CN101849369B - 使用极化和/或波束形成分离的天线布置的自适应调整 - Google Patents
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Abstract
描述一种用于发射和/或用于接收电磁辐射的天线布置(120a)。天线布置(120a)包括两个天线单元(131，132)，它们适合发射和/或接收第一极化的电磁辐射。天线布置(120a)进一步包括一个天线单元(133)，它适合发射和/或接收与第一极化不同的第二极化的电磁辐射。此外，提供一个耦合单元(141)，它适合根据适当控制信号选择性地将天线单元(131，133)与天线布置(120a)的一个端子(141a)耦合，其方式是使得天线布置(120a)的极化方向可调整到第一极化或者调整到第一和第二极化的组合。
Description
技术领域
本发明涉及电信网络领域，其中例如基站和移动终端装置等通信装置根据包括所谓的多输入多输出(MIMO)通信技术的多天线通信技术的原理相互通信。MIMO通信允许建立空分多址(SDMA)。在上行链路的情况下，这往往称作多用户单输入多输出(MU-SIMO)通信。在下行链路的情况下，这往往称作多用户多输入单输出(MU-MI SO)通信。
具体来说，本发明涉及包括多个天线单元的天线装置，该多个天线单元可按照使得多天线技术可适用于发射和/或用于接收电磁无线电波信号的方式进行操作。此外，本发明涉及一种用于通过在通信链路一侧的至少两个天线单元根据多输入多输出通信的原理发射和/或接收电磁辐射的通信装置，其中通信装置之一配备有如上所述的天线装置。此外，本发明涉及一种用于根据多天线通信技术发射和/或接收电磁辐射的方法。
背景技术
现代通信装置越来越多地使用多个天线系统，它们往往又称作智能天线系统或者多输入多输出(MIMO)系统。MIMO通信技术基于以下概念：应该发射的同一个消息的不同副本由不同天线单元接收。在后续信号处理中，来自不同天线单元的对应信号则以智能方式相互关联。由此，信噪比可增加，或者接收器能够对不同发射通信装置进行空间分离。
在例如发射装置与接收装置之间的通视性的简化情况下，无线电信号基于其空间签名的分离一般可通过两种方式来执行。
a)波束形成：
如果应该相互区分的无线电信号具有相同极化，则可使用波束形成。由此，通过采用适当的衰减因数和/或适当的相移来组合从至少两个不同天线单元接收的信号。这产生用于接收从预定方向始发的无线电信号的增加灵敏度以及用于接收来自另一个方向的无线电信号的减小灵敏度。这意味着，通过波束形成的空间分离可通过将适当加权和相位因数用于由各个天线单元所拣选的信号来实现。通过适当地定向天线单元，从不同通信装置始发并且从不同方位角到达的无线电信号可相互区分。
b)极化分离：
如果应该相互区分的无线电信号具有不同极化，则这些信号可通过分配给不同极化方向的不同天线单元来拣选。在极化是优选地相互正交定向的线性极化的情况下，即使它们相对其方位角的差异很小，对应无线电信号也可相互区分。
但是，实际上，在两个通信装置之间经常不存在通视性。因此，往往不清楚上述方法的哪一种最适合用于提供通信装置之间的高质量无线电数据链路。此外，常见的情况是，至少一个通信装置正在移动，使得无线电传输链路的特性在时间上频繁改变。
可能需要提供一种天线装置，它允许关于不同通信装置之间的无线电传输链路的不同物理条件进行灵活调整。
发明内容
这种需要可通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。
根据本发明的第一方面，提供一种用于发射和/或用于接收电磁辐射、尤其是用于在基站与移动终端装置之间发射和/或用于接收无线电波信号的天线装置。天线装置包括：(a)第一天线单元和第二天线单元，它们适合发射和/或适合接收第一极化的电磁辐射；(b)第三天线单元，它适合发射和/或适合接收与第一极化不同的第二极化的电磁辐射；以及(c)第一耦合单元，它连接到天线装置的第一天线单元、第三天线单元和第一端子，其中第一耦合单元适合根据第一控制信号将第一端子选择性地耦合到第一天线单元和/或第三天线单元。第一天线单元和第三天线单元在空间上彼此分离，使得分配给第一天线单元的第一信号以及分配给第三天线单元的第三信号彼此相关；第四天线单元，适合发射和/或接收所述第二极化的电磁辐射；以及第二耦合单元，连接到所述天线装置的所述第二天线单元、所述第四天线单元和第二端子。所述第二耦合单元适合根据第二控制信号将所述第二端子选择性地耦合到所述第二天线单元和/或耦合到所述第四天线单元。所述第二天线单元和所述第四天线单元在空间上彼此分离，使得分配给所述第二天线单元的第二信号以及分配给所述第四天线单元的第四信号彼此相关。在第一端子及第二端子与它们各自耦合的天线单元之间建立的连接允许天线装置在第一操作操作模式和第二操作操作模式之间转换，以便于在天线单元被分配给相同极化时执行波束形成，或在天线单元被分配给不同极化时执行极化分离。
本发明的这个第一方面基于如下概念：在一个小型天线装置中，可选择性地使用极化分离和/或波束形成分离，以便提高电信网络的用户设备(UE)与基站之间的无线电链路的质量。
