专利名称：用于无线通信系统的环形智能天线阵的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种天线阵，更确切地说是涉及一种环形智能天线阵。
九十年代以来，在4GHZ以下通信频段的无线通信领域内，研究开发智能天线技术是提高无线接入系统性能的一项重要工作。智能天线的基本概念是在包括蜂窝移动通信系统、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及多只天线，通过在基带电路中，使用现代数字信息处理技术，运用一定算法对空间谱进行分析，以对每一收发支路的信号进行处理，达到使该基站或主站天线波束赋形的目的。此天线波束赋形对频分多址(FDMA)系统来说，其目标是同时为每个载频提供一个波束；对时分多址(TDMA)系统来说，其目标是为每个时隙提供一个波束；对码分多址(CDMA)系统来说，则是同时为每个码道提供一个波束。波束赋形的作用包括集中能量、达到更远的传输距离；消除或减少干扰，提高信干比(Eb/Io)及系统容量，而最佳效果则是在集中能量的同时又兼顾后者。
迄今为止，据申请人所知，仅有本申请人提出了一种使智能天线达到实用化的技术(参见本申请人的发明专利“具有智能天线的码分多址无线通信系统”)，因而也没有其它人提出为无线通信系统实现智能天线的射频结构。
本实用新型的目的是提供一种用于无线通信系统的环形智能无线阵，特别是一种实用化的环形智能天线阵的射频结构。
本实用新型的用于无线通信系统的环形智能天线阵，其特征在于所述的环形智能天线阵是由两个以上完全相同的天线元成环形等间隔或不等间隔地排列在一个支撑面上构成。
所述的天线元是直柱，所述的支撑面是一平面，所述的直柱成环状直立并间隔分布在该平面上，构成环形振子天线阵。
所述的天线元是微带，所述的支撑面是一立体环状面，所述的微带纵向平行贴置在该立体环状面上，构成环形微带天线阵。
所述天线元间距L小于或等于1/2工作频带最高频率的电磁波波长λ。
所述的环形排列包括圆形、扁圆形、规则或不规则多边形。
下面结合两类智能天线的射频结构进一步说明本实用新型的技术。
图1.环形振子天线阵立体结构示意图图2.环形振子天线阵俯视结构示意图图3.环形振子天线阵天线元仰角方向辐射图形图4.环形振子天线阵天线元方位角方向辐射图形图5.环形振子天线阵用于智能天线时的辐射图形图6.微带环形天线阵立体结构示意图图7.微带环形天线阵射频电缆座结构示意图图8.微带环形天线阵天线元仰角方向辐射图形图9.微带环形天线阵天线元方位角方向辐射图形图10.三扇区微带环形天线阵用于智能天线的辐射图形本实用新型的环形天线阵应用于无线通信系统中实现智能天线时，应具有如下八方面的特性1.极化，垂直或水平极化，与天线元的极化相同；2.阻抗，每个天线元的阻抗不因为组成环形阵而发生明显变化，即天线元间互耦的影响可以忽略(＜-20dB)；3.接收增益，在最大功率合成时，此天线阵的最大增益可达到Gmax＝GY+10logNdB，式中Gmax为最大可能增益，GY为天线元增益，N为天线元数目；4.发射增益，在每个天线的发射功率相等、用最大功率合成时，最大发射增益可达到Gmax＝GY+20logNdB(包括各天线元馈电的功率之和)。
5.仰角方向图形，在仰角方位，环形天线阵的辐射图形与每个天线元相同；6.方位角方向图形，由基带控制，可同时产生多个波束，对环形振子阵，这多个波束可以在360度方位角内指向，对微带环形阵，为达到最佳效果，此多波束最好限制在所设计的扇区内；7.零点隔离，为消除干扰，在波束赋形时可以在干扰源方向设置零点，实际系统中，此零点处的电平应当比最大功率方向小很多，以达到设计目标；8.工作频段，本环形天线阵可工作于100MHZ至4GHZ频段参见图1至图5，构成环形振子天线阵天线元11的是N(N＞2)个完全相同的直柱，构成环形振子天线阵支撑面12的是一个圆形平面，各天线元11等距离间隔排列形成圆形天线阵，各天线元11的中心间距L≤λ/2(λ为工作频带最高频率电磁波波长)，以免产生光栅波瓣。
这样一个环形振子天线阵在支撑面(方位角方向)是各向同性，即完全对称的，可以由每个天线元所得到的电磁波相位和幅度，来合成所需辐射方向图形，如图5所示。图中10为环形振子天线阵，虚线圆13为同相馈电时的各向同性辐射图形，图形14为智能天线波束赋形后的辐射图形实例。
环形振子天线阵中的天线元10可以是一个短振子(1/4至一个波长)，也可以是一个纵向排列的振子阵。不管用何种方式实现，此天线元均有图3、图4所示的辐射特性。在方位角方向是各向同性(图4)，在仰角方向是指向振子天线元的横向，天线增益越高，此方向的波束越窄。该天线元的极化可以是垂直极化，也可以是水平极化；输入阻抗标称值应和馈电系统相匹配；最大指向的增益GY在0至10dB之间，根据设计需要而定。
