CN110880641A - 一种多波束智能天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多波束智能天线，包括：信息采集单元、信号处理单元和辐射单元，信息采集单元通过摄像头采集监测区域中的图像信号，或者，通过传感器采取监测区域中的差频信号，将图像信号或差频信号传输给信号处理单元；信号处理单元对图像信号或差频信号进行分析处理，识别出包含用户的监测区域中的子区域或当用户达到预设的触发位置，向辐射单元发送携带子区域信息的驱动信号；辐射单元将天线的监测区域划分为多个子区域，根据驱动信号中的子区域信息，通过天线对相应的子区域提供电波覆盖。本发明天线可以根据环境的改变，自动将辐射波束切换到用户所在的子区域，保证用户处于电波覆盖区域，达到降低通信系统功耗、提高用户通信质量的目的。

Description

一种多波束智能天线

技术领域

本发明涉及智能天线技术领域，尤其涉及一种多波束智能天线。

背景技术

在移动通信及某些特定应用场合中，需要使用户始终处于电波覆盖区域，而无用户的区域无需进行电波覆盖，以此提高移动通信的能量利用率，降低系统功耗。这就要求天线能够提供多个波束，且能够随着用户位置的改变实时切换波束。现有技术中的天线只具有辐射电磁波的作用，要实现辐射波束的自动调整，需要人为或外设控制，不能够感知环境变化并自动调整辐射波束。

因此，如何设计一种具有感知环境变化能力的多波束智能天线是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种多波束智能天线，以实现能够感知环境变化并自动调整辐射波束。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种多波束智能天线，包括：信息采集单元、信号处理单元和辐射单元，所述信号处理单元与所述信息采集单元、所述辐射单元集成在一起；

所述的信息采集单元，用于通过摄像头采集多波束智能天线的监测区域中的图像信号，或者，通过传感器采取监测区域中的差频信号，将所述图像信号或差频信号传输给所述信号处理单元；

所述的信号处理单元，用于对所述信息采集单元传输过来的所述图像信号或差频信号进行分析处理，识别出包含用户的所述监测区域中的子区域，向所述辐射单元发送携带所述子区域信息的驱动信号；

所述的辐射单元，用于将所述多波束智能天线的监测区域划分为多个子区域，根据所述信号处理单元传输过来的驱动信号中的子区域信息，通过天线对相应的子区域提供电波覆盖。

优选地，所述的信息采集单元包括微波测距传感器，所述微波测距传感器向所述监测区域发射电磁波，当接收到所述监测区域中的用户反射回的电磁波后，对发射和接收的电磁波进行混频处理，得到差频信号，将所述差频信号经过模拟处理电路传输至信号处理单元。

优选地，所述信号处理单元通过处理器根据差频信号计算出智能天线到用户之间的距离，将所述距离与预设的触发距离相匹配，匹配成功后，向所述辐射单元发送所述子区域对应的驱动信号。

优选地，所述信号处理单元通过处理器利用深度神经网络对所述信息采集单元传输过来的图像信号进行图像识别处理，识别出图像中的用户，并确定用户所在的子区域，向所述辐射单元发送所述子区域对应的驱动信号；

确定用户所在的子区域的决策函数如下：

其中Confidence^i,j和Bbox^i,j是由深度神经网络生成的，Bbox表示用于绑定图像中对象的边界框，i和j分别代表Bbox和子区域的标识，N是一个子区域中的边界框的计数，ZoneScore^j表示子区域j的分数，得分最高的子区域为用户所在的子区域。

优选地，所述辐射单元，具体用于包括由多波束天线构成的多个辐射子单元和射频开关，每个辐射子单元对应一个监测区域中的子区域，所述射频开关接收到所述信号处理单元发送过来的携带子区域信息的驱动信号后，激励所述子区域对应的辐射子单元，该辐射子单元向对应的子区域提供电波覆盖。

优选地，当用户从其所在的旧子区域移动到新子区域后；

所述的信号处理单元，具体用于对所述信息采集单元传输过来的所述图像信号或差频信号进行分析处理，识别出包含用户的新子区域，向所述辐射单元发送所述新子区域对应的驱动信号；

