專利名稱：移動(dòng)通信用直線型智能天線陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通信技術(shù)中的天線陣及其天線陣垂直面方向圖賦形設(shè)計(jì)的方法，特別是一種移動(dòng)通信用直線型智能天線陣以及基于該天線陣的垂直面方向圖賦形設(shè)計(jì)的方法。屬于移動(dòng)通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，用戶量增長(zhǎng)迅速，但由于無(wú)線頻譜資源有限，無(wú)線傳輸環(huán)境復(fù)雜，遠(yuǎn)近效應(yīng)等無(wú)線條件的制約，目前的移動(dòng)通信技術(shù)在系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和提供的業(yè)務(wù)的種類等方面都難以滿足日益增長(zhǎng)的消費(fèi)需求，因此，在移動(dòng)通信領(lǐng)域研究智能天線技術(shù)成為一項(xiàng)重要課題。
智能天線的實(shí)現(xiàn)方式是使用多個(gè)天線單元及相應(yīng)數(shù)量的收發(fā)信機(jī)。多個(gè)天線單元組成天線陣列，通過(guò)對(duì)各個(gè)天線單元接收和發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行相位和幅度加權(quán)，可以控制天線波束的方向和形狀，并能同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立的波束，對(duì)多個(gè)移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)定向接收和發(fā)射。按智能化的程度，智能天線可以分為波束切換的智能天線和自適應(yīng)數(shù)字處理的智能天線；按組陣方式，智能天線可以分為直線陣、圓環(huán)陣等。
現(xiàn)在，在移動(dòng)通信中，已有采用圓環(huán)陣智能天線或分集天線，還沒(méi)有直線型天線陣。直線型天線陣應(yīng)用于智能天線能夠在以下幾個(gè)方面提升系統(tǒng)的性能提高信道的信噪比，減小多址干擾，擴(kuò)大覆蓋范圍，增大系統(tǒng)容量，降低終端的發(fā)射功率，靈活調(diào)整小區(qū)的覆蓋范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種移動(dòng)通信用直線型智能天線陣及其垂直面方向圖賦形優(yōu)化的方法，它能夠克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，具有較好的信道信噪比，終端發(fā)射功率低，適合于分扇區(qū)組網(wǎng)，可靈活調(diào)整小區(qū)的覆蓋范圍，增大系統(tǒng)容量，并且架設(shè)方便。
為此，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述的目的一種移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其直線型智能天線陣由兩個(gè)以上完全相同的陣單元沿一直線等間隔或不等間隔排列在一個(gè)支撐平面上構(gòu)成，陣單元包括輻射器、饋電網(wǎng)絡(luò)以及同軸連接器。陣單元排列間隔可為自由空間中工作頻率的半波長(zhǎng)，最大不超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)。
具體地，陣單元由兩個(gè)以上完全相同的輻射器沿垂直面等間距或不等間距排列組成。陣單元的輻射器為陣子輻射器，可為對(duì)稱陣子或傘型陣子或空氣耦合陣子，構(gòu)成直線型陣子天線陣；輻射器為微帶輻射器，構(gòu)成直線型微帶天線陣。微帶輻射器與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)置在一個(gè)平面上。
支撐平面為一金屬平面；饋電網(wǎng)絡(luò)為介質(zhì)微帶或空氣微帶或同軸電纜。
一種移動(dòng)通信用直線型智能天線陣垂直面方向圖的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述的天線陣為上述權(quán)利要求的天線陣，針對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)天線陣的垂直面的輻射方向圖進(jìn)行賦形優(yōu)化、下傾調(diào)整，其中賦形用于調(diào)整垂直面方向圖的波瓣，下傾調(diào)整用于設(shè)定主波束向下傾斜的角度。
基于該技術(shù)方案，本發(fā)明直線型智能天線陣的運(yùn)用相對(duì)于圓環(huán)陣具有很多優(yōu)勢(shì)，尤其在系統(tǒng)組網(wǎng)方面，一個(gè)直線陣可以覆蓋一個(gè)扇區(qū)，三扇區(qū)的小區(qū)使用三個(gè)直線陣；也可以在小區(qū)的某些扇區(qū)采用智能天線，而其他扇區(qū)采用分集天線。天線的架設(shè)非常靈活，各扇區(qū)獨(dú)立考慮，天線下傾易于實(shí)現(xiàn)，既可采用機(jī)械下傾，也可采用電下傾，還可兩者結(jié)合。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
圖1本發(fā)明直線型微帶天線陣的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明直線型微帶天線陣陣單元的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明直線型陣子天線陣一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4本發(fā)明直線型陣子天線陣在垂直面的輻射方向圖。
