CN103718376B

CN103718376B - 多波束多无线电天线

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Publication number: CN103718376B
Application number: CN201280035721.5A
Authority: CN
Inventors: 安德烈斯·彼得勒斯·克龙涅·福里
Original assignee: Individual
Current assignee: Bo Yintingantengnasi (controlling Interest) Co Ltd
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: EP2719016B1; US20140159956A1; ZA201309104B; HK1196183A1; CN103718376A; US9407008B2; EP2719016A1; WO2012168878A1

Abstract

一种天线系统（10）包括发射机部件（12），包括到天线系统的n个输入（40.1到40.n）；发射机部件天线阵列18，包括k个辐射元件；相应的波束形成网络（20.1至20.n），连接到n个输入的每一个，每个波束形成网络都具有多个输出；以及k个信号组合器（22.1至22.k），每个都具有多个输入和相应的输出。每个波束形成网络的每个输出都被连接到信号组合器的每一个的相应输入；每个信号组合器的输出都经由输出级连接到k个辐射元件中相应的一个。波束形成网络被配置为使得每个发射机部件输入都与具有相应的波束宽度的相应发射机部件波束（24.1至24.n）相关联。

Description

多波束多无线电天线

技术领域

本发明涉及天线系统，更确切地说，涉及适合点对多点通信的天线系统以及相关联的方法。

背景技术

典型情况下，固定和移动网络中的点对多点通信涉及若干基站，包括单个或扇形天线，为多个客户提供电信服务，比如数据、语音和多媒体。这些服务受到许多问题困扰，主要是容量限制。增加容量可以通过多种方式，如在基站周围建立多个扇区和/或增加可用的频道数量。后者具有真正的局限，因为频谱不容易获得，特别是对于与更多带宽相关联的高速数据。典型情况下，对于前者，当建立更多的扇区时，也需要更多的频率，因为频率干涉阻止了频率在基站上若干扇区中重用。作为替代，通过建立更多单元（基站）可以增加容量，每个单元具有更小的覆盖区，但是这很昂贵，因为需要基础设施。另外，全向天线或扇形天线往往不能在其波束中为用户提供足够的增益，因为天线波束宽度与天线增益从而与信号强度分比逆相关。可以通过减小扇区的角度大小提高天线增益，但是成本、实际限制比如天线的数量和尺寸、频率规划和其他技术问题使得使用小于约120度（每座基站3个扇区）或90度（每座基站4个扇区）的扇区不切实际。

