CN1909401A - 一种波束切换智能天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心对称的正多面体波束切换智能天线装置，包括一个功率分配/合成器、射频开关、微带天线单元及馈线、驱动电路和逻辑控制电路。该天线装置外形为一个正多面体，微带天线单元设置于正多面体的每一个面上，功率分配/合成器设置于正多面体的端面中心，射频开关均匀分布于正多面体端面中心外围，并通过馈线分别与功率分配/合成器和微带天线单元连接，射频开关与微带天线单元的数量相等，驱动电路和逻辑控制电路设置于正多面体的天线阵内腔。本发明装置克服了现有天线阵使用移相器所造成的波束一致性差，提高了天线系统的整体性能，具有插入损耗小、制作成本低的优点。

Description

一种波束切换智能天线装置

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信系统的天线装置，特别涉及一种波束切换智能天线装置。

背景技术

智能天线系统因包含了很多高级信号处理技术而得名，本质上不同于传统的天线系统。智能天线系统是指由多天线与空时信号处理算法的有机结合所形成的具有“动态”和“智能”特性的天线系统。该系统一方面可以利用空域分集手段或自适应波束形成技术有效抑制干扰，增大信干比，从而成倍提升系统容量；另一方面可以利用分集技术对抗多径衰落，提升通信系统的可靠性和通信质量，同时可以通过分集增益或阵列增益，提高网络覆盖范围或降低无线终端的发射功率，延长终端电池寿命。

智能天线系统主要分为四大类：扇区化天线系统、波束切换天线系统、波束形成天线系统和分集天线系统。其中，扇区化天线系统和波束切换天线系统的“智能”层次较低，对无线通信系统用户容量的增加能力和通信质量的提高能力均有限，但这两种系统的成本低，且易于实现。波束形成天线系统和分集天线系统的“智能”层次则相对较高，是智能天线技术研究领域的热点。目前已经提出了大量的用于智能天线的自适应算法，但由于这些算法复杂度和硬件处理速度的限制，迄今还很难找到一种既能在恶劣的环境下有效工作，又能使信号得到实时处理的实用的自适应算法。因此，人们将注意力逐渐转移到了波束切换智能天线的实现上来。

波束切换天线系统是在覆盖范围内产生多个不同指向的窄波束，每一时刻仅选择一个波束覆盖范围进行通信。其中，每个波束可以由单个有向天线单元(如喇叭口天线)产生，也可以由多个天线单元组成天线阵产生。利用天线阵列产生多个窄波束，覆盖用户区域，这样可以获得比全向天线大得多的阵列增益，从而增大网络覆盖范围，降低网络设备功率。

波束切换天线系统通常在射频端实现，系统装置包括一个固定的波束形成网络，该波束形成网络一般通过延迟线实现，馈线和天线单元之间有多条延迟线可供选择，分别实现不同的相移。比较的典型的一种现有波束切换智能天线系统是等边三角形状的三面阵天线装置(参见《电子学报》2004年12期中“无线局域网中的智能天线技术”)，它由三个面组成，每一个面又由三个天线单元组成的均匀直线微带天线阵，每面天线阵在俯仰角覆盖90度，方位角覆盖120度。每面天线阵在方位扇区形成三个可切换的波束，每个波束宽为40度。三面阵天线装置的这种“扇区-波束”结构，存在着正向波束和侧向波束，正向波束是指每个扇区中垂直于天线阵面板的那个波束(同相激励产生)，侧向波束是指每个扇区中除正向波束以外的其余两个波束(非同相激励产生)。侧向波束对微带延迟线的长度有严格的要求，但由于加工精度的影响，使延迟线相位变化表现出明显的不一致性，结果就导致了侧向波束的对称性较差，主瓣和旁瓣的比只有7dB左右，这将影响波束的干扰抑制性能；此外，用于切换延迟线的射频开关阵列也较为庞大，需要使用许多元件，由此带来较大的插入损耗，导致天线阵整体性能降低。

发明内容

本发明针对现有三面阵波束切换智能天线所存在的“扇区-波束”两级结构缺陷，提供了一种中心对称的正多面体波束切换智能天线装置，所形成的圆弧天线阵，可克服天线阵使用移相器(即长度不同的延迟线)所造成波束的不一致性，提高天线系统整体性能。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种波束切换智能天线装置，包括一个功率分配/合成器、射频开关、微带天线单元及馈线、驱动电路和逻辑控制电路，其特征是，该天线装置外形为一个正多面体，所述微带天线单元设置于正多面体的每个面上，所述功率分配/合成器设置于正多面体的正多边形端面中心，所述射频开关均匀分布于正多边形端面中心外围，并由馈线分别与功率分配/合成器和微带天线单元连接，射频开关与微带天线单元的数量相等，所述驱动电路和逻辑控制电路设置于正多面体的内腔。

