CN105103374B

CN105103374B - 用于发射及/或用于接收射频信号的天线阵列、接入网络节点及其交通工具

Info

Publication number: CN105103374B
Application number: CN201480019868.4A
Authority: CN
Inventors: 乔格·许艾波勒
Original assignee: Alcatel Optical Networks Israel Ltd
Current assignee: Alcatel Optical Networks Israel Ltd
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: US20160064829A1; TWI547013B; WO2014161688A1; TW201445812A; JP2016515782A; CN105103374A; JP6165963B2; US10116066B2; EP2787576A1

Abstract

本发明的实施例涉及用于发射及/或用于接收射频信号的天线阵列(AA1)。所述天线阵列(AA1)含有形成第一基本布置(BA1)的第一天线元件(AE1)及第二天线元件(AE2a)。所述第一天线元件(AE1)具有第一实质上扁平形式且适于在第一激发区域(EA1)内激发具有第一极化方向(PD1)的第一电磁场及具有不同于所述第一极化方向(PD1)的第二极化方向(PD2)的第二电磁场。所述第二天线元件(AE2a)也具有第二实质上扁平形式。所述第二天线元件(AE2a)邻近于所述第一天线元件(AE1)而布置且适于在不平行于所述第一激发区域(EA1)且面向所述第一激发区域(EA1)而布置的第二激发区域(EA2)内激发具有不平行于所述第一极化方向(PD1)且不平行于所述第二极化方向(PD2)的第三极化方向(PD3)的至少第三电磁场。所述实施例进一步涉及一种含有所述天线阵列的接入网络节点且涉及一种含有所述接入网络节点的交通工具。

Description

用于发射及/或用于接收射频信号的天线阵列、接入网络节点及其交通工具

技术领域

本发明的实施例涉及通过天线阵列进行的射频信号的发射及/或接收，且更特定来说但非排他地涉及具有在三个线性独立空间方向上的极化部分的射频信号的发射及/或接收。

背景技术

发射器与接收器之间的无线电链路的容量可通过应用所谓的MIMO、SIMO或MISO发射(MIMO＝多输入多输出，SIMO＝单输入多输出，MISO＝多输入单输出)来增加。单输入意指仅一个天线元件应用于从发射器发射射频信号。多输入意指两个或两个以上天线元件形成用于从发射器发射射频信号的发射天线阵列。单输出意指一个天线元件应用于在接收器处接收射频信号。多输出意指两个或两个以上天线元件形成用于在接收器处接收射频信号的接收天线阵列。

射频信号通常是线性极化的，且极化方向对应于射频信号的电场向量。电场向量总是正交地对准到射频信号的传播方向。发射天线阵列及接收天线阵列通常是彼此不对准的，尤其在发射器及/或接收器可移动时。此外，由于反射及散射，从发射天线阵列到接收天线阵列的射频信号的发射路径并非总是相同于发射天线阵列与接收天线阵列之间的最短路线。因此，所接收射频信号的极化方向可不最优地对应于且可不平行对准到接收天线阵列的天线元件的激发区域的极化方向。

发明内容

经由多路径通道发射的射频信号的极化方向影响无线发射系统的总体数据吞吐量。因此，本发明的实施例的目的是增加无线发射系统的总体数据吞吐量。

所述目的通过用于发射射频信号及/或用于接收射频信号的天线阵列实现。所述天线阵列含有均形成第一基本布置的第一天线元件及第二天线元件。所述第一天线元件具有第一实质上扁平形式且适于在第一激发区域内激发具有第一极化方向的第一电磁场及具有不同于所述第一极化方向的第二极化方向的第二电磁场。所述第二天线元件也具有第二实质上扁平形式。所述第二天线元件邻近于所述第一天线元件而布置且适于在不平行于所述第一激发区域且面向所述第一激发区域而布置的第二激发区域内激发具有不平行于所述第一极化方向且不平行于所述第二极化方向的第三极化方向的至少第三电磁场。

优选地，所述第一天线元件是具有(举例来说)含有例如铜的金属材料的正方形、八边形、圆形、椭圆形或六边形贴片的第一贴片天线且所述第二天线元件是具有优选地相同形式及相同材料的第二贴片天线。或者，所述第一天线元件可由两个不平行相交的天线杆形成且所述第二天线元件可由另一天线杆或由另两个不平行相交的天线杆形成。在另外替代方案中，例如矩形微带贴片天线的微带天线或所谓的平面倒F天线(PIFA)可应用于所述第一天线元件及所述第二天线元件。

本发明的实施例提供增加无线发射系统的总体数据吞吐量的第一益处，这是因为射频信号可在相同无线电资源(例如，相同时隙及/或相同频率副载波及/或相同扩展代码)上以具有总共高达三个正交极化的多个辐射波束发射。

本发明的实施例提供第二益处：提供一种天线阵列，无论在发射器处使用何种极化方向且无论何种极化方向的替代已出现于从发射天线阵列到接收天线阵列的发射路径上，所述天线阵列均允许接收线性极化射频信号。

