CN103618559A - 一种基于定向天线的射频前端装置及其通信控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数控定向天线技术领域，公开了一种基于定向天线的射频前端装置及其通信控制方法。该基于定向天线的射频前端装置，包括第1射频单元至第L射频单元、功率分配/合成器、定向天线、控制器，功率分配/合成器分别电连接L个射频单元；每个射频单元用于对射频信号进行放大处理、移相处理和衰减处理；定向天线包括圆柱体和位于圆柱体侧面的天线阵列；天线阵列由L个天线阵元组构成，每个天线阵元组至少包括一个天线阵元，每个天线阵元组对应设置有一个天线阵元切换开关；每个天线阵元切换开关的一端选择性地电连接一个天线阵元，另一端对应电连接一个射频单元；控制器分别电连接所有天线阵元切换开关；控制器用于控制每个天线阵元切换开关。

Description

一种基于定向天线的射频前端装置及其通信控制方法

技术领域

本发明属于数控定向天线技术领域，特别涉及一种基于定向天线的射频前端装置及其通信控制方法。

背景技术

随着通信技术的发展，人们对于无线网络、移动通信距离和范围的要求也越来越高。使用定向天线可以有效的提高通信距离即扩大无线通信的有效通信距离，定向天线具有增益高、方向性强等优点，因而倍受现代通信应用的亲睐，而其使用不灵活、固定架设、无法直接满足动中通的缺点使其应用范围受到制约。

天线是影响无线网络通信距离的一个重要因素。与普通的全向天线相比,定向天线在某一方向上接收网络信号良好，能达到很远的通信距离，但其方向性太强，需要准确指向信号源，方向稍一偏离信号就可能中断，这使得定线天线在信号源移动的情况下使用起来尤为困难。所以，定向天线对准是一项非常困难的工作。这对天线自动控制系统设计提出了很高的要求。靠人工操作架设和调整定向天线的方法已不适应移动通信的要求。

目前，在一般的移动通信终端和无线数据接入设备，如手机、无线路由器、移动基站上均配备有全向天线，该全向天线用于实现设备无线电信号的收发功能。但是，全向天线的终端设备通信距离较近，无线路由器等设备提供的数据通信服务覆盖范围较小。在“移动通信系统中用定向天线实现多波束智能天线的方法及装置”（中国专利公开号：CN101056451A）中提出：按照基站要覆盖的区域，用多面相互独立的预先调整好波束指向的定向天线对基站服务区进行空间分割，由主处理器单元、协处理器和天线选择单元控制天线对信号的发射和接收，实现空分多址。但是存在如下缺陷：每个定向天线相互独立，增加了成本；由于通过天线选择单元处理给各个面定向天线的输入信号能量是一定的，通过天线辐射的能量也就是一定的，限制了通信范围和覆盖半径。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于定向天线的射频前端装置及其通信控制方法。该基于定向天线的射频前端装置在全空域内形成专用的电磁波辐射通道，不仅具有了定向天线的高增益优点，扩大了通信距离，同时使得定向天线从在安装使用时不必考虑方向对准的问题，具有动中通的能力，提高了通信距离和抗干扰性能。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种基于定向天线的射频前端装置，包括第1射频单元至第L射频单元、功率分配/合成器、以及用于收发射频信号的定向天线，L为大于1的自然数，所述功率分配/合成器分别电连接第1射频单元至第L射频单元；每个射频单元用于对射频信号进行放大处理、移相处理和衰减处理；所述功率分配/合成器用于将所述L个射频单元输出的射频信号进行功率合成、或者用于将需要发送的射频信号分配至所述L个射频单元；

所述定向天线包括圆柱体、以及位于圆柱体侧面上的天线阵列；所述天线阵列按照高度的不同分为N层结构，N为大于1的自然数；所述每层结构包括：周向均匀分布在圆柱体侧面上的M个天线阵元，M为大于1的自然数；所述天线阵列由L个天线阵元组构成，每个天线阵元组至少包括一个天线阵元，每个天线阵元组对应设置有一个天线阵元切换开关；每个天线阵元切换开关的一端选择性地电连接一个天线阵元，另一端对应电连接一个射频单元；

所述基于定向天线的射频前端装置还包括控制器，所述控制器分别电连接所有天线阵元切换开关的控制端；所述控制器用于在需要接收射频信号或需要发送射频信号时，控制每个天线阵元切换开关的切换状态。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

