CN1681160A - 一种曲线形智能天线阵及优化其结构参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种曲线形智能天线阵及优化其结构参数的方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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·e^j·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：

$P\left(\mathrm{\φ}\right)={|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(\mathrm{\φ},D\left(n\right))\×W\left(n\right)|}^2.$ 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：

$\epsilon =\frac{1}{K}\sum _{t=1}^K{|P{\left(\phi \right)}^{1/2}-A\left(\phi \right)|}^2\times C\left(i\right)---\left(1\right)$

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

实现本发明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。

实现本发明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。

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，将有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)。

在系统设计时，如果系统对方差ε有明确的要求，例如ε≤ε’，ε’为目标方差，则所述的步骤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)；

24).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目标值进行比较，如果方差小于或者等于方差目标值，则记录该方差并进入步骤3)；如果方差大于方差目标值，则进一步将方差与事先确定的方差参考值比较，如果方差大于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)，如果方差小于方差参考值，则用新计算出来的方差代替原方差参考值，将步骤21)和步骤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)。

本发明提出一种曲线形智能天线阵结构和优化该曲线形智能天线阵结构参数的方法，利用了00103547.9中国专利中的求最小方差、逐步逼近目标需求的波束赋形参数局部最优解的调整方法。

本发明给出的天线单元的几何排列成曲线的天线阵结构，曲线包括弧线和折线等，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智能天线阵的要求。其中对曲线形状无明确要求，对天线单元在曲线上的分布位置应满足：各天线单元间距小于工作波长大于或者等于1/2波长，和满足有效幅射条件的要求，天线阵中各天线单元的辐射方向图指向发散或者平行。

本发明采用最小方差逼近方法来同时优化天线阵结构参数和波束赋形参数，该方法适用于任意曲线排列的天线阵结构。在本发明的曲线形智能天线阵中，所有天线单元的排列可以是均匀的，也可以是非均匀的，所有天线单元的排列可以是对称的，也可以是非对称的，各天线单元的归一化辐射方向图形可以是相同的，也可以是不同的。

本发明给出一种曲线形智能天线阵，将构成天线阵的天线单元排列成曲线形，通过调整此曲线的形状、天线单元在曲线上的位置及每个天线单元的馈电参数来确定此智能天线阵覆盖区域的大小及形状，使在最小方差的原则下，天线阵的结构参数及赋形波束获得与要求相吻合的局部最佳结果，使该曲线形智能天线阵既可以实现扇区覆盖，又可以最大限度的满足对智能天线阵的要求。

本发明将曲线阵列的结构参数与所述的波束赋形参数同时作为所述最小方差方法调整的参数，直至达到设定的调整次数时，因而逐步逼近目标需求并且最终获得局部最佳天线阵结构参数及波束赋形参数。

本发明的曲线形智能天线阵与均匀直线形的智能天线阵相比，曲线形的智能天线阵可以在等幅馈电的情况下，实现扇区内不同方向的波束赋形并且保证有良好的均匀性，提高了系统效率。

附图说明

图1是蜂窝移动通信小区排列结构示意图；

图2是采用小区分裂技术时的扇区结构示意图；

图3是本发明在弧线上不均匀排列天线单元时的结构示意图；

图4是本发明的曲线形智能天线阵满足有效辐射条件要求的示意图；

图5是本发明的120度扇区覆盖的非均匀圆弧形智能天线阵结构示意图；

图6是本发明的120度扇区覆盖的非均匀圆弧形智能天线阵有效辐射条件示意图；

图7是本发明的采用固定步长的最小方差逼近方法确定圆弧形智能天线阵参数的流程框图；

图8是120°扇区覆盖目标函数要求A(φ)的图示；

图9是具有120°扇区覆盖时的智能天线辐射方向图形；

图10是0度方向的波束赋形图；

图11是20度方向的波束赋形图；

图12是40度方向的波束赋形图；

图13是60度方向的波束赋形图；

图14本发明在折线上对称但不均匀排列天线单元时的结构示意图。

具体实施方式

一个理想的具有扇区覆盖特性的智能天线阵，首先，要求其具有理想的辐射图形，即通过调整天线阵中每个天线单元的馈电幅度和馈电相位，既能够提供扇形固定波束也能够提供定向动态赋形波束，并且要求动态赋形波束满足一定的均匀性；其次为了使系统效率最高，还要求组成此智能天线阵的每个天线单元辐射方向图形相同，而且，在提供扇形固定波束及定向动态赋形波束时，每个天线单元的发射功率电平相同，即在天线阵结构尺寸确定后，仅仅改变各天线单元的馈电相位，就可形成不同的赋形波束。

