專(zhuān)利名稱(chēng)：組合成六邊型網(wǎng)孔覆蓋的巴特勒波束端口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波束形成網(wǎng)絡(luò)，和更具體地涉及一種用于電信網(wǎng)孔覆蓋的波束端口合成方法和利用該方法的一種裝置。
背景技術(shù)：
在移動(dòng)電信系統(tǒng)中的每個(gè)基站需要一定的覆蓋區(qū)域，例如±60°。通過(guò)利用多波束天線，移動(dòng)電信系統(tǒng)可以增加容量并擴(kuò)大覆蓋區(qū)。這是由具有來(lái)自天線陣列的多個(gè)同時(shí)窄天線波束照射覆蓋區(qū)實(shí)現(xiàn)的。
下列要求應(yīng)當(dāng)滿足這樣的多波束天線a)天線波束需要照射整個(gè)所要的覆蓋區(qū)；b)目的在于產(chǎn)生窄天線波束的高增益天線。另一方面只要天線增益不受影響，波束的形狀和旁瓣一般不太重要；c)需要少數(shù)接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道以減少系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。
當(dāng)許多覆蓋大區(qū)域的窄波束被提供在少量接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道中時(shí)，上述要求規(guī)定可清楚地看出一個(gè)矛盾。
從一個(gè)天線陣列獲得同時(shí)窄天線波束的標(biāo)準(zhǔn)方法通常利用一個(gè)布萊斯(Blass)或巴特勒(Butler)矩陣網(wǎng)絡(luò)用于合成天線陣列中的單個(gè)天線或天線單元。在文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)幾種利用巴特勒矩陣對(duì)具有幾個(gè)天線波束的天線陣列饋電的方法。在摩托羅拉(Motorola)公司1978年的美國(guó)專(zhuān)利4231040中，公開(kāi)了一個(gè)設(shè)備和一種方法用于調(diào)節(jié)來(lái)自巴特勒矩陣的輻射波束的位置并合并相鄰波束部分以提供合成波束，該波束具有振幅圓錐產(chǎn)生帶有最大效率的的旁瓣預(yù)定振幅。這是通過(guò)首先由巴特勒矩陣的單元端口上的一組固定相位變換器調(diào)節(jié)波束的方向?qū)崿F(xiàn)的。兩個(gè)和兩個(gè)相鄰波束然后由巴特勒矩陣波束一側(cè)的端口內(nèi)聯(lián)合并。由此方法利用一個(gè)8×8矩陣實(shí)現(xiàn)4個(gè)波束?？墒牵瑳](méi)有關(guān)于合成波束覆蓋的討論。
另一個(gè)文件，西屋Westinghouse(公司)1987年的美國(guó)專(zhuān)利4638317描述了饋電陣列天線巴特勒矩陣的單元端口如何被擴(kuò)展以比基本矩陣正常提供的輸出饋電更多的單元。通過(guò)功率分配在陣列天線表面實(shí)現(xiàn)振幅加權(quán)和輕微減少旁瓣電平。在本文中很少關(guān)聯(lián)像將這樣一個(gè)裝置作為系統(tǒng)中的一個(gè)部件以減少旁瓣。不改變波束的數(shù)量。波束覆蓋只簡(jiǎn)單地偶然提到?？墒窃撗b置很難被利用作為一個(gè)單獨(dú)的波束形成設(shè)備。
來(lái)自一個(gè)天線的多波束一般經(jīng)常由一個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，在此轉(zhuǎn)換產(chǎn)生在單元與波束端口之間。布萊斯(Blass)矩陣和巴特勒矩陣是這種轉(zhuǎn)換的實(shí)例。巴特勒矩陣有意義是因?yàn)樗a(chǎn)生引起低損耗的正交波束。

圖1顯示，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，帶有兩個(gè)限定的外部波束端口的一個(gè)巴特勒矩陣保持許多接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道降低。
圖2顯示由圖1所示的這樣一個(gè)波束形成矩陣產(chǎn)生的輻射圖的例子。實(shí)線波束是連接四個(gè)接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道的波束，而虛線波束被終止和不成為該系統(tǒng)的一部分。如同可以看出的，在±60°之外的覆蓋是不可接收的。點(diǎn)線標(biāo)志用于六邊型覆蓋所需要的輸出的例子。因此，該天線在大輻射角上具有不良覆蓋。
由于天線增益減少太多，在最外波束上形成的傳統(tǒng)波束不能使用。
這樣仍需要解決這些問(wèn)題是能提出一種良好性能的天線系統(tǒng)，具有用于移動(dòng)通信系統(tǒng)基站的有限的許多接收機(jī)/發(fā)射機(jī)。
發(fā)明的公開(kāi)根據(jù)本發(fā)明解決上述問(wèn)題的方案是依靠一個(gè)組合器/分配器將至少一個(gè)最外部波束端口和至少一個(gè)已經(jīng)利用的波束端口合并成為一組，而非終接，在許多接收/發(fā)射信道內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)接收/發(fā)射信道。通過(guò)利用根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置，可以利用更多的波束形成網(wǎng)絡(luò)的波束端口，也導(dǎo)致獲得接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道，該信道在所需要覆蓋區(qū)內(nèi)同時(shí)具有更多覆蓋不同方向的波束。
