CN1514514A

CN1514514A - 移动通信基站平面多波束天线

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Publication number: CN1514514A
Application number: CNA021399263A
Authority: CN
Inventors: 彭宏利; 谢玉堂
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2002-12-31
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2022-12-31
Also published as: CN100487981C

Abstract

一种移动通信基站平面多波束天线，它至少包括天线阵列、宽带Butler波束形成网络及Chebyshev加权网络、金属基板、功率合成及分解电路；其中，天线阵列位于金属基板上面，天线阵列的输出连接到宽带Butler波束形成网络及Chebyshev加权网络，功率合成及分解电路位于金属基板上与天线阵列相反的另一面，并与天线阵列连接。本发明的天线阵列具有独特辐射结构和独特馈电方式；该空气微带天线作为基本辐射源，采用了平面阵列天线技术、幅度加权技术以及Butler多波束形成技术，从而使得多波束天线具有小型、低轮廓、宽带、效率较高的特点，简化了基本辐射单元的体积、结构，这对阵列的实现和性能扩展非常有效。

Description

移动通信基站平面多波束天线

技术领域：

本发明涉及一种小型化、宽频带、中高增益平面多波束天线，特别涉及一种基站智能天线产品上的天线单元及阵列的结构，尤其涉及GSM(Global System for Mobile communications，全球数字移动电话系统)移动通信环境下，低副瓣以及主波束隔离的基站多波束天线。

背景技术：

在移动通信系统(例如GSM、CDMA(码分多址)或PHS(个人手持系统)中，基站天线采用智能天线技术，实现空域滤波(即SDMA)，能有效地克服多径效应，减少码间干扰，抑制同频干扰，提高载干比，从而显著地提高系统容量。正因为如此，智能天线技术(也称为自适应阵列天线技术)，近几年来已成为移动通信技术中关键技术和技术热点。

现有技术中，通常采用半波振子或者双层微带辐射单元。但是，半波振子辐射单元存在着如下的缺点：首先，半波振子低轮廓程度差，造成天线阵列体特别是厚度较大；第二，半波振子辐射单元为平衡结构，而馈电元为同轴型非平衡结构，串接时有一个从平衡到不平衡的转换，这必然使阵列很复杂，并且成本高，可靠性差。而对于双层微带辐射单元而言，虽然频带有所展宽，但结构复杂、成本高，可靠性有所下降，使得双频的辐射单元很难形成。

发明内容：

本发明的主要目的在于提供一种移动通信基站平面多波束天线，解决移动通信智能天线中，基站多波束天线的实现问题，提供工程上易实现且性能价格比较高的智能天线系统，克服现有移动通信基站天线采用一个固定的宽波束，没有空间角度分集能力和干扰抑制能力差的缺点，有效地提高移动通信的系统容量。

本发明的目的是这样实现的：

一种移动通信基站平面多波束天线，至少包括天线阵列(A)、宽带巴特勒(Butler)波束形成网络(B2)及Chebyshev(切比雪夫)加权网络(B1)、金属基板(C)、功率合成及分解电路(D)；

其中，天线阵列位于金属基板上面，天线阵列的输出通过D1(D1-1，D1-2，D1-3)、D2(D2-1，D2-2，D2-3)、D3(D3-1，D3-2，D3-3)、D4(D4-1，D4-2，D4-3)与位于金属基板上与天线阵列相反的另一面的阵列功率合成及分解电路(D)的输入相接，D的输出接口通过(D11、D22、D33、D44)连接到Chebyshev加权网络(B2)的4个端口(B2-10，B2-20，B2-30，B2-40)及宽带Butler波束形成网络(B1)的输入端口(B1-8，B1-9，B1-10，B1-11)，见附图3、图4、图5、图6、图7。

该多波束天线还设有天线罩(E)，该天线罩固设在金属基板上，用于遮覆并保护天线阵列，见附图7。

所述的天线阵列(由A11、A21、...A61；A12、A22、...A62；...；A11、A16、...A66，...)，通过24根馈线(A7)构成一个以上子直线阵(第1子线阵A11、A21、...A61；...，第6子线阵A16、A26、...A66)，该子直线阵相互平行排列，见附图3、图4。

