CN101076923B - 天线装置及其相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括天线节的天线装置(100)，所述天线节包括可排列成阵列或子阵列的多个辐射元件。它还包括至少一个另外的天线节，所述至少两个天线节(101，102，103)基本上沿直线、非直线或者不规则地安装在安装结构(40)上。它包括用于为所述至少两个天线节(101，102，103)馈电的馈电网络装置(20)，其中具有馈电网络控制部件，用于控制天线节(101，102，103)的馈电，从而允许波束成形控制。

Description

天线装置及其相关方法
技术领域
本发明涉及包括具有可排列成子阵列的多个辐射元件的天线节的天线装置。本发明还涉及用于控制包括天线节的天线装置中的波束成形的方法，其中天线节又包括可排列成子阵列的多个辐射元件。
背景技术
当今在蜂窝移动通信系统的无线电基站上使用的天线往往属于扇形类型的。三个、六个或者更多这类天线则共同覆盖360度方位角。一般希望能够扩展无线电基站的覆盖。但需要高增益天线。一般来说，天线在机械上越长，则越容易提供更高增益而没有改变方位角射束宽度。但是，即使在机械上较长的天线由于上述原因而具有吸引力，也存在与机械上较长的天线关联的若干缺点。首先，机械上较长的天线不易于处理、运输和安装。安装变得费时且昂贵。此外，必须结合用于使波束向下倾斜的部件，以便减少相邻小区中的干扰。这种部件可能是机械的和/或电气的。至于倾斜的提供，在这个方面还存在与长天线关联的若干缺点。长天线的纯机械倾斜可能导致天线与垂直线偏离相当多，这意味着通常不会与天线安装在其上的天线竿平行。此外，对于机械倾斜，高风力载荷将产生大扭矩，可能导致对天线的损坏，以及可能使它出故障并且甚至可能易于完全折断。此外，如果天线确实很长，则可能需要许多机械倾斜；这类天线将会很难看，以及天线越高，则所需机械偏离越长，并且缺陷越严重。
另一方面，如果具有给定数量的辐射元件的长天线的纯电气倾斜对于每个子阵列仅采用一个或极少元件来实现，则这需要相当大数量的硬件。增加每个子阵列的辐射元件的数量、因而减少子阵列的数量会减少硬件的数量。但是，扫描范围也会因产生增益减小以及减小的空间滤波的栅瓣而减小，这是一个缺点。
因此，到目前为止，没有提出与提供例如从覆盖或增益的角度来看符合要求的天线的问题相关的令人满意的解决方案。
发明内容
因此，需要最初提到的天线装置，它可制作为很长(机械上)，然而易于制造或实现、易于安装、易于运输，并且可快速便捷安装。具体来说，需要一种装置，可提供高增益，但无需改变方位角射束宽度。具体来说，需要一种天线装置，它具有优良的覆盖和高增益，并且可在相邻小区中减小其干扰。
还需要如最初提到的天线装置，它有美感，更具体来说，需要一种天线装置，它不易受到高风力，具体来说不易受到不利或极端天气条件、如狂风而产生的大扭矩。
具体来说，需要如最初提到的装置，通过它可通过简易方式并且无需大量设备或硬件来提供倾斜。因此，具体来说，需要一种天线装置，它是紧凑的、即不麻烦，并且不会在垂直于天线安装在其上的天线竿或其它结构的纵向、具体来说但不一定是垂直延伸的方向上伸出太多。更具体来说，需要一种装置，它允许使用现有天线部件或市场出售的“现货”天线以及使用为此设计的天线。更具体来说，需要一种天线装置，其波束成形可被控制，和/或这样地可轻松控制增益。还需要一种天线装置，它是灵活的，并且允许对各种条件的高度控制和适配。更具体来说，需要一种天线装置，通过其可提供减小的扫描损失，或者具体来说，与涉及具有大的子阵列的仅电气倾斜的天线相比，在栅瓣开始之前，通过其允许增加的倾斜范围。
因此，提供最初提到的天线，它另外包括还包含可分别排列成子阵列的多个辐射元件的至少一个另外的天线节，其中，所述至少两个天线节基本上沿直线或者略微不规则地、例如不是在安装结构上的直线上安装。天线装置还包括用于为所述至少两个天线节馈电的馈电网络以及用于控制天线节的馈电、从而允许波束成形控制的馈电网络控制部件。天线装置可通过许多不同方式来实现。天线节可特别为本发明的天线装置制造、设计或面市，但是还能够把传统的现货供应天线节用于根据本发明概念进行安装。应当清楚，天线节优选地为分开的单元。
在一个实施例中，所述数量的天线节中的至少两个基本上是相同的。更具体来说，所有天线节基本上相同或者完全相同。在另一种实现中，至少两个天线节不是相同的、即是不同的，更具体来说，所有天线节是不同的或者不是相同的。
天线节还可按照若干不同的方式安装。在一个实施例中，天线节经过安装，使得相应的相邻天线节(逐对地)之间的间距基本上相等。在另一个实施例中，天线节经过安装，使得相应的相邻天线节(逐对地)之间的相应间距是不同的，或者某些间距相等，而另外一个或多个间距则不同。在一个具体实施例中，天线节包括传统的扇形天线，例如具有45°、60°或90°方位角射束宽度。这两个特征还可按照任何方式进行组合，例如，不相等天线节可与不同间距进行组合。
