CN100336315C - 极化分集的小灵通phs通信系统全向智能天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极化分集的小灵通PHS通信系统全向智能天线。将三个±45°极化扇区六阵列天线(5、6)与幅相控制器(1)，功率放大器(3)等有源控制单元集为一体。六阵列天线采用三面±45°极化扇区阵列定向天线，三个+45°极化扇区阵列天线(6)接收上行信号，并通过控制幅度和相位，达到高增益全向极化分集，再经功放后增加上行增益，保持上、下行链路平衡；三个-45°极化扇区阵列天线(5)完成接收上行和发射下行信号的双向功能，接收时，与三个+45°极化扇区阵列天线(6)联合接收，发射时，对基站的下行功率放大后，经幅相控制器控制幅度和相位，分配到三个阵列定向天线转发，形成全向发射覆盖。具有结构简单，成本低，可将10mw基站升级到50mw基站之优点。

Description

极化分集的小灵通PHS通信系统全向智能天线

技术领域

本发明涉及基站天线，尤其是一种小灵通PHS通信系统基站应用的极化分集全向智能天线。

背景技术

随着全球移动通信业务的迅速发展，用户的数量在不断增加，业务的类型也越来越多样化，因而，频率资源已经成为解决通信发展瓶颈的首要问题。目前，解决这一问题的技术手段有两种，一种手段是通过增加频谱带宽以及基站和小区数量来优化移动网络，提高网络覆盖和容量，但是投入巨大，带来的干扰问题也比较突出，而且扩展的频率资源是很有限的。第二种手段是通过智能天线技术扩展频率资源，这种手段是解决频率问题的有效通经，世界各国政府、主要设备制造商和运营商都给予高度关注，并且投入大量的人力、物力和才力进行研究。第三代移动通信标准组织已经认识到智能天线在降低网络干扰方面的重要作用，在第三代移动通信系统中，宽频分码多工存取WCDMA以及应用于3G的一种宽频CDMA技术cdma2000的标准制定已经充分考虑了兼容智能天线技术，支持智能天线技术的条款已经出现，而智能天线技术更是第三代移动通信系统的另外一个标准时分同步码分多址TD-SCDMA的核心技术之一，可见智能天线已成为3G的重要组成部分。

智能天线技术最初应用于雷达、声纳、军事方面，称为自适应阵列天线。后来被引入移动通信系统，称为智能天线。智能天线技术是一种多入多出MIMO或多发多收天线MTMRA技术在无线移动通信领域的具体应用。智能天线的原理是利用赋形波束，将天线方向图主瓣对准期望方向，低增益副瓣对准干扰方向，完成空域滤波。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。一般在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线就可满足服务质量和网络扩容的需要，而且将通信资源拓展到了空间域，不再局限于时间域、频率域和码域，属于空分多址SDMA体制。因此，智能天线技术通过空间滤波，降低干扰，可达到增加容量、扩大覆盖和提高网络质量的目的，并且所需的经济成本比较合理。

智能天线按照赋形波束的运动特性可以分为固定多波束智能天线和自适应波束智能天线，其中：

固定多波束智能天线是多个射频输入、输出口的阵列天线，结合巴特勒矩阵的幅相控制，可达到在一个水平覆盖扇区，例如120°扇区，同时产生多个电磁波束。每一个波束由于水平波瓣宽度变窄，例如，从120°变到30°，既提高了增益，也减小了干扰及多径效应影响，提高了系统的信干噪比。由于手机用户在移动通信中，从一个波束到另一个波束的切换是由基站内部的协议控制，因而其技术复杂程度较低，容易实现。但这种天线系统理论上讲只有当用户处于波束正中央时，智能效果才是最有效的，一旦用户离开波束中心，信号就会发生衰落。当用户靠近波束的最边缘时，在切换到相邻波束之前，信号强度会发生相当大的衰落，可能产生掉话。

自适应波束智能天线也是多个射频输入、输出口的阵列天线，每个射频输入、输出口都接一套射频收发信机，通过基带处理算法，确定基站接收来波方向，提取出来波方向各阵列天线的接收相位信息，并在发射时，将此信息赋予相应的各阵列天线，得到与接收波束相同的发射波束。由于多天线阵列随着阵列数目的增多，波束愈窄，因而该自适应波束智能天线形成的水平波束变窄，增益比单个阵列天线提高，且干扰及多径效应减小，提高了系统的信干噪比。对于不同方向的手机用户，各阵列天线的接收相位也不同。由此赋形的发射波束指向不同的手机用户，当手机用户移动时，基带处理时提取阵列天线相位信息，并相应地控制阵列天线发射相位，使发射波束随手机的移动而移动，称为波束跟踪。由于该自适应波束智能天线是在基带DSP上进行算法处理，舍去了巴特勒矩阵的插入损耗，因此与固定波束智能天线相比信噪比更高。但是，这种天线的算法复杂，需要的硬件平台处理能力，且系统结构复杂，系统的性价比降低；同时存在智能基带处理系统和非智能天线系统的平滑过渡障碍。