所述控制器分别电连接所有射频单元，用于在需要接收射频信号或需要发送射频信号时，向射频单元发送控制信号；

所述射频单元，用于根据收到的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理。

所述每个射频通道包括环行器、射频接收单元、射频发射单元、收发转换开关和数字衰减器；

所述射频发射单元包括第一数字移相器和功率放大器（PA模块），所述第一数字移相器的输出端电连接功率放大器的输入端；所述射频接收单元包括低噪声放大器（LNA模块）和第二数字移相器，所述低噪声放大器的输出端电连接第二数字移相器的输入端；所述环行器具有三个端口，其中，第一端口电连接对应的天线阵元切换开关，第二端口电连接低噪声放大器的输入端，第三端口电连接功率放大器的输出端；所述收发转换开关的一端选择性地电连接第一数字移相器的输入端或第二数字移相器的输出端，另一端电连接数字衰减器的一端；数字衰减器的另一端电连接功率分配/合成器；

所述控制器的信号输出端分别电连接收发转换开关的控制端、第一数字移相器的控制端、第二数字移相器的控制端和数字衰减器的控制端。

所述每个射频接收单元还包括限幅器和二选一开关；所述控制器的信号输出端电连接二选一开关的控制端；

所述环行器的第二端口依次通过二选一开关以及限幅器电连接低噪声放大器的输入端；所述二选一开关的一端电连接环行器的第二端口，所述二选一开关的另一端选择性地电连接限幅器的输入端或地线，所述限幅器的输出端电连接低噪声放大器的输入端。所述每个射频发射单元还包括功率检测器，所述功率检测器的输入端设置在环行器的第一端口，所述功率检测器的输出端电连接控制器的信号输入端。

技术方案二：

一种基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法，基于上述一种基于定向天线的射频前端装置，包括：

当需要接收射频信号时，所述控制器控制每个天线阵元切换开关的切换状态，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元接收射频信号；

当需要发送射频信号时，所述控制器控制每个天线阵元切换开关的切换状态，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元发送射频信号。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

当需要接收射频信号，所述控制器根据预先确定的无线信号接收方向以及定向天线中每个天线阵元的空间朝向，控制每个天线阵元切换开关的切换状态，所述无线信号接收方向指所述定向天线与无线信号发射源之间的连线方向，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元接收射频信号；

当需要发送射频信号时，所述控制器根据预先确定的无线信号发射方向以及定向天线中每个天线阵元的空间朝向，控制每个天线阵元切换开关的切换状态，所述无线信号发射方向指所述定向天线与无线信号接收地之间的连线方向，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元发送射频信号。

当需要接收射频信号或需要发送射频信号时，所述控制器根据波束赋形原理向射频单元发送控制信号；所述射频单元根据收到的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理。

所述每个射频单元包括环行器、射频接收单元、射频发射单元、收发转换开关和数字衰减器；所述射频发射单元包括第一数字移相器和功率放大器（PA模块），所述第一数字移相器的输出端电连接功率放大器的输入端；所述射频接收单元包括低噪声放大器（LNA模块）和第二数字移相器，所述低噪声放大器的输出端电连接第二数字移相器的输入端；所述环行器具有三个端口，其中，第一端口电连接对应的天线阵元切换开关，第二端口电连接低噪声放大器的输入端，第三端口电连接功率放大器的输出端；所述收发转换开关的一端选择性地电连接第一数字移相器的输入端或第二数字移相器的输出端，另一端电连接数字衰减器的一端；数字衰减器的另一端电连接功率分配/合成器；所述控制器的信号输出端分别电连接收发转换开关的控制端、第一数字移相器的控制端、第二数字移相器的控制端和数字衰减器的控制端；所述基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法包括：

当需要接收射频信号时，所述控制器控制收发转换开关的转换状态，使第二数字移相器的输出端电连接数字衰减器；同时，所述控制器向第二数字移相器和数字衰减器发送对应的控制信号，第二数字移相器和数字衰减器根据接收到的对应的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理；

当需要发射射频信号时，所述控制器控制收发转换开关的转换状态，使第一数字移相器的输入端电连接数字衰减器；同时，所述控制器向第一数字移相器和数字衰减器发送对应的控制信号，第一数字移相器和数字衰减器根据接收到的对应的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理。

所述每个射频发射单元还包括功率检测器，所述功率检测器的输入端设置在环行器的第一端口，所述功率检测器的输出端电连接控制器的信号输入端；所述基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法还包括：

当需要发射射频信号时，功率检测器对射频信号发射功率进行检测，当功率检测器检测到射频信号发射功率之后，将其反馈至控制器，所述控制器根据反馈的射频信号发射功率，向数字衰减器发送对应的校正控制信号，数字衰减器根据接收到的校正控制信号，对射频信号衰减处理的过程进行校正

