CN101091285A - 用于蜂窝电话系统中的无线电基站的天线装置 - Google Patents

用于蜂窝电话系统中的无线电基站的天线装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于蜂窝电话系统中的无线电基站的天线装置(500、600、700)，所述装置包括用于第一数据流(D1)的第一输入连接和用于第二数据流(D2)的第二输入连接，和与所述第一数据流和第二数据流一一对应的第一极性形成器(510、610、710)和第二极性形成器(511、611、711)。所述装置还包括分别具有第一极性和第二极性的第一天线(530、630、730)和第二天线(532、632、732)，以及各自的一个放大器。所述装置还包括第一合路器(515、615、715)和第二合路器(516、616、716)，从而可将来自所述第一极性形成器和第二极性形成器的输出合并为针对所述第一天线和第二天线中的每一个的输入。

Description

用于蜂窝电话系统中的无线电基站的天线装置
技术领域
本发明公开了一种用于蜂窝电话系统中的无线电基站的天线装置。该天线装置包括用于第一数据流的第一输入连接和用于第二数据流的第二输入连接，和与所述第一数据流和第二数据流一一对应的第一极性形成器和第二极性形成器，以及分别具有第一极性和第二极性的第一天线和第二天线。
背景技术
在已知的用于蜂窝电话网络的无线电基站中，存在多个所谓的无线电链路，每个无线电链路都包括功率放大器，该功率放大器本身可由以具有公共输入端口和公共输出端口的方式连接的多个放大器组成。每个无线电链路通常还包括一个或更多个天线部件，所述天线部件可以是具有更多天线部件的较大天线(诸如电控阵列天线)的一部分。
在未来的无线电基站中，将具有优势的是该基站既可支持通常向每个用户传输一个数据流的所谓的BF-传输(波束形成)，又可支持向每个用户传输多个数据流的所谓的MIMO-传输(多输入多输出)。
BF-传输的天线要求与MIMO-传输的天线要求极为不同，因此设计能够支持两者的无线电基站的一种常规方法是为每一种情况设置单独的天线，并且设置用于每个天线的独立无线电链路或者在功率放大器资源与天线之间设置切换装置。
因为MIMO和BF通常不同时使用，所以该设计将导致无线电基站具较差的功率放大资源利用率，并且导致无线电基站具有相当大体积的装备，而这两者均是所不期望的。
发明内容
如上文所讨论的，需要一种用于蜂窝电话系统中的无线电基站的天线装置，该天线装置可通用于MIMO或BF，或者可能同时用于MIMO和BF两者。
本发明针对这一需求，公开了一种用于蜂窝电话系统中的无线电基站的天线装置，该天线装置包括用于第一数据流的第一输入连接和用于第二数据流的第二输入连接，和与所述第一数据流和第二数据流一一对应的第一极性形成器和第二极性形成器。
本发明的所述天线装置还包括分别具有第一极性和第二极性的第一天线和第二天线，以及分别用于每个天线的一个放大器。所述天线装置还包括第一合路器和第二合路器，从而可将来自所述极性形成器的输出合并为针对所述第一天线和第二天线中的每一个的输入。
适宜的是，所述第一天线和第二天线中的每一个都包括一个或更多个具有相同相位中心的辐射部件。
从下文的详细描述中将变得更明了，通过本发明，部分地由于使用所述天线装置的所述极性形成器和所述合路器，能够实现对所述放大器的更有效利用。
在下文的详细描述中将更详细地说明，由于利用不同极性的天线来发送同一个信号，所以所述信号在发送后将在空气中合并为合成极性。这样，避免了与传统类型的信号合并有关的信号损失。
还可根据本发明的所述天线装置的特定实施例来执行波束形成，因为在所述实施例中，所述第一天线和第二天线中的至少一个天线还包括与所述至少一个天线的第一天线部件具有相同极性的至少又一个辐射部件，所以所述天线装置还包括用于所述至少一个天线的波束形成器。
