CN1137532C - 双重方式转换波束天线 - Google Patents

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Abstract

公开了提供多个天线波束的系统和方法，这些天线波束在操纵偏离天线垂射时具有减小的栅瓣和旁瓣。根据本发明，利用天线单元的一种布置，适用于产生以较大角操纵偏离天线垂射的天线波束，应用一个波束供给网，符合以较大角操纵的天线波束，及减小的天线单元间隔，以提供减小的栅瓣和旁瓣。一个优选实施例利用一个2n+1巴特勒矩阵，与根据本发明隔开的2n+1天线列耦合，以提供2n天线波束。

Description

双重方式转换波束天线
本发明涉及1998年3月4日提交的题为“System and Method forPer beam Elevation Scanning，”的共同未审和共同转让美国专利申请序号09/034,471，1997年7月17日提交的题为“Multiple Beam PlanarArray With Parasitic Elements，”的共同未审和共同转让美国专利申请序号08/896,036，以及1998年4月15日提交的题为“System andMethod Providing Delays for CDMA Nulling”的共同未审和共同转让美国专利申请序号09/060,921，它们的公开内容在此参考引入。
技术领域
本发明涉及相控天线阵，更具体地说，涉及与相控天线阵的使用相关的栅瓣的减小。
背景技术
通常使用单天线阵，以提供可操纵的辐射图或波束。例如，可操纵波束经常由天线单元的平面或平板阵来产生，各天线单元由具有预定相位差的信号激励，以便产生具有预定形状和方向的合成辐射图。为了操纵这种合成波束，调节天线单元之间的相位差，以实现合成辐射图。
利用上述平面或平板阵，例如，通过使用预定组的相位差，可以创建一个多波束天线阵，其中各组相位差限定该多波束天线的一个波束。例如，使用平板阵和矩阵型波束形成网络，例如巴特勒矩阵或混合矩阵，可以提供一种适应提供多个可选择天线波束的天线阵，各天线波束相对垂射操纵不同的预定量。
当平面阵均匀地激励(均匀孔分布)，以产生垂射波束发射时，合成孔分布类似一个矩形。当这个形状在空间进行傅立叶变换时，结果形成的图形充满相对于主瓣的高电平旁瓣。而且，随着波束操纵增加，即波束进一步偏离垂射定向，这些旁瓣逐渐变为较高电平。例如，在θ0具有其波束峰值的直线阵也会具有受单元间隔“d”的选择的影响的其他峰值。这种不确定是显而易见的，因为不论指数是2π的某一倍数，总和也具有峰值。在频率为“f”及波长为λ下，这个条件对所有整数p是 2 π ( d λ ) ( sin θ scan - sin θ 0 ) = 2 πp . 这样的峰值称为栅瓣，并且由上述公式表示为在角θp出现，以便sinθp＝sinθ0＝2πp。因此，当辐射图相对于单元间隔操纵太远时，将出现栅瓣，它在其图形中具有几乎等于辐射图的主瓣的峰值。发生这个峰值的点一般认为是天线阵的最大可用操纵角。
即使主波束的操纵限制为这样一些角，以便栅瓣表现一个相当小于主瓣的峰值，栅瓣的存在也起作用，以通过对非希望方向信号作出响应，可能干扰希望信号，而降低天线系统的性能。特别是，由于主波束操纵离开天线阵的垂射，栅瓣将经常以天线阵可在其中操作的角范围之内的一个角定向。因此，存在的杂散通信波束将是十分常见的干扰源，这种杂散通信波束具有与其相关的相当大峰值，并且存在于天线阵的操作范围之内。而且，由于栅瓣大体上与天线板的辐射轴同轴，所以应用例如倾斜天线阵，以使栅瓣沿无害方向定向的解决办法，不可能避免这种干扰。
另外，平面阵的垂射激励产生最大孔发射。因此，当使这样的天线离开垂直轴时，即使其操纵离开与地面垂直的垂射位置，并且定心在本身表面上时，发射孔面积减小，引起扫描损失。这种扫描损失进一步加重了与栅瓣相关的问题，因为不仅操纵波束的面积由于扫描损失的影响而减小，而且不希望有的栅瓣同时由于波束操纵的影响而增加。
发明内容
因此，在本领域中需要一种系统和方法，以提供具有希望波束宽度和方位角定向的天线波束，当操纵偏离垂射希望量时，不遭受存在栅瓣的影响。
而且，由于多波束天线阵在提供经常在相同服务区中同时提供的各种无线通信网络中，例如蜂窝和/或个人通信服务(PCS)网络中有用，所以在本领域需要各种系统和方法，以适应提供没有栅瓣，并且适合双重方式服务的希望天线波束。
这些和其他目的、特点和技术优点通过一种天线阵，例如包括一个波束形成矩阵的多波束天线系统来实现，其中仅利用天线阵的那些可能波束中的最内波束，并且调节相应的天线单元列间隔或行间隔，以实现希望的天线波束形状，即波束宽度和扇形图。使用这样的天线所产生的辐射图，不论是依赖多波束天线阵的限制波束转换，还是依赖自适应天线阵的限制扫描，仅利用内波束则具有避免与天线阵的最外天线波束，或显著偏离垂射的其他天线波束相关的栅瓣的希望特性。
