CN1150498A - 微带天线阵列 - Google Patents

Abstract

在带有至少一个基站和至少一个移动台的移动无线通信系统中的为基站所使用的天线被公开揭示。该天线包括微带天线阵列，它具有至少带有两列和两行的微带贴片矩阵。此外，还配有多个放大器，其中每个功率放大器连接到不同列的微带贴片。最后，波束形成器被连接到每个功率放大器，以确定由微带贴片列所产生的窄天线波束的方向和形状。

Description

微带天线阵列

发明领域

本发明涉及用于蜂窝通信系统基站的天线，更具体地涉及微带天线阵列，它通过增加天线增益和通过减少干扰问题改善基站性能。

发明背景

蜂窝通信工业已在美国和世界的其它地区的商业经营上取得了非凡的进展。蜂窝通信的用户数目在主要城市地区已远远超过预期结果并将超过系统容量。如果这个趋势继续下去，即使在最小的市场上，快速增长的效果将很快达到。因此需要有创新的解决办法来满足这些增长的容量需求以及保持高质量的服务和避免提高价格。而且，当蜂窝通信用户数目增加时，与共信道干扰有关的问题变得越来越重要。

图1显示了在典型的蜂窝移动无线通信系统中的十个蜂窝区C1-C10。通常，蜂窝移动无线系统将以十个以上的蜂窝区来实施。然而，为了简单起见，本发明可藉使用图1所示的简化表示来加以说明。对于每个蜂窝区，C1-C10，有一个基站B1-B10，它具有和相应的蜂窝区同样的参考号码。图1显示了位于蜂窝区中心附近的，且具有全方向性天线的基站。

图1也显示了九个移动台M1-M9，它们可在蜂窝区内移动，并从一个蜂窝区移动到另一个蜂窝区。在典型的蜂窝无线系统中，通常将有多于九个的蜂窝移动台。事实上，具有的移动台的数目典型地为具有的基站数目的许多倍。然而，为了说明本发明的目的，减少数目的移动台是足够的。

在图1上也显示了移动交换中心MSC。图1上所示的移动交换中心MSC通过电缆被连接到所有十个基站B1-B10。移动交换中心MSC也通过电缆连接到固定交换电话网或类似的固定网。在图上未示出从移动交换中心MSC到基站B1-B10的所有电缆和从MSC到固定网的电缆。

除了图上所示的移动交换中心MSC以外，还可以有另一个移动交换中心，它通过电缆连接到除图1所示基站以外的基站。除了电缆，也可使用其它装置，例如，固定的无线链路，来把基站连接到移动交换中心。移动交换中心MSC、基站和移动台都是计算机控制的。

在传统的蜂窝移动无线系统中，如图1所示，每个基站具有全方向性的或定向性的天线，用来把信号广播到基站所覆盖的区域。因此，把给特定移动台的信号广播到全部覆盖区域，而不管该移动台的相对位置。在基站中，发射机可以对每个载频有一个功率放大器。放大的信号被组合并连接到一个共用的天线，它具有宽的方位波束，例如覆盖120°或360°。由于共用天线的宽波束，天线增益较低，而且没有空间选择性，这就引起干扰问题。

最新的技术集中在使用适合于放大由几个载频的组合信号的线性功率放大器，然后它再把组合信号馈送到也具有宽方位波束的共用天线。然而，这些系统也遇到干扰问题。图2显示了微带天线，它是已开发的另一种天线类型。基本地，微带天线由形成在介质基片12上的导电贴片10和与贴片10隔一定距离的接地面14组成。接地面可以做在基片12的反面，或者贴片和接地面之间的间隔可全部或部分地填充以空气、泡沫材料或某些其它介质材料。通过使用熟知的带线工艺，天线单元可在敷铜板上被光刻而成。多个单元可位于同一个敷铜层上。单元可由与单元在同一层上的或在另一层上的连接线16的馈电网络进行串馈，并馈或两者兼有。微带天线的频率和阻抗特性是天线尺寸、输入馈电位置和基片介电常数的函数。另外，天线的极化灵敏度可以是垂直的、或水平的或两者兼有的，取决于导电贴片10的布置。然后，由于微带天线固有的窄工作频带特性，它们的使用一直受到限制。微带天线单元只有相当窄的带宽，典型地为2％-5％。较宽的频带的覆盖可通过使用堆叠单元或缝隙耦合单元来达到。

在试图减小接收信号的衰落变化时，今天的基站使用空间分集，其中两个接收天线典型地间隔20或30个波长。然而，今天所使用的接收机分集采用窄波束高增益天线是不太有吸引力的，因为这些天线更昂贵，尺寸更大，引起了观瞻问题和安装问题。

发明概要

本发明的一个目的是通过增加基站天线增益同时减小干扰问题来改善基站的性能。本发明的另一个目的是使线性功率放大器技术可供使用于基站。本发明的再一个目的是提供在基站的极化分集，它可，例如，替代空间分集设备。

