CN1454404A - 固定波束天线阵、基站以及通过固定波束天线阵发射信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种固定波束天线阵和包括这种天线阵的基站。为了提供一种较简单和效率较高的固定波束天线阵，所提出的天线阵包括一些发射所产生的信号的天线元(AE)的列(AC1－AC4)，这种固定波束天线阵还包括调整所产生的信号的相角和/或振幅的波束形成装置和一些分别指配给所述天线元(AE)的列(AC1－AC4)、配置在所述波束形成装置(BM)与所述列(AC1－AC4)之间的用来放大所述波束形成装置输出的信号和将经放大的信号传送给指定传输信号的天线元(AE)的有源功率放大器(PA)。本发明还提出了一种通过这种固定波束天线阵发射所产生的信号的方法。

Description

固定波束天线阵、基站以及 通过固定波束天线阵发射信号的方法
技术领域
本发明涉及移动通信网特别是蜂窝移动通信网的具有波束选择的固定波束天线阵和基站。本发明还涉及通过固定波束天线阵发射信号的方法。
背景技术
在基站站点的解决方法中，提高天线效率上作了一些努力，因为提高了天线效率就可以用较少的基站站点或者用较小的天线屏板(antenna panel)。此外，还可以使基站的总功率较小。提高天线效率的另一个原因是将来下行链路的容量可能是一个限制因素，特别是在因特网型的数据越来越流行时。这特别涉及CDMA(码分多址)系统。
有两种不同的方法用来提高用天线阵提供扇区化覆盖的基站的下行链路容量：使扇区变窄或采用波束形成技术。通过为天线阵馈送相角和/或振幅相互偏移的信号，天线阵的发送信号的功率不是均匀地传播入整个扇区而是指向一些波束。在这种意义上，一个波束也就是信号强度高的一个区域。
从目前状况所知的一种波束形成技术是固定波束(或者说智能天线)方法，它使用了象Butler矩阵那样的无源波束形成装置。这种技术例如在1992年北方电信欧洲有限公司的产品书“Smart AntennaModule”中有所说明。固定波束具有一个专用方向，而处在一个定向波束的扇区内的移动台使用这个波束的可用信道。在移动台穿过一个扇区而离开一个波束覆盖的这个扇区的情况下，越区切换程序确定移动台使用下一个波束的可用信道。基站产生的信号通过功率放大器传送给Butler矩阵，在那里这些要加到天线元上的信号受到调整，以便形成所选的波束。这种固定波束方法，具有不需要进行天线校准的优点。然而，它具有需要设计成高功率的波束专用功率放大器的缺点。这意味着，这些功率放大器不是线性工作的，因此需要采取线性化的措施。
另一个所知的构思体现为有源天线系统，例如Raytheon天线系统，这种系统包括一些具有集成的PA和LNA的普通扇区天线。
另一种已知波束形成技术是数字波束形成。在这种情况下，波束形成装置是一个数字波束形成器，所输出的波束是完全可控制的。因此，波束的方向可以适合传输需要。波束例如可以随穿过天线阵覆盖扇区的移动台移动。数字波束形成需要校准功率放大器，但更为灵活而且可以更为均匀地将功率分配到各线性功率放大器上。虽然这种方法会使有些系统实现起来稍微昂贵。例如，WCDMA(宽带码分多址)对数字波束形成提出一些要求，象天线信号要在码片级乘以复数加权系数，这还应用于对移动台方向的跟踪。因此，这种方法不能有效地用于有不同需要的用户。
现在的单个扇区天线通常具有8-20个天线元，连接成一个垂直的列。一个列内的元越多，波束在垂直方向上越窄，天线增益也就越大。垂直波束宽度通常为5-10度，而水平波束宽度可以例如为65-110度。因此，如果希望一个多波束天线阵具有对于一个宏站点的窄波束宽度，这个天线阵可以包括例如一个4×20或8×12的天线元矩阵。
