CN103259102A - 一种全向覆盖的智能天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能天线装置，本发明提出一种波束切换智能天线装置，所形成的天线系统覆盖范围内增益基本恒定，提高了天线系统的整体覆盖一致性。它包括N个天线单元（1）、一个开关网络（2）、连线（3）、公共端（4）、天线单元端5和控制端口（6）组成。该天线系统的天线单元以开关网络为中心均匀分布，布置的天线单元有效辐射范围不受其他天线单元的遮挡。本发明的有益效果是：具有较强的空间抗干扰能力，覆盖范围广，各个方向增益基本一致；切换速度快；各方向的天线方向图独立，相互之间没有影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能天线，尤其涉及一种水平方向360度全向覆盖的智能天线。
背景技术
传统的全向天线的发射和接收在所有方向上是相同的。对于有效接收用户来说仅仅获得很少的传输能量，同时在其他方向辐射的能量被浪费而且干扰其他用户。干扰信号会降低接收信号质量，即恶化接收信噪比，影响检测和解调处理，造成接收质量降低。为了克服全向天线带来的上述问题，通常的做法是将360度的覆盖范围分割成多个扇区，每个扇区用单独一个天线覆盖，有效的把传输能量集中到有效用户方向，确保接收的信号质量，提高传输的范围。而扇区天线几个天线之间没有关联，效能不高。
在实际应用中，由于全向天线和扇区天线的波束较宽，容易被探测和干扰，因而在通信系统中采用智能天线技术，通过多天线和空时算法结合，有效的利用空域分集和自适应波束合成，减小天线波束宽度，提高天线增益，进而提高系统可靠度和通信容量。智能天线主要包括两类：波束切换天线和自适应天线阵列。波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，在同一信道中利用多个波束给多个用户发送不同的信号，结构简单，易于实现，但是全方位的波束增益起伏较大。自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统，它用反馈控制方法自动调准天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而且可以使有用信号得到加强，从而达到抗干扰的目的。自适应天线阵列技术实现全方位覆盖使增益起伏小，但是需要利用复杂的数字信号处理算法去测量不同波束的信号强度，算法本身需要一定的时间收敛，反应时间慢，不适合快速波束的快速切换，且需要多通道发射机和接收机，成本较高。
发明内容
本发明提出一种波束切换智能天线装置，所形成的天线系统覆盖范围内增益基本恒定，提高了天线系统的整体覆盖一致性。它包括N个天线单元（1）、一个开关网络（2）、连线（3）、公共端（4）、天线单元端5和控制端口（6）组成。N个天线单元以开关网络为中心均匀分布，布置的天线单元有效辐射范围不受其他天线单元的遮挡，且相邻两个天线单元的方向图在空间上有50%的交叠。开关网络的天线端口数与天线单元的个数相同等角度摆放。开关网络与天线单元用连线相连，连线和开关网络采用低损耗设计，降低系统损耗。开关网络具有一个公共端（4），与收发设备相连。具有一个控制端口（5），与上位机相连，上位机输出控制信号来驱动开关网络进行天线的切换。
本发明的有益效果是：具有较强的空间抗干扰能力，覆盖范围广，各个方向增益基本一致；切换速度快；各方向的天线方向图独立，相互之间没有影响。
附图说明
图1、本发明的系统结构图。
图2、天线单元圆环状排列侧视图。
图3、天线单元圆环状交错排列侧视图。
图4、天线单元下倾侧视图。
图5、天线单元下倾交错排列侧视图。
图6、开关网络结构示意图。
图7、单个天线单元方向图。
图8、24个天线单元组合方向图。
具体实施方式
参见图1，本发明的智能天线由N个天线单元（1）、一个开关网络（2）、连线（3）、公共端（4）天线单元端5和控制端口（6）组成。N个天线单元（1）具有定向辐射方向图，归一化方向图相同，各个天线单元（1）有效辐射范围不受其他天线单元（1）的遮挡，相邻两个天线单元（1）的定向方向图在空间上有50%的交叠，保证整个智能天线的无盲区覆盖。N个天线（1）具有相同的极化方式，防止每个天线单元（1）与其他单元对准时产生极化隔离。天线单元分布在开关组件（2）的周围。开关网络（2）采用低损耗设计，减小整个系统的插入损耗。天线单元(1)和开关网络（2）的连线（3）同样采用低损耗设计。
