CN1353508A - 用在无线通信系统中的天线系统 - Google Patents

Abstract

一种用在无线通信系统中的天线系统,包括:M×N个辐射部件的阵列,用于发出波束;输入端口,用于向M×N个辐射部件的阵列提供信号;M个第一移相器,通过对来自输入端口信号进行移相基于列进行波束取向控制;N个第二移相器,通过对信号进行移相来进行基于行的波束取向控制;N个可切换分配器,有选择地向设置在第二移相器中的多个传输线发送信号;和M个组合器/分配器,将来自第二移相器的信号发送到第一移相器的传输线。通过采用多线移相器,本发明能够增强性能并降低成本。

Description

用在无线通信系统中的天线系统

本发明涉及一种用于无线通信系统中的天线系统，尤其涉及其中设置有用于控制三维波束取向的移相器的天线系统。

众所周知，有时希望能够调整从广播天线反射的辐射波束的取向。具体地讲，如果将广播天线安装在比与该广播天线进行通信的其他天线更高的高度上，则必须将该广播天线向下倾斜以便控制从其发出的辐射波束的取向。辐射波束的这种向下倾斜改变了覆盖角度，可以降低与附近的广播天线的干扰，并且可以增强与位于广播天线下方的山谷中的移动用户的通信。

参照图1，该图示出的是传统的天线系统10，它能够将从设置在天线系统10中的天线12发出的波束16以机械方式向下倾斜。天线12安装在其距地高度在很多情况下约为200英尺的天线杆14顶部。

在将辐射波束的取向向下调整情况下，必须以机械方式将整个天线12向下倾斜。其主要的缺点之一是这种方法通常被认为是过于严格和过于昂贵。有一种方法能够通过调整与天线的几个辐射器中的每个相关联的辐射的相对相位，来以电方式向下倾斜辐射波束。

参照图2，它示出了表示传统天线系统20的示意图，它能够将从设置在天线系统20中的天线22发出的波束26以电方式向下倾斜。在该系统中，天线阵列22中设置有辐射器阵列和设有扫描网络的单点信号馈送网络，将单点网络耦合到辐射器的阵列22。该扫描网络包括多个馈送网络与每个辐射器之间的传输线。在这些电方式向下倾斜方法中，有一种容性耦合方法，其中，与传输线串联地放置可调电容，以将多个信号提供给天线阵列22的每个辐射器，从而引起所需相移。移相器与天线阵列22的每个辐射器相关联，从而来自每个辐射器的相移波束与来自每个其他辐射器的波束26建设性地进行相互干涉，以产生一复合波束，该复合波束以天线表面法线方向的角度发出。通过改变由每个移相器提供的相移，波束能够扫过天线表面。另一种这样的方法是采用不同长度的用于馈送不同单元的传输线，以便产生永久的电方式向下倾斜。