因此，通过本发明，波束形成或者MIMO传输，或者可能是两者，可以通过相同的物理装备来实施。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1和2示出背景技术，
图3示出不同的极性及其合成，
图4示出天线装置的基本实施例，
图5示出本发明的第一基本实施例，以及
图6-9示出本发明的利用波束形成的各种实施例。
具体实施方式
图1示出系统100，其用于例示出在本发明中使用的组件的一部分：数据流D1待发送给蜂窝电话网络的用户。为了实现该目的，装置100包括第一天线130，如图中所示，在此情况下第一天线130由具有特定极性(在此情况下为垂直极性)的单个天线部件组成。单个天线部件130可以由具有相同极性的多个天线部件代替，但是在此将作为单个部件被示出并标识。
天线部件130与功率放大器120相关联，以在发送之前将信号放大到预期电平。如虚线所示，天线100还可以包括更多个合适地具有其他极性的辐射部件。在此情况下，因为在天线中不包括这样的附加天线部件，所以虚线以“0”终止。与天线部件130类似，这些附加天线部件也可以由具有相同极性的多个天线部件代替，但是在此将作为单个部件被示出并标识。
装置100还包括所谓的极性形成器(PF)110，如果该天线包括具有不同极性的天线部件则该PF 110用于对所传输信号的复合极性进行成形。因为图1的天线仅包括单个天线部件，所以PF在所示装置中实质上不起作用，但仍在附图中示出。
然而，如所描述的那样，PF可在不同极性的天线部件之间对流入数据流(在该情况下为D1)进行分割，并且随后使经分割的数据流经受乘法函数(multiplication function)处理，在该说明书的后文中将详细描述该乘法函数。此时，将流向位于虚线末端的“不存在”天线部件的数据流被乘以0。
总之，在由功率放大器120进行放大之后，图1中的整个数据流D1被垂直极性的天线部件130发送。
为清楚起见，图2示出如何通过与图1的装置100类似的装置200来发送第二数据流D2：装置200中具有装置100的所有组件，所以在此不再深入描述。然而，装置200的天线部件230具有与图1中的天线部件不同的极性，在该情况下极性为水平极性。因此，在被功率放大器220放大后，D2被以水平极性从天线230发送。
图3描绘同时发送具有不同极性的信号的效果：第一信号被以垂直极性(“V”)发送，而第二信号被以水平极性(“H”)发送。如果这两个信号是被“同相”发送的，即在它们之间没有相移，则如位于天线前方并且注视该天线的观测者所见，该复合信号将被合并到标为“X”且被示为+45°的极性中。
然而，如果在这两个信号之一(例如以水平极性发送的信号)中引入180°的相移，则在如上所述的相同“正视图”中所见的复合信号将被合并到标为“Y”且被示为-45°的极性中。
应当指出，在此所描述的两种极性，即水平极性和垂直极性，仅仅是示例：可以使用任何两种极性，并且所使用的两种极性不必彼此正交，但是正交是优选的。同样的，所引入的相移不必是0°/180°，如果期望其他复合极性，则也可使用将产生所期望复合极性的其他相移，例如可以使用0°/+90°，这给出圆极性。
因此，如在图3中所见，通过在以不同极性发送的两个信号中的一个信号中引入相移，可以获得任何期望的合成极性。
图4示出本发明的天线装置400的基本实施例：图4中示出的装置400与先前示出的装置100、200之间的主要差别在于，装置400包括具有两个辐射部件430、432的天线。
如针对先前示例中所述，两个天线部件430、432中的每一个也可以表征大量具有相同极性的部件。这对于在本文中稍后示出和描述的其他实施例也同样适用——一个天线部件可表征大量部件。
第一天线部件是垂直极性的，而第二天线部件432是水平极性的，但这两个天线部件具有相同的相位中心。
可以在此指出适用于本发明的装置的一般原理：为了使用具有不同固有极性的两个天线来建立特定预期合成极性，在由所述天线发送的信号之间必须具有期望的相位关系。实现该目的的一个条件是这两个天线部件具有相同的相位中心。