本发明的有益效果为：本发明提出了一种在周向360度均有通信能力的定向天线，并基于该定向天线，提出了一种射频前端装置及其通信控制方法。本发明的一种基于定向天线的射频前端装置在定向天线后端增加多个射频单元，在全空域内通信节点间形成专用的电磁波辐射通道，不仅具有了定向天线的高增益优点，扩大了通信距离，同时使得定向天线从在安装使用时不必考虑方向对准的问题，具有动中通的能力，提高了通信距离和抗干扰性能。

附图说明

图1为现有技术中移动通信终端的全向天线示意图；

图2为现有技术中移动通信系统中用定向天线实现多波束智能天线的方法及装置的原理示意图；

图3为本发明的一种基于定向天线的射频前端装置的结构示意图；

图4为本发明的一种基于定向天线的射频前端装置的定向天线结构示意图；

图5为本发明实施例的天线阵元切换开关与天线阵元的连接示意图；

图6为本发明实施例的一种基于定向天线的射频前端装置的控制器连接示意图；

图7为本发明实施例的每个射频单元内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

目前，在一般的移动通信终端和无线数据接入设备，如手机、无线路由器、移动基站上均配备有全向天线，参照图1，为现有技术中移动通信终端的全向天线示意图。该全向天线用于实现设备无线电信号的收发功能。但是，全向天线的终端设备通信距离较近，无线路由器等设备提供的数据通信服务覆盖范围较小。参照图2，为现有技术中移动通信系统中用定向天线实现多波束智能天线的方法及装置的原理示意图。在该“移动通信系统中用定向天线实现多波束智能天线的方法及装置”（中国专利公开号：CN101056451A）中提出：按照通信基站要覆盖的区域，用多面相互独立的预先调整好波束指向的定向天线对基站服务区进行空间分割，由主处理器单元、协处理器和天线选择单元控制天线对信号的发射和接收，实现空分多址。但是存在如下缺陷：N面定向天线相互独立，增加了成本；由于通过天线选择单元处理给各个面定向天线的输入信号能量是一定的，通过天线辐射的能量也就是一定的，限制了通信范围和覆盖半径。

本发明实施例提出了一种基于定向天线的射频前端装置。参照图3，为本发明的一种基于定向天线的射频前端装置的结构示意图。该基于定向天线的射频前端装置包括第1射频单元至第L射频单元、功率分配/合成器、以及定向天线1，L为大于1的自然数；每个射频单元分别电连接功率分配/合成器和定向天线。本发明实施例中，L取5。

本发明实施例中，定向天线1用于发送射频信号或接收射频信号；每个射频信号用于对射频信号进行放大处理、移相处理和衰减处理（例如通过低噪声放大器、功率放大器、移相器和衰减器实现）。当定向天线接收到射频信号时，射频信号用于对接收到的射频信号进行放大处理、移相处理和衰减处理，并用于将处理后的射频信号发送至功率分配/合成器中，功率分配/合成器用于将接收到的射频信号进行功率合成，并用于将功率合成后的射频信号输出（可以输出至下一级射频信号处理电路）。功率分配/合成器用于在接收到需要发射的射频信号时，对其进行功率分配，用于将射频信号分配至各个射频单元中，每个射频单元用于对对应的射频信号进行放大处理、移相处理和衰减处理，用于将处理后的射频信号发送至定向天线，定向天线将接收到的射频信号向外发送出去。

参照图4，为本发明的一种基于定向天线的射频前端装置的定向天线结构示意图。该定向天线1以圆柱体2（例如圆柱体2为金属制成的圆柱体）作为底板，在圆柱体2的侧面上设置有天线阵列。该天线阵列按照高度的不同分为两层结构；每层结构包括：周向均匀分布在圆柱体2侧面上的15个天线阵元3，也就是说在每层结构中，两个相邻的天线阵元的朝向角度相差24度。两层结构中的天线阵元呈上下交错排列，偏差的角度为12度，具体来说，上下层结构中邻近的天线阵元的朝向相差12度。在天线阵列中（共30个天线阵元），每个六个天线阵元构成一个天线阵元组，在每个天线阵元组中，六个天线阵元周向均匀分布在圆柱体2的侧面（在六个天线阵元中，相邻的两个天线阵元朝向相差60度，上层结构的天线阵元和下层结构的天线阵元各有3个）。本发明实施例中，天线阵元的种类可以根据需要进行选择，例如，定向天线中每个天线阵元为螺旋天线。

