專利名稱：緊密間隔的天線的耦合消除的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括至少兩個天線元的天線系統(tǒng)，這些天線元具有
各自的輻射元和各自的參考端口 ，這些端口由對稱天線散射NxN矩陣來
定義，該系統(tǒng)還包括被布置成與這些參考端口相連并且具有相應(yīng)的至少 兩個網(wǎng)絡(luò)端口的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)被布置成用來抵消天線輻射元之 間的耦合。
本發(fā)明還涉及 一 種為用于天線系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)計算補(bǔ)償散射
2Nx2N矩陣的方法，其中該天線系統(tǒng)包括至少兩個天線元，這些天線元 具有各自的輻射元和各自的參考端口 ，其中該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)被布置成與這些 參考端口相連并且具有相應(yīng)的至少兩個網(wǎng)絡(luò)端口 ，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)凈皮布置成
用來抵消天線輻射元之間的耦合，其中該方法包括以下步驟使用對稱 天線散射NxN矩陣來定義這些端口 。
本發(fā)明還涉及一種纟皮布置成與包括至少兩個天線元的天線系統(tǒng)相 連的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，這些天線元具有各自的天線輻射元和各自的參考端口， 這些端口由對稱天線散射NxN矩陣來定義，該系統(tǒng)還包括與這些參考端 口相連并且具有相應(yīng)的至少兩個網(wǎng)絡(luò)端口 ，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò):故布置成用來4氐 消天線輻射元之間的耦合。
背景技術(shù)：
對無線通信系統(tǒng)的需要已經(jīng)穩(wěn)步增長并且還在增長，在這一增長期 間已經(jīng)采用了多項技術(shù)進(jìn)步。為了通過對多個數(shù)據(jù)流采用不相關(guān)的傳播 路徑來為無線系統(tǒng)獲得增大的系統(tǒng)容量和用戶比特率，已經(jīng)考慮了 MIMO (多輸入多輸出)系統(tǒng)來構(gòu)成用于提高容量的優(yōu)選技術(shù)。
MIMO對多個數(shù)據(jù)流采用多個分離的獨(dú)立信號路徑，例如借助于幾 個發(fā)射和接收天線?？捎玫男盘柭窂皆蕉?，可發(fā)射的并行數(shù)據(jù)流就越多。
尤其是在終端一側(cè)，正常情況下所使用的終端中有有限的可用容 積，這通常將導(dǎo)致高的天線耦合，所述高的天線耦合將因?yàn)榻邮栈虬l(fā)射 信號之間的相關(guān)性增大以及因?yàn)橛捎谔炀€系統(tǒng)的效率降低而引起的信 噪比減小而使得系統(tǒng)的性能惡化。
6有幾種先前已知的方法來減小耦合的影響。根據(jù)EP 1349234,借助 于信號處理對信號進(jìn)行補(bǔ)償。這是有缺陷的，因?yàn)楸M管補(bǔ)償了耦合的影 響，但是耦合仍然存在，從而導(dǎo)致不希望有的功率損耗。
一般來說，在這一補(bǔ)償之后將使信號甚至更加相關(guān)，因?yàn)榛謴?fù)了已 隔離的天線方向圖。公知的事實(shí)是，耦合減小了在瑞利散射環(huán)境下接收 信號之間的相關(guān)性。
才艮4居J. B. Andersen和H. H. Rasmussen的 "Decoupling and de-scattering networks for antennas" , IEEE Trans, on Antennas and Propagation, vol. AP-24, pp. 841-846, 1976,將無損網(wǎng)絡(luò)連接在輸入端口 和多個天線的天線端口之間。這個網(wǎng)絡(luò)具有這樣的屬性，即天線之間沒 有耦合和散射。正如該篇論文所指出的，存在一些更加嚴(yán)格的限制。首 先，散射方向圖必須等于發(fā)射方向圖，這是只有最小散射天線才具有的 屬性。其次，所有的天線互阻抗必須是電抗性的，這意味著天線元之間 的距離具有不能改變的特定值。例如，在三個單極天線的線性陣列中， 這一條件無法得到滿足，因?yàn)闊o法在外側(cè)天線元之間和相鄰天線元之間 同時獲得純電抗性的互阻抗。結(jié)論是，這一現(xiàn)有技術(shù)提供了一種僅對某 些特定幾何結(jié)構(gòu)有效的方法。
另一種在基站處減小天線信號相關(guān)性的常用技術(shù)是增大天線的間 距，例如用于接收分集。這在手持終端中實(shí)施是不切實(shí)際的。

發(fā)明內(nèi)容
由本發(fā)明所解決的目標(biāo)問題是提供一種對在例如電話、PC、膝上型 計算機(jī)、PDA、 PCMCIA卡，PC卡和接入點(diǎn)中緊密間隔的天線進(jìn)行匹配 和耦合消除的方法和裝置。該方法和裝置應(yīng)當(dāng)允許在緊密間隔的天線之 間有任意的距離和取向，并且散射方向圖應(yīng)當(dāng)不必等于發(fā)射方向圖。換 句話說，借助于本發(fā)明，提供一種比前面提出的方法更加通用的方法。
這 一 目標(biāo)問題是借助于根據(jù)引言的天線系統(tǒng)來解決的，其中還由包 括四個NxN塊的對稱補(bǔ)償散射2Nx2N矩陣來定義補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。主對角線上 的兩個塊全部包含零，以及另一 條對角線的另兩個塊包含單位NxN矩陣 及其轉(zhuǎn)置矩陣，從而在單位矩陣、散射NxN矩陣和單位矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣 之間的乘積等于基本上為對角矩陣的NxN矩陣。
這一 目標(biāo)問題也是借助于根據(jù)引言的方法來解決的，該方法還包括以下步驟以這樣一種方式定義對稱散射2Nx2N矩陣，即它包括四個NxN 塊，主對角線上的兩個塊全部包含零，以及另一條對角線的另兩個塊包 含單位NxN矩陣及其轉(zhuǎn)置矩陣；以及定義單位矩陣、散射矩陣和單位矩 陣的轉(zhuǎn)置矩陣之間的關(guān)系，從而使得在單位矩陣、散射矩陣和單位矩陣 的轉(zhuǎn)置矩陣之間的乘積等于基本上為對角矩陣的NxN矩陣。
