《多模天線與基站》是中國電信股份有限公司於2011年8月4日申請的發明專利，該專利申請號為2011102217175，公布號為CN102916262A，公布日為2013年2月6日，發明人是謝偉良、朱雪田、楊濤。
《多模天線與基站》公開了一種多模天線與基站。其中，該多模天線包括一根CDMA雙極化天線，由多個線性排列的陣子構成，用於收發CDMA系統中的射頻信號；兩根MIMO雙極化天線，均由多個線性排列的陣子構成，用於收發LTE系統中的射頻信號；兩根MIMO雙極化天線在垂直方向上分別設定在CDMA雙極化天線的中心陣子的正上方和正下方，根據CDMA雙極化天線中的陣子間距和每根MIMO雙極化天線中的陣子間距將兩根MIMO雙極化天線中的陣子嵌套在CDMA雙極化天線的陣子中或插入到CDMA雙極化天線的陣子間。該發明結合嵌套天線陣子和垂直隔離MIMO天線技術使得CDMA雙極化天線和2根MIMO雙極化天線能夠集成為一根物理天線。
2021年6月24日，《多模天線與基站》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《多模天線與基站》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：多模天線與基站
- 申請人：中國電信股份有限公司
- 發明人：謝偉良、朱雪田、楊濤
- 申請號：2011102217175
- 申請日：2011年8月4日
- 公布號：CN102916262A
- 公布日：2013年2月6日
- 地址：北京市西城區金融大街31號
- 代理機構：中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
- 代理人：孫寶海
- Int. Cl.：H01Q25/04; H04W88/08
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
截至2011年8月，移動通信網路已經發展到了第三代（即，3G），3G網路已經在世界範圍內大規模部署並商用，隨著數據業務及移動網際網路的不斷普及和推廣，國際通信標準組織正在制定移動通信長期演進（Long Time Evolution，LTE）及4G等技術標準，以滿足網路技術和服務能力的不斷發展。由於多入多出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）技術可以充分使用獨立空間傳播路徑來大大提升網路服務速率和鏈路性能，因此成為LTE及未來4G技術的核心技術之一。
對於行動網路運營商，為了能夠保持原有業務的連續性並提供新網路與新業務，將需要同時部署和建設多套行動網路系統，特別是LTE系統採用的是MIMO天線，網路自身的天線數量就會很多，再加上原有的2G和3G系統天線，導致基站天面上的天線數量將大大超過現在站址的天線數量。此外，2G及3G網路大多使用低頻段資源，例如，GSM使用900兆赫茲頻段、CDMA使用800兆赫茲頻段，而LTE和4G將很可能使用2吉赫茲以上的頻段，例如，2吉赫茲或者2.6吉赫茲頻段。由於800/900兆赫茲的2G系統與2吉赫茲/2.6吉赫茲的LTE系統頻率差距甚遠，很難實現同時支持這幾個頻段的寬頻天線，所以無法採用寬頻天線技術來減少未來多系統共存下的天線數量。另外，天線數量的增多，有可能出現因為站址天面空間不夠而無法增加天線的情況。
因此，如何在滿足網路建設要求的情況下減少物理天線數量就成為移動運營商待解決的問題。
發明內容
專利目的
《多模天線與基站》要解決的一個技術問題是提供一種多模天線與基站，在支持多系統的情況下能夠有效減少物理天線的數目。
技術方案
根據《多模天線與基站》的一方面，提出了一種多模天線，包括一根CDMA雙極化天線，由多個線性排列的陣子構成，用於收發CDMA系統中的射頻信號；兩根MIMO雙極化天線，均由多個線性排列的陣子構成，用於收發LTE系統中的射頻信號；其中，兩根MIMO雙極化天線在垂直方向上分別設定在CDMA雙極化天線的中心陣子的正上方和正下方，根據CDMA雙極化天線中的陣子間距和每根MIMO雙極化天線中的陣子間距將兩根MIMO雙極化天線中的陣子嵌套在CDMA雙極化天線的陣子中或插入到CDMA雙極化天線的陣子間。
