專利名稱：一種用于scdma系統(tǒng)中的雙極化板狀天線陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于無線通信系統(tǒng)的天線陣，尤其涉及一種用于同步碼分多址(SCDMA)通信系統(tǒng)中的天線陣。
背景技術(shù)：
在無線移動(dòng)通信中普遍存在的一個(gè)問題為多徑問題，即在無線通信環(huán)境中信號(hào)通過直射、反射、折射等不同的路徑到達(dá)接收機(jī)。這些幅度衰減和時(shí)延各不同的信號(hào)相互重疊，產(chǎn)生干擾，造成接收端判斷錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。在現(xiàn)代的各種數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)中，人們想盡各種方法來減少/消除多徑現(xiàn)象給系統(tǒng)帶來的性能損害。例如，GSM系統(tǒng)的天線分集接收技術(shù)和VITERBI均衡器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)；IS-95/CDMA2000系統(tǒng)的天線分集接收技術(shù)和RAKE接收技術(shù)，等等。這里采用的天線分集接收技術(shù)僅僅是在衰落環(huán)境下有效果，但不能使得基站能夠跟蹤移動(dòng)終端的位置并隨之改變波束方向。使用分集接收技術(shù)的天線單元間距通常大于幾個(gè)波長。
智能天線或自適應(yīng)天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用使得基站能夠跟蹤移動(dòng)終端的位置并改變波束方向。采用智能天線技術(shù)的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)可以有效地抑止同頻干擾和提高系統(tǒng)容量。但是，在現(xiàn)有的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的智能天線技術(shù)中，天線陣中的天線單元都是采用垂直極化的，而且對(duì)天線單元間的間距有要求(大約二分之一波長)，因此它的多天線接收并不具有天線分集接收功能。由此造成在多徑衰落的傳輸環(huán)境下，它的性能也隨著接收信號(hào)的衰落而起伏。
同樣，在同步碼分多址(SCDMA)通信系統(tǒng)中，現(xiàn)有的平板天線陣的每個(gè)天線單元目前均采用由單(垂直)極化天線構(gòu)成。而且天線單元間的間距是在二分之一波長左右。這種平板天線陣沒有任何天線分集接收的功能(包括極化分集和空間分集)。因此，在多徑傳輸環(huán)境下，它不具備有抗衰落的功能。
因此，需要一種用于同步碼分多址通信系統(tǒng)中的多徑傳輸環(huán)境下的抗衰落性能強(qiáng)的天線陣及與之配套的接收發(fā)射方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提出了一種由雙極化天線構(gòu)成的平板天線陣。
該天線陣由兩組天線組成，每組天線有N個(gè)天線單元(N為正整數(shù))，其中一組天線上每個(gè)天線單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)+45°(介于垂直極化和水平極化之間)，而另一組天線上兩個(gè)每個(gè)單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)-45°，這兩組天線的極化方向差為90°(45°-(-45°)＝90°)。即這兩組天線是正交極化的。每一組天線中兩個(gè)相鄰天線單元的水平距離是相等的，且該距離為半個(gè)波長到一個(gè)波長之間(波長是對(duì)于發(fā)射信號(hào)的中心頻率)。這樣，我們就得到一個(gè)共有2N個(gè)天線單元的雙極化平板天線陣。
兩組正交極化的天線在構(gòu)成一個(gè)雙極化平板天線陣時(shí)有三種構(gòu)成方式(1)每兩個(gè)正交極化的天線單元排在一條垂直線上，天線陣子交叉重疊放置；(2)兩組正交極化的天線的天線陣子在一條垂直線上按順序放置；(3)兩組正交極化的天線分開放置，分開的空間距離不限。
利用所述雙極化平板天線陣接收時(shí)，天線陣中各天線分集接收，接收的信號(hào)利用智能天線的算法合成。
利用所述雙極化平板天線陣發(fā)射時(shí)，利用兩組極化天線陣的互補(bǔ)特性及智能天線的算法，各個(gè)天線各自發(fā)射，波束賦型合成后，便可得到一個(gè)很好的全向波束賦型。
