[发明专利]一种巷道应用的自适应稀疏阵天线模块及结构设计方法

说明书

一种类波导巷道传播环境中的自适应稀疏阵列天线模块及阵结构设计方法，适用于公路隧道、地铁、矿井中使用。包括自适应稀疏阵列天线，和波束形成网络；推导小于衰减率阈值的导引波模最大阶数，将巷道划分为较高阶导引波模的快速衰落区和慢速衰落区，根据分界点位置导引波模的最大阶数取值，预判断出巷道中对信号传播起关键作用的导引波模；确定天线单元的最佳分布数量及最佳分布位置；根据天线单元的最佳波束指标，选型或优化设计相应的天线单元。其充分利用类波导巷道传播环境中的波导耦合效应增强天线自适应波束成形的灵活性，并降低自适应阵列天线设计的复杂度，提高无线信号传输与覆盖性能。

技术领域

本发明涉及一种自适应稀疏阵列天线模块及阵结构设计方法，属于无线通信中的阵列天线技术领域，尤其适用于铁路和公路隧道、地铁、矿井中使用的巷道应用的自适应稀疏阵天线模块及阵结构设计方法。

技术背景

四面受限，壁面由岩石、混凝土介质组成的狭长巷道，如地铁、矿井、铁路和公路隧道等，其传播环境类似于巨大的波导，无线信号被限制在巷道内部，多径现象非常严重。若无线通信采用的天线波束过窄，则距天线较近的场区，尤其是巷道边缘区域，难以得到充分覆盖，形成信号盲区；反之，波束过宽，多径效应难以得到有效抑制，远场区信号的多径衰落和起伏严重，而且还可能受到近区用户通信的干扰。而一些障碍物的存在，可能遮挡了定向天线的主要辐射方向，使无线通信出现不同程度的阴影衰落，大大降低无线信号的覆盖质量。若无线基站、无线锚节点使用的天线能够实时估计用户的方位，通过自适应形成波束优化多径，使能量有选择地集中于对传输有关键作用的路径上，将能大大改善动态环境下无线信号的传输和覆盖。现有的具备自适应波束成形功能的主要为自适应阵列天线技术。然而，巷道传播环境特殊，应用背景不同，一般的自适应阵列天线技术应用其中，性能将可能大大下降甚至失效。

一方面，与一般应用环境中散射体对天线的耦合作用不同，狭长巷道壁的介质电特性使其内部的电波传播特性类似于巨大的波导，由于天线与巷道导引波模的耦合作用，使得天线激励的射线数量、方向和强度都受到导引波模的限制，成为与天线在巷道中安装位置密切相关的函数。如果采用常规设计，例如，使用天线单元间距为半波长的自适应阵列天线，将因为各天线单元在巷道中的相关性极大，与巷道各导引波模的耦合效率基本没有差异，导致一些需要的关键波模都没被有效激励，而另一些不需要的波模则都被强激励，天线波束成形和波束控制的能力因此大受限制。另一方面，信号预处理技术、信道估计和自适应波束成形的性能与阵列天线规模成正比，与信号空间相关性成反比。而巷道空间狭长，限制了阵列天线的规模尺寸；UHF通信频段的信号难以穿透岩石，使得巷道内多径信号极多，信号空间相关性极为严重；若要获得良好的波束成形及控制效果，一般自适应阵列天线的阵结构设计难度、所需技术和算法的复杂度都将明显增加。以上对自适应波束成形技术在巷道等类波导环境中的应用提出了严峻挑战。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种应用难度小，方法简单，对各方向信号控制灵活的类波导巷道传播环境中的巷道应用的自适应稀疏阵天线模块及阵结构设计方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的巷道应用的自适应稀疏阵天线模块，包括预判巷道中信号传播的导引波模的而设置的自适应稀疏阵列天线，和自适应稀疏阵列天线内部构成的波束形成网络；

所述自适应稀疏阵列天线包括根据巷道波导耦合效应而确定最佳阵结构的多个天线单元、模数/数模转换模块、自适应信号处理器和动态加权网络；其中多个天线单元分别与模数/数模转换模块相连接，模数/数模转换模块通过动态加权网络与自适应信号处理器相连接；

所述多个天线单元均为小体积天线，以最佳阵结构布置；所述阵结构应满足的多天线最佳分布数量及各天线单元的最佳分布位置通过单根小体积天线与巷道中关键导引波模的耦合效率确定；

所述各天线单元的选取和设计满足最佳波束指标，最佳波束指标通过单个全向均匀辐射的理想点源在巷道中各最佳分布位置的功率角度分布决定；