按照本发明的一个实施例，揭示了在带有至少一个基站和至少一个移动台的移动无线通信系统中为基站所使用的天线。该天线包括微带天线阵列，它是至少带有两列和两行的微带贴片矩阵。另外，还配有多个放大器，其中每个功率放大器连接到微带贴片的不同的列。最后，波束形成装置被连接到每个功率放大器以确定由微带贴片列所产生的窄天线波束的方向和形状。

按照本发明的另一个实施例，揭示了为基站和移动无线通信系统所使用的天线。该天线包括微带天线阵列，它包括至少带有两列和两行的微带贴片矩阵。多个低噪声放大器用来对由微带天线阵列接收的信号进行滤波和放大，其中每个低噪声放大器连接到微带贴片的不同的列。波束形成装置被连接到每个低噪声放大器，以确定由微带贴片列所产生的窄天线波束的方向和形状。

附图简述

本发明的以上的和进一步的目的以及新颖的特性可从结合附图所作的以下的描述充分显现出来。然而，应当明白，附图只是用于说明的目的，而并不是想要规定本发明的界限。

图1显示具有蜂窝区、移动交换中心、基站和移动台的蜂窝移动通信系统的一部分。

图2显示了微带天线。

图3显示按照本发明的一个实施例的微带天线阵列。

图4显示按照本发明的另一个实施例的另一个微带天线阵列。

图5显示了按照本发明的另一个实施例的另一个微带天线阵列。

图6显示了按照本发明的另一个实施例的另一个微带天线阵列。

本发明内容的详细描述

本发明主要打算用于蜂窝通信系统的基站，虽然对于本领域的技术人员将会明白，本发明可被用于其它各种不同的通信应用。

按照本发明的一个实施例，如图3所示，微带天线阵列可被用来增加来自基站的信号的增益而同时降低贯穿系统的干扰。天线阵列30由形成在共用接地面34上面的微带贴片阵列32组成。每一列上的单元由连接线40进行并联、串联或者两者兼有。虽然图3显示了六列四行的贴片，但对于本领域的技术人员将会明白，天线阵列可由任意多个列和行的贴片组成。每列贴片在发射方向时被连到不同的功率放大器36，而在接收方向时被连到不同的低噪声放大器42、如图4所示。另外，每列贴片在发射方向时也可被连接到多个功率放大器，和在相反方向时可被连接到多个低噪声放大器。而且，这些贴片列也可被连接到线性功率放大器。功率放大器和低噪声放大器被连接到波束形成装置38，它产生具有以想要的方向上的想要形状的天线波束。天线阵列可产生多个窄的方位波束，其中天线波束的方向和形状在波束形成装置38中由在不同列之间的信号幅度和相位关系来确定。从而，基站可使用具有高增益的窄波束在基站覆盖区域内广播并接收来自移动台的信号。

另一个重要考虑是希望压缩每个天线波束的副瓣。波束成形可以以不同的方式来实现，例如数字波束成形、模拟波束成形或藉波束成形矩阵例如Butler矩阵来形成。模拟波束形成器通过引入与频率无关的时延来操纵波束，而数字波束成形通常包括相位延滞，它在一个工作频率上等效于时延。

数字波束成形系统通常对每个单元有一个比较简单的接收机，它把频率下变频为I和Q(同相和正交)信道供A/D变换器使用。实时的波束成形藉助于在相乘/累加积分电路中把这些复数样本组与适当的权因子相乘来进行。阵列输出由下式构成：

其中V_n＝来自第n信道的复数信号

W_n＝权因子

e^{-j2πn(d/λ)sinθ}＝操纵的相移，以及

C_n＝校正因子因为几个原因，校正可能是必须的。这些原因包括单元的位置误差，温度效应以及在阵列中间的那些单元和在边缘处的那些单元之间的性能上的差别。

因此，藉助于成形和定向窄天线波束，通过使用同一个天线，多个窄波束可被用来同时覆盖一个大的扇区。本发明可使用自适应算法，以便为天线选择最可行的权函数。一种这样的自适应算法被公开揭示于美国专利申请No.08/95224，1994年2月10日提交，此处引用以供参考。

在天线阵列中，每列中的贴片是同极化的。极化可以是垂直的或水平的，或者是带有两个正交极化分量的双极化。两个正交分量可以是，例如，垂直和水平分量或对角极化分量。在同时的双极化中，两个正交极化信号对于每列可被分开组合，并被连接到射频单元的分开的信道。组合信号的步骤可使用任何的已知组合方案，例如，选择分集、最大比值组合等。然后，在发射和接收方向时，任意的椭圆极化状态都可得到。由于衰落变化对于两个正交极化是独立的，因此极化分集可被用来取得进一步压缩干扰源和减少衰落变化的可能性。这将去除使用空间分集的必要性。而且，由于分布功率放大时的高天线增益，本发明减小了来自每个功率放大器的运行的功率电平，因而放松了对线性功率放大器技术的要求。

