CN1273463A - 具有相干和非相干接收特性的天线阵列系统 - Google Patents

Abstract

一种天线阵列系统,包括:第一阵列和第二阵;第一阵列工作在发射模式和接收模式下,第二阵列工作在接收模式下,它与第一阵列在空间上分开。接收机调整接收模式下的接收辐射图,并提供一个控制信号,用于发射模式的发射辐射图。

Description

具有相干和非相干接收特性的天线阵列系统

本发明一般涉及无线通信系统中使用的天线阵列系统。

某些普通的天线系统使辐射图适应于无线通信系统中的条件，这种天线系统称之为“智能天线”或“自适应天线阵列”。通常，自适应天线阵列利用一组接收机确定合适的辐射图，它使接收到的上行链路传输信号强度最大。若多个接收机与天线系统安装在塔顶上，该天线系统的替换和维修变得十分困难和昂贵。此外，许多普通的自适应天线只能增加上行链路接收机性能，而在下行链路传输中没有任何相应的改进。因此，需要有这样一种可靠的天线系统，给无线通信系统的上行链路信号和下行链路信号都提供增强的性能。

普通上行链路接收的自适应阵列可以与下行链路传输的独立切换的固定射束系统结合使用。例如，某些天线系统利用上行链路接收的“分扇区”方法，作为有关下行链路传输的正确切换选择。然而，使用多个天线阵列可能超过现有安装空间的限度。此外，使用多个天线可能增加传输线，双工器，缆线，和其他硬件的要求。

为了简化天线设计，一些自适应接收天线仅仅通过增大基站下行链路的传输功率以平衡它们接收性能的改进。增大功率不但加重了基站放大器系统用于距离延伸的负担，而且对提高信号干扰(S/I)比没有作用。提高S/I比可以增大通信业务容量或频率复用密度。因此，需要有下行链路传输的全自适应辐射图整形以提高下行链路信号的信号干扰比。

按照本发明，天线阵列系统能够服务于上行链路接收和下行链路传输的基站。该天线阵列系统包括：第一阵列和与第一阵列在空间上分开的第二阵列。第一阵列代表下行链路传输的发射阵列，而第一阵列与第二阵列的组合称之为上行链路接收的分集装置。

在本发明的一个方面，该天线系统包括适当数量的天线元和天线元的空间安排以避免波瓣确定性(lobe definition)问题，而保持接收信号(第一阵列和第二阵列中接收到的)中适当的去相关以防止快速衰落。在本发明的另一个方面，利用发射模式和接收模式中的自适应辐射方法，提高上行链路信号干扰(S/I)比和下行链路S/I比。因为在发射模式和接收模式中使用共同的天线元件，该天线阵列系统需要很少的辅助设备，例如，天线，传输线，硬件，连接器，和监控接收机。

图1至图8表示按照本发明天线阵列系统的各种示范性实施例。

图9表示这种天线阵列系统应用于垂直的空间分集装置。

图10表示这种天线阵列系统应用于水平的空间分集装置。

按照本发明，图1表示连接到无线基础结构的天线阵列系统10。天线阵列系统10包括：与第二阵列14在空间上分开的第一阵列12，该空间间隔40足以产生空间分集增益。该无线基础结构包括：有接收机18和发射机20的基站16。接收机18和发射机20连接到双工器系统22。可以包含一个放大器系统24，用于放大发射机20发射的信号。第一阵列12有连接到双工器系统22的第一天线端口34。第二阵列14有连接到接收机18的第二天线端口38。

图1中的天线阵列系统10能够服务于上行链路接收和下行链路传输的基站16。第一阵列12代表下行链路传输的发射阵列。第一阵列12与第二阵列14的组合称之为上行链路接收的分集装置28。分集装置28的特征是第一阵列12内的相干特性，用于准确地确定接收信号的到达角，或复相位，幅度，和时延权重。可以利用相位，幅度，时延权重，或以上这些组合确定引导下行链路传输辐射图的控制信号。分集装置28的特征是减轻衰落和增强空间分集增益的非相干特性。如此处所用到的，相干性是指来自任何两个不同天线元(或组30)的接收信号之间相关关系，这两个不同天线元对入射信号波前的响应多少有些相关。

一般来说，第一阵列12包括若干组30的天线元32，若按照控制方式适当地馈入一个或多个发射信号分支21，则产生的发射辐射图具有定向和可操纵的特性。在第一阵列12中，每一组30有对应的第一天线端口34。第一阵列12可以包括天线元32的矩阵36，其中每一组30代表矩阵36中天线元32的线列。如图所示，该线列往往是垂直取向的，把辐射图会聚到仰角平面(即，垂直平面)。线列可以经第一天线端口34和传输线馈电(例如，端部馈电和中点馈电)，因此，该线列中各个天线元12之间的相位关系是已知的和固定的。

