專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于scdma系統(tǒng)中的雙極化板狀天線(xiàn)陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的天線(xiàn)陣，尤其涉及一種用于同步碼分多址(SCDMA)通信系統(tǒng)中的天線(xiàn)陣。
背景技術(shù)：
在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信中普遍存在的一個(gè)問(wèn)題為多徑問(wèn)題，即在無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境中信號(hào)通過(guò)直射、反射、折射等不同的路徑到達(dá)接收機(jī)。這些幅度衰減和時(shí)延各不同的信號(hào)相互重疊，產(chǎn)生干擾，造成接收端判斷錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。在現(xiàn)代的各種數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)中，人們想盡各種方法來(lái)減少/消除多徑現(xiàn)象給系統(tǒng)帶來(lái)的性能損害。例如，GSM系統(tǒng)的天線(xiàn)分集接收技術(shù)和VITERBI均衡器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)；IS-95/CDMA2000系統(tǒng)的天線(xiàn)分集接收技術(shù)和RAKE接收技術(shù)，等等。這里采用的天線(xiàn)分集接收技術(shù)僅僅是在衰落環(huán)境下有效果，但不能使得基站能夠跟蹤移動(dòng)終端的位置并隨之改變波束方向。使用分集接收技術(shù)的天線(xiàn)單元間距通常大于幾個(gè)波長(zhǎng)。
智能天線(xiàn)或自適應(yīng)天線(xiàn)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用使得基站能夠跟蹤移動(dòng)終端的位置并改變波束方向。采用智能天線(xiàn)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)可以有效地抑止同頻干擾和提高系統(tǒng)容量。但是，在現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的智能天線(xiàn)技術(shù)中，天線(xiàn)陣中的天線(xiàn)單元都是采用垂直極化的，而且對(duì)天線(xiàn)單元間的間距有要求(大約二分之一波長(zhǎng))，因此它的多天線(xiàn)接收并不具有天線(xiàn)分集接收功能。由此造成在多徑衰落的傳輸環(huán)境下，它的性能也隨著接收信號(hào)的衰落而起伏。
同樣，在同步碼分多址(SCDMA)通信系統(tǒng)中，現(xiàn)有的平板天線(xiàn)陣的每個(gè)天線(xiàn)單元目前均采用由單(垂直)極化天線(xiàn)構(gòu)成。而且天線(xiàn)單元間的間距是在二分之一波長(zhǎng)左右。這種平板天線(xiàn)陣沒(méi)有任何天線(xiàn)分集接收的功能(包括極化分集和空間分集)。因此，在多徑傳輸環(huán)境下，它不具備有抗衰落的功能。
因此，需要一種用于同步碼分多址通信系統(tǒng)中的多徑傳輸環(huán)境下的抗衰落性能強(qiáng)的天線(xiàn)陣及與之配套的接收發(fā)射方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提出了一種由雙極化天線(xiàn)構(gòu)成的平板天線(xiàn)陣。
該天線(xiàn)陣由兩組天線(xiàn)組成，每組天線(xiàn)有N個(gè)天線(xiàn)單元(N為正整數(shù))，其中一組天線(xiàn)上每個(gè)天線(xiàn)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)+45°(介于垂直極化和水平極化之間)，而另一組天線(xiàn)上兩個(gè)每個(gè)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)-45°，這兩組天線(xiàn)的極化方向差為90°(45°-(-45°)＝90°)。即這兩組天線(xiàn)是正交極化的。每一組天線(xiàn)中兩個(gè)相鄰天線(xiàn)單元的水平距離是相等的，且該距離為半個(gè)波長(zhǎng)到一個(gè)波長(zhǎng)之間(波長(zhǎng)是對(duì)于發(fā)射信號(hào)的中心頻率)。這樣，我們就得到一個(gè)共有2N個(gè)天線(xiàn)單元的雙極化平板天線(xiàn)陣。
