CN1223224C - 环形阵列天线及其使用方法 - Google Patents

Abstract

为了获得包含大量环形放置的天线单元的环形阵列天线所需要的天线方向图，计算确定激励振幅和相位的系数的方法。线性阵列天线与环形阵列天线有相等的天线单元时，通过计算从引入的无线电波估计的射束方向和射束宽度而得到积分上下限，在积分上下限里的傅立叶级数展开得到线性阵列天线的系数，然后这个系数被转换成环形阵列天线的系数。通过这个方法，可以任意地设置环形阵列天线的天线方向图的射束方向和射束宽度。从而，这个方法能使移动通信系统中使用的基站(或者类似的)的扇形天线的扇形波束的合适的控制，这样增强了天线使用的效率。

Description

环形阵列天线及其使用方法

(1)技术领域

本发明涉及一种计算移动通讯(或者类似的)中使用的基站天线的激励系数的计算方法。本发明也涉及用此计算方法的一种无线电单元。

(2)背景技术

最近几年，移动通讯(包括便携式电话)的用户数量可观的增加了，出现了怎样有效的利用用于发送和接收的无线电频率的问题。有效的利用无线电频率的技术包含减小每个单元的以一个基站为中心的半径，天线扇区或者类似的。目前，用于基站的扇形天线，都有固定的天线方向图。如果每个扇形天线的方向图可以合适的改变，就可以形成一个根据随时变化的通信量情况优化的波束，这样就可以对频率有效的应用。

为了合适的改变天线方向图，提出了许多应用于环形阵列天线(下文中有时称“环形阵列”)的方向图合成技术。例如，F.I.Tseng和D.K.Cheng所作的论文，题为“Pattern Synthesis of Circular Arrays with Many DirectiveElements″(出版于1968年11月，电气和电子工程师协会会报关于天线和传播的期刊，第AP-16卷，第11号，页码758-759)，揭示了转换有奇数个单元的线性阵列天线(下文中有时称“环形阵列”)的激励系数为一个有同样个单元的环形阵列天线。这篇论文上揭示了一个方法，然而，它局限于阵列天线有奇数个单元，不能用于有偶数个单元的情况。

另一篇论文题为“An Adaptive Zone Configuration System Using ArrayAntennas”，作者是Kazuo Kubota，Tsukasa Iwama和Mitsuo Yokoyama，发表于1995年9月，IEICE技术报告期刊，RCS59-76，揭示了一种方法。利用所述论文里提到的这种方法，转换有奇数个单元的线性阵列天线的激励系数为有偶数个单元的环形阵列天线的激励系数(比线性阵列天线少一个单元)。然而，根据这篇论文，受控的天线方向图没有反映需要的射束方向和需要的射束宽度，从而不能获得一个需要的天线方向图。

(3)发明内容

本发明致力于提供一种计算方法和利用此方法的无线电单元，这种方法可以提供一个环形阵列天线的需要射束方向和需要射束宽度的任意的天线方向图。

为了计算组成环形阵列天线的各自天线单元的激励系数，本发明确立了一种计算方法，它用于转换有偶数个天线单元的线性阵列天线的激励系数为有相同数目(偶数)单元的环形阵列天线的激励系数。通过使用计算需要的天线方向图的射束方向和射束宽度得到的结果来计算线性阵列天线系数，并将该系数转换为环形阵列天线的系数，本发明提供了有需要射束方向和需要射束宽度的任意的天线方向图。

(4)附图说明

图1为了解释本发明，说明了阵列天线的单元的安排和射束之间的关系。图1(a)说明了一个线性阵列天线的天线单元的安排和射束方向之间的关系，图1(b)说明了一个有偶数个单元的环形阵列天线的单元的安排与射束方向的关系。图1(c)说明了一个有奇数个单元的环形阵列天线的单元的安排与射束方向的关系。图1(d)说明了一个任意个单元的环形阵列天线的单元的安排与射束方向的关系。图1(e)说明了当线性阵列天线的系数被转换成环形阵列天线的系数时，射束方向和射束宽度之间的关系。

