本發(fā)明涉及一種天線系統(tǒng)，尤其涉及一種定向窄波選擇智能天線系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

WIFI技術(shù)因其諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為極受人們喜愛的通信技術(shù)。WIFI應(yīng)用也由早期的家庭應(yīng)用逐步成為商用市場(chǎng)的主流技術(shù)。

然而，由于商用市場(chǎng)區(qū)別家用市場(chǎng)的一些特點(diǎn)，致使WIFI技術(shù)在商用過程中存在眾多缺陷，成為用戶的痛點(diǎn)問題。商用市場(chǎng)與家用市場(chǎng)存在以下幾點(diǎn)區(qū)別：

1.終端用戶數(shù)量大：

商用市場(chǎng)常見的應(yīng)用場(chǎng)合如：商場(chǎng)、高鐵站、會(huì)議室、展廳、醫(yī)院和大型辦公室等，其環(huán)境特點(diǎn)是用戶數(shù)量大。一個(gè)普通的家庭級(jí)路由器一般限制同時(shí)在線用戶數(shù)量為25-30，只能滿足家庭或者是微小企業(yè)的通信需求。若將家用級(jí)路由或AP用于上述商用場(chǎng)合則會(huì)出現(xiàn)用戶接受信號(hào)很強(qiáng)但仍無法連接網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象。因此商用市場(chǎng)要求WIFI系統(tǒng)具有較大的系統(tǒng)容量。然而，由于WIFI技術(shù)原理采用信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，激烈的競(jìng)爭(zhēng)極大地浪費(fèi)了系統(tǒng)帶寬資源，限制了系統(tǒng)容量的提升。

2.商用環(huán)境空間小：

商用環(huán)境的另一個(gè)特點(diǎn)就是環(huán)境空間小而用戶密度大。由于普通AP的系統(tǒng)容量不足，單個(gè)AP遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求。目前市場(chǎng)上常采用AC+多AP的架構(gòu)布線，這種布線方式能滿足系統(tǒng)容量，但同時(shí)也帶來多個(gè)AP之間的嚴(yán)重干擾問題，而且布線成本比較高。

3.跟蹤定位問題：

目前跟蹤定位常用的技術(shù)為GPS技術(shù)，但是GPS信號(hào)受限于環(huán)境，只能應(yīng)用于室外環(huán)境。無線局域網(wǎng)作為一種全新的信息獲取平臺(tái)，可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測(cè)和追蹤任務(wù)。因此WIFI成為室內(nèi)定位技術(shù)的主流技術(shù)之一。WIFI定位技術(shù)原理主要是通過偵測(cè)用戶接受到的RSSI來判定用戶的離AP的距離。然而目前市場(chǎng)上的AP普遍為全向天線，僅僅通過RSSI無法判定用戶的具體方位，為監(jiān)測(cè)工作帶來極大的不便。

4.市場(chǎng)上常見的商用AP存在諸多技術(shù)缺陷：

為解決以上問題，目前市場(chǎng)上常見的兩種技術(shù)方案如下：

4.1：多路技術(shù)：將多個(gè)AP和一個(gè)AC集成在一個(gè)整機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，由AC實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)AP的管理。其技術(shù)實(shí)質(zhì)是前述的AC+多AP布線架構(gòu)的集成化。多路技術(shù)存在以下缺陷：

A.成本高：由于多路技術(shù)是多個(gè)AP簡(jiǎn)單疊加而成，因此其成本是一個(gè)普通AP的數(shù)倍。

B.信號(hào)同頻干擾嚴(yán)重：由于小空間內(nèi)集成多個(gè)AP，其天線之間的相互干擾極其嚴(yán)重。同頻干擾嚴(yán)重影響系統(tǒng)容量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.2：動(dòng)態(tài)天線切換技術(shù)：在主板的射頻輸出端設(shè)置一個(gè)開關(guān)，對(duì)一組固定形態(tài)的定向天線實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換控制。其技術(shù)實(shí)質(zhì)是天線的分集技術(shù)。常見的有極化分集和空間分集。動(dòng)態(tài)天線切換技術(shù)與本文闡述的基于MIMO技術(shù)的多波束選擇技術(shù)極易混淆。市場(chǎng)上的動(dòng)態(tài)天線切換技術(shù)存在以下缺陷：

