專利名稱：極化分集的小靈通phs通信系統(tǒng)全向智能天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基站天線，尤其是一種小靈通PHS通信系統(tǒng)基站應(yīng)用的極化分集全向智能天線。
背景技術(shù)：
隨著全球移動通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，用戶的數(shù)量在不斷增加，業(yè)務(wù)的類型也越來越多樣化，因而，頻率資源已經(jīng)成為解決通信發(fā)展瓶頸的首要問題。目前，解決這一問題的技術(shù)手段有兩種，一種手段是通過增加頻譜帶寬以及基站和小區(qū)數(shù)量來優(yōu)化移動網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量，但是投入巨大，帶來的干擾問題也比較突出，而且擴(kuò)展的頻率資源是很有限的。第二種手段是通過智能天線技術(shù)擴(kuò)展頻率資源，這種手段是解決頻率問題的有效通經(jīng)，世界各國政府、主要設(shè)備制造商和運(yùn)營商都給予高度關(guān)注，并且投入大量的人力、物力和才力進(jìn)行研究。第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)認(rèn)識到智能天線在降低網(wǎng)絡(luò)干擾方面的重要作用，在第三代移動通信系統(tǒng)中，寬頻分碼多工存取WCDMA以及應(yīng)用于3G的一種寬頻CDMA技術(shù)cdma2000的標(biāo)準(zhǔn)制定已經(jīng)充分考慮了兼容智能天線技術(shù)，支持智能天線技術(shù)的條款已經(jīng)出現(xiàn)，而智能天線技術(shù)更是第三代移動通信系統(tǒng)的另外一個標(biāo)準(zhǔn)時分同步碼分多址TD-SCDMA的核心技術(shù)之一，可見智能天線已成為3G的重要組成部分。
智能天線技術(shù)最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、軍事方面，稱為自適應(yīng)陣列天線。后來被引入移動通信系統(tǒng)，稱為智能天線。智能天線技術(shù)是一種多入多出MIMO或多發(fā)多收天線MTMRA技術(shù)在無線移動通信領(lǐng)域的具體應(yīng)用。智能天線的原理是利用賦形波束，將天線方向圖主瓣對準(zhǔn)期望方向，低增益副瓣對準(zhǔn)干擾方向，完成空域?yàn)V波。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。一般在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線就可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要，而且將通信資源拓展到了空間域，不再局限于時間域、頻率域和碼域，屬于空分多址SDMA體制。因此，智能天線技術(shù)通過空間濾波，降低干擾，可達(dá)到增加容量、擴(kuò)大覆蓋和提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的目的，并且所需的經(jīng)濟(jì)成本比較合理。
智能天線按照賦形波束的運(yùn)動特性可以分為固定多波束智能天線和自適應(yīng)波束智能天線，其中固定多波束智能天線是多個射頻輸入、輸出口的陣列天線，結(jié)合巴特勒矩陣的幅相控制，可達(dá)到在一個水平覆蓋扇區(qū)，例如120°扇區(qū)，同時產(chǎn)生多個電磁波束。每一個波束由于水平波瓣寬度變窄，例如，從120°變到30°，既提高了增益，也減小了干擾及多徑效應(yīng)影響，提高了系統(tǒng)的信干噪比。由于手機(jī)用戶在移動通信中，從一個波束到另一個波束的切換是由基站內(nèi)部的協(xié)議控制，因而其技術(shù)復(fù)雜程度較低，容易實(shí)現(xiàn)。但這種天線系統(tǒng)理論上講只有當(dāng)用戶處于波束正中央時，智能效果才是最有效的，一旦用戶離開波束中心，信號就會發(fā)生衰落。當(dāng)用戶靠近波束的最邊緣時，在切換到相鄰波束之前，信號強(qiáng)度會發(fā)生相當(dāng)大的衰落，可能產(chǎn)生掉話。
