CN1398124A - 无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络及耦合校准方法 - Google Patents
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Abstract
一种智能天线阵的耦合校准网络，包括N(≥2)个完全相同的天线单元和制作在一印刷电路板上的N个微带定向耦合器以及功率分路/合成器。耦合校准时，发射机通过射频收发接口送出的已知功率信号经微带定向耦合器耦合及功率合成后，由射频校准接口输入发射机进行发射校准处理；基站通过射频校准接口送出的已知功率信号经功率分配及微带定向耦合器耦合后，由射频收发接口输入接收机进行接收校准处理。解决了无线收发信机校准精度受安装环境影响的问题，且产品生产、调试一致性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信系统中使用的天线阵技术，更确切地说是涉及一种在无线通信系统中使用的环行智能天线阵技术，用于对基站系统无线收、发信机的发射及接收进行校准。
背景技术
近年来，在无线通信技术领域内，特别是在运用4GHz以下通信频段的无线通信技术领域内，智能天线阵的研究与开发已进入到实用阶段。智能天线的基本概念是在包括蜂窝移动通信、集群通信系统、无线用户环路系统及其他无线接入系统的无线通信基站或主站设备中，使用多套无线收发信机、多个天线单元及其馈线，再通过在基带电路中，使用现代化的数字信息处理和软件无线电技术，运用一定的算法对空间谱进行分析，对每一个收发支路的信号进行处理，达到对基站或主站天线波束赋形的目的。
中国专利97202038.1，公开了一种用于无线通信系统的实用化的环形智能天线阵，其结构如图1中所示。该环形智能天线阵10由两个或两个以上完全相同的天线单元11成环形(等间隔或不等间隔)排列在一个支撑面12上构成。其中的天线单元11可以是支柱也可以是微带，其支撑面12可以是一个平面也可以是一立体环状面。当两个或两个以上完全相同的支柱成环形直立并等间隔或不等间隔地排列在支撑平面上时，则构成环形振子智能天线阵(如图1中所示)。当两个或两个以上完全相同的微带纵向平行(等间隔或不等间隔)地成环形直贴在立体环状支撑面上时，则构成环形微带智能天线阵。其中的环形排列，则可以是圆形、椭圆形、规则或不规则的多边形。
用于无线通信系统的智能天线阵在实际应用中，当运用一定的算法对空间谱进行分析时，首先需要对基站的无线发射(信)机及无线接收(收信)机进行校准，以保证系统的精确度。以往技术对基站的无线发射机及无线接收机进行校准，是采用在智能天线阵中央设置一个校准天线的方式，即设置中心校位天线的方式。通过由中心校准天线发、各天线单元收及由各天线单元发、中心校准天线收的过程进行发信机与收信机的校准。
该方式存在的问题是：
校准路径(从中心校准天线到其他收发天线或从其他收发天线到中心校准天线)信号传输的幅度与相位会因外界环境的变化而变化，体现在工程上，就是受天线阵安装环境与架设地域的影响较大，如受智能天线阵安装环境中周围建筑物的影响，而且这种影响对每一个天线单元及中心校准天线所造成的信号传输幅度与相位的改变是不均等的，即是各不相同的；
另外，位于智能天线阵中心位置处的中心校准天线会对其周围其他天线单元的辐射造成一定影响。
图2中示出在无遮挡物环境下，中心校准天线的信号传播路径。信号从中心校准天线21发出，其中一部分信号能量到达各天线单元22(如图中实线箭头所示)，其余能量则向空间自由传播(如图中虚线箭头所示)。若用Pri表示第i个天线单元接收信号的能量，用Soi表示中心校准天线发射信号到第i个天线单元的传播参数，用Pt表示在t时刻中心校准天线发射信号的能量，则第i个天线单元在t时刻接收信号的能量是中心校准天线发射信号的能量与中心校准天线发射信号到第i个天线单元传播参数的乘积，表示为：Pri＝SOiPi(i＝1...n)。
图3中示出在有遮挡物环境下，中心校准天线的信号传播路径。信号从中心校准天线31发出，其中一部分信号能量到达各天线单元32(如图中实线箭头所示)，其余部分向空间自由传播(如图中粗虚线箭头所示)，在遇到遮挡物33后，又有部分信号能量被反射回到各天线单元32(如图中细虚线箭头所示)。此时第i个天线单元在t时刻接收信号的能量将由两个部分组成：一部分是上述中心校准天线发射信号的能量与中心校准天线发射信号到天线单元传播参数的乘积；另一部分是反射系数P与中心校准天线发射信号到遮挡物的传播参数Sri、在t时刻中心校准天线发射信号的能量Pt的乘积。表示为：Pri＝SOiPl+pSriPl(i＝1...n)。
