CN1261990A - 组合成六边型网孔覆盖的巴特勒波束端口 - Google Patents

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Abstract

讨论一种天线装置和用于获得这种天线装置的一种方法。天线装置利用波束形成网络(10)的波束端口例如巴特勒(Butler)矩阵与多单元辐射器天线相连接用于在一个所需要覆盖内获得具有更多天线波束的接收/发射信道。至少使用一个额外的信号合成器(11)用于将多个普通波束端口的至少一个波束端口与一个非相邻波束端口合成,以形成在多个所需要的接收/发射信道(A－D)中的一个接收/发射信道(A)。具体的接收/发射信道使用至少一个额外的信号合成器用于合成将多个普通波束端口中的至少一个与被终止的非相邻波束端口合成,用于为一个所需要网孔覆盖或为重叠网孔的所需要覆盖而调整功率和灵敏度分布。

Description

组合成六边型网孔覆盖的巴特勒波束端口
技术领域
本发明涉及波束形成网络，和更具体地涉及一种用于电信网孔覆盖的波束端口合成方法和利用该方法的一种装置。
背景技术
在移动电信系统中的每个基站需要一定的覆盖区域，例如±60°。通过利用多波束天线，移动电信系统可以增加容量并扩大覆盖区。这是由具有来自天线阵列的多个同时窄天线波束照射覆盖区实现的。
下列要求应当满足这样的多波束天线：
a)天线波束需要照射整个所要的覆盖区；
b)目的在于产生窄天线波束的高增益天线。另一方面只要天线增益不受影响，波束的形状和旁瓣一般不太重要；
c)需要少数接收机/发射机信道以减少系统成本和复杂性。
当许多覆盖大区域的窄波束被提供在少量接收机/发射机信道中时，上述要求规定可清楚地看出一个矛盾。
从一个天线阵列获得同时窄天线波束的标准方法通常利用一个布莱斯(Blass)或巴特勒(Butler)矩阵网络用于合成天线阵列中的单个天线或天线单元。在文献中可以发现几种利用巴特勒矩阵对具有几个天线波束的天线阵列馈电的方法。在摩托罗拉(Motorola)公司1978年的美国专利4231040中，公开了一个设备和一种方法用于调节来自巴特勒矩阵的辐射波束的位置并合并相邻波束部分以提供合成波束，该波束具有振幅圆锥产生带有最大效率的的旁瓣预定振幅。这是通过首先由巴特勒矩阵的单元端口上的一组固定相位变换器调节波束的方向实现的。两个和两个相邻波束然后由巴特勒矩阵波束一侧的端口内联合并。由此方法利用一个8×8矩阵实现4个波束。可是，没有关于合成波束覆盖的讨论。
另一个文件，西屋Westinghouse(公司)1987年的美国专利4638317描述了馈电阵列天线巴特勒矩阵的单元端口如何被扩展以比基本矩阵正常提供的输出馈电更多的单元。通过功率分配在阵列天线表面实现振幅加权和轻微减少旁瓣电平。在本文中很少关联像将这样一个装置作为系统中的一个部件以减少旁瓣。不改变波束的数量。波束覆盖只简单地偶然提到。可是该装置很难被利用作为一个单独的波束形成设备。
来自一个天线的多波束一般经常由一个波束形成网络实现，在此转换产生在单元与波束端口之间。布莱斯(Blass)矩阵和巴特勒矩阵是这种转换的实例。巴特勒矩阵有意义是因为它产生引起低损耗的正交波束。图1显示，根据现有技术，带有两个限定的外部波束端口的一个巴特勒矩阵保持许多接收机/发射机信道降低。
图2显示由图1所示的这样一个波束形成矩阵产生的辐射图的例子。实线波束是连接四个接收机/发射机信道的波束，而虚线波束被终止和不成为该系统的一部分。如同可以看出的，在±60°之外的覆盖是不可接收的。点线标志用于六边型覆盖所需要的输出的例子。因此，该天线在大辐射角上具有不良覆盖。
由于天线增益减少太多，在最外波束上形成的传统波束不能使用。
这样仍需要解决这些问题是能提出一种良好性能的天线系统，具有用于移动通信系统基站的有限的许多接收机/发射机。
发明的公开
根据本发明解决上述问题的方案是依靠一个组合器/分配器将至少一个最外部波束端口和至少一个已经利用的波束端口合并成为一组，而非终接，在许多接收/发射信道内产生一个接收/发射信道。通过利用根据本发明的方法和装置，可以利用更多的波束形成网络的波束端口，也导致获得接收机/发射机信道，该信道在所需要覆盖区内同时具有更多覆盖不同方向的波束。
