CN1153490C

CN1153490C - 电信台的可重新配置天线装置

Info

Publication number: CN1153490C
Application number: CNB011219653A
Authority: CN
Inventors: D��Ī�ٶ�; D·莫蒂尔
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: US6496157B1; EP1168499A1; CN1329447A; FR2810456B1; JP2002050991A; FR2810456A1

Abstract

一般地说，本发明涉及用于电信台的天线装置，后者能够发射或接收信号、并包括许多发射元件，这些发射元件以周期性排列的方式布置、并具有至少一种空间周期性。所述天线装置具有天线配置装置，后者适合于使所述空间周期性的值随发送条件而改变。具体地说，可以这样配置所述天线装置，以便它按照波束整形方式或按照空间分集方式工作。

Description

电信台的可重新配置天线装置

技术领域

一般来说，本发明涉及天线装置，该装置特别适用于电信台，更具体地说，它涉及包括发射元件周期性排列的天线装置。

背景技术

移动电话天线系统的最新发展揭示了对称作“智能”天线的日益增大的兴趣。这种天线包括一排单元天线，其间距小于或等于发射频率的半波长，它既可以用于发射也可以用于接收。根据不同环境，对单元天线的输入或输出信号进行相位偏移和加权，以便获得所需的辐射图。因此，例如装备基站的的智能天线可以产生指向移动终端方向的波束，和/或可以消除来自给定方向上的干扰。

还有已知的称作空间分集系统的移动电话系统，用于阻止由于多通路传播而引起的信号渐强。这些系统使用许多天线，通常隔开四至十倍发射频率的波长，利用的是这样一个事实：由间隔足够远的天线所接收的信号是去相关的。信号在多个通路上传播，直到第一天线(第一分集支路)产生相消干扰，在另一方面，这样的信号又可以在另一个天线(第二分集支路)上产生相长干扰。然后采用接收分集：例如，在给定时刻，选择产生最佳信噪比的分集支路(选择组合)，或者用等于所考虑的支路的复衰减系数的共轭复数的增益进行加权后，将各个不同的支路相加(最大比值组合)。

上述天线阵不能很好地处理空间分集功能，因为两个相邻天线所接收的信号通常没有充分去相关。于是可以考虑增加所述天线阵的间距，正如H.Yoshinaga等人在题为“带加宽间距天线振子的自适应阵天线的性能”一文中所提出的那样，该文刊登在VTC′99会议论文集第72-76页。但是，增加间距会不可避免地在辐射图中引入阵波瓣，从而削弱系统的空间选择性。

众所周知，移动电信系统采用不同的传输频率，在全球移动通信系统(GSM系统)中通常为900兆赫和1800兆赫，在将来使用的通用移动电信系统(UMTS系统)中为2千兆赫，在卫星移动电话中甚至采用更高的频率，大概为20-30千兆赫频带。正如已经看到的那样，由于天线阵被设计成用于给定频率，所以用于某一代移动电话的智能天线，在其下一代移动电话中都无法运行或运行极为不正常。对于每一代移动电话，运营商则必须为新设备负担相当高的费用。

发明内容

本发明的目的是提出一种智能天线，它不存在上述缺陷，也就是说，它允许波束整形和分集接收两种方式，并且易与新的移动电话相适应。

为此，根据本发明的天线装置包括许多发射元件，它们布置成周期性排列，并且至少有一种空间周期性，其特征在于它的天线配置装置适合于根据不同的发送条件来改变所述空间周期性的值。

根据本发明的第一特征，天线装置包括波束整形器，该波束整形器适合于利用送往发射元件的输入信号和/或来自发射元件的输出信号至少在第一方向上形成波束。

根据本发明的第二特征，天线装置包括至少一个波束整形器，该波束整形器适合于利用来自发射元件的输出信号至少在第二方向上抑制干扰信号。

根据本发明的第三特征，天线装置包括接收器或发射器，所述接收器或发射器适合于以空间分集方式进行接收或发射。

本发明的另一个实施例包括一个混合系统，该混合系统能够或者起波束整形器的作用或者起空间分集接收器的作用；当混合系统起波束整形器的作用时，所述配置装置将天线阵间距定为小于或等于半波长的值，而当它起空间分集接收器的作用时，则将天线阵间距定为远大于波长的值。

