一種曲線形智能天線陣及優化其結構參數的方法
2023-05-19 23:42:16 2
專利名稱：一種曲線形智能天線陣及優化其結構參數的方法
技術領域：
本發明涉及蜂窩移動通信系統中的智能天線陣技術，更確切地說是涉及設計和實現具有扇區覆蓋的智能天線陣的方法。
背景技術：
在應用智能天線的峰窩移動通信系統中，一般是在無線基站裝備智能天線陣，此天線陣能用如下兩種賦形波束髮射和接收信號一種是固定的賦形波束，如全向、帶狀或扇形賦形波束，這種波束賦形方式主要用於發送全向信息，例如廣播或尋呼信息等；另一種是動態的賦形波束，這種波束主要用於跟蹤用戶，將信息傳送給特定用戶，如用戶的數據、信令等。
眾所周知，天線陣的功率輻射圖形是由構成天線陣的多個天線單元的幾何排列、每個天線單元的特性、以及每個天線單元饋電的幅度和相位等因數確定的。專利號為00103547.9的中國專利中，基站使用環形智能天線陣，以達到在水平面上的全向覆蓋。該專利技術在已經確定天線陣形狀(天線單元的間距為半波長的環形天線陣列)的情況下，提出一種根據實際情況通過調整n個天線單元的饋電幅度和相位實現天線陣任意波束賦形的方法。即用A(φ)表示希望得到的賦形波束的形狀參數，即所需的覆蓋範圍，其中φ表示觀察點的極坐標角度，A(φ)是在相同距離下φ方向的輻射強度。設構成環形智能天線陣列的天線單元數為N，其中任一個天線單元n的位置參數為D(n)，其饋電幅度和饋電相位可以用參數W(n)表示，該W(n)被稱為波束賦形參數，可以用兩種形式來表示W(n)一種是採用實部與虛部的形式，即W(n)＝R(n)+j·I(n)，其中R(n)為實部，I(n)為虛部；另一種為幅度與相位的形式，即W(n)＝A·ej·φ(n)，其中A為幅度，φ(n)為相位。
方向角φ處的輻射功率為P，即實際達到的覆蓋範圍表示為P=|n=1Nf(,D(n))W(n)|2.]]>其中f(φ，D(n))的函數形式與智能天線陣的類型有關。採用最小方差算法，可使得下面公式中的方差ε最小，從而獲得最小方差意義下的局部最優值ε=1K∑t=1K|P(φ)1/2-A(φ)|2×C(i)---(1)]]>其中K是採用逼近方法時的採樣點個數，C(i)是一個權重，它表示對不同採樣點的逼近程度。
但在現代移動通信網絡中，為了降低基站工程成本和提高容量，更多地是要求實現扇區覆蓋，即將水平面360°等分為兩個、三個、四個甚至六個扇區，這樣，相應地要求設計具有180°/120°/90°/60°的扇區覆蓋的天線，如附圖1中所示的蜂窩移動通信小區排列中的12、13、14和15。圖中11、16、17表示360°覆蓋的小區。
對具有扇區覆蓋特性的天線陣，目前所使用的單根定向天線雖然已經是成熟的產品，但這些產品只能提供固定的輻射方向圖形，不能提供動態的賦形波束；而環形智能天線陣雖然能提供扇區覆蓋能力，但是卻有增益小、幹擾嚴重的問題。因此需要重新設計一種智能天線陣，使其既具有扇區覆蓋能力又能提供動態賦形波束。雖然使用均勻直線陣列可以滿足上述要求，但是其提供的動態賦形波束在扇區內的增益不均勻。
參見圖2，以120度扇區21為例，在使用等幅饋電時，其扇區中心22與扇區邊緣23的增益一般相差5～7個分貝。因此均勻直線智能天線陣一般應用於對波束賦形增益均勻性要求不高的環境中。
對於一般的蜂窩移動通信系統而言，基站位於六邊形小區中心並且採用小區分裂技術時，其分裂出來的60度扇區24是標準的扇形，即扇區中心25最遠點A到基站O的距離R與扇區邊緣26最遠點B、C到基站O的距離相同(都為R)。此時就要求智能天線陣(O位置處)提供的賦形波束滿足某種均勻性，使得為扇區中心最遠點A提供的賦形波束增益與為扇區邊緣最遠點B、C提供的賦形波束增益相同，保證相同距離下的用戶都能接收到該波束，然而均勻直線陣列在此時是無法滿足該要求的。
對一個理想的具有扇區覆蓋特性的智能天線陣來說，除了有扇區覆蓋和均勻的動態波束賦形要求外，為了提高系統效率，還要求組成此智能天線陣的每個天線單元相同，而且，在提供扇形固定波束及定向賦形波束時，每個天線單元的發射功率電平相同。在天線陣結構尺寸確定後，形成不同賦形波束的變量僅僅是改變各天線單元的饋電相位。此外，還希望此天線陣具有比較高的天線陣增益及比較低的製造成本。迄今為止，還沒有滿足上述要求的設計方法，更沒有此類產品。
綜上所述，在蜂窩移動通信系統中，目前一般採用小區分裂技術來增加小區的容量，或者說在增加基站的同時保持站址密度不變，從而既提高了容量又降低了工程成本。對於單天線的蜂窩移動通信系統來說，比如GSM系統，一般採用定向的單根天線或者天線陣列實現扇區覆蓋。從扇區覆蓋的角度看，目前成熟的單根定向天線產品只能提供固定的輻射方向圖形，不能提供動態的賦形波束；環形智能天線陣雖然能提供扇區覆蓋能力，但是面臨著增益小、幹擾嚴重的問題；均勻直線天線陣雖然能夠提供動態的賦形波束，但是達不到理想智能天線陣列的要求，其提供的動態賦形波束在扇區內增益不均勻。雖然可以通過使用不等幅饋電減少這種不均勻性，但是有浪費發射功率、降低系統效率的問題。對於使用智能天線技術的蜂窩移動通信系統來說，比如TD-SCDMA系統，則必須設計一種既能夠應用智能天線技術，又能夠實現扇區覆蓋的天線陣。
發明內容
本發明的一個目的是設計一種曲線形智能天線陣，使得該種天線陣同時具有扇區覆蓋和動態波束賦形的能力，並且能夠在最大程度上滿足對智能天線陣的要求。
本發明的另一目的是設計一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，經不斷地調整過程，最終獲得與要求的扇區覆蓋波束賦形相吻合的局部(非全局最優解)最佳結果。
