CN101542840B - 多波束天线 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有两个低相关度的波束并且有效用于MIMO的天线。该天线包括第一阵列天线和第二阵列天线。第一阵列天线和第二阵列天线分别具有不同方向上的方向性。第一阵列天线的组合波束的最大辐射方向被允许朝向方向(θ1)。第二阵列天线的组合波束的最大辐射方向被允许朝向方向(θ2)，即第一阵列天线的组合波束的空点方向。

Description

多波束天线
技术领域
本发明涉及多波束天线(multibeam antenna)，并且具体而言涉及在MIMO(多输入多输出)无线技术等中采用的多波束天线。
背景技术
使用诸如WiMAX(全球微波接入互操作性)之类的MIMO技术的通信服务当前正在启动。MIMO技术是一种用于接收经过多个传播路径的许多无线电波、加快传输速率并提高通信质量的技术。利用MIMO技术，采用了两个或更多个天线，并且如果要使用的天线之间的相关度较低，则可以产生更强的效果。
在使用WiMAX的可能无线服务中，如果要保持基站和终端之间的通信并且该终端位于公寓等中，则来自基站的无线电波的到达方向通常集中于窗口侧的方向(这是因为通过许多室内墙壁的衰减在非窗口侧很高)。这样，如果到达方向被差不多设置，则使用彼此具有低相关度和朝向(orientation)设置方向的方向性(directivity)的两个天线，将是最优的。
专利文献1：日本专利申请早期公开No.2003-008344
发明内容
本发明要解决的问题
专利文献1描述了这样的发明，其中主波瓣(main lobe)具有预定角度，并且作为小波束的两个旁波瓣(side lobe)被两侧对称地布置。然而，一个空点(null point)的角度并不总是与另一主波瓣的相一致。
一般而言，如果无线通信要被保持并且无线电波的到达方向大致是已知的，则当在诸如其中外部无线电波从窗口方向压倒性地到达的公寓之类的位置使用终端时采用两个天线，并且在通信中使用分集技术或MIMO(多输入多输出)技术。优选地，两个天线的相关度尽可能地低并且尽可能地紧凑。
在使用MIMO技术的通信中采用的天线是在方位角朝向(azimuthorientation)上全方向(omnidirectional)并且被布置为对齐的两个单极天线或偶极天线。利用该方法，这两个天线在方向性上是完全相同的。由此，如果两个天线以短距离放置，则不能使得两个天线之间的相关度足够低。结果，仅能获得不充分的MIMO传输效果。
图16示出了根据现有技术的天线的示例。单极天线1001和1002被布置在终端设备1000的上表面上，并且围绕天线1001和1002分别形成了全方向辐射模式(radition pattern)1011和1012。在这种情况下，如果两个天线以短距离放置，则不能使得天线之间的相关度足够低，并且仅能获得不充分的MIMO传输效果，因为两个天线在方向性上是完全相同的。
此外，如果采用两个天线，则随着两个天线被布置为彼此更远离，相关度变低。这又不利地导致包括两个天线的设备尺寸增大。如果两个天线被布置为彼此更靠近，则使得包括天线的设备的尺寸变小，但是天线之间的相关度不利地变高。
本发明的目的是提供一种具有低相关度的两个波束并且在这些情形下有效用于MIMO的天线。
根据本发明，提供了一种包括第一阵列天线(array antenna)和第二阵列天线的多波束天线，其中第一阵列天线和第二阵列天线具有彼此不同方向的方向性，来自第一阵列天线的组合波束(combined beam)的最大辐射方向朝向θ1方向，并且来自第二阵列天线的组合波束的最大辐射方向朝向θ2方向，该θ2方向对应于来自第一阵列天线的组合波束的空点。
本发明的优点
根据本发明的多波束天线由两个阵列天线构成，并且特征在于这两个阵列天线分别具有用于在不同方向上提供最大增益的方向性，并且天线具有两个波束和两个馈送单元，以使得一个阵列天线的方向性的辐射水平变为最大的方向与另一阵列天线的方向性的第一空方向(辐射水平从主波束起第一次变为最小的方向)相一致。
通过这样构成，所形成的两个天线波束在相关度上相当低并且被布置在紧邻的位置。由此，天线可以被构成得非常紧凑。另外，如果在使用分集技术或MIMO技术的通信中采用天线，则可以使得线路电平(linelevel)稳定，并且可以提高线路质量和传输速率。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的多波束天线的配置图。
图2是主波瓣的朝向设置的说明图。
图3是主波瓣的朝向设置的第二说明图。
图4是根据本发明第二实施例的多波束天线的配置图。
图5是根据本发明第三实施例的多波束天线的配置图。