图2是一个流程图，它说明了根据本发明计算一个环形阵列天线的激励系数的方法。

图3(a)-3(c)说明了根据本发明的环形阵列天线的天线方向图。

图4是一个接收机的方框图，应用了根据本发明的计算环形阵列天线激励系数的方法。

图5是一个根据本发明计算射束方向和射束宽度的结构的方框图。

图6是一个发射机的方框图，应用了根据本发明的计算环形阵列天线激励系数的方法。

图7是一个收发器的方框图，应用了根据本发明的计算环形阵列天线激励系数的方法。

图8是一个无线电单元的方框图，应用了根据本发明的计算环形阵列天线激励系数的方法，用于实现基于多个天线方向图的发送和接收。

图9是一个无线电单元的方框图，应用了根据本发明的计算环形阵列天线激励系数的方法，用于实现基于不同频率的多个天线方向图的发散和接收。

(5)具体实施方式

以下，参考附图说明本发明的具体实例。

具体实例一

第一个实例详述了天线单元数目是偶数(2M)时所用的计算方法。

图1(a)显示了线性阵列天线的天线单元的安排，单元数目是偶数(2N)。图1(a)中，2N个天线单元101，102，103，104被放置在一条直线上，间距为d，天线单元101放在n＝-N+1点上。阵列因子E₀(θ)表示线性阵列天线的天线方向图，通常，可以这样表示：

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=-N+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{j\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}2}(2n-1)\cos \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$ 或者

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=-N}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{j\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}2}(2n-1)\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

这里B_n表示，天线单元n的振幅和相位，d是天线单元之间的间隔，θ是天线方向图的射束方向与线性阵列(0°方向)之间的夹角，λ是使用的无线电波的波长。

等式(1)应用于图1(a)的情况，第一天线单元101是在点n＝-N+1，最终天线单元104在点n＝N。等式(2)应用于第一天线单元是在点n＝-N，最终天线单元104在点n＝N-1。下面的描述指的是等式(1)的情况。

图1(b)显示了单元数目是偶数(2M)的环形阵列天线的单元的安排，这里天线单元101被逆时针方向放置，角度间隔是π/M，环形的半径是a。具体地说，第一天线单元101被放置在m＝0(在0°方向上的起点)，紧接着天线单元101的被分别放到m＝1，m＝2，......m＝2M-1。这种情况下，阵列因子E₀(θ)可以表示为：

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{m=0}{\overset{2M-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}a\cos \left(\mathrm{\θ}\frac{m}{M}\mathrm{\π}\right)}---\left(3\right)$

这里，A_m表示天线单元m的振幅和相位，α是圆的半径，θ是天线方向图的射束方向与线性阵列(0°方向)之间的夹角，λ是使用的无线电波的波长。

通常，傅立叶变换可以表示为：

$B_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{E}_0\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-\mathrm{jn\θ}}\mathrm{d\θ}---\left(4\right)$ 和

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=-N+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{\mathrm{jn\θ}}---\left(5\right)$

假定等式(1)是等式(5)，从等式(1)，(3)和(5)，我们得到：

$\underset{m=0}{\overset{2M-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}a\cos (\mathrm{\θ}-\frac{m}{M}\mathrm{\π})}=\underset{n=-N+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{\mathrm{jn\θ}}---\left(6\right)$

将等式(6)的左边代入等式(4)：

$B_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\underset{m=0}{\overset{2M-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}a\cos (\mathrm{\θ}-\frac{m}{M}\mathrm{\π})}{e}^{-\mathrm{jn\θ}}d(\mathrm{\θ}\·\frac{m}{M}\mathrm{\π})---\left(7\right)$

当 等式(7)变为：

$B_n={\mathrm{\α}}_n\underset{m=0}{\overset{2M-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m{e}^{-\mathrm{jn}\frac{m}{M}\mathrm{\π}}---\left(8\right)$

这里

等式8两边除以a_n，得：

$\frac{B_n}{{\mathrm{\α}}_n}=\underset{m=0}{\overset{2M-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m{e}^{-\mathrm{jn}\frac{m}{M}\mathrm{\π}}---\left(9\right)$

等式9用矩阵的形式表示如下：

如上所示，等式(10)可以表示为[C]＝[E]×[A]的形式。这里，[A]可以通过两边同除以逆矩阵[E]^-1得到，[E]^-1是[E]的逆矩阵。[A]表示每个天线单元的振幅和相位，这样环形阵列天线的每个天线单元的振幅和相位就可以得到。

作为选择的，引入克罗内克符号(Kronecker delta)可以得到[A]，它的具体的表示为：

$A_m=\frac{1}{2N}\underset{n=-N+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{B_n}{{\mathrm{\α}}_n}{e}^{-\mathrm{jn}\frac{m}{N}\mathrm{\π}}---\left(11\right)$