自適應(yīng)波束智能天線也是多個射頻輸入、輸出口的陣列天線，每個射頻輸入、輸出口都接一套射頻收發(fā)信機(jī)，通過基帶處理算法，確定基站接收來波方向，提取出來波方向各陣列天線的接收相位信息，并在發(fā)射時，將此信息賦予相應(yīng)的各陣列天線，得到與接收波束相同的發(fā)射波束。由于多天線陣列隨著陣列數(shù)目的增多，波束愈窄，因而該自適應(yīng)波束智能天線形成的水平波束變窄，增益比單個陣列天線提高，且干擾及多徑效應(yīng)減小，提高了系統(tǒng)的信干噪比。對于不同方向的手機(jī)用戶，各陣列天線的接收相位也不同。由此賦形的發(fā)射波束指向不同的手機(jī)用戶，當(dāng)手機(jī)用戶移動時，基帶處理時提取陣列天線相位信息，并相應(yīng)地控制陣列天線發(fā)射相位，使發(fā)射波束隨手機(jī)的移動而移動，稱為波束跟蹤。由于該自適應(yīng)波束智能天線是在基帶DSP上進(jìn)行算法處理，舍去了巴特勒矩陣的插入損耗，因此與固定波束智能天線相比信噪比更高。但是，這種天線的算法復(fù)雜，需要的硬件平臺處理能力，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的性價比降低；同時存在智能基帶處理系統(tǒng)和非智能天線系統(tǒng)的平滑過渡障礙。
由于智能天線必須與系統(tǒng)一起設(shè)計(jì)，而不是作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)好之后的一個配套件，因此很難直接應(yīng)用于原有的基站系統(tǒng)。為了克服上述缺點(diǎn)，市場上已推出一種稱為“雙工塔頂放大器”的產(chǎn)品。它在原基站天線根部串入一個“雙工放大器”，對下行基站發(fā)射信號進(jìn)行功率放大，對上行基站接收信號進(jìn)行“低噪聲放大”，以提高基站系統(tǒng)的信干噪比，擴(kuò)大基站的有效覆蓋。但是由于受“低噪聲放大器”改善程度的限制，通常只可降低系統(tǒng)噪聲1～2dB，因而增加“雙工塔頂放大器”，雖然增大了下行覆蓋，但上行改善甚微，使基站有效覆蓋增大不明顯，且上行與下行鏈路不對稱，特別是小靈通系統(tǒng)，因其手機(jī)功率僅10mw，“雙工塔頂放大器”更達(dá)不到預(yù)期效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述雙工塔頂放大器式基站天線的不足，提供一種在不更換原有小靈通PHS基站及仍使用10mw小功率手機(jī)的基礎(chǔ)上，能夠提高原有基站的上下行增益，擴(kuò)大原有基站覆蓋范圍的極化分集的小靈通PHS通信系統(tǒng)全向智能天線，使小靈通PHS小基站升級，達(dá)到500MW大基站的覆蓋效果。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)思路是不改變原基站結(jié)構(gòu)的“塔頂放大器”設(shè)計(jì)思想，僅將原基站天線更換為本發(fā)明的極化分集全向智能天線?；跁r分系統(tǒng)，智能天線的有源部分從原基站的發(fā)送信號中獲取收發(fā)控制信號，可保證與原基站直接相連的同步特性，實(shí)現(xiàn)對小基站的升級；利用智能天線的多個射頻輸入、輸出口的陣列天線原理和定向天線比全向天線增益高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可以提高基站覆蓋范圍的新型智能天線。其技術(shù)方案是將接收天線由原來的全向天線覆蓋改為由三面±45°極化扇區(qū)六陣列天線組合覆蓋，聯(lián)合接收，并通過控制陣列天線的幅度和相位，達(dá)到高增益全向極化分集效能，增加上行鏈路接收增益，保持上、下行鏈路的平衡。其技術(shù)特征之一是將三面±45°極化扇區(qū)六陣列天線與有源控制單元集成為一個整體，減少饋線的損耗，降低接收噪聲系數(shù)，提高接收信號信噪比，該有源控制單元由幅相控制器、收發(fā)隔離器、功率放大器和直流電源組成。