但是，与上述天线系统10、20相关的问题有很多。首先，两个天线系统10、20不能在水平方向上控制辐射波束的取向。

现有技术的另一问题是，现有技术的天线系统10、20中，所需的移相器数目对应于传输线数目。

另外，在现有技术的天线系统10、20中，为了提供所需相移，所需机械结构复杂，例如使用齿轮齿条构件或对应于辐射器数目的多个移相器。

此外，现有技术的天线系统10、20不能在水平方向和垂直方向上调制波束宽度。

最后，通过采用现有技术的天线系统在水平方向和垂直方向上扫描波束，扫描损失太大。

因此，本发明的一个目的是提供一种能够通过采用多线移相器以电方式升高由其发出的波束的天线阵列。

本发明的另一目的是提供一种能够在水平方向上通过采用多线移相器以电方式控制由其发出的波束取向的天线系统。

本发明的又一目的是提供一种能够在垂直和方位方向上以电方式控制由其发出的波束取向的天线系统。

本发明的又一目的是提供一种能够采用可切换分配器在水平方向上有选择地切换波束宽度的天线系统。

本发明的又一目的是提供一种用于以三路控制由其发出的波束的天线系统。

本发明的又一目的是提供一种用于使干扰最小而使小区(cell)容量最大的天线系统。

本发明的又一目的是提供一种用于提供最佳小区布局并满足实际的各种环境的天线系统。

本发明的又一目的是提供一种能够与通信环境协调的天线系统。

本发明的又一目的是提供一种具有稳定结构的天线系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于无线通信系统中的天线系统，包括：M×N辐射部件的阵列，用于发出波束，M和N分别为正整数；输入端口，用于向M×N个辐射部件的阵列提供信号；M个第一移相器，用于通过对来自输入端口信号进行移相来进行基于列的波束取向控制；N个第二移相器，用于通过对信号进行移相来进行基于行的波束取向控制；N个可切换分配器，用于有选择地向设置在第二移相器中的多个传输线发送信号；和M个组合器/分配器，用于将来自第二移相器的传输线的信号发送到第一移相器的传输线；水平电动机驱动器，用于控制第一移相器；垂直电动机驱动器，用于控制第二移相器；和波束控制板，用于控制水平电动机驱动器、垂直电动机驱动器和可切换分配器。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于无线通信系统中的天线系统，包括：N个辐射部件的阵列，用于发出波束，N为正整数；馈送网络，用于向N个辐射部件的阵列提供多个信号；和移相器，用于通过同时对来自馈送网络的信号进行移相，来对波束进行取向控制。

根据本发明又一方面，提供了一种用于无线通信系统中的天线系统，包括：N个辐射部件的阵列，用于发出波束，N为正整数；可切换分配器，用于有选择地向N个辐射部件的阵列提供信号；和移相器，用于通过同时对来自馈送网络的信号进行移相，来对波束进行取向控制。

从下列参照附图对本发明优选实施例的详细描述中，本发明的上述和其他目的和特征将变得更清楚，其中：

图1的示意图表示传统天线系统，该天线系统能够在垂直方向上以机械方式向下倾斜从天线系统发出的波束；

图2的示意图表示传统天线系统，该天线系统能够在垂直方向上以电方式向下倾斜从天线系统发出的波束；

图3的框图表示本发明的天线阵列；

图4表示的是图3中所示其中一个可切换分配器的详细示图；

图5表示的是图3的可切换分配器块与第一移相器块之间关系的详细示图；

图6表示的是第一移相器和其相邻部件之间关系的详细示图；

图7表示的是图3的组合器/分配器块与第一移相器块之间关系的详细示图；

图8表示的是图3的第一移相器块与其相邻部件之间关系的详细示图；

图9表示的是根据本发明执行向下倾斜的天线系统发出的波束示意图；

图10A绘出的是用于以电方式向下倾斜从图3中所示天线系统发出的波束的波束模式；

图10B绘出的是用于水平地控制从图3中所示天线系统发出的波束取向的波束模式；

图10C绘出的是用于水平切换从图3中所示天线系统发出的波束宽度的波束模式；

图11的图形表示本发明和传统天线系统之间的比较数据，基于对IMT-2000不存在现有电方式倾斜天线的PCS频带；和

图12表示的本发明对IMT-2000的示例性应用。

所示出的图3至12表示的是根据本发明优选实施例的无线通信中所使用的天线系统100的各种示图。

图3中，提供了用于无线通信系统的天线系统100的框图。该天线系统包括：波束控制板110、可切换分配器块120、第一移相器(P/S)块150、组合器/分配器(C/D)块160、第二P/S块、和M×N个辐射器的阵列180，其中M和N分别为正整数。阵列180包括M个列C₁至C_M和N个行R₁至R_N，列C₁至C_M中的每个包括N个辐射器。例如，第一列C₁中的N个辐射器分别表示R₁₁至R_1N。每列中的辐射器为垂直方向，而列C₁至C_M彼此平行定位。天线系统100还包括垂直电动机驱动器130和水平电动机驱动器140。可切换分配器块120包括N个可切换分配器120₁至120_N，C/D块160包括M个C/D160₁至160_M。第一P/S块150包括N个第一P/S 150₁至150_N，第二P/S块170包括M个第二P/S 170₁至170_M。

