CN105703054A - 无线通信网络中具有至少两个天线列的节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信网络中的节点，包括物理上彼此分隔的至少两个天线列，每个天线列包括至少一个双极化天线单元。各天线单元具有第一极化和第二极化。节点还包括至少两个四端口功率分配器/组合器，各功率分配器/组合器具有第一端口对和第二端口对，针对各功率分配器/组合器，输入到端口对中任何端口的功率与所述端口对中另一端口相隔离但在另一端口对的端口之间分配。将在物理上逐对分隔的天线列的天线端口从在物理上分隔最远的那些天线列的对到在物理上分隔最近的那些天线列的对交叉连接到对应功率分配器/组合器的第一端口对。针对至少一个功率分配器/组合器，所述第二端口对的端口连接到对应的第二相位改变设备和第三相位改变设备。

Description

无线通信网络中具有至少两个天线列的节点

本申请是2011年12月13日提交的中国专利申请No.201180075515.2的发明名称为“无线通信网络中具有至少两个天线列的节点”的分案申请。

技术领域

本发明涉及无线通信网络中的节点。该节点包括至少两个天线列，该至少两个天线列在物理上彼此分隔开。每个天线列包括至少一个双极化天线单元，每个天线单元具有第一极化和第二极化，第一极化和第二极化相互正交。通过这种方式，每个天线列包括与第一极化相关联的第一天线端口以及与第二极化相关联的第二天线端口。

背景技术

无线通信网络中的节点通常包括至少一个天线布置。在很多情况下，针对仰角中的波束倾斜、方位角中的波束倾斜以及可调整的波束宽度中的至少之一来对这样的天线布置进行适配。然而，对于具有正交双极化天线单元的天线，希望在一个或多个天线波束改变时保持正交性。

WO2011/095184公开了一种天线系统，该天线系统具有被布置为使用天线阵列中交错的单元形成双极化波束的两个端口。示出了在奇数列中具有奇数编号的天线单元和在偶数列中具有偶数编号的天线单元如何连接到一个网络，以及剩余天线单元(即，奇数列中的偶数天线和偶数列中的奇数天线)如何与另一网络连接。

交错的天线阵列的馈送导致很多问题，例如栅瓣(gratinglobe)或天线单元之间的高度耦合。使用无损分布网络将会导致反射以及连接到天线侧的端口之间的耦合。这些反射将继而导致高的驻波图样以及连接馈送网络的不同部分的线缆中在特定的频率处取决于网络中的总路径长度的损耗。这容易恶化所实现的天线图样。

此外，因为馈送网络是不相交的，在调整所需的相位偏移器以使得可以在所有方向上实现正交图样时必须特别小心。

因此，存在着对无线通信网络中包括至少一个移动通信双极化天线的节点的需求，其中，当一个或多个天线波束改变时保持其极化之间的正交性，而不会有现有技术布置的缺点。

发明内容

本发明的目标是获得无线通信网络中包括至少一个移动通信双极化天线的节点，其中，当一个或多个天线波束改变时保持其极化之间的正交性，而不会有现有技术布置的缺点。

依靠无线通信网络中的节点来获得该目标。该节点包括至少两个天线列，该至少两个天线列在物理上彼此分隔开。每个天线列包括至少一个双极化天线单元，每个天线单元具有第一极化和第二极化，第一极化和第二极化相互正交。通过这种方式，每个天线列包括与第一极化相关联的第一天线端口以及与第二极化相关联的第二天线端口。

该节点还包括至少两个四端口功率分配器/组合器，每个功率分配器/组合器具有第一端口对和第二端口对。针对每个功率分配器/组合器，输入到端口对中的任何端口的功率与所述端口对中的另一端口相隔离，但在另一端口对的端口之间分配。将在物理上逐对分隔的天线列的天线端口从在物理上分隔最远的那些天线列的对到在物理上分隔最近的那些天线列的对以降序交叉连接到对应功率分配器/组合器中的第一端口对。通过该布置，每个第一端口对与不同天线列的正交极化相关联。

此外，针对至少一个功率分配器/组合器，第二端口对中的端口连接到对应的第二相位改变设备和第三相位改变设备，连接到特定功率分配器/组合器的相位改变设备构成相位改变设备组。每个第二端口对中的一个端口连接到第一功率分配/组合网络，以及每个第二端口对中的另一个端口连接到第二功率分配/组合网络，每个功率分配/组合网络具有相应的主输入/输出端口。

