CN102362390B - 极化能够被控制成具有所需特性的天线设备、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括包含至少两个天线部件的天线部分的天线设备(100)，每个部件带有具有第一极化的多个第一天线元件和具有与所述第一极化不同的第二极化的多个第二天线元件，所述天线部分还包括天线部分端口。对于每个天线部件有两个天线部分端口，每个极化一个天线部分端口，并且天线设备(100)还包括极化控制部件(30)，极化控制部件包括天线部分端口连接到的分布网络，并且分布网络至少包括带有外部接口天线端口(30₁、30₂、30₃、30₄)的主形成网络。极化控制部件(30)配置成连接天线部分端口和外部接口天线端口(30₁、30₂、30₃、30₄)。

Description

极化能够被控制成具有所需特性的天线设备、系统及方法

技术领域

本发明涉及带有包括至少两个天线部件的天线部分的天线设备。每个天线部件包括带有不同极化和天线部分端口的第一和第二天线元件。本发明还涉及包括此类天线设备的天线系统和用于控制此类天线设备的至少一个特性的方法。

背景技术

对于常规天线，至少在天线的主瓣内，空间方向的极化属性大致是相同的。这意味着例如垂直极化的扇区天线对于构成期望的扇区覆盖的所有方向是大致垂直极化。

除其它之外，提供可重新配置的天线系统以便提供功率高效的站点安装已变得有吸引力。例如，如果在某个站点的天线系统配置用于带有高业务负载的忙时期间的三扇区操作，则它能够重新配置用于业务负载低时的全向(一个扇区)操作。执行重新配置的目的是允许部分关闭基站设备以便节能。图1A和1B非常示意地示出对应于某个设备的辐射图(主波束)和信号，其中，三个不同信号S1、S2、S3各自经单独的传送器链馈送到一个扇区天线，因此表示高业务负载的第一配置状态。在重新配置到低业务负载的第二状态后，组合三个传送器链，使得例如来自分布网络DN中传送器链之一的一个信号OS借助于功率分割而分割成三个相同的信号OS1、OS2、OS3，这些信号馈送到多个天线，例如，上面提到的三个天线。这些信号随后将交互，产生取决于天线极化的相干和/或非相干波束形成。

如果天线的电磁场的极化是非正交的，则将产生来自不同天线的非正交场分量之间的交互，其取决于相应分量的振幅和相位，也称为相干波束形成。

这意味着天线的相对位置和从功率分割器DN到天线的有效信号路径长度将对结果辐射图有影响。如果三个相同的多信号的辐射场分量是正交的，则三个场分量的组合场的功率是信号的功率之和。此功率相加称为非相干波束形成。此类非相干波束形成产生与相干波束形成相比不同的组合辐射图。非相干波束形成的组合辐射图的量值与信号的相位值无关，即，与天线位置和信号路径长度无关，这意味着在天线系统的设计和安装期间不必考虑这两个属性。问题是来自不同天线的相同信号的相干波束形成在相邻扇区中产生交互，此交互的效应对于来自两个或更多天线的辐射功率具有类似量值的方向特别强，在没有接入点(站点)几何形状和作为传送器链的一部分的所有组件的相位特性的详细知识的情况下，难以或不可能预测交互的效应。已认识到，通过在相邻扇区中使用不同(优选是正交)的极化，能够减少此类交互。然而，在站点装配有常规扇区天线时，为了能够在相邻扇区中使用正交极化以避免相干波束形成，必须有偶数数量的扇区。具有奇数数量扇区的站点安装的情况将参照图2C进行描述，图2C是例如图1A、2A中上述设备的天线定向和辐射图极化状态的简化顶视图。

站点在例如实现为如图2B所示的低业务状态配置的情况下，相同信号OS提供到所有三个天线，此处为垂直极化天线v₁、垂直极化天线v₂和水平极化天线h₁。由于常规天线的数量为奇数，因此，两个相邻扇区将具有相同极化，并且因此相干波束形成在从天线v₁和v₂传送的信号之间发生。相干波束形成将影响结果的辐射图，此处示为正在添加的信号向量(振幅和相位表示)，|s_v1+s_v2|²。对于分别经v₂和h₁及v₁和h₁传送的信号，组合的辐射图(场)是相应辐射的信号的功率相加的结果，|s_v1|²+|s_h1|²和|s_v2|²+|s_h1|²，这意味着不存在天线的位置和信号路径长度的相关性。在带有电场的相同定向、即相同极化的信号交互时发生的向量相加导致结果信号量值有大的波动， 长)。

为了避免相干波束形成，能够提供具有偶数数量扇区的安装，并且其中在重新配置发生时组合带有交替极化的常规天线。然而，在重新配置站点时，始终存在信号经带有相同极化的天线在相邻扇区中传送的风险。这是因为一般情况下，有许多馈线电缆，并且重新配置(重新连接)可在离天线相当远的位置进行。

