CN102804489B - 天线阵列 - Google Patents

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Abstract

公开了一种天线阵列和方法。该天线阵列包括：多个有源天线元件，每个有源天线元件隔开预定的第一间隔距离；以及多个无源天线元件，每个无源天线元件隔开预定的第二间隔距离。通过提供有源天线元件和无源天线元件两者，可以由同一天线阵列支持多个网络。提供双网络天线显著地简化了基站配备，因为可以更容易地对现有基站站点进行再利用。并且，需要在那些基站站点处提供的天线阵列的数量可以显著降低，从而降低塔顶拥挤程度并且还降低塔顶负荷，因为双天线阵列的质量以及其风载荷特性将显著地低于两个单独的天线阵列。

Description

天线阵列
技术领域
本发明涉及天线阵列和方法。
背景技术
天线阵列是已知的。例如在许多移动电信系统中，大量基站被配置为使用通常位于基站的塔顶的天线阵列来与大量用户设备进行通信。每个基站在地理上彼此隔开，以便在大的区域上提供通信覆盖。每个基站通常被配置为支持从基站位置向外延伸的多个“扇区”。每个扇区通常由一个天线阵列来支持，因此‘n’扇区基站将由‘n’个天线阵列来支持。每个天线阵列被安装、定向并且配置为向用户设备提供所需的地理覆盖。
虽然这种天线阵列支持用户设备与基站之间的无线通信，但是它们的配备具有很多缺点。
因此，希望提供一种改进的天线阵列。
发明内容
根据第一方案，提供了一种天线阵列，包括：多个有源天线元件，每个有源天线元件隔开预定的第一间隔距离；以及多个无源天线元件，每个无源天线元件隔开预定的第二间隔距离。
第一方案认识到现有天线阵列的一个问题在于如果有服务提供商希望增强网络或者提供附加网络，那么需要安装附加的天线阵列。具体而言，如果当前提供无源网络的网络提供商希望提供有源网络，那么需要提供附加的有源天线阵列。这是因为当前无源天线元件是在无源天线阵列上提供的，而有源天线元件是在有源天线阵列上提供的。并且，并非一直都能够在拥挤的塔顶安装附加的天线阵列。因此，提供了包括有源天线元件和无源天线元件两者的天线阵列。通过提供有源天线元件和无源天线元件两者，可以由同一天线阵列支持多个网络。并且通过使得有源天线元件隔开第一间隔距离并且使得无源天线元件隔开第二间隔距离，可以容易地调节这些不同的网络中的每个网络的频率特性。可以看出通过这种方式例如可以容易地升级使用无源天线的现有第二代(2G)基站实现方式，以支持需要在同一天线阵列中有有源天线元件的第三代(3G)或第四代(4G)基站实现方式。类似地，可以扩展例如现有3G天线阵列的功能以提供对于其他(通常是原有)网络的支持。要认识到，提供双网络天线显著地简化了基站配备，因为可以较容易地对现有基站站点进行再利用。并且，需要在那些基站站点提供的天线阵列的数量可以显著降低，从而降低塔顶拥挤程度并且还降低塔顶负荷，因为双天线阵列的质量以及其风载荷特性将显著地低于两个单独的天线阵列。
在一个实施方式中，该天线阵列包括元件间隔机制，其用于改变该第一间隔距离和第二间隔距离中的至少一个。通过提供元件间隔机制，可以改变、调整或者修改元件之间的距离以适合所支持的网络的特定操作频率特性而无需针对可能需要的频率特性的每种能够想到的组合制造定制的天线阵列。例如，无源天线元件支持的网络的频率特性可能随着基站的不同而不同。那些不同的频率特性中的每种频率特性需要该阵列中的无源天线元件之间具有不同间隔；通常，可以将天线之间的间隔设置为该操作频率的波长的0.9倍。类似地，有源天线元件支持的网络的频率特性可能随着基站的不同而不同，这需要该阵列中的每个有源天线元件之间距离的类似的改变。通过提供元件间隔机制，使得能够根据该基站所需要的具体实现方式，容易地改变天线元件之间的间隔。
在一个实施方式中，该元件间隔机制用于改变该第一间隔距离和第二间隔距离中的一个。因此为了简化结构，该元件间隔机制可以被配置为使得仅能够改变该第一间隔距离或该第二间隔距离。
在一个实施方式中，该元件间隔机制包括延伸结构，其用于保持该多个有源天线元件和该多个无源天线元件中的一个以使得该第一间隔距离和该第二间隔距离中的一个能够改变。要认识到延伸结构提供特别方便的配置以使得那些天线元件的间隔能够被调整到需要的间隔距离。
在一个实施方式中，该多个有源天线元件和该多个无源天线元件中的一个包括模块化天线元件，并且该天线阵列包括保持结构，该保持结构用于以该第一间隔距离和该第二间隔距离中的对应的一个间隔距离接收每个模块化天线元件。因此，可以提供另一个天线元件作为保持在该天线阵列中的独立的模块，该保持结构方便地提供了那些天线元件之间所需要的间隔。可以看出通过这种方式可以方便地设置该第一间隔距离和该第二间隔距离两者。