针对上述对理想的具有扇区覆盖特性的智能天线阵的要求，本发明给出了曲线形智能天线阵，以及该天线阵优化结构参数的方法。

图3中给出一种按本发明技术方案设计的曲线形智能天线阵。在一条曲线31上，不均匀地排列着这些天线单元32，构成一个两维阵列(每个天线单元32的位置可用其座标位置(x，y)表示)。

在通常情况下，所需要的天线覆盖是对称的，故天线单元对称地分布在一条对称的曲线31上。当每个天线单元32完全相同时，天线单元具有的结构参数是其座标位置(x，y)以及其辐射方向图形的指向34(图中用角度δ表示)。一般要求天线阵中各个天线单元辐射方向图形的指向δ是发散的或者平行的。图示中33为来波方向(图中用角度φ表示)。

所选择的天线单元应当具有定向辐射方向图形，其辐射方向图形(功率辐射)下降3dB的宽度应当不小于所设计的天线阵所需要的固定覆盖波束宽度。由于天线单元的设计已经有大量成熟理论及产品，故只是一个选择的过程。一般来说，天线单元的辐射方向图决定了波束扫描的最大范围，对于直线天线阵来说，其各个天线单元的辐射方向图指向相同；而对于曲线形天线阵来说，其各个天线单元的辐射方向图指向是发散的，故人为的扩大了波束扫描的最大范围，从而保证了使用曲线形天线阵可以提供比较均匀的动态波束赋形增益。

与环形智能天线阵不同的是，在确定天线单元个数N之后，曲线形智能天线阵需要进一步确定其结构参数，但一般对曲线的形状没有明确的要求。由于天线单元排列在曲线上，所以与直线阵相比，在天线单元间距保持不变时，曲线形智能天线阵的口径变小。所以对于曲线形智能天线阵来说，为了保证与直线天线阵相同的口径，需要增加天线单元之间的间距，从而有效的保证赋形增益。即要求满足下述条件(1)：

$\lambda /2\le \underset{m=1...N-1}{\min }\left(d\left(m\right)\right)\le \underset{m=1...N-1}{\max }\left(d\left(m\right)\right)＜\lambda$ (条件1)

其中d(m)，(m＝1…N-1)，为相邻两根天线之间的直线距离，即天线间距，N为天线单元个数，λ是工作波长，天线单元间距最大不能超过λ，天线单元间距最小不能低于λ/2。

除了对天线单元间距的要求之外，为了充分利用所有天线单元所具有的辐射强度，应该尽量保证所有天线单元的辐射功率都能有效的进入扇区的覆盖范围，而不被其他天线挡住，该要求被称为有效辐射条件。以图4所示的曲线天线阵为例说明该有效辐射条件：要求曲线41上任意两个天线单元42的连线(如46、47)与扇区中心方向43的夹角(如ω1，ω2)大于或者等于同一侧扇区边缘方向(如44、45)与扇区中心方向43的夹角(如θ1，θ2)(图4中，ω1＞θ1，ω2＝θ2)。其中同一侧是指任意两个天线单元42的连线和扇区边缘方向位于扇区中心方向的同一侧，图中46与44位于扇区中心方向的右侧，47与45位于扇区中心方向的左侧。有效辐射条件要求ω₁≥θ₁并且ω₂≥θ₂。

