專利名稱：用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能天線陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種天線陣，更確切地說是涉及一種環(huán)形智能天線陣。
九十年代以來，在4GHZ以下通信頻段的無線通信領(lǐng)域內(nèi)，研究開發(fā)智能天線技術(shù)是提高無線接入系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要工作。智能天線的基本概念是在包括蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、集群通信系統(tǒng)、無線用戶環(huán)路系統(tǒng)及其他無線接入系統(tǒng)的無線通信基站或主站設(shè)備中，使用多套無線收發(fā)信機(jī)及多只天線，通過在基帶電路中，使用現(xiàn)代數(shù)字信息處理技術(shù)，運(yùn)用一定算法對空間譜進(jìn)行分析，以對每一收發(fā)支路的信號進(jìn)行處理，達(dá)到使該基站或主站天線波束賦形的目的。此天線波束賦形對頻分多址(FDMA)系統(tǒng)來說，其目標(biāo)是同時(shí)為每個(gè)載頻提供一個(gè)波束；對時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)來說，其目標(biāo)是為每個(gè)時(shí)隙提供一個(gè)波束；對碼分多址(CDMA)系統(tǒng)來說，則是同時(shí)為每個(gè)碼道提供一個(gè)波束。波束賦形的作用包括集中能量、達(dá)到更遠(yuǎn)的傳輸距離；消除或減少干擾，提高信干比(Eb/Io)及系統(tǒng)容量，而最佳效果則是在集中能量的同時(shí)又兼顧后者。
迄今為止，據(jù)申請人所知，僅有本申請人提出了一種使智能天線達(dá)到實(shí)用化的技術(shù)(參見本申請人的發(fā)明專利“具有智能天線的碼分多址無線通信系統(tǒng)”)，因而也沒有其它人提出為無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能天線的射頻結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的目的是提供一種用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能無線陣，特別是一種實(shí)用化的環(huán)形智能天線陣的射頻結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能天線陣，其特征在于所述的環(huán)形智能天線陣是由兩個(gè)以上完全相同的天線元成環(huán)形等間隔或不等間隔地排列在一個(gè)支撐面上構(gòu)成。
所述的天線元是直柱，所述的支撐面是一平面，所述的直柱成環(huán)狀直立并間隔分布在該平面上，構(gòu)成環(huán)形振子天線陣。
所述的天線元是微帶，所述的支撐面是一立體環(huán)狀面，所述的微帶縱向平行貼置在該立體環(huán)狀面上，構(gòu)成環(huán)形微帶天線陣。
所述天線元間距L小于或等于1/2工作頻帶最高頻率的電磁波波長λ。
所述的環(huán)形排列包括圓形、扁圓形、規(guī)則或不規(guī)則多邊形。
下面結(jié)合兩類智能天線的射頻結(jié)構(gòu)進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的技術(shù)。


圖1.環(huán)形振子天線陣立體結(jié)構(gòu)示意圖圖2.環(huán)形振子天線陣俯視結(jié)構(gòu)示意圖圖3.環(huán)形振子天線陣天線元仰角方向輻射圖形圖4.環(huán)形振子天線陣天線元方位角方向輻射圖形圖5.環(huán)形振子天線陣用于智能天線時(shí)的輻射圖形圖6.微帶環(huán)形天線陣立體結(jié)構(gòu)示意圖圖7.微帶環(huán)形天線陣射頻電纜座結(jié)構(gòu)示意圖圖8.微帶環(huán)形天線陣天線元仰角方向輻射圖形圖9.微帶環(huán)形天線陣天線元方位角方向輻射圖形圖10.三扇區(qū)微帶環(huán)形天線陣用于智能天線的輻射圖形本實(shí)用新型的環(huán)形天線陣應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)智能天線時(shí)，應(yīng)具有如下八方面的特性1.極化，垂直或水平極化，與天線元的極化相同；2.阻抗，每個(gè)天線元的阻抗不因?yàn)榻M成環(huán)形陣而發(fā)生明顯變化，即天線元間互耦的影響可以忽略(＜-20dB)；3.接收增益，在最大功率合成時(shí)，此天線陣的最大增益可達(dá)到Gmax＝GY+10logNdB，式中Gmax為最大可能增益，GY為天線元增益，N為天線元數(shù)目；4.發(fā)射增益，在每個(gè)天線的發(fā)射功率相等、用最大功率合成時(shí)，最大發(fā)射增益可達(dá)到Gmax＝GY+20logNdB(包括各天線元饋電的功率之和)。