兩組正交極化的天線(xiàn)在構(gòu)成一個(gè)雙極化平板天線(xiàn)陣時(shí)有三種構(gòu)成方式(1)每?jī)蓚€(gè)正交極化的天線(xiàn)單元排在一條垂直線(xiàn)上，天線(xiàn)陣子交叉重疊放置；(2)兩組正交極化的天線(xiàn)的天線(xiàn)陣子在一條垂直線(xiàn)上按順序放置；(3)兩組正交極化的天線(xiàn)分開(kāi)放置，分開(kāi)的空間距離不限。
利用所述雙極化平板天線(xiàn)陣接收時(shí)，天線(xiàn)陣中各天線(xiàn)分集接收，接收的信號(hào)利用智能天線(xiàn)的算法合成。
利用所述雙極化平板天線(xiàn)陣發(fā)射時(shí)，利用兩組極化天線(xiàn)陣的互補(bǔ)特性及智能天線(xiàn)的算法，各個(gè)天線(xiàn)各自發(fā)射，波束賦型合成后，便可得到一個(gè)很好的全向波束賦型。
下面通過(guò)理論推導(dǎo)可得出，相對(duì)于通常采用的垂直極化天線(xiàn)陣，采用這種新(正交極化)的雙極化板狀天線(xiàn)陣可提高接收機(jī)在快衰落情況下的靈敏度大約5個(gè)分貝(dB)。
在市區(qū)環(huán)境(沒(méi)有直射信號(hào))并且終端機(jī)移動(dòng)的情況下，傳輸信道被看作為快衰落信道并服從瑞利分布，其信號(hào)電平強(qiáng)度的概率分布p(V)和小于某個(gè)信號(hào)電平Vi的概率P(v≤Vi)分別為p(v)=1V‾·exp[-v2/V‾2],]]>P(v≤Vi)=1-exp[-Vi2/V‾2]]]>其中，V是信號(hào)的平均電平強(qiáng)度。
當(dāng)終端機(jī)的接收信號(hào)電平小于終端機(jī)的接收靈敏度Vmin時(shí)，終端機(jī)接收的信號(hào)出錯(cuò)，所以，對(duì)于單根(單極化)天線(xiàn)的接收機(jī)錯(cuò)誤概率為Pe=P(v≤Vmin)=1-exp[-Vmin2/V‾2].]]>下面取由兩個(gè)垂直極化的天線(xiàn)單元構(gòu)成的天線(xiàn)陣和由兩個(gè)正交極化天線(xiàn)單元構(gòu)成的天線(xiàn)陣進(jìn)行比較。
對(duì)于垂直極化天線(xiàn)陣，由于兩個(gè)天線(xiàn)接收的信號(hào)是相關(guān)的，即接收信號(hào)的概率分布完全相同，因此最理想的信號(hào)合成是兩個(gè)信號(hào)相加。我們得到3dBm增益(兩倍的信號(hào)強(qiáng)度)，其接收錯(cuò)誤概率為Pe,1=1-exp[-Vmin2/2·Vs‾2]]]>其中Vs是垂直極化天線(xiàn)陣平均接收電平。
若采用雙正交極化天線(xiàn)，兩路天線(xiàn)下來(lái)的信號(hào)是不相干的，在信號(hào)解調(diào)之前，我們從兩路信號(hào)中選信號(hào)大的那路信號(hào)來(lái)檢測(cè)，這樣，采用雙極化天線(xiàn)的接收機(jī)錯(cuò)誤概率為Pe,2=P(v1≤Vmin)·P(v2≤Vmin)={1-exp[-Vmin2/Vd‾2]}2=Pe2]]>其中Vd是正交極化天線(xiàn)陣的平均接收電平。
由此看出，在保證相同的接收錯(cuò)誤率情況下，即Vd＝Vs時(shí)，兩種天線(xiàn)陣所對(duì)于平均接收電平的關(guān)系為Pe，2＝Pe2＝Pe，12，即
1-exp[-Vmin2/·Vd‾2]=[1-exp[-Vmin2/V‾2]]2]]>[1-exp[-2·Vmin2/Vs‾2]]2]]>例如，當(dāng)接收靈敏度Vmin＝-105dBm時(shí)，假定垂直極化天線(xiàn)陣平均接收電平Vs是-90dBm，其接收錯(cuò)誤概率由上式得到Pe1＝0.0157，在保證同樣錯(cuò)誤概率下(Pe2＝Pe1)時(shí)，正交極化天線(xiàn)陣的平均接收電平Vd為-98dBm，扣除正交極化天線(xiàn)的3dB損失，采用這種新(正交極化)的極化板狀天線(xiàn)陣比垂直極化的極化板狀天線(xiàn)可提高接收機(jī)在快衰落情況下的靈敏度大約5個(gè)dB。