根据本发明的方法和装置由独立权利要求1和独立权利要求4、7和8进一步限定。本发明的另一个实施例由从属权利要求2-3和5-6分别限定。
附图简要说明
上述本发明的目的，特征和优点由于结合下列附图的详细说明而变得明显，其中：
图1说明用于一个6单元阵列的现有技术的巴特勒矩阵波束成型网络的一个例子；
图2说明用于根据图1的阵列的辐射图；
图3说明用于根据本发明的6单元阵列的巴特勒矩阵波束成型网络的一个基本实施例；
图4说明用于根据图3的巴特勒矩阵阵列的波束端口辐射图；
图5说明根据图3的巴特勒矩阵阵列的所合成的接收机/发射机信道的辐射图；
图6说明根据本发明图3的巴特勒矩阵阵列的全部四个接收机/发射机信道的辐射图；
图7说明利用本发明的改型实施例，和
图8说明根据本发明在图7中说明的巴特勒矩阵阵列的接收机/发射机信道的辐射图。
示范实施例的说明
图3根据本发明说明了利用一个用于具有6单元天线阵列的6×6巴特勒矩阵波束成型网络10的基本实施例。在此所公开的新方法和天线装置在合成器11中将一个最外部以前终接的波束端口与一个已经应用的非相邻波束端口结合用于形成四个所需要的发射/接收信道之一。例如在图3中公开了这样一种结合。所公开的第二波束端口2与第六波束端口6的结合将显著地产生较宽的覆盖。
在图3中说明性实施例的装置因而包含6个辐射单元，这些单元通过波束成型网络连接到六个波束端口1-6，该网络形成具有在常规方式中终接的第六个波束端口6的一个6×6巴特勒矩阵10。可是该装置仍然以四个接收/发射信道A-D工作。
作为非相邻端口，最好使用最远离以前终接的端口的一个端口，即波束端口2和6或等效地波束端口1和5。这两个波束端口由一个公共合成器11合并。结果，四个接收/发射信道A-D仍将如同图1所示而获得，在此通过合并波束端口2和6产生四个可用接收/发射信道中的第一个接收/发射信道A。当利用五个波束端口2-6或者1-5时，将获得另一个波束合成，这将轻微移动波束方向图，这在图4的图形中清楚地显示，与图2相比。
图5显示了用于所合成的接收机/发射机信道A的辐射图形状，该信道形成了所合并的波束端口2和6。该辐射图参照天线阵列的垂直方向将进一步向外移动。
图6说明了应用本发明的图3中的巴特勒矩阵阵列10的全部四个接收机/发射机信道的辐射图。在图6中，容易地看出在低于峰值功率的最低所需功率电平-10dB上，该辐射图在方位角远超出所需要的±60°，与处于用于图2所示的图1的基本天线装置的相应辐射功率电平的大约±50°相比。
根据图3的合并将影响这些波束端口中的天线增益，但在增益要求不很高的地方其方向性是可接受的。
在图7中说明一个改型实施例。该实施例包含8个辐射单元，这些单元通过一个波束成型网络20连接到八个波束端口1-8，该网络形成例如一个8×8巴特勒矩阵。根据本发明波束端口1、3和7被合并到一起以形成接收机/发射机信道A而波束端口8、6和2合并一起形成接收机/发射机信道D。这样该装置仍然以四个接收机/发射机信道A-D工作。
这适合于例如在电信系统中的重叠网孔，如果在窄覆盖区需要一个高天线增益而同时在需要一个宽角度覆盖。在此例中利用具有八个天线单元宽度的一个天线以优化在窄区域中的天线增益。
通过在连接到8×8矩阵20的两个另外合成器21、22的每一个中合并三个波束端口，接收机/发射机信道的总数保持低到四个，如图7所示，而不管使用了八个辐射单元。图8显示用于四个接收机/发射机信道A-D的相应辐射图。该阵列以-15dB覆盖大约±70°方位和以高增益呈现大约±15°的窄区域。本发明的另外一个优点是通过仍使用相同功率的输出功率放大器获得功率分配的匹配。
可是根据本发明有可能引入合成器带有多于三个输入端口，在波束形成网络带有更大数量的辐射单元的情况下仍然保持低接收/发射信道数量。接收/发射信道的数量当然也可以选择并非四个的其它数量。
这样，本领域普通技术人员应理解，本发明可以以许多其它特定形式实施而不背离本发明精神和基本特点。现在所公开的实施例因此被认为在各方面是说明性而非限制性的。本发明的范围由附带的权利要求书而非前面的说明来表示，和落入本发明等效物的意义和范围内的全部改型打算包括在此。

Claims (9)