在系统100中，控制信号经安装在其中的控制端口输入到波束控制板110。波束控制板产生第一、第二和第三控制信号，其中第一控制信号用于水平波束宽度切换(HBWSw)，第二控制信号用于水平波束取向控制(HBSt)，而第三控制信号用于垂直波束向下倾斜(VBDT)。

与此同时，N个信号经输入端口输入到可切换分配器120₁至120_N。每个可切换分配器120₁至120_N均能够改变其操作模式。

参照图4，该图示出了用于本发明的可切换分配器120₁的示意图。可切换分配器120₁包括：输入端口RX₁，用于从输入端口接收RF信号；第一传输线44₁₁-44_M1；第二传输线46₁₁-46_M1；隔离电阻45₁₁-45_M1；输出端口TX₁₁-TX_M1；第一开关41；和第二开关42。以M路操作模式来描述可切换分配器120₁。在优选实施例中，可切换分配器120₁作为分配器操作，它在最大操作模式下将RF信号均等地分成M个输出信号。可切换分配器120₁能够根据经线路L₁₀来自波束控制板110的第一控制信号改变其操作模式。可切换分配器120₁详细描述于1999年2月16日授权给本申请人的美国专利5,872,491中，该专利引用于此以资参考。

回过来参照图3，每个可切换分配器120₁至120_N分别经线路L₄₁至L_4N将多个分割的信号提供给第一P/S 150₁至150_N。在每个可切换分配器120₁至120_N中，所分割的信号数等于操作模式数。在该优选实施例中，天线系统100能够通过改变其操作模式数来调制从其天线阵列180发出的波束的宽度。仿真数据示于图10A至10C。

另一方面，水平电动机驱动器140响应于经线路L₂₀来自波束控制板110的第二控制信号，产生N个电动机控制信号。每个电动机控制信号经线路L₂₂被输入到相应的第一P/S，并且被用于旋转相应的第一P/S中设置的介电构件。

参照图5和6，来自可切换分配器120的每个输出端口TX₁₁至TX_MN的每个分割信号被输入到第一P/S块150的相应的输入端口。例如，来自输出端口TX₁₁至TX_M1的分割信号被输入到第一移相器150₁的RX₁₁至RX_M1。

参照图6，该图示出了图3中所示第一移相器150₁和相邻部件之间关系的详细示意图。第一移相器150₁包括介电构件(未示出)、M个传输线、M个输入端口RX₁₁至RX_M1、及M个输出端口TX₁₁至TX_M1。如该图所示，可通过将介电构件旋转到预定角度θ₁同时调制来自可切换分配器120₁的分割信号的相位。位于一半部分处的传输线的电长度被增大到预定度数，同时，另一部分的电长度减小到预定度数。第一P/S 150₁详细描述于本申请人的美国专利名称为“用于将向其输入的N个信号移相的信号处理设备(SIGNALPROCESS APPARATUS FOR PHASE-SHIFTING N NUMBER OF SIGNALSINPUTTED THERETO)”，该专利的序列号待定，并且引用于此以资参考。

在该优选实施例中，第一P/S150₁至150_N中的每个均可实现水平波束取向控制。例如，如果水平电动机驱动器140向第一P/S 160₁发送电动机控制信号以将介电构件旋转到预定角度θ₁，则来自可切换分配器120₁的分割信号的一半被预先移相，而另一半在通过第一P/S 150₁之后被相位延迟。因此，在天线阵列180的行R₁中，每个辐射器R₁₁至R_M1接收不同的信号，该不同信号相对于行R₁的中心点线性对称。亦即，天线能够根据介电构件的旋转来在水平方向上以电方式控制从行R₁发出的波束取向。

移相的信号经线路L₅₀发送到C/D块160。将参照图7来进行详细描述。第一移相器150₁、150₂和150₃分别包括输出端口TX₁₁至TX_M1、TX₂₁至TX_2M和TX_1N至TX_MN。此外，C/D 160₁、160₂和160_M分别包括输入端口RX₁₁至RX_N1、RX₂₁至RX_2N和RX_M1至RX_MN。来自输出端口TX₁₁至TX_MN的每个移相的信号被传送到相应的输入端口。例如，来自第一移相器块150的输出端口TX₂₁的移相的信号被传送到C/D块160的输入端口RX₂₁。亦即，输出端口TX_MN被连接到输入端口RX_MN，其方式为输出端口TX_MN的子索引(sub-index)对应于输入端口RX_MN的子索引。

