专利名称：一种智能天线及其波束调整方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种智能天线及其波束调整方法。
背景技术：
移动通信无线网络中使用的智能天线属于多阵元天线，现有智能天线中阵元和振子的摆放方式如图1所示，智能天线包括多个横向排列的纵向阵元，每个阵元由多个轴向串列摆放且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个AP(信号放大器)的输出通道，图1中以八通道智能天线为例进行说明。传统智能天线在水平方向和垂直方向上的波束场图请参见图2，图2中右边的曲线表示水平覆盖范围，上方的曲线表示垂直覆盖范围。从图2中可以看出，该智能天线在垂直方向上是窄波束，波束宽度通常只有7至8度。智能天线可工作在两种工作模式广播波束模式和业务波束模式。广播波束覆盖整个小区，使小区内所有移动终端始终与基站保持联系；业务波束为窄波束(指水平方向)，可在广播波束覆盖范围内扫描，其能量集中并指向通信移动终端，可有效降低干扰，提高容量。图3和图4分别是传统智能天线在水平方向上的广播波束场图和业务波束场图。近年来，随着移动用户普及率的提高，移动用户使用手机等移动终端的场合越来越广。随着城市化的飞速进展，许多城区内都出现了大量高层建筑密集的商业区和住宅小区，现有的移动通信无线网络不能对高层建筑密集区域进行良好覆盖，导致移动用户在高层建筑密集区域内使用移动终端时经常遇到无线信号不好、无法接通或通话质量差等情况。目前，为了解决高层建筑密集区域内的无线网络覆盖问题，技术人员需要进行大量的网络优化工作，例如增加基站数量或者增加天线数量，导致网络维护困难。另一种解决方案是在高层建筑物内安装分布天线(`即多点布放天线)，通过众多吸顶天线实现对高层建筑物的覆盖。该方案的缺点是在实施过程中需要业主配合，工程建设和维护难度大，常出现因业主限制而无法施工的现象。
发明内容
本发明实施例提供一种智能天线及其波束调整方法，用以解决高层建筑密集区域内的无线网络覆盖问题。本发明实施例提供的智能天线，包括多个纵向排列的横向阵元，每个阵元由多个排列在一条水平直线上且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个信号放大器的输出通道；所述智能天线在水平方向上的波束宽度为30至150度，在垂直方向上的广播波束宽度为15至165度，在垂直方向上的业务波束宽度不超过20度。本发明实施例提供的上述智能天线的波束调整方法，包括通过改变各阵元的激励信号的幅度和相位调整垂直方向上的波束宽度，通过改变阵元中各振子的激励信号的相位调整水平方向上的波束宽度。本发明实施例提供的智能天线，将多个振子排列在一条水平直线上组成横向阵元，并将多个横向阵元纵向排列组成智能天线，能够实现业务波束的垂直方向扫描，并且在水平方向上为宽波束，从而实现了对高层建筑物的良好覆盖，保证了高层建筑密集区域内的无线通讯效果。本发明实施例提供的智能天线的波束调整方法，在垂直方向上的覆盖范围较大且可以通过改变各阵元激励信号的大小和相位来进行调整，在水平方向上的覆盖范围较大且可以通过改变阵元中振子的激励信号的相位来进行微调，因而能够很好地覆盖不同大小和形状的高层建筑物。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1为传统智能天线中阵元和振子的摆放方式示意图；图2为传统智能天线在水平方向和垂直方向上的波束场图；图3为传统智能天线在水平方向上的广播波束场图；图4为传统智能天线在水平方向上的业务波束场图；图5为本发明实施例中智能天线的振子和阵元设置示意图；图6为本发明实施例中智能天线覆盖目标高层建筑物时的空间位置示意