馈电网络装置具体包括用于可变地控制多节天线的节之间的相位和/或幅度的部件，因而允许相位和/或幅度锥度，或者提供不同馈电信号的供应，即，对于相位和/或幅度以不同方式使馈电信号适应相应的节。具体来说，它包括用于使波束相对于在其上安装用于支撑包括所述天线节的天线装置的支撑部件、如天线竿的实际或虚拟安装平面的法线倾斜的部件。
在一个具体实施例中，用于使波束倾斜的部件包括用于以机械方式使天线节倾斜的机械倾斜部件。优选地，以机械方式分别使至少两个或者最有利地为所有天线节倾斜。
在另一个实施例中，以电气方式使天线节预倾斜，即包括“内置”波束倾斜，它可能对于所有天线节是相同的，或者对于不同天线节是不同的，或者对于一个或多个节根本没有倾斜。具体来说，部分或全部天线节配备了可控电气预倾斜，它是内置的，即它们配置了电气倾斜。
根据另一个实施例，该装置包括具体为通过馈电网络装置使多节天线电气倾斜提供的部件。用于使多节天线装置电气倾斜的部件具体包括按照下列方式操作的馈电网络中或者与其相关的相位延迟部件和/或时间延迟部件：可对于相应天线节引入相应相位延迟和/或时间延迟，使得具有适当相位延迟和/或时间延迟的馈电信号可提供给相应天线节的每一个。
在具体实施例中，机械倾斜部件与电气倾斜组合(“预倾斜”和/或通过馈电网络，或者延迟部件/移相器等提供的电气倾斜)。因此，具体来说，机械倾斜和如上所述通过馈电网络(或特定部件)提供的电气倾斜可按照任何预期方式进行组合。
在单独或分别应用于不同天线节的机械倾斜的情况中，通过馈电网络补偿在分别使面板倾斜时产生的天线节的位移。另外，当天线节预倾斜或者预先装备以便分别应用各天线节的电气倾斜时，必须优选地通过馈电网络来补偿产生于电气倾斜操作的相前从各个天线节的位移。
通过在每个天线节级的机械倾斜的实现(与或者没有与电气倾斜结合，采用预先装备天线节或者通过天线节级上的控制)与其中使整个天线或整个结构机械倾斜的天线装置相比，天线节级的机械倾斜实现紧凑天线多节装置。例如，这显著减小强风的影响，因而产生于风的扭矩也将减小，同时，天线装置将更细并且更有美感。类似地，通过引入天线节级而不是天线子阵列级上的电气倾斜，所需的硬件的预计数量将显著减少。
因此，电气和机械倾斜的组合是可行的，在需要时，对相前的补偿通过馈电网络或者通过控制馈电网络的控制部件或独立补偿部件来提供。
在一个具体实现中，馈电网络装置包括两个馈电网络，各以相应极化对天线节馈电。具体来说，相同的馈电信号用来馈送第一和第二极化，以及相应馈电网络包括用于控制相应极化的垂直面波束图的控制部件，具体来说以便获得具有互补垂直面覆盖的相应极化的垂直面波束图，使得产生作为相应垂直面波束图的功率总和的组合图案。为此，各馈电网络具体可包括例如基于Butler矩阵网络的多端口垂直面馈电网络。
最优选地，所述/各个馈电网络包括用于适当分配馈送给相应天线节的功率的功率分配部件。在一种实现中，功率在天线节之间相等地分配，特别是在它们相同的情况下。类似地，如果这些节或部分节不是相同的，则功率可经过分配，以便在多节天线装置上为每个单位长度提供相等功率分布。这些类型的馈电网络在使天线增益为最大的方面极为有效。如果与增益不同的参数、如旁瓣电平是重要的，则可相应地控制或优化功率分布。单独或以任何组合用于波束成形或波束整形的部件可用于控制幅度锥度、相位锥度、天线节电气和/或机械倾斜、天线节之间的间距其中的一个或多个，或者提供不同的极化。
根据本发明的一些实施例，这些部件用于波束成形或波束整形，以便控制辐射图，使得在某些方向、例如主波束和旁瓣之间或者旁瓣之间的一个或多个“空白”、即极低的天线增益或者完全没有信号可被“填充”，即增益下降减小到可接受电平或者完全被抑制。
以上提到的部件的任一个可单独或者以相互之间的不同组合来使用。具体来说，相位可不同地分布于不同的天线节(提供相位锥度)，功率可不相等地分布于不同的节，因而提供幅度锥度，节可按照不同方式倾斜(机械和/或电气上)，天线节可以不同方式位移和/或不相同。可采用具有不同极化的其它辐射图。
空白填充可通过适合于相干应用的任何组合与波束倾斜结合。
应当清楚，多节天线装置用于发送或接收或者发送和接收。
在一个实现中，装置包括安装在公共天线竿上的三个天线节。更一般来说，它可包括在公共天线竿或其它结构上的2与6之间的或者在某些情况下更多的天线节。
具体来说，如上所述的装置用于蜂窝移动通信系统的无线电基站。
因此，本发明还提出一种用于控制包括多个天线节的天线装置中的波束成形的方法，各天线节包括可排列成子阵列的多个辐射元件。在以上所述并且包括基本上沿直线、例如在天线竿或其它某种结构上安装的至少两个天线节的天线装置中，该方法包括以下步骤：通过馈电网络对天线节馈电；控制馈电，优选地同时把各个波束倾斜以机械和/或电气方式应用于相应天线节，和/或控制天线节相互之间的布置和/或相应天线节的形状/大小，以便控制增益和/或波束形状。
具体来说，该方法包括以下步骤：采用馈电网络，补偿通过经由为其配备的天线节所得到的机械倾斜和/或电气倾斜引起的相前从相应天线节的位移。
