CN111478019A - 一种v形电调移动通信天线 - Google Patents

Abstract

本发明是一种V形电调移动通信天线，属于通信设备技术领域，该V形移动通信天线包括一组对顶铰接的天线体组件，天线体之间通信由合路器链接，并将两个单元天线复合成一块整体的V形电调移动通信天线。天线体下倾、上仰角度及其收发接收天线阵子数量在出厂时根据通信运营商个性化要求进行定制生产，天线体由设在基站综合网管中心分别对上、下背板上的多系统IRCU分别发送调整上、下倾角信号，数控步进马达在收到网管信号后通过信号线缆向驱动马达发送步进信号，驱动马达转动拉动传动杆改变马达行走行程，驱动两块天线体绕定位板顶端的销轴为中心点转动完成预调角度的远程控制，达到同一个扇区的移动通信信号对高、低空间两个的维度的信号覆盖。

Description

一种V形电调移动通信天线

技术领域

本发明新型涉及的是一种可向城市高层底部、上层空间两个方向发射和接 收通信信号的通信天线设计，具体的说是一组集成有完全功能器件的反射面板 呈一定角度的V形对顶铰接设计，将反射面板上的两个单元天线合并成一个整 体的V形天线，并通过远程控制中心发送步进脉冲信号实现一组天线在不同方 向动作的电调移动通信天线设计方法。

背景技术

1.多系统嵌入式电调(IRCU)技术、电调工作原理及实现方式

基站天线发展历经了非电调天线、非标准电调天线、AISG(Antenna InterfaceStandards Group，天线接口标准组织)标准电调天线几个阶段。其 中，AISG标准电调天线的电调单元历经了外置式、内置式、多系统嵌入式3个 阶段。随着技术的进步与集成度的提高，天线厂家相继推出了多频段电调天线 (Muti-band Remote Electronic TiltingAntenna，MRET)，在天线内部由一 个嵌入式控制单元同时控制多个频段天线阵子的移相器，并完成对各移相器的 下倾角检测、控制、参数记录等功能。通过调节天线下倾角，可以有效地增强 并优化网络覆盖。而多系统IRCU(Internal Remote Control Unit，嵌入式电调单元)与天线也是一体化设计，使用工序简单且可拆卸，同时具有便捷性和 可维护性，工程安装便捷，施工人员只需要使用一条AISG电缆将多系统嵌入式 电调天线与基站连接。嵌入式电调天线系统面向客户需求，解决了维护难、操 作繁琐两大难题，成为行业的发展趋势。

其工作原理是：IRCU(嵌入式电调单元)安装在天线内部，由控制电路、 驱动马达和传动机构构成，驱动马达一般采用数控的步进马达；驱动机构主要 包括一个齿轮，该齿轮可以与传动杆咬合，齿轮在马达驱动下转动拉动传动杆， 以改变天线的下倾角或上仰角，同时把操作过程和结果显示在网管平台上。电 调天线的优点是允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整， 实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高(0.1°)。

AISG2.0协议是由世界主流的移动通信系统厂商和微波天线相关厂家联合 制定的天线智能化设备与基站之间的通信规范，其中电调倾角天线(RET)是第一 批纳入AISG2.0协议的天线设备。遵循AISG协议的RET的主要功能包括：下倾 角远程调节、移相器状态实时监控、天线参数存储以及远程固件更新等。AISG2.0 协议共包括3层，对应到OSI模型分别是物理层、数据链路层和应用层。物理 层：电气上可采用RS485标准或者共用射频馈线的Modem方式，都为半双工通 信；数据链路层：AISG2.0协议的第二层是HDLC协议的一个子集；应用层：应 用层根据不同的设备有不同的功能，目前该协议支持的设备包括电调倾角天线 (RET)和塔顶放大器(TMA)，因而应用层的功能函数都与这些设备的具体功 能密切相关。MRET的软件主要包括3大功能模块，分别是AISG协议栈、电机驱 动和固件更新模块。AISG协议栈包括了底层数据接收、AISG命令与参数的解析 以及AISG回应命令的封装等功能。电机驱动部分主要根据AISG命令完成对各 移相器倾角调节电机的控制，并实时监测是否发生堵转故障。固件更新模块实 现了固件的下载、存储，并在引导程序中完成了新固件的写入，实现固件更新。

AISG2.0协议物理层的底层通信介质支持两种：RS485方式和Modem方式。 RS485通讯方式采用多芯屏蔽电缆在RET与基站之间建立连接。Modem方式则是 通讯控制信号和射频信号共用射频电缆，将控制信号调制到射频信号上，然后 在接收方解调得到控制信号。这两种连接方式对于上层协议都是透明的。目前 对于RET都是采用RS485方式，对于TMA大都采用Modem方式。默认支持的波 特率是9.6kbps，也支持38.4kbps和115.2kbps(只针对于RS485方式)。

