CN1150662C - 天线孔径可任意利用的集成发射/接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线装置和系统设计，形成模块公共天线表面，该模块公共天线表面具有用于发射和接收的各种表面部分以及在同一公共天线表面中集成的发射和接收，这些各种表面部分形成了无源或有源阵列用于发射或接收。另外，模块公共天线表面中重叠的表面部分分别构成了单独的发射和接收阵列部分，它们共享总的孔径，模块公共天线表面产生至少一个极化平面用于发射以及通常两个正交极化平面用于接收，以实现极化分集接收。另外，根据本发明装置和系统的天线表面一般形成一个包含大量发射和/或接收辐射单元的微带模块阵列，和包括形成天线孔径的单独单元的一个或几个列，该列和/或多个列又在分别具有集成功率放大器和/或低噪声放大器(LNA)的优选设计中。

Description

天线孔径可任意利用的集成发射/接收天线
技术领域
本发明涉及一个天线装置和一种天线系统，而更准确地讲，涉及在极化分集合并中带有可任意利用的孔径的有源发射/接收阵列天线。
背景技术
现在在市场上可以发现用于无线发射和接收的不同应用领域的几种天线和天线系统设计，例如卫星通信，雷达安装或移动电话网络。在本文中，当使用微波频率范围时，对用于例如服务移动或手持电话的基站天线的设计特别感兴趣。
带有源天线的现有基站通常具有发射和接收的分开的天线。对于发射，通常每个射频信道都有一个阵列天线，这样做的原因是由于消除交调效应的缘故单载波功率放大器(SCPA)能够制造得比多载波功率放大器(MCPA)具有明显高的效率。对频率范围内所有不同信道的接收一般使用两个分开的阵列天线以获得分集。该接收阵列天线被分开数个波长以减少衰落的影响(也称为空间分集)。图1显示了用于具有三个载波频率的扇区的典型天线设计。所有单独阵列天线，对于接收和发射两者一样，在此呈现具有相等尺寸。
文件W095/34102公开了在移动无线电通信系统中应用的阵列天线。该天线包括带有至少两行和两列微带贴片的矩阵的一个微带天线阵列。另外提供多个放大器，其中每个用于发射的功率放大器或每个用于接收的低噪声放大器都连接到微带贴片的不同列上。最后，波束成形器连接到每个放大器用于确定由微带贴片列产生的窄水平天线波瓣的方向和形状。
另一个文件美国专利申请5510803公开了一种基于分层结构的双极化平板微波天线，该天线具有固定的和不能改变的孔径应用。该天线可以理解为两个固定的、重叠的、单极化天线。
第三个文件EP-A1-0600799公开了用于可变极化合成的一种有源天线。往往用于雷达的该天线利用带一或两位相位控制的混合耦合器，其加入了允许线性正交极化或圆极化合成的0°，90°或180°的相位差。这预示了通过切换装置该天线可以应用于发射或接收。
在应用领域，要求和需要设计和实现具有平衡链路预算例如用于移动通信的紧凑基站天线装置和系统。
发明内容
用于微波基站的大量现有技术天线构成了相对大和因而昂贵的设计。通过例如集成发射和接收并且在相同天线表面同时获得极化分集接收的适当新方法能够减少设计尺寸。
根据本发明的一个方面，提供一个天线装置，用于工作在微波频率范围内的微波无线通信系统，以形成一个天线组合，该组合包括至少一个有源阵列天线，其特征在于：所述天线装置使用一种设计，该设计形成了具有用于发射和接收的各种表面部分的、以及在所述天线装置的相同总的天线表面内集成发射与接收的一个模块公共天线表面，而所述各种表面部分形成了或是用于发射的或是用于极化分集接收的有源阵列，以及其中该天线波瓣特征可通过有选择地利用该模块表面的多个部分来被修改。
根据本发明的另一个方面，提供一个天线系统，用于工作在微波频率范围内的无线通信，该系统包括至少一个有源阵列天线，其特征在于：
所述系统利用一种天线装置设计，而该天线装置设计形成了具有用于发射和接收的各种表面部分的、和在相同总天线表面内集成发射和接收的模块公共天线表面，各种表面部分形成了或是用于发射的或是用于极化分集接收的有源阵列，以及其中该天线波瓣特征可通过有选择地利用该模块表面的多个部分来被修改。