此外，该方法有利地包括以下步骤：把各个时间延迟和/或相移应用于相应的天线节馈电信号，以便提供电气波束倾斜或空白填充。在一个具体实施例中，该方法包括以下步骤：采用第一馈电网络，以便利用馈电(RF)信号向天线节馈送第一极化；以及采用第二馈电网络，以便利用相同馈电(RF)信号向天线节馈送第二极化。具体来说，该方法则包括以下步骤：采用多端口垂直面馈电网络，例如基于Butler矩阵网络为各极化提供多个波束。具体来说，该方法包括手动控制馈电网络装置的步骤。或者，该方法包括通过远程控制单元等远程控制馈电网络装置的步骤。馈电网络装置还可自动控制。
附图说明
下面将参照附图以非限制方式进一步描述本发明，附图包括：
图1说明根据现有技术、以机械方式倾斜的天线装置，
图2说明根据本发明的一个实施例的天线装置，其中，天线装置由分别以机械方式倾斜的三个天线节组成，
图3说明用于对包括功率分配器和固定相移的三个天线节馈电的馈电网络的第一实现，
图4说明向三个独立天线节提供功率分配并且包括可变相移部件的馈电网络的第二实施例，
图5说明包括功率分配部件并且包括可变时间延迟部件的馈电网络的第三实施例，
图6说明根据本发明、具有包括功率分配部件和时间延迟部件的馈电网络的天线装置的另一个实施例，
图7完全示意说明根据本发明的天线装置的又一种实现，其中，天线节相互之间不相等地位移，
图8说明根据本发明的天线装置的又一个实施例，其中使用不相同、即不同的天线节，
图9说明具有电气倾斜天线节的天线装置，
图10是简图，说明具有电气和机械倾斜的天线装置与仅具有电气倾斜的天线装置相比的波瓣，
图11是由无线电基站上的天线装置所提供的辐射图的截面图，并且其中具有带有或没有空白填充的垂直面中的窄波束，
图12是简图，说明其中三个相同的天线节具有不同的相对幅度锥度的装置与没有幅度锥度的装置之间的比较，
图13说明辐射图的简图，说明其中在天线节之间为了空白填充目的提供了相位锥度的装置与其中锥度是一致的装置之间的比较，
图14说明结合用于空白填充的幅度锥度实现机械倾斜的装置与没有机械倾斜和幅度锥度的装置相比的辐射图，
图15是除了电气倾斜之外还包括天线节之间的相位锥度的装置与其中没有电气波束倾斜以及没有相位锥度的装置相比的辐射图的简图，
图16说明简图，说明其中为了空白填充的目的以不同方式位移天线节(对照图7)的装置与具有均匀间距的装置相比的辐射图，
图17说明根据本发明的实施例、具有双极化天线节的天线装置，以及
图18是简图，表明空白填充在应用倾斜时没有降级。
具体实施方式
为了进一步理解本文献，简要说明所使用的术语。本文中天线元件表示独立的辐射元件；但是，术语“辐射元件”主要用于本文献。本文中的子阵列表示一组天线元件、即辐射元件，它们以相互之间具有某种关系的方式排列。它们通常设置在直线上，在相应天线元件或辐射元件之间具有相等或不相等的间距。天线节为物理单元。例如，它可能是现货供应的天线或者专门为了提供多节天线而制造的天线节。天线节可产生一个或多个波束，例如双极化天线。具体来说，每个波束有一个RF连接器。天线节可能是市场出售的天线，例如具有45°、60°或90°方位角射束宽度的扇形天线。但是，它也可以是专门设计的天线节。
在根据本发明的天线装置或者更简单地来说为多节(即至少两个节)天线中，一定数量或者一组独立天线节经过排列，使得它们相互之间具有某种关系。一般来说，它们设置在基本上的直线上，在不同实施例中，间距在相应天线节之间可能相等或者不同。另外，根据不同的实施例，天线节可能相同或不同，或者多节天线装置中的天线节的一部分可能相同，而其它的则不同。
本发明的基本概念是，通过采用两个或两个以上独立天线节、或者更一般来说可能是市场出售的以及为此目的专门设计的、并且连接到馈电网络的天线，来提供长天线或者长天线装置，具体来说用于蜂窝移动通信系统中。一般来说，机械上更长的天线将提供更高增益因而提供扩展覆盖，而无需改变方位角射束宽度。根据不同的实施例，可结合波束的机械和/或电气倾斜，例如以便使路径增益为最大和/或减小相邻小区中可能产生的干扰。但是，本发明不限于任何具体种类的倾斜的提供或者没有倾斜。总之，根据基本概念，如果倾斜以任何方式产生，它还可用于其它目的。下面将参照附图。
图1说明现有技术的天线装置1000，其中包括连接到天线竿400并由馈电网络(未示出)在馈电电缆300上馈电的天线100。所示天线100通过机械倾斜装置500来倾斜。但是，这样一种天线装置遇到本文献中先前提到的缺点。
图2说明根据本发明的天线装置100，它包括全部基本上沿直线连接到天线竿40的三个天线节101、102、103。天线节101、102、103通过经由馈电电缆211、212、213所连接的馈电网络20馈电，其中的馈电电缆211、212、213在此具有不相等长度，以便补偿通过不同的天线节来自公共馈电点以及至预期波束方向62上的远场的RF路径的相位偏差。公共的主馈电电缆30对馈电网络馈电。在这个实施例中，天线节101、102、103通过机械倾斜部件501、502、503以机械方式倾斜，并且它们可提供用于其它种类的倾斜，即，天线节波束方向无需与多节天线装置的预期波束方向62重合。附图中的虚线61说明补偿之后来自天线节的公共相前。在这个实施例中，假定所有天线节是不相等的，以及它们之间的间距是不相等的，并且它们不是以完全相同的方式机械倾斜。这是根据本发明实现的波束成形或波束整形的一种方式。