在本发明中，为了控制环形阵列天线的天线方向图，基于所述的计算方法通过需要的射束方向和需要的射束宽度，当线性阵列的激励系数B_n通过等式(1)计算出来，并且基于该激励系数B_n计算出环形阵列的激励系数，积分上下限就得以设置。这个过程可以参考图2说明。

第一步，对需要的天线方向图设置了射束方向和射束宽度。可以根据通信量情况来实时决定电波的方向和电波的宽度。或者相应于需要的环形阵列天线的覆盖，可以通过前面的对于通信量情况的估计来设置，它被存在储存单元里(例如一个表格储存器，或者相似的)并且从那里读取。下面将详细表述。

第二步，计算获得线性阵列天线的激励系数的积分上下限。当环形阵列天线和线性阵列天线如图1(b)和1(a)所述的各自排列，间距d例如为0.5λ，环形阵列的射束方向和射束宽度和线性阵列的射束方向和射束宽度之间的关系变得类似图1(e)所示。例如，环形阵列天线的一束方向为0°，宽度为180°的波束(由-90°和90°限定)相当于线性阵列天线的一束方向为90°，宽度为60°的波束(由120°和60°限定)。既然当线性阵列的系数B_n实际上被确定时，因此cosθ作为一个参数，积分上下限成为-0.5和0.5(cos120°和cos60°)。

当d不是0.5λ，通过乘cosθ和λ/2d获得的每个值成为积分上下限。所述的关系可以概括为：

$r_0=\frac{2\×D+W}{360}\×\frac{\mathrm{\λ}}{2d}---\left(12\right)$ 和

$r_1=\frac{2\×D-W}{360}\×\frac{\mathrm{\λ}}{2d}---\left(13\right)$

这里D和W是射束方向和射束宽度，各自的作为环形阵列天线的需要的天线方向图的参数，d是天线单元之间的间隔，λ是使用的无线电波的波长。例如，d是0.5λ，r₀＝(2×D+W)/360，r₁＝(2×D-W)/360

第三步，使用等式(12)和(13)，根据等式(1)计算线性阵列天线的激励系数B_n。通过在r₁和r₀设定的积分上下限和在积分范围内1处设定的阵列因子E₀(θ)。等式(1)中激励系数B_n被逆傅立叶变换决定。这样，B_n可以表述为：

$B_n=\frac{d}{\mathrm{\λ}}{\∫}_{r_1}^{r_0}1e^{-j\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}2}(2n-1)x}\mathrm{dx}---\left(14\right)$

第四步，得到的B_n应用到等式(3)到(11)，从而，线性阵列天线的激励系数B_n被转换成环形阵列天线的激励系数A_m。由于获得的激励系数A_m所表示的振幅和相位，这样受激励的环形阵列天线的天线方向图具有需要的射束方向和需要的射束宽度。

上面的描述是针对天线的发射功率不变的情况。然而，可以通过设置E₀(θ)为在r₁与r₀之间不为1的值来改变功率。

如上所述，根据本实例，可以为有任意偶数个天线单元的环形天线阵列获得由任意的射束方向和任意的射束宽度规定的需要的天线方向图。

在等式(12)和等式(13)中，通过使用cos(D-W/2)和cos(D+W/2)，可以为线性阵列获得由任意的射束方向和任意的射束宽度规定的需要的天线方向图，假若如图1(a)所示，线性阵列被安排在原点的方向(0°方向)。如果0°方向改变了，积分上下限和阵列因子需要相应的改变。

当需要形成多个方向的波束时，需要通过使用等式(12)和等式(13)准备多组积分上下限。例如，有两个方向时，需要准备r_1a和r_0a之间的区间和r_1b和r_0b之间的区间。当需要多个功率不同的波束时，当确定式(1)中系数Bn时阵列因子E₀(θ)可按每个波束而变。例如，在两个方向情况下，阵列因子E₀(θ)可以在r_1a和r_0a之间设置为1和在r_1b和r_0b之间设置为0.5。

图3说明了根据所述方法，包含以0.5λ间距排列的12个单元的环形阵列天线形成的天线方向图。图3(a)表示一个波束方向为0°和束宽为60°的天线方向图。图3(b)显示了一个波束方向为135°和波束宽度为180°的天线方向图，图3(c)显示了一个方向为270°和波束宽度为300°的天线方向图。