所述的辐射单元，具体用于通过所述射频开关接收到所述信号处理单元发送过来的携带新子区域信息的驱动信号后，激励所述新子区域对应的辐射子单元，该辐射子单元向对应的新子区域提供电波覆盖，关闭所述旧子区域对应的辐射子单元。

优选地，所述辐射单元设置在基板上，包括两个端射的八木天线和一个侧射的贴片天线，两个八木天线位于基板两侧，贴片天线位于基板的中间，将所述多波束智能天线的监测区域划分为水平排列的3个子区域，两个八木天线分别作为辐射子单元对位于两侧的两个子区域提供电波覆盖，贴片天线作为辐射子单元对位于中间的子区域提供电波覆盖。

优选地，所述辐射单元设置在基板上，包括基于2x2巴特勒矩阵设计的微带天线阵列，该微带天线阵列提供4个波束，将所述多波束智能天线的监测区域划分为4个子区域，4个子区域组成一个正方形的区域，所述4个波束分别作为一个辐射子单元对一个子区域提供电波覆盖。

优选地，所述辐射单元设置在基板上，所述信息采集单元和所述信号处理单元固定于所述金属板的后面，构成一种集成的多波束智能天线。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的多波束智能天线可以根据环境的改变，自动将辐射波束切换到用户所在的子区域，保证用户处于电波覆盖区域，有效地提高天线的能量利用率，使用户始终处于电磁波覆盖区域，比全向天线具有更低的功耗，更有利于保证通信系统的稳定性，达到降低通信系统功耗、提高用户通信质量的目的。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的多波束智能天线的结构图；

图2为本发明实施例提供的多波束智能天线在直线通道中的工作示意图；

图3为本发明实施例提供的多波束智能天线的运行过程示意图；

图4为本发明实施例提供的多波束智能天线的辐射单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的在不同工作模式下沿测试路径测试的误差矢量幅度示意图；

图6为本发明实施例提供的多波束智能天线在二维空间中的工作示意图；

图7为本发明实施例提供的多波束智能天线的工作原理示意图；

图8为本发明实施例提供的一种基于2x2巴特勒矩阵设计的微带天线阵列作为辐射单元的结构图；

图9为本发明实施例提供的一种基于图8所示的辐射单元的多波束智能天线的误差矢量幅度图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种多波束智能天线，该天线能够实时感知环境的变化，通过计算采集到的信息对辐射波束进行自动调整，解决天线没有感知能力，不能随时自动调整辐射状态、实现电波高效覆盖的问题，同时为新一代无线通信技术提供新的电波覆盖方案。

本发明实施例提供的一种多波束智能天线的结构图如图1所示，包括信息采集单元、信号处理单元和辐射单元，所述信号处理单元与所述信息采集单元、所述辐射单元紧密集成。以上三个单元构成独立运行的智能天线，实现智能天线波束的自动调整。

所述的信息采集单元，用于通过摄像头采集多波束智能天线的监测区域中的图像信号，或者，通过传感器采取监测区域中的差频信号，将所述图像信号或差频信号传输给所述信号处理单元；

所述的信号处理单元，用于对所述信息采集单元传输过来的所述图像信号或差频信号进行分析处理，识别出包含用户的所述监测区域中的子区域或当用户达到预设的触发位置，向所述辐射单元发送携带所述子区域信息的驱动信号；

所述的辐射单元，用于将所述多波束智能天线的监测区域划分为多个子区域，包括由多波束天线构成的多个辐射子单元和射频开关，每个辐射子单元对应一个监测区域中的子区域，所述射频开关接收到所述信号处理单元发送过来的携带子区域信息的驱动信号后，激励所述子区域对应的辐射子单元，该辐射子单元向对应的子区域提供电波覆盖。

当用户从其所在的旧子区域移动到新子区域后；

信号处理单元，具体用于对信息采集单元传输过来的所述图像信号或差频信号进行分析处理，识别出包含用户的新子区域，向所述辐射单元发送所述新子区域对应的驱动信号；

辐射单元，具体用于通过射频开关接收到所述信号处理单元发送过来的携带新子区域信息的驱动信号后，激励所述新子区域对应的辐射子单元，该辐射子单元向对应的新子区域提供电波覆盖，关闭所述旧子区域对应的辐射子单元。