由此，在第一操作状态中，第一端子电连接到第一天线单元。这意味着，可激活分配给相同极化的第一天线单元和第二天线单元。因此，通过在幅度和相位上使分配给这些有源天线单元的信号相关，可实现波束形成。
在第二操作状态中，第一端子电连接到第三天线单元。这意味着，可激活分配给不同极化方向的第三天线单元和第二天线单元。因此，通过交替地激活第三和第二天线单元，可实现极化分离。
必须指出，在本申请的范围之内，术语“端子”用于描述天线装置中设置的输入端子和/或输出端子和/或输入端口和/或输出端口。经由第一端子，单一信号可在天线装置中转发和/或发射。这意味着，术语“端子”不能被理解为描述到例如电信网络的移动电话或基站等另一用户设备的接口。
所述的天线装置可提供如下优点：波束形成与极化分集之间的转换可通过非常简单的设置来实现。只有三个天线单元和一个耦合单元是必要的，其中耦合单元适合选择性地将第一天线单元和第三天线单元与公共端子耦合。三个天线单元的第二天线单元可直接连接到其它电子组件，从而不需要第二耦合单元用于连接第二天线单元。因此，在第二天线单元的连接电缆中没有引入附加衰减。
要指出，术语“公共端子”用于描述输入端子和/或输出端子和/或输入端口和/或输出端口，单一信号可经由它提供给天线装置和/或从天线装置提取。如以上所述，术语“端子”不能被理解为描述到电信网络的另一用户设备或另一组件的接口。
用户设备可以是任何类型的通信终端装置，例如蜂窝移动电话、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑和/或任何其它可移动通信装置。基站可以是例如第三代长期演进(3GPP LTE)电信网络的所谓演进NodeB(eNodeB)。
优选地，第一极化和第二极化相互正交定向。这例如可通过线性极化来实现，而第一极化是水平极化，以及第二极化是垂直极化。但是也可采用向水平轴倾斜定向的极化方向。例如，相对于水平轴，第一极化可倾斜-45度角，而第二极化可倾斜+45度角。此外，正交极化也可通过圆或椭圆极化辐射来实现，其中一个辐射是顺时针的圆极化辐射，而另一个辐射是逆时针的圆极化辐射。
第一天线单元和第三天线单元相互之间隔开一定距离设置，这允许分配给相应天线单元的信号的信号相关。在使用包括纵向线性形状的天线单元的情况下，术语“距离”指的是与天线单元的纵向垂直的对应天线单元之间的空间间隔。
必须指出，术语“相关”表示分配给各个天线单元的信号可按照能实现波束形成的方式进行组合和/或相互叠加。这表示所请求的信号相关对于波束形成是必要条件。
在发射电磁信号或称电磁辐射的情况下，从第一天线单元和第三天线单元所发射的无线电波之间的相位相关性可具有下列作用：在某些方向或位置，所发射的电磁辐射的强度得到增强，而在其它方向或位置，所发射的电磁辐射的强度减小。这种空间相关强度模式基于具有相同极化的相干辐射场之间的已知干涉作用。采用对于两个天线单元的一个或两个的某个相位因数来组合来自两个交叉极化天线的信号时，同样是有效极化。
在接收电磁辐射信号的情况下，第一天线单元和第三天线单元的信号之间的适当相位相关性可具有下列作用：用于接收辐射的灵敏度取决于相对于与两个对应天线单元之间的连接线垂直定向的轴的接收方向。这种作用也基于由天线单元所拣选的信号之间的干涉效应。
在发射情况和接收情况这两种情况下，优选波束方向的选择例如可通过适当调整插入天线单元的连接线中的相移元件来执行。
根据本发明的一个实施例，天线装置进一步包括：(a)第四天线单元，它适合发射和/或接收第二极化的电磁辐射；以及(b)第二耦合单元，它连接到天线装置的第二天线单元、第四天线单元和第二端子，其中第二耦合单元适合根据第二控制信号将第二端子选择性地耦合到第二天线单元和/或第四天线单元。此外，第二天线单元和第四天线单元在空间上彼此分离，使得分配给第二天线单元的第二信号以及分配给第四天线单元的第四信号彼此相关。
这可提供如下优点：波束形成可采用辐射来实现，其中辐射可分配给两个极化方向。具体来说，如果两个耦合单元是开关单元，则波束形成可采用具有第一极化的辐射或者采用具有第二极化的辐射来实现。
根据本发明的另一个实施例，天线单元的至少一个通过贴片天线(patch antenna)来实现。在这方面，术语“贴片天线”指的是一种天线结构，其中天线单元在例如衬底等公共结构上形成。衬底可以是刚性或柔性的。耦合单元也可在这种衬底上形成。此外，波束图可以是非全向的。
优选地，通过以适当方式设置相应耦合单元来激活对应天线单元的至少一个，贴片天线可工作在不同极化模式。优选地，贴片天线包括用于对不同天线单元馈电的不同基点。
根据本发明的另一个实施例，(a)天线装置适合发射和/或接收具有预定义波长的电磁辐射；以及(b)第一天线单元和第三天线单元和/或第二天线单元和第四天线单元在空间上彼此分离至少预定义波长的近似一半的距离。