這一 目標(biāo)問題也是借助于根據(jù)引言的天線系統(tǒng)來解決的，其中還由 包括四個NxN塊的對稱補(bǔ)償散射2Nx2N矩陣來定義補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，主對角線 上的兩個塊全部包含零，以及另 一條對角線的另兩個塊包含單位NxN矩 陣及其轉(zhuǎn)置矩陣，從而在單位矩陣、散射NxN矩陣和單位矩陣的轉(zhuǎn)置矩 陣之間的乘積等于基本上為對角矩陣的NxN矩陣。
根據(jù)一個優(yōu)選實(shí)施例，對角矩陣具有值為非負(fù)實(shí)數(shù)并且還為散射 NxN矩陣的奇異值的元素。
根據(jù)另 一優(yōu)選實(shí)施例，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)端口與相應(yīng)的至少 一個匹配網(wǎng)絡(luò)連接。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(ll)、所述匹配網(wǎng)絡(luò)和波束形成
網(wǎng)絡(luò):坡組合成一個網(wǎng)絡(luò)。
在從屬權(quán)利要求中公開了其它優(yōu)選實(shí)施例。
借助于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了幾個優(yōu)點(diǎn)，例如
-消除了耦合，
-補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是無損的，
畫補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是無源裝置，從而不需要外部電源， -天線不必具有相同類型，以及 -天線信號被去相關(guān)。


現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中 圖l示出兩個天線元的反射和耦合； 圖2示出普通的天線組；
圖3示出與普通的天線元組連接的根據(jù)本發(fā)明的通用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)； 圖4示出與根據(jù)本發(fā)明的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接的匹配網(wǎng)絡(luò)； 圖5示出與匹配網(wǎng)絡(luò)連接的才艮據(jù)本發(fā)明的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該匹配網(wǎng)絡(luò)又 與波束形成網(wǎng)絡(luò)連接；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的方法步驟；
圖7示出具有被定位成圓形幾何結(jié)構(gòu)的天線元的天線；以及 圖8示出被變換成根據(jù)本發(fā)明的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的Butler矩陣。
具體實(shí)施例方式
在具有N個端口的普通無損多天線系統(tǒng)中，天線端口 i接收或發(fā)射的 信號的功率按照因子l減去與該端口相關(guān)的散射系數(shù)的平方量值的總和 的方式來減少。
在發(fā)射的情況下，這個關(guān)系相當(dāng)明顯，因?yàn)樵诙丝诘呢?fù)載中吸收了 反射和耦合功率。然而，由于可逆性，當(dāng)天線系統(tǒng)被用于接收時這個關(guān) 系同樣成立。不是被其它天線端口接收，輸入波的能量而是沿著不同的 方向被散射，并且因此也不能在任何其它端口處得到。
先前的研究已經(jīng)表明，在嚴(yán)重的所謂瑞利衰落的環(huán)境下，來自兩個 天線的信號之間的復(fù)雜相關(guān)性是反射系數(shù)和耦合系數(shù)的函數(shù)。
c' S丄《c
p =__a ' _ (2)
因此，通過將緊密間隔的天線元的反射系數(shù)Sh和/或耦合系數(shù)Sy減小
為零，天線信號之間的相關(guān)性就消失了。
如果天線耦合很大，則減小了可用功率并且降低了效率。因此，為 了提高多天線系統(tǒng)的性能，也必須減小耦合。
一般來說，這可以通過引入無源無損去耦網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，所述去耦網(wǎng) 絡(luò)消除了端口之間的耦合。這些端口的阻抗在一般情況下將是彼此不同 的，但是由于這些端口彼此不耦合，因此它們都能夠單獨(dú)與無損匹配網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行匹配。當(dāng)新的端口已被匹配時，散射矩陣中的所有元素將為零并 且天線信號被去相關(guān)，以及與原始天線系統(tǒng)相比，效率得到了提高。
參考描述了 一種特定情況的圖1,示出第 一天線元1和第二天線元2， 每個天線元l、 2具有各自的第一天線端口3和第二天線端口4以及各自的第一天線輻射元5和第二天線輻射元6。輸入到第一天線端口3中的信號7 在正常情況下被部分反射，其中反射信號8的幅度取決于第一天線元1的 匹配進(jìn)行得如何。較好的匹配導(dǎo)致較少反射的信號8。在第一天線端口3 處沒有反射的功率由第一天線輻射元5進(jìn)行輻射9。由于第一和第二天線 輻射元5和6之間的耦合，其中如果天線輻射元5、 6之間的距離減小，則 耦合增大，所以輻射功率9的一部分10被耦合到第二天線輻射元6中，因 此損失了輻射功率9的這一部分10。
當(dāng)信號被輸入到第二天線端口中時，對于第二天線端口4同樣會發(fā) 生這種情況。
借助于計算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣，能夠獲得如圖3中所示的、被布 置成用來抵消天線輻射元之間的耦合的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)l 1的適當(dāng)布局。根據(jù)本 發(fā)明，提供一種使用所謂的奇異值分解(SVD)來計算這種散射矩陣的 方法。