一般来说，馈电网络20可按照不同方式工作，并且由包括在馈电网络中或者馈电网络可按照某种方式连接到其中的控制部件来控制；控制可根据实现手动或远程执行。
在相应天线节之间分布功率的最简单且最直接的方式是当天线节相同时在其之间相等地分配功率。如果天线节不是相同的，则功率例如可采用功率分配器进行分配，以便在天线装置上为每个单位长度提供相等功率分布。这样一种馈电网络在使天线装置的增益为最大的方面是有效的。
但是，与增益不同的其它参数、如旁瓣电平可能极为重要，根据不同的实施例，馈电网络(信号分发)可对于这类其它的参数也被优化或者仅对于这类参数被优化。
下面更透彻地说明，存在用于执行波束成形或波束整形的若干部件。可采用的部件或动作的一部分是例如通过提供天线节之间不等距间距以及通过混合极化来提供幅度锥度、相位锥度、天线节倾斜(在每节的级上)。
如上所述，用于在相应天线节之间分发信号的馈电网络可具有不同的复杂度，来自非常简单的馈电网络的一切只是包括如图3所示的(相等)功率分配器(和固定相移)，在其中，馈电网络20A包括具有连接到相应天线节(未示出)的不同长度的馈电电缆21A1、21A2、21A3的功率分配器/组合器，其中的公共馈电电缆30A对馈电网络20A馈电。
图4说明馈电网络20B的另一个实例，它略微更为复杂，并且包括通过相等长度的馈电电缆21B1、21B2、21B3连接到相应天线节(未示出)的可变的不相等功率分配器/组合器和可变移相器22B1、22B2、22B3。如同前一个实施例中那样，馈电网络通过一个馈电电缆30B馈电。
图5说明更为复杂的馈电网络20C的又一个实现，其中包括用于通过具有相等长度的馈电电缆21C1、21C2、21C3适当延迟对相应天线节(未示出)的相应馈电信号的可变不相等功率分配器/组合器和可变时间延迟部件22C1、22C2、22C3。馈电网络20C通过馈电电缆30C馈电，如同先前的实施例中那样。如前面所述，馈电网络中的幅度和时间延迟设定的控制可通过可结合在馈电网络中的控制系统(未示出)手动或者远程执行。
图6说明采用与图5所述的馈电网络相似的馈电网络的天线装置200，其中包括可变时间延迟部件(τ1、τ2、τ3)22D1、22D2、22D3。但是，馈电网络20D通过相等长度的馈电电缆21D1、21D2、21D3连接到相等且等距连接的三个天线节10D1、10D2、10D3。(根据未示出的另一个实现，能够通过采用预定长度的电缆来取得所要求的时间延迟。)在这里假定天线节10D1、10D2、10D3以角度α同样地机械倾斜。
与垂直轴的机械倾斜角α是相同的，以及通过附图中的虚线(24D1、24D2、24D3)所示的各天线节的相前是平行的，因为假定在各天线节内没有电气波束倾斜。源自相应天线节的机械倾斜的相前之间的偏离需要补偿，以便取得各天线节的复杂辐射图的相干重叠。与差异是通过纯机械倾斜、纯电气倾斜还是它们的组合所产生无关，天线节之间的相前的位移可能因相应的时间延迟而引起。对于最大信号电平，天线节n的时间超前表示为：
τn＝dntan(α)/c
dn是相位中心之间的距离，以及c是光速。
对于与图4相似的、采用移相器的馈电网络，相应的相位超前将表示为：
Φn＝2πdntan(α)/λ
λ是RF信号波长。
相位超前通常实现为Φn模2π弧度(360°)。
图7示意说明根据本发明的天线装置300的另一个实现。三个基本上相同的天线节10E1、10E2、10E3基本上沿直线、例如在天线竿40E上安装。但是，在这种情况中，相应天线节之间的距离是不同的，以及天线节10E3可被说成相对天线节10E2位移。天线节10E2与10E3之间的距离例如是相同方向上的天线节10E1与10E2之间的距离以及天线节10E3的长度(它在这种情况中与其它天线节的长度相同)的一半之和。天线节10E1、10E2、10E3经由电缆21E1、21E2、21E3连接到通过馈电电缆30E馈电的馈电网络20E。无疑还可行的是，具有不同大小的天线节，即，它们是不相同的(它们还可能是在除了大小之外的其它方面不相同)，可采用两个相同的，而第三个不同，等等。大小以及天线节间隔方面的任何变化原则上是可行的。毫无疑问，对于三个节的使用没有限制，也可能有更多节(以及在其它实施例中有更少节，它们不提供相应天线节之间的至少两个不同的距离)。