图6A是根据本发明第四实施例的多波束天线的配置图。
图6B是根据本发明第四实施例的多波束天线的辐射模式图。
图7是根据本发明第五实施例的多波束天线的配置图。
图8是根据本发明第六实施例的多波束天线的配置图。
图9是根据本发明第七实施例的多波束天线的配置图。
图10是根据本发明第八实施例的多波束天线的配置图。
图11是根据本发明第九实施例的多波束天线的配置图。
图12是根据本发明第十实施例的多波束天线的配置图。
图13是根据本发明第十一实施例的多波束天线的配置图。
图14是根据本发明第十二实施例的多波束天线的配置图。
图15是根据本发明第十三实施例的多波束天线的配置图。
图16是示出根据现有技术的天线示例的示图。
标号描述
1、2、3、4 天线
10 阵列天线A
20 阵列天线B
11、21、31、41、51、61 馈线(feeder)
具体实施方式
下面将参考附图详细描述用于实现本发明的最佳模式。
1)根据本发明的多波束天线被配置为包括包含M1×N1个元件的天线的阵列天线和包含M2×N2个元件的天线的阵列天线，其中这两个阵列天线分别具有在不同方向上提供最大增益的方向性，来自具有M1×N1个元件的阵列天线的组合波束的用于提供最大增益的最大辐射方向被设置为极坐标系统上的(θ1，φ1)的方向，并且来自具有M2×N2个元件的阵列天线的组合波束的最大辐射方向朝向(θ1，φ1)附近的任意的第一空点(θ2，φ2)的方向。
在来自具有M2×N2个元件的阵列天线的组合波束的最大辐射方向(θ2，φ2)中，存在来自具有M1×N1个元件的阵列天线的组合波束的空点。由此，来自两个阵列天线的波束之间的相关度相当低，并且利用两个天线可以保持高效的MIMO通信。
2)作为第二方法，多波束天线被配置为包括两个阵列天线，每个阵列天线包括M1×N1个元件的天线，其中这两个阵列天线分别具有在不同方向上提供最大增益的方向性，来自具有M1×N1个元件的第一阵列天线的组合波束的用于提供最大增益的最大辐射方向被设置为极坐标系统上的(θ1，φ1)的方向，并且来自具有M1×N1个元件的第二阵列天线的组合波束的用于提供最大增益的最大辐射方向朝向(θ1，φ1)附近的任意的第一空点(θ2，φ2)的方向。
在该方法中，上述1)中的M1被设置为等于M2，即M1＝M2，并且N1被设置为等于N2，即N1＝N2。利用该方法，来自第一阵列天线的组合波束的空点存在于来自第二阵列天线的组合波束的最大辐射方向(θ2，φ2)，并且来自第二阵列天线的组合波束的空点存在于来自第一阵列天线的组合波束的最大辐射方向(θ1，φ1)。由此，来自两个阵列天线的波束之间的相关度远低于1)的波束之间的相关度，并且利用两个天线可以保持高效的MIMO通信。
3)作为第三方法，多波束天线被配置为包括包含布置在极坐标的Z轴上的M个元件的天线的阵列天线以及包含布置在极坐标的Z轴上或布置在平行于Z轴的线上的N个元件的天线的N元件阵列天线，其中这两个阵列天线分别具有在不同方向上提供最大增益的方向性，来自具有M个元件的阵列天线的组合波束的用于提供最大增益的最大辐射方向被设置为极坐标系统上的(θ1，φ)的方向，并且来自具有N个元件的阵列天线的组合波束的最大辐射方向朝向(θ1，φ)附近的任意的第一空点(θ2，φ)的方向。
在来自具有N个元件的阵列天线的组合波束的最大辐射方向(θ2，φ)中，存在来自具有M个元件的阵列天线的组合波束的空点。由此，来自两个阵列天线的波束之间的相关度相当低，并且利用两个天线可以保持高效的MIMO通信。
4)作为第四方法，多波束天线被配置为包括两个阵列天线，每个阵列天线包含布置在极坐标的Z轴上的M个元件的天线，其中这两个阵列天线分别具有在不同方向上提供最大增益的方向性，来自具有M个元件的第一阵列天线的组合波束的用于提供最大增益的最大辐射方向被设置为极坐标系统上的(θ1，φ)的方向，并且来自具有M个元件的第二阵列天线的组合波束的用于提供最大增益的最大辐射方向朝向(θ1，φ)附近的任意的第一空点(θ2，φ)的方向。
在该方法中，上述3)中的M被设置为等于N，即M＝N。利用该方法，来自第一阵列天线的组合波束的空点存在于来自第二阵列天线的组合波束的最大辐射方向(θ2，φ)，并且来自第二阵列天线的组合波束的空点存在于来自第一阵列天线的组合波束的最大辐射方向(θ1，φ)。由此，来自两个阵列天线的波束之间的相关度远低于3)的波束之间的相关度，并且利用两个天线可以保持高效的MIMO通信。
