專利名稱：微帶天線陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于蜂窩通信系統基站的天線，更具體地涉及微帶天線陣列，它通過增加天線增益和通過減少干擾問題改善基站性能。
背景技術：
蜂窩通信工業已在美國和世界的其它地區的商業經營上取得了非凡的進展。蜂窩通信的用戶數目在主要城市地區已遠遠超過預期結果并將超過系統容量。如果這個趨勢繼續下去，即使在最小的市場上，快速增長的效果將很快達到。因此需要有創新的解決辦法來滿足這些增長的容量需求以及保持高質量的服務和避免提高價格。而且，當蜂窩通信用戶數目增加時，與共信道干擾有關的問題變得越來越重要。
圖1顯示了在典型的蜂窩移動無線通信系統中的十個蜂窩區C1-C10。通常，蜂窩移動無線系統將以十個以上的蜂窩區來實施。然而，為了簡單起見，本發明可藉使用圖1所示的簡化表示來加以說明。對于每個蜂窩區，C1-C10，有一個基站B1-B10，它具有和相應的蜂窩區同樣的參考號碼。圖1顯示了位于蜂窩區中心附近的，且具有全方向性天線的基站。
圖1也顯示了九個移動臺M1-M9，它們可在蜂窩區內移動，并從一個蜂窩區移動到另一個蜂窩區。在典型的蜂窩無線系統中，通常將有多于九個的蜂窩移動臺。事實上，具有的移動臺的數目典型地為具有的基站數目的許多倍。然而，為了說明本發明的目的，減少數目的移動臺是足夠的。
在圖1上也顯示了移動交換中心MSC。圖1上所示的移動交換中心MSC通過電纜被連接到所有十個基站B1-B10。移動交換中心MSC也通過電纜連接到固定交換電話網或類似的固定網。在圖上未示出從移動交換中心MSC到基站B1-B10的所有電纜和從MSC到固定網的電纜。
除了圖上所示的移動交換中心MSC以外，還可以有另一個移動交換中心，它通過電纜連接到除圖1所示基站以外的基站。除了電纜，也可使用其它裝置，例如，固定的無線鏈路，來把基站連接到移動交換中心。移動交換中心MSC、基站和移動臺都是計算機控制的。
在傳統的蜂窩移動無線系統中，如圖1所示，每個基站具有全方向性的或定向性的天線，用來把信號廣播到基站所覆蓋的區域。因此，把給特定移動臺的信號廣播到全部覆蓋區域，而不管該移動臺的相對位置。在基站中，發射機可以對每個載頻有一個功率放大器。放大的信號被組合并連接到一個共用的天線，它具有寬的方位波束，例如覆蓋120°或360°。由于共用天線的寬波束，天線增益較低，而且沒有空間選擇性，這就引起干擾問題。
最新的技術集中在使用適合于放大由幾個載頻的組合信號的線性功率放大器，然后它再把組合信號饋送到也具有寬方位波束的共用天線。然而，這些系統也遇到干擾問題。圖2顯示了微帶天線，它是已開發的另一種天線類型。基本地，微帶天線由形成在介質基片12上的導電貼片10和與貼片10隔一定距離的接地面14組成。接地面可以做在基片12的反面，或者貼片和接地面之間的間隔可全部或部分地填充以空氣、泡沫材料或某些其它介質材料。通過使用熟知的帶線工藝，天線單元可在敷銅板上被光刻而成。多個單元可位于同一個敷銅層上。單元可由與單元在同一層上的或在另一層上的連接線16的饋電網絡進行串饋，并饋或兩者兼有。微帶天線的頻率和阻抗特性是天線尺寸、輸入饋電位置和基片介電常數的函數。另外，天線的極化靈敏度可以是垂直的、或水平的或兩者兼有的，取決于導電貼片10的布置。然后，由于微帶天線固有的窄工作頻帶特性，它們的使用一直受到限制。微帶天線單元只有相當窄的帶寬，典型地為2％-5％。較寬的頻帶的覆蓋可通過使用堆疊單元或縫隙耦合單元來達到。