发明目标

所以，本发明的目标是提供替代天线系统和方法，本申请人相信利用它可以至少缓解公知系统的缺点，或者为公知系统提供有用的替代方案。

发明内容

根据本发明，提供了一种天线系统，包括发射机部件，包括：

-到天线系统的n个输入；

-发射机部件天线阵列，包括k个辐射元件；

-相应的波束形成网络，连接到n个输入的每一个，每个波束形成网络都具有多个输出；以及

-k个信号组合器，每个都具有多个输入和相应的输出，其中，

○每个波束形成网络的每个输出都被连接到k个信号组合器的每一个的相应输入；

○每个信号组合器的输出都经由输出级连接到k个辐射元件中相应的一个；以及

○波束形成网络被配置为使得每个天线系统输入都与具有相应

的波束宽度的相应发射机部件波束相关联。

第一部件的波束可以被共同地安排为覆盖更大覆盖立体角的至少一部分。所覆盖的立体角可以具有任何适宜的形状，并且可以，例如以扇区的的形式。扇区可以为90度或更大。

每个波束形成网络都可以包括k个输出，每个信号组合器都可以包括n个输入，每个波束形成网络的每个输出都可以被连接到相应的信号组合器中相应的输入。

k的值可以与n的值不同，作为替代相应的值可以相同。

发射机部件的信号放大器可以配备在k个信号组合器的至少某些输出与相应的辐射元件之间的至少某些输出级中。

所述天线系统可以进一步包括接收机部件，包括：

-n个接收机部件的输出；

-接收机部件天线阵列,包括k个辐射元件；

-k个信号分离器，每个信号分离器都包括一个输入和多个输出；以及

-n个波束形成网络，每个波束形成网络都包括多个输入和一个输出，其中，

○每个波束形成网络的输出都被连接到所述n个接收机部件的输出中相应的一个；

○每个信号分离器的每个输出都被连接到每个波束形成网络中相应的输入；以及

○所述波束形成网络被配置为使得每个接收机部件的输出与相应的接收机部件波束相关联，使得至少某些接收机部件波束与天线系统的发射机部件中相关联的发射机部件波束至少部分一致。

接收机部件可以包括噪声抵消模块。在本说明书中，除非上下文有另外显示，“噪声”指的是源自发射机部件的少量信号，它与接收机部件耦合并干扰从系统外部接收到的信号。

噪声抵消模块可以被连接到至少某些信号分离器电路的输入。

接收机部件还可以包括噪声抵消模块与信号分离器电路的输入之间的接收机部件信号放大器。

噪声抵消模块可以包括k个噪声抵消电路，每个噪声抵消电路都包括k个输入和1个输出。k个输入被连接到与至少某些发射机部件输出级相关联的信号耦合装置。优选情况下，提供了k个信号耦合器，每个都与发射机部件的相应的输出级相关联。

每个噪声抵消电路的k个输入都可以经由相应的分支或路径连接到噪声抵消电路的信号组合器的相应输入，它提供了噪声抵消电路的输出。每个路径都可以包括信号相位调整装置以及信号放大器或衰减器至少其一，以调整干扰信号的振幅。相位调整和增益至少其一可以被固定。在其他实施例中，相位调整和增益中的至少一个可以是可变的或可调的。所述调整可以或者手动地或者自动地和/或自适应地进行。

每个噪声抵消电路的输出都可以被连接到组合器电路的第一输入，而第二输入可以被连接到相关联的接收机部件辐射元件。所述组合器的输出可以被连接到接收机部件放大器的输入。

每个噪声抵消电路都可以被配置为对于从发射机部件输出级到相应的接收机部件辐射元件耦合的信号产生相反的矢量，从而在经由接收机部件辐射元件接收的信号中抵消不希望的噪声。

噪声抵消电路可以允许对每个耦合的信号进行相位和振幅调整，以便对由于老化、天气和/或任何其他原因造成的发射机部件辐射元件与接收机部件辐射元件之间耦合的变化维持低干扰。

在某些实施例中，发射机部件天线阵列也可以用作接收机部件天线阵列。

在其他实施例中，发射机部件天线阵列可以是与接收机部件天线阵列不同的阵列。发射机部件天线阵列可以被安装在并列于、高于和低于接收机部件天线阵列的位置之一。

在另外的实施例中，发射机部件天线阵列的辐射元件和接收机部件天线阵列的辐射元件可以交错并利用同一孔径。

波束形成网络可以包括用于调整波束形成参数比如相位和振幅的装置，使得波束可以被更改为满足系统要求，比如容量、平衡或其他参数。

发射和接收信号的方法也包括在本发明的范围之内，包括以下步骤：

-对多个信号输入中的每一个都形成相应的相关联的发射波束，波束宽度小于所服务的总的覆盖立体角；

-使发射波束共同地覆盖所述覆盖立体角；

-对多个信号输出的每一个都形成相应的接收波束，与相关联的发射波束至少部分一致；

-把至少一台信号发射机连接到每个输入，在相关联的发射波束中发射相应的发射信号；以及

-利用连接到至少某些输出的至少一台接收机，在相关联的接收波束中接收信号。

用于覆盖扇区时，波束宽度可以小于90度，作为替代小于45度，优选情况下小于30度，更优选情况下小于25度，而最优选情况下大约20度。对于与扇区不同的更一般的覆盖区域，每个波束的立体角可以比要求覆盖的整体立体角小两倍，优选情况下比要求覆盖的整体立体角小三倍，而最优选情况下小五倍以上。

