一种天线设备和信号增强系统的制作方法

1.本技术涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种天线设备和信号增强系统。


背景技术：

2.随着沿海经济的发展，深海覆盖流量需求越来越大，但深海区域的信号较弱、甚至没有信号，出现严重脱网现象。另外，由于海上客轮船体比较封闭，金属阻挡严重，船体衰耗非常大，导致船舱内信号较弱。
3.为了解决上述问题，相关技术在基站侧采用透镜天线代替原有的板状天线，虽然覆盖距离有所提升，但对于深海区域的覆盖问题仍然无法有效解决，船舱内的信号仍然很弱。还有方案通过在船上安装全向天线，经过直放站、满格宝等设备，在客户和基站之间进行无线中继回传，对基站信号进行放大。虽然这种方案可以提升船舱内的信号，但由于全向天线尺寸非常大，当挂在船舱外面时，安装固定时比较困难，可靠性不足。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例期望提供一种天线设备和信号增强系统。
5.为达到上述目的，本技术实施例的技术方案是这样实现的：
6.本技术实施例提供了一种天线设备，所述天线设备设置于船上，包括：天线阵列和第一控制器；其中，
7.所述天线阵列包含n个天线单元，n个天线单元设置在同一个水平面上，每个天线单元包括m个全向辐射单元，所述m个全向辐射单元在所述水平面的垂直方向排列，且在水平面上的投影重叠；所述m为不小于1的整数，n为不小于2的整数；
8.所述第一控制器与所述天线阵列相连，用于通过调整所述n个天线单元之间的相位差，控制所述天线阵列的波束方向。
9.其中，所述第一控制器包括合路器和数控移相器；其中，
10.每个天线单元连接一个数控移相器，所述n个天线单元分别经n个数控移相器连接至所述合路器；
11.所述合路器用于将n个数控移相器输出的n路信号合成一路；
12.所述数控移相器，用于控制相连的天线单元所接收或发送信号的相位变化。
13.其中，所述天线阵列中的n个天线单元成线性排列、或成圆环形排列、或成方形排列。
14.其中，在所述天线阵列中的n个天线单元成方形排列的情况下，相邻两个天线单元之间的距离为半个波长；所述波长与天线阵列工作的中心频率相关。
15.其中，每个天线单元垂直方向上包括至少两个全向辐射单元的情况下，相邻两个全向辐射单元之间的距离为半个波长；所述波长与天线阵列工作的中心频率相关。
16.其中，所述全向辐射单元包括相同的两个椎体，所述两个椎体的轴线垂直于所述水平面且共线，所述两个椎体的顶点相互连接。
17.本技术实施例还提供了一种天线设备，所述天线设备设置于船上，包括：至少两个定向天线和第二控制器；其中，
18.每个所述定向天线能与基站天线进行通信，所述基站设置于海边的陆地上；所述至少两个定向天线围成一周用于覆盖360度区域；
19.所述第二控制器与每个所述定向天线相连，用于从所述至少两个定向天线中选择目标定向天线，并控制所述目标定向天线与基站天线进行通信。
20.其中，所述第二控制器包括至少两个并联的射频开关，每个射频开关对应连接一个所述定向天线；
21.所述射频开关用于控制对应连接的所述定向天线与基站天线之间的通信连接或断开。
22.本技术实施例还提供了一种信号增强系统，包括：上文所述的天线设备以及与所述天线设备相连的信号放大设备。
23.其中，所述天线设备设置于船舱外；所述信号放大设备设置于船舱内。
24.本技术实施例提供的天线设备和信号增强系统，所述天线设备设置于船上，包括：天线阵列和第一控制器；其中，所述天线阵列包含n个天线单元，n个天线单元设置在同一个水平面上，每个天线单元包括m个全向辐射单元，m个全向辐射单元在所述水平面的垂直方向排列，且在水平面上的投影重叠；所述m为不小于1的整数，n为不小于2的整数；所述第一控制器与所述天线阵列相连，用于通过调整所述n个天线单元之间的相位差，控制所述天线阵列的波束方向。本技术实施例通过天线设备中的第一控制器调整天线阵列中n个天线单元之间的相位差来控制所述天线阵列的波束方向，使得波束方向对准基站的方向，实现最佳信号的接收，增强船舱内信号的强度。另外，全向辐射单元形成的天线单元组成的天线阵列相对全向天线来说尺寸大大缩小，且安装难度降低。此外，本技术还可基于需要设置天线单元中全向辐射单元的数量，提高天线的增益。
25.另一个实施例中，通过天线设备中的第二控制器从至少两个定向天线中选择一个目标定向天线与基站天线进行通信，实现最佳信号的接收，增强船舱内信号的强度。另外，定向天线代替原有的全向天线，可以在提高增益的同时并缩小尺寸，降低安装难度，提高可靠性。
