CN106159464A - 一种定向窄波选择智能天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向窄波选择智能天线系统，其包括上、中、下三层叠置且具有同一中心轴的三个环形阵列天线。每个环形阵列天线均包括n个定向辐射天线阵元，其中n为正整数且不小于2，每个定向辐射天线阵元覆盖360°/n的扇形区域，n个定向辐射天线阵元通过同轴线引出，焊接于一个天线控制板的单刀n掷开关的接口。顶层环形阵列天线与底层环形阵列天线均为水平极化天线，中层环形阵列天线为垂直极化天线。同一个八木引向子天线的一端定位在底层环形阵列天线中两个相邻的阵元之间，另一端定位在顶层环形阵列天线中与所述两个相邻的阵元相对应的那两个相邻阵元之间，使三个环形阵列天线为正交极化环形天线阵列叠层结构。

Description

一种定向窄波选择智能天线系统

技术领域

本发明涉及一种天线系统，尤其涉及一种定向窄波选择智能天线系统。

背景技术

WIFI技术因其诸多优点已经成为极受人们喜爱的通信技术。WIFI应用也由早期的家庭应用逐步成为商用市场的主流技术。

然而，由于商用市场区别家用市场的一些特点，致使WIFI技术在商用过程中存在众多缺陷，成为用户的痛点问题。商用市场与家用市场存在以下几点区别：

1.终端用户数量大：

商用市场常见的应用场合如：商场、高铁站、会议室、展厅、医院和大型办公室等，其环境特点是用户数量大。一个普通的家庭级路由器一般限制同时在线用户数量为25-30，只能满足家庭或者是微小企业的通信需求。若将家用级路由或AP用于上述商用场合则会出现用户接受信号很强但仍无法连接网络的现象。因此商用市场要求WIFI系统具有较大的系统容量。然而，由于WIFI技术原理采用信道竞争机制，激烈的竞争极大地浪费了系统带宽资源，限制了系统容量的提升。

2.商用环境空间小：

商用环境的另一个特点就是环境空间小而用户密度大。由于普通AP的系统容量不足，单个AP远不能满足应用需求。目前市场上常采用AC+多AP的架构布线，这种布线方式能满足系统容量，但同时也带来多个AP之间的严重干扰问题，而且布线成本比较高。

3.跟踪定位问题：

目前跟踪定位常用的技术为GPS技术，但是GPS信号受限于环境，只能应用于室外环境。无线局域网作为一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务。因此WIFI成为室内定位技术的主流技术之一。WIFI定位技术原理主要是通过侦测用户接受到的RSSI来判定用户的离AP的距离。然而目前市场上的AP普遍为全向天线，仅仅通过RSSI无法判定用户的具体方位，为监测工作带来极大的不便。

4.市场上常见的商用AP存在诸多技术缺陷：

为解决以上问题，目前市场上常见的两种技术方案如下：

4.1：多路技术：将多个AP和一个AC集成在一个整机系统内，由AC实现对多个AP的管理。其技术实质是前述的AC+多AP布线架构的集成化。多路技术存在以下缺陷：

A.成本高：由于多路技术是多个AP简单叠加而成，因此其成本是一个普通AP的数倍。

B.信号同频干扰严重：由于小空间内集成多个AP，其天线之间的相互干扰极其严重。同频干扰严重影响系统容量和系统稳定性。

4.2：动态天线切换技术：在主板的射频输出端设置一个开关，对一组固定形态的定向天线实现开关切换控制。其技术实质是天线的分集技术。常见的有极化分集和空间分集。动态天线切换技术与本文阐述的基于MIMO技术的多波束选择技术极易混淆。市场上的动态天线切换技术存在以下缺陷：

A.天线控制上：以3T3R的MIMO为例，从MIMO技术原理上考虑，在信号质量满足要求的情况下，在固定位置的终端用户能同时接收到AP的三根天线的信号，此时MIMO性能最佳。而市场上常见的动态天线切换技术虽然在每根天线实行波束切换，但在某一时刻三根天线指向并不一致。也就是说，在终端用户不能同时接收到三根天线的信号，MIMO性能打折。

B.天线设计上：由于动态天线切换技术采用简单的二选一射频开关切换，因此在保证MIMO性能最佳同时保证全向覆盖的情况下，每一路射频输出的天线切换方式只有两种，即在两支指向不同的半圆型天线波束之间切换，因此相比于窄波束定向天线，这种天线阵元的半功率角过大，导致同一时刻下信道竞争窗口过大，信道竞争仍然激烈。相比于普通的全向天线AP系统容量有提升但不明显。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种能全向空间扫描的定向窄波选择智能天线系统及采用该天线阵列的多波束选择智能天线通信系统。

