CN103052084B - 一种智能天线及其波束调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能天线及其波束调整方法，用以解决高层建筑密集区域内的无线网络覆盖问题。所述智能天线包括多个纵向排列的横向阵元，每个阵元由多个排列在一条水平直线上且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个信号放大器的输出通道；所述智能天线在水平方向上的波束宽度为30至150度，在垂直方向上的广播波束宽度为15至165度，在垂直方向上的业务波束宽度不超过20度。所述智能天线进行波束调整时，通过改变各阵元的激励信号的幅度和相位调整垂直方向上的波束宽度，通过改变阵元中各振子的激励信号的相位调整水平方向上的波束宽度。

Description

一种智能天线及其波束调整方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种智能天线及其波束调整方法。

背景技术

移动通信无线网络中使用的智能天线属于多阵元天线，现有智能天线中阵元和振子的摆放方式如图1所示，智能天线包括多个横向排列的纵向阵元，每个阵元由多个轴向串列摆放且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个AP(信号放大器)的输出通道，图1中以八通道智能天线为例进行说明。传统智能天线在水平方向和垂直方向上的波束场图请参见图2，图2中右边的曲线表示水平覆盖范围，上方的曲线表示垂直覆盖范围。从图2中可以看出，该智能天线在垂直方向上是窄波束，波束宽度通常只有7至8度。

智能天线可工作在两种工作模式：广播波束模式和业务波束模式。广播波束覆盖整个小区，使小区内所有移动终端始终与基站保持联系；业务波束为窄波束(指水平方向)，可在广播波束覆盖范围内扫描，其能量集中并指向通信移动终端，可有效降低干扰，提高容量。图3和图4分别是传统智能天线在水平方向上的广播波束场图和业务波束场图。

近年来，随着移动用户普及率的提高，移动用户使用手机等移动终端的场合越来越广。随着城市化的飞速进展，许多城区内都出现了大量高层建筑密集的商业区和住宅小区，现有的移动通信无线网络不能对高层建筑密集区域进行良好覆盖，导致移动用户在高层建筑密集区域内使用移动终端时经常遇到无线信号不好、无法接通或通话质量差等情况。

目前，为了解决高层建筑密集区域内的无线网络覆盖问题，技术人员需要进行大量的网络优化工作，例如增加基站数量或者增加天线数量，导致网络维护困难。另一种解决方案是在高层建筑物内安装分布天线(即多点布放天线)，通过众多吸顶天线实现对高层建筑物的覆盖。该方案的缺点是在实施过程中需要业主配合，工程建设和维护难度大，常出现因业主限制而无法施工的现象。

发明内容

本发明实施例提供一种智能天线及其波束调整方法，用以解决高层建筑密集区域内的无线网络覆盖问题。

本发明实施例提供的智能天线，包括多个纵向排列的横向阵元，每个阵元由多个排列在一条水平直线上且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个信号放大器的输出通道；所述智能天线在水平方向上的波束宽度为30至150度，在垂直方向上的广播波束宽度为15至165度，在垂直方向上的业务波束宽度不超过20度。

本发明实施例提供的上述智能天线的波束调整方法，包括：

通过改变各阵元的激励信号的幅度和相位调整垂直方向上的波束宽度，通过改变阵元中各振子的激励信号的相位调整水平方向上的波束宽度。

本发明实施例提供的智能天线，将多个振子排列在一条水平直线上组成横向阵元，并将多个横向阵元纵向排列组成智能天线，能够实现业务波束的垂直方向扫描，并且在水平方向上为宽波束，从而实现了对高层建筑物的良好覆盖，保证了高层建筑密集区域内的无线通讯效果。

本发明实施例提供的智能天线的波束调整方法，在垂直方向上的覆盖范围较大且可以通过改变各阵元激励信号的大小和相位来进行调整，在水平方向上的覆盖范围较大且可以通过改变阵元中振子的激励信号的相位来进行微调，因而能够很好地覆盖不同大小和形状的高层建筑物。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为传统智能天线中阵元和振子的摆放方式示意图；