扇区智能天线阵需要同时提供扇区覆盖波束和指向用户的动态赋形波束，一般来说，确定扇区智能天线阵的结构参数既可以采用对于扇区覆盖波束的要求，也可以采用对于动态赋形波束的要求，但是由于指向用户的动态赋形波束参数一般由波束赋形算法动态地提供，而且对其赋形波束的形状一般无明确的要求，所以本发明提供的曲线形智能天线阵的结构参数优化方法是在保证扇区覆盖波束要求的前提下进行的。

本发明借鉴了由中国专利00103547.9中公开的在最小方差原则下逐步逼近所需要求的方法，来逼近扇区覆盖波束的要求。但与00103547.9专利不同的是：本发明采用的优化方法不仅要调整各个天线单元的波束赋形参数W(n)，而且还要不断地调整该曲线形智能天线阵的结构参数，从而在最小方差原则下逼近扇区覆盖波束要求的同时，可以获得该曲线形智能天线阵的一个局部最优的结构参数。之所以要对曲线形智能天线阵的结构参数进行不断的调整和优化，是因为对于一个确定的曲线形天线阵，由于阵本身的限制，以及最小方差逼近方法的缺陷，很可能无法找到局部最优的结果。

一般来说，求解曲线智能天线阵结构参数局部最优解，可采用如下第一种方法，具体步骤是：

(1)给定天线单元个数N；

(2)给定一种天线单元在曲线上的排列方式(也称天线阵的几何参数或结构参数)，即确定曲线的形状以及各天线单元在曲线上的位置，需满足条件1以及有效辐射条件2；

(3)按照事先给定的波束赋形参数W(n)的初值与调整精度，不断调整波束赋形参数W(n)的值，使用最小方差逼近方法寻找W(n)的局部最优解，并记录方差ε；

(4)如果波束赋形图与目标赋形图的方差ε满足预定要求，则输出步骤(2)中所确定的那种天线阵排列方式以及局部最优的波束赋形参数W(n)，否则仍返回步骤(2)，重新确定一种天线单元在曲线上的排列方式，再使用(3)中描述的最小方差逼近方法寻找W(n)的局部最优解。

上述方法在求解天线阵的结构参数时采用的是穷举法，虽然可以根据方差的变化逐步缩小求值范围来获得次优值(次优值的意义是：因为手动的穷举法不够完善，虽然可以获得满足预定方差的解，但方差不是最小的)，但是其计算量仍然太大。

本发明给出一种改进的最小方差方法，即把曲线阵的结构参数与波束赋形参数W(n)同时作为最小方差方法调整的参数。该方法根据实际需求不断地调整天线阵列的结构参数以及波束赋形参数W(n)，使得天线阵达到所需的扇区覆盖波束赋形，可以在受限的范围内快速求出天线阵结构参数和波束赋形参数，获得局部最佳效果。具体步骤是：

(1)给定天线单元个数N；

(2)给定天线阵结构参数的初值，即确定一种天线单元在曲线上的排列方式(曲线的形状以及天线单元在曲线上的位置)，并满足条件1以及有效辐射条件2；

(3)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，同时不断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，并记录方差ε；

(4)如果波束赋形图与目标赋形图的方差ε满足预定的要求，并且获得的结构参数满足条件1以及有效辐射条件，那么输出步骤(3)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(2)重新设定天线阵结构参数和波束赋形参数W(n)的值。如果多次调整都未获得局部最优解，可以重新设定结构参数以及波束赋形参数W(n)的初值和精度，再使用步骤(3)中描述的最小方差逼近方法寻找结构参数和W(n)的局部最优解。

下面以优化满足120度扇区覆盖的圆弧阵为实施例，给出具体的选择天线单元、结构参数的确定及其优化方法。

首先选择天线单元。构成具有扇区覆盖能力的天线阵列中的天线单元应该具有定向辐射方向图形，为了节约成本，这里选择具有全向辐射的半波振子加导体平面(反射板)构成基本的辐射单元。假设该导体平面无限大(便于理论分析)，半波振子与导体平面之间的距离为1/4波长，这样原来的全向天线单元及其镜像作用就可以组成一个等幅反向的二元阵，其在水平面内的归一化方向图函数可以用f(φ)表示，φ为来波方向。