组30的数目确定水平孔径的大小和方位平面(即，水平平面)中可能的辐射图特性。第一阵列12至少有两组30天线元32。然而，第一阵列12最好包括四组或四个以上组30，产生适当会聚的辐射图，用于下行链路传输。四组或四个以上组还便于在接收模式下从第一阵列12分集装置28的多个接收信号分支(N个接收输入43)中至少采用两个适当去相关的接收信号分支。互相关为零是最佳的去相关，而互相关为1是完全相关。在所有其他的各对中，一对去相关接收信号分支可以存在于第一阵列12的第一天线端口34与第二阵列14的第二天线端口38之间。

虽然图1中画出第一阵列12有四个第一天线端口34，它意味着有四组30天线元32，但是，第一阵列12可以有任何数目(N)的第一天线端口。在典型的天线安装条件下，四组至十组范围的天线元32对于第一阵列12的大小，重量，和风力载荷的适应是最实际的。

第一阵列12最好包括小型的“非稀疏”阵列以操纵到达或来自一个或多个移动台的能量。非稀疏阵列指的是空间距离足够靠近的天线元32或组30，以避免出现栅形波瓣，空间混叠，或波瓣确定性问题。第一阵列12要求必需的最小数目天线元32或组30以充满该孔径和避免波瓣确定性问题。

在接收模式下，第一阵列12能够给接收机18提供有关到达方向或基干天线控制数据(例如，复相位，幅度，时延权重，或以上任意组合的任何表示)的无二义性信息，这些信息与来自移动台的接收信号有关。无二义性信息是经第一天线端口34和接收输入43提供的。分集装置28在两个或多个接收信号分支中提供空间分集接收，这些接收信号分支对应于第一天线端口34集合和第二天线端口38集合。在任何两个天线端口(34，38)上，充分地去相关第一阵列12信号与第二阵列14信号之间的互相关以实现分集增益。

互相关代表各组30天线元32上接收信号之间不同程度的独立性。第一阵列12与第二阵列14之间进一步分离，这两个阵列的天线元32一般就有更大的独立性或互相之间更小的互相关。若第一阵列12至少有四个信号分支和第二阵列14至少有两个信号分支，则接收机18至少有六个可能的独立接收分支进行组合或处理以获得分集增益。这种分集增益不但可以包括来自空间分集的增益，还可以包括第一阵列12与第二阵列14之间或第二阵列14内部极化分集的增益。

若相邻的天线元32或组30之间分开的距离为最大的可允许间隔或小一些，则第一阵列12可以提供相干增益。例如，最大的可允许间隔可以小于或等于工作频率下的一个波长(例如，水平方向上1/2波长)。该相干增益是受公式G＝10log(N)的支配，其中N是列组30的数目，和G是单个列组天线元32之上的增益。

为了使下行链路传输的天线阵列系统10的极化与下行链路接收的移动台移动天线的平均极化之间有最大的极化匹配，第一阵列12最好是垂直极化的。然而，在另一些实施例中，第一阵列12可以利用水平极化，斜极化，圆极化，或以上极化的任意组合。因为第一阵列12中各个天线元32之间在方位方向(水平方向)上一般只相隔几分之一个波长，它们是非稀疏的，所以，接收的波前相位在第一阵列12上看成是相干的。

第一阵列12上各个相邻天线元32(或组30)的间隔比第一阵列12与第二阵列14之间的空间间隔40紧密得多，因此，第一阵列12避免了波瓣确定问题和分集装置28提高了抗快速衰落。空间间隔40一般是这样选择的，使第一阵列12的天线元32与第二阵列的天线元31分开的距离在工作频率的5-20个波长的范围内，虽然其他适当的波长距离也可落在本发明的范围内。第一阵列12各个相邻天线元32之间较小的空间跨度(例如，水平距离)与较大的空间间隔40的组合在接收模式下产生这样的性能，它很适合于估算接收信号到达方向上的天线控制数据和利用分集增益减小衰落。接收信号到达方向上的天线控制数据包括：与接收信号有关的复相位，幅度，时延权重，或以上这些的任意组合。

第二阵列14至少有一组天线元31，专门用于接收模式的工作。第二阵列14有第二天线端口38。第二阵列14最好包含双斜的天线元31，如图1中用符号“X”表示的。双斜的天线元31可以有+45度和-45度倾斜的极化(相对于0度的垂直极化)，虽然其他的极化取向也适合于实现本发明。双斜的天线元31提供两个输出端口，二者之间互相去相关，且与第一阵列12去相关。由于利用双向极化，各个天线元31之间互相去相关。由于空间分集(例如，水平间隔)，天线元31与第一阵列12之间去相关。

