天線裝置及其相關方法

            文檔序號:6846755閱讀:167來源:國知局
            專利名稱:天線裝置及其相關方法
            技術領域
            本發明涉及包括具有可排列成子陣列的多個輻射元件的天線節的天線裝置。本發明還涉及用于控制包括天線節的天線裝置中的波束成形的方法,其中天線節又包括可排列成子陣列的多個輻射元件。
            背景技術
            當今在蜂窩移動通信系統的無線電基站上使用的天線往往屬于扇形類型的。三個、六個或者更多這類天線則共同覆蓋360度方位角。一般希望能夠擴展無線電基站的覆蓋。但需要高增益天線。一般來說,天線在機械上越長,則越容易提供更高增益而沒有改變方位角射波束寬度度。但是,即使在機械上較長的天線由于上述原因而具有吸引力,也存在與機械上較長的天線關聯的若干缺點。首先,機械上較長的天線不易于處理、運輸和安裝。安裝變得費時且昂貴。此外,必須結合用于使波束向下傾斜的部件,以便減少相鄰小區中的干擾。這種部件可能是機械的和/或電氣的。至于傾斜的提供,在這個方面還存在與長天線關聯的若干缺點。長天線的純機械傾斜可能導致天線與垂直線偏離相當多,這意味著通常不會與天線安裝在其上的天線竿平行。此外,對于機械傾斜,高風力載荷將產生大扭矩,可能導致對天線的損壞,以及可能使它出故障并且甚至可能易于完全折斷。此外,如果天線確實很長,則可能需要許多機械傾斜;這類天線將會很難看,以及天線越高,則所需機械偏離越長,并且缺陷越嚴重。
            另一方面,如果具有給定數量的輻射元件的長天線的純電氣傾斜對于每個子陣列僅采用一個或極少元件來實現,則這需要相當大數量的硬件。增加每個子陣列的輻射元件的數量、因而減少子陣列的數量會減少硬件的數量。但是,掃描范圍也會因產生增益減小以及減小的空間濾波的柵瓣而減小,這是一個缺點。
            因此,到目前為止,沒有提出與提供例如從覆蓋或增益的角度來看符合要求的天線的問題相關的令人滿意的解決方案。

            發明內容
            因此,需要最初提到的天線裝置,它可制作為很長(機械上),然而易于制造或實現、易于安裝、易于運輸,并且可快速便捷安裝。具體來說,需要一種裝置,可提供高增益,但無需改變方位角射波束寬度度。具體來說,需要一種天線裝置,它具有優良的覆蓋和高增益,并且可在相鄰小區中減小其干擾。
            還需要如最初提到的天線裝置,它有美感,更具體來說,需要一種天線裝置,它不易受到高風力,具體來說不易受到不利或極端天氣條件、如狂風而產生的大扭矩。
            具體來說,需要如最初提到的裝置,通過它可通過簡易方式并且無需大量設備或硬件來提供傾斜。因此,具體來說,需要一種天線裝置,它是緊湊的、即不麻煩,并且不會在垂直于天線安裝在其上的天線竿或其它結構的縱向、具體來說但不一定是垂直延伸的方向上伸出太多。更具體來說,需要一種裝置,它允許使用現有天線部件或市場出售的“現貨”天線以及使用為此設計的天線。更具體來說,需要一種天線裝置,其波束成形可被控制,和/或這樣地可輕松控制增益。還需要一種天線裝置,它是靈活的,并且允許對各種條件的高度控制和適配。更具體來說,需要一種天線裝置,通過其可提供減小的掃描損失,或者具體來說,與涉及具有大的子陣列的僅電氣傾斜的天線相比,在柵瓣開始之前,通過其允許增加的傾斜范圍。
            因此,提供最初提到的天線,它另外包括還包含可分別排列成子陣列的多個輻射元件的至少一個另外的天線節,其中,所述至少兩個天線節基本上沿直線或者略微不規則地、例如不是在安裝結構上的直線上安裝。天線裝置還包括用于為所述至少兩個天線節饋電的饋電網絡以及用于控制天線節的饋電、從而允許波束成形控制的饋電網絡控制部件。天線裝置可通過許多不同方式來實現。天線節可特別為本發明的天線裝置制造、設計或面市,但是還能夠把傳統的現貨供應天線節用于根據本發明概念進行安裝。應當清楚,天線節優選地為分開的單元。
            在一個實施例中,所述數量的天線節中的至少兩個基本上是相同的。更具體來說,所有天線節基本上相同或者完全相同。在另一種實現中,至少兩個天線節不是相同的、即是不同的,更具體來說,所有天線節是不同的或者不是相同的。
            天線節還可按照若干不同的方式安裝。在一個實施例中,天線節經過安裝,使得相應的相鄰天線節(逐對地)之間的間距基本上相等。在另一個實施例中,天線節經過安裝,使得相應的相鄰天線節(逐對地)之間的相應間距是不同的,或者某些間距相等,而另外一個或多個間距則不同。在一個具體實施例中,天線節包括傳統的扇形天線,例如具有45°、60°或90°方位角射波束寬度度。這兩個特征還可按照任何方式進行組合,例如,不相等天線節可與不同間距進行組合。
            饋電網絡裝置具體包括用于可變地控制多節天線的節之間的相位和/或幅度的部件,因而允許相位和/或幅度錐度,或者提供不同饋電信號的供應,即,對于相位和/或幅度以不同方式使饋電信號適應相應的節。具體來說,它包括用于使波束相對于在其上安裝用于支撐包括所述天線節的天線裝置的支撐部件、如天線竿的實際或虛擬安裝平面的法線傾斜的部件。
            在一個具體實施例中,用于使波束傾斜的部件包括用于以機械方式使天線節傾斜的機械傾斜部件。優選地,以機械方式分別使至少兩個或者最有利地為所有天線節傾斜。