图7为本发明实施例中智能天线各阵元接收电磁波的波程差示意图；图8为本发明实施例中具有4行4列振子的智能天线模型结构图；图9为本发明实施例中图8所示智能天线的广播波束在垂直方向上的仿真结果；图10为本发明实施例中图8所示智能天线的业务波束在垂直方向上的仿真结果;图11为本发明实施例中智能天线的阵元中各振子发射电磁波的波程差示意图；图12为本发明实施例中图8所示智能天线的广播波束在水平方向上的仿真结果;图13为本发明实施例中图8所示智能天线的业务波束在水平方向上的仿真结果;图14为本发明实施例中将水平方向波束场图向宽方向调整原理图；图15为本发明实施例中将水平方向波束场图向窄方向调整原理图；图16为本发明实施例中研究广播波束水平方向宽度调整时所用智能天线模型示意图；图17为本发明实施例中图13所示智能天线的水平方向波束的初始权值仿真结果(调节前)；图18为本发明实施例中图13所示智能天线的水平方向波束场图向宽方向调整仿真结果(fI3 = 15度)；图19为本发明实施例中图13所示智能天线的水平方向波束场图向窄方向调整仿真结果= 15度)。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明实施例提供了一种移动通信无线网络中使用的智能天线，用以解决高层建筑密集区域内的无线网络覆盖问题，对于加快实现TD-SCDMA系统、以及TD-LTE系统的深度无线网络覆盖提供基础。如图5所示，本发明实施例提供的智能天线，包括多个纵向排列的横向阵元，每个阵元由多个排列在一条水平直线上且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个AP(信号放大器)的输出通道；该智能天线在水平方向上的波束宽度为30至150度，在垂直方向上的广播波束宽度为15至165度，在垂直方向上的业务波束宽度不超过20度。较佳的，组成阵元的振子采用垂直极化振子，智能天线的振子保持垂直激励方式，不仅有利于电磁波在地球表面的传播，而且还与移动通信系统的移动终端天线和基站天线的方向相匹配，同时满足TD-SCDMA系统、TD-LTE系统等时分复用的要求。当然，组成阵元的振子也可以采用双极化振子。具体实施中，所述智能天线的阵元个数大于0小于10，各阵元包括的振子个数相等且大于0小于10 ;同一阵元中相邻振子的间距大于0小于等于入，较佳的，同一阵元中相邻振子的间距取值为X/2;相邻阵元中对应振子的间距大于0小于等于2 X ;本申请文件中，X表示智能天线所接收和发射的无线信号的波长。智能天线的阵元个数大于0小于10，相应的图5中行数N的取值为大于0小于10 ;各阵元包括的振子个数相等且大于0小于10，相应的图5中列数M的取值为大于0小于10。通常情况下，所述智能天线包括的后背挡板，后背挡板设置在振子阵列的后部，后背挡板与振子阵列所在平面的间距大于0小于X，较佳的，后背挡板与振子阵列所在平面的间距取值为X/4;后背挡板的大小超过振子阵列的大小，四周均留有富裕量，富裕量取值在0至\之间，也就是说，后背挡板的边缘超出振子阵列的边缘的长度大于0小于入。为了保证智能天线的前后比，通常在后背挡板的四周设置有侧板，侧板的宽度大于0小于\，侧板与后背挡板的夹角大于0度小于等于90度。本发明实施例中，智能天线的波束调整方法包括I)垂直方向采用电调整对每个阵元(横向)的激励信号即输入电信号设置不同的权值，所述权值包括幅度和相位,物理实现为带有不同相位的电流。通过权值的调整可以满足宽覆盖的覆盖需求；同时在业务模型下，通过权值的调整可以变为窄波束，从而降低用户间干扰。2)水平方向采用机械调整机械调整属于微调范围，保证提供较宽的覆盖范围即可。在物理上，也通过改变“传输材料”的长短来实现波束调整。 本发明实施例提供的智能天线，保留了广播波束和业务波束两种工作模式，广播波束和业务波束都是指垂直方向上的波束场图。该智能天线可在垂直方向上提供较宽的广播波束，从而可以改善高层建筑物从低层到高层的覆盖效果，并且可在垂直方向上提供较窄的业务波束，业务波束用于跟踪移动终端，从而为高层建筑物内各层移动用户提供服务；该智能天线可在水平方向上提供宽波束，从而可以保证高层建筑物的水平方向完全覆盖要求。请参见图6，本发明实施例提 供的智能天线可以安装到目标高层建筑物A对面的建筑物B上，从而对目标高层建筑物A进行覆盖。建议将智能天线安装在较低的位置，可以减少对环境的电磁污染。采用本发明实施例提供的智能天线覆盖目标高层建筑物时，可以根据该目标高层建筑物的实际楼体宽度选用水平方向波束宽度合适的智能天线，也可采用具有手动相位调节功能的智能天线，将智能天线的方向角和波束宽度调整到合适范围，避免波束太窄造成欠覆盖或波束过宽造成对其他小区的干扰。具有手动相位调节功能的智能天线中，每个阵元与驱动该阵元的信号放大器的输出通道之间设置有移相器。根据目标高层建筑物的实际楼体高度和智能天线的安装位置，调整智能天线在垂直方向上的广播波束场图的形状和偏转方向，保证覆盖效果，调整方式是修改各阵元激励信号。