CN1217827A - 自适应阵列天线装置 - Google Patents

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Abstract

一种在CDMA移动通信系统的基站使用的自适应阵列天线。天线单元数目比当各定向天线单元的每一个的波束宽度等于扇区角时所需的单元数目(基准数)大,以提供具有比单元波束宽度窄的扇区角的服务区;或者,各具有比扇区角宽的波束宽度的天线单元的数目比基准数小,以限定服务区。

Description

自适应阵列天线装置
技术领域
本发明涉及一种阵列天线，该阵列天线用于诸如汽车电话、移动电话之类的移动通信的基站中，它具有多个天线单元的阵列，以提供用水平面内的角度范围来限定的服务区域或所谓的扇区。本发明尤其涉及一种自适应阵列天线装置，它具有与它连接的、以自适应方式抑制干扰波的自适应处理器。
先有技术
在诸如汽车/蜂窝电话等之类的移动通信中，为了使蜂窝通信系统中有限的频率能得到有效的利用，相隔一定距离的诸基站使用了完全相同的频率以便增加用户的容量。然而，当频率重复使用时，由于频率相同出现了干扰噪声的问题。另一个出现的问题是当干扰噪声增加时用户容量就减少。
抑制干扰噪声的常规方法一直是基站天线使用定向天线。使用在水平面内呈现方向性的天线，而且迄今一直使用着如把小区(cell)分成多个扇区的技术和波束俯仰的技术，后一种技术是改变在垂直面中的方向性。这些技术所以具有改进接收SIR(信号电波和干扰电波之比)的效果是因为基站天线使用的定向天线能有效抑制来自方向不同于天线定向方向的干扰电波。
除这些技术之外，最近正在探讨用自适应阵列天线来抑制干扰噪声。自适应阵列天线是指这样的技术，它应用在空间相隔排列的多个天线(阵列天线)以自适应地规定方向性，使得在干扰波方向具有零波束(灵敏度为零)，而在需要电波的方向具有窄波束，从而降低了干扰噪声电平。然而，在对以往自适应阵列天线的研究中，希望可以把如此确定的波束方向在很宽范围内随意改变，因此，每个天线单元都采用无方向(或全方向)单元。一起组成阵列天线装置的单个单元使用定向天线以提供辐射方向性的配置是罕见的。即使在CDMA(码分多址)系统中，也不曾有过由定向天线单元组成自适应阵列天线的想法。
如上所述，在蜂窝通信系统中经常使用扇区划分技术，为此需要有适合于扇区划分形状的定向天线。在不使用自适应阵列天线的常规系统中，基站的天线在水平面上具有方向性，其半功率宽度(在下文称作波束宽度)等于扇区宽度。因此，通常120°扇区(或3扇区)装置使用具有120°波速宽度的天线。在把定向天线应用于先有技术的基站自适应阵列天线的研究报告(见“在移动通信基站自适应阵列天线中天线方向性的影响(Influences ofantenna directivity in a mobile communication base station adaptive arrayantenna)”，作者山口良和惠比根佳雄，信学技报(Academy of CommunicationTechnical Report)AP 96-131,1997-01)中说，为构成扇区，要求天线的波束宽度大于扇区角，因为可除去干涉波的角度比天线波束宽度狭。在该文献中公开的研究所涉及的移动通信系统采用TDMA(时分多址)系统作为无线接入技术，因此是在干扰电波数相对少的条件下得到的研究结果。当前，还没有在如CDAM系统的存在多数干扰波的条件下研究扇区角和波束宽度之间关系的例子。
因此，在已有的自适应阵列天线的研究中很少使用定向天线，因而很少披露当把用定向天线的自适应阵列天线使用于扇形小区时如何来构造最佳的天线。尤其是，当前最新技术也不曾公开过在采用CDAM作为无线接入方式的系统中出现多数来自各方向的干扰波的环境中能使用的天线装置。
本发明的目的是解决此类问题和为CDMA移动通信系统的基站提供最优自适应阵列天线装置。
发明的公开
按照本方面的第一方面，在采用CDAM系统作为无线接入方式的移动通信基站的自适应阵列天线装置中，通过使用共同组成阵列天线的、其在水平面中的波束宽度各窄于扇区角的天线单元来限定该扇区中的服务区。特别是，能用数目大于基准数的天线单元来构成服务区，所述基准数是指当天线单元在水平面中的波束宽度大致等于扇区角时所需的天线单元数。
按照本发明的第二方面，使用波束宽度大于水平面中的扇区角的天线作为单元。特别是，可以用单元数小于基准数的天线单元来限定服务区。
附图的简要说明
图1是表示在计算机模拟中使用的天线方向性的图；
图2表示四单元阵列天线的阵列天线单元的配置和表示座标系统；
图3是表示当所希望的台的角度随用作参数的阵列天线的波束宽度改变时接收信号的差错率特性的计算机模拟结果的图；
图4是表示当所希望的台的角度随用作参数的阵列天线的单元数改变时接收信号的差错率特性的计算机模拟结果的图；
图5是表示单元波束宽度、扇区角和阵列单元数之间关系的图；
图6是表示按照本发明第一实施例的扇区构成的示意图；
图7是表示按照本发明第一实施例的阵列天线构成的示意图；
图8表示在第一实施例中使用偶极天线作为天线单元；
图9表示在第一实施例中使用补片(patch)天线作为天线单元；
图10是表示按照本发明第二实施例的扇区构成的示意图；以及
图11是表示按照本发明第二实施例的阵列天线构成的示意图。
实现本发明的最佳方式实施例1
在说明本发明各实施例之前，先说明当把定向天线应用于CDAM移动通信方式的自适应阵列天线基站时对定向特性进行计算机模拟的结果。具体说，先来说明当移动台的位置、构成阵列天线的天线单元的每一个的方向性、及构成阵列的天线单元数改变时从该移动台接收的信号差错率特性，从而指出可得到对于希望的扇区角的天线构成(天线方向性、阵列单元数)，或，可得到本发明。
模拟是在小区中配置36个移动台(用户)的环境下进行的，每个移动台使用互相不同的扩展码同时参与通信，以形成具有许多干扰波的条件。对移动台的发射功率进行控制，使得从所有用户的相应移动台接收的功率全都一致。图1表示在该模拟中使用的天线单元在水平面中的方向性。横坐标指示以波束宽度Bw归一化后的角度，纵坐标指示以峰值功率归一化后的相对增益。峰值增益如此选样，使得当波束宽度Bw改变时从天线辐射的功率保持不变，并且选择旁瓣电平低于峰值功率15dB。把多个天线单元11放置在水平面中的一直线上以构成如图2所示的线性阵列，各天线单元11的间隔为半个波长的间隔，构成阵列天线的所有天线单元11的主波束都指向θ=0°的方向而且此指向垂直于水平面中的天线单元11阵列的方向。