總之，利用本發(fā)明的天線(xiàn)陣，結(jié)合智能天線(xiàn)技術(shù)和天線(xiàn)極化分集技術(shù)，能夠改善包括同步碼分多址通信系統(tǒng)在內(nèi)的各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)在多徑環(huán)境下的傳輸性能，可提高接收機(jī)的靈敏度。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，附圖中

圖1a為雙極化板狀天線(xiàn)的一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中天線(xiàn)單元排在一個(gè)垂直線(xiàn)上，天線(xiàn)陣子交叉重疊放置；圖1b為雙極化板狀天線(xiàn)的另一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩種正交極化的天線(xiàn)單元在垂直面上交替按順序排放；圖1c為雙極化板狀天線(xiàn)的又一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩組正交極化的天線(xiàn)分開(kāi)放置，分開(kāi)的空間距離不限。
圖2a為四雙極化智能天線(xiàn)陣俯視圖；圖2b為四雙極化智能天線(xiàn)陣正面圖；圖3a為雙極化板狀天線(xiàn)陣中第一組天線(xiàn)陣的全向波束賦型圖；圖3b為雙極化板狀天線(xiàn)陣中第二組天線(xiàn)陣的全向波束賦型圖；圖3c為雙極化板狀天線(xiàn)陣中兩組天線(xiàn)陣的合成全向波束賦型圖；圖4為垂直極化天線(xiàn)陣和正交極化天線(xiàn)陣在衰落信道時(shí)的接收靈敏度的比較圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的天線(xiàn)陣由兩組天線(xiàn)組成，每組天線(xiàn)有N個(gè)天線(xiàn)單元(N為正整數(shù))，其中一組天線(xiàn)上每個(gè)天線(xiàn)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)+45°，而另一組天線(xiàn)上每個(gè)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)-45°，這樣兩組天線(xiàn)的極化方向差為90°，即這兩組天線(xiàn)是正交極化的；每一組天線(xiàn)中兩個(gè)相鄰天線(xiàn)單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長(zhǎng)到一個(gè)波長(zhǎng)之間；這樣，就得到一個(gè)共有2N個(gè)天線(xiàn)單元的雙極化平板天線(xiàn)陣。
圖1示出了的雙極化天線(xiàn)陣的三種物理結(jié)構(gòu)。由于所述雙極化天線(xiàn)陣采用將垂直極化天線(xiàn)轉(zhuǎn)+45°和-45°來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此所述天線(xiàn)也可稱(chēng)為“X極化天線(xiàn)”。圖1a示出了雙極化板狀天線(xiàn)的一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中天線(xiàn)單元排在一個(gè)垂直線(xiàn)上，天線(xiàn)陣子交叉重疊放置，這樣實(shí)現(xiàn)的天線(xiàn)陣的體積最小。
圖1b為雙極化板狀天線(xiàn)的另一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩組正交極化的天線(xiàn)的天線(xiàn)陣子在一條垂直線(xiàn)上按順序放置，這樣的天線(xiàn)陣的體積較小。
圖1c為雙極化板狀天線(xiàn)的又一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩組正交極化的天線(xiàn)分開(kāi)放置，分開(kāi)的空間距離不限，這樣的天線(xiàn)陣的體積較大。
圖2示出了一個(gè)線(xiàn)性智能天線(xiàn)陣的結(jié)構(gòu)，該天線(xiàn)陣包括兩組正交極化的天線(xiàn)，每組天線(xiàn)包括四個(gè)天線(xiàn)單元，該天線(xiàn)陣共有八個(gè)輸出端口。由于天線(xiàn)的極化正交，兩組天線(xiàn)陣的信道具有非相關(guān)性，這樣在信道的衰落環(huán)境下我們可得到極化分集增益。因此，在通信系統(tǒng)中該雙極化板狀天線(xiàn)陣可作為基站的一個(gè)扇區(qū)天線(xiàn)使用。