根据本发明的一个方面，提供一种当至少第一天线波束以最大选择的第一角偏离天线垂射操纵时，提供减小栅瓣电平的方法，所述方法包括步骤：选择所述第一天线波束的操作属性，包括选择所述第一角和所述第一天线波束的波束宽度；识别一种天线系统设计，该设计具有一个波束形成电路，和几个与其耦合的天线列，适合提供一种天线波束，它以比所述第一角大的第二角偏离所述天线垂射操纵；以及用比所述天线系统设计的列间间隔小的列间间隔，配置所述几个天线列，同时保持所述波束形成电路不变，其中至少部分地选择所述列间间隔，以提供满足所述操作属性的天线波束。
根据本发明的另一方面，提供一种天线系统，当至少第一天线波束以最大选择的第一角操纵偏离天线垂射时，适应提供减小的栅瓣电平，所述系统包括：波束形成电路，具有至少一个与所述第一天线波束相关的A接口，和多个B接口，它具有多个与其相关的相位级数，其中所述多个相位级数的第一相位级数与所述第一角相关；和多个激励单元，各与所述B接口中的一个耦合，其中所述多个相位级数符合形成比所述第一天线波束较窄的天线波束，并且至少一个天线波束以比所述第一角大的第二角操纵偏离天线垂射，并且其中与所述B接口中不同接口耦合的多个激励天线单元，各自与所述B接口中不同接口耦合的多个激励天线单元的邻接单元隔开一个距离，该距离确定为使用所述第一相位级数，对所述第一天线波束提供选择的波束宽度。
根据本发明的再一方面，一种提供具有选择的天线波束特性的多波束天线的方法，所述方法包括步骤：选择与所述多波束天线相关的天线波束的数，其中所述数是2n；选择所述天线波束的操作属性，包括选择最大扫描角和波束宽度；以预定布置设置2n+1天线列，其中各天线列与任何相邻天线列等距离隔开；以及使一个波束形成矩阵与所述天线列耦合，所述波束形成矩阵具有与天线波束信号相关的第一组接口，和与所述天线波束信号的相位级数相关的第二组接口，其中所述第二组接口各与所述天线列的不同列耦合，其中至少部分地选择所述列间隔，以对所述天线波束提供所述选择的操作属性。
根据本发明的又一方面，提供一种多波束天线系统，具有与所述多波束的外波束相关的减小的栅瓣电平，所述系统包括：2n个天线波束，具有选择的操作属性，包括最大扫描角和相同的选择的波束宽度；2n+1个天线列，以预定布置安排，其中各天线列与任何相邻天线列等距离地隔开，间隔确定为对所述天线波束提供所述操作属性；和一个波束形成矩阵，与所述天线列耦合，具有与天线波束信号相关的第一组接口，和与所述天线波束信号的相位级数相关的第二组接口，其中第二组接口各与所述天线列的不同列耦合。本发明的提供希望通信的天线阵可以使用四个波束，即具有四个天线列的平板提供四个30°的大体不重叠的天线波束，它们在合成时提供120°的扇形。这样天线阵的波束形成矩阵可以是一个4×4巴特勒矩阵，一种具有限于2的幂的输入和输出的矩阵(输入/输出＝2n，其中对于4×4矩阵n＝2)，它在四个天线列的各列上，按相控级数对四个天线波束接口提供信号。相对垂射观察天线阵，这些波束从左到右可以称为2R、1R、1L、2L，波束2R和2L是相对垂射以最大锐角操纵的波束，它聚具有与其相关的相当大栅瓣。
本发明的一个优选实施例利用一种能够提供天线波束的天线，这些天线波束比那些依赖于提供通信的天线波束更进一步操纵偏离垂射。例如，一个优选实施例利用一个具有2n+1输入，以形成2n天线波束的波束形成矩阵。因此，在上述例子中，其中希望四个(22)波束，则利用一个具有八个(23)输入和输出的波束形成矩阵。为了提供不存在栅瓣的希望波束，同时仍提供可忍受的旁瓣电平和希望的主波束，由本发明的本实施例的波束形成矩阵所供给的天线阵具有与n+1输入对应的几个天线列。因此，波束形成矩阵的八个输入各与天线阵的八个天线列中的一列耦合，并且因此能够提供八个天线波束(4R，3R，2R，1R，1L，2R，3R和4R)。
根据本发明，虽然天线阵也许能够形成超过希望那些的若干波束，但是仅使用内波束。例如，在上述优选实施例中，在4R，3R，2R，1R，1L，2L，3L和4L波束的可用组合中，仅使用2R，1R，1L和2L波束。这些最内波束比最外波束典型地具有较好的辐射特性，并且因此不表现本发明意图避免的栅瓣。
然而，应该理解上述本发明天线阵的各个天线波束的特性大体上将不符合准备替换的天线阵的波束特性。例如，不是提供四个约30°的限定一个120°扇形的天线波束，根据本发明使用的8×8波束形成矩阵的2R，1R，1L和2R波束可能提供四个约15°的天线波束，它们限定一个60°扇形。因为以相位级数激励的天线列的数增加。
因此，本发明包括对天线列和/或行间隔的调节，以按希望方向重指向所使用波束，然而保持用于较窄波束的八波束天线阵的相位级数。而且，调节列间间隔，以使波束相对垂射按希望角重指向，同样还使天线波束宽度调节为希望宽度。因此，可以利用上述具有8×8波束形成矩阵的优选实施例天线阵，以提供四个限定120°扇形的大体上30°的波束。