这可提供如下优点：特别是当一个以上天线装置用于共同发射和/或接收电磁辐射时，波束形成可通过极为有效的方式来实现。高效率基于下列事实：在发射情况下，有可能将所发射强度仅聚集到一个优选方向或者位置。对应地，在接收情况下，有可能将天线装置的接收灵敏度仅聚集到一个优选方向或者聚集到干涉位置的某个集合。这意味着，有可能仅具有一个最大干涉，并且至少部分地避免其它最大干涉的存在。在发射情况下，其它最大干涉使辐射强度还被定向到不希望的方向。在接收情况下，其它最大干涉使天线装置还接收来自不希望的方向的显著辐射。
根据本发明的另一个实施例，(a)第一耦合单元是第一开关单元，它适合选择性地正好将第一天线单元和第三天线单元其中之一连接到第一端子，和/或(b)第二耦合单元是第二开关单元，它适合选择性地正好将第二天线单元和第四天线单元其中之一连接到第二端子。
这意味着，通过建立第一和/或第二端子与分别对应的天线单元之一之间的适当分立连接，天线装置可在两种不同操作模式之间快速转换。在第一操作模式中，激活分配给相同极化的天线单元。在这种模式中，通过适当设置不同天线单元的连接电缆中所连接的相移元件，可执行水平波束形成。在第二操作模式中，激活分配给不同极化的天线单元。在这种模式中，可执行极化分离，以便根据多输入多输出(MIMO)技术的已知原理来提高无线电链路的质量。
将分立开关单元用于选择性地连接第一天线单元和第三天线单元其中之一以及用于选择性地连接第二天线单元和第四天线单元其中之一，这两种操作模式之间的转换可通过比较低价的电子装置来实现。可采用较小硬件投入来实现的这种装置可进一步具有如下优点：它仅将小信号衰减引入连接各个天线单元的电缆中。
具体来说，如果所使用的开关单元是电子无源组件，则可实现小衰减。在这方面，无源表示开关单元对于经过它的电信号或数据没有任何影响。
根据本发明的另一个实施例，(a)第一耦合单元是第一分布单元(distribution unit)，它适合采用第一耦合因数将第一端子与第一天线单元耦合，并且采用第三耦合因数将第一端子与第三天线单元耦合，和/或(b)第二耦合单元是第二分布单元，它适合采用第二耦合因数将第二端子与第二天线单元耦合，并且采用第四耦合因数将第二端子与第四天线单元耦合。
这可提供如下优点：还可实现表示水平波束形成模式的上述第一操作模式与表示极化分离模式的上述第二操作模式之间的连续转变和自适应。由此，各个耦合因数可根据施加到第一分布单元和/或第二分布单元的适当控制信号来选择。
根据本发明的另一个实施例，天线装置进一步包括第三耦合单元，它连接到天线装置的第一端子、第二端子和公共端子。由此，第三耦合单元适合根据第三控制信号将公共端子选择性地耦合到第一端子和/或第二端子。
这可提供如下优点：除了将所述的天线装置设置在预期操作状态所需的各个控制线之外，各个天线单元可以仅与单个端子配合操作。这意味着，在发射情况下，用于驱动天线装置的电力可经由天线装置的单个端子来提供。在接收情况下，由各个天线单元所采集的信号也可经由单个端子从天线装置提取。在这里要指出，第三耦合单元可适合与模拟信号配合操作。
根据本发明的另一个实施例，第三耦合单元包括：(a)第一电子校正元件，电插入在第一端子与公共端子之间；和/或(b)第二电子校正元件，电插入在第二端子与公共端子之间。
第一电子校正元件和/或第二电子校正元件可执行如下两个功能的至少一个：第一功能是衰减功能。这意味着，在公共端子与第一和/或第二端子之间传播的信号根据馈送到对应校正元件的控制信号而衰减。由此，公共端子与第一和/或第二端子之间的耦合可连续地控制。第二功能是在发射情况下从公共端子分别传播到第一和/或第二端子以及在接收情况下反向传播的射频信号的相移功能。在两种情况下，可生成分配给第一端子的第一信号与分配给第二端子的第二信号之间适当的相对相移，以便将所发射辐射选择性地导入预期水平方向(发射情况)或者调整用于接收无线电波的空间灵敏度，使得从预期水平方向到达的辐射优选地由所描述天线装置来接收(接收情况)。
在这里要指出，如果两个电子校正元件的衰减因数都不是无限制(infinite)的，则必须使用组合器元件，以便避免不希望的扰动，例如在组合连接到第一端子的第一射频电缆和连接到第二端子的第二射频电缆时的无线电波信号的反射。在天线装置没有包括电子校正元件时的情况下，这也成立。
优选地，第一校正元件和/或第二校正元件是无源电子元件，其中各校正元件可通过适当的控制信号来控制。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于通过根据多输入多输出通信的原理的至少两个天线单元来发射和/或接收电磁辐射的通信装置。所提供的装置包括：(a)根据上述实施例的任一个的天线装置；(b)放大器，连接到天线装置；以及(c)处理单元，耦合到放大器。
本发明的这个方面基于如下概念：上述天线装置可用于电磁辐射发射装置以及用于电磁辐射接收装置。这意味着，天线装置可在电信网络中用于从用户设备(UE)到基站的上行链路信道以及用于从基站到UE的下行链路信道。
所述的通信装置可提供如下优点：仅需要单个放大器，以便操作4个不同的天线单元。由于天线装置必须与模拟信号配合操作，所以这种放大器通常是比较昂贵的电子组件。因此，通过仅采用单个放大器来操作整个天线装置，能以合理价格来制造提供两个通信装置之间的灵活无线电链路的所描述通信装置。
