專利名稱：弧形智能天線陣列裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種天線陣列裝置，尤其涉及無線通信領(lǐng)域的智能天線陣列。
智能天線采用一定陣元數(shù)的陣列天線，利用天線陣列中每個陣元的位置不同實現(xiàn)對各用戶信號的空間采樣，從不同方向到達天線陣列的信號通過天線陣列后就有不同的陣列響應(yīng)，再在接收系統(tǒng)利用一定的算法(自適應(yīng)的或非自適應(yīng)的，主要在基帶實現(xiàn))把從具有不同到達方向(DOADirection Of Arrival)的信號區(qū)分開來。智能天線可以和包括TDMA，F(xiàn)DMA和CDMA在內(nèi)的其它技術(shù)結(jié)合提高整個系統(tǒng)的性能。智能天線的性能主要取決于天線陣列結(jié)構(gòu)和基帶算法兩個方面。所以在探索高效的基帶算法的同時也很有必要設(shè)計合理的天線陣列結(jié)構(gòu)。
通信系統(tǒng)中的智能天線陣列一般采用四到八個陣元組成直線陣或六到十二個天線陣元組成圓陣。雖然在理論上可以有在三維空間內(nèi)排布的天線陣列，但實際工程中應(yīng)用的天線陣列都是在二維水平面里排列的天線陣列(當(dāng)然天線陣元一般是豎直安放的)。現(xiàn)在各種文獻中討論最多的基本天線陣列也是均勻直線陣列(簡稱直線陣)和均勻圓環(huán)陣列(簡稱圓陣)。一般來說陣列天線的陣元數(shù)越多，空分性能就越好，但是陣元數(shù)越多，相應(yīng)的射頻通道就要增加，基帶算法的計算量也要增加，所以陣元數(shù)的選取一般受設(shè)計成本的限制。對于一定的陣元數(shù)，不同的陣列結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的改善是不一樣的。
在中國專利97202038.1(用于無線通信系統(tǒng)的環(huán)形智能天線陣)中，對圓陣結(jié)構(gòu)申請了專利?，F(xiàn)在的各種文獻中，對于陣列的優(yōu)化也局限于線陣和圓陣。在《北京郵電大學(xué)學(xué)報June.2000，Vol.23 No.2》中有一篇論文《CDMA系統(tǒng)中智能天線陣列形式的研究》，這篇文章中介紹了一種應(yīng)用仿真的方法比較陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)不同時的系統(tǒng)性能改善。其過程是認(rèn)為的假定幾個有限的有用信號和干擾信號入射方向，然后陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)取不同的值，通過仿真得到不同的性能增益值，增益值最大時對應(yīng)的陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)就認(rèn)為是最優(yōu)的參數(shù)。這種方法的最大局限是其陣列參數(shù)相當(dāng)于是直線陣的相鄰陣元間距或圓陣的半徑，這樣的陣列形式無論怎么優(yōu)化都是圓陣或線陣，并不能得出更好的陣列結(jié)構(gòu)，由此得到的結(jié)果也具有較大的局限性。這篇文章側(cè)重于同一種陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時參數(shù)選取不同時的性能優(yōu)劣。在《Proc.IEEE GLOBECOM′96，London，UK，Nov.1996》中有一篇論文《Optimum Antenna Topologies and Adaptation Strategies forSDMA》，其中通過仿真的方法比較了均勻圓陣、由三個均勻直線陣組成的三角陣，由四個均勻直線陣組成的四方陣的優(yōu)劣，這篇文章中側(cè)重的是不同的陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(也可以認(rèn)為是不同的陣列參數(shù)，結(jié)構(gòu)可以由一些參數(shù)來描述)的優(yōu)劣。但是這篇文章也是局限于圓陣和線陣這兩種陣列結(jié)構(gòu)。
由于直線陣和圓陣結(jié)構(gòu)比較簡單，比較容易想到，也比較容易分析(理論分析和仿真分析)，設(shè)計加工也相對簡單，所以現(xiàn)有的技術(shù)都是圍繞著直線陣和圓陣做工作。但從智能天線技術(shù)對天線陣列的需求上來講，并不是結(jié)構(gòu)簡單就好，而是需要天線陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有盡量好的空間分辯能力(空分性能)?？辗中阅鼙冉Y(jié)構(gòu)簡單性更重要，否則太簡單就是簡陋。
本實用新型的目的之二是提供靈活的弧形智能天線陣列的實用組陣形式。