參考圖2，具有相等數(shù)量的天線輻射元RE1、 RE2、 ...、 REN和天線 端口P1、 P2、 ...、 PN的一組12天線元A1、 A2、 ...、 AN經(jīng)由相等數(shù)量的 傳輸線T1、 T2、 ...、 TN與一組13相等數(shù)量的接收機(jī)和/或發(fā)射機(jī)(未示 出)相連接。
如果該組12天線元A1、 A2、 ...、 AN正在發(fā)射，則朝向天線端口P1、
P2.....PN行進(jìn)的激勵電壓波幅度vr廣、vR2+.....vrn+徑由參考端口R1、
R2.....RN中的復(fù)散射矩陣S與反射波幅度VRf、 vR2—.....VRN-相關(guān)，這
些參考端口R1、 R2、 ...、 RN是在各個傳輸線T1、 T2、 ...、 TN中的第一 參考平面14上定義的。這假設(shè)在天線元A1、 A2、 ...、 AN上沒有入射場， 并且接收機(jī)和/或發(fā)射才幾具有與各自的傳輸線T1、 T2、 ...、 TN的特征阻 抗相等的負(fù)載阻抗。
傳輸線T1、 T2.....TN可以具有任意長度，如果該長度等于零，則
參考端口R1、 R2.....RN將等于天線端口P1、 P2、 ...、 PN。散射矩陣S
是可逆的，即不管是發(fā)射還是接收的情況，散射矩陣S都是相同的，即
用S — 4射矩陣S與在同口一參考平面14處朝向接收機(jī)行進(jìn)的入射電壓波 幅度相關(guān)。
如果該天線系統(tǒng)完全是由可逆材料建造的，則天線散射矩陣S將是 對稱的，即它將等于它的轉(zhuǎn)置矩陣St。根據(jù)奇異值分解(SVD)的理論，可以根據(jù)下面的公式(3)將天線系統(tǒng)的散射矩陣寫為三個矩陣的乘積
<formula>formula see original document page 11</formula> (3)
這里，s是對角矩陣并且元素值是非負(fù)實(shí)數(shù)，以及也被稱為矩陣S的 奇異值。U是第一單位矩陣，并且V是第二單位矩陣。
普通字母h是指對矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置和復(fù)共軛，t是指對矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置， 以及'代表復(fù)共軛。矩陣U和V是單位陣，這意味著VVH-UU1^1 (1=單位
矩陣)。此外，v的列是sHs的本征向量，以及u的列是ssh的本征向量。 按照慣例，所有矩陣都用粗體大寫字母來表示，但是由于按照慣例 s既在電子學(xué)中被用于散射矩陣又在數(shù)學(xué)中被用于包含奇異值的對角矩
陣，因此這里后者用粗體小寫字母s來表示，并且不應(yīng)與向量相混淆。
矩陣u和v是從數(shù)學(xué)中得來的，并且與電位或電壓沒有任何關(guān)系。u和v
的列有時用u和v表示，但是從上下文中應(yīng)該4艮清楚何時v代之以-波用于 電壓幅度值的向量。當(dāng)向量涉及波幅度時，使用上標(biāo)+或-符號。
由于s的對稱性，因此sHs是ssH的復(fù)共軛，并且由此可以按照這樣
一種方式選擇U和V: U是V的復(fù)共軛，即l^V^。矩陣S、 U、 V和s都是 NxN矩陣。
于是可以寫為S-VVV11。由于V的單位屬性(VVH=I),因此可知"得到
[V*-1SV = [V*-1 V*s = s (6)
用Vt代替[V^1,最后得到$=V'SV (7)
上述的所有限制在一般情況下都不是必要的，但是對于借助于SVD 推導(dǎo)公式(7)而言是必要的。關(guān)于公式(7),更一般地說，矩陣s是 對角矩陣，它可以是復(fù)數(shù)的并且有正有負(fù)，以及大小是NxN。此外，矩 陣V應(yīng)當(dāng)具有NxN的大小并且是單位矩陣，以及矩陣S應(yīng)當(dāng)具有NxN的大 小并且是對稱的。
由于矩陣U和V是單位矩陣，因此U和V具有正交列，并且是歸一化 的，即對于矩陣U:
(8)
(9)
其中n和k是矩陣U中的列，n-k, um、 u,k是在U中i行、n/k列的元素，以 及*指的是復(fù)共軛。這對矩陣V同樣成立。
從N個參考端口R1、 R2、 ...、 RN到N個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)11端口C1、 C2、...、 CN的一4i的良好匹配的、隔離的和無損的配電網(wǎng)絡(luò)可以由四個NxN矩陣 塊來描述。
由于匹配和隔離條件，所以主對角線上的兩個塊全部包含零。另外， 互逆屬性暗示對稱，這意味著另兩個塊是彼此的轉(zhuǎn)置，并且無損暗示這 些塊是單位的。因此，單個單位NxN矩陣V能夠描述任何這樣的配電網(wǎng) 絡(luò)的2Nx2N散射矩陣Sc。將非零的這些塊選作前面討論的矩陣V和其轉(zhuǎn) 置矩陣V、
0 V V'
(10)
在公式(10)中，每個零表示NxN個零的塊。如圖3中所示，由散 射矩陣Sc描述的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)ll與圖2的原始參考端口Rl、 R2、 ...、 RN連接。 在圖3中，如前所述，如果傳輸線T1、 T2、 ...、 TN具有等于零的長度， 則參考端口R1、 R2..... RN等于天線端口P1、 P2、 ...、 PN。天線散射矩陣s將被變換為vtsv,這是對角矩陣，即所有參考端口信號現(xiàn)在都被 去耦。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)11具有端口C1、 C2、 ...、 CN,這些端口現(xiàn)在將激勵天 線系統(tǒng)15的本征模，該系統(tǒng)15包括天線A1、 A2、 ...、 AN和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)ll。
現(xiàn)在將更加詳細(xì)地描述根據(jù)圖3的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)11的工作。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)11
在第一參考平面14上的參考端口R1、 R2..... RN處與該組12天線元A1、
A2..... AN相連接。作為在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)11的第一端口C1處的輸入的第一
