一种曲线形智能天线阵及优化其结构参数的方法技术

本发明专利技术是曲线形智能天线阵及优化其结构参数的方法，在实现扇区覆盖的同时最大限度的满足智能天线技术的要求。将天线单元在曲线上排列（弧线、折线等）。给定曲线的初始形状、天线单元在曲线上的初始位置，使天线阵中相邻两个天线单元间的直线距离满足条件１，和曲线上各天线单元满足有效辐射条件２；然后使用求最小方差方法同时调整天线阵的结构参数和波束赋形参数Ｗ（ｎ），保证满足条件１和２，并获得方差；在方差满足预定要求时输出获得的天线阵结构参数和Ｗ（ｎ），在方差不满足预定要求时，重新调整结构参数的初值，重新使用求最小方差方法寻找天线阵结构参数与Ｗ（ｎ），最终获得最小方差原则下的Ｗ（ｎ）与天线阵结构参数的局部最优解。

【技术实现步骤摘要】
一种曲线形智能天线阵及优化其结构参数的方法
本专利技术涉及蜂窝移动通信系统中的智能天线阵技术，更确切地说是涉及设计和实现具有扇区覆盖的智能天线阵的方法。
技术介绍
在应用智能天线的峰窝移动通信系统中，一般是在无线基站装备智能天线阵，此天线阵能用如下两种赋形波束发射和接收信号：一种是固定的赋形波束，如全向、带状或扇形赋形波束，这种波束赋形方式主要用于发送全向信息，例如广播或寻呼信息等；另一种是动态的赋形波束，这种波束主要用于跟踪用户，将信息传送给特定用户，如用户的数据、信令等。众所周知，天线阵的功率辐射图形是由构成天线阵的多个天线单元的几何排列、每个天线单元的特性、以及每个天线单元馈电的幅度和相位等因数确定的。专利号为00103547.9的中国专利中，基站使用环形智能天线阵，以达到在水平面上的全向覆盖。该专利技术在已经确定天线阵形状(天线单元的间距为半波长的环形天线阵列)的情况下，提出一种根据实际情况通过调整n个天线单元的馈电幅度和相位实现天线阵任意波束赋形的方法。即用A(φ)表示希望得到的赋形波束的形状参数，即所需的覆盖范围，其中φ表示观察点的极坐标角度，A(φ)是在相同距离下φ方向的辐射强度。设构成环形智能天线阵列的天线单元数为N，其中任一个天线单元n的位置参数为D(n)，其馈电幅度和馈电相位可以用参数W(n)表示，该W(n)被称为波束赋形参数，可以用两种形式来表示W(n)：一种是采用实部与虚部的形式，即W(n)＝R(n)+j·I(n)，其中R(n)为实部，I(n)为-->虚部；另一种为幅度与相位的形式，即W(n)＝A·ej·φ(n)，其中A为幅度，φ(n)为相位。方向角φ处的辐射功率为P，即实际达到的覆盖范围表示为：P(φ)=|Σn=1Nf(φ,D(n))×W(n)|2.]]>其中f(φ，D(n))的函数形式与智能天线阵的类型有关。采用最小方差算法，可使得下面公式中的方差ε最小，从而获得最小方差意义下的局部最优值：ε=1K∑t=1K|P(φ)1/2-A(φ)|2×C(i)---(1)]]>其中K是采用逼近方法时的采样点个数，C(i)是一个权重，它表示对不同采样点的逼近程度。但在现代移动通信网络中，为了降低基站工程成本和提高容量，更多地是要求实现扇区覆盖，即将水平面360°等分为两个、三个、四个甚至六个扇区，这样，相应地要求设计具有180°/120°/90°/60°的扇区覆盖的天线，如附图1中所示的蜂窝移动通信小区排列中的12、13、14和15。图中11、16、17表示360°覆盖的小区。对具有扇区覆盖特性的天线阵，目前所使用的单根定向天线虽然已经是成熟的产品，但这些产品只能提供固定的辐射方向图形，不能提供动态的赋形波束；而环形智能天线阵虽然能提供扇区覆盖能力，但是却有增益小、干扰严重的问题。因此需要重新设计一种智能天线阵，使其既具有扇区覆盖能力又能提供动态赋形波束。虽然使用均匀直线阵列可以满足上述要求，但是其提供的动态赋形波束在扇区内的增益不均匀。参见图2，以120度扇区21为例，在使用等幅馈电时，其扇区中心22与扇区边缘23的增益一般相差5～7个分贝。因此均匀直线智能天线阵一般应用于对波束赋形增益均匀性要求不高的环境中。对于一般的蜂窝移动通信系统而言，基站位于六边形小区中心并且采用小-->区分裂技术时，其分裂出来的60度扇区24是标准的扇形，即扇区中心25最远点A到基站O的距离R与扇区边缘26最远点B、C到基站O的距离相同(都为R)。此时就要求智能天线阵(O位置处)提供的赋形波束满足某种均匀性，使得为扇区中心最远点A提供的赋形波束增益与为扇区边缘最远点B、C提供的赋形波束增益相同，保证相同距离下的用户都能接收到该波束，然而均匀直线阵列在此时是无法满足该要求的。