在图8中，公开又一个实施例，说明天线装置400，它在这里也包括三个天线节10F1、10F2、10F3，它们经由馈电电缆21F1、21F2、21F3通过馈电网络20F馈电，馈电网络20F又由馈电电缆30F馈电。但是，在这种情况中，天线节是不相同的，在这个具体情况中，假定天线节10F1和天线节10F3是相同的，而天线节10F2则更大。对于具有至少两个天线节的装置，可采用具有不同大小的天线节。天线节10F1无疑可具有另一种大小或者天线节10F3。任何变化原则上是可行的。在图8中，距离在相应天线节之间是相同的；另外，距离无疑还可能与以上所述的不同。还应当清楚，虽然在所有所述天线装置中仅表示了三个天线节，但实际上，在任何或者几乎所有情况中，可行的是，例如具有两个天线节、四个天线节、五个、六个、七个或八个或者任何适当数量的天线节，但是为了清楚起见，这在任何附图中没有明确表示。
如上所述，为了不同的原因，往往希望能够使波束相对于(虚拟)安装平面的法线倾斜。一般来说，使波束倾斜的目的是把辐射功率引导向小区中的预期位置。例如由于高天线竿或者因地形的高度变化，当水平线或小区边界“低于基站上的水平平面”时，例如可能需要波束倾斜。使波束倾斜的另一个原因可能在于，天线装置应当沿非垂直轴安装。
波束倾斜是当前馈电网络中众所周知且常用的技术。一般来说，存在两种不同的实现，即：电气倾斜，在其中，波束对照图5、图6、通过在天线上应用时间延迟、或者对照图4通过相移来倾斜；另一个实现是机械倾斜，在其中，天线在物理上安装，例如以便实现预期波束方向。这两种技术还可结合，从而提供附加灵活性以便控制天线装置的属性和特性。但是，根据本发明，正是天线节被应用了时间延迟或相移，或者以特定方式电气安装，即，电气和/或机械波束倾斜不仅涉及单个天线、即一个节，而且还涉及两个或两个以上独立的天线节。除此之外，各天线节还可能预先配备内置电气波束倾斜部件，即天线可被说成是预倾斜。
因此，根据本发明(如果实现倾斜)，各天线节分别被倾斜，或者，如果存在两个以上天线节，则无疑可行的是，一般使天线节中的例如两个倾斜，而另一个天线节(或者更多)分别被倾斜。
如上所述，在馈电网络中补偿当天线节分别被倾斜时发生的相前的位移。
由于对每个天线节提供了机械倾斜或者至少两个天线节分别被倾斜的事实，与使整个结构、即整个天线在机械上倾斜(对照图1)时相比，能够获得更紧凑的安装。一个具体优点在于，从强风产生的扭矩被减小，同时能够提供更有美感的安装。
下面将以略微更详细的方式来描述电气倾斜。
首先，如果对于这种倾斜部件预先配备了天线节，则电气倾斜可通过在各天线节内分别应用电气倾斜来实现。则必须在馈电网络中补偿从电气倾斜操作产生的相前从各个天线节的位移，与以上所述的等式相比。毫无疑问，在这种情况中，(与提供机械倾斜时相似)，也能够仅对天线装置的有限数量的天线节分别应用相应倾斜，或者对所有或者仅对有限数量应用相等倾斜，或者对所有节应用不同倾斜。任何变化原则上是可行的。
另一种方式是提供天线节之间的电气倾斜。在实现为根据子阵列转向、每个子阵列仅采用一个或几个天线元件时，长天线的电气波束倾斜将需要大量硬件。根据本发明，硬件的数量通过应用天线节级上的电气转向被显著减小。波束倾斜则可通过仅在馈电网络中引入适当的时间延迟或相移来应用。
图9示意说明天线装置500，阐述其中对各天线节应用某种电气倾斜的这样一种实施例。因此，适当的时间延迟和/或相移被引入馈电网络20G，馈电网络20G通过长度不相等的馈电电缆21G1、21G2、21G3分别对各个天线节10G1、10G2、10G3馈电。除了仅补偿相前的偏离之外，馈电网络还可应用与各个天线节所提供的不同的预期波束倾斜。这个波束倾斜范围由于栅瓣的开始而受到限制，因为天线节距离很大。
应当清楚，机械倾斜和电气倾斜可按照任何方式结合。
图10是简图，描述单位为dB的相对功率对Θ°，Θ在以下图11中定义。此图(图10)涉及天线装置(未明确示出)的一个实例，其中包括具有间隔0.82波长的八个天线元件的四个天线节。在图中，实线(IE)描述仅具有天线节的电气倾斜的三度波束倾斜的辐射图，而虚线(IE+M)说明天线节的组合电气和机械倾斜。因此，实线说明对于具有扫描波束三度(各天线节中没有电气波束倾斜)的各天线节的相位设定的情况的主波束和第一旁瓣。栅瓣因大间距而产生。如果天线节相对天线节的相位设定在机械上倾斜三度，则可避免栅瓣，与以上所述的虚拟相比。
特别是垂直面中的扇形天线的辐射图的特征在于具有主波束和旁瓣。主波束与相应旁瓣之间以及旁瓣之间的极低增益往往称作“空白”。这些空白通常在n乘以半功率波束宽度处出现，n为整数。这些所谓的空白方向上的低天线增益产生低路径增益，它严重影响基站与终端之间或者终端与基站之间的传送。
对于具有常规(宽)垂直面波束宽度的天线，通常是最严重的、低于主波束的第一空白的方向对应于距远不及到小区边界的地点的距离。因此，低天线增益通过低路径损失来补偿，并且在移动系统中没有传送问题。
另一方面，对于通常具有垂直面中的很窄波束宽度的高增益天线，结果是，与小区范围相比，第一空白比较接近对应于较大距离的主波束发生。这意味着，较低的天线增益不会通过较低的路径损失来充分补偿。这可能导致小区内的某些区域中的不良覆盖。极为重要的是，传送信号覆盖整个小区(或者小区的尽可能多的部分)。因此，为了防止不良覆盖，可应用称作“空白填充”的技术。这意味着，辐射图经过设计，使得在某些或者具体来说为某些所选空白方向中的增益下降限制到可接受电平。
