CN102439786B

CN102439786B - 改进的天线装置

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Publication number: CN102439786B
Application number: CN200980159526.1A
Authority: CN
Inventors: S·O·彼得森; B·G·约翰尼森; D·阿斯特利
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Clastres LLC; Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: EP2436084B1; US8654027B2; WO2010136063A1; CN102439786A; IN2011KN05090A; EP2436084A1; US20120068907A1

Abstract

一种具有天线单元(220、230)的天线装置(200、300、400)，包括输入端口(201、202)、用于将输入信号分成具有比率11的主要和次要部分的功率分配器(202、204)、具有“和”输入端口、“差”输入端口以及第一和第二输出端口的网络(211、216)、第一和第二极化的第一(215、217)和第二天线(214、218)元件。输出“和”输入端口的信号，其中，它们之间存在第一关系，并且以第二相位关系输出“差”输入端口的信号。天线单元设置成使得输入信号的主要部分连接到网络的“和”端口并且输入信号的次要部分连接到另一个网络的“差”端口，并且网络的第一和第二输出端口连接到相同极化的第一和第二相邻天线元件。

Description

改进的天线装置

技术领域

本发明公开了一种改进的天线装置。

背景技术

所谓的阵列天线—即具有设置成阵列的多个天线元件的天线—在例如蜂窝电话的系统中是常见的。阵列天线的常见实施例是具有双极化天线元件的所谓的柱天线，其中，具有不同极化的天线元件成对设置，其中，每对包括每个极化的一个天线元件，通常设置成交叉状。

蜂窝电话系统中的阵列天线—特别是柱天线—的常见问题是依靠单独的天线元件获得的方位波束宽度是大到足以引起各种问题的，其中有干扰。

发明内容

如上所述，需要一种解决方案，依靠该解决方案，天线装置—例如具有N个柱的天线柱—能够被给予所获得的天线波束中的减少的半功率波束宽度。

由本发明提供这种解决方案，因为它公开了一种包括多个天线单元的天线装置，其中，每个天线单元包括：

-输入端口，

-功率分配器，用于将来自输入端口的输入信号分成主要和次要部分，其中，两部分之间存在某一比率，

-具有“和”输入端口、“差”输入端口以及第一和第二输出端口的网络。网络是这样使得在网络的两个输出端口都输出连接到网络的“和”输入端口的信号，其中，在两个输出端口的信号之间存在第一相位关系，并且在网络的两个输出端口都输出连接到网络的“差”输入端口的信号，其中，在它们之间存在第二相位关系，

-相应第一和第二极化的第一和第二天线元件。

根据本发明，天线装置中的天线单元设置成合作，这是因为它们的网络和功率分配器设置成使得：

-到天线单元的输入信号的主要部分连接到第一网络的“和”或“差”端口，并且到天线单元的输入信号的次要部分连接到第二网络的另一个端口，例如，使得如果主要部分连接到第一网络的“和”端口，则次要部分将连接到第二网络的“差”端口，并且反之亦然。

-网络的第一和第二输出端口连接到相同极化的第一和第二相邻天线元件。

如将在本文中的详细描述中所示出的，这种天线装置提供具有比之前的天线装置更低的半功率波束宽度的天线波束。

适合地，第一相位关系是零度并且第二相位关系是180度。

在本发明的一个实施例中，主要和次要部分之间的比率在至少两个功率分配器中是相同的。

在本发明的一个实施例中，功率分配器中的比率大于1∶1或小于1∶1。

在本发明的一个实施例中，天线装置包括多个多于两个天线单元。

在本发明的一个实施例中，第一和第二相邻天线单元成对合作，使得对中的天线单元之一中的网络的两个输出端口中的每个连接到两个天线单元中的第一极化的一个天线元件，并且所述对中的另一个网络的两个输出端口中的每个连接到两个天线单元中的另一极化的一个天线元件。

在本发明的一个实施例中，天线单元成对合作，使得来自合作天线单元中的分配器的主要部分连接到相邻天线网络的“和”或“差”端口，并且次要部分连接到相邻天线网络的“和”或“差”端口中的另一个。