本发明的解决方案是：一种定向窄波选择智能天线系统，其包括上、中、下三层叠置且具有同一中心轴的三个环形阵列天线；每个环形阵列天线均包括n个定向辐射天线阵元，其中n为正整数且不小于2，每个定向辐射天线阵元覆盖360°/n的扇形区域，n个定向辐射天线阵元通过同轴线引出，焊接于一个天线控制板的单刀n掷开关的接口；底层环形阵列天线为水平极化天线，相应的n个定向辐射天线阵元为水平放置的n个缝隙耦合偶极子；中层环形阵列天线为垂直极化天线，相应的n个定向辐射天线阵元为竖直放置的n个八木引向子天线；顶层环形阵列天线与底层环形阵列天线结构相同并且相对应；同一个八木引向子天线的一端定位在底层环形阵列天线中两个相邻的阵元之间，另一端定位在顶层环形阵列天线中与所述两个相邻的阵元相对应的那两个相邻阵元之间，使三个环形阵列天线为正交极化环形天线阵列叠层结构。

作为上述方案的进一步改进，三个环形阵列天线的各个对应阵元的电磁波辐射方向保持一致且做天线开关切换时，同一时段内三个环形阵列天线选择辐射方向相同的三个阵元。

作为上述方案的进一步改进，三个环形阵列天线依上、中、下的次序，直径逐层减小。

进一步地，每个八木引向子天线与顶层环形阵列天线接触的一侧，其一端为直线段，从顶层环形阵列天线的中心区域向顶层环形阵列天线的边缘延伸，另一端在顶层环形阵列天线的边缘朝靠近底层环形阵列天线的一侧转折形成折线段。

再进一步地，每个八木引向子天线包括载体基板一以及设置在所述载体基板一上且朝中层环形阵列天线中心的方向依次直线排列引向器、振子、反射器；其中所述振子呈八字形，每个八木引向子天线的馈点从相应八字形头部的两端引出。

优选地，所述引向器、所述反射器均呈“<”字形，所述振子的八字形头部、“<”字形的尖角均位于同一直线上且均朝向中层环形阵列天线的中心。

再优选地，在每个八木引向子天线中，引向器位于折线段对应的区域，反射器位于直线段对应的区域，振子一端位于折线段对应的区域，另一端位于直线段对应的区域。

作为上述方案的进一步改进，底层环形阵列天线还包括承载相应n个缝隙耦合偶极子的载体基板二，在所述载体基板二上n个缝隙耦合偶极子环绕的区域设置为所述底层环形阵列天线的接地区。

进一步地，所述载体基板二面向中层环形阵列天线的一侧为背面，相对另一侧为正面，n个缝隙耦合偶极子设置在背面，底层环形阵列天线的馈点和微带线设置在正面。

作为上述方案的进一步改进，每个环形阵列天线均包括八个定向辐射天线阵元，每个定向辐射天线阵元覆盖45°的扇形区域。

本发明得到以下有益效果。

1.天线阵列布局

天线设计采用独特的正交极化环形天线阵列叠层结构。即如上所述，顶层和底层两路天线采用水平极化定向缝隙偶极子组成环形阵列，中间层的天线采用垂直极化八木振子组成环形阵列。为保证MIMO性能最优，同一时刻三路天线必须保持同一指向。相比于目前市场普遍采用的平铺式天线阵列布局方式有如下优点：

A:叠层式天线阵列结构可缩小天线尺寸，而平铺式天线阵列结构对天线平面尺寸要求极大；

B：叠层式天线阵列结构非常容易形成同一时刻三路天线指向一致的波束，平铺式天线阵列结构在三个天线阵列距离不足的情况下主要受天线阵列间相互阻挡而难以形成。

2.窄波束覆盖

相比于市场上的动态天线切换技术，本发明的八阵元天线阵列能形成波束宽度45度的窄波束，能有效的减小某一时段内的AP覆盖区域，减小信道竞争窗口，减小信道竞争的激烈程度。当然，n选择范围可为2～32。

附图说明

图1是本发明定向窄波选择智能天线系统的立体结构图。

图2与图1相似，是图1的另一视角的立体结构图。

图3是图1中底层环形阵列天线的背面示意图。

图4是图1中底层环形阵列天线的正面示意图。

图5是图1中中层环形阵列天线的结构示意图。

图6是图1中顶层环形阵列天线的背面示意图。

图7是图1中顶层环形阵列天线的正面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1及图2，本发明的定向窄波选择智能天线系统包括上、中、下三层叠置且具有同一中心轴的三个环形阵列天线：顶层环形阵列天线1(如图3及图4所示)、中层环形阵列天线2(如图5所示)、底层环形阵列天线3(如图6及图7所示)。

