CN2783638Y - 一种基于波束切换智能天线的实现装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种基于波束切换智能天线的实现装置，它涉及移动通信领域中智能天线技术。其目的在于克服典型的预多波束智能天线存在的消耗硬件资源大，系统实现成本高等缺点，提供一种实现简单、稳定性好、系统成本较低的改进型预多波束智能天线。该装置包括权值系数库、权值系数选择模块、射频通道和阵列天线，还特别设计安装了射频多路复用器和移相器组，去掉了原装置中的加法器和乘法器。移相器组由多个移相器组成，每个移相器入口对应射频多路复用器出来的射频通道的一路，出口经射频通道接入阵列天线中的一组，射频多路复用器将来自通信基站的射频信号进行功率均衡，送往每个移相器。本实用新型可用于时分多址体制的任何通信基站。
Description
技术领域
本实用新型涉及移动通信领域中的智能天线技术，具体地说是一种基于波束切换智能天线的实现装置。用于时分多址体制的通信基站，如PHS小灵通基站、TD-CDMA基站。
背景技术
在无线数字通信系统中，为了进一步利用不同信号的不同空间特性，提高系统性能，人们研究了智能天线技术，也称阵列天线技术。智能天线大体上可分三种，一种是预多波束智能天线，其预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的波束权值对信号进行加权处理，处理后的结果再后继使用。第二种是部分自适应智能天线，实现方案通常从接收阵列信号中提取期望用户信号到达的方向角信息，然后形成指向到达方向角的波束，到达方向角变化，则权值也跟着变化。另一种是全自适应智能天线，这种天线的权值不需要预先设置，而是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位可以自由更新。因预多波束智能天线结构简单，不涉及矩阵运算，便于硬件实现，因此应用广泛。典型的预多波束智能天线结构如图1所示，无线信号通过天线阵列10进入系统，其中天线阵列10由多个天线阵元101～103构成，天线输出的信号分别通过射频通道11中对应的通道111～113，再到信号合成单元12进行加权，由乘法器121～123完成，求和由加法器124完成，形成的一维信号输出到后面的系统进行处理。而信号合成单元12中的权值系数，由权值系数选择模块13在权值系数库14中进行选择。权值系数库14中的权值系数是由系统设计时预置的，不同权值系数对应不同的接收信号到达角度，选择准确的接收信号到达角度，使所需输出信号的信噪比最大，这时系统的接收性能也达到最佳。
虽然这种预多波束智能天线能改善系统接收性能，但用到了多个加法器和乘法器，消耗的硬件资源相当可观，系统实现成本高。一个名为“一种智能天线接收方法和装置”的发明专利，专利号CN1412965A，采用权值系数分类的方法，虽然降低了一些系统实现时的资源消耗，但资源消耗仍比较大，同时天线阵元均等的全向接收信号，到后端才对全向接收到的信号进行加权处理，没有充分发挥阵列天线能定向接收的特性。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服上述预多波束智能天线的不足，提供一种实现简单、稳定性好、系统成本较低，能充分发挥阵列天线定向接收特性的改进型预多波束智能天线，即一种基于波束切换智能天线的实现装置。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
本实用新型的设计思想是借鉴相控阵雷达的原理，利用移相器在某一时刻依据不同的权值向阵列天线的各阵元提供不同相位的射频信号，通过各天线方向图的叠加而形成不同总方向图，实现了定向天线的功能，从而也实现了波束在不同方向上的切换。具体说，本实用新型是在上述典型的预多波束型智能天线结构的基础上，去掉了由乘法器和加法器组成的信号合成单元，保留了权值系数库、权值系数选择模块、射频通道、阵列天线等模块，增加了射频多路复用器和移相器组模块，构成了本实用新型的组成结构。移相器组模块由多个移相器组成，移相器的数目与阵列天线的行数相等，每个移相器入口对应射频多路复用器出来的射频通道的一路，出口经射频通道接到阵列天线中的一组。移相器对输入的射频信号的移相，由权值系数选择模块送来的对应相移角的移相权值系数控制。移相器通常选用开关线移相器、负载线移相器、反射型移相器和希夫曼移相器等标准的数字移相器。