该装置还针对天线中的每个辐射部件和极性都包括一个功率放大器420、422。因此，在此示例中，存在两个功率放大器。
装置400还包括先前示出的极性形成(PF)装置410。图4中示出的PF装置将输入数据流D1分成两个相等流，所述两个相等流中的每一个经由天线430、432之一被发送。因此，在所使用的两个极性中的每一个上有一个数据流。
如图3中所示和上文所述，PF可通过向D1流之一引入相移来实现在由两个辐射部件430、432发送的信号之间的特定复合极性。
如图4的PF函数中的圆括号所示，在该情况下，PF函数不将任何相移引入流向独立天线部件的任何一个信号，而是仅将每个信号乘以因子1(如圆括号中的数字所示)。因此，在本示例中，根据信号获得的复合极性将为如图3中所示出的+45°。
图5示出本发明的装置500的实施例：装置500包括用于两个数据流D1和D2的输入连接。对于所述数据流中的每一个，装置500都包括一个极性形成器510、511。此外，装置500包括各自包括一个辐射部件的两个天线，其中所述两个部件具有不同的极性，在该情况下一个部件530具有垂直极性，而另一个部件532具有水平极性。
辐射部件530、532中的每一个与功率放大器520、522中的一个相关联。
极性形成器(PF)510、511中的每一个将其各自的数据流分成两个独立流，并且可以例如通过将该两个独立流之一与复数exp(-jn*π)(其中n为正整数或负整数)相乘来在两个独立流之间产生相移。当然，如果在两个复数之间保持有期望的相位差，则通过将所述两个独立流均与复数相乘也可以实现相同效果。另一种实现相位差的方法是将延迟引入数据流之一。
因此，来自PF 510、511中的每一个的输出是包含相同数据但其间具有预期相位关系的两个数据流。
如图5中所示，使用两个PF的一示例是，用于第一数据流D1的PF不将相位差引入由D1所分出的两个独立流之间，即PF 510执行“D1流”乘以PF因子(1，1)(如图5中PF 510的圆括号中的数字(1，1)所示)的乘法运算。因此，来自PF 510的输出是其间无相移的第一和第二D1流。
另一方面，装置500中的另一PF，即PF 511，将相位差引入由D2分出的两个数据流之间，在此情况下，在从PF 511输出的两个D2流之间存在180°的相移。
因此，从PF 511输出的是其间具有-180°的相位差的第一和第二D2流，所述相位差还由图5中PF 511的圆括号中的数字(1，-1)示出。
如图5中所示，装置500还包括第一合路器515和第二合路器516，它们用于对来自极性形成器的输出进行合并，以形成经由各自的功率放大器520、522到第一天线部件530和第二天线部件532中的每一个的输入。
因此，来自PF 510、511中的每一个的两个输出流之一被输入到合路器之一。这意味着对第一合路器515来说，输入的是第一“D1流”和第一“D2流”，而对第二合路器516来说，输入的是第二“D1流”和第二“D2流”。
现在考虑两个D1流：两个D1流分别通过功率放大器520、522，并且从具有不同极性(一个是垂直极性，另一个是水平极性)的独立天线530、532被发送。由于PF没有引入相移，因此两个D1流在被发送之后以如图3中所示的方式(即以标为+45°的方式)在空中被合并。
而如果考虑两个D2流，将实现以下情况：第一和第二D2流也将分别通过第一合路器515和第二合路器516，并且通过相应的第一功率放大器520和第二功率放大器522以及天线部件530、532。
然而，PF 511将180°的相移引入到两个D2流之间。由于该相移，两个D2流在发送后将按图3中标为-45°的方式被合并。
因此，图5的装置500将按一种为-45°而另一种为+45°的两种有效极性，以每个极性上具有一个数据流D1、D2的方式进行发送。
因为两个数据流，或者更准确地说，来自两个PF 510、511的第一和第二输出，被输入到功率放大器520、522，所以功率放大器资源在数据流D1和D2之间被共享。如果一个功率放大器的就最大输出功率而言的放大器资源用P表示，则使用的总放大器资源为2P。
