CN1210636A - 天线结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于一个小区式移动无线电系统的天线结构,它由分成二个分支(2,4)的四个接收天线阵列组成。第一个分支(2)由一个接收诸垂直极化信号的天线阵列(6)组成,天线阵列(6)位于一个接收诸水平极化信号的天线阵列(8)的附近。第二个分支(4)由一个类似的结构(10,12)组成,第二个分支和第一个分支分开,以便提供诸接收信号的空间分集。当接收到一个信号时,将来自所有四个天线阵列(6,8,10,12)的诸输出信号馈送到一个混合器结构(14,16,18),以便产生一个空间分集和极化分集增益。

Description

天线结构
本发明涉及一种天线的结构，用于转换在一个小区式移动无线电通信系统中广播的诸信号，和特别地但不是排它地涉及这样一种用于一个小区式移动无线电通信系统的上行链路(从移动台的发射到基站的接收)的结构。
在一个小区式移动无线电通信系统中，将许多基站配置在一个区域上，将该区域在概念上分成许多小区，每个基站和一个小区相联系。将许多无线电频率信道分配给每个小区，在小区内的诸移动单元在这些信道上发射和接收到小区的基站和来自小区的基站的诸信号。分配给诸相邻小区的诸频率信道一般地在允许频率的再利用方面是不同的。
正在使用中的每个移动单元可能在通信系统的一个上行链路上发射一个信号给基站。在基站接收的上行链路信号的强度将根据移动单元在小区中的位置而发生变化，接收信号的质量可能由于诸多径效应和在上行链路上的一个低信噪比而下降。一个改善在上行链路上的接收信噪比的方法是改善上行链路接收天线的分集(diversity)增益。
在如农村环境的诸环境中，上行链路接收天线的增益对小区的大小保留一个不希望有的约束。在诸农村区域，分配给一个小区的诸频率信道的全部容量即便有的话也只是极少地被同时使用，而当诸基站分散得很广时在可用的诸小区的复盖区域中存在不需要的诸空隙。
有许多已知的不同的结构，用于改善在一个小区式移动无线电系统中的基站接收天线阵列的上行链路增益。第二代小区式系统通常在每一个基站扇区中使用二个空间分开的天线阵列，以便接收有空间分集的上行链路信号。在二个空间分开的天线阵列接收到的诸信号已经经过不同的从移动单元出发的空间路径，所以诸信号每次都以诸不同的衰落包络到达，并且一个天线阵列接收到的信号可能被用来增加其它天线阵列接收到的信号。将天线阵列的诸输出信号混合起来，以便改善上行链路接收天线系统的增益。
为了进一步改善上行链路接收天线的增益，不同于上述的结构，已经建议使用一种四分支的空间分集天线结构。在基站处空间分开地放置四个垂直极化天线阵列。将来自空间分开的诸天线阵列的四个输出信号中的每一个混合起来，以便提供一个比由二分支的空间分集天线结构提供的增益高的空间分集增益。
这些空间分集天线结构利用只接收上行链路信号的诸垂直极化分量的诸天线。
在另一种用于一个小区式移动通信系统的已知的上行链路接收天线的结构中，通过用在基站的极化分集改善了增益。在一个天线阵列上接收垂直极化信号分量，而在一个不同的天线阵列上接收一个水平极化信号分量。将这二个输出信号馈送到一个混合器，以便产生一个有一个极化分集增益的输出信号。
本发明的一个方面提供一个天线的结构，用于转换在一个小区式移动无线电通信系统中的诸信号，所说的结构包括第一个天线装置，用于转换一个处于一个第一种极化状态的信号；第二个天线装置，用于转换处于一个不同于所说的第一种极化的第二种极化状态的同一个信号；第三个天线装置，用于转换在一个和所说的第一个天线装置空间分开一个距离的位置上的同一个信号，该距离大到足够实现相对于所说的第一个天线装置的空间分集；和用于混合所说的诸天线装置中的每一个的被转换了的信号，以便产生一个混合信号的点的装置。
本发明的一个更进一步的方面提供一个接收在一个小区式移动无线电通信系统中广播的一个信号的方法，包括接收所说的用极化分集和空间分集两者产生一个第一个输出信号的信号，一个相对于所说的第一个输出信号显示出空间分集的第二个输出信号，和一个相对于所说的第一个输出信号显示出极化分集的第三个输出信号，并将诸信号混合起来，以便产生一个代表接收信号的混合输出信号。
