CN101047282B - 一种紧凑型td-scdma线阵扇区智能天线 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，属天线技术领域，用于解决缩小天线横向尺寸的问题。它由两列天线阵元组成，前列为N个天线阵元，后列为N-1个天线阵元，同列的两个天线阵元之间的间距为二分之一工作波长，每个后列天线阵元都位于前列两个天线阵元之间的位置上，与前列这两个天线阵元的距离为二分之一工作波长。本发明利用两列天线阵元的波形相干使整个天线的电场覆盖面积和智能天线赋形效果仍然相当于8阵元天线效果，达到不损失天线增益和智能性能的效果；使天线的横向面积减少一半，减小了风阻；对安装站点的要求降低，降低施工难度，节省工时。

Description

一种紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线

技术领域

本发明涉及一种移动通讯用传输天线，属天线技术领域。 

背景技术

采用智能天线技术是第三代移动通信技术(3G)TD-SCDMA系统中的几大关键技术之一。智能天线的特点是：它由多个天线单元组成天线阵，在通信过程中动态调整各个天线单元激励信号的相位和幅度，形成在空间针对用户的波束，此波束会随用户移动而移动，始终跟随用户。由于这种天线阵能根据通信需要形成所需的波束，且波束能自动跟踪用户和调节强弱，所以称之为智能天线。线阵列智能天线可由4-16个阵元天线构成阵列天线和相应的控制算法软件两部分组成。阵元天线数量多，动态调整的波束智能作用就强，但相应的系统复杂度就高。每个阵元天线又由单元阵子组成。因为天线的增益是由单个阵子增益矢量叠加得到的。天线的单元阵子多，天线的增益就高，但天线长度就长；单元阵子少，可以使长度减少，但相应的天线增益就降低。 

智能天线的优势是：利用多个阵元天线的波束相干原理对不同用户分别波束赋形，实现空分多址(SDMA)；波束赋形有效降低小区间和小区内的干扰；通过波束赋形，集中能量，有效提高信号强度6～8dB，从而减小基站和手机发射功率，提高系统容量和质量，扩大覆盖范围；根据用户的来波方向，能提供方便经济的用户定位。 

现有TD-SCDMA线阵扇区智能天线都是理论上提出的线阵工作方式，即每个天线阵元都是定向天线，每个相邻阵元间的距离为1/2波长，排成一列，由4-16个阵元组成，典型的是8阵元线阵天线，有外壳封闭。 

目前，8阵元天线是业界普遍认为综合性能较好的智能天线，但在近两年的TD-SCDMA试验网实践中发现，8阵元天线尺寸较大引出了较多的问题，主要是：1.天线尺寸大，风阻大；重量大，安装困难；2.对安装站点的天面要求高，工程施工困难，浪费工时；3.不能充分利用 2G系统站址资源；4.站址协调困难从而影响工程进度。 

基于以上原因，许多设备厂商和天线厂商开始推出6阵元或4阵元天线的解决方案，或提出减少天线高度。但是，减少天线阵元，是以减少智能天线效果、降低赋形增益为代价的；而减少天线长度是以降低天线增益，减少覆盖范围为代价的，这些措施都不能令人满意。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在不损失天线增益、确保智能天线性能和效果的前提下，通过对扇区智能天线在结构上进行优化变形，从而达到缩小天线宽度尺寸、减小风阻和施工难度的目的。 

解决上述问题的技术方案是： 

一种紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，它由多个天线阵元组成，各天线阵元排成两列，前列为N个天线阵元，后列为N-1个天线阵元，同列各相邻天线阵元之间的间距为二分之一工作波长，每个后列天线阵元都位于前列相邻两个天线阵元之间的位置上，与前列所述两天线阵元之间的距离为二分之一工作波长。 

上述紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，所述N为4，天线阵元数为7个，前列阵元数为4个，后列阵元数为3个。 

上述紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，所述后列天线阵元的后方设有金属反射板，金属反射板距离后列天线阵元的距离为四分之一工作波长，且在天线的横向两个端面有60°角度弯曲(相对于底平面)。 

上述紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，所述前后列天线阵元的外侧设有玻璃钢外壳，它们与金属反射板构成封闭的壳体，将前后列天线阵元封闭在内。 

本实用新型的优点是： 

1.可以减小天线的横向尺寸，使天线的横向面积减少一半，从而大大减小风阻； 

2.减少天线阵列个数，从而减少重量； 

3.对安装站点的天面要求降低，从而降低工程施工难度，节省工时； 

4.降低安装天面要求，同时减少安装加固的要求，节省材料； 

5.不损失天线增益和智能的效果。根据波的相干原理，利用两列天线阵元的波形相干使整个天线的电场覆盖面积和赋形作用仍然相当于8阵元天线效果，远远优于6阵元天线，更优于4阵元天线，覆盖面积上远远优于天线长度减少一半的方案。 