本實用新型的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種弧形智能天線陣列裝置，包括弧形排列的多個天線陣元和連接并固定各天線陣元使其按一定弧度排列的支撐體，所述天線陣元豎直排列在同一個平面上。
所述天線陣元的數(shù)目是四個或四個以上。天線陣元是弧形等距或者不等距排列的。所述的天線陣元可以是陣子天線、極化分集天線或微帶天線；也可以是陣子天線陣、極化分集天線陣或微帶天線陣。所述弧形天線陣列陣元的弧度為大于0度，小于180度。
本實用新型的弧形陣列組陣形式可以有多種在一個基站中，可以使用一個弧形陣列；也可以使用多個相同或不同的(陣元形式，陣元數(shù)，弧度，陣元間隔等參數(shù)相同或不同)弧形陣列按一定方式排列，比如兩個弧形陣列分開較大距離并排組成分集形式，三個弧形陣列中弧形線對應(yīng)的弦線排列成三角形，四個弧形陣列則使相應(yīng)弦線排列成四邊形等。在一個基站中，一個或多個相同或不同的弧形陣列可以和其它陣列(比如直線陣)混合組陣。
本實用新型在直線陣和圓陣范圍之外提出了新的弧形陣列，采用本實用新型所述弧形天線陣列裝置，與現(xiàn)有天線陣列相比，提供了更加靈活的陣列天線陣元排布方式，在陣列優(yōu)化過程中也提供了更多的自由度可以在更廣的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)陣列。利用本實用新型，可以使智能天線系統(tǒng)有更好的空分能力，從而提高通信系統(tǒng)性能。
圖2是弧形陣子天線陣列的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖3是弧形微帶天線陣列的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖4是弧形天線陣列及其組陣的俯視幾何結(jié)構(gòu)圖。
圖5是弧形陣列天線與直線陣列天線混合組陣的示意圖。
圖6是弧線天線陣列形成的波束方向仿真結(jié)果圖。


圖1是弧形陣列天線的平面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，以六陣元為例，其中101～106分別表示六個天線陣元。平面結(jié)構(gòu)示意圖中相距最遠(yuǎn)的陣元101和106所在的位置分別為G、H，其它陣元全部在直線GH為界的上半平面上。在該陣列的俯視圖中，所有陣元中心位置在同一段圓弧GH上，線段GH就是弧線對應(yīng)的弦線。這段圓弧所在的圓的圓心為O點，圓弧的端點分別為G、H，線段OG和OH在弧線方向的夾角α就是弧線的弧度，雖然在理論上弧度可以是0度到360度，但本實用新型中這個弧度限定范圍為大于0度小于180度。
圖2是以振子或振子陣為天線陣元的弧形天線陣列立體結(jié)構(gòu)圖，以六個天線陣元為例進行說明。如圖2所示，10.1～10.6為六個天線陣元，圖2-(a)中11.1和11.2構(gòu)成支撐體，圖2-(b)中12.1和12.2構(gòu)成支撐體。支撐體由支撐天線陣元的支架11.1/12.1和用于把天線陣列固定在鐵塔上的固定裝置11.2/12.2構(gòu)成，圖中的支撐體結(jié)構(gòu)只是一個示例，實際應(yīng)用中可以是各種各樣，甚至把整個天線陣列封裝起來。六個陣元10.1、10.2、10.3、10.4、10.5和10.6等間隔或不等間隔排列成弧形組成弧形天線陣列10，陣元一般為圓柱形。圖2-(a)是弧度凹面朝外的弧形天線陣列裝置，2-(b)是弧度凸面朝外的弧形天線陣列裝置，兩者的區(qū)別僅在支撐體的結(jié)構(gòu)上?；⌒翁炀€陣列和支撐體組成弧形天線陣列裝置。
圖3是以微帶天線或幾個微帶天線豎直排列的微帶天線陣為陣列天線陣元的弧形陣列立體結(jié)構(gòu)圖。與圖2類似，以六個天線陣元為例進行說明。如圖3所示，支撐體由支撐天線陣元的支架21.1/22.1和用于把天線陣列固定在鐵塔上的固定裝置21.2/22.2組成，圖中的支撐體結(jié)構(gòu)只是一個示例，實際應(yīng)用中可以是各種各樣，甚至把整個天線陣列封裝起來。六個陣元20.1、20.2、20.3、20.4、20.5和20.6等間隔或不等間隔排列成弧形組成弧形天線陣列。圖3-(a)是弧度凹面朝外的弧形天線陣列裝置，圖3-(b)是弧度凸面朝外的弧形天線陣列裝置，兩者的區(qū)別僅在支撐體的結(jié)構(gòu)上。