由于第一阵列12与第二阵列14之间适当的空间间隔40和第二阵列14内部的极化分集，分集装置28在四个或四个以上信号分支中获得合适的分集性能。虽然图1中画出的空间间隔是水平的，这种空间间隔可以是水平的，垂直的，或偏移到任何其他的方向。因此，提供空间分集增益和极化分集增益，分集装置28就可以减轻信号衰落和提高正向链路接收。

在另一个实施例中，天线阵列系统10配置成第一阵列12与第二阵列14之间有最大的去相关。使这个去相关最大化的示范性方法包括：第一阵列12与第二阵列14之间垂直的空间间隔40，利用不同的极化，诸如，水平极化和圆极化，或附加的空间间隔40(例如，第一阵列12与第二阵列14之间更大的垂直距离或水平距离)。在另一个实施例中，第一阵列12是多向极化的(例如，双向极化和三向极化)和第二阵列14是双向极化的。

根据公式M＝N+L，接收机18有M个接收输入42，其中N是第一阵列12的第一天线端口34总数，L是第二阵列14的第二天线端口38总数。此处，在图1中，接收机18至少有M＝6个输入(在此情况下，N＝4发射阵列，L＝2只接收阵列)。

接收机18支持两种独立的功能：(1)通过形成适合的接收辐射图，调整(例如，优化)一个或多个有用移动台上行链路信号的上行链路接收和(2)基于选取的有关接收辐射图，便于正确选择下行链路传输的发射辐射图。

该接收机包括：解码器45，用于接收上行链路信号和解调数据，话音，或其他的通信业务。按照一种算法，逻辑电路，或另一种实现分集增益的方案，解码器45适应于完成两个或多个接收信号分支的分集接收处理。例如，解码器45可以对所有M个接收信号分支提供分集接收处理。

接收机18包括：监测器44，用于监测天线控制设定，这种设定产生最佳的或适合的接收信号和接收辐射图。天线控制设定包括：幅度设定(例如，放大器增益)，相位设定，信号参量权重，时延权重，或以上这些的任意组合。

接收机18包括：控制器46，用于调整发射辐射图与接收辐射图一致，它产生最佳的或足够的接收信号。监测器44可以确定第一阵列12上接收信号的到达方向。然而，监测器44只需要确定到达方向上第一阵列12的控制数据(例如，复幅度，相位，和/或时延权重)。有利的是，一个接收机18能够给上行链路分集处理功能和下行链路射束操纵功能提供合适的控制数据，而不需要复制任何的接收硬件。

控制器46适应于改变下行链路发射辐射图，上行链路接收辐射图，或二者。若监测器44确定一个或多个移动台合适的接收辐射图，则控制器46可以产生正确的命令，用于产生发射辐射图，它具有类似于接收辐射图的方向特性。控制器46的功能之一是把接收天线控制设定(由监测器44提供)转换成发射天线控制设定(或权重)，这是由于发射频率与接收频率之间有频差。

在一个实施例中，发射辐射图，接收辐射图，或二者的选取可以相当于切换各个设定。在另一个实施例中，这些辐射图可以受相位和幅度设定的控制。例如，辐射图可以受预置表中相位和幅度设定(例如，权重)的操纵，形成有限的辐射图集合中一个辐射图。在利用相位和幅度设定的情况下，相位和幅度设定的算法优化是可能的。控制器46可以分别控制放大器系统24中每个放大器的增益设定，用于调整发射辐射图。或单独地或与以上增益调整相结合，控制器可以分别控制每个发射机分支48中信号的相对相位，用于调整发射辐射图。

在另一个实施例中，可以利用时延设定控制发射辐射图，接收辐射图，或二者。利用时延设定优化滤波器的时空滤波特性，这些滤波器连接到天线阵列系统。

调整发射辐射图或下行链路传输可以如同在预置相位和幅度权重的不同集合中作切换一样简单。这样的调整方法称之为固定的射束操纵方法。若利用连续变化的相位和幅度设定以调整发射辐射图，例如，根据基带信号，则各个信号分支48之间的相位关系必须是已知的，固定的，或可控制的。固定的射束操纵方法可以应用于下行链路传输。利用上行链路接收定相的阵列权重作为最佳下行链路传输辐射图的估算确定这种射束操纵。

在另一个实施例中，另一个控制器提供控制信号，用数字方法控制基带的第一阵列12，根据来自第一阵列12和第二阵列14移动台的接收信号，定制给移动台的下行链路传输信号。