所述的子直线阵由一个以上的天线单元(A11)组成，天线单元两两相接形成一组，共形成D1(D1-1，D1-2，D1-3)、D2(D2-1，D2-2，D2-3)、D3(D3-1，D3-2，D3-3)、D4(D4-1，D4-2，D4-3)结点与D连接，同一行或列的天线单元相互连接，用于定向收集空间电磁能量或向空间定向发射电磁能量。

所述的天线单元至少设有辐射单元(A11-1)、3D阻抗变换器(A11-2)和馈电线(A11-3)；其中，该辐射单元通过3D阻抗变换器和馈电线连接。

所述的辐射单元的辐射面为双梯形形状。

在同一天线阵列中，构成各子直线阵的天线单元数量相等。

宽带Butler波束形成网络与天线阵列中各子直线阵分别连接，用于将各子直线阵收集的能量进行相干合成；该Chebyshev加权网络通过与子直线阵数量相同的射频接口与宽带Butler波束形成网络连接，用于与宽带Butler波束形成网络的输入/出进行加权处理。

所述的功率合成及分解电路(B2)设有一个以上的等幅同相功分器，其通过4根传输线(2×B2-1、2×B2-2)分别和与其相对应的子直线阵上不同的天线单元连接于(B2-10、B2-20、B2-30、B2-40)，见附图5，用于将总能量分配到各子直线阵进而到各天线单元，或将各子直线阵的各天线单元的能量汇集。

本发明的天线阵列具有独特辐射结构和独特馈电方式；该空气微带天线作为基本辐射源，采用了平面阵列天线(Planar Array)技术、Dolph-Chebyshev幅度加权(Amplitude Weight)技术以及Butler多波束形成(Multi-Beam Forming)技术，从而使得多波束天线具有小型、低轮廓、宽带、效率较高的特点，简化了基本辐射单元的体积、结构，这对阵列的实现和性能扩展非常有效。

附图说明：

图1为本发明梯形辐射天线单元的俯视图。

图2为本发明梯形辐射天线单元的侧视图。

图3为本发明天线单元平面阵列的结构示意图。

图4为本发明Butler矩阵及切氏幅度加权网络示意图。

图5为本发明幅度加权网络示意图。

图6为本发明基板背面半刚性电缆功率合成/分解电路原理图。

图7为本发明天线结构侧向示意图。

图8为本发明多波束天线端口1电压驻波比曲线图。

图9为本发明多波束天线端口2电压驻波比曲线图。

图10为本发明多波束天线端口3电压驻波比曲线图。

图11为本发明多波束天线端口4电压驻波比曲线图。

图12为本发明1波束水平平面方向图(f＝890MHz)。

图13为本发明1波束水平平面方向图(f＝925MHz)。

图14为本发明1波束水平平面方向图(f＝960MHz)。

图15为本发明2波束水平平面方向图(f＝890MHz)。

图16为本发明2波束水平平面方向图(f＝925MHz)。

图17为本发明2波束水平平面方向图(f＝960MHz)。

图18为本发明垂直面方向图(f＝925MHz)。

图19为本发明垂直面方向图(f＝960MHz)。

具体实施方式：

以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明：

在本发明的一较佳实施例中，该多波束天线的主要功能是在120°的方位角内，均匀地产生4个窄波束，水平波束宽度约为30°，波束指向位置分别为+15°、±45°，垂直波束宽度约为12°，零点衰落≥-30dB，天线增益≥17dBi。

本实施例的多波束天线主要由以下4个模块组成：

参见图1、图2图3，宽带平面天线阵列A，由4个子直线阵A1、A2、A3、A4以及馈电线A5组成，每个子直线阵由6个天线单元A11组成，这样天线阵列A由6行4列共24天线单元组成，其作用原理是以这种6×4空间组阵结构，收集空间电磁能量或向发射电磁能量。

天线单元A11由双梯形辐射元A11-1、3D阻抗变换器A11-2和馈电线A11-3组成；其中，该辐射单元A11-1通过3D阻抗变换器A11-2和馈电线A11-3连接。

天线单元A11

参见图4，宽带Butler波束形成网络及Chebyshev加权网络B，其中，Butler波束形成网络及加权网络B由波束形成网络B1和加权网络B2组成。波束形成网络B1的作用原理是将子阵列A1、A2、A3、A4收集的能量进行相干合成，并通过4个射频接口与加权网络B2的4个射频接口串联相接，实现对输入/出各路进行加权处理。

