專利名稱：具有可調(diào)波束特性的天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有諸如波束寬度和波束指向之類的可調(diào)波束特性的天線。本發(fā)明還涉及配備此類天線的通信裝置和通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
到目前為止，用于移動通信的幾乎所有基站天線通過設(shè)計具有或多或少固定的特性。一個例外是電波束傾斜，這是一個常用的特征。另外，存在能夠更改其波束寬度和/或方向的一些產(chǎn)品。部署天線而在部署后能夠更改或調(diào)整其特性(參數(shù))受到關(guān)注，因為它們使得以下變?yōu)榭赡?
-通過在長期基礎(chǔ)上更改參數(shù)來調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)；
-在短期基礎(chǔ)上調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，例如以處理在24小時內(nèi)業(yè)務(wù)負(fù)載的變化。因此，需要能夠調(diào)整波束寬度和調(diào)整波束指向以實現(xiàn)這些特征。這些特征的當(dāng)前實現(xiàn)是基于機械地旋轉(zhuǎn)或移動天線的部分，這導(dǎo)致相對復(fù)雜的機械設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供具有可調(diào)波束特性的天線，它與現(xiàn)有技術(shù)解決方案相比更靈活并具有更簡單的設(shè)計。此目的通過具有可調(diào)波束特性的天線來實現(xiàn)，所述天線包括多個陣元，每個陣元包括與第一偏振相關(guān)聯(lián)的第一饋電點和與第二偏振相關(guān)聯(lián)的第二饋電點，第二偏振與第一偏振正交，每個陣兀具有與第一偏振相關(guān)聯(lián)的第一相位中心和與第二偏振相關(guān)聯(lián)的第二相位中心，陣元的第一和第二相位中心布置在至少兩列中；以及一個或多個天線端口，每個天線端口經(jīng)由相應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)連接到具有布置在至少兩列中的第一相位中心和第二相位中心的至少兩個陣元的第一和第二饋電點。相應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)包括波束成形網(wǎng)絡(luò)，波束成形網(wǎng)絡(luò)具有連接到相應(yīng)天線端口的主要連接和至少四個次要連接，波束成形網(wǎng)絡(luò)配置成在連接的陣元的第一饋電點與第二饋電點之間分割功率，并控制具有布置在不同列中的相位中心的已連接陣元的第一饋電點之間以及具有布置在不同列中的第二相位中心的已連接陣元的第二饋電點之間的相移差。本發(fā)明的優(yōu)點在于，可實現(xiàn)具有可調(diào)波束寬度和/或波束指向的天線。波束寬度和/或波束指向能夠通過簡單的可變移相器來控制?？勺円葡嗥髂軌蚶缁谝呀?jīng)在基站天線中經(jīng)常用于遠(yuǎn)程電傾斜控制目的的類似技術(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可從詳細(xì)描述中發(fā)現(xiàn)其它目的和優(yōu)點。


將結(jié)合作為非限制性示例提供的以下附圖來描述本發(fā)明，其中圖I示出可用于實現(xiàn)本發(fā)明的第一天線配置。圖2示出在圖I中可用于仰角波束成形的天線配置的配電網(wǎng)絡(luò)的示例。圖3示出根據(jù)本發(fā)明、預(yù)期連接到如圖I和2所示配電網(wǎng)絡(luò)以獲得根據(jù)本發(fā)明的第一單波束天線的波束成形網(wǎng)絡(luò)。圖4示出圖3中的波束成形網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。圖5示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 5 A和相差的第一集合的第一單波束天線的預(yù)測方位角波束方向圖。