具体实例二

第二具体实例详细说明了当天线单元为奇数(2M+1)时所应用的计算方法。

图1(c)显示了单元数目为奇数的环形阵列天线的单元排列。天线单元101逆时针的以2π/(2M+1)的角度间距放置在半径为a的环形上。具体地说，第一个天线单元101放在点m＝0处(0°方向的原点)，紧接的天线单元101各自放在点m＝1，m＝2，......，m＝2M处。本实例与第一具体实例不同之处在于在求阵列因子时使用了不同的等式。

当线性阵列天线的天线单元的个数为2N+1时，阵列因子E₀(θ)可以表述为：

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}}---\left(15\right)$

这里B_n表示天线单元n的振幅的相位，d是天线单元之间的间隔，θ是天线方向图的射束方向与线性阵列方向(0°方向)之间的夹角，λ是使用的无线电波的波长。

当环形阵列天线的天线单元的数目是2M+1时，阵列因子E₀(θ)可以表述为：

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{m=0}{\overset{2M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}a\cos \left(\mathrm{\θ}\frac{2m}{2M+1}\mathrm{\π}\right)}---\left(16\right)$

这里，A_m表示天线单元m的振幅和相位，α是圆的半径，θ是天线方向图的射束方向与0°方向之间的夹角，λ是使用的无线电波的波长。

根据本实例，只要如所述的用等式(15)替代(1)，用等式(16)替代(3)，而且其它的计算方法用第一个实例的相同方式。从而，可以为一个有任意奇数个天线单元的环形阵列天线获得由任意的射束方向和任意的射束宽度规定的任意的天线方向图。

具体实例三

第三个具体实例详细说明了有任意个天线单元的环形阵列天线的激励系数的计算方法。

图1(d)显示了有任意数目(M)单元的环形阵列天线的单元的安排。天线单元101逆时针的以2π/M的均匀角度间距放置在半径为a的环形上，第一个天线单元放在原点处(0°方向)。

本实例与第一具体实例不同之处在于在求阵列因子时使用不同的等式。当线性阵列天线单元的数目为N，阵列因子E₀(θ)可以表述为：

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}}---\left(17\right)$

当N是一个偶数，即N＝2L，阵列因子E₀(θ)可以表述为：

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=-L+1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{or}\underset{n=-L}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}}---\left(18\right)$

当N是一个奇数，即N＝2L+1，阵列因子E₀(θ)可以表述为：

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}}.---\left(19\right)$

当环形阵列的单元数目是M，阵列因子E₀(θ)可以表述为：

$E_0\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}a\cos (\mathrm{\θ}-\frac{2m}{M}\mathrm{\π})}---\left(20\right)$

如上所述，只是用等式(17)或者(18)或者(19)替代(1)，用等式(20)替代(3)，而且其它的计算方法用第一个实例的相同方式。

从而，可以为一个有任意个天线单元的环形阵列天线获得由任意的射束方向和任意的射束宽度规定的任意的天线方向图。

具体实例四

第四个实例详细说明了一个接收机，它应用了所述第一、第二、第三具体实例中的任意一个的环形阵列天线的激励系数的计算方法。图4是根据本实例的接收机的框架图。

接收阵列天线401包含多个环形地放置的天线单元402。各自天线单元402接收的无线电频率信号403被输入到接收频率转换器404，它将信号403转换成中频信号405或者基带信号405并且输出信号405到接收波束形成器406。

环形阵列天线激励系数计算器410为形成由射束方向408和射束宽度409规定的需要的天线方向图而计算环形阵列激励系数411。计算器输入射束方向408和射束宽度409，输出系数411。通过给每个信号405乘以相应的系数411并且合并结果信号，输出接收到的信号407，波束形成器实现了波束形成。通过这个结构，可以获得有任意射束方向和任意射束宽度规定的需要的接收天线方向图。

图5是决定输入到计算器410中的射束方向408和射束宽度409的块状结构图。通过环形阵列天线发射和接收的的无线电波被多个不同的移动单位(例如，在环形阵列领域出现的便携式电话)发射和接收。既然这些移动单位在此领域内自由移动，需要的天线方向图的射束方向408和射束宽度409根据移动单位的数量和位置时刻变化。

为了决定射束方向408和射束宽度409，到达方向估计单位501估计入局的与时刻变化通信量相关的无线电波的方向。具体地说，估计单位501接着确定了从不同方向入局的无线电波的到达方向的估计结果502并且输出结果502到统计处理器503。统计处理器503统计处理的结果(通信量情况)502确定射束方向408和射束宽度409。这样，对符合当前的通信量情况的需要的天线方向图可以实时地决定射束方向408和射束宽度409。基于这样决定的射束方向408和射束宽度409，依照图2所示的步骤为接收电波的形成计算环形阵列天线的激励系数。从而，可以得到合适的适应通信量的天线。