            在另一個實施例中,以電氣方式使天線節預傾斜,即包括“內置”波束傾斜,它可能對于所有天線節是相同的,或者對于不同天線節是不同的,或者對于一個或多個節根本沒有傾斜。具體來說,部分或全部天線節配備了可控電氣預傾斜,它是內置的,即它們配置了電氣傾斜。
            根據另一個實施例,該裝置包括具體為通過饋電網絡裝置使多節天線電氣傾斜提供的部件。用于使多節天線裝置電氣傾斜的部件具體包括按照下列方式操作的饋電網絡中或者與其相關的相位延遲部件和/或時間延遲部件可對于相應天線節引入相應相位延遲和/或時間延遲,使得具有適當相位延遲和/或時間延遲的饋電信號可提供給相應天線節的每一個。
            在具體實施例中,機械傾斜部件與電氣傾斜組合(“預傾斜”和/或通過饋電網絡,或者延遲部件/移相器等提供的電氣傾斜)。因此,具體來說,機械傾斜和如上所述通過饋電網絡(或特定部件)提供的電氣傾斜可按照任何預期方式進行組合。
            在單獨或分別應用于不同天線節的機械傾斜的情況中,通過饋電網絡補償在分別使面板傾斜時產生的天線節的位移。另外,當天線節預傾斜或者預先裝備以便分別應用各天線節的電氣傾斜時,必須優選地通過饋電網絡來補償產生于電氣傾斜操作的相前從各個天線節的位移。
            通過在每個天線節級的機械傾斜的實現(與或者沒有與電氣傾斜結合,采用預先裝備天線節或者通過天線節級上的控制)與其中使整個天線或整個結構機械傾斜的天線裝置相比,天線節級的機械傾斜實現緊湊天線多節裝置。例如,這顯著減小強風的影響,因而產生于風的扭矩也將減小,同時,天線裝置將更細并且更有美感。類似地,通過引入天線節級而不是天線子陣列級上的電氣傾斜,所需的硬件的預計數量將顯著減少。
            因此,電氣和機械傾斜的組合是可行的,在需要時,對相前的補償通過饋電網絡或者通過控制饋電網絡的控制部件或獨立補償部件來提供。
            在一個具體實現中,饋電網絡裝置包括兩個饋電網絡,各以相應極化對天線節饋電。具體來說,相同的饋電信號用來饋送第一和第二極化,以及相應饋電網絡包括用于控制相應極化的垂直面波束圖的控制部件,具體來說以便獲得具有互補垂直面覆蓋的相應極化的垂直面波束圖,使得產生作為相應垂直面波束圖的功率總和的組合圖案。為此,各饋電網絡具體可包括例如基于Butler矩陣網絡的多端口垂直面饋電網絡。
            最優選地,所述/各個饋電網絡包括用于適當分配饋送給相應天線節的功率的功率分配部件。在一種實現中,功率在天線節之間相等地分配,特別是在它們相同的情況下。類似地,如果這些節或部分節不是相同的,則功率可經過分配,以便在多節天線裝置上為每個單位長度提供相等功率分布。這些類型的饋電網絡在使天線增益為最大的方面極為有效。如果與增益不同的參數、如旁瓣電平是重要的,則可相應地控制或優化功率分布。單獨或以任何組合用于波束成形或波束整形的部件可用于控制幅度錐度、相位錐度、天線節電氣和/或機械傾斜、天線節之間的間距其中的一個或多個,或者提供不同的極化。
            根據本發明的一些實施例,這些部件用于波束成形或波束整形,以便控制輻射圖,使得在某些方向、例如主波束和旁瓣之間或者旁瓣之間的一個或多個“空白”、即極低的天線增益或者完全沒有信號可被“填充”,即增益下降減小到可接受電平或者完全被抑制。
            以上提到的部件的任一個可單獨或者以相互之間的不同組合來使用。具體來說,相位可不同地分布于不同的天線節(提供相位錐度),功率可不相等地分布于不同的節,因而提供幅度錐度,節可按照不同方式傾斜(機械和/或電氣上),天線節可以不同方式位移和/或不相同。可采用具有不同極化的其它輻射圖。
            空白填充可通過適合于相干應用的任何組合與波束傾斜結合。
            應當清楚,多節天線裝置用于發送或接收或者發送和接收。
            在一個實現中,裝置包括安裝在公共天線竿上的三個天線節。更一般來說,它可包括在公共天線竿或其它結構上的2與6之間的或者在某些情況下更多的天線節。
            具體來說,如上所述的裝置用于蜂窩移動通信系統的無線電基站。
            因此,本發明還提出一種用于控制包括多個天線節的天線裝置中的波束成形的方法,各天線節包括可排列成子陣列的多個輻射元件。在以上所述并且包括基本上沿直線、例如在天線竿或其它某種結構上安裝的至少兩個天線節的天線裝置中,該方法包括以下步驟通過饋電網絡對天線節饋電;控制饋電,優選地同時把各個波束傾斜以機械和/或電氣方式應用于相應天線節,和/或控制天線節相互之間的布置和/或相應天線節的形狀/大小,以便控制增益和/或波束形狀。
            具體來說,該方法包括以下步驟采用饋電網絡,補償通過經由為其配備的天線節所得到的機械傾斜和/或電氣傾斜引起的相前從相應天線節的位移。
            此外,該方法有利地包括以下步驟把各個時間延遲和/或相移應用于相應的天線節饋電信號,以便提供電氣波束傾斜或空白填充。在一個具體實施例中,該方法包括以下步驟采用第一饋電網絡,以便利用饋電(RF)信號向天線節饋送第一極化;以及采用第二饋電網絡,以便利用相同饋電(RF)信號向天線節饋送第二極化。具體來說,該方法則包括以下步驟采用多端口垂直面饋電網絡,例如基于Butler矩陣網絡為各極化提供多個波束。具體來說,該方法包括手動控制饋電網絡裝置的步驟。或者,該方法包括通過遠程控制單元等遠程控制饋電網絡裝置的步驟。饋電網絡裝置還可自動控制。