每个环形阵列天线均包括n个定向辐射天线阵元，其中n为正整数且不小于2，每个定向辐射天线阵元覆盖360°/n的扇形区域，n个定向辐射天线阵元通过同轴线引出，焊接于一个天线控制板的单刀n掷开关的接口。在本实施例中，每个环形阵列天线均包括八个定向辐射天线阵元，每个定向辐射天线阵元覆盖45°的扇形区域。八个阵元实现全向覆盖，八个阵元通过同轴线引出，焊接于天线控制系统的单刀八掷开关的接口。天线控制系统是一个开关选择系统，可包括射频开关电路和FPGA控制电路。每一个环形阵列均由一个单刀八掷的射频开关控制，每一路开关负责一个天线阵元的通断。天线开关受控于FPGA控制电路。FPGA控制电路通过GPIO与主板的CPU相连。CPU发出的控制指令通过GPIO传给FPGA，由FPGA控制电路实施对天线开关的控制。控制软件模块主要负责接收端来波方向判断(DOA)以及形成波束选择控制指令。广播模式下控制软件控制天线阵列全向波束扫描，获取不同接收端在各方向的RSSI，形成功率密度谱，以判断接收端用户的具体方位。工作模式下控制软件根据广播模式获取的用户方位信息，形成波束选择指令，选择合适的指向型波束指向用户。

请再次参阅图6及图7，底层环形阵列天线3为水平极化天线，相应的八个定向辐射天线阵元为水平放置的八个缝隙耦合偶极子31。底层环形阵列天线3还包括承载相应八个缝隙耦合偶极子的载体基板二33，在载体基板二33上八个缝隙耦合偶极子31环绕的区域设置为底层环形阵列天线3的接地区(GND)32。载体基板二33面向中层环形阵列天线2的一侧为背面(如图6所示)，相对另一侧为正面(如图7所示)，八个缝隙耦合偶极子设置在背面，底层环形阵列天线3的馈点34和微带线35设置在正面。

请再次参阅图3及图4，顶层环形阵列天线1与底层环形阵列天线2结构相同并且相对应，在此不再一一叙述。同一个八木引向子天线的一端定位在底层环形阵列天线3中两个相邻的阵元之间，另一端定位在顶层环形阵列天线1中与所述两个相邻的阵元相对应的那两个相邻阵元之间，使三个环形阵列天线为正交极化环形天线阵列叠层结构。

三个环形阵列天线的各个对应阵元的电磁波辐射方向保持一致且做天线开关切换时，同一时段内三个环形阵列天线选择辐射方向相同的三个阵元。三个环形阵列天线依上、中、下的次序，直径逐层减小。

请再次参阅图5，中层环形阵列天线2为垂直极化天线，相应的八个定向辐射天线阵元为竖直放置的八个八木引向子天线。每个八木引向子天线与顶层环形阵列天线1接触的一侧，其一端为直线段21，从顶层环形阵列天线1的中心区域向顶层环形阵列天线1的边缘延伸，另一端在顶层环形阵列天线1的边缘朝靠近底层环形阵列天线1的一侧转折形成折线段22。

每个八木引向子天线包括载体基板一23以及设置在所述载体基板一23上且朝中层环形阵列天线2中心的方向依次直线排列引向器26、振子25、反射器24。其中振子25呈八字形，每个八木引向子天线的馈点27从八字形头部的两端引出。

引向器26、反射器24均呈“<”字形，振子25的八字形头部、“<”字形的尖角均位于同一直线上且均朝向中层环形阵列天线2的中心。在每个八木引向子天线中，引向器26位于折线段22对应的区域，反射器24位于直线段21对应的区域，振子25一端位于折线段22对应的区域，另一端位于直线段21对应的区域。

区别于市场上的动态天线切换技术，本发明的主要创新点在于两点。

1.天线阵列布局

天线设计采用独特的正交极化环形天线阵列叠层结构。即如上所述，顶层和底层两路天线采用水平极化定向缝隙偶极子组成环形阵列，中间层的天线采用垂直极化八木振子组成环形阵列。为保证MIMO性能最优，同一时刻三路天线必须保持同一指向。相比于目前市场普遍采用的平铺式天线阵列布局方式有如下优点：

A:叠层式天线阵列结构可缩小天线尺寸，而平铺式天线阵列结构对天线平面尺寸要求极大；

B：叠层式天线阵列结构非常容易形成同一时刻三路天线指向一致的波束，平铺式天线阵列结构在三个天线阵列距离不足的情况下主要受天线阵列间相互阻挡而难以形成。

2.窄波束覆盖

相比于市场上的动态天线切换技术，本发明的八阵元天线阵列能形成波束宽度45度的窄波束，能有效的减小某一时段内的AP覆盖区域，减小信道竞争窗口，减小信道竞争的激烈程度。当然，n选择范围可为2～32。