圖4是弧形天線陣列及其組陣的俯視幾何結(jié)構(gòu)圖。圖4-(a)是凹形的弧形天線陣列組陣的俯視幾何結(jié)構(gòu)圖，圖4-(b)是凸形的天線陣列組陣的俯視幾何結(jié)構(gòu)圖。在不影響理解的基礎(chǔ)上，本圖中省略了支撐體，并且用黑色大圓點表示天線陣元，同樣以六個陣元為例。如圖4-(a)所示，陣元40.1、40.2、40.3、40.4、40.5和40.6等間隔或不等間隔排列成弧形組成弧形天線陣列40，六個陣元的位置在同一條弧線上，最兩端的天線陣元40.1和40.6所在的直線就是對應(yīng)的弦線，如圖4-(b)所示，直線41.a就是天線陣列40的弦線。類似的，可以形成弧形天線陣列21和弧形天線陣列31。3個陣列呈三角形排列(三條弦線組成三角形，如圖4-(b)中的弦線41.a、41.b和41.c組成一個三角形)，每個弧形天線陣列負(fù)責(zé)一定角度(比如120度)扇區(qū)內(nèi)信號的收發(fā)。如圖4-(a)中，天線陣列40負(fù)責(zé)以42.a和42.b為邊的扇形區(qū)域內(nèi)信號的收發(fā)，天線陣列20負(fù)責(zé)以42.c和42.b為邊的扇形區(qū)域內(nèi)信號的收發(fā)，天線陣列30負(fù)責(zé)以42.a和42.c為邊的扇形區(qū)域內(nèi)信號的收發(fā)。圖4-(b)也與之相似。這里雖然以三個陣列為例，但對4個陣列的組合同樣適用。
圖5是弧形陣列天線與直線陣列天線混合組陣的示意圖。各種陣列組合的情況比較多，這里只是舉了一些例子。但根據(jù)這些例子及本文說明，很容易推及更多的類似組陣方式。圖5-(a)中，分成三個扇區(qū)，其中一個扇區(qū)用通常的直線陣列52進行信號接收，第二個扇區(qū)用四陣元的凹面弧形天線51進行接收，第三個扇區(qū)用六陣元50.1～50.6組成的凹面弧形天線陣列50進行信號收發(fā)。
圖5-(b)是另一種的更靈活的組陣形式。在右邊扇區(qū)中，天線陣元70.1、70.2、70.3、70.4、70.5和70.6排列成弧形組成弧形天線陣列70，其中天線陣元70.1、70.2和70.3排列得比較緊密，和另外三個同樣緊密排列的陣元70.4、70.5和70.6相距較遠(yuǎn)，這樣可以達到空間分集的效果。在左邊扇區(qū)中，天線陣列80則是有相距較遠(yuǎn)的兩個弧形天線陣列80.L和80.R組成，80.L由四個陣元80.L.1、80.L.2、80.L.3和80.L.4排列成弧形組成，80.R由另四個陣元80.R.1、80.R.2、80.R.3和80.R.4排列成弧形組成。這樣也可以達到空間分集收發(fā)的效果。這里每個陣列的陣元數(shù)可以取其它數(shù)值，圖中取四陣元只是其中的一個實施例。下邊的扇區(qū)則是由分集形式直線陣90負(fù)責(zé)信號的收發(fā)。
圖6是弧線天線陣列形成的波束方向仿真結(jié)果圖。圖6中采用的是八陣元的弧形天線陣列，弧度為120度，陣元等間距排列在弧線上，相鄰陣元弧線長度為半波長。如圖6所示，在有用信號方向上形成了主波束601，在其它地方形成零陷或者波束旁瓣，比如旁瓣602。在多次仿真中，發(fā)現(xiàn)弧形天線陣列與直線天線陣列性能相當(dāng)，在某些情況下甚至優(yōu)于直線天線陣列的性能。
以上以實施例的方式列舉了多種典型的弧形天線陣列結(jié)構(gòu)及其組陣方式，其它類似的利用弧形天線陣列的應(yīng)用可以類推組合得到。
權(quán)利要求1.一種弧形智能天線陣列裝置，其特征在于包括弧形排列的多個天線陣元和連接并固定各天線陣元使其按一定弧度排列的支撐體，所述天線陣元豎直排列在同一個平面上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種弧形智能天線陣列裝置，其特征在于所述天線陣元的數(shù)目是4個或4個以上。
3.如權(quán)利要求1所述的一種弧形智能天線陣列裝置，其特征在于所述的天線陣元是弧形等距排列的。
4.如權(quán)利要求1所述的一種弧形智能天線陣列裝置，其特征在于所述的天線陣元是弧形不等距排列的。
5.如權(quán)利要求1所述的一種弧形智能天線陣列裝置，其特征在于所述的天線陣元可以是陣子天線、極化分集天線或微帶天線。
6.如權(quán)利要求1所述的一種弧形智能天線陣列裝置，其特征在于所述的天線陣元可以是陣子天線陣、極化分集天線陣或微帶天線陣。
7.如權(quán)利要求1所述的一種弧形智能天線陣列裝置，其特征在于所述弧形天線陣列陣元的弧度為大于0度，小于180度。
專利摘要本實用新型公開了一種弧形智能天線陣列裝置,包括弧形排列的多個天線陣元和連接并固定各天線陣元使其按一定弧度排列的支撐體,所述天線陣元豎直排列在同一個平面上。所述天線陣元的數(shù)目是4個或4個以上;天線陣元是弧形等距或者不等距排列的。所述的天線陣元可以是陣子天線、極化分集天線或微帶天線;也可以是陣子天線陣、極化分集天線陣或微帶天線陣。本實用新型提供了更加靈活的陣列天線陣元排布方式,可以使智能天線系統(tǒng)有更好的空分能力,從而提高通信系統(tǒng)性能。
文檔編號H01Q21/00GK2514560SQ0127327
公開日2002年10月2日 申請日期2001年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月29日
發(fā)明者丁杰偉 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所