            下面將參照附圖以非限制方式進一步描述本發明,附圖包括圖1說明根據現有技術、以機械方式傾斜的天線裝置,圖2說明根據本發明的一個實施例的天線裝置,其中,天線裝置由分別以機械方式傾斜的三個天線節組成,圖3說明用于對包括功率分配器和固定相移的三個天線節饋電的饋電網絡的第一實現,圖4說明向三個獨立天線節提供功率分配并且包括可變相移部件的饋電網絡的第二實施例,圖5說明包括功率分配部件并且包括可變時間延遲部件的饋電網絡的第三實施例,圖6說明根據本發明、具有包括功率分配部件和時間延遲部件的饋電網絡的天線裝置的另一個實施例,圖7完全示意說明根據本發明的天線裝置的又一種實現,其中,天線節相互之間不相等地位移,圖8說明根據本發明的天線裝置的又一個實施例,其中使用不相同、即不同的天線節,圖9說明具有電氣傾斜天線節的天線裝置,圖10是簡圖,說明具有電氣和機械傾斜的天線裝置與僅具有電氣傾斜的天線裝置相比的波瓣,圖11是由無線電基站上的天線裝置所提供的輻射圖的截面圖,并且其中具有帶有或沒有空白填充的垂直面中的窄波束,圖12是簡圖,說明其中三個相同的天線節具有不同的相對幅度錐度的裝置與沒有幅度錐度的裝置之間的比較,圖13說明輻射圖的簡圖,說明其中在天線節之間為了空白填充目的提供了相位錐度的裝置與其中錐度是一致的裝置之間的比較,圖14說明結合用于空白填充的幅度錐度實現機械傾斜的裝置與沒有機械傾斜和幅度錐度的裝置相比的輻射圖,圖15是除了電氣傾斜之外還包括天線節之間的相位錐度的裝置與其中沒有電氣波束傾斜以及沒有相位錐度的裝置相比的輻射圖的簡圖,圖16說明簡圖,說明其中為了空白填充的目的以不同方式位移天線節(對照圖7)的裝置與具有均勻間距的裝置相比的輻射圖,圖17說明根據本發明的實施例、具有雙極化天線節的天線裝置,以及圖18是簡圖,表明空白填充在應用傾斜時沒有降級。
            具體實施例方式
            為了進一步理解本文獻,簡要說明所使用的術語。本文中天線元件表示獨立的輻射元件;但是,術語“輻射元件”主要用于本文獻。本文中的子陣列表示一組天線元件、即輻射元件,它們以相互之間具有某種關系的方式排列。它們通常設置在直線上,在相應天線元件或輻射元件之間具有相等或不相等的間距。天線節為物理單元。例如,它可能是現貨供應的天線或者專門為了提供多節天線而制造的天線節。天線節可產生一個或多個波束,例如雙極化天線。具體來說,每個波束有一個RF連接器。天線節可能是市場出售的天線,例如具有45°、60°或90°方位角射波束寬度度的扇形天線。但是,它也可以是專門設計的天線節。
            在根據本發明的天線裝置或者更簡單地來說為多節(即至少兩個節)天線中,一定數量或者一組獨立天線節經過排列,使得它們相互之間具有某種關系。一般來說,它們設置在基本上的直線上,在不同實施例中,間距在相應天線節之間可能相等或者不同。另外,根據不同的實施例,天線節可能相同或不同,或者多節天線裝置中的天線節的一部分可能相同,而其它的則不同。
            本發明的基本概念是,通過采用兩個或兩個以上獨立天線節、或者更一般來說可能是市場出售的以及為此目的專門設計的、并且連接到饋電網絡的天線,來提供長天線或者長天線裝置,具體來說用于蜂窩移動通信系統中。一般來說,機械上更長的天線將提供更高增益因而提供擴展覆蓋,而無需改變方位角射波束寬度度。根據不同的實施例,可結合波束的機械和/或電氣傾斜,例如以便使路徑增益為最大和/或減小相鄰小區中可能產生的干擾。但是,本發明不限于任何具體種類的傾斜的提供或者沒有傾斜。總之,根據基本概念,如果傾斜以任何方式產生,它還可用于其它目的。下面將參照附圖。
            圖1說明現有技術的天線裝置1000,其中包括連接到天線竿400并由饋電網絡(未示出)在饋電電纜300上饋電的天線100。所示天線100通過機械傾斜裝置500來傾斜。但是,這樣一種天線裝置遇到本文獻中先前提到的缺點。
            圖2說明根據本發明的天線裝置100,它包括全部基本上沿直線連接到天線竿40的三個天線節101、102、103。天線節101、102、103通過經由饋電電纜211、212、213所連接的饋電網絡20饋電,其中的饋電電纜211、212、213在此具有不相等長度,以便補償通過不同的天線節來自公共饋電點以及至預期波束方向62上的遠場的RF路徑的相位偏差。公共的主饋電電纜30對饋電網絡饋電。在這個實施例中,天線節101、102、103通過機械傾斜部件501、502、503以機械方式傾斜,并且它們可提供用于其它種類的傾斜,即,天線節波束方向無需與多節天線裝置的預期波束方向62重合。附圖中的虛線61說明補償之后來自天線節的公共相前。在這個實施例中,假定所有天線節是不相等的,以及它們之間的間距是不相等的,并且它們不是以完全相同的方式機械傾斜。這是根據本發明實現的波束成形或波束整形的一種方式。
            一般來說,饋電網絡20可按照不同方式工作,并且由包括在饋電網絡中或者饋電網絡可按照某種方式連接到其中的控制部件來控制;控制可根據實現手動或遠程執行。