接收机18至少处理M个接收分支42中的幅度权重(最好是相位权重和幅度权重二者)，对所有的输入求和以优化接收机18的S(I+N)比(信号与干扰加噪声之比)，而监测器44监测这个处理。在上行链路，操纵这个接收机处理以获得最佳的分集增益和最佳的射束形状。分集增益和射束形状比利用单个天线元或单个组30更有益。分集增益对于抑制衰落特别有用，而射束增益对于抑制同信道干扰源是有益的。射束增益提供了空间选择性，可以利用它衰减对有用信号的干扰。

接收机18有M个接收分支42，用于处理来自第一阵列12和第二阵列14的接收信号。接收机18的接收分支42连接到第一天线端口34(总数为N)，这些接收分支获得用于空间滤波的射束整形，而接收机18的接收分支42连接到第二天线端口38(总数为L)，这些接收分支有助于保证足够好的性能，抑制因增大的空间间隔引起的快速衰落。接收分支的总数M最好等于N个天线端口与L个天线端口之和。

监测器42和控制器46共同确定用于下行链路传输的合适权重。在此情况下，只利用第一天线端口34，因为第一天线端口34的信号表现发射模式下使用第一阵列12的特征。一般来说，对于发射模式，在接收模式期间通过第一阵列12的接收，可以确定第一阵列12的四个(或多个)天线组30中每组的幅度权重和相位权重。可以利用补偿算法对接收模式测量求时间和衰落的平均，用于产生下行链路传输的合适控制信号。此外，在另一个实施例中，在大多数的蜂窝型系统(例如，频分多路复用)中，算法可以补偿发射与接收之间因频率偏移造成的相移效应。

天线阵列系统10在接收天线端口42上给出适当的独立性(抗相关的快速衰落)，而第一阵列12提供在发射天线端口(34)上可以观察到的非波瓣发射波束。接收天线端口指的是第一阵列12的第一天线端口34和第二阵列14的第二天线端口38。发射天线端口指的是发射期间工作的第一阵列12的第一天线端口34。

在发射模式下，天线阵列系统10提供下行链路信号传输的高增益(例如，大于10dBi)和空间操纵。在接收模式下，天线阵列系统10提供上行链路接收机18系统的多个输入。天线阵列系统10可以同时工作在发射模式和接收模式下。

在接收模式下，天线阵列系统10提供上行链路信号接收的高增益和空间操纵。包括的第二阵列提高分集性能。主要通过增大分集增益高达6dB或更大，增大的分集性能可以减小衰落。接收机16适应于处理不同接收分支中的相位权重和幅度权重，对两个或多个接收分支求和以提高信号干扰比。第二阵列14代表附加的“出站”接收机18阵列，用于提供附加的分集(独立于快速衰落)，只有另一些极化(双斜或垂直&水平极化)和/或大的间隔(5-20个波长)可以提供这种附加的分集。

空间分集装置28对上行链路接收利用自适应阵列方法，而第一阵列12支持各种下行链路传输方法。所以，自适应阵列接收产生改进的接收机18灵敏度(改进的信噪比(S/N))和改进的接收机18抗干扰性(改进的信号干扰比(S/I)性能)。因此，该自适应阵列接收可以通过增大的频率复用使通信业务容量有很大的提高。

该天线系统支持图2至图8中所示的各种无线基础结构。具体地说，图2至图8表示本发明的天线系统在窄带无线电，宽带无线电，自适应阵列传输，操纵的射束传输，切换的射束传输，和负荷分担在放大器阵列上的应用。

图2中的天线阵列系统类似于图1中的天线阵列，不同的是，在双工器系统22与放大器系统24之间添加了Butler矩阵150，以及具有N个切换发射分支148的发射机120。图1和图2中相同的参考数字表示相同的元件。在图1中，从发射机20到每个发射天线组30的发射分支48必须相位校准。然而，图2中所示的系统允许从无线电发射机120到Butler矩阵150有非校准的传输路径(电相位)。

与基站116相联系的发射机120包括：多个求和电路154和对应的数模转换器152。求和电路154的输入端接收发射机120有效通信信道的信号。在对应的数模转换器152把求和的信号转换成各个模拟信号之前，每个求和电路154对有效的发射输入求和。放大器系统24放大数模转换器152转换后的模拟信号。放大器系统24最好包含有足够带宽和多载波线性放大器(MCLA)其他特性的放大器，因为多个同时的信号可以被每个放大器放大。

