CN105703083B - 一种多波束选择智能天线阵列及具有该天线阵列的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波束选择智能天线阵列及具有该天线阵列的系统。天线阵列包括基板、固定在基板上的若干个天线阵元。基板呈圆环形，所有天线阵元绕基板的圆心均匀分布在基板的一个侧面的圆形外周缘上而构成环形阵列。基板上自基板的圆形端面向圆心开设有若干弧形凹陷和若干细缝，在相邻两个天线阵元之间布局有一个该弧形凹陷并由此形成天线隔离带。每个天线阵元包括两个天线振子，且在两个天线振子之间布局有一个该细缝并由此形成天线耦合细缝，天线阵元的天线馈电点位于两个天线振子之间。本发明的结构能做到全向空间扫描。本发明还公开采用该天线阵列的多波束选择智能天线通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通讯技术领域的一种多波束选择智能天线阵列，尤其涉及一种多波束选择智能天线阵列及采用该天线阵列的多波束选择智能天线通信系统。
背景技术
随着WIFI技术的不断发展和完善，WIFI已经成为人们日常生活不可或缺的通信手段，也成为政府和企业青睐的极其方便的通信技术。尤其是在新一轮的智慧城市建设热潮中，WIFI技术必将大放异彩。然而，在WIFI商用的过程中出现了诸多问题，这些问题很多已经严重影响到终端用户的用户体验。
1.系统容量问题
很多用户都深有体会，在医院、咖啡厅、展厅或者商场等人口密集的区域，明明有免费的WIFI信号而且信号强度很强，能连接上，但就是无法上网。这是因为WIFI标准协议是冲突检测/冲突避免的策略，连接终端达到32个以上后，用户上网的请求增多，竞争带宽很严重，造成大家都无法通信。就像高速路是3车道，但是上高速的却有10条车流，拥塞造成车流缓慢，甚至停滞而根本没办法流通。
2.干扰问题
例如在大的会议室安装无线AP(无线访问接入点(Wireless Access Point))是一个很头痛的问题。如会议室容量100-200人，要满足100-200人同时上网，需要在会议室安装多个AP，则由于会议室空间有限，多个AP之间的无线电磁波相互干扰非常严重，会导致用户连接AP的体验明显下降。
3.AP覆盖范围不足问题
大部分的AP采用的是全向天线设计，会造成电磁波能量发散，为了增大覆盖范围，只能简单的增大AP的无线发射功率，大的发射功率，在射频参数设计和调节上，难度系数加大，做不好，反而会造成接收灵敏度下降。
4.WIFI定位问题
全向天线在接收终端过来的数据包时，无法判断方向，只能判断以AP为中心，距离多少米半径的范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种能全向空间扫描的多波束选择智能天线阵列及采用该天线阵列的多波束选择智能天线通信系统。
本发明的解决方案是：一种多波束选择智能天线阵列，其包括基板、固定在基板上的若干个天线阵元；基板呈圆环形，所有天线阵元绕基板的圆心均匀分布在基板的一个侧面的圆形外周缘上而构成环形阵列；基板上自基板的圆形端面向圆心开设有若干弧形凹陷和若干细缝，在相邻两个天线阵元之间布局有一个该弧形凹陷并由此形成天线隔离带；每个天线阵元包括两个天线振子，且在两个天线振子之间布局有一个该细缝并由此形成天线耦合细缝，天线阵元的天线馈电点位于两个天线振子之间。
作为上述方案的进一步改进，天线馈电点固定在基板的相对另一个侧面上。
作为上述方案的进一步改进，在同一个天线阵元中，两个天线振子采用微带线与天线馈电点电性连接。
进一步地，微带线固定在基板的相对另一个侧面上。
作为上述方案的进一步改进，两个天线振子以相应的天线耦合细缝为中心呈对称结构设置。