2.天线下倾角度变化范围技术指标

电调下倾角，通过天线关键器件移相器，连续调整天线馈电网络和改变天 线阵列中各振子的相位，在天线物理位置不改变的前提下，实现天线电下倾角 的连续调节的方式。所以在调整下倾角时，不会改变其波瓣宽度。在基站周围 环境理想情况下，下倾角可按公式α＝actan(H/R)+β/2(公式1)进行计算。 α为天线的下倾角，H为天线有效高度，β为天线的垂直半功率角。R为该小区 最远的覆盖距离，即覆盖长径R。定向基站天线覆盖长径在理想情况下R＝2D/3。 目前由京信公司研发的双频外置和内置驱动电机设备可调下倾角已经实现了在 0°～16°范围内的调控，天线一般在在出厂时已经预置了一定的下倾角度，便 于为后期运营商在安装调试时节省更多的调试时间，其电下倾调整范围一般为 0°-10°。

3.高空间区域4G手机信号测试结果表明4G信号劣于2G、3G

4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和 图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比家用宽带ADSL(4M)快25倍， 并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G从技术层面已经远远领先于 2G和3G，但辐射距离远低于2G和3G信号。由于移动通信在2G、3G时代所处 信号波长较长，信号存在衍射和绕射现象，基本不影响用户接收信号和使用， 但数据传输速率明显不如4G。同时，调查后发现工作生活在高层的人们在使用 4G手机时，大部分只能接收到2G、3G信号，4G数据优势得不到充分显现。

用华为MATE 10手机中安装的华为公司研发的“网优任我行”软件进行测 试结果表明，经统计结果发现中国移动、中国联通和中国电信，在20层楼高度 测试时，信号强度分布在-90db至-105db之间，室内通话质量时断时续，或听 不到对方通话发生，手机信号会自动切换到2G或3G信号模式；在楼宇顶部测 试时，4G信号强度基本处在-100db和-105db之间，存在对方声音的情况；在使 用手机流量上网时，网速和地面上使用手机相比明显变慢。

手机通用的信号强度的单位是dBm(毫瓦分贝)，dBm是通过对数计算出来 的，所以dBm一般都是负数。数值越大(考虑正负号)，信号也就越好，比如 -40dBm的信号比-50dBm的好。具体信号强度可参考以下标准数值进行判断。

-1到-50之间，信号非常好，玩游戏、打电话、看视频都可以畅快无阻；

-50到-75之间，信号良好，通话和上网等可以顺畅进行；

-75到-90之间，信号稍弱一点，但能保证正常的通话，网速可能会慢一些；

-90到-110之间，信号相对较弱，走动情况下的通话和上网比较容易断线；

-110到-170之间，手机基本已经没有什么信号了，连最基本的通话都很难 进行。

4. 5G、6G时代基站密度会进一步加大，仅具备下倾角功能的板状通信天线 必将无法满足和实现对高空间辐射两难问题

在5G、6G到来之际，6G信号频率已经在太赫兹级别，而这个频率已经进入 分子转动能级的光谱了，很容易被空气中的被水分子吸收掉，所以在空间中传 播的距离不像5G信号那么远，6G需要更多的基站“接力”。当信号的频率超 过10GHz时，其主要的传播方式就不再是衍射。对于非视距传播链路来说，反 射和散射才是主要的信号传播方式。同时，频率越高，传播损耗越大，覆盖距 离越近，绕射能力越弱。这些因素都会大大增加信号覆盖的难度。国际电信标 准组织定义的5G的主流频段是3GHz-6GHz，属于毫米波频段。5G基站天线同3G、 4G基站天线信号的覆盖距离相比，随着波长越短，覆盖距离越近，城市基站建 设密度会越来越大；从现有的基站天线设计看，天线会实现智能化、宽带小型 化可电调(共设计)、定制化；对工作生活在高层楼宇内的人来讲，移动通信 信号会变的越来越差，甚至接收不到5G移动信号，这个问题根本无法回避，问 题即是机遇。