實現本發明目的的技術方案是這樣的一種曲線形智能天線陣，包括N個天線單元，各天線單元的功率輻射方向圖的指向成發散狀或者平行，其特徵在於所述的由N個天線單元構成的天線陣的幾何排列成曲線，形成扇區覆蓋；天線陣中相鄰的兩個天線單元間的直線距離滿足小於工作波長並大於或者等於1/2工作波長的條件1；曲線上各天線單元的輻射功率滿足能有效進入扇區覆蓋範圍、不被本天線陣中其它天線單元遮擋的有效輻射條件2。
實現本發明目的的技術方案還是這樣的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，包括給定天線單元個數N和確定N個天線單元的幾何排列，確定天線陣結構參數；用求得最小方差的逐步逼近方法獲得波束賦形參數與天線陣結構參數的局部最優解，其特徵在於所述的確定N個天線單元的幾何排列是按曲線排列N個天線單元；所述的用求得最小方差的逐步逼近方法獲得波束賦形參數與天線陣結構參數的局部最優解，包括1).給定曲線形天線陣的結構參數的初值，即確定各天線單元在曲線上的初始位置，使滿足相鄰天線單元間的距離大於等於1/2工作波長同時小於工作波長的條件1，和滿足各天線單元的輻射功率能有效進入扇區覆蓋範圍、不被本天線陣中其它天線遮擋的有效輻射條件2；2)按照事先給定的天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的初值與調整精度，同時調整天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的值，使用最小方差逼近方法尋找結構參數和W(n)的局部最優解，並記錄波束賦形圖與目標賦形圖的方差ε；3)如果方差ε滿足預定的要求，並且獲得的天線陣結構參數滿足條件1和條件2，輸出步驟2)中確定的天線陣排列方式以及局部最優的波束賦形參數W(n)，否則返回步驟1)重新設定天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的初值和/或調整精度。
所述的步驟2)進一步包括21).按照事先給定的天線陣結構參數初值或者後續步驟中獲得的天線陣結構參數的調整基值、和事先給定的調整精度調整天線陣的結構參數，並且保證天線陣的結構參數滿足條件1和條件2；22).按照事先給定的波束賦形參數W(n)的初值或者後續步驟中獲得的波束賦形參數W(n)的調整基值、事先給定的調整精度調整天線陣的波束賦形參數W(n)；23).按照步驟21)和22)中確定的天線陣的結構參數和波束賦形參數W(n)，計算該天線陣的方差，並與事先確定的方差參考值進行比較，如果方差大於或者或者等於方差參考值，則記錄該方差參考值保持最小的次數，如果該次數超過事先確定的門限值，則進入步驟3)，否則返回步驟21)；如果小於方差參考值，則用新計算出來的方差代替原方差參考值，將步驟21)和22)確定的天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)作為新的調整基值，將有記錄方差參考值保持最小次數的計數器清零，並返回步驟21)。
在系統設計時，如果系統對方差ε有明確的要求，例如ε≤ε』，ε』為目標方差，則所述的步驟2)進一步包括21).按照事先給定的天線陣結構參數初值或者後續步驟中獲得的天線陣結構參數的調整基值、事先給定的調整精度調整天線陣的結構參數，並且保證天線陣的結構參數滿足條件1和條件2；22).按照事先給定的波束賦形參數W(n)的初值或者後續步驟中獲得的波束賦形參數W(n)的調整基值、事先給定的調整精度調整天線陣的波束賦形參數W(n)；24).按照步驟21)和22)中確定的天線陣的結構參數和波束賦形參數W(n)，計算該天線陣的方差，並與事先確定的方差目標值進行比較，如果方差小於或者等於方差目標值，則記錄該方差並進入步驟3)；如果方差大於方差目標值，則進一步將方差與事先確定的方差參考值比較，如果方差大於或者等於方差參考值，則記錄該方差參考值保持最小的次數，如果該次數超過事先確定的門限值，則進入步驟3)，否則返回步驟21)，如果方差小於方差參考值，則用新計算出來的方差代替原方差參考值，將步驟21)和步驟22)確定的天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)作為新的調整基值，將記錄方差參考值保持最小次數的計數器清零，並返回步驟21)。
本發明提出一種曲線形智能天線陣結構和優化該曲線形智能天線陣結構參數的方法，利用了00103547.9中國專利中的求最小方差、逐步逼近目標需求的波束賦形參數局部最優解的調整方法。
本發明給出的天線單元的幾何排列成曲線的天線陣結構，曲線包括弧線和折線等，同時具有扇區覆蓋和動態波束賦形的能力，並且能夠在最大程度上滿足智能天線陣的要求。其中對曲線形狀無明確要求，對天線單元在曲線上的分布位置應滿足各天線單元間距小於工作波長大於或者等於1/2波長，和滿足有效幅射條件的要求，天線陣中各天線單元的輻射方向圖指向發散或者平行。
本發明採用最小方差逼近方法來同時優化天線陣結構參數和波束賦形參數，該方法適用於任意曲線排列的天線陣結構。在本發明的曲線形智能天線陣中，所有天線單元的排列可以是均勻的，也可以是非均勻的，所有天線單元的排列可以是對稱的，也可以是非對稱的，各天線單元的歸一化輻射方向圖形可以是相同的，也可以是不同的。
本發明給出一種曲線形智能天線陣，將構成天線陣的天線單元排列成曲線形，通過調整此曲線的形狀、天線單元在曲線上的位置及每個天線單元的饋電參數來確定此智能天線陣覆蓋區域的大小及形狀，使在最小方差的原則下，天線陣的結構參數及賦形波束獲得與要求相吻合的局部最佳結果，使該曲線形智能天線陣既可以實現扇區覆蓋，又可以最大限度的滿足對智能天線陣的要求。