信號Vd+導(dǎo)致在第一參考端口Rl、R2、…、RN處的發(fā)射信號VR,、 vR2+、...、
vRN+、在第一參考端口R1、 R2.....RN處的第一反射信號VRf、 vR2-、...、
VR^和在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)l 1的第 一端口 Cl處的第二反射信號Vcf。
一4殳來i兌，4言號Vci + 、 Vc2+、…、VcN+牙口Vci國、Vc2—、…、VCN—存在于才卜 償網(wǎng)絡(luò)11的端口C1、 C2、 ...、 CN處,并且信號Vr! + 、 VR2+、…、VRN+和VRf、
vr2-、…、v脂—存在于參考端口R1、 R2、…、RN處；每組信號vcn+、 vC2+、…、 + - - - + + + - —
VCN , Vci 、 Vc2 、 …、VcN , Vri 、 Vr2 、 …、Vrn , Vri 、 Vr2 、 …、Vrn
形成相應(yīng)的向量vc+; vc_; vR+; vr-。
于是,人前面的7>式(10)開始，可以寫為
、0V
V'
(11)
我們知道:
vR=SvR+ (12)
對公式(11 )和(12 )進(jìn)行組合，得到
_0V
-、_0陽4 _
(13)
從公式(13)獲得進(jìn)一步的公式:
vR+ = Wc+ vc = V1 S vR+
(14)
(15)
13將公式(14 )插入公式(15 )中，得到
<formula>formula see original document page 14</formula>(16)
但是我們知道，VSVi,因此
<formula>formula see original document page 14</formula> (17)
由于s是對角矩陣，因此在端口C1、 C2..... CN之間將沒有耦合。
此外，由于VtSV二s,因此v的列是sHs的本征向量。由于S已知，因此V 可以從S導(dǎo)出。然而，從S導(dǎo)出V導(dǎo)致可能會找到許多V，但是并非它們 都滿足VSV二s。可以使用在Matlab中根據(jù)下文的腳本來找出滿足這一條 件的V:
<formula>formula see original document page 14</formula> (在Matlab中，VH=V，)
結(jié)論是，本發(fā)明描述了 一種由 一組緊密間隔的天線元來實(shí)現(xiàn)去相關(guān) 信號以便增大通信網(wǎng)絡(luò)中的容量的方法。它例如適用于比如電話、PC、 膝上型計算機(jī)、PDA、 PCMCIA卡、PC卡和接入點(diǎn)。特別地，本發(fā)明對 于包括間隔小于半波長的天線元的天線系統(tǒng)是有利的。 參考圖6,可以將該方法概括為包括下列步驟的方法 -使用對稱天線散射NxN矩陣(S)來定義29端口 (Rl、 R2、...、 RN);
-以這樣一種方式來定義30對稱散射2Nx2N矩陣Se:它包括四個 NxN塊，主對角線上的兩個塊全部包含零，以及另一條對角線的另兩個 塊包含單位NxN矩陣V及其轉(zhuǎn)置矩陣Vt;以及
國定義31在單位矩陣V、散射矩陣S和單位矩陣V的轉(zhuǎn)置矩陣Vt之間 的關(guān)系，使得單位矩陣V、散射矩陣S和單位矩陣V的轉(zhuǎn)置矩陣Vt之間的 乘積等于基本上為對角矩陣的NxN矩陣s。
本發(fā)明可以利用與天線端口連接的無源無損網(wǎng)絡(luò)來實(shí)施。通過與該 網(wǎng)絡(luò)連接，消除了耦合并且天線信號被去相關(guān)。本發(fā)明不限于上面描述的例子，而是可以在所附權(quán)利要求書的范圍 內(nèi)自由變化。例如，天線元可以是同一類型的或者至少兩種不同類型的， 例如偶極天線、單極天線、微帶貼片、縫隙、環(huán)形天線、喇叭天線。
為了提高天線^:率，可以以先前已知的方式加強(qiáng)匹配。然后就在不 降低天線效率的情況下獲得耦合消除。
例如，此外可以借助于連接在沿著第二參考平面C形成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
輸出端口C1、 C2..... CN和沿著第三參考平面D形成的如圖4中所示的
隔離匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端口D1、 D2、 ...、 DN之間的匹配網(wǎng)絡(luò)G1、 G2、...、 GN,將天線系統(tǒng)15單獨(dú)地匹配成基本上為零反射或者至少為很低的反 射。在這些匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端口D1、 D2.....DN處，存在相應(yīng)的輸入信
號Veh + 、 VD2+、…、VDN+和輸出信號vd1國、Vd2—、…、VDN—。按照與前面描 述的方式相同的方式，這些信號形成相應(yīng)的向量VD+、 VD-。
可以將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )和匹配網(wǎng)絡(luò)(Gl、 G2、…、GN)組合成一 個網(wǎng)絡(luò)(未示出)。
取決于系統(tǒng)的要求，例如沿不同方向的固定波束指向，可以在不改 變匹配的情況下將另一個任意的良好匹配的隔離定向耦合器(比如 Butler矩陣(未示出))連接在隔離匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端口D1、 D2、...、 DN和接收機(jī)或發(fā)射機(jī)端口之間。
在許多情況下，可以將三個網(wǎng)絡(luò)的組合簡化為一個由例如集總元 件、傳輸線段、波導(dǎo)段、短路短截線、開路短截線、耦合器、90度混合 器、180度混合器和/或移相器組成的更簡單的網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選將前面提到的 如圖2中所示的相等數(shù)量的接收機(jī)和/或發(fā)射機(jī)組13與這個或這些網(wǎng)絡(luò)連 接。于是按照先前已知的方式借助于數(shù)字波束形成，也可以獲得可控波 束。
對于線性陣列，去耦網(wǎng)絡(luò)取決于天線元之間的耦合，并且必須對每 個天線配置進(jìn)行計算。當(dāng)天線元之間的間距相對于波長而言較小時，去 耦往往會加寬有源天線元的方向圖。
