CN103165984B - 一种移动通信系统及其多波束天线装置 - Google Patents

一种移动通信系统及其多波束天线装置 Download PDF

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一种移动通信系统，包括多波束天线装置及浮空平台。多波束天线装置包括一柱状的微波旋转关节、多个第一定向天线、一第二定向天线及电缆，该多个第一定向天线设置在该微波旋转关节的侧壁，且各第一定向天线之间在横截面上呈等角分布，该第二定向天线设置在该微波旋转关节的一端部使其与各第一定向天线垂直，该第一定向天线和第二定向天线分布于微波旋转关节通过电缆电连接。所述多波束天线装置设置在浮空平台上，且该第二定向天线的朝向地面方向设置。相对于现有技术，本发明提供的移动通信系统可在应急情况中提供稳定的远距离全方位的通信覆盖。该移动通信系统及其多波束天线装置结构简单，可操作性强，易于生产。

Description

一种移动通信系统及其多波束天线装置
技术领域
本发明属于移动通信领域，涉及一种移动通信系统及其多波束天线装置，应用于应急通信领域以实现全方位远距离覆盖。
背景技术
在移动通信网络覆盖中，基站天线是覆盖网络的关键设备之一，而基站天线覆盖的距离和容量是衡量网络性能的重要指标。基站是相隔一定距离固定设置的，而在区域空间的应急通信中，目前一般采用应急通信车、对讲机或其他手段实现。但上述的方式存在着一个严重缺陷，即覆盖距离非常有限。当有灾害发生时，如地震、海啸等，地面的蜂窝基站可能都已经损毁，则会引发大面积的通信中断，道路交通也同时瘫痪，则无法使用应急通信车等通信。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种远距离覆盖的移动通信系统及其多波束天线装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种移动通信系统，包括多波束天线装置及浮空平台。多波束天线装置包括一柱状的微波旋转关节、多个第一定向天线、第二定向天线及电缆，该多个第一定向天线设置在该微波旋转关节的侧壁，且各第一定向天线之间在横截面上呈等角分布，该第二定向天线设置在该微波旋转关节的一端部使其与各第一定向天线垂直，该第一定向天线和第二定向天线分别与微波旋转关节通过电缆电连接。所述多波束天线装置设置在浮空平台上，且该第二定向天线的朝向地面方向设置。
进一步，包括三个第一定向天线，相邻的第一定向天线之间呈120度角分布。
以及，一种多波束天线装置，包括一柱状的微波旋转关节、多个第一定向天线、第二定向天线及电缆，该多个第一定向天线设置在该微波旋转关节的侧壁，且各第一定向天线之间在横截面上呈等角分布，该第二定向天线设置在该微波旋转关节的一端部使其与各第一定向天线垂直，该第一定向天线和第二定向天线分别与微波旋转关节通过电缆电连接。
相对于现有技术，本发明提供的移动通信系统及其多波束天线装置可在应急情况中提供稳定的远距离全方位的通信覆盖。该移动通信系统及其多波束天线装置结构简单，可操作性强，易于生产。
附图说明
图1是本发明移动通信系统的结构示意图。
图2是图1所示的多波束天线装置20的结构示意图。
图3是图2所示的三个第一定向天线22的方位覆盖示意图。
图4是图2所示的三个第一定向天线的半功率宽度约为65°的扇区覆盖图。
图5是图2所示的三个第一定向天线的半功率宽度约为90°的扇区覆盖图。
图6是天线信号的空间覆盖示意图。
图7是天线架高1km时的覆盖接收信号示意图。
具体实施方式
请参阅图1，其是本发明移动通信系统的结构示意图。该移动通信系统包括浮空平台10及设置在该浮空平台10上的多波束天线装置20。
请同时参阅图2，其是图1所示的多波束天线装置20的结构示意图。该多波束天线装置20包括柱状的微波旋转关节21、第一定向天线22、第二定向天线23、连接装置24和电缆25。在本实施例中，该微波旋转关节21为圆柱形，共有三个第一定向天线22。该三个第一定向天线通过连接装置24设置在该微波旋转关节21的侧壁上，且相邻第一定向天线之间的夹角为120度，呈等角度分布。该微波旋转关节21可任意角度连续旋转，使该第一定向天线22随之转动。该第二定向天线23设置在该微波旋转关节21的一端部，该第二定向天线与第一定向天线垂直。该第一定向天线22与微波旋转关节21之间、及该第二定向天线23与微波旋转关节之间通过电缆25连接，从而实现他们之间的信号传输。信号通过微波旋转关节21输入给第一定向天线22和第二定向天线23，然后通过该第一定向天线22和第二定向天线23发射覆盖。该第一定向天线22和第二定向天线23为双极化固定下角天线、电调天线或单极化天线。
该微波旋转关节21的另一端部设置在浮空平台10上。当将浮空平台10悬浮在高空，并使该第二定向天线23的发射方向垂直朝向地面。请参阅图3，其是本发明的移动通信系统的覆盖原理图。该第一定向天线22的信号分别覆盖A1、A2、A3扇形区域，该第二定向天线23的信号覆盖了A1、A2、A3区域的盲点区域A4。
为了实现信号的全方位、远距离覆盖，以下具体说明本发明的移动通信系统信号传送原理。
1)该三个第一定向天线22的方位覆盖。