然后确定曲线形天线阵的结构参数。如图5所示。假设天线单元个数为N(N＝8)，各天线单元53不均匀但对称地排列在一段圆弧线51上，天线单元53与金属圆弧板52(即导体平面，反射板)之间的最短距离为1/4波长。Φ为来波方向54。

弧线形阵的圆弧线半径为R，相邻两根天线之间的夹角为α(m)，m＝1…N-1，相邻两根天线之间的间距为d(m)，m＝1…N-1，每根天线的赋形参数是W(n)，n＝1…N。假设此时金属圆弧板52相对于任一根天线单元53均可以认为是无限大导体平面，那么每根天线单元的辐射方向图形都将与f(φ)相同，但是由于各天线单元所在曲线上的位置不同，那么在同一个坐标系中每根天线单元的方向图函数的表达式都不同，它可以表示为来波方向φ以及β_n的函数：f_n(φ，β_n)，n＝1…N。其中β_n为各个天线单元与φ＝0方向的夹角，它是α(m)的函数。在图5所示坐标系中，在x轴上方的β_n为正，在x轴下方的β_n为负。

圆弧线的半径R、相邻两根天线之间的夹角α(m)、间距d(m)三组参数中两两相互独立，可以任意选取其中两组作为弧线形天线阵的结构参数进行优化。不失一般性，本实施例选取圆弧的半径R、相邻两根天线之间的夹角α(m)作为天线阵的结构参数，此时两天线单元的间距可以表示为 $d\left(m\right)=2\·R\·\sin \left(\frac{\mathrm{\α}\left(m\right)}{2}\right).$ 那么整个天线阵对来波方向角为φ的辐射功率值可以表示为：

$P\left(\mathrm{\φ}\right)=|{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_n(\mathrm{\φ},R,\mathrm{\α}\left(m\right))\·W\left(n\right)|}^2------\left(2\right)$

其中对于弧线形天线阵：

g_n(φ，R，α(m))＝exp(j·2·π·R/λ·cos(β_n-φ))·f_n(φ，β_n)    (3)

式(3)中，f_n(φ，β_n)为每个天线单元的方向图函数，β_n是α(m)的函数，λ是工作波长。

对于加了反射板的弧线形天线阵来说，除了对于天线单元间距的要求之外(条件1)，为了保证其有效覆盖条件，对于120度扇区覆盖的扇区来说，其φ＝±60度的来波方向角(扇区边缘的来波方向61)至少要和最边缘天线单元(62)所在位置的圆弧相切，如图6所示，其中Φ为来波方向63。即要求：

$\underset{m=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\left(m\right)\≤\frac{\mathrm{\π}}{3}$ (条件2)

如果扇区覆盖要求为60度，那么条件(2)的要求变为：

$\underset{m=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\left(m\right)\≤\frac{2\mathrm{\π}}{3}.$

最后对结构参数进行优化。

对该圆弧形天线阵的基本要求即扇区覆盖，所需要的方向图可以用函数A(φ)表示。那么采用最小方差的方法，则应该使下式中的ε最小：

$\epsilon =\frac{1}{K}\sum _{i=1}^K|P{\left({\phi }_i\right)}^{1/2}-A\left({\phi }_i\right){|}^2·C\left(i\right)------\left(4\right)$

其中K表示在各个方向上选取离散观察点(采样点)的个数，一般一度取一个点，在精度要求较高时可以多取。C(i)是一个权重，如果对某些点的逼近要求高，还可以将C(i)设得高一些，相反则将其设小一些，一般在所有观察点的逼近要求一致时，取C(i)＝1，i＝1，…，K。

为了提高天线系统的效率，这里要求每根天线单元辐射的功率相同，其幅度值保持为1，那么被调整的波束赋形参数W(n)中只包含馈电的相位参数。为了方便表述起见，这里把W(n)写成幅度和相位的形式W(n)＝A·e^j-φ(n)(也可以写成实部与虚部的形式，参见中国专利00103547.9)，当幅度不变时，即在实际参数调整过程中，只改变φ(n)的值，n＝1…N。