图2为传统智能天线在水平方向和垂直方向上的波束场图；

图3为传统智能天线在水平方向上的广播波束场图；

图4为传统智能天线在水平方向上的业务波束场图；

图5为本发明实施例中智能天线的振子和阵元设置示意图；

图6为本发明实施例中智能天线覆盖目标高层建筑物时的空间位置示意图；

图7为本发明实施例中智能天线各阵元接收电磁波的波程差示意图；

图8为本发明实施例中具有4行4列振子的智能天线模型结构图；

图9为本发明实施例中图8所示智能天线的广播波束在垂直方向上的仿真结果；

图10为本发明实施例中图8所示智能天线的业务波束在垂直方向上的仿真结果；

图11为本发明实施例中智能天线的阵元中各振子发射电磁波的波程差示意图；

图12为本发明实施例中图8所示智能天线的广播波束在水平方向上的仿真结果；

图13为本发明实施例中图8所示智能天线的业务波束在水平方向上的仿真结果；

图14为本发明实施例中将水平方向波束场图向宽方向调整原理图；

图15为本发明实施例中将水平方向波束场图向窄方向调整原理图；

图16为本发明实施例中研究广播波束水平方向宽度调整时所用智能天线模型示意图；

图17为本发明实施例中图13所示智能天线的水平方向波束的初始权值仿真结果(调节前)；

图18为本发明实施例中图13所示智能天线的水平方向波束场图向宽方向调整仿真结果(Φ＝15度)；

图19为本发明实施例中图13所示智能天线的水平方向波束场图向窄方向调整仿真结果(Φ＝15度)。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例提供了一种移动通信无线网络中使用的智能天线，用以解决高层建筑密集区域内的无线网络覆盖问题，对于加快实现TD-SCDMA系统、以及TD-LTE系统的深度无线网络覆盖提供基础。

如图5所示，本发明实施例提供的智能天线，包括多个纵向排列的横向阵元，每个阵元由多个排列在一条水平直线上且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个AP(信号放大器)的输出通道；该智能天线在水平方向上的波束宽度为30至150度，在垂直方向上的广播波束宽度为15至165度，在垂直方向上的业务波束宽度不超过20度。

较佳的，组成阵元的振子采用垂直极化振子，智能天线的振子保持垂直激励方式，不仅有利于电磁波在地球表面的传播，而且还与移动通信系统的移动终端天线和基站天线的方向相匹配，同时满足TD-SCDMA系统、TD-LTE系统等时分复用的要求。当然，组成阵元的振子也可以采用双极化振子。

具体实施中，所述智能天线的阵元个数大于0小于10，各阵元包括的振子个数相等且大于0小于10；同一阵元中相邻振子的间距大于0小于等于λ，较佳的，同一阵元中相邻振子的间距取值为λ/2；相邻阵元中对应振子的间距大于0小于等于2λ；本申请文件中，λ表示智能天线所接收和发射的无线信号的波长。智能天线的阵元个数大于0小于10，相应的图5中行数N的取值为大于0小于10；各阵元包括的振子个数相等且大于0小于10，相应的图5中列数M的取值为大于0小于10。

通常情况下，所述智能天线包括的后背挡板，后背挡板设置在振子阵列的后部，后背挡板与振子阵列所在平面的间距大于0小于λ，较佳的，后背挡板与振子阵列所在平面的间距取值为λ/4；后背挡板的大小超过振子阵列的大小，四周均留有富裕量，富裕量取值在0至λ之间，也就是说，后背挡板的边缘超出振子阵列的边缘的长度大于0小于λ。

为了保证智能天线的前后比，通常在后背挡板的四周设置有侧板，侧板的宽度大于0小于λ，侧板与后背挡板的夹角大于0度小于等于90度。

本发明实施例中，智能天线的波束调整方法包括：

1)垂直方向采用电调整

对每个阵元(横向)的激励信号即输入电信号设置不同的权值，所述权值包括幅度和相位，物理实现为带有不同相位的电流。通过权值的调整可以满足宽覆盖的覆盖需求；同时在业务模型下，通过权值的调整可以变为窄波束，从而降低用户间干扰。

2)水平方向采用机械调整

机械调整属于微调范围，保证提供较宽的覆盖范围即可。在物理上，也通过改变“传输材料”的长短来实现波束调整。

本发明实施例提供的智能天线，保留了广播波束和业务波束两种工作模式，广播波束和业务波束都是指垂直方向上的波束场图。该智能天线可在垂直方向上提供较宽的广播波束，从而可以改善高层建筑物从低层到高层的覆盖效果，并且可在垂直方向上提供较窄的业务波束，业务波束用于跟踪移动终端，从而为高层建筑物内各层移动用户提供服务；该智能天线可在水平方向上提供宽波束，从而可以保证高层建筑物的水平方向完全覆盖要求。