附图说明
26.图1为本技术实施例所述天线设备的结构示意图一；
27.图2为本技术实施例所述第一控制器的结构示意图；
28.图3为本技术实施例所述第一控制器的波束控制示意图；
29.图4(a)为本技术实施例所述天线单元线性排列示意图；
30.图4(b)为本技术实施例所述天线单元圆环排列示意图；
31.图4(c)为本技术实施例所述天线单元圆环方形排列示意图；
32.图5(a)为本技术实施例所述单个全向辐射单元结构示意图；
33.图5(b)为本技术实施例所述单个全向辐射单元仿真方向图
34.图6为本技术实施例所述全向辐射单元形成的方形排列的天线阵列示意图；
35.图7(a)为本技术实施例图6所示天线阵列东西方向辐射3d方向图；
36.图7(b)为本技术实施例图6所示天线阵列南北方向辐射3d方向图；
37.图8(a)为本技术实施例所述8
×
5的天线阵列模型示意图；
38.图8(b)为本技术实施例所述8
×
5的天线阵列辐射3d方向图；
39.图9为本技术实施例所述天线设备的结构示意图二；
40.图10为本技术实施例所述第二控制器的结构示意图；
41.图11为本技术实施例所述信号增强系统应用示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本技术进行描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关实用新型相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
43.本技术实施例提供了一种天线设备，所述天线设备设置于船上，如图1所示，包括：天线阵列和第一控制器；其中，
44.所述天线阵列包含n个天线单元(图1以八个天线单元为例)，n个天线单元设置在同一个水平面上，每个天线单元包括m个全向辐射单元(图1未示出全向辐射单元，见后续描述)，m个全向辐射单元在所述水平面的垂直方向排列，且在水平面上的投影重叠；所述m为不小于1的整数，n为不小于2的整数；
45.所述第一控制器与所述天线阵列相连，用于通过调整所述n个天线单元之间的相位差，控制所述天线阵列的波束方向。
46.在实际应用时，所述n个天线单元组成的天线阵列为一个定向天线，所述定向天线的覆盖范围与天线单元的个数相关。若n个天线单元成中心对称排列(如圆环形、方形)的情况下，天线单元的数量越多形成的波束就越窄；若n个天线单元成线性排列，波束沿天线单元的排列方向压缩更窄。所述天线阵列的波束方向为目标方向，即为基站的方向，所述基站的方向可基于信号放大设备反馈的信息确定，此处不再详述。
47.一个实施例中，如图2所示，所述第一控制器包括合路器和数控移相器；其中，
48.每个天线单元连接一个数控移相器，所述n个天线单元(图2以八个天线单元为例)分别经n个数控移相器连接至所述合路器；
49.所述合路器用于将n个数控移相器输出的n路信号合成一路；
50.所述数控移相器，用于控制相连的天线单元所接收或发送信号的相位变化。
51.在实际应用时，所述数控移相器可以通过改变数控位的开关状态来获得不同的移相变化。假设到达两个天线单元的信号相位相差为
▽
φ，通过改变数控移相器电路的工作状态，使其中一路信号移相φ1，另一路信号移相φ2，即相对相移
▽
φ＝φ1-φ2，从而实现数控移相器在输出信号的相位一致，即可以在所需要的方向形成窄波束，达到波束扫描的目的。
52.通过控制数控移相器改变每个天线单元接收到的信号的相位，使得天线阵列中的每个天线单元接收到的信号与目标方向“垂直”，波束控制如图3所示。如果要使天线阵列的波束指向一定的角度，首要考虑的就是每个数控移相器相对所移相位大小的问题。单个天
线单元的相移公式如下：
53.▽
φ＝2π*d*sinθ/λ
54.从图3可以看出，为了使每个天线单元都能“同时”接收到与第一个天线单元相同的信号，第二个天线单元的数控移相器所需要移相的相对角度为
▽
φ，而第八个天线单元所需移相的相对角度则是7*
▽
φ。
55.一个实施例中，所述天线阵列中的n个天线单元成线性排列、或成圆环形排列、或成方形排列。如图4(a)(b)(c)所示，均以八个天线单元为例。
56.一个实施例中，在所述天线阵列中的n个天线单元成方形排列的情况下，相邻两个天线单元之间的距离为半个波长；所述波长与天线阵列工作的中心频率相关。
57.在实际应用时，天线的尺寸是根据天线工作的中心频率来决定的，波长和频率是倒数关系，如：波长(单位：米)＝光速/频率，频率不同，波长也就不同。这里所述的半个波长为经验值。
