的扇区化水平波形图。但是，由于多天线阵列内各线阵之间并列分布，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，使得天线之间的水平波瓣宽度展宽，不能够满足65度的波形图，因此需要采用新的多天线设计方案来解决该问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的一个技术问题是：提供一种多天线阵列和基站，以解决多天线阵列中线阵之间互耦所导致的波束宽度过宽的问题。

本发明实施例的一个方面提供了一种多天线阵列，包括多个线阵和赋形网络；每个线阵均为双极化线阵，包括正极化线阵和负极化线阵；赋形网络的第一端口和第二端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，相邻两个线阵中极化相同的线阵通过赋形网络形成65度扇区化水平波束，赋形网络的第三端口与射频单元相耦合；多个线阵中未与赋形网络相耦合的线阵均耦合至射频单元的上行输入端口；其中，赋形网络的第三端口用作输入端口时，赋形网络的第一端口和第二端口用作输出端口，赋形网络的第三端口用作输出端口时，赋形网络的第一端口和第二端口用作输入端口。

在发射端，赋形网络的两个输出端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，赋形网络的输入端口与射频单元的下行输出端口相耦合。

在接收端，赋形网络的两个输入端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，赋形网络的输出端口与射频单元的上行输入端口相耦合。

位于多个线阵边缘的线阵与位于多个线阵中间的线阵之间的间距等于或大于λ/2，λ为多天线阵列工作的中心频点对应的波长。

每个线阵中的基本辐射单元的数量至少有2个。

所述赋形网络为一分二的功分器。

所述功分器的第三端口到所述功分器的第一端口和第二端口的金属微带线长度相同、宽度相等，以便所述功分器的第三端口到其第一端口的信号和所述功分器的第三端口到其第二端口的信号等幅同相。

所述多天线阵列包括4个线阵，第2列线阵和第3列线阵是位于中间的线阵，第1列线阵和第4列线阵是位于边缘的线阵。

本发明实施例的另一个方面提供了一种基站，包括前述多天线阵列。

本发明通过利用相邻两个线阵中极化相同的两个正极化线阵/负极化线阵以及赋形网络形成65度波束形状，以满足扇区化天线的使用要求，避免了天线阵元之间互耦带来的波束宽度展宽的问题。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多天线阵列一个实施例的平面结构示意图。

图2为本发明多天线阵列内部赋形网络结构示意图。

图3为本发明功分器一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了解决LTE FDD多天线阵列中各线阵波束宽度过宽的问题，本发明的下述实施例通过利用相邻两个线阵中极化相同的两个正极化线阵/负极化线阵以及赋形网络形成65度波束形状，以满足扇区化天线的使用要求，避免了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。

图1为本发明多天线阵列一个实施例的平面结构示意图。

图2为本发明多天线阵列内部赋形网络结构示意图。

如图2所示，多天线阵列20（图2以四线阵固定赋形MIMO阵列天线为例）可以包括多个线阵202和赋形网络204。

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，如图1所示，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。

双极化天线是一种新型天线技术，可以组合+45度和-45度两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量。同时，由于在双极化天线中，±45度的极化正交性可以保证+45度和-45度两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm。另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

每个线阵中的天线基本辐射单元的数量至少有2个，也即每个正极化线阵和负极化线阵中均至少包括两个阵子。本领域技术人员可以根据天线增益的需要灵活确定天线基本辐射单元的数量。

赋形网络的第一端口和第二端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，赋形网络的第三端口与射频单元相耦合；其中，赋形网络的第三端口用作输入端口时，赋形网络的第一端口和第二端口用作输出端口，赋形网络的第三端口用作输出端口时，赋形网络的第一端口和第二端口用作输入端口。多个线阵中未与赋形网络相耦合的线阵均耦合至射频单元的上行输入端口。在图1所示的包括4个线阵的多天线阵列中，第2列线阵和第3列线阵是位于中间的线阵，第1列线阵和第4列线阵是位于边缘的线阵。

在发射端，赋形网络的两个输出端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，赋形网络的输入端口与射频单元的下行输出端口相耦合。

在接收端，赋形网络的两个输入端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，赋形网络的输出端口与射频单元的上行输入端口相耦合。

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）。第二个线阵和第三个线阵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增加赋形网络以形成一个正极化65度波束，负极化线阵6和负极化线阵7增加赋形网络以形成一个负极化65度波束。在发射端，两个65度波束可以用于下行发射（下行1和下行2），在接收端，两个65度波束可以用于接收信号（上行5和上行6），同时，第一个线阵和第四个线阵也可以用于接收信号（上行1和上行2，上行3和上行4），因此，本发明的多天线阵列也称为基于固定赋形的2发6收MIMO天线。

