專利名稱：一種多入多出無線通信基站分集天線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于無線通信分集天線技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及多入多出(MIMO)無線通信基站分集天線技術(shù)。
背景技術(shù)：
由于無線通信迅速發(fā)展，其用戶數(shù)日益增加，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不斷增長，進(jìn)一步提高當(dāng)前無線通信系統(tǒng)的容量和質(zhì)量是通信工作者面臨的緊迫任務(wù)，常規(guī)的單發(fā)單收系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足超大系統(tǒng)容量的需求，必須尋求新的技術(shù)方案。多入多出(MIMO)技術(shù)是一項利用多發(fā)射與多接收天線的無線通信新技術(shù)，其發(fā)射數(shù)據(jù)流被分離為多路子數(shù)據(jù)流，在調(diào)制后以相同的頻率經(jīng)不同的天線同時發(fā)射出去，通過無線信道的散射傳播，這些并行子流可能通過不同路徑到達(dá)接收機(jī)，由不同的接收天線接收，接收機(jī)可以合并來波信號并恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流。利用該技術(shù)，無線系統(tǒng)可以獲得復(fù)用增益與分集增益，其有效并行數(shù)據(jù)管道提高了MIMO系統(tǒng)的容量。傳統(tǒng)的無線通信理論一直將多徑傳播視為造成無線信號衰落的一種干擾，而MIMO技術(shù)通過采用多天線同時發(fā)送與接收，能夠充分利用多徑傳播，猶如在原有頻段上建立了多個互不干擾的、并行的子信道，并利用先進(jìn)的多用戶檢測技術(shù)，同時準(zhǔn)確而高效地傳送用戶數(shù)據(jù)，從而顯著提高無線鏈路的容量與質(zhì)量。因此，MIMO技術(shù)是實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)高速傳輸?shù)闹匾緩健?br> 無線傳播環(huán)境是一個富有多徑的散射環(huán)境，電磁波在無線信道中傳播時，一方面多條傳播路徑的信號副本相互疊加，導(dǎo)致接收信號起伏不定，即多徑衰落，另一方面，傳播信號的極化方向可能因為反射或散射發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致到達(dá)接收天線的電磁波的極化與接收天線的極化方向不匹配，在各極化方向上的信號起伏不定，即極化失配衰落。
MIMO系統(tǒng)大容量的獲得是以衰落信號不相關(guān)或低相關(guān)為前提的，即要求無線通信環(huán)境具有豐富的電磁散射體以及多天線間距足夠大。在無線移動通信的用戶終端周圍，存在較多散射體，這使得無線電磁波信號角度擴(kuò)展較大，僅需較小(小于一個波長)的天線間距就足以獲得較低的相關(guān)性，但是對于架設(shè)在高處的無線通信基站，其周圍的散射體稀少，來波信號角度擴(kuò)展非常有限。為了獲得較好的分集效果，多天線相鄰陣元間距必須足夠大。無線通信基站一旦架設(shè)完成，就基本固定，而不像移動終端一樣可以隨機(jī)改變，但是來波可能隨機(jī)來自方位面的任意角度，因此要求設(shè)計的基站天線能夠覆蓋整個方位面。其次，與終端天線相比，基站天線的設(shè)計對體積、重量與成本要求相對寬松些，但是對功率承載能力、抗風(fēng)雹與抗雨雪等有較高要求。因此，無線通信新技術(shù)對多天線的設(shè)計提出了更大的挑戰(zhàn)，須采用新的布局方法與設(shè)計。MIMO無線通信系統(tǒng)基站多天線設(shè)計不當(dāng)，可能導(dǎo)致發(fā)射功率明顯增加或傳輸距離顯著縮短，得不到天線分集增益與信道復(fù)用增益，甚至損壞電子設(shè)備。
在授予Smith等人的美國專利6,426,723 B1“MIMO通信系統(tǒng)的天線布局”(Antenna arrangement for multiple input multiple output communications systems)中，公開的用于MIMO通信系統(tǒng)的天線布局僅適于大型終端，不適于MIMO通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計。在授予梅原尚子等的中國專利CN 1411158A“分集天線和應(yīng)用它的無線通信設(shè)備”中，沒有考慮用于MIMO通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計中。在授予岸上高明等人的中國專利CN 1444413A“自適應(yīng)天線基站裝置”中，公開的一種自適應(yīng)天線基站裝置，不適于無線MIMO信道的分集接收與發(fā)送。在授予卜安濤等人的中國專利CN2560107Y“雙極化波束賦形基站天線”中，公開的一種雙極化波束賦形基站天線，也不適于MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種多入多出(簡稱MIMO)無線通信基站分集天線裝置，它具有空間相關(guān)性低、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單與易于制作等特點。