有可能如圖5所示那樣將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)11與匹配網(wǎng)絡(luò)G1、 G2..... GN和
波束形成網(wǎng)絡(luò)16級^:,并且此外有可能將這些網(wǎng)絡(luò)ll、 Gl、 G2、 ...、 GN、 16組合成一個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)17。在圖5中，定義了第四參考平面E, N個單 獨(dú)網(wǎng)絡(luò)端口E1、 E2、 ...、 EN是沿著這個參考平面E形成的。在這些單獨(dú) 網(wǎng)絡(luò)端口E1、 E2、 ...、 EN處存在相應(yīng)的輸入信號ve,、 vE2+、…ven+和輸出信號 Ve1 、 VE2 、 ... 、 VEN 。 按照與前面描述的方式相同的方式，這些信 號形成相應(yīng)的向量VE+、 VE-。
一旦天線已經(jīng)被去耦，就可以將去耦端口與利用包含四個具有對角
NxN矩陣的塊的散射矩陣來描述的隔離匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。
D乂
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〖，，、"2 乂》、
一se
P吝
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(19)
其中6是任意的實(shí)數(shù)對角矩陣，以及,指的是矩陣的矩陣指數(shù)函數(shù)，
移。 、 " 、 、、 、
將這些關(guān)系式與vV^v+c進(jìn)行組合并且從下式中消去v+c:
<formula>formula see original document page 16</formula>
(20)
得到
<formula>formula see original document page 16</formula>(21)
該公式計算結(jié)果為零，因?yàn)樗芯仃嚩际菍蔷仃嚥⑶矣纱怂械某讼?br> 都是可交換的。 形成矩陣積
<formula>formula see original document page 16</formula>表明該網(wǎng)絡(luò)是無損的。
將根據(jù)下式給出的去耦網(wǎng)絡(luò)
<formula>formula see original document page 17</formula>應(yīng)用由下式表征的第三波束形成或者甚至方向圖形成網(wǎng)絡(luò): <formula>formula see original document page 17</formula>
其中W是任意單位矩陣，結(jié)果得到由下式表征的在參考平面R和E處的端 口之間的散射<formula>formula see original document page 18</formula>(29)
乘積VZW二T也是任意單位矩陣，因此可以寫出
<formula>formula see original document page 18</formula>(30)
使用v-^Sv、并且對電壓v、和v、進(jìn)行求解，得到v+f(I-S'S)-"2Tv+ij 和v-fS(I-S*S)-1/2Tv+￡。這樣，在天線參考端口R1、 R2、…、RN處的電 流為i^(I-S)(I-S'S)-^TvVZc，其中Ze是端口的特征阻抗，假設(shè)所有端口 的特征阻抗相同。矩陣(I-S)和(I-S'S)—^都是嚴(yán)格(heavy)對角的， 并且因此它們之間的乘積也是嚴(yán)格對角的，這樣如果天線元是最小散射 天線元，則選擇T4或W= 一 V"會得到原始隔離方向圖的最小可能失真。 注意，方向圖在匹配之后仍然會失真，并且如果所討論的天線陣列例如 是用于DOA (到達(dá)方向)估計的，則必須要考慮這一失真。
當(dāng)有N個相同的天線元以相同的半徑從旋轉(zhuǎn)軸4安照圓形幾何結(jié)構(gòu)定
相鄰天線元以相同的角度旋轉(zhuǎn)時，散射矩陣S將僅具有N/2+l (N為偶數(shù)) 或(N+1 )/2(N為奇數(shù))個獨(dú)特的元素So、…、S^-7;/2，其中&^S誦(1 即該矩陣的所有列k和行i都包含相同的元素，但是這些元素的順序不同， 最下面的元素被移動到下一列的頂部，所以每個對角線上的所有元素是 相同的。下標(biāo)"min"是指括號內(nèi)的項的最小值。
<formula>formula see original document page 18</formula>形成矩陣x二ssH,所有元素x^二2:SuSk,都是實(shí)數(shù)(不相等元素之間
的所有乘積出現(xiàn)在總和中的復(fù)共軛對中)，并且《fZmm?！禬-M),即矩
陣x具有與s相同的結(jié)構(gòu)。x的本征向量形成單位矩陣u，可以將其選擇為是實(shí)數(shù)的，因?yàn)閄是實(shí)數(shù)的，并且因此是歸一正交的。X的實(shí)數(shù)本征 向量也是S的本征向量，因?yàn)?br> U'U = I a U' = U => SU = UA o S = U八U' <=> SHS = UA"U'U八U' = UA'AU' = X 。XU = U|A|2， (32>
其中A是具有本征值的對角矩陣并且A是邏輯"與"。
向量
<formula>formula see original document page 19</formula>
(33)
是S的本征向量，因?yàn)?br> <formula>formula see original document page 19</formula>(34)
因?yàn)?lt;formula>formula see original document page 20</formula>(35)
這些本征向量一般不是實(shí)數(shù)的，因此由UA形成的矩陣不使矩陣S對 角化。然而，本征向量i^和uw+w (k#l,N/2+l )具有相同的本征值
<formula>formula see original document page 20</formula>
并且能夠與另一對具有相同本征值的正交實(shí)本征向量
<formula>formula see original document page 20</formula>(37》
組合。因此由向量組w形成的矩陣v是實(shí)數(shù)的并且它使得矩陣s對角化。
