多波束基站天线的应用研究与设计

发布时间：2020-06-20 12:30

【摘要】：当前,4G(第四代移动通信系统)已大规模商用,5G的研究也正在如火如荼地开展。移动通信用户数和业务量的日益增长与基站站址资源紧张的矛盾,始终贯穿于移动通信系统长期演进的整个过程。当今的2G、3G、4G系统长期并存使用,如何在现有网络中让天线发挥更好的作用至关重要。其中,多波束天线在缓解站址资源和提高系统容量方面极具优势,具有很好的应用前景和研究意义。基于上述背景,本文从实际出发,在移动通信领域展开了对多波束基站天线的应用研究与设计。首先,本文对多波束天线技术的研究进展作出概述,对比分析了实现天线多波束的各种关键技术。在此基础上,优选出Butler矩阵多波束形成网络作为本文设计多波束天线的主要技术;随后,结合目前移动通信业务的实际需求,拟定本文的研究设计主体为五波束基站天线,并对其基本原理作了归纳分析,为下一步的研究设计提供了理论基础。接着,本文对工作频段为1710MHz-2170MHz(适用于在网主流应用的2G、3G频段)的五波束基站天线进行了研究设计。内容包括:1)研究分析五波束基站天线阵列的组阵形式:通过理论计算和仿真对比确定了水平面和垂直面的组阵参数,由此组成一个6x10规模的天线阵列,并进一步优化了组阵形式,获得了更好的辐射性能;2)依据天线的组阵形式,提出了一种可实现天线水平面波束赋形的5x10 Butler矩阵设计方法。5x10 Butler矩阵可由一个5x6Butler矩阵和两个相同的3x5Butler矩阵级联而成。在设计方案中,创新性地设计了两种具有不同拓扑结构的正交3x3 Butler矩阵:定向耦合器形式3x3 Butler矩阵和混合网络形式3x3 Butler矩阵;3)优选创新形式的定向耦合器3x3Butler矩阵,将其拓展成3x5 Butler矩阵后,配套设计出一种5x6 Butler矩阵。前述两种矩阵组合成的5x10 Butler矩阵网络可使天线在水平面同时辐射出五个按需指向的子波束;4)为实现五波束基站天线的垂直面波束赋形,设计了一种一分六功分网络,使天线的垂直面方向图实现了预置的下倾角,同时保持较低的副瓣水平。最后,在上述5x6 Butler矩阵、3x5 Butler矩阵、一分六功分网络和天线阵列的基础上制作了天线,样机的实测指标与仿真结果吻合,达到了设计要求并满足实际应用。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN828.6
【图文】：

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1.2.1 多波束天线技术的研究与进展1. 多波束透镜天线基于光学原理，透镜可以校正发散的能量并转化为平面波。透镜天线则是利用该原理通过透镜改变馈源的相位分布以改善辐射性能。布置多个馈源可使天线同时辐射出多个波束[3]。透镜天线最突出的宽频带，宽角扫描的特点使其很好地应用于卫星通信、卫星跟踪、射电天文、雷达系统等军事及民用领域。国外对多波束透镜天线的研究较为成熟，文献[4]展示了基于 Teflon 透镜设计的三十三波束透镜天线；文献[5]也分享了加拿大学者基于 Luneberg 透镜研发出的多波束柱面透镜天线，可应用于雷达系统当中；文献[6]则列举了数个多波束透镜天线的应用实例，比如俄罗斯在龙伯透镜天线上布置多个馈源实现卫星跟踪，日本住友电气研发的新型测风雷达，澳洲正筹建的射电天文望远镜等。图 1-1 展示了其中的两个应用实例，这正是体现出多波束透镜天线在军事及民用领域的广泛应用。

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相控阵天线大都用于雷达系统。随着微波集成电路技术的研究发展，相控阵天线才拓展到星载天线等领域。于1998年和2010年相继发射的Globalstar-1、Globalstar-2星座卫星均是采用模拟波束形成技术实现的[17,18]。至于数字波束形成技术则是在第三代卫星通信时期开始受到越来多的重视，如于 2008 年和 215 年相继发射 Thuraya-3 卫星、Mexsa 卫星等[19]。在卫星通信领域，为了适应未来高容量需求，数字波束形成技术将渐渐取代模拟波束形成技术。但是，在移动通信基站天线这一应用领域，考虑到需求、造价成本和工艺等因素，模拟波束形成技术反而更为合适。随着 Butler 矩阵、Nolen 矩阵和 Blass 矩阵等模拟波束形成技术研究的逐步深入，基于 Butler 矩阵等形式设计的多波束基站天线也日益增多。美国的 CommScope 公司，国内的 Comba、BroadRadio 等公司也都相继推出了多款基于 Butler 矩阵设计的多波束基站天线[20,21]，见图 1-2。目前，多波束基站天线产品已成为移动通信领域中不可或缺的产品之一。

【参考文献】