            在相應天線節之間分布功率的最簡單且最直接的方式是當天線節相同時在其之間相等地分配功率。如果天線節不是相同的,則功率例如可采用功率分配器進行分配,以便在天線裝置上為每個單位長度提供相等功率分布。這樣一種饋電網絡在使天線裝置的增益為最大的方面是有效的。
            但是,與增益不同的其它參數、如旁瓣電平可能極為重要,根據不同的實施例,饋電網絡(信號分發)可對于這類其它的參數也被優化或者僅對于這類參數被優化。
            下面更透徹地說明,存在用于執行波束成形或波束整形的若干部件。可采用的部件或動作的一部分是例如通過提供天線節之間不等距間距以及通過混合極化來提供幅度錐度、相位錐度、天線節傾斜(在每節的級上)。
            如上所述,用于在相應天線節之間分發信號的饋電網絡可具有不同的復雜度,來自非常簡單的饋電網絡的一切只是包括如圖3所示的(相等)功率分配器(和固定相移),在其中,饋電網絡20A包括具有連接到相應天線節(未示出)的不同長度的饋電電纜21A1、21A2、21A3的功率分配器/組合器,其中的公共饋電電纜30A對饋電網絡20A饋電。
            圖4說明饋電網絡20B的另一個實例,它略微更為復雜,并且包括通過相等長度的饋電電纜21B1、21B2、21B3連接到相應天線節(未示出)的可變的不相等功率分配器/組合器和可變移相器22B1、22B2、22B3。如同前一個實施例中那樣,饋電網絡通過一個饋電電纜30B饋電。
            圖5說明更為復雜的饋電網絡20C的又一個實現,其中包括用于通過具有相等長度的饋電電纜21C1、21C2、21C3適當延遲對相應天線節(未示出)的相應饋電信號的可變不相等功率分配器/組合器和可變時間延遲部件22C1、22C2、22C3。饋電網絡20C通過饋電電纜30C饋電,如同先前的實施例中那樣。如前面所述,饋電網絡中的幅度和時間延遲設定的控制可通過可結合在饋電網絡中的控制系統(未示出)手動或者遠程執行。
            圖6說明采用與圖5所述的饋電網絡相似的饋電網絡的天線裝置200,其中包括可變時間延遲部件(τ1、τ2、τ3)22D1、22D2、22D3。但是,饋電網絡20D通過相等長度的饋電電纜21D1、21D2、21D3連接到相等且等距連接的三個天線節10D1、10D2、10D3。(根據未示出的另一個實現,能夠通過采用預定長度的電纜來取得所要求的時問延遲。)在這里假定天線節10D1、10D2、10D3以角度α同樣地機械傾斜。
            與垂直軸的機械傾斜角α是相同的,以及通過附圖中的虛線(24D1、24D2、24D3)所示的各天線節的相前是平行的,因為假定在各天線節內沒有電氣波束傾斜。源自相應天線節的機械傾斜的相前之間的偏離需要補償,以便取得各天線節的復雜輻射圖的相干重疊。與差異是通過純機械傾斜、純電氣傾斜還是它們的組合所產生無關,天線節之間的相前的位移可能因相應的時間延遲而引起。對于最大信號電平,天線節n的時間超前表示為τn=dntan(α)/cdn是相位中心之間的距離,以及c是光速。
            對于與圖4相似的、采用移相器的饋電網絡,相應的相位超前將表示為Φn=2πdntan(α)/λλ是RF信號波長。
            相位超前通常實現為Φn模2π弧度(360°)。
            圖7示意說明根據本發明的天線裝置300的另一個實現。三個基本上相同的天線節10E1、10E2、10E3基本上沿直線、例如在天線竿40E上安裝。但是,在這種情況中,相應天線節之間的距離是不同的,以及天線節10E3可被說成相對天線節10E2位移。天線節10E2與10E3之間的距離例如是相同方向上的天線節10E1與10E2之間的距離以及天線節10E3的長度(它在這種情況中與其它天線節的長度相同)的一半之和。天線節10E1、10E2、10E3經由電纜21E1、21E2、21E3連接到通過饋電電纜30E饋電的饋電網絡20E。無疑還可行的是,具有不同大小的天線節,即,它們是不相同的(它們還可能是在除了大小之外的其它方面不相同),可采用兩個相同的,而第三個不同,等等。大小以及天線節間隔方面的任何變化原則上是可行的。毫無疑問,對于三個節的使用沒有限制,也可能有更多節(以及在其它實施例中有更少節,它們不提供相應天線節之間的至少兩個不同的距離)。
            在圖8中,公開又一個實施例,說明天線裝置400,它在這里也包括三個天線節10F1、10F2、10F3,它們經由饋電電纜21F1、21F2、21F3通過饋電網絡20F饋電,饋電網絡20F又由饋電電纜30F饋電。但是,在這種情況中,天線節是不相同的,在這個具體情況中,假定天線節10F1和天線節10F3是相同的,而天線節10F2則更大。對于具有至少兩個天線節的裝置,可采用具有不同大小的天線節。天線節10F1無疑可具有另一種大小或者天線節10F3。任何變化原則上是可行的。在圖8中,距離在相應天線節之間是相同的;另外,距離無疑還可能與以上所述的不同。還應當清楚,雖然在所有所述天線裝置中僅表示了三個天線節,但實際上,在任何或者幾乎所有情況中,可行的是,例如具有兩個天線節、四個天線節、五個、六個、七個或八個或者任何適當數量的天線節,但是為了清楚起見,這在任何附圖中沒有明確表示。
            如上所述,為了不同的原因,往往希望能夠使波束相對于(虛擬)安裝平面的法線傾斜。一般來說,使波束傾斜的目的是把輻射功率引導向小區中的預期位置。例如由于高天線竿或者因地形的高度變化,當水平線或小區邊界“低于基站上的水平平面”時,例如可能需要波束傾斜。使波束傾斜的另一個原因可能在于,天線裝置應當沿非垂直軸安裝。