根据本发明的天线单元的重置间隔，结果使单元间隔接近，这样具有减小或甚至抑制在原先天线阵中可能存在的任何栅瓣的希望效果。而且，根据本发明的单元间隔可以调节，以在可能同时使用天线阵的独立方式之间，例如高级移动电话服务(AMPS)和码分多址(CDMA)通信信号之间，实行最好可能的折衷。
虽然以上关于一种天线阵，叙述利用一个波束形成矩阵，它具有若干与多个天线波束相关的输入，但是本发明的一个选择实施例利用一种自适应波束形成矩阵，与具有附加列和重置间隔天线单元的天线阵结合，以便提供可操作天线波束，当偏离垂射相当大地操作时，它具有很少或没有与其相关的栅瓣。这样的实施例优选地依赖于一个供给网络，它动态地提供天线列之间的相位级数，而不是上述巴特勒和混合波束形成矩阵的固定相位级数。因此，应该理解由这种自适应供给网络提供的相位级数与较大天线阵的较窄波束的相位级数一致，虽然用于提供根据本发明的较少数的改进波束。
本发明的一个技术优点是使用相控天线阵，以提供具有减小栅瓣或无栅瓣的多个天线波束或可操纵天线波束。
本发明的又一个技术优点是提供一种天线，使其最优化，以用于多个通信方式的同时通信。
以上相当概括地叙述了本发明的特点和技术优点，以便可以更好地理解以下本发明的详细叙述。在下文将叙述本发明的另外特点和优点，它们构成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应该理解，公开的概念和具体实施例可以容易地用作更改或设计其他结构的基础，以实现本发明的相同目的。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效结构不违反如所附权利要求所述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更完全地理解本发明及其优点，现在参考以下连同附图所作的叙述，其中：
图1表示适应提供四个天线波束的现有技术相控天线阵；
图2表示适应提供八个天线波束的现有技术相控天线阵；
图3表示图1的相控天线阵的天线图；
图4和图5表示根据本发明适应的相控天线阵；
图6表示图4和图5的相控天线阵的天线图；以及
图7和图8表示图1和图4的相控天线阵的合成扇形天线图。
具体实施方式
图1以天线阵100说明一个典型的现有技术平面阵，它适合产生以希望方位定向指向的天线波束。天线阵100由个别天线单元110组成，它们以预定图形排列，以形成列ae1至de1四列，每列四个单元。这些天线单元在地平面120前面以波长(λ)的预定分数安排。将会理解从天线单元110辐射的能量在天线列之间以预定相位级数提供，该能量与地平面120反射的能量结合，共计形成一个具有按预定方向传播的波前的辐射图。
如图1所示，波束形成矩阵130可以包括多个输入140，各与一个多波束天线阵的特定天线波束相关，以便提供给这些输入中任何一个的信号，在各输出150以预定相位级数提供。这种类型的固定波束布置是普通的，其中波束形成矩阵130是一个供给矩阵，例如巴特勒矩阵或混合矩阵。波束形成矩阵例如巴特勒矩阵在本领域为周知。这些矩阵典型地规定在供给天线阵的不同列的信号中，引入相位延迟，以便各列的辐射图共计形成一个合成辐射图，它具有沿预定方向传播的主瓣。当然，不利用巴特勒矩阵或混合矩阵的固定波束布置，而使输入波束形成矩阵130的信号以希望相位级数适应地提供给输出150，以使天线波束适应地操纵。
在图1说明的例子中，波束1至4各自通过波束形成矩阵130对天线列ae1至de1适当地应用一个输入信号而形成。这些波束与图1的波束1至4相对应，从右至左通常称为波束2L、1L、1R和2R，并且可以用来提供特定范围内的通信，图1的各波束可以是30°波束，以提供120°扇形内的通信。
图2以天线阵200说明平面阵的另一个实施例，它适合产生以希望方位定向指向的天线波束。如图1天线阵那样，天线阵200由个别天线单元210组成，它们以预定图形排列，然而天线200形成列ae2至he2八列，每列四个单元。这些天线单元在地平面220前面以波长(λ)的预定分数安排，并且从天线单元210辐射的能量在天线列之间以预定相位级数提供，该能量与地平面220反射的能量结合，共计形成一个具有按预定方向传播的波前的辐射图。
如上所述，波束形成矩阵230可以包括多个输入240，各与一个多波束天线阵的特定天线波束相关，以便提供给这些输入中任何一个的信号，在各输出250以预定相位级数提供，或选择地，可以使输入波束形成矩阵230的信号以希望相位级数适应地提供给输250，以使天线波束适应地操纵。
图2的波束1至8从右至左通常称为波束4L、3L、2L、1L、1R、2R、3R和4R，并且可以用来提供特定范围内的通信。例如，图2的各波束可以是15°波束，以提供120°扇形内的通信。