本發明將曲線陣列的結構參數與所述的波束賦形參數同時作為所述最小方差方法調整的參數，直至達到設定的調整次數時，因而逐步逼近目標需求並且最終獲得局部最佳天線陣結構參數及波束賦形參數。
本發明的曲線形智能天線陣與均勻直線形的智能天線陣相比，曲線形的智能天線陣可以在等幅饋電的情況下，實現扇區內不同方向的波束賦形並且保證有良好的均勻性，提高了系統效率。
圖1是蜂窩移動通信小區排列結構示意圖；圖2是採用小區分裂技術時的扇區結構示意圖；圖3是本發明在弧線上不均勻排列天線單元時的結構示意圖；圖4是本發明的曲線形智能天線陣滿足有效輻射條件要求的示意圖；圖5是本發明的120度扇區覆蓋的非均勻圓弧形智能天線陣結構示意圖；圖6是本發明的120度扇區覆蓋的非均勻圓弧形智能天線陣有效輻射條件示意圖；圖7是本發明的採用固定步長的最小方差逼近方法確定圓弧形智能天線陣參數的流程框圖；圖8是120°扇區覆蓋目標函數要求A(φ)的圖示；圖9是具有120°扇區覆蓋時的智能天線輻射方向圖形；圖10是0度方向的波束賦形圖；圖11是20度方向的波束賦形圖；圖12是40度方向的波束賦形圖；圖13是60度方向的波束賦形圖；圖14本發明在折線上對稱但不均勻排列天線單元時的結構示意圖。
具體實施例方式
一個理想的具有扇區覆蓋特性的智能天線陣，首先，要求其具有理想的輻射圖形，即通過調整天線陣中每個天線單元的饋電幅度和饋電相位，既能夠提供扇形固定波束也能夠提供定向動態賦形波束，並且要求動態賦形波束滿足一定的均勻性；其次為了使系統效率最高，還要求組成此智能天線陣的每個天線單元輻射方向圖形相同，而且，在提供扇形固定波束及定向動態賦形波束時，每個天線單元的發射功率電平相同，即在天線陣結構尺寸確定後，僅僅改變各天線單元的饋電相位，就可形成不同的賦形波束。
針對上述對理想的具有扇區覆蓋特性的智能天線陣的要求，本發明給出了曲線形智能天線陣，以及該天線陣優化結構參數的方法。
圖3中給出一種按本發明技術方案設計的曲線形智能天線陣。在一條曲線31上，不均勻地排列著這些天線單元32，構成一個兩維陣列(每個天線單元32的位置可用其座標位置(x，y)表示)。
在通常情況下，所需要的天線覆蓋是對稱的，故天線單元對稱地分布在一條對稱的曲線31上。當每個天線單元32完全相同時，天線單元具有的結構參數是其座標位置(x，y)以及其輻射方向圖形的指向34(圖中用角度δ表示)。一般要求天線陣中各個天線單元輻射方向圖形的指向δ是發散的或者平行的。圖示中33為來波方向(圖中用角度φ表示)。
所選擇的天線單元應當具有定向輻射方向圖形，其輻射方向圖形(功率輻射)下降3dB的寬度應當不小於所設計的天線陣所需要的固定覆蓋波束寬度。由於天線單元的設計已經有大量成熟理論及產品，故只是一個選擇的過程。一般來說，天線單元的輻射方向圖決定了波束掃描的最大範圍，對於直線天線陣來說，其各個天線單元的輻射方向圖指向相同；而對於曲線形天線陣來說，其各個天線單元的輻射方向圖指向是發散的，故人為的擴大了波束掃描的最大範圍，從而保證了使用曲線形天線陣可以提供比較均勻的動態波束賦形增益。
與環形智能天線陣不同的是，在確定天線單元個數N之後，曲線形智能天線陣需要進一步確定其結構參數，但一般對曲線的形狀沒有明確的要求。由於天線單元排列在曲線上，所以與直線陣相比，在天線單元間距保持不變時，曲線形智能天線陣的口徑變小。所以對於曲線形智能天線陣來說，為了保證與直線天線陣相同的口徑，需要增加天線單元之間的間距，從而有效的保證賦形增益。即要求滿足下述條件(1)λ/2≤minm=1...N-1(d(m))≤maxm=1...N-1(d(m))＜λ]]>(條件1)其中d(m)，(m＝1…N-1)，為相鄰兩根天線之間的直線距離，即天線間距，N為天線單元個數，λ是工作波長，天線單元間距最大不能超過λ，天線單元間距最小不能低於λ/2。
除了對天線單元間距的要求之外，為了充分利用所有天線單元所具有的輻射強度，應該儘量保證所有天線單元的輻射功率都能有效的進入扇區的覆蓋範圍，而不被其他天線擋住，該要求被稱為有效輻射條件。以圖4所示的曲線天線陣為例說明該有效輻射條件要求曲線41上任意兩個天線單元42的連線(如46、47)與扇區中心方向43的夾角(如ω1，ω2)大於或者等於同一側扇區邊緣方向(如44、45)與扇區中心方向43的夾角(如θ1，θ2)(圖4中，ω1＞θ1，ω2＝θ2)。其中同一側是指任意兩個天線單元42的連線和扇區邊緣方向位於扇區中心方向的同一側，圖中46與44位於扇區中心方向的右側，47與45位於扇區中心方向的左側。有效輻射條件要求ω1≥θ1並且ω2≥θ2。
扇區智能天線陣需要同時提供扇區覆蓋波束和指向用戶的動態賦形波束，一般來說，確定扇區智能天線陣的結構參數既可以採用對於扇區覆蓋波束的要求，也可以採用對於動態賦形波束的要求，但是由於指向用戶的動態賦形波束參數一般由波束賦形算法動態地提供，而且對其賦形波束的形狀一般無明確的要求，所以本發明提供的曲線形智能天線陣的結構參數優化方法是在保證扇區覆蓋波束要求的前提下進行的。
本發明借鑑了由中國專利00103547.9中公開的在最小方差原則下逐步逼近所需要求的方法，來逼近扇區覆蓋波束的要求。但與00103547.9專利不同的是本發明採用的優化方法不僅要調整各個天線單元的波束賦形參數W(n)，而且還要不斷地調整該曲線形智能天線陣的結構參數，從而在最小方差原則下逼近扇區覆蓋波束要求的同時，可以獲得該曲線形智能天線陣的一個局部最優的結構參數。之所以要對曲線形智能天線陣的結構參數進行不斷的調整和優化，是因為對於一個確定的曲線形天線陣，由於陣本身的限制，以及最小方差逼近方法的缺陷，很可能無法找到局部最優的結果。