进一步地，每个天线振子包括指向基板圆心的放射状部、以基板的圆心为圆心的扇环部；放射状部的一端朝基板的圆心放射方向延伸至基板的边缘，放射状部的另一端连接扇环部的一端，扇环部的另一端为自由端。
再进一步地，在同一天线阵元中，两个扇环部相对设置，天线耦合细缝位于两个扇环部之间；两个放射状部位于天线阵元的两端，天线隔离带位于相邻两个天线阵元的两个放射状部之间。
作为上述方案的进一步改进，该天线阵列配置有一个天线控制系统，所有天线馈电点与该天线控制系统电性连接；该天线控制系统的电路板固定在基板上。
作为上述方案的进一步改进，每个天线阵元设计为定向天线，其阵元波束以该环形阵列的圆心为中心朝基板外发射，该环形阵列根据天线阵元的数目选择不同的阵元波束宽度。
本发明还提供一种多波束选择智能天线通信系统，其采用上述任意多波束选择智能天线阵列。
本发明得到以下有益效果：
1.全向空间扫描：天线阵列将全向360度空间分为8个小区域，通过开关控制可实现全空间内的扫描。
2.采集客户端信号强度数据形成功率谱，判断终端用户的具体方位：通过天线阵列的定向波束全向空间扫描后，系统采集终端用户各个方向的信号强度数据形成功率谱，根据功率谱可判定终端用户的具体方位。
3.可实时更新用户的具体方位：系统可实现广播模式和工作模式的周期性切换，广播模式下系统可快速的更新用户的最新方位信息。
4.扩充整机系统容量：无线通信较多的采用信道竞争机制，在公共场所，终端用户比较多的时候，如果采用常规的全向天线势必造成大量用户竞争同一个信道，竞争窗口增大，导致信道堵塞。若采用切换式定向天线阵列，相比全向天线而言则可在某时段内减小天线覆盖角度，从而减小用户竞争激烈程度，减小竞争窗口，提高整机的系统容量。
5.有利于提高天线增益，增加整机覆盖距离：由于切换式天线采用定向天线替代全向天线，定向天线比较容易做成高增益天线，天线增益提高可增加整机的覆盖距离。
6.有利于减少整机之间的相互干扰：在有多个整机同时覆盖同一片区域的情况下，若整机采用常规的全向天线，天线的最大增益同时指向覆盖区，必然导致整机之间的相互干扰增大。而采用定向波束切换式天线阵列，由于不同时刻天线的指向性不同，整机之间天线最大增益指向重叠的概率减小，整机之间的干扰减小。
7.更精确的定位目标的位置：通过波束选择的方式，可以把目标定位到一个比较窄的一个扇形区域，并通过信号强度来得到距离大小，从而可以更精确的定位到目标的具体位置。
附图说明
图1是多波束选择智能天线阵列的正面示意图。
图2是图1中多波束选择智能天线阵列的背面示意图。
图3是图1中多波束选择智能天线阵列的局部透视示意图。
图4是天线控制系统的硬件架构示意图。
图5是图4中移相器的结构设计图。
图6是图4中FPGA逻辑控制模块与数模转换模块之间的连接框图。
图7是图4中FPGA逻辑控制模块的串行协议编码图。
图8是图4中FPGA逻辑控制模块在串行协议编码时采用的时序图。
图9是软件控制模块的系统结构图。
图10是软件控制模块在做左右倾角变化时的扫描视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例将介绍一套完整的多波束选择智能天线通信系统，该系统主要包括三部分：天线阵列、天线控制系统和软件控制模块。天线阵列设置为环形阵列：多波束选择智能天线阵列，每个天线阵元均设计为定向天线，天线阵元的波束指向阵列圆心与阵元中心的连线方向向外，根据天线阵元的数目选择不同的阵元天线波束宽度，以保证全向覆盖无盲区。天线控制系统是一个开关选择系统，通过开关控制天线阵列中天线阵元的开启与关闭，某一时刻保证只有一个天线阵元打开，其他关闭。天线控制系统受控于整机主板的CPU，通过GPIO口与主板保持通信。