本实施例的定向窄波选择智能天线系统具备以下有益效果。

1.有效的提高AP的系统容量

由于采用定向波束切换天线，在某时段内三路天线同时覆盖特定45度范围内的区域，因此该时段该区域内的用户在信道竞争机制下更具有竞争力，容易获得信道资源分配。在下一时段内，三路天线波束将指向下一个45度范围的区域，以满足下一个区域的用户获取信道资源，如此逐一切换8个区域，实现天线全向覆盖。通过合理的设定波束切换周期，可以保证天线波束切换到其他区域的时间段内本区域的用户与AP仍保持连线。在一个切换周期完成后，天线波束重新回到第一个45度区域继续进行通信。如此通过分区分时波束切换可有效的提高系统容量。

2.商用环境下降低整机之间的干扰，减小布网施工难度，同时减少AP数量，降低AP成本。

与传统的全向天线AP相比，波束切换式天线其波束在某区域内停留的时间仅仅是切换周期的八分之一，若同一有限空间内布局两台波束切换式天线的AP，与布局两台全向天线AP相比，其整机间波束相互叠加导致AP相互干扰的概率极小。而且，在很多情况下一台波束切换式AP可以满足大系统容量的需求，有效的避开了AC+多AP的布线架构，减小布网施工的难度，减少AP个数，降低布网成本。

3.可实现高精度的WIFI室内定位功能

由于采用波束切换式天线，系统可很方便地实现全向空间扫描，通过扫描采集用户的RSSI及MAC地址，由CPU计算形成功率谱。因此用WIFI进行定位时不但可以确定用户离AP的距离，同时可以确定用户具体的方位。更进一步的，由于无线局域网的普及，可实现大范围的定位、监测和追踪。

4.有利于提高天线增益，增加整机覆盖距离

由于切换式天线采用定向天线替代全向天线，定向天线比较容易做成高增益天线，天线增益提高可增加整机的覆盖距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：其包括上、中、下三层叠置且具有同一中心轴的三个环形阵列天线；每个环形阵列天线均包括n个定向辐射天线阵元，其中n为正整数且不小于2，每个定向辐射天线阵元覆盖360°/n的扇形区域，n个定向辐射天线阵元通过同轴线引出，焊接于一个天线控制板的单刀n掷开关的接口；

其中，底层环形阵列天线为水平极化天线，相应的n个定向辐射天线阵元为水平放置的n个缝隙耦合偶极子；中层环形阵列天线为垂直极化天线，相应的n个定向辐射天线阵元为竖直放置的n个八木引向子天线；顶层环形阵列天线与底层环形阵列天线结构相同并且相对应；同一个八木引向子天线的一端定位在底层环形阵列天线中两个相邻的阵元之间，另一端定位在顶层环形阵列天线中与所述两个相邻的阵元相对应的那两个相邻阵元之间，使三个环形阵列天线为正交极化环形天线阵列叠层结构。

2.如权利要求1所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：三个环形阵列天线的各个对应阵元的电磁波辐射方向保持一致且做天线开关切换时，同一时段内三个环形阵列天线选择辐射方向相同的三个阵元。

3.如权利要求1所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：三个环形阵列天线依上、中、下的次序，直径逐层减小。

4.如权利要求3所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：每个八木引向子天线与顶层环形阵列天线接触的一侧，其一端为直线段，从顶层环形阵列天线的中心区域向顶层环形阵列天线的边缘延伸，另一端在顶层环形阵列天线的边缘朝靠近底层环形阵列天线的一侧转折形成折线段。

5.如权利要求4所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：每个八木引向子天线包括载体基板一以及设置在所述载体基板一上且朝中层环形阵列天线中心的方向依次直线排列引向器、振子、反射器；其中所述振子呈八字形，每个八木引向子天线的馈点从相应八字形头部的两端引出。

6.如权利要求5所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：所述引向器、所述反射器均呈“<”字形，所述振子的八字形头部、“<”字形的尖角均位于同一直线上且均朝向中层环形阵列天线的中心。

7.如权利要求6所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：在每个八木引向子天线中，引向器位于折线段对应的区域，反射器位于直线段对应的区域，振子一端位于折线段对应的区域，另一端位于直线段对应的区域。

8.如权利要求1所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：底层环形阵列天线还包括承载相应n个缝隙耦合偶极子的载体基板二，在所述载体基板二上n个缝隙耦合偶极子环绕的区域设置为所述底层环形阵列天线的接地区。

9.如权利要求8所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：所述载体基板二面向中层环形阵列天线的一侧为背面，相对另一侧为正面，n个缝隙耦合偶极子设置在背面，底层环形阵列天线的馈点和微带线设置在正面。

10.如权利要求1所述的定向窄波选择智能天线系统，其特征在于：每个环形阵列天线均包括八个定向辐射天线阵元，每个定向辐射天线阵元覆盖45°的扇形区域。