因此，对于常规的短天线，出现“空白”的问题不是如此严重，因为它们具有宽波束，而对于具有垂直面中的窄波束宽度的高增益天线，这个问题将严重得多。
图11是垂直面相交，说明来自具有高增益天线装置10’、因而具有垂直面的窄波束宽度的基站10D的辐射图。BNF、即虚线说明具有送往例如沿虚线设置的终端MS的空白、即没有空白填充的辐射图。BF0(实线)说明低于主波束的第一空白的填充，即，已经实现某种空白填充，因而使得能够让MS与基站进行通信，这在没有空白填充时不是可能的。Θ是基本上垂直的、并且天线装置10’安装在其上的直线与主波束的中心之间的角度。
可实现若干不同的技术，以便实现空白填充，并且适用于高增益天线。
为了减小辐射图中的空白，不相等的功率分布可提供给相应的天线节。图12是简图，说明对于包括具有0dB、-3dB和-6dB的相对幅度锥度的三个相同天线节的天线装置(未示出)，与没有实现幅度锥度时相比、即实线IIAN，具有采用幅度锥度的空白填充、即虚线IIAT的单位为dB的相对功率对Θ°的辐射图(Θ如图11中定义)。在这个装置中，假定各天线节由间隔0.82波长的八个辐射元件组成。应当清楚，该装置例如可与本申请中先前所述的机械和/或电气倾斜结合。
图13是简图，描述对于提供空白填充并且基于天线节之间的不相等相位分布的使用的另一个装置的辐射图、单位为dB的相对功率对图11中定义的Θ，这因而描述了用于减小辐射图中的空白的另一方法。在该装置(未示出)中，假定采用三个相同的天线节，例如与图12的装置相似，但是在这里没有幅度锥度而是具有0°、-30°和0°的相对相位锥度。在图中，虚线IIIPT涉及与均匀锥度、即实线IIIUT、即没有任何空白填充相比具有相位锥度的实现。
或者，能够使天线装置的天线节以不同方式在机械上倾斜，以便减小辐射图中的空白。
图14示意说明对于其中参照图12、图13所述的三个天线节相对垂直平面以0°、0°和+2°在机械上倾斜α的装置、作为单位为dB的相对功率对Θ的辐射图。与图12的实施例相似，添加为0dB、0dB、-6dB的相对幅度锥度。图中的实线说明没有机械倾斜以及没有幅度锥度的相应装置IVUT，而虚线IVM+AT则涉及包括机械倾斜和幅度锥度的上述实施例。
在其它实现中，辐射图中的一个或多个空白可通过以不同方式在电气上使天线节倾斜来减少。在一个有利实施例中，所选倾斜与天线节之间的相位锥度结合。
在图15中，说明一个简图，描述包括电气倾斜0°、0°和+1°的三个天线节的上述装置的辐射图，在其中，除此之外，还应用0°、0°和20°的相对相位锥度。虚线VE+PT说明包括电气波束倾斜和相位锥度的装置的相对功率，而实线VUT则是与其中没有应用波束倾斜以及相位锥度的对应装置的比较。
另外的空白填充可通过采用天线节之间的不相等间距来实现，如参照图7所示及所述。
图16是简图，描述与说明没有位移时的辐射图的实线VI0相比，当一个天线节位移与参照图7所述的半节的长度或宽度对应的长度时的情况的辐射图(虚线VID)。大家清楚，其它天线装置可采用其它天线节间距来实现。
从各图中可看到，空白可通过实现上述空白填充技术的任一个有效地减少。但是，还能够实现其它空白填充技术；例如，辐射图中的空白可通过连接不相同天线节来减少，对照图8。
另外，辐射图中的空白可通过连接具有不同(双)辐射图极化的天线节来减小。
还可提供不相同(双)极化用于波束成形，以及图17说明具有安装在天线竿40H等上以及经由具有不相等长度的馈电电缆21H11、21H12、21H13连接到包括功率分配器/组合器的第一馈电网络20H1、并且还经由也具有不相等长度的馈电电缆21H21、21H22、21H23连接到包括功率分配器/组合器的第二馈电网络20H2的三个双极化天线节10H1、10H2、10H3的天线装置600。馈送RF信号的第一馈电网络20H1又通过馈电电缆30H1馈电，该信号经由第一极化来发送/接收，而馈电电缆30H2采用经由第二极化发送/接收的RF信号对第二馈电网络20H2馈电。因此，两个分开的馈电网络20H1、20H2向整个天线装置馈送两个极化。馈电网络20H1、20H2可分别优化，以便提供相应极化的特定预期垂直面波束图。
在一个实施例中，两个辐射图设计成具有互补垂直面覆盖，使得当两个极化采用相同RF信号来馈送时，作为两个极化特定图案的功率总和的组合图案被产生，功率合计图案具有预期特性的新集合、例如没有空白深度。
通过采用多端口垂直面馈电网络，例如根据Butler矩阵网络，可为各极化提供多个波束，由此允许两个或两个以上波束采用极化特定辐射图的上述功率求和来产生。
图18是简图，描述具有与电气波束倾斜结合的空白填充的辐射图、即虚线VIIPT+BT，与其中没有实现波束倾斜的实线相比。图18中所示的装置(未示出)描述在其中空白填充技术与波束倾斜结合的一个实施例。空白填充在这里仅采用四个相同天线节之间的相位锥度来实现，其中各天线节包括八个辐射元件。主波束以下的第一和第二空白被填充，以及波束可通过在对第一填充空白几乎没有任何影响的天线节之间应用相位梯度来电气扫描。