5)第五方法是一种更加实用的方法，并且对应于4)中的M为两个元件的实例。多波束天线被配置为包括包含天线1和天线2的第一阵列天线以及包含天线3和天线4的第二阵列天线。这两个阵列天线分别具有在不同方向上提供最大增益的方向性。天线1和2之间的元件距离等于天线3和4之间的元件距离。天线1和2被布置在其上的线与天线3和4被布置在其上的线具有相同关系或平行关系。来自天线1和2的组合波束的最大辐射方向是垂直于该线的方向，即，偏离阵列布置的宽边方向(broadside direciton)θ1度的方向，并且作为θ1度方向附近的第一空点的角度的θ2的方向是来自天线3和4的组合波束的最大辐射方向。
利用该方法，与4)类似，来自包括天线1和2的阵列天线的组合波束的空点存在于来自包括天线3和4的阵列天线的组合波束的最大辐射方向θ2，并且来自包括天线3和4的阵列天线的组合波束的空点存在于来自包括天线1和2的阵列天线的组合波束的最大辐射方向θ1。由此，来自两个阵列天线的波束之间的相关度相当低，并且利用两个天线可以保持高效的MIMO通信。
在上述情况下，如果天线1和2之间的元件距离等于天线3和4之间的元件距离并且归一化的元件距离假定为D(D＝d/λ，其中λ为波长，d为元件距离)且θ1>θ2，则θ1、θ2和d之间的关系被表示为
sin{(θ1-θ2)/2}＝1/(4D)。
6)第六方法是第五方法5)的进一步简化的方法。即，多波束天线被配置为包括包含天线1和天线2的第一阵列天线以及包含天线3和天线4的第二阵列天线，其中这两个阵列天线分别具有在不同方向上提供最大增益的方向性，天线1和2之间的元件距离等于天线3和4之间的元件距离，并且天线1和2被布置在其上的线与天线3和4被布置在其上的线具有相同关系或平行关系。功率以同一相位被馈送到天线1和2，并且功率也以该同一相位被馈送到天线3和4。包括天线1和2的阵列天线的最大辐射方向在包括该阵列的线的平面上偏离该线的垂直方向(阵列的宽边方向)达θ1度，并且包括天线3和4的阵列天线的最大辐射方向在包括该阵列的线的平面上偏离该线的垂直方向(阵列的宽边方向)达-θ1度。此时，包括天线3和4的阵列天线的最大辐射方向-θ1是包括天线1和2的阵列天线的空方向，并且包括天线1和2的阵列天线的最大辐射方向θ1是包括天线3和4的阵列天线的空方向。
此时，天线1和2之间的元件距离被设置为等于天线3和4之间的元件距离。向包括天线1和2的阵列天线馈送的功率与向包括天线3和4的阵列天线馈送的功率之间的相位差是π/2，无论元件距离的值为多少。
根据本发明的多波束天线是在使用MIMO技术的通信中采用的天线。近年来，MIMO技术已被用在使用WiMAX技术的通信系统中。利用根据本发明的多波束天线，可以有效地使用MIMO技术。
根据MIMO，在发送方和接收方使用了多个天线，并且使用具有许多多路径的多传播路径空间中的多个不同传播路径来执行传输，从而加快了传输速率。此时，优选地在发送方和接收方使用的多个天线之间的相关度很低。例如，如果在接收方使用两个天线，则两个天线被放置得尽可能远，从而可以减小相关度。
根据本发明的多波束天线由两个具有N个元件的阵列天线构成，并且特征在于这两个阵列天线分别具有在不同方向上提供最大增益的方向性，并且天线具有两个波束和两个馈送单元，以使得一个阵列天线的方向性的辐射水平变为最大的方向与另一阵列天线的方向性的第一空方向(辐射水平从主波束起第一次变为最小的方向)相一致。
通过这样构成，所形成的两个天线波束在相关度上相当低并且被布置在紧邻的位置。由此，天线可以被构成得非常紧凑。
如果在使用分集技术或MIMO技术的通信中采用具有低相关度的两个天线，则可以使得线路电平稳定，并且可以提高线路质量和传输速率。
图1是根据本发明第一实施例的多波束天线的配置图。阵列天线A10被配置为包括天线1、天线2、馈线11、馈线21、馈线51和馈送单元A5。同样，阵列天线B20被配置为包括天线3、天线4、馈线31、馈线41、馈线61和馈送单元B6。
具有长度L1的馈线11和具有长度L2的馈线21分别连接到天线1和2，这两根馈线的另一端接合并连接在一起，进而连接到馈线51并到达馈送单元A5。同样，具有长度L3的馈线31和具有长度L4的馈线41分别连接到天线3和4，这两根馈线的另一端接合并连接在一起，进而连接到馈线61并到达馈送单元B6。
注意，天线1和2被布置在纸面中的水平线上，天线3和4被类似地布置在纸面中的水平线上，并且阵列天线A和B被布置在平行的线或相同的线上。
来自阵列天线A10的主波束的方向(即，提供最大增益的最大辐射方向)被设置为与阵列A10所布置在其上的线垂直的方向，即，相对于宽边方向倾斜θ1度的方向。在这种情况下，为了使主波瓣朝向θ1度方向，连接到天线1和2的馈线的长度L1和L2被调节。图2是关于这种调节的说明图。假定天线1和2之间的元件距离为d，则有必要使从天线1和2辐射的无线电波在θ1方向上相位相等以便使主波瓣朝向θ1方向。相对于相位中心O，天线1的路径长度滞后(d/2)sinθ1，而天线2的路径长度领先(d/2)sinθ1。通过将路径长度(d/2)sinθ1乘以2π/λ(λ：波长)，可以将该空间路径长度(d/2)sinθ1转换为电相位角度。因此，如果以下激发相位(excitation phase)分别被提供给天线1和2，则可以形成在θ1方向上具有最大辐射的波束。