随着未来5G(毫米波)和6G(太赫兹频段)时代的演进，以车联网、物联 网、无人驾驶技术等大量的新业务需求的出现，基站建设密度必将进一步加大， 基站辐射距离越来越短，在经济发达的大城市或特大城市以及楼宇密度大的城 区建站难度和成本必将进一步加大和上升，尤其是在道路两侧或居民小区中央 建设十数米高的低成本、小型基站或微型基站是未来相当长时间内基站通信的 发展趋势。当前移动天线仅能辐射地面空间以上、一定高度之下的人和设备的 需求，要同时也为高层建筑空间内工作生活的人群、设备等提供优质的4G、5G 移动信号成了鱼和熊掌不能兼得的两难选择。

5.铰链及刚性铰链

铰链，又叫合页，是用来连接两个固体并允许两者之间做相对转动的机械 装置，已经在机械工程领域有了广泛的应用。铰链由可移动的组件构成，或者 由可折叠的材料构成，在扭转载荷下，绕其回转中心在有限角度范围内产生回 转运动。由于基站天线属于精密电子机械，其控制精度对信号质量变化影响重 大，故采用刚性铰接技术。

6.在经过专利及相关文献检索后发现，由广东移动通信有限责任公司的庄 仁峰等7位专利申请人在2006年4月30日申请了《对高层楼于室内覆盖的方 法及上层站》的发明专利，该专利主要强调，将定向天线置于室外，且定向天 线的发射面上仰。该专利天线仅通过改变天线方向实现了对高层空间的覆盖， 但无法无法实现对地面上低层空间的信号覆盖。

7.仿真计算结果达到设计假设的预期

利用HFSS软件对V形天线进行仿真计算，在软件中建立长度为37cm，宽度 为28cm，厚度为1.6cm的介质板，介质板的材料为FR4，在介质板下铺设一层 与介质板等长和等宽的矩形铝片，在介质板上铺设矩形贴片，设置天线馈电方 式为同轴线馈电；按照同样的方法制作相同的天线，保证两个单元天线之间的 夹角在150°与180°之间，将两个单元天线合并成一个整体的V形天线，天线 贴片在介质板的外侧(如图1)。同时在V形天线外侧设置与天线边界相差50cm 的金属空气腔。将矩形贴片、铝板设置为perfectE边界，将空气腔设置成为Rad 边界，对V形天线进行仿真。当V形天线的夹角角度为150°、160°和170° 在逐渐增大时，从天线的3D方向增益图可以看出，能量会越来越集中于中心位 置，在变化天线夹角的过程中能量也在不断发生转移和变化，波束在逐渐变窄， 但对区域信号辐射效果没有影响。由此可知，本专利的V形天线可以通过改变 天线夹角达到对天线的上下方向完成电磁信号辐射，通过计算机仿真计算证明， 该发明新型具有可行性和经济价值。

基于此，在4G时代以及可以预见的5G时代推广应用中，在不大量增加天 线数量和为其他运营商节约基站天线安装平台空间的情况下，能同时对城市高 层建筑密集区的高、低两个空间维度辐射移动通信信号，特提出一种V形移动 通信天线设计方法。

发明新型内容

本发明新型的目的在于为国内4G、5G和下一代移动通信基站天线的通信设 备制造商和运营商提供一种既能辐射低空间维度(地面以上)又同时满足高空 间维度人群及其他接入设备使用需求的新型移动天线设计方法。

本发明新型V形电调移动通信天线通过一组含有天线阵子、移相器和嵌入 式控制单元的天线底板，通过采用当前已经成熟的嵌入式、集成化、小型化宽 频多系统共用电调天线技术，实现基站信号覆盖和客户体验度倍增，探索和破 解当前单一板状天线能低不能高的单一方向信号辐射的难题，在保持主要模块 结构和移动通信天线功能的基础上，通过在天线基板上增设一块铝合金定位板， 将两块反射板对顶(对顶内角预设为160°)铰接后安装在铝合金定位板顶部， 以铝合金定位板顶端为转轴中心点，在基站综合网管中心分别对上、下背板上 的多系统IRCU(Internal Remote Control Unit，嵌入式电调单元)发送网管 调整上、下倾角信号，数控步进马达在收到网管信号后通过信号线缆向驱动马 达发送步进信号，驱动马达转动拉动传动杆改变马达行程，实现V形天线体在 垂直方向上不同角度的改变，达成V形天线对基站的高、低空领域移动通信信 号的覆盖，同时把操作过程和结果显示在网管平台上。

为实现上述目的，本发明新型提供如下技术方案：在借鉴和充分利用当前 已有的产品和技术成果的基础上，提出一种既能向下和向上两个方向同时辐射 移动通信信号移动天线设计方法，主要包括天线内部V形天线体(一组天线体)、 刚性铰链、定位板、天线底板和V形通信天线外罩。其中内部天线体包括反射 板，反射板上表面设有N个天线辐射单元阵列组，每个天线辐射单元阵列组由 若干个双极化天线辐射单元合路后形成，以及印刷电路板、支架、馈线、移相 器和嵌入式控制单元；V形天线体包括两块反射板，所述的两块反射板呈V形对 顶安装后，将两个反射面板上的N个单元天线合并成一个整体的V形天线，每 块反射板对应一个设于反射板背面的移相器、一个嵌入式控制单元、驱动马达 及步进系统装置。