通过调节上述相位级数，可以使天线阵的各列的合成辐射图，例如图1和图2说明的波束，相对垂射操纵方位。例如，通过在提供给列ae1至de1的信号之间引入一个渐增相位滞后(Δ，Δ＜0)，可以使波束2L(图1的波束1)相对垂射方向操纵45°。假定各列ae1至de1之间的水平间隔相同，则通过对列ae1提供同相输入信号，对列be1提供相位延迟Δ的输入信号，对列ce1提供相位延迟2Δ的输入信号，以及对列de1提供相位延迟3Δ的输入信号，则可以产生波束2R。当然，Δ的精确值取决于列之间的间隔。
类似地，通过在提供给各列的信号之间引入一个相位滞后，波束1L(图1的波束2)可以相对垂射方向为15°。然而，这里相位差不需要与上述波束2R那样大，因为相对垂射的偏转不像那样大。例如，通过对列ae1提供同相输入信号，对列be1提供相位延迟1/3Δ的输入信号，对列ce1提供相位延迟2/3Δ(2*1/3Δ)的输入信号，以及对列de1提供相位延迟Δ(3*1/3Δ)的输入信号，可以产生波束1R。
将会理解，当均匀地激励直线平面阵时(均匀孔分布)，以产生垂射波束发射时，合成孔分布类似于矩形。然而，当这个形状在空间进行傅立叶变换时，结果形成的图形充满相对于主瓣的高电平旁瓣。当使用波束操纵时，即波束偏离垂射指向，则这些旁瓣逐渐变为较高电平，并且最终导致栅瓣形成。例如，图1的波束2R将比波束1R具有与其相关的较大旁瓣，并且因此产生一个典型地不如图1波束1R的辐射图希望的辐射图。
注意图3，说明关于图1所示的天线阵，使用瞬间方法的估计方位远场辐射图。这里天线列均匀地激励，以产生相对垂射大体为45°的主瓣310，并且因此大体上与关于波束2R所述那样。
将会理解，由于偏离垂射操纵相当大角的波束，例如波束2R，比具有较小角的波束，例如波束1R，表现不如希望的辐射图，所以本发明的讨论涉及具有相当大角的波束，以更容易地说明辐射图改进。然而，根据本发明，相对垂射比所述那些波束或多或少地偏转的波束的辐射图将会类似地得到改进。
再参考图3，说明在天线阵100的120°扇形覆盖范围之内的栅瓣320和旁瓣330。可见栅瓣320是一个相当大瓣峰，仅比主瓣310小约8dB。特别是旁瓣和栅瓣起作用，使天线系统对非希望方向的信号作出相应，可能干扰希望信号，而降低天线系统的性能。特别是，由于0°表示垂射方向，所以使栅瓣320指向，以便当天线阵受到激励，而相对垂射45°指向时，位于天线阵100前面的通信装置不会拒绝通信。
此外，由图3可见，虽然3dB降点限定约34°的波束宽度，但是这个波束稍微不对称。特别是，主瓣相对上述高电平旁瓣表现相当大凸出。这个凸出引起波束不是不规则地从3dB降点逐渐变细。因此，这样的波束表现非希望通信装置的附加干扰机会。
本发明提供一种天线阵，它可以用来提供和标准现有技术天线阵的天线波束大体类似的天线波束，包括在大体相同面积的扇形范围之内，提供具有减小栅瓣和旁瓣的覆盖。根据本发明，一种天线阵提供改进的波束特性，该天线阵具有多个天线单元，结合应用特定的相互单元间隔来配置这些天线单元，足够提供除那些实际希望以外的天线波束，或否则不同于那些实际希望的天线波束。
特别是，本发明的一个优选实施例利用一种波束形成矩阵，它具有2n+1输入，以形成2n天线波束。因此，为了提供四个(22)天线波束，以适合用于代替图1那些天线波束，本发明的这个优选实施例的天线系统利用一个具有八(23)输入和输出的波束形成矩阵，然而与根据本发明隔开的八列天线单元结合，仅使用四个输入。
注意图4，以天线阵400一般地表示了根据本发明适应的上述优选实施例天线，以提供具有减小旁瓣和栅瓣的四个天线波束。可见与图2的天线阵200类似，天线阵400包括列ae4-he4八个辐射列，各有四个天线单元410。将会理解图4的优选实施例天线阵400表示具有若干辐射列和天线单元，它们与上述根据本发明在特定扇形内提供四个天线波束的例子一致，以便帮助本领域技术人员理解本发明，而且不打算对本发明限制任何特定数的辐射列、天线单元，或甚至平面板阵的使用。
优选地，天线阵400中利用的天线单元是偶极天线单元。然而，根据本发明，可以利用其他天线单元，包括螺旋形天线单元，接线天线单元，以及其他类似天线单元。此外，虽然表示了垂直极化天线单元，但是本发明可以利用任何极化，包括水平、右斜、左斜、椭圆和圆形。还应该理解根据本发明，可以使用多种极化，例如通过交错左斜和右斜天线列，以提供一种在所提供天线波束之间具有极化分集的天线系统。这些极化分集天线波束可以是图4说明的大体不重叠天线波束的交替波束，或选择地，可以提供使交替极化的对应波束重叠，例如通过大体上交错天线阵400的两个波束，各具有不同的极化，以提供极化分集天线阵。
根据本发明的原理，天线阵400的天线列比天线阵200的天线列更紧密地隔开。例如，在一个天线阵例如图2的天线阵中，普通为0.5λ的典型列间间隔，而图4的天线阵利用更窄的列间间隔，例如在优选实施例中为0.25λ至0.35λ范围，然而保持了和0.5λ单元间隔中所用相同的相位级数。本发明的一个最优选实施例利用0.27λ的列间间隔，其中八个天线列与八乘八波束形成矩阵耦合，以提供四个大体为30°的天线波束，限定一个约为120°扇形。使用这种更窄的列间间隔，结合适应与天线阵400耦合的波束形成网络，以利用与天线波束一般相关的相位级数，这些天线波束以比一个天线阵，例如天线阵200的一般可用角要小的角相对垂射操纵，则提供根据本发明的改进栅瓣和旁瓣控制。