发明内容
本发明的目的是提供一种较为简单而效率较高的具有集成有源元的固定波束天线阵、一种具有波束选择的基站和一种通过固定波束天线阵发射信号的方法。
这个目的一方面用一个具有至少一列发射所产生的信号的天线元的固定波束天线阵达到，每个列包括至少一个天线元，这个固定波束天线阵包括：调整所述所产生的信号中的至少一个信号的相角和/或振幅的波束形成装置，以及至少一个分别指配给所述天线元列中的一列、配置在所述波束形成装置与所述天线元列之间的用来放大所述波束形成装置输出的信号和将经放大的信号传送给所指配的天线元列的有源功率放大器。
每个列可以配有几个功率放大器PA，也可以是几个列配有一个PA。上限最好(但不是必须)每个天线元各有一个PA。下限最好是每个天线列一个PA。确定一个具体天线配置的PA的个数是一个最佳化问题。
另一方面，这个目的用一种移动通信网特别是蜂窝移动通信网的基站达到，这种基站包括：一个按照上述设计的固定波束天线阵，以及一个产生要由固定波束天线阵发送的信号和接收由固定波束天线阵接收的信号的收发信机单元。
最后，本发明的目的用一种通过一个具有至少一列天线元、每列包括至少一个天线元的固定波束天线阵发射所产生的信号的方法达到，这种方法包括下列步骤：
a)在用于所述天线元列中一个特定列的波束形成装置(BM)内调整所述所产生信号中的至少一个信号的相角和/或振幅，以便形成一些波束；
b)由一个指配给所述天线元的特定列的、相位经校准的有源功率放大器放大波束形成装置输出的信号；以及
c)通过所述天线元的列的天线元发射经放大的信号。
按照本发明设计的固定波束天线阵、基站和方法综合了有源和无源智能天线的优点。更确切地说，按照本发明提出的解决方案利用了智能天线阵窄波束具有较高的天线增益和每个PA单元功率电平比用有源天线的低得多的优点。
通过无源波束形成装置获得窄波束可以得到较高的天线增益，而各个天线元的低功率在无线电波传播路径上相干地合并在一起。特别是对于WCDMA来说，可以提高下行链路的容量。此外，窄波束还导致降低了基站的总功率。例如，四个波束意味着功率降低为四分之一。
然而，与已知的固定波束天线阵相反，所用的功率放大器是有源功率放大器，配置在波束形成装置的天线侧。这些功率放大器因此是天线专用的而不是波束专用的。这样，可以将降低了的总功率均匀地分配给大量的小功率功率放大器，这导致在这些放大器之间的功率平衡和每个放大器的功率电平比智能天线阵的小得多。在智能天线阵中，采用配置在基站侧的波束形成装置的功率放大器，每个功率放大器的功率取决于有多少移动台处在这个功率放大器服务的波束内。如果移动台群集在一个波束内，所有的发射功率必须都由一个功率放大器提供。
例如，如果用8个天线，总功率为20W，那末按照本发明设计的阵需要8个2.5W的放大器(8×2.5W)。然而，在已知的智能天线阵的情况下，功率放大器是波束专用的。在所有的移动台处在同一个波束内时，对于这个波束来说需要一个功率为20W的功率放大器。这意味着在最坏情况下需要8个20W的功率放大器(8×20W)。
采用按照本发明设计的天线阵、基站和方法，单个功率放大器的功率电平可以设计成低到不需要线性化的值，例如小于1W。而且产生的低的结点温度使天线阵具有高的可靠性和大的MTBF(平均故障间隔时间)。此外，还可以避免波束形成装置内的损耗，因为功率放大器位于天线侧，没有高功率馈入波束形成装置。因为在象Butler矩阵的波束形成装置内分路器、移相器和组合器的数量，已知的固定波束天线阵内的功率损耗可能很显著。