5.仰角方向圖形，在仰角方位，環(huán)形天線陣的輻射圖形與每個(gè)天線元相同；6.方位角方向圖形，由基帶控制，可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，對環(huán)形振子陣，這多個(gè)波束可以在360度方位角內(nèi)指向，對微帶環(huán)形陣，為達(dá)到最佳效果，此多波束最好限制在所設(shè)計(jì)的扇區(qū)內(nèi)；7.零點(diǎn)隔離，為消除干擾，在波束賦形時(shí)可以在干擾源方向設(shè)置零點(diǎn)，實(shí)際系統(tǒng)中，此零點(diǎn)處的電平應(yīng)當(dāng)比最大功率方向小很多，以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；8.工作頻段，本環(huán)形天線陣可工作于100MHZ至4GHZ頻段參見圖1至圖5，構(gòu)成環(huán)形振子天線陣天線元11的是N(N＞2)個(gè)完全相同的直柱，構(gòu)成環(huán)形振子天線陣支撐面12的是一個(gè)圓形平面，各天線元11等距離間隔排列形成圓形天線陣，各天線元11的中心間距L≤λ/2(λ為工作頻帶最高頻率電磁波波長)，以免產(chǎn)生光柵波瓣。
這樣一個(gè)環(huán)形振子天線陣在支撐面(方位角方向)是各向同性，即完全對稱的，可以由每個(gè)天線元所得到的電磁波相位和幅度，來合成所需輻射方向圖形，如圖5所示。圖中10為環(huán)形振子天線陣，虛線圓13為同相饋電時(shí)的各向同性輻射圖形，圖形14為智能天線波束賦形后的輻射圖形實(shí)例。
環(huán)形振子天線陣中的天線元10可以是一個(gè)短振子(1/4至一個(gè)波長)，也可以是一個(gè)縱向排列的振子陣。不管用何種方式實(shí)現(xiàn)，此天線元均有圖3、圖4所示的輻射特性。在方位角方向是各向同性(圖4)，在仰角方向是指向振子天線元的橫向，天線增益越高，此方向的波束越窄。該天線元的極化可以是垂直極化，也可以是水平極化；輸入阻抗標(biāo)稱值應(yīng)和饋電系統(tǒng)相匹配；最大指向的增益GY在0至10dB之間，根據(jù)設(shè)計(jì)需要而定。
圖1、圖2中所示為八單元環(huán)形振子天線陣，由八個(gè)天線元(振子)11，成正圓形排列。實(shí)施時(shí)，每個(gè)天線元的振子增益為8dB，輸入阻抗為50歐，工作于1.8～2GHZ頻率，中心間距L為75mm。其仰角方向圖形的3dB寬度略為20度，在智能天線工作條件下，在方位角方向360度內(nèi)，可以合成各種所需的方向圖。在最大功率合成時(shí)，此天線陣的最大增益可達(dá)到17dB(對接收)和26dB(對發(fā)射)。在考慮到消除干擾、設(shè)定零點(diǎn)時(shí)，在零點(diǎn)方向的輻射電平可比最大輻射方向低(隔離)40dB。
參見圖6至圖10，由N(N＞2)個(gè)完全相同的微帶天線元21在一個(gè)圓柱形外表支撐面22上等距離排列組成環(huán)形微帶天線陣。圓柱形外表支撐面采用介質(zhì)材料，圖中23為金屬反射面，各天線元21的中心間距為L，同樣L≤λ/2，即L不能超過工作頻帶最高頻率電磁波波長的一半(圖6)。與前述環(huán)形振子天線陣的不同之處是每個(gè)天線元只能向圓柱外方向發(fā)射或接收來自外方向的電磁波，故其自身具有一定的方向性。雖然當(dāng)所有天線元同相激勵(lì)時(shí)將獲得各向同性的方向圖形，但是當(dāng)此天線陣工作于一個(gè)小區(qū)的中心(單扇區(qū)時(shí))，這個(gè)方向性將導(dǎo)致智能天線效率降低使其不如振子天線陣。另一方面，該環(huán)形微帶天線陣有高增益的優(yōu)勢，特別適合于將該天線所在地分為多個(gè)扇區(qū)的情況。環(huán)形微帶天線元可設(shè)計(jì)成垂直極化，也可以設(shè)計(jì)成水平極化，其輸入阻抗應(yīng)與饋電系統(tǒng)匹配，最大指向的增益GY在3至20dB之間，可按設(shè)計(jì)要求而定。