天线1的激发相位＝+(2π/λ)×(d/2)×sinθ1   (1)
天线2的激发相位＝-(2π/λ)×(d/2)×sinθ1   (2)
另外，基于以上等式(1)和(2)，天线1对天线2的相对相位差δ1被表示如下。
在等式(1)和(2)中，符号+意味着领先相位，而符号-意味着滞后相位。
δ1＝(天线1的激发相位)-(天线2的激发相位)
＝(2π/λ)×(d/2)×sinθ1-(-(2π/λ)×(d/2)×sinθ1)
＝(2πd/λ)×sinθ1                          (3)
因此，在图1中将L2-L1的电长度设置为δ1就足够了。
从以上内容导出了在最大辐射方向为θ1方向的阵列天线A10的任意角度θ处的场强。如果天线1的激发幅度为E1并且天线2的为E2，则阵列天线A10的组合电场Et1被表示如下。
Et1
＝E1×EXP(-j×(2π/λ)×(d/2)×sinθ+j×(2π/λ)×(d/2)×sinθ1)
+E2×EXP(j×(2π/λ)×(d/2)×sinθ-j×(2π/λ)×(d/2)×sinθ1)
＝E1×EXP(-jπd/λ×(sinθ-sinθ1))+E2×EXP(jπd/λ×(sinθ-sinθ1))
＝E1(cos(πd/λ×(sinθ-sinθ1))-jsin(πd/λ×(sinθ-sinθ1)))
+E2(cos(πd/λ×(sinθ-sinθ1))+jsin(πd/λ×(sinθ-sinθ1)))
在这种情况下，如果天线1和2的激发幅度被设置为相等，即E1＝E2，则组合电场Et1被表示如下。
Et1＝2×E1×cos(πd/λ×(sinθ-sinθ1))
此外，如果元件距离d被经过波长归一化的元件距离D(D＝d/λ)替换，则Et1被表示如下。
Et1＝2×E1×cos(π×λD/λ×(sinθ-sinθ1))
＝2×E1×cos(πD(sinθ-sinθ1))            (4)
以上说明类似地适用于图1中所示的被配置为包括天线3和4的阵列天线B20。在图1中，为了使来自阵列天线B20的主波束朝向θ2方向，可以适用图2的原理和以上说明。因此，激发天线3和4的电相位被表示如下。
天线3的激发相位＝-(2π/λ)×(d/2)×sinθ2   (5)
天线4的激发相位＝+(2π/λ)×(d/2)×sinθ2   (6)
另外，天线3对天线4的相对相位差δ2被表示如下。
δ2＝(天线4的激发相位)-(天线3的激发相位)
＝(2π/λ)×(d/2)×sinθ2-(-(2π/λ)×(d/2)×sinθ2)
＝(2πd/λ)×sinθ2                          (7)
因此，在图1中将L4-L3的电长度设置为δ2就足够了。
从以上内容导出了在最大辐射方向为θ2方向的阵列天线B20的任意角度θ处的场强。如果天线3的激发幅度为E3并且天线4的为E4，则阵列天线B20的组合电场Et2被表示如下。
Et2
＝E3×EXP(-j×(2π/λ)×(d/2)×sinθ-j×(2π/λ)×(d/2)×sinθ2)
+E4×EXP(j×(2π/λ)×(d/2)×sinθ+j×(2π/λ)×(d/2)×sinθ2)
＝E3×EXP(-jπd/λ×(sinθ+sinθ2))+E4×EXP(jπd/λ×(sinθ+sinθ2))
＝E3(cos(πd/λ×(sinθ+sinθ2))-jsin(πd/λ×(sinθ+sinθ2)))+
E2(cos(πd/λ×(sinθ+sinθ2))+jsin(πd/λ×(sinθ+sinθ2)))
在这种情况下，如果天线3和4的激发幅度被设置为相等，即E3＝E4，则组合电场Et2被表示如下。
Et2＝2×E3×cos(πd/λ×(sinθ+sinθ2))
此外，如果元件距离d被经过波长归一化的元件距离D(D＝d/λ)替换，则Et2被表示如下。
Et2＝2×E3×cos(π×λD/λ×(sinθ+sinθ2))
＝2×E3×cos(πD(sinθ+sinθ2))        (8)
图3是主波瓣的朝向的第二说明图。这是一个方向性图，其中垂直轴指示场强，水平轴指示角度。从图1和2中所示的阵列天线A 10辐射的主波束是波束A100，而从图1中所示的阵列天线B 20辐射的主波束是波束B200。为了表现出根据本发明的多波束天线的特征，有必要使得阵列天线A 10的最大辐射方向θ1是阵列天线B 20的空方向，并且阵列天线B 20的最大辐射方向θ2是阵列天线A 10的空方向。