C/D160₁至160_M中的每个经线路L₇₁至L_7M将来自第一P/S 150₁-150_M的移相的信号发送到相应的第二移相器，如图3所示。第二移相器170₁-170_M中的每个发送来自C/D块160的信号。

参照图8，该图示出了图3所示的第二移相器170₁与相邻部件之间关系的详细示意图。除了第二移相器170₁具有N个传输线之外，第二移相器170₁的功能和结构与第一P/S 150₁类似。另外，可通过将介电构件旋转到预定角度θ₂同时调制输入到输入端口RX₁₁至RX_1N的信号的相位。位于一半部分处的传输线的电长度被增大到预定度数，同时，另一部分的电长度减小到预定度数。

向下倾斜用来将小区尺寸从指向地平线的波束形状减小到小区外围。这就使波束会聚降低，并且由于干扰信号的数目减小，能够使更多的用户在一小区中进行操作。在该优选实施例中，可通过旋转每一列C₁至C_M的第二P/S170₁至170_M中设置的介电构件来得到这种向下倾斜。具体地讲，根据本发明的优选实施例，通过一半输入端口RX₁₁至RX_1(N-1)/2输入的信号被预先移相，而通过输出端口TX₁₁至TX_1N之后，通过输入端口RX_1N/2至RX_1N输入的信号被进行相位延迟。由于第二移相器的对称排列，因此，移相量相对于每一列C₁-C_M的中心点线性对称。

参照图9，该图示出了根据本发明执行向下倾斜的天线系统发出的波束的示意图。如果第二P/S不旋转介电构件，则从输出端口TX₁₁至TX_1N输出的信号位于相位面PP₁。在这种情况下，从辐射器R₁₁至R_MN的阵列180发出的波束具有波束模式BP₁。然而，如果第二P/S将介电构件旋转到预定角度θ₂，则从输出端口TX₁₁至TX_1N输出的信号位于相位面PP₂。因此，从辐射器R₁₁至R_MN的阵列180发出的波束具有波束模式BP₂，该波束模式BP₂从波束模式BP₁旋转了角度α。

参照图10A，该图示出了当图3的天线系统100通过旋转第二P/S 170₁至170_M的介电构件实现向下倾斜时在天线电平上水平面中的极坐标上的天线增益图。

图10B示出了当图3的天线系统100通过旋转第一P/S 150₁至150_M的介电构件实现水平波束取向控制时在水平面中极坐标上的天线增益图。

图10C示出了当图3的天线系统实现水平波束宽度切换时的天线增益。在这种情况下，阵列180是由应用IMT-2000的辐射器R₁₁至R₄₈构成的。即列的数目为4，行的数目为8。第一移相器块150仅具有一个第一移相器，以便以相同方式控制所有行。因此，可切换分配器块120具有一个可切换分配器。在最大操作模式下，可切换分配器被设置成以4路方式操作。可以看出，当可切换分配器以4路方式操作时，从阵列180发出的波束具有约32度的HPBW(半功率波束宽度)。如果可切换分配器以3路方式操作，则波束的HPBW约为45度。而当可切换分配器以2路方式操作时，则波束的HPBW约为64度。

图11示出了本发明和传统天线系统之间的比较数据，基于对IMT-2000无现有电方式倾斜天线的PCS频带。实线、点划线和单点划线分别表示未向下倾斜、3路波束控制和现有电方式向下倾斜的情况。当现有技术的天线以电方式向下倾斜时，其扫描损耗为0.9dB，其旁瓣电平为7.6dB。但是，本发明的天线系统100实现3路波束控制，因此，从阵列180发出的波束的扫描损耗为0.2dB，其旁瓣电平为12.7dB。因此，本发明能够提高呼叫质量并降低干扰。

