CN111342234A - 一种基站电调天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的是一种基站电调天线，包括具有多个天线阵子的天线、多个移相器、远程控制单元及传动机构；多个移相器分别对应地与天线阵子连接，用于对通过天线阵子的射频信号相位进行调整，从而改变天线波束的俯仰角；远程控制单元及传动机构控制多个移相器，使得在波束的目标方向上各天线阵子所接收或待发射的射频信号相位相同。根据本发明的技术方案，可远程控制调整天线波束的俯仰角，以使本小区无线信号覆盖最优、临近小区同频及异频干扰降至最低。

Description

一种基站电调天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基站电调天线。
背景技术
超高速无线通信网为了覆盖铁路、高速公路等交通路网，须在交通路网沿线设置无线通信基站。以铁路为例，铁路沿线的铁塔或者铁路接触网杆常用于安装基站天线。通常基站天线安装在远高于终端天线的铁塔上，电调天线只需要支持天线下倾角调整，而无线基站天线不仅会安装在通信铁塔上，也会安装在接触网杆上。接触网杆上的基站天线与列车车顶的高度差小于2米，当列车在有坡度的区间行驶时，列车车顶的车载天线会出现高于和低于基站天线的两种场景，因此要求无线基站天线具有电调上仰和下倾两个功能，俯仰角度调整范围为±6°。安装在接触网杆上时，天线俯仰角具有±6°可调范围，适用于铁轨水平、上坡、下坡三种场景；安装在通信铁塔上时，通过预置一定机械下倾，可实现最大12°倾角调整范围。
在网络优化时两种安装方式的天线预置俯仰角一般不满足覆盖要求，需要由专业人员在列车非运营时间段调整俯仰角，导致网络优化耗时费力。
由于从今往后的基站工作频段可能会工作在更高的频段，例如，5GHz或以上的频段，且需要支持MIMO通信方式。
为提高网络优化效率，需要设计一款适用于5GHz或以上的频段、支持MIMO通信和远程控制功能的基站电调天线，该天线既可以满足传统铁塔安装环境，也可以满足接触网杆安装环境。最终实现由网优人员在控制中心远程控制沿线所有天线的俯仰角，以提高网优效率。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种可远程控制天线的俯仰角基站电调天线，以使本小区无线信号覆盖最优化、临近小区同频及异频干扰降至最低。
本发明实施例提供的一种基站电调天线，包括具有多个天线阵子的天线、多个移相器、远程控制单元及传动机构；
所述多个天线阵子按照预定方式平排列；
所述多个移相器分别对应地与所述天线阵子连接，用于对通过所述天线阵子的射频信号相位进行调整，从而改变天线波束的俯仰角；
所述远程控制单元及传动机构控制所述多个移相器，使得在波束的目标方向上所述各天线阵子所接收或待发射的射频信号相位相同。
更适宜地，所述移相器采用微带线移相器，所述微带线与所述天线阵子形成信号通路，通过改变射频信号在所述天线阵子及微带线上的传输距离来改变信号相位。
更适宜地，所述传动机构包括传动螺杆，该传动螺杆由所述远程控制单元控制进行转动；
所述微带线移相器为一滑杆，该滑杆上设有微带线，该滑杆的一端固定，另一端卡接在传动螺杆上，所述滑杆随着所述传动螺杆转动而移动，滑杆上的微带线与天线阵子连接的位置相应地改变。
具体地，以移相器可调范围中间位置为参考点，到各天线阵子射频走线长度相等，滑杆在垂直虚线左右滑动时实现波束上仰或下倾。
优选地，所述天线为背靠背安装两副定向天线，每副天线各配置一滑杆，分别用于调整两副天线波束的俯仰角。
更适宜地，所述天线为用于支持m×nMIMO通信的阵列天线，所述阵列天线为由m个单极化天线构成的阵列天线；或，当m为偶数，由m/2双极化天线构成的阵列天线；
当(m-k)为偶数，所述阵列天线为由(m-k)/2个双极化和k个单极化阵列天线组成，每一天线阵由若干天线阵子组成并配置一组移相器；