根据一个示例，第一端口对中与特定极化相关联的一个端口经由第一相位改变设备连接到对应的天线端口，连接到特定功率分配器/组合器的相位改变设备构成相位改变设备组。

根据另一示例，天线列在仰角方向上具有相应的主延伸。

从而天线列可以在方位角方向或仰角方向上分隔，该方位角方向和该仰角方向相互正交。

备选地，天线列可被布置在至少两个对齐的行中，每个行在方位角方向上延伸并具有相同数目的天线列，行在仰角方向上彼此分隔，该方位角方向和该仰角方向相互正交。

从属权利要求中公开了其他示例。

与现有技术布置相比，通过本发明的获得了多个好处。例如，

-因为使用两个端口来激励每个单元，可以将单元放置在更稀疏的网格中，导致对于相同的功能需要更少数目的组件，以及有可能降低单元和列之间的耦合；以及

-由于阵列的规则形状，降低了输出端口之间的耦合，以及还降低了单元间耦合的影响。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出了分叉线(branch-line)定向耦合器；

图2示出了根据本发明的在行中具有两个天线列的节点；

图3示出了根据本发明的在行中具有三个天线列的节点；以及

图4示出了根据本发明的在第一行具有三个天线列且在第二行具有三个天线列的节点。

具体实施方式

参考图2，在无线通信网络中存在节点1。节点1包括两个天线列2、3，第一天线列2和第二天线列3，其中，在方位角方向A上，天线列2和3在物理上彼此分隔开。沿着每个天线列2、3的纵向延伸，每个天线列2、3包括在仰角方向E上延伸的4个双极性天线单元4a、4b、4c、4d；5a、5b、5c、5d。方位角方向A和仰角方向E彼此正交。

天线列2、3被布置为依靠主波瓣来辐射或接收，如下面将要描述的，这是可控的。

每个双极化天线单元4a、4b、4c、4d；5a、5b、5c、5d被布置用于第一极化P1和第二极化P2的发送和接收，其中，第一极化P1和第二极化P2是相互正交的。每个天线列2、3包括与第一极化P1相关联的对应第一天线端口6、7以及与第二极化P2相关联的对应第二天线端口8、9。

换言之，第一天线列2包括经由第一列第一分布网络45连接到其天线单元4a、4b、4c、4d的第一极化P1的第一天线端口6；以及经由第一列第二分布网络46连接到其天线单元4a、4b、4c、4d的第二极化P2的第二天线端口8。

按照相同的方式，第二天线列3包括经由第二列第一分布网络47连接到其天线单元5a、5b、5c、5d的第一极化P1的第一天线端口7；以及经由第二列第二分布网络48连接到其天线单元5a、5b、5c、5d的第二极化P2的第二天线端口9。

分布网络45、46、47、48在本示例中由相同的或至少类似的仰角网络(elevationnetwork)构成。

根据本发明，节点1还包括两个四端口混合电路(hybride)10、11，每个四端口混合电路10、11具有第一端口对12、13和第二端口对14、15。这意味着节点1包括具有第一端口对12和第二端口对14的第一混合电路10，以及该节点还包括具有第一端口对13和第二端口对15的第二混合电路11。

每个功率混合电路10、11起作用，以使得输入到端口对中的任何端口的功率与所述端口对中的另一端口相隔离，但在另一端口对中的端口之间分配，在本示例中是平均分配。作为示例，理想而言，输入到第一混合电路10的第一端口对12的第一端口12a的功率在第一混合电路10的第二端口对14的端口14a、14b之间平均分配，但没有输入功率从第一混合电路10的第一端口对12的第二端口12b输出。

图1中以所谓的分叉线耦合器B的形式示出了这样的混合电路的示例。在此存在第一端口S1、第二端口S2、第三端口S3和第四端口S4。第一端口S1和第二端口S2形成第一端口对，以及第三端口S3和第四端口S4形成第二端口对。端口与在方形中延伸的导体相连接，端口是在方形的角上形成的。两个相邻端口之间的电长度是λ/4，对应于90°的相位长度。λ指当前材料中的波长。

由于波长随着频率而改变，应该理解的是，该种类的混合电路是针对于特定的频带设计的，具有特定的带宽，被设计为围绕特定的中心频率。中心频率被用于计算波长λ，以获得电长度λ/4。

因此，输入到端口对中的端口(例如，第一端口S1)的功率在另一端口对中的端口S3、S4之间平均地分配，同时该输入功率不从第二端口S2输出。这是因为以下事实：输入信号从第一端口S1到第二端口S2行经两个不同的路径，并在第二端口处以180°的相互相位差到达，这导致了抵消。

