CN101084601A

CN101084601A - 与天线通信相关的装置

Info

Publication number: CN101084601A
Application number: CNA2004800446500A
Authority: CN
Inventors: B·斯文森; F·哈里森
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2007-12-05
Also published as: JP2008526095A; KR20070089709A; US7746196B2; WO2006068550A1; EP1829153A1; US20080272856A1; KR101105994B1

Abstract

本发明涉及用于提供某个站点处的天线装置与无线电基站之间的通信的装置(1A，1B)。它包括连接到无线电基站以及连接到天线装置(1A，1B)、支持无线电基站与天线装置(1A，1B)之间的信号传递的波导装置(3)。

Description

与天线通信相关的装置

技术领域

本发明涉及用于提供某个站点处的天线装置与无线电基站之间的通信的装置。具体来说，本发明涉及基站天线馈电。本发明还涉及具有用于提供基站与天线装置之间的信号传递的装置的基站和天线装置。

背景技术

为了提供某个站点处的天线装置与移动基站之间的通信，目前使用同轴馈电电缆。但是，在这类电缆中，损耗往往相当大，发射信号的频率越高，损耗就越大。为了减小损耗，非常重要的是采用尽可能粗的电缆用于基站的有源部件与安装在某个基站站点上的安装结构、如天线竿上的天线装置之间的通信。粗电缆的需要也极为重要，因为基站一般包含所有电子装置；目前在天线本身实际上没有任何电子装置。

目前使用的同轴电缆的一般尺寸为对于2.2GHz频率信号具有大约0.05dB/m的损耗的1.25英寸电缆。

损耗往往相当大并且因而甚至需要非常粗的电缆的事实是一个严重问题，主要因为粗电缆体积大且笨重，并且需要大量空间。

这个问题因以下事实而变得更为显著：目前，基站站点上的天线装置大多数由若干天线组成，并且各天线一般具有两个极化。还通常例如在所谓的三个扇区站点上使用所谓的扇区天线，采用三个扇区天线，因而在基站与天线装置之间需要六根(如果有两个极化)不同的馈电电缆，具体来说，全部沿天线装置安装至的天线竿设置。对于六个扇区站点，电缆的数量相应地为十二。除此之外，通常采用双或三频带天线；这意味着所需的电缆数量甚至更大，并且所有这些电缆必须以某种方式捆绑在一起。

这是极为不利的，因为数米粗同轴电缆必须设置在安装结构、如天线竿之上或者其附近。首先，从美学观点来看令人非常不满意。其次，它是不便利的，由于因需要粗电缆的事实还存在一定的衰减。除此之外，安装和装配既费时且复杂，而且还昂贵，以及电缆可能特别占据总安装结构的空间的一大部分，因而在视觉上占主要地位。

天线装置越复杂、即越多扇区、频带等，则安装天线装置与基站本身之间的多条粗电缆组成的通信装置会越费时且困难，并且必须解决的损耗越大。

发明内容

因此，所需的是一种最初所述的装置，它实现基站与天线装置之间的通信，其中的天线装置比较细且不复杂，并且易于装配或安装。还需要一种装置，它具有低损耗并且是灵活的，即，它可与不同类型的天线装置配合使用、具体来说与包括可能具有不同极化和/或可能是双频带或三频带天线并且可能属于扇区类型的若干天线的天线装置配合使用。具体来说，需要一种装置，它具有美感并且具有低衰减。此外，需要一种装置，它可用于高频系统中，即用于采用超过大约2 GHz的频率的通信系统中。具体来说，需要一种装置，它可制作为很长，并且可用于大量信号，例如用于双极化类型的扇区天线以及用于不止一个频带。还需要一种装置，它易于制造并且运送到站点，以及它可生产和处理而无需高制造成本。还需要一种装置，它需要极少或者不需要维护，它可易于更换并且健壮和耐用。