為了描述方便，我們首先對所用術(shù)語作如下定義。
共用反射器指圍繞天線裝置支撐桿安置的固件，它可以是具有金屬表面的圓柱體、交叉金屬板等。
饋電裝置指用于天線有源單元饋電的裝置，它可以是同軸電纜、平行雙線或微帶線等。
電磁散射體指對電磁波具有散射作用的金屬體，如金屬桿、金屬筒、金屬反射面等。
有向天線指遠(yuǎn)場方向圖具有特定方向性而非全向的天線(或陣列)。
天線子陣列指作為多天線陣列的一部分相對獨立的天線部件，它構(gòu)成一個子天線系統(tǒng)。
開關(guān)天線陣列指通過開關(guān)控制可以改變天線方向圖的有向天線，它可以是引向器具有電子開關(guān)的八木天線。
本實用新型提供的一種多入多出(簡稱MIMO)無線通信基站分集天線裝置，它包括基本方案和改進(jìn)方案，所述的基本方案有如下兩個第一種基本方案一種多入多出無線通信基站分集天線，它包括天線支架1，天線支撐桿2，其特征在于它還包括沿方位向分布在天線支撐桿2周圍的至少三副有向天線3，如圖1所示，所述的有向天線3包括至少一個天線有源單元4，如圖2所示，所述的天線有源單元4通過饋電裝置連接到其對應(yīng)的發(fā)射機(jī)(對于發(fā)射天線裝置來說)或?qū)?yīng)的接收機(jī)(對于接收天線裝置來說)，所述的有向天線3之間的距離(以有向天線3的天線有源單元4為參考點)大于半個有向天線3的中心頻率對應(yīng)的波長。
第二種基本方案一種多入多出無線通信基站分集天線，它包括天線支架1，天線支撐桿2，其特征在于它還包括沿方位向分布在天線支撐桿2周圍的至少三套有向天線陣列5，如圖4所示，所述的有向天線陣列5，如圖5所示，包括沿俯仰向排列的至少兩副有向天線3，沿俯仰向排列的相鄰的有向天線3之間的距離不小于半個有向天線3的中心頻率對應(yīng)的波長，所述的有向天線3包括至少一個天線有源單元4，如圖2所示，該天線有源單元4通過饋電裝置連接到其對應(yīng)的發(fā)射機(jī)(對于發(fā)射天線裝置來說)或?qū)?yīng)的接收機(jī)(對于接收天線裝置來說)，所述的有向天線陣列5之間的距離(以有向天線陣列5的天線有源單元4為參考點)大于半個有向天線3的中心頻率對應(yīng)的波長。
所述的改進(jìn)方案包括如下十五種第一種改進(jìn)方案它是將第一種基本方案或第二種基本方案中的有向天線3替換為開關(guān)天線陣列6，如圖6所示。
第二種改進(jìn)方案它是在第一種基本方案或第二種基本方案中的天線支撐桿2的頂端架設(shè)一個金屬反射面7，如圖8與9所示。
第三種改進(jìn)方案它是在第一種基本方案或第二種基本方案中添加一個共用反射器8，所述的共用反射器8圍繞在天線支撐桿2的周圍，并固定在天線支撐桿2上，如圖10所示。
第四種改進(jìn)方案它是在第一種基本方案或第二種基本方案中添加多個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示。
第五種改進(jìn)方案它是在第一種改進(jìn)方案中添加的天線支撐桿2的頂端架設(shè)一個金屬反射面7，如圖8與9所示。
第六種改進(jìn)方案它是在第一種改進(jìn)方案中添加一個共用反射器8，所述的共用反射器8圍繞在天線支撐桿2的周圍，并固定在天線支撐桿2上，如圖10所示。
第七種改進(jìn)方案它是在第一種改進(jìn)方案中添加多個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示。
第八種改進(jìn)方案它是在第二種改進(jìn)方案中添加一個共用反射器8，所述的共用反射器8圍繞在天線支撐桿2的周圍，并固定在天線支撐桿2上，如圖10所示。
第九種改進(jìn)方案它是在第二種改進(jìn)方案中添加多個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示。
第十種改進(jìn)方案它是在第三種改進(jìn)方案中添加多個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示。
第十一種改進(jìn)方案它是在第一種改進(jìn)方案中的天線支撐桿2的頂端架設(shè)一個金屬反射面7，如圖8與9所示，并且添加一個共用反射器8，所述的共用反射器8圍繞在天線支撐桿2的周圍，并固定在天線支撐桿2上，如圖10所示。
第十二種改進(jìn)方案它是在第一種改進(jìn)方案中的天線支撐桿2的頂端架設(shè)一個金屬反射面7，如圖8與9所示，并且添加多個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示。
第十三種改進(jìn)方案它是在第一種改進(jìn)方案中添加一個共用反射器8，所述的共用反射器8圍繞在天線支撐桿2的周圍，并固定在天線支撐桿2上，如圖10所示，并且添加個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示。
第十四種改進(jìn)方案它是在第二種改進(jìn)方案中添加一個共用反射器8，所述的共用反射器8圍繞在天線支撐桿2的周圍，并固定在天線支撐桿2上，如圖10所示，并且添加多個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示。