天线列2、3的天线端口6、8；7、9交叉连接到对应功率分配器/组合器10、11中的第一端口对12、13，以使得每个第一端口对12、13与不同天线列2、3的正交极化P1、P2相关联。

更具体地，第一天线列2的第一天线端口6以及第二天线列3的第二天线端口9连接到第一混合电路10的第一端口对12。此外，第一天线列2的第二天线端口8以及第二天线列3的第一天线端口7连接到第二混合电路11的第一端口对13。与第一极化P1相关联的第一天线端口6、7通过使用相应的点状线来指示的连接43a、43b连接到相应的混合电路10、11。与第二极化P2相关联的第二天线端口8、9通过使用相应的实线来指示的连接44a、44b连接到相应的混合电路10、11。

第一天线列2的第二天线端口8经由第一相位改变设备16连接到第二混合电路11。

此外，每个第二端口对14、15的第一端口14a、15a经由使用虚线来指示的相应连接49a、49b连接到第一功率分配/组合网络31。通过相同的方式，每个第二端口对14、15的第二端口14b、15b经由使用点划线来指示的相应连接50a、50b连接到第二功率分配/组合网络32。

功率分配/组合网络31、32是2对1类型的，具有相应的主输入/输出端口33、34。

此外，第二混合电路的第二端口对15的端口15a、15b经由对应的第二相位改变设备17和第三相位改变设备18连接到相应的功率分配/组合网络31、32。

相位改变设备16、17、18是可控的，以及第一相位改变设备16可设为第一相位值α₁，第二相位改变设备17可设为第二相位值β₁₂，且第三相位改变设备18可设为第三相位值β₂₂。通过第二相位改变设备17和第三相位改变设备18，可以改变主波瓣指向和波瓣宽度，以及通过第一相位改变设备16在所有方向上保留正交性。

为了对此进行实现，将第一相位值α₁调整为是第二相位值β₁₂和第三相位值β₂₂之和。

相位改变设备16、17、18构成相位改变设备组。

将参考图3描述第二示例，虽然不是所有的细节都将会像以上参考图1一样地详尽描述，应该理解，在本示例中连接是相似的。

在此，节点1’包括第一天线列19、第二天线列20和第三天线列21，天线列19、20、21以和图1相同的方式定向，且每个天线列19、20、21包括经由对应的分布网络54、55、56、57、58、59连接到对应的第一和第二天线端口22、25；23、26；24、27的四个双极化天线单元51、52、53。天线端口22、25；23、26；24、27交叉连接到对应的第一混合电路28、第二混合电路29和第一混合电路30中的第一端口对60、61、62，以使得每个第一端口对60、61、62与不同天线列19、20、21和正交极化P1、P2相关联。

此处，在有奇数数目个天线列19、20、21的情况下，中心天线列20的天线端口23、26连接到相同的功率分配器/组合器29，以保持连接的对称，这对于所有的示例都是显而易见的。

更具体地，第一天线列19的第一天线端口22以及第三天线列21的第二天线端口27连接到第一混合电路28的第一端口对60。此外，第一天线列19的第二天线端口25以及第三天线列21的第一天线端口24连接到第三混合电路30的第一端口对62。最后，第二天线列20的第一天线端口23和第二天线端口26连接到第二混合电路29的第一端口对61。

与第一极化P1相关联的第一天线端口22、23、24通过使用相应的点状线指示的连接来连接到相应的混合电路28、29、30。与第二极化P2相关联的第二天线端口25、26、27通过使用相应的实线指示的连接来连接到相应的混合电路28、29、30。

通过与之前示例中针对于第二混合电路11的相同方式，第一混合电路28和第三混合电路30各自装备有相位改变设备组63、64。

此外，混合电路29、29、30的对应第二端口对65、66、67中的一个端口经由使用虚线指示的相应连接来连接到第一功率分配/组合网络31’。通过相同的方式，对应第二端口对65、67、68中的另一端口经由使用点划线指示的相应连接来连接到第二功率分配/组合网络32’。

功率分配/组合网络31′、32’是3对1类型的，具有相应的主输入/输出端口33’、34’。

将参考图4描述第三示例。

此处，节点1”包括第一行41中的第一天线列35、第二天线列36和第三天线列37，以及第二列中的第一天线列38、第二天线列39和第三天线列40。行41、42相互对齐，并在方位角方向上延伸。行41、42还在仰角方向E上彼此分隔。

每个天线列35、36、37；38、39、40包括经由对应的分布网络86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97连接到对应的第一和第二天线端口74、75、76、77、78、79；80、81、82、83、84、85的四个双极化通信单元68、69、70；71、72、73。天线端口74、75、76、77、78、79；80、81、82、83、84、85交叉连接到对应混合电路99中的第一端口对98，以使得每个第一端口对98与不同天线列35、36、37；38、39、40的正交极化P1、P2相关联。