所述配置装置最好适合于将天线置于中间配置，而无需空间周期性变化阶段中的天线处理。

所述配置装置最好包括滞后或定时装置，所述滞后或定时装置能够消除所述空间周期性中不希望有的变化。

根据本发明的第一变型，所述配置装置包括至少一个导轨，发射元件支架可以在其中滑动。

根据本发明的第二变型，所述发射元件包括许多单元天线。所述配置装置包括许多单元，这些单元适合于对一组来自相邻单元天线的输出信号进行加权和相加，所述配置装置还包括一个开关、它将来自所述单元的某些输出信号送往至少一个波束整形器的输入端，可以通过选择来自单元天线的输出信号以及来自这些单元的输出信号来修改发射元件的空间周期性。

所述发送条件最好是以下发送特性中的一种或一种以上：误码率、分组差错率、信号对噪声加干扰的功率之间的比值、服务质量以及负责发送的发射机消耗的功率。

最后，根据本发明的天线装置可以被总合到移动终端或基站中。

附图说明

通过阅读以下对范例实施例的说明，对本发明的上述特征以及其它特征将会有更清楚的了解，所述说明将结合附图进行，附图中：

图1说明根据本发明第一实施例的天线装置；

图2说明根据本发明第二实施例的天线装置；

图3说明对本发明第一实施例有用的混合系统；

图4说明对实现本发明有用的第一天线移动装置；

图5说明对实现本发明有用的第二天线移动装置；

图6说明采用第三天线移动装置的本发明实施例；

图7说明图6所示的本发明实施例的功能。

具体实施方式

根据本发明的天线装置一般包括天线阵，其间距根据各种发送条件而有所不同。天线阵是指至少具有一种空间周期性的任何天线排列。换句话说，该天线阵可以是线性、圆形、矩阵式或六边形的，而本发明的普遍性不会受到影响。

发送条件是指传输特性或能够对其产生影响的任何因素。首先就是所用载波的频率。其次是传播类型：采用高或低空间分集进行的传播、采用直达线或镜面分量(Rice模式)或者没有这种分量(Rayleigh模式)的多通路传播。它还可能是存在或不存在干扰源。还可能是影响或表征误码率(位或包)其它因素，例如信号对噪声加干扰(SIR)功率的比率或服务质量(QoS)。

上述非限定的发送条件可以是指：根据空间分集接收(或发送)模式或波束整形模式，使用网络的一种方法将是可取的。例如，如果基站的天线阵接收来自经过Rayleigh散射的移动终端的信号，那么选择空间分集配置就比较有利。另一方面，如果干扰源存在，或者如果系统以空分多址(SDMA)方式进行工作，那么就宜选择波束整形配置。配置的选择取决于根据误码率或分组差错率、信号对噪声加干扰(SIR)功率的比率、服务质量(QoS)或发射器所耗功率的性能等级。在某些情况下，该性能等级是可预测的：例如，在没有Rice类型散射以及在没有干扰源的信号传播中，发射和接收时，选择波束整形配置较为有利，以便将发射器所耗功率降到最小。在另外一些情况下，配置的选择将根据模拟结果或使用情况统计来进行。在没有这样的标准时，所述选择将取决于对一种或两种配置所进行的实时测量。

如果系统选择波束整形配置，则天线阵的间距将选定为小于或等于发射所用载波频率的半波长的值，而如果系统选择空间分集配置，则天线阵的间距将选定为大于该波长的值。

根据本发明的天线装置毫无疑问可以用于接收和发射。当把波束对准发射或接收站、但又象在空间分集中一样有效地应用时，这一点就容易理解了。这样，如果基站环境不适合多路传播，则可以这样配置天线阵，以便通过增加其间距来在发送时引入空间分集。

图1示意说明本发明的第一实施例。图中作为实例的天线阵110包括天线110₁…110_n，它是线性阵，不过也可以使用其它任何类型的天线阵。天线装置以接收模式的情况进行说明。天线110_i的输出信号由天线转换开关120_i发送到低噪声放大器(LNA)130_i。经放大后，这些信号提供给天线处理模块140，如果仅启动一种或另一种配置，则该模块可以是波束整形器BF，也可以是空间分集接收器DR，或者是支持两种配置的混合系统，这一点将在后面进行说明。在发送方式下，模块140发出的信号被送往功率放大器131_i，然后到天线转换开关120_i，最后再发送到天线110_i。该装置还包括模块160，后者分析发送条件，并在适当的时候在波束整形配置和空间分集配置之间进行选择。判定算法宜具有滞后作用或者将遵循转换后暂停，以防止配置中产生不必要的改变。模块160向计算模块170提供一些参数，这些参数用于计算波束整形器所需的相移、加权系数以及分集接收器所需的复衰减增益系数。尽管所述系统只有一个波束整形器，但不言而喻，多个并联的波束整形器配合以形成多向波束也是可以设想的。在这种情况下，计算模块将相移和加权系数提供给所有整形器。最后，模块160向天线定位控制器提供要采用的天线阵间距值。模块160发送天线移动装置所需的信号，使天线按照所需的间距进行定位。

