專利名稱：固定波束切換智能天線系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及移動通信系統(tǒng)中的智能天線領域，具體涉及固定波束切換 智能天線系統(tǒng)。
背景技術：
無線通信系統(tǒng)中，用戶設備與基站之間是通過無線信道傳播信號的。由于 無線信道傳輸條件相對有線信道較為惡劣，存在衰落、多徑和同頻干擾等諸多 不利因素，所以無線通信系統(tǒng)的信號發(fā)射、接收和處理方法是直接影響系統(tǒng)性 能的決定性因素。
隨著通信技術的飛速發(fā)展，人們對網(wǎng)絡通信的需求不斷提高，特別是
3G(Third Genemtion)通信時代的到來，人們希望打破不同地域等客觀條件的制 約，實現(xiàn)任何人在任何時候的任何地方與任何人進行任何方式的通信的目標。 實現(xiàn)這些目標對無線通信系統(tǒng)信號接收和發(fā)射性能提出了更高的要求。近年來， 多用戶檢測(MUD, Multi-User Detection)技術、自適應均衡技術以及智能天線 (Smart Antenna)技術的發(fā)展，為無線信號的接收和發(fā)射性能得到進一步提高 提供了可能。智能天線利用空間分割技術，多提供一種多址功能，并應用陣列 天線技術，擴展有效信號覆蓋而濾掉不希望的干擾以及環(huán)境和系統(tǒng)噪聲，因此 具有較高的增益和較強的抗干擾特性，成為無線通信核心技術之一。
目前采用的智能天線主要是自適應方向圖智能天線。運用天線陣列方向圖 合成技術，使合成的方向圖主瓣對準目標用戶，零點對準干擾源的基本原理， 使輸出信號的信噪比最大。天線陣列權值通過迭代的自適應算法獲得。對于這 種智能天線，用戶定位需要獲得所有的信號源和干擾源的信息。專利號為 CN02155088.3、 CN01139171.5的中國專利均提到了這種智能天線。
自適應波束形成技術的智能天線 一是參數(shù)估算復雜性和時延在陣列系統(tǒng) 設計中是一個很大的問題，自適應陣列天線權值形成是通過迭代算法來實現(xiàn)的， 信號處理和形成計算量巨大，存在較大的時延擴展，定位和響應速度將受到限 制，難以實現(xiàn)快速跟蹤；二是干擾抑制受限，增加信道容量能力低，在移動通信的實際信道中，復雜的通信環(huán)境使接收到的信號中包含了大量目標用戶自身的多徑信號和同頻干擾，陣列天線通過天線綜合技術形成的零陷不能超過單元天線個數(shù)，而多徑及干擾的數(shù)目卻遠大于陣列天線單元數(shù)目，又由于自適應智能天線的單元天線全向性使干擾遍布于周圍各個方向，自適應算法無法通過有限陣元形成的零陷來進行有效干擾抑制，因此在這種復雜的多徑傳播環(huán)境下，自適應天線零陷抑制作用己經(jīng)部分失效，且處于主瓣內的干擾同樣無法抑制；三是兼容能力差，建設費用大，自適應智能天線為完善空域波束形成和時域均衡，在天線設計中需要使用功能強大和價格昂貴的處理器和移項器，它與現(xiàn)有基站難以兼容，無法改善現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)。

實用新型內容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種固定波束切換智能天線系統(tǒng)，本實用新型固定波束切換智能天線結構簡單、抗干擾性能力強、信號處理速度快、性價比高、與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容能力強，并有效地提高了系統(tǒng)信道容量。
本實用新型目的通過下述技術方案實現(xiàn)固定波束切換智能天線系統(tǒng)包括賦形波束定向天線陣列、多個場強信號檢測模塊、賦形波束定向天線切換模塊、
信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊和電源功能模塊，其中賦形波束定向天線陣列分別與各場強信號檢測模塊對應信號連接，賦形波束定向天線陣列還與賦形波束定向天線切換模塊信號連接，所述信號控制功能模塊分別與賦形波束定向天線切換模塊、信號處理功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊信號連接，信號處理功能模塊還分別與各場強信號檢測模塊信號連接，所述電源功能模塊分別與各場強信號檢測模塊、天線切換模塊、信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊電連接，所述基站接口模塊與基站通信連接。