因此，提供最初所述的装置，它包括连接到无线电基站以及连接到天线装置的波导装置。在一个实施例中，波导装置直接连接到无线电基站和/或直接连接到天线装置。这意味着，它可能直接连接到无线电基站，但间接连接到天线装置，反之亦然。它无疑也可直接连接到无线电基站以及直接连接到天线装置。在另一个或者在其它实现中，波导装置经由中间连接部件、例如设置在波导装置端部的跨接电缆和连接器间接连接到无线电基站和/或间接连接到天线装置。具体来说，它包括同轴电缆-波导过渡。在另一个实施例中，波导装置包括直接连接到无线电基站和/或直接连接到天线装置的波导连接部分。

具体来说，波导装置连接到天线安装结构、例如天线竿等或者与其关联。或者，波导装置适合于被结合或容纳于天线装置安装结构中。具体来说，它用来提供与包括若干天线的天线装置、如具有若干扇区天线的多扇区天线的通信。波导装置具体包括多个隔间，各隔间用作具体用于到天线的信号的波导。各天线、如多扇区天线或者在仅包括一个天线时的天线可能具有两个极化，波导装置包括用于各极化的以及用于各天线的一个波导隔间，因而对于双极化天线，它包括用于各扇区天线的两个隔间。

本发明适用于大多数不同种类的天线装置。在一个实施例中提供与包括双频带天线的天线装置的通信，在另一个实施例中提供与三频带天线装置的通信。为了提供与扇区天线的通信，各天线可能采用一个波导隔间，具体来说各天线的各频带采用一个和/或天线装置的各天线的极化采用一个。

具体来说，波导装置包括具有由隔间组成的多个波导的纵向金属剖面结构，其中的隔间例如各天线一个、具体来说各极化一个及其各频带一个，取决于适用情况。

它可按照对于允许损耗因数等的要求来选择。在其它实施例中，一些隔间是多模隔间以及另一些隔间不是多模隔间。

在一个实施例中，金属剖面结构具有圆形截面，在其它实施例中它具有卵形、不规则四边形、三角形或者椭圆形截面。在又一个实施例中，它具有矩形、具体来说是正方形的截面。

金属剖面结构的截面可能不同于各个隔间。剖面结构例如可能是圆形，而隔间为矩形，反之亦然。任何组合是可能的。

优选地，金属剖面结构由某种低损耗导电材料、例如铝(Al)或者具有类似属性的材料制成。它也可由涂敷了低导电材料、例如铝的材料制成。

在一个实施例中，波导装置包括多个波导，各具有由波导宽度和波导高度定义的矩形截面。为了允许RF信号传播，波导的宽度必须超过馈电信号的λ/2。矩形波导隔间的其它尺寸、即高度不限于具体尺寸，并且实际上不影响RF信号的传播，因而可制作成很低。

在一个具体实现中，波导装置包括共同用于送往/来自不同天线的多个信号(和/或用于不同极化、频带)的一个波导，以及不同信号通过所述共同波导中的不同波导模来承载。

在一个具体实施例中，波导装置包括有限数量的波导隔间，其中的每个通过不同模来承载送往/来自给定数量的天线(极化、频带)的多个信号。高度尺寸具体确定波导的损耗性能。在一个实施例中，波导宽度为大约0.6λ-1.0λ、例如0.80λ，它对于2GHz UMTS(通用移动电信系统)信号对应于90-150、例如120毫米。具体来说，相应波导的高度为宽度的大约1/4至1/8、具体为大约10-30毫米。具体来说，对于2GHz信号，波导尺寸为120×20毫米。典型损耗则为0.025dB/m。如果波导的高度为10毫米，则损耗大约为0.05dB/m。应当清楚，这些数值只是为了说明的目的。

在一个实施例中，天线结构包括单一或单片结构。在一个优选实施例中，该装置或者金属剖面结构包括相互连接的多个节，因此装置的长度基本上对应于各个节的长度之和。

在具有共同多模波导的一个实施例中，各个节套叠地相互连接。

本发明还涉及基站站点，具有无线电基站和天线装置，其中具有用于提供基站与天线装置之间通信的通信部件，以及天线安装结构、例如天线竿或类似物。通信部件具体包括波导装置，其中波导装置与安装结构关联或者由其包含或者集成在其中。

