CN108777371A - 天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线装置，所述天线装置包括发射天线，用于发射信号；多个接收天线，用于接收信号，所述多个接收天线构成圆环天线阵列；所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗与接收天线接收的信号允许的最大路径损耗之差为补偿增益，通过圆环天线阵列的相应扇区中的接收天线来提供补偿增益，以使所述接收天线接收信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离大于或等于所述发射天线发射信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离。

Description

天线装置
技术领域
本发明涉及移动通讯领域，特别是涉及一种天线装置。
背景技术
专网窄带通信通常所指的是对讲机和集群通信，将频率划分成不同的单位间隔，并把调制好的信号在此频段上发出，进而成为双方进行语音呼叫的载体。目前以基带单元和射频单元组合形态和一体化基站形态为主，由于专网窄带制式相对于公网其下行具有足够远的覆盖距离，但存在专网无线通信系统上下不平衡的问题，为适应专网的发展，在上行引入新的天线形态，例如智能天线，则可以利用单一基站设备扩展上行覆盖范围，完成广覆盖来满足专网客户的需求。
目前一般智能天线为收发共用天线，并同时赋形，根据上行链路即终端发送通信信号给基站(下行链路即基站发送通信信号给终端)，基站根据接收到的终端的功率动态调整接收天线幅相特性并综合出合适的方向图，同时发射的天线也赋以同样的权值。另一种是上下行分离，以上行采用阵列天线为例，因为不同权值对应的方向性差别很大，上行覆盖范围也不容易控制，如果上行覆盖范围过大，反而还需要考虑去敏来解决上行的问题。智能天线算法复杂，成本高，目前采用智能天线的设备比较少见，由于受技术和价格等因素的制约，智能天线一直未能大量应用于通信领域。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种天线装置，通过扩展接收天线接收的信号覆盖范围，以解决专网无线通信系统上下不平衡的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
提供一种天线装置，包括：
发射天线，用于发射信号；
多个接收天线，用于接收信号，所述多个接收天线构成圆环天线阵列；
所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗与接收天线接收的信号允许的最大路径损耗之差为补偿增益，通过所述圆环天线阵列的相应扇区中的接收天线来提供所述补偿增益，以使所述接收天线接收的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离大于或等于所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明天线装置发射天线，用于发射信号；多个接收天线，用于接收信号，所述多个接收天线构成圆环天线阵列；通过所述圆环天线阵列的相应扇区中的接收天线来提供所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗与接收天线接收的信号允许的最大路径损耗之差的补偿增益，以使所述接收天线接收的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离大于或等于所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离，即通过扩展接收天线接收的信号覆盖范围，以解决专网无线通信系统上下不平衡的难题。
附图说明
图1是本发明天线装置结构示意图；
图2是本发明天线装置中圆环天线阵列半径计算示意图；
图3是本发明天线装置所需补偿增益示意图；
图4是本发明天线装置中接收天线扇区划分示意图；
图5是本发明天线装置中圆环天线阵列方向性计算示意图；
图6是本发明天线装置固定结构示意图；
图7a是本发明天线装置中接收天线与接收机连接示意图；
图7b是本发明天线装置中接收天线与接收机另一连接示意图；
图8a～图8c是本发明天线装置固定结构不同状态下的结构示意图；
图9是本发明天线装置固定结构中支撑臂展开后的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
请参阅图1，图1是本发明天线装置结构示意图，所述天线装置包括：
发射天线20，用于发射信号；
多个接收天线40，用于接收信号，所述多个接收天线40构成圆环天线阵列；
所述发射天线20发射的信号允许的最大路径损耗与接收天线40接收的信号允许的最大路径损耗之差为补偿增益，通过所述圆环天线阵列的相应扇区中的接收天线40来提供所述补偿增益，以使所述接收天线40接收的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离大于或等于所述发射天线20发射的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离。