所述Flash存儲器功能模塊存儲有各單片機的程序代碼以及保存基站輸入的參數(shù)。
所述SDRAM存儲器模塊是整個程序運行的RAM區(qū)，存儲有與基站的交換數(shù)據(jù)。
所述賦形波束定向天線陣列包括多個賦形波束定向天線。所述賦形波束定向天線由微帶陣列天線通過對每個單元饋送不同相位的信號，形成特定的定向波束組成。
所述賦形波束定向天線陣列根據(jù)多個場強檢測模塊功能和信息處理時延要求劃分成多個天線陣組，每個天線陣組與1個場強檢測模塊信號連接。
所述賦形波束定向天線陣列根據(jù)對覆蓋區(qū)域的環(huán)境及遠場、近場電場強度的要求，可以選擇不同增益、波瓣寬度或賦形波束的天線單元，完成基站覆蓋區(qū)的空間分割，把基站覆蓋區(qū)分成很多新的小區(qū)，各小區(qū)之間滿足一定的電磁輻射隔離要求，在小區(qū)之間實現(xiàn)通信信道再用技術。
所述賦形波束定向天線包括金屬反射背腔、背腔邊環(huán)、微帶貼片、微波接頭、貼片支撐架、L形饋電極、雙面覆銅電路板、饋電接點和同軸電纜。金屬反射背腔的大小由陣列單元個數(shù)確定的。背腔邊環(huán)的高度為中心工作頻率波長的
1/4。微帶貼片為天線的饋源，微帶貼片可為正方形或圓形，微帶貼片由貼片支撐架固定在金屬反射背腔的底部，高度與L形饋電極的饋電接點距貼片支撐架的距離有關，約為1/8中心功率波長。L形饋電極通過金屬反射背腔低部的小孔固定中雙面覆銅電路板上，雙面覆銅電路板下側刻有饋電電路。同軸電纜一端與微波接頭連接，另一端與饋電電路連接完成信號的傳送。每列饋源數(shù)目參與對垂直波束寬度的賦形，列數(shù)參與對水平波束寬度的賦形。
實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)最基本的組陣形式是在垂直面內可用不同增益的賦形波束實現(xiàn)不同半徑區(qū)域覆蓋的不同形狀的分層小區(qū)結構。這種組陣主要是利用了不同增益的賦形波束定向天線的互相關性小，定向性強的特性，可擴大基站的覆蓋范圍，消除塔下黑，降低多徑干擾。所以這種組陣方式主要用于郊區(qū)大面積覆蓋或高話務區(qū)增加信道容量及信號質量，其中，在郊區(qū)時，盡可能采用高增益的定向天線并增加覆蓋層數(shù)，在高話務區(qū)，可適當降低增益并減少覆蓋層數(shù)，在增加信道容量和減少同頻干擾及多徑干擾中尋求最佳。
在實用新型系統(tǒng)內設置多個場強檢測模塊的目的是降低信號處理功能模塊的負荷，提高系統(tǒng)處理速度。
本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)的工作原理如下賦形波束定向天
線陣列為無線信息發(fā)射和接收設備，其根據(jù)場強檢測模塊功能和信息處理時延
要求劃分成多個天線陣組，每個天線組由1個場強檢測模塊管理；對移動用戶定位跟蹤的方法是由多個場強信號檢測模塊分別對接收到的信號強度進行檢測，當接收到的信號強度超過導頻檢測門限的的天線位置信息連同接收到的射頻信息送至信號處理功能模塊時，信號處理功能模塊對接收到的射頻信息進行合法性、時延多徑等進行指標進處理和判斷，并將合法信號所在天線的位置信息及信號強度等信息送至信號控制功能模塊，信號控制功能模塊對信息進行處理后得出賦形波束定向天線切換指令并送至賦形波束定向天線切換模塊，由賦形波束定向天線切換模塊完成對各賦形波束定向天線間的切換操作，同時信號
控制功能模塊還與基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊進行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)存儲和讀取工作，此外電源功能模塊為整個固定波束切換智能天線系統(tǒng)的供電設備，為各場強信號檢測模塊、賦形波束定向天線切換模塊、信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊提供工作電源。