处理单元可以是已知的MIMO处理单元，它在发射情况下适合提供用于驱动天线装置的适当信号。在接收情况下，MIMO处理单元适合把从天线装置所捕获的信号转换成适当的数据信号。
在通信装置是发射装置的情况下，天线装置连接到优选地作为低噪声放大器的放大器的输出端。在通信装置是接收装置的情况下，天线装置连接到也可作为低噪声放大器的放大器的输入端。
必须指出，在放大器与处理单元之间，可连接模数转换器。模数转换器可提供与数字信号配合操作的处理单元以及与高频模拟信号配合操作的天线装置之间的标准化接口。
根据本发明的一个实施例，通信装置进一步包括在处理单元与天线装置之间延伸的控制线。控制线用于提供下列的至少一个：(a)第一控制信号；(b)第二控制信号；(c)第三控制信号；(d)用于第一电子校正元件的控制信号；以及(e)用于第二电子校正元件的控制信号。
所描述控制线可包括多个电缆，其中各电缆连接到天线装置的某个元件。但是，控制线也可通过公共总线系统来实现，公共总线系统优选地通过公共物理电缆来连接天线装置的所有控制元件。
必须指出，毫无疑问，只有在使用包括第三控制耦合单元的天线装置时，第三控制信号才可提供给天线装置。如果没有提供第三耦合单元，则处理单元必须单独对第一耦合单元和第二耦合单元馈电。
根据本发明的另一个实施例，通信装置进一步包括：(a)如上所述的另一天线装置；以及(b)另一放大器，它连接到该另一天线装置和处理单元。这意味着，处理单元能够与总共8个不同天线单元进行交互，其中4个天线单元适合发射和/或接收第一极化的电磁辐射，而其它4个天线单元适合发射和/或接收第二极化的电磁辐射。这意味着，波束形成可相应地采用分配给相同极化方向的4个天线单元来实现。这可提供如下优点：通过组合彼此相关的4个电磁辐射信号，与只有两个相关电磁辐射信号的组合相比，空间波束形成可更为准确并且更为面向目标地实现。
虽然不可能完全相互独立地驱动全部8个天线单元，但是，所述的发射和/或接收通信装置能够提供相对于极化分离和/或波束形成分离之间的组合和/或切换的极高灵活性。这意味着，可最佳地使用电信网络的两个通信装置之间的给定无线电通信链路，以便实现链路的最佳质量。这种优化可通过与各包括上述天线装置其中之一的两个分支连接的单个处理器来实现。可以仅使用无源电子元件，以便适配和/或配置天线装置，使得天线装置能够最佳地满足电信网络的发射器与接收器站之间的无线电传输信道的不同条件。例如放大器和第三耦合单元等高价组件用于不同的天线单元。因此，整个发射和/或接收装置可通过非常节省成本的方式来制造。
在这里要指出，也可使用两个以上天线装置，它们各优选地包括4个天线单元。例如，可使用4个天线装置，它们各连接到总共4个馈电线其中之一。由此，可同时发射或接收最高4个独立流。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于发射和/或用于接收电磁辐射、尤其是用于在基站与移动终端装置之间发射和/或接收无线电波信号的方法。所提供的方法包括：(a)通过第一天线单元和第二天线单元来发射和/或接收第一极化的电磁辐射；(b)通过第三天线单元来发射和/或接收第二极化的电磁辐射，第二极化与第一极化不同；以及(c)通过第一耦合单元将关联第一天线单元的第一信号和关联第三天线单元的第三信号耦合到第一端子。由此，第一信号和第三信号彼此相关；通过第四天线单元来发射和/或接收所述第二极化的电磁辐射；以及通过第二耦合单元将关联所述第二天线单元的第二信号和关联所述第四天线单元的第四信号耦合到第二端子。这里，所述第二信号和所述第四信号彼此相关；以及在第一端子及第二端子与它们各自耦合的天线单元之间建立的连接允许天线装置在第一操作操作模式和第二操作操作模式之间转换，以便于在天线单元被分配给相同极化时执行波束形成，或在天线单元被分配给不同极化时执行极化分离。
本发明的这个方面基于如下概念：上述天线装置和/或上述发射和/或接收通信装置可有效地用于最佳地使用电信网络的两个通信装置之间的无线电通信信道。由此，可使用多输入多输出(MIMO)技术的原理。取决于通信装置之间的无线电传输链路的当前条件，可使用极化分离和/或波束形成分离，以便提高无线电传输链路的质量。此外，可使用极化分离和/或波束形成分离，以便实现空间复用，这表示独立的数据流可同时发射或接收。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括：(a)通过第四天线单元来发射和/或接收第二极化的电磁辐射；以及(b)通过第二耦合单元将关联第二天线单元的第二信号和关联第四天线单元的第四信号耦合到第二端子，其中第二信号和第四信号彼此相关。
如以上所述，术语“端子”再次用于描述天线装置中设置的输入端子和/或输出端子和/或输入端口和/或输出端口。经由第二端子，单一信号可在天线装置中转发和/或发射。
这可提供如下优点：波束形成可采用辐射来实现，其中辐射可分配给两个极化方向。具体来说，如果两个耦合单元是开关单元，则波束形成可采用具有第一极化的辐射或者采用具有第二极化的辐射来实现。