在本示例中，本发明的大致对称很清楚是显而易见的，其中，将逐对物理分隔的天线列35、36、37；38、39、40的天线端口74、75、76、77、78、79；80、81、82、83、84、85从在物理上分隔最远的那些天线列35、40；37、38的对到在物理上分隔最近的那些天线列36、39的对以降序交叉连接到对应混合电路99中的第一端口对98。

与第一极化P1相关联的第一天线端口74、75、76、77、78、79通过使用相应的点状线指示的连接来连接到相应的混合电路99。与第二极化P2相关联的第二天线端口80、81、82、83、84、85通过使用相应的实线指示的连接来连接到相应的混合电路99。

通过在第一示例中针对于第二混合电路11的方式，所有的混合电路各自装备有相位改变设备组100。图4中指示相位改变设备100的箭头旨在指示所示出的在该图中形成两行的所有相位改变设备。

此外，混合电路29的对应第二端口对101中的一个端口经由使用虚线指示的相应连接来连接到第一功率分配/组合网络31”。通过相同的方式，对应第二端口对101中的另一端口经由使用点划线指示的相应连接来连接到第二功率分配/组合网络32”。

功率分配/组合网络31”、32”是6对1类型的，具有相应的主输入/输出端口33”、34”。优选地，通过波束成形网络在方位角方向A上对波束塑形来构建分配/组合网络31”、32”。

在本发明中，使用相同的仰角网络来对每个列中的所有单元进行馈送，并在然后将列成对连接到混合电路的两个输出端口，其中，在输出端口中的至少一个上具有可调的相位偏移器。然后，每个混合电路的两个输入端口分别连接到在方位角方向上对波束塑形的波束成形网络。因此，在馈送网络的每个端口时，阵列中的所有单元都将被馈送，且被馈送单元之间的距离与现有技术相比将会减少。

一般性的实现是具有在矩形网格中布置的双极化单元的天线阵列，该矩形网格具有数目为N的列，每列具有数目为M的单元。为了简洁，假设所有的单元图样在量值上是相同的，并在每个方向上都是逐对正交极化的，具有相同极化的单元之间的唯一差异是其不同的相位中心。

本发明背后的原理是：天线的2个端口生成在量值上相同并在每个方向上具有正交极化的两个图样。

下面，将提供对多个示例的数学描述。在此将第一极化P1称为极化1，以及在此将第二极化P2称为极化2。

令

表示在列m中具有极化p的天线单元号n的单元图样，其中，在每个方向上

且

形成仰角图样

其中，相同的权重w_n将在每个方向上呈现出正交的图样

其中

现在形成图样

以及

针对每个角度要求

导致以下条件：

$\underset{m=1}{\overset{M-l}{\Σ}}{u}_{1,m}^1{u_{1,m+1}^1}^{*}+\underset{m=1}{\overset{M-l}{\Σ}}{u}_{1,m}^2{u_{1,m+1}^2}^{*}=\underset{m=1}{\overset{M-l}{\Σ}}{u}_{2,m}^1{u_{2,m+l}^1}^{*}+\underset{m=1}{\overset{M-l}{\Σ}}{u}_{2,m}^2{u_{2,m+l}^2}^{*},$

$\underset{m=1}{\overset{M-l}{\Σ}}{u}_{1,m}^1{u_{2,m+1}^1}^{*}+\underset{m=1}{\overset{M-l}{\Σ}}{u}_{1,m}^2{u_{2,m+1}^2}^{*}=0,$ 以及

$\underset{m=1}{\overset{M-l}{\Σ}}{u}_{1,m+1}^1{u_{2,m}^1}^{*}+\underset{m=1}{\overset{M-l}{\Σ}}{u}_{1,m+1}^2{u_{2,m}^2}^{*}=0$ 对于l＝0..M-1。

可通过在列m的极化1与列M-n的极化2之间连接混合电路来满足这些条件。混合电路的典型实现是上述的分叉线定向耦合器，其可通过微带线和带状线技术来轻易地构建，并且在市场上有若干种类可买到。

现在将在数学上描述参考图2的示例，M＝2。

插入l＝1呈现出

$u_{1,1}^1{u_{1,2}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{1,2}^2}^{*}=u_{2,1}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{2,1}^2{u_{2,2}^2}^{*},$