第十五種改進(jìn)方案它是在第一種改進(jìn)方案中的天線支撐桿2的頂端架設(shè)一個金屬反射面7，如圖8與9所示，并且添加一個共用反射器8，所述的共用反射器8圍繞在天線支撐桿2的周圍，并固定在天線支撐桿2上，如圖10所示，并且添加多個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示。
需要說明的是本實用新型給出的多入多出無線通信基站分集天線裝置中，所述的天線支架1與天線支架支撐桿2用于支撐天線裝置。
所述的有向天線3可以是基本垂直極化的八木天線(或陣列)、印刷八木天線(或陣列)或印刷陣子天線(或陣列)，有向天線3(或有向天線陣列5，或開關(guān)天線陣列6)的水平間距至少為天線裝置工作的中心頻率對應(yīng)的波長的一半，有向天線3(或有向天線陣列5，或開關(guān)天線陣列6)的無源單元可以充當(dāng)天線裝置的電磁散射體，有利于擴(kuò)展信號分別，降低天線子陣列信號間的空間相關(guān)性。全部有向天線3(或有向天線陣列5)可以覆蓋整個方位面。
所述的開關(guān)天線陣列6采用電子開關(guān)動態(tài)控制天線子陣列的指向，并且各天線子陣列可以覆蓋整個方位面，這使得各分集支路接收的信號強(qiáng)度幾乎相當(dāng)，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果。
所述的架設(shè)在天線裝置頂端的金屬反射面7更適宜加工為圓錐或圓臺形，可以增大多天線裝置的有效口徑或接收信號的截獲面積，以及保護(hù)天線裝置(防雨雪等)，也具有擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性的功能。
所述的圍繞天線支撐桿2的共用反射器8可以是金屬圓柱體、交叉金屬板或其他金屬結(jié)構(gòu)，該共用反射器一方面作為各有向天線3的共用反射器，另一方面在空間上分隔各有向天線3，起到降低空間相關(guān)性的作用。
所述的外加的電磁散射體9是一些距離有向天線3(或有向天線陣列5)較近的細(xì)小金屬體，它們與地面沒有電連接，其表面能夠感應(yīng)出電流，對電磁波具有散射作用，但是基本不會影響天線(或陣列)自身的電特性，有助于擴(kuò)展無線信號在空間中的分布，并對其附加隨機(jī)的相位，進(jìn)一步降低其空間相關(guān)性，也可以增大抗風(fēng)阻等性能。
本實用新型提供的多入多出無線通信基站分集天線，其各天線子陣列可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，適用于無線通信以獲得電波傳播空間分集、角度分集或極化分集效益，適用于無線通信以進(jìn)行空時編碼發(fā)射或接收，適用于多入多出(MIMO)無線通信系統(tǒng)。
我們提供的第一種基本方案，如圖1所示，其有向天線3之間的距離足夠大，沒有共用反射器8的遮擋，有向天線3的無源單元42充當(dāng)電磁散射體，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，全部有向天線3可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，成本低廉。
我們提供的第二種基本方案，如圖4所示，其有向天線陣列5在俯仰向組陣后具有更高的增益與更好的接收與發(fā)射性能(比如可以在俯仰向形成平方余割方向圖)，沒有共用反射器8的遮擋，有向天線陣列5的無源天線單元42充當(dāng)電磁散射體，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，全部天線子陣列可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，可以增大抗風(fēng)阻等性能。
我們提供的第一種基本方案與第二種基本方案，是最基本的方案形式，可以在其基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)，就構(gòu)成了如下的多入多出無線通信基站分集天線改進(jìn)方案第一種改進(jìn)方案，它的有向天線3采用開關(guān)天線陣列6，如圖6所示，開關(guān)天線陣列6之間的距離足夠大，沒有共用反射器8的遮擋，開關(guān)天線陣列6的無源單元充當(dāng)電磁散射體，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，各天線子陣列可以覆蓋整個方位面，各分集支路接收的信號強(qiáng)度幾乎相當(dāng)，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求。
第二種改進(jìn)方案，其天線支撐桿2的頂端架設(shè)有一個金屬反射面7，如圖8與9所示，它更適宜加工為圓錐或圓臺形，可以增大多天線系統(tǒng)的有效口徑或接收信號的截獲面積以及保護(hù)天線裝置(防雨雪等)。該分集天線裝置中的有向天線3的間距足夠大，沒有共用反射器8的遮擋，天線裝置的有效口徑或接收信號的截獲面積大，有向天線3的無源單元充當(dāng)電磁散射體，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，全部有向天線3可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求。