请参见图6，本发明实施例提供的智能天线可以安装到目标高层建筑物A对面的建筑物B上，从而对目标高层建筑物A进行覆盖。建议将智能天线安装在较低的位置，可以减少对环境的电磁污染。采用本发明实施例提供的智能天线覆盖目标高层建筑物时，可以根据该目标高层建筑物的实际楼体宽度选用水平方向波束宽度合适的智能天线，也可采用具有手动相位调节功能的智能天线，将智能天线的方向角和波束宽度调整到合适范围，避免波束太窄造成欠覆盖或波束过宽造成对其他小区的干扰。具有手动相位调节功能的智能天线中，每个阵元与驱动该阵元的信号放大器的输出通道之间设置有移相器。

根据目标高层建筑物的实际楼体高度和智能天线的安装位置，调整智能天线在垂直方向上的广播波束场图的形状和偏转方向，保证覆盖效果，调整方式是修改各阵元激励信号。智能天线接收到移动终端发射的信号后，会根据该移动终端所在的楼层，调整各阵元激励信号，使业务波束指向该移动终端，实现垂直方向的扫描。

下面介绍本发明实施例提供的智能天线的垂直方向波束场图实现原理。

由本发明实施例提供的智能天线的结构可知，一旦将振子固定在天线反射板上，振子之间的相对位置即固定不变，也就是说，每个阵元内振子的相位和幅度关系是确定的。

每个阵元连接一个AP的输出通道，构成多通道智能天线。每个通道电信号的幅值和相位是独立的，智能天线整体的电磁波是由各个阵元电信号矢量叠加的结果。

请参见图7，在垂直方向上，每个阵元可用类似振子的行为考虑。图7中的黑点表示阵元，阵元从下向上排列设置，最下面的阵元编号为0，向上依次顺序编号。从图7可以看出，远方传来的电磁波(可视为平面波)，空域上到达各个阵元时所经过的距离不同，以垂直于振子阵列所在平面的入射方向为0度方向，顺时针计算入射波夹角θ，各编号阵元入射波相对于0号阵元的波程差分别为Δdn，其中，n表示阵元编号，n＝0、1、2、3...N，设相邻阵元的间距为λ/2，因此，请参见公式[1]：

$\mathrm{\Δdn}=n\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\sin \mathrm{\θ}---\left[1\right]$

其中，具体数值计算如下：

1号阵元入射波相对于0号阵元的波程差： $\mathrm{\Δd}1=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\sin \mathrm{\θ};$

2号阵元入射波相对于0号阵元的波程差：Δd2＝λ·sinθ；

3号阵元入射波相对于0号阵元的波程差： $\mathrm{\Δd}3=\frac{3\mathrm{\λ}}{2}\·\sin \mathrm{\θ};$

N号阵元入射波相对于0号阵元的波程差： $\mathrm{\ΔdN}=N\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\sin \mathrm{\θ}.$

时域上入射波的相位差为：Δdn·(2π/λ)，其中n＝0、1、2、3...N。可见，空间上距离的差别导致了各个阵元上接收信号相位的不同。经过加权后整个智能天线接收到的无线信号，请参见公式[2]：

$Z\left(t\right)=A\·s\left(t\right)\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_n{e}^{-\mathrm{jn\π}\sin \mathrm{\θ}}---\left[2\right]$

其中，A表示增益常数，s(t)表示复包络信号，W_n表示n号阵元的加权因子，其中n＝0、1、2、3...N。根据正弦波的叠加效果，假设各个阵元的加权因子分别如公式[3]所示：

$W_n=B_n{e}^{-\mathrm{jn\π}\sin {\mathrm{\φ}}_n}---\left[3\right]$

其中，B_n、φ_n表示n号阵元激励信号即输入电信号的幅度、相位，则如公式[4]所示：

$Z\left(t\right)=A\·s\left(t\right)\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{-\mathrm{jn\π}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\φ}}_n)}---\left[4\right]$

可见，选择不同的B_n、φ_n，将改变垂直方向波束所对应的角度和形状，所以可以通过改变各阵元激励信号即输入电信号的权值(包括幅值、相位)来选择合适的垂直方向波束形状和方向作为垂直方向广播波束场图，由于广播波束要覆盖到所有覆盖区域内每一个移动终端，所以权值的选取一定要使波束宽度适应覆盖区域。智能天线在应用中可以根据移动终端来波方向和形状，取对应的权值应用于去波，作为变动的垂直方向业务波束场图，由于此时只针对一个移动终端方向，所以对应的权值一定是智能天线在此方向的最窄波束。

本发明实施例提供的智能天线的仿真模型请参见图8，其中N取值为4、M取值为4，即智能天线包括四个纵向排列的横向阵元，每个阵元由四个垂直极化的振子组成，其中，YOZ平面平行于地面，XOZ平面垂直于地面。基于图8中智能天线的仿真模型，智能天线的波束场图在垂直方向上的仿真结果请参见图9和图10，其中图9为智能天线在垂直方向上的广播波束场图，图10为智能天线在垂直方向上的业务波束场图。