特點(diǎn)之二是采用三面±45°極化扇區(qū)六陣列定向天線，形成接收全向覆蓋，其中，三個+45°極化扇區(qū)三陣列天線用于完成上行信號接收，即將接收到的上行信號，通過幅相控制器進(jìn)行全向合成和選擇性極化分集接收后，進(jìn)入功率放大器放大，再輸入到基站；三個-45°極化扇區(qū)三陣列天線用于完成上行信號接收和下行信號發(fā)射雙向功能，上行接收時與+45°極化三陣列天線聯(lián)合接收，并將接收到的上行信號，通過另一幅相控制器進(jìn)行全向合成和選擇性極化分集接收后，再經(jīng)收發(fā)隔離器進(jìn)入功率放大器放大后輸入到基站；下行發(fā)射時，由功率放大器對原基站的10MW下行功率進(jìn)行放大后，經(jīng)由收發(fā)隔離器，通過幅相控制器分配到三個-45°陣列定向天線，按時分序列下行轉(zhuǎn)發(fā)，形成發(fā)射全向覆蓋。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)1.與目前普遍使用的PHS無源天線相比，由于上行利用極化分集處理陣列天線作全向覆蓋，代替原空間極化分集，大大縮小了天線空間占用體積；同時由于下行采用選擇性放大，保證了傳輸通道的上下行平衡，且下行信號只使用一個控制信道即可實(shí)現(xiàn)全向覆蓋。
2.與傳統(tǒng)智能天線比較，省略了大量復(fù)雜的硬件設(shè)備；不需要進(jìn)行復(fù)雜的信號處理；省略了通道校準(zhǔn)，成本低廉。
3.與傳統(tǒng)的“雙工塔頂放大器”比較，克服了“雙工塔頂放大器”僅僅依靠有限地改善接收噪聲放大器的噪聲系數(shù)，不能彌補(bǔ)由于手機(jī)功率小，上行有效覆蓋增大不明顯的問題；增大了上行鏈路的增益，保證了上、下形鏈路平衡，使小基站達(dá)到了大基站的有效覆蓋。
通過對使用本發(fā)明智能天線的小靈通10mW基站和對使用普通天線的500mW基站的定點(diǎn)測試對比表明，使用本發(fā)明智能天線的10mW基站其覆蓋效果優(yōu)于500mW基站使用普通天線的效果，其數(shù)據(jù)如下表所示



圖1是本發(fā)明的原理2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)3是本發(fā)明的一個實(shí)施例的外形4是本發(fā)明的水平方向5是本發(fā)明用在10mW基站與普通天線用在500mW基站的強(qiáng)場強(qiáng)測試6是本發(fā)明用在10mW基站與普通天線用在500mW基站的次強(qiáng)場強(qiáng)測試7是本發(fā)明用在10mW基站與普通天線在500mW基站的有效CS數(shù)測試8是本發(fā)明用在10mW基站與普通天線在500mW基站的定站誤碼率測試圖具體實(shí)施方式
以下參照附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與效果參照圖1，本發(fā)明由以下五部分組成①陣列天線5、6該陣列天線是由三面±45°極化單元組成的雙極化扇區(qū)六陣列定向天線，其中-45°極化扇區(qū)的三個陣列定向天線5是雙向使用的，按時分序列對放大后的信號進(jìn)行下行發(fā)射和對上行信號進(jìn)行接收；+45°極化扇區(qū)的三個陣列定向天線6用來對上行信號進(jìn)行接收。
②幅相控制器1該幅相控制器完成對上行和下行信號的幅度和相位控制。由于本發(fā)明采用三面扇區(qū)雙極化六陣列天線組合形成接收全向覆蓋，故將幅相控制器設(shè)為按±45°極化陣列定向天線分別對應(yīng)連接的兩個，每個幅相控制器分為三路輸入。
③功率放大器3該功率放大器主要完成三種功能，一是從基站發(fā)射的前向信號中提取收發(fā)控制信號；二是對基站發(fā)射的下行信號進(jìn)行功率放大；三是對接收到的上行弱信號進(jìn)行低噪聲放大。
④收發(fā)隔離器2該收發(fā)隔離器主要用于對雙向使用的-45°極化的三個陣列天線的收發(fā)信號進(jìn)行隔離，即發(fā)射時隔離接收信號，接收時隔離發(fā)射信號。
⑤直流電源4該電源主要完成對輸入的220V的交流電或遠(yuǎn)端提供的直流電壓變換為系統(tǒng)內(nèi)各電路使用的直流電壓。
上述各部件的連接關(guān)系及工作原理如下-45°極化扇區(qū)的三個陣列定向天線5與幅相控制器1、收發(fā)隔離器2、功率放大器3和直流電源3依次連接，其中，收發(fā)隔離器2分別與幅相控制器1和功率放大器3雙向連接。+45°極化扇區(qū)的三個陣列定向天線6通過另一幅相控制器1與功率放大器3連接。