第三種改進(jìn)方案，它包括一個圍繞在天線支撐桿2周圍的共用反射器8，如圖10所示，共用反射器8采用金屬圓柱體、交叉金屬板或其他金屬結(jié)構(gòu)，該共用反射器一方面作為各有向天線3的共用反射器，另一方面在空間上分隔各有向天線3，起到降低空間相關(guān)性的作用，可以獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求。
第四種改進(jìn)方案，它包括多個外加的電磁散射體9，所述的電磁散射體9位于有向天線3的周圍，如圖11所示，它們是一些距離有向天線3較近的細(xì)小金屬體，它們與地面沒有電連接，其表面能夠感應(yīng)出電流，對電磁波具有散射作用，但是基本不會影響天線(或陣列)自身的電特性，外加的電磁散射體有助于擴(kuò)展無線信號在空間中的分布，并對其附加隨機(jī)的相位，進(jìn)一步降低其空間相關(guān)性，全部有向天線3可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求。
第五種改進(jìn)方案～第十五種改進(jìn)方案，具有至少以下四種特征中之二(1)所述的有向天線3采用開關(guān)天線陣列6，如圖6所示；(2)天線支撐桿2的頂端架設(shè)有一個金屬反射面7，如圖8與9所示；(3)具有圍繞在天線支撐桿2周圍的共用反射器8，如圖10所示；(4)具有位于有向天線3的周圍的多個外加電磁散射體9，如圖11所示。
因此，這些多入多出無線通信基站分集天線方案分別具有所對應(yīng)的特點，全部有向天線3(或有向天線陣列5，或開關(guān)天線陣列6)可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，成本低廉，適用于無線通信以獲得電波傳播空間分集、角度分集或極化分集效益，適用于無線通信以進(jìn)行空時編碼發(fā)射或接收，適用于多入多出(MIMO)無線通信系統(tǒng)。
本實用新型具有以下有益效果(1).共用反射器可以在空間上分隔各天線子陣列，并保持天線裝置結(jié)構(gòu)緊湊。
(2).天線子陣列間的空間相關(guān)性小，可以獲得明顯的空間分集效果。
(3).天線裝置結(jié)構(gòu)對稱，天線子陣列的方向圖可電控，能獲得明顯的角度分集效果。
(4).無源天線單元充當(dāng)電磁散射體，對無線信號進(jìn)一步解相關(guān)，天線系統(tǒng)性能優(yōu)良。
(5).外加電磁散射體，有助于擴(kuò)展無線信號在空間中的分布，進(jìn)一步降低其空間相關(guān)性。
(6).天線陣列頂端的金屬反射面能夠增大多天線裝置的有效口徑或接收信號的截獲面積。
(7).天線陣列頂端的金屬反射面能夠可以反射接收或發(fā)射信號，對無線信號進(jìn)一步解相關(guān)，天線系統(tǒng)性能優(yōu)良。
(8).天線陣列頂端的金屬反射面可以保護(hù)天線裝置(防雨雪等)。
(9).無源天線單元、外加電磁散射體與天線陣列頂端的金屬反射面構(gòu)造了一個局部多徑環(huán)境，一方面使分集支路的信號強(qiáng)度幾乎相當(dāng)，另一方面降低信號空間相關(guān)性，分集效果顯著。
(10).無需特別的加工工藝與材料，易于加工制造，成本低廉。
(11).天線單元體積小，結(jié)構(gòu)簡單，阻抗匹配容易，調(diào)試方便。
(12).實現(xiàn)手段靈活，可操作性強(qiáng)，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員易于掌握和實施。


圖1是本實用新型提供的四副有向天線沿方位向均勻分布在天線支撐桿周圍構(gòu)成的多天線裝置的俯視圖其中，1是天線支架，2是天線支撐桿，3是有向天線，x與y是坐標(biāo)軸；圖2是現(xiàn)有的五單元八木天線的俯視圖其中，4是有源單元，40是有向天線3的支架，41是無源反射單元，42是無源引向單元；圖3是現(xiàn)有的五單元八木天線的側(cè)視圖其中，43是有源單元的饋源，其他標(biāo)號同圖2；圖4是本發(fā)明提供的四套有向天線陣列沿方位向均勻分布在天線支撐桿周圍構(gòu)成的多天線裝置的俯視圖其中，1是天線支架，2是天線支撐桿，5是一套有向天線陣列，x與y是坐標(biāo)軸；圖5是本發(fā)明提供的由四單元八木天線在俯仰向排列構(gòu)成的圖4中的一套有向天線陣列5的側(cè)視圖其中，3是作為有向天線的四單元八木天線；圖6是本發(fā)明提供的采用四副開關(guān)天線陣列作為有向天線陣列并沿方位向均勻分布在天線支撐桿周圍構(gòu)成的多天線裝置的俯視圖其中，6是作為有向天線陣列的開關(guān)天線陣列，其他標(biāo)號同圖1；圖7是本發(fā)明提供的作為圖6中的一副有向天線陣列6的開關(guān)天線陣列的側(cè)視圖其中，4是天線有源單元，42是無源可開關(guān)單元；圖8是本發(fā)明提供的四副有向天線沿方位向均勻分布在天線支撐桿周圍并在支撐桿頂端架設(shè)有一個金屬反射面構(gòu)成的多天線裝置的俯視圖其中，7是在天線支撐桿頂端架設(shè)的金屬反射面，其他標(biāo)號同圖1；圖9是圖8的側(cè)視示意圖其中，標(biāo)號同圖8；圖10是本發(fā)明提供的四副有向天線沿方位向均勻分布在天線支撐桿周圍并圍繞天線支撐桿固定一個共用反射器構(gòu)成的多天線裝置的俯視圖其中，8是圍繞并固定在天線支撐桿2上的共用金屬反射器，其他標(biāo)號同圖1；圖11是本發(fā)明提供的四副有向天線沿方位向均勻分布在天線支撐桿周圍并在有向天線附