在一个实施方式中，该多个无源天线元件支持的频率与该多个有源天线元件支持的频率相等，并且该第一距离和该第二距离基本相等。因此，当该无源网络和该有源网络的频率大体相等时，该有源天线元件之间的距离与该无源天线元件之间的距离也大体相等。
在一个实施方式中，该多个无源天线元件支持的频率低于该多个有源天线元件支持的频率，并且该第一距离大于该第二距离。因此，当该无源网络的频率低于该有源网络的频率时，每个无源天线元件之间的间隔将大于每个有源天线元件之间的间隔。
在一个实施方式中，该多个无源天线元件支持的频率高于该多个有源天线元件支持的频率，并且该第一距离小于该第二距离。因此，当该无源网络的频率高于该有源网络的频率时，每个无源天线元件之间的间隔将小于每个有源天线元件之间的间隔。
在一个实施方式中，每个有源天线元件包括两个天线，该两个天线中的每个天线彼此隔开，并且每个无源天线位于该两个天线中的每个天线之间的区域。因此，当该有源天线元件由两个天线元件组成时，可以方便地利用这两个天线元件之间的空间来放置该无源天线元件。要认识到这提供了特别紧凑的天线阵列配置。
在一个实施方式中，该两个天线中的每个天线被定向为提供正交极化，并且每个无源天线位于由该定向所限定的区域中。因此，该天线元件的定向(其可能是四边形的形状)在该天线阵列上提供用来放置该无源天线元件的限定区域。再次要认识到这提供了特别紧凑的天线阵列配置。
在一个实施方式中，该无源天线比该有源天线从该天线阵列竖立得更高。通过提供超出有源天线元件的无源天线元件，降低了该天线阵列上的这些天线元件之间的任何空间干扰。要认识到这提供了特别紧凑的天线阵列配置。
在一个实施方式中，多个无源天线元件与沿该天线阵列布置的无源馈送网络耦合。
根据第二方案，提供了一种方法，包括以下步骤：提供多个有源天线元件；将每个有源天线元件隔开预定的第一间隔距离；提供多个无源天线元件；并且将每个无源天线元件隔开预定的第二间隔距离。
在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述了其他具体和优选的方案。可以根据需要将从属权利要求的特征与独立权利要求的特征结合并且与除了权利要求书中所明确阐述的那些特征之外的特征结合。
附图说明
现在将参考附图进一步描述本发明的实施方式，其中：
图1A-1C示意性地示出了根据多个实施方式的天线阵列的3种不同的配置；
图2示意性地示出了根据一个实施方式的模块化有源天线元件的配置；并且
图3示意性地示出了根据一个实施方式的具有用于接收无源天线元件的轨道结构的天线阵列。
具体实施方式
图1A-1C示意性地示出了根据多个实施方式的天线阵列的不同的配置，该配置将有源阵列与无源阵列集成在一起。在无源阵列中，能够提供对由该无源阵列支持的扇区之中的用户设备的覆盖。能够对来自该无源阵列的单个传输施加相位和/或幅度偏移，以形成波束来形成向该扇区之中的所有用户设备提供的覆盖范围。在有源阵列中，还能够提供对由该有源阵列支持的扇区之中的用户设备的覆盖。但是，能够对来自该无源阵列的每个传输施加相位和/或幅度偏移，以形成波束来形成向该扇区之中的每个用户设备单独提供的覆盖范围，这种配置显著地改善了网络之中的传输的信噪比(SNR)和信干比，其中信噪比和信干比在例如WCDMA的一些系统中是特别至关重要的度量。在单个天线阵列中结合有源阵列和无源阵列，通过特别是在已经存在具有无源天线配置的2G基站的情况中，实现新出现的用于3G和4G实现方式的有源天线技术方案的共同部署，提供了成本有效的基站配置和部署。共置无源天线元件和有源天线元件将无源阵列集成到有源阵列中。这使得任意现有无源2G阵列能够被双有源/无源实现方式代替，并且从缆线到远程射频头(如果有的话)的剩下的2G基站设备以及任意支持基站机柜可以仍在原处以支持原有网络。当需要3G或4G网络时，与该网络所需要的任意支持基站机柜一起，简单地增加用于有源天线阵列的附加缆线。这使得即使当前塔顶完全拥塞并且连再多一个天线阵列也无法支持时，也能够对现有基站站点进行再利用，因为该原有阵列可以被简单去除并且由双有源/无源实现方式来代替。
