CN1728590A - 一种多入多出无线通信基站分集天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多入多出无线通信基站分集天线装置，由天线支架以及沿方位向分布在天线支架支撑杆周围的至少三副有向天线(或有向天线阵列)等构成本发明的基本方案，基于该基本方案，通过添加天线附近的外加电磁散射体、或架设在天线装置顶端的金属反射面、或围绕天线支架的共用反射器，或用开关天线阵列替换所述的有向天线，就可以构成本发明的各种改进方案。本发明具有空间相关性低、性能优良、结构简单与易于制作等特点，可广泛用于无线通信以获得电波传播空间分集、角度分集或极化分集效益，或用于空时编码发射或接收，或用于多入多出(MIMO)无线通信系统。

Description

一种多入多出无线通信基站分集天线装置

技术领域

本发明属于无线通信分集天线技术领域，它特别涉及多入多出(MIMO)无线通信基站分集天线技术。

背景技术

由于无线通信迅速发展，其用户数日益增加，数据业务不断增长，进一步提高当前无线通信系统的容量和质量是通信工作者面临的紧迫任务，常规的单发单收系统已经无法满足超大系统容量的需求，必须寻求新的技术方案。多入多出(MIMO)技术是一项利用多发射与多接收天线的无线通信新技术，其发射数据流被分离为多路子数据流，在调制后以相同的频率经不同的天线同时发射出去，通过无线信道的散射传播，这些并行子流可能通过不同路径到达接收机，由不同的接收天线接收，接收机可以合并来波信号并恢复出原始数据流。利用该技术，无线系统可以获得复用增益与分集增益，其有效并行数据管道提高了MIMO系统的容量。传统的无线通信理论一直将多径传播视为造成无线信号衰落的一种干扰，而MIMO技术通过采用多天线同时发送与接收，能够充分利用多径传播，犹如在原有频段上建立了多个互不干扰的、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确而高效地传送用户数据，从而显著提高无线链路的容量与质量。因此，MIMO技术是实现无线通信系统高速传输的重要途径。

无线传播环境是一个富有多径的散射环境，电磁波在无线信道中传播时，一方面多条传播路径的信号副本相互叠加，导致接收信号起伏不定，即多径衰落，另一方面，传播信号的极化方向可能因为反射或散射发生扭转，导致到达接收天线的电磁波的极化与接收天线的极化方向不匹配，在各极化方向上的信号起伏不定，即极化失配衰落。

MIMO系统大容量的获得是以衰落信号不相关或低相关为前提的，即要求无线通信环境具有丰富的电磁散射体以及多天线间距足够大。在无线移动通信的用户终端周围，存在较多散射体，这使得无线电磁波信号角度扩展较大，仅需较小(小于一个波长)的天线间距就足以获得较低的相关性，但是对于架设在高处的无线通信基站，其周围的散射体稀少，来波信号角度扩展非常有限。为了获得较好的分集效果，多天线相邻阵元间距必须足够大。无线通信基站一旦架设完成，就基本固定，而不像移动终端一样可以随机改变，但是来波可能随机来自方位面的任意角度，因此要求设计的基站天线能够覆盖整个方位面。其次，与终端天线相比，基站天线的设计对体积、重量与成本要求相对宽松些，但是对功率承载能力、抗风雹与抗雨雪等有较高要求。因此，无线通信新技术对多天线的设计提出了更大的挑战，须采用新的布局方法与设计。MIMO无线通信系统基站多天线设计不当，可能导致发射功率明显增加或传输距离显著缩短，得不到天线分集增益与信道复用增益，甚至损坏电子设备。

在授予Smith等人的美国专利6,426,723 B1“MIMO通信系统的天线布局”(Antenna arrangement for multiple input multiple output communications systems)中，公开的用于MIMO通信系统的天线布局仅适于大型终端，不适于MIMO通信系统的基站天线设计。在授予梅原尚子等的中国专利CN 1411158A“分集天线和应用它的无线通信设备”中，没有考虑用于MIMO通信系统的基站天线设计中。在授予岸上高明等人的中国专利CN 1444413A“自适应天线基站装置”中，公开的一种自适应天线基站装置，不适于无线MIMO信道的分集接收与发送。在授予卜安涛等人的中国专利CN2560107Y“双极化波束赋形基站天线”中，公开的一种双极化波束赋形基站天线，也不适于MIMO无线通信系统的基站天线设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种多入多出(简称：MIMO)无线通信基站分集天线装置，它具有空间相关性低、性能优良、结构简单与易于制作等特点。