1.一种利用在多单元辐射器阵列中的波束形成网络(10，20)的波束端口以产生具有在所需要覆盖区域内的几个天线波束的接收/发射信道的方法，特征在于下列步骤：
安装至少一个额外的信号合成器(11，21)；
通过所说的至少一个额外的信号合成器将多个非相邻普通波束端口中的至少一个与通常终接的一个波束端口组合；
在多个所需要接收/发射信道内通过使用来自所述至少一个额外信号合成器的一个所合成信号形成一个接收/发射信道，以由此获得用于电信系统中的一个所需要网孔覆盖的所需要功率和灵敏度分布。
2.根据权利要求1的方法，特征在于另外的步骤：
通过具有两个输入端和一个输出端的第一额外信号合成器(11)将波束形成网络的一个最外部的波束端口与一个非相邻波束端口合并成为出自多个接收/发射信道的一个接收/发射信道，用于一个所需要的网孔覆盖。
3.根据权利要求1的方法，特征在于还有步骤：
通过具有三个输入端和一个输出端的第一额外信号合成器(21)将第一最外部波束端口与两个非相邻波束端口，由包含多个辐射单元的天线阵列的波束形成网络产生的波束端口，合并成为出自多个接收/发射信道的第一接收/发射信道；和
通过具有三个输入端和一个输出端的第二合成器(22)将所述波束形成网络的至少一个最外部波束端口与两个其它非相邻波束端口合并成为所述出自多个接收/发射信道的一个第二接收/发射信道，以适配功率/灵敏度分布用于在电信系统中重叠覆盖网孔。
4.一种天线装置，用于利用连接到多单元辐射器天线的波束形成网络(10，20)的波束端口以获得具有所需要覆盖区内的更多天线波束的接收/发射信道，特征在于
包括至少一个额外信号合成器(11，21)，该合成器将多个波束端口中的至少一个波束端口与一个通常终接的非相邻波束端口合并，以形成多个所需要接收/发射信道中的一个接收/发射信道，所述一个接收/发射信道使用所述至少一个额外信号合成器。
5.根据权利要求4的天线装置，特征在于所述额外信号合成器(11)具有两个输入端和一个输出端，所述合成器将波束形成网络的一个最外部波束端口与一个非相邻波束端口合并成出自多个接收/发射信道的一个接收/发射信道，以适配功率和灵敏度分布用于所需要的网孔覆盖。
6.根据权利要求4的天线装置，特征在于
具有至少三个输入端和一个输出端的第一额外信号合成器(21)，所述第一额外信号合成器具有所述至少三个输入端各自连接一个第一最外部波束端口和一个另外数字的非相邻波束端口，以由此在所述第一额外信号合成器的输出端形成出自多个接收/发射信道的一个第一接收/发射信道；
一个第二额外信号合成器(22)具有至少三个输入端和一个输出端，所述第二额外信号合成器具有所述至少三个输入端各自连接至少一个最外部波束端口和一个另外数字的非相邻波束端口，以由此在所述第一额外信号合成器的输出端形成出自多个接收/发射信道的一个第二接收/发射信道；
由此具有产生一个更好适配的功率/灵敏度分布的天线装置用于在电信系统中重叠覆盖网孔。
7.根据权利要求4的天线装置，特征在于所述波束形成网络(10，20)是一个巴特勒矩阵。
8.一种天线装置利用6×6巴特勒矩阵的波束端口用于6辐射单元天线阵列以在一个所需要覆盖区内获得具有更多天线波束的接收/发射信道，特征在于还包括：
一个额外信号合成器具有两个输入端和一个输出端，所述额外信号合成器具有所述两个输入端各自连接到一个第一波束端口和一个第五波束端口或另外所述6×6巴特勒矩阵的一个第六波束端口和一个第二波束端口，所述额外信号合成器的所述输出端形成出自四个接收/发射信道的一个接收/发射信道以具有在所需要辐射覆盖区内产生更适配的辐射角分布的天线装置。
9.一种天线装置利用8×8巴特勒矩阵的波束端口用于8辐射单元天线阵列以在一个所需要覆盖区内获得具有更多天线波束的四个接收/发射信道，特征在于还包括：
第一信号合成器具有三个输入端和一个输出端，所述第一信号合成器具有它的三个输入端各自连接出自八个可用波束端口的第一波束端口，第三波束端口和第七波束端口，由此在所述第一信号合成器的输出端形成出自所述四个接收/发射信道的第一接收/发射信道；
第二信号合成器具有三个输入端和一个输出端，所述第二信号合成器具有它的三个输入端各自连接出自八个可用波束端口的第八波束端口，第六波束端口和第二波束端口，由此在所述第二信号合成器的输出端形成出自四个接收/发射信道的第二接收/发射信道；
由此适配天线装置以产生一个适配的辐射功率/灵敏度分布用于重叠覆盖通信系统中的网孔。
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