对一个理想的具有扇区覆盖特性的智能天线阵来说，除了有扇区覆盖和均匀的动态波束赋形要求外，为了提高系统效率，还要求组成此智能天线阵的每个天线单元相同，而且，在提供扇形固定波束及定向赋形波束时，每个天线单元的发射功率电平相同。在天线阵结构尺寸确定后，形成不同赋形波束的变量仅仅是改变各天线单元的馈电相位。此外，还希望此天线阵具有比较高的天线阵增益及比较低的制造成本。迄今为止，还没有满足上述要求的设计方法，更没有此类产品。综上所述，在蜂窝移动通信系统中，目前一般采用小区分裂技术来增加小区的容量，或者说在增加基站的同时保持站址密度不变，从而既提高了容量又降低了工程成本。对于单天线的蜂窝移动通信系统来说，比如GSM系统，一般采用定向的单根天线或者天线阵列实现扇区覆盖。从扇区覆盖的角度看，目前成熟的单根定向天线产品只能提供固定的辐射方向图形，不能提供动态的赋形波束；环形智能天线阵虽然能提供扇区覆盖能力，但是面临着增益小、干扰严重的问题；均匀直线天线阵虽然能够提供动态的赋形波束，但是达不到理想智能天线阵列的要求，其提供的动态赋形波束在扇区内增益不均匀。虽然可以通过使用不等幅馈电减少这种不均匀性，但是有浪费发射功率、降低系统效率的问题。对于使用智能天线技术的蜂窝移动通信系统来说，比如TD-SCDMA系统，则必须设计一种既能够应用智能天线技术，又能够实现扇区覆盖的天线阵。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是设计一种曲线形智能天线阵，使得该种天线阵同时具-->有扇区覆盖和动态波束赋形的能力，并且能够在最大程度上满足对智能天线阵的要求。本专利技术的另一目的是设计一种优化曲线形智能天线阵结构参数的方法，经不断地调整过程，最终获得与要求的扇区覆盖波束赋形相吻合的局部(非全局最优解)最佳结果。实现本专利技术目的的技术方案是这样的：一种曲线形智能天线阵，包括N个天线单元，各天线单元的功率辐射方向图的指向成发散状或者平行，其特征在于：所述的由N个天线单元构成的天线阵的几何排列成曲线，形成扇区覆盖；天线阵中相邻的两个天线单元间的直线距离满足小于工作波长并大于或者等于1/2工作波长的条件1；曲线上各天线单元的辐射功率满足能有效进入扇区覆盖范围、不被本天线阵中其它天线单元遮挡的有效辐射条件2。实现本专利技术目的的技术方案还是这样的：一种优化曲线形智能天线阵结构参数的方法，包括：给定天线单元个数N和确定N个天线单元的几何排列，确定天线阵结构参数；用求得最小方差的逐步逼近方法获得波束赋形参数与天线阵结构参数的局部最优解，其特征在于：所述的确定N个天线单元的几何排列是按曲线排列N个天线单元；所述的用求得最小方差的逐步逼近方法获得波束赋形参数与天线阵结构参数的局部最优解，包括：1).给定曲线形天线阵的结构参数的初值，即确定各天线单元在曲线上的初始位置，使满足相邻天线单元间的距离大于等于1/2工作波长同时小于工作波长的条件1，和满足各天线单元的辐射功率能有效进入扇区覆盖范围、不被本天线阵中其它天线遮挡的有效辐射条件2；2)按照事先给定的天线阵结构参数和波束赋形参数W(n)的初值与调整精度，同时调整天线阵结构参数和波束赋形参数W(n)的值，使用最小方差逼近方法寻找结构参数和W(n)的局部最优解，并记录波束赋形图与目标赋形图的方差-->ε；3)如果方差ε满足预定的要求，并且获得的天线阵结构参数满足条件1和条件2，输出步骤2)中确定的天线阵排列方式以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种曲线形智能天线阵，包括Ｎ个天线单元，各天线单元的功率辐射方向图的指向成发散状或者平行，其特征在于：所述的由Ｎ个天线单元构成的天线阵的几何排列成曲线，形成扇区覆盖；天线阵中相邻的两个天线单元间的直线距离满足小于工作波长并大于或者等于１／２工作波长的条件１；曲线上各天线单元的辐射功率满足能有效进入扇区覆盖范围、不被本天线阵中其它天线单元遮挡的有效辐射条件２。

【技术特征摘要】