为了描述方便，我们首先对所用术语作如下定义。

共用反射器：指围绕天线装置支撑杆安置的固件，它可以是具有金属表面的圆柱体、交叉金属板等。

馈电装置：指用于天线有源单元馈电的装置，它可以是同轴电缆、平行双线或微带线等。

电磁散射体：指对电磁波具有散射作用的金属体，如金属杆、金属筒、金属反射面等。

有向天线：指远场方向图具有特定方向性而非全向的天线(或阵列)。

天线子阵列：指作为多天线阵列的一部分相对独立的天线部件，它构成一个子天线系统。

开关天线阵列：指通过开关控制可以改变天线方向图的有向天线，它可以是引向器具有电子开关的八木天线。

本发明提供的一种多入多出(简称：MIMO)无线通信基站分集天线装置，它包括基本方案和改进方案，所述的基本方案有如下两个：

第一种基本方案：

一种多入多出无线通信基站分集天线，它包括天线支架1，天线支撑杆2，其特征在于它还包括沿方位向分布在天线支撑杆2周围的至少三副有向天线3，如图1所示，所述的有向天线3包括至少一个天线有源单元4，如图2所示，所述的天线有源单元4通过馈电装置连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)，所述的有向天线3之间的距离(以有向天线3的天线有源单元4为参考点)大于半个有向天线3的中心频率对应的波长。

第二种基本方案：

一种多入多出无线通信基站分集天线，它包括天线支架1，天线支撑杆2，其特征在于它还包括沿方位向分布在天线支撑杆2周围的至少三套有向天线阵列5，如图4所示，所述的有向天线阵列5，如图5所示，包括沿俯仰向排列的至少两副有向天线3，沿俯仰向排列的相邻的有向天线3之间的距离不小于半个有向天线3的中心频率对应的波长，所述的有向天线3包括至少一个天线有源单元4，如图2所示，该天线有源单元4通过馈电装置连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)，所述的有向天线阵列5之间的距离(以有向天线阵列5的天线有源单元4为参考点)大于半个有向天线3的中心频率对应的波长。

所述的改进方案包括如下十五种：

第一种改进方案：

它是将第一种基本方案或第二种基本方案中的有向天线3替换为开关天线阵列6，如图6所示。

第二种改进方案：

它是在第一种基本方案或第二种基本方案中的天线支撑杆2的顶端架设一个金属反射面7，如图8与9所示。

第三种改进方案：

它是在第一种基本方案或第二种基本方案中添加一个共用反射器8，所述的共用反射器8围绕在天线支撑杆2的周围，并固定在天线支撑杆2上，如图10所示。

第四种改进方案：

它是在第一种基本方案或第二种基本方案中添加多个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示。

第五种改进方案：

它是在第一种改进方案中添加的天线支撑杆2的顶端架设一个金属反射面7，如图8与9所示。

第六种改进方案：

它是在第一种改进方案中添加一个共用反射器8，所述的共用反射器8围绕在天线支撑杆2的周围，并固定在天线支撑杆2上，如图10所示。

第七种改进方案：

它是在第一种改进方案中添加多个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示。

第八种改进方案：

它是在第二种改进方案中添加一个共用反射器8，所述的共用反射器8围绕在天线支撑杆2的周围，并固定在天线支撑杆2上，如图10所示。

第九种改进方案：

它是在第二种改进方案中添加多个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示。

第十种改进方案：

它是在第三种改进方案中添加多个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示。

第十一种改进方案：

它是在第一种改进方案中的天线支撑杆2的顶端架设一个金属反射面7，如图8与9所示，并且添加一个共用反射器8，所述的共用反射器8围绕在天线支撑杆2的周围，并固定在天线支撑杆2上，如图10所示。

第十二种改进方案：

它是在第一种改进方案中的天线支撑杆2的顶端架设一个金属反射面7，如图8与9所示，并且添加多个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示。

第十三种改进方案：

它是在第一种改进方案中添加一个共用反射器8，所述的共用反射器8围绕在天线支撑杆2的周围，并固定在天线支撑杆2上，如图10所示，并且添加个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示。

第十四种改进方案：

它是在第二种改进方案中添加一个共用反射器8，所述的共用反射器8围绕在天线支撑杆2的周围，并固定在天线支撑杆2上，如图10所示，并且添加多个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示。