根據《多模天線與基站》的另一方面，還提出了一種基站，包括上述實施例的多模天線。
改善效果
《多模天線與基站》提供的多模天線與基站，結合嵌套天線陣子技術和垂直隔離MIMO天線技術使得CDMA雙極化天線和2根MIMO雙極化天線能夠集成為一根物理天線，同時可以支持CDMA網路2×2分集收發系統和LTE系統4×4MIMO配置，這將有利於LTE MIMO系統的建設，並降低網路運維成本和便利性。
附圖說明
圖1是《多模天線與基站》多模天線的一個實施例的結構示意圖。
圖1
圖2是《多模天線與基站》天線陣子間距設計示意圖。
圖2
技術領域
《多模天線與基站》涉及移動通信技術領域，特別地，涉及一種多模天線與基站。
權利要求
1.一種多模天線，其特徵在於，包括：一根CDMA雙極化天線，由多個線性排列的陣子構成，用於收發CDMA系統中的射頻信號；兩根MIMO雙極化天線，均由多個線性排列的陣子構成，用於收發LTE系統中的射頻信號；其中，所述兩根MIMO雙極化天線在垂直方向上分別設定在所述CDMA雙極化天線的中心陣子的正上方和正下方，根據所述CDMA雙極化天線中的陣子間距和每根MIMO雙極化天線中的陣子間距將所述兩根MIMO雙極化天線中的陣子嵌套在所述CDMA雙極化天線的陣子中或插入到所述CDMA雙極化天線的陣子間。
2.根據權利要求1所述的多模天線，其特徵在於，所述CDMA雙極化天線的中心陣子正上方的MIMO雙極化天線中的最下一個陣子與所述CDMA雙極化天線的中心陣子正下方的MIMO雙極化天線中的最上一個陣子之間的間距大於0.5λ1，λ1為LTEMIMO雙極化天線支持頻段中心頻點波長。
3.根據權利要求2所述的多模天線，其特徵在於，所述CDMA雙極化天線的中心陣子正上方的MIMO雙極化天線中的最下一個陣子與所述CDMA雙極化天線的中心陣子正下方的MIMO雙極化天線中的最上一個陣子之間的間距介於0.7λ1與1λ1之間。
4.根據權利要求1所述的多模天線，其特徵在於，所述CDMA雙極化天線和所述兩根MIMO雙極化天線均採用±45度的極化方式。
5.根據權利要求1所述的多模天線，其特徵在於，所述CDMA雙極化天線與所述兩根MIMO雙極化天線形成一根物理天線，並封裝在一個天線罩內。
6.根據權利要求1所述的多模天線，其特徵在於，所述CDMA雙極化天線和所述兩根MIMO雙極化天線中陣子的個數由天線增益決定。
7.根據權利要求1所述的多模天線，其特徵在於，所述CDMA雙極化天線中陣子的間距介於0.7λ2與1λ2之間，每根MIMO雙極化天線中陣子的間距介於0.7λ1與1λ1之間，其中，λ2為CDMA雙極化天線支持頻段中心頻點波長，λ1為LTEMIMO雙極化天線支持頻段中心頻點波長。
8.根據權利要求6所述的多模天線，其特徵在於，在所述CDMA雙極化天線中陣子的個數為奇數時，以中間的一個天線陣子作為中心陣子，在所述CDMA雙極化天線中陣子的個數為偶數時，以中間的兩個天線陣子中的任一個作為中心陣子。
9.根據權利要求1所述的多模天線，其特徵在於，所述CDMA雙極化天線與所述兩根MIMO雙極化天線採用獨立的電調系統，以分別控制所述CDMA雙極化天線和所述兩根MIMO雙極化天線的電下傾角。
10.一種基站，其特徵在於，包括權利要求1-9中任一項所述的多模天線。
實施方式
LTE系統使用的MIMO天線配置一般包括：2×2、4×2、4×4等（即，發射天線數×接收天線數），這樣就需要基站天線有多根天線，用於發射和接收信號。截至2011年8月，主流的2×2MIMO天線設計方案一般採用雙極化天線來滿足要求，由於雙極化天線的2個極化方向上的相關性較弱，所以可以滿足2×2MIMO天線的設計要求。對於4×2和4×4的MIMO天線，則需要基站部署4根天線，《多模天線與基站》採用雙極化和垂直隔離相結合的MIMO天線實現方案，將2根雙極化天線按照下述圖1所示的方式進行垂直排列，這樣就可以使得上天線和下天線形成垂直隔離，最終形成4根弱空間相關性的MIMO天線來保證4×2和4×4MIMO天線的性能。由於採用了垂直隔離，只是增加了天線的長度，不會對基站天面提出新的空間要求，同時也容易保證兩根上下天線的傾角（即，天線與抱桿之間的夾角）一致性。MIMO中每根天線的下傾角都要保證儘量一樣，如果採用垂直隔離的方式，可以很容易做到每根天線的下傾角保持一樣，因為他們是相對於同一個抱桿進行調整，而如果採用水平隔離天線，則兩根天線分別固定在兩個抱桿上，那么就會引入兩個抱桿之間的誤差，導致天線下傾角的不一致性。