参照图5，为本发明实施例的天线阵元切换开关与天线阵元的连接示意图，在每个天线阵元组上对应设置有一个天线阵元切换开关，共有5个天线阵元切换开关，每个天线阵元切换开关为六选一开关，用于选择进行射频信号发射或接收的天线阵元。本发明的一种基于定向天线的射频前端装置还包括控制器，控制器采用FPGA、DSP、ARM处理器或单片机实现。参照图6，为本发明实施例的一种基于定向天线的射频前端装置的控制器连接示意图。每个天线阵元切换开关的一端选择性地电连接一个天线阵元（通过六选一开关实现），另一端对应电连接一个射频单元（第i天线阵元切换开关电连接第i射频单元，i取1至5）。该控制器分别电连接所有天线阵元切换开关的控制端，用于在需要接收射频信号或需要发送射频信号时，控制每个天线阵元切换开关的切换状态（即选择一个天线阵元），该控制器分别电连接所有射频单元，用于在需要接收射频信号或需要发送射频信号时，向对应的射频单元发送控制信号；射频单元用于根据收到的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理（通过调节移相处理的参数和衰减处理的参数来实现）。

当需要接收射频信号，该控制器用于根据预先确定的无线信号接收方向以及定向天线中每个天线阵元的空间朝向，用于控制每个天线阵元切换开关的切换状态，该无线信号接收方向指定向天线与无线信号发射源之间的连线方向，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元用于通过对应的天线阵元接收射频信号；

当需要发送射频信号时，该控制器用于根据预先确定的无线信号发射方向以及定向天线中每个天线阵元的空间朝向，控制每个天线阵元切换开关的切换状态，上述无线信号发射方向指定向天线与无线信号接收地之间的连线方向，此时，每个天线阵元用于通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元用于通过对应的天线阵元发送射频信号。

参照图7，为本发明实施例的每个射频单元内部结构示意图。每个射频通道包括环行器4、射频接收单元、射频发射单元、收发转换开关5和数字衰减器。其中，射频发射单元包括第一数字移相器和功率放大器（PA模块），该第一数字移相器的输出端电连接功率放大器的输入端；第一数字移相器用于对需要发射的射频信号进行移相处理，功率放大器用于对经移相处理后的射频信号进行放大。

上述射频接收单元包括低噪声放大器（LNA模块）和第二数字移相器，该低噪声放大器的输出端电连接第二数字移相器的输入端。低噪声放大器用于对其接收到的射频信号进行放大，第二数字移相器用于对经低噪声放大器放大后的射频信号进行移相处理。

上述环行器4具有三个端口：第一端口至第三端口。当其中两个端口分别接收信号和输出信号时，另外一个端口用作隔离端口，用于防止信号从该端口输出。例如，信号从第一端口输入，从第二端口输出，此时，第三端口即为隔离端口。本发明实施例中，其第一端口电连接对应的天线阵元切换开关，用于将天线阵元接收的信号输入至对应的射频单元，或者用于将射频信号通过对应的天线阵元发射出去。环行器4的第二端口电连接低噪声放大器的输入端，用于在接收到的射频信号发送至低噪声放大器。环行器4的第三端口电连接功率放大器的输出端，用于接收功率放大器输出的射频信号。

上述收发转换开关5的一端选择性地电连接第一数字移相器的输入端或第二数字移相器的输出端，用于对接收射频信号（此时收发转换开关5的一端电连接第二数字移相器的输出端）或发射射频信号（此时收发转换开关5的一端电连接第一数字移相器的输入端）进行选择；上述收发转换开关5的另一端电连接数字衰减器的一端。数字衰减器的另一端电连接功率分配/合成器。当需要发射射频信号时，数字衰减器用于对第二数字移相器输出的射频信号进行衰减处理，并用于将衰减处理后的射频信号发送至功率分配/合成器；当需要接收射频信号时，数字衰减器用于对功率分配/合成器输出的射频信号进行衰减处理，并用于将衰减处理后的射频信号发送至第一数字移相器。

上述控制器的信号输出端分别电连接收发转换开关的控制端、第一数字移相器的控制端、第二数字移相器的控制端和数字衰减器的控制端。当需要发射射频信号时，控制器控制收发转换开关的转换状态，第一数字移相器的输入端电连接数字衰减器，数字衰减器输出的射频信号能够进入第一数字移相器中。此时，射频信号依次经数字衰减器、收发转换开关、第一数字移相器、功率放大器、以及环行器发送至对应的天线阵元切换开关。在此过程中，控制器分别向数字衰减器和第一数字移相器发送控制信号，数字衰减器和第一数字移相器按照收到对应的控制信号，确定进行衰减处理和移相处理的参数。