一般來說，求解曲線智能天線陣結構參數局部最優解，可採用如下第一種方法，具體步驟是(1)給定天線單元個數N；(2)給定一種天線單元在曲線上的排列方式(也稱天線陣的幾何參數或結構參數)，即確定曲線的形狀以及各天線單元在曲線上的位置，需滿足條件1以及有效輻射條件2；(3)按照事先給定的波束賦形參數W(n)的初值與調整精度，不斷調整波束賦形參數W(n)的值，使用最小方差逼近方法尋找W(n)的局部最優解，並記錄方差ε；(4)如果波束賦形圖與目標賦形圖的方差ε滿足預定要求，則輸出步驟(2)中所確定的那種天線陣排列方式以及局部最優的波束賦形參數W(n)，否則仍返回步驟(2)，重新確定一種天線單元在曲線上的排列方式，再使用(3)中描述的最小方差逼近方法尋找W(n)的局部最優解。
上述方法在求解天線陣的結構參數時採用的是窮舉法，雖然可以根據方差的變化逐步縮小求值範圍來獲得次優值(次優值的意義是因為手動的窮舉法不夠完善，雖然可以獲得滿足預定方差的解，但方差不是最小的)，但是其計算量仍然太大。
本發明給出一種改進的最小方差方法，即把曲線陣的結構參數與波束賦形參數W(n)同時作為最小方差方法調整的參數。該方法根據實際需求不斷地調整天線陣列的結構參數以及波束賦形參數W(n)，使得天線陣達到所需的扇區覆蓋波束賦形，可以在受限的範圍內快速求出天線陣結構參數和波束賦形參數，獲得局部最佳效果。具體步驟是(1)給定天線單元個數N；(2)給定天線陣結構參數的初值，即確定一種天線單元在曲線上的排列方式(曲線的形狀以及天線單元在曲線上的位置)，並滿足條件1以及有效輻射條件2；(3)按照事先給定的天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的初值與調整精度，同時不斷調整天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的值，使用最小方差逼近方法尋找結構參數和W(n)的局部最優解，並記錄方差ε；(4)如果波束賦形圖與目標賦形圖的方差ε滿足預定的要求，並且獲得的結構參數滿足條件1以及有效輻射條件，那麼輸出步驟(3)中確定的天線陣排列方式以及局部最優的波束賦形參數W(n)，否則返回步驟(2)重新設定天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的值。如果多次調整都未獲得局部最優解，可以重新設定結構參數以及波束賦形參數W(n)的初值和精度，再使用步驟(3)中描述的最小方差逼近方法尋找結構參數和W(n)的局部最優解。
下面以優化滿足120度扇區覆蓋的圓弧陣為實施例，給出具體的選擇天線單元、結構參數的確定及其優化方法。
首先選擇天線單元。構成具有扇區覆蓋能力的天線陣列中的天線單元應該具有定向輻射方向圖形，為了節約成本，這裡選擇具有全向輻射的半波振子加導體平面(反射板)構成基本的輻射單元。假設該導體平面無限大(便於理論分析)，半波振子與導體平面之間的距離為1/4波長，這樣原來的全向天線單元及其鏡像作用就可以組成一個等幅反向的二元陣，其在水平面內的歸一化方向圖函數可以用f(φ)表示，φ為來波方向。
然後確定曲線形天線陣的結構參數。如圖5所示。假設天線單元個數為N(N＝8)，各天線單元53不均勻但對稱地排列在一段圓弧線51上，天線單元53與金屬圓弧板52(即導體平面，反射板)之間的最短距離為1/4波長。Φ為來波方向54。
弧線形陣的圓弧線半徑為R，相鄰兩根天線之間的夾角為α(m)，m＝1…N-1，相鄰兩根天線之間的間距為d(m)，m＝1…N-1，每根天線的賦形參數是W(n)，n＝1…N。假設此時金屬圓弧板52相對於任一根天線單元53均可以認為是無限大導體平面，那麼每根天線單元的輻射方向圖形都將與f(φ)相同，但是由於各天線單元所在曲線上的位置不同，那麼在同一個坐標系中每根天線單元的方向圖函數的表達式都不同，它可以表示為來波方向φ以及βn的函數fn(φ，βn)，n＝1…N。其中βn為各個天線單元與φ＝0方向的夾角，它是α(m)的函數。在圖5所示坐標系中，在x軸上方的βn為正，在x軸下方的βn為負。
圓弧線的半徑R、相鄰兩根天線之間的夾角α(m)、間距d(m)三組參數中兩兩相互獨立，可以任意選取其中兩組作為弧線形天線陣的結構參數進行優化。不失一般性，本實施例選取圓弧的半徑R、相鄰兩根天線之間的夾角α(m)作為天線陣的結構參數，此時兩天線單元的間距可以表示為d(m)=2Rsin((m)2).]]>那麼整個天線陣對來波方向角為φ的輻射功率值可以表示為P=|n=1Ngn(,R,(m))W(n)|2------(2)]]>其中對於弧線形天線陣gn(φ，R，α(m))＝exp(j·2·π·R/λ·cos(βn-φ))·fn(φ，βn)(3)式(3)中，fn(φ，βn)為每個天線單元的方向圖函數，βn是α(m)的函數，λ是工作波長。
對於加了反射板的弧線形天線陣來說，除了對於天線單元間距的要求之外(條件1)，為了保證其有效覆蓋條件，對於120度扇區覆蓋的扇區來說，其φ＝±60度的來波方向角(扇區邊緣的來波方向61)至少要和最邊緣天線單元(62)所在位置的圓弧相切，如圖6所示，其中Φ為來波方向63。即要求m=1N-1(m)3]]>(條件2)
如果扇區覆蓋要求為60度，那麼條件(2)的要求變為m=1N-1(m)23.]]>最後對結構參數進行優化。