如果相邻两个线阵中极化相同的线阵通过赋形网络形成65度扇区化水平波束，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，侧壁高度可以为8mm-14mm。

其中，用于进行固定赋形的相邻两个线阵（例如，第二个线阵和第三个线阵）之间的间距（即，图1中的a）可以根据天线发射板和边框设计方案来确定。例如，相邻两个线阵之间的间距a可以等于λ/2，也可以大于λ/2，或者小于λ/2。之所以利用相邻两个线阵形成固定赋形波束，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。

本发明利用多天线阵列中间两个相邻的双极化线阵形成65度扇区化波形图，可以满足下行扇区化定向发射和扇区化定向接收的目的，也避免了天线阵元之间互耦带来的波束宽度展宽的问题。

为了减小边缘线阵对中间线阵在进行固定赋形时的影响，位于多个线阵边缘的线阵与位于多个线阵中间的线阵之间的间距需要等于或大于λ/2，λ为多天线阵列工作的中心频点对应的波长。例如，第1列线阵和第2列线阵之间的间距d要大于或等于λ/2，第3列线阵和第4列线阵之间的间距d也要大于或等于λ/2，可以减小第1列线阵和第4列线阵对于第2列线阵和第3列线阵在进行固定赋形时的影响。

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多天线阵列的尺寸，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。

在本发明中，赋形网络可以为一分二的功分器。图3为本发明功分器一个实施例的示意图。如图3所示，赋型网络包含一个信号输入口（设为第三端口），端口1、端口2两个信号输出端口（分别设为第一端口和第二端口），其中黑色实体粗线为金属微带线，黑色细线为PCB板（印刷电路板），金属微带线通过平板刻蚀技术附着于PCB板上，金属的材料可以为铜膜、表面喷锡的合金等导电体，厚度≥0.035mm；PCB板材料可以为FR4（聚四氟乙烯）、Teflon（特氟龙）、Rogers（罗杰斯）等介质。

功分器的第三端口到功分器的第一端口和第二端口的金属微带线长度相同、宽度相等，以便功分器的第三端口到其第一端口的信号和功分器的第三端口到其第二端口的信号等幅同相。多天线阵列属于无源设备，多天线阵列的信号激励来源于射频单元的基站信号，将基站信号接到多天线阵列，多天线阵列内部对两路信号的相位和幅度做相同变化，从而保证固定波束赋形效果。

需要指出的是，还可以将上述实施例中的多天线阵列应用到基站中，即在基站中包括前述的多天线阵列，以提高网络服务速度和链路性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多天线阵列，其特征在于，包括多个线阵和赋形网络；

其中，所述多个线阵之间并列分布，每个线阵均为双极化线阵，包括正极化线阵和负极化线阵；

赋形网络的第一端口和第二端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，相邻两个线阵中极化相同的线阵通过赋形网络形成65度扇区化水平波束，赋形网络的第三端口与射频单元相耦合；

多个线阵中未与赋形网络相耦合的线阵均耦合至射频单元的上行输入端口；

其中，赋形网络的第三端口用作输入端口时，赋形网络的第一端口和第二端口用作输出端口，赋形网络的第三端口用作输出端口时，赋形网络的第一端口和第二端口用作输入端口。

2.根据权利要求1所述的多天线阵列，其特征在于，

在发射端，赋形网络的两个输出端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，赋形网络的输入端口与射频单元的下行输出端口相耦合。

3.根据权利要求1所述的多天线阵列，其特征在于，

在接收端，赋形网络的两个输入端口分别与位于多个线阵中间的相邻两个线阵中极化相同的线阵相耦合，赋形网络的输出端口与射频单元的上行输入端口相耦合。

4.根据权利要求1所述的多天线阵列，其特征在于，

位于多个线阵边缘的线阵与位于多个线阵中间的线阵之间的间距等于或大于λ/2，λ为多天线阵列工作的中心频点对应的波长。

5.根据权利要求1所述的多天线阵列，其特征在于，每个线阵中的基本辐射单元的数量至少有2个。

6.根据权利要求1所述的多天线阵列，其特征在于，所述赋形网络为一分二的功分器。

7.根据权利要求6所述的多天线阵列，其特征在于，所述功分器的第三端口到所述功分器的第一端口和第二端口的金属微带线长度相同、宽度相等，以便所述功分器的第三端口到其第一端口的信号和所述功分器的第三端口到其第二端口的信号等幅同相。

8.根据权利要求1所述的多天线阵列，其特征在于，所述多天线阵列包括4个线阵，第2列线阵和第3列线阵是位于中间的线阵，第1列线阵和第4列线阵是位于边缘的线阵。

9.一种基站，其特征在于，包括：权利要求1－8任一项所述的多天线阵列。