具体来说，波导装置包括多个平行波导。具体来说，安装结构包括具有多个分支的天线竿，其中各分支包括波导装置的一个或多个波导。具体来说，波导装置包括多个隔间，各承载送往/来自天线装置的天线的信号。或者，它包括支持多个不同模的传播的共同波导，各模承载送往/来自天线装置的一个天线的一个信号，天线装置可包括多个天线，例如作为任何组合的扇区天线、双极化天线、双频带或三频带天线。

具体来说，本发明涉及在以大约2GHz或以上频率工作的蜂窝移动通信系统中的如上所述的装置的使用。根据本发明概念的装置无疑也适用于其它频率范围。

附图说明

下面将参照附图以非限制方式更详尽地描述本发明，附图中：

图1示意说明包括波导的装置，用于提供某个站点上的两个天线与无线电基站之间的通信，

图2示意说明用于提供三个天线与无线电基站之间的通信的装置，其中包括由三个节以及各端部的波导-同轴过渡构成的波导装置，

图3A示意说明采取波导的形式的通信装置的一部分，其中具有采用同轴电缆-波导过渡连接到三扇区天线的一个扇区天线的三个隔间，

图3B是沿波导装置的图3A中的线条A-A截取的截面图，

图4示意说明具有通过与例如扇区天线(未示出)和无线电基站直接接触所提供的波导连接的波导装置的又一个实施例，

图5说明包括n个矩形波导的波导装置的截面图，

图6说明具有圆形截面但具有组成矩形波导的段的波导装置的矩形波导的另一个实现，

图7示意说明具有n个波导的同轴波导装置的一个实例，

图8A示意说明在矩形波导中馈送的波导模，

图8B是在圆形波导中馈送的模的示意截面图，

图8C是在同轴波导中馈送的基模的示意截面图，

图9示意说明具有用于组成同轴电缆-波导过渡、到基站的连接的连接器的波导装置的下部，以及

图10示意说明在不同波导模允许不同信号的传播时包括一个共同波导的波导装置的连接部分(同轴-波导过渡)。

具体实施方式

图1说明安装于两个天线1A、1B安装到的、在此采取天线竿形式的安装结构4上的天线装置1A、2A。为了与基站(未示出)进行通信，波导装置3与天线竿结构4关联。在这个实施例中，提供跨接电缆2A、2B用于到天线1A、1B的连接。应当清楚，波导装置3还例如经由跨接电缆(未示出)连接到基站。因此，在这个实施例中，波导装置3与天线竿结构4关联或者与其连接。在一个备选实施例中，它可集成在天线竿结构或者更一般地在安装结构中。在图1的实施例中，波导装置3表示为由一个大节组成。但是，优选地，它一般分为适当长度的多个节，这对于制造、运输和安装目的是有利的。在一个备选实施例中，波导装置或其中提供的独立波导可直接连接到天线和/或基站。如果使用跨接电缆，则在相应波导的各端需要连接器。应当清楚，天线装置可包括不止两个天线，或者可能只是一个天线。无疑也可使用不同种类的天线，例如用于三扇区站点的三个天线或者用于六扇区站点的六个扇区天线等。各天线可具有两个极化，以及天线还可以是双频带或三频带天线等。

如果不采用波导连接部件，对照图4，则对于到天线的连接以及对于到基站的连接均需要同轴电缆-波导过渡。图1仅说明本发明的基本概念，其中采用波导装置代替粗电缆。

图2说明另一个实施例，在其中，波导装置在这里包括通过法兰9₁₁、9₁₂、9₁₃互连的三个波导节3₁₁、3₁₂、3₁₃。最上面的波导节3₁₁经由法兰9₁₁连接到波导馈电过渡5₁，波导馈电过渡5₁提供到在这里与三个天线(未示出)连接的电缆2A₁、2B₁、2C₁的过渡。类似地，波导馈电过渡6₁经由提供到与基站(未示出)连接的电缆7A₁、7A₂、7A₃的过渡的法兰9₁₄连接到最下面的波导节3₁₃。波导装置可采取下面更详尽地描述的形式的任一种，但是其它若干实施例也是可行的。