第十五种改进方案：

它是在第一种改进方案中的天线支撑杆2的顶端架设一个金属反射面7，如图8与9所示，并且添加一个共用反射器8，所述的共用反射器8围绕在天线支撑杆2的周围，并固定在天线支撑杆2上，如图10所示，并且添加多个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示。

需要说明的是：

本发明给出的多入多出无线通信基站分集天线装置中，所述的天线支架1与天线支架支撑杆2用于支撑天线装置。

所述的有向天线3可以是基本垂直极化的八木天线(或阵列)、印刷八木天线(或阵列)或印刷阵子天线(或阵列)，有向天线3(或有向天线阵列5，或开关天线阵列6)的水平间距至少为天线装置工作的中心频率对应的波长的一半，有向天线3(或有向天线阵列5，或开关天线阵列6)的无源单元可以充当天线装置的电磁散射体，有利于扩展信号分别，降低天线子阵列信号间的空间相关性。全部有向天线3(或有向天线阵列5)可以覆盖整个方位面。

所述的开关天线阵列6采用电子开关动态控制天线子阵列的指向，并且各天线子阵列可以覆盖整个方位面，这使得各分集支路接收的信号强度几乎相当，能够获得良好的空间分集与角度分集效果。

所述的架设在天线装置顶端的金属反射面7更适宜加工为圆锥或圆台形，可以增大多天线装置的有效口径或接收信号的截获面积，以及保护天线装置(防雨雪等)，也具有扩展信号在空间的分布，降低空间相关性的功能。

所述的围绕天线支撑杆2的共用反射器8可以是金属圆柱体、交叉金属板或其他金属结构，该共用反射器一方面作为各有向天线3的共用反射器，另一方面在空间上分隔各有向天线3，起到降低空间相关性的作用。

所述的外加的电磁散射体9是一些距离有向天线3(或有向天线阵列5)较近的细小金属体，它们与地面没有电连接，其表面能够感应出电流，对电磁波具有散射作用，但是基本不会影响天线(或阵列)自身的电特性，有助于扩展无线信号在空间中的分布，并对其附加随机的相位，进一步降低其空间相关性，也可以增大抗风阻等性能。

本发明提供的多入多出无线通信基站分集天线，其各天线子阵列可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便，适用于无线通信以获得电波传播空间分集、角度分集或极化分集效益，适用于无线通信以进行空时编码发射或接收，适用于多入多出(MIMO)无线通信系统。

我们提供的第一种基本方案，如图1所示，其有向天线3之间的距离足够大，没有共用反射器8的遮挡，有向天线3的无源单元42充当电磁散射体，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，全部有向天线3可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉。

我们提供的第二种基本方案，如图4所示，其有向天线阵列5在俯仰向组阵后具有更高的增益与更好的接收与发射性能(比如可以在俯仰向形成平方余割方向图)，没有共用反射器8的遮挡，有向天线阵列5的无源天线单元42充当电磁散射体，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，全部天线子阵列可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便，可以增大抗风阻等性能。

我们提供的第一种基本方案与第二种基本方案，是最基本的方案形式，可以在其基础上做一些改进，就构成了如下的多入多出无线通信基站分集天线改进方案：

第一种改进方案，它的有向天线3采用开关天线阵列6，如图6所示，开关天线阵列6之间的距离足够大，没有共用反射器8的遮挡，开关天线阵列6的无源单元充当电磁散射体，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，各天线子阵列可以覆盖整个方位面，各分集支路接收的信号强度几乎相当，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求。

第二种改进方案，其天线支撑杆2的顶端架设有一个金属反射面7，如图8与9所示，它更适宜加工为圆锥或圆台形，可以增大多天线系统的有效口径或接收信号的截获面积以及保护天线装置(防雨雪等)。该分集天线装置中的有向天线3的间距足够大，没有共用反射器8的遮挡，天线装置的有效口径或接收信号的截获面积大，有向天线3的无源单元充当电磁散射体，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，全部有向天线3可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求。

第三种改进方案，它包括一个围绕在天线支撑杆2周围的共用反射器8，如图10所示，共用反射器8采用金属圆柱体、交叉金属板或其他金属结构，该共用反射器一方面作为各有向天线3的共用反射器，另一方面在空间上分隔各有向天线3，起到降低空间相关性的作用，可以获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求。