本相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點及效果本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)基于多域協(xié)同新技術，充分考慮抗干擾和系統(tǒng)繁雜性等各種因素，通過賦形定向波束天線實現(xiàn)空分多址，用低旁瓣抑制干擾，用不同形式的組陣方式實現(xiàn)不同環(huán)境下用戶區(qū)的覆蓋，陣列中的多面賦形定向波束天線只有對應用戶所在小區(qū)的天線工作，減小了電磁污染和對臨近基站的干擾，提高了頻譜利用率；同時，本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)結構簡單，抗干擾性能力
強、信號處理速度快，基站覆蓋范圍大，組陣方式靈活，與現(xiàn)有系統(tǒng)尤其是基站兼容能力強，并有效地提高了系統(tǒng)信道容量。


圖1是固定波束切換智能天線系統(tǒng)的結構示意圖2是本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)的均勻三層結構覆蓋示意圖，-圖3是賦形波束定向天線的結構正視圖；圖4是賦形波束定向天線的結構側視圖5是賦形波束定向天線各饋源電流分配采用泰勒分布的駐波比圖；圖6是賦形波束定向天線各饋源電流分配采用泰勒分布的方向圖；圖7是本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)與4單元自適應智能天線提高信道容量比較示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。實施例
圖1所示為本實用新型的硬件結構，固定波束切換智能天線系統(tǒng)包括賦形
波束定向天線陣列、n (n為自然數(shù)，且n》2)個場強信號檢測模塊、賦形波束定向天線切換模塊、信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊和電源功能模塊，其中賦形波束定向天線陣列分別與各場強信號檢測模塊對應信號連接，賦形波束定向天線陣列還與賦形波束定向天線切換模塊信號連接，所述信號控制功能模塊分別與賦形波束定向天線切換模塊、信號處理功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊信號連接，信號處理功能模塊還分別與各場強信號檢測模塊信號連接，所述電源功能模塊分別與各場強信號檢測模塊、天線切換模塊、信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊電連接，所述基站接口模塊與基站通信連接。
所述信號處理功能模塊、信號控制功能模塊均采用Xilinx XC4VLX100芯片設計。
所述n個場強信號檢測模塊均采用TA31194芯片設計。所述n個場強信號檢測模塊即為場強信號檢測模塊1、場強信號檢測模塊2、…場強信號檢測模塊n。
所述Flash存儲器功能模塊存儲有各單片機的程序代碼以及保存基站輸入的參數(shù)。
所述SDRAM存儲器模塊是整個程序運行的RAM區(qū)，存儲有與基站的交換數(shù)據(jù)。
所述賦形波束定向天線陣列包括多個賦形波束定向天線。所述賦形波束定向天線陣列根據(jù)多個場強檢測模塊功能和信息處理時延要
求劃分成多個天線陣組，每個天線陣組與1個場強檢測模塊信號連接。
所述賦形波束定向天線陣列根據(jù)對覆蓋區(qū)域的環(huán)境及遠場、近場電場強度
的要求，可以選擇不同增益、波瓣寬度或賦形波束的天線單元，完成基站覆蓋
區(qū)的空間分割，把基站覆蓋區(qū)分成很多新的小區(qū)，各小區(qū)之間滿足一定的電磁
輻射隔離要求，在小區(qū)之間實現(xiàn)通信信道再用技術。所述賦形波束定向天線根據(jù)需要覆蓋的區(qū)域環(huán)境設計成不同的賦形波束，組成不同形式的陣列。
所述場強信號檢測模塊分管一定數(shù)量的賦形波束定向天線，完成對接收信號強度判斷，由信號處理功能模塊和信號控制處理功能模塊對合法信號進行時延、多徑和干擾等判斷，達到對賦形波束定向天線的選擇和切換操作。
