CN101536354A - 具有改进的辐射方向图的天线 - Google Patents

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CN101536354A CN200680056379A CN200680056379A CN101536354A CN 101536354 A CN101536354 A CN 101536354A CN 200680056379 A CN200680056379 A CN 200680056379A CN 200680056379 A CN200680056379 A CN 200680056379A CN 101536354 A CN101536354 A CN 101536354A
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M·约翰森
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Abstract

本发明公开了通信系统的天线设备(200、205、400、600)，其包括具有第一辐射方向图的第一天线(203、210－217、410－417、610－617)和具有第二辐射方向图的第二天线(207、220－5 227、420－425、620－627)。辐射方向图给两种天线提供了天线设备(200、205、400、600)的垂直面上的不同的覆盖范围，并且第一天线和第二天线被用于分集(209)。第一天线(203、210－217、410－417、610－617)和第二天线10(207、220－227、420－425、620－627)之间的垂直覆盖范围差别是至少使两个辐射方向图在垂直面上的第一零点彼此不重合。

Description

具有改进的辐射方向图的天线
技术领域
本发明涉及用于通信系统的天线设备，该天线设备包括具有第一辐射方向图的第一天线和具有第二辐射方向图的第二天线。
背景技术
在无线通信系统中，中心基站给被称作小区的特定地理区域中的用户提供服务。对于广域覆盖的基站，基站的一个或多个天线通常在俯仰(elevation)上具有窄波束宽度以得到最大的天线增益。
在一个或多个基站天线的主波束外的俯仰角处且接近基站的用户将必须依靠天线的旁瓣进行覆盖。其中一些用户将必然位于基站天线辐射方向图具有所谓的“零点”的俯仰方向上，更确切地说，如果没有采取措施对这些零点进行填充，那么基站天线辐射方向图具有非常低的增益或者根本没有增益。
所谓的“零点填充”被用于改善位于这样的位置处的用户状况，即，在该位置处，如果不改善用户状况那么他们将位于基站天线辐射方向图中具有零点的俯仰方向上。
如果没有零点填充，那么将存在完全失去用户连接的风险，或者对于宽带服务，将存在得到显著降低的比特率的风险，特别是如果用户是静止的并且存在从环境中传播的小角度。
传统的零点填充解决方案是在俯仰上对一个或多个基站天线通常包含的天线子阵列进行幅度衰减(tapering)和/或相位衰减。这得到了期望的零点填充，但是，这导致了朝向它期望覆盖的区域即小区边缘的峰值增益损失。
发明内容
如上所述，因此需要这样的天线设计，即，它将得到上述的期望的零点填充功能，而不会导致期望天线辐射方向图覆盖的区域的边缘处的覆盖变差。
本发明提出这种需要是因为它为电信系统提供了包含具有第一辐射方向图的第一天线和具有第二辐射方向图的第二天线的天线设备，通过该天线设备，这两种天线在天线设备的垂直平面中具有不同的覆盖范围。
在本发明的天线设备中，第一天线和第二天线被用于分集，并且第一天线和第二天线之间的垂直覆盖范围中的差别是至少使两个辐射方向图的垂直方向上的第一零点彼此不重合。
因此，因为天线设备包含两种天线，并且至少它们的第一零点彼此不重合，因此零点填充的问题可通过本发明的方式被解决，而不会存在以前使用的方法的缺点。
在本发明的一个示例中，使用的分集是接收分集，而在另一个实施例中，使用的分集是发射分集。
在本发明的不同实施例中，第一天线和第二天线可具有这样的辐射方向图，即，其在天线设备的水平面中是相同的或者其在天线设备的水平面中是彼此不同的。
上述垂直覆盖范围中的差别可通过这样的方式得到，即，第一天线和第二天线被设置以使它们彼此水平地分离，并且第一天线的辐射方向图被设置在相对于天线设备的第一垂直角处，而第二天线的辐射方向图被设置在相对于天线设备的第二垂直角处，第一垂直角和第二垂直角是彼此不同的。