第四种改进方案，它包括多个外加的电磁散射体9，所述的电磁散射体9位于有向天线3的周围，如图11所示，它们是一些距离有向天线3较近的细小金属体，它们与地面没有电连接，其表面能够感应出电流，对电磁波具有散射作用，但是基本不会影响天线(或阵列)自身的电特性，外加的电磁散射体有助于扩展无线信号在空间中的分布，并对其附加随机的相位，进一步降低其空间相关性，全部有向天线3可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求。

第五种改进方案～第十五种改进方案，具有至少以下四种特征中之二：

(1)所述的有向天线3采用开关天线阵列6，如图6所示；

(2)天线支撑杆2的顶端架设有一个金属反射面7，如图8与9所示；

(3)具有围绕在天线支撑杆2周围的共用反射器8，如图10所示；

(4)具有位于有向天线3的周围的多个外加电磁散射体9，如图11所示。

因此，这些多入多出无线通信基站分集天线方案分别具有所对应的特点，全部有向天线3(或有向天线阵列5，或开关天线阵列6)可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉，适用于无线通信以获得电波传播空间分集、角度分集或极化分集效益，适用于无线通信以进行空时编码发射或接收，适用于多入多出(MIMO)无线通信系统。

本发明具有以下有益效果：

(1).共用反射器可以在空间上分隔各天线子阵列，并保持天线装置结构紧凑。

(2).天线子阵列间的空间相关性小，可以获得明显的空间分集效果。

(3).天线装置结构对称，天线子阵列的方向图可电控，能获得明显的角度分集效果。

(4).无源天线单元充当电磁散射体，对无线信号进一步解相关，天线系统性能优良。

(5).外加电磁散射体，有助于扩展无线信号在空间中的分布，进一步降低其空间相关性。

(6).天线阵列顶端的金属反射面能够增大多天线装置的有效口径或接收信号的截获面积。

(7).天线阵列顶端的金属反射面能够可以反射接收或发射信号，对无线信号进一步解相关，天线系统性能优良。

(8).天线阵列顶端的金属反射面可以保护天线装置(防雨雪等)。

(9).无源天线单元、外加电磁散射体与天线阵列顶端的金属反射面构造了一个局部多径环境，一方面使分集支路的信号强度几乎相当，另一方面降低信号空间相关性，分集效果显著。