图3A说明波导装置3₂的一部分，包括经由法兰9₂连接到过渡装置5₂的三个波导隔间(对照图3B中的沿A-A截取的波导装置截面的说明)，过渡装置5₂具有经由电缆2A₂、2B₂、2C₂到其中仅示出第一扇区天线1A₂的三个扇区天线的同轴电缆-波导过渡8₂₁、8₂₂、8₂₃。

图3B说明包括三个波导隔间C₁、C₂、C₃的波导装置(如图3A所示)的截面图的一个实例。相应的波导是具有大约≥λ/2的宽度W3₂的矩形波导。宽度的尺寸必须这样以便让RF信号能够传播。高度H3₂不受波长的限制，并且可制作成相当小。具体来说，高度确定波导的损耗性能。具有尺寸120×20毫米的空气填充铝波导的典型损耗对于2GHz频率信号大约为0.025dB/m。如果高度为大约5毫米，则损耗为大约0.088dB/m，如果高度为大约10毫米，则损耗为大约0.045dB/m，对于大约15毫米的高度，损耗为大约0.031dB/m，以及对于20毫米的高度，为大约0.024dB/m。因此，损耗与H成反比。

损耗应当与大约为0.05dB/m的1.25英寸电缆的损耗进行比较。在高频(超过2GHz)，空气填充波导与同轴电缆的损耗之间的差异增加。波导大体上与频率无关，而对于同轴电缆，单位为dB的损耗因介电损耗而与频率成正比。在刚性波导中可更易于避免介电损耗。

在这个实施例中，矩形波导C₁、C₂、C₃为矩形，并堆叠在构成波导装置的共同金属剖面3₂中。在这个具体实施例中，剖面的外部为矩形。当然也可以是圆形或者其它任何适当形状。

对于2GHz UMTS信号，典型大小可能是0.8λ，它大约为120毫米。

具体来说，一个波导或者一个隔间用作用于一个馈电信号的波导。下面进行更详尽地论述，多模实现也是可行的，在其中，一个波导可支持不止一种模的传播。

图4说明波导装置3₃的另一个实施例(它可能具有任何截面，如下面进行的进一步描述，例如包括多个矩形隔间等，但也可包括支持不同模的多个波导或单个波导，各馈电信号采用一个)。但是，在这个实施例中，波导装置经由波导连接6₃直接连接到基站10，以及经由波导连接5₃直接连接到这里的三扇区天线(未示出)，因而包括三个波导连接5₃₁、5₃₂、5₃₃。波导装置3₃经由法兰9₃₁连接到天线波导连接5₃，并经由法兰9₃₂通过波导连接6₃连接到基站10。法兰9₃₁、9₃₂可属于任何传统种类。波导连接或者可焊接到波导装置3₃上。即使这个图中的波导装置3₃表示为仅包括一个节，但是无疑或者可包括若干节，例如参照图2所述。在这个实施例中，没有同轴电缆-波导过渡，因而需要特别适配的或者特殊类型的天线/基站。

图5是波导装置3₄的截面图，其中包括如上所述具有大于或基本上等于λ/2的宽度W的n个矩形波导1、2、...n。外壁是导电的，以及波导的内部包括空气或者低损耗介电材料。所支持的基模在这里为TE₁₀。波导还可支持高阶模，在这个情况中为TE₂₀、TE₃₀等，但是这时它们必须更大。因此，各独立波导可支持一种或多种模，各波导处理一个馈电信号，或者如果支持多个模，则各模保持一个馈电信号。

图6说明原则上还用作具有多个矩形波导1、2、3、4、5的装置的波导装置3₅的截面的另一个实施例，矩形波导(外部段1、2、3)的长度应当大于或基本上等于λ/2。最里面的波导包括用于对应模的圆形波导。同样在这个情况中，所支持基模为TE₁₀，但是各个波导还可支持高阶模、如TE₂₀、TE₃₀等。

图7说明波导装置3₆的一个实施例的截面，它包括包含n层的多层实现中的同轴波导。所支持的基模在这里为类似于同轴电缆的TEM。可能受支持的第一高阶模是TE₁₁等。根据不同的实施例，各波导隔间支持一种模，但是如果得到支持，即，如果波导的尺寸更大(足够大)，则可能让多种模传播。