控制软件模块主要负责接收端来波方向判断(DOA)以及形成波束选择指令。广播模式下控制软件控制天线阵列全向波束扫描，获取不同接收端在各方向的RSSI(Received Signal Strength Indicator是接收信号的强度指示，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的)，形成功率密度谱，以判断接收端用户的具体方位。工作模式下控制软件根据广播模式获取的用户方位信息，形成波束选择指令，选择合适的指向型波束指向用户。
请一并参阅图1、图2、图3，多波束选择智能天线阵列包括基板1、若干个天线阵元2。天线阵元2的数量一般可选2～32个，在本实施例中，以8个为例举例说明。
基板1呈圆环形，在这里包括标准圆环形以及接近圆环形的情形。天线阵元2都是固定在基板1上，而且所有天线阵元2绕基板1的圆心均匀分布在基板1的一个侧面的圆形外周缘上而构成环形阵列。基板1上自基板1的圆形端面向圆心开设有若干弧形凹陷和若干细缝，在相邻两个天线阵元2之间布局有一个该弧形凹陷并由此形成天线隔离带3。
每个天线阵元2设计为定向天线，其阵元波束以该环形阵列的圆心为中心朝基板1外发射，该环形阵列根据天线阵元2的数目选择不同的阵元波束宽度。每个天线阵元2包括两个天线振子4，且在两个天线振子4之间布局有一个该细缝并由此形成天线耦合细缝7，两个天线振子4最好以相应的天线耦合细缝7为中心呈对称结构设置。
基板1的相对另一个侧面上可设置有与8个天线阵元2相对应的8个天线馈电点5、8个微带线6等，当然天线馈电点5、微带线6也可以与天线阵元2在基板1的同一侧面上。天线阵元2的天线馈电点5位于两个天线振子4之间，在同一个天线阵元2中，两个天线振子4可采用微带线6与天线馈电点5电性连接。
每个天线振子4包括放射状部41、扇环部42。放射状部41指向基板1圆心，因此，所有天线振子4的这些放射状部41都以基板1的圆心为中心呈放射状。扇环部42以基板1的圆心为圆心，因此，所有天线振子4的这些扇环部42以基板1的圆心呈环形布局。放射状部41的一端朝基板1的圆心放射方向延伸至基板1的边缘，放射状部41的另一端连接扇环部42的一端，扇环部42的另一端为自由端。
在本实施例中，两个天线振子4以相应的天线耦合细缝7为中心呈对称结构设置。在同一天线阵元2中，两个扇环部42相对设置，天线耦合细缝7位于两个扇环部42之间；两个放射状部41位于天线阵元2的两端，天线隔离带3位于相邻两个天线阵元2的两个放射状部41之间。
该天线阵列可配置有一个天线控制系统，所有天线馈电点5与该天线控制系统电性连接，该天线控制系统的电路板可固定在基板1上。该天线控制系统通过对定向天线阵列不同时段不同方向的控制，可实现整机的空间全向扫描、功率谱采集和分析、用户跟踪等功能。
在本实施例中，天线阵列采用八单元固定波束选择天线阵列，天线阵元2为平面印制微带缝隙耦合偶极子。天线阵列采用PCB印制集成在整机主板上，八个天线阵元2(阵元数量一般主要选择从4个到32个，数量不等，数量越多，波束越窄)呈圆形阵列均匀排布。天线阵元2辐射的电磁波经主板地8反射形成高增益指向性波束，指向性波束半功率角约为45度，八个天线阵元2分别形成八个不同的指向性波束，八个波束合成全向360度的扫描波束。
请参阅图4，天线控制系统的电路板即整个多波束选择智能天线通信系统的硬件架构主要采用FPGA逻辑控制模块11实现。该天线控制系统除了FPGA逻辑控制模块11之外，还包括无线收发器(RF)12、数模转换模块(DAC)13、移相器14、CPU 15。
无线收发器12的RF信号经过移相器14到天线阵列，CPU 15和无线收发器12共2路R/T控制信号，经过FPGA逻辑控制模块11生成16路R/T信号控制天线阵列的收/发。CPU 15和FPGA逻辑控制模块11可采用2线通讯方式。