(10).无需特别的加工工艺与材料，易于加工制造，成本低廉。

(11).天线单元体积小，结构简单，阻抗匹配容易，调试方便。

(12).实现手段灵活，可操作性强，本领域普通工程技术人员易于掌握和实施。

附图说明

图1是本发明提供的四副有向天线沿方位向均匀分布在天线支撑杆周围构成的多天线装置的俯视图

其中，1是天线支架，2是天线支撑杆，3是有向天线，x与y是坐标轴；

图2是现有的五单元八木天线的俯视图

其中，4是有源单元，40是有向天线3的支架，41是无源反射单元，42是无源引向单元；

图3是现有的五单元八木天线的侧视图

其中，43是有源单元的馈源，其他标号同图2；

图4是本发明提供的四套有向天线阵列沿方位向均匀分布在天线支撑杆周围构成的多天线装置的俯视图

其中，1是天线支架，2是天线支撑杆，5是一套有向天线阵列，x与y是坐标轴；

图5是本发明提供的由四单元八木天线在俯仰向排列构成的图4中的一套有向天线阵列5的侧视图

其中，3是作为有向天线的四单元八木天线；

图6是本发明提供的采用四副开关天线阵列作为有向天线阵列并沿方位向均匀分布在天线支撑杆周围构成的多天线装置的俯视图

其中，6是作为有向天线阵列的开关天线阵列，其他标号同图1；

图7是本发明提供的作为图6中的一副有向天线阵列6的开关天线阵列的侧视图

其中，4是天线有源单元，42是无源可开关单元；

图8是本发明提供的四副有向天线沿方位向均匀分布在天线支撑杆周围并在支撑杆顶端架设有一个金属反射面构成的多天线装置的俯视图

其中，7是在天线支撑杆顶端架设的金属反射面，其他标号同图1；

图9是图8的侧视示意图

其中，标号同图8；

图10是本发明提供的四副有向天线沿方位向均匀分布在天线支撑杆周围并围绕天线支撑杆固定一个共用反射器构成的多天线装置的俯视图

其中，8是围绕并固定在天线支撑杆2上的共用金属反射器，其他标号同图1；

图11是本发明提供的四副有向天线沿方位向均匀分布在天线支撑杆周围并在有向天线附近放置多个外加电磁散射体后构成的多天线装置的俯视图

其中，9是放置在有向天线3附近的多个外加的电磁散射体，其他标号同图1；

图12是图10中的一副八木天线的远场三维方向图

其中，x与y表示坐标轴，φ表示方位角，θ表示俯仰角；

图13是将图10中的圆柱体共用反射器8改变为垂直交叉金属板的多天线装置的俯视图

其中，81是围绕并固定在天线支撑杆2上的垂直交叉金属板反射器，其他标号同图10；

图14是图13中一副八木天线的远场三维方向图

其中，标号同图12；

图15是图1中一副四元八木天线的H面远场方向图

其中，圆周上的数字表示方位向的角度；

图16是图1中一副四元八木天线的E面远场方向图

其中，圆周上的数字表示俯仰向的角度；

图17是图1中一副四元八木天线的远场三维方向图

其中，标号同图12；

图18是图11所示的天线装置在入射波相对x轴为0度正入射时各电磁散射体(含无源天线单元)的表面感应电流在+y轴上有向天线的有源单元处的散射场

其中，横轴表示个电磁散射体与+y轴上有向天线的有源单元所成的角度，纵轴表示散射电场值，10是场强值低于+y轴上有向天线的有源单元处最大接收场强10dB的标线；

图19是图11所示的天线装置在入射波相对x轴10度斜入射时各电磁散射体(含无源天线单元)的表面感应电流在+y轴上有向天线的有源单元处的散射场

其中，横轴、纵轴与标线的意义同图18；

图20是图5所示的一套天线阵列中的一副四单元八木天线3的归一化方向图测试结果

图21是图5所示的一套天线阵列5(含四副四单元八木天线)的归一化方向图测试结果

图22是图6所示的分集天线装置中的第一套九单元开关八木天线阵列6的远场测试归一化方向图(仅+x轴上的无源单元短路(当引向器)，其余无源单元开路)

其中，曲线11是仅+x轴上的无源单元短路、其余无源单元开路时测试的结果，12是仅+x轴上的无源单元短路、去掉其余无源单元后测试的结果。

具体实施方式

实施例1：具有圆柱体共用反射器的四单元八木天线组成的基站分集天线装置

图10是该多天线装置的俯视图，它由四副有向天线沿方位向均匀分布在天线支撑杆周围并围绕天线支撑杆固定一个圆柱体共用反射器构成。

其中，8是围绕并固定在天线支撑杆2上的共用金属反射器，其直径为5.4波长，它一方面作为八木天线的公共反射器，另一方面在空间上分隔各天线子阵列并加固天线装置，1是天线支架，2是天线支撑杆，3是有向天线，x与y是坐标轴。其有向天线3采用类似图3的三元八木天线，其中心频率为2.15GHz，采用同轴电缆连接有源单元与接收机(或发射机)形成馈电装置。

图10中的一副八木天线的远场三维方向图见图12，结果表明八木天线方向性系数是11.4dBi，前后比为13.3，H面3dB波瓣宽度为103度，E面3dB波瓣宽度为27度。

图13是将第一个实施例图10中的圆柱体共用反射器8改变为垂直交叉金属板81的情形，其金属板宽度等于共用反射器8的直径，其他编号同图10。图13中一副八木天线的远场三维方向图见图14，结果表明八木天线方向性系数是12.3dBi，前后比为6.7，H面3dB波瓣宽度为48度，E面3dB波瓣宽度为24度。

图12与图14表明，采用圆柱体共用反射器较之垂直交叉金属板可以在牺牲较小的方向性系数的情况下换取较宽的主瓣宽度。

该基站多天线装置的天线3之间的距离足够大，天线3的无源单元充当电磁散射体，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，全部天线3可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉。

在本实施例中，四副基本垂直极化的四单元八木天线3放置在直径为5.4波长的共用圆柱体或垂直交叉金属板反射器周围，其馈电装置采用的是同轴电缆馈电，但是要理解本发明中的有向天线3的数目、极化方向、类型、馈电方式、共用反射器形状与子天线阵列间距并不局限与此，还可以是其他有向天线的数目、极化方向、类型、馈电方式、共用反射器形状与有向天线之间的距离。