$u_{1,1}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{2,2}^2}^{*}=0$ 以及

$u_{1,2}^1{u_{2,1}^1}^{*}+u_{1,2}^2{u_{2,1}^2}^{*}=0,$

以及插入l＝0分别呈现出

$u_{1,1}^1{u_{1,1}^1}^{*}+u_{1,2}^1{u_{1,2}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{1,1}^2}^{*}+u_{1,2}^2{u_{1,2}^2}^{*}=u_{2,1}^1{u_{2,1}^1}^{*}+u_{2,2}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{2,1}^2{u_{2,1}^2}^{*}+u_{2,2}^2{u_{2,2}^2}^{*}$ 以及

$u_{1,1}^1{u_{2,1}^1}^{*}+u_{1,2}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{2,1}^2}^{*}+u_{1,2}^2{u_{2,2}^2}^{*}=0.$

在列1的极化1和列2的极化2之间连接90°混合电路并使用v₁和v₁来分别激励输入端口将会呈现出

$u_{1,1}^1=1/\sqrt{2}{v}_1,u_{1,2}^2=j1/\sqrt{2}{v}_1,u_{2,1}^1=j1/\sqrt{2}{v}_1$ 以及

$u_{2,2}^2=1/\sqrt{2}{v}_1$

在列1的极化2和列1的极化2之间连接另一90混合电路并使用和来分别激励输入端口将会呈现出

$u_{1,2}^1=1/\sqrt{2}{v}_2{e}^{{\mathrm{j\βA}}_{12}},u_{1,1}^2=j1/\sqrt{2}{v}_2{e}^{j({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_{12})},u_{2,2}^1=j1/\sqrt{2}{v}_2{e}^{{\mathrm{j\β}}_{22}}$ 以及

$u_{2,1}^2=1/\sqrt{2}{v}_2{e}^{j({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_{22})}.$

因此

如果v₁v₂ ^*＝v₂v₁ ^*且α₂＝-(β₁₂+β₂₂)，

$u_{1,1}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{2,2}^2}^{*}=1/2(-{\mathrm{jv}}_1{v_2}^{*}{e}^{-{\mathrm{j\β}}_{22}}+{\mathrm{jv}}_2{v_1}^{*}{e}^{j({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_{12})})=0$ 以及

$u_{1,2}^1{u_{2,1}^1}^{*}+u_{1,2}^2{u_{2,1}^2}^{*}=1/2(-{\mathrm{jv}}_2{v_1}^{*}{e}^{{\mathrm{j\β}}_{12}}+{\mathrm{jv}}_1{v_2}^{*}{e}^{-j({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_{22})})=0.$

类似地，

$u_{1,1}^1{u_{1,2}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{1,2}^2}^{*}=1/2(v_1{v_2}^{*}{e}^{-{\mathrm{j\β}}_{12}}+v_2{v_1}^{*}{e}^{j({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_{12})})$ 以及

$u_{2,1}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{2,1}^2{u_{2,2}^2}^{*}=1/2(v_1{v_2}^{*}{e}^{-{\mathrm{j\β}}_{22}}+v_2{v_1}^{*}{e}^{j({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_{22})})$

在相同的条件下是相等的。

此外还有

$u_{1,1}^1{u_{1,1}^1}^{*}+u_{1,2}^1{u_{1,2}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{1,1}^2}^{*}+u_{1,2}^2{u_{1,2}^2}^{*}=v_1{v_1}^{*}+v_2{v_2}^{*}=$ $u_{2,1}^1{u_{2,1}^1}^{*}+u_{2,2}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{2,1}^2{u_{2,1}^2}^{*}+u_{2,2}^2{u_{2,2}^2}^{*}$ 以及

$u_{1,1}^1{u_{2,1}^1}^{*}+u_{1,2}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{2,1}^2}^{*}+u_{1,2}^2{u_{2,2}^2}^{*}=0$

而与相位的选择无关，因为我们正使用混合电路。

总包络

于是通过以下形式给出

可将其重写为

这意味着我们选择了并且仍然获得包络的所有可用自由度。

设v₁＝cosa且v₂＝sina，并将包络写为

$1+sin2acos\left(\frac{{\mathrm{\β}}_{12}-{\mathrm{\β}}_{22}}{2}\right)cos(\mathrm{\δ}-\frac{{\mathrm{\β}}_{12}+{\mathrm{\β}}_{22}}{2})$

即，使用

a＝π/4和

等效于使用

$a=\mathrm{\π}/4-\frac{{\mathrm{\β}}_{12}-{\mathrm{\β}}_{22}}{4}$ 和 $\frac{{\mathrm{\β}}_{12}-{\mathrm{\β}}_{22}}{2}=0$