對於CDMA系統，2011年8月前主流的天線配置為1根雙極化天線，用於CDMA系統的接收分集和發射分集。要將4根MIMO天線和CDMA雙極化天線進行天線集成，傳統上採用寬頻天線來支持不同頻段系統的收發。但是，由於800兆赫茲的CDMA系統頻率與2吉赫茲/2.6吉赫茲的LTE系統頻率相隔較遠，採用寬頻天線技術的難度較大，很難同時保證800兆赫茲和2吉赫茲/2.6吉赫茲兩個頻段的天線輻射特性都滿足要求。
由於LTE網路所採用的MIMO技術大大增加了基站站址的天線數量，為此，《多模天線與基站》基於雙頻天線所使用的嵌套天線陣子技術和垂直隔離技術提出了一種多模天線的設計方法，具體如下：
（1）基於CDMA系統和LTE系統所使用的中心頻率，按照天線陣子間距為0.7λ-1λ的原則，計算並設計CDMA與LTE兩個系統天線陣子的間距，獲得在兩個CDMA/LTE嵌套陣子之間可以插入的獨立LTE天線陣子數；
（2）按照步驟（1）所設計的CDMA和LTE天線陣子間距，根據CDMA和LTE各自系統所需的天線增益，獲得CDMA和LTE MIMO上下天線所需的天線陣子總數；
（3）根據步驟（2）所獲得的CDMA天線陣子數，先縱向排列CDMA天線陣子，然後根據步驟（1）所獲得的兩個CDMA陣子之間插入的獨立LTE天線陣子數，在CDMA天線陣子之間插入獨立的LTE天線陣子；
（4）假設CDMA天線陣子數為奇數，則以中間一個CDMA天線陣子為中心，分別將上面和下面的CDMA陣子設計為CDMA/LTE嵌套天線陣子，直到CDMA/LTE嵌套天線陣子和獨立LTE天線陣子的總數超過MIMO上下天線所需的天線陣子總數為止；
（5）假設CDMA天線陣子數為偶數，則以中間兩個CDMA天線陣子中的任意一個為中心，分別將上面和下面的CDMA陣子設計為CDMA/LTE嵌套天線陣子，直到CDMA/LTE嵌套天線陣子和獨立LTE天線陣子的總數超過MIMO上下天線所需的天線陣子總數為止；
（6）將CDMA天線中心陣子上面和下面的LTE天線陣子分別設計為MIMO垂直隔離的上天線和下天線；
（7）CDMA天線陣子採用一套獨立的電調系統，而LTE MIMO上天線和下天線共同採用另外一套獨立的電調系統，兩套電調系統分別獨立控制CDMA和LTE天線的電下傾角。
根據上述設計方法可以設計出下述實施例所示的CDMA與LTE共用的多模天線結構，具體如下：
圖1是《多模天線與基站》多模天線的一個實施例的結構示意圖。
如圖1所示，該實施例的多模天線10可以包括：一根CDMA雙極化天線11，由多個線性排列的雙極化陣子構成，用於收發CDMA系統中的射頻信號，並構成CDMA系統的接收分集/發射分集；兩根MIMO雙極化天線12，均由多個線性排列的雙極化陣子構成，用於收發LTE系統中的射頻信號，如圖1所示，上面的MIMO雙極化天線陣子構成一根MIMO雙極化天線，下面的MIMO雙極化天線陣子構成另一根MIMO雙極化天線，上下兩根MIMO雙極化天線共同構成4根MIMO天線，可以實現下行4×2或4×4的LTE MIMO系統配置；其中，兩根MIMO雙極化天線在垂直方向上分別設定在CDMA雙極化天線的中心陣子的正上方和正下方，根據CDMA雙極化天線中的陣子間距和每根MIMO雙極化天線中的陣子間距將兩根MIMO雙極化天線中的陣子嵌套（嵌套天線陣子技術是將高頻天線陣子與低頻天線陣子嵌套在一起，因為高頻天線陣子小，而低頻天線陣子大，所以外觀上看是低頻天線陣子中間放了一個高頻天線陣子，兩個天線陣子的中心位置是重疊的）在CDMA雙極化天線的陣子中或插入到CDMA雙極化天線的陣子間，如圖1所示，MIMO雙極化天線陣子中的一部分與CDMA雙極化天線陣子嵌套在一起，MIMO雙極化天線陣子中的另一部分位於兩根CDMA雙極化天線陣子之間。
該實施例結合嵌套天線陣子技術和垂直隔離MIMO天線技術使得CDMA雙極化天線和2根MIMO雙極化天線能夠集成為一根物理天線，同時可以支持CDMA網路2×2分集收發系統和LTE系統4×4MIMO配置，這將有利於LTE MIMO系統的建設，並降低網路運維成本和便利性。