A.天線控制上：以3T3R的MIMO為例，從MIMO技術(shù)原理上考慮，在信號(hào)質(zhì)量滿足要求的情況下，在固定位置的終端用戶能同時(shí)接收到AP的三根天線的信號(hào)，此時(shí)MIMO性能最佳。而市場(chǎng)上常見的動(dòng)態(tài)天線切換技術(shù)雖然在每根天線實(shí)行波束切換，但在某一時(shí)刻三根天線指向并不一致。也就是說，在終端用戶不能同時(shí)接收到三根天線的信號(hào)，MIMO性能打折。

B.天線設(shè)計(jì)上：由于動(dòng)態(tài)天線切換技術(shù)采用簡(jiǎn)單的二選一射頻開關(guān)切換，因此在保證MIMO性能最佳同時(shí)保證全向覆蓋的情況下，每一路射頻輸出的天線切換方式只有兩種，即在兩支指向不同的半圓型天線波束之間切換，因此相比于窄波束定向天線，這種天線陣元的半功率角過大，導(dǎo)致同一時(shí)刻下信道競(jìng)爭(zhēng)窗口過大，信道競(jìng)爭(zhēng)仍然激烈。相比于普通的全向天線AP系統(tǒng)容量有提升但不明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提出了一種能全向空間掃描的定向窄波選擇智能天線系統(tǒng)及采用該天線陣列的多波束選擇智能天線通信系統(tǒng)。

本發(fā)明的解決方案是：一種定向窄波選擇智能天線系統(tǒng)，其包括上、中、下三層疊置且具有同一中心軸的三個(gè)環(huán)形陣列天線；每個(gè)環(huán)形陣列天線均包括n個(gè)定向輻射天線陣元，其中n為正整數(shù)且不小于2，每個(gè)定向輻射天線陣元覆蓋360°/n的扇形區(qū)域，n個(gè)定向輻射天線陣元通過同軸線引出，焊接于一個(gè)天線控制板的單刀n擲開關(guān)的接口；底層環(huán)形陣列天線為水平極化天線，相應(yīng)的n個(gè)定向輻射天線陣元為水平放置的n個(gè)縫隙耦合偶極子；中層環(huán)形陣列天線為垂直極化天線，相應(yīng)的n個(gè)定向輻射天線陣元為豎直放置的n個(gè)八木引向子天線；頂層環(huán)形陣列天線與底層環(huán)形陣列天線結(jié)構(gòu)相同并且相對(duì)應(yīng)；同一個(gè)八木引向子天線的一端定位在底層環(huán)形陣列天線中兩個(gè)相鄰的陣元之間，另一端定位在頂層環(huán)形陣列天線中與所述兩個(gè)相鄰的陣元相對(duì)應(yīng)的那兩個(gè)相鄰陣元之間，使三個(gè)環(huán)形陣列天線為正交極化環(huán)形天線陣列疊層結(jié)構(gòu)。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，三個(gè)環(huán)形陣列天線的各個(gè)對(duì)應(yīng)陣元的電磁波輻射方向保持一致且做天線開關(guān)切換時(shí)，同一時(shí)段內(nèi)三個(gè)環(huán)形陣列天線選擇輻射方向相同的三個(gè)陣元。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，三個(gè)環(huán)形陣列天線依上、中、下的次序，直徑逐層減小。

進(jìn)一步地，每個(gè)八木引向子天線與頂層環(huán)形陣列天線接觸的一側(cè)，其一端為直線段，從頂層環(huán)形陣列天線的中心區(qū)域向頂層環(huán)形陣列天線的邊緣延伸，另一端在頂層環(huán)形陣列天線的邊緣朝靠近底層環(huán)形陣列天線的一側(cè)轉(zhuǎn)折形成折線段。

再進(jìn)一步地，每個(gè)八木引向子天線包括載體基板一以及設(shè)置在所述載體基板一上且朝中層環(huán)形陣列天線中心的方向依次直線排列引向器、振子、反射器；其中所述振子呈八字形，每個(gè)八木引向子天線的饋點(diǎn)從相應(yīng)八字形頭部的兩端引出。