必须注意，参照不同的主题描述了本发明的实施例。具体来说，参照设备类型权利要求描述了一些实施例，而参照方法类型权利要求描述了其它实施例。但是，本领域的技术人员从以上和以下描述中会知道，除非另加说明，否则，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间、尤其是设备类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为随本申请来公开。
通过以下将要描述的实施例的示例，以上定义的方面和本发明的其它方面变得非常清楚，并且参照实施例的示例来解释。下面参照实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明并不局限于此。
附图说明
图1a示出根据本发明的第一实施例的通信装置，其中通信装置适合接收电磁辐射。
图1b示出根据本发明的第二实施例的通信装置。
图2a示出两个延长天线单元的第一接收方式，其中实现极化分离。
图2b示出两个延长天线单元的第二接收方式，其中实现波束形成。
图3a至图3d示出由分配给相同极化方向的4个天线单元所发射的无线电波信号的不同协作的辐射特性。
具体实施方式
附图中的说明是示意性的。要注意，在不同附图中，相似或相同元件提供有相同参考标号，或者提供有仅在第一数位中与对应参考标号不同的参考标号。
图1a示出根据本发明的第一实施例的通信装置100。所述的通信装置100适合接收电磁辐射。
通信装置100包括两个天线装置，即第一天线装置120a和第二天线装置120b。两个天线装置120a和120b耦合到多输入多输出(MIMO)处理单元102。由此，相应地，两个天线装置120a、120b其中之一设置于从MIMO处理单元102延伸的分支上。
从图1a可看到，各分支包括模数转换器103、104和低噪声放大器105、106。低噪声放大器105用于放大由天线装置120a在公共端子151所提供的模拟信号。低噪声放大器106用于放大由天线装置120b在另一公共端子151所提供的模拟信号。模数转换器103和104用于把分别来自天线装置120a和120b的经放大的模拟信号转换成数字信号，将数字信号馈送到MIMO处理单元102中。
各天线装置120a和120b包括延长天线单元130。延长天线单元130包括4个天线单元，即第一天线单元131、第二天线单元132、第三天线单元133和第四天线单元134。第一天线单元131和第二天线单元132适合接收第一极化的电磁辐射。根据这里所述的实施例，第一极化是垂直极化。第三天线单元133和第四天线单元134适合接收第二极化的电磁辐射。根据这里所述的实施例，第二极化是水平极化。
必须指出，其它正交极化方向也是可能的。例如，相对于水平轴，第一极化可倾斜-45度角，而第二极化可倾斜+45度角。此外，正交极化可通过圆极化辐射来实现，其中一个辐射是顺时针的圆极化辐射，而另一个辐射是逆时针的圆极化辐射。
第一天线单元131和第三天线单元132在空间上彼此分离，使得分配给第一天线单元131的第一信号以及分配给第三天线单元133的第三信号彼此相关。此外，第二天线单元132和第四天线单元134在空间上彼此分离，使得分配给第二天线单元132的第二信号以及分配给第四天线单元134的第四信号彼此相关。根据这里所述的实施例，相应天线单元之间的间隔近似为从相应天线装置120a、120b接收的辐射的波长的一半。
与辐射波长的一半对应的距离的间隔可提供如下优点：具有相同极化的电磁辐射之间的波束形成可通过极有效的方式来实现，这是因为有可能将天线装置的接收灵敏度仅聚集到一个优选方向。这种优选方向对应于正好一个最大干涉。如果间隔正好为波长的一半，则可有效地避免其它最大干涉。在这个上下文中，术语“距离”指的是与天线单元的纵向垂直的对应天线单元之间的空间间隔。
延长天线单元进一步包括两个耦合单元141和141。根据这里所述的实施例，耦合单元是开关单元141和142。第一开关单元141连接到天线装置120a的第一天线单元131、第三天线单元133和第一端子141a。第一开关元件141适合将第一天线单元131和第三天线单元133的正好一个选择性地连接到第一端子141a。对应地，第二开关单元142连接到天线装置120b的第二天线单元132、第四天线单元134和第二端子142a。第二开关元件142适合将第二天线单元132和第四天线单元134的正好一个选择性地连接到第二端子142a。由此，开关单元141和142的开关状态可由MIMO处理单元1()2来控制。适当的控制信号通过在通信装置100的两个分支之间延伸的总线系统108施加到开关单元141和142。
从图1a可看到，低噪声放大器105和106也连接到总线系统108。因此，低噪声放大器105和106的放大系数也可由MIMO处理单元102来控制。
各天线装置120a、120b进一步包括第三耦合单元143。根据图1a所示的实施例，第三耦合单元是组合器143，它组合存在于第一端子141a的高频信号和存在于第二端子141b的高频信号。经由公共端子151将组合信号馈送到低噪声放大器105和106。
取决于施加到总共4个开关元件141、142的各种控制信号，可将通信装置100调整在不同操作状态。这些操作状态采用简单天线配置已经是可能的，它仅包括两个延长天线单元130，并且在图1a和图1b中示出。包括两个以上天线单元130的天线配置对于实现本专利申请中所述的本发明当然也是可能的。