需要说明的是，在每个射频单元的射频接收单元中还可以包括限幅器和二选一开关6。上述控制器的信号输出端电连接二选一开关6的控制端，用于控制二选一开关6的切换状态。环行器4的第二端口依次通过二选一开关6以及限幅器电连接低噪声放大器的输入端；二选一开关6的一端电连接环行器4的第二端口，二选一开关6的另一端选择性地电连接限幅器的输入端或地线，限幅器的输出端电连接低噪声放大器的输入端。当需要接收射频信号时，控制器用于控制二选一开关的切换状态，用于使环行器的第二端口电连接限幅器的输入端。限幅器用于对接收到的射频信号的幅度限定在设定范围内，防止在输入的射频信号过大时，对后一级器件造成损害。当需要发射射频信号时，控制器用于控制二选一开关的切换状态，用于使环行器的第二端口接地。由于在发射射频信号时，环行器的第二端口为隔离端口，如果隔离端口不能完全射频信号进行隔离，就会有射频信号经此端口输出，这样，通过控制器对二选一开关的控制，就可以避免射频信号输出至限幅器中。

本发明实施例中，每个射频发射单元还包括功率检测器，该功率检测器的输入端设置在环行器的第一端口，该功率检测器的输出端电连接控制器的信号输入端。射频信号的发射功率精度有由闭环系统进行校正控制，当功率检测器检测到发射信号功率后，送入至控制器，控制器通过查表判断，并根据发射信号功率值对数字衰减器的参数进行调节校正。

本发明实施例还提出了一种基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法，下面对该通信控制方法进行说明：

当需要接收射频信号，控制器根据预先确定的无线信号接收方向以及定向天线中每个天线阵元的空间朝向，控制每个天线阵元切换开关的切换状态，无线信号接收方向指定向天线与无线信号发射源之间的连线方向，（在每个天线阵元组中选择一个空间朝向与无线信号接收方向最接近的天线阵元，以此来控制每个天线阵元切换开关的切换状态）此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元接收射频信号。

同时，控制器控制收发转换开关的转换状态，使第二数字移相器的输出端电连接数字衰减器的一端；控制器根据波束赋形原理向第二数字移相器和数字衰减器发送对应的控制信号（控制器根据所需的波束指向来向第二数字移相器和数字衰减器发送对应的控制信号），第二数字移相器和数字衰减器根据接收到的对应的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理。在移相处理过程中，控制器用于控制移相量，在衰减处理过程中，控制器用于控制对应的衰减量。

当需要发送射频信号时，控制器根据预先确定的无线信号发射方向以及定向天线中每个天线阵元的空间朝向，控制每个天线阵元切换开关的切换状态，无线信号发射方向指定向天线与无线信号接收地之间的连线方向，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元发送射频信号。

当需要发射射频信号时，控制器控制收发转换开关的转换状态，使第一数字移相器的输入端电连接数字衰减器的一端；同时，控制器根据波束赋形原理向第一数字移相器和数字衰减器发送对应的控制信号（控制器根据所需的波束指向来向第一数字移相器和数字衰减器发送对应的控制信号），第一数字移相器和数字衰减器根据接收到的对应的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理；功率检测器检测到发射信号功率之后，将其反馈至控制器，控制器根据反馈的发射信号功率向数字衰减器发送对应的校正控制信号，数字衰减器根据接收到的校正控制信号，对射频信号进行衰减处理。

以下通过一个具体实施例，对移相处理和衰减处理的控制过程作出说明。

在多波束天线的设计中，无线信道的性能显著地依赖于天线的辐射方向图，所以对天线的波束赋形提出了严格的要求，要求多波束天线在水平面方向内具有低副瓣的特性，波束的俯仰面的下旁瓣也需要低副瓣特性。副瓣满足－13dB以下。本发明实施例将利用空间波束合成技术，通过HGA与基于有限元方法的HFSS软件相结合，给出了设计这类波束形状的过程。以下对波束赋形的方向图叠加原理进行说明：

首先考虑天线阵共有N1个激励源（本发明实施例中N1等于5，对应5个射频单元），天线阵及端口的相对位置固定不变，在第n个端口加上单位幅度和零相位的激励，此时，天线阵的表面电流分布为

在所有端口都加上激励后，天线阵的激励电流满足线性叠加关系：

$\stackrel{\→}{I}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\underset{n=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{k}_n\exp \left(j{\mathrm{\θ}}_n\right){\stackrel{\→}{I}}_n\left(\stackrel{\→}{r}\right)$

上式中

为天线阵的总电流，k_n和θ_n为第n个端口激励的幅度和相位。

考虑到馈源的线性叠加原理先计算出每个端口单独馈电时的电流分布，然后用上式求出所有端口一起馈电时的总电流。天线方向图综合时关注的是远场，将上式所获得的电流远场外推，可获得远场与各端口激励的线性关系：

