專利名稱：稀疏陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及區(qū)域覆蓋通信系統(tǒng)中用于無線基站的具有最佳稀疏設(shè)計的天線陣列。
通過將Butler陣列連接到天線列可在方位面內(nèi)同時產(chǎn)生許多固定掃描的波束。隨著干擾瓣(也稱作柵格瓣)的產(chǎn)生，由于必須考慮反復(fù)的結(jié)構(gòu)性的增加相位，天線瓣的間距由最大掃描角決定。
設(shè)計天線的問題是陣列天線中的輻射元件的間距不得不小于一倍波長，以防止產(chǎn)生格柵(第二)瓣。在掃描波束的情況下，間距還要進(jìn)一步減小。在極端情況下，當(dāng)主波束掃描的角度非常大時(在移動通信基站的自適應(yīng)天線的情況下)，元件的間距需要減小到半波長或更小，以避免在可見的空間中產(chǎn)生格柵瓣。
輻射元件的網(wǎng)格通常是矩形(

圖1)或三角形(圖4)的。眾所周知，假設(shè)在相同的最大掃描角且不產(chǎn)生格柵瓣的情況下，與正方形網(wǎng)格相比，等邊三角形元件網(wǎng)格可使天線元件的數(shù)量減少13％。然而，這種元件網(wǎng)格對于一維多波束掃描陣列的情況并不是最佳的。例如，這可以在IEEE Trans.Antennas & Propagation，vol.AP-9，pp.126-129，March 1961中E.D.Sharp的“一種可減少所需數(shù)量的平面陣列元件的三角形排列”(“A triangular arrangement of planar-array elements that reduces thenumber needed”)中找到。
如圖1所述，在陣列天線中的輻射元件經(jīng)常放置在等邊矩形網(wǎng)格上。元件的間距在x軸方向表示為dx，在y軸方向表示為dy。通過由元件空間變換到波束空間，可以找到波束的方向。圖1所示的天線的波束對應(yīng)空間可以在圖2中找到。
在這種情況下，主波束的指向方向沿天線的法線。在可見空間外(即單位圓外)的波束組成了柵格瓣，只要波束不掃描并且元件的間距沿兩個軸的方向都小于一倍波長(λ/dx＞1且λ/dy＞1)，則它們不會出現(xiàn)在可見空間中。對于大的陣列，在矩形排列的網(wǎng)格中的輻射元件的數(shù)量由NR＝A/(dxdy)近似地給定，其中A是天線口徑的面積。
當(dāng)主波束沿x軸掃描時，在波束空間中的所有波束在正方向移動的量等于掃描角的正弦表達(dá)式的函數(shù)。對于在x方向的一維掃描的每個水平行，第二最大或柵格瓣表示如下xm=sin(θs)+m·λdx,m=±1,±2,...]]>其中xm是波瓣m的位置，θs是相對于陣列的法線的掃描角，dx是在水平面內(nèi)元件之間的距離。當(dāng)波瓣之間的距離為λ/dx時，可知在可見區(qū)內(nèi)不產(chǎn)生柵格瓣的掃描角的最大元件距離為dλ<11+sin(θmax)]]>在圖3所示的情況下，除了主波束之外第二波束(柵格瓣)進(jìn)入了可見空間。通過減小沿x軸的元件間距可以避免這種情況。當(dāng)元件間距小于半波長時(即λ/dx＞2)，因為|sin(θ)|≤1，所以與掃描角無關(guān)，沒有柵格瓣進(jìn)入可見空間。
圖4示出輻射元件放置在等邊三角形網(wǎng)格上。垂直元件間距定義為dy。對應(yīng)的波束空間如圖5所示。沿y軸的元件間距必須不大于 波長(即dy的最大值約為0.58波長，沿x軸2dx為一倍波長[等于 )，以避免在任意掃描角下產(chǎn)生柵格瓣。因此，當(dāng)輻射元件在等邊三角形網(wǎng)格上時的最佳元件間距dy為 波長。對于大的陣列，在等邊三角形排列的網(wǎng)格中的輻射元件的數(shù)量由NT＝A/(2dxdy)近似地給定(仍參看上述E.D.Sharp)。假定在相同的柵格瓣而不考慮掃描強度的情況下，與正方形網(wǎng)格相比，采用等邊三角形網(wǎng)格可減少(NR-NT)/NR＝13.4％。(NT=4A/λ2,NR=2A3/λ2.)]]>然而，仍存在對在陣列天線中的輻射網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化的需求，以得到用于通信基站天線的稀疏陣列天線，而不在可見空間中產(chǎn)生柵格瓣。