接收時，雙極化六陣列天線同時工作，聯(lián)合接收上行信號。三個+45°極化扇區(qū)陣列定向天線6將接收到由手機(jī)發(fā)來的上行信號，通過幅相控制器1進(jìn)行全向合成，并對接收下來的信號進(jìn)行選擇性極化分集接收后，輸入到功率放大器3進(jìn)行放大，然后輸入到基站。三個-45°極化扇區(qū)陣列天線5也將接收到由手機(jī)發(fā)來的上行信號，輸入到另一幅相控制器1進(jìn)行全向合成，并對接收下來的信號進(jìn)行選擇性極化分集接收后，通過收發(fā)隔離器2輸入到功率放大器3進(jìn)行放大，然后輸入到基站。
發(fā)射時，只是三個-45°極化扇區(qū)陣列天線5工作。功率放大器3按時序把小基站發(fā)射的下行信號進(jìn)行功率放大后，通過收發(fā)隔離器2送入到幅相控制器1，由幅相控制器將其分配到三個-45°極化扇區(qū)陣列定向天線，再下行轉(zhuǎn)發(fā)，利用定向天線本身的高增益形成全向發(fā)射覆蓋，使手機(jī)在不同方位都可以接收到基站轉(zhuǎn)發(fā)的下行強(qiáng)信號。
參照圖2，本發(fā)明的雙極化扇區(qū)六陣列天線是將三面陣列定向天線連接成一個整體，每個面上固定由±45°極化天線單元8構(gòu)成的兩個陣列，所有的有源控制單元設(shè)置在該整體的空閑位置，形成集有源控制單元和三面扇區(qū)雙極化扇區(qū)陣列于一體的天線結(jié)構(gòu)，以減少饋線的損耗，降低接收噪聲系數(shù)，提高了接收信號信噪比。所述的一體天線結(jié)構(gòu)上端固定有避雷器7，下端分別從功率放大器和直流電源引出射頻饋線9和電源線10。所述的一體天線結(jié)構(gòu)外面套有天線罩11，構(gòu)成一個外形封閉的天線產(chǎn)品，如圖3所示。安裝時只要將兩根射頻饋線9直接與基站相連接，插上電源即可。
參照圖4，從測試的水平方向可見，本發(fā)明的不圓度小于±2.5dB，達(dá)到了較好的全向特性。
參照圖5～圖8可以看出，使用本發(fā)明可將10mw的基站升級到500mW基站的效果。
圖5a是普通天線用在500mW基站最強(qiáng)場強(qiáng)覆蓋測試圖5b是本發(fā)明的智能天線用在10mW基站的最強(qiáng)場強(qiáng)覆蓋測試一般來說，在小靈通系統(tǒng)中手機(jī)接入系統(tǒng)的最低電平為26dBμV，但在實(shí)際的要求中，一般要求室外覆蓋要達(dá)到40dBμV左右，否則室內(nèi)窗邊信號就達(dá)不到手機(jī)最低接入要求。從圖5a可以看出，使用普通天線的500mW基站最強(qiáng)場強(qiáng)值大部分處在40dBμV以上，覆蓋率為91.18％，處在30dBμV至40dBμV為7.84％。從圖5b可以看出使用本發(fā)明的智能天線在10mW基站最強(qiáng)場強(qiáng)值絕大部分處在40dBμV以上，覆蓋率為99.31％。
可見，使用本發(fā)明智能天線的10mW基站其最強(qiáng)場強(qiáng)覆蓋效果稍優(yōu)于使用普通天線的500mW基站。
圖6a是普通天線用在500mW基站次強(qiáng)場強(qiáng)覆蓋測試圖6b是本發(fā)明的智能天線用在10mW基站的次強(qiáng)場強(qiáng)覆蓋測試由于小靈通系統(tǒng)采用信道分配體系為動態(tài)分配，基站的覆蓋層數(shù)決定了所能夠提供給用戶信道的個數(shù)，因此，次強(qiáng)覆蓋是分析有效提供給用戶信道的覆蓋小靈通參數(shù)。從圖6a可以看出，使用普通天線的500mw基站次強(qiáng)場強(qiáng)處在40dBμV以上，覆蓋率為71.57％，次強(qiáng)場強(qiáng)值大部分處在30dBμV至40dBμVdBμV為26.47％。從圖6b可以看出使用本發(fā)明智能天線的10mW基站次強(qiáng)場強(qiáng)值處在40dBμV以上，覆蓋率為89.58％，次強(qiáng)場強(qiáng)值大部分處在30dBμV至40dBμVdBμV以上，覆蓋率為9.72％。
圖7a是普通天線用在500mW基站的有效CS數(shù)測試圖7b是本發(fā)明的智能天線用在10mW基站的有效CS數(shù)測有效CS數(shù)是指接受到場強(qiáng)值大于40dBμV的基站個數(shù)，由于小靈通系統(tǒng)采用信道分配體系為動態(tài)分配，因此，基站的覆蓋層數(shù)多少決定了所能夠提供給用戶的信道個數(shù)。從圖7a可以看出，使用普通天線的500mw基站有效CS數(shù)大于1的覆蓋率為91.18。從圖7b可以看出，使用本發(fā)明智能天線的10mW基站有效CS數(shù)大于1的覆蓋率為99.31。