如图5所示，移相器14包括环行器21和至少一个变容二极管22，在本实施例中，移相器14采用环行器21和2个变容二极管22组成的360度连续移相器。FPGA逻辑控制模块11控制DAC生成模拟电压控制变容二极管22的偏置电压，改变电容，达到改变射频相位的目的。
天线阵列要实现良好的智能多波束选择，FPGA逻辑控制模块11设计了数据传递性能较佳的通讯协议，一般的设计虽然也能满足，但是其效果远远达不到本发明的设计方式。如图6所示，FPGA逻辑控制模块11的协议解析单元完成串行-并行转换，接收到的数据暂存在DAC寄存器中，再通讯结束后同步启动转换，协议解析单元和CPU 15采用2线通讯协议。DAC的设计，变容二极管22的驱动电压要求在0-15V范围。如果采用独立的DAC芯片，需要24个，本着成本的考虑和电路设计的简洁的思想，FPGA逻辑控制模块11加上外部mosfet和阻容构成的电压变换，使低通滤波器协助24路DAC。DAC的核心是一个德尔塔-西格玛调制器输出的PDM(脉冲密度调制)信号随输入的16bit无符号数(D)变化，经过2级RC低通滤波器，得到直流信号。改变D，就能改变输出电压。
一、关于通讯协议，如下介绍。
CPU和FPGA采用2线简化I2C协议(无应答信号)
1.SCLK为串行时钟SDIN为串行数据。每帧数据以开始信号启动，以结束信号终止；MSB在前，SCLK的上升沿接收数据(SDIN在SCLK的上升沿保持稳定)。上电后，DAC寄存器的初始值＝0，检测到结束信号后启动DAC。
2.帧格式，如下表所示。
| 帧头 | 地址 | 数据16bit | 帧尾 |
| 开始信号 | 命字2bit+地址6bit | 送到dac寄存器的值(无符号整形) | 结束信号 |
3.命令字：
b7:b6
00：保留；
01：固定地址模式；
10：数据连续传输模式
11：保留
1)固定地址模式
传输格式：开始+地址(8bit)+数据(16bit)+结束
地址命令的最高2bit为01,低6bit为地址
固定地址模式下只有前2个byte数据有效。
2)数据连续传输模式
传输格式：开始+起始地址+数据1+数据2+…+数据n+结束
地址命令的最高2bit为10，低6bit为地址
在数据连续传输模式中，如果地址更新为18H-1FH，读写无效。(DAC寄存器地址范围为：00h-17H)，如果地址>1FH，将回环。
访问20H地址，实际访问00H/DAC0，访问21H地址，实际访问01H/DAC1。
3)接收到停止信号后启动转换，该操作模式可同步DAC。
b5：保留
b4:b3
00：阵列0
01：阵列1
10：阵列2
11：保留
b2:b1:b0与b4,b3一起构成DAC寄存器的地址。
二、关于DAC的计算公式，如下介绍。
Vout＝Vref*D/65536，Vref＝10V(电路设计中为TL431构建的电压基准,以实际测量为准)，D＝输入的16bit无符号数。
三、关于串行协议编码，如下介绍，请参阅图7。
开始：SCLK为高电平的时候来了SDIN的下降沿；
结束：SCLK为高电平的时候来了SDIN的上升沿；
“1”：SCLK上升沿的时候SDIN为高电平；
“0”：SCLK上升沿的时候SDIN为低电平。
四、关于时序，如图8所示。
多波束选择智能天线通信系统的软件控制模块即多波束选择智能天线通信装置，如图9所示，该多波束选择智能天线通信装置通过天线阵列的天线阵元组合，组成不同的无线波束对连接的工作站进行扫描，找到信号最强的路径，产生定向波束与之连接，确保终端与AP之间是最短路径。该多波束选择智能天线通信装置主要包括工作站监测单元、波速扫描算法单元、底层通信单元。