参见图3和图7，天线阵列设在金属基板C上面。参见图6，功率合成/分解电路D设在金属基板C的背面，它包括：主馈电点D1、半刚性电缆传输线D4和1分3等幅同相功分器(D5)。其将总能量分配到各子直线阵A，进而到各天线单元上去，或者相反，将各天线单元的能量进行汇集。

参见图7，天线罩E，固设在金属基板C上，用于遮覆并保护天线阵列A。金属基板C的作用有三：一是作为天线阵列A的地平面；二是作为整个天线阵列A的机械支撑；三是将天线阵列A与金属基板C背面的功率合成/分解电路D进行电气隔离，天线罩采用PVC材料，对天线阵列A起保护作用。

天线阵列A有四个并行双向射频接口，采用四个DIN型7/16-F接头。该部件形成4个并行双向射频接口与Butler波束形成网络B1串联相接。

本实施例采用自顶向下的设计方法通过如下步骤：

第一步：系统要求设计，首先将多波束天线的总体指标：如带宽，波束数、波束宽度、波束指向、阵列的总体增益、驻波比等电参数和诸如强度、重量、风荷等机械指标进行分解为各部件指标。

本步骤又可以包括下列步骤：

1、确定阵列天线方案，包括辐射单元选型、阵列拓扑结构、大小；

2、确定阵列单元数目、间距，并从驻波比带宽及总体增益等因素来考虑阵列的物理可实现性。

3、确定波束形成及波束优化方案。

第二步：仿真设计，将上述初步方案转化成仿真模型，进行电磁场、高频电路仿真。由于问题的复杂性，本实施例采用多种模型进行问题分析和综合。

本步骤又可以包括下列步骤：

1、采用空腔模型对辐射单元进行建模分析，特别是采用了具有独创性的3D阻抗变换馈电模型，实现单片辐射源的宽频带，并使增益没有损失。

2、采用了传输线模型、矩量法模型对波束形成网路、加权网路和对波束形成网路中空气桥进行建模分析和优化。

第三步：硬件实现、测试、调试验证。

再参见图1、图2，本发明的辐射单元A11采用了独特的3D阻抗变换器对该梯形微带天线进行边缘馈电；同时采用了独特的双梯形微带天线作为基本辐射元；通过这二者的结合，在实现了所需性能的条件下，简化了基本辐射单元A11-1的体积、结构，这对天线阵列A的有效实现和性能扩展，意义重大。

采取上述技术手段的主要其原因是：①为了展宽辐射单元A11-1的频带。采用独特的3D阻抗变换器A11-2，特别有效地实现了辐射边缘的高阻抗向馈电线A11-3低阻抗的缓变过渡，特别有效地实现了宽带阻抗的匹配；另一方面，与矩形天线单元相比，本发明的双梯形微带天线单元A11可谐振在多个频率点上，由于双梯形有两边的腰，呈斜边状，其中两条长度不同的上下底边构成了谐振在两个不同的频率点，而上下底边之间的过渡区又谐振在一系列的频率点上，所以梯形单元的谐振频率实际上是介于两底边谐振频率之间的一段频谱。当该天线阵列A工作于这段频域内的某一点时，均能产生有效辐射，从而增大了该天线阵列A的工作带宽；②为了提高天线增益和展宽单元频带，本实施例采用空气介质。

该天线阵列A，俯仰方向为6个辐射单元A11，单元间距约0.84λ，采用串馈方式，以达到垂直方向半功率波瓣宽度12°左右。水平方向排4列，间距约0.5λ，采用并馈方式，由Butler矩阵馈电，实现了多通道信号的空域DFT(Discrete Fourier Transform)，达到所需波束指向方向半功率波瓣宽度30°。4×6阵列及BFN(Beam Forming Network)可使天线达到零点衰落≥-30dB，天线增益≥17dBi。该阵列结构如图3示，设计总尺寸为：对GSM900(Global System for Mobile communications 900，全球数字移动电话系统900) 尺寸为：1600mm×800mm×40mm；