其中m为基站天线阵列数目，n为终端天线阵列数目，m、n、k为正整数。
综上所述，本发明提供的一种基站电调天线，通过远程控制移相器对通过天线阵子的射频信号相位进行调整，从而改变天线波束的俯仰角，以使本小区无线信号覆盖最优、临近小区同频及异频干扰降至最低，使基站覆盖范围与预期设计范围相同，同时优化本区信号覆盖强度。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1a、1b和1c是通信俯仰角与覆盖范围示意图；
图2是列车上下坡时基站天线俯仰角及覆盖示意图；
图3是本发明提供的调整天线波束指向的原理示意图；
图4是本发明的一个实施例中的调整天线波束指向的原理示意图；
图5是本发明的另一个实施例中的调整天线波束指向的原理示意图；
图6是本发明具体应用实例中的基站天线远程控制系统架构示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
为了使本发明的技术方案、特性和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的原理、技术实现方案进行详细描述。
调整天线俯仰角是无线通信系统网络优化的重要技术手段，选择合适的俯仰角可以使本小区无线信号覆盖最优、临近小区同频及异频干扰降至最低，使基站覆盖范围与预期设计范围相同，同时优化本区信号覆盖强度。
本发明提供的技术方案如下：
本发明提供的一种基站电调天线，包括具有多个天线阵子的天线、多个移相器、远程控制单元及传动机构；
所述多个天线阵子按照预定方式平排列；
所述多个移相器分别对应地设置在所述天线阵子处，用于对通过所述天线阵子的射频信号相位进行调整，从而改变天线波束的俯仰角；
所述远程控制单元及传动机构控制所述多个移相器，使得在波束的目标方向所述各天线阵子所接收或待发射的射频信号相位相同。
所述移相器采用微带线移相器，所述微带线与所述天线阵子形成信号通路，通过改变射频信号在所述天线阵子及微带线上的传输距离来改变信号相位。
所述传动机构包括传动螺杆，该传动螺杆由所述远程控制单元控制进行转动；
所述微带线移相器为一滑杆，该滑杆上设有微带线，该滑杆的一端固定，另一端卡接在传动螺杆上，所述滑杆随着所述传动螺杆转动而移动，滑杆上的微带线。
所述天线为背靠背安装两副定向天线，每副天线各配置一滑杆，分别用于调整两副天线波束的俯仰角。
所述天线为用于支持m×nMIMO通信的阵列天线，所述阵列天线为由m个单极化天线构成的阵列天线；或，当m为偶数，由m/2双极化天线构成的阵列天线；
当(m-k)为偶数，所述阵列天线为由(m-k)/2个双极化和k个单极化阵列天线组成，每一天线阵由若干天线阵子组成并配置一组移相器；
其中m为基站天线阵列数目，n为终端天线阵列数目，m、n、k为正整数。
一、天线俯仰角与无线信号覆盖关系：
以覆盖范围500米为例，如果天线下倾角偏小，无线信号覆盖范围会远大于500米，导致小区切换位置覆盖重叠区域过长，而塔下覆盖信号偏弱，甚至出现越区干扰和塔下黑等问题，如图1a所示。如果天线的下倾角偏大，则会造成基站覆盖范围比预期偏小，小区切换位置出现覆盖弱区或盲区，终端系统在切换位置掉线严重等问题，如图1b所示。因此，合理设置俯仰角，如图1c所示，可以优化小区内信号覆盖效果，提高切换成功率和通信容量。
在每个无线通信基站站点，需要背靠背安装两副基站天线，分别指向前后两个方向。当安装在接触网杆上时，基站天线与列车车顶的高度差小于2米。列车在有坡度的区间行驶时，如图2所示，由于高度差较小，列车在“位置1”时，车顶的车载天线低于基站天线，指向左方的基站天线波束需要下倾；当列车行驶到“位置2”时，车载天线会高于基站天线，指向右侧的基站天线波束需要上仰，所以无线通信基站天线需支持电调下倾和上仰两种功能。
二、电调俯仰角原理