除了按照图5的方法实时地决定将被输入到环形阵列天线激励系数计算器410的射束方向408和射束宽度409，也可以通过先前的对于通信量的估计设置。通信量储存在表格储存器或者相似的存储器里，并从这些储存器里读取。

具体实例五

第五个实例详细的说明了一个发射机，它应用了所述第一、第二、第三具体实例中的任意一个的环形阵列天线的激励系数的计算方法。图6是根据本实例的发射机的框架图。

发射阵列天线601包含多个环形地放置的发射天线单元602。图6所示的环形阵列天线激励系数计算器410与图4所示的环形阵列天线激励系数计算器410在结构上一样，为了形成需要的由任意射束方向和任意射束宽度规定的天线方向图，计算环形阵列天线激励系数411，并且输出环形阵列天线激励系数411到发射波束形成器606。确定射束方向408和射束宽度409的方法与第四个实例相同。

发射的信号607输入到波束形成器606，被分成多个信号，其数目与天线单元602数量相同。被分的信号各自的乘以激励系数411，然后转换成中频信号605或者基带信号605，并且将信号605输出到发射频率转换器604。频率转换器604把信号605转换成发射无线电频率信号603并且输出信号603到阵列天线601。这样，可以获得由任意射束方向和任意射束宽度规定的需要的发射天线方向图。

具体实例六

第六个实例详细说明了一个接收机，除了没有接收频率转换器404之外它与实例4相同。

接收阵列天线401收到的无线电频率信号403被输入到接收波束形成器406。波束形成器406通过给每个输入信号403乘以相应的环形阵列天线激励系数411实现波束形成，并且合并结果信号，输出接收的信号407。通过这个结构，输入到波束形成器406的信号不限于中间频率信号或者基带信号，从而可用作为直接采集的高频信号。

具体实例七

第七个实例详细说明了一个发射机，除了它没有发射频率转换器604之外，它与实例4相同。

当输入发射波束形成器606，一个无线电信号(即发射的信号607)被分成多个信号，其数目与天线单元602数目相同。被分的信号各自的乘以环形阵列天线激励系数411，然后输出。结果信号从发射阵列天线601发射无线电频率信号603。通过这个结构，从发射波束形成器606输出的信号不限制中间频率信号或者基带信号，从而可用作为直接采集的高频信号。

具体实例八

第八个实例详细的说明了一个收发器，它应用了所述第一、第二、第三具体实例中的任意一个的环形阵列天线的激励系数的计算方法。

图7是根据本实例的收发器的框架图。图7中，接收频率转换器404，接收波束形成器406和环形阵列天线激励系数计算器140的各自的结构与图4中的相应部分相同，发射频率转换器604和发射波束形成器606与图6中的相应部分相同。确定射束方向408和射束宽度409的方法，与第四个实例一样。

发射/接收阵列天线701包含多个环形地放置的发射/接收阵列天线单元702。计算器410为形成由任意射束方向和任意射束宽度规定的需要的发射天线方向图计算环形阵列天线激励系数411，并且输出环形阵列天线激励系数411到接收和发射波束形成器406、606。应该注意到需要的发射天线方向图和需要的接收天线方向图不必相同。

阵列天线701接收的无线电频率信号703被输入到接收频率转换器404，转换器将信号703转换为中间频率信号405或者基带信号405。接收波束形成器406通过给每个信号405乘以相应的系数411实现波束形成，并且合并结果信号，输出接收的信号407。

为了发射，输入到发射波束形成器606的发射信号607被分成多个信号，其数目与天线单元602数量相同。被分的信号各自的乘以激励系数411，然后转换成中频信号605或者基带信号605，并且将信号605输出到发射频率转换器604。频率转换器604把信号605转换成通过阵列天线701发射的无线电频率信号703。

根据此实例的结构，单一的发射/接收阵列天线能使有任意射束方向和任意射束宽度规定的需要的发射天线方向图的形成。这个发射天线方向图与由任意射束方向和任意射束宽度规定的需要的接收天线方向图可以相同或不同。

如果发射无线电频率的波段接近接收无线电频率的波段，则发射/接收阵列天线701可以实现发射和接收的功能。然而，如果发射无线电频率的波段与接收无线电频率的波段分开，则发射/接收阵列天线701不能实现发射和接收的功能。在此情况下，需要准备一个仅发射的阵列天线和一个仅接收的阵列天线。