此外，还可以获得模块化的解决方案，这意味着可以增减一些同样的单元，以满足基站的各自需要。这使天线阵的结构可以简化。整体说来，所提出的解决方案可以得到更为简单、效率更高的天线阵和基站设计以及更为简单、效率更高的方法，可以用同样的基带引擎操作有源固定波束或普通分集支路。如果例如需要双支路分集，就可以例如用双极化天线元AE。在这种情况下，必须两倍配置BM、U单元和CC单元。
在从属权利要求中可以看到本发明的一些优选实施例。
在按照本发明设计的天线阵和基站的一个优选实施例中，天线元、波束形成装置和功率放大器都集成在天线屏板上。
可取的是，波束形成装置是一个模拟相控矩阵，特别是一个Butler矩阵，尤其是一个微带相控网络。也可以应用数字波束形成，例如一个数字Butler矩阵。
在一个优选实施例中，天线阵不仅用于发送信号而且还用于接收信号。因此，包括一些接收来自天线列中各天线元的信号的接收支路。每个接收支路包括一个提高接收信号的接收质量的低噪声放大器。为了能使发送支路Tx与接收支路Rx隔离，每个低噪声放大器与一个功率放大器一起分别通过双工机一方面连接到天线元的列中的一个列上，另一方面连接到波束形成装置上。
由于电缆衰减分别由一个低噪声放大器和一个功率放大器形成的单元补偿，所以可以使用较细和较经济的电缆。
低噪声放大器和双工器最好也集成在天线屏板上。
由于功率放大器配置在波束形成装置的天线侧，所以它们必须用一个校准电路在相位上予以校准。这是重要的，因为信号的这些信道在天线阵的每个天线元处必须正好处于同相。在已知的固定波束天线阵内，校准不是必需的，因为这些信号在进入波束形成装置前放大，由波束形成装置直接为天线元提供信道。校准可以用一个校准电路实现，或者通过适当使低噪声放大器/功率放大器单元匹配实现。
如果使用一个校准电路，它最好集成在天线屏板内。这导致得到一个具有小的校准回路的紧凑的校准结构，从而可以提高集成度。此外，在基站与天线屏板之间的校准不需要电缆。
在所有的有关元都集成入天线屏板上的情况下，天线屏板就成为一个独立的单元，可以接至任何能处理若干天线端口的基站。而且，由于这样的集成，即在模拟波束形成装置配置在天线杆上的情况下，与处在基带的数字波束形成装置相比，对基带ASIC的要求可以比较低。
按照本发明设计的固定波束解决方案特别适合于WCDMA和GSM(全球移动通信系统)，特别是EDGE(GSM的数据率增强型)。
需要多载波功率放大器的GSM的WCDMA和智能天线阵都需要线性化的功率放大器。此外，采用按照本发明设计的解决方法，可以增加WCDMA上行链路覆盖和下行链路容量。
对于GSM系统来说，单个载波的带宽大约为200kHz。生产GSM系统的多载波功率放大器PA原则上要比单个载波覆盖5MHz左右带宽的WDMA系统的容易。设计的困难程度取决于实际采用的调制方案。因此，例如对于GSM调制和规范来说，设计是困难的。也可以为WCDMA设计多载波功率放大器；在功率电平降低时，设计就较为容易。
附图说明
下面，将结合附图对本发明进行更为详细的说明，在这些附图中：
图1示出了一种按照本发明设计的天线阵；以及
图2更为详细地示出了一种按照本发明设计的天线阵。
具体实施方式
图1示出了一个宏站点基站的四波束天线阵，具有一个由一些天线元AE构成的两维矩阵。
这个矩阵由排列在一个天线屏板AP上的四天线元AE组成的列AC1-AC4构成。这四列ACl-AC4各包括四个天线元AE。列AC1-AC4都接到一个具有一些低噪声放大器、有源线性功率放大器、双工器和滤波器的单元U上。一个校准电路CC可接入单元U的那些输入和输出。单元U还接至一个Butler矩阵BM。