通过天线相对于设备的机械角(mechanical angle)的差别或者通过使用如相移器等电气装置以将波束倾斜引入所述天线中的至少一个天线的波束中，可得到垂直角的差别。
第一天线和第二天线具有相应的第一极化和第二极化，它们可以是相同的，也可以是彼此不同的。
可通过很多种方式实现这样的期望效果，即，两种天线具有不同的零点(至少第一零点)，这将在下面进行更详细地阐述。
附图说明
下面将参考附图对本发明进行更详细地描述，其中：
图1示出了以前已知的天线的辐射方向图，及
图2a和图2b示出了根据本发明的天线的相应的第一实施例和第二实施例，及
图3示出了通过图2b的天线得到的辐射方向图，及
图4示出了根据本发明的天线的第三实施例，及
图5示出了通过图4的天线得到的辐射方向图，及
图6示出了根据本发明的天线的第四实施例，及
图7示出了根据图6的天线得到的辐射方向图，及
图8是示出了本发明的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出了在无线电基站中使用的传统已知的天线的俯仰上的典型的辐射方向图。图1中指定的图以dB为单位示出了相对辐射功率，其是已经被电动地倾斜到-9度的天线波束的俯仰角的函数。如图所示，辐射方向图包括大量的“深沟”或零点，更确切地说，辐射方向图具有低的增益或者完全没有增益处的俯仰角。一个这样的零点通过箭头被指示，所述点被标明为“0”。
将了解到，如果具有图1的辐射方向图的天线被用于蜂窝电话系统的无线电基站中，那么在该系统中位于对应于零点的位置处的用户可能存在信号强度方面的问题。
为了减轻与具有如图1所示的零点的天线有关的问题，本发明提供了这样的天线设备，其包括具有第一辐射方向图的第一天线和具有第二辐射方向图的第二天线，这两种辐射方向图在天线设备的垂直面中给两种天线提供了不同的覆盖。
在本发明的天线设备中，第一天线和第二天线被用于分集，并且第一天线和第二天线之间的垂直覆盖范围中的差别是至少使两个辐射方向图的垂直方向上的第一零点彼此不重合。
图2a示意性地示出了本发明的天线设备200的第一实施例。该实施例200包括第一天线203和第二天线207，它们在空间上彼此分离，并且它们中的每一个具有辐射方向图。
在天线设备200中，通过被示意性地表示为209的分集合并器，第一天线203和第二天线207被用于分集。
为了获得期望的“零点填充”效果，第一天线203和第二天线207被设置以使它们在天线设备的垂直面中具有不同的覆盖，在图2a中该平面用箭头“V”示意性地指示。第一天线和第二天线之间的垂直覆盖范围中的差别是至少使两个辐射方向图的垂直方向上的第一零点彼此不重合。
当然，彼此重合的零点越少越好，并且理想地，两个辐射方向图的零点都不会彼此重合。
在图2a的实施例200中，垂直覆盖范围中的差别是通过将天线203、205中的至少一个进行机械倾斜得到的。当然，如将在后面的实施例中示出的，也可通过电气装置使辐射方向图中的一个或两个垂直地倾斜。
图2b示出了本发明的天线设备205的第二实施例。该设备205包括具有第一数目的天线单元210-217的第一天线和具有第二数目的天线单元220-227的第二天线。
如图2b所示，第一天线和第二天线的天线单元都位于一个相同的物理“板”上，这虽然不是必要的但是却是适用的解决方案。同样地如图2b所示，在该特殊的实施例中，第一天线的天线单元的第一数目和第二天线的天线单元的第二数目是相等的。图2b的天线设备205的每个天线包括8个天线单元，这仅仅是示例，单元的数目可任意地变多或变少。
因为第一天线和第二天线位于相同的位置，因此在这里不能使用对图2a的实施例中使用的至少一个天线进行的机械倾斜。可替换地，利用第一天线和第二天线之间的不同极化。适当地但非必要地，第一天线和第二天线的极化是彼此正交的。
为了通过使用第一天线和第二天线之间的正交极化得到期望的效果，更确切地说，零点填充，第一天线和第二天线的天线单元相对于彼此正交地设置。因此，第一天线的每个天线单元210-217对应于第二天线的一个天线单元220-227，两种天线中的每个天线单元与另一个天线的天线单元以“交叉”来设置，并且当天线设备205被安装时每个天线单元被设置在相对于垂直线成±45度的方向上。
在这里可以指出，图2b的实施例中使用的两个极化无需彼此正交，并且如果使用两个正交极化，那么它们不必是图2b所示的±45度设置，但是可为任意两个彼此正交的极化。
因此，两种天线被包含在设备205中，所述两种天线中的每一个具有相对于另一个天线的正交极化。为了保证两种天线的辐射方向图的不重合零点的期望效果，天线设备205也包括这样的装置，即，它为这些天线中的至少一个天线的波束引入相对于另一个天线的波束的波束倾斜。