Scan Function——波速扫描算法单元：实时检测连接的工作站，记录下工作站的MAC地址；
Wave-form Func——工作站监测单元：在360度的空间范围，用定向波束扫描，找到RSSI最佳的波束；
IO-CRTL Func——底层通信单元：发送命令控制流到FPGA逻辑控制模块11，通过FPGA逻辑控制模块11控制电气开关和电容管来调节天线阵列组成特定的波形。
针对底层通信单元，也称IO-CTRL底层通信模块，其包括全局函数添加子单元、控制函数编写子单元、接口函数编写子单元。主要设计步骤：添加对FPGA逻辑控制模块11的GPIO管脚操作的全局函数，提供给智能天线驱动使用；编写FPGA逻辑控制模块11的DATA_PIN和CLK_PIN两个管脚的控制函数；参考FPGA逻辑控制模块11的串行通信协议，编写发送控制命令bits流的接口函数，该函数通过调用上述的DATA-PIN和CLK_PIN的管脚控制函数实现。
模块调试时，可使用逻辑分析仪或示波器，检查DATA和CLK两个管脚的输出波形是否对齐和符合时序要求。
工作站监测单元包括更新子单元、代码设计子单元、两个结构变量子单元。更新子单元用于在AP启动进入工作状态后，随时都有工作站接入或离开，从而对工作站的变化实时更新状态和MAC地址列表。代码设计子单元用于在MAC地址列表的更新算法，具体地，其代码设计，主要在MAC地址列表的更新算法：采用简单的冒泡算法，新旧两张表对比，将新MAC插入旧表，整合成新表。两个结构变量子单元，一个用于记录和获取新MAC地址，另一个用于记录每个工作站对应的最大RSSI值和波束序号。
波束扫描算法单元包括波束扫描子单元、左右倾角变化子单元。在本实施例中，天线阵列的天线阵元是8个，因此，波束扫描子单元先将整个空间分成8等分域，每个域占45°，做波束扫描。
左右倾角变化子单元用于找到信号强度最大的那个域，如图10所示。做左右倾角变化，将左右两个信号强度与基准的值进行比较，如果值一样，停止继续扫描。如果比基准值小，缩小角度继续扫描。如果比基准值大，将最大那个做为新基准值，继续做左右倾角变化扫描。
为了做到扫描最有效率，每两个相邻域之间，22.5°是临界点，所以扫描的左右倾角次序：加减11°，加减6°，加减3°，加减2°，加减1°。这是本发明的创新之一，经实践证明这样做扫描效率比普通的提高1倍以上。另外，还可以进行算法优化：当所有工作站都扫描一遍后，基本确认了各个工作站的最强信号方向。当信号强度发生变化的工作站会再做扫描。
综上所述，本发明能够解决以下技术问题：
1.本发明可以将连接用户做排队，消除因大家竞争信道造成的拥塞问题，从而提升了无线终端的连接数量，解决系统容量问题；
2.还能智能避开相互间的干扰，提升用户的上网体验，解决干扰问题；
3.由天线阵列将电磁波集中在一个方向，可以在不增大发射功率的基础上，增大无线的覆盖范围，同时可以避免干扰，提升接收数据包成功率，解决AP覆盖范围不足问题；
4.通过方向加距离的方式，来确定终端的具体位置，从而解决WIFI定位问题。
因此，本发明得到以下有益效果：
1.全向空间扫描：天线阵列将全向360度空间分为8个小区域，通过开关控制可实现全空间内的扫描。
2.采集客户端信号强度数据形成功率谱，判断终端用户的具体方位：通过天线阵列的定向波束全向空间扫描后，系统采集终端用户各个方向的信号强度数据形成功率谱，根据功率谱可判定终端用户的具体方位。
3.可实时更新用户的具体方位：系统可实现广播模式和工作模式的周期性切换，广播模式下系统可快速的更新用户的最新方位信息。