包括低噪声放大器、功率放大器、双工器和滤波器的单元U集成在天线屏板AP上。同样，校准单元CU和Butler矩阵BM也集成在天线屏板AP上。
图1所示的天线阵的作用如下。
基站的收发信机单元(未示出)产生需发送的信号和处理由天线元AE接收的信号。
收发信机单元将所产生的信号发送给Butler矩阵BM。Butler矩阵BM调整要加到天线元AE上发送的这些信号的相角和/或振幅，从而可以用固定波束进行发送，这些窄波束导致天线增益增大。由于没有高功率馈入Butler矩阵BM，因此避免了在Butler矩阵内有显著的损耗。
单元U的双工器包括一些独立的具有功率放大器的发送支路Tx和具有低噪声放大器的接收支路Rx。
Butler矩阵BM输出的信号由双工机传送给有源功率放大器放大。经放大的信号再传送给相应的天线元AE发送。总的基站发射功率均匀地分给所有的功率放大器，因此这些功率放大器的功率电平甚至可以小于1W。因此，这些功率放大器不需要线性化。
天线元AE接收的信号通过单元U的双工器转送给滤波器和低噪声放大器。低噪声放大器用来提高信号的接收质量，再通过Butler矩阵BM将信号传送给收发信机单元作进一步处理。
发送和接收信号都由U单元内的滤波器进行带通滤波。
校准电路CC用来校准整个包括低噪声放大器、功率放大器、双工器和滤波器的单元U。具体地说，单元U保证每个从Butler矩阵BM到相应的天线列AC1，...，4的支路的相角在标定精度范围内。因此，BM为每个支路设置的相移在各天线列保持相同。校准应该补偿不仅由于功率放大器PA引起的相移而且由于双工器、滤波器和LNA引起的相移。
图2更为详细地示出了按照本发明设计的固定波束天线阵，例示了天线阵的模块化设计。相应的元用与图1中相同的标注符号标示。
同样，也是配置了四个天线列AC1-AC4，每列包括四个天线元AE。每个天线列AC1-AC4指配有一个功率放大器/低噪声放大器单元U1-U4，用来为各自的列AC1-AC4的四个天线元AE服务。每个功率放大器/低噪声放大器单元U1-U4除了一个在发送支路内的功率放大器PA和一个在接收支路内的低噪声放大器LNA还包括两个双工器D1、D2。一个双工器D1使功率放大器PA和低噪声放大器LNA与天线列AC1-AC4连接，而另一个双工器D2使功率放大器PA和低噪声放大器LNA连接到一个由微带相控网络构成的Butler矩阵上。双工器D1、D2保证了功率放大器PA只放大需发送的信号而低噪声放大器LNA只处理所接收的信号。所有的功率放大器/低噪声放大器单元U1-U4具有同样的设计，从而使不同的天线阵具有简化的结构。总的发射功率平均地分配给所有四个功率放大器PA，因此使每个功率放大器PA的发射功率减到最小。
Butler矩阵BM还接至各个天线馈源，Butler矩阵BM为这些馈源提供信号和从这些馈源接收信号。
如以上参照图1所作的说明，功率放大器/低噪声放大器单元U1-U4由校准电路CC校准，以便保证从butler矩阵BM至相应天线列AC1，...，4的每个支路的相角在标定精度范围之内。
图2的固定波束天线阵的作用基本上与图1所示的天线阵的作用相同。
通常由4-20个天线元形成一个列。然而，在一个优选实施例中，每个功率放大器为几个天线元服务。然而，如果每个单元只为一个或两个天线元服务，就需要较多的功率放大器，但每个功率放大器的功率可以进一步降低。这实际上是一个最佳化问题，使得所用的这样一些功率放大器不需要线性化而且可以在给出高的效率和可靠性的功率电平上进行工作。
其他电子设备，诸如上/下变频器也可以集成在天线内。同样，数字波束形成电子设备可以集成在天线内，代替模拟Butler矩阵使用。