还应牢记的是，天线经常位于高天线塔上，这意味着电缆安装的物理验证既困难，又耗时。

发明内容

本发明的一般目的是提供一种天线设备，该天线设备能够用于提供功率高效的基站站点，所述站点尤其可包括扇区天线。此外，本发明的一个目的是提供一种天线设备，特别是包括多个此类天线设备的天线系统，对于其，涉及的天线的确切定位变得不那么重要。此外，本发明的一个目的是分别提供对安装和维护期间的连接失误和错误更不敏感的一种天线设备和一种天线系统。本发明的一个特别目的是提供一种天线设备或一种天线系统，对于其，极化能够被控制或设置为具有期望的特性或属性，这些特性或属性能够被控制或设置为分别在天线设备或天线系统所覆盖的区域内以期望方式来变化。

因此，提供了如最初提到的天线设备。天线部分具有用于每个天线部件的两个天线部分端口，其每个极化一个天线部分端口。该天线设备还包括极化控制部件，极化控制部件包括分布网络。天线部分端口连接到极化控制部件。极化控制部件也称为极化确定或形成部件，至少包括带有外部接口天线端口的主形成网络。极化控制部件，特别是其主形成网络适用于以某种方式连接天线部分端口和外部接口天线端口，使得能够提供与所述外部接口天线端口相关联的波束的极化属性中的期望变化。极化控制部件(主形成网络)因此配置和设置成 引入极化属性中的变化。天线设备的极化属性将取决于辐射方向。

因此，还提供了包括多个此类天线设备的系统。此外，还提供了用于控制如上提到的天线设备的至少一个特性的方法。

通过本发明，分别提供了一种天线设备和一种天线系统，在天线设备的天线部分所覆盖的区域或角度间隔内，或者在天线部分所覆盖的辐射区域内，能够为其对极化属性给出选定或期望的变化，即，能够将极化确定为具有作为空间角度的函数的期望变化。

本发明的一个优点是提供一种极化属性能够为其以期望方式来确定的天线设备。一个特定的优点是变得可能在站点安排一种天线设备而不依赖它具有偶数数量的扇区天线。此外，一个优点是提供一种在以下意义中可容易重新配置的天线设备：与使用常规扇区天线时相比，天线部分或天线部件的确切物理位置变得不那么重要。特别是，一个优点是错误的馈线连接将具有更轻的影响或无影响。

附图说明

下面将以非限制性方式并参考附图进一步描述本发明，其中：

图1A是根据技术现状的正常三扇区天线系统的辐射图的图示，

图1B示出输入到图1A的天线系统的不同信号，每个扇区一个信号，

图2A是如图1A中所示三扇区站点重新配置成全向站点时辐射图的图示，

图2B示出分布到三个天线的输入信号，

图2C是图1A和图2A的三个天线的简单视图，

图3示出根据本发明的第一实施例的天线设备，其包括天线部分和极化控制部件，

图4A示出相对于天线部件固定的坐标系统，

图4B示出相对于天线设备固定的坐标系统，

图5示出一种天线设备，带有在相对于天线设备固定的坐标系统 中具有不同振幅特性的两个天线部件，

图6A示出能够在根据本发明的天线设备中使用的天线部分的第一实现，

图6B示出图6A中天线部分的波束方向和极化，

图7A示出能够在根据本发明的天线设备中使用的天线部分的第二实现，

图7B示出图7A中天线部分的波束方向和极化，

图8A示出能够在根据本发明的天线设备中使用的天线部分的第三实现，

图8B示出图8A中天线的天线部件的波束方向和极化，

图9示出能够在根据本发明的天线设备中使用的极化控制部件的一种实现，

图10示出如在图6和图7中一样包括极化控制部件的天线设备的一实施例，

图11示出如在图10中一样包括天线部分、带有备选极化控制部件的天线设备的一备选实施例，

图12示出带有极化控制部件的天线设备仍有的另一实施例，

图13示出带有根据本发明的天线设备的天线系统的一实施例，天线以第一方式连接到配置网络，

图14示出带有以第二方式连接到配置网络的天线的天线系统，

图15A示出在图13、图14的配置网络中用于三扇区配置的连接，以及

图15B如在图15A中一样示出用于全向配置的连接。

具体实施方式

图3示出根据本发明的一个实施例的天线设备100。该天线设备包括天线部分10。天线部分10可包括所谓的常规天线，由带有两个天线部件的一个单一物理单元或各自带有一个天线部件的两个物理 单元组成。天线部件此处定义为包括多个第一和第二天线元件的功能组，其中，如下面将更全面描述的，第一天线元件具有第一极化，第二天线元件具有与所述第一极化不同的第二极化。

根据本发明，天线部分10包括多个天线部分端口10₁、10₂、10₃、10₄，形成用于极化形成的极化控制部件30和天线部分10之间的接口。

应注意，对于常规天线(本文也称为天线部分)，与天线部分端口相关联的极化基本上相对于主瓣内的方位角和仰角是不变的。

天线部分端口被定义为与多个特性相关联的物理连接点。在本发明的上下文中，以下特性是相关的：作为角度的函数的辐射图、作为角度的函数的辐射图相位、作为相位中心的位置所给出的空间中的位置和角度的函数的辐射图极化。相位中心在本文中被定义为特定的相位参考点，它将同极远场在关注的给定立体角上的相位变化降到最低。

