移動通信用直線型智能天線陣的製作方法

2023-09-17 20:22:45

專利名稱：移動通信用直線型智能天線陣的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通信技術中的天線陣及其天線陣垂直面方向圖賦形設計的方法，特別是一種移動通信用直線型智能天線陣以及基於該天線陣的垂直面方向圖賦形設計的方法。屬於移動通信領域。
背景技術：
隨著移動通信的迅猛發展，用戶量增長迅速，但由於無線頻譜資源有限，無線傳輸環境複雜，遠近效應等無線條件的制約，目前的移動通信技術在系統容量、通信質量和提供的業務的種類等方面都難以滿足日益增長的消費需求，因此，在移動通信領域研究智能天線技術成為一項重要課題。
智能天線的實現方式是使用多個天線單元及相應數量的收發信機。多個天線單元組成天線陣列，通過對各個天線單元接收和發射的信號進行相位和幅度加權，可以控制天線波束的方向和形狀，並能同時形成多個獨立的波束，對多個移動終端實現定向接收和發射。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數字處理的智能天線；按組陣方式，智能天線可以分為直線陣、圓環陣等。
現在，在移動通信中，已有採用圓環陣智能天線或分集天線，還沒有直線型天線陣。直線型天線陣應用於智能天線能夠在以下幾個方面提升系統的性能提高信道的信噪比，減小多址幹擾，擴大覆蓋範圍，增大系統容量，降低終端的發射功率，靈活調整小區的覆蓋範圍。

發明內容
本發明的目的是提供一種移動通信用直線型智能天線陣及其垂直面方向圖賦形優化的方法，它能夠克服現有技術之不足，具有較好的信道信噪比，終端發射功率低，適合於分扇區組網，可靈活調整小區的覆蓋範圍，增大系統容量，並且架設方便。
為此，本發明提供如下技術方案實現上述的目的一種移動通信用直線型智能天線陣，其直線型智能天線陣由兩個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支撐平面上構成，陣單元包括輻射器、饋電網絡以及同軸連接器。陣單元排列間隔可為自由空間中工作頻率的半波長，最大不超過一個波長。
具體地，陣單元由兩個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，可為對稱陣子或傘型陣子或空氣耦合陣子，構成直線型陣子天線陣；輻射器為微帶輻射器，構成直線型微帶天線陣。微帶輻射器與饋電網絡一體化設置在一個平面上。
支撐平面為一金屬平面；饋電網絡為介質微帶或空氣微帶或同軸電纜。
一種移動通信用直線型智能天線陣垂直面方向圖的優化設計方法，所述的天線陣為上述權利要求的天線陣，針對饋電網絡，對天線陣的垂直面的輻射方向圖進行賦形優化、下傾調整，其中賦形用於調整垂直面方向圖的波瓣，下傾調整用於設定主波束向下傾斜的角度。
基於該技術方案，本發明直線型智能天線陣的運用相對於圓環陣具有很多優勢，尤其在系統組網方面，一個直線陣可以覆蓋一個扇區，三扇區的小區使用三個直線陣；也可以在小區的某些扇區採用智能天線，而其他扇區採用分集天線。天線的架設非常靈活，各扇區獨立考慮，天線下傾易於實現，既可採用機械下傾，也可採用電下傾，還可兩者結合。