实施例2：无共用反射器的四单元八木天线组成的基站分集天线装置

图1作为本发明的第二个实施例的由无共用反射器的四单元八木天线组成的分集天线的俯视图。其中，1是天线支架，2是天线支撑杆，3是有向天线，x与y是坐标轴。其有向天线3采用类似图3的四元八木天线，其中心频率为2.15GHz，采用同轴电缆连接有源单元4与接收机(或发射机)形成馈电装置。该分集天线装置中的天线支架用于支撑天线装置，两相对立的八木天线的反射器之间的距离是5.4波长。

图1中一副四元八木天线的H面远场方向图见图15，图1中一副四元八木天线的E面远场方向图见图16，图17是图1中一副四元八木天线的远场三维方向图。这些结果表明八木天线方向性系数是12.2dBi，前后比为13.5，H面3dB波瓣宽度为79度，E面3dB波瓣宽度为28.8度。

与实施例一比较，去掉共用反射器后，四元八木天线的方向性系数轻微增加，波瓣前后比轻微增大，H面波瓣宽度下降。

该基站多天线装置的有向天线3之间的距离足够大，没有共用反射器的遮挡，有向天线3的无源单元充当电磁散射体，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，全部有向天线3可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉。

在本实施例中，四副基本垂直极化的四单元八木天线放置在直径为5.4波长的圆周上，其馈电装置采用的是同轴电缆馈电，但是要理解本发明中的有向天线的数目、极化方向、类型、安置圆周直径与馈电方式不局限与此，还可以是其他有向天线的数目、极化方向、类型、安置圆周直径与馈电方式。

实施例3：具有外加电磁散射体且无共用反射器的四单元八木天线组成的分集天线装置

本发明的第三个实施例在第二个实施例的基础上，在图1所示的由无共用反射器的四单元八木天线组成的分集天线附近放置了电磁散射体9，其示意图见图11，四副有向天线沿方位向均匀分布在天线支撑杆周围，并在有向天线附近放置多个外加电磁散射体9。其中，1是天线支架，2是天线支撑杆，3是有向天线，x与y是坐标轴，其有向天线3采用类似图3的四元八木天线，其中心频率为2.15GHz，采用同轴电缆连接有源单元与接收机(或发射机)形成馈电装置，该分集天线装置中的天线支架用于支撑天线装置，两相对立的八木天线的反射器相距5.4波长，9是放置在有向天线3附近的多个外加的圆柱体电磁散射体，9沿天线支架支撑杆平行放置，其半径为0.002波长、长度为0.32波长，沿方位向每隔15度放置，但x与y轴除外，9距天线阵列相位中心包括三种距离值，分别是4倍波长、3倍波长与2倍波长，如图11所示。这些细小电磁散射体9距离天线阵列的相位中心足够远，它们与地面没有电连接，其表面能够感应出电流，对电磁波具有散射作用，但是基本不会影响天线自身的电特性。

图18是图11所示的天线装置在入射波相对x轴为0度正入射时各电磁散射体(含无源天线单元)的表面感应电流在+y轴上有向天线的有源单元处的散射场大小，图19是图11所示的天线装置在入射波相对x轴10度斜入射时各电磁散射体(含无源天线单元)的表面感应电流在+y轴上有向天线的有源单元处的散射场大小，图中10是场强值低于+y轴上有向天线的有源单元处最大接收场强10dB的标线，可以作为一个门限值。如果在+y轴上有向天线的有源单元处的散射场强值低于标线10的散射体可以被忽略，那么其他高于标线10的散射体的散射场对该接收机或发射机有较大的贡献，即外加电磁散射体与无源天线单元对各分集接收或发射支路有显著的影响，信号扩展角度增大了，在天线装置中构造了一个无线信号传播的局部多径环境，一方面使分集支路的信号强度几乎相当，另一方面降低信号空间相关性，有利于分集接收或发射。

该基站多天线装置的有向天线3之间的距离足够大，没有共用反射器8的遮挡，有向天线3的无源单元与外加电磁散射体9，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，全部有向天线3可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉。

在本实施例中，四副基本垂直极化的四单元八木天线放置在直径为5.4波长的圆周上，其馈电装置采用的是同轴电缆馈电，并放置了20个细小圆柱体电磁散射体9，但是要理解本发明中的有向天线3的数目、极化方向、类型、安置圆周直径与馈电方式、电磁散射体数目、外形与放置位置并不局限与此，还可以是其他有向天线的数目、极化方向、类型、安置圆周直径与馈电方式，以及其他数目、外形与放置位置的电磁散射体。