本发明的实施例提供允许以容易方式制造天线阵列的第三益处。在基于贴片天线的天线阵列的制造过程期间，天线元件的扁平接地板可在接地板的对应边缘处连接且含有激发区域的扁平元件可通过印刷电路板的标准过程产生。由于天线阵列的基本上扁平结构，馈线电缆可容易地相对于天线元件对准且馈线电缆可容易地连接到天线元件。

当代替在完全扁平表面上使用平行贴片天线而以提议方式布置相互正交贴片天线时，本发明的实施例提供其它益处。天线阵列的发出特性以所述方式经改进使得在立体角的较大场中，波束的方向大致正交于所述天线阵列的至少子组天线元件上，或所述子组的所述天线元件的法向方向与波束的方向之间的至少一角度是相对小的。与基于相交的偶极或相交的天线杆的天线阵列相比，含有数个贴片天线的天线阵列仅在半空间中发出射频信号且因此不需要所述射频信号的反射表面。

根据优选实施例，所述第二天线元件可进一步适于激发具有不同于所述至少第三极化方向的第四极化方向的第四电场。借此，所述第一天线元件及所述第二天线元件两者均能够发射及/或接收具有两个不同极化方向的射频信号。

根据另一优选实施例，所述第一激发区域正交于所述第二激发区域而布置。优选实施例允许发射及接收可具有所有三个可能正交极化方向的具有相同强烈程度或强度的射频信号。

在甚至另一优选实施例中，第一极化方向、第二极化方向及第三极化方向彼此正交地布置。甚至另一优选实施例还允许发射及接收可具有所有三个可能正交极化方向的具有相同强烈程度或强度的射频信号。

根据第一替代实施例，所述天线阵列可进一步含有所述第一基本布置的至少一个第一另外布置，且所述第一基本布置的所述至少第一另外布置沿着由所述第一激发区域所跨的第一平面与所述第二激发区域所跨的第二平面的相交线给出的轴线邻近于所述第一基本布置而布置。借此，所述第一天线元件及所述第二天线元件的所述第一基本布置在第一维度上延伸以用于构建具有若干个2×n天线元件(×：乘号，n：例如，行中的天线元件的数目)的天线阵列。

根据第二替代实施例，所述天线阵列进一步含有所述第一基本布置的至少一个第二另外布置，且所述第一基本布置的所述至少第二另外布置实质上沿着由在中心穿过所述第一天线元件的所述第一激发区域与所述第二天线元件的所述第二激发区域的另一相交线给出的轴线邻近于所述第一基本布置而布置。借此，所述第一天线元件及所述第二天线元件的所述第一基本布置在第二维度上延伸以用于构建具有若干个m×1天线元件(m：例如，列中的天线元件的数目)的天线阵列。

优选地，所述第一基本布置的所述至少第二另外布置及所述第一基本布置形成天线元件的激发区域的多重折叠区域。从侧视图，此多重折叠区域看起来像锯齿状图案。

在另一优选实施例中，第一替代实施例及第二替代实施例可经组合以用于在两个维度上延伸所述第一基本布置以用于构建具有若干个m×n天线元件的紧致型三维天线阵列。

在第三替代实施例中，天线阵列进一步含有第三天线元件。所述第一基本布置及第三天线元件布置成第二基本布置。所述第三天线元件具有第三实质上扁平形式且邻近于所述第一天线元件布置且邻近于所述第二天线元件布置。所述第三天线元件适于在不平行于所述第一激发区域且不平行于所述第二激发区域且面向所述第一激发区域且面向所述第二激发区域而布置的第三激发区域内激发具有第五极化方向的至少第五电磁场。借此，所述天线阵列能够在半空间中在任意极化方向上向任意方向发射射频信号且从任意方向接收射频信号。

优选地，所述第一激发区域、所述第二激发区域及所述第三激发区域彼此正交地布置。借此，所述天线阵列能够在半空间中以几乎相同质量在任意极化方向上向任意方向发射射频信号及/或从任意方向接收射频信号。

在第四替代实施例中，作为所述第三替代实施例的延伸，所述天线阵列进一步含有所述第二基本布置的至少另一布置且所述第二基本布置的所述至少另外布置邻近于所述第二基本布置而布置。借此，所述第一天线元件、所述第二天线元件及所述第三天线元件的所述第二基本布置在三维上延伸以用于构建具有若干个m×n×o天线元件(o：相对于第三维度的天线元件的数目)的天线阵列。

优选地，所述第四替代实施例的所述天线阵列的所述天线元件实质上布置成三角形、菱形或六边形形式。当所述天线阵列的所述天线元件的总体激发区域提供在三维空间中的平面时且当从相对于在所述三维空间内的所述平面的法向观看所述天线阵列时，可给出此些形式。