所述方法可以包括在至少两个波束中使用一个发射载波频率的步骤。

所述方法可以包括以下步骤：耦合向发射机部件辐射元件馈送的信号，以及处理所耦合的信号以抵消相关联的接收波束中信号中的噪声，再把信号馈送到至少一台接收机。

所述系统可以允许在每个发射信号中使用窄带音调或其他适宜的导频信号，其中这样的导频信号可以在接收机中自适应性地测量，以调整噪声抵消电路的参数。

在所述方法的其他形式中，如果使用了不同的发射和接收频带或者其他熟知的分离技术，噪声抵消可能不是必要的。

附图简要说明

参考附图，将仅以实例的方式进一步介绍本发明，其中：

图1是天线系统平面图中的高层图解表达，包括多个输入、多个输出以及与所述输入和输出相关联的波束；

图2是天线系统实例实施例的框图，包括发射机部件和接收机部件；

图3是信号分离器或信号组合器的实例实施例的图解表达，形成了图2中系统的一部分；

图4是波束形成网络的实例实施例的图解表达，形成了图2中系统的一部分；

图5是噪声抵消电路的实例实施例的图解表达，形成了图2中系统的一部分。

具体实施方式

天线系统10显示在图1和图2中。

天线系统10包括第一部件或发射机部件12以及第二部件或接收机部件14。发射机12包括n个输入16.1至16.n，连到天线系统。发射机部件进一步包括阵列18，有k个发射机部件辐射元件18.1至18.k，如图2所示。n个输入的每一个都被连接到相应的波束形成网络20.1至20.n，而每个波束形成网络都被连接到k个信号组合器22.1至22.k中的每一个。每个信号组合器22.1至22.k都被连接到k个辐射元件18.1至18.k中相应的一个。波束形成网络被配置为使得每个输入16.1至16.n与具有相应的波束宽度25的相应的发射机部件波束24.1至24.n相关联。发射机部件波束24.1至24.n被安排为共同地覆盖扇区26的至少一部分。

接收机部件14包括n个输出28.1至28.n。接收机部件进一步包括阵列30，有k个接收机部件辐射元件30.1至30.k（如图2所示）。接收机部件包括辐射元件与输出之间的k个信号分离器32.1至32.k和n个波束形成网络34.1至34.n。波束形成网络被配置为使得每个输出28.1至28.n与相应的接收机部件波束36.1至36.n相关联。接收机部件波束36.1至36.n中的至少某些与天线系统中发射机部件的相关联发射机部件波束24.1至24.n至少部分地但是优选情况下实质上一致。

部件12、14可以被并列地安装，如图1中平面图所示，但是优选情况下被安装为一个部件12、14高于另一个部件12、14。输入16.1至16.n可以用于施加传输信号。每个输入16.1至16.n都可以被连接到相应的发射设备40.1至40.n。如果发射设备以不同的频率运行或使用其他信号分离方法，本领域中广为人知，则可以有不止一台发射设备连接到输入。同样，输出28.1至28.n中的每一个都可以被连接到一个或多个相应的接收设备42.1至42.n。

每个发射机部件输入16.1至16.n都与特定发射机部件波束24.1至24.n相关联。换句话说，馈送到输入16.1的信号按照波束24.1指示的图案被辐射到空间中，馈送到端口16.2的信号按照波束24.2指示的图案被辐射到空间中，等等。在所示的实例实施例中，波束24.1至24.n简单地在方位角空间中相邻，但是在其他实施方式中，波束可以同时在方位角和仰角中分离，以形成许多“斑点”波束。在一般意义上，形成了许多更小的波束，以覆盖更大的覆盖立体角，它可以具有所要求的任何适宜的形状，以对要求通信服务的区域提供期望的覆盖。