实施例4：由无共用反射器的四套四单元八木天线阵列组成的基站分集天线装置

图4是作为本发明的第四个实施例的分集天线装置的俯视图，它由无共用反射器的四套四单元八木天线阵列5沿方位向均匀分布在天线支撑杆2周围构成的。其中，1是天线支架，2是天线支撑杆，x与y是坐标轴，5是作为有向天线的一套四单元八木天线阵列，其采用四副类似图3的四元八木天线沿俯仰向排列，其间距d约为半个波长，其中心频率为2.15GHz，采用同轴电缆连接有源单元与接收机(或发射机)形成馈电装置，如图5所示。该分集天线装置中的天线支架1用于支撑天线装置，两相对立的八木天线阵列5的反射器相距5.4波长。

图20是图5所示的一套天线阵列5中的一副四单元八木天线3的归一化方向图测试结果，增益约为6.3dBi，图21是图5所示的一套天线阵列5(含四副四单元八木天线)的归一化方向图测试结果，增益约为9.8dBi。两测试结果表明，在俯仰向组阵后，各套天线阵列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。

这样，按本发明，该基站多天线装置的天线阵列5具有更高的增益与更好的接收与发射性能，没有共用反射器的遮挡，子天线阵列5的无源单元充当电磁散射体，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，全部子天线阵列5可以覆盖整个方位面，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便，可以增大抗风阻等性能。

在本实施例中，四套基本垂直极化的四单元八木子天线阵列5放置在直径为5.4波长的圆周上，各套天线子阵列5由相距基本半波长的四副四单元八木天线3在垂直方向组阵，其馈电装置采用的是同轴电缆馈电，但是要理解本发明中的有向天线3(或阵列5)的数目、极化方向、类型、安置圆周直径、垂直间距与馈电方式并不局限与此，还可以是其他有向天线3(或阵列5)的数目、极化方向、类型、安置圆周直径、垂直间距与馈电方式。

实施例5：具有四套开关阵列天线的分集天线装置

图6是作为本发明的第五个实施例的分集天线装置的俯视图，它由无共用反射器的四套九单元开关八木天线阵列6沿方位向均匀分布在天线支撑杆2周围构成的，图7是图6中一套九单元开关八木天线阵列6的侧视图。其中，1是天线支架，2是天线支撑杆，x与y是坐标轴，6是作为有向天线的一副九单元开关八木天线阵列，其中心频率为2.15GHz，采用同轴电缆连接有源单元与接收机(或发射机)形成馈电装置，如图7所示，其中4是有源单元，42是无源开关单元，采用电子开关可以动态控制无源开关单元42的通断状态，从而改变有向天线6的指向。该分集天线装置中的天线支架1用于支撑天线装置，两相对立的开关八木天线阵列6相距5.4波长。

图22是图6所示的分集天线装置中的第一套九单元开关八木天线阵列6的远场测试归一化方向图(仅+x轴上的无源单元42短路(当引向器)，其余无源单元42开路)，其中，曲线11是仅+x轴上的无源单元42短路，其余无源单元42开路时测试的结果，增益为8dBi，12是仅+x轴上的无源单元42短路，去掉其余无源单元42后测试的结果，增益为9dBi。可见，无源单元42可以充当电磁散射体，对各分集接收或发射支路有显著的影响，增大了信号扩展角度，拓展了天线阵列6的方向图主瓣宽度，增加旁瓣电平，在天线装置中形成了一个无线信号传播的局部多径环境，一方面使分集支路的信号强度几乎相当，另一方面降低信号空间相关性，分集效果显著。电子开关可以动态控制各套开关八木天线阵列6，使其动态覆盖整个方位面，获得角度分集效果。

这样，按本发明，该基站多天线装置的开关天线阵列6的间距足够大，没有共用反射器的遮挡，开关天线阵列6的无源单元充当电磁散射体，可以扩展信号在空间的分布，降低空间相关性，各套开关天线阵列6都可以动态覆盖整个方位面，各分集支路接收的信号强度几乎相当，能够获得良好的空间分集与角度分集效果，满足MIMO无线通信系统的基站天线设计要求，并且结构紧凑，加工方便。