58.一个实施例中，每个天线单元垂直方向上包括至少两个全向辐射单元的情况下，相邻两个全向辐射单元之间的距离为半个波长；所述波长与天线阵列工作的中心频率相关。
59.一个实施例中，所述全向辐射单元包括相同的两个椎体，所述两个椎体的轴线垂直于所述水平面且共线，所述两个椎体的顶点相互连接。
60.在仿真应用时，所述全向辐射单元采用上下两椎体(尺寸一致)相倒扣形成，单个全向辐射单元的仿真增益为2dbi左右，垂直面半功率波宽80
°
左右，图5(a)为单个全向辐射单元结构示意图，图5(b)为单个全向辐射单元仿真方向图。两个相距半波长的全向辐射单元同相激励可以实现边射阵，反相激励可以实现端射阵。根据上述原理，呈对称性分布且相距半波长的天线阵列，通过一定的幅相激励可以实现任意方向的定向辐射。因此，以方形排列的天线阵列为例，将八个全向辐射单元在同一平面上呈正方形布局，相邻全向辐射单元距离均为半个波长，如图6所示。给予一定的幅相，可以分别形成东西方向(沿y轴)如图7(a)所示、或南北方向(沿x轴)的辐射方向图，如图7(b)所示。
61.其中，该方形天线阵列的仿真增益为8.1～9.4dbi，水平面半功率波束宽度为35
°
～40
°
之间。在上述八个天线单元形成的方形水平阵列基础上，加上垂直方向上组阵，形成立体阵列，可以有效提升天线增益。以垂直方向上五个全向辐射单元为例，如图8(a)所示：
[0062]8×
5的天线阵列的仿真增益为15.5～16dbi，水平面半功率波束宽度在35
°
～40
°
之间，垂直面半功率波束宽度为12
°
左右，方向图如图8(b)所示。在实际应用中，天线阵列的高度可以进行定制化设置，在平衡天线增益与垂直方向上全向辐射单元的数量后，根据实际场景需要可选择合适的天线阵列高度。
[0063]
本技术实施例通过第一控制器调整天线阵列中n个天线单元之间的相位差来控制所述天线阵列的波束方向，使得波束方向对准基站的方向，实现最佳信号的接收，增强船舱内信号的强度。另外，全向辐射单元形成的天线单元组成的天线阵列相对全向天线来说尺寸大大缩小，且安装难度降低。此外，本技术还可基于需要设置天线单元中全向辐射单元的数量，提高天线的增益。
[0064]
本技术实施例还提供了一种天线设备，所述天线设备设置于船上，如图9所示，包括：至少两个定向天线(图9以三个定向天线为例)和第二控制器；其中，
[0065]
所述至少两个定向天线中的每个定向天线均能与基站天线进行通信，所述基站设置于海边的陆地上；所述至少两个定向天线围成一周用于覆盖360度区域；
[0066]
所述第二控制器与所述至少两个定向天线中的每个定向天线相连，用于从所述至少两个定向天线中选择目标定向天线，并控制所述目标定向天线与基站天线进行通信。
[0067]
在实际应用时，第二控制器从所述至少两个定向天线中选择一个目标定向天线(定向天线的波束方向对准基站)与基站天线进行通信，从而实现最佳信号的接收。
[0068]
一个实施例中，如图10所示，所述第二控制器包括至少两个(图10以三个为例)并联的射频开关，每个射频开关对应连接一个定向天线；
[0069]
所述射频开关用于控制对应相连的定向天线与基站天线之间的通信连接或断开。
[0070]
本技术实施例通过第二控制器从至少两个定向天线中选择一个目标定向天线与基站天线进行通信，实现最佳信号的接收，增强船舱内信号的强度。另外，定向天线代替原有的全向天线，可以在提高增益的同时并缩小尺寸，降低安装难度，提高可靠性。
[0071]
本技术实施例还提供了一种信号增强系统，如图11所示，包括：天线设备和与所述天线设备相连的信号放大设备；其中，
[0072]
所述天线设备包括上述实施例所述的天线设备，此处不再详述。
[0073]
一个实施例中，所述天线设备设置于船舱外；所述信号放大设备设置于船舱内。
[0074]
在实际应用时，如图11所示，在海面覆盖范围内基站侧发出信号，经由船载信号增强系统对基站信号进行放大，以达到提升船舱内信号的效果。天线设备能够自主调整波束方向对准基站，实现最佳信号的接收；信号增强系统除了能放大基站信号外，还可与网络(基站)进行通信，实时反馈自身位置信息以及网络质量给网络。
[0075]
需要说明的是：“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0076]
另外，本技术实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
[0077]
以上所述，仅为本技术的较佳实施例而已，并非用于限定本技术的保护范围。