在本实例实施例中，接收机部件天线阵列30类似于发射机部件天线阵列18，使得波束36.1至36.n是本质上相似的波束，并且分别与波束24.1至24.n一致。

现在参考图2，每个波束形成网络20.1至20.n都产生k个信号(1...k)，其相位和振幅由波束形成网络调整，使得当被连接到k个阵列元件18.1至18.k时，k个信号对每个输入16.1至16.n形成特定的波束24.1至24.n。每个波束形成网络的k个信号与k个信号组合器22.1至22.k中每一个的n个输入互连，如图2所示。每个信号组合器22.1至22.k的单一输出被连接到相应的发射机部件放大器44.1至44.k的输入，而放大器44.1至44.k的输出分别被连接到辐射元件18.1至18.k的输出级。前面提及的信号组合器的输出与发射机部件辐射元件之间的放大器有足够的增益，以确保系统运行所需的期望输出功率电平，并且至少足以克服前面提及的波束形成和信号组合网络的损失。使用这些原理，如上所述，每个发射机部件输入16.1至16.n都与相应的发射机部件波束24.1至24.n相关联。在前面提及的输出级以及在或接近每个阵列元件18.1至18.k，提供了相应的耦合机构46.1至46.k，以便建立由阵列元件18.1至18.k发射的每个信号的至少一部分副本。

仍然参考图2，优选情况下，每个接收机部件辐射元件30.1至30.k都经由相应的信号组合器50.1至50.k连接到相应的接收机部件放大器48.1至48.k。每个组合器50.1至50.k都向经由相应的接收机部件辐射元件30.1至30.k接收到的信号增加相应的噪声抵消信号，它们源自形成噪声抵消模块52的一部分的k个噪声抵消电路52.1至52.k中相应的一个，再把这些最终组合结果分别施加到放大器48.1至48.k的输入。相应的噪声抵消信号包括施加到k个发射机部件辐射元件18.1至18.k的每一个并得自耦合机构46.1至46.k的信号的调整后副本。此调整可以包括对馈送到发射机部件阵列元件18的每个信号的衰减和/或相移，使得对于每个发射的信号，都产生相反的和抵消的矢量，它从特定发射机部件辐射元件耦合到相应的接收机部件辐射元件。每个噪声抵消信号从而都是施加到发射阵列18的k个信号的调整后副本的矢量和，相位和振幅被调整为抵消由每个发射机部件辐射元件18.1至18.k到特定接收机部件辐射元件耦合的k个信号。在接收机部件放大器之后，每个信号都由k个信号分离器32.1至32.k分离成n个副本，然后施加到n个波束形成网络34.1至34.n，每个都有k个输入，这些网络执行逆波束形成运算，使得波束24.1至24.n分别与波束36.1至36.n重叠或一致。

在图3中显示了基本的信号组合器22.1或信号分离器32.1。在分离器32.1中，单一输入被分离成n个分量。在组合器22.1中，n个输入被组合成单一输出。典型情况下，阻抗匹配在一侧或双侧执行，以确保此组合/分离发生而没有不匹配。也可能期望使用威尔金森分离器，以确保分离的分支相等。

在图4中显示了波束形成网络20.1或34.1的基本形式。所示的波束形成网络可以用在发射机部件12中用于传输，其中在左侧(“LHS”)的单一端口被用作输入，而在右侧(“RHS”)产生k个输出信号，并且它可以用在第二部件14中用于接收，其中k个RHS端口为输入，而单一LHS端口为输出。在波束形成网络的基本形式中，可以假设不需要调整幅度，为了波束形成只需要相对相位延迟这可以由信号通过不同路径长度l₁至l_k实现。应当注意，作为替代或补充，对分离之后或之前的每个信号的振幅进行修改的实施可以使用无源或有源装置实现，这为波束形成给出了更多的灵活性。存在着其他众所周知的设备和电路可以引起所需的相位变化，而不是本实例实施例中所示的简单路径延迟方法。