只要使加法器输入156的状态从“断”转换到“通”，就可以改变发射天线辐射图。例如，每个信道可以应用于不同的求和电路156以产生不同的发射辐射图。加法器输入156的圆点指出有有效切换选择的发射路径。这个图举例说明有三个同时有效的发射信道(三个同时的RF载波)。这三个无线电输出中的每一个可以互联到加法器输入156的任一个，和一个无线电输出可以同时互联到多个加法器输入156，在Butler矩阵150的作用以后，在第一阵列12上产生所需的发射辐射图。在这个系统中，发射分支148上单个无线电信道单元的输出只是通/断判定。对于一个时分多址(TDMA)或全球移动通信系统(GSM)，每个无线电信道单元代表特定RF载波的特定时隙上一个话音信道呼叫。对于一个模拟高级移动电话业务(AMPS)系统，每个话音信道单元是单个RF载波。

在图2中，通过操作各个发射信号之间的相位关系，天线阵列系统10可以不要求在放大器中作幅度调整或相位加权。相反，图1中幅度加权和任何相位加权获得的功能最好由Butler矩阵150结合选取的发射信号加到加法器输入156上来完成。

Butler矩阵150可以包括混合和相移电路以提供射频输入端口151和输出端口153。Butler矩阵150对跨越输入端口151与输出端口153之间的信号完成近似的傅里叶变换或逆傅里叶变换。利用一个N×NButler矩阵允许N单元发射阵列获得N个独立的“固定射束”。进入Butler矩阵输入端口151之一(例如，端口A)的单个输入在输出端口153(例如，A′，B′，C′和D′)和在双工器系统22处建立一组定相输出。在被双工器系统22适当滤波以后，该定相输出馈入到第一天线阵列12，通过第一阵列12各个天线元32之间的相互作用，形成N个独立的固定射束。

图3中的天线阵列系统类似于图2中的天线阵列系统，不同的是添加了一对Butler矩阵(256，258)以提供负荷分担放大组件124。图1和图3中相同的参考数字表示相同的元件。图3中的多个Butler矩阵分别称之为第一Butler矩阵150，第二Butler矩阵256，和第三Butler矩阵258。Butler矩阵(256，258)的功能和结构基本上与图2中Butler矩阵150的相同。第二Butler矩阵256连接在放大器系统24与发射机120之间。第三Butler矩阵258连接在放大器系统24与第一Butler矩阵150之间。第二Butler矩阵256，第三Butler矩阵258，和放大器系统24的组合构成负荷分担放大组件124。第二Butler矩阵256和第三Butler矩阵258与放大器的共同作用是使功率放大的负荷分担在放大器系统24中若干个并行放大器上。

第三Butler矩阵258对独立的放大器输出求和以建立N个复合端口，并经受第二Butler矩阵256启动的相位变化，所以，相对于第二Butler矩阵256的输入线(例如，E，F，G，和H)和第三Butler矩阵258对应的输出线(例如，E，F，G，和H)，Butler矩阵对(256，258)不产生任何的相对相移(不同于均匀延迟)。

第二Butler矩阵256把一条输入线(例如，E)上的发射输入信号分配到放大器系统24中放大器的多个输入上(例如，E′，F′，G′，和H′)。第三Butler矩阵258从这些放大器接收多个输出(例如，E′，F′，G′，和H′)，并把与相同发射信号有关的多个输出变换到第三Butler矩阵258的一条输出线上(例如，E)。

图4中的天线阵列系统类似于图1中的天线阵列系统，如图所示，不同的是发射机220有N个定相分支48。图1和图4中相同的参考数字表示相同的元件。图4非常适合于作为发射模式下真正的自适应阵列，其发射辐射图不局限于固定数目的状态。相反，该发射辐射图可以连续地变化。基站216包括：发射机220和接收机18。发射机220包含连接到对应数模转换器152的求和电路154。此处，每个求和电路154首先用数字方式对每个调制信道中一个或多个输出按照合适和已知的相位关系求和，在第一阵列12上产生所需的发射辐射图。第二，数模转换器152把求和后的信号转换成模拟信号。第三，转换后的信号经放大器系统24直接送到第一天线阵列12，不再调整相位或幅度关系，因为在发射信号分支48中传播的各个信号之间的相位关系在通过数字求和操作的基带中已确立。

图5中的天线阵列系统类似于图3中的天线阵列系统，不同的是发射机220有N个定相分支48。图3和图5中相同的参考数字表示相同的元件。图5的双Butler矩阵配置包括第一Butler矩阵256和第二Butler矩阵258，允许负荷分担在放大器系统24中各个放大器上。