Claims (15)

1.一种具有用于发射所产生的信号的天线元(AE)的至少一个列(AC1-AC4)的固定波束天线阵，每个列(AC1-AC4)包括至少一个天线元(AE)，所述固定波束天线阵包括：
调整所述所产生的信号中的至少一个信号的相角和/或振幅的波束形成装置(BM)；以及
至少一个分别指配给所述天线元(AE)的至少一个列(AC1-AC4)、配置在所述波束形成装置(BM)与所述列(AC1-AC4)之间的有源功率放大器(PA)，用来放大所述波束形成装置(BM)输出的信号和将经放大的信号传送给各自所指配的天线元(AE)的列(AC1-AC4)。
2.一种按照权利要求1所述的固定波束天线阵，其特征是：所述波束形成装置(BM)是一个模拟相控矩阵。
3.一种按照权利要求2所述的固定波束天线阵，其特征是：所述模拟相控矩阵是一个Butler矩阵(BM)，特别是一个微带相控网络。
4.一种按照权利要求1所述的固定波束天线阵，其特征是：所述波束形成装置(BM)是以数字方式实现的。
5.一种按照以上权利要求之一所述的固定波束天线阵，其特征是：所述天线元(AE)、波束形成装置(BM)和功率放大器(PA)都集成在天线屏板(AP)上。
6.一种按照以上权利要求之一所述的固定波束天线阵，其特征是：一个校准所述有源功率放大器(PA)的相位校准电路(CC)。
7.一种权利要求6所述的固定波束天线阵，其特征是：所述相位校准电路(CC)集成在所述天线屏板(AP)上。
8.一种按照以上权利要求之一所述的固定波束天线阵，其特征是：通过天线元(AE)的列(AC1-AC4)的天线元(AE)接收信号的接收支路，每个接收支路包括一个低噪声放大器(LNA)，而每个低噪声放大器(LNA)各与一个功率放大器(PA)一起通过双工器(D1，D2)一方面连接到一个所指配的天线元(AE)的列(AC1-AC4)上，另一方面连接到波束形成装置(BM)上。
9.一种按照权利要求8所述的固定波束天线阵，其特征是：所述低噪声放大器(LNA)和双工器(D1，D2)集成在天线屏板(AP)上。
10.一种按照以上权利要求之一所述的固定波束天线阵，其特征是：所述功率放大器(PA)体现为多载波功率放大器。
11.按照权利要求1至10之一所述的固定波束天线阵用于GSM中，特别用于EDGE或WCDMA中。
12.一种移动通信网特别是蜂窝移动通信网的基站，所述基站包括：一个按照以上权利要求之一所述的固定波束天线阵，以及一个产生需由所述固定波束天线阵发送的信号和接收由所述固定波束天线阵接收的信号的收发信机单元。
13.一种按照权利要求12所述的基站，其特征是：一个能操作有源固定波束或普通分集天线的基带引擎。
14.按照权利要求12或13所述的基站用于GSM，特别用于EDGE或WCDMA。
15.一种通过具有天线元(AE)的至少一个列(AC1-AC4)的固定波束天线阵发射所产生的信号的方法，每个列(AC1-AC4)包括至少一个天线元(AE)，所述方法包括下列步骤：
a)在用于天线元(AE)的一个特定列(AC1-AC4)的波束形成装置(BM)内调整所述所产生信号中的至少一个信号的相角和/或振幅，以便形成一些波束；
b)由一个指配给至少所述天线元(AE)的特定列(AC1-AC4)的、相位经校准的有源功率放大器(PA)放大波束形成装置(BM)输出的信号；以及
c)通过所述天线元(AE)的特定列(AC1-AC4)的天线元(AE)发射经放大的信号。
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