CN1455972A - 产生定向天线波束的方法以及无线电发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的形成定向天线波束的方法包括：用一个波束形成矩阵定向至少两个天线波束信号；以及将一个天线阵形成的预定天线波束信号预相控成使至少一个天线波束的信号具有与其他天线波束的信号不同的相位。预相控用一个在数字实现中包括一些相控系数的预相控元实现。这个预相控元实现例如使天线元的和信号的功率在一个预定的波动范围均匀分配给不同的天线元。

Description

产生定向天线波束的方法以及无线电发射机
技术领域
本发明涉及对天线阵内的天线进行预相控以获得预定精度的功率平衡和/或控制中间波束的方向的方法。
背景技术
在将来，在蜂窝无线电网的用户增多和在这些系统内的快速数据传输越来越普遍时，通过改善系统的性能增大系统容量成为基本要点。这个问题的一种解决方案是用一个或多个自适应天线阵来代替一些扇区天线。在一个天线阵中，一些单个天线元通常相互靠近放置，即相互相隔半个波长左右。通常，为了便于Fourier变换，阵列内的天线的个数可被2整除，而且多到足以获得一个所希望的覆盖区域。这种方法的基本原则是采用一些窄的辐射波束，尽可能直接地指向所希望的接收机。在使用自适应天线阵时，通常所知道的方法主要可以分成两组：使一些辐射组指向接收机，或者从备选波束中选择最适当的一个波束。对上行链路传输来说，根据从上行链路接收到的信息选择一个适当的波束或者转动一个波束。由于天线波束的方向性可以减小对其他用户的干扰，因此频率再用可以更为有效而且可以减小发射机的功率。
天线波束的定向通常是在数字系统内用一个数字波束形成矩阵(例如数字Butler矩阵)提供的。一个信号在基带部分分成I和Q支路，每个天线元的信号以复数方式(即相位和振幅)乘以适当的加权系数，然后将这些天线元的所有输出信号叠加起来。一个自适应天线阵在这种情况下不仅包括一些天线，而且还包括一个信号处理器，信号处理器用控制算法自动地调整天线波束，将天线波束转到测量到的最强的信号的方向。
用现有技术的数字波束形成矩阵产生天线波束的问题是对天线信号执行相控，使得相对于一个基准天线(通常是天线阵内的第一个天线元)成比例。因此，天线阵内的天线元是相对于基准天线元而不是相对于天线阵内的其他天线元进行相控的。这导致天线阵内各天线元之间功率差异很大，从而导致选定功率放大器的大小上的一些问题，例如要将一个天线元的功率放大器选得比其他天线元的功率放大器大得多。大功率、尽可能线性的放大器，费用也大。
波束的方向性还可以用Butler矩阵和固定的相控电路以模拟方式通过生成正交辐射波束来实现，在所述波束中相位逐天线增大。这种方法测量出哪个波束接收到最大的信号能量，即信号最强，就选择这个波束进行传输。在按照现有技术用一个移相网络产生天线波束而无线电网的用户不均匀地分散在不同天线波束的各个区域时就会出现问题。可能最坏的情况是所有的无线电资源的用户处在同一个波束的覆盖区域内，在这种情况下在一个有四个天线元的天线阵内，对于一个波束需要四倍的功率。因此，情况与在一个有一个天线的系统内相同，从而损失了阵列天线的增益。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的波束形成矩阵。这是用一种形成定向天线波束的方法达到的，这种方法包括用一个波束形成矩阵对至少两个天线波束信号进行定向的步骤。在这种方法中，将一个天线阵形成的一些预定天线波束信号预相控(pre-phase)成使至少一个天线波束的信号具有与其他天线波束的信号不同的相位。
此外，本发明的目的是提供一种实现这种方法的无线电发射机，这种无线电发射机包括一个波束形成元。在这种无线电发射机内，波束形成元接到至少一个预相控元上，用所述预相控元将由天线阵形成的一些预定天线波束信号预相控成使至少一个天线波束的信号具有与其他天线波束的信号不同的相位。
在从属权利要求中揭示了本发明的一些优选实施例。
按照本发明设计的方法和系统的优点是可以以一个预定的波动范围在天线系统内的不同天线之间均匀地分配功率。因此，对于所有的天线信号可以用类似甚至相同的功率放大器。这简化了天线系统的设计，降低了对一个必须高功率和尽可能线性的放大器的需求。采用按照本发明设计的方法，还可以在天线波束之间产生一些中间波束，用这些中间波束可以使发送功率更精确地指向所希望的目标，例如蜂窝无线电系统内的一个用户终端。此外，用按照本发明设计的方法在将相同的信号(例如UMTS系统的公共导频信号)发送给所有的天线波束时可以获得一个覆盖整个天线扇区的波束形状。