极化控制部件包括至少主形成网络(在此图中未示出)，这是其中连接与非平行极化相关联的端口的网络。极化在对两个天线部件共同的坐标系统中定义，所述坐标系统也称为基于天线设备的坐标系统x₁、y₁、z₁，比较在共同天线设备坐标系统中示出两个天线部件M₁、M₂的图4B，其中，Φ₁表示方位角，并且θ₁表示仰角。对于天线设备，各个天线部件M₁、M₂的位置和旋转在此基于共同天线设备的坐标系统中被给出，该坐标系统不同于基于天线部件的坐标系统x₀、y₀、z₀，基于天线部件的坐标系统相对于特定天线部件M₀是固定的，如图4A所示，其中Φ₀表示方位角，并且θ₀表示仰角。通过适当安排或配置极化控制部件，以及适当选择控制参数，在外部接口天线设备端口30₁、30₂、30₃、30₄获得具有期望极化属性的波束。天线部分此处是任何常规天线、极化对其基本上不变(即不随方向改变)的天线。

图5示出在天线设备坐标系统中具有不同振幅特性的两个天线部件M1′、M2′。此处假设两个天线部件M1′、M2′在基于天线部件的坐标系统中具有相同的振幅特性。基于天线设备的坐标系统中不同的振 幅特性通过天线部件绕z轴(顶视图)的旋转来实现或提供。

图6A示出天线部分10A的第一实现，其能够在例如如图3所述的根据本发明的天线设备中、但也在本发明概念所覆盖的任何其它天线设备中使用。

天线部分10A此处包括带有第一天线部件10A′和第二天线部件10A″的一个物理单元。每个天线部件10A′、10A″包括带有第一极化(短划线)的相应第一天线元件1A₁、1A₂和带有与所述第一极化不同的第二极化(点线)的相应第二天线元件2A₁、2A₂。

天线部分10A此处是包括一个物理单元的双极化阵列天线，并且它具有每极化两个天线部分端口10A₁、10A₂、10A₃、10A₄。天线部分端口10A₁、10A₂是第一天线部件10A′的天线端口。用于天线元件1A₁、2A₁的极化基本上相互正交，并且用于与天线部分端口10A₁、10A₂相关联的天线元件的相位中心的位置大致上是相同的。对于第二天线部件10A″，情况是类似的，第二天线部件10A″带有用于第一极化的相应第一天线元件1A₂的天线部分端口10A₄和用于第二极化的第二天线元件2A₂的天线部分端口10A₃。极化在分别与天线部分端口10A₁、10A₃和10A₂、10A₄相关联的辐射图的对内是平行的，并且对于一个相同的天线部件的天线部分端口是正交的。用于天线部件10A′、10A″的相位中心在空间上分隔有某个距离d_A，参阅上面给出的相位中心距离的定义。

图6B示意示出用于图6A的天线部件的波束方向和第一与第二极化。天线部件的波束方向大致相同，并因此在全局坐标系统中具有相同的指向(比较如上参照图4A所讨论的天线设备坐标系统)。

图7A示意示出能够在根据本发明的天线设备中使用的天线部分10B的第二实现。天线部分10B包括两个物理单元10B′、10B″，其各自形成功能单元天线部件。每个天线部件10B′、10B″包括多个第一天线元件1B₁和1B₂及多个第二天线元件2B₁、2B₂。用于经第一和第二天线元件传送的信号的极化基本上是正交的。用于天线部件10B′、 10B″的相位中心在空间上被安排或分隔有某个距离d_B，参阅上述的定义。对于每个天线部件10B′、10B″，有两个天线部分端口10B₁、10B₂和10B₃、10B₄，如上所述每个极化和每个天线元件一个端口。对于两个天线部件10B′、10B″，从角度观点而言，辐射图的振幅和相位特性对于所有天线部分端口10B₁、10B₂、10B₃、10B₄是相同的，这意味着第一和第二天线部件10D′、10D″在全局坐标系统中具有相同的指向(比较如图4B中的基于天线设备的坐标系统)。辐射图的极化基本上与主波束内的空间角度无关。