通過在Butler矩陣的兩端施加適當(dāng)?shù)南嘁疲缋孟辔黄ヅ潆娎|， 能夠?qū)⑷魏卧谑袌錾峡少I到的Butler矩陣變換成由列等于本征向量Uk的 矩陣U描述的網(wǎng)絡(luò)。因此，通過對任何這樣的Butler矩陣施加適當(dāng)相移并 且通過將合適的輸出端口與180。混合器進(jìn)行組合，能夠?qū)崿F(xiàn)去耦矩陣。
在圖7中，示出具有五個按照圓形幾何結(jié)構(gòu)布置的天線元19、 20、
21、 22、 23的天線18。在圖8中，示出具有五個輸入端口 25a、 25b、 25c、 25d、 25e和五個輸出端口26a、 26b、 26c、 26d、 26e的Butler矩陣24。如 果輸入端口25a、 25b、 25c、 25d、 25e和輸出端口26a、 26b、 26c、 26d、 26e具有適當(dāng)?shù)南嘁?，并且其中第二輸出端?26b和第五輸出端口 26e與 第一 180?；旌掀?7組合，并且其中第三輸出端口 26c和第四輸出端口 26d 與第二180?；旌掀?8組合，則用于天線18的去耦矩陣可以借助于Butler 矩陣24來實(shí)現(xiàn)。
具有圓形類型的這一類型的天線元的數(shù)量當(dāng)然可以改變，天線元的 最小數(shù)量為兩個。輸入端口25a、 25b、 25c、 25d、 25e的數(shù)量，輸出端口 26a、 26b、 26c、 26d、 26e的數(shù)量，180°混合器27、 28以及它們與輸出端 口26a、 26b、 26c、 26d、 26e的連接的數(shù)量全部取決于天線元19、 20、 21、
22、 23的數(shù)量。
一般來說，對于所有的實(shí)施例，所描述的網(wǎng)絡(luò)和天線元是可逆的，從而在發(fā)射以及接收時具有相同的功能。
在本說明書中，諸如"零"和"對角矩陣"之類的術(shù)語是數(shù)學(xué)表達(dá)
方式，這在現(xiàn)實(shí)實(shí)施中是很少或從未被實(shí)現(xiàn)或滿足的。因此，要將這些
術(shù)語看作是在實(shí)際上實(shí)施時基本上#:實(shí)現(xiàn)或滿足的。這些術(shù)語實(shí)現(xiàn)或滿
足的程度越低，耦合被抵消的越少。
此外，實(shí)施部件的理想和無損程度越低，耦合被抵消的越少。
網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量可以改變，匹配網(wǎng)絡(luò)可以例如被組合成<又<又一個網(wǎng)絡(luò)。
對于所有的實(shí)施例，天線元可以具有任意的距離和取向。這意味著
不同的天線元不需要某一相等的極化，而是極化代之以可以在天線元之
間任意改變。
權(quán)利要求
1. 一種包括至少兩個天線元(A1，A2，...，AN)的天線系統(tǒng)(15)，所述天線元具有各自的天線輻射元(RE1，RE2，...，REN)和各自的參考端口(R1，R2，...，RN)，所述端口(R1，R2，...，RN)是由對稱天線散射NxN矩陣(S)定義的，所述系統(tǒng)(15)還包括被布置成與所述參考端口(R1，R2，...，RN)連接并且具有相應(yīng)的至少兩個網(wǎng)絡(luò)端口(C1，C2，...，CN)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)，所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)被布置成用于抵消在所述天線輻射元(A1，A2，...，AN)之間的耦合，其特征在于，所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)是由包括四個N x N塊的對稱補(bǔ)償散射2N x 2N矩陣(Sc)定義的，在主對角線上的兩個塊全部包含零，以及另一條對角線的另兩個塊包含單位N x N矩陣(V)及其轉(zhuǎn)置矩陣(Vt)，從而在所述單位矩陣(V)、所述散射N x N矩陣(S)和所述單位矩陣(V)的所述轉(zhuǎn)置矩陣(Vt)之間的乘積等于基本上為對角矩陣的NxN矩陣(s)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)(15),其特征在于，所述對角矩 陣(s)具有值為非負(fù)實(shí)數(shù)并且還為所述散射NxN矩陣(S)的奇異值的 元素。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天線系統(tǒng)(15),其特征在于，所述補(bǔ) 償網(wǎng)絡(luò)端口 (CI, C2, CN)與相應(yīng)的至少一個匹配網(wǎng)絡(luò)(G1, G2, GN)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線系統(tǒng)(15),其特征在于，所述補(bǔ)償網(wǎng) 絡(luò)(11 )和所述匹配網(wǎng)絡(luò)(Gl, G2, GN) -故組合成一個網(wǎng)絡(luò)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線系統(tǒng)(15),其特征在于，所述匹配網(wǎng) 絡(luò)(G1，G2，…，GN)與波束形成網(wǎng)絡(luò)(16)連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的天線系統(tǒng)(15),其特征在于，所述補(bǔ)償網(wǎng) 絡(luò)(11)、所述匹配網(wǎng)絡(luò)(G1,G2， ...，GN)和所述波束形成網(wǎng)絡(luò)(16) 被組合成一個網(wǎng)絡(luò)(17)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-3或5中的任何一項所述的天線系統(tǒng)(15),其特 征在于，所述天線系統(tǒng)(15)包括至少兩個按照圓形幾何結(jié)構(gòu)布置的天 線元(19, 20, 21, 22， 23 )、具有施力口 了適當(dāng)相移的輸入端口 ( 25a, 25b, 25c, 25d, 25e)和輸出端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e )的Butler矩陣(24 )， 所述llr入端口 ( 25a， 25b, 25c, 25d, 25e )和輸出端口 ( 26a, 26b， 26c, 26d， 26e)的數(shù)量取決于天線元(19,20,21,22,23 )的數(shù)量，其中所述天線系統(tǒng)(15)還包括以取決于天線元(19,20,21,22,23 )數(shù)量的方式與某 些輸出端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e )連接的至少一個180?