由于智能天线必须与系统一起设计，而不是作为系统设计好之后的一个配套件，因此很难直接应用于原有的基站系统。为了克服上述缺点，市场上已推出一种称为“双工塔顶放大器”的产品。它在原基站天线根部串入一个“双工放大器”，对下行基站发射信号进行功率放大，对上行基站接收信号进行“低噪声放大”，以提高基站系统的信干噪比，扩大基站的有效覆盖。但是由于受“低噪声放大器”改善程度的限制，通常只可降低系统噪声1～2dB，因而增加“双工塔顶放大器”，虽然增大了下行覆盖，但上行改善甚微，使基站有效覆盖增大不明显，且上行与下行链路不对称，特别是小灵通系统，因其手机功率仅10mw，“双工塔顶放大器”更达不到预期效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述双工塔顶放大器式基站天线的不足，提供一种在不更换原有小灵通PHS基站及仍使用10mw小功率手机的基础上，能够提高原有基站的上下行增益，扩大原有基站覆盖范围的极化分集的小灵通PHS通信系统全向智能天线，使小灵通PHS小基站升级，达到500MW大基站的覆盖效果。

实现本发明目的技术思路是不改变原基站结构的“塔顶放大器”设计思想，仅将原基站天线更换为本发明的极化分集全向智能天线。基于时分系统，智能天线的有源部分从原基站的发送信号中获取收发控制信号，可保证与原基站直接相连的同步特性，实现对小基站的升级；利用智能天线的多个射频输入、输出口的阵列天线原理和定向天线比全向天线增益高的特点，设计一种可以提高基站覆盖范围的新型智能天线。其技术方案是将接收天线由原来的全向天线覆盖改为由三面±45°极化扇区六阵列天线组合覆盖，联合接收，并通过控制阵列天线的幅度和相位，达到高增益全向极化分集效能，增加上行链路接收增益，保持上、下行链路的平衡。其技术特征之一是将三面±45°极化扇区六阵列天线与有源控制单元集成为一个整体，减少馈线的损耗，降低接收噪声系数，提高接收信号信噪比，该有源控制单元由幅相控制器、收发隔离器、功率放大器和直流电源组成。特点之二是采用三面±45°极化扇区六阵列定向天线，形成接收全向覆盖，其中，三个+45°极化扇区三阵列天线用于完成上行信号接收，即将接收到的上行信号，通过幅相控制器进行全向合成和选择性极化分集接收后，进入功率放大器放大，再输入到基站；三个-45°极化扇区三阵列天线用于完成上行信号接收和下行信号发射双向功能，上行接收时与+45°极化三阵列天线联合接收，并将接收到的上行信号，通过另一幅相控制器进行全向合成和选择性极化分集接收后，再经收发隔离器进入功率放大器放大后输入到基站；下行发射时，由功率放大器对原基站的10MW下行功率进行放大后，经由收发隔离器，通过幅相控制器分配到三个-45°阵列定向天线，按时分序列下行转发，形成发射全向覆盖。

本发明与现有技术比较具有明显的优点：

1.与目前普遍使用的PHS无源天线相比，由于上行利用极化分集处理阵列天线作全向覆盖，代替原空间极化分集，大大缩小了天线空间占用体积；同时由于下行采用选择性放大，保证了传输通道的上下行平衡，且下行信号只使用一个控制信道即可实现全向覆盖。

2.与传统智能天线比较，省略了大量复杂的硬件设备；不需要进行复杂的信号处理；省略了通道校准，成本低廉。

3.与传统的“双工塔顶放大器”比较，克服了“双工塔顶放大器”仅仅依靠有限地改善接收噪声放大器的噪声系数，不能弥补由于手机功率小，上行有效覆盖增大不明显的问题；增大了上行链路的增益，保证了上、下形链路平衡，使小基站达到了大基站的有效覆盖。