            波束傾斜是當前饋電網絡中眾所周知且常用的技術。一般來說,存在兩種不同的實現,即電氣傾斜,在其中,波束對照圖5、圖6、通過在天線上應用時間延遲、或者對照圖4通過相移來傾斜;另一個實現是機械傾斜,在其中,天線在物理上安裝,例如以便實現預期波束方向。這兩種技術還可結合,從而提供附加靈活性以便控制天線裝置的屬性和特性。但是,根據本發明,正是天線節被應用了時間延遲或相移,或者以特定方式電氣安裝,即,電氣和/或機械波束傾斜不僅涉及單個天線、即一個節,而且還涉及兩個或兩個以上獨立的天線節。除此之外,各天線節還可能預先配備內置電氣波束傾斜部件,即天線可被說成是預傾斜。
            因此,根據本發明(如果實現傾斜),各天線節分別被傾斜,或者,如果存在兩個以上天線節,則無疑可行的是,一般使天線節中的例如兩個傾斜,而另一個天線節(或者更多)分別被傾斜。
            如上所述,在饋電網絡中補償當天線節分別被傾斜時發生的相前的位移。
            由于對每個天線節提供了機械傾斜或者至少兩個天線節分別被傾斜的事實,與使整個結構、即整個天線在機械上傾斜(對照圖1)時相比,能夠獲得更緊湊的安裝。一個具體優點在于,從強風產生的扭矩被減小,同時能夠提供更有美感的安裝。
            下面將以略微更詳細的方式來描述電氣傾斜。
            首先,如果對于這種傾斜部件預先配備了天線節,則電氣傾斜可通過在各天線節內分別應用電氣傾斜來實現。則必須在饋電網絡中補償從電氣傾斜操作產生的相前從各個天線節的位移,與以上所述的等式相比。毫無疑問,在這種情況中,(與提供機械傾斜時相似),也能夠僅對天線裝置的有限數量的天線節分別應用相應傾斜,或者對所有或者僅對有限數量應用相等傾斜,或者對所有節應用不同傾斜。任何變化原則上是可行的。
            另一種方式是提供天線節之間的電氣傾斜。在實現為根據子陣列轉向、每個子陣列僅采用一個或幾個天線元件時,長天線的電氣波束傾斜將需要大量硬件。根據本發明,硬件的數量通過應用天線節級上的電氣轉向被顯著減小。波束傾斜則可通過僅在饋電網絡中引入適當的時間延遲或相移來應用。
            圖9示意說明天線裝置500,闡述其中對各天線節應用某種電氣傾斜的這樣一種實施例。因此,適當的時間延遲和/或相移被引入饋電網絡20G,饋電網絡20G通過長度不相等的饋電電纜21G1、21G2、21G3分別對各個天線節10G1、10G2、10G3饋電。除了僅補償相前的偏離之外,饋電網絡還可應用與各個天線節所提供的不同的預期波束傾斜。這個波束傾斜范圍由于柵瓣的開始而受到限制,因為天線節距離很大。
            應當清楚,機械傾斜和電氣傾斜可按照任何方式結合。
            圖10是簡圖,描述單位為dB的相對功率對Θ°,Θ在以下圖11中定義。此圖(圖10)涉及天線裝置(未明確示出)的一個實例,其中包括具有間隔0.82波長的八個天線元件的四個天線節。在圖中,實線(IE)描述僅具有天線節的電氣傾斜的三度波束傾斜的輻射圖,而虛線(IE+M)說明天線節的組合電氣和機械傾斜。因此,實線說明對于具有掃描波束三度(各天線節中沒有電氣波束傾斜)的各天線節的相位設定的情況的主波束和第一旁瓣。柵瓣因大間距而產生。如果天線節相對天線節的相位設定在機械上傾斜三度,則可避免柵瓣,與以上所述的虛擬相比。
            特別是垂直面中的扇形天線的輻射圖的特征在于具有主波束和旁瓣。主波束與相應旁瓣之間以及旁瓣之間的極低增益往往稱作“空白”。這些空白通常在n乘以半功率波束寬度處出現,n為整數。這些所謂的空白方向上的低天線增益產生低路徑增益,它嚴重影響基站與終端之間或者終端與基站之間的傳送。
            對于具有常規(寬)垂直面波束寬度的天線,通常是最嚴重的、低于主波束的第一空白的方向對應于距遠不及到小區邊界的地點的距離。因此,低天線增益通過低路徑損失來補償,并且在移動系統中沒有傳送問題。
            另一方面,對于通常具有垂直面中的很窄波束寬度的高增益天線,結果是,與小區范圍相比,第一空白比較接近對應于較大距離的主波束發生。這意味著,較低的天線增益不會通過較低的路徑損失來充分補償。這可能導致小區內的某些區域中的不良覆蓋。極為重要的是,傳送信號覆蓋整個小區(或者小區的盡可能多的部分)。因此,為了防止不良覆蓋,可應用稱作“空白填充”的技術。這意味著,輻射圖經過設計,使得在某些或者具體來說為某些所選空白方向中的增益下降限制到可接受電平。
            因此,對于常規的短天線,出現“空白”的問題不是如此嚴重,因為它們具有寬波束,而對于具有垂直面中的窄波束寬度的高增益天線,這個問題將嚴重得多。
            圖11是垂直面相交,說明來自具有高增益天線裝置10’、因而具有垂直面的窄波束寬度的基站10D的輻射圖。BNF、即虛線說明具有送往例如沿虛線設置的終端MS的空白、即沒有空白填充的輻射圖。BF0(實線)說明低于主波束的第一空白的填充,即,已經實現某種空白填充,因而使得能夠讓MS與基站進行通信,這在沒有空白填充時不是可能的。Θ是基本上垂直的、并且天線裝置10’安裝在其上的直線與主波束的中心之間的角度。