優(yōu)選地，所述引向器、所述反射器均呈“<”字形，所述振子的八字形頭部、“<”字形的尖角均位于同一直線上且均朝向中層環(huán)形陣列天線的中心。

再優(yōu)選地，在每個(gè)八木引向子天線中，引向器位于折線段對(duì)應(yīng)的區(qū)域，反射器位于直線段對(duì)應(yīng)的區(qū)域，振子一端位于折線段對(duì)應(yīng)的區(qū)域，另一端位于直線段對(duì)應(yīng)的區(qū)域。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，底層環(huán)形陣列天線還包括承載相應(yīng)n個(gè)縫隙耦合偶極子的載體基板二，在所述載體基板二上n個(gè)縫隙耦合偶極子環(huán)繞的區(qū)域設(shè)置為所述底層環(huán)形陣列天線的接地區(qū)。

進(jìn)一步地，所述載體基板二面向中層環(huán)形陣列天線的一側(cè)為背面，相對(duì)另一側(cè)為正面，n個(gè)縫隙耦合偶極子設(shè)置在背面，底層環(huán)形陣列天線的饋點(diǎn)和微帶線設(shè)置在正面。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，每個(gè)環(huán)形陣列天線均包括八個(gè)定向輻射天線陣元，每個(gè)定向輻射天線陣元覆蓋45°的扇形區(qū)域。

本發(fā)明得到以下有益效果。

1.天線陣列布局

天線設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的正交極化環(huán)形天線陣列疊層結(jié)構(gòu)。即如上所述，頂層和底層兩路天線采用水平極化定向縫隙偶極子組成環(huán)形陣列，中間層的天線采用垂直極化八木振子組成環(huán)形陣列。為保證MIMO性能最優(yōu)，同一時(shí)刻三路天線必須保持同一指向。相比于目前市場(chǎng)普遍采用的平鋪式天線陣列布局方式有如下優(yōu)點(diǎn)：

A:疊層式天線陣列結(jié)構(gòu)可縮小天線尺寸，而平鋪式天線陣列結(jié)構(gòu)對(duì)天線平面尺寸要求極大；

B：疊層式天線陣列結(jié)構(gòu)非常容易形成同一時(shí)刻三路天線指向一致的波束，平鋪式天線陣列結(jié)構(gòu)在三個(gè)天線陣列距離不足的情況下主要受天線陣列間相互阻擋而難以形成。

2.窄波束覆蓋

相比于市場(chǎng)上的動(dòng)態(tài)天線切換技術(shù)，本發(fā)明的八陣元天線陣列能形成波束寬度45度的窄波束，能有效的減小某一時(shí)段內(nèi)的AP覆蓋區(qū)域，減小信道競(jìng)爭(zhēng)窗口，減小信道競(jìng)爭(zhēng)的激烈程度。當(dāng)然，n選擇范圍可為2～32。

附圖說明

圖1是本發(fā)明定向窄波選擇智能天線系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖2與圖1相似，是圖1的另一視角的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖3是圖1中底層環(huán)形陣列天線的背面示意圖。

圖4是圖1中底層環(huán)形陣列天線的正面示意圖。

圖5是圖1中中層環(huán)形陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是圖1中頂層環(huán)形陣列天線的背面示意圖。

圖7是圖1中頂層環(huán)形陣列天線的正面示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)參閱圖1及圖2，本發(fā)明的定向窄波選擇智能天線系統(tǒng)包括上、中、下三層疊置且具有同一中心軸的三個(gè)環(huán)形陣列天線：頂層環(huán)形陣列天線1(如圖3及圖4所示)、中層環(huán)形陣列天線2(如圖5所示)、底層環(huán)形陣列天線3(如圖6及圖7所示)。

每個(gè)環(huán)形陣列天線均包括n個(gè)定向輻射天線陣元，其中n為正整數(shù)且不小于2，每個(gè)定向輻射天線陣元覆蓋360°/n的扇形區(qū)域，n個(gè)定向輻射天線陣元通過同軸線引出，焊接于一個(gè)天線控制板的單刀n擲開關(guān)的接口。在本實(shí)施例中，每個(gè)環(huán)形陣列天線均包括八個(gè)定向輻射天線陣元，每個(gè)定向輻射天線陣元覆蓋45°的扇形區(qū)域。八個(gè)陣元實(shí)現(xiàn)全向覆蓋，八個(gè)陣元通過同軸線引出，焊接于天線控制系統(tǒng)的單刀八擲開關(guān)的接口。天線控制系統(tǒng)是一個(gè)開關(guān)選擇系統(tǒng)，可包括射頻開關(guān)電路和FPGA控制電路。每一個(gè)環(huán)形陣列均由一個(gè)單刀八擲的射頻開關(guān)控制，每一路開關(guān)負(fù)責(zé)一個(gè)天線陣元的通斷。天線開關(guān)受控于FPGA控制電路。FPGA控制電路通過GPIO與主板的CPU相連。CPU發(fā)出的控制指令通過GPIO傳給FPGA，由FPGA控制電路實(shí)施對(duì)天線開關(guān)的控制。控制軟件模塊主要負(fù)責(zé)接收端來波方向判斷(DOA)以及形成波束選擇控制指令。廣播模式下控制軟件控制天線陣列全向波束掃描，獲取不同接收端在各方向的RSSI，形成功率密度譜，以判斷接收端用戶的具體方位。工作模式下控制軟件根據(jù)廣播模式獲取的用戶方位信息，形成波束選擇指令，選擇合適的指向型波束指向用戶。