信號處理功能模塊是整個固定波束切換智能天線系統(tǒng)信號處理的核心功能模塊，管理整個信號處理電路和所有的賦形波束定向天線，處理場強檢測模塊送來的合法信號。
信號控制功能模塊管理天線切換和運行升級程序，參數(shù)輸入，實現(xiàn)固定波束切換智能天線信號處理器本地總線與基站的通信功能。
基站接口模塊是該智能天線與移動通信基站的通信接口。
本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)的工作原理如下賦形波束定向天線陣列為無線信息發(fā)射和接收設備，其根據(jù)場強檢測模塊功能和信息處理時延要求劃分成多個天線陣組，每個天線組由1個場強檢測模塊管理；對移動用戶定位跟蹤的方法是由多個場強信號檢測模塊分別對接收到的信號強度進行檢測，當接收到的信號強度超過導頻檢測門限的的天線位置信息連同接收到的射頻信息送至信號處理功能模塊時，信號處理功能模塊對接收到的射頻信息進行合法性、時延多徑等進行指標進處理和判斷，并將合法信號所在天線的位置信息及信號強度等信息送至信號控制功能模塊，信號控制功能模塊對信息進行處理后得出賦形波束定向天線切換指令并送至賦形波束定向天線切換模塊，由賦形波束定向天線切換模塊完成對各賦形波束定向天線間的切換操作，同時信號
控制功能模塊還與基站接口模塊、Flash存儲器功能模i央、SDRAM存儲器功能模塊進行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)存儲和讀取工作，此外電源功能模塊為整個固定波束切換智能天線系統(tǒng)的供電設備，為各場強信號檢測模塊、賦形波束定向天線切換模塊、信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊提供工作電源。
固定波束切換智能天線系統(tǒng)信號處理部分實現(xiàn)以下主要功能啟動運行主程序，擦寫FLASH前確認命令；升級主程序；寫固定波束切換智能天線的天線信號處理卡版本號；讀固定波束切換智能天線的天線信號處理卡版本號；場強芯片自檢；合路器功能自檢；天線MfN信號陣列自檢；輸入定向波束分組大??；輸入導頻檢測門限Ath;輸入導頻比較門限Cth;輸入導頻丟失門限Dth;計算接收信號總功率；計算有用信號與干擾信號功率之比值；對接收的信號強度進行判斷；對超過門限信號進行合法性判別；判別信號發(fā)射源方向；判別分組最強、時延最短信號；保持本組合法信號與處理器處于通訊狀態(tài)；切換處理；尋呼信號發(fā)送。
圖2所示為本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)的均勻三層結構覆蓋圖。如圖2所示，賦形波束定向天線覆蓋采用正六邊形等效覆蓋結構。第一層用低增益賦形波束定向天線覆蓋，若賦形波束定向天線的半功率波束寬度為90度，則用4個這樣的天線完成對第一層的覆蓋。第二層用中增益賦形波束定向天線覆蓋，天線個數(shù)相應增加。第三層用高增益賦形波束定向天線覆蓋，高增益賦形波束定向天線波束寬度較小，覆蓋一周所用天線個數(shù)相應增加。對公路、鐵路可用不同的賦形波束定向天線組成線形陣列實現(xiàn)均勻覆蓋。
圖3所示為賦形波束定向天線正視圖，圖中示出了賦形波束定向天線中的金屬反射背腔l、背腔的邊環(huán)2、微帶貼片3、微波接頭4。
圖4是賦形波束定向天線結構側視示意圖。賦形波束定向天線由微帶陣列天線通過對每個單元饋送不同相位的信號，形成特定的定向波束組成。賦形波束定向天線主要由以下9部分組成金屬反射背腔l、背腔邊環(huán)2、微帶貼片3、微波接頭4、貼片支撐架5、 L形饋電極6、雙面覆銅電路板7、饋電接點8和同軸電纜9。金屬反射背腔1的大小由陣列單元個數(shù)確定的，背腔邊環(huán)2的高度為中心工作頻率波長的1/4。微帶貼片3為天線的饋源，微帶貼片3可為正方形或圓形，由貼片支撐架5固定在金屬反射背腔1的底部，高度約為1/8中心功率波長，高度與L形饋電極6的饋電接點8距貼片支撐架的距離有關，L形饋電極6通過金屬反射背腔1低部的小孔固定中雙面覆銅電路板7上，雙面覆銅電路板7下側刻有饋電電路。同軸電纜9一端與微波接頭4連接，另一端與饋電電路連接完成信號的傳送。每列饋源數(shù)目參與對垂直波束寬度的賦形，列數(shù)參與對水平波束寬度的賦形。