因此，应当清楚，本发明的概念可按照大量方式来改变，而没有背离所附权利要求的范围。还应当清楚，本发明不限于任何具体数量的天线节，而是根据应用，可存在2、3、4、5、6、7、8等。它也不限于天线节中的具体数量的辐射元件，并且它们可按照许多不同种类或大小来提供。
许多其它的不同倾斜和/或空白填充技术可按照任何预期方式结合，以及机械和电气倾斜可按照任何适当方式结合，天线节中的一个或多个之间的距离可能改变；只有两个或者三个天线节之间可能是不同的，或者任何对天线节之间可能是不同的，以及天线节可能是相同的，例如不同天线节的不相等子阵列长度或者可能不是，并且不同的大小可与不同的距离以及不同程度的机械倾斜结合。作为补充或替代，天线节的部分(或全部)可包括内置电气倾斜和/或通过前面所述的其它方式提供的电气倾斜，或者可实现任何种类的空白填充和双极化。另外，在其它方面，本发明不限于具体所述的实施例。除了本文献中提到的其它优点之外，还有一个优点在于，天线装置可安装在不同种类的结构上，不规则的或规则的，具有给定形状，垂直或倾斜等。

Claims (34)

1.一种天线装置(100；200；300；400；500；600)，包括天线节，所述天线节包括可排列成阵列或子阵列的多个辐射元件，
其特征在于
它包括至少一个另外的天线节，至少两个天线节(101，102，103；10D1，10D2，10D3；10E1，10E2，10E3；10F1，10F2，10F3；10G1，10G2，10G3；10H1，10H2，10H3)基本上沿直线、非直线或者不规则地安装在安装结构(40；40D；40E；40F；40G；40H)上，它包括馈电网络装置(20；20A；20B；20C；20D；20E；20F；20G；20H1；20H2)，用于对所述至少两个天线节(101，102，103；10D1，10D2，10D3；10E1，10E2，10E3；10F1，10F2，10F3；10G1，10G2，10G3；10H1，10H2，10H3)馈电，其中具有馈电网络控制部件，用于控制天线节(101，102，103；10D1，10D2，10D3；10E1，10E2，10E3；10F1，10F2，10F3；10G1，10G2，10G3；10H1，10H2，10H3)的馈电，从而允许波束成形控制，以及所述馈电网络装置包括第一馈电网络和第二馈电网络(20H1，20H2)，第一馈电网络以第一极化对所有所述天线节馈电，第二馈电网络以第二极化对所有所述天线节馈电，并且相同信号用来馈送所述第一极化和第二极化，
所述第一馈电网络和第二馈电网络(20H1，20H2)包括用于控制第一极化和第二极化的垂直面波束图的控制部件，具体来说，以便获得具有互补垂直面覆盖的相应极化的垂直面波束图，使得产生作为所述第一极化和第二极化的垂直面波束图的功率总和的组合图案。
2.如权利要求1所述的天线装置(200；300；400；500；600)，
其特征在于
至少两个天线节基本上是相同的。
3.如权利要求2所述的天线装置(200；300；400；500；600)，
其特征在于
所有天线节基本上是相同的。
4.如权利要求1或2所述的天线装置(100；400)，
其特征在于
至少两个天线节(101；102；103；10F1，10F2，10F3)是不相同的、即不同。
5.如权利要求1所述的天线装置(100)，
其特征在于
所有天线节是不相同的(101，102，103)。
6.如权利要求1-3中任一项所述的天线装置(200；400；500；600)，
其特征在于
所述天线节经过安装，使得相应的相邻天线节之间的间距基本上相等。
7.如权利要求1-3中任一项所述的天线装置，
其特征在于
所述天线节经过安装，使得相应的相邻天线节之间的间距不同。
8.如权利要求1-3中任一项所述的天线装置，
其特征在于
所述天线节包括传统的扇形天线，具有45°、60°或90°方位角的射束宽度。
9.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
所述馈电网络装置(20；20A；20B；20C；20D；20E；20F；20G；20H1；20H2)包括用于可变地控制所述天线节之间的相位和/或幅度、因而提供相位和/或幅度锥度的部件。
10.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
它包括用于使波束相对于在其中安装用于支撑所述天线节的天线竿或其它支撑部件的实际或虚拟安装平面的法线倾斜的部件。
11.如权利要求10所述的装置，
其特征在于
所述用于使波束相对于在其中安装用于支撑所述天线节的天线竿或其它支撑部件的实际或虚拟安装平面的法线倾斜的部件包括用于以机械方式使所述天线节倾斜的机械倾斜部件。
12.如权利要求11所述的装置，
其特征在于
以机械方式分别使至少两个天线节倾斜。
13.如权利要求12所述的装置，
其特征在于
以机械方式分别使全部天线节倾斜。