4.扩充整机系统容量：无线通信较多的采用信道竞争机制，在公共场所，终端用户比较多的时候，如果采用常规的全向天线势必造成大量用户竞争同一个信道，竞争窗口增大，导致信道堵塞。若采用切换式定向天线阵列，相比全向天线而言则可在某时段内减小天线覆盖角度，从而减小用户竞争激烈程度，减小竞争窗口，提高整机的系统容量。
5.有利于提高天线增益，增加整机覆盖距离：由于切换式天线采用定向天线替代全向天线，定向天线比较容易做成高增益天线，天线增益提高可增加整机的覆盖距离。
6.有利于减少整机之间的相互干扰：在有多个整机同时覆盖同一片区域的情况下，若整机采用常规的全向天线，天线的最大增益同时指向覆盖区，必然导致整机之间的相互干扰增大。而采用定向波束切换式天线阵列，由于不同时刻天线的指向性不同，整机之间天线最大增益指向重叠的概率减小，整机之间的干扰减小。
7.更精确的定位目标的位置：通过波束选择的方式，可以把目标定位到一个比较窄的一个扇形区域，并通过信号强度来得到距离大小，从而可以更精确的定位到目标的具体位置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多波束选择智能天线阵列，其包括基板(1)、固定在基板(1)上的若干个天线阵元(2)；其特征在于：基板(1)呈圆环形，所有天线阵元(2)绕基板(1)的圆心均匀分布在基板(1)的一个侧面的圆形外周缘上而构成环形阵列；基板(1)上自基板(1)的圆形端面向圆心开设有若干弧形凹陷和若干细缝，在相邻两个天线阵元(2)之间布局有一个该弧形凹陷并由此形成天线隔离带(3)；每个天线阵元(2)包括两个天线振子(4)，且在两个天线振子(4)之间布局有一个该细缝并由此形成天线耦合细缝(7)，天线阵元(2)的天线馈电点(5)位于两个天线振子(4)之间。
2.如权利要求1所述的多波束选择智能天线阵列，其特征在于：天线馈电点(5)固定在基板(1)的相对另一个侧面上。
3.如权利要求1所述的多波束选择智能天线阵列，其特征在于：在同一个天线阵元(2)中，两个天线振子(4)采用微带线(6)与天线馈电点(5)电性连接。
4.如权利要求3所述的多波束选择智能天线阵列，其特征在于：微带线(6)固定在基板(1)的相对另一个侧面上。
5.如权利要求1所述的多波束选择智能天线阵列，其特征在于：两个天线振子(4)以相应的天线耦合细缝(7)为中心呈对称结构设置。
6.如权利要求5所述的多波束选择智能天线阵列，其特征在于：每个天线振子(4)包括指向基板(1)圆心的放射状部(41)、以基板(1)的圆心为圆心的扇环部(42)；放射状部(41)的一端朝基板(1)的圆心放射方向延伸至基板(1)的边缘，放射状部(41)的另一端连接扇环部(42)的一端，扇环部(42)的另一端为自由端。
7.如权利要求6所述的多波束选择智能天线阵列，其特征在于：在同一天线阵元(2)中，两个扇环部(42)相对设置，天线耦合细缝(7)位于两个扇环部(42)之间；两个放射状部(41)位于天线阵元(2)的两端，天线隔离带(3)位于相邻两个天线阵元(2)的两个放射状部(41)之间。
8.如权利要求1所述的多波束选择智能天线阵列，其特征在于：该天线阵列配置有一个天线控制系统，所有天线馈电点(5)与该天线控制系统电性连接；该天线控制系统的电路板固定在基板(1)上。
9.如权利要求1所述的多波束选择智能天线阵列，其特征在于：每个天线阵元(2)设计为定向天线，其阵元波束以该环形阵列的圆心为中心朝基板(1)外发射，该环形阵列根据天线阵元(2)的数目选择不同的阵元波束宽度。
10.一种多波束选择智能天线通信系统，其采用天线阵列，其特征在于：该天线阵列为如权利要求1至9中任意一项所述的多波束选择智能天线阵列。
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