此外，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的稀疏陣列天線用于基站業(yè)務(wù)時，本發(fā)明可以利用掃描波束的電子下傾(down-tilting)來減小與通信網(wǎng)絡(luò)中的鄰近蜂窩的干擾。
通過附帶的獨立權(quán)利要求1、9和10以及從屬權(quán)利要求2到8定義的根據(jù)權(quán)利要求1的更多的實施例說明了根據(jù)本發(fā)明的一維掃描或多波束天線器件。
如圖6所示，當(dāng)采用三角形網(wǎng)格而不是矩形網(wǎng)格時，只在波束方向的最外側(cè)柵格瓣接近可視空間。在后一種情況下，中央波束受水平柵格瓣的影響最大(與圖3比較)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于以系統(tǒng)的觀點看，可降低對系統(tǒng)中最外側(cè)波束位置的要求。例如，主波束的增益隨著柵格瓣進(jìn)入可視空間而降低。在一些系統(tǒng)中，這種增益的降低對于最外側(cè)波束的位置是一種優(yōu)點，由于在通常情況下，為了減小對通信網(wǎng)絡(luò)中的鄰近蜂窩的不必要的干擾，應(yīng)減弱最外側(cè)的波束，所以對波瓣進(jìn)行電衰減。此外，柵格瓣的指向?qū)ο到y(tǒng)的干擾較低。
由圖6可見，在垂直間距為dy＝λ，水平間距為2dx＝λ時，主瓣a0可掃描超過90°而柵格瓣a2-a4未進(jìn)入可見空間。在波束空間中，應(yīng)記住由于垂直柵格瓣的距離為λ/(dy)，例如，距離dy的增加?xùn)鸥癜曛g的垂直距離將減小。因此，如果垂直元件的距離dy增加，在圖中的上兩個柵格瓣a1和a2將下移，同時柵格瓣a4和a5將上移。換句話說，如果dy變大超過λ，表達(dá)式λ/dy的值將小于1，其中1對應(yīng)于可見空間的圓的半徑。因此，如果主瓣掃描超過90°，柵格瓣a2和a4將進(jìn)入可見空間。通過向下傾斜主瓣，柵格瓣a4可在可見空間之外。如果掃描角減小到例如60°左右，對于垂直距離dy＞λ柵格瓣a2在可見空間之外。
在設(shè)計步驟中包括y方向元件間距還可以調(diào)整最外側(cè)波束的增益。同時，整個覆蓋面積取決于中央波束的增益。
下面將說明多波束陣列天線的設(shè)計應(yīng)用，其中波束群沿x軸產(chǎn)生。如圖7所示，連接到Butler矩陣的陣列天線產(chǎn)生的四個固定波束a0-d0在波束空間中等間距。元件的間距在x軸方向為半波長，在y軸方向為一倍波長，即2dx＝λ和dy＝λ。此外，如上述所討論的，在沿x軸的最大掃描角θs小于90度的情況下，沿y軸的元件間距可以進(jìn)一步增加而不會在可見空間產(chǎn)生柵格瓣。其值在數(shù)學(xué)上依據(jù)最大掃描角的正弦，θmax已在上述的背景技術(shù)中進(jìn)行了說明。在圖8所示的例子中，沿y軸的最佳元件間距由下式?jīng)Q定dy/λ=1/(2sin(θmax)-sin2(θmax)).]]>如圖5所指出的，中央波束也可以在垂直方向中掃描。因此，整個圖形可被電向下傾斜。然而，輻射元件的間距隨之應(yīng)稍微沿x軸或y軸減小，以避免在可見空間中太多的柵格瓣的影響。在圖7中，四個柵格瓣(a2、a4、d1、d5)位于接觸到單位圓的直線上，但柵格瓣分別遠(yuǎn)離其掃描中央波束a0、b0、c0和d0，由于這些波瓣將指向非常高(a2、d1)和非常低(a4、d5)的角度，所以其對這種天線的運行和天線的輻射圖形的影響非常小。預(yù)期的波瓣a0、d0的增益的減小可用來使波束適應(yīng)對范圍的要求。然而，仍應(yīng)記住，由于波束未限定方向但卻在波束空間中具有一定的擴(kuò)展，理論上可得到的垂直距離仍需稍微減小。如圖8所示，如果垂直距離dy增加，圖7中的柵格瓣a2、d1和a4、d5將分別進(jìn)入可見空間。如果隨后引入下傾圖形，a2、d1將進(jìn)一步進(jìn)入可見空間，而a4、d5仍可能位于可見空間的邊界。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明公開的改進(jìn)的稀疏陣列天線的實施例。圖9的天線示出了4x4元件的三角形陣列，按常規(guī)的方法由4口Butler矩陣饋電。