注意图5，图4的天线400从相反角度表示，以揭示包括波束形成矩阵510的天线供给网络。所说明实施例的波束形成矩阵510是8×8波束形成矩阵，例如本领域周知的8×8巴特勒矩阵。然而，虽然波束形成矩阵510提供八个输入，但是它可以适应为终止最外输入，即与天线阵例如图2天线阵的最外天线波束相关的输入，并且因此仅利用最内输入，这里为四个内输入。因此，与输入511-514中各输入耦合的信号，将在波束形成矩阵510的八个输出的各自中，以具有特性相位级数的信号分量提供，并且因此将与天线阵400的辐射列的各自耦合。因此，虽然天线阵也许能够形成超过希望波束的若干波束，但是仅使用内波束。例如，在图4和图5的优选实施例中，在4R、3R、2R、1R、1L、2L、3L和4L波束的可用组合中，仅使用2R、1R、1L和2L波束。这些最内波束典型地比最外波束具有较好的辐射特性，并且因此不表现本发明意图避免的栅瓣。
应该理解不使用本发明的调节相互单元布置，而使用波束形成矩阵的四个内输入，则不会提供与希望那些一致的天线波束，即与天线阵100的波束大体相同定向定尺寸的天线波束。例如，不调节相互单元布置，因为在相位级数中激励的天线列的数增加，则根据本发明使用的8×8波束形成矩阵的2R、1R、1L和2L波束可能提供四个约15°天线波束，它们限定一个60°扇形，而不是提供四个限定120°扇形的约30°天线波束。因此，除使用具有多个输入/输出的波束形成矩阵外，以及具有与希望天线波束相关那些外的天线列的天线阵，本发明还包括调节天线列和/或行间隔，以按希望方向重定尺寸和重指向所使用的波束，并且因此上述具有8×8波束形成矩阵的优选实施例可以用来提供四个大体30°的波束，它们限定一个120°扇形。
根据本发明，如果希望，可以利用提供希望天线波束的另外技术。例如，除图4和图5所示激励单元外，还可以使用寄生单元，例如以上题为“Multiple Beam Planar Array With Parasitic Elements”的参考专利申请中表示和叙述。
仍然参考图4和图5的优选实施例天线阵，可见天线单元的外列，即列ae4、be4、ge4和he4被垂直缩短。根据本发明，通过在相控天线阵的外沿布置长度减小的天线列，则进一步实现旁瓣电平控制的孔径逐渐变细。优选地，外天线列长度的减小提供一种边沿天线列，它和不减小长度，但是除去最顶和最底单元的天线阵的天线列具有相同长度，即大体提供除去拐角单元的天线阵的尺寸的天线垂射。其他天线列长度可以减小外天线列所减小长度量的一部分，例如右图4和图5中次于外天线列的天线列所说明，以使天线孔径进一步变细。当然，本发明的一个选择实施例可以利用更多或更少的减小长度的列，或甚至所有大体相同长度的列，其中不希望提供附加旁瓣电平控制。
图5说明的天线列的信号供给线可以是若干供给机制中的任何一种，包括在与个别单元对应的点具有分接头的同轴电缆，微带线，以及其他类似供给机制。然而，本发明的一个优选实施例利用架空线总线供给天线列。优选地，各列的架空线总线在一个中点，例如图5所示的说明列的中间两个天线之间，与波束形成矩阵耦合。这样的连接有助于在列的天线单元之间提供均匀功率分布。
将会理解，与安排在架空线/供给网络分接头之下的架空线上的天线单元比较，安排在架空线/供给网络分接头之上的架空线上的天线单元在激励中，经历180°相移。因此，天线单元中的一些单元，例如各列的上面两个单元，可以设有一个与上面偶极半相耦合的平衡-不平衡转换器，而天线单元的另外单元，例如各列的下面两个天线单元，可以设有一个与下面偶极半相耦合的平衡-不平衡转换器。
将会理解在架空线总线中，大部分能量限定在架空线总线与地平面之间的空间。因此，通过在这个空间中布置一种电介质，可以大体改变天线列的传输特性。实验揭示通过在天线阵的架空线总线与地平面之间布置一种电介质，则使沿列分布的电磁能量的传播速度延迟。传播速度的延迟及随后波长的缩短，允许偶极间隔减小。实现列间间隔的这个减小，而不会不利地影响栅瓣。因此，该优选实施例在根据本发明适应的天线阵的架空线总线与地平面之间，利用一种电介质。将会理解通过利用该优选实施例的电介质线路总线，有可能使天线阵的孔径逐渐变细，而不调节在任何天线列中设置的天线单元数。因此，由于对各天线列提供相等功率的信号，不会造成与现有技术那样接近反余弦分布的孔分布中列的激励，所以大大简化了天线阵的天线列之间的功率平衡。虽然这里足够详细地进行了叙述，以允许本领域技术人员理解本发明，但是在上述题为“System and Method for Per BeamElevation Scanning”的参考专利申请中，提供了关于这样的架空线总线供给系统的进一步细节。