；旌掀?27, 28),從而使得所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)能夠借助于所述Butler矩陣(24)來被實(shí)現(xiàn)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-7中的任何一項所述的天線系統(tǒng)(15),其特征在 于，所述天線元(Al, A2, AN)是以小于半波長的間距分隔開的。
9. 一種為用于天線系統(tǒng)(15)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)計算對稱補(bǔ)償散射 2Nx2N矩陣(Sc)的方法，其中所述天線系統(tǒng)包括至少兩個天線元(Al, A2,…，AN),所述天線元具有各自的天線輻射元(RE1,RE2， ...，REN) 和各自的參考端口 (R1,R2， ...，RN),其中所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )被布置 成與所述參考端口 (Rl, R2, RN)連接并且具有相應(yīng)的至少兩個網(wǎng)絡(luò) 端口 (C1,C2， ...，CN),所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(U )被布置成用于抵消所述天 線輻射元(Al, A2,AN)之間的耦合，所述方法包括以下步驟使用對稱天線散射NxN矩陣(S)定義(29)所述端口 (R1,R2，...， RN),其特征在于，所述方法還包括以下步驟以這樣一種方式定義(30)所述對稱散射2Nx2N矩陣(Sc):它包 括四個NxN塊，主對角線上的兩個塊全部包含零，以及另一條對角線的 另兩個塊包含單位NxN矩陣(V)及其轉(zhuǎn)置矩陣(Vt);以及定義(31)在所述單位矩陣(V)、所述散射矩陣(S)和所述單位 矩陣(V)的所述轉(zhuǎn)置矩陣(V)之間的關(guān)系，使得在所述單位矩陣(V )、 所述散射矩陣(S)和所述單位矩陣(V)的所述轉(zhuǎn)置矩陣(V)之間的 乘積等于基本上為對角矩陣的NxN矩陣(s)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述對角矩陣(s) 具有值為非負(fù)實(shí)數(shù)并且還為所述散射NxN矩陣(S)的奇異值的元素。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，將至少一個匹配 網(wǎng)絡(luò)(Gl, G2, GN)與相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)端口 (C1,C2，…，CN)連接， 并且使用所述至少一個匹配網(wǎng)絡(luò)(G1,G2， ...，GN)來將各個所述天線元 匹配為基本上為零反射。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(ll) 和所述匹配網(wǎng)絡(luò)(G1,G2， ...，GN) -波組合成一個網(wǎng)絡(luò)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述匹配網(wǎng)絡(luò)(Gl,G2, GN)與波束形成網(wǎng)絡(luò)(16)連接，所述波束形成網(wǎng)絡(luò)(16)被 用于形成所述天線元(Al, A2,AN)的輻射束。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，使用一個網(wǎng)絡(luò)(17) 來將所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )、所述匹配網(wǎng)絡(luò)(G1,G2， ...，GN)和所述波束 形成網(wǎng)絡(luò)(16)進(jìn)行組合。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9-ll或13中的任何一項所述的方法，其特征在于， 使用具有施加了適當(dāng)相移的輸入端口 (25a, 25b, 25c, 25d, 25e )和輸出 端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e )的Butler矩陣(24)來實(shí)現(xiàn)用于天線系統(tǒng)(15)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )，所述天線系統(tǒng)(15)包括以圓形幾何結(jié)構(gòu)布 置的至少兩個天線元(19,20,21,22,23 ),所述輸入端口 ( 25a, 25b, 25c, 25d, 25e )和輸出端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e )的數(shù)量取決于天線元(19, 20,21,22,23 )的數(shù)量，其中至少一個180。混合器(27,28 )以取決于天 線元(19, 20, 21, 22, 23 )數(shù)量的方式與某些輸出端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e)連接。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9-15中的任何一項所述的方法，其特征在于，所 述天線元(A1, A2, AN)是以小于半波長的間距分隔開的。