$\stackrel{\→}{E}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\underset{n=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{k}_n\exp \left(j{\mathrm{\θ}}_n\right){\stackrel{\→}{E}}_n\left(\stackrel{\→}{r}\right)$

$G\left(\mathrm{\θ}\right)=10\log {\left|\stackrel{\→}{E}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\right|}^2$

该式中，为远场电场总场，

为第n个端口单独馈电时电场的远场。G(θ)为远场增益方向图，θ为射线方向与阵列轴线之间的夹角。

基站天线阵列中的远场电场总场值

由数值计算软件HFSS计算得到，用混合遗传算法优化方向图时，直接将

个数据进行叠加运算。由于是进行基站天线波束赋形优化，所以设计的适应度函数中首先要包括服务区的波束下倾角、第一至第T个零点填充，T大于1。为使能量集中，减小干扰，还要考虑上旁瓣电平，最大旁瓣电平限制在一个具体数值以下；其次要考虑天线赋形的增益损失；最后考虑到实际馈电的可实现性，电流幅值不能相差太大，约束单元电流的动态范围，若超越约束条件，则施以罚函数。

以下对波束赋形优化的适应度函数作出说明：

优化过程中的第一步是确定优化变量的个数和变量的范围。众所周知，天线阵元的形状和数目确定后，阵列方向图和增益取决于各个单元的激励幅度a_n、相位ψ_n。本节把a_n和ψ_n作为优化变量。为了使各单元激励幅度的相对变化范围较小，从而阵列馈电时功率分配结构简单，为此规定a_min≤a_n≤a_max，其中n取1至N₁，激励幅度动态比值为a_maxa_min。而激励相位比较容易实现，因此不做特殊规定，即-π≤ψ_n≤π，将变量写为向量的形式为

$={[x_1,x_2\·\·\·x_{2N_1}]}^T={[a_1,a_2,\·\·\·a_{N_1},{\mathrm{\ψ}}_1,{\mathrm{\ψ}}_2,\·\·\·{\mathrm{\ψ}}_{N_1}]}^T$

该式中各分量的简单约束条件统一写为x_n,min≤x_n≤x_n,max。

多波束天线波束赋形优化设计，实际上就是寻找这些参数的最佳组合，来满足波束赋形的技术指标和最大增益。下面给出描述方向图特征的约束条件。本节波束赋形的目标是在单元数确定的前提下，保证阵列的增益G最大，并且满足方向图的主瓣指向θ_max等于所要求的波束指向BS，下半空间的最高副瓣峰值sll小于某一上限电平sll₀（dB），下半空间某一角域的方向图F满足波束的形状Fcsc，有些情况还要优化天线的前后比FBR₀，由此建立波束赋形的优化模型：

$\left\{\begin{array}{c}\max \left(G\left(x\right)\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{\max }\left(x\right)=\mathrm{BS}\\ \mathrm{sll}\left(x\right)\≤s{\mathrm{ll}}_0\\ \left|F\left(x\right)\right|=\left|F\csc \left(x\right)\right|\\ x_{t,\min }\≤x_t\≤x_{t,\max },t=\mathrm{1,2},\·\·\·2N_1-1\end{array}\right.$

为了把上述要求在目标函数中灵敏的反映出来，将上述复杂约束统一写为：

$\left\{\begin{array}{c}{h}_1\left(x\right)=|{\mathrm{\θ}}_{\max }\left(x\right)-\mathrm{BS}|=0\\ h_2\left(x\right)=s{\mathrm{ll}}_0-\mathrm{sll}\left(x\right)\≥0\\ h_3\left(x\right)=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}|F(X,{\mathrm{\θ}}_i)-F\csc \left({\mathrm{\θ}}_i\right)|=0\end{array}\right.$

其中L为方向图抽样点个数，构造目标函数为

$f_{\mathrm{obj}}=1/G\left(x\right)+{\mathrm{\σ}}_1{h}_1^2\left(x\right)+{\mathrm{\σ}}_2{\max }^2[-h_2\left(x\right),0]+{\mathrm{\σ}}_3{h}_3^2\left(x\right)---\left(4.9\right)$

其中σ₁，σ₂，σ₃为权值系数，作用是调整每个参数变化对于目标函数贡献的大小，其目的是为了避免多个参数中个别参数相对变化范围过大而淹没其他参数对于目标函数的贡献。目标函数确定后，波束赋形的问题就转化为求目标函数最大值的问题。