已经叙述了根据本发明适应的优选实施例天线阵400，注意图6，其中说明了关于图4和图5所示的天线阵，使用瞬间方法的估计方位远场辐射图。这里例如通过对波束形成矩阵510的输入511应用信号，使天线列均匀地激励，以产生相对垂射大体为45°的主瓣610，并且因此大体如以上和图1天线阵相关的波束2R所述那样。然而，应该理解已经避免了图3所示的栅瓣，代之表现小得多的旁瓣620和630。因此，可以利用主瓣610来引导通信，以大体排除在天线阵400前面的其他范围内出现的信号或干扰。此外，应该理解主瓣610大体上对称，并且因此提供一种在所服务区的限定部分之内，更适合提供通信的波束。
应该理解对波束形成矩阵510的输入511-514的任何一个应用信号，将大体提供如图6说明那样的天线波束，然而这样波束各自的方位角将不同。因此，限定一种在通信中有用的转换波束系统，其中希望再使用特定通道，它具有多个预定天线波束，各具有特定方位定向。这样的系统对于提供无线通信服务，例如AMPS网的蜂窝电话通信有用，因为通过使特定通道上的通信限制在不太可能带来干扰信号的天线波束之内，可以增加通道再使用。
然而，其他通信方式的通信要求可能和特定网络，例如上述AMPS网络的通信要求稍微不同。例如，CDMA通信网络对于依赖于单片码来分开信号的多个离散通信，利用相同宽带通道。因此，虽然容量受到干扰限制，即建立通信能量的特定阈值，超过该阈值则难以提取特定信号，并且因此信号在限定范围内通信，但是可能希望在通信中使用比个别波束所限定范围较大的范围，例如以避免系统开销功能，例如移交条件。因此，可能希望在特定天线波束中提供第一方式(即AMPS)信号，同时在多个波束中，例如限定一个扇形的四波束中，提供第二方式(即CDMA)信号。
本发明的优选实施例的相互单元间隔最优化，不仅提供对栅瓣和旁瓣的希望控制，而且当天线阵在多个或所有波束输入同时激励时，提供希望辐射图。在本发明的单天线阵同时利用包括AMPS和CDMA信号的双重方式信号下，一个优选实施例利用0.27λ的列间间隔，以便使单波束激励(与第一通信方式相关)和多波束激励(与第二通信方式相关)两者产生的辐射图最优。
注意图7和图8，表示了与利用图1和图4说明的天线阵所辐射的扇形信号相关的辐射图。特别是，辐射图701是在天线阵100的输入中的多个输入，提供加权分布的扇形信号而形成，而辐射图710是在天线阵400的输入中的多个输入，提供加权分布的扇形信号而形成。在上述两种情况中利用的多输入的加权，是在-78.5°下与具有-1.5dB输入扇形信号的波束2L相关的波束形成矩阵输入，在+78.5°下与具有0.0dB输入扇形信号的波束1L相关的波束形成矩阵输入，在+78.5°下与具有0.0dB输入扇形信号的波束1R相关的波束形成矩阵输入，以及在-78.5°下与具有-1.5dB输入扇形信号的波束2R相关的波束形成矩阵输入。
如以上题为“System and Method Providing Delays for CDMANulling”的参考专利申请所述，图8的辐射图说明在产生合成天线波束中多天线板的使用。因此，图8的合成辐射图是由在第一天线阵的输入中的多个输入，和第二天线阵的一个输入，以加权分布提供扇形信号而形成，第二天线阵安排提供和第一天线阵的覆盖大体不重叠的邻接覆盖。特别是，辐射图801是在第一天线阵100的输入中的多个输入，以及在第二天线阵100的输入中的单个输入，以加权分布提供一个扇形信号而形成，而辐射图810是在第一天线阵400的输入中的多个输入，以及在第二天线阵400的输入中的单个输入，以加权分布提供一个扇形信号而形成。在上述两种情况中利用的多输入的加权，关于第一天线板是在+78.50°下与具有-0.5dB输入扇形信号的波束1L相关的波束形成矩阵输入，在+78.75°下与具有-0.5dB输入扇形信号的波束1R相关的波束形成矩阵输入，以及在-78.50°下与具有0.0dB输入扇形信号的波束2R相关的波束形成矩阵输入，而关于第二天线板，是在-78.50°下与具有0.0dB输入扇形信号的波束2L相关的波束形成矩阵输入(然而如以上题为“System and Method Providing Delays forCDMA Nulling”的参考专利申请所示，当在第一与第二板之间设置延迟时，对于第二板的输入可以利用任何相位关系)。
虽然所示特定例子仅利用第二天线板的单输入，但是应该理解没有这样的限制。例如，如果希望，在利用根据本发明适应的天线提供合成希望扇形的合成辐射图时，可以利用第一板的2个输入和第二板的2个输入。而且，对这样使用的天线的数没有限制。例如，通过对3个天线阵的输入以适当加权提供扇形信号，使各天线阵适应提供120°弧形的辐射图，则利用本发明的天线，可以形成非常大的合成天线图，即360°扇形。