圖6示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 5 A和相差的第一集合的第一單波束天線的預(yù)測仰角波束方向圖。圖7示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 7 A和相差的第二集合的第一單波束 天線的預(yù)測方位角波束方向圖。圖8示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 7 A和相差的第二集合的第一單波束天線的預(yù)測仰角波束方向圖。圖9示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 7 A和相差的第三集合的第二單波束天線的預(yù)測方位角天線方向圖。圖10示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 7 X和相差的第四集合的第二單波束天線的預(yù)測方位角天線方向圖。圖11示出可用于實現(xiàn)本發(fā)明的第二天線配置。圖12示出在圖11中可用于仰角波束成形的天線配置的配電網(wǎng)絡(luò)的示例。圖13示出根據(jù)本發(fā)明、預(yù)期連接到如圖11和12所示配電網(wǎng)絡(luò)以獲得根據(jù)本發(fā)明的第一雙波束天線的雙波束成形網(wǎng)絡(luò)的第一實施例。圖14示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 5 X和相差的第一集合的第一雙波束天線的預(yù)測方位角波束方向圖。圖15示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 5入和相差的第一集合的第一雙波束天線的預(yù)測仰角波束方向圖。圖16示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 5入和相差的第二集合的第一雙波束天線的預(yù)測方位角天線方向圖。圖17示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 5入和相差的第二集合的第一雙波束天線的預(yù)測仰角波束方向圖。圖18示出根據(jù)本發(fā)明、預(yù)期連接到如圖11和12所示配電網(wǎng)絡(luò)以獲得根據(jù)本發(fā)明的第二雙波束天線的雙波束成形網(wǎng)絡(luò)的第二實施例。圖19示出可用于實現(xiàn)本發(fā)明的第三天線配置。圖20示出根據(jù)本發(fā)明、預(yù)期連接到如圖19所示配電網(wǎng)絡(luò)以獲得根據(jù)本發(fā)明的第二雙波束天線的雙波束成形網(wǎng)絡(luò)的第三實施例。圖21示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 5 A和相差的第五集合的第二雙波束天線的預(yù)測方位角波束方向圖。圖22示出用于根據(jù)本發(fā)明、具有列間距Dh=O. 5 X和相差的第五集合的第二雙波束天線的預(yù)測仰角波束方向圖。圖23示出根據(jù)本發(fā)明在單波束天線中陣元的不同實現(xiàn)。
圖24示出根據(jù)本發(fā)明在雙波束天線中陣元的示范實現(xiàn)。圖25示出可用于實現(xiàn)本發(fā)明的一般天線配置。圖26a_26d示出陣元的四個備選實現(xiàn)。
圖27示出根據(jù)本發(fā)明的第三單波束天線。圖28示出根據(jù)本發(fā)明的第三雙波束天線。
具體實施例方式本發(fā)明的基本概念是具有可調(diào)波束寬度和/或波束指向的天線。天線包括多個雙偏振陣元，每個陣元具有與第一偏振相關(guān)聯(lián)的第一饋電點和與第二偏振相關(guān)聯(lián)的第二饋電點，第二偏振與第一偏振正交。每個陣兀具有兩個相位中心，第一相位中心與第一偏振相關(guān)聯(lián)，第二相位中心與第二偏振相關(guān)聯(lián)。視實際陣元配置而定，第一相位中心和第二相位中心可重合或不同。相位中心被定義為“與天線相關(guān)聯(lián)的這樣一個點的位置如果它被當(dāng)作其半徑擴展到遠(yuǎn)端場的球體的中心，則在輻射球體的表面上給定場分量的相位至少在輻射相當(dāng)大的那部分表面上是基本恒定的”，請參閱“用于天線的術(shù)語的IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義”，IEEE標(biāo)準(zhǔn)145-1993(ISBN 1-55937-317-2)。