噪声抵消电路52.1至52.k在配置上类似，所以后文将参考图5，仅仅进一步详细介绍电路52.1。此电路包括k个输入，用于由图2所示的耦合器46.1至46.k耦合的信号C1至Ck。每个耦合的信号都通过相应的路径58.1至58.k，在路径58.1的情况下，在60.1改变所耦合信号的相位和在62.1改变它的振幅中的至少其一。更确切地说，使每个所耦合信号的相位和/或幅度调整为使得它们组合成噪声抵消信号Cc，具有与由特定接收机辐射元件30.1从全部发射机部件辐射元件18.1至18.k接收的干扰信号合适的振幅和相反的相位。这个抵消将确保由每个接收机部件辐射元件30.1至30.k从所有和任何发射机部件辐射元件18.1至18.k接收的无论什么信号之和为零，所以源自系统10以外的信号可以在不被发射机部件信号干扰的情况下接收。

在所介绍的实例实施例中，尽管发射机部件天线阵列18和接收机部件天线阵列30被介绍为分开的阵列，但是应当注意，它们可以被容纳在同一外壳内，接收机部件元件与发射机部件元件隔开以减少发射信号与接收信号之间的耦合。发射机部件阵列18的元件和接收机部件阵列30的元件可以彼此交错，以使用同一孔径。在再另外的实施例中，使用众所周知的工程原理，同一元件18.1至18.k可以既用作发射机部件元件又用作接收机部件元件。发射机部件与接收机部件天线元件之间的接近程度将取决于噪声抵消系统的质量，但是不影响本发明的一般原理。

还应当认识到，本发明可以用在多输入多输出（“MIMO”）偏振和空变系统以及系统运行需要的不止一个发射天线阵列或不止一个接收天线阵列的其他系统中。

还应当注意到，分开介绍的系统10的组件可以被结合到执行同一功能的单元中。例如，噪声抵消电路、信号组合器和放大器可以在单一设备中实现。

因此，天线系统10允许多个窄波束24.1至24.n从同一天线阵列18辐射，每个波束连接到一个或多个收发机。原理上，系统10允许全部收发机在同一频率上同时发射和接收，尽管在实践中，相邻波束将很可能使用不同的频率，以防止在远程客户端单元的频率干涉。例如，有可能只使用两种频率，在比如说18个扇区交替使用，这在目前并不实用。据信这可能具有以下优点。每波束的天线增益远高于一个扇区的增益，大致按照等于此扇区内波束数量的因子。容量可以增加，因为与每扇区相比，每波束服务的用户更少。频谱效率可以提高，因为同一频率可以在一个天线阵列中内重复使用。对于客户容量增大了，因为众所周知的数据调制将允许数据速率随信号强度增大而加快。在基站的噪声干扰被降低，因为每个收发机具有的、噪声通过它可以进入接收机的波束窄得多。如果同一频率用于发射和接收信号，本系统需要分开的发射机和接收机，尽管本系统也可以允许发射和接收都使用同一天线阵列，如果噪声抵消方法足以达到足够低的噪声或发射机信号干扰电平。

Claims

1.一种天线系统(10)，包括：

a)发射机部件(12)，包括：

-到天线系统的n个输入(16.1到16.n)；

-发射机部件天线阵列(18)，包括k个辐射元件(18.1到18.k)；

-k个信号组合器(22.1到22.k)，每个都具有多个输入和相应的输出，其中，

○波束形成网络被配置为使得每个天线系统输入都与具有相应的波束宽度(25)的相应发射机部件波束(24.1到24.n)相关联；以及

b)接收机部件(14)，包括：

-n个接收机部件的输出(28.1到28.n)；

-接收机部件天线阵列(30)，包括k个辐射元件(30.1到30.k)；

-k个信号分离器(32.1到32.k)，每个信号分离器都包括一个输入和多个输出；以及

-n个波束形成网络(34.1到34.n)，每个波束形成网络都包括多个输入和一个输出，其中，

○所述波束形成网络被配置为使得每个接收机部件的输出与相应的接收机部件波束(36.1到36.n)相关联，并且使得至少某些接收机部件波束与天线系统的发射机部件的相关联的发射机部件波束至少部分一致；