下面通過理論推導(dǎo)可得出，相對(duì)于通常采用的垂直極化天線陣，采用這種新(正交極化)的雙極化板狀天線陣可提高接收機(jī)在快衰落情況下的靈敏度大約5個(gè)分貝(dB)。
在市區(qū)環(huán)境(沒有直射信號(hào))并且終端機(jī)移動(dòng)的情況下，傳輸信道被看作為快衰落信道并服從瑞利分布，其信號(hào)電平強(qiáng)度的概率分布p(V)和小于某個(gè)信號(hào)電平Vi的概率P(v≤Vi)分別為p(v)=1V‾·exp[-v2/V‾2],]]>P(v≤Vi)=1-exp[-Vi2/V‾2]]]>其中，V是信號(hào)的平均電平強(qiáng)度。
當(dāng)終端機(jī)的接收信號(hào)電平小于終端機(jī)的接收靈敏度Vmin時(shí)，終端機(jī)接收的信號(hào)出錯(cuò)，所以，對(duì)于單根(單極化)天線的接收機(jī)錯(cuò)誤概率為Pe=P(v≤Vmin)=1-exp[-Vmin2/V‾2].]]>下面取由兩個(gè)垂直極化的天線單元構(gòu)成的天線陣和由兩個(gè)正交極化天線單元構(gòu)成的天線陣進(jìn)行比較。
對(duì)于垂直極化天線陣，由于兩個(gè)天線接收的信號(hào)是相關(guān)的，即接收信號(hào)的概率分布完全相同，因此最理想的信號(hào)合成是兩個(gè)信號(hào)相加。我們得到3dBm增益(兩倍的信號(hào)強(qiáng)度)，其接收錯(cuò)誤概率為Pe,1=1-exp[-Vmin2/2·Vs‾2]]]>其中Vs是垂直極化天線陣平均接收電平。
若采用雙正交極化天線，兩路天線下來的信號(hào)是不相干的，在信號(hào)解調(diào)之前，我們從兩路信號(hào)中選信號(hào)大的那路信號(hào)來檢測(cè)，這樣，采用雙極化天線的接收機(jī)錯(cuò)誤概率為Pe,2=P(v1≤Vmin)·P(v2≤Vmin)={1-exp[-Vmin2/Vd‾2]}2=Pe2]]>其中Vd是正交極化天線陣的平均接收電平。
由此看出，在保證相同的接收錯(cuò)誤率情況下，即Vd＝Vs時(shí)，兩種天線陣所對(duì)于平均接收電平的關(guān)系為Pe，2＝Pe2＝Pe，12，即
1-exp[-Vmin2/·Vd‾2]=[1-exp[-Vmin2/V‾2]]2]]>[1-exp[-2·Vmin2/Vs‾2]]2]]>例如，當(dāng)接收靈敏度Vmin＝-105dBm時(shí)，假定垂直極化天線陣平均接收電平Vs是-90dBm，其接收錯(cuò)誤概率由上式得到Pe1＝0.0157，在保證同樣錯(cuò)誤概率下(Pe2＝Pe1)時(shí)，正交極化天線陣的平均接收電平Vd為-98dBm，扣除正交極化天線的3dB損失，采用這種新(正交極化)的極化板狀天線陣比垂直極化的極化板狀天線可提高接收機(jī)在快衰落情況下的靈敏度大約5個(gè)dB。
總之，利用本發(fā)明的天線陣，結(jié)合智能天線技術(shù)和天線極化分集技術(shù)，能夠改善包括同步碼分多址通信系統(tǒng)在內(nèi)的各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)在多徑環(huán)境下的傳輸性能，可提高接收機(jī)的靈敏度。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說明，附圖中

圖1a為雙極化板狀天線的一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中天線單元排在一個(gè)垂直線上，天線陣子交叉重疊放置；圖1b為雙極化板狀天線的另一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩種正交極化的天線單元在垂直面上交替按順序排放；圖1c為雙極化板狀天線的又一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩組正交極化的天線分開放置，分開的空間距離不限。
圖2a為四雙極化智能天線陣俯視圖；圖2b為四雙極化智能天線陣正面圖；圖3a為雙極化板狀天線陣中第一組天線陣的全向波束賦型圖；圖3b為雙極化板狀天線陣中第二組天線陣的全向波束賦型圖；圖3c為雙極化板狀天線陣中兩組天線陣的合成全向波束賦型圖；圖4為垂直極化天線陣和正交極化天線陣在衰落信道時(shí)的接收靈敏度的比較圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的天線陣由兩組天線組成，每組天線有N個(gè)天線單元(N為正整數(shù))，其中一組天線上每個(gè)天線單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)+45°，而另一組天線上每個(gè)單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)-45°，這樣兩組天線的極化方向差為90°，即這兩組天線是正交極化的；每一組天線中兩個(gè)相鄰天線單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長到一個(gè)波長之間；這樣，就得到一個(gè)共有2N個(gè)天線單元的雙極化平板天線陣。