6.有利于加快第三代移动通信技术(3G)TD-SCDMA系统网络建设，对实现商用化起到推动作用。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是图1的A-A剖视图； 

图3是紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线工作原理示意图。 

图中标记如下：0～6天线阵元位置编号；天线阵元11；金属反射板12；玻璃钢外壳13。 

具体实施方式

本发明在布局结构上采用两列天线阵元结构，尽可能地不减少天线阵元数量(每个阵元仍然由8个单元阵子组成)，同时尽可能减少天线的横向面积，从而达到减少风阻的目的。在电场图方面，利用波的相干原理，使整个天线的电场覆盖面积和波束赋形效果仍然相当于8阵元天线效果。它的布局结构如图1、2所示：共有7个天线阵元11，前列四个天线阵元，每个天线阵元间距二分之一工作波长；后列三个天线阵元，每个天线阵元间距二分之一工作波长；每个后列天线阵元都位于前列两个天线阵元之间的位置上，与前列这两个天线阵元的间距为二分之一工作波长，前后列天线阵元之间形成多个等边三角形。阵元天线的外罩为金属反射板12和玻璃钢外壳13制作，金属反射板12位于后列天线阵元的后面，金属反射板12距后列天线阵元的间距为四分之一个工作波长；前面是一个玻璃钢外壳13，起到防尘和保护的作用。在上述实施例中，金属反射板12为4mm厚的铝板，玻璃钢外壳13为4mm厚的玻璃钢。 

在本发明中，两列天线阵元可以有多种方式，一般说来，前列天线阵元为N个，后列天线阵元为N-1个，N＝4为典型推荐方案，可以根据需要覆盖的面积选择N等于3、5或其它值。其 

中，5适应于迎风面积要求更小的场合；9则适应于覆盖面积更大的场合。 

本发明的工作原理推导如下： 

如图3，以第一排的最左侧第一个阵元编号为0起，顺序编号，直到第二排最右侧一个阵元编号为6结束。从图中可以看出，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走的距离不同，以垂直于天线阵列组成的平面入射方向为0°方向，顺时针计算夹角，各编号阵元入射波相对0号阵元的距离差分别为Δd_m m＝0，1，2，3….6， 

Δd_{m0，1，2，3}＝m·λ/2·sinθ，Δd_m4，5，6＝λ/2·((m-4)·sinθ+sin(60°+θ)) 

具体数值计算如下： 

1号阵元：λ/2·sinθ   (θ为入射波夹角) 

2号阵元：2·λ/2·sinθ 

3号阵元：3·λ/2·sinθ 

4号阵元：λ/2·sin(60°+θ) 

5号阵元：λ/2·sinθ+λ/2·sin(60°+θ)＝λ/2·(sinθ+sin(60°+θ)) 

6号阵元：2·λ/2·sinθ+λ/2·sin(60°+θ)＝λ/2·(2·sinθ+sin(60°+θ)) 

时域上入射波的相位差为：(2π/λ)Δdm。可见，空间上距离的差别导致了各个阵元上的接收信号相位的不同。经过加权后整个天线的输出端的信号为： 

其中，A为增益常数，s(t)是复包络信号，W_M，是阵列的权因子。根据正弦波的叠加效果，假设各个阵元的加权因子为： 

W_{M0，1，2，3}＝e^jMπsinφ，W_M4，5，6＝e^{jπ((M-4)sinφ+sin(60°+θ))}

则 

结论：选择不同的φ，将改变波束所对应的角度，所以可以通过改变权值来选择合适的方向。即针对不同的阵元赋予不同的权值，最后将所有阵元的信号进行同项合并，达到使天线辐 射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向的目的。

Claims (4)

1.一种紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，其特征在于：它由多个天线阵元(11)组成，所述多个天线阵元排成两列，前列为N个天线阵元，后列为N-1个天线阵元，同列各相邻天线阵元之间的间距为二分之一工作波长，每个后列天线阵元都位于前列相邻两个天线阵元之间的位置上，与前列所述两天线阵元之间的距离为二分之一工作波长。

2.根据权利要求1所述的紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，其特征在于：所述天线阵元数的N为3、4或5。

3.根据权利要求2所述的紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，其特征在于：所述后列天线阵元的后方设有金属反射板(12)，金属反射板(12)距离后列天线阵元的距离为四分之一工作波长。

4.根据权利要求3所述的紧凑型TD-SCDMA线阵扇区智能天线，其特征在于：在前后列天线阵元的外侧设有玻璃钢外壳(13)，所述玻璃钢外壳与金属反射板构成封闭壳体。

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