通过对使用本发明智能天线的小灵通10mW基站和对使用普通天线的500mW基站的定点测试对比表明，使用本发明智能天线的10mW基站其覆盖效果优于500mW基站使用普通天线的效果，其数据如下表所示：

类别	最强场强覆盖率	次强场强覆盖率	大于40dBμV的覆盖距离
				500mw基站普通天线	91.18％	71.57％	782米
10mw基站智能天线	99.31％	89.58％	822米

附图说明

图1是本发明的原理图

图2是本发明的整体结构图

图3是本发明的一个实施例的外形图

图4是本发明的水平方向图

图5是本发明用在10mW基站与普通天线用在500mW基站的强场强测试图

图6是本发明用在10mW基站与普通天线用在500mW基站的次强场强测试图

图7是本发明用在10mW基站与普通天线在500mW基站的有效CS数测试图

图8是本发明用在10mW基站与普通天线在500mW基站的定站误码率测试图

具体实施方式

以下参照附图进一步说明本发明的结构与效果

参照图1，本发明由以下五部分组成：

①阵列天线5、6

该阵列天线是由三面±45°极化单元组成的双极化扇区六阵列定向天线，其中：

-45°极化扇区的三个阵列定向天线5是双向使用的，按时分序列对放大后的信号进行下行发射和对上行信号进行接收；

+45°极化扇区的三个阵列定向天线6用来对上行信号进行接收。

②幅相控制器1

该幅相控制器完成对上行和下行信号的幅度和相位控制。由于本发明采用三面扇区双极化六阵列天线组合形成接收全向覆盖，故将幅相控制器设为按±45°极化阵列定向天线分别对应连接的两个，每个幅相控制器分为三路输入。

③功率放大器3

该功率放大器主要完成三种功能，一是从基站发射的前向信号中提取收发控制信号；二是对基站发射的下行信号进行功率放大；三是对接收到的上行弱信号进行低噪声放大。

④收发隔离器2

该收发隔离器主要用于对双向使用的-45°极化的三个阵列天线的收发信号进行隔离，即发射时隔离接收信号，接收时隔离发射信号。

⑤直流电源4

该电源主要完成对输入的220V的交流电或远端提供的直流电压变换为系统内各电路使用的直流电压。

上述各部件的连接关系及工作原理如下：

-45°极化扇区的三个阵列定向天线5与幅相控制器1、收发隔离器2、功率放大器3和直流电源3依次连接，其中，收发隔离器2分别与幅相控制器1和功率放大器3双向连接。+45°极化扇区的三个阵列定向天线6通过另一幅相控制器1与功率放大器3连接。

接收时，双极化六阵列天线同时工作，联合接收上行信号。三个+45°极化扇区阵列定向天线6将接收到由手机发来的上行信号，通过幅相控制器1进行全向合成，并对接收下来的信号进行选择性极化分集接收后，输入到功率放大器3进行放大，然后输入到基站。三个-45°极化扇区阵列天线5也将接收到由手机发来的上行信号，输入到另一幅相控制器1进行全向合成，并对接收下来的信号进行选择性极化分集接收后，通过收发隔离器2输入到功率放大器3进行放大，然后输入到基站。

发射时，只是三个-45°极化扇区阵列天线5工作。功率放大器3按时序把小基站发射的下行信号进行功率放大后，通过收发隔离器2送入到幅相控制器1，由幅相控制器将其分配到三个-45°极化扇区阵列定向天线，再下行转发，利用定向天线本身的高增益形成全向发射覆盖，使手机在不同方位都可以接收到基站转发的下行强信号。

参照图2，本发明的双极化扇区六阵列天线是将三面阵列定向天线连接成一个整体，每个面上固定由±45°极化天线单元8构成的两个阵列，所有的有源控制单元设置在该整体的空闲位置，形成集有源控制单元和三面扇区双极化扇区阵列于一体的天线结构，以减少馈线的损耗，降低接收噪声系数，提高了接收信号信噪比。所述的一体天线结构上端固定有避雷器7，下端分别从功率放大器和直流电源引出射频馈线9和电源线10。所述的一体天线结构外面套有天线罩11，构成一个外形封闭的天线产品，如图3所示。安装时只要将两根射频馈线9直接与基站相连接，插上电源即可。