圖1示出了的雙極化天線陣的三種物理結(jié)構(gòu)。由于所述雙極化天線陣采用將垂直極化天線轉(zhuǎn)+45°和-45°來實(shí)現(xiàn)，因此所述天線也可稱為“X極化天線”。圖1a示出了雙極化板狀天線的一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中天線單元排在一個(gè)垂直線上，天線陣子交叉重疊放置，這樣實(shí)現(xiàn)的天線陣的體積最小。
圖1b為雙極化板狀天線的另一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩組正交極化的天線的天線陣子在一條垂直線上按順序放置，這樣的天線陣的體積較小。
圖1c為雙極化板狀天線的又一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，兩組正交極化的天線分開放置，分開的空間距離不限，這樣的天線陣的體積較大。
圖2示出了一個(gè)線性智能天線陣的結(jié)構(gòu)，該天線陣包括兩組正交極化的天線，每組天線包括四個(gè)天線單元，該天線陣共有八個(gè)輸出端口。由于天線的極化正交，兩組天線陣的信道具有非相關(guān)性，這樣在信道的衰落環(huán)境下我們可得到極化分集增益。因此，在通信系統(tǒng)中該雙極化板狀天線陣可作為基站的一個(gè)扇區(qū)天線使用。
針對(duì)在某些情況下單組極化天線陣無法得到一個(gè)較好的用于廣播或信令信道的全向波束時(shí)(比如天線單元間的距離大于半個(gè)波長)，本發(fā)明提出一種利用兩組極化天線陣的互補(bǔ)特性，得到一組很好的全向波束特性的實(shí)現(xiàn)方法。
例如圖2a及圖2b所示的四雙極化智能天線陣，如果每個(gè)天線單元的水平波束寬度(3dB)為90°，當(dāng)每組天線陣的天線間距離為一個(gè)波長時(shí)，兩組垂直極化的天線陣的波束賦型分別如圖3a和圖3b所示。利用兩組極化天線陣的互補(bǔ)特性及智能天線的算法，各個(gè)天線各自發(fā)射，然后將兩組的天線陣的波束賦型合成后，我們可得到一個(gè)如圖3c所示的很好的全向波束賦型。這種波束賦型，有利于基站通過廣播信道向終端發(fā)送信令信息。
在接收時(shí)，利用所述雙極化平板天線陣，天線陣中各天線分集接收，接收的信號(hào)利用智能天線的算法合成，能夠很好地克服移動(dòng)通信系統(tǒng)抗多徑衰落問題，提高接收靈敏度。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示(見圖4)，相對(duì)于通常采用的垂直極化天線陣，采用正交極化的雙極化板狀天線陣可提高接收機(jī)在快衰落情況下的靈敏度大約5個(gè)分貝(dB)。
圖4為垂直極化天線陣和正交極化天線陣在衰落信道時(shí)的接收靈敏度的比較圖。該圖給出在單接收機(jī)的接收機(jī)靈敏度為-105dBm時(shí)，在衰落信道環(huán)境下兩種天線陣方案的接收靈敏度的比較?？梢钥闯觯瑢?duì)于衰落信道，在保證同樣接收信號(hào)質(zhì)量條件下，正交極化的雙天線陣的接收靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于單極化的雙天線陣。比如，對(duì)于單信道(天線)的平均接收信號(hào)功率為-90dBm時(shí)(對(duì)應(yīng)于V)，單極化天線陣平均接收功率降低了3dB，為-93dBm，此時(shí)其接收信號(hào)的錯(cuò)誤概率為Pe1＝0.0157。在保證同樣錯(cuò)誤概率下(Pe2＝Pe1)，由圖中曲線可看出，此時(shí)的正交極化天線陣方案的平均接收功率降低到-98dBm。有5dB的增益。這相當(dāng)于在衰落信道環(huán)境下提高接收靈敏度5dB。