一个在一个小区式移动通信系统中的上行链路信号将常常有垂直极化和水平极化两个分量。例如，在移动单元是一个带有一个方位倾斜的全向辐射天线的手提移动单元的情形中，从移动单元辐射的信号在大多数方向中将有垂直和水平极化分量，它们根据移动单元被手提时的倾斜状况而变化。因此，一般地，在一个基站接收到这些正交分辨的信号分量两者。于是，用本发明可以改善上行链路接收天线的分集增益，达到一个能和四分支空间分集结构的增益相比较的增益。
在一个小区式移动无线电通信系统的一个基站，这样一个上行链路分集增益的改善将有效地应用一个无线电链路预算增益，它用于改善系统的诸无线电小区的工作范围。无线电链路预算确定在一个小区中的建筑物内的复盖水平和街道的复盖水平。小区范围的增大，如通过增加上行链路中的增益和在下行链路中有较高的发射功率来实现，对一个系统中需要的诸基站系统的数量，从而也对相关的价格产生主要的影响。
当考虑一个基站对环境的影响时，在一个基站处的一个天线的视觉大小，该天线位于一个建筑物的顶部还是位于为此目的建造的天线平台上，是一个重要的因素。因为可能工作在单个地区中许多小区式移动无线电系统中的每一个，需要大量的分布在整个地区的基站(将其中一些放在对环境敏感的农村或城市区域中)，所以提供这样一个天线结构，它能提供一个较高的上行链路分集接收增益，而保持一个环境上可接受的天线大小，是有益的。
本发明允许一个基站的天线配置明显小于四分支空间分集天线的结构。也能用本发明减少天线的物理结构的机械复杂性。
现在我们仅通过例子并参照诸附图来描述本发明的一个实施例，其中：
图1描绘了一个三扇区的无线电通信小区；
图2是一个表示本发明的一个实施例的诸部件的方框图；和
图3是一个结合本发明的一个天线配置的透视图。
参照图1，一个工作在一个TDMA(时分多址)系统中的基站BS位于一个小区的中心，该小区由三个120°的扇区S1,S2和S3组成。给每个扇区分配不同的频率信道组。图1也表示一个移动单元MU，它在基站BS接收的一个上行链路上在扇区S1中发射。
当给一个移动单元MU分配一个频率信道，在这个频率信道上它和基站BS通信时，移动单元MU全向地将它的信号发射到周围的环境中。信号中的一些将直接传播到基站BS，而信号的其它部分将从环境的诸特征(诸小山，诸建筑物，诸水面等)反射，最终到达基站BS。基站BS接收到的信号一般地以在二个点有不同的诸相位，不同的诸衰落包络的方式到达。垂直极化和水平极化信号分量很可能也以不同的诸衰落包络到达每个点，因为不同的传播路径对这二个分量将有不同的加重。
现在参照图2，根据本发明的一个实施例用于一个无线电基站的一个扇区中的一个结构有二个空间分集天线分支2和4。每个分支包含二个一般地是正交的天线阵列6,8和10,12。分支2中的一个有一个垂直极化的天线阵列6，如一个偶极子天线阵列，和一个水平极化的天线阵列8，如一个偶极子天线阵列。第二个分支阵列4有一个类似的垂直极化的天线阵列10和一个水平极化的天线阵列12。这些偶极子阵列由许多辐射单元组成。在每个天线阵列中各元件通过一个网络连接起来，为了束的成形对各相位和振幅进行调整。
将垂直极化的阵列6,10中的每一个的输出信号通过一个三端口环行器17馈送到一个双端口混合器14。将来自二个水平极化的阵列8,12的诸输出信号馈送到一个第二个双端口混合器16。将这二个双端口混合器14,16(它们两者都有显示空间分集增益的输出信号)级联到一个第三个双端口混合器18，以便产生一个最后的显示空间分集和极化分集增益两者的混合输出信号，将该输出信号馈送到基站系统20，然后基站20将诸信号馈送到一个移动电话交换中心(MSC)。混合器14,16考虑了分别从诸垂直天线阵列6,10和诸水平天线阵列8,12输出的诸信号的诸不同的振幅和相位。将所有四个天线阵列6,8,10,12接收的信号输出最终混合起来，以便提高混合器18中的上行链路的性能。