图6示出根据本发明的装置600的另一实施例：前文示出的实施例针对每个极性(垂直和水平)仅包括一个天线部件。如图6中所示，完全可能替换为针对一个或两个极性(如图6中所示)具有两个天线部件。针对每个极性的两个天线部件组成阵列天线。
因此，图6中的数字630和632指针对每个极性(垂直极性和水平极性)具有两个天线部件的阵列天线。自然，针对每个极性的辐射部件的数目可或多或少地任意变化。
如天线理论中已知的，对于同一个极性的两个或者更多个辐射部件，能够执行所谓的波束形成，即通过对馈入各自辐射部件的信号进行加权(weighting)来影响所述极性的合成辐射图的形状。
装置600包括用于波束形成的装置，即用于第一数据流D1的波束形成器(BF)652和用于第二数据流D2的第二波束形成器656。本文中稍后将描述的附加波束形成器用虚线示出，并被标识为数字650、654。
如图6中所示，来自两个PF 610、611中的每一个的两个输出数据流中的每一个被用作到波束形成器652、656之一的输入。在本示例中，PF将流出数据流之一乘以零，所以在本示例中仅存在一个有效的从各PF输出的数据流。
BF将每个流入数据流分成并行数据流，并且在输出数据流(在此情形下为两个)之间引入相移(并且可能为振幅差)。
如图6中所示，使用BF 652作为示例，从BF输出其间具有所述相移的两个数据流D1。这两个数据流D1分别用作到一个极性的辐射部件(此情形下为垂直极性的辐射部件630)之一的输入。每个辐射部件还配备有一个合路器615和一个PA 620。
因此，来自垂直“阵列天线”630的输出将成为具有期望形状的一合成波束，用于发送数据流D1。
以类似方式，水平“阵列天线”632将产生一个具有期望形状的合成波束，用于发送数据流D2。
可以看出尽管极性形成器610、611被包括在图6所示的装置600中，但是它们在装置中基本上不起作用，因为每个数据流仅连接到阵列天线630、632中的一个。进一步说明即在PF 611的输出为“垂直分支”输出时，将PF 610的“水平分支”输出乘以零。因此，图6的实施例实现的效果还可以通过将数据流D1-D4直接连接到相应的波束形成器来实现。
图7示出图6中引入的装置的又一变型例700：装置700中的不同之处在于，采用了所有波束形成器750、752、754、756。
如图7中可见，第一数据流D1被输入到第一极性形成器710，在第一极性形成器710处第一数据流D1被分成此时其间未引入相移的两个相等流。两个“同相”D1流中的一个被用作到垂直波束形成器752的输入，而另一个D1流被用作到水平波束形成器750的输入。在该语境下的垂直和水平是指来自波束形成器的输出将被用作到该极性的阵列天线的输入。
以类似的方式，第二数据流D2被输入到第二极性形成器711，在第二极性形成器711处第二数据流D2被分成此时其中引入180°的相位差的两个相等流。“同相”D2流被用作到垂直波束形成器754的输入，而“-180°”D2流被用作到水平波束形成器756的输入。
图7的装置还包括具有两个垂直极性辐射部件的第一阵列天线730和具有两个水平极性部件的第二阵列天线732。两个阵列天线具有相同的相位中心。每个辐射部件与合路器715、716之一以及功率放大器720、722之一相关联。因此，在装置700中共计存在四个传输链路，每个传输链路包括一合路器、一放大器和一辐射部件。
波束形成器750、752、754、756中的每一个还将输出以下列方式应用的第一和第二数据流：来自与D1相关联的垂直波束形成器752的两个输出被分别用作到垂直阵列天线730的两个传输链路的输入，而来自与D1相关联的水平波束形成器750的两个输出被分别用作到水平阵列天线732的两个传输链路的输入。
类似的是，来自与D2相关联的垂直波束形成器754的两个输出被分别用作到垂直阵列天线730的两个传输链路的输入，而来自与D2相关联的水平波束形成器756的两个输出被分别用作到水平阵列天线732的两个传输链路的输入。