例如，波束整形器的输出信号送往均衡装置或信道解码器。一般地说，天线处理可以与其它基带信号的处理交错。这样，还可以在天线处理之前逐条支路(分集配置)或逐个信道(波束整形配置)地产生均衡。

图2示意说明本发明的第二实施例。该装置包括天线阵210，天线阵210包括天线210₁…210_n，它们通过天线转换开关220₁…220_n连接到低噪声放大级230。经放大的信号则经开关S₁S₂…S_n送往一个或多个波束整形器241或以空间分集方式工作的接收器242。开关状态由分析发送条件的模块260进行控制。该模块还向天线定位控制器提供要采用的天线阵间距值。它还向第一计算模块271发送一组参数，这组参数用于确定波束整形所需的相移和加权系数。例如，这些参数是所要接收信号的到达方向、干扰信号的到达方向、波束的波瓣宽度、所接收信号和参考信号之间的均方根误差或瞬时误差。它向第二计算模块272提供一些参数，这些参数是对应用于来自不同天线的信号的复衰减增益进行估计所需要的。

从一种配置模式到另一种配置模式的转换可以通过切换所述开关并修改天线阵间距来进行。对于波束整形，天线阵间距被定为小于或等于所用载波频率的半波长的值，而对于空间分集接收，间距将采用远大于该波长的值，通常为其值的4至10倍。因为间距的修改不是立即发生的，所以重要的是减少切换过程中的瞬变现象。为此，切换要按以下步骤进行。假定切换过程是从波束整形配置到空间分集配置或到另一个不同阵间距的波束配置。将相移切换到或者最好是使其逐渐降到零值，加权系数切换到1，引起波束(或各个波束)增宽和偏离中心线。这样，如果天线阵是圆形的，则会出现从扇形图向全向图的变化。如果天线阵只有一个扇区，同样会出现从窄瓣形图向扇形图的变化。当天线处理(此处为波束整形)通过这样的方法被消除时，装置对于阵间距的变化不敏感，因此，可以在没有任何产生异常值的危险的情况下进行间距的修改。

如果所形成的配置也是波束整形，那么装置会使相移和加权系数改变为其新的值，该值由模块271进行计算得出。

如果所形成的配置是空间分集，则装置切换所述开关S_i并应用空间分集处理。

图3说明一个混合系统，它可以用于图1所示天线装置的设计中。图1中的单元140包括多个模块300_k和一对加法器360、361。模块300_k的结构的形成是由于发现波束整形和分集接收所执行的某些操作是相似的。从LNA130_k输出的信号r_k(t)首先通过乘法器310和311进行正交解调，然后再由滤波器330和331进行低通滤波，它可以消除分量2f_c。分量r_k ^I和r_k ^Q的复合信号r_k则被乘以分量G_k ^I和G_k ^Q的复合值G_k，以便得到分量r_k ^I*G_k ^I-r_k ^Q*G_k ^Q和r_k ^I*G_k ^Q+r_k ^Q*G_k ^I的复数乘积。来自模块300_k的复数乘积由加法器360和361相加，所得总和送往模块140的输出端I和Q。如果选取波束整形配置，则复数值G_k将被选定为等于ρ_kexp(-jΦ_k)，其中，ρ_k为适用于天线k的加权系数，Φ_k为相移系数。与加法器360和361相关联的模块300_k则象传统基带波束整形器一样进行工作。另一方面，如果采用分集配置，则复数值G_k则被选定为等于g^* _k，其中，g_k为与天线k相关联的复数衰减增益。模块300_k和加法器360、361的结合则起MRC(最大比值组合)类型的分集接收器的作用。其它类型的分集处理当然也是可行的：这样就能够选择G_k＝G*δ(k-k₀)，其中，k₀为产生最佳信噪比(选择合并)的支路指数；或者选择G_k＝GVk，其中，G为给定增益。