或 $v_1=1/\sqrt{2}(cos\frac{{\mathrm{\β}}_{12}-{\mathrm{\β}}_{22}}{4}+sin\frac{{\mathrm{\β}}_{12}-{\mathrm{\β}}_{22}}{4})$ 和 $v_2=1/\sqrt{2}(cos\frac{{\mathrm{\β}}_{12}-{\mathrm{\β}}_{22}}{4}-sin\frac{{\mathrm{\β}}_{12}-{\mathrm{\β}}_{22}}{4})$

现在将在数学上描述参考图3的示例，M＝3。

使用之前的结果，我们可以尝试将具有不同极化的外侧列与混合电路连接，并将中心列的两个极化与第三混合电路连接。我们可以使用中心混合电路的输入和输出端口的相位作为基准，而不失一般性。

基于以上结论来对以下进行阐述：

所有混合电路上的左侧输入端口上的激励：

${\mathrm{ae}}^{{\mathrm{j\β}}_{11}},1,{\mathrm{ae}}^{{\mathrm{j\β}}_{13}}$

以及在右侧

${\mathrm{ae}}^{{\mathrm{j\β}}_{21}},1,{\mathrm{ae}}^{{\mathrm{j\β}}_{23}}$

以及可调相位偏移器

$e^{{\mathrm{j\α}}_1},1,e^{{\mathrm{j\α}}_3}$

在极化2的输出端口上呈现出以下激励：

针对端口1，以及

针对端口2，

或

以及

其中

α₁＝-(β₁₁+β₂₁)以及α₃＝-(β₁₃+β₂₃)。

针对l＝2的条件，因此满足

$u_{1,1}^1{u_{1,3}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{1,3}^2}^{*}=1/2a^2(e^{j({\mathrm{\β}}_{11}-{\mathrm{\β}}_{13})}+e^{j({\mathrm{\β}}_{21}-{\mathrm{\β}}_{23})})$ 以及

$u_{2,1}^1{u_{2,3}^1}^{*}+u_{2,1}^2{u_{2,3}^2}^{*}=1/2a^2(e^{j({\mathrm{\β}}_{21}-{\mathrm{\β}}_{23})}+e^{j({\mathrm{\β}}_{11}-{\mathrm{\β}}_{13})}).$

此外， $u_{1,1}^1{u_{2,3}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{2,3}^2}^{*}=-{\mathrm{ja}}^2{e}^{j({\mathrm{\β}}_{11}-{\mathrm{\β}}_{23})}+{\mathrm{ja}}^2{e}^{j(-{\mathrm{\β}}_{23}+{\mathrm{\β}}_{11})}=0.$

从而，针对l＝1的条件是

$u_{1,1}^1{u_{1,2}^1}^{*}+u_{1,2}^1{u_{1,3}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{1,2}^2}^{*}+u_{1,2}^2{u_{1,3}^2}^{*}={\mathrm{ae}}^{{\mathrm{j\β}}_{11}}+{\mathrm{ae}}^{-{\mathrm{j\β}}_{13}}+{\mathrm{ae}}^{-{\mathrm{j\β}}_{23}}+{\mathrm{ae}}^{{\mathrm{j\β}}_{21}}$

其与下式相等

$u_{2,1}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{2,2}^1{u_{2,3}^1}^{*}+u_{2,1}^2{u_{2,2}^2}^{*}+u_{2,2}^2{u_{2,3}^2}^{*}\mathrm{..}$

此外还有

$u_{1,1}^1{u_{2,2}^1}^{*}+u_{1,2}^1{u_{2,3}^1}^{*}+u_{1,1}^2{u_{2,2}^2}^{*}+u_{1,2}^2{u_{2,3}^2}^{*}=-{\mathrm{jae}}^{{\mathrm{j\β}}_{11}}+{\mathrm{jae}}^{-{\mathrm{j\β}}_{23}}-{\mathrm{jae}}^{-{\mathrm{j\β}}_{23}}+{\mathrm{jae}}^{{\mathrm{j\β}}_{11}}=0,$ 以及类似地

$u_{2,1}^1{u_{1,2}^1}^{*}+u_{2,2}^1{u_{1,3}^1}^{*}+u_{2,1}^2{u_{1,2}^2}^{*}+u_{2,2}^2{u_{1,3}^2}^{*}=\mathrm{0..}$