下面通过一个具体实施例，说明移相处理和衰减处理的参数调节过程。在某一射频信号发射过程中，表1给出了由于赋形需要导致的非满功率输出比例；其中，本发明实施例中，共有5个天线阵元被接入至射频单元中，将这5个天线阵元分别记为序号1至5（按顺时针或逆时针增加），设定序号为1的天线阵元的相位为0°，序号为1的天线阵元有可能在上层结构中，也有可能在下层结构中，在表1中分为两种情况进行说明。

表1

下面举例说明表1中的数值，对于“0.797/231°”，0.797为由于赋形需要导致的非满功率输出比例（输出功率与输出功率最大值的比值），231°为序号为2的天线阵元对应的相位值。表1中最后一行的满功率输出比例指：5个射频单元总输出功率的设计值与5个射频单元的总输出功率的最大值之间的比例，其中，5个射频单元总输出功率的设计值指根据上述波束赋形原理得出的5个射频单元的总输出功率。例如每个射频单元的输出功率最大值为5W，则根据由于赋形需要导致的非满功率输出比例（例如0.526，0.797，0.752），可知每个射频单元的输出功率的设计值，经计算后，即可得出5个射频单元总输出功率的设计值为74.4%或75%。

当要求合成后射频单元输出总功率不小于34dBm时，对每个射频单元应输出功率归一化，得到表2：

表2

下面举例说明表2中的数值，对于“27.3dBm/231°”，27.3dBm为由于赋形需要导致的射频单元所需发射功率，231°为序号为2的天线阵元对应的相位值。由表2中可见，因幅度的不平衡性，导致单个射频单元的最大发射功率可达28.5dBm。因各射频单元在贡献幅度相位时是循环遍历的，因此每个射频通道都必须按照最大发射功率来设计。表2中最后一行的合成输出功率指：5个射频单元的输出信号在空间合成后输出的总功率。

因本发明实施例中，射频单元中的数字衰减器的精度为0.5dB，数字移相器的精度为5.625°，因此，最终给到每个射频单元的幅度和相位都需要采用四舍五入的方式整数化。整数化后，得到表3：

表3

本发明利用多个天线阵元，形成天线阵列，通过空间波束合成理论及有效的控制流程，将波束合成技术与扫描切换技术结合，在全空域内通信节点间形成专用的电磁波辐射通道，不仅使天线具有了定向天线的高增益优点，扩大通信距离，同时使的天线从在安装使用时不必考虑方向对准的问题，具有动中通的能力，提高了通信距离和抗干扰性能。

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 (10)

1.一种基于定向天线的射频前端装置，其特征在于，包括第1射频单元至第L射频单元、功率分配/合成器、以及用于收发射频信号的定向天线（1），L为大于1的自然数，所述功率分配/合成器分别电连接第1射频单元至第L射频单元；每个射频单元用于对射频信号进行放大处理、移相处理和衰减处理；

所述定向天线（1）包括圆柱体（2）、以及位于圆柱体（2）侧面上的天线阵列；所述天线阵列按照高度的不同分为N层结构，N为大于1的自然数；所述每层结构包括：周向均匀分布在圆柱体（2）侧面上的M个天线阵元（3），M为大于1的自然数；所述天线阵列由L个天线阵元组构成，每个天线阵元组至少包括一个天线阵元（3），每个天线阵元组对应设置有一个天线阵元切换开关；每个天线阵元切换开关的一端选择性地电连接一个天线阵元，另一端对应电连接一个射频单元；

所述基于定向天线的射频前端装置还包括控制器，所述控制器分别电连接所有天线阵元切换开关的控制端；所述控制器用于在需要接收射频信号或需要发送射频信号时，控制每个天线阵元切换开关的切换状态。

2.如权利要求1所述的一种基于定向天线的射频前端装置，其特征在于，所述控制器分别电连接所有射频单元，用于在需要接收射频信号或需要发送射频信号时，向射频单元发送控制信号；

所述射频单元，用于根据收到的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理。

3.如权利要求1所述的一种基于定向天线的射频前端装置，其特征在于，所述每个射频通道包括环行器（4）、射频接收单元、射频发射单元、收发转换开关（5）和数字衰减器；

所述射频发射单元包括第一数字移相器和功率放大器，所述第一数字移相器的输出端电连接功率放大器的输入端；所述射频接收单元包括低噪声放大器和第二数字移相器，所述低噪声放大器的输出端电连接第二数字移相器的输入端；所述环行器（4）具有三个端口，其中，第一端口电连接对应的天线阵元切换开关，第二端口电连接低噪声放大器的输入端，第三端口电连接功率放大器的输出端；所述收发转换开关（5）的一端选择性地电连接第一数字移相器的输入端或第二数字移相器的输出端，另一端电连接数字衰减器的一端；数字衰减器的另一端电连接功率分配/合成器；