附图说明
下面将参考附图结合本发明的优选实施例对本发明进行详细说明，在这些附图中：
图1示出了一个通信系统的例子；
图2a至2c示出了一种用Butler矩阵的现有技术的波束形成的例子；
图3a至3d示出了对天线波束进行预相控的例子；
图4示出了一种对一个发送天线波束进行预相控的配置的例子；
图5示出了一种收发信机的例子。
具体实施方式
本发明可用于不同的无线通信系统，例如可用于蜂窝无线电系统。所用的多址通信方法并不重要。例如，可以用CDMA(码分多址)、WCDMA(宽带码分多址)和TDMA(时分多址)或者它们的复合。对于所属技术领域的专业人员来说，按照本发明设计的方法也可以用于应用不同的调制方法或空中接口标准也是显而易见的。图1以简化方式示出了一个可以应用按照本发明设计的解决方案的数字数据传输系统。这是蜂窝无线电系统的一部分，包括一个基站104，基站104与可以固定配置、配置在交通工具内或可由用户本人随身携带的用户终端100和102无线电连接108和110。基站具有一些收发信机。有一个从基站的收发信机到天线单元的连接，实现与用户终端的无线电连接。基站还接至基站控制器106，由它将终端连接发送给网络的其余部分。基站控制器以集中方式控制一些与它连接的基站。基站控制器内的控制单元执行呼叫控制、移动性管理、统计数据收集和信令发送。
蜂窝无线电系统还可以与公用电话交换网连接，用变码器在公共电话交换网与蜂窝无线电网之间变换所用的不同数字编码格式，以使它们相互兼容，例如将64kbit/s的固定网格式变换成蜂窝无线电网格式(例如为13kbit/s)和将蜂窝无线电网格式变换成固定网格式。
图2a至2c示出了按照现有技术用Butler矩阵形成波束的例子。通常，这些波束是正交的。天线信号用Butler矩阵相控成使波束指向所希望的方向，最好是指向接收到最强信号的方向。在模拟实现中，相控是用一个移相网络实现的。在数字实现中，信号通常在基带部分分成I和Q分支，此后再将分支信号乘以加权系数。加权系数通常呈现为Aejφ形式，其中A表示振幅而φ表示相位差。在接收时，以波束专用(beam-specific)方式使这些天线元的相控输出信号叠加。在发送时，在每个波束的主方向经相控的天线信号以相干方式在无线电波传播路径上相互叠加。相控(phasing)通过规定这些信号的相位差实现，而相位差通过以不同方式延迟不同的信号实现。在信号相控中，第一天线的信号不延迟，而其他天线的信号相对第一天线的信号按比例延迟成相位差φ逐天线增大。
天线元i内相对天线阵的第一天线元的相位差φi与天线阵的第一元的距离d成正比，如下式所示：
φi＝(2π/λ)i·d·sinφ                        (1)
其中：
λ为天线信号(载波)的波长；
i为阵内天线元的个数；
d为不同天线元之间的距离；
φ为天线波束指向角。
    波束   相位天线1   相位天线2   相位天线3   相位天线4
    B1     0   3πλ/4   6πλ/4   9πλ/4
    B2     0   πλ/4   2πλ/4   3πλ/4
    B3     0   -πλ/4   -2πλ/4   -3πλ/4
    B4     0   -3πλ/4   -6πλ/4   -9πλ/4
表1
表1示出了对于四个不同的天线波束的Butler矩阵的相位值。这些相位差产生正交的波束。
按照表1所示的例子，第一波束B1(图2a中的210)通过不延迟阵的第一天线元200的信号、将第二天线元202的信号延迟3πλ/4乘以信号波长、将第三天线元204的信号延迟6πλ/4乘以信号波长和将第四天线元206的信号延迟9πλ/4乘以信号波长形成。所有天线元内不同相位的信号在无线电波传播路径上叠加起来，形成波束B1 210。在图2a中，虚线208表示在不同的天线元200、202、204、206内相对天线阵的第一天线元的信号延迟比例。图2a示出了不同的天线元的延迟增大情况和波束B1 210的方向。