图12的示意图表示的是本发明应用于IMT-2000的示例。在IMT-2000中，基站按照6个扇区来控制小区。因此，必须在每个扇区中安装一天线系统。可以看出，如果扇区#1具有高容量区域，则以10度的VBDT、-15度的HBDS和32度的HBWS来控制波束。另一方面，如果扇区#3具有低容量区域，则天线系统100以5度的VBDT、0度的HBDS和64度的HBWS来控制波束，从而本发明能够根据通信环境来控制波束。

与现有技术的天线系统相比较，本发明能够实现3路波束控制。该3路波束控制能够同时实现垂直波束电方式向下倾斜、水平波束取向控制和水平波束宽度切换。本发明实现了基于列或行的垂直波束电方式向下倾斜和水平波束取向控制。这是通过采用多个多线移相器实现的。本发明还通过采用多个可切换分配器实现了基于行的水平波束宽度切换。通过采用3路波束控制，本发明能够比任何其他现有技术更灵活地控制小区覆盖范围。因此，该天线系统变得适合于用户及通信环境。

对于水平波束宽度切换，应理解的是，本发明不局限于以不同操作模式使用可切换分配器，假设来自可切换分配器的操作信号被发送到彼此保持相同空间间隔的天线阵列的相应辐射器。

通过采用可切换C/D来替换C/D，本发明可以实现垂直波束宽度切换。

另外，通过采用多线移相器，本发明能够增强性能并降低成本。

尽管已参照特定的实施例描述了本发明，但本领域内的普通技术人员应理解的是，可在不背离由所附权利要求书所限定的本发明范围的情况下，对本发明进行各种变化和改进。

Claims (31)

1、一种用于无线通信系统中的天线系统，包括：

M×N个辐射部件的阵列，用于发出波束，M和N分别为正整数；

馈送网络，用于向M×N辐射部件的阵列提供多个信号；和

N个第一移相器，用于通过对来自馈送网络的信号进行移相，来进行基于列的波束取向控制。

2、如权利要求1所述的天线系统，其中通过在经过第一移相器之后旋转设置在每个第一移相器中的介电构件，每个第一移相器同时改变从各信号中选出的第一组N个信号。

3、如权利要求2所述的天线系统，还包括：

第一旋转装置，用于旋转第一移相器的介电构件。

4、如权利要求2所述的天线系统，其中每个第一移相器包括：

介电构件，其设置有第一部分和第二部分，其中第一部分的介电常数与第二部分的介电常数不同；和

N个传输线，其相对着介电构件定位，用于发送第一组的N个信号，其中，每个信号被输入到对应的传输线的一端，并在通过该传输线之后被输出到对应的辐射部件。

5、如权利要求1所述的天线系统，其中M和N分别表示列数和行数。

6、如权利要求2所述的天线系统，其中每个第一移相器还包括一金属板，其中设置有第一和第二部分，这些部分上形成有传输线。

7、如权利要求6所述的天线系统，其中在第一部分上形成有M/2个传输线，在第二部分上形成有M/2个传输线。

8、如权利要求7所述的天线系统，其中第一部分的传输线相对于第二部分的传输线对称地排列，从而当第一部分传输线的电长度增大到预定值时，第二部分传输线的电长度减小到预定值。

9、如权利要求8所述的天线系统，其中，如果所述旋转装置旋转第一移相器的介电构件，则在经过第一移相器之后，信号的相位面相对于其中心点对称。

10、如权利要求1所述的天线系统，其中所述馈送网络包括：

输入端口，用于接收多个信号；和

M个组合器/分配器，用于将信号输入到第一移相器的每个传输线。

11、如权利要求6所述的天线系统，其中每个组合器/分配器还包括：

组合器，其设置有N个输入端口和一输出端口；和

分配器，其设置有一输入端口和N个输出端口。

12、如权利要求1所述的天线系统，还包括：

N个第二移相器，用于通过对来自输入端口的信号进行移相，来进行基于行的波束取向控制。

13、如权利要求12所述的天线系统，其中所述馈送网络还包括：

输入端口，用于接收多个信号；

N个分配器，用于将信号发送到第二移相器的每个传输线；和

M个组合器/分配器，用于在通过第二移相器之后，将信号发送到第一移相器的每个传输线。

14、如权利要求13所述的天线系统，其中，通过旋转设置在每个第二移相器中的介电构件，每个第二移相器同时改变待移相的M个信号，该介电构件设置有第一和第二部分，第一部分的介电常数与第二部分的介电常数不同。