在图1A-1C所显示的配置中，每个有源天线元件20包括成对天线30、40的配置，其中一个天线提供+45°极化发射器和-45°极化接收器，而第二个天线提供-45°极化发射器和+45°极化接收器。由通过数据和功率接头25从位于地面的支持基站机柜(未显示)提供的独立的数字信号来驱动每个有源天线元件20。每个数字信号由有源天线元件20进行解码、放大、滤波和发射。提供这些有源天线元件20中的若干个，以构建完整的天线阵列10A-10C。在所示实例中，在天线阵列10A-10C中的每一个中提供8个有源天线元件20。然而，要认识到，可以提供更多或更少的有源天线元件20，以便产生合适尺寸的天线阵列来提供所需的功率输出和增益。
每个天线阵列10A-10C上还有多个无源天线50A-50C。这些无源天线50A-50C大体位于每个有源天线30、40之间限定的区域中。另外，每个无源天线50A-50C与有源天线30、40在空间上隔开，因为无源天线与有源天线元件30、40相比从该天线阵列的表面延伸出更大距离(即它们沿着出纸面的方向从天线阵列竖立)。每个无源天线50A-50C经由射频(RF)馈送55耦合，射频(RF)馈送55继而耦合到无源RF馈送网络60A-60C以向输入信号提供合适的幅度和/或相位偏移。无源RF馈送网络60A-60C从位于地面的支持基站机柜(未显示)接收RF信号。
在图1A-1C所显示的配置中，对于每个实例而言，有源天线元件20之间的距离DA相同。但是要认识到，根据有源天线元件20的发射频率，距离DA可以随着实施方式的不同而不同。通常而言，将距离DA设置为近似操作频率的波长的0.9倍。
如图1A中所示，无源天线50A与有源天线元件20大体操作在同一频带中(例如有源天线元件20可以操作在UMTS2100中并且无源天线50A可以操作在GSM1800中)，相邻的有源天线30、40之间的间隔被无源天线50a占据，并且无源天线50A之间的距离DPA大体等于距离DA。
在图1B中，无源天线50B操作在比有源天线30、40更低的频率(例如有源天线30、40可以操作在UMTS2100中并且无源天线50B可以操作在GSM900中)。在该配置中，有源天线30、40之间的每隔一个(或更少)间隔被无源天线50B占据。因此，无源天线50B之间的距离DPB大于距离DA。
在图1C中，无源天线50C操作在比有源天线30、40更高的频率(例如有源天线30、40可以操作在LTE900中并且无源天线50C可以操作在GSM1800或UMTS2100中)。在该配置中，在有源天线30、40之间放置多个无源天线50C。因此，无源天线50C之间的距离DPC小于距离DA。
将无源天线50A-50C的馈送网络60A-60C放置到有源天线元件20之后或天线阵列的侧面。使用同轴缆线55将来自馈送网络60A-60C的信号馈送入天线元件50A-50C。
图2更详细地示出了有源天线元件20的示例性配置。如图可见，将有源天线元件20作为模块来提供，可以将这些模块放在一起以形成具有合适的特性的天线阵列。模块化有源天线元件20的提供由于设计路径的频带分离特性而降低了天线阵列的共用器规格，而同时提供了在有源天线30、40之间的空间70中放置其他天线的机会。要认识到，有源天线30、40的其他配置是可行的，并且本文所述的原理也适用。通过使用有源天线30、40之间的空间70并且在该空间中放置无源放射器，将无源阵列集成到有源结构中以提供紧凑的双天线阵列。
有源结构和无源结构可以操作在同一频带中或者不同频带中。在给出的实例中，为每个有源天线元件提供了两个有源天线30、40，从而使集成特别简单，但是其他配置也是可行的。
通过使用这些模块化有源天线元件20，还能够通过简单地将这些元件20隔开预定距离来改变每个元件20之间的距离。要认识到，这提供了一种方便的技术来改变有源天线元件20所支持的频带。
图3示出了使得无源天线50A-50C能够被隔开任意具体的预定距离的示例性配置。虽然认识到能够将每个无源天线50A-50C固定到有源天线元件20的表面，但是要认识到这可能不是特别方便并且可能限制天线阵列未来的再配置。因此，在每个有源天线30、40之间提供了轨道80，轨道80沿天线阵列的长度延伸。然后将无源天线50A-50C放置在该轨道80上并且沿该轨道80以针对预期的无源网络操作频率的所需要的间隔距离置于该轨道80上。这使得能够根据所需要的实现方式，容易地设置或改变无源网络的频率。一旦无源天线50A-50C就位，再次经由无源RF馈送网络60A-60C和耦合同轴缆线55对这些无源天线50A-50C进行馈送。