近放置多個外加電磁散射體后構(gòu)成的多天線裝置的俯視圖其中，9是放置在有向天線3附近的多個外加的電磁散射體，其他標(biāo)號同圖1；圖12是圖10中的一副八木天線的遠(yuǎn)場二維方向圖其中，θ表示俯仰角；圖13是將圖10中的圓柱體共用反射器8改變?yōu)榇怪苯徊娼饘侔宓亩嗵炀€裝置的俯視圖其中，81是圍繞并固定在天線支撐桿2上的垂直交叉金屬板反射器，其他標(biāo)號同圖10；圖14是圖13中一副八木天線的遠(yuǎn)場二維方向圖其中，標(biāo)號同圖12；圖15是圖1中一副四元八木天線的H面遠(yuǎn)場方向圖其中，圓周上的數(shù)字表示方位向的角度；圖16是圖1中一副四元八木天線的E面遠(yuǎn)場方向圖其中，圓周上的數(shù)字表示俯仰向的角度；圖17是圖11所示的天線裝置在入射波相對x軸為0度正入射時各電磁散射體(含無源天線單元)的表面感應(yīng)電流在+y軸上有向天線的有源單元處的散射場其中，橫軸表示個電磁散射體與+y軸上有向天線的有源單元所成的角度，縱軸表示散射電場值，10是場強(qiáng)值低于+y軸上有向天線的有源單元處最大接收場強(qiáng)10dB的標(biāo)線；圖18是圖11所示的天線裝置在入射波相對x軸10度斜入射時各電磁散射體(含無源天線單元)的表面感應(yīng)電流在+y軸上有向天線的有源單元處的散射場其中，橫軸、縱軸與標(biāo)線的意義同圖17；圖19是圖5所示的一套天線陣列中的一副四單元八木天線3的歸一化方向圖測試結(jié)果圖20是圖5所示的一套天線陣列5(含四副四單元八木天線)的歸一化方向圖測試結(jié)果圖21是圖6所示的分集天線裝置中的第一套九單元開關(guān)八木天線陣列6的遠(yuǎn)場測試歸一化方向圖(僅+x軸上的無源單元短路(當(dāng)引向器)，其余無源單元開路)其中，曲線11是僅+x軸上的無源單元短路、其余無源單元開路時測試的結(jié)果，12是僅+x軸上的無源單元短路、去掉其余無源單元后測試的結(jié)果。
具體實施方式
實施例1具有圓柱體共用反射器的四單元八木天線組成的基站分集天線裝置圖10是該多天線裝置的俯視圖，它由四副有向天線沿方位向均勻分布在天線支撐桿周圍并圍繞天線支撐桿固定一個圓柱體共用反射器構(gòu)成。
其中，8是圍繞并固定在天線支撐桿2上的共用金屬反射器，其直徑為5.4波長，它一方面作為八木天線的公共反射器，另一方面在空間上分隔各天線子陣列并加固天線裝置，1是天線支架，2是天線支撐桿，3是有向天線，x與y是坐標(biāo)軸。其有向天線3采用類似圖3的三元八木天線，其中心頻率為2.15GHz，采用同軸電纜連接有源單元與接收機(jī)(或發(fā)射機(jī))形成饋電裝置。
圖10中的一副八木天線的遠(yuǎn)場二維方向圖見圖12，結(jié)果表明八木天線方向性系數(shù)是11.4dBi，前后比為15.5，H面3dB波瓣寬度為103度，E面3dB波瓣寬度為27度。
圖13是將第一個實施例圖10中的圓柱體共用反射器8改變?yōu)榇怪苯徊娼饘侔?1的情形，其金屬板寬度等于共用反射器8的直徑，其他編號同圖10。圖13中一副八木天線的遠(yuǎn)場二維方向圖見圖14，結(jié)果表明八木天線方向性系數(shù)是12.3dBi，前后比為15.6，H面3dB波瓣寬度為48度，E面3dB波瓣寬度為24度。
圖12與圖14表明，采用圓柱體共用反射器較之垂直交叉金屬板可以在犧牲較小的方向性系數(shù)的情況下?lián)Q取較寬的主瓣寬度。
該基站多天線裝置的天線3之間的距離足夠大，天線3的無源單元充當(dāng)電磁散射體，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，全部天線3可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，成本低廉。
在本實施例中，四副基本垂直極化的四單元八木天線3放置在直徑為5.4波長的共用圓柱體或垂直交叉金屬板反射器周圍，其饋電裝置采用的是同軸電纜饋電，但是要理解本發(fā)明中的有向天線3的數(shù)目、極化方向、類型、饋電方式、共用反射器形狀與子天線陣列間距并不局限與此，還可以是其他有向天線的數(shù)目、極化方向、類型、饋電方式、共用反射器形狀與有向天線之間的距離。
實施例2無共用反射器的四單元八木天線組成的基站分集天線裝置圖1作為本發(fā)明的第二個實施例的由無共用反射器的四單元八木天線組成的分集天線的俯視圖。其中，1是天線支架，2是天線支撐桿，3是有向天線，x與y是坐標(biāo)軸。其有向天線3采用類似圖3的四元八木天線，其中心頻率為2.15GHz，采用同軸電纜連接有源單元4與接收機(jī)(或發(fā)射機(jī))形成饋電裝置。該分集天線裝置中的天線支架用于支撐天線裝置，兩相對立的八木天線的反射器之間的距離是5.4波長。
圖1中一副四元八木天線的H面遠(yuǎn)場方向圖見圖15，圖1中一副四元八木天線的E面遠(yuǎn)場方向圖見圖16。這些結(jié)果表明八木天線方向性系數(shù)是12.2dBi，前后比為13.5，H面3dB波瓣寬度為79度，E面3dB波瓣寬度為28.8度。
與實施例一比較，去掉共用反射器后，四元八木天線的方向性系數(shù)輕微增加，波瓣前后比輕微增大，H面波瓣寬度下降。
該基站多天線裝置的有向天線3之間的距離足夠大，沒有共用反射器的遮擋，有向天線3的無源單元充當(dāng)電磁散射體，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，全部有向天線3可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，成本低廉。