            可實現若干不同的技術,以便實現空白填充,并且適用于高增益天線。
            為了減小輻射圖中的空白,不相等的功率分布可提供給相應的天線節。圖12是簡圖,說明對于包括具有0dB、-3dB和-6dB的相對幅度錐度的三個相同天線節的天線裝置(未示出),與沒有實現幅度錐度時相比、即實線IIAN,具有采用幅度錐度的空白填充、即虛線IIAT的單位為dB的相對功率對Θ°的輻射圖(Θ如圖11中定義)。在這個裝置中,假定各天線節由間隔0.82波長的八個輻射元件組成。應當清楚,該裝置例如可與本申請中先前所述的機械和/或電氣傾斜結合。
            圖13是簡圖,描述對于提供空白填充并且基于天線節之間的不相等相位分布的使用的另一個裝置的輻射圖、單位為dB的相對功率對圖11中定義的Θ,這因而描述了用于減小輻射圖中的空白的另一方法。在該裝置(未示出)中,假定采用三個相同的天線節,例如與圖12的裝置相似,但是在這里沒有幅度錐度而是具有0°、-30°和0°的相對相位錐度。在圖中,虛線IIIPT涉及與均勻錐度、即實線IIIUT、即沒有任何空白填充相比具有相位錐度的實現。
            或者,能夠使天線裝置的天線節以不同方式在機械上傾斜,以便減小輻射圖中的空白。
            圖14示意說明對于其中參照圖12、圖13所述的三個天線節相對垂直平面以0°、0°和+2°在機械上傾斜α的裝置、作為單位為dB的相對功率對Θ的輻射圖。與圖12的實施例相似,添加為0dB、0dB、-6dB的相對幅度錐度。圖中的實線說明沒有機械傾斜以及沒有幅度錐度的相應裝置IVUT,而虛線IVM+AT則涉及包括機械傾斜和幅度錐度的上述實施例。
            在其它實現中,輻射圖中的一個或多個空白可通過以不同方式在電氣上使天線節傾斜來減少。在一個有利實施例中,所選傾斜與天線節之間的相位錐度結合。
            在圖15中,說明一個簡圖,描述包括電氣傾斜0°、0°和+1°的三個天線節的上述裝置的輻射圖,在其中,除此之外,還應用0°、0°和20°的相對相位錐度。虛線VE+PT說明包括電氣波束傾斜和相位錐度的裝置的相對功率,而實線VUT則是與其中沒有應用波束傾斜以及相位錐度的對應裝置的比較。
            另外的空白填充可通過采用天線節之間的不相等間距來實現,如參照圖7所示及所述。
            圖16是簡圖,描述與說明沒有位移時的輻射圖的實線VI0相比,當一個天線節位移與參照圖7所述的半節的長度或寬度對應的長度時的情況的輻射圖(虛線VID)。大家清楚,其它天線裝置可采用其它天線節間距來實現。
            從各圖中可看到,空白可通過實現上述空白填充技術的任一個有效地減少。但是,還能夠實現其它空白填充技術;例如,輻射圖中的空白可通過連接不相同天線節來減少,對照圖8。
            另外,輻射圖中的空白可通過連接具有不同(雙)輻射圖極化的天線節來減小。
            還可提供不相同(雙)極化用于波束成形,以及圖17說明具有安裝在天線竿40H等上以及經由具有不相等長度的饋電電纜21H11、21H12、21H13連接到包括功率分配器/組合器的第一饋電網絡20H1、并且還經由也具有不相等長度的饋電電纜21H21、21H22、21H23連接到包括功率分配器/組合器的第二饋電網絡20H2的三個雙極化天線節10H1、10H2、10H3的天線裝置600。饋送RF信號的第一饋電網絡20H1又通過饋電電纜30H1饋電,該信號經由第一極化來發送/接收,而饋電電纜30H2采用經由第二極化發送/接收的RF信號對第二饋電網絡20H2饋電。因此,兩個分開的饋電網絡20H1、20H2向整個天線裝置饋送兩個極化。饋電網絡20H1、20H2可分別優化,以便提供相應極化的特定預期垂直面波束圖。
            在一個實施例中,兩個輻射圖設計成具有互補垂直面覆蓋,使得當兩個極化采用相同RF信號來饋送時,作為兩個極化特定圖案的功率總和的組合圖案被產生,功率合計圖案具有預期特性的新集合、例如沒有空白深度。
            通過采用多端口垂直面饋電網絡,例如根據Butler矩陣網絡,可為各極化提供多個波束,由此允許兩個或兩個以上波束采用極化特定輻射圖的上述功率求和來產生。
            圖18是簡圖,描述具有與電氣波束傾斜結合的空白填充的輻射圖、即虛線VIIPT+BT,與其中沒有實現波束傾斜的實線相比。圖18中所示的裝置(未示出)描述在其中空白填充技術與波束傾斜結合的一個實施例。空白填充在這里僅采用四個相同天線節之間的相位錐度來實現,其中各天線節包括八個輻射元件。主波束以下的第一和第二空白被填充,以及波束可通過在對第一填充空白幾乎沒有任何影響的天線節之間應用相位梯度來電氣掃描。
            因此,應當清楚,本發明的概念可按照大量方式來改變,而沒有背離所附權利要求的范圍。還應當清楚,本發明不限于任何具體數量的天線節,而是根據應用,可存在2、3、4、5、6、7、8等。它也不限于天線節中的具體數量的輻射元件,并且它們可按照許多不同種類或大小來提供。