上述方案中，所述正多面体为正九棱柱；所述驱动电路、逻辑控制电路分别设置在形状与正多边形端面相同的驱动电路板和逻辑控制电路板上，并依次装配于正多棱柱的内腔上部。所述射频开关包括一个开关二极管，其正极与补偿电感、输入、输出耦合电容四点共接，补偿电感的偏置输入端连接有隔直电容；开关二极管的负极连接有直流通路电感和一补偿电容；射频输入、输出分别通过馈线与功率分配/合成器和微带天线单元连接。

所述驱动电路由两个PNP三极管及其外围电路组成，其功能是根据逻辑控制电路给出的逻辑信号，为射频开关3的开关二极管提供合适的偏置电压和电流；所述逻辑控制电路采用CPLD(复杂可编程逻辑控制器)模块，其输入和输出分别连接逻辑控制电路板6上的上位机接口和驱动电路接口，其功能是对来自上位机的指令进行译码，并产生相应的逻辑信号来控制驱动电路，进而驱动射频开关进行波束切换。

与现有的三面阵天线系统比较，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用正多面体的天线阵列，不再分扇区，解决了“扇区-波束”结构所带来的结构缺陷，整个系统结构中心对称，从正多边形端面中心的功分器直接馈电，每路RF信号都经过完全相同长度的馈线到达天线单元，由相邻天线单元组阵形成波束，这样就不会有非同相的侧向激励波束而全部是同相的激励波束，大大改善了波束的主瓣旁瓣抑制比，提高了系统抑制干扰的能力，同时保证了各个波束的一致性。

(2)三面阵天线系统的每个面阵是一个直线阵，本发明设计组成的阵是由相邻天线单元组阵形成的圆弧阵，实验表明，圆弧阵较直线阵形成的波束旁瓣更低，也即干扰抑制效果更好。

(3)波束开关系统的简化。现有技术由于采用“扇区-波束”两级结构，使得开关系统比较复杂，总共需要39个开关二极管PIN DIODE以及相应的电容和电感，而且由于开关的非理想性，其存在着插入损耗和有限的隔离度，将会造成天线阵的驻波比提高，效率降低。本发明的设计完全简化了整个开关系统，每个天线单元仅需一个开关控制其通断，整个系统总共只需N个(N为正多面体的面数)的开关二极管PIN DIODE，不但大大降低了系统的成本，同时减轻了开关非理想性对波束的影响，提高了波束的一致性。

(4)采用正多面体设计，与原来的三面阵相比，整个系统外形结构更加合理，所有驱动与控制电路均置于多棱柱空腔内，不但节省了空间，而且在今后的改进设计中，甚至可以将整个AP的电路全部置于其空腔内，成为一体化结构。

(5)本发明天线阵所有波束均通过复用相邻单元、由同相激励产生，不需要移相器(即长度不同的延迟线)，波束一致性好；不再需要庞大的射频开关阵列来选择延迟线，大大减少了元件数量，减小了插入损耗，进一步降低了成本。

本发明适用于微波波段、波束切换体制的无线通信网络，其典型应用场合为无线局域网，用于无线局域网的AP端，可增大无线局域网的覆盖范围，并可抑制来自波束外的同频段的干扰，从而提高通信质量。此外，本发明还可用于自组织网络(Ad hoc网络)，在节能和增大覆盖范围方面都有优势。