對該圓弧形天線陣的基本要求即扇區覆蓋，所需要的方向圖可以用函數A(φ)表示。那麼採用最小方差的方法，則應該使下式中的ε最小ε=1K∑i=1K|P(φi)1/2-A(φi)|2·C(i)------(4)]]>其中K表示在各個方向上選取離散觀察點(採樣點)的個數，一般一度取一個點，在精度要求較高時可以多取。C(i)是一個權重，如果對某些點的逼近要求高，還可以將C(i)設得高一些，相反則將其設小一些，一般在所有觀察點的逼近要求一致時，取C(i)＝1，i＝1，…，K。
為了提高天線系統的效率，這裡要求每根天線單元輻射的功率相同，其幅度值保持為1，那麼被調整的波束賦形參數W(n)中只包含饋電的相位參數。為了方便表述起見，這裡把W(n)寫成幅度和相位的形式W(n)＝A·ej-φ(n)(也可以寫成實部與虛部的形式，參見中國專利00103547.9)，當幅度不變時，即在實際參數調整過程中，只改變φ(n)的值，n＝1…N。
那麼採用本發明的改進的最小方差逼近方法可以在求出波束賦形參數W(n)最優值的同時快速求出結構參數最優值，獲得局部最佳效果。
圖7中示出採用固定步長的最小方差逼近方法對結構參數進行優化的流程框圖。
步驟701，初始化。具體內容包括獲取載波頻率f，並計算該載波頻率f的工作波長λ；設定一組滿足條件1和條件2的結構參數初值R0以及α0(m)，m＝1…N-1；設定φ(n)的初始值φ0(n)，n＝1…N，初始值φ0(n)的選取對於整個算法的收斂速度和最後結果有一定的影響，因此如果事先知道調整參數的大致範圍，最好選擇對應的一組合適的初值，同時也可以提高結果的精度；
設定方差ε的初值ε0(設為一較大初值，以便更快地從初始狀態進入循環反饋的調整狀態)，記數變量count＝0。其中count用於記錄某組調整基值(調整基值的獲得參考步驟711)R0』、α』(m)以及Φ0』(n)所對應的ε0，相對於參數調整過程中保持最小的次數(即ε0小於在ε的次數)。count應有一個要求的門限值M，以決定何時終止調整，輸出結果，顯然M越大所取得結果的可信度越高，一般取50即可。
設定所要求解的波束賦形參數φ(n)(W(n)＝ej·φ(n))以及結構參數R和α(m)的調整步長Δφ、ΔR以及Δα，這裡認為所有N個天線單元饋電的相位參數等同，以及N-1個天線間夾角參數等同，所以調整步長分別設置為相同；設定離散觀察點的個數K，並為每一個觀察點設定權值C(i)，i＝1，…，K；設定計數器times的門限值TME，計數器times用於記錄結構參數調整之後連續超過條件1或者2的次數，如果times值超過門限值TME則跳出程序，此時需要重新選取各個參數的初始值進行再一次優化，TME一般取值為100。
步驟702，計數器times清零。
步驟703，按照下述公式(5)和(6)對結構參數R和α(m)進行調整。對於每一個結構參數R和α(m)，相應地隨機產生+1或者-1值(在不知正確的變化趨勢時，應保證增、減的機率相等)，即參數的調整方向，分別用LR和Lam(m＝1…N-1)表示，然後根據步長以及調整方向調整其參數值。其調整算法如下，假設第U次調整後的R值為RU，第U次調整後的α(m)值為αU(m)，第U次調整後的調整方向分別為LRU和LamU，那麼經過再一步調整後的RU+1和αU+1(m)分別為RU+1=RU+LRUR------(5)]]>U+1(m)=U(m)+LmU------(6)]]>首次進入步驟703時，是按照給定的初值進行結構參數R及α(m)的調整，在後續的循環反饋地調整過程中則在記錄的調整基值上進行調整(以前次調整記錄的R和α(m)值作為調整基值，按固定步長進行增或減，再按公式(5)、(6)計算)。
步驟704，判斷是否滿足條件1(根據R及α(m)求出d(m)，再判斷d(m)是否滿足條件1)。如果調整後的R和α(m)沒有超過條件1的限制，就保留該次調整值，並進入步驟705；如果超過條件1的限制，則進入步驟706。
步驟705，判斷是否滿足條件2。如果調整後的R和α(m)沒有超過條件2的限制，就保留該次調整值，並進入步驟708。如果超過條件1的限制，則進入步驟706。
步驟706，計數器times累加。
步驟707，判斷計數器times是否超過門限值TME。如果超過門限值，則程序終止，未得到調整結果。否則進入步驟703按公式(5)和(6)重新對結構參數進行調整。
步驟708，按照公式(7)對波束賦形參數φ(n)進行調整。
對於每一個天線單元饋電的相位參數相應地隨機產生+1或者-1值(在不知正確變化趨勢時，應保證增、減的機率相等)，即參數的調整方向，分別用Lφn(n＝1…N)表示，然後根據步長以及調整方向調整其參數值。其調整方法如下，假設第U次調整後的φ(n)值為φU(n)，第U次調整後的調整方向為LφnU，那麼經過再一步調整後的φU+1(n)為U+1(n)=U(n)+LnU-------(7)]]>如果波束賦形參數還包括其幅度A(n)，n＝1…N，其調整方向為LAn調整步長為ΔA，那麼按照公式(8)對波束賦形參數A(n)進行調整。其調整方法如下，假設第U次調整後的A(n)值為AU(n)，第U次調整後調整方向為LAnU，那麼經過再一步調整後的AU+1(n)為AU+1(n)=(A)L4nUAU(n)------(8)]]>此時，應該對幅度有AU+1(n)≤1的要求，n＝1…N。
首次進入步驟708時，按照給定的初值進行波束賦形參數φ(n)的調整，在後續的循環反饋地調整過程中則在記錄的調整基值上進行調整(以前次調整記錄的φ(n)值作為調整基值，按固定步長進行增或減，再按公式(7)、(8)計算)。
步驟709，根據公式(4)計算方差ε。