基站系统20也有一个输出端，它将诸信号馈送到环行器17中，以便通过垂直极化阵列10在小区的下行链路上进行发射。
诸垂直极化天线阵列6,10相互分开一个距离A，当将它们的诸信号混合起来时该距离足以实现一个大的空间分集增益。这必须对大小和诸相关的价格限制进行平衡。于是，距离A优先地比被接收的诸信号的平均的或近似的中心波长大6倍，但是在一个优先的结构中，距离A有波长20倍的数量级。
为了在诸水平极化天线阵列8,12之间实现空间分集，它们相互分开一个距离B，对于实用的诸目的，距离B应该至少是信号波长的6倍，并且优先地有信号波长20倍的数量级。在单个空间分集分支2或4中，垂直极化阵列和水平极化阵列之间的距离对信号强度没有重大的影响，除非诸阵列分得足够开，从而减少了它们的相互干扰。然而，为了实现一个紧凑的结构，每个空间分集分支2和4的二个天线阵列6,8和10,12应该放在比空间分集的距离A或B相对地接近的位置上。
现在参照图3，将一个如图2所示的结构用作对于在一个三扇区小区基站阵列22中的三个扇区中的每一个的上行链路接收机和下行链路发射机。诸分集天线分支2和4在组成小区的三个120°的扇区中的一个内发射和接收诸信号。其它的天线分支102,104和202,204以120的间隔，位在基站天线结构22的周围，以便为余下的二个扇区服务。这里只描述了一个扇区的诸部件。我们将类似的诸结构应用于其它诸扇区的天线阵列102,104,202,204。
一个如上所述的结构能提供一个输出信号，和在一个三扇区小区中的一个常规的空间分集天线结构比较，该输出信号有一个超过近似3db的增益。这能够对应于在一个农村的半开放(RQO)的环境中的环形街道水平复盖小区面积的45％的增加。所以，在DCS1800小区式移动无线电系统中，能将这样一个环形小区的半径增大到近似11km。
于是，根据本发明的一个天线配置，由于在天线阵列中用了空间分集和极化分集，能提供一个较大的上行链路小区。上行链路小区大小的增加可能需要下行链路无线电链路预算有一个相应的改善。这可通过在下行链路上发射的辐射功率中的增大，或者通过改善移动单元接收灵敏度来实现。
在现在这个情形，优先地诸下行链路发射天线只用一个极化分量。在希望的实施例中，将来自基站系统20的一个发射信号通过环行器17供给垂直极化天线阵列10。当然，能将一个分开的天线阵列或诸阵列用于诸信号向诸移动单元的下行链路发射，尽管这将增加基站天线结构的尺寸和价格。
我们认为本发明将在主要是农村的诸环境中最有用，在那里上行链路小区的大小常常是对一个小区式移动无线电系统的性能的一个限制因素。我们认为本发明在诸宏小区系统方面有主要的应用，但是本发明在诸兆小区式，微小区式和微微小区式系统中也是有利的。
因为上行链路天线增益参量未被标准化，所以可将本发明应用于任何当代的小区式移动无线电系统的诸技术要求中。特别是，但不是排它的，本发明可应用于300MHz-3GHz的无线电频率范围。所以，本发明可以用于所有的诸主要的正在工作的小区式移动无线电系统，包括NMT-450(工作在450MHz附近)；GSM,TACS,AMPS,NMT-900(工作在900MHz附近)；DCS1800(工作在1800MHz附近)；和DCS 1900(工作在1900MHz附近)。
我们注意到尽管在说明的实施例中，将三个级联的二端混合器14,16,18用于一个给定的混合或结构中，但是能将三个二端混合器用于以任何排列方式混合来自天线阵列6,8,10,12的诸信号。在另一个可供选择的方案中，能将四个信号馈送入一个四端混合器和/或一个数字束成形器，它们调整四个输入信号上的诸振幅和诸相位，以便使上行链路的性能有一个改善。
所用的诸混合器优先地是诸最大比例的或最佳的混合器，但是也可能是任何其它已知类型的诸混合器，它们能产生一个混合信号增益。也可以用诸交换混合器，它们用纯选择混合，或固定的或可变的阈值选择。
虽然我们已经描述了用于三扇区的诸小区式无线电通信系统，但是本发明也可用于用有其它数量的扇区或没有扇区的诸小区的诸系统中。
我们将会了解到可以采用其它的诸修改或变化而没有偏离本发明的精神或范畴。

