[01604835]兼容4G/3G/2G的超宽频及双频多波束阵列天线研究与产业化

1.课题来源与背景 随着移动互联网迅猛发展,移动通信中的数据流量激增,在用户密集区域无线接入侧的带宽容量面临巨大压力。例如高峰时期大型广场、交通枢纽、各类场馆等区域的数据流量巨大,无线信道的带宽容量难以满足业务需求。为了增加带宽容量,可增加载波或缩小基站天线覆盖范围从而增加基站数,但站址选择和物业协调困难,且成本高、容量提高有限。针对该问题,项目组研究了兼容 4G/3G/2G 的超宽频及双频多波束阵列天线,并开发产品。根据相控阵天线理论,可用一副天线产生多个波束。因此可将基站天线的单个扇区利用多波束天线分为多个扇区,使无线信道容量成倍增加。以单频五波束天线为例,一副天线的五个波束波瓣总宽度与传统单波束天线接近。由于单个波束相当于一个传统天线,因此带宽容量可提升五倍。 2.技术原理及性能指标 （1）多波束天线阵列综合与设计的关键理论与技术。本成果基于天线阵综合理论对元因子及阵列阵因子进行分析,通过改变馈入信号相位差来控制波束指向,通过控制阵列排布以及各个单元的幅度来调节方向图波束宽度和旁瓣电平,进而影响相邻波束交叉电平。此外,将采用空气带状线来设计波束形成网络（馈电网络）,以降低损耗。 （2）高性能超宽频多波束基站天线阵列设计。首先,设计工作频段覆盖1710-2690MHz的超宽频天线单元,该辐射单元要求阻抗带宽超过44%,而且方向图稳定。其次,设计天线阵列的布局,由于带宽很宽,高频段容易产生较大的水平栅瓣,产生邻区干扰,需要研究阵列排布和二维阵列的优化设计,抑制近旁瓣和远栅瓣。然后设计馈电网络,研究在如此宽的频带范围内,采用何种形式的巴特勒矩阵电路和混合器电路,获得稳定的相位输出,以确保宽频带内的每一个波束都具有较高的旁瓣抑制。同时进行机械结构设计,最后进行整机调测。 （3）高低频段阵列分离的高性能双频多波束基站天线阵列设计。首先设计出低频段（824-960MHz）天线阵列,然后与覆盖1710-2690MHz的超宽频天线阵列作为两个子阵列进行分离排布,组成一个高性能双频多波束基站天线阵列。超宽频多波束天线覆盖1710-2690MHz,相对带宽超过44%。为了在如此超宽频的范围内得到良好的方向图,在宽角度（±45度）范围内具有较好的交叉极化比的辐射单元是其关键。天线阵列的布局与阵子的幅度相位控制是第二个关键技术难点,由于带宽很宽,高频段容易产生较大的水平栅瓣,产生邻区干扰,需要研究阵列排布和二维阵列的优化设计,抑制近旁瓣和远栅瓣。馈电网络的设计是第三个关键点。需要研究在如此宽的频带范围内,采用何种形式的巴特勒矩阵电路和混合器电路,获得稳定的相位输出,以确保宽频带内的每一个波束都具有较高的旁瓣抑制。 （4）高低频段单元交织的小型化双频多波束基站天线阵列设计。首先设计出具有滤波特性的覆盖1710-2170MHz低频和覆盖2490-2690MHz高频的高性能滤波天线单元。该滤波单元在工作频段内高效辐射,而频带之外抑制辐射,利用该特性来降低高低频天线单元之间的耦合。然后通过阵子交织排列来实现小型化,预期体积比两个分离排列的子阵列减小了近50%。 3.技术的创造性与先进性 （1）多频多波束天线阵列,实现创新的方向图设计将传统基站单波束覆盖范围分裂为多个波束,并实现精准覆盖,可同时支持3G/2G 和4G 频段且提升带宽容量,实现用户密集区域高容量覆盖。 （2）天线单元设计新颖,实现天线自身的滤波性能,在工作频带内高效辐射,工作频带之外有效抑制辐射,无需外加滤波电路,降低系统体积和损耗。同时,还实现双极化、高极化隔离度和低交叉极化比。 （3）双频多波束天线阵列设计采用新型的滤波单元交织组成的阵列,天线单元自身的带外辐射抑制功能可以降低不同频率阵子之间的耦合,从而可以把天线单元紧密交织排布,带外辐射抑制,降低不同频率阵子之间的耦合,实现阵列整体的小型化。 4.成果应用 第三方测试结果研发了高端基站天线产品“基于滤波天线单元的紧凑双频双极化交错 排列的双波束天线阵列”,产生了良好的经济效益,该产品是一种可用于基站天 线的双频双极化的 4×8 天线阵列,该阵列由 4×4 的低频子阵（3G,1710–2170MHz）和高频子阵（LTE,2490–2690MHz）组成。为了减少阵列的尺寸,高频子阵和低频子阵交错排列。高低频天线单元之间的异频互耦可通过具有良好的 带外辐射抑制性能的滤波天线降低,从而可以减小单元之间的间距,实现阵列小 型化。与传统的商业产品相比,提出的天线阵列具有更紧凑的尺寸和稳定的方向图。第三方检测报告显示各项技术指标均达到预期要求,且已投入市场,项目累计实际销售收入达到 1564.97 万元,累计新增利税 171.55 万元,推动我省及我国高端天线及移动互联网的发展,可以为用户密集的大型活动场所提供通信保障。