在試圖減小接收信號的衰落變化時，今天的基站使用空間分集，其中兩個接收天線典型地間隔20或30個波長。然而，今天所使用的接收機分集采用窄波束高增益天線是不太有吸引力的，因為這些天線更昂貴，尺寸更大，引起了觀瞻問題和安裝問題。
發明概要本發明的一個目的是通過增加基站天線增益同時減小干擾問題來改善基站的性能。本發明的另一個目的是使線性功率放大器技術可供使用于基站。本發明的再一個目的是提供在基站的極化分集，它可，例如，替代空間分集設備。
按照本發明的一個實施例，揭示了在帶有至少一個基站和至少一個移動臺的移動無線通信系統中為基站所使用的天線。該天線包括微帶天線陣列，它是至少帶有兩列和兩行的微帶貼片矩陣。另外，還配有多個放大器，其中每個功率放大器連接到微帶貼片的不同的列。最后，波束形成裝置被連接到每個功率放大器以確定由微帶貼片列所產生的窄天線波束的方向和形狀。
按照本發明的另一個實施例，揭示了為基站和移動無線通信系統所使用的天線。該天線包括微帶天線陣列，它包括至少帶有兩列和兩行的微帶貼片矩陣。多個低噪聲放大器用來對由微帶天線陣列接收的信號進行濾波和放大，其中每個低噪聲放大器連接到微帶貼片的不同的列。波束形成裝置被連接到每個低噪聲放大器，以確定由微帶貼片列所產生的窄天線波束的方向和形狀。
附圖簡述本發明的以上的和進一步的目的以及新穎的特性可從結合附圖所作的以下的描述充分顯現出來。然而，應當明白，附圖只是用于說明的目的，而并不是想要規定本發明的界限。
圖1顯示具有蜂窩區、移動交換中心、基站和移動臺的蜂窩移動通信系統的一部分。
圖2顯示了微帶天線。
圖3顯示按照本發明的一個實施例的微帶天線陣列。
圖4顯示按照本發明的另一個實施例的另一個微帶天線陣列。
圖5顯示了按照本發明的另一個實施例的另一個微帶天線陣列。
圖6顯示了按照本發明的另一個實施例的另一個微帶天線陣列。
本
發明內容
的詳細描述本發明主要打算用于蜂窩通信系統的基站，雖然對于本領域的技術人員將會明白，本發明可被用于其它各種不同的通信應用。
按照本發明的一個實施例，如圖3所示，微帶天線陣列可被用來增加來自基站的信號的增益而同時降低貫穿系統的干擾。天線陣列30由形成在共用接地面34上面的微帶貼片陣列32組成。每一列上的單元由連接線40進行并聯、串聯或者兩者兼有。雖然圖3顯示了六列四行的貼片，但對于本領域的技術人員將會明白，天線陣列可由任意多個列和行的貼片組成。每列貼片在發射方向時被連到不同的功率放大器36，而在接收方向時被連到不同的低噪聲放大器42、如圖4所示。另外，每列貼片在發射方向時也可被連接到多個功率放大器，和在相反方向時可被連接到多個低噪聲放大器。而且，這些貼片列也可被連接到線性功率放大器。功率放大器和低噪聲放大器被連接到波束形成裝置38，它產生具有以想要的方向上的想要形狀的天線波束。天線陣列可產生多個窄的方位波束，其中天線波束的方向和形狀在波束形成裝置38中由在不同列之間的信號幅度和相位關系來確定。從而，基站可使用具有高增益的窄波束在基站覆蓋區域內廣播并接收來自移動臺的信號。
另一個重要考慮是希望壓縮每個天線波束的副瓣。波束成形可以以不同的方式來實現，例如數字波束成形、模擬波束成形或藉波束成形矩陣例如Butler矩陣來形成。模擬波束形成器通過引入與頻率無關的時延來操縱波束，而數字波束成形通常包括相位延滯，它在一個工作頻率上等效于時延。