在下述說明性示例中，多個陣元的第一和第二相位中心以這樣的方式布置在至少兩列中布置在不同列中的第一相位中心之間的距離優(yōu)選大于使用本發(fā)明發(fā)送/接收的信號的0. 3個波長，并且更優(yōu)選大于0. 5個波長。這同樣適用于布置在不同列中的第二相位中心。對于每列，經(jīng)由配電網(wǎng)絡(luò)連接與相同偏振相關(guān)聯(lián)的至少一個饋電點，從而在使用雙偏振陣元時每列產(chǎn)生至少一個線性陣列。偏振相同、但來自不同列的線性陣列經(jīng)由移相器和功率分割裝置組合。移相器和功率分割裝置以可變相對相差來分配功率。這產(chǎn)生了用于每個偏振的一個或多個波束端口，其中，波束的水平波束指向能夠由與波束端口相關(guān)聯(lián)的移相器和功率分割裝置的可變相差來控制。波束中的至少一個具有一個偏振，并且波束中的至少一個具有與第一偏振正交的第二偏振。正交偏振的波束端口成對組合，為天線提供一個或多個天線端口。通過此技術(shù)，通過在移相器和功率分割裝置上改變相對相差，能夠控制與一個或多個天線端口相關(guān)聯(lián)的波束的波束寬度和波束指向。在下述內(nèi)容中，陣元被示為雙偏振輻射單元，或者具有布置在具有列間距和行間距的一列或兩列中的正交偏振的兩個單偏振單元。這些實施例滿足將第一相位中心和第二相位中心布置在至少兩列中的要求，即使這在每個實施例的描述中未明確指明。圖I示出具有N組陣元的天線配置(左邊)，每組具有兩個雙偏振輻射單元。右側(cè)示出組“n”內(nèi)輻射單元的索引。單元布置成形成四個線性陣列，每個陣列連接到端口 A-D。在此實施例中，每個雙偏振陣兀11具有與第一偏振(例如垂直偏振)相關(guān)聯(lián)的第一相位中心和與第二偏振(即，如果第一偏振是垂直的，則第二偏振為水平偏振)相關(guān)聯(lián)的第二相位中心。所有陣元在此實施例中相同，并且陣元11的第一相位中心布置在兩列中，以及陣元11的第二相位中心也布置在兩列中，每列包含N個陣元。圖2示出用于端口 A和端口 B的配電網(wǎng)絡(luò)的示例，以及圖3示出由移相器和功率合成器/分配器組成、用于波束寬度和波束指向調(diào)整的波束成形網(wǎng)絡(luò)。圖1-3—起說明根據(jù)本發(fā)明的天線的第一實施例，這在此示例中是單波束天線。單波束天線包括天線配置10，天線配置10具有列間距為Dh和行間距為Dv的兩列N組雙偏振陣元11。在此實施例中，每組“n”包括兩個垂直偏振輻射單元々 和Cn和兩個水平偏振福射單元Bn和Dn(n=l到N)，其中，N至少為I (N彡I)，優(yōu)選大于2(N>2)。每個陣元11具有兩個饋電點(未示出)，第一饋電點與垂直偏振相關(guān)聯(lián)，即，分別連接到在第一列12中的輻射單元An和第二列14中的輻射單元Cn，并且第二饋電點與水平偏振相關(guān)聯(lián)，即，分別連接到第一列12中的輻射單元Bn和第二列14中的輻射單元Dn，參見圖I。連接到左列12中的輻射單元An的第一饋電點經(jīng)由優(yōu)選實現(xiàn)為仰角波束成形網(wǎng)絡(luò)的第一配電網(wǎng)絡(luò)13A連接到端口 A，而且連接到左列12中的輻射單元Bn的第二饋電點經(jīng)由優(yōu)選實現(xiàn)為仰角波束成形網(wǎng)絡(luò)的第二配電網(wǎng)絡(luò)1 連接到端口 B，參見圖2。類似地，連接到右列14中的輻射單元(；和Dn的饋電點經(jīng)由優(yōu)選實現(xiàn)為仰角波束成形網(wǎng)絡(luò)的分開的配電網(wǎng)絡(luò)(未示出)分別連接到端口 C和端口 D。因此，對于每列，配電網(wǎng)絡(luò)專門連接端口到具有相同偏振的陣元11的饋電點，即，將端口 A連接到輻射單元八^八,，并且將端口 B連接到 輻射單元B1-Bn等。如圖3所示，四個端口，端口 A-端口 D由波束成形網(wǎng)絡(luò)20組合成一個天線端口，即端口 I。波束成形網(wǎng)絡(luò)20配備了預(yù)期連接到天線端口 I的主要連接19和四個次要連接15a-15d。