N个天线单元（1）可以是微带天线、喇叭、开口波导、缝隙天线、偶极天线、螺旋天线、阵列天线或是多种天线的组合，呈圆环状排列在一个平面上，见图2，天线单元1.1～1.8呈圆环状均匀分布在一个平面上。当天线单元体积较大时，天线单元可交错圆环状分布在开关组件的周围的多个平行平面上，见图3，天线单元1.008，1.010，1.012与天线单元1.009，1.011交错分布在两个平行平面上。
本发明的天线单元可以上倾或下倾排列在一个圆锥面上，使得天线的方向图上倾或下倾，覆盖不同的区域，见图4，天线单元1.101～1.108均匀分布在一个圆锥面上，下倾一定的角度。当天线单元体积较大时，本发明的天线单元可以上倾或下倾排列多个平行的圆锥面上，使得天线的方向图上倾或下倾，见图5，天线单元1.206，1.208，1.210与天线单元1.205，1.207交错分布在两个平行的圆锥面上。
本发明的开关网络为一个单刀N掷开关，有一个公共端4和N个天线单元端5，N个天线端口5呈圆周排列，与N个天线单元用连线3相连，开关网络有一个控制端口6，通过上位机控制开关网络接通不同的天线。开关网络可以是机械开关、微机械开关、PIN二极管开关、晶体管开关或多种开关的组合，见图6。
以下本发明的一个实施实例。
天线系统的工作频段为4.4～5GHz，天线单元个数为24，每个天线单元的天线方向图相同且3dB主瓣宽度为30度，单个天线单元方向图见图7，相邻两个天线单元的方向图主瓣有50%的交叠，构成的的智能天线实现360度全方位覆盖。整个天线系统的方向如见图8，所有的方向的增益波动都控制在2dB以内。开关网络采用PIN二极管开关，开关切换速度在10us以内，保证智能天线在实际应用中的实时切换。天线单元与开关网络的连线采用同轴波导，损耗小于0.5dB。
Claims (15)
1.一种波束切换智能天线，包括N个天线单元、一个开关网络和连线组成，其特征在于：每个天线单元覆盖一个扇形区域，各个天线单元有效辐射范围不受其他天线单元的遮挡，天线的波束通过开关网络切换。
2.根据权利要求1所述的波束切换智能天线可用于发送、接收或二者皆可。
3.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的N个天线单元具有定向辐射方向图。
4.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的N个天线单元具有相同的极化方式。
5.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的N个天线单元的归一化方向图相同。
6.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的N个天线单元呈圆环状排列在一个平面上。
7.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的N个天线单元呈交错圆环状排列在多个平行平面上。
8.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的N个天线单元的方向图往上倾斜或往下倾斜，排列在一个圆锥面上。
9.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的N个天线单元的方向图往上倾斜或往下倾斜，交错排列多个平行的圆锥面上。
10.根据权利要求3所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的相邻两个天线单元的定向方向图在空间上有50%的交叠。
11.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的N个天线单元是微带天线、喇叭、开口波导、缝隙天线、偶极天线、螺旋天线、阵列天线或是多种天线的组合。
12.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的开关网络具有至少一个公共端口和N个天线端口。
13.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的开关网络包括至少一个控制端口。
14.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的开关网络是机械开关、微机械开关、PIN二极管开关、晶体管开关或多种开关的组合。
15.根据权利要求1所述的波束切换智能天线，其特征在于：所述的连线是同轴馈线、波导、微带线或几种的组合。
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