該陣列展示了典型的0.48λ的水平元件間隔dx，但在垂直列的天線元件之間的間隔將根據(jù)例如所希望的最大掃描角變化。在第一實施例中，為了覆蓋大約120度，每個輻射體元件的垂直間隔dy大約為0.9λ。數(shù)量λ對應(yīng)于所用頻段的頻率上限的波長，并且在本實施例中所產(chǎn)生的波束圖形電下傾低于水平線半個波束寬度。在本稀疏天線陣列的第二實施例中，為了覆蓋60度，輻射體元件的垂直間隔dy大約為1.25λ，但未采用波束圖形的傾斜。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變化而不脫離由附帶的權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于通信系統(tǒng)的無線基站的陣列天線，具有優(yōu)化的輻射元件數(shù)量，部分填充天線的預(yù)定口徑以水平擴(kuò)展覆蓋的區(qū)域，其特征在于該區(qū)域至少由一個窄波束覆蓋，陣列的輻射體元件排列在三角形網(wǎng)格上，其在水平方向的間距主要由主波束在水平方向的最大掃描角控制，以便覆蓋區(qū)域，在低柵格瓣相互作用的情況下，為保持希望的口徑，每個元件在垂直方向的間距至少是波長的0.7倍，從而減少輻射體元件的數(shù)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的陣列天線，特征在于區(qū)域由至少一個窄波束掃描覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的陣列天線，特征在于區(qū)域由至少兩個不同固定掃描角的窄波束覆蓋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的任一個的陣列天線，特征在于區(qū)域的寬度大于90°，并且產(chǎn)生的波束低于水平面的下傾小于波束的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的陣列天線，特征在于每個元件在垂直方向的間距增加到至少波長的大約0.85倍，并且低于水平面的傾斜限制在小于波束的寬度的一半。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的陣列天線，特征在于每個元件在垂直方向的間距進(jìn)一步增加到至少一倍波長，而不引入天線波束圖形的傾斜。
7.根據(jù)前述任一個權(quán)利要求的陣列天線，特征在于在波束空間中選擇每個元件在垂直方向的間距以便柵格瓣至少部分進(jìn)入可見空間，從而也適應(yīng)區(qū)域的中央?yún)^(qū)的外側(cè)的天線增益，以減小范圍的要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的陣列天線，特征在于區(qū)域的中央?yún)^(qū)的寬度為區(qū)域?qū)挾鹊?0到70％。
9.一種用于通信系統(tǒng)中的無線基站的最佳陣列天線，用來水平擴(kuò)展區(qū)域的覆蓋，特征在于覆蓋的區(qū)域大約120度，陣列中的元件按三角形網(wǎng)格排列，每個元件的間距(dx)在水平方向大約0.48λ，在垂直方向(dy)大約0.9λ，其中λ對應(yīng)于所用頻帶的頻率上限的波長，并且所產(chǎn)生的波束電下傾低于水平線半個波束寬度。
10.一種用于通信系統(tǒng)中的無線基站的最佳陣列天線，用來水平擴(kuò)展區(qū)域的覆蓋，特征在于覆蓋的區(qū)域大約60度，陣列中的元件按三角形網(wǎng)格排列，每個元件的間距在水平方向(dx)大約0.48λ，在垂直方向(dy)大約1.25λ，其中λ對應(yīng)于所用頻帶的頻率上限的波長。
全文摘要
一種用于通信系統(tǒng)基站的天線陣列,公開了一種一維掃描陣列或多波束陣列中的稀疏元件網(wǎng)格。元件的間距主要由沿x方向的掃描控制。在三角形元件網(wǎng)格中,沿y軸的每個元件的間距增加到大約一倍波長(d
文檔編號H01Q3/40GK1373918SQ0081263
公開日2002年10月9日 申請日期2000年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月10日
發(fā)明者A·德尼賴德, B·G·約翰尼松 申請人:艾利森電話股份有限公司