下面介绍本发明实施例提供的智能天线的水平方向波束场图实现原理。

请参见图11，图11中的黑点表示振子，设置在一条水平直线上。一旦将振子固定在天线反射板上，振子之间的相对位置即固定不变，每一行中振子并联供电组成一个智能天线的阵元。

将最下面一行的右侧第一个振子编号为0，向左依次顺序编号。从图11可以看出，天线向远方传递电磁波(在远方可视为平面波)，空域上到达远场移动终端(可以看作一个点)，阵元中各振子所经过的距离不同，以垂直于振子阵列所在平面的方向为0度方向，顺时针计算发射波夹角θ，各编号振子发射波相对于0号振子的波程差分别为Δdm，其中，m表示振子编号，m＝0、1、2、3...M，设相邻振子的间距为λ/2，因此，请参见公式[5]：

$\mathrm{\Δdm}=m\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\sin \mathrm{\θ}---\left[5\right]$

其中，具体数值计算如下：

1号振子发射波相对于0号振子的波程差： $\mathrm{\Δd}1=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\sin \mathrm{\θ};$

2号振子发射波相对于0号振子的波程差：Δd2＝λ·sinθ；

3号振子发射波相对于0号振子的波程差： $\mathrm{\Δd}3=\frac{3\mathrm{\λ}}{2}\·\sin \mathrm{\θ};$

M号振子发射波相对于0号振子的波程差： $\mathrm{\ΔdM}=M\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}\·\sin \mathrm{\θ}.$

时域上发射波的相位差为：Δdm·(2π/λ)，其中m＝0、1、2、3...M。可见，空间上距离的差别导致了各个振子上输出信号相位的不同。经过加权后整个智能天线输出的无线信号，请参见公式[6]：

$Z\left(t\right)=A\·s\left(t\right)\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{W}_m{e}^{-\mathrm{jm\π}\sin \mathrm{\θ}}---\left[5\right]$

其中，A表示增益常数，s(t)表示复包络信号，W_m表示m号振子的加权因子，其中m＝0、1、2、3...M。根据正弦波的叠加效果，假设各个振子的加权因子分别如公式[7]所示：

$W_m=e^{-\mathrm{jm\π}\sin {\mathrm{\φ}}_m}---\left[7\right]$

其中，φ_m表示m号振子激励信号即输入电信号的相位，则如公式[8]所示：

$Z\left(t\right)=A\·s\left(t\right)\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-\mathrm{jm\π}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\φ}}_m)}---\left[8\right]$

可见，设置每一行上的各个振子时选择不同的间距可得到振子间不同的波程差，或通过改变各个振子激励信号即输入电信号的相位φ_m，将改变Z(t)对应的角度和波包络的形状。利用这个原理，可以在智能天线出厂时制作在水平方向上有侧向角的智能天线，或通过改变振子激励信号即输入电信号的相位的物理方法改变水平方向上的波束宽度，在实际应用中，可以手动调节以适应具体的覆盖需求。其他各行阵元中振子的设置和调节请参照第一行阵元中振子的设置和调节方式，最后将所有振子的信号进行同项合并，使整个智能天线在水平方向上的波束场图得到设定和调节，且一旦确定即不再频繁改动。

基于图8中智能天线的仿真模型，智能天线的波束场图在水平方向的仿真结果请参见图12和图13，其中图12为智能天线在水平方向上的广播波束场图，图10为智能天线在水平方向上的业务波束场图。可以看出，在水平方向也保持较宽的覆盖范围，有利于对整个目标高层建筑物的覆盖。由于涉及到业务波束扫描，即激励信号是随移动终端不同而变化，因此水平方向上的波束场图会有微小变化。

下面介绍本发明实施例提供的智能天线的水平方向波束宽度调整原理。

通过改变智能天线中各个振子激励信号即输入电信号的相位，可以改变整个智能天线合成的信号场强强度，改变智能天线的水平方向广播波束宽度的实现原理如图14、图15所示，对于间隔排列(间距为d)M个振子的子阵列i(i＝1，2，...，N)，馈电网络将子阵列i(i＝1，2，...，N)的所有辐射单元通过移相器从振子中顺次激励出相位差Φ，可改变各个辐射单元馈电相位，各个辐射单元合成信号即实现智能天线的水平方向上的波束宽度变宽或变窄。

在图14中，从中间振子(M/2-1，M/2+1)到两端振子依次递减相位差Φ，可使智能天线在水平方向上的波束宽度变宽；在图15中，从中间振子(M/2-1，M/2+1)到两端振子依次递增相位差Φ，可使智能天线在水平方向上的波束宽度变窄。