那么采用本发明的改进的最小方差逼近方法可以在求出波束赋形参数W(n)最优值的同时快速求出结构参数最优值，获得局部最佳效果。

图7中示出采用固定步长的最小方差逼近方法对结构参数进行优化的流程框图。

步骤701，初始化。具体内容包括：

获取载波频率f，并计算该载波频率f的工作波长λ；

设定一组满足条件1和条件2的结构参数初值R₀以及α₀(m)，m＝1…N-1；

设定φ(n)的初始值φ₀(n)，n＝1…N，初始值φ₀(n)的选取对于整个算法的收敛速度和最后结果有一定的影响，因此如果事先知道调整参数的大致范围，最好选择对应的一组合适的初值，同时也可以提高结果的精度；

设定方差ε的初值ε₀(设为一较大初值，以便更快地从初始状态进入循环反馈的调整状态)，记数变量count＝0。其中count用于记录某组调整基值(调整基值的获得参考步骤711)R₀’、α’(m)以及Φ₀’(n)所对应的ε₀，相对于参数调整过程中保持最小的次数(即ε₀小于在ε的次数)。count应有一个要求的门限值M，以决定何时终止调整，输出结果，显然M越大所取得结果的可信度越高，一般取50即可。

设定所要求解的波束赋形参数φ(n)(W(n)＝e^j·φ(n))以及结构参数R和α(m)的调整步长：Δφ、ΔR以及Δα，这里认为所有N个天线单元馈电的相位参数等同，以及N-1个天线间夹角参数等同，所以调整步长分别设置为相同；

设定离散观察点的个数K，并为每一个观察点设定权值C(i)，i＝1，…，K；

设定计数器times的门限值TME，计数器times用于记录结构参数调整之后连续超过条件1或者2的次数，如果times值超过门限值TME则跳出程序，此时需要重新选取各个参数的初始值进行再一次优化，TME一般取值为100。

步骤702，计数器times清零。

步骤703，按照下述公式(5)和(6)对结构参数R和α(m)进行调整。对于每一个结构参数R和α(m)，相应地随机产生+1或者-1值(在不知正确的变化趋势时，应保证增、减的机率相等)，即参数的调整方向，分别用L_R和L_am(m＝1…N-1)表示，然后根据步长以及调整方向调整其参数值。其调整算法如下，假设第U次调整后的R值为R^U，第U次调整后的α(m)值为α^U(m)，第U次调整后的调整方向分别为L_R ^U和L_am ^U，那么经过再一步调整后的R^U+1和α^U+1(m)分别为：

$R^{U+1}=R^U+L_R^U\·\mathrm{\ΔR}------\left(5\right)$

${\mathrm{\α}}^{U+1}\left(m\right)={\mathrm{\α}}^U\left(m\right)+L_{\mathrm{\αm}}^U\·\mathrm{\Δ\α}------\left(6\right)$

首次进入步骤703时，是按照给定的初值进行结构参数R及α(m)的调整，在后续的循环反馈地调整过程中则在记录的调整基值上进行调整(以前次调整记录的R和α(m)值作为调整基值，按固定步长进行增或减，再按公式(5)、(6)计算)。

步骤704，判断是否满足条件1(根据R及α(m)求出d(m)，再判断d(m)是否满足条件1)。如果调整后的R和α(m)没有超过条件1的限制，就保留该次调整值，并进入步骤705；如果超过条件1的限制，则进入步骤706。

步骤705，判断是否满足条件2。如果调整后的R和α(m)没有超过条件2的限制，就保留该次调整值，并进入步骤708。如果超过条件1的限制，则进入步骤706。

步骤706，计数器times累加。

步骤707，判断计数器times是否超过门限值TME。如果超过门限值，则程序终止，未得到调整结果。否则进入步骤703按公式(5)和(6)重新对结构参数进行调整。

步骤708，按照公式(7)对波束赋形参数φ(n)进行调整。

对于每一个天线单元馈电的相位参数相应地随机产生+1或者-1值(在不知正确变化趋势时，应保证增、减的机率相等)，即参数的调整方向，分别用L_φn(n＝1…N)表示，然后根据步长以及调整方向调整其参数值。其调整方法如下，假设第U次调整后的φ(n)值为φ^U(n)，第U次调整后的调整方向为L_φn ^U，那么经过再一步调整后的φ^U+1(n)为：