在本實施例中，四副基本垂直極化的四單元八木天線放置在直徑為5.4波長的圓周上，其饋電裝置采用的是同軸電纜饋電，但是要理解本發(fā)明中的有向天線的數(shù)目、極化方向、類型、安置圓周直徑與饋電方式不局限與此，還可以是其他有向天線的數(shù)目、極化方向、類型、安置圓周直徑與饋電方式。
實施例3具有外加電磁散射體且無共用反射器的四單元八木天線組成的分集天線裝置本發(fā)明的第三個實施例在第二個實施例的基礎(chǔ)上，在圖1所示的由無共用反射器的四單元八木天線組成的分集天線附近放置了電磁散射體9，其示意圖見圖11，四副有向天線沿方位向均勻分布在天線支撐桿周圍，并在有向天線附近放置多個外加電磁散射體9。其中，1是天線支架，2是天線支撐桿，3是有向天線，x與y是坐標(biāo)軸，其有向天線3采用類似圖3的四元八木天線，其中心頻率為2.15GHz，采用同軸電纜連接有源單元與接收機(jī)(或發(fā)射機(jī))形成饋電裝置，該分集天線裝置中的天線支架用于支撐天線裝置，兩相對立的八木天線的反射器相距5.4波長，9是放置在有向天線3附近的多個外加的圓柱體電磁散射體，9沿天線支架支撐桿平行放置，其半徑為0.002波長、長度為0.32波長，沿方位向每隔15度放置，但x與y軸除外，9距天線陣列相位中心包括三種距離值，分別是4倍波長、3倍波長與2倍波長，如圖11所示。這些細(xì)小電磁散射體9距離天線陣列的相位中心足夠遠(yuǎn)，它們與地面沒有電連接，其表面能夠感應(yīng)出電流，對電磁波具有散射作用，但是基本不會影響天線自身的電特性。
圖17是圖11所示的天線裝置在入射波相對x軸為0度正入射時各電磁散射體(含無源天線單元)的表面感應(yīng)電流在+y軸上有向天線的有源單元處的散射場大小，圖18是圖11所示的天線裝置在入射波相對x軸10度斜入射時各電磁散射體(含無源天線單元)的表面感應(yīng)電流在+y軸上有向天線的有源單元處的散射場大小，圖中10是場強(qiáng)值低于+y軸上有向天線的有源單元處最大接收場強(qiáng)10dB的標(biāo)線，可以作為一個門限值。如果在+y軸上有向天線的有源單元處的散射場強(qiáng)值低于標(biāo)線10的散射體可以被忽略，那么其他高于標(biāo)線10的散射體的散射場對該接收機(jī)或發(fā)射機(jī)有較大的貢獻(xiàn)，即外加電磁散射體與無源天線單元對各分集接收或發(fā)射支路有顯著的影響，信號擴(kuò)展角度增大了，在天線裝置中構(gòu)造了一個無線信號傳播的局部多徑環(huán)境，一方面使分集支路的信號強(qiáng)度幾乎相當(dāng)，另一方面降低信號空間相關(guān)性，有利于分集接收或發(fā)射。
該基站多天線裝置的有向天線3之間的距離足夠大，沒有共用反射器8的遮擋，有向天線3的無源單元與外加電磁散射體9，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，全部有向天線3可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，成本低廉。
在本實施例中，四副基本垂直極化的四單元八木天線放置在直徑為5.4波長的圓周上，其饋電裝置采用的是同軸電纜饋電，并放置了20個細(xì)小圓柱體電磁散射體9，但是要理解本發(fā)明中的有向天線3的數(shù)目、極化方向、類型、安置圓周直徑與饋電方式、電磁散射體數(shù)目、外形與放置位置并不局限與此，還可以是其他有向天線的數(shù)目、極化方向、類型、安置圓周直徑與饋電方式，以及其他數(shù)目、外形與放置位置的電磁散射體。
實施例4由無共用反射器的四套四單元八木天線陣列組成的基站分集天線裝置圖4是作為本發(fā)明的第四個實施例的分集天線裝置的俯視圖，它由無共用反射器的四套四單元八木天線陣列5沿方位向均勻分布在天線支撐桿2周圍構(gòu)成的。其中，1是天線支架，2是天線支撐桿，x與y是坐標(biāo)軸，5是作為有向天線的一套四單元八木天線陣列，其采用四副類似圖3的四元八木天線沿俯仰向排列，其間距d約為半個波長，其中心頻率為2.15GHz，采用同軸電纜連接有源單元與接收機(jī)(或發(fā)射機(jī))形成饋電裝置，如圖5所示。該分集天線裝置中的天線支架1用于支撐天線裝置，兩相對立的八木天線陣列5的反射器相距5.4波長。
圖19是圖5所示的一套天線陣列5中的一副四單元八木天線3的歸一化方向圖測試結(jié)果，增益約為6.3dBi，圖20是圖5所示的一套天線陣列5(含四副四單元八木天線)的歸一化方向圖測試結(jié)果，增益約為9.8dBi。兩測試結(jié)果表明，在俯仰向組陣后，各套天線陣列5的增益增大了3.5dB，旁瓣更低，波束更窄，有更好的接收性能。
這樣，按本發(fā)明，該基站多天線裝置的天線陣列5具有更高的增益與更好的接收與發(fā)射性能，沒有共用反射器的遮擋，子天線陣列5的無源單元充當(dāng)電磁散射體，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，全部子天線陣列5可以覆蓋整個方位面，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，可以增大抗風(fēng)阻等性能。