在实际应用中，在初始化时，辐射单元中的所有辐射子单元处于关闭状态。当用户移动至监测区域中的预设的触发位置时，信号处理单元会根据信息采集单元传输过来的图像信号或差频信号，识别出包含用户的子区域，向辐射单元发送子区域对应的驱动信号，从而激励辐射单元对相应的子区域提供电波覆盖，使用户始终处于电波覆盖区域。上述预设的触发位置是在智能天线设计阶段，根据智能天线应用环境划分的电波覆盖区域，而设置的波束发生切换的用户位置。

在实际应用中，辐射单元通常设置在基板上，信息采集单元和信号处理单元通常固定于金属板的后面，信号处理单元和辐射单元紧密结合，从而实现一种高度集成的多波束智能天线。信号处理单元和信号处理单元相对较小，在金属地板后面放置集成模块几乎不会对辐射波束产生影响。

本发明实施例的多波束智能天线可以根据特定环境进行相应的处理，例如在直线通道中，多波束智能天线可以实时监测天线到移动载体的距离，当移动载体移动至触发位置时，快速切换辐射波束，使移动载体始终处于电波覆盖区域；在二维空间中，多波束智能天线可以实时监测用户在监测区域内的位置，因而根据用户位置自动调整电磁波覆盖区域。

实施例1

图2为本发明实施例提供的多波束智能天线在直线通道中的工作示意图。信息采集单元采用两个微波测距传感器，信号处理单元采用数字信号处理器。信号处理单元从传感器输出的差频信号中提取用户到传感器之间的距离信息。两个八木天线子单元和一个贴片天线子单元集成在一起构成智能天线的辐射单元，其中，两个八木天线子单元和一个贴片天线子单元分别作为一个辐射子单元。

根据预先设定的用户触发位置，可以在三个辐射子单元之间自动切换激励单元。移动通信系统前端只向天线发送射频信号，天线本身自动实时建立和改变无线通信信道，使信道始终处于最佳状态。

图3为本发明实施例提供的多波束智能天线的运行过程示意图，如图3所示，数字信号处理器首先向传感器1连续发送三角波作为驱动信号，使传感器1正常工作，由传感器1输出的差频信号通过模拟信号处理电路进入数字信号处理单元，由数字信号处理单元计算出用户与智能天线之间的距离，将所述距离与预设的触发距离相匹配，匹配成功后，向所述辐射单元发送所述子区域对应的驱动信号。当用户移动至预设的触发位置时，信号处理单元立即发出激励信号，使激励的辐射单元由子单元1切换至子单元2，同时传感器1关闭，传感器2开启，至此，辐射波束完成了一次自动切换。同样的，当用户移动至第二个触发位置，辐射波束会进行第二次自动切换，使用户始终处于电磁波覆盖区域。

图4为本发明实施例提供的多波束智能天线的辐射单元的结构示意图，如图4所示，辐射单元包括两个端射的八木天线和一个侧射的贴片天线。该多天线结构的辐射单元设计在介质基板上，两个八木天线位于基板两侧，而贴片天线位于基板的中间，将所述多波束智能天线的监测区域划分为水平排列的3个子区域，两个八木天线分别作为辐射子单元对位于两侧的两个子区域提供电磁波覆盖，贴片天线作为辐射子单元对位于中间的子区域提供电磁波覆盖。天线的辐射波束可以通过激励相应的天线同时或分别覆盖图2中的区域1、2、3。

图5为本发明实施例提供的在不同工作模式下沿测试路径测试的误差矢量幅度示意图，如图5所示，触发位置设为-1m和+1m，即区域1范围为-8m到-1m，区域2和区域3范围分别为-1m到1m和1m到8m。图5(a)，(b)和(c)示出了当子单元单独工作时的误差矢量幅度，图5(d)示出了子单元之间进行自动切换时的误差矢量幅度。可以看到，当三个子单元分别工作时，误差矢量幅度明显高于智能天线自动切换时的误差矢量幅度。因此，使用该智能天线可以有效保证信道的通信质量。