每個端口 A、B、C和D分別連接到波束成形網(wǎng)絡(luò)20的次要連接15A、15B、15。和15D。經(jīng)由控制相移差并且在列之間分配功率的第一相移網(wǎng)絡(luò)連接對應(yīng)于第一列12的端口 A的垂直偏振線性陣列和對應(yīng)于第二列14的端口 C的垂直偏振線性陣列。第一相移網(wǎng)絡(luò)包括在列之間分配功率的第一次要功率合成器/分配器Ie1和分別應(yīng)用相移和的可變移相器仏和17。。經(jīng)由第二相移網(wǎng)絡(luò)連接對應(yīng)于第一列12的端口 B的水平偏振線性陣列和對應(yīng)于第二列14的端口 D的水平偏振線性陣列，第二相移網(wǎng)絡(luò)包括在列之間分配功率的第二次要功率合成器/分配器162和應(yīng)用相移 和％的可變移相器17jP17D。然后，經(jīng)由在具有不同偏振的輻射單元之間分配功率的主要功率合成器/分配器18，把組合端口 AC和BD連接到天線端口 I。如圖2所示，波束成形網(wǎng)絡(luò)20和配電網(wǎng)絡(luò)13a_13d —起形成連接天線端口 I到布置在兩列中的陣元11的相應(yīng)饋電點的饋電網(wǎng)絡(luò)。圖4示出圖3中波束成形網(wǎng)絡(luò)20的實現(xiàn)的另一個示例。包括兩個集成功率合成器/分配器和相移裝置211和212的相移網(wǎng)絡(luò)用于為端口八、(和端口8、0饋電。角度是端口 X和端口 Y之間的電相位角的差別。在此情況下，在端口 A與端口 C之間存在相差a Ac= a A- a c，在端口 B與端口 D之間存在相差a B= a B- a D。對端口 A和端口 C以相同幅度并且以相差饋電會給出垂直偏振波束，其中，方位角波束指向取決于相差aAC。對于在此示例中的雙列陣列，空間方位角波束指向角度cP與電相差a之間的關(guān)系由下式給定
A
且反之亦然
權(quán)利要求
1.一種具有可調(diào)波束特性的天線，包括 -多個陣元，每個陣元包括與第一偏振相關(guān)聯(lián)的第一饋電點和與第二偏振相關(guān)聯(lián)的第二饋電點，所述第二偏振與所述第一偏振正交， -每個陣元具有與所述第一偏振相關(guān)聯(lián)的第一相位中心和與所述第二偏振相關(guān)聯(lián)的第二相位中心，所述陣元的第一和第二相位中心布置在至少兩列中，以及 -一個或多個天線端口，每個天線端口經(jīng)由相應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)連接到具有布置在所述至少兩列中的第一相位中心和第二相位中心的至少兩個陣元的第一和第二饋電點， 其特征在于，所述相應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)包括 -波束成形網(wǎng)絡(luò)，具有連接到相應(yīng)天線端口的主要連接和至少四個次要連接，所述波束成形網(wǎng)絡(luò)配置成在所述連接的陣元的所述第一饋電點與所述第二饋電點之間分割功率，并控制具有布置在不同列中的相位中心的已連接陣元的所述第一饋電點之間以及具有布置 在不同列中的所述第二相位中心的已連接陣元的所述第二饋電點之間的相移差。
2.如權(quán)利要求I所述的天線,其中，至少一個陣元的第一相位中心和第二相位中心布置在兩列中。
3.如權(quán)利要求I或2所述的天線，其中，至少一個陣元的第一相位中心和第二相位中心布置在相同列中。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的天線，其中，布置在不同列中的所述第一相位中心之間的第一距離大于0. 3個波長，優(yōu)選大于0. 5個波長，并且布置在不同列中的所述第二相位中心之間的第二距離大于0. 3個波長，優(yōu)選大于0. 5個波長。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的天線，其中，所述多個陣元包括至少第一集合和第二集合，每個集合包括多個陣元，所述第一集合的陣元的所述第一相位中心和所述第二相位中心以及所述第二集合的陣元的所述第一相位中心和所述第二相位中心分別布置在所述至少兩列中的每列中；所述天線還包括至少兩個天線端口，每個端口經(jīng)由饋電網(wǎng)絡(luò)分別連接到所述第一集合和第二集合中的陣元。