图5中的结构不同于图2和图3中的结构，因为发射信号分支48中的相位关系必须保留，或至少要校准，从发射机220，通过一对Butler矩阵(256，258)，放大器系统24，双工器系统22，和所有相关的互联传输媒介(例如，同轴缆线或硬线)。就是说，正确的相位和幅度关系可以用数字方法在基带中建立，如由求和电路156改变，产生第一阵列12所需的发射辐射图。图5中的结构允许类似于图4方式中连续变化的射束形状或发射辐射图，且具有图3中所描述的负荷分担放大组件124的附加特征。

图6中的天线阵列系统类似于图5中的天线阵列，不同的是利用窄带无线电316和分路器260把窄带无线电316互联到第一阵列12和第二阵列14。每个窄带无线电316包括基站，它至少支持一个信道用于与移动台通信。分路器260连接到接收机18与双工器系统22之间的传输媒介。如图6所示，虽然分路器260有两个输出端口，实际上分路器输出的数目等于窄带无线电316的数目。图5和图6中相同的参考数字表示相同的元件。

图6表示本发明的天线系统如何反向兼容窄带无线电(例如，316)的使用，其中分开的无线电输出在馈入到放大器系统24中一组多载波线性放大器之前被求和(模拟方式或数字方式)。负荷分担放大系统124促使负荷分担在放大器系统24中多个放大器上。此处，每个窄带无线电316必须馈入分开的接收信号。类似地，每个无线电发射机320的发射信号必须在加法器322中组合，在发射分支248上形成复合的发射信号，适合于输入到负荷分担放大组件124。如图所示，虽然每个加法器322有两个输入，该加法器输入的数目可以等于窄带无线电316的数目。

图7中的天线阵列系统类似于图6中的天线阵列，不同的是图6中的负荷分担放大组件124被放大器系统224代替。图6和图7中相同的参考数字表示相同的元件。放大器系统224中的各个放大器协同工作并馈入到加法器322。放大器系统224包括单独载波线性放大器(ICAL)，其安排是让每个窄带无线电载波的每个发射分支(总数为N个分支)要求一个单独的放大器。因此，在放大器系统224中由于放大器的数目是按照N×P增长，其中P是分开的RF载波数目，图7中的配置可以限制窄带无线电载波的实际最大数目，以维持放大器系统224合理的价格。

图8中的天线阵列系统类似于图1中的天线阵列，不同的是去掉双工器系统24，第一天线阵列112包含两个子阵列，和监测器114在接收权重与发射权重之间完成更精密的转换。图1和图8中相同的参考数字表示相同的元件。图8表示这样一种结构，它不利用双工器系统滤波把发射频率与接收频率分开。相反，两个混合的子阵列形成另一种第一阵列112。如图所示，第一阵列112包括发射垂直组130和交替排列的接收垂直组230，因此，每隔一列代表发射子阵列部分或接收子阵列部分。利用发射波带与接收波带之间的频差获得发射子阵列与接收子阵列之间正常运行所必需的隔离。然而，在接收模式工作期间，第一阵列112与第二阵列14结合仍然能够提供空间分集。

图9和图10表示给两个附加的接收机分集分支获得附加分集的另一些方法。在图9中，第一阵列12与第二阵列14之间可以分开一段距离，在接收模式下其垂直间隔97足以产生空间分集增益。在图10中，第一阵列12和第二阵列14还补充一个第三阵列15。第二阵列14和第三阵列15都与第一阵列分开一段距离，在接收模式下其水平间隔99足以产生空间分集增益。

以上天线阵列系统实施例中的任一个可以配置成模仿普通的扇区网基站连接，该天线系统可以与标准基站配置和典型的基础结构配置兼容。在TDMA无线系统中，该天线阵列系统最好与部署的间隙发射(DTX)结合使用，但也可以与当前的IS-136结合工作。该天线阵列系统可应用于模拟系统，例如，AMPS，或应用于数字系统，例如，CDMA或GSM。该天线阵列很容易按照这样方式配置，它可以与基站和其他无线基础结构设备的安装兼容。

与普通的三扇区和六扇区系统比较，本发明的天线阵列系统改进了上行链路和下行链路的链路预算，通过提高接收机灵敏度和提高有效的天线传输增益增大覆盖范围(增加射程)。而且，使用自适应接收和传输可以进行空间滤波以减小或消除上行链路和下行链路上的干扰。干扰的减小可以增大通信业务容量，例如，可以有更密集的频率复用。

此外，该天线系统获得改进的性能，发射模式下使用的相干阵列也可用于接收模式。天线设计可以看成是小型的，但是高效的，这可以从整体的天线尺寸，重量，按照发射端口和接收端口数目的风力载荷考虑。该天线系统很适合于双工运行以减少所需的缆线数目。