附图说明

图1为示意图V形电调天线示意图。

图2为本发明新型的实施例1V形天线体结构示意图。

图3为本发明新型的实施例2天线定位板。

图4为本发明新型的实施例3刚性铰链。

图5为本发明新型的实施例4天线支撑板。

图6为本发明新型的实施例5驱动马达及步进系统。

图7为本发明新型的实施例6天线底壳。

图8为本发明新型的实施例7V形天线外罩。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容，构造特征、所实现的目的及效果，以下结 合实施方式并配合附图对本发明新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅是本发明新型一部分实施例，而不是全部的实施 例。基于本发明新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动 前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明新型保护的范围。

本发明新型提供一种技术方案：一种V形电调移动通信天线，包括一副V 形天线体(1)、T型定位板(2)、刚性铰链(3)、天线支撑板(4)、驱动马 达及步进系统(5)、天线底壳(6)和V形通信天线外罩(7)。刚性铰链(3) 焊接在T型定位板(2)顶部，将一副V形天线体(1)紧固在刚性铰链(3)上， 天线体上驱动马达及步进系统(5)安装紧固在天线支撑板(4)的表面上，再 用螺母和支架将安装有天线体、定位板等元器件的天线支撑板(4)紧固在天线 底壳(6)上，最后，进行V形通信天线外罩(7)安装，完成了V形电调移动 通信天线组装。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明新型的优选实施方式，并不用于限 制本发明新型，尽管参照前述实施例对本发明新型进行了详细说明，应当指出： 对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明新型原理的前提下，其依然可对 前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同 替换，凡在本发明新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进 等，均应视为本发明新型的保护范围之内。

本发明新型的优点

1.解决了在一个扇区用一副基站天线解决了原需要两副通信天线的工作 任务，天线数量才能大幅减少，为通信铁塔腾出了大量的宝贵空间，铁塔共享 率才能显著提升，共建共享国家战略才能够落地显然具有重要的意义。

2.可以少占用宝贵的城市用地，为寸土寸金的大型城市基站平台腾出更多 的空间，更多地安装其他运营商的5G等新一代基站天线，极大降低了通信运营 商基站建设成本，实现一定的规模经济效益，社会和经济效益显著。

3.有利于通信运营商在高层住宅区域布设更多的微基站，降低基站建设高 度和难度，也为未来物联网和人工智能驾驶等新技术应用提供可靠的信号保障。

4.解决了生活工作在高空间人群因信号出现盲区带来的通信不便，主要是 当前国内外板状天线存在因毫米波、太赫兹频段信号无法衍射、绕射的问题， 提供另外一种解决路径，提供中国解决方案和中国标准。

5.为通信设备制造商提供一种移动天线能够同时实现向上和向下同时发 射信号的移动天线设计思路，实现1000米以下低空领域飞行器等物联网设备在 智能化的识别、定位、跟踪、监管等方面的高质量通信功能需求。

6.在4G时代已经出现的移动信号越来越弱甚至出现信号盲区并导致用户 体验度越来越差的背景下，截至目前为止，国内通信运营商尚未提出有效的应 对方案，也为未来5G、6G等下一代基站天线设计提供参考。

Claims (5)

1.一种V形电调移动通信天线，其特征在于，该新型移动通信天线包括一副V形天线体(1)、T型定位板(2)、刚性铰链(3)、天线支撑板(4)、驱动马达及步进系统(5)、天线底壳(6)和V形通信天线外罩(7)。

2.根据权利要求1所述的一种V形电调移动通信天线，其特征在于所述的V形移动通信天线是由两块功能完备的板状天线通过刚性铰链(3)铰接而成的天线体通过设计安装在T型定位板(2)顶部的进行链接后，能够在独立分布的马达驱动带动拉动杆作向下、向上一定范围转动。

3.根据权利要求1所述的一种V形电调移动通信天线，其特征在于所述定位板(2)为T型钛铝合金结构。

4.根据权利要求1所述的一种V形电调移动通信天线，其特征在于所述的刚性铰链(3)为V形钛铝合金结构。

5.根据权利要求1所述的一种V形电调移动通信天线，其特征在于所述的V形通信天线外罩(7)呈V形设计。

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