步驟710，判斷方差ε是否小於ε0(方差參考值)。如果ε＜ε0則進入步驟711，否則進入步驟712。
步驟711，調整ε0。記錄φ(n)、R以及α(m)，並分別用Φ0』(n)、R』以及α』(m)表示，並用新的ε代替原來的ε0(作為方差參考值)，同時記數變量count清零，進入步驟702。
步驟712，記數變量count累加。
步驟713，判斷記數變量count是否超過門限值M。如果count沒有超過事先設定的門限值M，則返回步驟702，否則進入步驟714。
步驟714，程序終止。輸出一組局部最優解Φ(n)＝Φ0』(n)、R＝R』、α(m)＝α』(m)以及ε＝ε0(調整過程中將中間的調整值表示為Φ0』(n)，R』和α』(m)，調整的最終結果表示為Φ(n)、R和α(m)，在整個調整過程中，ε0在不停地變化，而且是朝著小的方向變化，當小到不能再小時，輸出最小的ε0對應的結構參數結果Φ(n)、R、α(m))。
在反覆循環的調整過程中，步驟711中都不斷地記錄當前計算得到的φ(n)、R以及α(m)，並用Φ0』(n)，R』和α』(m)表示作為調整基值，在其基礎上按固定步長增量或減量，進行參數調整。
雖然，通過上面的方法求出的值只是一個局部最優解，但它的計算量小得多，能較快的求出一組φ(n)、R以及α(m)。如果對本次求出的值不滿意，可以反覆運行，求出若干組解，從中挑出方差最小的一組解(在重複運行時，可以修改設定的參數初值φ0(n)、R0以及a0(m)，該步驟未在圖7中示出)。
如果對結果仍不滿意，也可採用變步長和提高精度的方法來改進上述算法。
有時，在系統設計時，系統可能對方差ε有明確的要求，例如ε≤ε』，ε』為目標方差，這時應將流程的終止條件修改為對ε≤ε』的判斷及對步驟713 count＞M條件判斷的結合，在步驟709與步驟710間增加一個步驟，判斷是否滿足ε≤ε』，滿足時即執行步驟714終止流程，輸出該方差及對應的天線陣結構參數和波束賦形參數，在不滿足ε≤ε』時，繼續執行步驟710、711、712、713，在滿足count＞M的條件時執行步驟714。
具體包括將計算的該天線陣的方差與事先確定的方差目標值進行比較，如果方差小於或者等於方差目標值，ε≤ε』，則記錄該方差並進入步驟714；如果方差大於方差目標值，則進一步將方差與事先確定的方差參考值比較(步驟710)，如果方差大於或者等於方差參考值，則記錄該方差參考值保持最小的次數(步驟712)，如果該次數超過事先確定的門限值(步驟713)，則進入步驟714，否則返回步驟702，如果方差小於方差參考值，則用新計算出來的方差代替原方差參考值，將確定的天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)作為新的調整基值，將記錄方差參考值保持最小次數的計數器清零(步驟711)，並返回步驟702。
上面給出的實施例中，沒有明確扇區覆蓋目標函數A(φ)的具體形式，而實際上可以依據對扇區覆蓋的要求進一步減少弧線形智能天線陣列的結構參數和波束賦形參數，從而增加參數優化的自由度。比如扇區覆蓋的要求是對稱的，那麼結構參數α(m)和波束賦形參數的個數均可以減少一半。如果進一步增加天線間距均勻的要求，那麼結構參數將只有半徑R和夾角α兩個參數(只有一個天線單元間距參數)。
下面進一步給出一個8單元的均勻圓弧線陣的實施例，使用圖7所示固定步長最小方差逼近方法，並採用圖8所示的120度扇區覆蓋目標要求A(φ)，可以得到一組結構參數和饋電相位參數載波頻率為1920MHz；曲線的半徑R＝0.92米；第1根與第8根天線單元之間的夾角為36.4度，即m=17(m)=36.4]]>度；每兩根天線之間的間距相等，對應的圓心角α(1)＝α(2)＝…＝α(7)＝5.2度；天線間距為0.084米；各天線單元等幅饋電；各天線單元的饋電相位(弧度)分別為2.5588、3.2707、5.6306、6.2652、6.2652、5.6306、3.2707、2.5588。
使用上面確定的天線陣列結構以及幾何尺寸，並使用饋電相位參數對該天線陣進行波束賦形，可以得到扇區輻射方向圖形如圖9所示。
在上面確定的天線陣列結構以及幾何尺寸下，使用同相合成方法得到的波束賦形圖如圖10～13所示。合成後的天線陣相對於單根天線的主瓣平均增益為0度16.9080dB20度16.9177dB40度16.1504dB60度13.9806dB可以看出0度方向與60度方向，其幅度值波動只有1～3dB，比直線陣要好很多。
本發明提出的曲線形智能天線陣的結構參數優化方法，可以優化任意曲線曲線形狀的智能天線陣。
圖14實施例給出一個折線形智能天線陣，選擇具有定向能力的天線單元，天線陣具有覆蓋範圍對稱的要求，並且天線單元個數為N＝8。其結構可以由參數L、α以及d(m)確定，m＝1，…，N/2-1。其中L是折線上最外側兩根天線單元間的距離，α是折線中任一條線與該距離線L間的夾角，d(m)是位於折線中任一條線上的相鄰天線單元之間的距離。此時其仍然需要滿足條件1的限制，並且具體化為/2minm=1/2-1(d(m))maxm=1/2-1(d(m))------(9)]]>其有效輻射條件具體化為對於120度扇區覆蓋,6,]]>對於60度扇覆蓋，3.]]>上面給出的折線形智能天線陣的結構參數，可以使用這些選定的結構參數計算該天線陣的其它結構參數，即，使用這些選定的結構參數可以完全確定該天線陣的結構尺寸，因此也可以選用其它結構參數進行優化，只要選定的結構參數能夠完全決定該天線陣的結構尺寸即可。
本發明方法提出的曲線形(包括折線形與弧線形等)智能天線陣列的結構參數優化方法，在各個天線單元的特性不同時也同樣適用，但是需捨棄對系統效率最高的要求，並且在進行波束賦形參數調整時，將不僅包括其相位參數φ(n)，還將包括其幅度參數A(n)。