通过改变天线阵子之间的相位差，可以改变天线波束辐射角度，以接收方向为例，当入射波与天线阵面呈φ角入射时，天线各阵子接收到的相位延迟不同，如图5所示，各天线单元的相位延迟
Figure BDA0001911894320000051
与无线信号波长λ、天线单元间距d、波束倾角φ等因素有关，不考虑单元之间互耦等因素，第n个单元相位延迟
Figure BDA0001911894320000054
满足下述公式：
Figure BDA0001911894320000053
各阵子单元相位延迟不同，通过移相器补偿相位后，各单元的接收信号在合路前相位相同，如图3所示，经过合路后接收到φ角方向信号最强；同理，天线在发射时指向φ角方向信号最强。
三、移相器原理
移相器是对射频信号相位进行调整的一种装置，射频信号经过传输介质或一定传输距离后会引入相移，利用该原理可以实现多种类型的移相器。本发明实施例中的天线采用PCB微带线形式移相器，通过改变射频信号在微带线上的传输距离来改变信号相位，原理如图4所示。
需要说明的是，本申请所列举的实施例中是通过微带形式移相器来调整天线俯仰角，如果移相器更换为其它形式，也能实现正相移和负相移、波束下倾和上仰，可以根据具体情况采用其他类型的移相器。
各微带网络间距为d'，当滑杆相对中心位置偏移角度为φ'时，各网络与中心线间距为ln
ln＝2nd'tan(φ') (2.2)
各射频通路产生相移为βn，εe为微带线的等效介电常数，与介质和微带线结构有关。
Figure BDA0001911894320000061
使用此移相器后天线各单元的相移为βn，结合式2.1得出
Figure BDA0001911894320000062
即
Figure BDA0001911894320000063
小角度时(天线在±6°之间调整时符合小角度条件)tan(φ')≈φ'、sin(φ)≈φ可知
Figure BDA0001911894320000064
设计定型后d、d'、εe为常数，由此可知小角度下各天线阵子连接此移相器后，天线波束俯仰角φ与移相器滑杆偏移角度φ'成线性关系，移相器滑杆偏移时，天线波束俯仰角φ随φ'角线性变化。微带网络设计时通过调整射频走线长度，使各路射频线在基准位置处线长相等(图4垂直虚线作为基准位置)，滑杆在基准位置时天线波束指向水平方向，滑杆在垂直虚线左右滑动时对应天线波束上仰或下倾。
四、电调天线原理
MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。
本发明实施例中，天线为用于支持m×nMIMO通信的阵列天线，所述阵列天线为由m个单极化天线构成的阵列天线；或，当m为偶数，由m/2双极化天线构成的阵列天线；
当(m-k)为偶数，所述阵列天线为由(m-k)/2个双极化和k个单极化阵列天线组成，每一天线阵由若干天线阵子组成并配置一组移相器；
其中m为基站天线阵列数目，n为终端天线阵列数目，m、n、k为正整数。
下面以4×4MIMO天线为例，具体是采用两个双极化天线左右排列实现，如图5所示，左右各一副±45°双极化天线，其中双极化天线中各有n个+45°极化阵子和n个-45°极化阵子。如图中左侧一列黑色实线阵子为一组，组成垂直天线阵列，各阵子经移相器、功率合成器形成一个垂直阵列天线，输出端口为P1，同理，右侧一列黑色实线阵子和左右两列黑色虚线阵子组成另外三个垂直阵列天线，输出端口分别为P3、P2和P4，共组成四个垂直阵列天线，形成4×4MIMO电调天线。
实际每一个天线阵需要一组移相器，共需要四组移相器，四组移相器使用同一个RCU驱动，为了便于理解，图5中简化为每个端口一个移相器。
本实施例中，两个双极化天线为左右排列，上下排列也能实现4×4MIMO电调天线，在此不再赘述。
五、远程电调的实现