具体实例九

第九个实例详细的说明了一个收发器，它应用了所述第一、第二、第三具体实例中的任意一个的形成多个波束的环形阵列天线的激励系数的计算方法。

图8是一个收发器的框架图，它根据本实例，应用了多个的天线方向图。发射/接收阵列天线701与图7所示的相同。环形阵列天线激励系数计算器810的基本结构与图4中所示的计算器410相同，只是信号812表示被形成波束的数量而且信号813表示每个波束的功率，为了形成多个波束它们也都输入到计算器810。如果输入波束的数目和每个波束的功率被固定，则就可以被省略。

确定射束方向408和射束宽度409的方法与参考图5说明的实例四中的方法相同。为了波束的数目和波束的功率的设置，在本实例中，统计处理器503，与图5所示的相似，除了输出射束方向408和射束宽度409，还根据入向的无线电波的方向和功率输出信号812(表示波束的数量)和信号813(表示每个波束的功率)。例如，当通信量在两个方向上很大，信号812为两个波束的形成输出“2”，并且表示每个波束功率的信号813也被输出。

频率转换器801包含实例四中接收频率转换器404和实例五中的发射频率转换器604的能力。波束形成器8031，8032等，每个都包含了实例四中接收波束形成器406和实例五中的发射波束形成器606的能力。

波束形成器8031，8032(图8中的两个波束形成器)平行地耦合到频率转换器801，并且每个都从系数计算器提供系数811。

系数计算器810为由任意射束方向和任意射束宽度规定的需要的天线方向图的形成计算系数811，并且分别输出多组系数811到波束形成器8031，8032等。这里，系数811的组数与指定的波束数目相同。当在有例如三个波束形成器8031，8032，8033的情况，可以形成一个射束方向为0°宽度为120°，一个射束方向为120°宽度为120°，一个射束方向为240°宽度为120°。应该注意到这些天线方向图不必要是一样的。

其它部分的各自的操作接收时与第四个实例中的相同，发射时与实例五中的相同，因此省略了它们的说明。

根据本发明的结构，发射/接收阵列天线701能使同时生成多个的需要的发射或者接收的不同类型的天线方向图，每个由任意射束方向和任意射束宽度规定，以及同时生成不同类型的需要的发射天线方向图和不同类型的需要的接收天线方向图。既然多个的天线方向图可以在单一的频率形成，因此本实例适合于码分多址联接(CDMA)和时分多址联接(TDMA)。

而且，环形阵列天线激励系数计算器810可以分别与波束形成器8031，8032，8033等耦合。

具体实例十

第十个实例详细的说明了一个收发器，它应用了所述第一、第二、第三具体实例中的任意一个的环形阵列天线的激励系数的计算方法。并且它形成多个不同频率的波束。

图9是一个收发器的框架图，它根据本实例，应用了多个不同频率的天线方向图。环形阵列天线激励系数计算器和波束形成器8031，8032等的各自的结构与实例九中的相应部分相同。

图9不同于图8在于多个的频率转换器9011，9012等(它们的数量和波束形成器8031，8032等相同)被平行的耦合到发射/接收阵列天线701。

激励系数计算器810和波束形成器8031，8032等的各自的操作与由图8说明的实例九中的相同。确定射束方向408和射束宽度409的方法与实例4中的相同。

对于接收，频率转换器9011，9012等每个将通过发射/接收阵列天线701接收的信号转换成中频信号802或者基带信号802，这样每个频率转换器的信号802可以有不同于其它频率转换器信号802的频率，并且输出信号802到相应的波束形成器8031，8032等。对于发射，频率转换器9011，9012等转换相应的波束形成器8030，8032等的输入信号为无线电频率信号703，这样每个频率转换器的信号703可以有不同于其它频率转换器的信号703的频率，并且输出信号到阵列天线701。

当存在例如三个波束形成器8031，8032，8033和三个频率转换器9011，9012，9013的情况时，可以分别在频率f₀，f₁，f₂上形成一个射束方向为0°宽度为120°，一个射束方向为120°宽度为120°，一个射束方向为240°宽度为120°。这样，发射/接收天线701能使多个不同频率、不同波束方向和不同波束宽度的发射或者接收的天线方向图的同时形成。从而，所述的结构可以替换正在便携式电话基站上使用的三个扇形天线。