在图2a所示的第一操作状态中，分配给第一天线装置220a的延长天线单元230的开关单元设置成使得第一天线单元231和第二天线单元232是有源的。第三天线单元233和第四天线单元234没有连接。这意味着，第一天线装置220a适合接收具有第一极化的辐射，它根据这里所述的实施例是沿垂直方向定向的线性极化。与此对比，分配给第二天线装置220b的延长天线单元230的开关单元设置成使得第一天线单元231和第二天线单元232没有连接，而第三天线单元233和第四天线单元234是有源的。这意味着，第二天线装置220b适合接收具有第二极化的辐射，它根据这里所述的实施例是沿水平方向定向的线性极化。
在所述的第一操作状态中，两个天线装置适合于相互独立地进行电磁辐射的两种不同极化。这提供根据MIMO通信技术的已知原理进一步处理由两个天线装置220a和220b拣选的对应信号的可能性。具体来说，可有效地执行极化分离，以便提高未示出的的发射器与包括两个天线装置220a和220b的接收器之间的通信链路的质量。
必须指出，当然还有可能使用附加波束形成加权，以便提供应该被接收的电磁辐射的定向性。这类波束形成加权例如可通过无源天线单元或者可变组合器来实现，下面将参照图1b更详细地进行描述。即使没有使用波束形成加权，从具有不同极化的两个天线始发的信号的至少粗略分离也可通过天线单元130的极化分离来执行。从不同天线始发的信号的精细分离可在MIMO处理单元中根据MIMO基带信号处理的已知过程来执行。
在图2b所示的第二操作状态中，所有开关单元设置成使得只有第一和第二天线单元231和232是有源的。第三和第四天线单元233和234没有连接。因此，只可接收具有第一极化的辐射分量。但是，与第一操作状态对比，这时存在用参考标号231和232表示的4个天线单元，它们可用于接收具有第一极化的辐射。通过组合由各个有源天线单元拣选的总共4个信号，可实现波束形成。由此，4个信号采用预定义相移相互组合，使得发生干涉效应。其作用在于，如果辐射来自与最大干涉对应的方向，则将以增加的灵敏度来接收具有第一极化的电磁辐射。相应地，如果辐射来自与最小干涉对应的另一个方向，则将以减小的灵敏度来接收电磁辐射。
换言之，通过组合正由各个天线单元拣选的信号，可实现通过波束形成的空间分离。由此，具有增加的灵敏度的方向可通过将适当加权和相位因数用于这些信号来选择。此外，通过适当地定向天线装置，从不同通信装置始发并且从不同方位角到达的无线电信号可相互区分。
根据这里所述的实施例，开关单元是无源电子组件。这可提供如下优点：它们仅引入低信号衰减。此外，无源开关元件的开关状态可非常迅速地改变，使得配备有两个天线装置120a和120b的通信装置可在允许极化分离的第一接收方式与允许波束形成分离的第二方式之间迅速有效地转换。这意味着，这种通信装置可对于在电信网络的两个通信装置之间延伸的无线电通信链路的不同条件最佳地以灵活方式来调整。
必须指出，相对于不同接收模式的这种灵活性可采用较小的硬件投入来实现。仅需要较低价的开关单元，以便允许所述的快速切换的可能性。
存在于第一端子141a的信号和存在于第二端子141b的信号通过组合器143(参见图1a)的上述耦合产生空间固定波束，它至少在第二操作状态中产生相对于波束形成的较窄角范围。这个窄角范围对应于用于接收具有第一极化的电磁辐射、具有显著增加的灵敏度的方向。这个固定波束的方向可通过适当的无源天线单元和/或通过不同组合器加权来操控。可切换固定电路可允许生成每个延长天线单元的例如两个不同波束。因此，可切换电路具有波束固定波束选择器的功能性。
这意味着，延长天线单元130的作用就像天线，它可根据开关单元141和142的适当调整的开关状态来改变其极化方向。此外，由于具有无源电子组件的未示出可切换天线电路，在波束形成方式中可形成不同的固定波束。
图3a至图3d示出由4个天线单元所发射的无线电波信号的不同固定波束协作的辐射特性。
在第一协作中(参见图3a)，两个延长天线单元330的波束方向朝相对于对应延长天线单元330的正面330a的左侧定向。这个优选方向通过第一辐射特性361以及通过第二辐射特性362示出。
在第二协作中(参见图3b)，两个延长天线单元330的波束方向朝两个延长天线单元330之间未示出的对称中心线定向。
在第三协作中(参见图3c)，两个延长天线单元330的波束方向朝相对于对应延长天线单元330的正面330a的右侧定向。
在第四协作中(参见图3d)，相对于正面330a，左延长天线单元330的波束方向朝左侧定向，而右延长天线单元330的波束方向朝右侧定向。
图1b示出根据本发明的第二实施例的通信装置100。图1b所示的通信装置100与图1a所示的通信装置的唯一不同之处在于第三耦合单元143的设计。从图1b可看到，耦合单元包括图1a中用参考标号143所表示的组合器143c。但是，耦合单元143进一步包括两个电子校正元件，即第一电子校正元件143a和第二电子校正元件143b。