这些设置被应用于Et1和Et2的等式并被加以考虑。Et1具有θ1的最大辐射方向。Et1为空的条件如下所示。
在Et1＝2×E1×cos(πD(sinθ-sinθ1))中，
πD(sinθ-sinθ1)＝±(π/2)×(2k-1)，其中k＝1，2，3...K(自然数)
在图3中，当θ1左边的第一点为空点时，下面的等式成立。
πD(sinθ-sinθ1)＝-π/2
(sinθ1-sinθ)＝1/(2D)       (9)
sinθ＝sinθ1-1/(2D)
θ＝sin-1(sinθ1-1/(2D))     (10)
因此，如果θ2＝sin-1(sinθ1-1/(2D))，则多波束天线可以被配置为使得阵列天线A 10的最大辐射方向θ1是阵列天线B 20的空方向，并且阵列天线B 20的最大辐射方向θ2是阵列天线A 10的空方向。
例如，在D＝0.5并且θ1＝30度时，根据等式(10)θ2＝-30度。在θ2＝-30度时，根据等式(1)天线1的激发相位是+45度，根据等式(2)天线2的激发相位是-45度，根据等式(5)天线3的激发相位是-45度，并且根据等式(6)天线4的激发相位是+45度。
作为第二示例，在D＝0.5并且θ1＝45度时，θ2＝-17度。在θ2＝-17度时，天线1的激发相位是+63.6度，天线2的激发相位是-63.6度，天线3的激发相位是-26.3度，并且天线4的激发相位是+26.3度。
将考虑这样一种实例，其中波束A100和B200关于阵列的宽边方向(即，关于θ＝0)对称地布置。在该实例中，根据等式(9)给出以下等式。
(sinθ1-sinθ2)＝1/(2D)
此外，在这种情况下，从图3明显可见，有必要满足θ2＝-θ1。因此，(sinθ1-sinθ2)＝1/(2D)被重写为下式。
(sinθ1-sin(-θ1))＝1/(2D)
2sinθ1＝1/(2D)
sinθ1＝1/(4D)
θ1＝sin-1(1/(4D))          (11)
而且，该等式被重写为D＝的形式，如下所示。
D＝1/(4sinθ1)                       (12)
等式(12)和D＝d/λ的关系被赋给等式(1)以使得等式(1)简化如下。
天线1的激发相位
＝+(2π/λ)×(d/2)×sinθ1   (1)
＝+(2π/λ)×(λD/2)×sinθ1
＝+πD×sinθ1
＝+π(1/(4sinθ1))×sinθ1
＝+π/4
＝+45度        (13)
在这种情况下，不管元件距离D如何，根据等式(13)天线1的激发相位都是+45度。同样，天线2的激发相位是-45度。另外，天线3和4的激发相位分别是-45和+45度。
因此，在等式(12)和(13)的示例中，即，在波束A100和B200被布置在阵列的宽边方向上(即，关于θ＝0对称布置)的实例中，在D＝0.5时，θ1＝30度，θ2＝-30度，天线1的激发相位是+45度，天线2的激发相位是-45度，天线3的激发相位是-45度，并且天线4的激发相位是+45度。
同样，在D＝0.7时，θ1＝20.9度，θ2＝-20.9度，天线1的激发相位是+45度，天线2的激发相位是-45度，天线3的激发相位是-45度，并且天线4的激发相位是+45度。
图4是根据本发明第二实施例的多波束天线的配置图。平板天线(flatpanel antenna)300被配置为包括印刷板301，印刷板301具有设在背面上的导体地302。片状天线(patch antenna)311至314被布置在印刷板301的正面上，并且微带线的馈线321至324分别连接到片状天线311至314。馈线321和322分别连接到片状天线311和312，并且在馈送点325处被组合。馈线321和322之间的长度关系类似于图1或2中所示的L1和L2之间的关系。同样，馈线323和324分别连接到片状天线313和314，并且在馈送点326处被组合。馈线323和324之间的长度关系类似于图1中所示的L3和L4之间的关系。连接器的同轴中心导体通常从印刷板301的背面连接到馈送点325和326，从而向馈送点325和326馈送功率。由于向馈送点325和326的功率馈送具有图1中所示的类似关系，因此可以形成两个波束，以使得一个天线的第一空点存在于另一天线模式的束峰(beam peak)处。