图8A示意说明具有宽度W和高度H的矩形波导的基础传播模。波导的壁是导电的，并且具有超过电气穿透深度的厚度。如上所述，受支持基模在这种实施例中为TE₁₀，即，相对于传播方向为横向的电场。如果采用更大的宽度，则对于馈电信号可支持高阶模。

图8B示意说明圆形波导(CWG)的受支持波导模，它也具有导电壁等，参照图8A。基础传播模在这里为TE₁₁。采用更大的截面，还可支持一个或多个高阶模、例如TM₀₁。

图8C是同轴波导的截面图，其中，b在这里对应于外导体的半径，以及a是内导体的半径。如果选择更大的半径，则可支持高阶模、例如TE₁₁等。应当清楚，这些数值只是说明关于波导截面的一些实例。

图9是波导装置3₆的极为简化的视图，其中包括多个波导隔间3₇₁、...、3₇₆，到天线装置/基站的各馈电信号采用一个，各波导包括用于到基站(相应的天线)的连接的连接器6₇₁、...、6₇₆，如前面在本申请中所述。

图10说明根据本发明的多模实现的同轴-波导过渡的一个实例。它说明矩形波导3₇的截面。TE₁₀馈电通过具有外导体8₇的同轴电缆的中心金属导体81来提供。TE₂₀馈电通过提供相移+/-90°并且经由两个同轴-波导过渡8₈₁、8₈₂的中心导体82、83馈送的两个信号的相移8₉₀来提供。TE₁₀对称地馈电，以及TE₂₀差分馈电。

一个备选实施例(未示出)采用4端口求和/Δ除法器，在其中，TE₁₀模被馈送到求和端口，从而产生馈送到82和83的两个相同(对称馈电)信号，而TE₂₀模则被馈送到Δ端口，从而产生同时馈送到82和83的两个相等幅度但相移180°的(差分馈电)信号。

除法器是互逆的，使得原理适用于两个方向上的传输。

应当清楚，可采用不同种类的波导。例如也可采用脊形波导。

本发明的一个优点在于，与粗的并且具有大损耗的同轴馈电电缆相比，通信、例如所有馈电信号可在细波导中收集。又一个优点在于，与大量粗同轴馈电电缆相比，用于提供基站与天线装置之间的通信的装置可制作成更美观并且更少视觉主导。特别有利的是，该装置可集成在安装结构、如天线竿或者在天线竿结构的分支中。同样有利的是，通过把波导用于信号传输，损耗会极低。甚至对于低剖面波导，损耗比粗同轴电缆更低。另一个优点在于，波导装置、具体为包括多个节的波导装置可易于制造并且以低成本安装，以及易于运输和防止损坏。同样有利的是，这样一种波导装置的制造特别简便和低成本，并且例如包括传统挤压铝剖面或者涂敷了铝的材料。

此外，例如对于3G(3GPP，第三代合作项目)实现，采用高的频率，这意味着，如果采用电缆，则损耗会很高，明显有利的是采用波导装置来替代极粗的同轴电缆。

同样有利的是，波导装置制造为只是通过法兰等相互安装的若干节，因为安装结构是可能极高、甚至高达20-30米或者以上的天线竿。

应当清楚，本发明不限于具体说明的实施例，而是可按照多种方式改变，而没有背离所附权利要求的范围。

具体来说，波导装置中的各波导可通过一种或多种模来支持信号的传播或传输，以及剖面结构可采用任何截面形状、正方形、矩形、圆形、椭圆形、卵形等来制作。还应当清楚，传播信号的频率越高，使用波导装置的增益就越高。

Claims

1.一种用于提供站点处的天线装置与无线电基站之间的通信的装置，

其特征在于

它包括连接到所述无线电基站以及连接到所述天线装置、支持所述无线电基站与所述天线装置之间的信号传递的波导装置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于

所述波导装置包括直接连接到所述无线电基站和/或所述天线装置的波导连接部件。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于