在本发明的一个实施例中，功率分配器中的比率是复数，即它涉及幅度和相位二者，例如，以便影响信号的极化，并且还以便简化对功率分配器的设计要求。

在本发明的一个实施例中，天线装置是互逆的，即天线单元设置成用于发射和用于接收二者，使得分配器在发射时充当分配器并且在接收时充当组合器。

在下面给出的描述中将更详细地描述本发明的这些和其他实施例以及依靠本发明得到的优点。

附图说明

在下面将参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出在本发明中使用的组成部分，以及

图2-4示出本发明的实施例的例子，以及

图5示出依靠本发明获得的结果。

具体实施方式

图1示出在本发明中使用的组成部分—网络100，其合适地是所谓的混合网络，例如移相巴特勒矩阵。像这样的这类网络对于本领域技术人员是众所周知的，并且因此这里将仅简要描述。

如图1中所示，网络100具有两个输入端口—“和”输入端口105和“差”输入端口110，并且网络100还具有第一115和第二120输出端口。网络是这样使得在两个输出端口都输出在“和”输入端口105输入的信号，其中，在两个输出端口的信号之间存在第一相位关系，并且在两个输出端口都输出在“差”端口110输入的信号，其中，在两个输出端口的信号之间存在第二相位关系

合适地，第一相位关系是零度，并且第二相位关系是180度，它们是将被用在下面的描述中的值，但是，如还将示出的，其他值也很有可能。

在图1中依靠两个输入信号“1”和“2”示出网络的功能，在网络100的每个输入端口输入其中之一。如图所示，在输出端口115、120二者都以相同的相位—即以相位关系“零”—输出在“和”端口105输入的信号“1”，而在输出端口115、120二者都输出在“差”端口110输入的输入信号“2”，其中，在两个输出端口的信号之间存在相位关系相位关系

能够改变，这取决于期望获得的效果，但是在这里示出的例子中，将说明180度差别的相位关系的效果。

现在将参考图2来描述本发明的实施例200的第一个例子。实施例200包括两个天线单元220、230，但是，天线单元的数量能够在本发明的范围内改变。

每个天线单元220、230包括输入端口201、203，其连接到功率分配器或分离器202、204。分配器将输入信号分成具有比率1∶X的主要和次要输出信号，其中，比率定义为输出信号之间的功率比。合适地但不必要地，比率因数X对于天线装置中的全部分配器是相同的，并且还合适地，因数“X”大于或小于1，使得分配器不分成相等的部分。在一个实施例中，比率还能够例如在天线装置的工作期间改变，以便改变波束宽度。

每个天线单元还包括具有结合图1描述的功能的网络211、216，并且每个天线单元还包括第一极化的天线元件215、217以及第二极化的天线元件214、218。

在图2的例子200中，相邻天线单元220、230合作，使得来自每个分配器202、204的主要输出信号连接到分配器的“自身”天线单元220、230的网络211、216的“和”输入端口205、207，而来自每个分配器202、204的次要输出信号连接到相邻天线单元的网络216、211的“差”输入端口208、206。

此外，如图2中所示，根据本发明，网络的第一和第二输出端口连接到相同极化的第一和第二相邻天线元件。因此，网络211的第一输出端口209连接到第二极化的天线元件214，天线元件214是天线单元220的第二极化的天线元件，并且网络211的第二输出端口210连接到第二极化的天线元件218，天线元件218是相邻天线单元230的第二极化的天线元件。

类似地，网络216的第一输出端口212连接到第一极化的天线元件215，天线元件215是相邻天线单元220的第一极化的天线元件，并且网络216的第二输出端口213连接到第一极化的天线元件217，天线元件217是天线单元230的第一极化的天线元件。

依靠图2的实施例200，将经由第一极化的天线元件215、217通过“和模式”来发射施加于输入端口201的信号，其中，波束峰在垂直于天线元件的方向上，这是因为施加于这两个元件的信号具有相同的相位，并且经由第二极化的天线元件214、218通过“差模式”来发射施加于输入端口201的信号，其中，零陷(null)在垂直于天线元件的方向上，这是因为施加于这两个元件的信号具有180度的相位差。

这里应该提及的是，虽然已经依靠用于发射的例子描述了本发明的天线装置，但是，本发明的装置是适合地互逆的，使得它能够用于发射和/或用于接收二者。因此，如果装置被用于接收，则网络(参考图1)将组合来自端口115、120的输入信号，并且将在端口105、110输出信号，以与上述方式相反的方式。同样地，在接收时，分配器将充当组合器，以与上述方式相反的方式。