图5是根据本发明第三实施例的多波束天线的配置图。平板天线350被配置为包括印刷板351，印刷板351具有设在背面上的导体地352。片状天线361至364被布置在印刷板351的正面上，并且微带线的馈线371至374分别连接到片状天线361至364。馈线371和372分别连接到片状天线361和362并被组合在一起，并且到达馈送点375。馈线371和372之间的长度关系类似于图1或2中所示的L1和L2之间的关系。同样，馈线373和374分别连接到片状天线363和364并被组合在一起，并且到达馈送点376。馈线373和374之间的长度关系类似于图1中所示的L3和L4之间的关系。SMA连接器的同轴中心导体通常从印刷板351的下表面连接到馈送点375和376，从而向馈送点375和376馈送功率。与图4类似，由于向馈送点375和376的功率馈送具有图1中所示的类似关系，因此可以形成两个波束，以使得一个天线的第一空点存在于另一天线模式的束峰处。
图6A是根据本发明第四实施例的多波束天线的配置图。在图6A所示的天线配置中，天线381和382被布置为彼此间隔元件距离d，并且连接到混合电路383。混合电路383的另外两个端口分别到达位于混合电路383的下游的馈送单元A384和B385。根据在等式(13)之后的描述，如果两个天线的激发相位分别是+45度和-45度，即，不管两个天线之间的元件距离d如何相位差都是90度，则可以形成两个波束，以使得一个天线的第一空点存在于另一天线模式的束峰处。图6A示出了利用混合电路383配置该多波束天线的示例。混合电路383将从馈送单元A384馈送来的RF信号划分为幅度相等且相位相差90度的两个信号，并分别将这两个信号馈送到天线381和382。在这种情况下，天线382的相位相对于天线381的相位具有90度的滞后。在这种情况下，模式是图6B的辐射模式图中的模式A386(由虚线指示)。同样，混合电路383将从馈送单元B385馈送来的RF信号划分为幅度相等且相位相差90度的两个信号，并分别将这两个信号馈送到天线381和382。在这种情况下，天线381的相位相对于天线382的相位具有90度的滞后。在这种情况下，模式是如图6B所示的模式B387(由实线指示)。另外，如图6B所示，形成了两个辐射模式，以使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度。
图7是根据本发明第五实施例的多波束天线的配置图。被配置为包括印刷板的平板天线400被构造为使得片状天线401和402被布置在正面，并且连接器的同轴中心导体从背面连接到馈送点403和404，从而向馈送点403和404馈送功率。这些馈送点分别通过同轴线缆405和406连接到混合电路407。馈送单元408和409分别被布置在混合电路407的另外两个端口上。在这种情况下，操作原理类似于图6B中所示的，并且形成了辐射模式，以使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度。
图8是根据本发明第六实施例的多波束天线的配置图。被配置为包括金属反射板410和两个偶极天线411和412的天线通过同轴线缆415和416连接到混合电路417，来替代图7中所示的平板天线400。从馈送单元418和419馈送来的辐射模式被形成为使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度，这与图6B类似。
图9是根据本发明第七实施例的多波束天线的配置图。采用了平板天线500来替代图7中所示的平板天线400。被配置为包括印刷板的平板天线500被构造为使得片状天线511至514被布置在整个表面上，并且微带线的馈线521至524分别连接到片状天线511至514。馈线521和522分别连接到片状天线511和512，并且连接到连接器531。馈线521和522的长度与平板天线500的仰角面(elevation surface)的最大辐射方向有关。一般来说，如果波束沿垂直于平板天线500的方向辐射，则馈线521和522的长度被设计为相等。如果波束从垂直方向向向上的方向或向下的方向偏移，则在将图2的原理应用于仰角面的同时设计平板天线500。同样，馈线523和524分别连接到片状天线513和514，并且连接到连接器532。馈线523和524之间的长度关系与馈线521和522之间的类似。同轴线缆541和542连接到连接器531和532，并且连接到混合电路550，并最终分别到达馈送单元551和552。从馈送单元551和552馈送来的辐射模式在平板天线500的方位角方向上类似于图6B中所示的辐射模式，并且被形成为使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度。