通过比较图7和图8的辐射图，可见与天线阵400的扇形图相关的反向散射比天线阵100得到大大地改进。因此，在本发明的天线的合成扇形波束中，具有较小范围，其中将会接收干扰信号或其他噪声。由于在允许希望尺寸的扇形合成中，本发明的这样天线特别有利，因此可根据需要例如改善中继方式来选择。而且，应该理解上述扇形合成同时提供，能够在本发明的天线所形成的离散窄天线波束之内提供信号。因此，本发明对于多通信方式同时提供非常希望的特点。
将会理解，虽然以上主要参考发射，即正向链信号，以及波束形成矩阵的“输入”和“输出”的使用进行了叙述，但是本发明适合用于正向链和反向链两种情况。因此，上述天线波束可以限定一个接收范围而不是辐射范围，并且因此，以上叙述为输入和输出的波束形成矩阵的接口，可以分别地反转为输出和输入。
虽然已经详细地叙述了本发明及其优点，但是这里应该理解，在不违反如附加权利要求所限定的本发明的精神和范围下，可以实现各种各样的变化、替代和变更。

Claims (53)

1.一种当至少第一天线波束以最大选择的第一角偏离天线垂射操纵时提供减小栅瓣电平的方法，所述方法包括步骤：
选择所述第一天线波束的操作属性，包括选择所述第一角和所述第一天线波束的波束宽度；
识别一种天线系统设计，该设计具有一个波束形成电路，和几个与其耦合的天线列，适合提供一种天线波束，它以比所述第一角大的第二角偏离所述天线垂射操纵；以及
用比所述天线系统设计的列间间隔小的列间间隔，配置所述几个天线列，同时保持所述波束形成电路不变，其中至少部分地选择所述列间间隔，以提供满足所述操作属性的天线波束。
2.权利要求1的方法，其中所述第一天线波束与第一通信方式相关，并且其中至少部分地选择所述列间间隔，以提供具有选择的特性的第二天线波束，它包括比所述第一天线波束较宽的波束宽度，其中所述第二天线波束与第二通信方式相关。
3.权利要求2的方法，其中所述第一通信方式是模拟蜂窝格式，而所述第二通信方式是数字蜂窝格式。
4.权利要求1的方法，其中所述第一角为45°，而所述波束宽度为30°。
5.权利要求4的方法，其中所述天线系统设计是八列平面阵，具有与其耦合的八乘八波束形成矩阵，以形成八个不重叠的天线波束。
6.权利要求5的方法，其中所述列间间隔在0.25λ至0.35λ的范围之内。
7.权利要求5的方法，其中所述列间间隔是0.27λ。
8.权利要求1的方法，其中所述波束形成电路是一个自适应波束形成电路，在所述第一角与一个小于所述第一角偏离所述天线垂射的角之间，提供所述第一天线波束的适当操纵。
9.权利要求1的方法，还包括步骤：
在所述列的一些列中配置天线单元，以与所述多列的内列比较，对所述多列的外列提供减小的长度。
10.权利要求9的方法，其中所述配置天线单元的步骤包括：
在所述外列的架空线总线中，引入一种电介质。
11.权利要求1的方法，还包括步骤：
在所述列的一些列中配置天线单元，以在所述列之间提供极化分集。
12.权利要求1的方法，其中所述不变的波束形成电路是一个具有多个天线波束接口的波束形成矩阵，其第一接口与所述第一天线波束耦合，而其第二接口与以所述第二角操纵偏离所述天线垂射的所述天线波束相关，其中所述第二接口不作配置使用。
13.一种天线系统，当至少第一天线波束以最大选择的第一角操纵偏离天线垂射时，适应提供减小的栅瓣电平，所述系统包括：
波束形成电路，具有至少一个与所述第一天线波束相关的A接口，和多个B接口，它具有多个与其相关的相位级数，其中所述多个相位级数的第一相位级数与所述第一角相关；和
多个激励单元，各与所述B接口中的一个耦合，其中所述多个相位级数符合形成比所述第一天线波束较窄的天线波束，并且至少一个天线波束以比所述第一角大的第二角操纵偏离天线垂射，并且其中与所述B接口中不同接口耦合的多个激励天线单元，各自与所述B接口中不同接口耦合的多个激励天线单元的邻接单元隔开一个距离，该距离确定为使用所述第一相位级数，对所述第一天线波束提供选择的波束宽度。
14.权利要求13的系统，其中所述波束形成电路包括：
一个波束形成矩阵，具有包括所述至少一个A接口的多个A接口，所述波束形成矩阵是这样的矩阵，其中所述多个A接口和所述多个B接口的数目相同。
15.权利要求14的系统，其中所述多个A接口的至少一个第二接口与一个以所述第二角操作偏离天线垂射的第二天线波束相关。
16.权利要求15的系统，其中所述第二接口不用于形成所述天线系统的天线波束。
17.权利要求14的系统，其中所述波束形成矩阵是巴特勒矩阵。
18.权利要求15的系统，其中所述A接口数和所述B接口数是八，并且其中四个A接口不被所述天线系统的天线波束使用。
19.权利要求13的系统，其中所述波束形成电路包括：
一个自适应波束形成电路，对所述第一天线波束提供可调节操纵。
20.权利要求13的系统，其中所述多个激励天线单元包括：
多列天线单元，各包括相同数的个别天线单元，各所述多列与所述B接口中的一个不同接口耦合，其中安排在所述天线系统边沿的各列，与安排在从所述天线系统边沿的各列向所述天线系统中间趋近的各列比较，尺寸缩短。