参照图4，从测试的水平方向可见，本发明的不圆度小于±2.5dB，达到了较好的全向特性。

参照图5～图8可以看出，使用本发明可将10mw的基站升级到500mW基站的效果。

图5a是普通天线用在500mW基站最强场强覆盖测试

图5b是本发明的智能天线用在10mW基站的最强场强覆盖测试

一般来说，在小灵通系统中手机接入系统的最低电平为26dBμV，但在实际的要求中，一般要求室外覆盖要达到40dBμV左右，否则室内窗边信号就达不到手机最低接入要求。从图5a可以看出，使用普通天线的500mW基站最强场强值大部分处在40dBμV以上，覆盖率为91.18％，处在30dBμV至40dBμV为7.84％。从图5b可以看出使用本发明的智能天线在10mW基站最强场强值绝大部分处在40dBμV以上，覆盖率为99.31％。

可见，使用本发明智能天线的10mW基站其最强场强覆盖效果稍优于使用普通天线的500mW基站。

图6a是普通天线用在500mW基站次强场强覆盖测试

图6b是本发明的智能天线用在10mW基站的次强场强覆盖测试

由于小灵通系统采用信道分配体系为动态分配，基站的覆盖层数决定了所能够提供给用户信道的个数，因此，次强覆盖是分析有效提供给用户信道的覆盖小灵通参数。从图6a可以看出，使用普通天线的500mw基站次强场强处在40dBμV以上，覆盖率为71.57％，次强场强值大部分处在30dBμV至40dBμVdBμV为26.47％。从图6b可以看出使用本发明智能天线的10mW基站次强场强值处在40dBμV以上，覆盖率为89.58％，次强场强值大部分处在30dBμV至40dBμVdBμV以上，覆盖率为9.72％。

图7a是普通天线用在500mW基站的有效CS数测试

图7b是本发明的智能天线用在10mW基站的有效CS数测

有效CS数是指接受到场强值大于40dBμV的基站个数，由于小灵通系统采用信道分配体系为动态分配，因此，基站的覆盖层数多少决定了所能够提供给用户的信道个数。从图7a可以看出，使用普通天线的500mw基站有效CS数大于1的覆盖率为91.18。从图7b可以看出，使用本发明智能天线的10mW基站有效CS数大于1的覆盖率为99.31。

图8a是使用普通天线的500mW基站定站误码率测试

图8b是使用本发明智能天线的10mW基站定站误码率测试

从8a与8b的对比可以看出以下三个方面的差别：

(1)从误码率上看，使用智能天线的10mW基站的误码率比使用普通天线的500mW基站的误码率要稍低一点。

(2)从大于40dBμV覆盖有效范围看，使用智能天线的10mW基站的覆盖距离为822米，使用普通天线的500mW基站的覆盖距离为782米。

(3)从全面指标来看，使用智能天线的10mW基站，超过了使用普通天线的500mW基站。

Claims (3)

1.一种极化分集的小灵通PHS通信系统全向智能天线，其特征在于：

A.将三个±45°极化扇区六阵列天线与第一和第二两个幅相控制器(1)、收发隔离器(2)、功率放大器(3)、电源(4)集成为一个整体，以减少馈线损耗，降低接收噪声系数；

B.所述的三个±45°极化扇区六阵列天线采用三面±45°极化扇区六阵列定向天线，形成接收全向覆盖，其中：

三个+45°极化扇区阵列天线(6)用于完成上行信号接收，即将接收到的上行信号，通过第一幅相控制器(1)进行全向合成和选择性极化分集接收后，获得高增益全向极化分集效能，再进入功率放大器(3)经放大后输入到基站，增加上行链路接收增益，保持上、下行链路平衡；

三个-45°极化扇区阵列天线(5)用于完成接收上行信号和转发下行信号的双向功能，即在接收上行信号时，与三个+45°极化扇区阵列天线(6)联合接收，并将接收到的上行信号，通过第二幅相控制器(1)进行全向合成和选择性极化分集接收后，再经收发隔离器(2)进入功率放大器(3)放大后输入到基站；在转发下行信号时，由功率放大器(3)按时序对基站发射的下行功率放大后，经收发隔离器(2)进入该第二幅相控制器(1)分配到三个阵列定向天线下行转发，形成全向发射覆盖。

2.根据权利要求1所述的全向智能天线，其特征在于第一和第二幅相控制器(1)都分为三路输入，分别与三个+45°极化扇区阵列天线和三个-45°极化扇区阵列天线连接，完成对上行和下行信号的幅相控制。

3.  根据权利要求1所述的全向智能天线，其特征在于收发隔离器(2)分别与第二幅相控制器(1)和功率放大器(3)双向连接，用于控制对-45°极化扇区的三个阵列天线的收发信号进行隔离，即在发射时隔离接收信号，接收时隔离发射信号。

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