图3示出计算机结果的一个例子。该图表示与移动台位置有关的差错率特性，横坐标代表从基站天线看到移动台的角度(阵列天线正前方为0°)，而纵坐标则代表差错率。因为移动台的发射功率得到控制，所以与移动台位置的关系不取决于移动台和基站之间的距离，只须考虑角度关系。所示的各条曲线表示当天线单元11的波束宽度以30°的增量从30°变化到180°时的差错率特性，所有曲线都是为四单元阵列天线绘制的。假定扇区角由角度区表示，其中由该图确定的差错率等于或小于10-3，则当波束宽度Bw为30°时，扇区角将约为40°，而波束宽度Bw在60°至180°范围内时，扇区角大致为90°而且保持不变，所表示的结果是：在单元波束宽度和扇区角之间不存在比例关系。自适应阵列天线展现出的优良性能之处在于它对干扰台(电波)形成零波束而把其波束峰导向所希望的台(电波)，但是当使用定向的天线单元时，如果移动台(或所希望的电波)的方向移向波束宽度末端，波束跟踪能力就下降。这要归因于天线单元11的方向性的增益在朝向波束末端处被固有地降低了。因此为了增加扇区角度，可以增加天线单元的波束宽度。但是，由于在CDMA系统中干扰波来自各个方向，当增加天线单元的波束宽度时，其结果是接收多得多的干扰波，以至使接收SIR(信号干扰比)下降，也使差错率特性变坏。出于这些原因，得出的结论是：如果增加天线单元的波束宽度，不可能增加扇区角。
图4和图3以相同方式表示差错率特性与移动台位置的关系，但是在图4中，曲线4a、4b和4c分别表示构成阵列的天线单元数(以下称作阵列单元数)选择等于4、6和8时的特性。天线单元的波束宽度等于120°。从该图能看出，如果使用的各单元都具有相同波束宽度，则当阵列单元数增加时，可增加扇区角度。当组成自适应阵列天线的单元数等于N时，在干扰波方向形成的零波束数将等于N-1(这称作阵列天线的自由度)。因此，当阵列单元数增加时，形成的零波束数就增加，从而提高了接收SIR和增加了扇区角。在本模拟中，使用的条件是干扰波数目大于阵列单元数，因此，当增加阵列单元数时，接收SIR得到成比例的改善，这可以用增加了扇区角来解释。
图5用曲线表示对以上结果的归纳，横座标代表单元波束宽度，纵坐标代表其中的差错率(BER)等于或小于10-3时的角度(扇区角)。曲线5a、5b和5c分别代表当阵列单元数变到4、6和8时的特性。直线13代表单元波束宽度和扇区角刚好相符的线条。例如，能够看出，当单元波束宽度为90°且扇区角为90°时，所需的阵列单元数等于4，而当单元波束宽度为120°且扇区角为120°时，阵列单元数大致等于6。当选择120°的单元波束宽度时，为达到相同值120°的扇区角，所需的阵列单元数大致等于6。当阵列单元数超过此数值例如到8时，扇区角将大致等于135°或变成大于120°的单元波束宽度。相反，当阵列单元数从6减到4时，扇区角将大致等于85°，即小于120°的单元波束宽度。
这些例子表示：(1)如果单元波束宽度小于扇区角度，通过增加阵列单元数就可得到比波束宽度宽的服务区(如该图中的1号区所示)，(2)当使用的单元波束宽度大于扇区角时，可减少每个扇区的阵列单元数(如图中的2号区)。
根据以上研究结果，图6和7示出本发明的第一实施例。图6是一示意图，表示单个小区划分成三个120°扇区(扇区#S1、#S2、#S3)的扇区构成，在每个扇区中设置着使用自适应阵列天线的基站天线装置。图7表示三个扇区的基站天线装置的构成。各扇区的天线装置BA1、BA2和BA3的每一个都包括由放置成阵列且离反射板21一段距离的8个天线单元AE1至AE8组成的8单元阵列天线。天线单元AE1至AE8中的每一个都是定向天线。天线单元在水平面中的波束宽度等于90°，比扇区角狭。这样的波束宽度可以通过调节各天线单元AE1至AE8和反射板21之间的距离来如愿地设置。图7的构成相当于图5的1号区。
图8表示的阵列天线的构成是使用半波长偶极子及反射板作为天线单元。相应扇区的天线装置BA1、BA2和BA3的每一个都包括金属反射板21及放置在反射板21前面的偶极天线DA1至DA8。在反射板21表面与偶极天线DA1至DA8之间的距离用例如波长λ的四分之一。在此情况下，每个天线单元在水平面中的波束宽度约为120°。如果减少偶极天线单元与反射板21表面之间的距离，则波束宽度将减少。反之，如果间距增加，波束宽度将增力。
图9表示的阵列天线的构成是使用补片天线(微带天线)作为天线单元。该天线包括介质基片22，在基片的后表面敷有金属薄板，互隔一定距离的四边形金属补片天线PA1至PA8放置在基片前表面上。当补片天线一边的尺寸约为四分之一波长时(更准确说，为λ/4ε，其中ε是介质基片22的介电常数)时，在水平面中的波束宽度将约为90°。
此外，还可以使用剌叭天线作为天线单元，通过选择喇叭天线的开口角来获得所需的波束宽度。
如此，如果共同构成自适应阵列天线的单元的每一个的波束宽度比扇区角狭，则通过增加阵列单元的数目就可获得具有比波束宽度宽的扇区角的服务区。实施例2
图10和11表示本发明的第二实施例。图10是单个小区划分成四个90°扇区(扇区#S1、#S2、#S3和#S4)的扇区构成的示意图，其中基站天线装置在每个扇区中均安装自适应阵列天线。图11表示基站天线装置的构成。一个扇区的天线装置是由四个天线单元AE1至AE4组成的4单元阵列天线，每个天线单元都是定向天线。天线单元的波束宽度等于120°，比扇区角大。此配置对应于图5的2号区。
如此，如果组成自适应阵列天线的单元的每一个的波束宽度具有比扇区角宽的角度，则虽然限定服务区的扇区角将比所述波束宽度窄，也可以减少阵列单元的数目。在本实施例中，各天线单元也可以是与图8相同方式的偶极天线或者是与图9相同方式的补片天线。
发明的效果
如上所述，按照本发明，如果构成自适应阵列天线的天线单元的每一个的波束宽度比扇区角小，通过增加阵列单元的数目可实现较宽的服务区。相反，当具有比扇区角宽的每个天线单元用作天线单元时，则和用单元波束宽度等于扇区角的天线单元时所需的单元数相比，可使用较少数目的阵列单元。由于这些原因，可以为CDMA移动通信用的基站自适应阵列天线中希望的扇区构成进行最佳天线装置的设计。