數字波束成形系統通常對每個單元有一個比較簡單的接收機，它把頻率下變頻為I和Q(同相和正交)信道供A/D變換器使用。實時的波束成形藉助于在相乘/累加積分電路中把這些復數樣本組與適當的權因子相乘來進行。陣列輸出由下式構成 其中Vn＝來自第n信道的復數信號Wn＝權因子e-j2πn(d/λ)sinθ＝操縱的相移，以及Cn＝校正因子因為幾個原因，校正可能是必須的。這些原因包括單元的位置誤差，溫度效應以及在陣列中間的那些單元和在邊緣處的那些單元之間的性能上的差別。
因此，藉助于成形和定向窄天線波束，通過使用同一個天線，多個窄波束可被用來同時覆蓋一個大的扇區。本發明可使用自適應算法，以便為天線選擇最可行的權函數。一種這樣的自適應算法被公開揭示于美國專利申請No.08/95224，1994年2月10日提交，此處引用以供參考。
在天線陣列中，每列中的貼片是同極化的。極化可以是垂直的或水平的，或者是帶有兩個正交極化分量的雙極化。兩個正交分量可以是，例如，垂直和水平分量或對角極化分量。在同時的雙極化中，兩個正交極化信號對于每列可被分開組合，并被連接到射頻單元的分開的信道。組合信號的步驟可使用任何的已知組合方案，例如，選擇分集、最大比值組合等。然后，在發射和接收方向時，任意的橢圓極化狀態都可得到。由于衰落變化對于兩個正交極化是獨立的，因此極化分集可被用來取得進一步壓縮干擾源和減少衰落變化的可能性。這將去除使用空間分集的必要性。而且，由于分布功率放大時的高天線增益，本發明減小了來自每個功率放大器的運行的功率電平，因而放松了對線性功率放大器技術的要求。
該系統也可有如圖5和6所示的替代的放大器和波束形成裝置。放大器放大在信道中相應于特定天線波束的信號，其中波束的形狀和方向由在該時刻波束成形裝置權因子來確定。代替的系統具有這樣的優點，獨立信道不需要相關放大器。另外，由于每個放大器只和一特定信道有關，放大器的失效檢測就很容易。而且，藉助于把放大器放置在天線單元和波束形成裝置之間，波束形成裝置中的系統損耗被減小，輸出功率電平由于分布功率放大也被減小以及存在當放大器出現故障時系統性能適度降級的可能性。
對于本領域的技術人員將可看到，本發明可以以其它具體形式被體現而不背離本發明的精神和中心思想。因此，目前所揭示的實施例可被看作為在所有方面都是示意性的而非限制性的。本發明的范圍由附加的權利要求來表示而不是由以上的描述來限制，而且在本發明的等價物的意義和范圍內所作的所有改變也打算被包括在權利要求內。
權利要求
1.在帶有至少一個基站和至少一個移動臺的移動無線通信系統中為基站所使用的天線，包括微帶天線陣列，它包括帶有至少兩列和兩行的微帶貼片矩陣；多個功率放大器，其中至少一個功率放大器被連接到所述微帶貼片的每一列；以及波束形成裝置，被連接到每個功率放大器以確定由微帶貼片列所產生的窄天線波束的方向和形狀。
2.按照權利要求1的天線，其中所述微帶貼片具有垂直極化。
3.按照權利要求1的天線，其中所述微帶貼片具有水平極化。
4.按照權利要求1的天線，其中至少一個所述微帶貼片同時具有兩個正交的極化。
5.按照權利要求4的天線，其中對于正交極化方向的所述信號被給予幅度關系和相對相移， 以便產生任意橢圓極化狀態。
6.按照權利要求1的天線，其中至少一列微帶貼片具有垂直極化和至少一列微帶貼片具有水平極化。
7.按照權利要求1的天線，其中在每一列內的所述微帶貼片為得到仰角方向圖形狀而逐漸變細。
8.按照權利要求1的天線，其中所述波束成形通過模擬波束形成實現。
9.按照權利要求1的天線，其中所述波束成形通過數字波束形成實現。
