多波束基站天线的应用研究与设计

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1、工程硕士学位论文多波束基站天线的应用研究与设计作者姓名吕智煊工程领域电子与通信工程校内指导教师薛锋章研究员校外指导教师卜斌龙高级工程师所在学院电子与信息学院论文提交日期2018年4月ResearchandDesignofMulti-beamAntennasintheMobileCommunicationBaseStationADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate:LYUZhixuanSupervisor:Prof.XueFengzhangSouthChinaUniversityofTechno

2、logyGuangzhou,China分类号：TN828.6学校代号：10561学号：201521010220华南理工大学硕士学位论文多波束基站天线的应用研究与设计作者姓名：吕智煊指导教师姓名、职称：薛锋章研究员卜斌龙高级工程师申请学位级别：工程硕士工程领域名称：电子与通信工程论文形式：产品研发工程设计应用研究工程/项目管理调研报告研究方向：天线与射频技术论文提交日期：2018年4月论文答辩日期：2018年6月4日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：冯穗力教授委员：薛锋章研究员，柯峰副教授，黄昭文高级工程师，张平教

3、授摘要当前，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

4、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5x

5、10Butler矩阵设计方法。5x10Butler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3x3Butler矩阵：定向耦合器形式3x3Butler矩阵和混合网络形式3x3Butler矩阵；3）优选创新形式的定向耦合器3x3Butler矩阵，将其拓展成3x5Butler矩阵后，配套设计出一种5x6Butler矩阵。前述两种矩阵组合成的5x10Butler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

6、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5x6Butler矩阵、3x5Butler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。关键词：基站天线；多波束天线；Butler矩阵；定向耦合器IAbstractAtpresent,the4G(thefourthgenerationmobilecommunicationsystem)hasbeenputintocommercialuseonalargescale,theresearchofthe5Gisinf

7、ullswing.Thecontradictionbetweentheincreasingnumberofmobilecommunicationusersandtheshortageofbasestationsiteresourcesrunsthroughthewholeprocessofthelongtermevolutionofthemobilecommunicationsystem.Nowadays,the2G,3Gand4Gsystemsformalongtermco-existencesituation,Howtomaketheantennapl

8、ayabetterroleintheexistingnetwork