在图1至图8诸实施例的任一个实施例中，第一阵列，第二阵列，或二者中的每个天线元可以是垂直的阵列，为的是获得射束形状和仰角平面。一般来说，在垂直(仰角)平面上利用5度至7度的半功率射束宽度以获得水平平面上适当的高增益，这适合于移动通信的环境。在另一个实施例中，通过适当地调整垂直单元的相位，就可以获得不同的射束宽度，不同的射束形状，旁瓣抑制，和零填充。

虽然第一阵列12和第二阵列14中的天线元安排成矩形矩阵，如图1至图10所示；在另一个实施例中，天线阵列系统10一般包括：第一天线组件和第二天线组件，其中天线元安排成提供相干和非相干的接收特性。因此，第一阵列12和第二阵列14可以用功能相当的第一天线组件和第二天线组件代替。第一天线组件包括：一个或多个天线元，安排成与以上接收特性一致的任何几何配置。第二天线组件包括：一个或多个天线元，安排成与以上接收特性一致的任何几何配置。

这个说明书描述本发明系统和方法的各种示范性实施例。权利要求书的范围应当覆盖与这个技术说明中公开的实施例有关的各种改动和相当的装置。所以，理应对以下的权利要求书赋予最广泛的解释，可以覆盖与此处公开的本发明精神和范围一致的各种改动，相当的结构和各种特征。

Claims (46)

1.一种天线阵列系统，包括：

第一天线组件，安排成工作在发射模式和接收模式；

第二天线组件，与第一天线组件在空间上分开，其间隔足以实现接收模式下的空间分集增益；

接收机，用于处理接收模式下来自第一天线组件和第二天线组件的信号，和在发射模式下给第一天线组件的发射辐射图提供控制信号。

2.按照权利要求1的天线阵列系统，其中接收机有自适应接收能力，用于调整接收模式下第一天线组件和第二天线组件中至少一个的接收辐射图。

3.按照权利要求1的天线阵列系统，其中第一天线组件包含多个天线元，且各个天线元之间的空间跨度约为工作频率下一个波长或小于一个波长以避免波瓣确定性问题。

4.按照权利要求1的天线阵列系统，其中第一天线组件包含多个天线元，且相邻的天线元之间有空间跨度，和其中第一天线组件与第二天线组件之间的所述间隔大于每个该空间跨度。

5.按照权利要求1的天线阵列系统，其中第一天线组件包含多个垂直组的天线元，且相邻的垂直组之间有水平空间跨度，使得第一天线组件适应于按照相干方式接收信号。

6.按照权利要求5的天线阵列系统，其中安排第一天线组件与第二天线组件之间的间隔以按照非相干方式接收信号。

7.按照权利要求1的天线阵列系统，其中第一天线组件包含多个垂直的柱状组天线元，且相邻垂直的柱状组之间有水平空间跨度，它小于或等于工作频率下一个波长，和其中第一天线组件与第二天线组件之间的间隔约在工作频率下5-20个波长的范围内。

8.按照权利要求1的天线阵列系统，其中第二天线组件有不同于第一天线组件的极化。

9.按照权利要求1的天线阵列系统，其中第二天线组件至少有一组天线元，专门用于接收模式下的工作。

10.一种天线阵列系统，包括：

第一阵列，包含天线元的矩阵，安排成在发射模式和接收模式下工作；

第二阵列，与第一阵列在空间上分开，其间隔在接收模式下足以实现空间分集增益；

接收机，用于处理接收模式下第一阵列和第二阵列的信号，和在发射模式下给第一阵列的发射辐射图提供控制信号。

11.按照权利要求10的天线阵列系统，其中接收机有自适应接收能力，用于调整接收模式下第一阵列和第二阵列中至少一个的接收辐射图。

12.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列中各个天线元之间的空间跨度约为工作频率下一个波长或小于一个波长以避免波瓣确定性问题。

13.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列的各个相邻天线元之间有空间跨度，且其中第一阵列与第二阵列之间的所述间隔大于每个空间跨度。

14.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列在相邻垂直组的天线元之间有水平的空间跨度，使得第一阵列适应于按照相干方式接收信号。

15.按照权利要求14的天线阵列系统，其中安排第一阵列与第二阵列之间的间隔以按照非相干方式接收信号。

16.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列中相邻垂直柱状组的天线元之间有水平的空间跨度，它小于或等于工作频率下一个波长，和其中第一阵列与第二阵列之间的间隔约在工作频率下5-20个波长的范围内。

17.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列至少包含两组天线元，每一组有对应的独立天线端口。

18.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列的天线元按照公式G＝10log(N)产生相干增益，其中N是线状组天线元的数目，G是单个线状组天线元之上的增益。