这种引入波束倾斜的装置是众所周知的并且它可用多种方式设计，这些装置包括机械装置，但是在优选的实施例中，如图2b所示，波束倾斜装置包括相移器215、225，它们作为图2中的两种天线中的每一个的一个单元被示意性地示出，它们在所述天线的一个的天线单元的输入和/或输出信号中引入了相比于所述天线的另一个的天线单元的输入和/或输出信号的时间延迟。
在图3中，所示的图300阐明了可通过图2b的天线设备205得到的结果。图300以dB为单位示出了作为俯仰角的函数的相对天线增益。
图3示出了天线设备的两种天线的辐射方向图，它们分别用“Ant1”和“Ant 2”指示，其中当天线设备被安装时第一天线“Ant 1”相对于水平面倾斜10度，而第二天线“Ant 2”相对于相同的水平面倾斜17度。倾斜角度是通过图2b所示的相移器215、225得到的。
如在前面结合图2a的布置的描述所述，通过本发明的天线设备的两种天线所接收的信号可被合并到用于分集接收的装置中。在这种分集接收系统中可使用不同的原理，图3示出了两种这样的原理的结果。这两种原理是最大比合并MRC和理想选择合并(Ideal SelectionCombining)ISC。
通过MRC得到的有效辐射方向图在图中被示出并用箭头310指示，而通过ISC得到的有效辐射方向图用箭头320指示。
如图3所示，通过使用本发明的天线设备400，零点填充可被显著地改善。
在图4中，本发明的天线设备的第二实施例400被示出。图4中示出的天线设备400包括具有同一个第一极化的第一数目的天线单元410-417，这些天线单元构成了天线设备400的第一天线。天线设备400还包括具有同一个第二极化的第二数目的天线单元420-425，所述第二数目天线单元构成了天线设备400的第二天线。
同样地，如图4所述的，第一天线和第二天线的天线单元都位于一个相同的物理“板”上，这对于天线设备400的功能是适合的，但不是绝对必要的。
在这里应该指出，尽管所示的图4的实施例400包括用于第一天线和第二天线中的每一个的相移器435、445，但是严格地说，这些相移器对于天线设备400的功能是不必要的，这将在下面进行解释。
第一天线的天线单元410-417与第二天线的天线单元420-425以“交叉”设置，所述交叉布置在垂直线的等距列中，其中术语“垂直”是参照天线设备400将如何被安装来使用的。然而，为了得到第一天线和第二天线之间的不重合零点的效果，天线单元的第一数目和天线单元第二数目是彼此不同的。
在图4的示例中，第一天线比第二天线多包含两个单元，这仅仅是用于阐述一般原理的示例。
实际上，因为这两种天线具有不同的尺寸，因此它们将具有不同的辐射方向图，并且因此还将具有不重合的零点。
第一天线和第二天线的所有单元被等间距地设置，甚至那些不具有第二天线中的相应单元的第一天线的单元，这虽然不是必要的但却是适当的设计。
图5示出了图500，其图示了可通过图4中的天线设备400得到的结果。图500以dB为单位示出了作为俯仰角的函数的相对天线增益。第一天线和第二天线的相应的辐射方向图用箭头“Ant1”和“Ant2”指示。同样地，图5示出了这样的有效辐射方向图，即，其可根据上述分集原理MRC和ISC并使用图4的天线设备400得到，其中MRC是用箭头510示出的，而ISC是用箭头520示出的。
如结合图4所述，实施例400的第一天线和第二天线具有不同数目的天线单元。第一天线和第二天线中的天线单元的数目可与图4所示的天线单元的数目不同，但是图5的图500对应于这样的天线设备，即，其中的第一天线和第二天线具有的天线单元的数目与图4中示出的天线单元的数目是相同的，更确切地说，第一天线具有8个辐射单元，而第二天线具有6个辐射单元。
如图5所示，通过使用本发明的天线设备400，零点填充可被显著地改善。
图6示出了本发明的天线设备600的第三实施例。在该实施例中，第一天线包括第一数目的辐射单元610-617，而第二天线包括第二数目的辐射单元620-627。在该实施例中，优选地，第一数目和第二数目是相等的，但是它们也可是不同的。
为了得到期望的效果，更确切地说，不重合的零点，对于第一天线，设备600的每个天线的辐射单元彼此相间第一距离，对于第二天线，设备600的每个天线的辐射单元彼此相间第二距离，其中所述第一距离和所述第二距离是彼此不同的。同样地，如图6所示，第一天线的天线单元610-617和第二天线的天线单元620-627被设置在彼此平行的相应列中，这虽然不是为了得到期望的效果绝对必须的，但是，这是适当的设计。