多波束形成网络包括Butler矩阵和切氏幅度加权网络，为了在±45°、±15°四方向形成四个波束，并同时在H面形成所需增益，采用了4×4单元的Butler矩阵，Butler矩阵采用如图6所示的3dB电桥来实现，而四个3dB电桥用微带电路连同移相器一起集成在一块微带板上。切氏加权网络的目的是要在天线输入口形成1∶1.71∶1.74∶1的幅度分布，以降低阵列天线方向图的副瓣电平。

本发明全部采用平面结构，共分四层，第一层为UPVC天线罩，厚度约为2mm；第二层由天线罩、辐射元以及馈电网络之间的空气间隙构成，厚度约为20-30mm；第三层采用1.5mm厚的FR4板设计馈电网络；第四层为3mm厚的铝基板。

具体参见图8-图19，其为本实施例的实际测试结果，各项指标均已达到设计要求。

在工程上，普通矩形微带天线的主要缺点是频带窄，其驻波比带宽(小于1.5)一般小于4％，而GSM移动通信基站天线所需带宽大于7％，显然，直接采用普通矩形微带天线是不行的。通常采用双层辐射元，来展宽频带。本发明天线其驻波比等总体指标实测如下：

(1)频段：890-960MHz

(2)电压驻波比：1.4

(3)增益(dB)：1波束 17. 2波束 18. 3波束 18 4波束17。

(4)副瓣电平(dB)：1波束-11.7 2波束-14.2 3波束 -12.3 4波束-10.5

(5)极化方式：垂直极化

(6)dB波束宽度：垂直方向：10.8°水平方向：30.±3°

(7)波束指向：1/4波束±(45±3)°2/3波束±(15±2)°

(8)前后比：27.dB

(9)天线罩材料：玻璃钢；

(10)天线尺寸：1880×880×55m³

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同地替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：它至少包括天线阵列、宽带Butler波束形成网络及Chebyshev加权网络、金属基板、功率合成及分解电路；

其中，天线阵列位于金属基板上面，天线阵列的输出通过4组连接点(D1、D2、D3、D4)与位于金属基板上与天线阵列相反的另一面的阵列功率合成及分解电路(D见图6)的输入接口相接，D的输出接口通过4个连接点(D11、D22、D33、D44)连接到Chebyshev加权网络(B2)的4个端口(B2-10，B2-20，B2-30，B2-40)，再经过输出端口(B2-50，B2-60，B2-70，B2-80)与宽带Butler波束形成网络(B1)的输入端口(B1-8，B1-9，B1-10，B1-11)相接(见附图3、图4、图5、图6、图7)。

2、根据权利要求1所述的移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：它还设有天线罩，该天线罩固设在金属基板上，用于遮覆并保护天线阵列。

3、根据权利要求1所述的移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：所述的天线阵列设有馈线及一个以上的子直线阵，各子直线阵A1、A2、A3和A4相互平行排列(其中A1由A11、A21、A31、A41、A51、A61组成，A2、A3和A4以此类推)，并与馈线(A7)，具体连接关系见图3。。

4、根据权利要求3所述的移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：所述的子直线阵由一个以上的天线单元组成，同一行或列的天线单元通过功率合成及分解电路(D)相互连接，用于收集空间电磁能量或向空间发射电磁能量，具体连接关系见图3。

5、根据权利要求4所述的移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：所述的天线单元至少设有辐射单元、3D阻抗变换器和馈电线；其中，该辐射单元通过3D阻抗变换器和馈电线连接。

6、根据权利要求5所述的移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：所述的辐射单元的辐射面为双梯形形状。

7、根据权利要求4所述的移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：在同一天线阵列中，构成各子直线阵的天线单元数量相等。

8、根据权利要求1或3所述的移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：宽带Butler波束形成网络与天线阵列中各子直线阵分别连接，用于将各子直线阵收集的能量进行相干合成；该Chebyshev加权网络通过与子直线阵数量相同的射频接口与宽带Butler波束形成网络连接，用于与宽带Butler波束形成网络连接，对输入/出进行加权处理。

9、根据权利要求1所述的移动通信基站平面多波束天线，其特征在于：所述的功率合成及分解电路(B2)设有一个以上的等幅同相功分器，其通过4根传输线(2×B2-1、2×B2-2)分别和与其相对应的子直线阵上不同的天线单元连接于(B2-10、B2-20、B2-30、B2-40)，见图5，用于将总能量分配到各子直线阵进而到各天线单元，或将各子直线阵的各天线单元的能量汇集。