15、如权利要求14所述的天线系统，还包括：

第二旋转装置，用于旋转第二移相器的介电构件。

16、如权利要求15所述的天线系统，其中，每个第二移相器还包括：

N个传输线，其相对着介电构件定位，用于发送第一组的N个信号，其中，每个信号被输入到对应的传输线的一端。

17、如权利要求16所述的天线系统，其中所述第二移相器还包括金属板，其上设置有第一和第二部分，这些部分上形成有传输线。

18、如权利要求10所述的天线系统，其中在第一部分上形成有N/2个传输线，在第二部分上形成有N/2个传输线。

19、如权利要求18所述的天线系统，其中第一部分的传输线相对于第二部分的传输线对称地排列，从而当第一部分传输线的电长度增大到预定值时，第二部分传输线的电长度减小到预定值。

20、如权利要求12所述的天线系统，其中所述馈送网络还包括：

输入端口，用于接收多个信号；和

N个可切换分配器，用于有选择地向第二移相器的每个传输线发送信号；和

M个组合器/分配器，用于将信号在通过第二移相器之后输入到第一移相器的每个传输线。

21、如权利要求20所述的天线系统，其中每个可切换功率分配器包括：

输入端口，用于接收输入信号；

公共节点；

N个第一传输线；

N个第二传输线；

N个隔离部件，设置在第一和第二传输线之间，其中每个隔离部件分别电连接到对应的第一和第二传输线；

N个输出端口，用于输出N个输出信号，每个输出端口连接到对应的隔离部件与第一或第二传输线之间的部分；

N个第四开关，用于有选择地将输入信号切换到第一传输线；和

N个第五开关，用于根据第一开关有选择地将公共节点切换到第二传输线。

22、如权利要求21所述的天线系统，其中在应用于IMT-2000时，M为4，N为8。

23、如权利要求20所述的天线系统，还包括：波束控制板，用于产生一控制信号来控制可切换分配器、第一和第二旋转装置。

24、一种用于无线通信系统中的天线系统，包括：

N个辐射部件的阵列，用于发出波束，N为正整数；

馈送网络，用于向N个辐射部件的阵列提供多个信号；和

移相器，用于通过同时对来自馈送网络的信号进行移相，来对波束进行取向控制。

25、如权利要求24所述的天线系统，其中所述第一移相器包括：

介电构件，其设置有第一和第二部分，其中第一部分的介电常数与第二部分的介电常数不同；和

N个传输线，其相对着介电构件定位，用于发送第一组的N个信号，其中，每个信号被输入到对应的传输线的一端，并且在通过其之后输出到对应的辐射部件。

26、如权利要求24所述的天线系统，还包括：

用于旋转介电构件的装置。

27、如权利要求24所述的天线系统，其中所述辐射器是以它们形成一列的方式排列的。

28、如权利要求24所述的天线系统，其中所述辐射器是以它们形成一行的方式排列的。

29、一种用于无线通信系统中的天线系统，包括：

N个辐射部件的阵列，用于发出波束，N为正整数；

可切换分配器，用于有选择地向N个辐射部件的阵列提供信号；和

移相器，用于通过同时对来自馈送网络的信号进行移相，来对波束进行取向控制。

30、如权利要求29所述的天线系统，其中所述可切换功率分配器包括：

输入端口，用于接收信号；

公共节点；

N个第一传输线；

N个第二传输线；

N个隔离部件，设置在第一和第二传输线之间，其中每个隔离部件分别电连接到对应的第一和第二传输线；

N个输出端口，用于输出N个输出信号，每个输出端口连接到对应的隔离部件与第一或第二传输线之间的部分；

N个第四开关，用于有选择地将输入信号切换到第一传输线；和

N个第五开关，用于根据第一开关有选择地将公共节点切换到第二传输线。

31、如权利要求30所述的天线系统，其中通过改变N个可切换分配器来控制波束宽度。

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