針對(duì)在某些情況下單組極化天線(xiàn)陣無(wú)法得到一個(gè)較好的用于廣播或信令信道的全向波束時(shí)(比如天線(xiàn)單元間的距離大于半個(gè)波長(zhǎng))，本發(fā)明提出一種利用兩組極化天線(xiàn)陣的互補(bǔ)特性，得到一組很好的全向波束特性的實(shí)現(xiàn)方法。
例如圖2a及圖2b所示的四雙極化智能天線(xiàn)陣，如果每個(gè)天線(xiàn)單元的水平波束寬度(3dB)為90°，當(dāng)每組天線(xiàn)陣的天線(xiàn)間距離為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，兩組垂直極化的天線(xiàn)陣的波束賦型分別如圖3a和圖3b所示。利用兩組極化天線(xiàn)陣的互補(bǔ)特性及智能天線(xiàn)的算法，各個(gè)天線(xiàn)各自發(fā)射，然后將兩組的天線(xiàn)陣的波束賦型合成后，我們可得到一個(gè)如圖3c所示的很好的全向波束賦型。這種波束賦型，有利于基站通過(guò)廣播信道向終端發(fā)送信令信息。
在接收時(shí)，利用所述雙極化平板天線(xiàn)陣，天線(xiàn)陣中各天線(xiàn)分集接收，接收的信號(hào)利用智能天線(xiàn)的算法合成，能夠很好地克服移動(dòng)通信系統(tǒng)抗多徑衰落問(wèn)題，提高接收靈敏度。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示(見(jiàn)圖4)，相對(duì)于通常采用的垂直極化天線(xiàn)陣，采用正交極化的雙極化板狀天線(xiàn)陣可提高接收機(jī)在快衰落情況下的靈敏度大約5個(gè)分貝(dB)。
圖4為垂直極化天線(xiàn)陣和正交極化天線(xiàn)陣在衰落信道時(shí)的接收靈敏度的比較圖。該圖給出在單接收機(jī)的接收機(jī)靈敏度為-105dBm時(shí)，在衰落信道環(huán)境下兩種天線(xiàn)陣方案的接收靈敏度的比較?？梢钥闯?，對(duì)于衰落信道，在保證同樣接收信號(hào)質(zhì)量條件下，正交極化的雙天線(xiàn)陣的接收靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于單極化的雙天線(xiàn)陣。比如，對(duì)于單信道(天線(xiàn))的平均接收信號(hào)功率為-90dBm時(shí)(對(duì)應(yīng)于V)，單極化天線(xiàn)陣平均接收功率降低了3dB，為-93dBm，此時(shí)其接收信號(hào)的錯(cuò)誤概率為Pe1＝0.0157。在保證同樣錯(cuò)誤概率下(Pe2＝Pe1)，由圖中曲線(xiàn)可看出，此時(shí)的正交極化天線(xiàn)陣方案的平均接收功率降低到-98dBm。有5dB的增益。這相當(dāng)于在衰落信道環(huán)境下提高接收靈敏度5dB。
利用本發(fā)明的天線(xiàn)陣，結(jié)合智能天線(xiàn)技術(shù)和天線(xiàn)極化分集技術(shù)，能夠改善包括同步碼分多址通信系統(tǒng)在內(nèi)的各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)在多徑環(huán)境下的傳輸性能，可提高接收機(jī)的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種用于同步碼分多址通信系統(tǒng)中的雙極化平板天線(xiàn)陣，其特征在于該天線(xiàn)陣由兩組天線(xiàn)組成，每組天線(xiàn)有N個(gè)天線(xiàn)單元(N為正整數(shù))，其中一組天線(xiàn)上每個(gè)天線(xiàn)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)+45°，而另一組天線(xiàn)上每個(gè)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)-45°，這樣兩組天線(xiàn)的極化方向差為90°，即這兩組天線(xiàn)是正交極化的；每一組天線(xiàn)中兩個(gè)相鄰天線(xiàn)單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長(zhǎng)到一個(gè)波長(zhǎng)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極化平板天線(xiàn)陣，其特征在于每?jī)蓚€(gè)正交極化的天線(xiàn)單元排在一條垂直線(xiàn)上，天線(xiàn)陣子交叉重疊放置。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極化平板天線(xiàn)陣，其特征在于兩組正交極化的天線(xiàn)的天線(xiàn)陣子在一條垂直線(xiàn)上按順序放置。