Claims (7)

1．一种在CDMA移动通信系统的基站使用的、以自适应方式控制天线方向性以抑制干扰波的阵列天线装置，其特征在于：
构成所述阵列天线装置的天线单元的每一个的水平面内的方向性波束宽度都比服务扇区的宽度狭。
2．如权利要求1所述的自适应阵列天线装置，其中天线单元的数目比当天线单元方向性波束宽度大致等于所述服务扇区宽度时所需的天线单元的数目大。
3．一种在CDMA移动通信系统的基站使用的、以自适应方式控制天线方向性以抑制干扰波的阵列天线装置，其特征在于：
构成所述阵列天线装置的天线单元的每一个的水平面内的方向性波束宽度都比服务扇区的宽度宽。
4．如权利要求3所述的自适应阵列天线装置，其中天线单元的数目比当天线单元方向性波束宽度大致等于所述服务扇区宽度时所需的天线单元的数目小。
5．如权利要求1、2、3或4之一所述的自适应阵列天线装置，其中所述自适应阵列天线装置包括与每个扇区对应地放置的反射板以及与每个扇区对应地放置、与所述反射板间隔且互相间隔放置的各个天线单元。
6．如权利要求5所述的自适应阵列天线装置，其中所述天线单元的每一个都是半波长偶极天线。
7．如权利要求1、2、3或4之一所述的自适应阵列天线装置，其中所述自适应阵列天线装置包括对应于每个扇区放置的且具有金属板敷设在其后表面的介质基片，还包括在所述介质基片前表面上相互间隔放置的、侧边尺寸为λ(波长)/4的四边形金属补片。
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