图7B以类似于参照图6B所述的方式指示用于图7A的相应天线部件的天线元件的波束方向和极化。

图8A示出能够在根据本发明的天线设备中使用的天线部分10C的第三实施例。天线部分10C包括第一天线部件10C′和第二天线部件10C″，两个部件实现为相互之间安排有某个空间距离d_C的分开的物理单元。第一天线部件10C包括带有第一极化的多个第一天线元件(仅示出一个)1C₁和带有与所述第一极化不同的第二极化的多个第二天线元件2C₁(仅示出一个)。天线部分10C类似于图7A的天线部分(10B)，不同之处在于虽然天线部件坐标系统(比较图4A)中辐射图振幅和相位特性在角度方面对所有天线端口10C₁、10C₂、10C₃、10C₄相同，但它们相对于全局或基于天线设备的坐标系统(比较图4B)是不同的。这意味着天线部件是相同的，但在基于天线设备的坐标系统中具有不同指向。这在图8B中明确示出，图8B分别示出带有第一和第二极化1C₁、1C₂的两个瓣和在另一方向带有第一和第二极化1C₁、2C₂的两个瓣。第一和第二天线部件10C′、10C″具有不同空间振幅分布，这意味着在共同坐标系统中它们具有不同分布。如在天线部分的前面实施例中一样，辐射图极化不随给定天线部分端口的主波束内的角度而改变。也如在前面实施例中一样，对于天线部分端口的对的第一集合，极化在相应对(分别是10C₁、10C₃和10C₂、10C₄)内是平行的，在对之间是正交的(10C₁和10C₂是正交的，并且10C₃和10C₄ 是正交的)。对于天线部分端口的对的第二集合，与一个物理天线单元(天线部件10C′、10C″)相关联的每个对、相位中心的空间位置是相同的，并且天线部分端口对内正交的极化和相位中心的空间位置在对之间是不同的。原则上，只要与天线部分相关联的特性是如上所述的此类特性，便能够使用任何种类的天线部分的物理配置。上述实施例只示出一些示例。

图9示出能够与例如除图8A和8B外上述天线部分的任何一个部分一起使用的极化控制部件30的第一实现。由分布网络、此处具体是其主形成网络31组成的极化控制部件30具有四个外部接口天线端口30₁、30₂、30₃、30₄。它们也可称为新颖的或修改的天线部分端口。在一备选实施例中，比较图11，极化控制部件具有两个外部接口天线端口。在未示出的仍有的其它实施例中，它也能够具有其它数量的外部接口天线端口。

如上所述，通过极化控制部件，提供了一种天线设备，辐射图的极化为其配置成随主瓣内的角度而改变。借助于在极化控制部件中组合来自例如具有与常规天线特性类似的特性且如上所述的多个天线部分端口(在图9中是天线部分端口10₁、10₂、10₃、10₄)的信号，形成与外部接口天线端口相关联的角度有关的极化中的变化。通常，极化形成部件30配置成组合天线部分端口，从而组合带有不同极化且在空间上分隔、具有不同的相位中心位置的天线部分端口。

极化控制部件30通过矩阵在数学上描述。根据不同的实施例，所述矩阵包括4乘4或4乘2矩阵。备选的是，如图9中一样，极化控制部件包括四个2乘2矩阵。

对于由根据任何一个实施例的几个天线设备所组成的扇区天线系统，一般目的是在由相对扇区边界所定义的方向中，辐射图的极化平行性对所有外部接口天线端口应大约为0，并且在如由相对扇区边界所定义的方向中，对于与任何两个外部接口天线端口相关联的辐射图的极化平行性应足够低。

在图9中，假设天线部分是如图6A、6B或7A、7B中所述的，这意味着与所有天线部分端口10₁、10₂、10₃、10₄相关联的辐射图相对于振幅和相位具有相同的特性。极化控制部件30此处配置成使得所有天线部分端口10₁、10₂、10₃、10₄连接到所有外部接口天线端口30₁、30₂、30₃和30₄。极化形成部件30包括主形成网络31，该网络包括第一2x2Butler矩阵BM21 31₁和2x2第二Butler矩阵BM22 31₂。备选的是，能够使用某个另一种类的分布网络。在此实施例中，极化形成部件30还包括预形成网络20，该网络包括第一2x2Butler矩阵BM11 21₁和第二2x2Butler矩阵BM12 21₂。

在预形成网络20中，连接源于或目的地为天线端口20₁、20₃和20₂、20₄的分别带有相同极化但带有不同相位中心(不同天线部件)的信号，以形成每极化正交波束，即，在BM11 21₁中组合天线部分端口10₁和10₃，而在BM12 21₂中，组合天线部分端口10₂和10₄。即使波束在图9中具有一致的方向，对应于第一极化的波束第一集合内波束的指向不必与对应于第二极化的波束第二集合的波束的指向一致。预形成网络具有预形成网络中间端口20₁、20₂、20₃、20₄，图中的波束指示相应波束和极化的指向。

Butler矩阵能够描述为：

$\mathrm{BM}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}{1e}^{\mathrm{j\δ}/2}& {\mathrm{je}}^{j-\mathrm{\δ}/2}\\ {\mathrm{je}}^{\mathrm{j\δ}/2}& {1e}^{-\mathrm{j\δ}/2}\end{array}\right]$