            許多其它的不同傾斜和/或空白填充技術可按照任何預期方式結合,以及機械和電氣傾斜可按照任何適當方式結合,天線節中的一個或多個之間的距離可能改變;只有兩個或者三個天線節之間可能是不同的,或者任何對天線節之間可能是不同的,以及天線節可能是相同的,例如不同天線節的不相等子陣列長度或者可能不是,并且不同的大小可與不同的距離以及不同程度的機械傾斜結合。作為補充或替代,天線節的部分(或全部)可包括內置電氣傾斜和/或通過前面所述的其它方式提供的電氣傾斜,或者可實現任何種類的空白填充和雙極化。另外,在其它方面,本發明不限于具體所述的實施例。除了本文獻中提到的其它優點之外,還有一個優點在于,天線裝置可安裝在不同種類的結構上,不規則的或規則的,具有給定形狀,垂直或傾斜等。
            權利要求
            1.一種天線裝置(100;200;300;400;500;600),包括天線節,所述天線節包括可排列成陣列或子陣列的多個輻射元件,其特征在于它包括至少一個另外的天線節,所述至少兩個天線節(101,102,103;10D1,10D2,10D3;10E1,10E2,10E3;10F1,10F2,10F3;10G1,10G2,10G3;10H1,10H2,10H3)基本上沿直線、非直線或者不規則地安裝在安裝結構(40;40D;40E;40F;40G;40H)上,它包括饋電網絡裝置(20;20A;20B;20C;20D;20E;20F;20G;20H1;20H2),用于對所述至少兩個天線節(101,102,103;10D1,10D2,10D3;10E1,10E2,10E3;10F1,10F2,10F3;10G1,10G2,10G3;10H1,10H2,10H3)饋電,其中具有饋電網絡控制部件,用于控制天線節(101,102,103;10D1,10D2,10D3;10E1,10E2,10E3;10F1,10F2,10F3;10G1,10G2,10G3;10H1,10H2,10H3)的饋電,從而允許波束成形控制。
            2.如權利要求1所述的天線裝置(200;300;400;500;600),其特征在于所述數量的天線節中的至少兩個基本上是相同的。
            3.如權利要求2所述的天線裝置(200;300;400;500;600),其特征在于所有天線節基本上是相同的。
            4.如權利要求1或2所述的天線裝置(100;400),其特征在于至少兩個天線節(101;102;103;10F1,10F2,10F3)是不相同的、即不同。
            5.如權利要求1所述的天線裝置(100),其特征在于所有天線節是不相同的(101,102,103)。
            6.如權利要求1-5中任一項所述的天線裝置(200;400;500;600),其特征在于所述天線節經過安裝,使得相應的相鄰天線節之間的間距基本上相等。
            7.如權利要求1-5中任一項所述的天線裝置,其特征在于所述天線節經過安裝,使得相應的相鄰天線節之間的間距不同。
            8.如以上權利要求中任一項所述的天線裝置,其特征在于所述天線節包括傳統的扇形天線,例如具有45°、60°或90°方位角的射波束寬度度。
            9.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于所述饋電網絡裝置(20;20A;20B;20C;20D;20E;20F;20G;20H1;20H2)包括用于可變地控制所述天線節之間的相位和/或幅度、因而提供相位和/或幅度錐度的部件。
            10.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于它包括用于使波束相對于在其中安裝用于支撐所述天線節的支撐部件、例如天線竿的實際或虛擬安裝平面的法線傾斜的部件。
            11.如權利要求10所述的裝置,其特征在于所述用于使波束傾斜的部件包括用于以機械方式使所述天線節傾斜的機械傾斜部件。
            12.如權利要求11所述的裝置,其特征在于以機械方式分別使至少兩個、優選地為全部天線節傾斜。
            13.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于以電氣方式使所述天線節中的至少一部分預傾斜,即,包括“內置”傾斜,它對于不同的天線節可以是相同的或不同的。
            14.至少如權利要求10所述的裝置,其特征在于所述用于使波束傾斜的部件包括用于以電氣方式使天線節傾斜的部件。
            15.如權利要求14所述的裝置,其特征在于所述用于以電氣方式使天線節傾斜的部件能夠分別使各個天線節傾斜,即,包括用于分別和獨立地控制各個天線節的部件。
            16.如權利要求15所述的裝置,其特征在于所述饋電網絡裝置包括相位延遲部件(22B1,22B2,22B3)和/或時間延遲部件(22C1,22C2,22C3),以及天線節的電氣傾斜通過對相應天線節引入相位延遲和/或時間延遲來實現。
            17.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于所述饋電網絡裝置包括兩個饋電網絡(20H1,20H2),各以相應的不同極化對天線節饋電。
            18.如權利要求17所述的裝置,其特征在于相同信號用來饋送第一和第二極化,所述相應饋電網絡(20H1,20H2)包括用于控制相應極化的垂直面波束圖的控制部件,具體來說,以便獲得具有互補垂直面覆蓋的相應極化的垂直面波束圖,使得產生作為所述相應垂直面波束圖的功率總和的組合圖案。