因此，如图2中所示，本发明的一个原理是，第一和第二相邻天线单元成对合作，使得对中的天线单元之一中的网络的两个输出端口连接到两个天线单元中的第一极化的天线元件，并且在所述对中的另一个网络的两个输出端口连接到两个天线单元中的另一极化的天线元件。

现在将示出并描述本发明的实施例，以便说明，根据本发明，还可能让天线单元成对合作，使得来自对中的两个天线单元中的分配器的主要部分连接到相邻天线网络的“和”或“差”端口，并且次要部分连接到相邻天线网络的“和”或“差”端口中的另一个。但是，在这种实施例中，来自天线网络的输出能够连接到合作对“之外”的天线单元的天线元件，如将依靠图3的实施例300所示出的。

图3示出图2的天线单元220、230以及第三和第四天线单元320、330。如能够看到的，从输入端口201、203到分配器202、204的连接以及从分配器202、204到网络211、216的连接与图2中示出的那些是相同的，由于这个原因，这里将不再描述它们。

但是，与图2的实施例相反，来自网络211、216的输出连接到非相邻天线单元的天线元件。如能够看到的，网络211的第一输出连接到网络的“自身”天线单元的第二极化的天线元件214，并且网络211的第二输出连接到相邻天线单元的第二极化的天线元件218，这与图2的实施例200中的是相同的。

如还能够在图3中看到的，网络216的第一输出连接到第三天线单元320的第二极化的天线元件234，第三天线单元320不需要是相邻天线单元，虽然这是图3中所示出的情况。网络216的第二输出连接到第四天线单元330的第二极化的天线元件237。还如图3中所示，来自第三320和第四天线单元330的网络的输出中的每个各自连接到同一极化的相邻天线元件之一。

已经在图3的实施例300中使用的原理是，第一和第二相邻天线单元—即天线单元220和320以及天线单元230和330-成对合作，使得对中的天线单元之一中的网络的两个输出端口连接到两个天线单元中的第一极化的天线元件，并且对中的另一个网络的两个输出端口连接到两个天线单元中的另一极化的天线元件。

因此，在本实施例中也遵守将相同极化的两个相邻天线元件用于网络的输出的原理。

图4示出实施例400的另一个例子，其利用让网络的第一和第二输出端口连接到相同极化的第一和第二相邻天线元件的原理：实施例示出图2的天线单元220、230以及具有相应网络411和416的第三和第四天线单元420、430。

如图所示，第一天线单元220的网络211的第一输出端口连接到第一天线单元的第二极化的天线元件214，并且因此网络211的第二输出端口连接到相同极化—即第二极化—的相邻天线元件218。

下面给出示出了天线元件—AE—的表格，每个网络的第一和第二输出端口(“输出端口1、2”)连接到这些天线元件。

网络 AE，输出端口1 AE，输出端口2

216 215 217

411 435 437

416 434 438

已经在图4的实施例400中使用的原理是，天线单元—在这种情况下是天线单元220-230以及420-430-成对合作，使得来自对中的两个天线单元中的分配器的主要部分连接到相邻天线网络的“和”或“差”端口，并且次要部分连接到相邻天线网络的“和”或“差”端口中的另一个。

如能够看到的，在实施例400中也遵守让网络的第一和第二输出端口连接到相同极化的第一和第二相邻天线元件的原理。本领域技术人员将认识到能够在大量的变化中使用这一原理，这些变化全部都落于本发明的范围内。

图5示出重新配置的天线方向图的例子，其已经依靠本发明获得。示出“初始”方向图，表示为“O”，以及表示为“t”的“目标方向图”，具有65度的HPBW，并且针对分配器中的比率1∶X(X＝0.3)的“合成”获得的方向图表示为“s”。正如所看到的，获得的方向图提供比初始方向图更高的增益以及减少的干扰扩展(interference spread)，这是由于改进的波束形状。

能够给出关于在本发明中使用的网络和分配器的性质的一些意见：如结合图1所解释的，在基本实施例中，网络是这样使得以相同的幅度和相位在两个输出端口都输出连接到“和”输入端口的信号，而在两个输出端口都输出连接到“差”输入端口的信号，其中，两个输出端口之间具有相同的幅度但是存在相位差