6.如權(quán)利要求5所述的天線，其中，所述陣元布置在列中，并且每列包括與所述第二集合的陣元交錯的所述第一集合的陣元。
7.如權(quán)利要求5或6中任一項所述的天線，其中，所述陣元布置在多行中，每行包括與所述第二集合的陣元交錯的所述第一集合的陣元。
8.如權(quán)利要求5或6中任一項所述的天線，其中，所述陣元布置在多行中，每行包括與所述第二集合的陣元疊加的所述第一集合的陣元。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的天線，其中，所述陣元布置在至少三列中，每個波束成形網(wǎng)絡(luò)還包括至少六個次要連接。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項所述的天線，其中，所述波束成形網(wǎng)絡(luò)中的至少一個還包括主要功率合成器/分配器，所述主要功率合成器/分配器連接到所述相應(yīng)天線端口，并配置成在已連接陣元的所述第一饋電點與所述第二饋電點之間分割功率。
11.如權(quán)利要求1-10中任一項所述的天線，其中，所述波束成形網(wǎng)絡(luò)中的至少一個還包括兩個相移網(wǎng)絡(luò)，第一相移網(wǎng)絡(luò)配置成控制所述相移差，并進一步在具有布置在不同列中的所述第一相位中心的已連接陣元的所述第一饋電點之間分配功率，并且第二相移網(wǎng)絡(luò)配置成控制相移差，并進一步在具有布置在不同列中的所述第二相位中心的已連接陣元的所述第二饋電點之間分配功率。
12.如權(quán)利要求11所述的天線，其中，每個相移網(wǎng)絡(luò)包括集成相移和功率分配裝置。
13.如權(quán)利要求11所述的天線，其中，每個相移網(wǎng)絡(luò)包括次要功率合成器/分配器，所述次要功率合成器/分配器配置成經(jīng)由移相器向分別具有布置在相同列中的第一相位中心或第二相位中心的已連接陣元的所述第一饋電點或所述第二饋電點饋電。
14.如權(quán)利要求1-13中任一項所述的天線，其中，所述相應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)還包括多個配電網(wǎng)絡(luò)，每個配電網(wǎng)絡(luò)配置成專門連接所述波束成形網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)次要連接到具有布置在相應(yīng)列中的所述第一相位中心的所述已連接陣元的所述第一饋電點，或者專門連接所述波束成形網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)次要連接到具有布置在相應(yīng)列中的所述第二相位中心的所述已連接陣元的所述第二饋電點。
15.如權(quán)利要求14所述的天線，其中，所述波束成形網(wǎng)絡(luò)還配置成執(zhí)行方位角波束成形，并且每個配電網(wǎng)絡(luò)還配置成執(zhí)行仰角波束成形。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括具有第一和第二饋電點的多個陣元的天線，每個饋電點與正交偏振相關(guān)聯(lián)，每個陣元具有第一和第二相位中心，每個相位中心與正交偏振相關(guān)聯(lián)，所述陣元的第一和第二相位中心布置在至少兩列中，并且一個天線端口經(jīng)由相應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)連接到具有布置在至少兩列中的第一相位中心和第二相位中心的至少兩個陣元的第一和第二饋電點。饋電網(wǎng)絡(luò)包括具有連接到天線端口的主要連接和至少四個次要連接的波束成形網(wǎng)絡(luò)。波束成形網(wǎng)絡(luò)在第一饋電點與第二饋電點之間分割功率，并且控制具有布置在不同列中的相位中心的相應(yīng)饋電點之間的相移差。
文檔編號H01Q21/29GK102742073SQ201080063371
公開日2012年10月17日 申請日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者M.約翰遜, S.O.彼得森, S.約翰遜 申請人:瑞典愛立信有限公司