本发明公开了一种技术设计方案，该设计方案形成了具有用于发射和接收信号的各种表面部分的一个模块公共天线表面以及由此在同一公共天线表面中集成的发射和接收，这些各种表面部分形成了用于发射的或用于接收的有源阵列。这种模块公共天线表面中重叠的表面部分又分别构成了单独的发射和接收阵列部分，它们共用总的孔径，该模块公共天线表面产生了至少一个用于发射的极化状态和通常两个用于接收的正交极化状态，以实现用于接收的极化分集。
根据本发明的另一个实施例，天线表面通常形成例如包含大量用于发射和/或接收的辐射单元的微带模块阵列，并包括一个或多个形成天线孔径的单独单元的列，该列和/或多列可以分别集成功率放大器和/或低噪声放大器(LNA)。
对于本领域技术人员，明显地，除了微带天线外，能够使用几种其它双极化天线单元，例如交叉对称振子、环行狭缝、馈源喇叭等。
附图说明
由结合下列附图给出的本发明说明书，上述的本发明目的、特征和优点将变得明确，其中：
图1是用于三个频率信道的现有技术基站有源天线设计的例子；
图2a-d说明了基本上涵盖了本发明的用于两个频率信道方案的四个改型设计；
图3a-e说明了利用具有集成发射和接收的微带技术的辐射单元实施例的例子；
图4表示根据本发明的例子，说明了具有四个辐射单元的一个有源天线设计，辐射单元被分成两个用于发射的天线子阵列；
图5说明了根据本发明的一个有源天线，该天线具有八个辐射单元和整个阵列用于发射并接收；
图6说明了根据本发明的一个有源天线，该天线具有十个辐射单元，左列被分成两个发射天线子阵列和整个右列用作极化分集接收；
图7说明了根据本发明的一个有源天线，该天线具有两列中的十个辐射单元，它们用于发射和接收；
图8说明了根据本发明的一个有源天线，该天线具有两列中的十个辐射单元，左列被分成用于发射的两组，整个右列形成用于接收的一组，两列都分别具有集成功率放大器和LNA；和
图9说明了根据本发明的一个用于发射的天线设计，带有用于不同频率的任意数量的部分重叠孔径。
具体实施方式
本发明公开了一个天线装置和系统的模块结构，具有在相同或分开的天线表面内集成发射和接收。在图2中说明了两频率信道设计的四个例子用于基本概念的简单说明。在图2的所有不同例子中，天线阵列中的列的整个表面被用于接收，通过信号RxA和RxB应用极化分集，而它可以作为一个完整的表面部分使用或被分成了用于每个频率信道Tx1和Tx2的发射的几个部分。在例子2a中该列的整个表面被用于RxA和RxB，而它被分成两个部分分别用于Tx1和Tx2。例子2b说明了一个情况，其中Tx1/Tx2/RxA/RxB共用整列表面。例子2c说明了使用两个列的一种结构，由此第一列分成用于Tx1和Tx2的两个相等部分，而RxA和RxB共用第二列的完整表面。这样，在某些情况中，功能被分配到两个天线表面上。随后，图2d的例子说明了第四改型，其中Tx1/RxA共用整个第一列和Tx2/RxB共用第二列。因此，这种构造方式非常灵活，而且用于上行和下行链路的资金预算就可以分开优化并达到预算平衡。
发射发生在至少一个极化状态，但是接收总是发生在两个极化状态。能够使用许多双极化天线单元，但是在本文中最适合的天线类型是微带天线。在图3中表示了具有多于一个极化状态用于发射(90度或45度)和用于接收(90度和0度或+45度和-45度)的辐射单元的例子。
图3说明了与微带天线阵列一起使用的大量不同单元设计。图3a表示了一个设计，其中微带模块的天线表面将产生一组带有极化状态0°接收信号RxA和另一组带有极化状态90°接收信号RxB。另外，通过环行器或双工滤波器馈送极化90°的发射信号，也输出RxB接收信号。以类似方式，图3b说明了一个设计，带有45度的发射极化和用于接收极化分集的+45或-45度极化的接收信号。
图3c说明了又一个带有相应微带模块(单元)的设计，用于通过两个环行器或双工滤波器发射90°极化的Tx，其也从微带阵列模块输出用于RxA的接收45°极化和另一个用于RxB的接收-45°极化。
图3d说明了直接用于45°极化的Tx和-45°极化的Rx的微带模块的使用。最后，图3e显示了带有两个环行器或双工滤波器的微带模块的组合，一个第一环行器馈送45°极化的Tx1到天线并输出45°极化接收的信号RxA，和一个第二环行器馈送-45°极化的Tx2到天线并输出-45°极化接收的信号RxB。
在所有上述例子中都使用线性极化。可是，能够以公知的方式将两个正交线性极化合并，例如用3dB混合，以形成两个正交圆极化。这样，很明显，本发明不仅限于线性极化，而将同样好地工作在任意的极化状态。