在另外替代实施例中，所述天线元件的激发区域的中心点布置于平面中或形成凹表面或凸表面或者形成圆柱体的侧表面。

本发明的实施例的另外有利特征定义且描述于以下详细说明中。

附图说明

本发明的实施例将在以下详细说明中变得显而易见且将通过以非限制性图解说明方式给出的附图来图解说明。

图1以透视图示意性地展示含有两个天线元件的天线阵列的第一基本布置及根据本发明的第一实施例的天线阵列的天线元件中的一者的另一透视图。

图2以透视图示意性地展示根据本发明的第二实施例的含有两个天线元件的天线阵列的第一基本布置。

图3以透视图示意性地展示基于本发明的第一实施例的天线阵列的数个第一基本布置的天线阵列。

图4以透视图示意性地展示根据本发明的第四实施例的天线阵列的第二基本布置。

图5以透视图示意性地展示基于本发明的第四实施例的天线阵列的数个第二基本布置的天线阵列。

图6示意性地展示包括根据本发明的实施例中的一者的天线阵列的接入网络节点的第一框图及连接到根据本发明的实施例中的一者的天线阵列的另一接入网络节点的第二框图。

图7示意性地展示包括具有根据本发明的实施例中的一者的天线阵列的接入网络节点的交通工具的第一框图及包括连接到根据本发明的实施例中的一者的天线阵列的另一接入网络的另一交通工具的第二框图。

具体实施方式

图1a)展示在第一基本布置BA1中含有第一天线元件AE1及第二天线元件AE2a的天线阵列AA1。第一天线元件AE1含有用于笛卡尔(Cartesian)坐标系的x-y平面中的电场的第一正方形激发区域EA1。第一天线元件AE1适于在第一激发区域EA1内激发具有在x方向上的第一极化方向PD1的第一电磁场且借此从第一激发区域EA1的相对边缘发出第一电磁场。第一天线元件AE1进一步适于在第一激发区域EA1内激发具有在y方向上的第二极化方向PD2的第二电磁场且借此从第一激发区域EA1的另外其余相对边缘发出第二电磁场。此关于图1a)中所展示的实施例意指，第一极化方向PD1正交于第二极化方向PD2。在替代方案中，极化方向PD1、PD2两者之间的角度可取决于激发区域的几何形式处于45度角与135度角之间的范围内(例如85度角)，所述激发区域可替代地具有八边形、圆形、椭圆形或六边形形式。

以类似方式，第二天线元件AE2a含有用于笛卡尔坐标系的y-z平面中的电场的第二正方形激发区域EA2a。第二天线元件AE2a适于在第二激发区域EA2a内激发具有在z方向上的第三极化方向PD3的第三电磁场且借此从第二激发区域EA2a的相对边缘发出第三电磁场。第二天线元件AE2a进一步适于在第二激发区域EA2a内激发具有在y方向上的第四极化方向PD4的第四电磁场且借此从第二激发区域EA2a的另外其余相对边缘发出第四电磁场。这关于图1a)中所展示的实施例意指，第三极化方向PD3正交于第四极化方向PD4，第三极化方向PD3还正交于第一极化方向PD1及第二极化方向PD2，且第四极化方向PD4平行于第二极化方向PD2。其中第一极化方向PD1、第二极化方向PD2及第三极化方向PD3彼此正交的此布置是优选实施例。

在替代方案中，第三极化方向PD3及第四极化方向PD4不平行于y、z方向，而是在其间的具有直角。在另一替代方案中，极化方向PD3、PD4两者之间的角度可处于45度角与135度角之间的范围内(例如85度角)。在甚至另一替代方案中，从激发区域EA1、EA2a的前侧测量的第一激发区域EA1与第二激发区域EA2a之间的角度PHI可替代90度角为优选地介于80度角与135度角之间的范围内(例如100度角或120度角)。

第一天线元件AE1及第二天线元件AE2a可为(举例来说)如图1a)中所展示且如关于图1b)更详细地展示的所谓的众所周知的贴片天线。贴片天线含有：例如正方形接地板的导电接地板G1、G2；提供激发区域EA1、EA2a的具有正方形形式(参见图1a)及b))或六边形形式的导电贴片；用于导电贴片的第一电触点EC1的第一馈线链路FL1及用于导电贴片的第二电触点EC2的第二馈线链路FL2。第一天线元件AE1的导电贴片与第二天线元件AE2a的导电贴片之间的距离可(举例来说)等于电磁场的半波长或在电磁场的半波长范围内。

第一天线元件AE1及第二天线元件AE2a彼此接近及邻近定位。导电接地板G1、G2如图1a)中所展示接触。或者，导电接地板可彼此分离。

通常，当应用针对天线元件常见的50欧姆线时，天线元件AE1、AE2各自相对于所谓的50欧姆点被控制。电触点EC1、EC2的位置界定阻抗电平及极化方向。第一电触点EC1的位置可(举例来说)通过场模拟确定。此确定是所属领域的技术人员众所周知的且因此未更详细地描述。

第一电触点EC1可应用于在第一天线元件AE1的情形中激发(举例来说)具有第一极化方向PD1的第一电场或在第二天线元件AE2a的情形中激发具有第三极化方向PD3的第三电场。第二电触点EC2可应用于在第一天线元件AE1的情形中激发(举例来说)具有第二极化方向PD2的第二电场或在第二天线元件AE2a的情形中激发具有第四极化方向PD4的第四电场。