同样地，示出的图6的实施例600包括相移器630、640，它们用于第一天线和第二天线中的每一个，这同样是适当的设计，但不是为了得到期望结果即不重合的零点所绝对必须的，因为在该设计中相同数目的辐射单元相间不同的距离。
图7示出了图700，其阐述了通过图6的天线设备600得到的结果。图700以dB为单位示出了作为俯仰角的函数的相对天线增益。第一天线和第二天线的相应的辐射方向图是用箭头“Ant 1”和“Ant 2”指示的。同样地，图7示出了这样的有效辐射方向图，即，其是根据上述两种分集原理MRC和ISC并使用图6的天线600得到的，MRC用箭头710指示，而ISC用箭头720指示。
图8示出了流程图800，其概述了上述的本发明的主要步骤810-817。那些可彼此替换的步骤或者那些在本发明内可选择的步骤已经通过虚线连接到流程图。
本发明不局限于上面示出的实施例的示例，但是可在附加专利权利要求的范围内自由地改变
例如，尽管上面示出的实施例已经限制为接收分集，但是本领域相关技术人员将了解到，本发明也可应用于发射分集。同样地，在上面的附图和内容中，分集装置仅仅相对于图2的实施例被示出，但是应该理解到，这种装置可能并且可以被包含在本发明的所有实施例中。
同样地，第一天线和第二天线可具有这样的辐射方向图，即，它们在天线设备的水平面中是相同的，或者它们在天线设备的水平面中是彼此不同的。
此外，上面的示例已经示出了很多原理，例如：使用在空间上分离的两种天线，或者使用具有不同的极化的两种共在一处的天线。同样地，用于得到垂直覆盖范围中的差别的不同的装置也被示出，例如：机械装置或电气装置。进一步地，示出的天线设备包括两种不同的天线以及两种相似的天线。本领域相关技术人员将了解到，可通过将上述示例中示出的原理进行组合成多种方式得到期望的结果，所有的方式将都属于本发明的范围。

Claims (24)

1.一种用于电信系统的天线设备(200、205、400、600)，所述天线设备包括具有第一辐射方向图的第一天线(203、210-217、410-417、610-617)和具有第二辐射方向图的第二天线(207、220-227、420-425、620-627)，所述辐射方向图在所述天线设备(200、205、400、600)的垂直面中向所述两种天线提供了不同的覆盖范围，在所述天线设备中所述第一天线和所述第二天线被用于分集(209)，所述天线设备(200、205、400、600)的特征在于所述第一天线(203、210-217、410-417、610-617)和所述第二天线(207、220-227、420-425、620-627)之间的垂直覆盖范围中的所述差别是至少使所述两个辐射方向图在所述垂直面中的第一零点彼此不重合。
2.根据权利要求1所述的天线设备(200、205、400、600)，其中所述分集(209)是接收分集。
3.根据权利要求1所述的天线设备(200、205、400、600)，其中所述分集(209)是发射分集。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的天线设备(200、205、400、600)，其中所述第一天线(203、210-217、410-417、610-617)和所述第二天线(207、220-227、420-425、620-627)在所述天线设备的水平面中具有相同的辐射方向图。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的天线设备(200、205、400、600)，其中所述第一天线(203、210-217、410-417、610-617)和所述第二天线(207、220-227、420-425、620-627)具有在所述天线设备的水平面中彼此不同的辐射方向图。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的天线设备(200)，其中所述垂直覆盖范围中的差别是通过将所述第一天线(203)和所述第二天线(207)设置成使得它们在所述设备的水平方向上彼此分离得到的，其中所述第一天线(203)的所述辐射方向图被设置为相对于所述天线设备具有第一垂直角，而所述第二天线(207)的所述辐射方向图被设置为相对于所述天线设备具有第二垂直角，所述第一垂直角和所述第二垂直角彼此不同。
7.根据权利要求6所述的天线设备(200)，其中所述垂直角的差别是通过所述天线(203、207)相对于所述设备的所述机械角的差别得到的。