圖7中示出各天線元21的連接及與射頻電纜座26的連接關(guān)系。天線元21為縱向排列的M個(gè)微帶振子25(M＝2n，n≥1)。如采用24只微帶天線元，均勻地排列在一只直徑為570mm的金屬圓筒外。24只微帶天線元可分為三組，每組八個(gè)單元(圖中示出一只天線元的連接關(guān)系)。實(shí)例中每只微帶天線元的增益為12dB，輸入阻抗為50歐姆，工作于1.8至2GHZ頻帶。
微帶天線元21具有如圖8、圖9所示的輻射方向，與振子天線元的輻射方向圖比較(圖3、圖4)，其輻射方向?yàn)槲炀€元所面對的半個(gè)空間，在仰角方向的波束寬度取決于天線元的增益。
圖10所示的三扇區(qū)環(huán)形微帶天線陣30共分為三個(gè)120度的扇區(qū)，同相激勵(lì)時(shí)，每扇區(qū)分別產(chǎn)生一個(gè)在此120度方位角內(nèi)基本同增益的方向圖形，圖中虛線圖形31為同相饋電下每扇區(qū)的輻射圖形，圖形32為智能天線波束賦形時(shí)每扇區(qū)輻射圖形。在仰角方向，輻射方向圖半功率點(diǎn)寬度略為20度，在智能天線工作條件下，三個(gè)扇區(qū)是獨(dú)立工作的，每個(gè)扇區(qū)內(nèi)可以合成各種所需的輻射波束。在最大功率合成時(shí)，該天線陣的最大增益可達(dá)到21dB(對接收)和30dB(對發(fā)射)。在消除干擾時(shí)，于零點(diǎn)方向的隔離可達(dá)20dB。
本實(shí)用新型的兩種環(huán)形天線陣的實(shí)施例射頻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于智能天線系統(tǒng)時(shí)，不改變天線陣在仰角方向的輻射特性，而是在方位角方向，為每一個(gè)信道(載頻、時(shí)隙或碼道)產(chǎn)生一個(gè)波束，并讓此波束指向與之通信的終端設(shè)備。
本實(shí)用新型環(huán)形智能天線陣的具體工作頻段、天線元數(shù)目、天線元的詳細(xì)特性及要求，應(yīng)根據(jù)具體系統(tǒng)甚至具體工程的要求而改變。此外，環(huán)形天線陣中各天線的分布僅需滿足環(huán)形，可為圓形、多邊形、扁圓形或其他規(guī)則或不規(guī)則的形狀，各天線元只要間隔分布且L≤λ/2，可為等間距或不等間距分布。
權(quán)利要求1.一種用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能天線陣，其特征在于所述的環(huán)形智能天線陣是由兩個(gè)以上完全相同的天線元成環(huán)形等間隔或不等間隔地排列在一個(gè)支撐面上構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能天線陣，其特征在于所述的天線元是直柱，所述的支撐面是一平面，所述的直柱成環(huán)狀直立并間隔分布在該平面上，構(gòu)成環(huán)形振子天線陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能天線陣，其特征在于所述的天線元是微帶，所述的支撐面是一立體環(huán)狀面，所述的微帶縱向平行貼置在該立體環(huán)狀面上，構(gòu)成環(huán)形微帶天線陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能天線陣，其特征在于所述天線元間距L小于或等于1/2工作頻帶最高頻率的電磁波波長λ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能天線陣，其特征在于所述的環(huán)形排列包括圓形、扁圓形、規(guī)則或不規(guī)則多邊形。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種環(huán)形智能天線陣,用于4GHZ以下無線通信系統(tǒng)的基站設(shè)備中,具有實(shí)用化的射頻結(jié)構(gòu)。由N個(gè)(N>2)完全相同的天線元成環(huán)形間隙排列在一個(gè)支撐面上構(gòu)成。當(dāng)天線元是直柱、支撐面是平面,直柱成環(huán)狀直立并間隔分布在平面上時(shí)構(gòu)成環(huán)形振子天線陣;當(dāng)天線元是微帶、支撐面是一立體環(huán)狀面,微帶縱向平行貼置在立體環(huán)狀表面上時(shí)則構(gòu)成環(huán)形微帶天線陣。天線元中心間距L不能超過工作頻帶最高頻率電磁波波長的一半。
文檔編號H01Q21/00GK2293901SQ97202038
公開日1998年10月7日 申請日期1997年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月13日
發(fā)明者徐廣涵, 李世鶴 申請人:北京信威通信技術(shù)有限公司