在本實施例中，四套基本垂直極化的四單元八木子天線陣列5放置在直徑為5.4波長的圓周上，各套天線子陣列5由相距基本半波長的四副四單元八木天線3在垂直方向組陣，其饋電裝置采用的是同軸電纜饋電，但是要理解本發(fā)明中的有向天線3(或陣列5)的數(shù)目、極化方向、類型、安置圓周直徑、垂直間距與饋電方式并不局限與此，還可以是其他有向天線3(或陣列5)的數(shù)目、極化方向、類型、安置圓周直徑、垂直間距與饋電方式。
實施例5具有四套開關(guān)陣列天線的分集天線裝置圖6是作為本發(fā)明的第五個實施例的分集天線裝置的俯視圖，它由無共用反射器的四套九單元開關(guān)八木天線陣列6沿方位向均勻分布在天線支撐桿2周圍構(gòu)成的，圖7是圖6中一套九單元開關(guān)八木天線陣列6的側(cè)視圖。其中，1是天線支架，2是天線支撐桿，x與y是坐標(biāo)軸，6是作為有向天線的一副九單元開關(guān)八木天線陣列，其中心頻率為2.15GHz，采用同軸電纜連接有源單元與接收機(jī)(或發(fā)射機(jī))形成饋電裝置，如圖7所示，其中4是有源單元，42是無源開關(guān)單元，采用電子開關(guān)可以動態(tài)控制無源開關(guān)單元42的通斷狀態(tài)，從而改變有向天線6的指向。該分集天線裝置中的天線支架1用于支撐天線裝置，兩相對立的開關(guān)八木天線陣列6相距5.4波長。
圖21是圖6所示的分集天線裝置中的第一套九單元開關(guān)八木天線陣列6的遠(yuǎn)場測試歸一化方向圖(僅+x軸上的無源單元42短路(當(dāng)引向器)，其余無源單元42開路)，其中，曲線11是僅+x軸上的無源單元42短路，其余無源單元42開路時測試的結(jié)果，增益為8dBi，12是僅+x軸上的無源單元42短路，去掉其余無源單元42后測試的結(jié)果，增益為9dBi。可見，無源單元42可以充當(dāng)電磁散射體，對各分集接收或發(fā)射支路有顯著的影響，增大了信號擴(kuò)展角度，拓展了天線陣列6的方向圖主瓣寬度，增加旁瓣電平，在天線裝置中形成了一個無線信號傳播的局部多徑環(huán)境，一方面使分集支路的信號強(qiáng)度幾乎相當(dāng)，另一方面降低信號空間相關(guān)性，分集效果顯著。電子開關(guān)可以動態(tài)控制各套開關(guān)八木天線陣列6，使其動態(tài)覆蓋整個方位面，獲得角度分集效果。
這樣，按本發(fā)明，該基站多天線裝置的開關(guān)天線陣列6的間距足夠大，沒有共用反射器的遮擋，開關(guān)天線陣列6的無源單元充當(dāng)電磁散射體，可以擴(kuò)展信號在空間的分布，降低空間相關(guān)性，各套開關(guān)天線陣列6都可以動態(tài)覆蓋整個方位面，各分集支路接收的信號強(qiáng)度幾乎相當(dāng)，能夠獲得良好的空間分集與角度分集效果，滿足MIMO無線通信系統(tǒng)的基站天線設(shè)計要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便。
在本實施例中，四套基本垂直極化的九單元開關(guān)八木天線陣列6放置在直徑為5.4波長的圓周上，其饋電裝置采用的是同軸電纜饋電，但是要理解本發(fā)明中的天線陣列6的數(shù)目、極化方向、類型、安置圓周直徑與饋電方式并不局限與此，還可以是其他天線陣列的數(shù)目、極化方向、類型、安置圓周直徑與饋電方式。
以上，向熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員提供本發(fā)明的描述以使他們易于理解與運用本發(fā)明。對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員，對這些實施例的各種變更是顯而易見的，而無需創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明并不僅限定在這里所述的方案，而是與所述的權(quán)利要求一致的范圍。
權(quán)利要求1.一種多入多出無線通信基站分集天線，它包括天線支架(1)，天線支撐桿(2)，其特征在于它還包括沿方位向分布在天線支撐桿(2)周圍的至少三副有向天線(3)，所述的有向天線(3)包括至少一個天線有源單元(4)，所述的天線有源單元(4)通過饋電裝置連接到其對應(yīng)的發(fā)射機(jī)(對于發(fā)射天線裝置來說)或?qū)?yīng)的接收機(jī)(對于接收天線裝置來說)，所述的有向天線(3)之間的距離(以有向天線(3)的天線有源單元(4)為參考點)大于半個有向天線(3)的中心頻率對應(yīng)的波長。
2.一種多入多出無線通信基站分集天線，它包括天線支架(1)，天線支撐桿(2)，其特征在于它還包括沿方位向分布在天線支撐桿(2)周圍的至少三套有向天線陣列(5)，所述的有向天線陣列(5)包括沿俯仰向排列的至少兩副有向天線(3)，沿俯仰向排列的相鄰的有向天線(3)之間的距離不小于半個有向天線(3)的中心頻率對應(yīng)的波長，所述的有向天線(3)包括至少一個天線有源單元(4)，該天線有源單元(4)通過饋電裝置連接到其對應(yīng)的發(fā)射機(jī)(對于發(fā)射天線裝置來說)或?qū)?yīng)的接收機(jī)(對于接收天線裝置來說)，所述的有向天線陣列(5)之間的距離(以有向天線陣列(5)的天線有源單元(4)為參考點)大于半個有向天線(3)的中心頻率對應(yīng)的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于所述的有向天線(3)是開關(guān)天