该系统也可有如图5和6所示的替代的放大器和波束形成装置。放大器放大在信道中相应于特定天线波束的信号，其中波束的形状和方向由在该时刻波束成形装置权因子来确定。代替的系统具有这样的优点，独立信道不需要相关放大器。另外，由于每个放大器只和一特定信道有关，放大器的失效检测就很容易。而且，藉助于把放大器放置在天线单元和波束形成装置之间，波束形成装置中的系统损耗被减小，输出功率电平由于分布功率放大也被减小以及存在当放大器出现故障时系统性能适度降级的可能性。

对于本领域的技术人员将可看到，本发明可以以其它具体形式被体现而不背离本发明的精神和中心思想。因此，目前所揭示的实施例可被看作为在所有方面都是示意性的而非限制性的。本发明的范围由附加的权利要求来表示而不是由以上的描述来限制，而且在本发明的等价物的意义和范围内所作的所有改变也打算被包括在权利要求内。

Claims (30)

1.在带有至少一个基站和至少一个移动台的移动无线通信系统中为基站所使用的天线，包括：

微带天线阵列，它包括带有至少两列和两行的微带贴片矩阵；

多个功率放大器，其中至少一个功率放大器被连接到所述微带贴片的每一列；以及

波束形成装置，被连接到每个功率放大器以确定由微带贴片列所产生的窄天线波束的方向和形状。

2.按照权利要求1的天线，其中所述微带贴片具有垂直极化。

3.按照权利要求1的天线，其中所述微带贴片具有水平极化。

4.按照权利要求1的天线，其中至少一个所述微带贴片同时具有两个正交的极化。

5.按照权利要求4的天线，其中对于正交极化方向的所述信号被给予幅度关系和相对相移，  以便产生任意椭圆极化状态。

6.按照权利要求1的天线，其中至少一列微带贴片具有垂直极化和至少一列微带贴片具有水平极化。

7.按照权利要求1的天线，其中在每一列内的所述微带贴片为得到仰角方向图形状而逐渐变细。

8.按照权利要求1的天线，其中所述波束成形通过模拟波束形成实现。

9.按照权利要求1的天线，其中所述波束成形通过数字波束形成实现。

10.按照权利要求1的天线，其中所述波束成形通过波束形成矩阵实现。

11.按照权利要求10的天线，其中所述波束成形矩阵是Butler矩阵。

12.按照权利要求1的天线，其中每列所述微带贴片被连接到多个功率放大器。

13.在带有至少一个基站和至少一个移动台的移动无线通信系统中为基站所使用的天线，包括：

微带天线阵列，它包括带有至少两列和两行的微带贴片阵；

多个低噪声放大器，其中至少一个低噪声放大器被连接到所述微带贴片的每一列；以及

波束形成装置，被连接到每个低噪声放大器，以确定由微带贴片列所产生的窄天线波束的方向和形状。

14.按照权利要求13的天线，其中所述微带贴片具有垂直极化。

15.按照权利要求13的天线，其中所述微带贴片具有水平极化。

16.按照权利要求13的天线，其中至少一个所述微带贴片同时具有两个正交的极化。

17.按照权利要求16的天线，其中对于正交极化方向的信号被给予幅度关系和相对相移，以便产生任意椭圆极化状态。

18.按照权利要求13的天线，其中至少一列所述微带贴片具有垂直极化和至少一列微带贴片具有水平极化。

19.按照权利要求13的天线，其中在每一列内的所述微带贴片为得到仰角方向图形状而逐渐变细。

20.按照权利要求13的天线，其中所述波束成形通过模拟波束形成实现。

21.按照权利要求13的天线，其中所述波束成形通过数字波束形成实现。

22.按照权利要求13的天线，其中所述波束成形通过波束形成矩阵实现。

23.按照权利要求22的天线，其中所述波束形成矩阵是Butler矩阵。

24.按照权利要求13的天线，其中每列微带贴片被连接到多个低噪声放大器。

25.按照权利要求1的天线，其中所述天线阵列被用来发射和接收信号。

26.按照权利要求25的天线，其中所述天线阵列在同一个基片上具有用于发射和接收的分开的列。

27.按照权利要求13的天线，其中所述天线阵列被用来发射和接收信号。

28.按照权利要求27的天线，其中所述天线阵列在同一个基片上具有用于发射和接收的分开的列。

29.在带有至少一个基站和至少一个移动台的移动无线通信系统中为基站所使用的天线，包括：

微带天线阵列，它包括带有至少两列和两行的微带贴片矩阵；

波束形成装置，被连接到所述天线阵列的每一列，以确定由微带贴片列所产生的窄天线波束的方向和形状；以及

多个功率放大器，其中至少一个功率放大器被连接到所述波束成形装置的每个输出，以便放大特定的天线波束。

30.在带有至少一个基站和至少一个移动台的移动无线通信系统中为基站所使用的天线，包括：

微带天线阵列，它包括带有至少两列和两行的微带贴片矩阵；

波束形成装置，被连接到所述天线阵列的每一列，以确定由微带贴片列所产生的窄天线波束的方向和形状；以及

多个低噪声放大器，其中至少一个低噪声放大器被连接到所述波束形成装置的每个输出，以便放大特定的天线波束。

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