附图说明

图1为本发明的一种正九棱柱波束切换智能天线结构示意图。其中图1(a)为外部构造；图1(b)为内部构造。

图2为图1中的射频开关3的电路原理图。

图3为图1(b)中的驱动电路板5的驱动电路原理图。

图4为图1(b)中的逻辑控制电路板6的逻辑控制框图。

图5为图1波束切换智能天线的波束方向图。其中图5(a)为仿真结果图；图5(b)为实测结果图。

图6为图1波束切换智能天线的工作频段测试结果，其中图6(a)为2.400GHz～2.483GHz的测试结果，图6(b)为2.0GHz～3.0GHz的测试结果。

图7为图1正九棱柱面相邻三个天线单元组阵时方向图仿真结果。

图8为图2射频开关3的插入损耗和隔离度仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明正多面体波束切换智能天线装置的一个具体实施例为正九棱柱波束切换智能天线装置，包括一个功率分配/合成器2、射频开关3、微带天线单元10及馈线4、驱动电路和逻辑控制电路；该天线装置外形为一个正九棱柱，所述微带天线单元10设置于正九棱柱的每个柱面1上，所述功率分配/合成器2设置于垂直正九棱柱面10的正九边形端面8中心，所述射频开关3均匀分布于正九边形端面8中心外围，并由馈线4分别与功率分配/合成器2和微带天线单元10连接，射频开关3与微带天线单元10的数量均为九个；所述驱动电路、逻辑控制电路分别设置在形状与正九边形端面8相同的驱动电路板5和逻辑控制电路板6上，并依次装配于正九棱柱的内腔上部。本发明正多面体天线装置的外形并不局限于正九棱柱，还可为正多棱锥或者正多棱梯形台。

正九棱柱面1采用介质材料，各天线单元10的中心间距不超过工作频带最高频率电波波长的一半。每个波束由相邻的三个天线单元10同相激励产生，其方向图如图7所示。功率分配/合成器2的输入/输出端口采用50欧姆SMA接头，对相邻的三个天线单元10进行功率分配/合成，各天线单元10的输入阻抗为150欧姆。射频开关3与微带天线单元10的数量相等，均为九个，用于选择参与波束形成的微带天线单元10，射频开关3到功率分配/合成器2的输入/输出端口的馈线4的长度x为波长的四分之一，到天线单元10的馈线4的长度y+z要保证功率分配/合成器2与三个选通的天线单元10的阻抗匹配。相对于正九棱柱面1的天线装置的内部一面为金属反射面7。

如图2所示，射频开关3的电路采用改进的Shunt SPST结构(分流式单刀单掷开关)，包括一个二极管PIN DIODE，其正极与补偿电感L1、输入、输出耦合电容C1、C2四点共接，补偿电感L1的偏置输入端BIAS连接有隔直电容C3；二极管PIN DIODE的负极连接有电感L2和一补偿电容C4，射频输入RF IN、输出RF OUT通过馈线4分别与功率分配/合成器2和微带天线单元10连接。该电路的插入损耗和隔离度特性如图8所示。电感L1用于补偿插入损耗，电容C4用于补偿隔离度，电感L2用于提供直流通路。当偏置电压为3.3V时，二极管PIN DIODE导通，微带传输馈线4被断路，使得对应的天线单元10不工作；当偏置电压为-3.3V时，二极管PIN DIODE导通截止，微带传输馈线4导通，对应的天线单元10工作。

如图3所示，驱动电路板5上的驱动电路包括三极管T1，三极管T2，三极管T1的基极通过限流电阻R1与逻辑控制电路输出LOGIC连接，三极管T1的集电极通过耦合电阻R3与三极管T2的基极连接，三极管T2的基极到发射极之间正向并接有一个二极管D1，该二极管D1的负极通过电感L1连接射频开关3的偏置输入BIAS，三极管T1、T2均可采用PNP型三极管。驱动电路的作用是根据逻辑控制电路给出的逻辑信号，为射频开关3的二极管PINDIODE提供合适的偏置电压和电流，逻辑电平是0V和3.3V，偏置电压为±3.3V，以关闭和选通相应的射频开关3。当逻辑输入为0V时，驱动电路输出偏置电压为3.3V，当逻辑输入为3.3V时，偏置电压为-3.3V。电阻R3的选择应保证正向导通电流能够驱动每个PIN DIODE。

如图4所示，逻辑控制电路采用CPLD(复杂可编程逻辑控制器)设计，该CPLD采用ALTERA EPM3032A型号的CPLD模块，其输入通过逻辑控制电路板6上的上位机接口与上位机连接，并对来自上位机的指令进行译码，CPLD的输出通过驱动电路接口与驱动电路板5上的驱动电路连接，并产生相应的逻辑信号来控制驱动电路，再由驱动电路产生相应的驱动信号驱动射频开关3进行波束切换。

如图5所示，本发明九面阵波束切换智能天线的波束方向图的仿真结果和实测结果的比较，由图可看出，两者相当接近，各波束的一致性很好。

图6示出了本发明九面阵波束切换智能天线的工作频段测试结果，其工作频段为ISM(工业科学医疗)频段，但本发明不局限于该频段，而是适用于任何微波波段。从图6测试结果(a)可看出中心频率处的驻波比低于1.3，2.400GHz～2.475GHz频段内驻波比均不超过2，说明天线的辐射效率较高。从图6测试结果(b)可以看出2.0GHz～3.0GHz频段内只有一个谐振点，因此天线没有带外辐射，效率较高，且不会对其他频段造成干扰。