下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
圖1本發明直線型微帶天線陣的立體結構示意圖。
圖2本發明直線型微帶天線陣陣單元的平面結構示意圖。
圖3本發明直線型陣子天線陣一實施例的結構示意圖。
圖4本發明直線型陣子天線陣在垂直面的輻射方向圖。
圖5本發明直線型天線陣在一個扇區中用於智能天線時的輻射方向圖。
具體實施例方式
圖1是直線型微帶天線陣的結構示意圖，k(k≥2)個陣單元51以一定的間距沿一直線排列，陣單元51的間距d不大於一個波長，d根據所需的波束寬度、扇區覆蓋的角度等確定，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，其饋電網絡也採用微帶形式，因此輻射器和饋電網絡做成一體，陣單元在結構形式上為一平面。根據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，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將其接地面平貼於支撐底板上；輻射器為偶極天線時，輻射的最大值方向在陣單元的一個側邊，陣單元組陣排列時，將與最大輻射方向相對的側邊貼在支撐底板上，此時還需一些結構連接件來固定陣單元於底板上，圖1便是這種形式的示意圖。
微帶陣陣單元的結構如圖2所示，陣單元進一步包括微帶輻射器53、微帶饋電網絡54、射頻同軸連接器55。輻射器和饋電網絡一體化加工在介質基板56上。
實施例是一個四陣元的微帶直線陣，陣單元沿一直線以半波長等間距排列，工作於1920MHz～2170MHz，陣單元的增益為14dB，在最大功率合成時陣增益可達20dB，陣單元之間的互耦小於-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實施例的結構示意圖，k(k≥2)個陣單元61以一定間隔排列在一直線上，同樣，陣單元的間距不大於一個波長，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和饋電網絡64不在一個平面內，饋電網絡的形式多樣，可以採用介質微帶、空氣微帶或同軸電纜等，陣子輻射器有對稱陣子、傘型陣子、空氣耦合陣子等，帶寬寬、匹配特性好。本實施例中，輻射器63是對稱陣子，饋電網絡64採用微帶電路實現。
本發明的方向圖的優化方法，無論是對於微帶陣還是陣子陣，均可對垂直面的輻射方向圖做賦形、下傾設計(當然，也可不做賦形、下傾設計)。賦形設計為使方向圖的波瓣分布滿足特定的要求，下傾設計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，這些設計都是為了滿足移動通信對工作區儘可能均勻覆蓋、消除盲區，對鄰近小區減少幹擾的要求。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是實施例的垂直面方向圖，進行了上副瓣抑制，下副瓣賦形，此賦形設計結果對於移動通信系統的應用非常理想。賦形、下傾設計都是通過饋電網絡來實現的。
下面詳細說明天線陣垂直面方向圖賦形設計的步驟首先，設計一低副瓣對稱天線陣列，其波束寬度與所需要的垂直面波束寬度基本相同，實現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數。這一步主要是實現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，在賦形角度區域θ1～θ2形成幾個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學表達如下Ii=Ai+Aij=lNjexpjk(i-1)dcosj]]>θ1≤βj≤θ2，0≤αj≤1.式中，N為本步驟中形成的低副瓣波束的個數，k ＝2π/λ，λ是工作波長。其物理意義是在賦形的區域形成幾個低副瓣波束實現所需的波形，而其他區域的場分布所受的影響最小，從而在實現特殊要求的同時，保持上副瓣較低的要求。
然後，採用優化算法優化上式中的αj和βj。
在實施例中採用了遺傳算法去設計給定功率比的低副瓣天線，用直接搜索法(Direct search complex Algorithm)優化αj和βj。
在本發明中，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。
上述兩種天線陣用於移動通信智能天線系統時，水平面的方向圖是可控的，即可實時進行賦形，通過改變各天線陣單元的幅度和相位，實現方向圖主波束指向和方向圖形狀的改變，也可以同時形成多個波束指向不同的區域。波束形成可以在基帶通過高速數位訊號處理實現，也可以在射頻實現。
圖5是直線陣應用於智能天線系統時，在一個扇區中形成的多個波束的水平面輻射方向圖。
本發明應用於移動通信系統具有以下特點第一，本發明應用的工作頻段低於4GHz。
第二，本發明適合應用於分扇區的組網方式。
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計或不做賦形設計。
第七，陣單元在垂直面的輻射方向圖可以作電下傾設計或不作電下傾設計。
第八，天線陣中陣單元之間的互耦效應足夠小，不會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現，也可以在基帶實現。
第十一，天線陣在水平面可同時形成多個波束分別指向所覆蓋扇區中不同的區域。
第十二，天線陣是互逆的，既可以用於射頻信號的發射，也可以用於接收。
第十三，天線陣的增益在最大功率合成時可達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。
總之，本發明提出的直線型智能天線陣性能優良，結構簡單，架設方便，適用於移動通信系統各種靈活的組網方式。
最後應當說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發明所涉及的技術方案，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，本發明的技術方案可以進行修改、變形或者等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍之中。
權利要求
1.一種移動通信用直線型智能天線陣，其特徵在於所述的直線型智能天線陣由兩個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支撐平面上構成，陣單元的排列間隔可為自由空間中工作頻率的半波長，最大不超過一個波長。陣單元包括輻射器、饋電網絡以及同軸連接器。
2.根據權利要求1所述的移動通信用直線型智能天線陣，其特徵在於所述的陣單元由兩個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.根據權利要求1或2所述的移動通信用直線型智能天線陣，其特徵在於所述的陣單元的輻射器為陣子輻射器，構成直線型陣子天線陣。
4.根據權利要求3所述的移動通信用直線型智能天線陣，其特徵在於所述的陣子輻射器為對稱陣子或傘型陣子或空氣耦合陣子。
5.根據權利要求1或2所述的移動通信用直線型智能天線陣，其特徵在於所述的陣單元的輻射器為微帶輻射器，構成直線型微帶天線陣。
6.根據權利要求5所述的移動通信用直線型智能天線陣，其特徵在於所述的微帶輻射器與饋電網絡一體化設置在一個平面上。
7.根據權利要求1所述的移動通信用直線型智能天線陣，其特徵在於所述的支撐平面為一金屬平面。
8.根據權利要求1所述的移動通信用直線型智能天線陣，其特徵在於所述的饋電網絡為介質微帶或空氣微帶或同軸電纜。
9.一種移動通信用直線型智能天線陣垂直面輻射方向圖的優化設計方法，所述的天線陣為上述權利要求的天線陣，其特徵在於針對陣單元饋電網絡，對天線陣的垂直面的輻射方向圖進行賦形優化、下傾調整，其中賦形用於優化方向圖的波瓣，下傾用於設定主波束向下傾斜的角度。
全文摘要
一種移動通信用直線型智能天線陣，其直線型智能天線陣由兩個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支撐平面上構成，陣單元排列間隔可為自由空間中工作頻率的半波長，最大不超過一個波長；陣單元包括輻射器、饋電網絡以及同軸連接器；陣單元的輻射器為陣子輻射器或微帶輻射器。本發明具有較好的信道信噪比，終端發射功率低，適合於分扇區組網，可靈活調整小區的覆蓋範圍，增大系統容量，並且架設方便。
文檔編號H01Q21/08GK1519989SQ03115310
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月26日 優先權日2003年1月26日
發明者郭險峰, 段斌, 郭緒斌, 陳天才, 趙建平, 劉建利 申請人:中興通訊股份有限公司