其中，对于每个Butler矩阵，δ实际上应读为δ_nn。其中，nn是矩阵识别号。相前的斜率给出为δ_nn。在包括Butler矩阵BM21和B22的主形成网络31中，预形成网络接口端口20₁、20₂、20₃、20₄连接到主形成网络接口端口25₁、25₂、25₃、25₄以形成在外部接口天线端口30₁、30₂、30₃、30₄(每个组合中上述每个Butler矩阵的一个端口)的修改的或受控的波束。相应矩阵的参数δ_nn影响结果的极化，并构成用于为在外部接口天线端口所获得的波束生成期望的极化特性的一个控制部件(参数)。作为一示例，参数δ₁₂能够设为与δ₁₁相同，并且δ₂₂ 能够设为与δ₂₁相同。在相对扇区边界的任何天线端口的极化之间的平行性仅取决于用于δ₁₁＝δ₁₂和δ₂₁＝δ₂₂的相位中心分隔。作为一示例，相位中心分隔使得对于每四个天线端口在相对小区边界处实现正交极化(对向角＝180°)。这对于相位中心距离dr＝0.87(以波长为单位给出的距离)来获得。

用于设置参数δ₁₁和δ₂₂的一个示例是为四个外部接口天线端口的任何端口给出到相对小区边界处所有四个外部接口天线端口的最大对向角。这意味着扇区边界处天线端口的极化在对应于109.5°的对向角的Poincaré球上具有最大分隔。

此对于δ₁₁＝55°和δ₂₁＝45°来实现。

对于参数δ₁₂设为与δ₁₁相同、并且δ₂₂设为与δ₂₁相同的另一示例是设置dr、δ₁₁和δ₂₁，使得来自从两个天线传送的信号的向量组合的最低增益最大化。这对于以下来实现：

dr＝1.05

δ₁₁＝50°

δ₂₁＝47°。

图10示出包括天线部分10D和极化控制部件30D的天线设备200。天线部分10D包括第一和第二天线部件10D1和10D2。第一天线部件10D1包括具有第一极化的四个第一天线元件1D₁₁、1D₂₁、1D₃₁、1D₄₁和与所述第一天线元件的相应元件在相同位置并具有与所述第一天线元件的极化正交或至少不平行的极化的四个第二天线元件2D₁₁、2D₂₁、2D₃₁、2D₄₁。类似地，第二天线部件10D2包括带有与第一天线部件的第一天线元件相同的极化并与其对应的四个第一天线元件1D′₁₁、…、1D′₄₁，并且它们也与带有如第一天线部件的所述第二天线元件相同的极化的第二天线元件2D′₁₁、…、2D′₄₁在相同位置。相应天线部件(列阵列)如前面实施例中一样相互之间安排有相位中心距离d_d。

天线部分10D包括四个天线部分端口10D₁、10D₂、10D₃、10D₄， 每个极化和每个天线部件分别一个端口。波束极化控制部件30D包括预形成网络20D和主形成网络31D。在第一2x2Butler矩阵21D₁中，连接用于具有相同极化但位于不同天线部件中的天线元件的天线部分端口10D₁和10D₃。类似地，在第二Butler矩阵21D₂中，连接具有不同天线部件的第二极化的天线部分端口10D₂和10D₄。预形成网络中间端口连接到主形成网络中间端口，使得在不同Butler矩阵中组合带有相同极化但带有不同定向的端口。在主形成网络的第一Butler矩阵31D₁中，组合预形成网络中间端口20D₁、20D₄，并且在主形成网络的第二Butler矩阵31D₂中，组合预形成网络中间端口20D₂、20D₃。在第一和第二Butler矩阵31D₁、31D₂中，如上所述在相应Butler矩阵中使用适当选择的控制参数δ_nn来组合相应信号，以在外部接口天线端口30D₁、30D₂、30D₃、30D₄提供具有选定的期望极化属性的波束。因此，在相应Butler矩阵中，在预形成网络中以及在主形成网络中，单独选择相应控制参数以给出期望的极化属性，即，随着空间角度变化极化。所有的控制参数可被给予相同值，所有控制参数可被给予不同值，或者其中的两个或三个参数可被给予相同值。

图11示出天线设备300，其带有如图10所公开的天线部分，即，天线部分10E包括两个天线部件10E1、10E2，它们各自带有分别具有相同极化的多个第一天线元件1E₁₁、1E₂₁、1E₃₁、1E₄₁和2E′₁₁、2E′₄₁和分别带有与所述第一极化不同的第二极化的多个第二天线元件2E₁₁、…、2E₄₁和2E′₁₁、…、2E′₄₁。它包括以某种方式连接到预形成网络20E的四个天线部分端口10E₁、10E₂、10E₃、10E₄，所述方式使得连接第一和第二天线部件的端口10E₁和10E₃，即，具有相同平行极化的天线元件在第一Butler矩阵21E₁中组合，并且用于具有第二极化的第二天线元件的端口10E₂和10E₄在第二Butler矩阵21E₂中组合。预形成网络中间端口20E₁、20E₂、20E₃、20E₄在主形成网络31E中组合，使得端口20E₁和20E₄在第一Butler矩阵31E₁中组合，而端口20E₂和20E₃在第二Butler矩阵31E₂中组合。不同之处在于在此情况下只 有两个外部天线端口30E₁、30E₂，在这两个端口提供具有由相应Butler矩阵的选定控制参数所给出的极化属性的波束。