本發明給出的曲線形天線陣列，它把天線單元在曲線上排列，通過調整此曲線的形狀、天線單元在曲線上的位置及每個天線元的饋電參數來確定此智能天線陣列覆蓋區域的大小及形狀，使之在最小方差的原則下獲得與要求相吻合的局部最佳結果。該裝置即可以實現扇區覆蓋，又可以最大限度的滿足智能天線技術的要求。
權利要求
1.一種曲線形智能天線陣，包括N個天線單元，各天線單元的功率輻射方向圖的指向成發散狀或者平行，其特徵在於所述的由N個天線單元構成的天線陣的幾何排列成曲線，形成扇區覆蓋；天線陣中相鄰的兩個天線單元間的直線距離滿足小於工作波長並大於或者等於1/2工作波長的條件1；曲線上各天線單元的輻射功率滿足能有效進入扇區覆蓋範圍、不被本天線陣中其它天線單元遮擋的有效輻射條件2。
2.根據權利要求1所述的一種曲線形智能天線陣，其特徵在於所述的曲線是弧線；所述的N個天線單元對稱或非對稱排列在弧線上；所述的N個天線單元均勻或非均勻排列在弧線上。
3.根據權利要求1所述的一種曲線形智能天線陣，其特徵在於所述的曲線是折線；所述的N個天線單元對稱或非對稱排列在折線上；所述的N個天線單元均勻或非均勻排列在折線上。
4.根據權利要求1所述的一種曲線形智能天線陣，其特徵在於所述N個天線單元的歸一化輻射方向圖形相同或不相同。
5.根據權利要求1所述的一種曲線形智能天線陣，其特徵在於在所述的曲線是弧線時，所述的有效輻射條件是指曲線上任意兩個天線單元的連線與扇區中心方向的夾角，大於或者等於同一側扇區邊緣方向與扇區中心方向的夾角，所述的同一側是該兩個天線單元的連線與扇區邊緣方向，是位於扇區中心方向的同一側。
6.根據權利要求1所述的一種曲線形智能天線陣，其特徵在於所述的天線單元具有定向輻射方向圖形。
7.根據權利要求6所述的一種曲線形智能天線陣，其特徵在於所述的具有定向輻射方向圖形的天線單元，由具有全向輻射的半波振子和由導體平面構成的反射板組成，導體平面距離半波振子為1/4工作波長，在曲線為弧形時，該導體平面為金屬圓弧板。
8.一種優化如權利要求1的曲線形智能天線陣結構參數的方法，包括給定天線單元個數N和確定N個天線單元的幾何排列，確定天線陣結構參數；用求得最小方差的逐步逼近方法獲得波束賦形參數與天線陣結構參數的局部最優解，其特徵在於所述的確定N個天線單元的幾何排列是按曲線排列N個天線單元；所述的用求得最小方差的逐步逼近方法獲得波束賦形參數與天線陣結構參數的局部最優解，包括1).給定曲線形天線陣的結構參數的初值，即確定各天線單元在曲線上的初始位置，使滿足相鄰天線單元間的距離大於等於1/2工作波長同時小於工作波長的條件1，和滿足各天線單元的輻射功率能有效進入扇區覆蓋範圍、不被本天線陣中其它天線遮擋的有效輻射條件2；2)按照事先給定的天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的初值與調整精度，同時調整天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的值，使用最小方差逼近方法尋找結構參數和W(n)的局部最優解，並記錄波束賦形圖與目標賦形圖的方差ε，n＝1，…，N；3)如果方差ε滿足預定的要求，並且獲得的天線陣結構參數滿足條件1和條件2，輸出步驟2)中確定的天線陣排列方式以及局部最優的波束賦形參數W(n)，否則返回步驟1)重新設定天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)的初值和/或調整精度。
9.根據權利要求8所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述的N個天線單元對稱或非對稱、均勻或非均勻地分布在所述的曲線上。
10.根據權利要求8所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述的確定天線陣結構參數是選擇至少能夠完全確定所選天線陣結構的一組參數。
11.根據權利要求8所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述的步驟2)進一步包括21).按照事先給定的天線陣結構參數初值或者後續步驟中獲得的天線陣結構參數的調整基值、和事先給定的調整精度調整天線陣的結構參數，並且保證天線陣的結構參數滿足條件1和條件2；22).按照事先給定的波束賦形參數W(n)的初值或者後續步驟中獲得的波束賦形參數W(n)的調整基值、事先給定的調整精度調整天線陣的波束賦形參數W(n)；23).按照步驟21)和22)中確定的天線陣的結構參數和波束賦形參數W(n)，計算該天線陣的方差，並與事先確定的方差參考值進行比較，如果方差大於或者或者等於方差參考值，則記錄該方差參考值保持最小的次數，如果該次數超過事先確定的門限值，則進入步驟3)，否則返回步驟21)；如果小於方差參考值，則用新計算出來的方差代替原方差參考值，將步驟21)和22)確定的天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)作為新的調整基值，將記錄方差參考值保持最小次數的計數器清零，並返回步驟21)。