中心校准天线在不同的安装环境下或不同的架设地域中，p和Sri的值是不同的，因此天线单元接收信号的能量会有较大的变化，甚至发生超过50％的变化，必将影响系统的校准精度。
99111350.0中国发明专利申请中公开了一种用于实时校准智能天线阵的方法和装置，其方法包括：设置由耦合结构、馈电电缆及信标收发信机连接构成的校准链路，其中的耦合结构与智能天线阵的N个天线单元成耦合连接，信标收发信机通过数字总线与基站的基带处理器连接；先利用矢量网络分析仪对耦合结构进行校准，分别记录其接收与发射传输系统；然后再分别进行接收校准与发射校准。该专利申请中所建议的耦合结构的技术方案有两种：一种是使用一个在几何结构上对称的、处于天线近场区域的信标天线来对智能天线系统进行校准；另一种是使用一个耦合器与功分器组成的无源网络来实现耦合结构对智能天线阵列的馈电与校准。
发明内容
本发明的目的就是设计一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络及耦合校准方法，即为实现实时校准智能天线阵设计一种有效且实用的耦合校准装置及耦合校准方法，能很好地解决基站系统无线发射机与无线接收机的发射及接收校准精度受安装环境与架设地域影响的问题，并能达到产品生产与调试时的一致性。
实现本发明目的的技术方案是这样的：一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，包括N个天线单元、N个耦合器和功率分路/合成器，其特征在于：
所述的耦合器是微带定向耦合器，所述N个完全相同的微带定向耦合器及功率分路/合成器制作在一耦合校准网络印刷电路板上；所述的N个微带定向耦合器与所述的N个天线单元一一对应连接；N个微带定向耦合器同时连接基站系统N个射频收发信机的N个射频收发端和连接功率分路/合成器，功率分路/合成器并连接基站系统N个射频收发信机的射频校准端。
所述的N个天线单元间隔并成环形设置在一天线阵支撑体上，所述的N个微带定向耦合器与N个天线单元在空间上一一对应并按同样的环形间隔分布在所述的耦合校准网络印刷电路板上。
所述的天线阵支撑体上还设置有N个天线单元接口、N个射频收发接口和一个射频校准接口；N个天线单元接口分别连接N个天线单元及连接N个微带定向耦合器，N个射频收发接口分别对应连接N个微带定向耦合器并与所述基站系统N个射频收发信机的N个射频收发端对应连接，所述的一个射频校准接口与所述的功率分路/合成器连接并与所述基站系统N个射频收发信机的射频校准端连接。
所述的耦合校准网络印刷电路板设置在N个天线单元的下方与所述智能天线阵支撑体的上方。
所述的环形包括圆形、椭圆形、规则或不规则的多边形。
所述的间隔包括等间隔或不等间隔。
所述的耦合校准网络印刷电路板是单面印刷电路板或双面印刷电路板或多层印刷电路板。
所述的N为大于或等于2(N≥2)的正整数。
实现本发明目的的技术方案还是这样的：一种无线通信系统智能天线阵耦合校准网络的耦合校准方法，其特征在于包括以下处理步骤：
A.为N个天线单元对应设置N个完全相同的微带定向耦合器和与N个微带定向耦合器连接的功率分路/合成器；
B.将N个微带定向耦合器在空间上与N个天线单元对应并连接、将N个微带定向耦合器与基站系统的N个收发信机的N个射频收发端连接、将功率分路/合成器与基站系统N个收发信机的射频校准端连接；
C.由基站系统的N个发信机分别发射已知功率的射频信号，经相应的射频收发端输入相应的微带定向耦合器并部分耦合至功率分路/合成器进行功率合成，再经所述的射频校准端输入基站系统，对N个发信机进行发射校准处理；
D.由基站系统发射已知功率的射频信号，经所述的射频校准端输入所述的功率分路/合成器进行功率分配，再输入N个微带定向耦合器，经定向耦合的部分功率信号从N个射频收发端输入基站系统，对N个收信机进行接收校准处理。
所述步骤A中，还包括将N个天线单元间隔并成环形设置在一天线阵支撑体上，将N个微带定向耦合器并按同样的环形间隔分布并与功率分路/合成器制作在一耦合校准网络印刷电路板上，并使耦合校准网络印刷电路板位于N个天线单元与天线阵支撑体之间。
本发明的无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络及耦合校准方法，其校准原理与采用中心校准天线的原理是截然不同的。耦合校准网络通过在天线单元附近直接设置定向耦合器，且其定向耦合作用是通过在两条微带间的信号耦合实现信号传输的，从而达到将部分信号能量耦合输出到基站系统进行处理的目的，因此而将向空间自由传播的信号能量减至极弱，即使天线阵附近有遮挡物，被遮挡物反射回来的信号对接收天线的影响也是极其微弱的，可确保产生的误差值在校准精度范围内。这样，就从根本上解决了基站系统无线发射机和无线接收机的发射及接收校准精度受安装环境和架设地域影响的问题。另外，由于采用了耦合校准网络印刷电路板，可从工程设计上保证N个微带定向耦合器的性能一致性，极其有利于产品的生产与调试，简化产品生产过程和提高校准的精确度。