在金属板处的第一电触点EC1及第二电触点EC2的此布置允许激发具有两个正交极化的两个电场，所述两个正交极化在第一天线元件AE1的情形中具有第一及第二极化方向PD1、PD2或者在第二天线元件AE2的情形中具有第三及第四极化方向PD3、PD4。

第一馈线电缆FC1的内导体与第一馈线链路FL1之间的电触点可通过接地板G1、G2的第一穿孔及穿过在所述第一穿孔内从第一馈线电缆FC1到第一馈线链路FL1的连接WTC1的第一导线提供。第二馈线电缆FC2的内导体与第二馈线链路FL2之间的电触点可通过接地板G1、G2的第二穿孔及穿过在所述第二穿孔内从第二馈线电缆FC2到第二馈线链路FL2的连接WTC2的第二导线提供。

接地板G1、G2可接触到第一馈线电缆FC1的外导体及/或第二馈线电缆FC2的外导体。优选地，穿过连接WTC1的第一导线及第一馈线链路FL1可通过第一连续导线提供，且穿过连接WTC2的第二导线及第二馈线链路FL2可通过第二连续导线提供。第一馈线电缆FC1及第二馈线电缆FC2可(举例来说)为同轴电缆。

或者，代替应用贴片天线，至少第一天线元件AE1可通过两个不平行相交的天线杆形成，其中两个天线杆之间的偶极距离是足够大以供电绝缘及射频解耦合且与电磁场的半波长相比小的距离，且至少第二天线元件AE2a可通过另一天线杆或通过也具有其间的偶极距离的另两个不平行相交的天线杆形成。在另外替代方案中，例如矩形微带贴片天线的微带天线或所谓的平面倒F天线(PIFA)可应用于至少第一天线元件及至少第二天线元件。原则上能够激发具有高达两个不同极化方向的两个电场且具有实质上扁平空间形式的所有种类的天线元件可应用于本发明。实质上扁平空间形式意指单个天线元件仅能够将射频信号发出到由天线元件的激发区域限制的半空间中或接收来自所述半空间的射频信号。

第一天线元件AE1的第一激发区域EA1如图1a)中所展示具有法向向量e_z，且第二天线元件AE2a的第二激发区域EA2a具有法向向量e_x。天线元件AE1、AE2a的中心处于由以下方程式给出的位置r₁,r₂：

其中D是天线元件AE1、AE2a的横向尺寸且特定来说是接地板G1、G2的边缘的长度，所述长度通常为大约半波长λ/2或更高的量值。

在波向量传播方向k上行进的传入电磁波可由以下电场向量描述

E(r,t)＝Eexp[-j(ωt-k·r)] (2)

其中E·k＝0，即，电场向量正交于波向量k＝(k_x,k_y,k_z)^T。

传入电磁波在天线元件AE1、AE2a的中心处具有以下电场向量：

其中E₁是在第一天线元件AE1的中心处的电场向量，且E₂是在第二天线元件AE2的中心处的电场向量。

根据以下方程式，第一天线元件AE1接收电场向量E₁＝E(r₁,t)的x分量E_1,x及y分量E_1,y：E_1,x＝E₁·e_x，E_1,y＝E₁·e_x。

x分量E_1,x的所接收信号r_1,x可由以下方程式给出

r_1,x＝E_1,xf_1,x(k)， (5)

其中f_1,x(k)是传入电磁波的传播方向的函数，且取决于第一天线元件AE1的定向，且取决于传入电磁波的极化方向，并且描述天线输出信号的强烈程度相依于相对于第一天线元件AE1的定向的传播方向。

因此，第一天线元件AE1处y分量E_1,y的所接收信号r_1,y、第二天线元件AE2a处y分量E_2,y的所接收信号r_2,y及第二天线元件AE2a处z分量E_2,z的所接收信号r_2,z可由以下方程式给出：

r_1,y＝E(r₁,t)·e_yf_1,y(k) (6)

r_2,y＝E(r₂,t)·e_yf_2,y(k) (7)

r_2,z＝E(r₂,t)·e_zf_2,z(k) (8)。

如果电磁波(举例来说)在波向量方向上行进，那么天线元件AE1、AE2a的中心处的电场向量由以下方程式给出

即，两个电场向量具有相同振幅及相同相位。相反，如果两个天线元件AE1、AE2a以相同相位激发，那么所发射射频信号在波向量的相反传播方向-k上具有最大强烈程度。

图2展示含有第一天线元件AE1及第二天线元件AE2b的另一天线阵列AA2。天线阵列AA1与天线阵列AA2之间的唯一区别在于第二天线元件AE2a由另一第二天线元件AE2b替换。天线阵列AA2的另一第二天线元件AE2b关于另一第二天线元件AE2b的激发区域EA2b不同于天线阵列AA1的第二天线元件AE2a。激发区域EA2b仅适于激发具有在z方向上的第三极化方向PD3的第三电场且不激发具有另一极化方向的另一电场。此意指另一天线阵列AA2的当在第一天线元件AE1及第二天线元件AE2b处使用三个正交极化方向PD1、PD2、PD3时原则上冗余的第四极化方向不存在。