根据这里所述的实施例，这些电子校正元件也是无源电子组件，它们可由MIMO处理单元102经由数据总线108来控制。电子校正元件具有两个功能：第一功能是衰减功能。这意味着，在公共端子15]与第一端子141a和/或第二端子142a之间传播的信号根据MIMO处理单元102所提供的控制信号而衰减。第二功能是从第一端子141a和/或第二端子142a传播到公共端子151的射频信号的相移功能。通过适当地选择相移，用于接收无线电波的空间灵敏度可调整成使得优选地由天线装置来接收从预期水平方向到达的辐射。
必须指出，与以上对于接收情况所描述的相同原理也适用于发射情况。放大器当然在相反方向将会进行工作，即，在经放大的信号分别馈送到天线装置120a和120b之前，从模数转换器103和104所提供的信号将被放大。
上述通信装置100提供如下优点：
1.延长天线单元130可工作在极化分离模式或者工作在波束形成模式。这些模式之间的切换可通过采用开关元件141和142所执行的简单极化切换过程以及通过采用第三耦合单元143所执行的固定波束选择来实现。
2.对于天线装置120a、120b的各分支，需要仅一个高频接收器链和/或仅一个发射器链。这表示仅需要一个高频放大器105或106。极化开关141、142、电子校正元件143a、143b(参见图1b)以及可切换组合器143(参见图1a)可集成在天线装置120a、120b中。在这种情况下，仅需要一个控制线108，以便控制所有这些无源电子组件。
3.波束形成的精细调节可在基带中通过MIMO处理单元来执行，MIMO处理单元适合执行MIMO信号处理。
4.在使用正交频分复用(OFDM)的情况下，延长天线单元在整个频带中可以仅按照一种配置进行操作。但是，在不同用户和/或不同UE之间的分离可通过将用户分配到不同用户组并且通过时分复用(TDM)使用户组相互分离来执行。通过调整TDM时隙，对应电信系统可适合分配给不同用户和/或不同用户组的可变数据负荷。
5.可能发生的情况是，对于某些用户，通过极化分离或者通过波束形成将用户相互分离的能力的预测受到限制。如果例如用户包括电信网络中的高移动性，则情况就是这样。为了增强用户分离，可通过首次经由极化分离并且第二次通过波束形成与这些用户进行通信，来生成人工时间分集。由此，天线装置120a和120b的最佳操作方式可被选取，并且频繁地适合于对应无线电传输链路的变化条件。
应当注意，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且“一个”并不排除多个。也可组合与不同实施例结合描述的元素。还应当注意，权利要求书中的参考标号不应当理解为限制权利要求的范围。
为了概括本发明的上述实施例，可作如下陈述：描述一种用于发射和/或用于接收电磁辐射的天线装置120a。天线装置120a包括两个天线单元131、132，它们适合发射和/或接收第一极化的电磁辐射。天线装置120a进一步包括另外两个天线单元133、134，它们适合发射和/或接收与第一极化不同的第二极化的电磁辐射。此外，提供两个耦合单元141、142，它们适合根据适当控制信号选择性地将天线单元131、132、133、134与天线装置120a的两个端子141a、142a其中之一耦合，其方式是使得整个天线装置120a的极化方向可调整到第一极化和/或调整到第二极化。
Claims (13)
1.一种用于发射和/或用于接收电磁辐射的天线装置，所述天线装置(120a)包括：
第一天线单元(131)和第二天线单元(132)，它们适合发射和/或接收第一极化的电磁辐射，
第三天线单元(133)，适合发射和/或接收与所述第一极化不同的第二极化的电磁辐射，
第一耦合单元(141)，连接到所述天线装置(120a)的所述第一天线单元(131)、所述第三天线单元(133)和第一端子(141a)，其中所述第一耦合单元(141)适合根据第一控制信号将所述第一端子(141a)选择性地耦合到所述第一天线单元(131)和/或耦合到所述第三天线单元(133)，其中所述第一天线单元(131)和所述第三天线单元(133)在空间上彼此分离，使得分配给所述第一天线单元(131)的第一信号以及分配给所述第三天线单元(133)的第三信号彼此相关；
第四天线单元(134)，适合发射和/或接收所述第二极化的电磁辐射，以及
第二耦合单元(142)，连接到所述天线装置(120a)的所述第二天线单元(132)、所述第四天线单元(134)和第二端子(142a)，
其中所述第二耦合单元(142)适合根据第二控制信号将所述第二端子(142a)选择性地耦合到所述第二天线单元(132)和/或耦合到所述第四天线单元(134)，
其中所述第二天线单元(132)和所述第四天线单元(134)在空间上彼此分离，使得分配给所述第二天线单元(132)的第二信号以及分配给所述第四天线单元(134)的第四信号彼此相关；以及
其中在第一端子及第二端子与它们各自耦合的天线单元之间建立的连接允许天线装置在第一操作操作模式和第二操作操作模式之间转换，以便于在天线单元被分配给相同极化时执行波束形成，或在天线单元被分配给不同极化时执行极化分离。
2.如权利要求1所述的天线装置，而