附图说明
图1是由中国专利97202038.1所公开的一种实用化环形智能天线阵立体结构示意图。
图2是在无遮挡物环境中，采用中心校准天线时的传播路径示意图。
图3是在有遮挡物环境中，采用中心校准天线时的传播路径示意图。
图4是本发明设置有耦合校准网络电路板的无线通信系统智能天线阵的立体结构示意图。
图5是本发明耦合校准网络的一个实施电路原理图。
图6是采用图5实施电路对无线发射机进行校准的工作原理示意图。
图7是采用图5实施电路对无线接收机进行校准的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术方案。
图1至图3的说明前已述及，不再赘述。
参见图4，图中示出设置有本发明的耦合校准网络电路板的无线通信系统智能天线阵的立体结构，以设置有8(N＝8)个天线单元的智能天线阵为例说明。包括8个直柱状天线单元101，经在智能天线阵支撑体103上按环形(圆形)分布排列后构成环形振子天线阵，在8个直柱状天线单元101与智能天线阵支撑体103的结合部位设置耦合校准网络电路板102，每个天线单元与耦合校准网络电路板102上相应的耦合结构连接(可通过射频连接器)，每个耦合结构通过固定在智能天线阵支撑体103上的9个(包括8个射频收发接口和一个射频校准接口)射频连接器104与基站连接。
实施例的耦合校准网络电路板102设置在天线单元101阵列的下方和设置在智能天线阵支撑体103的上方。耦合校准网络电路板102采用印刷电路板，该印刷电路板可以是单面的印刷电路板，也可以是双面的或者多层的印刷电路板。8个完全相同的微带定向耦合器和功率分路/合成器按印刷电路工艺被制作在该印刷电路板上，并在空间上与8个天线单元101对应与连接。
8个直柱状天线单元101等间隔或不等间隔地按环形分布在智能天线支撑体103上，8个完全相同的微带定向耦合器及功率分路/合成器也等间隔或不等间隔地按同样的环形分布在耦合校准网络电路板102上，其环形包括圆形(如实施例所示)、椭圆形、规则或不规则的多边形。
需要说明的是，当采用环形微带智能天线阵时，也可利用同样的原理设计其耦合校准网络。
参见图5，图中所示是图4实施例耦合校准网络电路板102上耦合校准网络的电路设计，实施例采用1∶2(一路分两路或两路合一路)的功率分路/合成器。包括8个天线单元21、8个微带定向耦合器22、7个功率分路/合成器23、8个与天线单元的接口(射频连接器)24、8个与基站系统的8个收发信机连接的射频收发接口(射频连接器)25和1个与基站系统连接的射频校准接口(射频连接器)26。各天线单元21分别通过各自的接口24与对应的微带定向耦合器22连接，各微带定向耦合器22分别通过各自的射频收发接口25与基站系统连接，实现各天线单元与基站系统收发信机的耦合连接，同时经7个功率分路/合成器23连接至射频校准接口26，通过射频校准接口26与基站系统连接。
微带定向耦合器22是制作在电路板上的两条近距离的平行微带，8个微带定向耦合器22随各天线单元21在支撑体103上的分布而分布，即随天线单元21分布成等间隔或不等间隔的圆形、椭圆形、规则或不规则的多边形。由于8个微带定向耦合器22是按印刷电路设计并制作的，故而具有极佳的产品性能一致性。
功率分路/合成器23的个数视其分路/合路数而定，如，若采用1∶3的功率分路/合成器，在设置9个天线单元及9个微带定向耦合器时，则需4个功率分路/合成器。
参见图6，图中所示是用图5实施例的耦合校准网络对基站系统无线发射机进行校准的工作原理。基站的8个发射机分别从射频收发接口25向对应的天线单元21发射已知功率的射频信号，通过微带定向耦合器22的耦合作用(如图中箭头所示)，将部分信号能量输入到功率分路/合成器23的一个端口，然后经过多级(本实施例为图中所示的三级)功率分路/合成器23对8路输入信号进行合成(此时的功率分路/合成器23起功率合成的作用，每一个功率分路/合成器23用于对两路信号进行功率合成)，合成信号到达与基站系统连接的射频校准接口26，并最后输入到基站系统的各个无线发射机进行计算和信号处理。
结合参见图7，图中所示是用图5实施例的耦合校准网络对基站系统无线接收机进行校准的工作原理。基站发射一个已知功率的射频信号，需从射频校准接口26输入8个天线单元21。该射频信号经过多级(本实施例为图中所示的三级)功率分路/合成器23(此时的功率分路/合成器23起功率分配的作用，每一个功率分路/合成器23用于将一路信号功率分配成两路)被分路成8路功率分路信号，并到达每个微带定向耦合器22的一个输入端，通过微带定向耦合器22的定向耦合作用(如图中箭头所示)，耦合到对应的天线单元21并通过各射频接口25将耦合信号输入到基站系统相应的8个接收机中，进行计算和信号处理。