${\mathrm{\φ}}^{U+1}\left(n\right)={\mathrm{\φ}}^U\left(n\right)+L_{\mathrm{\φn}}^U\·\mathrm{\Δ\φ}-------\left(7\right)$

如果波束赋形参数还包括其幅度A(n)，n＝1…N，其调整方向为L_An调整步长为ΔA，那么按照公式(8)对波束赋形参数A(n)进行调整。其调整方法如下，假设第U次调整后的A(n)值为A^U(n)，第U次调整后调整方向为L_An ^U，那么经过再一步调整后的A^U+1(n)为：

$A^{U+1}\left(n\right)=(\mathrm{\ΔA}{)}^{L_{4n}^U}\·A^U\left(n\right)------\left(8\right)$

此时，应该对幅度有A^U+1(n)≤1的要求，n＝1…N。

首次进入步骤708时，按照给定的初值进行波束赋形参数φ(n)的调整，在后续的循环反馈地调整过程中则在记录的调整基值上进行调整(以前次调整记录的φ(n)值作为调整基值，按固定步长进行增或减，再按公式(7)、(8)计算)。

步骤709，根据公式(4)计算方差ε。

步骤710，判断方差ε是否小于ε₀(方差参考值)。如果ε＜ε₀则进入步骤711，否则进入步骤712。

步骤711，调整ε₀。记录φ(n)、R以及α(m)，并分别用Φ0’(n)、R’以及α’(m)表示，并用新的ε代替原来的ε₀(作为方差参考值)，同时记数变量count清零，进入步骤702。

步骤712，记数变量count累加。

步骤713，判断记数变量count是否超过门限值M。如果count没有超过事先设定的门限值M，则返回步骤702，否则进入步骤714。

步骤714，程序终止。输出一组局部最优解Φ(n)＝Φ₀’(n)、R＝R’、α(m)＝α’(m)以及ε＝ε₀(调整过程中将中间的调整值表示为Φ₀’(n)，R’和α’(m)，调整的最终结果表示为Φ(n)、R和α(m)，在整个调整过程中，ε₀在不停地变化，而且是朝着小的方向变化，当小到不能再小时，输出最小的ε₀对应的结构参数结果Φ(n)、R、α(m))。

在反复循环的调整过程中，步骤711中都不断地记录当前计算得到的φ(n)、R以及α(m)，并用Φ₀’(n)，R’和α’(m)表示作为调整基值，在其基础上按固定步长增量或减量，进行参数调整。

虽然，通过上面的方法求出的值只是一个局部最优解，但它的计算量小得多，能较快的求出一组φ(n)、R以及α(m)。如果对本次求出的值不满意，可以反复运行，求出若干组解，从中挑出方差最小的一组解(在重复运行时，可以修改设定的参数初值φ₀(n)、R₀以及a₀(m)，该步骤未在图7中示出)。

如果对结果仍不满意，也可采用变步长和提高精度的方法来改进上述算法。

有时，在系统设计时，系统可能对方差ε有明确的要求，例如ε≤ε’，ε’为目标方差，这时应将流程的终止条件修改为对ε≤ε’的判断及对步骤713 count＞M条件判断的结合，在步骤709与步骤710间增加一个步骤，判断是否满足ε≤ε’，满足时即执行步骤714终止流程，输出该方差及对应的天线阵结构参数和波束赋形参数，在不满足ε≤ε’时，继续执行步骤710、711、712、713，在满足count＞M的条件时执行步骤714。

具体包括：将计算的该天线阵的方差与事先确定的方差目标值进行比较，如果方差小于或者等于方差目标值，ε≤ε’，则记录该方差并进入步骤714；如果方差大于方差目标值，则进一步将方差与事先确定的方差参考值比较(步骤710)，如果方差大于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(步骤712)，如果该次数超过事先确定的门限值(步骤713)，则进入步骤714，否则返回步骤702，如果方差小于方差参考值，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(步骤711)，并返回步骤702。