根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置由獨(dú)立權(quán)利要求1和獨(dú)立權(quán)利要求4、7和8進(jìn)一步限定。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例由從屬權(quán)利要求2-3和5-6分別限定。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明上述本發(fā)明的目的，特征和優(yōu)點(diǎn)由于結(jié)合下列附圖的詳細(xì)說(shuō)明而變得明顯，其中圖1說(shuō)明用于一個(gè)6單元陣列的現(xiàn)有技術(shù)的巴特勒矩陣波束成型網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子；
圖2說(shuō)明用于根據(jù)圖1的陣列的輻射圖；圖3說(shuō)明用于根據(jù)本發(fā)明的6單元陣列的巴特勒矩陣波束成型網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本實(shí)施例；圖4說(shuō)明用于根據(jù)圖3的巴特勒矩陣陣列的波束端口輻射圖；圖5說(shuō)明根據(jù)圖3的巴特勒矩陣陣列的所合成的接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道的輻射圖；圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明圖3的巴特勒矩陣陣列的全部四個(gè)接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道的輻射圖；圖7說(shuō)明利用本發(fā)明的改型實(shí)施例，和圖8說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明在圖7中說(shuō)明的巴特勒矩陣陣列的接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道的輻射圖。
示范實(shí)施例的說(shuō)明圖3根據(jù)本發(fā)明說(shuō)明了利用一個(gè)用于具有6單元天線陣列的6×6巴特勒矩陣波束成型網(wǎng)絡(luò)10的基本實(shí)施例。在此所公開(kāi)的新方法和天線裝置在合成器11中將一個(gè)最外部以前終接的波束端口與一個(gè)已經(jīng)應(yīng)用的非相鄰波束端口結(jié)合用于形成四個(gè)所需要的發(fā)射/接收信道之一。例如在圖3中公開(kāi)了這樣一種結(jié)合。所公開(kāi)的第二波束端口2與第六波束端口6的結(jié)合將顯著地產(chǎn)生較寬的覆蓋。
在圖3中說(shuō)明性實(shí)施例的裝置因而包含6個(gè)輻射單元，這些單元通過(guò)波束成型網(wǎng)絡(luò)連接到六個(gè)波束端口1-6，該網(wǎng)絡(luò)形成具有在常規(guī)方式中終接的第六個(gè)波束端口6的一個(gè)6×6巴特勒矩陣10?？墒窃撗b置仍然以四個(gè)接收/發(fā)射信道A-D工作。
作為非相鄰端口，最好使用最遠(yuǎn)離以前終接的端口的一個(gè)端口，即波束端口2和6或等效地波束端口1和5。這兩個(gè)波束端口由一個(gè)公共合成器11合并。結(jié)果，四個(gè)接收/發(fā)射信道A-D仍將如同圖1所示而獲得，在此通過(guò)合并波束端口2和6產(chǎn)生四個(gè)可用接收/發(fā)射信道中的第一個(gè)接收/發(fā)射信道A。當(dāng)利用五個(gè)波束端口2-6或者1-5時(shí)，將獲得另一個(gè)波束合成，這將輕微移動(dòng)波束方向圖，這在圖4的圖形中清楚地顯示，與圖2相比。
圖5顯示了用于所合成的接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道A的輻射圖形狀，該信道形成了所合并的波束端口2和6。該輻射圖參照天線陣列的垂直方向?qū)⑦M(jìn)一步向外移動(dòng)。
圖6說(shuō)明了應(yīng)用本發(fā)明的圖3中的巴特勒矩陣陣列10的全部四個(gè)接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道的輻射圖。在圖6中，容易地看出在低于峰值功率的最低所需功率電平-10dB上，該輻射圖在方位角遠(yuǎn)超出所需要的±60°，與處于用于圖2所示的圖1的基本天線裝置的相應(yīng)輻射功率電平的大約±50°相比。
根據(jù)圖3的合并將影響這些波束端口中的天線增益，但在增益要求不很高的地方其方向性是可接受的。
在圖7中說(shuō)明一個(gè)改型實(shí)施例。該實(shí)施例包含8個(gè)輻射單元，這些單元通過(guò)一個(gè)波束成型網(wǎng)絡(luò)20連接到八個(gè)波束端口1-8，該網(wǎng)絡(luò)形成例如一個(gè)8×8巴特勒矩陣。根據(jù)本發(fā)明波束端口1、3和7被合并到一起以形成接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道A而波束端口8、6和2合并一起形成接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道D。這樣該裝置仍然以四個(gè)接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道A-D工作。