其中，所述发射天线20为全向天线；
其中，所述多个接收天线40相邻两天线的间距小于所述接收天线40工作频率的一个波长；
其中，所述多个接收天线40的数量大于等于十八；
其中，所述多个接收天线40以所述发射天线20为中心环绕设置；
其中，所述多个接收天线40以所述发射天线20为中心呈圆环形均匀排布环绕设置。
请参阅图2，图2是本发明天线装置中圆环天线阵列圆环半径计算示意图，
其中，a为圆环天线阵列的圆环半径，γ为相邻两天线半径之间的夹角，D为相邻两阵元即接收天线40之间的间距，圆环天线阵列的圆环半径相同，且满足公式：a＝(D/2)/sin(γ/2)
具体的，专网无线通信设备工作频率为450MHz(一般工作在很低的频率，如300MHz到400MHz)，其相邻两阵元(如图2中阵元41和阵元42)间距D设置为半个波长，D＝3x108/(450x106)/2＝0.333m。假设所述接收天线40为19个，阵元41与42间夹角γ＝20度，所述圆环天线阵列的圆环半径则需要a＝(D/2)/sin(γ/2)，所以圆环天线阵列所需要的半径a为0.959m。
其中，发射天线发射的信号允许的最大路径损耗与接收天线接收的信号允许的最大路径损耗之差为补偿增益，其最大允许路径损耗和发射机发射功率，接收机灵敏度，天线增益以及所述天线装置所处的环境即无线信道模型有关，
所述最大路径损耗满足如下关系式：
FL(dB)＝Pt(dBm)-Ct(dB)+Gt(dB)-Pr(dBm)+Gr(dB)-Cr(dB)
其中，Pr为接受端灵敏度，Pt为发送端功率，Cr为接收端接头和电缆损耗，Ct为发送端接头和电缆损耗，Gr为接受端天线增益，Gt为发送端天线增益，FL为最大路径损耗。
所述信道模型取决于所述天线装置所处环境对应的空间。
根据所述天线装置所处环境对应的空间，使用不同的信道模型。将信道模型与最大允许的空间损耗联合可以求得所述天线装置的覆盖距离。
具体的，以所述天线阵列处于城市市区对应的空间为例，所述信道模型可以是Okumura-Hata模型，具体计算公式如下：
Lb城＝69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)(lgd)γ
其中，d为移动台与基站之间的距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz；Lb城为城市市区的基本传播损耗中值；hb、hm为基站和移动台天线有效高度，单位为米；α(hm)为移动台天线高度因子，γ为抛物线校正因子。
所述天线通过计算下行链路(即发射天线的发射信号)求出下行允许的最大路径损耗，计算上行链路(即接收天线的接收信号)求出上行允许的最大路径损耗，两值相减就可以得到所需要的补偿增益。如图3所示，是本发明天线装置所需的补偿增益示意图，downlink为下行天线覆盖的距离，uplink0为用同样的全向天线的覆盖距离。uplinkX为通过波束赋形的天线所期望的覆盖距离，uplinkX-uplink0即为解决无线通信系统上下不平衡所需补偿增益。
其中，所述圆环天线阵列扇区的划分是根据所述天线装置所需补偿增益对所述接收天线40进行分扇，以所述圆环形天线阵列中X个所述接收天线40形成的扇区可得到所述补偿增益，所述扇区由所述接收天线M到N组成，共包括X个所述接收天线40；
其中，M和N为组成所述圆环天线阵列中的任意两所述接收天线40。
其中，所述X满足下列条件：10log(X)dB大于或等于所述补偿增益。
具体请参阅图4，图4本发明天线装置中接收天线扇区划分示意图，假设需要3个所述接收天线40形成的扇区以补偿所需所述补偿增益，即3个所述接收天线40提升的所述补偿增益10log(3)dB大于或等于所需所述补偿增益。那么扇区的划分如下，所述圆环天线阵列由N个所述接收天线40即阵元组成，扇区1为阵元1、阵元2、阵元3组成；扇区2为阵元2、阵元3、阵元4组成；如此类推，最后的阵元和前几个阵元循环形成扇区，如阵元N、阵元1、阵元2组成。
通过所述圆环天线阵列的相应扇区中的接收天线来对接收信号进行补偿增益，以使所述接收天线接收的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离大于或等于所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗，通过扩展接收天线接收的信号覆盖范围，以解决专网无线通信系统的上下不平衡。
再通过所述天线装置根据所述圆环天线阵列的方向性筛选通信信号后接入上行通信。
其中，所述通过所述圆环天线阵列的相应扇区中的接收天线来提供所述补偿增益，具体为：
根据所述天线装置得到所需要的补偿增益对所述接收天线进行分扇；
计算各扇区接收天线方向性后得出所述圆环天线阵列的方向性，分析所述圆环天线阵列辐射特性，动态获取各个扇区中的终端信号强度，并且筛选出最合适的扇区进行解调处理。