17. —種被布置成與天線系統(tǒng)(15)連接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11),所述 天線系統(tǒng)包括至少兩個天線元(Al, A2, AN),所述天線元具有各自 的天線輻射元(RE1, RE2，…，REN )和各自的參考端口 ( Rl, R2,…，RN ), 所述端口 (R1, R2, RN)由對稱天線散射NxN矩陣(S)來定義，所 述系統(tǒng)(15)還包括與所述參考端口 (R1,R2， ...，RN)連接并且具有相 應(yīng)的至少兩個網(wǎng)絡(luò)端口 (C1,C2，…，CN),所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 );陂布置 成用于抵消在所述天線輻射元(A1, A2, AN)之間的耦合，其特征在 于，所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )是由包括四個NxN塊的對稱補(bǔ)償散射2Nx2N矩 陣(Sc)定義的，主對角線上的兩個塊全部包含零，以及另一條對角線 的另兩個塊包含單位NxN矩陣(V)及其轉(zhuǎn)置矩陣(yt),從而在所述 單位矩陣(V)、所述散射NxN矩陣(S)和所述單位矩陣(V)的所述 轉(zhuǎn)置矩陣(yt)之間的乘積等于基本上為對角矩陣的NxN矩陣(s)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )，其特征在于，所述對 角矩陣(s)具有值為非負(fù)實(shí)數(shù)并且還為所述散射NxN矩陣(S)的奇異 值的元素。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )，其特征在于，所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)端口( CI, C2,…，CN)與相應(yīng)的至少一個匹配網(wǎng)絡(luò)(Gl, G2, GN)連接。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 ),其特征在于，所述補(bǔ) 償網(wǎng)絡(luò)(11)和所述匹配網(wǎng)絡(luò)(G1,G2，…，GN) 一皮組合成一個網(wǎng)絡(luò)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 ),其特征在于，所述匹 配網(wǎng)絡(luò)(G1,G2，…，GN)與波束形成網(wǎng)絡(luò)(16)連接。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )，其特征在于，所述補(bǔ) 償網(wǎng)絡(luò)(11 )、所述匹配網(wǎng)絡(luò)(G1,G2， ...，GN)和所述波束形成網(wǎng)絡(luò)(16) :故組合成一個網(wǎng)絡(luò)(17)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求17-19或21中的任何一項所述的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11), 其特征在于，所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11 )是借助于具有施加了適當(dāng)相移的輸入 端口 ( 25a, 25b, 25c, 25d, 25e )和輸出端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e )的 Butler矩陣(24)以及與某些輸出端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e )連接的 至少一個180?；旌掀?27,28)來實(shí)現(xiàn)的，其中所述Butler矩陣(24)與 按照圓形幾何結(jié)構(gòu)布置的至少兩個天線元(19,20,21,22,23 )連接，其 中所述輸入端口 ( 25a, 25b, 25c, 25d, 25e )和輸出端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e)的數(shù)量取決于天線元(19,20,21,22,23 )的數(shù)量，以及其中所述 180°混合器(27, 28)以取決于天線元(19, 20, 21, 22, 23 )數(shù)量的方式 與所述輸出端口 ( 26a, 26b, 26c, 26d, 26e )連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種天線系統(tǒng)(15)，該天線系統(tǒng)包括至少兩個天線輻射元(RE1，RE2，…，REN)和各自的參考端口(R1，R2，…，RN)，所述端口是由對稱天線散射N×N矩陣(S)定義的。該系統(tǒng)(15)還包括與所述參考端口(R1，R2，…，RN)連接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)。該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)被布置成用來抵消所述天線輻射元(A1，A2，…，AN)之間的耦合。該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)是由對稱補(bǔ)償散射2N×2N矩陣(S_c)定義的，該對稱補(bǔ)償散射2N×2N矩陣包括四個N×N塊，主對角線上的兩個塊全部包含零，以及另一條對角線的另兩個塊包含單位N×N矩陣(V)及其轉(zhuǎn)置矩陣(V^t)。在所述單位矩陣(V)、所述散射N×N矩陣(S)和所述單位矩陣(V)的所述轉(zhuǎn)置矩陣(V^t)之間的乘積等于基本上為對角矩陣的N×N矩陣(s)。本發(fā)明還涉及一種為用于根據(jù)上述的天線系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)計算補(bǔ)償散射2N×2N矩陣(S_c)的方法，并且還涉及一種用于根據(jù)上述的天線系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(11)。
文檔編號H01Q1/52GK101427419SQ200680054412
公開日2009年5月6日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者A·德納伊德, A·斯特杰恩曼 申請人:艾利森電話股份有限公司