因此，可以看出实施方式允许不仅作为单个技术方案而且作为原有产品来提供有源天线阵列，因为可以在同一站点继续使用现有基础设施(例如2G GSM基站)，而仍然提供增强的服务。通过用新的有源/无源集成天线(其包括有源3G或4G天线阵列以及无源2G天线阵列)来代替现有的无源2G天线阵列，无需安装额外的单独的天线阵列就能够升级该系统，并且同时运营商可以继续操作任意当前设备。此外，可以显著地降低网络升级期间天线拥塞的发生。
本领域的熟练技术人员应该认识到，本文的任意方框图表示用于体现本发明的原理的示例性电路的概念图。
说明书和附图仅仅示出了本发明的原理。因此应该认识到本领域的熟练技术人员能够想到虽然本文没有明确描述或显示但是体现了本发明的原理并且包括在本发明的精神和范围中的各种配置。此外，本文阐述的全部实例原则上仅意图用于示范的目的以辅助读者理解本发明的原理和发明人对推进本领域所贡献的概念，并且应该被解释为不限于具体所述的实例和条件。并且，用于阐述本发明的原理、方案和实施方式的本文的全部陈述以及它们的具体实例意图包括它们的等同形式。

Claims (10)

1.一种天线阵列，包括：
多个有源天线元件，所述多个有源天线元件形成向扇区内的每个用户设备单独提供覆盖范围的波束，每个有源天线元件隔开预定的第一间隔距离；
多个无源天线元件，所述多个无源天线元件形成向扇区内的所有用户设备提供覆盖范围的波束，每个无源天线元件隔开预定的第二间隔距离；以及
元件间隔机制，用于变化所述第一间隔距离和第二间隔距离中的至少一个间隔距离，所述元件间隔机制包括延伸结构，所述延伸结构用于保持所述多个有源天线元件和所述多个无源天线元件中的一个间隔距离以使得所述第一间隔距离和所述第二间隔距离中的所述一个间隔距离能够改变。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述多个有源天线元件和所述多个无源天线元件中的一个包括模块化天线元件，并且所述天线阵列包括保持结构，所述保持结构用于以所述第一间隔距离和所述第二间隔距离中的对应的一个间隔距离来接收每个模块化天线元件。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的天线阵列，其中，所述多个无源天线元件支持的频率与所述多个有源天线元件支持的频率相等，并且所述第一距离和所述第二距离基本相等。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的天线阵列，其中，所述多个无源天线元件支持的频率低于所述多个有源天线元件支持的频率，并且所述第一距离大于所述第二距离。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的天线阵列，其中，所述多个无源天线元件支持的频率高于所述多个有源天线元件支持的频率，并且所述第一距离小于所述第二距离。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的天线阵列，其中，每个有源天线元件包括两个天线，所述两个天线中的每个天线彼此隔开，并且每个无源天线位于所述两个天线中的每个天线之间的区域。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其中，所述两个天线中的每个天线被定向为提供正交极化，并且每个无源天线位于所述两个天线中的每个天线之间的区域中，所述区域由所述两个天线中的每个天线的所述定向所定义。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的天线阵列，其中，所述无源天线比所述有源天线从所述天线阵列竖立得更高。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的天线阵列，其中，所述多个无源天线元件与沿所述天线阵列布置的无源馈送网络耦合。
10.一种方法，包括以下步骤：
提供多个有源天线元件，所述多个有源天线元件形成向扇区内的每个用户设备单独提供覆盖范围的波束；
将每个有源天线元件隔开预定的第一间隔距离；
提供多个无源天线元件，所述多个无源天线元件形成向扇区内的所有用户设备提供覆盖范围的波束；
将每个无源天线元件隔开预定的第二间隔距离；以及
提供元件间隔机制以变化所述第一间隔距离和第二间隔距离中的至少一个间隔距离，所述元件间隔机制包括延伸结构，所述延伸结构用于保持所述多个有源天线元件和所述多个无源天线元件中的一个间隔距离以使得所述第一间隔距离和所述第二间隔距离中的所述一个间隔距离能够改变。
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