上面给出的实施例中，没有明确扇区覆盖目标函数A(φ)的具体形式，而实际上可以依据对扇区覆盖的要求进一步减少弧线形智能天线阵列的结构参数和波束赋形参数，从而增加参数优化的自由度。比如扇区覆盖的要求是对称的，那么结构参数α(m)和波束赋形参数的个数均可以减少一半。如果进一步增加天线间距均匀的要求，那么结构参数将只有半径R和夹角α两个参数(只有一个天线单元间距参数)。

下面进一步给出一个8单元的均匀圆弧线阵的实施例，使用图7所示固定步长最小方差逼近方法，并采用图8所示的120度扇区覆盖目标要求A(φ)，可以得到一组结构参数和馈电相位参数：

载波频率为1920MHz；曲线的半径R＝0.92米；第1根与第8根天线单元之间的夹角为36.4度，即 $\underset{m=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\left(m\right)=36.4$ 度；每两根天线之间的间距相等，对应的圆心角α(1)＝α(2)＝…＝α(7)＝5.2度；天线间距为0.084米；各天线单元等幅馈电；各天线单元的馈电相位(弧度)分别为：2.5588、3.2707、5.6306、6.2652、6.2652、5.6306、3.2707、2.5588。

使用上面确定的天线阵列结构以及几何尺寸，并使用馈电相位参数对该天线阵进行波束赋形，可以得到扇区辐射方向图形如图9所示。

在上面确定的天线阵列结构以及几何尺寸下，使用同相合成方法得到的波束赋形图如图10～13所示。合成后的天线阵相对于单根天线的主瓣平均增益为：

0度：16.9080dB

20度：16.9177dB

40度：16.1504dB

60度：13.9806dB

可以看出0度方向与60度方向，其幅度值波动只有1～3dB，比直线阵要好很多。

本发明提出的曲线形智能天线阵的结构参数优化方法，可以优化任意曲线曲线形状的智能天线阵。

图14实施例给出一个折线形智能天线阵，选择具有定向能力的天线单元，天线阵具有覆盖范围对称的要求，并且天线单元个数为N＝8。其结构可以由参数L、α以及d(m)确定，m＝1，…，N/2-1。其中L是折线上最外侧两根天线单元间的距离，α是折线中任一条线与该距离线L间的夹角，d(m)是位于折线中任一条线上的相邻天线单元之间的距离。此时其仍然需要满足条件1的限制，并且具体化为：

$\mathrm{\&lambda;}/2\&le;\underset{m=1\&hellip;\mathrm{\&Nu;}/2-1}{\min }\left(d\left(m\right)\right)\&le;\underset{m=1\&hellip;\mathrm{\&Nu;}/2-1}{\max }\left(d\left(m\right)\right)<\mathrm{\&lambda;}------\left(9\right)$

其有效辐射条件具体化为：对于120度扇区覆盖, $\mathrm{\&alpha;}<$ $\frac{\mathrm{\&pi;}}{6},$ 对于60度扇覆盖， $\mathrm{\&alpha;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}.$

上面给出的折线形智能天线阵的结构参数，可以使用这些选定的结构参数计算该天线阵的其它结构参数，即，使用这些选定的结构参数可以完全确定该天线阵的结构尺寸，因此也可以选用其它结构参数进行优化，只要选定的结构参数能够完全决定该天线阵的结构尺寸即可。

本发明方法提出的曲线形(包括折线形与弧线形等)智能天线阵列的结构参数优化方法，在各个天线单元的特性不同时也同样适用，但是需舍弃对系统效率最高的要求，并且在进行波束赋形参数调整时，将不仅包括其相位参数φ(n)，还将包括其幅度参数A(n)。