图7为正九边形端面8的边长d为50毫米时三元组阵的性能。从图7可看出3dB主瓣宽度可以达到40度，主瓣旁瓣抑制比超过14dB。可以满足对空间覆盖范围的要求，同时能够有效地抑制干扰。

图8为射频开关13的插入损耗和隔离度Microwave Office仿真结果，从图8中的曲线可见，中心频率处插入损耗Insert loss为0.128dB，隔离度Isolation为29.2dB。很明显，本发明电路对PIN DIODE的寄生电容和寄生电感都进行了有效的补偿，很好的消除了其对开关电路的影响

本发明九面阵波束切换智能天线装置的工作过程如下：

由上位机发送指令每个时刻选通九个天线单元10中任意相邻的三个天线单元，而关断其余的六个天线单元10。被选通的3个天线单元10组成了一个阵列，形成指向特定方向的波束。上位机根据当前的信道状态选择一个最优的波束并使用该波束进行通信，当信道状态改变时，上位机可以发送指令切换成其他波束。具体过程为：上位机通过位于逻辑控制电路板6上的上位机接口与逻辑控制电路相连，上位机能够周期性的检测各个不同方向的信号强度并由此发出指令进行波束切换，逻辑控制电路收到指令后，由控制逻辑CPLD对该指令进行译码，并将译码信号通过驱动电路接口发送到射频开关3的驱动装置，即驱动电路板5上，驱动电路板5上的驱动电路根据译码信号产生相应的驱动信号，并将其送往射频开关3，射频开关3选通和关断相应的传输馈线4及与其相连的天线单元10，从而实现波束的智能切换。

Claims (6)

1.一种波束切换智能天线装置，包括一个功率分配/合成器(2)、射频开关(3)、微带天线单元(10)及馈线(4)、驱动电路和逻辑控制电路，其特征是，该天线装置的外形为一个正多面体，所述微带天线单元(10)设置于正多面体的每个面(1)上，所述功率分配/合成器(2)设置于正多面体的正多边形端面(8)中心，所述射频开关(3)均匀分布于正多边形端面(8)中心外围，并由馈线(4)分别与功率分配/合成器(2)和微带天线单元(10)连接，射频开关(4)与微带天线单元(10)的数量相等，所述驱动电路和逻辑控制电路设置于正多面体的内腔。

2.根据权利要求1所述的波束切换智能天线装置，其特征是，所述正多面体为正九棱柱。

3.根据权利要求1或2所述的波束切换智能天线装置，其特征是，所述驱动电路、逻辑控制电路分别设置在形状与正多边形端面(8)相同的驱动电路板(5)和逻辑控制电路板(6)上，并依次装配于正多棱柱的内腔上部。

4.根据权利要求1或2所述的波束切换智能天线装置，其特征是，所述射频开关包括一个开关二极管，其正极与补偿电感(L1)、输入、输出耦合电容(C1)、(C2)四点共接，补偿电感(L1)的偏置输入端BIAS连接有隔直电容(C3)；开关二极管的负极连接有直流通路电感(L2)和一补偿电容(C4)，射频输入RF IN、输出RF OUT分别通过馈线(4)与功率分配/合成器(2)和微带天线单元(10)连接。

5.根据权利要求3所述的波束切换智能天线装置，其特征是，所述驱动电路包括前级三极管(T1)，后级三极管(T2)，前级三极管(T1)的基极通过限流电阻(R1)与逻辑控制电路输出LOGIC连接，前级三极管(T1)的集电极通过耦合电阻(R3)与后级三极管(T2)的基极连接，后级三极管(T2)的基极到发射极之间正向并接有一个二极管(D1)，该二极管(D1)的负极通过滤波电感(L1)连接射频开关(3)的偏置输入BIAS。

6.根据权利要求3所述的波束切换智能天线装置，其特征是，所述逻辑控制电路包括CPLD模块，CPLD模块的输入通过逻辑控制电路板(6)上的上位机接口与上位机连接，用于对来自上位机的指令进行译码；CPLD模块的输出通过驱动电路接口与驱动电路板(5)上的驱动电路连接，用于将产生相应的逻辑信号来控制驱动电路，再由驱动电路产生相应的驱动信号驱动射频开关(3)进行波束切换。

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