从一种配置到另一种配置的变化，或者一般所说的阵间距的改变是按以下步骤进行的：将系数G_k定为值1，或者最好是在初始相位下使系数G_k逐渐达到值1，以避免任何瞬变现象。阵间距则在中间相位下进行修改。间距改变之后，系数G_k被定为其新的设定值，或者最好是在最终相位下逐渐使其达到新的设定值，以避免任何瞬变现象。如果模块300_k以数字形式形成，例如借助滤波器330和331输出端的模一数转换器形成，则初始相位和最终相位明显地是即时的。但是，如果希望避免任何瞬变影响模块300_k的下游，那么最好是在初始相位下和最终相位下使用平滑处理。

图4说明以机械方法移动天线阵中天线的第一装置。该装置包括导轨400，该导轨有一个U形截面，其边缘向导轨中心弯曲，并且天线支架410可以在导轨中移动。装在导轨底部和侧壁的滚轮(未标出)或其它等效的装置使其可以轻便地滑动。每个天线支架均装有把手430，其活动端有螺纹管431。马达440带动蜗杆420在螺纹管431中旋转。从而通过以适当的方式控制马达440，就可以将天线支架进行平移，使其达到给定间距。

图5说明移动天线阵中天线的第二机械装置。天线支架510也可以在导轨500中滑动。对每个支架均设置了两个卟片520，它们能够以轴530为中心进行旋转。支架卟片的尾部经轴540与相邻支架卟片的尾部相连接。因此，所有卟片形成格子结构，它可以根据需要收拢或伸展，同时各天线之间的距离保持一致。格子结构的收拢和伸展是由马达带动的蜗杆以及固定在格子结构活动端的天线支架上的螺纹管来实现的。另一端可以是固定的也可以是活动的。在后一种情况下，两个活动端最好是都装有移动装置。很明显，根据天线阵的类型也可以设计其它装置。例如，如果天线阵属于矩阵类型，则可以使用多个平行导轨，而且通过图4、5所示的蜗杆或可变形的格子结构装置，可以调节导轨间的距离。如果天线阵是圆形的，那么也可以设计沿圆弧形轨道移动天线的装置或通过伞形机械装置来移动天线的装置。

图6说明本发明的一个实施例，它采用电子装置来改变天线阵间距。该装置非常适用于需要快速重新配置的应用场合。为清楚起见，没有对天线转换开关和低噪声放大器进行说明。该装置包括许多单元天线611_j，例如槽形天线或微带型天线，每个单元天线611_j均连接到一组分组单元620_j-k，…，620_j+k。在一个等效的方式中，每个分组单元620_j在其输入端接收来自单元天线611_j-k，…，611_j+k的信号。每个分组单元的输出端连接到开关630，后者将分组单元的某些输出(实际上是活动单元的输出，下面将会进行说明)送往波束整形器640(甚至是并联工作的波束整形器)的输入端，或者送往空间分集接收器，又或者是送往前面所述的混合系统。分组电路的作用是模拟一个具有所需间距的阵。分组电路的功能将在图7中进行说明。阵间距模拟的三个实例A、B、C也将在其中进行说明。X轴上是单元天线的序号j，Y轴上是加权系数值。实例A是一个简单的情况，其中的单元天线按照具有相同大小q的包进行分组。相等的阵间距则为q*d，其中d是基本阵的间距。单元天线的输出信号均在分组单元中经过相同的加权，然后再相加。在X轴线下方已经以C_z ^j的形式标出了活动分组单元，其中j是活动单元620_j的下标，而z是用于加权的连接(-k，-k+1，...，0，...，k-1，k)的子集，其它均乘以零系数或被禁周。实例B说明间距形式为(2p+1)d/2的等效天线阵设计，其中p为一个整数。该天线阵通过交替p和p+1单元天线包来进行模拟。p和p+1单元包之间加权等级的差别是由于根据每个包的单元天线的数量的标准化所引起的。最后，实例C说明一般情况，在这种情况中，希望模拟分数间距d*q/p的天线阵，其中q、p为整数，且q＞p。首先确定对应于所需的等效天线610_j的辐射图的振幅分布D，例如通过傅里叶逆变换，。该分布以所需的周期重复进行，并得到加权系数，就象在基本网络点该分布所取的值。然后将这些值标准化(未标出)，使得每个包所接收的功率为常数。为简便起见，所述分布为三角形，虽然在实际运用中它将是高斯曲线或相当于基本正弦的一部分。对于每个等效天线，具有最大振幅的2k+1点的集合适用于加权，该集合确定对于该天线为活动的分组单元。尽管所述加权系数是实数，但是很清楚，通常这些系数将是复数，以便考虑给定入射角的单元天线之间的相位差。但是，在后一种情况下，多波束方式下的运行将要求每一个波束整形器重复分组阶段。