線陣列(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于天線支撐桿(2)的頂端架設(shè)有一個金屬反射面(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括一個共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)圍繞在天線支撐桿(2)的周圍，并固定在天線支撐桿(2)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括多個外加的電磁散射體(9)，所述的電磁散射體(9)位于有向天線(3)的周圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于天線支撐桿(2)的頂端架設(shè)有一個金屬反射面(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括一個共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)圍繞在天線支撐桿(2)的周圍，并固定在天線支撐桿(2)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括多個外加的電磁散射體(9)，所述的電磁散射體(9)位于有向天線(3)的周圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括一個共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)圍繞在天線支撐桿(2)的周圍，并固定在天線支撐桿(2)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括多個外加的電磁散射體(9)，所述的電磁散射體(9)位于有向天線(3)的周圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括多個外加的電磁散射體(9)，所述的電磁散射體(9)位于有向天線(3)的周圍。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于天線支撐桿(2)的頂端架設(shè)有一個金屬反射面(7)，其特征還在于它還包括一個共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)圍繞在天線支撐桿(2)的周圍，并固定在天線支撐桿(2)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于天線支撐桿(2)的頂端架設(shè)有一個金屬反射面(7)，其特征還在于它還包括多個外加的電磁散射體(9)，所述的電磁散射體(9)位于有向天線(3)的周圍。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括一個共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)圍繞在天線支撐桿(2)的周圍，并固定在天線支撐桿(2)上，其特征還在于它還包括多個外加的電磁散射體(9)，所述的電磁散射體(9)位于有向天線(3)的周圍。
16.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于它還包括一個共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)圍繞在天線支撐桿(2)的周圍，并固定在天線支撐桿(2)上，其特征還在于它還包括多個外加的電磁散射體(9)，所述的電磁散射體(9)位于有向天線(3)的周圍。
17.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多入多出無線通信基站分集天線，其特征在于天線支撐桿(2)的頂端架設(shè)有一個金屬反射面(7)，其特征還在于它包括一個共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)圍繞在天線支撐桿(2)的周圍，并固定在天線支撐桿(2)上，其特征也還在于它還包括多個外加的電磁散射體(9)，所述的電磁散射體(9)位于有向天線(3)的周圍。
專利摘要本實用新型提供了一種多入多出無線通信基站分集天線裝置，由天線支架以及沿方位向分布在天線支架支撐桿周圍的至少三副有向天線(或有向天線陣列)等構(gòu)成本實用新型的基本方案，基于該基本方案，通過添加天線附近的外加電磁散射體、或架設(shè)在天線裝置頂端的金屬反射面、或圍繞天線支架的共用反射器，或用開關(guān)天線陣列替換所述的有向天線，就可以構(gòu)成本實用新型的各種改進(jìn)方案。本實用新型具有空間相關(guān)性低、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單與易于制作等特點，可廣泛用于無線通信以獲得電波傳播空間分集、角度分集或極化分集效益，或用于空時編碼發(fā)射或接收，或用于多入多出(MIMO)無線通信系統(tǒng)。
文檔編號H01Q21/00GK2781652SQ200420060430
公開日2006年5月17日 申請日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月26日
發(fā)明者聶在平, 李忻, 張熙瑜 申請人:電子科技大學(xué)