1.一种曲线形智能天线阵，包括N个天线单元，各天线单元的功率辐射方向图的指向成发散状或者平行，其特征在于：所述的由N个天线单元构成的天线阵的几何排列成曲线，形成扇区覆盖；天线阵中相邻的两个天线单元间的直线距离满足小于工作波长并大于或者等于1/2工作波长的条件1；曲线上各天线单元的辐射功率满足能有效进入扇区覆盖范围、不被本天线阵中其它天线单元遮挡的有效辐射条件2。2.根据权利要求1所述的一种曲线形智能天线阵，其特征在于：所述的曲线是弧线；所述的N个天线单元对称或非对称排列在弧线上；所述的N个天线单元均匀或非均匀排列在弧线上。3.根据权利要求1所述的一种曲线形智能天线阵，其特征在于：所述的曲线是折线；所述的N个天线单元对称或非对称排列在折线上；所述的N个天线单元均匀或非均匀排列在折线上。4.根据权利要求1所述的一种曲线形智能天线阵，其特征在于：所述N个天线单元的归一化辐射方向图形相同或不相同。5.根据权利要求1所述的一种曲线形智能天线阵，其特征在于：在所述的曲线是弧线时，所述的有效辐射条件是指曲线上任意两个天线单元的连线与扇区中心方向的夹角，大于或者等于同一侧扇区边缘方向与扇区中心方向的夹角，所述的同一侧是该两个天线单元的连线与扇区边缘方向，是位于扇区中心方向的同一侧。6.根据权利要求1所述的一种曲线形智能天线阵，其特征在于：所述的天线单元具有定向辐射方向图形。7.根据权利要求6所述的一种曲线形智能天线阵，其特征在于：所述的具有定向辐射方向图形的天线单元，由具有全向辐射的半波振子和由导体平面构成的反射板组成，导体平面距离半波振子为1/4工作波长，在曲线为弧形时，该导体平面为金属圆弧板。-->8.一种优化如权利要求1的曲线形智能天线阵结构参数的方法，包括：给定天线单元个数N和确定N个天线单元的几何排列，确定天线阵结构参数；用求得最小方差的逐步逼近方法获得波束赋形参数与天线阵结构参数的局部最优解，其特征在于：所述的确定N个天线单元的几何排列是按曲线排列N个天线单元；所述的用求得最小方差的逐步逼近方法获得波束赋形参数与天线阵结构参数的局部最优解，包括：1).给定曲线形天线阵的结构参数的初值，即确定各天线单元在曲线上的初始位置，使满足相邻天线单元间的距离大于等于1/2工作波长同时小于工作波长的条件1，和满足各天线单元的辐射功率能有效进入扇区覆盖范围、不被本天线阵中其它天线遮挡的有效辐射条件2；2)按照事先给定的天线阵结构参数和波束赋形参数W(n)的初值与调整精度，同时调整天线阵结构参数和波束赋形参数W(n)的值，使用最小方差逼近方法寻找结构参数和W(n)的局部最优解，并记录波束赋形图与目标赋形图的方差ε，n＝1，…，N；3)如果方差ε满足预定的要求，并且获得的天线阵结构参数满足条件1和条件2，输出步骤2)中确定的天线阵排列方式以及局部最优的波束赋形参数W(n)，否则返回步骤1)重新设定天线阵结构参数和波束赋形参数W(n)的初值和/或调整精度。9.根据权利要求8所述的一种优化曲线形智能天线阵结构参数的方法，其特征在于：所述的N个天线单元对称或非对称、均匀或非均匀地分布在所述的曲线上。10.根据权利要求8所述的一种优化曲线形智能天线阵结构参数的方法，其特征在于：所述的确定天线阵结构参数是选择至少能够完全确定所选天线阵结构的一组参数。11.根据权利要求8所述的一种优化曲线形智能天线阵结构参数的方法，-->其特征在于所述的步骤2)进一步包括：21).按照事先给定的天线阵结构参数初值或者后续步骤中获得的天线阵结构参数的调整基值、和事先给定的调整精度调整天线阵的结构参数，并且保证天线阵的结构参数满足条件1和条件2；22).按照事先给定的波束赋形参数W(n)的初值或者后续步骤中获得的波束赋形参数W(n)的调整基值、事先给定的调整精度调整天线阵的波束赋形参数W(n)；23).按照步骤21)和22)中确定的天线阵的结构参数和波束赋形参数W(n)，计算该天线阵的方差，并与事先确定的方差参考值进行比较，如果方差大于或者或者等于方差参考值，则记录该方差参考值保持最小的次数，如果该次数超过事先确定的门限值，则进入步骤3)，否则返回步骤21)；如果小于方差参考值，则用新计算出来的方差代替原方差参考值，将步骤21)和22)确定的天线阵结构参数和波束赋形参数W(n)作为新的调整基值，将记录方差参考值保持最小次数的计数器清零，并返回步骤21)。12.根据权利要求8所述的一种优化曲线形智能天线阵结构参数的方法，其特征在于所述的步骤2)进一步包括：21).按照事先给定的天线阵结构参数初值或者后续步骤中获得的天线阵结构参数的调整基值、事先给定的调整精度调整天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世鹤，索士强，
申请(专利权)人：大唐移动通信设备有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]