请参阅图3，其是图2所示的三个第一定向天线22的方位覆盖示意图。理论上，三个第一定向天线应分别覆盖120度范围的扇区。而实际上，覆盖每个扇区的第一定向天线22在该扇区最大辐射方向偏离±60°时达到覆盖的边缘，越过该边缘则需切换到相邻的扇区工作。在扇区最大辐射方向偏离±60°的切换角域，方向图电平应该有一个合理的下降。这是因为，如果电平下降的太多，则在切换角域附近容易引起覆盖盲区而终止通信，如果电平下降太少，则在切换角域附近容易产生重叠覆盖，导致相邻扇区干扰增加而使接收误码率上升。根据理论仿真与应用结果分析得出，在最大辐射方向偏离±60°的切换角域电平下降至-6dB至-10dB左右为佳，其中，下降至-10dB时为最佳。由于采用半功率宽度来衡量天线波束宽度，根据天线原理，在电平下降至-10dB时，该天线的半功率宽度约为65°，其覆盖区域如图4所示；在电平下降至-6dB时，该天线的半功率宽度约为90°，其覆盖区域如图5所示。由此可看出，在半功率宽度为65°的天线获得了更好的方位覆盖效果。若该第一定向天线22为双极化天线，则采用极化分集形式，其中，两个极化相互正交的信号互不相关，将其连接到一个多输入的接收机里，通过合适的矢量运算，选择出最好的接收信号或合成信号，提高接收增益3～5dB，从而达到对抗多径衰落的目的，可获得良好的分集效果。
2)该第一定向天线22的距离覆盖。
距离覆盖效果主要由垂直面方向图特性、天线架设高度H、覆盖距离R及波束下倾角θ等因素决定，要求实现最远覆盖距离的同时，需兼顾解决“塔下黑”问题。
请参阅图6，其是天线信号的空间覆盖示意图。首先分析架设高度H、覆盖距离R以及下倾角θ三者之间的约束关系，其中，该第一定向天线22的架设高度H为0.5～2km，地面覆盖半径R为0～20km，设定该第一定向天线22的最大辐射方向指向覆盖6km处，根据θ＝arctan(H/R)，则波束下倾角θ∈(arctan(0.5/6)～arctan(2/6))，即4.8°～18.5°。
根据天线原理和前期网优经验，为保证天线的极化纯度和覆盖效果，天线波束下倾角应不超过20°，且为减小天线系统架设难度和稳定性，尽量避免使用机械下顷，因此天线挂高不超过2km，即承载该多波束天线装置的浮空平台10应设置在距离地面不超过2km的高空。
进一步，设定在空间损耗最大时，第一定向天线22挂高0.5～2km，该第一定向天线22最大辐射方向指向6km处，在未考虑多径反射等因素下，假设在波束轴向相距d的地方，用增益为Gr的天线接收，接收信号功率可以表示为：
Pr＝PtGtGr(λ/4πd)2 (1)
式(1)中Pt为天线发射功率，λ为波长，则自由空间损耗Lp可以表示为：
Lp＝(4πd/λ)2 (2)
通常将Lp表示为
Lp(dB)＝32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz) (3)
式(3)中f为频率。
根据工程经验公式：
Ls＝Lp+L修正＝32.44+20lgf+20lgd+18 (4)
在现实CS12.2k业务上行链路预算：
Lp＝发射功率-接收灵敏度+天线增益-人体损耗-线路损耗-干扰
余量-功控余量-阴影衰落余量-恶劣天气余量
＝21-(-126.44)+Gi-3-0.5-3-2-4.2-2＝132.74+Gi(dB)
即天线的增益满足式(5)即可：
18+32.44+20lg(1952.5)+20lgd＜132.74+Gi(dB) (5)
根据式(5)结合天线方向图和图6的覆盖空间，计算出接收电平(dBm)和覆盖距离的(km)的关系，只要接收电平大于接收灵敏度即可以达到覆盖的目的。
请参阅图7，其示出了天线架高1km时的覆盖接收信号状况。
3)第四扇区的覆盖。
对于急通信系统中的天线系统来说，实现连续覆盖的最大难点是“塔下黑”问题。在同等条件下，相对地面的垂直面的半功率波束宽度越宽的天线，因其塔下区域零点数量越少，电平值越大，越利于解决“塔下黑”问题，而波束宽则需要设置低增益的天线。为解决此问题，在本实施例中，该第二定向天线23设置为增益为9dBi的天线，并使其辐射方向垂直于地面，解决“塔下黑”的问题。
相对于现有技术，本发明提供的移动通信系统可在应急情况中提供稳定的远距离全方位的通信覆盖。该移动通信系统及其多波束天线装置结构简单，可操作性强，易于生产。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种移动通信系统，其特征在于：多波束天线装置及浮空平台，所述多波束天线装置包括一柱状的微波旋转关节、多个第一定向天线、第二定向天线及电缆，该多个第一定向天线设置在该微波旋转关节的侧壁，且各第一定向天线之间在横截面上呈等角分布，该第二定向天线设置在该微波旋转关节的一端部使其与各第一定向天线垂直，该第一定向天线和第二定向天线分别与微波旋转关节通过电缆电连接，所述多波束天线装置设置在浮空平台上，且该第二定向天线的朝向地面方向设置。
2.根据权利要求1所述的移动通信系统，其特征在于：所述多波束天线装置包括三个第一定向天线，相邻的第一定向天线之间呈120度角分布。
3.根据权利要求1或2所述的移动通信系统，其特征在于：该微波旋转关节为圆柱状。
4.根据权利要求1或2所述的移动通信系统，其特征在于：还包括连接装置，该第一定向天线通过该连接装置设置在该微波旋转关节上。
5.根据权利要求3所述的移动通信系统，其特征在于：该第一定向天线的水平面波瓣宽度为65度或90度。
6.根据权利要求4所述的移动通信系统，其特征在于：该第一定向天线和第二定向天线为双极化固定下角天线、电调天线或单极化天线。
7.根据权利要求1所述的移动通信系统，其特征在于：该浮空平台设置在距离地面不超过2km的高空。
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