对于图14、图15所示的智能天线，每个子阵列的第j个振子同时激励同样相位，对多个子阵列同时仿真要求较高，且多个子阵列智能天线的水平方向波束调节效果与单个子阵列智能天线的趋于一致，因此本申请文件中仿真采用8个振子组成的单子阵列智能天线进行仿真。如图16所示，M＝8的单子阵列智能天线，按照上述方式调整各振子的激励信号。仿真结果如图17、图18和图19所示。通过仿真结果可以看出，通过调整子阵列中各振子的激励信号的相位，可以起到改变智能天线在水平方向上的波束宽度的作用。采用方式一(图14)激励信号的相位差Φ＝15度时，可使智能天线的水平方向波束宽度变宽到60度，采用方式二(图15)激励信号的相位差Φ＝15度时，可使智能天线的水平方向波束宽度变窄到25度。具体实施中，相位差Φ的取值一般为大于0度小于等于15度。

本发明实施例提供的智能天线，将多个振子排列在一条水平直线上组成横向阵元，并将多个横向阵元纵向排列组成智能天线，能够实现业务波束的垂直方向扫描，并且在水平方向上为宽波束，从而实现了对高层建筑物的良好覆盖，保证了高层建筑密集区域内的无线通讯效果。

本发明实施例提供的智能天线的波束调整方法，在垂直方向上的覆盖范围较大且可以通过改变各阵元激励信号的大小和相位来进行调整，在水平方向上的覆盖范围较大且可以通过改变阵元中振子的激励信号的相位来进行微调，因而能够很好地覆盖不同大小和形状的高层建筑物。

本发明实施例提供的智能天线及其波束调整方法，通过对振子和阵元结构的改变，从下到上多行阵元摆放，对于覆盖来说，可以通过改变各阵元激励信号的幅值和相位获得适应高层建筑物楼体高度的垂直方向广播波束的宽度调节；对于业务来说，可以根据业务来波方向设置各阵元激励信号的幅值和相位获得业务波束去波方向，从而达到降低干扰、提高容量、降低能耗的效果。

本发明实施例提供的智能天线及其波束调整方法，提出了智能天线实现高层建筑密集区域覆盖的方法，与传统的室内分布相比，提供多种调节技术，对安装地点的要求降低，从而降低工程施工难度，节省工时，同时减少安装加固的要求，节省材料。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种智能天线，其特征在于，包括多个纵向排列的横向阵元，每个阵元由多个排列在一条水平直线上且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个信号放大器的输出通道；所述智能天线在水平方向上的波束宽度为30至150度，在垂直方向上的广播波束宽度为15至165度，在垂直方向上的业务波束宽度不超过20度。

2.如权利要求1所述的智能天线，其特征在于，所述振子为垂直极化振子。

3.如权利要求1或2所述的智能天线，其特征在于，阵元个数大于0小于10，各阵元包括的振子个数相等且大于0小于10。

4.如权利要求1或2所述的智能天线，其特征在于，同一阵元中相邻振子的间距大于0小于等于λ，相邻阵元中对应振子的间距大于0小于等于2λ，其中，λ表示智能天线所接收和发射的无线信号的波长。

5.如权利要求1或2所述的智能天线，其特征在于，在振子阵列的后部设置有后背挡板，所述后背挡板与振子阵列所在平面的间距大于0小于λ，后背挡板的边缘超出振子阵列的边缘的长度大于0小于λ，其中，λ表示智能天线所接收和发射的无线信号的波长。

6.如权利要求5所述的智能天线，其特征在于，在所述后背挡板的四周设置有侧板，侧板的宽度大于0小于λ，侧板与后背挡板的夹角大于0度小于等于90度。

7.如权利要求1或2所述的智能天线，其特征在于，每个阵元与驱动该阵元的信号放大器的输出通道之间设置有移相器。

8.一种权利要求1所述智能天线的波束调整方法，其特征在于，包括：

通过改变各阵元的激励信号的幅度和相位调整垂直方向上的波束宽度，通过改变阵元中各振子的激励信号的相位调整水平方向上的波束宽度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过改变阵元中各振子的激励信号的相位调整水平方向上的波束宽度，具体包括：

通过移相操作使中间振子到两端振子的激励信号依次递减相位差Φ，将水平方向上的波束宽度变宽；

通过移相操作使中间振子到两端振子的激励信号依次递增相位差Φ，将水平方向上的波束宽度变窄；

其中，所述相位差Φ的取值为大于0度小于等于15度。