19.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第二阵列有不同于第一阵列的极化。

20.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列是垂直极化和第二阵列是双向极化。

21.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列是多向极化和第二阵列是双向极化。

22.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第二阵列至少有一组天线元，专门用于接收模式下的工作。

23.按照权利要求10的天线阵列系统，其中相对于0度的垂直极化，第二阵列包含+45度和-45度倾斜极化的双向极化天线元。

24.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列与第二阵列是在垂直方向上分开的。

25.按照权利要求10的天线阵列系统，其中第一阵列与第二阵列是在水平方向上分开的。

26.一种天线阵列系统，包括：

第一天线元阵列，工作在发射模式和接收模式下；

第二天线元阵列，与第一阵列在空间上分开，其间隔在接收模式下足以实现空间分集增益；

接收机，有监测器和控制器，该监测器监测接收模式下第一阵列和第二阵列的接收辐射图，该控制器给发射模式下第一阵列的对应发射辐射图提供控制信号。

27.按照权利要求26的天线阵列系统，其中第一阵列的各个天线元之间有空间跨度，它约为工作频率下一个波长或小于下一个波长以避免栅形波瓣确定性问题。

28.按照权利要求26的天线阵列系统，其中第一阵列的各个相邻天线元之间有空间跨度，且其中第一阵列与第二阵列之间的间隔大于每个该空间跨度。

29.按照权利要求26的天线阵列系统，其中第一阵列中相邻垂直组的天线元之间有水平的空间跨度，使得第一阵列适应于按照相干方式接收信号。

30.按照权利要求29的天线阵列系统，其中安排第一阵列与第二阵列之间的间隔以按照非相干方式接收信号。

31.按照权利要求26的天线阵列系统，其中第一阵列中相邻垂直柱状组的天线元之间有水平的空间跨度，它小于或等于工作频率下一个波长，和其中第一阵列与第二阵列之间的间隔约在工作频率下5-20个波长的范围内。

32.按照权利要求26的天线阵列系统，其中控制器提供控制第一阵列和第二阵列的控制信号，极大化来自一个或多个期望的移动台的信号的上行链路接收。

33.按照权利要求26的天线阵列系统，其中控制器提供控制第一阵列的控制信号，使得提供的发射辐射图可以与第一阵列感觉的接收辐射图相比较。

34.按照权利要求26的天线阵列系统，其中监测器监测天线控制参量，该参量包括接收幅度设定和接收相位设定。

35.按照权利要求26的天线阵列系统，其中控制器调整发射辐射图，使它与产生合适接收信号的天线控制参量一致。

36.按照权利要求26的天线阵列系统，其中第一阵列包括连接到对应天线元的天线端口，用于形成发射辐射图，且其中控制器选取一个切换设定，经各个天线端口中至少一个端口馈入到至少一个天线元。

37.按照权利要求26的天线阵列系统，还包括：给第一阵列提供发射信号的Butler矩阵，且其中控制器调整直接或间接输入到Butler矩阵的发射信号以形成发射辐射图。

38.按照权利要求26的天线阵列系统，其中基于对从第一阵列接收信号的解释，通过切换一组预置相位权重和幅度权重中的一个，控制器调整发射辐射图。

39.按照权利要求38的天线阵列系统，其中接收机处理各个分支中的相位权重和幅度权重，对两个或多个分支求和，以提高来自第一阵列和第二阵列接收机的信号干扰比。

40.按照权利要求26的天线阵列系统，其中基于来自第一阵列上行链路接收信号作为最佳传输辐射图的估算，控制器适应于调整下行链路的发射辐射图。

41.按照权利要求26的天线阵列系统，其中第二阵列有双斜极化，且与第一阵列分开约5-20个波长。

42.按照权利要求26的天线阵列系统，其中接收机包括多个接收分支，用于处理来自第一阵列的接收信号，提供使干扰减小的射束整形。

43.按照权利要求26的天线阵列系统，其中接收机包括多个接收分支，用于处理来自第二阵列的接收信号，提供抗快速衰落的合适性能。

44.按照权利要求26的天线阵列系统，还包括：Butler矩阵，对发射模式下跨越Butler矩阵到第一阵列的发射信号完成近似的傅里叶变换或逆傅里叶变换。

45.按照权利要求26的天线阵列系统，还包括：

包含不同放大器的放大器系统，用于放大发射模式下第一阵列的发射信号；

一对连接到该放大器系统的Butler矩阵，用于分担负荷在不同的放大器中。

46.按照权利要求26的天线阵列系统，其中基于至少第一阵列从移动台接收到的接收信号，控制器提供控制信号，用于数字方式控制基带上的第一阵列，定制传输给该移动台的下行链路信号。

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