当贴片天线用于天线元件AE2b时，第二天线元件AE2b可如图1b)中所展示通过在导电贴片处应用两个电触点EC1、EC2中的仅一者而容易地实现。或者，仅单个天线杆应用为第二天线元件AE2b的单个偶极。

优选地，第一天线元件AE1的第一极化方向PD1及第二极化方向PD2以及天线元件AE2b的第三极化方向PD3是彼此正交的。如关于图1a)的实施例所描述的类似替代方案可应用于非正交极化方向。

图3示意性地展示具有5行天线元件且具有6列天线元件的5×6天线阵列AA3。行内及列内的天线元件可彼此邻近布置，其中不具有间隙或具有类似于如关于图1a)的实施例所描述的间隙的间隙。

在另外替代方案中，天线阵列AA3可具有少于或多于5行及/或天线阵列AA3可具有少于或多于6列，例如4×4天线阵列、6×2天线阵列、1×8天线阵列或6×6天线阵列。

天线阵列AA3含有第一天线元件AE1及第二天线元件AE2a的第一基本布置BA1且进一步含有在笛卡尔坐标系的y方向上彼此邻近的四个另外基本布置BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5。所得天线阵列是5×2天线阵列。

以更一般方式，另一第一基本布置BA1-1-2或数个另外第一基本布置BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5可沿着一轴线邻近于第一基本布置BA1而布置，所述轴线是由第一天线元件AE1的第一激发区域EA1所跨的第一平面与第二天线元件AE2a的第二激发区域EA2a所跨的第二平面的相交线IL1给出。所得天线阵列是n×2天线阵列。

天线阵列AA3进一步含有在笛卡尔坐标系的x方向及z方向上彼此邻近的两个甚至另外基本布置BA1-2-2、BA1-2-3。所得天线阵列是1×6天线阵列。

以更一般方式，一个甚至另外第一基本布置或数个甚至另外第一基本布置可沿着一轴线邻近于第一基本布置BA1而布置，所述轴线是由在中心穿过第一天线元件AE1的第一激发区域EA1与第二天线元件AE2a的第二激发区域EA2a的另一相交线IL1给出。所得天线阵列是1×m天线阵列。

在x方向上两个天线元件之间的偏移的大小可由在z方向上呈法向的天线元件的大小给出，且在z方向上两个天线元件之间的偏移的大小可由在x方向上呈法向的天线元件的大小给出。

当如图3中所展示组合n×2天线阵列及1×m天线阵列以形成n×m天线阵列(其中n＝5且m＝6)时，第一基本布置BA1的多个邻近布置BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5、BA1-2-2、BA1-2-3形成天线元件AE1、AE2a、AE3的激发区域EA1、EA2a、EA3的多重折叠区域。

在替代方案中，天线阵列AA2可为天线阵列AA3提供第一基本布置或构建块。关于天线阵列AA1及天线阵列AA2描述的所有变体及替代方案可应用于天线阵列AA3。

天线阵列AA3的具有法向向量e_z且相对于x-y平面平行布置的天线元件可使其中心由向量r_1,i,j表示，且天线阵列AA3的具有法向向量e_x且相对于y-z平面平行布置的天线元件可使其中心由向量r_2,j,k表示。向量r_1,i,j及r_2,j,k由以下方程式给出：

其中i是相对于x方向的整数索引，j是相对于y方向的整数索引且k是相对于z方向的整数索引。此意指天线阵列AA3的所有天线元件的中心在天线阵列平面AAP1内(参见图3)。

针对具有波向量k的电磁波的天线元件的中心处的电场的向量可由以下方程式给出：

其中k_x、k_y、k_z是波向量k的向量分量，且k是相对于z方向的整数索引。

如果天线阵列AA3的天线元件的输入馈入有具有如方程式(11)及(12)中所给出但相反正负号的相位的射频信号，那么天线阵列AA3在波向量的传播方向-k＝-(k_x,k_y,k_z)^T上发射射频信号。射频信号的波束宽度取决于在天线阵列AA3处使用的天线元件的数目且取决于到天线阵列AA3的距离。

如果传入电磁波以波向量方向传播，所述波向量方向正交于含有天线阵列AA3的天线元件的激发区域的中心或中心点的天线阵列平面AAP1，那么电场向量可由以下方程式表示：

方程式(13)及(14)展示电场向量的相位独立于索引i、j、k，即，天线阵列AA3的所有天线元件的激发区域的中心处的电磁场向量均具有相同相位。相反，如果天线阵列AA3的天线元件的所有激发区域可以相同相位激发，那么天线阵列AA3发射在相反波向量方向上具有最大振幅的射频信号，所述波向量方向在图3中由与天线阵列平面AAP1以90°的辐射角度RA1正交的最大辐射向量MRV1展示。此为天线阵列AA3的所谓的中心方向。

天线阵列AA3能够在由天线阵列平面AAP1限制且使用所有三个正交极化方向PD1、PD2、PD3的半空间的三维中形成波束。其最适用于其中在平行于x-z平面的平面中存在高角度扩展但其中存在垂直于x-z平面的低角度扩展的环境。