图12示出包括例如可具有图8A、8B中公开的种类的天线部分10F的天线设备400还有的另一示例。这意味着与天线部分端口10F₁和10F₂相关联的辐射图与端口10F₃和10F₄相比，具有相对于天线设备坐标系统中的振幅和相位不同的特性。天线部件在全局的基于天线设备的坐标系统中具有不同指向。在此情况下，假设没有预形成网络，而只有带有两个Butler矩阵BM21F和BM22F的主形成网络31F。在BM21F中，连接天线部分端口10F₁和10F₄，而在BM22F中，连接端口10F₂和10F₃，并且如上所述，与端口相关联的辐射电磁场相对于振幅和相位具有不同的特性，但它们虽然能够正交，却不是必须正交。主形成网络具有四个外部接口天线端口，BM21F的30F₁、30F₂和BM22F的30F₃、30F₄。在相应Butler矩阵中，因此连接与具有正交极化和不同空间位置的波束相关联的端口。如上所述，每个Butler矩阵具有控制参数δ_nn，这些参数确定结果的极化并因此确定在外部接口天线端口的结果极化特性。

设置参数δ₂₁的一示例是设置它以便为四个天线端口的任何端口给出到相对小区边界处的所有四个天线端口的最大对向角。这意味着给定给出所有极化落在大圆的当前实现中的自由度时，扇区边界处天线端口的极化在Poincaré球上具有最大分隔。

在也能够参照图12描述的一备选实施例中，天线部分是如参照图6A、6B或7A、7B所述的，这意味着所有天线部分端口10F₁、10F₂、10F₃、10F₄相对于振幅和相位具有相同的特性。如上所述，组合具有正交极化和不同空间位置的天线部分端口，并且通过控制参数的适当选择，能够确定极化特性。

由于没有预形成网络，因此，δ₁₁、δ₁₂不存在。δ₂₁可设为与δ₂₂相同的值。在一个实施例中，相位中心分隔设为在所有四个天线部分端口内在相对小区边界给出正交极化(对向角＝180°)，例如＝0.87λ(波 长)。

应明白，也在这些实施例中，能够已经存在两个外部接口天线端口，原则上任何变化是可能的。还应明白，形成极化控制部件的分布网络可由带有其它维的Butler矩阵等组成。控制参数、相位中心距离的任何值仅仅因为示范性原因而被给出。

图13示意示出包括三个天线设备100A、100B、100B的天线系统，三个扇区站点处的每个扇区一个设备，其允许经对应于此处示为两个配置网络部件60A、60B的配置网络中两个或更多相邻扇区的天线设备的组合来配置扇区数量。在图13中，为简明的原因，仅示出每天线设备两个外部接口天线端口30P₁、30P₂；30P₃、30P₄；30P₅、30P₆。当然，可存在每扇区更多端口。通过天线设备的发明实现，能够连接对应于相邻扇区的天线部分端口而没有沿扇区边界的信号的相干添加，这种添加可能是相消的。

在图13、14中，实线指示第一极化的天线部分端口到配置网络60A、60B、60A′、60B′的连接，并且虚线表示另一极化的端口连接到配置网络60A、60B；60A′、60B′。在图13中，不同极化的端口在第一配置网络部件60A中连接，而不同极化的三个端口也在第二配置网络部件60B中连接。

在图14中，系统2000的三个天线设备100A′、100B′、100C′的每个的两个端口连接到配置网络部件60A′、60B′。如在图13中一样，实线与第一极化有关，而虚线与第二极化有关。在图14中，相同极化的天线设备端口在相应配置网络部件60A′、60B′中连接。

图15A示出连接在相应配置网络部件60(即，60A、60B、60C、60A′、60B′、60C′)中如何为三扇区配置来进行，而图15B示出用于全向配置的连接。对于三扇区配置，所有信号连接到RBS(无线电基站)65；65′，而对于全向配置，仅在一个电缆上有信号。

因此，变得可能执行从高业务时间期间的三扇区站点到低业务时间期间的单扇区侧全向站点的重新配置，而不存在如已知设备中一样严重的扇区内天线部分端口的不正确电缆安装或来自不同扇区的电缆的不正确组合的影响，实际上只有极为有限的影响。重新配置能够借助于配置网络部件60A、60B；60A′、60B′中的开关(未明确示出)来完成。

根据本发明，提供了一种天线设备，通过该设备，与天线相关联的极化属性能被控制以在期望方式中随着方位角和/或仰角来变化。极化变化的方式取决于天线设备(天线系统)的波束应具有什么属性。

应明白，在不脱离随附权利要求的范围的情况下，本发明能以多种方式变化，并且本发明决不限于特别示出的实施例。

Claims (27)

1.一种包括包含至少两个天线部件（10A'，10A"；10B'，10B"，...）的天线部分的天线设备（100；200；300；400），每个天线部件带有具有第一极化的多个第一天线元件（1A₁，1A₂；1B₁；1B₂，...）和具有与所述第一极化不同的第二极化的多个第二天线元件（2A₁，2A₂；2B₁，2B₂，...），所述天线部分（10；10A；10B；10C；10D；10E；10F）还包括天线部分端口（10₁，10₂，10₃，10₄，10D₁，10D₂，10D₃，10D₄；10E₁，10E₂，10E₃，10E₄，10F₁，10F₂，10F₃，10F₄），