在本实施例中，四套基本垂直极化的九单元开关八木天线阵列6放置在直径为5.4波长的圆周上，其馈电装置采用的是同轴电缆馈电，但是要理解本发明中的天线阵列6的数目、极化方向、类型、安置圆周直径与馈电方式并不局限与此，还可以是其他天线阵列的数目、极化方向、类型、安置圆周直径与馈电方式。

以上，向熟悉本技术领域的人员提供本发明的描述以使他们易于理解与运用本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施例的各种变更是显而易见的，而无需创造性的劳动。因此，本发明并不仅限定在这里所述的方案，而是与所述的权利要求一致的范围。

Claims (17)

1.一种多入多出无线通信基站分集天线，它包括天线支架(1)，天线支撑杆(2)，其特征在于它还包括沿方位向分布在天线支撑杆(2)周围的至少三副有向天线(3)，所述的有向天线(3)包括至少一个天线有源单元(4)，所述的天线有源单元(4)通过馈电装置连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)，所述的有向天线(3)之间的距离(以有向天线(3)的天线有源单元(4)为参考点)大于半个有向天线(3)的中心频率对应的波长。

2.一种多入多出无线通信基站分集天线，它包括天线支架(1)，天线支撑杆(2)，其特征在于它还包括沿方位向分布在天线支撑杆(2)周围的至少三套有向天线阵列(5)，所述的有向天线阵列(5)包括沿俯仰向排列的至少两副有向天线(3)，沿俯仰向排列的相邻的有向天线(3)之间的距离不小于半个有向天线(3)的中心频率对应的波长，所述的有向天线(3)包括至少一个天线有源单元(4)，该天线有源单元(4)通过馈电装置连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)，所述的有向天线阵列(5)之间的距离(以有向天线阵列(5)的天线有源单元(4)为参考点)大于半个有向天线(3)的中心频率对应的波长。

3.根据权利要求1或2所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于所述的有向天线(3)是开关天线阵列(6)。

4.根据权利要求1或2所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于天线支撑杆(2)的顶端架设有一个金属反射面(7)。

5.根据权利要求1或2所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括一个共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)围绕在天线支撑杆(2)的周围，并固定在天线支撑杆(2)上。

6.根据权利要求1或2所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括多个外加的电磁散射体(9)，所述的电磁散射体(9)位于有向天线(3)的周围。

7.根据权利要求3所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于天线支撑杆(2)的顶端架设有一个金属反射面(7)。

8.根据权利要求3所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括

一个共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)围绕在天线支撑杆(2)的周围，并固定在天线支撑杆(2)上。

9.根据权利要求3所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括多个外加的电磁散射体(9)，所述的电磁散射体(9)位于有向天线(3)的周围。

10.根据权利要求4所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括一个共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)围绕在天线支撑杆(2)的周围，并固定在天线支撑杆(2)上。

11.根据权利要求4所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括多个外加的电磁散射体(9)，所述的电磁散射体(9)位于有向天线(3)的周围。

12.根据权利要求5所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括多个外加的电磁散射体(9)，所述的电磁散射体(9)位于有向天线(3)的周围。

13.根据权利要求3所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于天线支撑杆(2)的顶端架设有一个金属反射面(7)，其特征还在于它还包括一个共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)围绕在天线支撑杆(2)的周围，并固定在天线支撑杆(2)上。

14.根据权利要求3所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于天线支撑杆(2)的顶端架设有一个金属反射面(7)，其特征还在于它还包括多个外加的电磁散射体(9)，所述的电磁散射体(9)位于有向天线(3)的周围。

15.根据权利要求3所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括一个共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)围绕在天线支撑杆(2)的周围，并固定在天线支撑杆(2)上，其特征还在于它还包括多个外加的电磁散射体(9)，所述的电磁散射体(9)位于有向天线(3)的周围。

16.根据权利要求4所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于它还包括一个共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)围绕在天线支撑杆(2)的周围，并固定在天线支撑杆(2)上，其特征还在于它还包括多个外加的电磁散射体(9)，所述的电磁散射体(9)位于有向天线(3)的周围。

17.根据权利要求3所述的多入多出无线通信基站分集天线，其特征在于天线支撑杆(2)的顶端架设有一个金属反射面(7)，其特征还在于它包括一个共用反射器(8)，所述的共用反射器(8)围绕在天线支撑杆(2)的周围，并固定在天线支撑杆(2)上，其特征也还在于它还包括多个外加的电磁散射体(9)，所述的电磁散射体(9)位于有向天线(3)的周围。

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