代替如图3中所展示在单个天线阵列平面中具有天线阵列AA3的天线元件的激发区域的所有中心，在另外替代方案中，天线阵列AA3的天线元件的激发区域的中心或中心点可形成凹表面或凸表面或者可形成圆柱体的侧表面。

图4展示另一天线阵列AA4，所述天线阵列含有天线阵列AA1的第一天线元件AE1及天线阵列AA1的第一基本布置BA1的第二天线元件AE2a且含有第三天线元件AE3。第一基本布置BA1及第三天线元件AE3形成第二基本布置BA2。

第三天线元件AE3还具有实质上扁平形式以能够将射频信号发出到由第三天线元件AE3的第三激发区域EA3限制的半空间中或从所述半空间接收射频信号。

第三天线元件AE3位于笛卡尔坐标系的x-z平面中且邻近于第一天线元件AE1布置且邻近于第二天线元件AE2布置。此意指，第三天线元件AE3在笛卡尔坐标系的x-z平面中含有用于电场的第三激发区域EA3。借此，第三激发区域EA3不平行于第一激发区域EA1且不平行于第二激发区域EA2a而布置，且与第二激发区域EA2a面向图1a)中的第一激发区域EA1类似，第三激发区域EA3面向第一激发区域EA1及第二激发区域EA2a。

优选地，第三天线元件AE3适于在第三激发区域EA3内激发具有在x方向上的第五极化方向PD5的第五电磁场且适于在第三激发区域EA3内激发具有在z方向上的第六极化方向PD6的第六电磁场。这意指，第五极化方向PD5与第六极化方向PD6之间的角度角也是90度角，且第三天线元件AE3的第五极化方向PD5平行于第一天线元件AE1的第一极化方向PD1且第三天线元件AE3的第六极化方向PD6平行于第二天线元件AE2a的第三极化方向PD3。优选地，极化方向PD1、PD5的群组的极化方向、极化方向PD2、PD4的群组的极化方向及极化方向PD3、PD6的群组的极化方向彼此正交。

第三天线元件AE3展示为具有例如正方形接地板的接地板G3及具有提供第三激发区域EA3的正方形形式(参见图4)或六边形形式的导电贴片的贴片天线。或者，天线阵列AA4的天线元件AE1、AE2a、AE3可通过除如关于图1a)的实施例描述的贴片天线之外的类型实现。

根据第一替代方案，天线元件AE1、AE2a、AE3的导电贴片彼此电隔离。关于第二替代方案，天线元件AE1、AE2a、AE3的导电贴片中的两者可形成围绕由笛卡尔坐标系的轴中的一者给出的拐角转动的单个贴片。在此情形中，贴片可具有矩形金属边缘轮廓的形式且四个极化方向中的仅两者彼此独立。第二替代方案提供需要较少控制信号及较少馈线电缆的优点，这使得天线元件的组成较不复杂且可减小成本。

关于图1a)的实施例描述的类似替代方案可应用于天线阵列AA4的天线元件AE1、AE2a、AE3的非正交极化方向。

在图4中未展示的替代实施例中，第二天线元件AE2a及/或第三天线元件AE3可由类似于具有单个极化方向的天线阵列AA2的第二天线元件AE2b的天线元件替换且所替换天线元件中的至少一者提供在z方向上的极化方向。

当激发区域EA1、EA2a及EA3如图4中所展示彼此垂直时，天线元件的外形优选地是正方形。当在替代实施例中，激发区域EA1、EA2a及EA3彼此不垂直时，天线元件的外形可(举例来说)是菱形或类似于足球的表面元件的五边形与六边形表面元件的混合。

当存在所有三维中的大角度扩展时可优选地应用天线阵列AA4。

如图4中所展示天线元件AE1、AE2a及AE3的中心处于以下位置：

在波向量的方向k上行进的传入电磁波可由电场向量E(r,t)＝Eexp[-j(ωt-k·r)]描述，其中E·k＝0，即，电场向量正交于波向量k＝(k_x,k_y,k_z)^T，所述传入电磁波在天线元件AE1、AE2a、AE3的中心处具有以下电场向量：

根据以下方程式，第一天线元件AE1接收传入电磁波的x分量E_1,x及y分量E_1,y：E_1,x＝E₁·e_x，E_1,y＝E₁·e_x。

在第一天线元件AE1处x分量E_1,x的所接收信号r_1,x可由以下方程式表示

r_1,x＝E_1,x·f_1,x(k)， (19)

其中f_1,x(k)是波向量k的函数且描述第一天线元件AE1的输出信号的强烈程度相依于传入电磁波的传播的方向。

因此，第一天线元件AE1处y分量E_1,y的所接收信号r_1,y、第二天线元件AE2a处y分量E_2,y的所接收信号r_2,y、第二天线元件AE2处z分量E_2,z的所接收信号r_2,z、第三天线元件AE3处z分量E_3,z的所接收信号r_3,z及第三天线元件AE3处x分量E_3,x的所接收信号r_3,x可由以下方程式表示：

r_1,y＝E(r₁,t)·e_yf_1,y(k) (20)

r_2,y＝E(r₂,t)·e_yf_2,y(k),r_2,z＝E(r₂,t)·e_zf_2,z(k) (21)

r_3,z＝E(r₃,t)·e_zf_3,z(k),r_3,x＝E(r₃,t)·e_xf_3,x(k) (22)