微带模块既可以是带有分布在模块中的放大器模块的有源的，也可以是具有一个中心放大器。后者情况的缺点是天线分配器或组合器中的损耗将减少天线增益。通过在分支网络和天线单元之间安放放大器模块能避免这种情况。
在图4中的实施例说明了具有四个辐射单元的列和用于发射的分布式放大器。发射产生使用两个不同频率信道的90°极化，而使用0°和90°极化执行接收。通过用于Tx1和Tx2分配器分别馈电两个辐射单元的两个阵列，后面是用90°发射极化的每个辐射单元的功率放大器或双工滤波器。来自双工滤波器用90°极化的四个接收输出在第一组合器中被合并用于RxA，后面是-LNA馈电适当的接收机。整列也具有在第二组合器中被合并用于RxB0°极化的四个输出，后面是输出所接收的0°极化信号到接收机的第二LNA。
在图5中显示了根据本发明的另一个实施例，该图说明了在一列中具有八个辐射单元的有源天线。在此整个阵列用于两个频率信道的发射和相应的接收信道。45°极化的发射信号Tx1在第一分配器中分开，其通过四个最好是集成功率放大器越过第一组的四个对应的双工滤波器向辐射单元的各自两单元阵列馈电。第一组的四个相应的双工滤波器也向第一组合器输出信号，该组合器用于接收信号RxA和通过第一LNA输送45°极化合并信号。类似地，-45°极化的发射信号Tx2在第二分配器中被分开，其通过四个最好是集成功率放大器越过第二组四个对应的双工滤波器向辐射单元的各自两单元阵列馈电。这四个双工滤波器的第二组也向第二组合器输出信号，该组合器用于接收信号RxB和通过第二LNA输送-45°极化合并信号。图5的实施例也对应于图2b。
根据本发明的模块天线设计的另一个实施例在图6中显示，该图说明了具有两列中的五个辐射单元的有源天线。左列被分成包括两个辐射单元的第一天线子阵列和包括三个辐射单元的第二天线子阵列。第一和第二天线子阵列通过第一和第二分配器馈电，分别用于发射信道Tx1和Tx2。Tx1和Tx2代表垂直极化的辐射，即90°。左天线列中的每个辐射单元通过其自己的通常集成功率放大器馈电。如同前面所讨论的右天线单元列的辐射单元被转动45°以获得信号RxA的+45°和信号RxB的-45°极化分集接收。通过向第一LNA馈电的第一接收组合器得到+45°的RxA，所有这些最好与天线结构集成起来。对应地随后通过向第二LNA馈电的第二接收组合器得到-45°的RxA。图6的实施例也对应图2c。
在图7中显示根据本发明的模块天线设计的另一个实施例，该图说明了一个两列中具有五个辐射单元的有源天线。图7的实施例对应例如图2d。左列被分成包括两个辐射单元的第一天线子阵列、包括一个辐射单元的第二天线子阵列和包括二个辐射单元的第三天线子阵列。通过第二和第三分配器对第一和第三天线子阵列馈电，其依次由第一分配器馈电，其也对包含一个单一辐射单元的第二天线小组直接馈电。左辐射单元列以+45°极化发射信号Tx1。左天线列也经过五个输入端口组合器分配45°极化的接收信号RxB，该组合器具有在输出端口用于信号RxB的公共LNA。右列以完全相似的方式设计用于产生-45°极化的发射信号Tx2和+45°极化的接收信号RxA。
在图8中显示根据本发明的模块天线设计的另一个实施例，该图说明了一个两列中具有十个辐射单元的有源天线。图8的实施例也对应如图2c和图6中公开的实施例。可是，在图8中说明了一个例子具有用于发射的分布功率放大器，但也具有分别用于-45°和+45°极化的两个极化分集信道RxA和RxB的接收的低噪声放大器。换句话说，构成右天线列的五个天线单元的每个分别具有自己的用于-45°和+45°极化的LNA。用于各自接收极化的五个LNA在相应的第一和第二组合器中合并，依次输出合并的RxA和RxB信号。
最后，图9显示了具有用于不同频率的大量部分重叠孔径的天线设计的例图。在图9中只显示了两个重叠的发射表面，但重叠表面的数量根据本发明可以任意选择。在图9中有效全向辐射功率(EIRP)被定义为每个子阵列的单独输入功率Px与增益Gx的乘积，其中下标x代表各个发射阵列表面的编号。如所见，两个编号2和5的表面相互部分重叠。当利用重叠孔径时，有关的发射频率必须具有正交极化。接收将以上面描述相同的方式集成在相同天线表面内，即整个天线表面或部分天线表面将被用来以两个正交极化状态接收信号。也注意到，将总天线表面分割为发射子阵列不必要对应于接收分割成子阵列，但可以包括总表面和重叠表面的不同分布。