第二波束(图2b中的214)通过不延迟阵的第一天线元的信号、将第二天线元202的信号延迟πλ/4乘以信号波长；将第三天线元204的信号延迟2πλ/4乘以信号波长和将第四天线元206的信号延迟3πλ/4乘以信号波长形成。所有天线元内不同相位的信号在无线电波传播路径上叠加起来，形成波束B2 214。在图2b中，虚线212表示在不同的天线元200、202、204、206内相对天线阵的第一天线元的信号延迟比例。图2b示出了不同的天线元的延迟增大情况和波束B2 214的方向。
将图2a的波束B1 210与图2b的波束B2相比较，可见波束B1与B2由于对天线信号的不同相控而指向不同的方向。
图2c示出了一个有四个天线波束的系统。在图2c中，波束B1 210和B2 214与图2a中的相同。波束B3 216和B4 218通过按照表1延迟天线信号提供。波束B1指向φ1方向，波束B2指向方向φ2，波束B3指向方向-φ2，而波束B4指向方向-φ1。
相位角的值、天线和天线波束的个数和天线波束的形状可以与在图2和表1中所示的不同；可以有例如8个天线波束，从而相应地，这些相位角偏离上面所说明的。应当注意的是，这些波束可以用除Butler矩阵以外的数字波束形成矩阵而形成，或者这些波束可以用模拟方式形成。
在一种形成定向天线波束的方法中，在数字波束形成前用一个包括一些天线波束专用相控系数的预相控元对一个或多个天线波束的信号进行相控，使得至少一个天线波束信号具有与其他天线波束信号不同的相位。在预相控后，这些信号送至一个按照现有技术设计的波束形成元，例如是一个数字Butler矩阵，在这里形成各个天线波束。
预相控的作用是在预定波动范围内将这些天线元的和信号的功率均匀地分配给各个天线元，或者使在这些天线波束之间形成的中间波束的功率指向一个确定方向，例如指向一个位置确定的用户终端。已知有一些确定用户终端位置的方法，例如确定接收信号的入射角和/或角展宽。无论选择哪种确定位置的方法都可以应用预相控方法。
有另一些相控系数，例如，如果天线阵包括4个天线元，可以从74个备选方案中选择步长为π/4的一个适当的相位差序列。如果有8个天线元，步长为π/8，就有158个相位差选择。也可以采用更小的相位步长。
用数值计算可以找到各种情况的适当相控系数。表2示出了在一个有4个天线元的天线阵内或者在一个有8个天线元的天线阵内一个相控元的相控系数的例子，采用这些相控系数可以在预定波动范围内将功率均匀地分配给天线阵的所有天线元。在这个表中，λ表示需相控的信号的波长。
    波束    相位差φ(4波束)    相位差φ(8波束)
    B1     0     5πλ/8
    B2     -πλ/4     5πλ/8
    B3     0     -7πλ/8
    B4     3πλ/4     -3πλ/8
    B5     5πλ/8
    B6     -3πλ/8
    B7     -7πλ/8
    B8     5πλ/8
表2
相控系数可以只包括一个相位系数φ，也可以包括一个相位系数φ和一个振幅系数A，从而还可以改变信号的振幅。
可以根据进入功率放大器的信号的功率测量结果或者根据接收机的位置测量例如在一定的时隙保持相控系数恒定或者重新选择相控系数。例如，当不同的天线元之间的功率平衡损坏时，可以改变所需的系数个数，以便改进平衡；或者当用户终端移动时，使功率指向一个所希望的中间波束。
相控系数的选择受例如天线阵内天线元的个数、无线电系统所用的调制方法和为一个覆盖整个扇区的波束所确定的波动范围的影响。
应当注意的是，上述预相控方法可以通过向所有的波束发射相同的信号达到覆盖整个天线扇区。
图3a至3d例示了用天线相控方法产生的天线波束。在图3a至3d中，天线波束304、306、308和310的方向保持相同。
图3a示出了四个天线波束B1 304、B2 306、B3 308和B4 310。垂直轴300表示波束的振幅，而水平轴302表示方位角。
图3b示出了相邻波束的中间波束B1+B2 312和B3+B4 314。这些中间波束是在相同的信号馈给形成中间波束的波束时提供的。在图3b的情况下，相同的信号馈给波束B1 304和B2 306，以及相应馈给波束B3308和B4 310。
图3c示出了相邻波束B2 306和B3 308的中间波束316。这个中间波束也是在相同的信号馈给形成中间波束的波束时提供的。从图3b至3c可以看出，中间波束的位置在产生波束304与306之间、308与310之间和306与308之间，从而使天线功率可以指向所希望的接收机或者发射机而不需要改变实际天线波束的方向。通过选择适合于产生中间波束的波束和相控系数/振幅系数，可以为这些中间波束提供所希望的功率、方向和形状。