圖5本發(fā)明直線型天線陣在一個(gè)扇區(qū)中用于智能天線時(shí)的輻射方向圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是直線型微帶天線陣的結(jié)構(gòu)示意圖，k(k≥2)個(gè)陣單元51以一定的間距沿一直線排列，陣單元51的間距d不大于一個(gè)波長(zhǎng)，d根據(jù)所需的波束寬度、扇區(qū)覆蓋的角度等確定，陣單元固定在支撐底板52上，底板是一金屬平面，做接地用。
在一般情況下，陣單元的輻射器是微帶時(shí)，其饋電網(wǎng)絡(luò)也采用微帶形式，因此輻射器和饋電網(wǎng)絡(luò)做成一體，陣單元在結(jié)構(gòu)形式上為一平面。根據(jù)微帶輻射器的不同形式，方向圖的最大值方向不同，輻射器為貼片天線時(shí)，輻射的最大值方向在陣單元面的法線方向上，因此陣單元組陣排列時(shí)將其接地面平貼于支撐底板上；輻射器為偶極天線時(shí)，輻射的最大值方向在陣單元的一個(gè)側(cè)邊，陣單元組陣排列時(shí)，將與最大輻射方向相對(duì)的側(cè)邊貼在支撐底板上，此時(shí)還需一些結(jié)構(gòu)連接件來(lái)固定陣單元于底板上，圖1便是這種形式的示意圖。
微帶陣陣單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，陣單元進(jìn)一步包括微帶輻射器53、微帶饋電網(wǎng)絡(luò)54、射頻同軸連接器55。輻射器和饋電網(wǎng)絡(luò)一體化加工在介質(zhì)基板56上。
實(shí)施例是一個(gè)四陣元的微帶直線陣，陣單元沿一直線以半波長(zhǎng)等間距排列，工作于1920MHz～2170MHz，陣單元的增益為14dB，在最大功率合成時(shí)陣增益可達(dá)20dB，陣單元之間的互耦小于-20dB，垂直線極化方式，輸入阻抗50Ω。
圖3是直線型陣子天線陣一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，k(k≥2)個(gè)陣單元61以一定間隔排列在一直線上，同樣，陣單元的間距不大于一個(gè)波長(zhǎng)，陣單元固定在支撐的金屬底板62上。與微帶陣單元不同的是陣子陣單元的輻射器63和饋電網(wǎng)絡(luò)64不在一個(gè)平面內(nèi)，饋電網(wǎng)絡(luò)的形式多樣，可以采用介質(zhì)微帶、空氣微帶或同軸電纜等，陣子輻射器有對(duì)稱陣子、傘型陣子、空氣耦合陣子等，帶寬寬、匹配特性好。本實(shí)施例中，輻射器63是對(duì)稱陣子，饋電網(wǎng)絡(luò)64采用微帶電路實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的方向圖的優(yōu)化方法，無(wú)論是對(duì)于微帶陣還是陣子陣，均可對(duì)垂直面的輻射方向圖做賦形、下傾設(shè)計(jì)(當(dāng)然，也可不做賦形、下傾設(shè)計(jì))。賦形設(shè)計(jì)為使方向圖的波瓣分布滿足特定的要求，下傾設(shè)計(jì)為使垂直面主波束向下傾斜一定角度，而不再指向水平方向，這些設(shè)計(jì)都是為了滿足移動(dòng)通信對(duì)工作區(qū)盡可能均勻覆蓋、消除盲區(qū)，對(duì)鄰近小區(qū)減少干擾的要求。天線陣在垂直面的方向圖即為陣單元在垂直面的方向圖，垂直面的波束越窄，陣單元的縱向尺寸越大，天線的增益越高。圖4是實(shí)施例的垂直面方向圖，進(jìn)行了上副瓣抑制，下副瓣賦形，此賦形設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用非常理想。賦形、下傾設(shè)計(jì)都是通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
下面詳細(xì)說(shuō)明天線陣垂直面方向圖賦形設(shè)計(jì)的步驟首先，設(shè)計(jì)一低副瓣對(duì)稱天線陣列，其波束寬度與所需要的垂直面波束寬度基本相同，實(shí)現(xiàn)該陣列的輻射器的幅度分布為Ai，1≤i≤n，n為直線陣陣單元輻射器的個(gè)數(shù)。這一步主要是實(shí)現(xiàn)垂直面方向圖較低的上副瓣及滿足垂直面波束寬度要求。
其次，在賦形角度區(qū)域θ1～θ2形成幾個(gè)低副瓣波束疊加到上一步形成的波束上，則輻射器i(1≤i≤n)上電流幅相分布的數(shù)學(xué)表達(dá)如下Ii=Ai+AiΣj=lNαjexp[jk(i-1)dcosβj]]]>θ1≤βj≤θ2，0≤αj≤1.式中，N為本步驟中形成的低副瓣波束的個(gè)數(shù)，k ＝2π/λ，λ是工作波長(zhǎng)。其物理意義是在賦形的區(qū)域形成幾個(gè)低副瓣波束實(shí)現(xiàn)所需的波形，而其他區(qū)域的場(chǎng)分布所受的影響最小，從而在實(shí)現(xiàn)特殊要求的同時(shí)，保持上副瓣較低的要求。
然后，采用優(yōu)化算法優(yōu)化上式中的αj和βj。
在實(shí)施例中采用了遺傳算法去設(shè)計(jì)給定功率比的低副瓣天線，用直接搜索法(Direct search complex Algorithm)優(yōu)化αj和βj。
在本發(fā)明中，陣單元的方向圖是固定不變的，因此天線陣垂直面的方向圖也是固定不變的。
上述兩種天線陣用于移動(dòng)通信智能天線系統(tǒng)時(shí)，水平面的方向圖是可控的，即可實(shí)時(shí)進(jìn)行賦形，通過(guò)改變各天線陣單元的幅度和相位，實(shí)現(xiàn)方向圖主波束指向和方向圖形狀的改變，也可以同時(shí)形成多個(gè)波束指向不同的區(qū)域。波束形成可以在基帶通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)，也可以在射頻實(shí)現(xiàn)。