利用本發(fā)明的天線陣，結(jié)合智能天線技術(shù)和天線極化分集技術(shù)，能夠改善包括同步碼分多址通信系統(tǒng)在內(nèi)的各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)在多徑環(huán)境下的傳輸性能，可提高接收機(jī)的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種用于同步碼分多址通信系統(tǒng)中的雙極化平板天線陣，其特征在于該天線陣由兩組天線組成，每組天線有N個(gè)天線單元(N為正整數(shù))，其中一組天線上每個(gè)天線單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)+45°，而另一組天線上每個(gè)單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)-45°，這樣兩組天線的極化方向差為90°，即這兩組天線是正交極化的；每一組天線中兩個(gè)相鄰天線單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長到一個(gè)波長之間。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極化平板天線陣，其特征在于每兩個(gè)正交極化的天線單元排在一條垂直線上，天線陣子交叉重疊放置。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極化平板天線陣，其特征在于兩組正交極化的天線的天線陣子在一條垂直線上按順序放置。
4.如權(quán)利要求1所述的雙極化平板天線陣，其特征在于兩組正交極化的天線分開放置，分開的空間距離不限。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的雙極化平板天線陣，其特征在于N等于4。
6.一種同步碼分多址通信系統(tǒng)中利用天線陣進(jìn)行信號(hào)接收的方法，其中天線陣中各天線分集接收，接收的信號(hào)利用智能天線的算法合成，其特征在于該天線陣由兩組天線組成，每組天線有N個(gè)天線單元(N是任意正整數(shù))，其中一組天線上每個(gè)天線單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)+45°，而另一組天線上每個(gè)單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)-45°，這樣兩組天線的極化方向差為90°，即這兩組天線是正交極化的；每一組天線中兩個(gè)相鄰天線單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長到一個(gè)波長之間。
7.一種同步碼分多址通信系統(tǒng)中利用天線陣進(jìn)行信號(hào)發(fā)射的方法，其特征在于利用天線陣中雙極化天線的互補(bǔ)特性，利用智能天線的算法各個(gè)天線各自發(fā)射，波束賦型合成后，可以得到一個(gè)很好的全向波束賦型；其中所述天線陣為雙極化平板天線陣，該天線陣由兩組天線組成，每組天線有N個(gè)天線單元(N是任意正整數(shù))，其中一組天線上每個(gè)天線單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)+45°，而另一組天線上每個(gè)單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)-45°，這樣兩組天線的極化方向差為90°，即這兩組天線是正交極化的；每一組天線中兩個(gè)相鄰天線單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長到一個(gè)波長之間。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于同步碼分多址通信系統(tǒng)中的雙極化天線平板天線陣，該天線陣由兩組天線組成，每組天線有N個(gè)天線單元(N為正整數(shù))，其中一組天線上每個(gè)天線單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)+45 °，而另一組天線上每個(gè)單元的所有天線陣子相對(duì)普通垂直極化天線單元轉(zhuǎn)－45 °，即這兩組天線是正交極化的；每一組天線中兩個(gè)相鄰天線單元的水平距離是相等的，且該距離為發(fā)射信號(hào)的半個(gè)波長到一個(gè)波長之間。在接收時(shí)，結(jié)合分集技術(shù)和智能天線的算法，該天線陣能提高接收靈敏度。發(fā)射時(shí)，利用智能天線的算法可以實(shí)現(xiàn)全向波束賦型，該天線陣能夠改善同步碼分多址通信系統(tǒng)中信號(hào)在多徑環(huán)境下的傳輸性能。
文檔編號(hào)H01Q21/28GK1755986SQ200410084828
公開日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者孫平, 丁勇, 王清泰 申請(qǐng)人:北京信威通信技術(shù)股份有限公司