图3d示出了怎样通过将相同的信号馈给所有的波束304、306、308和310以提供覆盖整个天线扇区的波束318。从图3d中可以看到，这个波束的最大功率是波动的。最大功率的波动范围可以通过选择相控系数加以控制。
应当注意的是，无线电系统的性质，诸如所选的调制方法以及天线阵内的天线元的个数之类，影响波束的形状和最大功率的波动。
以上说明了用相位系数数字实现预相控方法的情况。在模拟实现中，预相控是用一个移相元实现的，例如用一个按照现有技术设计的移相网络或用一个按照现有技术设计的延迟线。
图4示出了一个对发送天线进行相控的配置的例子。图4示出了用数字系统实现天线波束的情况。如果需相控的发送天线波束用模拟移相网络实现，功率放大器就配置在模拟波束形成矩阵之前。要馈给各波束的信号400、402、404、406用相控元408、410、412、414预相控后送至数字波束形成矩阵416，按照图2a至2c的例子产生天线波束。此后，这些信号送至功率放大器418、420、422、424，由这些功率放大器将信号的功率放大以用于发送。最后，经放大的信号送至天线阵的天线元426、428、430、432，以发送给无线电波传播通路。
图5更为详细地示出了一个收发信机518的结构。使用定向天线波束的天线阵包括若干个分立的元500A、500B，例如8个不同的元，在接收中执行这些天线波束的定向。可以有M个天线元，其中M为一个大于1的整数。发送可以用与接收相同的天线元，也可以用独立的天线元500C、500D进行发送，如图5所示。在发送和接收中也可以同时用这两组天线。这些天线元例如以直线或平面方式排列。
在直线方式中，这些元可以排列成例如一个ULA(均匀直线天线阵)，其中各元配置在一条直线上，相隔相同的距离。在平面方式中，例如可以形成一个CA(圆形天线阵)，其中各元配置在同一平面上，例如以水平方式配置在一个圆的圆周上。因此，覆盖这个圆的圆周的一个给定部分，例如120度甚至整个360度。原则上，可以用上述位于单一平面的天线结构构成一些两维甚至三维的结构。例如，可以通过并排配置一些ULA结构、从而用这些元形成一个矩阵，来形成一个二维结构。
通过这些天线元接收多路径传播信号。每个天线元具有为射频部分530的独立接收机501A、501B。
接收机501包括一个用来阻止在所希望的频带外的频率的滤波器。接收机501还包括一个低噪声放大器。此后，信号变换到中频，或者直接变换到基带频率，再由模/数变换器502A、502B采样和量化。
这些多路径传播信号表示成复数形式后送至一个具有程序532的数字信号处理器。
接收信号的天线形状按对信号的数字相控定向，从而这些天线元不必是机械定向的。因此，用户终端100、102的方向可以表示为一个复数矢量，它由一个基本单位(elementary unit)形成，通常表示为一个复数形状，与每个天线元相应。每个独立的信号在加权装置542内乘以相应天线元的基本单位。加权装置542例如是上述Butler矩阵，或者更一般地说是一个M×M波束形成矩阵，其中M为天线阵内天线元的个数。在相控装置534内，信号用一个包括一个加权系数或者一个相位或振幅系数的波束专用相控系数预相控。此后，这些信号可以在合并装置536内合并在一起。
对于射频信号或可能使用的中频信号，也可以执行对信号的预相控和相控。在这种情况下，加权系数装置542配置成与射频部分530结合或者配置在射频部分与模/数变换器502A、502B之间。
信道均衡器504用来补偿诸如由多路径传播所引起干扰之类的干扰。504和536也可以是一个部件，例如是一个CDMA系统的RAKE接收机。解调器506从经信道均衡的信号中取出一个比特流，所述比特流被发送给多路分路器508。多路分路器508将来自不同时隙的比特流分离到各独立的逻辑信道。信道编码解码器516对不同的逻辑信道的比特流进行解码，即判定这个比特流是否为需发送给控制单元514的信令信息，或者这个比特流是否为需发送给基站控制器106的语音编码解码器的语音。信道编码解码器516还执行纠错。控制单元514通过控制不同单元来执行内部控制任务。
此外，如果所用的无线电系统是一个宽带系统，那末发送侧的窄带信号就要扩频成一个宽带信号，而在接收侧将这个扩频的宽带信号解扩成一个窄带信号。