所述波导装置经由中间连接部件，例如设置在所述波导装置端部的跨接电缆和连接器，间接连接到所述无线电基站和/或所述天线装置。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于

所述波导装置适合于与天线安装结构、例如天线竿或类似物关联或者与其连接。

5.如权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于

所述波导装置适合于被结合或容纳到天线装置安装结构中。

6.如权利要求1-5中的任一项所述的装置，其特征在于

所述波导装置包括多个隔间，各隔间用作用于送往/来自包括若干天线的天线装置、例如多扇区天线装置的天线的特定信号的波导。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于

所述波导装置包括用于双极化天线的各天线的各极化的隔间。

8.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于

所述天线装置的各天线是双频带或三频带天线，以及各天线或天线极化的各频带采用一个波导隔间。

9.如权利要求1-5中的任一项所述的装置，其特征在于

所述波导装置包括多个隔间，其中至少一部分是双模或多模隔间，各模承载一个信号。

10.如权利要求1-5中的任一项所述的装置，其特征在于

所述波导装置包括共同用于送往/来自不同天线和/或不同极化的多个信号和/或用于不同频带的一个多模波导，以及不同信号由不同波导模来承载。

11.如权利要求1-5中的任一项所述的装置，其特征在于

所述波导装置包括有限数量的波导隔间，其中的各隔间通过不同模承载多个信号。

12.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于

所述波导装置包括具有多个波导的纵向金属剖面结构。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于

所述金属剖面结构具有矩形截面。

14.如权利要求12所述的装置，其特征在于

所述金属剖面结构具有圆形、椭圆形、卵形、不规则四边形或三角形截面。

15.如权利要求13或14所述的装置，其特征在于

所述金属剖面结构由低损耗导电材料、例如铝(Al)或具有类似属性的材料或者涂敷了低损耗导电材料、例如铝的材料制成。

16.如权利要求13、14或15所述的装置，其特征在于

所述波导装置包括各具有由波导宽度和波导高度定义的矩形截面的多个矩形波导，或者多个循环设置的段。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于

所述波导宽度(W)大于波长(λ)的一半(W＞λ_m/2)。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于

所述波导宽度为大约0.6λ-1.0λ，例如0.80λ。

19.如权利要求17或18所述的装置，其特征在于

对于传播2GHz RF信号，所述宽度为90-150毫米。

20.如权利要求17、18或19所述的装置，其特征在于

所述高度为所述宽度的大约1/4-1/8，例如10-80毫米。

21.如权利要求1-15中的任一项所述的装置，其特征在于

它包括具有多个隔间的圆形或同轴波导装置。

22.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于

它包括一个单一(单片)结构。

23.如权利要求1-21中的任一项所述的装置，其特征在于

它包括相互连接的多个节，使得所述装置的长度基本上对应于所述各个节的长度之和。

24.一种具有基站和天线装置、用于提供所述基站与所述天线装置之间的信号传递的通信部件以及天线安装结构、例如天线竿的基站天线装置，

其特征在于

所述通信部件包括波导装置，以及所述波导装置与所述安装结构关联或者由其包含。

25.如权利要求24所述的基站和天线装置，其特征在于

所述波导装置包括集成在所述安装结构、例如天线竿中的多个波导。

26.如权利要求25所述的基站和天线装置，其特征在于

所述安装结构包括具有多个分支的天线竿，各分支包括所述波导装置的一个或多个波导。

27.如权利要求24-26中的任一项所述的基站和天线装置，其特征在于

所述波导装置包括多个波导隔间，各隔间承载送往/来自所述天线装置的天线的一个或多个信号，它/它们支持多种不同模的传播，各承载一个，例如用于各极化和/或频带的一个，送往/来自所述天线装置的天线的信号，所述天线装置包括多个天线(例如扇区天线)和/或双极化天线和/或双频带或三频带天线。

28.如权利要求24-26中的任一项所述的基站和天线装置，其特征在于

所述波导装置包括一个或多个波导隔间。

29.在以大约2GHz或者以上频率工作的蜂窝移动通信系统中如权利要求1-28中的任一项所述的装置或基站和天线装置的使用。