本发明的用于无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络及耦合校准方法，可用于4GHz以下的无线通信系统的基站设备中，并与智能天线单元合并制作成智能天线阵产品，具有实用化的可满足环境使用条件的整体结构特征。
Claims (10)
1.一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，包括N个天线单元、N个耦合器和功率分路/合成器，其特征在于：
所述的耦合器是微带定向耦合器，所述N个完全相同的微带定向耦合器及功率分路/合成器制作在一耦合校准网络印刷电路板上；所述的N个微带定向耦合器与所述的N个天线单元一一对应连接；N个微带定向耦合器同时连接基站系统N个射频收发信机的N个射频收发端和连接功率分路/合成器，功率分路/合成器并连接基站系统N个射频收发信机的射频校准端。
2.根据权利要求1所述的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，其特征在于：所述的N个天线单元间隔并成环形设置在一天线阵支撑体上，所述的N个微带定向耦合器与N个天线单元在空间上一一对应并按同样的环形间隔分布在所述的耦合校准网络印刷电路板上。
3.根据权利要求2所述的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，其特征在于：所述的天线阵支撑体上还设置有N个天线单元接口、N个射频收发接口和一个射频校准接口；N个天线单元接口分别连接N个天线单元及连接N个微带定向耦合器，N个射频收发接口分别对应连接N个微带定向耦合器并与所述基站系统N个射频收发信机的N个射频收发端对应连接，所述的一个射频校准接口与所述的功率分路/合成器连接并与所述基站系统N个射频收发信机的射频校准端连接。
4.根据权利要求2所述的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，其特征在于：所述的耦合校准网络印刷电路板设置在N个天线单元的下方与所述智能天线阵支撑体的上方。
5.根据权利要求2所述的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，其特征在于：所述的环形包括圆形、椭圆形、规则或不规则的多边形。
6.根据权利要求2所述的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，其特征在于：所述的间隔包括等间隔或不等间隔。
7.根据权利要求1所述的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，其特征在于：所述的耦合校准网络印刷电路板是单面印刷电路板或双面印刷电路板或多层印刷电路板。
8.根据权利要求1所述的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，其特征在于：所述的N为大于或等于2(N≥2)的正整数。
9.一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络的耦合校准方法，其特征在于包括以下处理步骤：
A.为N个天线单元对应设置N个完全相同的微带定向耦合器和与N个微带定向耦合器连接的功率分路/合成器；
B.将N个微带定向耦合器在空间上与N个天线单元对应并连接、将N个微带定向耦合器与基站系统的N个收发信机的N个射频收发端连接、将功率分路/合成器与基站系统N个收发信机的射频校准端连接；
C.由基站系统的N个发信机分别发射已知功率的射频信号，经相应的射频收发端输入相应的微带定向耦合器并部分耦合至功率分路/合成器进行功率合成，再经所述的射频校准端输入基站系统，对N个发信机进行发射校准处理；
D.由基站系统发射已知功率的射频信号，经所述的射频校准端输入所述的功率分路/合成器进行功率分配，再输入N个微带定向耦合器，经定向耦合的部分功率信号从N个射频收发端输入基站系统，对N个收信机进行接收校准处理。
10.根据权利要求9所述的一种无线通信系统智能天线阵的耦合校准网络，其特征在于：所述步骤A中，还包括将N个天线单元间隔并成环形设置在一天线阵支撑体上，将N个微带定向耦合器并按同样的环形间隔分布并与功率分路/合成器制作在一耦合校准网络印刷电路板上，并使耦合校准网络印刷电路板位于N个天线单元与天线阵支撑体之间。
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