RCU是一种远程控制步进电机，通过标准AISG协议控制电机正转、反转和转动角度。如图6所示，天线安装RCU后，工作人员在控制中心发送控制命令，控制命令通过光纤网络传送到基站设备，基站设备把控制命令转换为标准的AISG协议，通过RCU控制线缆(虚线所示)传送给RCU，控制RCU带动螺杆转动，进而带动移相器滑动(见图4中传动螺杆)，天线俯仰角随移相器偏移角度成比例变化，校准后远程可准确调整天线俯仰角，实现远程控制天线俯仰角功能。
本发明实施例中提供的天线是可工作在5150-5850MHz频段，且支持4×4MIMO高增益电调天线。由于频率高，微带网络和移相器的插损较大，当天线增益要求较高，且支持4×4MIMO时，工程实现难度很大。虽然业界早已实现低频段的4×4MIMO和电调天线，但是在5GHz频段实现4×4MIMO电调功能，该天线是首次实现。
与现有技术中的方案相比，本发明具有以下的优点：
综上所述，本发明提供的基站电调天线，通过移相器的正移相和负移相实现天线波束下倾和上仰，可在±6°之间调整，使得各端口增益较高且基本一致，实现MIMO天线阵列电调俯仰角功能，符合设计要求。设计移相器时，将基准点(如图4中垂直虚线位置)设为相位调整范围中点，移相器在基准点两侧调整，不仅可以补偿正相位也能补偿负相位，从而实现天线俯仰角在±6°之间调整。
本发明提供的基站电调天线，可通过远程控制移相器对通过天线阵子的射频信号相位进行调整，从而改变天线波束的俯仰角，以使本小区无线信号覆盖最优、临近小区同频及异频干扰降至最低，使基站覆盖范围与预期设计范围相同，同时优化本区信号覆盖强度。
根据所述公开的实施例，可以使得本领域技术人员能够实现或者使用本发明。对于本领域技术人员来说，这些实施例的各种修改是显而易见的，并且这里定义的总体原理也可以在不脱离本发明的范围和主旨的基础上应用于其他实施例。以上所述的实施例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 (6)

1.一种基站电调天线，其特征在于，包括具有多个天线阵子的天线、多个移相器、远程控制单元及传动机构；
所述多个天线阵子按照预定方式平排列；
所述多个移相器分别对应地与所述天线阵子连接，用于对通过所述天线阵子的射频信号相位进行调整，从而改变天线波束的俯仰角；
所述远程控制单元及传动机构控制所述多个移相器，使得在波束的目标方向上所述各天线阵子所接收或待发射的射频信号相位相同。
2.如权利要求1所述的基站电调天线，其特征在于，所述移相器采用微带线移相器，所述微带线与所述天线阵子形成信号通路，通过改变射频信号在所述天线阵子及微带线上的传输距离来改变信号相位。
3.如权利要求2所述的基站电调天线，其特征在于，所述传动机构包括传动螺杆，该传动螺杆由所述远程控制单元控制进行转动；
所述微带线移相器为一滑杆，该滑杆上设有微带线，该滑杆的一端固定，另一端卡接在传动螺杆上，所述滑杆随着所述传动螺杆转动而移动，滑杆上的微带线与天线阵子连接的位置相应地改变。
4.如权利要求3所述的基站电调天线，其特征在于，
以移相器可调范围中间位置为参考点，到各天线阵子射频走线长度相等，滑杆在垂直虚线左右滑动时实现波束上仰或下倾。
5.如权利要求3所述的基站电调天线，其特征在于，所述天线为背靠背安装两副定向天线，每副天线各配置一滑杆，分别用于调整两副天线波束的俯仰角。
6.如权利要求1或2所述的基站电调天线，其特征在于，
所述天线为用于支持m×nMIMO通信的阵列天线，所述阵列天线为由m个单极化天线构成的阵列天线；或，当m为偶数，由m/2双极化天线构成的阵列天线；
当(m-k)为偶数，所述阵列天线为由(m-k)/2个双极化和k个单极化阵列天线组成，每一天线阵由若干天线阵子组成并配置一组移相器；
其中m为基站天线阵列数目，n为终端天线阵列数目，m、n、k为正整数。
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