所述圆环天线阵列的方向性满足如下公式：
其中，S为电磁场，N为接收天线数量，In为第n个接收天线的激励电流幅度，βn为第n接收天线与x轴的夹角，ρ和ξ为引入变量，j为复数单位，k为常量，k＝2π/λ，其中λ为天线所在频段的波长。
请参阅图5，图5是本发明天线装置中圆环天线阵列方向性计算示意图。一个有N个各向同性的接收天线40即阵元沿半径为a的圆周均匀排布组成的圆环天线阵列，S(θ，φ)为在该圆环天线阵列远场区P(θ，φ)点处的阵因子(θ为P点与Z轴的夹角，φ为P点在xy平面内与x轴的夹角)，设P(θ，φ)位于β＝βn处的阵元电流为In是第n个阵元的激励电流幅度，βn这一阵元以阵列中心为参考的激励相位。
把每一个阵元对远场点的贡献叠加起来，这样就可获得此圆环天线阵列的远场综合阵因子函数，得：
如果主波瓣(在阵列天线方向性图中含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣)最大值指向(θ0,φ0),就有第n个阵元的激励相位为
αn＝-kasinθ0cos(φ0-βn)
在此我们定义以下两个变量ρ和ξ，其中：
通过转换变形后，可改写为：
只要给定了a、N、In、an、βn、θ0和φ0等要素，并在软件中预存接收天线方向性，就可计算圆环天线阵列的方向性并分析其辐射特性了。通过所述天线装置确定上下行平衡所需要额外的天线增益，通过算法综合可以得到相关的In幅度相位要求。
本发明所述天线装置通过选取合适的虚拟扇区后应用到上行接收，具体可通过动态获取各个扇区中的终端信号强度，并根据一定的算法筛选出最合适的扇区进行解调处理，例如当移动台进入宏扇区时，切换波束系统选择一个收到最强信号的波束用于该用户通信，用户在通信过程中，系统不断地监测信号的强度，当信号较弱时，可以切换到另一个波束，以确保通信质量。
请参阅图6，本发明所述天线装置固定结构相对于图1还包括：
固定杆10，通过所述固定杆的一端将所述天线装置固定在目的地；
所述固定杆10的另一端固定所述发射天线20；
所述固定杆10上设置有多个支撑臂30，每一支撑臂30的一端固定在所述固定杆10上，以使所述多个支撑臂30以所述固定杆10为中心环绕设置，且每一支撑臂的另一端用于设置所述接收天线40，所述多个支撑臂30相对所述固定杆10展开或闭合。
所述天线装置还包括齿轮传动装置11和传动链条12，所述传动链条12通过齿轮传动装置11与支撑臂30的一端连接，所述齿轮传动装置11通过所述传动链条12控制所述支撑臂30展开或闭合；所述天线装置还包括接收机50及波束形成器60，用于接收信号及对接收到的信号进行赋形处理，形成虚拟天线。
本实施例中，所述接收机50同所述波束形成器60集成在所述固定杆10内，在其他实施例中，如图7a所示，所述接收机50同所述波束形成器在所述天线装置外集成在一起，也可以如图7b所示，将各个阵元40(构成所述圆环天线阵列的所述接收天线40称为阵元40)同接收机50集成在一起，再连接波束形成器60。
结合图8a～图8c，是本发明天线装置固定结构不同状态下的结构示意图，在本实施例中，图8a是本发明天线装置固定结构在运输状态下的结构示意图，所述多个支撑臂30相对所述固定杆10闭合；图8b是本发明天线装置固定结构在展开状态下的结构示意图，所述多个支撑臂30相对所述固定杆10展开；图8c是本发明天线装置固定结构在安装完成状态下的结构示意图，所述多个支撑臂30相对所述固定杆10展开(如图9所示伞状)，且每一支撑臂30的另一端用于设置接收天线40。
本发明通过设置天线装置，所述天线装置包括发射天线，用于发射信号；多个接收天线，用于接收信号，所述多个接收天线构成圆环天线阵列；所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗与接收天线接收的信号允许的最大路径损耗之差为补偿增益，通过将所述多个接收天线中一定数量的接收天线设置为一个扇区来补偿增益，以使所述接收天线接收的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离大于或等于所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离，进而实现扩展接收天线接收的信号覆盖范围，实现无线通信系统上下不平衡的增益。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (16)

1.一种天线装置，其特征在于，包括：
发射天线，用于发射信号；
多个接收天线，用于接收信号，所述多个接收天线构成圆环天线阵列；
所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗与接收天线接收的信号允许的最大路径损耗之差为补偿增益，通过所述圆环天线阵列的相应扇区中的接收天线来提供所述补偿增益，以使所述接收天线接收的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离大于或等于所述发射天线发射的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述多个接收天线以所述发射天线为中心环绕设置。