21.权利要求20的系统，其中所述天线列通过一个架空线总线与所述B接口耦合，并且其中安排在所述天线系统的所述边沿的所述列包括一种电介质，安排在所述架空线总线中。
22.权利要求20的系统，其中从0.25λ到0.35λ的范围内，选择所述相邻激励天线单元隔开的所述距离。
23.权利要求22的系统，其中所述多列是八列，并且所述第一角为45°。
24.权利要求13的系统，其中至少部分地选择所述相邻激励天线单元隔开的所述距离，以允许所述第一天线波束以所述第一角操纵，并且具有选择的波束宽度。
25.权利要求24的系统，其中同样至少部分地选择所述相邻激励天线单元隔开的所述距离，以允许形成具有选择的特性的天线波束，它提供比所述第一天线波束大的波束宽度。
26.权利要求25的系统，其中比所述第一天线波束大的所述天线波束是合成扇形。
27.权利要求25的系统，还包括：
与所述第一天线波束相关的第一通信方式；和
与大于所述第一天线波束的所述天线波束相关的第二通信方式。
28.权利要求27的系统，其中所述第一通信方式是模拟蜂窝电话通信方式，而所述第二通信方式是数字蜂窝电话通信方式。
29.权利要求13的系统，其中所述A接口是所述波束形成电路的信号输入，而所述多个B接口是所述波束形成电路的信号输出。
30.权利要求13的系统，其中所述A接口是所述波束形成电路的信号输出，而所述多个B接口是所述波束形成电路的信号输入。
31.一种提供具有选择的天线波束特性的多波束天线的方法，所述方法包括步骤：
选择与所述多波束天线相关的天线波束的数，其中所述数是2n；
选择所述天线波束的操作属性，包括选择最大扫描角和波束宽度；
以预定布置设置2n+1天线列，其中各天线列与任何相邻天线列等距离隔开；以及
使一个波束形成矩阵与所述天线列耦合，所述波束形成矩阵具有与天线波束信号相关的第一组接口，和与所述天线波束信号的相位级数相关的第二组接口，其中所述第二组接口各与所述天线列的不同列耦合，其中至少部分地选择所述列间隔，以对所述天线波束提供所述选择的操作属性。
32.权利要求31的方法，其中所述波束形成矩阵是2n+1×2n+1巴特勒矩阵。
33.权利要求31的方法，还包括步骤：
使所述天线列中的至少一列比所述天线列中的其它列纵向缩短。
34.权利要求33的方法，其中所述天线列的各天线列其中包括相同数的天线单元。
35.权利要求34的方法，其中所述天线单元的数是4。
36.权利要求33的方法，其中所述缩短步骤包括：
在所述天线列的所述缩短列的供给通路中，布置一种电介质材料。
37.权利要求31的方法，其中所述数n是2。
38.权利要求37的方法，其中所述列间隔包含在0.25λ至0.35λ之间。
39.权利要求37的方法，其中至少部分地选择所述列间隔，以当对所述第一组接口中的多个接口提供相同天线波束信号时，提供具有选择的属性的天线波束。
40.权利要求39的方法，其中提供给所述第一组接口的所述多个接口的所述相同天线波束信号，在所述第一组接口的所述多个接口的接口处不同地加权。
41.权利要求39的方法，其中对所述第一组接口的个别接口，提供第一方式的通信信号，而对所述第一组接口的所述多个接口，提供第二方式的通信信号。
42.权利要求41的方法，其中所述第一通信方式是AMPS型通信格式，而所述第二通信方式是CDMA型通信格式。
43.权利要求31的方法，还包括步骤：
终止所述第一组接口的2n+1-2n接口。
44.一种多波束天线系统，具有与所述多波束的外波束相关的减小的栅瓣电平，所述系统包括：
2n个天线波束，具有选择的操作属性，包括最大扫描角和相同的选择的波束宽度；
2n+1个天线列，以预定布置安排，其中各天线列与任何相邻天线列等距离地隔开，间隔确定为对所述天线波束提供所述操作属性；和
一个波束形成矩阵，与所述天线列耦合，具有与天线波束信号相关的第一组接口，和与所述天线波束信号的相位级数相关的第二组接口，其中第二组接口各与所述天线列的不同列耦合。
45.权利要求44的系统，其中所述波束形成矩阵是2n+1×2n+1巴特勒矩阵。
46.权利要求44的系统，其中所述天线列的至少一列比所述天线列的其它列短。
47.权利要求46的系统，其中所述天线列的各天线列其中包括相同数的天线单元。
48.权利要求46的系统，其中所述较短天线列包括一种电介质材料，安排在所述天线列的所述缩短列的供给通路中。
49.权利要求44的系统，其中所述数是2。
50.权利要求49的系统，其中所述列间隔包含在0.25λ至0.35λ之间。
51.权利要求49的系统，其中所述列间隔是0.27λ。
52.权利要求49的系统，其中同样确定所述列间隔，以当对所述第一组接口的多个接口提供相同的天线波束信号时，提供具有选择的属性的天线波束。
53.权利要求52的系统，其中对所述第一组接口的个别接口，提供第一方式的通信信号，而对所述第一组接口的所述多个接口，提供第二方式的通信信号。
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