上文方程式(20)、(21)及(22)描述传入电磁波的参数与天线阵列AA4的天线元件AE1、AE2a、AE3的不同输出处的所接收信号之间的关系。相反，通过使天线阵列AA4的天线元件AE1、AE2a、AE3的天线端口馈入有对应信号，天线阵列AA4允许在三维空间的八分区中将波束发射到任意方向，所述波束在距天线阵列AA4显著距离中表现出大致类似平面波的行为。

当传入电磁波在波向量的方向上行进时，天线元件AE1、AE2a、AE3的激发区域EA1、EA2a、EA3的中心处的电场向量是相同的：

相反，如果天线元件AE1、AE2a、AE3馈入有相同射频信号，那么发射在具有波向量的相反传播方向-k_c上具有最大振幅的传出电磁波。

图5示意性地展示具有若干个18天线元件的天线阵列AA5，所述天线阵列基于如图4中所展示的天线阵列AA4的第二基本布置BA2或构建块。或者，天线元件的数目可为低于18(例如15)或甚至更低或者高于18(例如24)或甚至更高。

天线阵列AA5含有第二基本布置BA2的第一布置BA2-1、第二基本布置BA2的邻近于第二基本布置BA2的第一布置的第二布置BA2-2且其中在x方向及y方向上的偏移均等于单个天线元件的纵向边缘的大小。以相同方式，天线阵列AA5进一步含有第二基本布置BA2的邻近于第二基本布置BA2的第二布置BA2-2的第三布置BA2-3且其中在x方向上及y方向上的偏移均等于单个天线元件的纵向边缘的大小。以相同方式，天线阵列AA5进一步含有第二基本布置BA2的邻近于第二基本布置BA2的第三布置BA2-3及第二布置BA2-2的第四布置BA2-4且其中相对于第二基本布置BA2的第三布置BA2-3来说在x方向及z方向上的偏移均等于单个天线元件的纵向边缘的大小。以相同方式，天线阵列AA5进一步含有第二基本布置BA2的邻近于第二基本布置BA2的第四布置BA2-4的第五布置BA2-5且其中在x方向及z方向上的偏移均等于单个天线元件的纵向边缘的大小。以相同方式，天线阵列AA5进一步含有第二基本布置BA2的邻近于第二基本布置BA2的第五布置BA2-5及第一布置BA2-1的第六布置BA2-6且其中相对于第二基本布置BA2的第五布置BA2-5来说在y方向及z方向上的偏移均等于单个天线元件的纵向边缘的大小。借此，第二基本布置BA2的第一布置BA2-1、第二布置BA2-2、第三布置BA2-3、第四布置BA2-4、第五布置BA2-5及第六布置BA2-6彼此邻近布置以形成具有(举例来说)实质上三角形、菱形或六边形形式的总体天线阵列。

关于天线阵列AA3的第二基本布置BA2描述的所有变体及替代方案可应用于天线阵列AA5。

天线阵列AA5的所有天线元件的中心可如图5中所展示在天线阵列平面AAP2内。向量MRV2以90度角的角度RA2正交于天线阵列平面AAP2。

在替代实施例中，天线阵列AA5的天线元件的中心可经布置以形成凹表面或凸表面或者以形成圆柱体或球体的侧表面。

当传入电磁波在与向量MRV2相反的传播方向k_c上行进时，在所有天线元件的中心处的所接收信号的电场具有相同相位。相反，如果所有天线元件以相同相位激发，那么天线阵列AA5在平行于向量MRV2的传播方向-k_c上发射信号。

传入电磁波的参数与图5中的天线阵列的元件的不同输出处的所接收信号之间的关系可通过与关于图3的二维情形中类似的公式描述。相反，波束可经发射以使得通过使天线端口馈入有对应信号而在三维空间的八分区中(在距天线的显著距离中)表现为类似具有任意方向的大致平面波的行为。所发射波束的宽度取决于所使用的天线元件的数目及到天线阵列AA5的距离。

通常，天线阵列AA5可以一方式安装以使得方向指向发射通道的主要方向。

参考图6a)，展示接入网络节点NN1的框图。接入网络节点NN1在外壳或壳体HS1内含有天线阵列AA、连接到天线阵列AA-I的收发器TR及连接到收发器TR的控制器或处理器CON。术语“处理器”或“控制器”不应理解为排他性地指代能够执行软件的硬件，且可隐含地包含(但不限于)数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)及非易失性存储装置。控制器CON及收发器TR的部件可为所谓的基带板的部分。天线阵列AA-I可为如上文所描述的天线阵列AA1、AA2、AA3、AA4或AA5中的一者。

图6b)展示在接入网络节点NN2的外壳或壳体HS2外侧含有天线阵列AA-O的接入网络节点NN2的另一框图。天线阵列AA-O通过可为例如同轴电缆的电缆的连接CON连接到接入网络节点NN2的收发器TR。天线阵列AA-O可为如上文所描述的天线阵列AA1、AA2、AA3、AA4或AA5中的一者。