因此所有这些条件也满足了。

给出总包络为

将输入功率归一化并将所有的相位设置等于0，返回了最大可用峰值功率

$\frac{2+8a+8a^2}{2+4a^2}=\frac{{(1+2a)}^2}{1+2a^2}$

对于a＝1，其具有其最大值3。

从而，所产生的包络是

1+4/3cosδ+2/3cos2δ。

给定包络1+2/3cos2δ，选择

a＝1以及例如β₁₁＝β₁₃＝β₂₁＝β₂₃＝π/2

将使得具有e^jδ和e^-jδ的项消失，并且通过选择以下等式

β₁₁＝β₂₃＝π/4以及β₂₁＝β₁₃＝-π/4

仅剩余常数。

关于任意数目的列，一般而言，通过应用根据以上规则的相位偏移，

α＝-(β₁+β₂)，

且按照与极化1的输出端口相反的顺序来连接极化2的输出端口将针对端口1产生极化2的激励矢量，假定具有相同的功率量值，该激励矢量与端口2的极化1的逆共轭矢量成正比。

在具有如图4中所示的若干行的情况下，单个矢量中端口1的激励是按以下顺序来排序：首先行1，其次行2，等等，例如

U¹ ₁＝(u¹ ₁₁₁，u¹ ₁₁₂，u¹ ₁₂₁，u¹ ₁₂₂)。

颠倒该顺序并求共轭给出了针对端口2的极化2的激励，如

U² ₂＝j(u¹ ₁₂₂ ^*，u¹ ₁₂₁ ^*，u¹ ₁₁₂ ^*，u¹ ₁₁₁ ^*)。

应用操纵矢量(steeringvector)

$\begin{array}{c}W=(w_y{w}_z,{w_y}^2{w}_z,w_y{w_z}^2,{w_y}^2{w_z}^2)=\\ {w_y}^3{w_z}^3({w_y}^{-2}{w_z}^{-2},{w_y}^{-1}{w_z}^{-2},{w_y}^{-2},{w_z}^{-1}{w_y}^{-1},{w_z}^{-1})\end{array}$

其中，以及将呈现出

U² ₂W^T＝jw_y ³w_z ³(U¹ ₁W^T)^*并因此|U¹ ₁W^T|²＝|U² ₂W^T|²。

类似地，我们发现

U² ₁＝-j(u¹ ₂₂₂ ^*u¹ ₂₂₁ ^*，u¹ ₂₁₂ ^*，u¹ ₂₁₁ ^*)，并因此

U² ₁W^T＝-jw_y ³w_z ³(U¹ ₂W^T)^*，以及由此

$\begin{array}{c}{C}_1{C_2}^{*}=({U^1}_1{W}^T{B}^1+{U^2}_1{W}^T{B}^2){({U^1}_2{W}^T{B}^1+{U^2}_2{W}^T{B}^2)}^{*}=\\ {U^1}_1{W}^T{\left({U^2}_2{W}^T\right)}^{*}{B}^1{B}^{1^{*}}+{U^2}_1{W}^T{\left({U^2}_2{W}^T\right)}^{*}{B}^2{B}^{2^{*}}=\\ ({U^1}_1{W}^T{\left({U^1}_2{W}^T\right)}^{*}-{\left({U^1}_2{W}^T\right)}^{*}{U^1}_1{W}^T)B^1{B}^{1^{*}}=0,\end{array}$

因为 $B^1{B}^{1^{*}}=B^2{B}^{2^{*}}$ 且 $B^1{B}^{2^{*}}=0.$

亦即，通过将混合电路(其输出端口1连接到在行n和列m中具有极化1的子阵列)的输出端口2连接到至子阵列(其在行N-n+1和列M-m+1中具有极化2的)的单元，假设来自子阵列的所有图样在包络上是相同的但在极化上逐对正交，我们将会从两个端口得到在所有方向上具有正交的极化和相等的包络的图样。

本发明不限于以上示例，而是可以在所附权利要求的范围内自由改变。例如，可以将列和行的角色互换。

也可以将极化波束塑形的技术使用在形成仰角图样上，因为它们将产生在每一处都正交极化的列。

可以将孔径降为子区域，每个子区域具有固定的同样的分布网络。

相位偏移的关系基于每个混合电路；因此可以将混合电路和所附的相位偏移器设计为可复制的单元。

替代提前形成仰角图样，可以将单元与混合电路交叉连接(单元m，n的极化P1与单元M+1-n，N+1-n的极化P2)，并针对连接到每个混合电路的相位偏移器保持关系α＝-(β₁+β₂)。