            19.如權利要求18所述的裝置,其特征在于各饋電網絡(20H1,20H2)包括例如基于Butler矩陣網絡的多端口垂直面饋電網絡。
            20.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于所述/各個饋電網絡包括用于適當地分配饋送給所述相應天線節的功率的功率分配部件。
            21.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于它包括波束成形部件,用于控制輻射圖,使得增益可被控制,以便限制至少在一個所選方向上的增益下降,即,提供所述至少一個方向上的“空白填充”。
            22.至少如權利要求21所述的裝置,其特征在于所述波束成形部件包括用于以機械和/或電氣方式使所述波束傾斜的一個或多個部件。
            23.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于所述天線節經過如此設置,使得所述輻射圖可被控制,使得增益下降可在至少一個所選方向上被限制/防止。
            24.如權利要求23所述的裝置,其特征在于至少一個天線節不同于其它天線節中的一個或多個,和/或至少一個天線節經過如此設置,使得到相鄰天線節的距離不同于至少兩個其它天線節之間或者所述天線節與另一個相鄰天線節之間的距離。
            25.如權利要求21-24中任一項所述的裝置,其特征在于所述饋電網絡裝置包括兩個分開的饋電網絡(20H1,20H2),各饋電網絡以雙極化對所述天線節中的每個饋電。
            26.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于所述天線節(101,102,103;10D1,10D2,10D3;10E1,10E2,10E3;10F1,10F2,10F3;10G1,10G2,10G3;10H1,10H2,10H3)包括分開的單元。
            27.如權利要求1-26中任一項所述的裝置,其特征在于它包括2、3、4、5、6或7個天線節,它們安裝在公共天線竿或者其它任何安裝結構(40;40D;40E;40F;40G;40H)上。
            28.如以上權利要求中任一項所述的裝置,其特征在于它被用來發送或者用來接收或者用來發送和接收信號。
            29.如以上權利要求中任一項所述的天線裝置,其特征在于所述天線節可安裝在非平面的表面上,所述天線節例如采用不相等取向來安裝。
            30.蜂窩移動通信系統的無線電基站中如權利要求1-29中任一項所述的裝置的使用。
            31.一種用于控制包括多個天線節的天線裝置中的波束成形的方法,各天線節包括可排列成子陣列的多個輻射元件,其特征在于至少兩個天線節基本上沿直線或者不規則地安裝在安裝結構上,以及所述方法包括以下步驟-通過饋電網絡對所述天線節饋電,-控制所述饋電,同時以機械和/或電氣方式把獨立波束傾斜應用于相應天線節,以便控制增益和/或波束形狀。
            32.如權利要求31所述的方法,其特征在于它包括以下步驟-采用所述饋電網絡補償由機械傾斜和/或電氣預傾斜引起的相前從相應天線節的位移。
            33.如權利要求31或32所述的方法,其特征在于它包括以下步驟-把各個時間延遲和/或相移應用于相應天線節,以便提供電氣波束傾斜。
            34.如權利要求31-33中任一項所述的方法,其特征在于它包括以下步驟-在所有天線節中采用第一饋電網絡把信號饋送給具有第一極化的元件,-在所有天線節中采用第二饋電網絡把相同信號饋送給具有第二極化的元件。
            35.如權利要求34所述的方法,其特征在于它包括以下步驟-采用多端口垂直面饋電網絡,例如基于Butler矩陣網絡為各極化提供多個波束。
            36.如權利要求31-35中任一項所述的方法,其特征在于它包括以下步驟-手動或者經由遠程控制單元來控制所述饋電網絡裝置。
            全文摘要
            本發明涉及包括天線節的天線裝置(100),所述天線節包括可排列成陣列或子陣列的多個輻射元件。它還包括至少一個另外的天線節,所述至少兩個天線節(101,102,103)基本上沿直線、非直線或者不規則地安裝在安裝結構(40)上。它包括用于為所述至少兩個天線節(101,102,103)饋電的饋電網絡裝置(20),其中具有饋電網絡控制部件,用于控制天線節(101,102,103)的饋電,從而允許波束成形控制。
            文檔編號H01Q21/00GK101076923SQ200480044574
            公開日2007年11月21日 申請日期2004年12月13日 優先權日2004年12月13日
            發明者A·德納伊德, S·彼得森, S·約翰遜, M·N·約翰遜 申請人:艾利森電話股份有限公司
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