在一個實例中，為了保證MIMO上天線和MIMO下天線之間的空間信道隔離度和連線埠隔離度（通常要求天線連線埠之間的隔離度達到3分貝左右），可以將CDMA雙極化天線的中心陣子正上方的MIMO雙極化天線中的最下一個陣子與CDMA雙極化天線的中心陣子正下方的MIMO雙極化天線中的最上一個陣子之間的間距d設定為0.5λ1以上，其中，λ1為LTE MIMO雙極化天線支持頻段中心頻點波長。根據天線長度的限制，還可以將該間距設定為0.5λ1～2λ1，優選地，可以為0.7λ1～1λ1，從而既可以滿足隔離度要求，同時也不增大天線的長度。
再如圖1所示，CDMA雙極化天線和兩根MIMO雙極化天線中的陣子均採用±45度的極化方式，CDMA雙極化天線和兩根MIMO雙極化天線中陣子的個數由天線增益決定，CDMA雙極化陣子之間的間距保持相同，一般為0.7λ2～1λ2，其中，λ2為CDMA雙極化天線支持頻段中心頻點波長，同樣，MIMO雙極化陣子之間的間距也保持一樣，一般為0.7λ1～1λ1，因為CDMA系統與LTE系統所使用的頻率不同，所以CDMA系統的λ2與LTE系統的λ1大小不同，導致CDMA雙極化陣子間距與MIMO雙極化陣子間距不同，進一步地，由於CDMA所使用的頻率較低，所以CDMA天線陣子間距大於LTE MIMO天線陣子間距。
由於《多模天線與基站》採用嵌套天線陣子技術來完成CDMA與LTE MIMO天線的集成，所以關於CDMA和MIMO天線陣子間距的設計就需要同時考慮兩個系統的設計要求。為了方便說明，CDMA系統以850兆赫茲的中心頻率為例，LTE系統中心頻率可以選取兩種場景，分別為2吉赫茲和2.6吉赫茲。
首先分析LTE系統中心頻率為2吉赫茲的場景，根據天線陣子間距設計範圍0.7λ-1λ，可以得出CDMA天線陣子間距為247毫米-353毫米，LTE天線陣子間距為105毫米-150毫米。從兩個系統的天線陣子間距選取範圍來看，可以有很多種方案，例如設定CDMA天線陣子間距為300毫米，LTE天線陣子間距為150毫米，但是基本上是在兩個CDMA天線陣子之間只能插入一個單獨的LTE天線陣子，如圖2所示。
接下來分析LTE系統中心頻率為2.6吉赫茲的場景，根據天線陣子間距設計範圍0.7λ-1λ，可以得出CDMA天線陣子間距為247毫米-353毫米，LTE天線陣子間距為81毫米-115毫米。從兩個系統的天線陣子間距選取範圍來看，可以有很多種方案，基本上是在兩個CDMA天線陣子之間插入兩個單獨的LTE天線陣子，例如，設定CDMA天線陣子間距為300毫米，LTE天線陣子間距為100毫米，如圖2所示。
上述對於天線陣子間距設計的分析，只是示例性說明，在實際的天線設計過程中，可以按照具體使用頻率及天線陣子間距0.7λ-1λ的原則來靈活設計。
在CDMA雙極化天線中陣子的個數為奇數時，以中間的一個天線陣子作為中心陣子，在CDMA雙極化天線中陣子的個數為偶數時，以中間的兩個天線陣子中的任一個作為中心陣子，並保證上下MIMO天線的對稱性。
由於《多模天線與基站》將CDMA天線和LTE MIMO天線集成為一根物理天線，所以兩個系統將保持相同的機械下傾角。為了能夠讓兩個系統根據各自網路規劃需求來選取不同的天線傾角，《多模天線與基站》中的CDMA和LTE天線將採用分離的電調控制方案，各自具有獨立的天線傾角電調裝置，以分別控制CDMA雙極化天線和兩根MIMO雙極化天線的電下傾角。
《多模天線與基站》將CDMA雙極化天線與兩根MIMO雙極化天線封裝在一個天線罩內，保證了天線的高集成度和小體積，有利於運營商的實際網路部署、便於運營商對基站的選址，同時一體化的結構也給天線的安裝帶來極大的便利性。
另外，根據LTE系統對MIMO天線的配置需求，例如，8×8，還可以在圖1所示天線的左側或右側再上下配置兩根MIMO雙極化天線，以實現更好的發射分集/接收分集。
此外，還可以將《多模天線與基站》的多模天線套用於CDMA與LTE共址的基站中。
專利榮譽
2021年6月24日，《多模天線與基站》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