射频多路复用器对来自通信基站的射频信号进行功率均衡，然后分配到每个移相器上。选用的射频多路复用器的通道数要与移相器的数量相等。
本实用新型与现有技术相比的优点是：由于本实用新型在上述典型的预多波束智能天线结构的基础上进行了改进，去掉了由乘法器和加法器组成的信号合成单元，增加了射频多路复用器和移相器组模块，使装置的硬件控制电路简单，资源消耗减少，系统成本降低；从整体上讲，与同类型的天线系统相比，该装置天线的增益可提高3～5db，通信距离明显增加。
附图说明
图1是典型的预多波束智能天线结构示意框图
图2是本实用新型实现装置结构示意框图
图3是本实用新型阵列天线实现波束定向方向图
图4是本实用新型阵列天线实现波束切换方向图
图5是本实用新型移相器工作原理示意框图
图6是本实用新型阵列天线平面示意图
具体实现方式
参照图2，它是本实用新型实现装置结构示意框图，包括权值系数库20，权值系数选择模块21，连接通信基站的射频通道22，射频多路复用器23、射频多路复用器出来的射频通道24，移相器组25、移相后的射频通道26和阵列天线27。它的工作原理是这样的，通信基站设备根据移动台的位置向权值系数选择模块21给出方向角号，权值系数选择模块21根据方向角号，在权值系数库20中进行映射查询，获取每个移相器所对应的该方向角的权值系数，分别送往移相器组25中的相应移相器，移相器依据收到的权值系数，对从射频多路复用器23出来的经射频通道24的射频信号进行相位偏移，相移后的射频信号经射频通道26送往阵列天线27相应的天线阵元，阵列天线中每个天线阵元的信号通过相位叠加合成，形成总的定向波束，从而实现了阵列天线波束定向的功能。该实现装置各模块的组成和工作过程为：
通信基站设备，它事先对天线所要照射的区域，按阵列天线形成定向波束的宽度，将其划分成若干区域，形成不同的方向角0...n。在系统工作中，通过其内部的算法，如信号强度比较算法、最优量化法，确定出某一移动台，如PHS手机，正在或即将进入的波束区域，并将该区域号所对应方向角的编号0...n实时或定时地传递给权值系数选择模块21，同时该通信基站设备也接到本实用新型的射频通道22上。
射频多路复用器23，将来自通信基站并经射频通道22的射频信号进行功率均衡，再经射频通道24分配到每个移相器上。选用射频多路复用器时要根据移相器组25中的移相器251～25N的数量来决定其通道数。若移相器数为4，则选4通道数的复用器，同时要选用对射频信号衰减小的复用器。
权值系数选择模块，本模块是根据通信基站设备送来的方向角，通过内部硬件译码电路，如译码芯片、CPLD/FPGA芯片等，或采用单片机如51系列、Atmel系列等通过软件查询的方式，通过映射关系将该方向角所对应的每个移相器所对应的权值数据从权值系数库20中检索出来，送给所对应的移相器251-25N。
权值系数库，本模块主要存放每个移相器所对应的每个方向角的权值数据，可采用CPLD/FPGA、FLASH等作为存贮介质，数据根据所用移相器的型号以及天线的类型，通过实际场强测试获取，只要选用的移相器和天线类型一旦确定，则每一方向角对应的每一移相器的权值数据就会确定下来保持不变。如以某PHS基站使用该智能天线为例，将天线照射范围以90度角为基准划分为4个定向方向角，一个全向方向角，采用4×4阵列天线，则4个移相器所对应的测试相位数据如表1所示，此处的Φi表示第i个移相器针对某一方向角所要相移的角度。随后根据所选移相器输入参数与相移角度之间的对应
表1
| 波束种类 | Φ1 | Φ2 | Φ3 | Φ4 |
| 全向波束 | 239.65 | 0 | 0 | 239.65 |