4.如權(quán)利要求1所述的雙極化平板天線(xiàn)陣，其特征在于兩組正交極化的天線(xiàn)分開(kāi)放置，分開(kāi)的空間距離不限。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的雙極化平板天線(xiàn)陣，其特征在于N等于4。
6.一種同步碼分多址通信系統(tǒng)中利用天線(xiàn)陣進(jìn)行信號(hào)接收的方法，其中天線(xiàn)陣中各天線(xiàn)分集接收，接收的信號(hào)利用智能天線(xiàn)的算法合成，其特征在于該天線(xiàn)陣由兩組天線(xiàn)組成，每組天線(xiàn)有N個(gè)天線(xiàn)單元(N是任意正整數(shù))，其中一組天線(xiàn)上每個(gè)天線(xiàn)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)+45°，而另一組天線(xiàn)上每個(gè)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)-45°，這樣兩組天線(xiàn)的極化方向差為90°，即這兩組天線(xiàn)是正交極化的；每一組天線(xiàn)中兩個(gè)相鄰天線(xiàn)單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長(zhǎng)到一個(gè)波長(zhǎng)之間。
7.一種同步碼分多址通信系統(tǒng)中利用天線(xiàn)陣進(jìn)行信號(hào)發(fā)射的方法，其特征在于利用天線(xiàn)陣中雙極化天線(xiàn)的互補(bǔ)特性，利用智能天線(xiàn)的算法各個(gè)天線(xiàn)各自發(fā)射，波束賦型合成后，可以得到一個(gè)很好的全向波束賦型；其中所述天線(xiàn)陣為雙極化平板天線(xiàn)陣，該天線(xiàn)陣由兩組天線(xiàn)組成，每組天線(xiàn)有N個(gè)天線(xiàn)單元(N是任意正整數(shù))，其中一組天線(xiàn)上每個(gè)天線(xiàn)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)+45°，而另一組天線(xiàn)上每個(gè)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)-45°，這樣兩組天線(xiàn)的極化方向差為90°，即這兩組天線(xiàn)是正交極化的；每一組天線(xiàn)中兩個(gè)相鄰天線(xiàn)單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長(zhǎng)到一個(gè)波長(zhǎng)之間。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于同步碼分多址通信系統(tǒng)中的雙極化天線(xiàn)平板天線(xiàn)陣，該天線(xiàn)陣由兩組天線(xiàn)組成，每組天線(xiàn)有N個(gè)天線(xiàn)單元(N為正整數(shù))，其中一組天線(xiàn)上每個(gè)天線(xiàn)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)+45 °，而另一組天線(xiàn)上每個(gè)單元的所有天線(xiàn)陣子相對(duì)普通垂直極化天線(xiàn)單元轉(zhuǎn)－45 °，即這兩組天線(xiàn)是正交極化的；每一組天線(xiàn)中兩個(gè)相鄰天線(xiàn)單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長(zhǎng)到一個(gè)波長(zhǎng)之間。在接收時(shí)，結(jié)合分集技術(shù)和智能天線(xiàn)的算法，該天線(xiàn)陣能提高接收靈敏度。發(fā)射時(shí)，利用智能天線(xiàn)的算法可以實(shí)現(xiàn)全向波束賦型，該天線(xiàn)陣能夠改善同步碼分多址通信系統(tǒng)中信號(hào)在多徑環(huán)境下的傳輸性能。
文檔編號(hào)H01Q21/28GK1755986SQ200410084828
公開(kāi)日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者孫平, 丁勇, 王清泰 申請(qǐng)人:北京信威通信技術(shù)股份有限公司