因此，装置700中的每个传输链路都可由两个流D1和D2来使用。水平阵列天线732发送的D1流与垂直阵列天线732发送的D1流不具有由PF 710引入的相移，因此在发送后在空中合并为如图3中的+45°所示的极性。
相反，水平阵列天线732发送的D2流和垂直阵列天线730发送的D2流具有由PF 711引入的-180°的相移，因此在发送后在空中合并为图3中的-45°所示的极性。典型的是，BF 752＝BF 750，并且BF 756＝BF 754。
一个重要的问题是此结构的灵活性：图6中的功率资源专用于每个数据流，而在图7中，全部功率资源由两个流共享(共用功率资源)。在本发明的装置中，共用资源可在数据流之间均等或不均等地共享。此外，信号的空中合并消除了通常与共用功率资源相关联时的合并损失。
另外，阵列天线730、732产生的波束已由波束形成器750、752、754、756提供了期望的波束形状。
图8示出本发明的另一实施例800。如该实施例所示，在本发明的装置中使用的数据流的数目不必限制为两个：作为一个示例，在实施例800中使用了四个数据流D1-D4。
数据流D1-D4中的每一个被用作到与前述PF功能相同的PF 810-813之一的输入。因此，PF 810-813将流入数据流一分为二，并且将相移和可能的振幅差应用在两个数据流之间。
为了便于理解本发明的实施例800，以将流出数据流之一乘以零的方式，示出图8中的PF 810-813中的每一个，从而仅存在从每个PF输出的一个数据流。因此，由图8的实施例实现的效果也可通过将数据流D1-D4直接连接到相应的波束形成器来实现。
来自每个PF的每个输出数据流被用作到相应波束形成器BF852-856的输入。实施例800的BF具有与先前描述的那些BF相同的功能，因此在此将不再详细描述。然而，每个BF将流入数据流分成第一和第二输出数据流。
如图8中所示，来自每个BF 852-856的第一和第二输出数据流中的每一个被用作到装置中的一个传输链路的输入。实施例800与前述那些实施例的不同之处在于两个“波束形成的”数据流D1-D2和D3-D4在通过PF(在此它们受到相同的极性形成函数处理)之后被分别合并为到相同传输链路的输入。
如在图8中可见，第一和第二数据流D1和D2经受例如由它们各自的PF进行的极性形成函数(1，0)处理。
在波束形成后，由D1和D2中的每一个形成的合成第一数据流D11、D21被合并为到相同传输链路的输入，由D1和D2中的每一个形成的合成第二数据流D12、D22也被合并为到相同传输链路的输入。
由于用于数据流D1和D2的极性函数相同，所以数据流D1、D2中的每一个经受的波束形成函数BF(D1)、BF(D2)对于该数据流必须是唯一的。因此，在发送后，存在两者具有相同极性并具有充分差别以支持MIMO传输的一个D1波束和一个D2波束。
类似的是，两个数据流D3和D4经受相同的极性形成函数(0，1)处理，并且随后被用作到相同传输链路的输入。在发送后，存在两者具有相同极性并且具有充分差别以支持MIMO传输的一个D3波束和一个D4波束。
图9示出图8的装置的另一变型例900：实施例900与800之间的一个不同之处在于，在实施例900中，功率放大器资源被共用。
因此，在该实施例中，四个数据流D1-D4被输入到装置中。数据流D1-D4中的每一个被输入到一极性形成器中，所述极性形成器将输入数据流分成第一和第二输出数据流。来自每个极性形成器的第一输出数据流被用作到第一波束形成器BF的输入，而来自每个极性形成器的第二输出数据流被用作到第二波束形成器BF的输入。
因此，考虑流入数据流D1作为示例，在极性形成和波束形成之后，该数据流被分成来自垂直极性波束形成器BF(D1，V)的第一和第二D1流，和来自水平极性波束形成器BF(D1，H)的第一和第二D1流。
垂直极性的第一和第二D1流被分别输入到垂直极性天线中的第一和第二传输链路。