圖5是直線陣應(yīng)用于智能天線系統(tǒng)時(shí)，在一個(gè)扇區(qū)中形成的多個(gè)波束的水平面輻射方向圖。
本發(fā)明應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)第一，本發(fā)明應(yīng)用的工作頻段低于4GHz。
第二，本發(fā)明適合應(yīng)用于分扇區(qū)的組網(wǎng)方式。
第三，天線陣的極化方式可以是水平極化或垂直極化或±45°雙線極化。
第四，天線陣的極化方式與陣單元中輻射器的極化方式相同。
第五，天線陣在垂直面的輻射方向圖即為陣單元在垂直面的輻射方向圖。
第六，陣單元在垂直面的輻射方向圖可以做賦形設(shè)計(jì)或不做賦形設(shè)計(jì)。
第七，陣單元在垂直面的輻射方向圖可以作電下傾設(shè)計(jì)或不作電下傾設(shè)計(jì)。
第八，天線陣中陣單元之間的互耦效應(yīng)足夠小，不會(huì)引起陣單元明顯的失配。
第九，輸入阻抗為50Ω。
第十，天線陣在水平面輻射方向圖的控制可以在射頻實(shí)現(xiàn)，也可以在基帶實(shí)現(xiàn)。
第十一，天線陣在水平面可同時(shí)形成多個(gè)波束分別指向所覆蓋扇區(qū)中不同的區(qū)域。
第十二，天線陣是互逆的，既可以用于射頻信號(hào)的發(fā)射，也可以用于接收。
第十三，天線陣的增益在最大功率合成時(shí)可達(dá)Gmax(dB)＝G0(dB)+10logN上式中Gmax為最大可能增益，G0為陣單元的增益，N為陣單元數(shù)。
總之，本發(fā)明提出的直線型智能天線陣性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，架設(shè)方便，適用于移動(dòng)通信系統(tǒng)各種靈活的組網(wǎng)方式。
最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明而非限制本發(fā)明所涉及的技術(shù)方案，盡管參照以上較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的技術(shù)方案可以進(jìn)行修改、變形或者等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其特征在于所述的直線型智能天線陣由兩個(gè)以上完全相同的陣單元沿一直線等間隔或不等間隔排列在一個(gè)支撐平面上構(gòu)成，陣單元的排列間隔可為自由空間中工作頻率的半波長(zhǎng)，最大不超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)。陣單元包括輻射器、饋電網(wǎng)絡(luò)以及同軸連接器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其特征在于所述的陣單元由兩個(gè)以上完全相同的輻射器沿垂直面等間距或不等間距排列組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其特征在于所述的陣單元的輻射器為陣子輻射器，構(gòu)成直線型陣子天線陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其特征在于所述的陣子輻射器為對(duì)稱陣子或傘型陣子或空氣耦合陣子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其特征在于所述的陣單元的輻射器為微帶輻射器，構(gòu)成直線型微帶天線陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其特征在于所述的微帶輻射器與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)置在一個(gè)平面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其特征在于所述的支撐平面為一金屬平面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其特征在于所述的饋電網(wǎng)絡(luò)為介質(zhì)微帶或空氣微帶或同軸電纜。
9.一種移動(dòng)通信用直線型智能天線陣垂直面輻射方向圖的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述的天線陣為上述權(quán)利要求的天線陣，其特征在于針對(duì)陣單元饋電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)天線陣的垂直面的輻射方向圖進(jìn)行賦形優(yōu)化、下傾調(diào)整，其中賦形用于優(yōu)化方向圖的波瓣，下傾用于設(shè)定主波束向下傾斜的角度。
全文摘要
一種移動(dòng)通信用直線型智能天線陣，其直線型智能天線陣由兩個(gè)以上完全相同的陣單元沿一直線等間隔或不等間隔排列在一個(gè)支撐平面上構(gòu)成，陣單元排列間隔可為自由空間中工作頻率的半波長(zhǎng)，最大不超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)；陣單元包括輻射器、饋電網(wǎng)絡(luò)以及同軸連接器；陣單元的輻射器為陣子輻射器或微帶輻射器。本發(fā)明具有較好的信道信噪比，終端發(fā)射功率低，適合于分扇區(qū)組網(wǎng)，可靈活調(diào)整小區(qū)的覆蓋范圍，增大系統(tǒng)容量，并且架設(shè)方便。
文檔編號(hào)H01Q21/08GK1519989SQ03115310
公開(kāi)日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2003年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月26日
發(fā)明者郭險(xiǎn)峰, 段斌, 郭緒斌, 陳天才, 趙建平, 劉建利 申請(qǐng)人:中興通訊股份有限公司