圖5是賦形波束定向天線各饋源電流分配采用泰勒分布的駐波比圖。中心頻率為2.44GHz駐波比小于1.5的帶寬為170MHz。
圖6是賦形波束定向天線各饋源電流分配采用泰勒分布的方向圖。該方向圖天線采用單列8單元泰勒同相饋電，半功率波束寬度為18° ，旁辨瀕于-20dBi。通過改變各饋源的相位可實現(xiàn)不同的波束形狀。
圖7是本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)與自適應智能天線提高信道容量比較圖。包括自適應智能天線信道容量與信噪比(CIR)的關系曲線IO、固
定波束切換智能天線系統(tǒng)信道容量與信噪比(CIR)的關系曲線ll。
通過信道建模，自適應智能天線中各天線相互關聯(lián)，因此是多入多出
(MIMO)信道模型。平均信道容量表示為
e， = bg2 det[/似
固定波束切換智能天線系統(tǒng)中各定向天線獨立接收，因此信道變成了多入
單出(MISO)模型，平均信道容量表示為
經(jīng)過分析運算得出固定波束切換智能天線系統(tǒng)與自適應智能天線提高信道容量比較圖，從圖中可以看出本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)提高信道容量數(shù)比自適應智能天線高，且信噪比越高，提高信道容量的能力越強。
上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1、固定波束切換智能天線系統(tǒng)，其特征在于包括賦形波束定向天線陣列、多個場強信號檢測模塊、賦形波束定向天線切換模塊、信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊和電源功能模塊，其中賦形波束定向天線陣列分別與各場強信號檢測模塊對應信號連接，賦形波束定向天線陣列還與賦形波束定向天線切換模塊信號連接，所述信號控制功能模塊分別與賦形波束定向天線切換模塊、信號處理功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊信號連接，信號處理功能模塊還分別與各場強信號檢測模塊信號連接，所述電源功能模塊分別與各場強信號檢測模塊、天線切換模塊、信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊電連接，所述基站接口模塊與基站通信連接。
2、 根據(jù)權利要求l所述的固定波束切換智能天線系統(tǒng)，其特征在于所述 賦形波束定向天線陣列包括多個天線陣組，每個天線陣組與1個場強檢測模塊 信號連接。
3、 根據(jù)權利要求l所述的固定波束切換智能天線系統(tǒng)，其特征在于所述 賦形波束定向天線陣列包括多個賦形波束定向天線。
4、 根據(jù)權利要求3所述的固定波束切換智能天線系統(tǒng)，其特征在于所述 賦形波束定向天線包括金屬反射背腔、背腔邊環(huán)、微帶貼片、微波接頭、貼片 支撐架、L形饋電極、雙面覆銅電路板、饋電接點和同軸電纜。
專利摘要本實用新型提供一種固定波束切換智能天線系統(tǒng)，其特征在于包括賦形波束定向天線陣列、多個場強信號檢測模塊、賦形波束定向天線切換模塊、信號處理功能模塊、信號控制功能模塊、基站接口模塊、Flash存儲器功能模塊、SDRAM存儲器功能模塊和電源功能模塊，其中賦形波束定向天線陣列分別與各場強信號檢測模塊對應信號連接，賦形波束定向天線陣列還與賦形波束定向天線切換模塊信號連接。本實用新型固定波束切換智能天線系統(tǒng)結構簡單，抗干擾性能力強、信號處理速度快，基站覆蓋范圍大，組陣方式靈活，與現(xiàn)有系統(tǒng)尤其是基站兼容能力強，并有效地提高了系統(tǒng)信道容量。
文檔編號H04W16/00GK201282561SQ20082020121
公開日2009年7月29日 申請日期2008年9月27日 優(yōu)先權日2008年9月27日
發(fā)明者張麗霞, 歡 王, 陳忠文, 韓貴杰, 黃秋湘 申請人:廣東南方通信建設有限公司