8.根据权利要求6所述的天线设备(200、205、400、600)，其中所述垂直角的差别是通过电气装置得到的，例如，用于在所述天线的至少一个的波束中引入波束倾斜的相移器(215、225；435、445；630、640)。
9.根据前面的权利要求中的任意一个所述的天线设备(400、600)，其中所述第一天线和第二天线具有相应的第一极化和第二极化，所述第一极化和第二极化是彼此不同的。
10.根据权利要求9所述的天线设备(400、600)，其中所述第一极化和第二极化是彼此正交的。
11.根据权利要求1至10中的任意一项所述的天线设备(400)，其中所述第一天线包括第一数目的天线单元(410-417)，而第二天线包括第二数目的天线单元(420-425)，所述第一数目和所述第二数目是彼此不同的。
12.根据权利要求1至10中的任意一项所述的天线设备(600)，其中所述第一天线和第二天线包括相同数目的天线单元(610-617；620-627)，并且对于所述第一天线，每个天线的天线单元彼此相间第一距离，对于所述第二天线，每个天线的天线单元彼此相间第二距离，所述第一距离和所述第二距离是彼此不同的。
13.一种供电信系统中天线设备(200、205、400、600)使用的方法，所述方法包括使用具有第一辐射方向图的第一天线(203、210-217、410-417、610-617)和具有第二辐射方向图的第二天线(207、220-227、420-425、620-627)，所述辐射方向图在所述天线设备(200、400、600)的垂直面中向所述两种天线提供了不同的覆盖范围，所述方法还包括将所述第一天线和所述第二天线用于分集(209)，所述方法的特征在于所述第一天线和所述第二天线之间的垂直覆盖范围中的差别是至少使所述两个辐射方向图的垂直面中的第一零点彼此不重合。
14.根据权利要求13所述的方法，所述分集(209)是接收分集。
15.根据权利要求13所述的方法，所述分集(209)是发射分集。
16.根据权利要求13-15中的任意一项所述的方法，其中所述第一天线(203、210-217、410-417、610-617)和第二天线(207、220-227、420-425、620-627)被选择为使它们在所述天线设备的水平面中具有相同的辐射方向图。
17.根据权利要求13-15中的任意一项所述的方法，所述第一天线(203、210-217、410-417、610-617)和第二天线(207、220-227、420-425、620-627)在所述天线设备的水平面中具有彼此不同的辐射方向图。
18.根据权利要求13至17中的任意一项所述的方法，其中所述垂直覆盖范围的差别是通过将所述第一天线(203)和所述第二天线(207)设置为使它们在水平方向上彼此分离得到的，并且所述第一天线(203)的所述辐射方向图被设置在相对于所述天线设备的第一垂直角处，而所述第二天线(207)的所述辐射方向图被设置在相对于所述天线设备(200)第二垂直角处，所述第一垂直角和所述第二垂直角是彼此不同的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述垂直角的差别是通过使所述天线(203、207)相对于所述设备(200)的所述机械角存在差别得到的。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述垂直角的差别是通过使用电气装置得到的，例如：用于在所述天线的至少一个的所述波束中引入波束倾斜的相移器(215、225；435、445；630、640)。
21.根据权利要求13-20中的任意一项所述的方法，其中所述第一天线和所述第二天线被选择为具有相应的第一极化和第二极化，所述第一极化和所述第二极化是彼此不同的。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一极化和所述第二极化被选择为使它们彼此正交。
23.根据权利要求13-22中的任意一项所述的方法，其中所述第一天线具有第一数目的天线单元(410-417)，而所述第二天线具有第二数目的天线单元(420-425)，所述第一数目和所述第二数目是彼此不同的。
24.根据权利要求13-22中的任意一项所述的方法，其中所述第一天线和所述第二天线被设计为包括相同数目的天线单元(610-617；620-627)，并且其中对于所述第一天线，每个天线的所述天线单元彼此相间第一距离，对于所述第二天线，每个天线的所述天线单元彼此相间第二距离，所述第一距离和所述第二距离是彼此不同的。
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