本发明给出的曲线形天线阵列，它把天线单元在曲线上排列，通过调整此曲线的形状、天线单元在曲线上的位置及每个天线元的馈电参数来确定此智能天线阵列覆盖区域的大小及形状，使之在最小方差的原则下获得与要求相吻合的局部最佳结果。该装置即可以实现扇区覆盖，又可以最大限度的满足智能天线技术的要求。

Claims (21)

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)；

24).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目标值进行比较，如果方差小于或者等于方差目标值，则记录该方差并进入步骤3)；如果方差大于方差目标值，则进一步将方差与事先确定的方差参考值比较，如果方差大于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)，如果方差小于方差参考值，则用新计算出来的方差代替原方差参考值，将步骤21)和步骤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)。

13.根据权利要求11或12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：

在所述的曲线是弧线形时，第m个天线单元的结构参数包括弧线形曲线的半径R和与相邻天线单元间夹角α(m)；

所述步骤21)中，所述的初值包括半径R的初值、夹角α(m)的初值、夹角α(m)的调整步长Δα、及半径R的调整步长ΔR，m＝1…N-1；

所述步骤22)进一步包括：从上述初值开始、而后根据所述的调整基值和根据调整步长及调整方向，按公式 $R^{U+1}=R^U+L_R^U\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;R}$ 和 ${\mathrm{\&alpha;}}^{U+1}\left(m\right)={\mathrm{\&alpha;}}^U\left(m\right)+L_{\mathrm{\&alpha;m}}^U\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&alpha;}$ 计算第m个天线单元的结构参数，和根据公式 $d\left(m\right)=2\&CenterDot;R\&CenterDot;\sin \left(\frac{\mathrm{\&alpha;}\left(m\right)}{2}\right)$ 确定天线单元间的距离d(m)，直至同时满足所述的条件1与条件2，公式中L_R和L_am表示结构参数的调整方向，第U次调整后的R值为R^U，第U次调整后的α(m)值为α^U(m)，第U次调整后R值的调整方向为L_R ^U，第U次调整后α(m)的调整方向为L_am ^U，再一步调整后的R值为R^U+1，再一步调整后的α(m)值为α^U+1(m)。

14.根据权利要求13所述的一种优化曲线形智能天线阵结构参数的方法，其特征在于所述结构参数的调整方向是：对于结构参数R和α(m)，相应地随机产生+1或者-1值，在变化趋势未知时保证增、减的机率相等。

15.根据权利要求13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：所述的有效辐射条件2，在扇区覆盖为120度时，天线单元间夹角α(m)应满足 $\underset{m=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&alpha;}\left(m\right)\&le;\frac{\mathrm{\&pi;}}{3};$ 在扇区覆盖为60度时，天线单元间夹角α(m)应满足

$\underset{m=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&alpha;}\left(m\right)\&le;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}.$

16.根据权利要求13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：所述夹角α(m)的调整步长Δα、及半径R的调整步长ΔR是固定的或者变化的。

17.根据权利要求11或12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21)中，还包括设定一个计数器用于记录连续不满足条件1或条件2的次数，在计数器值大于等于设定的门限值时，中止步骤221)的天线阵结构参数的调整过程，返回步骤1)，重新选择各天线单元在曲线上位置的初值，进行天线阵结构参数的再调整。

18.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)中，在各天线单元的馈电功率相同时，对波束赋形参数W(n)的馈电相位进行调整。

19.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：所述步骤2)中，在各天线单元的馈电功率不相同时，还包括对波束赋形参数W(n)的馈电幅度进行调整。

20.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，其特征在于所述步骤2)的调整天线阵的结构参数，进一步包括：

在所述的曲线是折线形，天线单元个数N为偶数并且对称的排列在折线上时，调整的结构参数包括最外侧两个天线单元间的直线距离L、折线中任一条线与该距离线L间的夹角α以及位于折线中任一条线上的相邻天线单元之间的距离d(m)，m＝1，…N/2-1，。

21.根据权利要求20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：所述的有效辐射条件2，在扇区覆盖为120度时，所述的夹角α满足 $\mathrm{\&alpha;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{6},$ 在扇区覆盖为60度时，所述的夹角α满足 $\mathrm{\&alpha;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}.$

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