图10是根据本发明第八实施例的多波束天线的配置图。图10中所示的天线被配置为使得图9中所示的平板天线的馈送电路和片状天线的布置被改变。片状天线611和614被布置为彼此对角，而片状天线612和613被布置为彼此对角。馈线621和622分别连接到片状天线611和614并且连接到连接器631。馈线622和623分别连接到片状天线612和613并且连接到连接器632。此外，馈线621和622通过同轴线缆641连接到混合电路650并最终到达馈送单元651。馈线622和623通过同轴线缆642连接到混合电路650并最终到达馈送单元652。从馈送单元651和652馈送来的辐射模式在平板天线的方位角方向和仰角方向上类似于图6B中所示的辐射模式，并且被形成为使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度。
图11是根据本发明第九实施例的多波束天线的配置图。可以理解，在原理上功率是从图9中所示的平板天线的片状天线的水平和垂直方向独立馈送的。首先，馈线431至434从下方分别连接到片状天线421至424，以便能够辐射垂直偏振的波。馈线431和432在同一长度处组合在一起，并且馈线433和434在同一长度处组合在一起，并且馈线431和432以及馈线433和434分别到达馈送点451和452。同样，馈线441至444从右侧方分别连接到片状天线421至424，以便能够辐射水平偏振的波。馈线441和442在同一长度处组合在一起，并且馈线443和444在同一长度处组合在一起，并且馈线441和442以及馈线443和444分别到达馈送点453和454。另外，馈送点453和454分别通过同轴线缆461和462连接到混合电路471。馈送点453和454分别通过同轴线缆463和464连接到混合电路472。最终，从馈送单元483和484馈送来的辐射模式就平板天线的方位角方向上的垂直偏振波模式而言类似于图6B中所示的辐射模式，并且被形成为使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度。从馈送单元483和484馈送来的辐射模式就平板天线的方位角方向上的水平偏振波模式而言类似于图6B中所示的辐射模式，并且被形成为使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度。
图12是根据本发明第十实施例的多波束天线的配置图。在原理上，可以理解，图1的概念是从两个元件扩展到四个元件。阵列天线A70被配置为包括天线71至74和分别具有长度L75至L78的馈线75至78。同样，阵列天线B80被配置为包括天线81至84和分别具有长度L85至L88的馈线85至88。根据等式(1)和(2)以及等式(5)和(6)的原理，馈线的长度L75至L78和L85至L88被设计为使得组合方向性的最大辐射方向分别朝向θ1方向和θ2方向。如果与等式(1)至(10)类似计算的值被赋予用于从馈送单元79和89馈送功率的相位关系，则在水平面上形成了辐射模式，以使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度，这与图6B类似。
图12示出了从两个元件扩展到四个元件的实例。或者，类似的原理可以被应用于一个实例，从而使得从M1元件的阵列天线辐射的波束的最大辐射方向被设置为(θ1，φ1)方向，并且来自第二M2元件的阵列天线的组合波束的最大辐射方向朝向(θ1，φ1)附近的任意的第一空点(θ2，φ2)的方向。在这种情况下，M1可以等于M2，即M1＝M2。然而，有必要使得M1和M2都等于或大于2。
同样，上述原理可以被应用于两维阵列天线。即，该原理可以被应用于两维阵列天线，以使得从M1×N1元件的阵列天线辐射的波束的最大辐射方向被设置为(θ1，φ1)方向，并且来自第二M2×N2元件的阵列天线的组合波束的最大辐射方向朝向(θ1，φ1)附近的任意的第一空点(θ2，φ2)的方向。在这种情况下，M1可以等于M2，即M1＝M2，并且N1可以等于N2，即N1＝N2。即，M1、M2、N1和N2的值并不限于特定值。然而，在这种情况下，有必要使得M1和M2之一等于或大于2，并且N1和N2之一等于或大于2。
图13是根据本发明第十一实施例的多波束天线的配置图。图13中所示的多波束天线是通过特别将图12中所示的配置实现到图13以模仿图1和5的关系而获得的。根据参考图12的说明，如果在给予期望相位差的同时从连接器731和732馈送功率，则在水平面上形成了辐射模式，从而一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度，这与图6B类似。
图14是根据本发明第十二实施例的多波束天线的配置图。功率被馈线821并行馈送到片状天线811至814，并且片状天线811至814到达连接器831。同样，功率被馈线822并行馈送到片状天线815至818，并且片状天线815至818到达连接器832。可以理解，图14中所示的多波束天线被构造为使得图13中所示的两个阵列天线的片状天线的某些部分被交替插入。通过交替布置片状天线，多波束天线可以被配置为具有纤细结构。与图13类似，功率被彼此独立地馈送到连接器831和832。