其它部分的各自的操作与实例九中的相同，因此省略了对它们的说明。

为电波数量和每个电波功率的设置，与实例九相似，信号812(表示波束数量)和信号813(表示每个波束的功率)被从统计处理器503输出到系数计算器810。

根据本实例，可以形成不同频率的多个的天线方向图，这样本实例适合于频分多址(FDMA)联接。

如上所述，根据本发明，一个环形阵列天线能使由两个参数规定的需要的天线方向图形成，这两个参数是任意的射束方向和任意的射束宽度。因此，可以实现合适的扇形天线。从而，可以有效的利用频率。

Claims (25)

1.一种提供天线方向图的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

为所述方向图选择任意射束宽度和任意射束方向中的至少一个；

根据所选的射束宽度和射束方向计算线性阵列天线的激励系数；

将所述激励系数转换为环形阵列天线的激励系数；

根据所述环形阵列天线的激励系数，提供所述天线方向图。

2.如权利要求1所述的提供天线方向图的方法，其特征在于，为所述方向图选择所述的任意射束宽度和所述的任意射束方向两者，并且所述天线方向图是根据所述任意射束宽度和任意射束方向提供的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述方向图选择的所述任意射束宽度和任意射束方向中的至少一个是根据与通信量情况相关估计而入局的无线电波决定的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述方向图从预定的值中选择至少一个所述的任意射束宽度和任意射束方向。

5.如权利要求1所述的提供天线方向图的方法，其特征在于，所述计算的步骤包含以下步骤：

根据所述选定的射束宽度和射束方向计算积分上下限；

根据所述积分上下限计算所述的激励系数。

6.如权利要求5所述的提供天线方向图的方法，其特征在于，所述激励系数是用傅立叶级数计算。

7.使用环形阵列天线的接收系统，其特征在于，所述接收系统包含：

计算器，用于通过根据所述的任意射束宽度和任意射束方向中的至少一个计算线性阵列天线的激励系数，并将所述激励系数转换为所述环形阵列天线的激励系数，来确立所述环形阵列天线的天线方向图；和

用于根据所述经确立的天线方向图影响用所述天线获得信号的路径。

8.如权利要求7所述的接收系统，其特征在于，进一步包含：

接收频率转换器，用于转换所述的环形阵列天线接收的射频信号为中频信号或者基带信号，

其中，所述的中频信号或者基带信号各自乘以所述计算器计算所得到的系数，形成了结果信号，以及

所述的结果信号被合并。

9.如权利要求7所述的接收系统，其特征在于，进一步包含：

估计引入局的与通信量相关的无线电波到达方向的到达方向估计单元；

统计地处理所述的到达方向估计单元的输出来确定所述的射束方向和所述的射束宽度的统计处理器。

10.如权利要求7所述的接收系统，进一步包含：

先前储存射束方向和射束宽度的储存单元；

其特征在于，至少所述的任意射束方向和任意射束宽度中的一个是从所述的储存单元里读取。

11.一种接收机，包含：

有多个环形放置的天线单元的环形阵列天线；

系数计算器，用于根据所需天线方向图的射束方向和射束宽度为所述环形阵列天线计算激励系数；

为转换所述环形阵列天线接收的射频信号为中频信号或者基带信号的接收频率转换器；和

多个的接收波束形成器，每个所述的接收波束形成器将各自的所述的中频信号或者基带信号乘以所述的计算器计算所得的系数，并且合并了结果信号，

其特征在于，所述的接收波束形成器与所述的接收频率转换器平行的耦合；以及

所述的系数计算器通常与所述接收波束形成器耦合。

12.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，所述的系数计算器包含用于设置每个所述的波束的天线功率的装置，并且所述的系数计算器包含用于设置与接收波束形成器的数目相等的波束数量的装置。

13.一种接收机包含：

有多个环形放置的天线单元的环形阵列天线；

系数计算器，用于根据所需天线方向图的射束方向和射束宽度为所述环形阵列天线计算激励系数；

多个接收频率转换器，每个所述的接收频率转换器转换所述环形阵列天线接收的无线电频率信号为中频信号或者基带信号；和

多个接收波束形成器，每个所述的接收波束形成器将各自的所述的中频信号或者基带信号乘以所述的计算器计算所得的系数，并且合并了结果信号，

其特征在于，所述的接收频率转换器和所述的接收波束形成器都与所述的环形阵列天线平行的耦合，和

所述的系数计算器通常与所述接收波束形成器耦合。

14.如权利要求13所述的接收机，其特征在于，所述的系数计算器包含用于设置所述的每一束的天线功率的装置，和

所述的系数计算器包含用于设置与接收波束形成器数量相等的波束的数量的装置。

15.使用环形阵列天线的发射系统，其特征在于，所述的发射系统包含：

计算器，用于通过根据所述的任意射束宽度和任意射束方向中的至少一个计算线性阵列天线的激励系数，并将所述激励系数转换为所述环形阵列天线的激励系数，来确立所述环形阵列天线的天线方向图；