关于相位偏移器在混合电路上的放置，可以考虑以下方式：

替代相位偏移器使用相同值，极化端口2上的相位偏移器可被移动到极化端口1。

通过要求α′₁＝β₁并将其他参数的值调整为α′₂＝-β₂和β′₂＝β₂-β₁，可以将输入端口1的相位偏移器移动到极化端口1。

混合电路可以是任何适合类型的四端口功率分配器/组合器，例如，如所谓的rat-race混合电路。

混合电路不需要在端口对的端口之间具有相等的功率分配/组合特性。

天线列不需要在方位角方向A上分隔开，然而可以仅在仰角方向上分隔开，构建单个行。可以通过任何适合的方式对天线列定向，例如，它们可以面向天空，以使得平放垂直于地面。

天线列需要包括至少一个双极化天线单元。

在第二相位改变设备的设置β₁₂与第三相位改变设备的设置β₂₂之和等于0的特殊情况下，任何数目的相位改变设备组可排除第一相位改变设备，第一相位改变设备可因此不存在。在该情况下，波束具有固定的方向但具有可调的波束宽度。

术语波瓣和波束都与天线辐射特性相关。

当使用正交之类的术语时，不将其解释为数学上精确的，而是在实际可获得的范围内。

极化可以具有任何方向，但应该始终是正交的。

Claims (6)

1.一种无线通信网络中的节点(1)，所述节点(1)包括在物理上彼此分隔的至少两个天线列(2、3)，每个天线列(2、3)包括至少一个双极化天线单元(4a、4b、4c、4d；5a、5b、5c、5d)，每个天线单元(4a、4b、4c、4d；5a、5b、5c、5d)具有第一极化(P1)和第二极化(P2)，所述第一极化(P1)和所述第二极化(P2)相互正交，以使得每个天线列(2、3)包括与所述第一极化(P1)相关联的第一天线端口(6、7)和与所述第二极化(P2)相关联的第二天线端口(8、9)，其特征在于，

所述节点(1)还包括至少两个四端口功率分配器/组合器(10、11)，每个功率分配器/组合器(10、11)具有第一端口对(12、13)和第二端口对(14、15)，其中，针对每个功率分配器/组合器(10、11)，输入到端口对中的任何端口的功率与所述端口对中的另一端口相隔离，但在另一端口对的端口之间分配，其中，将在物理上逐对分隔的天线列(2、3)的天线端口(6、7；8、9)从在物理上分隔最远的那些天线列的对到在物理上分隔最近的那些天线列的对以降序交叉连接到对应功率分配器/组合器(10、11)中的第一端口对(12、13)，以使得每个第一端口对(12、13)与不同天线列(2、3)的正交极化(P1、P2)相关联，

此外，针对至少一个功率分配器/组合器(11)，所述第二端口对(15)中的端口分别连接到对应的第二相位改变设备(17)和第三相位改变设备(18)，连接到所述至少一个功率分配器/组合器(11)的相位改变设备(16、17、18)构成相位改变设备组，以及每个第二端口对(14、15)中的一个端口(14a、15a)连接到第一功率分配/组合网络(31)，每个第二端口对(14、15)中的另一个端口(14b、15b)连接到第二功率分配/组合网络(32)，每个功率分配/组合网络(31、32)具有相应的主输入/输出端口(33、34)，

天线列(2、3)在仰角方向(E)上具有相应的主延伸，

对于每个分配器/组合器(10、11)，输入到端口对中的任何端口的功率在另一端口对中的端口之间平均分配。

2.根据权利要求1所述的节点，其特征在于，所述第一端口对(13)中与第二极化(P2)相关联的一个端口(13b)经由第一相位改变设备(16)连接到对应的天线端口(8)，连接到特定功率分配器/组合器(11)的相位改变设备(16、17、18)构成相位改变设备组。

3.根据权利要求2所述的节点，其特征在于，针对每个相位改变设备(16、17、18)组，第一相位改变设备(16)设置的相位值(α₂)等于第二相位改变设备(17)设置的相位值(β₁₂)与第三相位改变设备(18)设置的相位值(β₂₂)之和。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的节点，其特征在于，天线列(2、3)在方位角方向(A)或仰角方向(E)上分隔，所述方位角方向(A)和所述仰角方向(E)相互正交。

5.根据权利要求4所述的节点，其特征在于，在奇数个天线列(19、20、21)的情况下，中心天线列(20)的天线端口(23、26)连接到相同的功率分配器/组合器(29)。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的节点，其特征在于，天线列(35、36、37；38、39、40)被布置在至少两个对齐的行(41、42)中，每个行(41、42)在方位角方向(A)上延伸并具有相同数目的天线列，行(41、42)在仰角方向(E)上彼此分隔，所述方位角方向(A)和所述仰角方向(E)相互正交。