10.按照權利要求1的天線，其中所述波束成形通過波束形成矩陣實現。
11.按照權利要求10的天線，其中所述波束成形矩陣是Butler矩陣。
12.按照權利要求1的天線，其中每列所述微帶貼片被連接到多個功率放大器。
13.在帶有至少一個基站和至少一個移動臺的移動無線通信系統中為基站所使用的天線，包括微帶天線陣列，它包括帶有至少兩列和兩行的微帶貼片陣；多個低噪聲放大器，其中至少一個低噪聲放大器被連接到所述微帶貼片的每一列；以及波束形成裝置，被連接到每個低噪聲放大器，以確定由微帶貼片列所產生的窄天線波束的方向和形狀。
14.按照權利要求13的天線，其中所述微帶貼片具有垂直極化。
15.按照權利要求13的天線，其中所述微帶貼片具有水平極化。
16.按照權利要求13的天線，其中至少一個所述微帶貼片同時具有兩個正交的極化。
17.按照權利要求16的天線，其中對于正交極化方向的信號被給予幅度關系和相對相移，以便產生任意橢圓極化狀態。
18.按照權利要求13的天線，其中至少一列所述微帶貼片具有垂直極化和至少一列微帶貼片具有水平極化。
19.按照權利要求13的天線，其中在每一列內的所述微帶貼片為得到仰角方向圖形狀而逐漸變細。
20.按照權利要求13的天線，其中所述波束成形通過模擬波束形成實現。
21.按照權利要求13的天線，其中所述波束成形通過數字波束形成實現。
22.按照權利要求13的天線，其中所述波束成形通過波束形成矩陣實現。
23.按照權利要求22的天線，其中所述波束形成矩陣是Butler矩陣。
24.按照權利要求13的天線，其中每列微帶貼片被連接到多個低噪聲放大器。
25.按照權利要求1的天線，其中所述天線陣列被用來發射和接收信號。
26.按照權利要求25的天線，其中所述天線陣列在同一個基片上具有用于發射和接收的分開的列。
27.按照權利要求13的天線，其中所述天線陣列被用來發射和接收信號。
28.按照權利要求27的天線，其中所述天線陣列在同一個基片上具有用于發射和接收的分開的列。
29.在帶有至少一個基站和至少一個移動臺的移動無線通信系統中為基站所使用的天線，包括微帶天線陣列，它包括帶有至少兩列和兩行的微帶貼片矩陣；波束形成裝置，被連接到所述天線陣列的每一列，以確定由微帶貼片列所產生的窄天線波束的方向和形狀；以及多個功率放大器，其中至少一個功率放大器被連接到所述波束成形裝置的每個輸出，以便放大特定的天線波束。
30.在帶有至少一個基站和至少一個移動臺的移動無線通信系統中為基站所使用的天線，包括微帶天線陣列，它包括帶有至少兩列和兩行的微帶貼片矩陣；波束形成裝置，被連接到所述天線陣列的每一列，以確定由微帶貼片列所產生的窄天線波束的方向和形狀；以及多個低噪聲放大器，其中至少一個低噪聲放大器被連接到所述波束形成裝置的每個輸出，以便放大特定的天線波束。
全文摘要
在帶有至少一個基站和至少一個移動臺的移動無線通信系統中的為基站所使用的天線被公開揭示。該天線包括微帶天線陣列，它具有至少帶有兩列和兩行的微帶貼片矩陣。此外，還配有多個放大器，其中每個功率放大器連接到不同列的微帶貼片。最后，波束形成器被連接到每個功率放大器，以確定由微帶貼片列所產生的窄天線波束的方向和形狀。
文檔編號H01Q21/06GK1150498SQ95193420
公開日1997年5月21日 申請日期1995年5月31日 優先權日1994年6月3日
發明者U·G·福爾森, J·E·伯格, B·G·約翰尼森 申請人:艾利森電話股份有限公司