特征在于

对于每个天线部件有两个天线部分端口，每个极化一个天线部分端口，

所述天线设备（100；200；300；400）还包括极化控制部件（30；30D；30E；30F），所述极化控制部件包括所述天线部分端口连接到的分布网络，并且所述分布网络至少包括带有外部接口天线端口（30₁，30₂，30₃，30₄；30D₁，...，30D₄；30E₁，30E₂；30F₁，...，30F₄）的主形成网络（31；32D；31E；31F），以及所述极化控制部件配置成连接天线部分端口和外部接口天线端口，从而组合对应于不同极化且在空间上分隔的天线部分端口，以在与所述外部接口天线端口相关联的波束的极化属性中引入期望的变化，其中所述极化控制部件包括四个2x2 Butler矩阵。

2.如权利要求1所述的天线设备，

特征在于所述极化控制部件（30；30D；30E；30F）配置成在与所述天线设备有关的坐标系统中引入极化属性随着所述天线设备（100；200；300；400）的方位角和/或仰角的变化。

3.如权利要求1-2的任一项所述的天线设备，

特征在于

所述极化控制部件配置成至少组合具有所述第一极化的第一天线元件和具有所述第二极化以及基于天线设备的坐标系统中与所述第一天线元件的振幅和/或相位特性不同的振幅和/或相位特性的第二天线元件，要组合的相应第一和第二天线元件大致正交地被极化并且第一天线元件的相位中心和第二天线元件的相位中心空间上分隔0.87波长的距离。

4.如权利要求1-2的任一项所述的天线设备，

特征在于

所述天线部分（10A；10D；10E；10F）包括双极化阵列天线，所述双极化阵列天线由每极化具有至少两个天线部分端口的单个物理单元所构成，每个天线元件空间位置对应于一个天线部分端口。

5.如权利要求4所述的天线设备，

特征在于

所述第一和第二天线部件在与所述天线设备相关联的坐标系统中具有相对于空间振幅分布的不同辐射特性，或者具有不同的瓣方向。

6.如权利要求1-2的任一项所述的天线设备，

特征在于

它包括相互之间安排有给定空间距离的两个分开的第一和第二双极化天线部件（10B'；10B"；10C'，10C"），并且每个双极化天线部件包括多个第一和第二天线元件，以及每个天线部件包括两个天线部分端口，每极化一个天线部分端口。

7.如权利要求6所述的天线设备，

特征在于

所述第一和第二天线部件（10C'，10C"）在与所述天线设备相关联的坐标系统中具有相对于空间振幅分布的不同辐射特性，或者具有不同的瓣方向。

8.如权利要求1，2，5和7任一项所述的天线设备，

特征在于

所述极化控制部件配置成组合具有不同空间位置和不同空间相位分布和/或不同空间振幅分布特性的天线元件的天线部分端口。

9.如权利要求1，2，5和7任一项所述的天线设备，

特征在于

每个Butler矩阵带有为确定与外部接口天线端口相关联的极化而选择的至少一个控制参数(δ_ij)。

10.如权利要求9所述的天线设备，

特征在于

其选定的控制参数(δ_ij)适用于在与所述外部接口天线端口的一个或多个相关联的辐射图的选定方向中提供期望的极化属性。

11.如权利要求1，2，5，7和10任一项所述的天线设备，

特征在于

所述极化控制部件（30；30D；30E）还包括预形成网络（20；20D；20E），所述天线部分端口连接到所述预形成网络，以及所述预形成网络配置成组合具有相同极化但具有不同空间位置的不同天线部件的天线元件，在预形成网络中间端口（20₁；20₂；20₃；20₄；20D₁；20D₂；20D₃；20D₄；20E₁；20E₂；20E₃；20E₄）为每个极化生成两个波束，相同极化的两个波束具有类似或不同的指向。

12.如权利要求11所述的天线设备，

特征在于

所述预形成网络中间端口（20₁；20₂；20₃；20₄；20D₁；20D₂；20D₃；20D₄；20E₁；20E₂；20E₃；20E₄）连接到主形成网络中间端口（25₁；25₂；25₃；25₄；25D₁；25D₂；25D₃；25D₄；25E₁；25E₂；25E₃；25E₄），以及所述主形成网络配置成组合与不同极化相关联的预形成网络中间端口以提供带有方向相关极化的辐射图。