Claims (20)

1．一种天线的结构，用它来转换在一个小区式移动无线电通信系统中的诸信号，所说的结构包括第一个天线装置，用于转换一个处于一个第一种极化状态的信号，第二个天线装置，用于转换处于一个不同于所说的第一种极化的第二种极化状态的同一个信号，第三个天线装置，用于在离开所说的第一个天线装置一个距离处的同一个信号，该距离对相对于所说的第一个天线装置实现空间分集是足够大的，和用于将所说的诸天线装置中的每一个的被转换的信号混合起来，以便产生一个混合信号点的装置。
2．一个根据权利要求1的结构，其中所说的第二种极化基本上垂直于所说的第一种极化。
3．一个根据权利要求2的结构，其中所说的第一个天线装置转换所说的处于一个基本上垂直极化状态的信号，所说的第二个天线装置转换所说的处于一个基本上水平极化状态的信号。
4．一个根据权利要求1到3中任何一项的结构，其中所说的第二个天线装置所在的位置更接近所说的第一个天线装置而不是所说的第三个天线装置。
5．一个根据权利要求1到4中任何一项的结构，其中所说的第三个天线装置转换所说的处于一个第三种极化状态的信号，并且还包括一个第四个天线装置，用于转换所说的处于一个不同于所说的第三种极化的第四种极化状态的信号。
6．一个根据权利要求5的结构，其中所说的第四个天线装置位于离开所说的第二个天线装置一个距离处，该距离对相对于所说的第二个天线装置实现空间分集来说足够大。
7．一个根据权利要求6的结构，其中所说的第三个天线装置转换所说的处于一个基本上平行于所说的第一种极化的极化状态的信号，并且所说的第四个天线装置转换所说的处于一个基本上平行于所说的第二种极化的极化状态的信号。
8．一个根据权利要求5到7中任何一项的结构，其中所说的第四个天线装置所在的位置更接近所说的第三个天线装置而不是所说的第二个天线装置。
9．一个根据权利要求1到8中任何一项的结构，用于接收由系统中的诸移动单元广播的诸上行链路信号。
10．一个根据权利要求9的结构，用于接收所说的系统的一个基站处的诸上行链路信号。
11．一个根据权利要求10的结构，其中所说的诸天线装置中的每一个接收来自分布在所说的基站周围的多个扇区中的一个的诸信号。
12．一种天线配置，它包括一些权利要求11的结构，每一个所说的结构都服务于所说的诸扇区中的一个。
13．一个根据权利要求1到12中任何一项的结构，用于接收在300MHz和3GHz之间的诸频率上广播的诸信号。
14．一个根据权利要求1到13中任何一项的结构，其中所说的第一和第三个天线装置和用于提供诸信号以便由所说的第一和第三个天线装置进行发射的装置耦合。
15．一个根据权利要求14的结构，其中所说的第二和第四个天线装置不和用于提供诸信号以便由所说的第二和第四个天线装置进行发射的装置耦合。
16．一种接收在一个小区式移动无线电通信系统中广播的一个信号的方法，它包括接收所说的信号，该信号用极化分集和空间分集两者以便产生一个第一个输出信号，一个第二个输出信号，它显示相对于所说的第一个输出信号的空间分集和一个第三个输出信号，它显示相对于所说的第一个输出信号的极化分集，并且将不同的诸输出信号混合起来，以便产生一个代表接收信号的混合输出信号。
17．一个根据权利要求16的方法，它包括分别地接收在空间分集中的信号的二个不同的极化分量中的每一个，以便产生至少四个不同的输出信号，并且将不同的诸输出信号混合起来，以便产生所说的混合输出信号。
18．一个小区式移动无线电通信系统，它包括一个第一个天线，用于通过二种极化接收二个信号，一个第二个天线，用于在离开第一个天线一个距离处通过二种极化接收二个信号，该距离对于实现空间分集是足够大的，和一个用于将来自每一个所说的天线信号的诸输出信号混合起来，以便产生一个混合信号输出的装置。
19．一个根据权利要求18的系统，其中二种极化基本上是垂直的。
20．一个根据权利要求18或权利要求19的系统，用于在一个基站接收从一个移动单元发射的上行链路信号。
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