這適合于例如在電信系統(tǒng)中的重疊網(wǎng)孔，如果在窄覆蓋區(qū)需要一個(gè)高天線增益而同時(shí)在需要一個(gè)寬角度覆蓋。在此例中利用具有八個(gè)天線單元寬度的一個(gè)天線以?xún)?yōu)化在窄區(qū)域中的天線增益。
通過(guò)在連接到8×8矩陣20的兩個(gè)另外合成器21、22的每一個(gè)中合并三個(gè)波束端口，接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道的總數(shù)保持低到四個(gè)，如圖7所示，而不管使用了八個(gè)輻射單元。圖8顯示用于四個(gè)接收機(jī)/發(fā)射機(jī)信道A-D的相應(yīng)輻射圖。該陣列以-15dB覆蓋大約±70°方位和以高增益呈現(xiàn)大約±15°的窄區(qū)域。本發(fā)明的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)仍使用相同功率的輸出功率放大器獲得功率分配的匹配。
可是根據(jù)本發(fā)明有可能引入合成器帶有多于三個(gè)輸入端口，在波束形成網(wǎng)絡(luò)帶有更大數(shù)量的輻射單元的情況下仍然保持低接收/發(fā)射信道數(shù)量。接收/發(fā)射信道的數(shù)量當(dāng)然也可以選擇并非四個(gè)的其它數(shù)量。
這樣，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明可以以許多其它特定形式實(shí)施而不背離本發(fā)明精神和基本特點(diǎn)。現(xiàn)在所公開(kāi)的實(shí)施例因此被認(rèn)為在各方面是說(shuō)明性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由附帶的權(quán)利要求書(shū)而非前面的說(shuō)明來(lái)表示，和落入本發(fā)明等效物的意義和范圍內(nèi)的全部改型打算包括在此。
權(quán)利要求
1.一種利用在多單元輻射器陣列中的波束形成網(wǎng)絡(luò)(10，20)的波束端口以產(chǎn)生具有在所需要覆蓋區(qū)域內(nèi)的幾個(gè)天線波束的接收/發(fā)射信道的方法，特征在于下列步驟安裝至少一個(gè)額外的信號(hào)合成器(11，21)；通過(guò)所說(shuō)的至少一個(gè)額外的信號(hào)合成器將多個(gè)非相鄰普通波束端口中的至少一個(gè)與通常終接的一個(gè)波束端口組合；在多個(gè)所需要接收/發(fā)射信道內(nèi)通過(guò)使用來(lái)自所述至少一個(gè)額外信號(hào)合成器的一個(gè)所合成信號(hào)形成一個(gè)接收/發(fā)射信道，以由此獲得用于電信系統(tǒng)中的一個(gè)所需要網(wǎng)孔覆蓋的所需要功率和靈敏度分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于另外的步驟通過(guò)具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的第一額外信號(hào)合成器(11)將波束形成網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)最外部的波束端口與一個(gè)非相鄰波束端口合并成為出自多個(gè)接收/發(fā)射信道的一個(gè)接收/發(fā)射信道，用于一個(gè)所需要的網(wǎng)孔覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于還有步驟通過(guò)具有三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的第一額外信號(hào)合成器(21)將第一最外部波束端口與兩個(gè)非相鄰波束端口，由包含多個(gè)輻射單元的天線陣列的波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的波束端口，合并成為出自多個(gè)接收/發(fā)射信道的第一接收/發(fā)射信道；和通過(guò)具有三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的第二合成器(22)將所述波束形成網(wǎng)絡(luò)的至少一個(gè)最外部波束端口與兩個(gè)其它非相鄰波束端口合并成為所述出自多個(gè)接收/發(fā)射信道的一個(gè)第二接收/發(fā)射信道，以適配功率/靈敏度分布用于在電信系統(tǒng)中重疊覆蓋網(wǎng)孔。