請(qǐng)?jiān)俅螀㈤唸D6及圖7，底層環(huán)形陣列天線3為水平極化天線，相應(yīng)的八個(gè)定向輻射天線陣元為水平放置的八個(gè)縫隙耦合偶極子31。底層環(huán)形陣列天線3還包括承載相應(yīng)八個(gè)縫隙耦合偶極子的載體基板二33，在載體基板二33上八個(gè)縫隙耦合偶極子31環(huán)繞的區(qū)域設(shè)置為底層環(huán)形陣列天線3的接地區(qū)(GND)32。載體基板二33面向中層環(huán)形陣列天線2的一側(cè)為背面(如圖6所示)，相對(duì)另一側(cè)為正面(如圖7所示)，八個(gè)縫隙耦合偶極子設(shè)置在背面，底層環(huán)形陣列天線3的饋點(diǎn)34和微帶線35設(shè)置在正面。

請(qǐng)?jiān)俅螀㈤唸D3及圖4，頂層環(huán)形陣列天線1與底層環(huán)形陣列天線2結(jié)構(gòu)相同并且相對(duì)應(yīng)，在此不再一一敘述。同一個(gè)八木引向子天線的一端定位在底層環(huán)形陣列天線3中兩個(gè)相鄰的陣元之間，另一端定位在頂層環(huán)形陣列天線1中與所述兩個(gè)相鄰的陣元相對(duì)應(yīng)的那兩個(gè)相鄰陣元之間，使三個(gè)環(huán)形陣列天線為正交極化環(huán)形天線陣列疊層結(jié)構(gòu)。

三個(gè)環(huán)形陣列天線的各個(gè)對(duì)應(yīng)陣元的電磁波輻射方向保持一致且做天線開關(guān)切換時(shí)，同一時(shí)段內(nèi)三個(gè)環(huán)形陣列天線選擇輻射方向相同的三個(gè)陣元。三個(gè)環(huán)形陣列天線依上、中、下的次序，直徑逐層減小。

請(qǐng)?jiān)俅螀㈤唸D5，中層環(huán)形陣列天線2為垂直極化天線，相應(yīng)的八個(gè)定向輻射天線陣元為豎直放置的八個(gè)八木引向子天線。每個(gè)八木引向子天線與頂層環(huán)形陣列天線1接觸的一側(cè)，其一端為直線段21，從頂層環(huán)形陣列天線1的中心區(qū)域向頂層環(huán)形陣列天線1的邊緣延伸，另一端在頂層環(huán)形陣列天線1的邊緣朝靠近底層環(huán)形陣列天線1的一側(cè)轉(zhuǎn)折形成折線段22。

每個(gè)八木引向子天線包括載體基板一23以及設(shè)置在所述載體基板一23上且朝中層環(huán)形陣列天線2中心的方向依次直線排列引向器26、振子25、反射器24。其中振子25呈八字形，每個(gè)八木引向子天線的饋點(diǎn)27從八字形頭部的兩端引出。

引向器26、反射器24均呈“<”字形，振子25的八字形頭部、“<”字形的尖角均位于同一直線上且均朝向中層環(huán)形陣列天線2的中心。在每個(gè)八木引向子天線中，引向器26位于折線段22對(duì)應(yīng)的區(qū)域，反射器24位于直線段21對(duì)應(yīng)的區(qū)域，振子25一端位于折線段22對(duì)應(yīng)的區(qū)域，另一端位于直線段21對(duì)應(yīng)的區(qū)域。