3.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述多个接收天线相邻两天线的间距小于所述接收天线工作频率的一个波长。
4.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述发射天线发射的信号与所述接收天线接收的信号允许的最大路径损耗满足下列计算公式：
FL＝Pt-Ct+Gt-Pr+Gr-Cr
其中，Pr为接受端灵敏度，Pt为发送端功率，Cr为接收端接头和电缆损耗，Ct为发送端接头和电缆损耗，Gr为接受端天线增益，Gt为发送端天线增益，FL为最大路径损耗。
5.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述圆环天线阵列的扇区是根据所述天线装置所需要的补偿增益对所述接收天线进行划分，以所述圆环形天线阵列中X个所述接收天线形成的扇区可得到所述补偿增益，所述扇区由所述接收天线M到N组成，共包括X个所述接收天线；
其中，M和N为组成所述圆环天线阵列中的任意两所述接收天线。
6.如权利要求5所述的天线装置，其特征在于，所述X满足下列条件：10log(X)dB大于或等于所述补偿增益。
7.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述发射天线发射的信号和所述接收天线接收的信号允许的最大路径损耗所对应的传播距离根据信道模型与允许的最大路径损耗得到，其中所述信道模型取决于所述天线装置所处环境对应的空间。
8.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述信道模型可以是Okumura-Hata模型，具体计算公式如下：
Lb城＝69.55+26.16lgf-13.82lghb-a(hm)+(44.9-6.55lghb)(lgd)γ
其中，d为移动台与基站之间的距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz；Lb城为城市市区的基本传播损耗中值；hb、hm为基站和移动台天线有效高度，单位为米；α(hm)为移动台天线高度因子，γ为抛物线校正因子。
9.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述通过所述圆环天线阵列的相应扇区中的接收天线来提供所述补偿增益，具体为：
根据所述天线装置得到所需要的补偿增益对所述接收天线进行分扇；
计算各扇区所述接收天线阵列方向性后得出所述圆环天线阵列的方向图，分析所述圆环天线阵列辐射特性，动态获取各个扇区中的终端信号强度，并且筛选出最合适的扇区进行解调处理。
10.根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，所述圆环天线阵列的方向图满足如下公式：
其中，S为电磁场，N为接收天线数量，In为第n个接收天线的激励电流幅度，βn为第n接收天线与x轴的夹角，ρ和ξ为引入变量，j为复数单位，k为常量，k＝2π/λ，其中λ为天线所在频段的波长。
11.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述多个接收天线以所述发射天线为中心呈圆环形均匀环绕设置。
12.根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于，所述圆环天线阵列的圆环半径满足如下公式：
a＝(D/2)/sin(γ/2)
其中，a为圆环天线阵列的圆环半径，γ为相邻两天线半径之间的夹角，D为相邻两天线之间的间距。
13.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述发射天线为全向天线。
14.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述多个接收天线的数量大于等于十八。
15.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述天线装置还包括：
固定杆，通过所述固定杆的一端将所述天线装置固定在目的地；
所述固定杆的另一端固定所述发射天线；
所述固定杆上设置有多个支撑臂，每一支撑臂的一端固定在所述固定杆上，以使所述多个支撑臂以所述固定杆为中心环绕设置，且每一支撑臂的另一端用于设置所述接收天线，所述多个支撑臂可相对所述固定杆展开或闭合。
16.根据权利要求15所述的天线装置，其特征在于，所述天线装置还包括：接收机及波束形成器，用于接收信号及对接收到的信号进行赋形处理；齿轮传动装置和传动链条，所述传动链条通过齿轮传动装置与所述支撑臂的一端连接；所述齿轮传动装置通过所述传动链条控制所述支撑臂展开或闭合。
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