| 1号方向角 | 0 | 127 | 268 | 44 |
| 2号方向角 | 0 | 50 | 100 | 150 |
| 3号方向角 | 150 | 100 | 50 | 0 |
| 4号方向角 | 44 | 268 | 127 | 0 |
表2
关系，将相移角度转换成其输入参数，以一种5输入参数的数字移相器为例，其输入参数如表2所示。这样，权值系数库中就按一定顺序关系把每个移相器所对应的每一个方向角的对应参数都存贮下来。
| 波束种类 | Φ1 | Φ2 | Φ3 | Φ4 |
| 全向波束 | 01011 | 01010 | 10100 | 10101 |
| 1号波束 | 11110 | 10001 | 00101 | 01011 |
| 2号波束 | 00101 | 00000 | 11100 | 01010 |
| 3号波束 | 00001 | 000101 | 10001 | 11110 |
| 4号波束 | 10001 | 11110 | 10011 | 00110 |
移相器组模块，移相器组模块25由251～25N多个移相器组成，移相器的数目与阵列天线的行数相等，每个移相器入口对应射频多路复用器出来的射频通道24的一路，出口分别经射频通道26中的261～26N将射频信号传给阵列天线27内的271～27N中的一组。
阵列天线单元，阵列天线单元27采用天线阵元结构，相邻阵元间距取接收信号中心频率波长的1/2。若阵元间距过大，会降低接收信号相关度；若阵元间距过小，将在方向图上引起不必要的波瓣。
参照图3，它是本实用新型阵列天线实现波束定向方向图，该方向图是利用移相器在某一时刻依据不同的权值向阵列天线的各阵元提供不同相位的射频信号，通过各天线方向图的叠加而形成阵列天线不同的总方向图，从而实现了阵列天线波束定向的功能。
参照图4，它是本实用新型阵列天线实现波束切换远场测试方向图，从图中可以看出该装置能实现波束在不同方向上的切换，天线增益可提高3～5db，通信距离将明显增加。
参照图5，它是本实用新型移相器工作原理示意框图，如图所示，移相器收到权值系数选择模块送来的对应相移Φ角的移相权值系数b0b1…bn，经过其内部移相，将从射频通道24输入的射频信号F的相位向某一方向偏移Φ角，形成偏移相移Φ角的射频信号F(Φ)送往天线阵元。常用的数字移相器有开关线移相器、负载线移相器、反射型移相器和希夫曼移相器等，选型时要考虑通信基站的工作频率、插入损耗、相移位数以及移相器功率等因素。
参照图6，它是本实用新型阵列天线平面示意图，图中画出的是4×4阵列天线平面示意图，其立体结构是由排列在一个天线屏板的四列天线元60～63组成，图中外框线表示天线屏板，该四列各包括四个天线阵元，如60列就包含601～604阵元，每一列与移相器相联的射频通道26对应的一路相接，形成实现垂直方向信号的空间分集。
Claims (3)
1、一种基于波束切换智能天线的实现装置，包括权值系数库(20)、权值系数选择模块(21)、射频通道(22)、(24)、(26)和阵列天线(27)，其特征在于，还包括射频多路复用器(23)和移相器组(25)，移相器组中的移相器数目与阵列天线的行数相等，每个移相器入口对应射频多路复用器(23)出来的射频通道的一路，出口经射频通道(26)接到阵列天线(27)中的一组，移相器对输入射频信号的移相，由权值系数选择模块(21)送来的对应相移角的移相权值系数控制；射频多路复用器对来自通信基站，经射频通道(22)的射频信号进行功率均衡，然后分配并经射频通道(24)送到每个移相器上。
2、根据权利要求1所述的一种基于波束切换智能天线的实现装置，其特征在于，移相器可选用开关线移相器、负载线移相器、反射型移相器和希夫曼移相器等标准的数字移相器。
3、根据权利要求1所述的一种基于波束切换智能天线的实现装置，其特征在于，选用的射频多路复用器的通道数与移相器的数量相等。
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