區(qū)別于市場(chǎng)上的動(dòng)態(tài)天線切換技術(shù)，本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于兩點(diǎn)。

1.天線陣列布局

天線設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的正交極化環(huán)形天線陣列疊層結(jié)構(gòu)。即如上所述，頂層和底層兩路天線采用水平極化定向縫隙偶極子組成環(huán)形陣列，中間層的天線采用垂直極化八木振子組成環(huán)形陣列。為保證MIMO性能最優(yōu)，同一時(shí)刻三路天線必須保持同一指向。相比于目前市場(chǎng)普遍采用的平鋪式天線陣列布局方式有如下優(yōu)點(diǎn)：

A:疊層式天線陣列結(jié)構(gòu)可縮小天線尺寸，而平鋪式天線陣列結(jié)構(gòu)對(duì)天線平面尺寸要求極大；

B：疊層式天線陣列結(jié)構(gòu)非常容易形成同一時(shí)刻三路天線指向一致的波束，平鋪式天線陣列結(jié)構(gòu)在三個(gè)天線陣列距離不足的情況下主要受天線陣列間相互阻擋而難以形成。

2.窄波束覆蓋

相比于市場(chǎng)上的動(dòng)態(tài)天線切換技術(shù)，本發(fā)明的八陣元天線陣列能形成波束寬度45度的窄波束，能有效的減小某一時(shí)段內(nèi)的AP覆蓋區(qū)域，減小信道競(jìng)爭(zhēng)窗口，減小信道競(jìng)爭(zhēng)的激烈程度。當(dāng)然，n選擇范圍可為2～32。

本實(shí)施例的定向窄波選擇智能天線系統(tǒng)具備以下有益效果。

1.有效的提高AP的系統(tǒng)容量

由于采用定向波束切換天線，在某時(shí)段內(nèi)三路天線同時(shí)覆蓋特定45度范圍內(nèi)的區(qū)域，因此該時(shí)段該區(qū)域內(nèi)的用戶在信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制下更具有競(jìng)爭(zhēng)力，容易獲得信道資源分配。在下一時(shí)段內(nèi)，三路天線波束將指向下一個(gè)45度范圍的區(qū)域，以滿足下一個(gè)區(qū)域的用戶獲取信道資源，如此逐一切換8個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)天線全向覆蓋。通過合理的設(shè)定波束切換周期，可以保證天線波束切換到其他區(qū)域的時(shí)間段內(nèi)本區(qū)域的用戶與AP仍保持連線。在一個(gè)切換周期完成后，天線波束重新回到第一個(gè)45度區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行通信。如此通過分區(qū)分時(shí)波束切換可有效的提高系統(tǒng)容量。

2.商用環(huán)境下降低整機(jī)之間的干擾，減小布網(wǎng)施工難度，同時(shí)減少AP數(shù)量，降低AP成本。

與傳統(tǒng)的全向天線AP相比，波束切換式天線其波束在某區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間僅僅是切換周期的八分之一，若同一有限空間內(nèi)布局兩臺(tái)波束切換式天線的AP，與布局兩臺(tái)全向天線AP相比，其整機(jī)間波束相互疊加導(dǎo)致AP相互干擾的概率極小。而且，在很多情況下一臺(tái)波束切換式AP可以滿足大系統(tǒng)容量的需求，有效的避開了AC+多AP的布線架構(gòu)，減小布網(wǎng)施工的難度，減少AP個(gè)數(shù)，降低布網(wǎng)成本。

3.可實(shí)現(xiàn)高精度的WIFI室內(nèi)定位功能

由于采用波束切換式天線，系統(tǒng)可很方便地實(shí)現(xiàn)全向空間掃描，通過掃描采集用戶的RSSI及MAC地址，由CPU計(jì)算形成功率譜。因此用WIFI進(jìn)行定位時(shí)不但可以確定用戶離AP的距離，同時(shí)可以確定用戶具體的方位。更進(jìn)一步的，由于無線局域網(wǎng)的普及，可實(shí)現(xiàn)大范圍的定位、監(jiān)測(cè)和追蹤。

4.有利于提高天線增益，增加整機(jī)覆蓋距離

由于切換式天線采用定向天線替代全向天線，定向天線比較容易做成高增益天線，天線增益提高可增加整機(jī)的覆蓋距離。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。