另外，组合器和/或分配器的不同配置可以用于在不同实施例中连接单独的辐射单元或辐射单元组，作为例如影响或减少旁瓣和/或波束方向的一种方法。
对于本领域技术人员，本发明的分布放大器也提供应用每个单独分布放大器的可变相位偏移，根据现有技术，由此在仰角方向控制用于发射和接收的辐射波瓣(电波倾斜)的可能性是很明显的。这样连接的另一个优点是在一个放大器失灵或更多放大器失灵的更坏情况下，控制每个放大器模块的相位意味着它仍可能优化辐射图。
这样，根据本发明的设计的优点是多样的。将实现方便的模块组合。另一个优点是通过放大器的数量和/或孔径部分的尺寸的选择实现针对EIRP和功率输出的大的灵活性。由于可以利用单一频率放大器的效率而不受常规技术中合并损耗的影响，也将获得高发射效率。因为几个放大器并联用于一个和相同信道，也实现了容错设计。该设计提供用于发射的至少一个极化和用于接收的两个正交极化以获得极化分集。另外，根据本发明的该设计提供了用于发射和接收的总天线表面的选择使用和在相同天线表面集成的发射和接收。总之，根据本发明的该设计提供了天线系统的非常通用的模块设计，例如用于移动远程通信网络的基站中。
通过描述大量说明性实施例介绍了本发明。在所公开的实施例中显示了少量的单独辐射单元，但是当然可以使用其它数量的辐射单元、功率放大器、低噪声放大器和分配器及组合器。对本领域技术人员来说，所公开的通用模块天线可以用许多方式改变是显而易见的。这改变不会背离本发明的精神和范围，并且对本领域技术人员来说所有这些修改是计划中的都将包括在下列权利要求的精神和范围内。

Claims (11)

1.一个天线装置，用于工作在微波频率范围内的微波无线通信系统，该天线装置包括至少一个有源阵列天线，其特征在于：所述天线装置使用一个模块公共天线表面，该模块公共天线表面具有用于发射和接收以及在所述天线装置的相同的总的天线表面内集成发射与接收的各种表面部分，而所述各种表面部分形成了或是用于发射的或是用于极化分集接收的有源阵列，以及其中该天线波瓣特征可通过有选择地利用该模块表面的天线表面部分来被修改。
2.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：所述模块公共天线表面中的多个重叠的表面部分分别构成了多个发射阵列部分和多个接收阵列部分，它们共用一个总孔径。
3.根据权利要求2的天线装置，其特征在于：所述天线装置产生了至少一个用于发射的极化状态和两个用于接收的正交极化状态。
4.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：从所述模块公共天线表面中发射阵列部分所发射的信号的极化是以+45°或-45°平面方向线性的。
5.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：从所述模块公共天线表面中发射阵列部分所发射的信号的极化是线性的和垂直的。
6.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：单一载波功率放大器用于所述模块公共天线表面的发射部分，而在阵列表面中的至少一个辐射单元是由这一单一频率放大器所馈电的。
7.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：在所述模块公共天线表面的接收阵列部分中使用低噪声放大器，而在阵列表面中的至少一个接收单元将对这一低噪声放大器馈电。
8.根据权利要求6的天线装置，其特征在于：用于该模块公共天线表面中的辐射单元的单一频率放大器的总数被选择来优化有效全向辐射功率。
9.根据权利要求6的天线装置，其特征在于：用于该模块公共天线表面中的辐射单元的单一频率放大器的总数是基于故障容限来被选择的。
10.根据权利要求7的天线装置，其特征在于：用于输出由该模块公共天线表面的单个阵列单元所组合出的接收信号的低噪声放大器的总数被选择来优化接收机敏感度。
11.根据权利要求7的天线装置，其特征在于：用于输出由该模块公共天线表面的单个阵列单元所组合出的接收信号的低噪声放大器总数是基于故障容限来被选择的。
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