智能天线接收到移动终端发射的信号后，会根据该移动终端所在的楼层，调整各阵元激励信号，使业务波束指向该移动终端，实现垂直方向的扫描。下面介绍本发明实施例提供的智能天线的垂直方向波束场图实现原理。由本发明实施例提供的智能天线的结构可知，一旦将振子固定在天线反射板上，振子之间的相对位置即固定不变，也就是说，每个阵元内振子的相位和幅度关系是确定的。每个阵元连接一个AP的输出通道，构成多通道智能天线。每个通道电信号的幅值和相位是独立的，智能天线整体的电磁波是由各个阵元电信号矢量叠加的结果。请参见图7，在垂直方向上，每个阵元可用类似振子的行为考虑。图7中的黑点表示阵元，阵元从下向上排列设置，最下面的阵元编号为0，向上依次顺序编号。从图7可以看出，远方传来的电磁波(可视为平面波)，空域上到达各个阵元时所经过的距离不同，以垂直于振子阵列所在平面的入射方向为0度方向，顺时针计算入射波夹角0，各编号阵元入射波相对于0号阵元的波程差分别为Adn，其中，n表示阵元编号，n = 0、1、2、3. . . N，设相邻阵元的间距为X/2，因此，请参见公式[I]
权利要求
1.一种智能天线，其特征在于，包括多个纵向排列的横向阵元，每个阵元由多个排列在一条水平直线上且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个信号放大器的输出通道；所述智能天线在水平方向上的波束宽度为30至150度，在垂直方向上的广播波束宽度为15至165度，在垂直方向上的业务波束宽度不超过20度。
2.如权利要求1所述的智能天线，其特征在于，所述振子为垂直极化振子。
3.如权利要求1或2所述的智能天线，其特征在于，阵元个数大于O小于10，各阵元包括的振子个数相等且大于O小于10。
4.如权利要求1或2所述的智能天线，其特征在于，同一阵元中相邻振子的间距大于O小于等于λ，相邻阵元中对应振子的间距大于O小于等于2 λ，其中，λ表示智能天线所接收和发射的无线信号的波长。
5.如权利要求1或2所述的智能天线，其特征在于，在振子阵列的后部设置有后背挡板，所述后背挡板与振子阵列所在平面的间距大于O小于λ，后背挡板的边缘超出振子阵列的边缘的长度大于O小于λ，其中，λ表示智能天线所接收和发射的无线信号的波长。
6.如权利要求5所述的智能天线，其特征在于，在所述后背挡板的四周设置有侧板，侧板的宽度大于O小于λ，侧板与后背挡板的夹角大于O度小于等于90度。
7.如权利要求1或2所述的智能天线，其特征在于，每个阵元与驱动该阵元的信号放大器的输出通道之间设置有移相器。
8.—种权利要求1所述智能天线的波束调整方法，其特征在于，包括 通过改变各阵元的激励信号的幅度和相位调整垂直方向上的波束宽度，通过改变阵元中各振子的激励信号的相位调整水平方向上的波束宽度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过改变阵元中各振子的激励信号的相位调整水平方向上的波束宽度，具体包括 通过移相操作使中间振子到两端振子的激励信号依次递减相位差Φ，将水平方向上的波束宽度变宽； 通过移相操作使中间振子到两端振子的激励信号依次递增相位差Φ，将水平方向上的波束宽度变窄。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述相位差Φ的取值为大于O度小于等于15度。
全文摘要
本发明公开了一种智能天线及其波束调整方法，用以解决高层建筑密集区域内的无线网络覆盖问题。所述智能天线包括多个纵向排列的横向阵元，每个阵元由多个排列在一条水平直线上且并联供电的振子组成，每个阵元连接一个信号放大器的输出通道；所述智能天线在水平方向上的波束宽度为30至150度，在垂直方向上的广播波束宽度为15至165度，在垂直方向上的业务波束宽度不超过20度。所述智能天线进行波束调整时，通过改变各阵元的激励信号的幅度和相位调整垂直方向上的波束宽度，通过改变阵元中各振子的激励信号的相位调整水平方向上的波束宽度。
文档编号H04W16/28GK103052084SQ20111031028
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者李晓明, 董健, 刘旸, 王超, 徐长胜, 张辉, 郝益刚, 李卓 申请人:中国移动通信集团设计院有限公司