4.一種天線裝置，用于利用連接到多單元輻射器天線的波束形成網(wǎng)絡(luò)(10，20)的波束端口以獲得具有所需要覆蓋區(qū)內(nèi)的更多天線波束的接收/發(fā)射信道，特征在于包括至少一個(gè)額外信號(hào)合成器(11，21)，該合成器將多個(gè)波束端口中的至少一個(gè)波束端口與一個(gè)通常終接的非相鄰波束端口合并，以形成多個(gè)所需要接收/發(fā)射信道中的一個(gè)接收/發(fā)射信道，所述一個(gè)接收/發(fā)射信道使用所述至少一個(gè)額外信號(hào)合成器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的天線裝置，特征在于所述額外信號(hào)合成器(11)具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述合成器將波束形成網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)最外部波束端口與一個(gè)非相鄰波束端口合并成出自多個(gè)接收/發(fā)射信道的一個(gè)接收/發(fā)射信道，以適配功率和靈敏度分布用于所需要的網(wǎng)孔覆蓋。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的天線裝置，特征在于具有至少三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的第一額外信號(hào)合成器(21)，所述第一額外信號(hào)合成器具有所述至少三個(gè)輸入端各自連接一個(gè)第一最外部波束端口和一個(gè)另外數(shù)字的非相鄰波束端口，以由此在所述第一額外信號(hào)合成器的輸出端形成出自多個(gè)接收/發(fā)射信道的一個(gè)第一接收/發(fā)射信道；一個(gè)第二額外信號(hào)合成器(22)具有至少三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述第二額外信號(hào)合成器具有所述至少三個(gè)輸入端各自連接至少一個(gè)最外部波束端口和一個(gè)另外數(shù)字的非相鄰波束端口，以由此在所述第一額外信號(hào)合成器的輸出端形成出自多個(gè)接收/發(fā)射信道的一個(gè)第二接收/發(fā)射信道；由此具有產(chǎn)生一個(gè)更好適配的功率/靈敏度分布的天線裝置用于在電信系統(tǒng)中重疊覆蓋網(wǎng)孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的天線裝置，特征在于所述波束形成網(wǎng)絡(luò)(10，20)是一個(gè)巴特勒矩陣。
8.一種天線裝置利用6×6巴特勒矩陣的波束端口用于6輻射單元天線陣列以在一個(gè)所需要覆蓋區(qū)內(nèi)獲得具有更多天線波束的接收/發(fā)射信道，特征在于還包括一個(gè)額外信號(hào)合成器具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述額外信號(hào)合成器具有所述兩個(gè)輸入端各自連接到一個(gè)第一波束端口和一個(gè)第五波束端口或另外所述6×6巴特勒矩陣的一個(gè)第六波束端口和一個(gè)第二波束端口，所述額外信號(hào)合成器的所述輸出端形成出自四個(gè)接收/發(fā)射信道的一個(gè)接收/發(fā)射信道以具有在所需要輻射覆蓋區(qū)內(nèi)產(chǎn)生更適配的輻射角分布的天線裝置。
9.一種天線裝置利用8×8巴特勒矩陣的波束端口用于8輻射單元天線陣列以在一個(gè)所需要覆蓋區(qū)內(nèi)獲得具有更多天線波束的四個(gè)接收/發(fā)射信道，特征在于還包括第一信號(hào)合成器具有三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述第一信號(hào)合成器具有它的三個(gè)輸入端各自連接出自八個(gè)可用波束端口的第一波束端口，第三波束端口和第七波束端口，由此在所述第一信號(hào)合成器的輸出端形成出自所述四個(gè)接收/發(fā)射信道的第一接收/發(fā)射信道；第二信號(hào)合成器具有三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，所述第二信號(hào)合成器具有它的三個(gè)輸入端各自連接出自八個(gè)可用波束端口的第八波束端口，第六波束端口和第二波束端口，由此在所述第二信號(hào)合成器的輸出端形成出自四個(gè)接收/發(fā)射信道的第二接收/發(fā)射信道；由此適配天線裝置以產(chǎn)生一個(gè)適配的輻射功率/靈敏度分布用于重疊覆蓋通信系統(tǒng)中的網(wǎng)孔。
全文摘要
討論一種天線裝置和用于獲得這種天線裝置的一種方法。天線裝置利用波束形成網(wǎng)絡(luò)(10)的波束端口例如巴特勒(Butler)矩陣與多單元輻射器天線相連接用于在一個(gè)所需要覆蓋內(nèi)獲得具有更多天線波束的接收/發(fā)射信道。至少使用一個(gè)額外的信號(hào)合成器(11)用于將多個(gè)普通波束端口的至少一個(gè)波束端口與一個(gè)非相鄰波束端口合成,以形成在多個(gè)所需要的接收/發(fā)射信道(A－D)中的一個(gè)接收/發(fā)射信道(A)。具體的接收/發(fā)射信道使用至少一個(gè)額外的信號(hào)合成器用于合成將多個(gè)普通波束端口中的至少一個(gè)與被終止的非相鄰波束端口合成,用于為一個(gè)所需要網(wǎng)孔覆蓋或?yàn)橹丿B網(wǎng)孔的所需要覆蓋而調(diào)整功率和靈敏度分布。
文檔編號(hào)H01Q3/26GK1261990SQ98806709
公開(kāi)日2000年8月2日 申請(qǐng)日期1998年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月5日
發(fā)明者B·約翰尼松 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司