实施例2

图6为本发明实施例提供的多波束智能天线在二维空间中的工作示意图。信息采集单元通过微型摄像头不间断地观察监测区域。如果监控区域内没有用户，天线将保持空闲状态，不产生辐射。一旦用户进入区域1，用户将被立即识别，信号处理单元迅速向射频开关发送驱动信号，使端口P1被激励，此时电磁波覆盖主要分布在区域1。当用户移动到区域2时，端口P2将被激励，电磁波覆盖区域切换到区域2。同理，一旦用户进入区域3和区域4，相应的端口即P3和P4将被激励。因此，该智能天线可始终对用户提供较高质量的通信。

本领域技术人员应能理解上述图6中的端口和区域的设置场景仅为举例，其他现有的或今后可能出现的端口和区域的设置场景如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

图7为本发明实施例提供的一种多波束智能天线的工作原理示意图。信息采集单元采用摄像头来连续获取监控区域的图像，同时将图像数据流传送至信号处理单元。信号处理单元基于高性能处理器，利用深度神经网络进行图像识别，将图像中的人识别出来，并确定其位置。确定位置时，首先将监测区域分区，每个区会计算得到一个分数，得分最高的区域就是用户所在的子区域。

确定用户所在的子区域的决策函数如下：

其中Confidence^i,j和Bbox^i,j是由深度神经网络生成的，Bbox表示用于绑定图像中对象的边界框，i和j分别代表Bbox和子区域的标识，N是一个子区域中的边界框的计数，Confidence^i,j表示每个Bbox的置信值，从而计算出每个子区域的置信值，置信值最大的区域即为用户所在的区域。ZoneScore^j表示子区域j的分数，得分最高的子区域为用户所在的子区域。

确定用户所在的子区域后，信号处理单元会发送驱动信号来激励用户所在的子区域对应的端口，从而将电波覆盖在用户所在的区域。当用户移动至新区域后，波束将自动切换至新区域对应的端口。

图8为本发明实施例提供的一种基于2x2巴特勒矩阵设计的微带天线阵列作为辐射单元的结构图。该天线阵列可以提供4个波束，将所述多波束智能天线的监测区域划分为4个子区域，4个子区域组成一个正方形的区域，所述4个波束分别作为一个辐射子单元对一个子区域提供电波覆盖。比如，分别对应图6中的4个区域。为了便于安装微型摄像头，在基板的左上角开了一个小孔。另外，信号处理单元固定在辐射单元的金属底板背面，对辐射方向图几乎没有影响。

图9为本发明实施例提供的一种基于图8所示的辐射单元的多波束智能天线的误差矢量幅度图。如图9所示，针对分别激励一个端口而不进行切换的情况和根据用户位置信息在端口之间自适应切换激励端口的情况，测试了该智能天线的误差矢量幅度。可以看到，当智能天线进行自动波束切换时，误差矢量幅度较低且平滑。因此在无线通信系统中，所提出的天线阵列更能保证通信的质量。

综上所述，本发明实施例的多波束智能天线能够实现多天线系统或多波束天线阵列的自动波束切换特性，可以根据环境的改变，自动将辐射波束切换到用户所在的子区域，保证用户处于电波覆盖区域，有效地提高天线的能量利用率，使用户始终处于电波覆盖区域，比全向天线具有更低的功耗，更有利于保证通信系统的稳定性，达到降低通信系统功耗、提高用户通信质量的目的。

本发明实施例提供的紧凑的集成化智能天线看上去与传统多波束天线大小无明显差异，却具备自动感知环境变化的能力，处理环境信息的能力以及自动调整波束的能力。根据应用场景设计该智能天线的构成单元，可实现一维或二维的自动波束切换，增强了多波束天线以及智能天线的实用性。

本发明所设计的多波束智能天线，具有原理明确、设计简单的优点，便于加工，适用于批量生产。本发明的天线可以应用到移动通信智能多天线系统、低能耗无线通信系统智能天线阵等的设计中。所述方法原理明确，实施简单。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种多波束智能天线，其特征在于，包括：信息采集单元、信号处理单元和辐射单元，所述信号处理单元与所述信息采集单元、所述辐射单元集成在一起；