通常是180度，这导致指向垂直于天线元件、并且因此还通常垂直于天线单元和整个天线装置的方向的天线波束。

但是，能够获得指向相对于天线元件的不同方向的天线波束，如果网络改为设计成使得在两个输出端口都输出在网络的“和”输入端口输入的信号，其中，在两个输出端口的信号之间存在相位关系“A”，并且在两个输出端口都输出在网络的“差”端口输入的信号，其中，在两个输出端口的信号之间存在相位关系

因此，在图1中，在端口115的输出信号在这种实施例中会保持不变，而在端口120的输出信号会是1+A和

由所得到的天线波束的期望方向决定“A”的值。

关于分配器，没有对于在输出端口的信号之间存在某一相位关系以便获得期望的效果的要求。

最后，应该指出的是，虽然已经借助于其中每个天线单元包括第一和第二天线元件的实施例描述了本发明，但是，本发明不限于天线单元每个只有一对天线元件。因此，在本发明的很多实施例中，每个天线单元将包括多个成对的天线元件，其中，每个极化一个天线元件。

本发明不限于上面描述的和附图中示出的实施例的例子，而是可以在所附权利要求书的范围内自由地改变。

Claims

1. 一种天线装置（200、300、400），包括多个天线单元（220、230；320、330；420、430），每个天线单元包括：

－输入端口（201、202），

－功率分配器（202、204；402、404），用于将来自所述输入端口的输入信号分成主要和次要部分，其中，在所述部分之间存在某一比率（1:X），

－具有“和”输入端口、“差”输入端口以及第一和第二输出端口的网络（211、216；411、416），其中，在两个输出端口都输出连接到所述“和”输入端口的信号，其中，在所述两个输出端口的信号之间存在第一相位关系，并且在两个输出端口都输出连接到所述“差”输入端口的信号，其中，它们之间存在第二相位关系，

－相应第一和第二极化的第一（215、217；235、237；435、437）和第二天线（214、218；234、238；434、438）元件，

所述天线装置（200、300、400）的特征在于：在所述多个中的天线单元设置成合作，这是因为它们的网络和功率分配器设置成使得：

－到天线单元的输入信号的所述主要部分连接到第一网络的所述“和”或所述“差”端口，并且到天线单元的输入信号的所述次要部分连接到第二网络的所述“和”或所述“差”端口中的另一个端口，

－网络的所述第一和第二输出端口连接到相同极化的第一和第二相邻天线元件。

2. 如权利要求1所述的天线装置（200、300、400），其中，所述比率在至少两个功率分配器（202、204；402、404）中是相同的。

3. 如权利要求1或2所述的天线装置（200、300、400），其中，功率分配器（202、204；402、404）中的所述比率大于或小于1:1。

4. 如权利要求1-2中的任一所述的天线装置（200、300、400），包括多于两个天线单元（220、230；320、330；420、430）。

5. 如权利要求1-2中的任一所述的天线装置（300），其中，第一（220、320）和第二（230、430）相邻天线单元成对合作，使得对中的所述天线单元之一中的所述网络的所述两个输出端口连接到两个天线单元中的所述第一极化的所述天线元件，并且所述对中的另一个网络的所述两个输出端口连接到两个天线单元中的第二极化的所述天线元件。

6. 如权利要求1-2中的任一所述的天线装置（200、400），其中，所述天线单元成对（220－420；230－430）合作，使得来自所述对的两个天线单元中的所述分配器的所述主要部分连接到相邻天线网络的所述“和”或“差”端口，并且所述次要部分连接到相邻天线网络的所述“和”或“差”端口中的另一个。

7. 如权利要求1-2中的任一所述的天线装置（200、300、400），其中，至少一个功率分配器（202、204）中的所述比率是复数，即它涉及幅度和相位二者，以便影响所述信号的所述极化。

8. 如权利要求1-2中的任一所述的天线装置（200、300、400），是互逆的，即所述天线单元设置成用于发射和用于接收二者，使得所述分配器在发射时充当分配器并且在接收时充当组合器。

9. 如权利要求1-2中的任一所述的天线装置（200、300、400），其中，所述第一相位关系是零度。

10. 如权利要求1-2中的任一所述的天线装置（200、300、400），其中，所述第二相位关系是180度。