13.如权利要求1，2，5，7，10和12任一项所述的天线设备，

特征在于

所述第一和第二天线元件具有线性极化，分别是所述第一天线元件具有+45°或-45°极化，并且所述第二天线元件具有-45°或+45°极化。

14.如权利要求1，2，5，7，10和12的任一项所述的天线设备，

特征在于

所述第一天线元件具有线性垂直极化，并且所述第二天线元件具有线性水平极化，或反之亦然。

15.如权利要求1，2，5，7，10和12的任一项所述的天线设备，

特征在于

所述第一天线元件是左手圆极化的或右手圆极化的，以及所述第二天线元件是右手圆极化的或左手圆极化的。

16.如权利要求1，2，5，7，10和12的任一项所述的天线设备，

特征在于

所述第一和第二天线元件具有非平行的椭圆极化。

17.如权利要求1，2，5，7，10和12的任一项所述的天线设备，

特征在于

所述极化控制部件配置成连接所有天线部分端口和所有外部接口天线端口。

18.如权利要求1，2，5，7，10和12任一项所述的天线设备，

特征在于

所述主形成网络配置成连接天线部分端口与外部接口天线端口，使得组合与辐射图相关联的至少两个天线部分端口，所述辐射图带有正交极化并且还具有相对于振幅和/或相位的不同特性。

19.如权利要求1，2，5，7，10和12任一项所述的天线设备，

特征在于

天线部分端口的数量与外部接口天线端口的数量相同或更高。

20.一种包括如权利要求1-19的任一项所述的多个天线设备（100A；100B；100C）的天线系统。

21.如权利要求20所述的天线系统，

特征在于

天线设备（100A；100B；100C；100A'；100B'；100C'）的每个天线部分（10A；10B；10C）是扇区天线，所述天线系统包括用于扇区重新配置的配置网络（60A，60B，60A'，60B'），以及所述配置网络（60，60B；60A'，60B'）适用于允许选择适用于形成扇区的天线部分和/或扇区的数量，并因此重新配置扇区边界。

22.如权利要求20或21所述的天线系统，

特征在于

选择所述主形成网络的控制参数设置以提供扇区内和/或在相应天线设备的扇区边界处极化正交性的变化。

23.一种用于控制包括包含至少两个天线部件（10A'，10A"；10B'，10B"，...）的天线部分的天线设备的至少一个特性的方法，每个天线部件带有具有第一极化的多个第一天线元件（1A₁，1A₂；1B₁；1B₂，...）和具有与所述第一极化不同的第二极化的多个第二天线元件（2A₁，2A₂；2B₁，2B₂，...），所述天线部分（10；10A；10B；10C；10D；10E；10F）还包括天线部分端口（10₁，10₂，10₃，10₄，10D₁，10D₂，10D₃，10D₄；10E₁，10E₂，10E₃，10E₄；10F₁，10F₂，10F₃，10F₄），

特征在于

它包括以下步骤：

-   通过连接天线部分端口和外部接口天线部分端口，在包括分布网络的极化控制部件的主形成网络中组合带有所述第一极化的第一天线元件和带有所述第二极化的第二天线元件，从而组合对应于不同极化且在空间上分隔的天线部分端口，

-   使得在所述极化控制部件的外部天线端口提供具有期望极化属性的波束，

其中所述极化控制部件包括四个2x2 Butler矩阵。

24.如权利要求23所述的方法，

特征在于

所述天线部分包括用于具有所述第一极化的空间分隔的天线元件的两个天线部分端口和用于具有所述第二极化的空间分隔的天线元件的两个天线部分端口，每个第一天线元件与第二天线元件在相同位置，所述第一和第二天线元件具有正交极化，以及所述方法包括以下步骤：

-   在所述极化控制部件中组合所有天线部分端口和所有外部接口天线端口。

25.如权利要求23所述的方法，

特征在于

所述天线部分包括四个天线部分端口，两个天线部分端口用于具有所述第一极化的空间分隔的天线元件，并且两个天线部分端口用于具有所述第二极化的空间分隔的天线元件，每个第一天线元件与第二天线元件在相同位置，所述第一和第二天线元件具有正交极化，以及它包括以下步骤：

-   在预组合步骤中，在预形成网络中组合空间分隔的共极化的天线元件的天线部分端口以在预形成网络中间端口形成每极化的空间正交波束，

-   在主组合步骤中，在主形成网络中连接带有第一极化的所述空间正交的波束的第一波束和带有第二极化的所述空间正交的波束的第二波束，所述第一和第二波束在空间上正交，以在外部接口天线端口形成在极化属性中带有辐射方向相关变化的波束。

26.如权利要求25所述的方法，

特征在于

它包括以下步骤：

-   使用所述分布网络的预形成网络来执行所述预组合步骤，所述预形成网络包括带有第一控制参数的两个第一Butler矩阵，

-   使用主形成网络来执行所述主组合步骤，所述主形成网络包括带有第二控制参数的两个第二Butler矩阵，

-   选择所述第一和第二控制参数以便为与所述外部接口天线端口相关联的波束给出期望的极化特性。

27.一种用于提供可控制的多扇区天线站点的方法，

特征在于

它包括以下步骤：

-   将如权利要求1-22的任一项所述的多个天线设备安排为带有覆盖多个第一扇区的波束的扇区天线设备，

-   通过适当选择控制参数，使用所述极化控制部件来控制沿所述第一扇区的扇区边界和/或扇区内的极化正交性，

-   使用配置网络来改变扇区的数量以形成多个第二扇区。