所述的信息采集单元，用于通过摄像头采集多波束智能天线的监测区域中的图像信号，或者，通过传感器采取监测区域中的差频信号，将所述图像信号或差频信号传输给所述信号处理单元；

所述的信号处理单元，用于对所述信息采集单元传输过来的所述图像信号或差频信号进行分析处理，识别出包含用户的所述监测区域中的子区域，向所述辐射单元发送携带所述子区域信息的驱动信号；

所述的辐射单元，用于将所述多波束智能天线的监测区域划分为多个子区域，根据所述信号处理单元传输过来的驱动信号中的子区域信息，通过天线对相应的子区域提供电波覆盖。

2.根据权利要求1所述的多波束智能天线，其特征在于，所述的信息采集单元包括微波测距传感器，所述微波测距传感器向所述监测区域发射电磁波，当接收到所述监测区域中的用户反射回的电磁波后，对发射和接收的电磁波进行混频处理，得到差频信号，将所述差频信号经过模拟处理电路传输至信号处理单元。

3.根据权利要求2所述的多波束智能天线，其特征在于，所述信号处理单元通过处理器根据差频信号计算出智能天线到用户之间的距离，将所述距离与预设的触发距离相匹配，匹配成功后，向所述辐射单元发送所述子区域对应的驱动信号。

4.根据权利要求1所述的多波束智能天线，其特征在于，所述信号处理单元通过处理器利用深度神经网络对所述信息采集单元传输过来的图像信号进行图像识别处理，识别出图像中的用户，并确定用户所在的子区域，向所述辐射单元发送所述子区域对应的驱动信号；

确定用户所在的子区域的决策函数如下：

其中Confidence^i,j和Bbox^i,j是由深度神经网络生成的，Bbox表示用于绑定图像中对象的边界框，i和j分别代表Bbox和子区域的标识，N是一个子区域中的边界框的计数，ZoneScore^j表示子区域j的分数，得分最高的子区域为用户所在的子区域。

5.根据权利要求1至4任一项所述的多波束智能天线，其特征在于：

所述辐射单元，具体用于包括由多波束天线构成的多个辐射子单元和射频开关，每个辐射子单元对应一个监测区域中的子区域，所述射频开关接收到所述信号处理单元发送过来的携带子区域信息的驱动信号后，激励所述子区域对应的辐射子单元，该辐射子单元向对应的子区域提供电波覆盖。

6.根据权利要求5所述的多波束智能天线，其特征在于，当用户从其所在的旧子区域移动到新子区域后；

所述的信号处理单元，具体用于对所述信息采集单元传输过来的所述图像信号或差频信号进行分析处理，识别出包含用户的新子区域，向所述辐射单元发送所述新子区域对应的驱动信号；

所述的辐射单元，具体用于通过所述射频开关接收到所述信号处理单元发送过来的携带新子区域信息的驱动信号后，激励所述新子区域对应的辐射子单元，该辐射子单元向对应的新子区域提供电波覆盖，关闭所述旧子区域对应的辐射子单元。

7.根据权利要求5所述的多波束智能天线，其特征在于，所述辐射单元设置在基板上，包括两个端射的八木天线和一个侧射的贴片天线，两个八木天线位于基板两侧，贴片天线位于基板的中间，将所述多波束智能天线的监测区域划分为水平排列的3个子区域，两个八木天线分别作为辐射子单元对位于两侧的两个子区域提供电波覆盖，贴片天线作为辐射子单元对位于中间的子区域提供电波覆盖。

8.根据权利要求5所述的多波束智能天线，其特征在于，所述辐射单元设置在基板上，包括基于2x2巴特勒矩阵设计的微带天线阵列，该微带天线阵列提供4个波束，将所述多波束智能天线的监测区域划分为4个子区域，4个子区域组成一个正方形的区域，所述4个波束分别作为一个辐射子单元对一个子区域提供电波覆盖。

9.根据权利要求1所述的一种多波束智能天线的设计方法，其特征在于，所述辐射单元设置在基板上，所述信息采集单元和所述信号处理单元固定于所述金属板的后面，构成一种集成的多波束智能天线。

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