影响被通过基于所述的确立的天线方向图的所述的天线传播的信号的路径。

16.如权利要求15所述的发射系统，其特征在于，进一步包含：

发射波束形成器，用于分割发射信号为其数目与所述环形阵列天线的天线单元的数量相同的信号，并且将所述各信号各自乘以所述计算器所得的系数，从而形成发射电波；

发射频率转换器，转换所述发射波束器形成的发射波束为发射无线电频率信号。

17.如权利要求15所述的发射系统，其特征在于，进一步包含：

估计入局的与通信量相关的无线电波到达方向的到达方向估计单元；

统计地处理所述的到达方向估计单元的输出来确定所述的射束方向和所述的射束宽度的统计处理器。

18.如权利要求15所述的发射系统，进一步包含：

先前储存射束方向和射束宽度的储存单元；

其特征在于，至少所述的任意射束方向和任意射束宽度中的一个是从所述的储存单元里读取。

19.一种发射机包含：

有多个环形放置的天线单元的环形阵列天线；

计算所述的基于需要的天线方向图的射束方向和射束宽度的环形阵列天线的激励系数的系数计算器；

多个发射波束形成器，每个所述的形成器分割发射信号为其数目与所述环形阵列天线的天线单元的数量相同的信号，并且将所述的信号各自乘以所述系数，从而形成发射波束；

发射频率转换器，转换所述的每个波束形成器的发射波束为发射无线电频率信号，

其特征在于，所述的发射波束形成器平行地与所述的频率转换器耦合；和

所述的系数计算器通常与所述的发射波束形成器耦合。

20.如权利要求19所述的发射机，其特征在于，所述的系数计算器包含用于为所述的每一波束设置天线功率的装置；和

所述的系数计算器包含用于设置与发射波束数量相等的波束数量的装置。

21.一种发射机包含：

有多个环形放置的天线单元的环形阵列天线；

计算所述的基于需要的天线方向图的射束方向和射束宽度的环形阵列天线的激励系数的系数计算器；

多个发射波束形成器，每个所述的形成器分割发射信号为其数目与所述环形阵列天线的天线单元的数量相同的信号，并且将所述的信号各自乘以所述系数，从而形成发射波束；

多个发射频率转换器，每一个转换所述相应的每个波束形成器的发射电波束为发射无线电频率信号，

其特征在于，所述的发射波束形成器和所述的发射频率转换器与所述环状阵列天线平行地耦合；和

所述的系数计算器通常与所述的发射波束形成器耦合。

22.如权利要求21所述的发射机，其特征在于，所述的系数计算器包含用于为所述的每一波束设置天线功率的装置；和

所述的系数计算器包含用于设置与发射波束数量相等的波束数量的装置。

23.使用大量环形放置的天线单元的环形阵列天线的无线电单元，所述的无线电单元包含：

为了确立所述的基于至少任意射束方向和射束宽度中的一个的环形阵列天线的天线方向图的计算器；

转换所述环形阵列天线接收的无线电频率信号为中频或者基带信号的接收频率转换器；

接收波束形成器，用于将所述的中频信号或者基带信号分别乘以所述的计算器计算所得的系数，并且合并了结果信号；

发射波束形成器，用于分割发射信号为其数目与所述环形阵列天线的天线单元的数量相同的信号，并且将所述的信号各自乘以所述系数，从而形成发射波束；

发射频率转换器，用于转换所述的每个波束形成器的发射波束为发射无线电频率信号并且输出所述的发射无线电频率信号到所述的天线，

其特征在于，所述的系数计算器通常与所述接收波束形成器和所述的发射波束形成器耦合。

24.如权利要求23所述的无线电单元，其特征在于，进一步包含：

估计引入局的与通信量相关的无线电波到达方向的到达方向估计单元；

统计地处理所述的到达方向估计单元的输出来确定所述的射束方向和所述的射束宽度的统计处理器。

25.如权利要求23所述的无线电单元，进一步包含：

先前储存射束方向和射束宽度的储存单元，

其特征在于，至少所述的任意射束方向和任意射束宽度中的一个是从所述的储存单元里读取。

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