接入网络节点NN1及NN2可分别为基站、移动站、中继器或继电器。术语“基站”可视为同义于及/或称为例如LTE节点B(LTE＝长期演进)、接入点基站、接入点、宏小区、微小区、超微微型小区、微微型小区、WLAN路由器(WLAN＝无线局域网)等的基地收发器站且可描述经由一或多个无线电链路将无线连接性提供到一或多个移动站的设备。术语“移动站”可被视为同义于且此后可偶尔称作移动单元、移动用户、接入终端、用户设备、订户、用户、远程站等。举例来说，移动站可为蜂窝式电话、便携式计算机、口袋计算机、手持式计算机、个人数字助理或车载移动装置。术语“中继器”可视为同义于及/或称为接收信号且在较高电平或较高电力下简单地重新发射所述信号或到阻碍物的另一侧上以使得信号可覆盖较长距离的电子装置。术语“继电器”可视为同义于及/或称为不仅在较高电平或较高电力下而还以不同频率及/或不同时隙及/或扩展代码接收信号及重新发射不同信号以增加无线接入网络的容量且改进无线链路性能的电子装置。

参考图7a)，展示交通工具VH1的框图。交通工具VH1含有用于在交通工具VH1内侧的交通工具占用者与例如基于UMTS(UMTS＝全球移动电信系统)、LTE或高级LTE的无线电接入网络之间提供无线接入的接入网络节点NN1。此意指接入网络节点NN1的天线阵列AA-I适当地位于交通工具VH1内。

图7b展示具有天线阵列AA-O的替代布置的交通工具VH2的另一框图。天线阵列AA-O位于交通工具主体VB外侧且通过连接CON连接到位于交通工具主体VB内侧的接入网络节点NN2。

交通工具VH1及VH2展示为汽车。术语“交通工具”可进一步视为同义于及/或是指卡车、公共汽车、火车、有轨电车或索道、船、飞机等。

Claims

1.一种用于发射及/或用于接收射频信号的天线阵列，所述天线阵列包括形成基本布置的第一天线元件及第二天线元件，所述第一天线元件适于在第一激发区域内激发具有第一极化方向的第一电磁场及具有不同于所述第一极化方向的第二极化方向的第二电磁场，所述第二天线元件邻近于所述第一天线元件而布置且所述第二天线元件适于在不平行于所述第一激发区域且面向所述第一激发区域而布置的第二激发区域内激发具有不平行于所述第一极化方向且不平行于所述第二极化方向的第三极化方向的第三电磁场，其中所述天线阵列进一步包括所述基本布置的邻近于所述基本布置而布置的至少另一布置，其中所述基本布置的所述第一天线元件及所述至少另一布置的天线元件构成第一平行布置天线元件群组，其中所述基本布置的所述第二天线元件及所述至少另一布置的另一天线元件构成第二平行布置天线元件群组，

其特征在于所述第一平行布置天线元件群组及所述第二平行布置天线元件群组跨越天线元件的激发区域的多重折叠区域在至少一个方向上交错布置。

2.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述第二天线元件进一步适于激发具有不同于所述第三极化方向的第四极化方向的第四电磁场。

3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的天线阵列，其中所述第一激发区域正交于所述第二激发区域而布置。

4.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述第一极化方向、所述第二极化方向及所述第三极化方向彼此正交地布置。

5.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述基本布置的所述至少另一布置实质上沿着由所述第一激发区域所跨的第一平面与所述第二激发区域所跨的第二平面的相交线给出的轴线邻近于所述基本布置而布置。

6.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述基本布置的所述至少另一布置实质上沿着由在中心穿过所述第一天线元件的所述第一激发区域与所述第二天线元件的所述第二激发区域的另一相交线给出的轴线邻近于所述基本布置而布置。

7.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述基本布置进一步包括第三天线元件，其中所述第三天线元件邻近于所述第一天线元件且邻近于所述第二天线元件而布置，且其中所述第三天线元件适于在不平行于所述第一激发区域且不平行于所述第二激发区域且面向所述第一激发区域及所述第二激发区域而布置的第三激发区域内激发具有第五极化方向的第五电磁场。

8.根据权利要求7所述的天线阵列，其中所述第一激发区域、所述第二激发区域及所述第三激发区域彼此正交地布置。

9.根据权利要求7所述的天线阵列，其中所述基本布置的所述第三天线元件与所述至少另一布置的第三天线元件是平行布置。

10.根据权利要求7所述的天线阵列，其中所述天线阵列的天线元件布置成实质上三角形、菱形或六边形形式。

11.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述天线阵列的天线元件的激发区域的中心点布置于平面中或形成凹表面或凸表面或者形成圆柱体的侧表面。

12.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述天线阵列的天线元件是贴片天线。

13.一种接入网络节点，其包括根据前述权利要求中任一权利要求所述的天线阵列。

14.一种交通工具，其包括根据权利要求13所述的接入网络节点。