尽管本发明的某些功能性已经以模拟处理的形式进行了说明，但很明显，它们能够以数字方式实现并由专用或通用数字处理器来执行。

Claims

1.一种用于电信台、能够发射或接收信号的天线装置，它包括许多发射元件(110_j、210_j以及610_j)，这些发射元件以周期性排列方式布置、具有至少一种空间周期性，其特征在于：所述天线装置具有天线配置装置(150、160、170、250、260、271以及272)，所述天线配置装置适用于使所述空间周期性的值根据发送条件而改变，

所述天线装置包括至少一个波束整形器(140、241)，该波束整形器用于利用送往所述发射元件的输入信号和/或来自所述发射元件的输出信号而至少在第一方向上形成波束。

2.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：它包括至少一个波束整形器(140、241)，该波束整形器用于利用来自所述发射元件的输出信号而至少在第二方向上抑制干扰信号。

3.根据权利要求1或2的天线装置，其特征在于：所述信号的所述发送通过载波频率进行，所述配置装置将所述空间周期性定为小于或等于所述载波频率半波长的值。

4.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：它包括接收器和发射器(140、242)，它们用于以空间分集方式进行接收或发射。

5.根据权利要求4的天线装置，其特征在于：所述发送通过载波频率进行，所述配置装置将所述空间周期性定为大于所述载体频率的值。

6.根据权利要求1、2和4中任何一项的天线装置，其特征在于：它包括许多开关，这些开关把由接收天线输出的信号或输入到发送天线的信号送往波束整形器(241)或空间分集接收器(242)，当这些开关切换到所述波束整形器时，所述配置装置将所述天线阵间距定为小于或等于信号载波频率半波长的值，而如果这些开关切换到所述空间分集发射器或接收器，则把所述天线阵间距定为大于所述波长的值。

7.根据权利要求1的天线装置，其特征在于：它包括一个混合系统(140)，该系统能够或者起波束整形器或者起空间分集接收器的作用，当所述混合系统起所述波束整形器的作用时，所述配置装置将所述天线阵间距定为小于或等于半波长的值，而当它起所述空间分集接收器的作用时，则把所述天线阵间距定为大于所述波长的值。

8.根据权利要求1、2、4、5和7中任何一项的天线装置，其特征在于：所述配置装置用于使所述天线进入中间配置，在改变所述空间周期性阶段无需天线处理。

9.根据权利要求1、2、4、5和7中任何一项的天线装置，其特征在于：所述配置装置包括滞后或暂停装置，该滞后或暂停装置能够消除所述空间周期性的不希望有的改变。

10.根据权利要求1、2、4、5和7中任何一项的天线装置，其特征在于：所述发射元件固定到支架(410、510)上，所述配置装置包括至少一个导轨(400、500)，所述发射元件的所述支架可以在所述导轨中滑动。

11.根据权利要求10的天线装置，其特征在于：所述配置装置包括许多蜗杆(420)，这些蜗杆与固定到所述发射元件的所述支架上的螺纹管(431)啮合，所述发射元件之间的间隔随着所述蜗杆的旋转而改变。

12.根据权利要求10的天线装置，其特征在于：所述述配置装置包括可变形的格子结构(520、540)，其接合点(530)与所述发射元件的所述支架相连接，所述发射元件之间的间隔随着所述格子结构的收拢和展开而改变。

13.根据权利要求1、2、4、5、7、11和12中任何一项的天线装置，其特征在于：所述发射元件(610_j)包括许多单元天线(611_j)。

14.根据权利要求13的天线装置，其特征在于：所述配置装置包括许多单元(620_j)，这些单元用于对一组来自相邻单元天线(611_j-k，...，611_j+k)的输出信号进行加权和相加，开关(630)将来自所述单元的某些输出信号送往至少一个波束整形器(640)的输入端，所述发射元件的空间周期性可以通过选择来自单元天线的输出信号和来自所述单元的输出信号来修改。

15.根据权利要求1、2、4、5、7、11和12中任何一项的用于电信台的天线装置，其特征在于：所述发送条件是以下发送特性中的一种或一种以上：误码率、分组差错率、信号对噪声加干扰的功率的比率、服务质量以及负责发送的发射器所耗功率。

16.一种移动终端，它包括根据上述权利要求之一的天线装置。

17.一种基站，它包括根据权利要求1至15之一的天线装置。