特征在于：接收机部件(14)包括噪声抵消模块(52)以及其中噪声抵消模块被连接到至少某些信号分离器(32.1到32.k)的输入并且噪声抵消模块(52)包括k个噪声抵消电路(52.1到52.k)，其中，每个噪声抵消电路都包括k个输入和1个输出，其中，k个输入被连接到分别与发射机部件(12)的输出级相关联的信号耦合装置(46.1到46.k)，以将发射机部件辐射元件发射的k个信号中的每个信号的至少一部分副本C₁到C_k耦合到每个噪声抵消电路，并且其中，每个噪声抵消电路(52.1到52.k)都被配置为调节部分副本C₁到C_k以对于从发射机部件天线阵列到相应的接收机部件辐射元件耦合的信号在电路的输出产生相反的矢量C_c，从而在经由接收机部件辐射元件接收的信号中抵消不希望的噪声。

2.根据权利要求1的天线系统，其中，在每个噪声抵消电路中，k个输入经由相应的路径连接到噪声抵消电路的信号组合器的相应输入，这个信号组合器提供了噪声抵消电路的输出，并且其中每个路径都包括信号相位调整装置、信号放大器和信号衰减器中的至少一个。

3.根据权利要求2的天线系统，其中，每个噪声抵消电路的输出都被连接到相应的组合器电路(50.1到50.k)的第一输入，相应的组合器电路的第二输入被连接到相关联的接收机部件辐射元件(30.1到30.k)，以及所述组合器电路的输出被连接到信号分离器(32.1到32.k)中相应的一个的输入。

4.根据权利要求3的天线系统，其中，接收机部件放大器(48.1到48.k)被连接到至少某些组合器电路的输出与相应的信号分离器的输入之间。

5.根据权利要求1的天线系统，其中，发射机部件的波束被共同地安排为覆盖更大覆盖立体角(26)的至少一部分。

6.根据权利要求1的天线系统，其中，发射机部件的信号放大器(44.1到44.k)配备在至少某些输出级中。

7.根据权利要求1的天线系统，其中，波束形成网络包括用于调整包括相位和振幅至少其一的波束形成参数的装置，使得发射机部件波束和接收机部件波束至少其一能够被调整。

8.根据权利要求1的天线系统，其中，发射机部件天线阵列也用作接收机部件天线阵列。

9.根据权利要求1的天线系统，其中，发射机部件天线阵列是与接收机部件天线阵列不同的阵列。

10.根据权利要求9的天线系统，其中，发射机部件天线阵列被安装在以下位置之一：并列于、高于和低于接收机部件天线阵列。

11.根据权利要求9的天线系统，其中，发射机部件天线阵列的辐射元件和接收机部件天线阵列的辐射元件交错并利用同一孔径。

12.一种发射和接收信号的方法，包括以下步骤：

-通过被馈送以被k个发射机部件辐射元件发射的k个信号，对多个n个信号输入中的每一个都形成相应的相关联的发射波束，所述发射波束的波束宽度小于所服务的总的覆盖立体角；

-使发射波束共同地覆盖所述覆盖立体角；

-通过k个接收机部件辐射元件，对多个n个信号输出的每一个都形成与相关联的发射波束至少部分一致的相应的接收波束；

-把至少一台信号发射机连接到至少某些所述输入以在相关联的发射波束中发射相应信号发射机信号；

-利用与至少某些所述输出相连的至少一台接收机在相关联的接收波束中接收信号；

特征在于：耦合被馈送以被发射的k个信号中的每个信号的部分副本，以及处理k个部分副本以对于从发射机部件辐射元件耦合的信号产生相反的矢量，以抵消相关联的接收波束中信号中的噪声，再把接收的信号馈送到至少一台接收机。

13.根据权利要求12的方法，包括在至少两个发射波束中使用一个发射载波频率的步骤。