圖8a是使用普通天線的500mW基站定站誤碼率測試圖8b是使用本發(fā)明智能天線的10mW基站定站誤碼率測試從8a與8b的對比可以看出以下三個方面的差別(1)從誤碼率上看，使用智能天線的10mW基站的誤碼率比使用普通天線的500mW基站的誤碼率要稍低一點(diǎn)。
(2)從大于40dBμV覆蓋有效范圍看，使用智能天線的10mW基站的覆蓋距離為822米，使用普通天線的500mW基站的覆蓋距離為782米。
(3)從全面指標(biāo)來看，使用智能天線的10mW基站，超過了使用普通天線的500mW基站。
權(quán)利要求
1.一種極化分集的小靈通PHS通信系統(tǒng)全向智能天線，其特征在于A.將三個±45°極化扇區(qū)六陣列天線與幅相控制器(1)、收發(fā)隔離器(2)、功率放大器(3)、電源(4)集成為一個整體，以減少饋線損耗，降低接收噪聲系數(shù)；B.所述的三個±45°極化扇區(qū)六陣列天線采用三面±45°極化扇區(qū)六陣列定向天線，形成接收全向覆蓋，其中三個+45°極化扇區(qū)陣列天線(6)用于完成上行信號接收，即將接收到的上行信號，通過幅相控制器(1)進(jìn)行全向合成和選擇性極化分集接收后，獲得高增益全向極化分集效能，再進(jìn)入功率放大器(3)經(jīng)放大后輸入到基站，增加上行鏈路接收增益，保持上、下行鏈路平衡；三個-45°極化扇區(qū)陣列天線(5)用于完成接收上行信號和轉(zhuǎn)發(fā)下行信號的雙向功能，即在接收上行信號時，與三個+45°極化扇區(qū)陣列天線(6)聯(lián)合接收，并將接收到的上行信號，通過另一幅相控制器(1)進(jìn)行全向合成和選擇性極化分集接收后，再經(jīng)收發(fā)隔離器(2)進(jìn)入功率放大器(3)放大后輸入到基站；在轉(zhuǎn)發(fā)下行信號時，由功率放大器(3)按時序?qū)景l(fā)射的下行功率放大后，經(jīng)收發(fā)隔離器(2)進(jìn)入幅相控制器(1)分配到三個陣列定向天線下行轉(zhuǎn)發(fā)，形成全向發(fā)射覆蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全向智能天線，其特征在于幅相控制器(1)，設(shè)為對應(yīng)的兩個，每個幅相控制器分為三路輸入，分別與三個+45°極化扇區(qū)陣列天線和三個-45°極化扇區(qū)陣列天線連接，完成對上行和下行信號的幅相控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全向智能天線，其特征在于收發(fā)隔離器(2)分別與幅相控制器(1)和功率放大器(3)雙向連接，用于控制對-45°極化扇區(qū)的三個陣列天線的收發(fā)信號進(jìn)行隔離，即在發(fā)射時隔離接收信號，接收時隔離發(fā)射信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種極化分集的小靈通PHS通信系統(tǒng)全向智能天線。將三個±45°極化扇區(qū)六陣列天線(5、6)與幅相控制器(1)，功率放大器(3)等有源控制單元集為一體。六陣列天線采用三面±45°極化扇區(qū)陣列定向天線，三個+45°極化扇區(qū)陣列天線(6)接收上行信號，并通過控制幅度和相位，達(dá)到高增益全向極化分集，再經(jīng)功放后增加上行增益，保持上、下行鏈路平衡；三個－45°極化扇區(qū)陣列天線(5)完成接收上行和發(fā)射下行信號的雙向功能，接收時，與三個+45°極化扇區(qū)陣列天線(6)聯(lián)合接收，發(fā)射時，對基站的下行功率放大后，經(jīng)幅相控制器控制幅度和相位，分配到三個陣列定向天線轉(zhuǎn)發(fā)，形成全向發(fā)射覆蓋。具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可將10mw基站升級到50mw基站之優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01Q21/00GK1630219SQ200410026070
公開日2005年6月22日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月26日
發(fā)明者肖良勇, 宗瑞良, 王西昌, 沈宗珍 申請人:西安海天天線科技股份有限公司