所述控制器的信号输出端分别电连接收发转换开关（5）的控制端、第一数字移相器的控制端、第二数字移相器的控制端和数字衰减器的控制端。

4.如权利要求3所述的一种基于定向天线的射频前端装置，其特征在于，所述每个射频接收单元还包括限幅器和二选一开关（6）；所述控制器的信号输出端电连接二选一开关（6）的控制端；

所述环行器（4）的第二端口依次通过二选一开关（6）以及限幅器电连接低噪声放大器的输入端；所述二选一开关（6）的一端电连接环行器（4）的第二端口，所述二选一开关（6）的另一端选择性地电连接限幅器的输入端或地线，所述限幅器的输出端电连接低噪声放大器的输入端。

5.如权利要求3所述的一种基于定向天线的射频前端装置，其特征在于，所述每个射频发射单元还包括功率检测器，所述功率检测器的输入端设置在环行器（4）的第一端口，所述功率检测器的输出端电连接控制器的信号输入端。

6.一种基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法，基于权利要求1所述的一种基于定向天线的射频前端装置，其特征在于，包括：

当需要接收射频信号时，所述控制器控制每个天线阵元切换开关的切换状态，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元接收射频信号；

当需要发送射频信号时，所述控制器控制每个天线阵元切换开关的切换状态，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元发送射频信号。

7.如权利要求6所述的一种基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法，其特征在于，包括：

当需要接收射频信号，所述控制器根据预先确定的无线信号接收方向以及定向天线中每个天线阵元的空间朝向，控制每个天线阵元切换开关的切换状态，所述无线信号接收方向指所述定向天线与无线信号发射源之间的连线方向，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元接收射频信号；

当需要发送射频信号时，所述控制器根据预先确定的无线信号发射方向以及定向天线中每个天线阵元的空间朝向，控制每个天线阵元切换开关的切换状态，所述无线信号发射方向指所述定向天线与无线信号接收地之间的连线方向，此时，每个天线阵元通过对应的天线阵元切换开关电连接对应的射频单元，每个射频单元通过对应的天线阵元发送射频信号。

8.如权利要求6所述的一种基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法，其特征在于，包括：

当需要接收射频信号或需要发送射频信号时，所述控制器根据波束赋形原理向射频单元发送控制信号；所述射频单元根据收到的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理。

9.如权利要求6所述的一种基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法，其特征在于，所述每个射频单元包括环行器、射频接收单元、射频发射单元、收发转换开关和数字衰减器；所述射频发射单元包括第一数字移相器和功率放大器，所述第一数字移相器的输出端电连接功率放大器的输入端；所述射频接收单元包括低噪声放大器和第二数字移相器，所述低噪声放大器的输出端电连接第二数字移相器的输入端；所述环行器具有三个端口，其中，第一端口电连接对应的天线阵元切换开关，第二端口电连接低噪声放大器的输入端，第三端口电连接功率放大器的输出端；所述收发转换开关的一端选择性地电连接第一数字移相器的输入端或第二数字移相器的输出端，另一端电连接数字衰减器的一端；数字衰减器的另一端电连接功率分配/合成器；所述控制器的信号输出端分别电连接收发转换开关的控制端、第一数字移相器的控制端、第二数字移相器的控制端和数字衰减器的控制端；所述基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法包括：

当需要接收射频信号时，所述控制器控制收发转换开关的转换状态，使第二数字移相器的输出端电连接数字衰减器；同时，所述控制器向第二数字移相器和数字衰减器发送对应的控制信号，第二数字移相器和数字衰减器根据接收到的对应的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理；

当需要发射射频信号时，所述控制器控制收发转换开关的转换状态，使第一数字移相器的输入端电连接数字衰减器；同时，所述控制器向第一数字移相器和数字衰减器发送对应的控制信号，第一数字移相器和数字衰减器根据接收到的对应的控制信号，对射频信号进行移相处理和衰减处理。

10.如权利要求9所述的一种基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法，其特征在于，所述每个射频发射单元还包括功率检测器，所述功率检测器的输入端设置在环行器的第一端口，所述功率检测器的输出端电连接控制器的信号输入端；所述基于定向天线的射频前端装置的通信控制方法还包括：

当需要发射射频信号时，功率检测器对射频信号发射功率进行检测，当功率检测器检测到射频信号发射功率之后，将其反馈至控制器，所述控制器根据反馈的射频信号发射功率，向数字衰减器发送对应的校正控制信号，数字衰减器根据接收到的校正控制信号，对射频信号衰减处理的过程进行校正。

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