12.根據權利要求8所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述的步驟2)進一步包括21).按照事先給定的天線陣結構參數初值或者後續步驟中獲得的天線陣結構參數的調整基值、事先給定的調整精度調整天線陣的結構參數，並且保證天線陣的結構參數滿足條件1和條件2；22).按照事先給定的波束賦形參數W(n)的初值或者後續步驟中獲得的波束賦形參數W(n)的調整基值、事先給定的調整精度調整天線陣的波束賦形參數W(n)；24).按照步驟21)和22)中確定的天線陣的結構參數和波束賦形參數W(n)，計算該天線陣的方差，並與事先確定的方差目標值進行比較，如果方差小於或者等於方差目標值，則記錄該方差並進入步驟3)；如果方差大於方差目標值，則進一步將方差與事先確定的方差參考值比較，如果方差大於或者等於方差參考值，則記錄該方差參考值保持最小的次數，如果該次數超過事先確定的門限值，則進入步驟3)，否則返回步驟21)，如果方差小於方差參考值，則用新計算出來的方差代替原方差參考值，將步驟21)和步驟22)確定的天線陣結構參數和波束賦形參數W(n)作為新的調整基值，將記錄方差參考值保持最小次數的計數器清零，並返回步驟21)。
13.根據權利要求11或12所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於在所述的曲線是弧線形時，第m個天線單元的結構參數包括弧線形曲線的半徑R和與相鄰天線單元間夾角α(m)；所述步驟21)中，所述的初值包括半徑R的初值、夾角α(m)的初值、夾角α(m)的調整步長Δα、及半徑R的調整步長ΔR，m＝1…N-1；所述步驟22)進一步包括從上述初值開始、而後根據所述的調整基值和根據調整步長及調整方向，按公式RU+1=RU+LRUR]]>和U+1(m)=U(m)+LmU]]>計算第m個天線單元的結構參數，和根據公式d(m)=2Rsin((m)2)]]>確定天線單元間的距離d(m)，直至同時滿足所述的條件1與條件2，公式中LR和Lam表示結構參數的調整方向，第U次調整後的R值為RU，第U次調整後的α(m)值為αU(m)，第U次調整後R值的調整方向為LRU，第U次調整後α(m)的調整方向為LamU，再一步調整後的R值為RU+1，再一步調整後的α(m)值為αU+1(m)。
14.根據權利要求13所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述結構參數的調整方向是對於結構參數R和α(m)，相應地隨機產生+1或者-1值，在變化趨勢未知時保證增、減的機率相等。
15.根據權利要求13所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述的有效輻射條件2，在扇區覆蓋為120度時，天線單元間夾角α(m)應滿足m=1N-1(m)3;]]>在扇區覆蓋為60度時，天線單元間夾角α(m)應滿足m=1N-1(m)23.]]>
16.根據權利要求13所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述夾角α(m)的調整步長Δα、及半徑R的調整步長ΔR是固定的或者變化的。
17.根據權利要求11或12所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述的步驟21)中，還包括設定一個計數器用於記錄連續不滿足條件1或條件2的次數，在計數器值大於等於設定的門限值時，中止步驟221)的天線陣結構參數的調整過程，返回步驟1)，重新選擇各天線單元在曲線上位置的初值，進行天線陣結構參數的再調整。
18.根據權利要求8所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述的步驟2)中，在各天線單元的饋電功率相同時，對波束賦形參數W(n)的饋電相位進行調整。
19.根據權利要求8所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述步驟2)中，在各天線單元的饋電功率不相同時，還包括對波束賦形參數W(n)的饋電幅度進行調整。
20.根據權利要求8所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述步驟2)的調整天線陣的結構參數，進一步包括在所述的曲線是折線形，天線單元個數N為偶數並且對稱的排列在折線上時，調整的結構參數包括最外側兩個天線單元間的直線距離L、折線中任一條線與該距離線L間的夾角α以及位於折線中任一條線上的相鄰天線單元之間的距離d(m)，m＝1，…N/2-1，。
21.根據權利要求20所述的一種優化曲線形智能天線陣結構參數的方法，其特徵在於所述的有效輻射條件2，在扇區覆蓋為120度時，所述的夾角α滿足6,]]>在扇區覆蓋為60度時，所述的夾角α滿足3.]]>
全文摘要
本發明是曲線形智能天線陣及優化其結構參數的方法，在實現扇區覆蓋的同時最大限度的滿足智能天線技術的要求。將天線單元在曲線上排列(弧線、折線等)。給定曲線的初始形狀、天線單元在曲線上的初始位置，使天線陣中相鄰兩個天線單元間的直線距離滿足條件1，和曲線上各天線單元滿足有效輻射條件2；然後使用求最小方差方法同時調整天線陣的結構參數和波束賦形參數W(n)，保證滿足條件1和2，並獲得方差；在方差滿足預定要求時輸出獲得的天線陣結構參數和W(n)，在方差不滿足預定要求時，重新調整結構參數的初值，重新使用求最小方差方法尋找天線陣結構參數與W(n)，最終獲得最小方差原則下的W(n)與天線陣結構參數的局部最優解。
文檔編號H04B7/00GK1681160SQ20041003372
公開日2005年10月12日 申請日期2004年4月9日 優先權日2004年4月9日
發明者李世鶴, 索士強 申請人:大唐移動通信設備有限公司