图1、图2中所示为八单元环形振子天线阵，由八个天线元(振子)11，成正圆形排列。实施时，每个天线元的振子增益为8dB，输入阻抗为50欧，工作于1.8～2GHZ频率，中心间距L为75mm。其仰角方向图形的3dB宽度略为20度，在智能天线工作条件下，在方位角方向360度内，可以合成各种所需的方向图。在最大功率合成时，此天线阵的最大增益可达到17dB(对接收)和26dB(对发射)。在考虑到消除干扰、设定零点时，在零点方向的辐射电平可比最大辐射方向低(隔离)40dB。
参见图6至图10，由N(N＞2)个完全相同的微带天线元21在一个圆柱形外表支撑面22上等距离排列组成环形微带天线阵。圆柱形外表支撑面采用介质材料，图中23为金属反射面，各天线元21的中心间距为L，同样L≤λ/2，即L不能超过工作频带最高频率电磁波波长的一半(图6)。与前述环形振子天线阵的不同之处是每个天线元只能向圆柱外方向发射或接收来自外方向的电磁波，故其自身具有一定的方向性。虽然当所有天线元同相激励时将获得各向同性的方向图形，但是当此天线阵工作于一个小区的中心(单扇区时)，这个方向性将导致智能天线效率降低使其不如振子天线阵。另一方面，该环形微带天线阵有高增益的优势，特别适合于将该天线所在地分为多个扇区的情况。环形微带天线元可设计成垂直极化，也可以设计成水平极化，其输入阻抗应与馈电系统匹配，最大指向的增益GY在3至20dB之间，可按设计要求而定。
图7中示出各天线元21的连接及与射频电缆座26的连接关系。天线元21为纵向排列的M个微带振子25(M＝2n，n≥1)。如采用24只微带天线元，均匀地排列在一只直径为570mm的金属圆筒外。24只微带天线元可分为三组，每组八个单元(图中示出一只天线元的连接关系)。实例中每只微带天线元的增益为12dB，输入阻抗为50欧姆，工作于1.8至2GHZ频带。
微带天线元21具有如图8、图9所示的辐射方向，与振子天线元的辐射方向图比较(图3、图4)，其辐射方向为微带天线元所面对的半个空间，在仰角方向的波束宽度取决于天线元的增益。
图10所示的三扇区环形微带天线阵30共分为三个120度的扇区，同相激励时，每扇区分别产生一个在此120度方位角内基本同增益的方向图形，图中虚线图形31为同相馈电下每扇区的辐射图形，图形32为智能天线波束赋形时每扇区辐射图形。在仰角方向，辐射方向图半功率点宽度略为20度，在智能天线工作条件下，三个扇区是独立工作的，每个扇区内可以合成各种所需的辐射波束。在最大功率合成时，该天线阵的最大增益可达到21dB(对接收)和30dB(对发射)。在消除干扰时，于零点方向的隔离可达20dB。
本实用新型的两种环形天线阵的实施例射频结构应用于智能天线系统时，不改变天线阵在仰角方向的辐射特性，而是在方位角方向，为每一个信道(载频、时隙或码道)产生一个波束，并让此波束指向与之通信的终端设备。
本实用新型环形智能天线阵的具体工作频段、天线元数目、天线元的详细特性及要求，应根据具体系统甚至具体工程的要求而改变。此外，环形天线阵中各天线的分布仅需满足环形，可为圆形、多边形、扁圆形或其他规则或不规则的形状，各天线元只要间隔分布且L≤λ/2，可为等间距或不等间距分布。
权利要求1.一种用于无线通信系统的环形智能天线阵，其特征在于所述的环形智能天线阵是由两个以上完全相同的天线元成环形等间隔或不等间隔地排列在一个支撑面上构成。
2.根据权利要求1所述的用于无线通信系统的环形智能天线阵，其特征在于所述的天线元是直柱，所述的支撑面是一平面，所述的直柱成环状直立并间隔分布在该平面上，构成环形振子天线阵。
3.根据权利要求1所述的用于无线通信系统的环形智能天线阵，其特征在于所述的天线元是微带，所述的支撑面是一立体环状面，所述的微带纵向平行贴置在该立体环状面上，构成环形微带天线阵。
4.根据权利要求1所述的用于无线通信系统的环形智能天线阵，其特征在于所述天线元间距L小于或等于1/2工作频带最高频率的电磁波波长λ。
5.根据权利要求1所述的用于无线通信系统的环形智能天线阵，其特征在于所述的环形排列包括圆形、扁圆形、规则或不规则多边形。
专利摘要本实用新型涉及一种环形智能天线阵,用于4GHZ以下无线通信系统的基站设备中,具有实用化的射频结构。由N个(N>2)完全相同的天线元成环形间隙排列在一个支撑面上构成。当天线元是直柱、支撑面是平面,直柱成环状直立并间隔分布在平面上时构成环形振子天线阵;当天线元是微带、支撑面是一立体环状面,微带纵向平行贴置在立体环状表面上时则构成环形微带天线阵。天线元中心间距L不能超过工作频带最高频率电磁波波长的一半。
文档编号H01Q21/00GK2293901SQ97202038
公开日1998年10月7日 申请日期1997年3月13日 优先权日1997年3月13日
发明者徐广涵, 李世鹤 申请人:北京信威通信技术有限公司