14.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
以电气方式使所述天线节中的至少一部分预倾斜，即，包括“内置”倾斜，它对于不同的天线节可以是相同的或不同的。
15.如权利要求10所述的装置，
其特征在于
所述用于使波束相对于在其中安装用于支撑所述天线节的天线竿或其它支撑部件的实际或虚拟安装平面的法线倾斜的部件包括用于以电气方式使天线节倾斜的部件。
16.如权利要求15所述的装置，
其特征在于
所述用于以电气方式使天线节倾斜的部件能够分别使各个天线节倾斜，即，包括用于分别和独立地控制各个天线节的部件。
17.如权利要求16所述的装置，
其特征在于
所述馈电网络装置包括相位延迟部件(22B1，22B2，22B3)和/或时间延迟部件(22C1，22C2，22C3)，以及天线节的电气倾斜通过对相应天线节引入相位延迟和/或时间延迟来实现。
18.如权利要求1所述的装置，
其特征在于
各馈电网络(20H1，20H2)包括基于Butler矩阵网络的多端口垂直面馈电网络。
19.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
各个馈电网络包括用于适当地分配馈送给所述相应天线节的功率的功率分配部件。
20.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
它包括波束成形部件，用于控制辐射图，使得增益可被控制，以便限制至少在一个所选方向上的增益下降，即，提供至少在所述一个所选方向上的“空白填充”。
21.如权利要求20所述的装置，
其特征在于
所述波束成形部件包括用于以机械和/或电气方式使所述波束倾斜的一个或多个部件。
22.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
所述天线节经过如此设置，使得辐射图可被控制，使得增益下降可在至少一个所选方向上被限制/防止。
23.如权利要求22所述的装置，
其特征在于
至少一个天线节不同于其它天线节中的一个或多个，和/或至少一个天线节经过如此设置，使得到相邻天线节的距离不同于至少两个其它天线节之间或者所述天线节与另一个相邻天线节之间的距离。
24.如权利要求20所述的装置，
其特征在于
所述馈电网络装置包括两个分开的馈电网络(20H1，20H2)，各馈电网络以双极化对所述天线节中的每个馈电。
25.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
所述天线节(101，102，103；10D1，10D2，10D3；10E1，10E2，10E3；10F1，10F2，10F3；10G1，10G2，10G3；10H1，10H2，10H3)包括分开的单元。
26.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
它包括2、3、4、5、6或7个天线节，它们安装在公共天线竿或者其它任何安装结构(40；40D；40E；40F；40G；40H)上。
27.如权利要求1-3中任一项所述的装置，
其特征在于
它被用来发送或者用来接收或者用来发送和接收信号。
28.如权利要求1-3中任一项所述的天线装置，
其特征在于
所述天线节安装在非平面的表面上，所述天线节采用不相等取向来安装。
29.如权利要求1-28中任一项所述的天线装置在蜂窝移动通信系统的无线电基站中的用途。
30.一种用于控制包括多个天线节的天线装置中的波束成形的方法，各天线节包括可排列成子阵列的多个辐射元件，
其特征在于
至少两个天线节基本上沿直线或者不规则地安装在安装结构上，以及所述方法包括以下步骤：
-通过馈电网络对所述天线节馈电，通过：
-在所有天线节中采用第一馈电网络把信号馈送给具有第一极化的元件，
-在所有天线节中采用第二馈电网络把相同信号馈送给具有第二极化的元件，
-控制所述馈电，同时以机械和/或电气方式把独立波束倾斜应用于相应天线节，以便控制增益和/或波束形状，
-控制第一极化和第二极化的垂直面波束图，具体来说，以便获得具有互补垂直面覆盖的相应极化的垂直面波束图，使得产生作为所述第一极化和第二极化的垂直面波束图的功率总和的组合图案。
31.如权利要求30所述的方法，
其特征在于
它包括以下步骤：
-采用所述馈电网络补偿由机械倾斜和/或电气预倾斜引起的相前从相应天线节的位移。
32.如权利要求30或31所述的方法，
其特征在于
它包括以下步骤：
-把各个时间延迟和/或相移应用于相应天线节，以便提供电气波束倾斜。
33.如权利要求30-31中任一项所述的方法，
其特征在于
它包括以下步骤：
-采用多端口垂直面馈电网络，基于Butler矩阵网络为各极化提供多个波束。
34.如权利要求30-31中任一项所述的方法，
其特征在于
它包括以下步骤：
-手动或者经由远程控制单元来控制所述馈电网络。
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