所述天线单元(131，133，132，134)的至少一个通过贴片天线来实现。
3.如权利要求1所述的天线装置，而
所述天线装置(120a)适合发射和/或接收具有预定义波长的电磁辐射，以及
所述第一天线单元和所述第三天线单元(131，133)和/或所述第二天线单元和所述第四天线单元(132，134)在空间上彼此分离至少所述预定义波长的近似一半的距离。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的天线装置，其中
所述第一耦合单元是第一开关单元(141)，适合将所述第一天线单元(131)和所述第三天线单元(133)中的正好一个选择性地连接到所述第一端子(141a)，和/或
所述第二耦合单元是第二开关单元(142)，适合将所述第二天线单元(132)和所述第四天线单元(134)中的正好一个选择性地连接到所述第二端子。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的天线装置，其中
所述第一耦合单元(141)是第一分布单元，适合执行下列步骤：
-采用第一耦合因数将所述第一端子(141a)与所述第一天线单元(131)耦合，以及
-采用第三耦合因数将所述第一端子(141a)与所述第三天线单元(133)耦合，和/或
所述第二耦合单元(142)是第二分布单元，适合执行下列步骤：
-采用第二耦合因数将所述第二端子(142a)与所述第二天线单元(132)耦合，以及
-采用第四耦合因数将所述第二端子(142a)与所述第四天线单元(134)耦合。
6.如权利要求1至3中的任一项所述的天线装置，进一步包括：
第三耦合单元(143)，连接到所述天线装置(120a)的所述第一端子(141a)、所述第二端子(142a)和公共端子(151)，其中，所述第三耦合单元(143)适合根据第三控制信号将所述公共端子(151)选择性地耦合到所述第一端子(141a)和/或所述第二端子(142a)。
7.如权利要求6所述的天线装置，其中，所述第三耦合单元(143)包括
电插入在所述第一端子(141a)与所述公共端子(151)之间的第一电子校正元件(143a)，和/或
电插入在所述第二端子(142a)与所述公共端子(151)之间的第二电子校正元件(143b)。
8.如权利要求1至3中的任一项所述的天线装置，其中，用于发射和/或用于接收电磁辐射是指用于在基站与移动终端装置之间发射和/或接收无线电波信号。
9.一种用于通过根据多输入多输出通信的原理的至少两个天线单元来发射和/或接收电磁辐射的通信装置(100)，所述装置包括：
如权利要求1至8中的任一项所述的天线装置(120a)，
连接到所述天线装置(120a)的放大器(105)，以及
耦合到所述放大器(105)的处理单元(102)。
10.如权利要求9所述的通信装置(100)，进一步包括
在所述处理单元(102)与所述天线装置(120a)之间延伸的控制线(108)，其中所述控制线(108)用于提供下列至少一个：
-所述第一控制信号，
-所述第二控制信号，
-第三控制信号，其中所述天线装置的第三耦合单元(143)适合根据该第三控制信号将所述天线装置的公共端子(151)选择性地耦合到所述第一端子(141a)和/或所述第二端子(142a)，
-用于电插入在所述第一端子(141a)与所述公共端子(151)之间的第一电子校正元件(143a)的控制信号，以及
-用于电插入在所述第二端子(142a)与所述公共端子(151)之间的第二电子校正元件(143b)的控制信号。
11.如权利要求9和10中的任一项所述的通信装置(100)，进一步包括
另一如权利要求1至8中的任一项所述的天线装置(120b)，以及
连接到所述另一天线装置(120b)和所述处理单元(102)的另一放大器(106)。
12.一种用于发射和/或用于接收电磁辐射的方法，所述方法包括
通过第一天线单元(131)和第二天线单元(132)来发射和/或接收第一极化的电磁辐射，
通过第三天线单元(133)来发射和/或接收第二极化的电磁辐射，所述第二极化与所述第一极化不同，
通过第一耦合单元(141)将关联所述第一天线单元(131)的第一信号和关联所述第三天线单元(133)的第三信号耦合到第一端子(141a)，其中所述第一信号和所述第三信号彼此相关；
通过第四天线单元(134)来发射和/或接收所述第二极化的电磁辐射，以及
通过第二耦合单元(142)将关联所述第二天线单元(132)的第二信号和关联所述第四天线单元(134)的第四信号耦合到第二端子(142a)，
其中所述第二信号和所述第四信号彼此相关；以及
其中在第一端子及第二端子与它们各自耦合的天线单元之间建立的连接允许天线装置在第一操作操作模式和第二操作操作模式之间转换，以便于在天线单元被分配给相同极化时执行波束形成，或在天线单元被分配给不同极化时执行极化分离。
13.如权利要求12所述的方法，其中，用于发射和/或用于接收电磁辐射是指用于在基站与移动终端装置之间发射和/或接收无线电波信号。
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