在垂直极性天线中的所述第一和第二传输链路中，把第一和第二D1流与分别来自输入数据流D2、D3和D4的第一和第二流相合并。
如图9中所示，用于D1和D2的极性形成函数分别与用于D3和D4的极性形成函数相同。如结合图8所指出的，具有相同PF函数并且输入到相同天线的两个数据流必须经过不同的波束形成函数，以支持MIMO传输。通过水平极性部件发送的流也被进行相应处理。
本发明不限于上面所示实施例的示例，而是可在所附权利要求的范围内自由修改。
例如，一个可能的变型例可以是使用将流入数据流分成四个输出数据流而非上文所述两个数据流的波束形成器。四个输出数据流中的每一个将被连接到阵列天线中的独立天线部件，这将创建具有更高增益的更窄波束。自然，此原理可进一步扩展，从而可以设想具有更多输出的波束形成器。

Claims (8)

1、一种用于蜂窝电话系统中的无线电基站的天线装置(500、600、700)，所述装置包括用于第一数据流(D1)的第一输入连接和用于第二数据流(D2)的第二输入连接，和与所述第一数据流和第二数据流一一对应的第一极性形成器(510、610、710)和第二极性形成器(511、611、711)，所述装置还包括分别具有第一极性和第二极性的第一天线(530、630、730)和第二天线(532、632、732)，所述天线中的每一个还包括一个放大器(520、620、720；522、622、722)，所述装置的特征在于还包括第一合路器(515、615、715)和第二合路器(516、616、716)，从而可将来自所述第一极性形成器和第二极性形成器的输出合并为针对所述第一天线和第二天线中的每一个的输入。
2、如权利要求1所述的天线装置，其中，所述第一天线和第二天线中的每一个都包括具有相同相位中心的至少一个辐射部件。
3、如权利要求1或2所述的天线装置，其中，所述第一极性形成器(510、610、710)和第二极性形成器(511、611、711)中的每一个都传递两个输出，所述输出随后被合并为针对所述第一天线(530、630、730)和第二天线(532、632、732)的输入。
4、如任一前述权利要求所述的装置，其中，所述极性形成器可将流入数据流分成两个数据流，并以在所述两个数据流之间具有相位差的方式输出所述两个数据流，所述两个数据流中的第一数据流被用作针对所述合路器中的第一合路器的输入，而所述两个数据流中的第二数据流被用作针对所述合路器中的第二合路器的输入。
5、如权利要求1-4中的任何一项所述的装置，其中，所述第一天线或第二天线中的至少一个天线还包括与所述至少一个天线的第一天线部件具有相同极性的至少又一辐射部件，所述装置还包括用于所述至少一个天线的波束形成器，所述波束形成器通过其输出连接到所述至少一个天线中的至少两个辐射部件，所述波束形成器将从所述极性形成器输出的所述数据流中的一个用作其输入。
6、如权利要求5所述的装置，其中，所述波束形成器可以将流入数据流分成两个数据流，并且以在所述两个数据流之间具有相位差的方式输出所述两个数据流，所述两个数据流中的第一数据流被用作针对所述合路器中的第一合路器的输入，而所述两个数据流中的第二数据流被用作针对所述合路器中的第二合路器的输入。
7、如权利要求4-6中的任何一项所述的天线装置，所述天线装置还包括用于至少第三数据流的输入连接，所述装置还包括用于所述至少第三数据流的第一附加波束形成器，所述输入连接将所述至少第三数据流连接到所述第一附加波束形成器，来自所述第一附加波束形成器的所述输出被用作针对所述合路器中的至少两个的输入。
8、如权利要求7所述的装置，所述装置还包括用于所述至少第三数据流的附加极性形成器，和用于所述至少第三数据流的第二附加波束形成器，所述第三数据流被用作针对所述附加极性形成器的输入，所述附加极性形成器的第一输出被用作针对所述第一附加波束形成器的输入，而所述附加极性形成器的第二输出被用作针对所述第二附加波束形成器的输入。
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