图15是根据本发明第十三实施例的多波束天线的配置图。片状天线911和912被布置在终端设备900的面板之一上，并且功率与图1和6B类似地被馈送。从而可以形成辐射模式以使得一个模式的第一空角是另一模式的束峰的角度，如波束921和922所指示的(这与图6B中所示的辐射模式类似)。这种辐射模式具有彼此的低相关度并且对于在使用MIMO技术的通信中加快传输速率和提高传输质量来说是相当有效的。
布置在终端设备900的面板表面上的片状天线的数目并不限于两个，即使通过布置图12或13中所示的天线也可以获得类似的优点。
本申请基于日本专利申请No.2007-103021(2007年4月10日提交)，并且要求基于日本专利申请No.2007-103021的巴黎公约的优先权。日本专利申请No.2007-103021所公开的内容通过对其的引用而被结合在本说明书中。
已详细描述了本发明的典型实施例。然而，应当理解，可以作出各种改变、替换和更替，而不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围。而且，即使权利要求在申请过程中被修改，发明人也试图维持所要求保护的发明的等同范围。
工业应用性
本发明可以用于使用WiMAX技术或MIMO技术的基站天线、终端天线等等。

Claims (9)

1.一种多波束天线，包括：
第一阵列天线，该第一阵列天线连接至第一馈送单元；和
第二阵列天线，该第二阵列天线连接至第二馈送单元，
其中所述第一阵列天线和所述第二阵列天线分别具有不同方向上的方向性，
来自所述第一阵列天线的组合波束的最大辐射方向朝向θ1方向，并且
来自所述第二阵列天线的组合波束的最大辐射方向朝向θ2方向，该θ2方向对应于来自所述第一阵列天线的组合波束的空点，其中
所述第一馈送单元和所述第二馈送单元是针对多输入多输出无线技术所设置的。
2.如权利要求1所述的多波束天线，
其中来自所述第一阵列天线的组合波束的用于提供最大增益的最大辐射方向被设置为极坐标上的(θ1，φ1)，并且来自所述第二阵列天线的组合波束的最大辐射方向朝向(θ1，φ1)附近的任意的第一空点(θ2，φ2)的方向。
3.如权利要求2所述的多波束天线，
其中所述第二阵列天线的空点存在于所述极坐标上的(θ1，φ1)的方向上。
4.如权利要求1所述的多波束天线，
其中所述第一阵列天线是具有布置在极坐标的Z轴上的M个元件的天线的阵列天线，并且所述第二阵列天线是具有布置在所述极坐标的Z轴上或布置在平行于Z轴的线上的M个元件或N个元件的天线的阵列天线，其中，M不等于N。
5.如权利要求1所述的多波束天线，
其中所述第一阵列天线是具有布置在极坐标的Z轴上的两个元件的天线的阵列天线，并且所述第二阵列天线是具有布置在所述极坐标的Z轴上或布置在平行于Z轴的线上的两个元件的天线的阵列天线。
6.如权利要求1所述的多波束天线，
其中所述第一阵列天线是具有两个元件的阵列天线，所述第二阵列天线是具有两个元件的阵列天线，所述第一阵列天线和所述第二阵列天线分别具有用于在彼此不同的方向上提供最大增益的方向性，所述第一阵列天线的两个元件之间的距离等于所述第二阵列天线的两个元件之间的距离，并且连接所述第一阵列天线的两个元件的线和连接所述第二阵列天线的两个元件的线具有相同方向或平行方向。
7.如权利要求6所述的多波束天线，
其中如果归一化的元件距离被假定为D，其中，D＝d/λ，其中λ为波长，d为元件距离，并且θ1＞θ2，则θ1、θ2和D之间的关系被表示为
sin{(θ1-θ2)/2}＝1/(4D)。
8.如权利要求6所述的多波束天线，
其中功率以同一相位被馈送给所述第一阵列天线的两个元件，并且功率以同一相位被馈送给所述第二阵列天线的两个元件，
所述第一阵列天线的最大辐射方向在包括所述阵列的线的平面上偏离所述线的垂直方向达θ1度，其中，所述阵列的线的垂直方向是所述阵列的宽边方向，并且所述第二阵列天线的最大辐射方向类似地在包括所述阵列的线的平面上偏离所述线的垂直方向达-θ1度，其中，所述阵列的线的垂直方向是所述阵列的宽边方向，
所述第二阵列天线的最大辐射方向-θ1是所述第一阵列天线的空方向，并且
所述第一阵列天线的最大辐射方向θ1是所述第二阵列天线的空方向。
9.如权利要求1所述的多波束天线，
其中向所述第一阵列天线馈送的功率和向所述第二阵列天线馈送的功率之间的相位差是π/2。
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