多路复用器526为每个以突发脉冲串形式发送的突发脉冲串指定一个时隙。调制器524将数字信号调制到一个射频载波上。在相控装置540内，信号用一个包括相位系数或者一个相位和振幅系数的波束专用相控系数预相控。因此，用预相控通过最大功率波动达到功率平衡，或者可以定向在这些天线波束之间形成的中间波束。在加权装置538内，信号乘以与每个天线元相应的基本单位。这样，可以用数字相控使天线波束指向由这些基本单位形成的复数矢量的方向。
利用数/模变换器522A、522B将信号从数字形式变换成模拟形式。各个信号分量发送给与各个天线元相应的发射机520A、520B。
发射机包括一个可以减小带宽的滤波器。此外，发射机用功率放大器控制发送的输出功率。合成器512为不同的单元提供所有所需的频率。合成器内的时钟可以本地控制，也可以从另一个位置，例如从基站控制器106，以集中方式控制。合成器例如用一个压控振荡器产生所需要的这些频率。
上述功能部件，诸如预相控装置之类，可以用多种方式实现，例如用由处理器执行的软件，或者用诸如由分立器件构成的逻辑、ASIC(专用集成电路)或模拟移相网络之类的硬件实现。
以上就用一个按照现有技术设计的Butler矩阵提供的正交波束进行说明。然而，在上述的预相控方法中这些波束不必是正交的。波束可以用自由方式定向，例如可以使扇区变窄。用变窄的扇区例如可以在扇区之间达到更好的隔离，因此还能在扇区的边缘处产生较窄的波束。以同样的方式，可以降低旁瓣的电平。
这种方法可以扩展到两维的天线阵，从而可以在水平和垂直两个方向上形成和定向波束。
虽然以上参考附图结合实例对本发明作了说明，但显然本发明不局限于此，本发明可以在所附权利要求书给出的独创性的思想内以多种方式实现。

Claims (23)

1.一种形成定向天线波束的方法，所述方法包括用一个波束形成矩阵定向至少两个天线波束信号，
其特征是：
对用一个天线阵形成的预定天线波束信号进行预相控，使得至少一个天线波束的信号具有与其他天线波束的信号不同的相位。
2.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：所述方法用一个预相控元实现。
3.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：所述预相控元是一个移相元。
4.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：所述预相控元是一个延迟线。
5.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：所述预相控元包括一些相控系数。
6.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：实现所述预相控元，使得天线元的和信号的功率在一个预定的波动范围均匀分配给不同的天线元。
7.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：实现所述预相控元，使得在正常形成的天线波束之间形成的中间波束的功率指向一个预定的方向。
8.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：通过将相同的信号发送给所有的天线波束形成一个覆盖整个扇区的波束。
9.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：所述预相控元转换至少一个天线波束的信号的相位，使得以一种预定方式达到功率平衡或功率定向。
10.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：所述预相控元转换至少一个天线波束的信号的相位和/或振幅，使得以一种预定方式达到功率平衡或功率定向。
11.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：根据在波束形成元后执行的天线信号的功率测量的结果控制所述预相控元。
12.一种按照权利要求1所述的方法，其特征是：根据接收机的定位测量控制所述预相控元和选择产生中间波束所需的天线波束。
13.一种包括一个波束形成元的无线电发射机，其特征是：
所述波束形成元接到至少一个预相控元(408，410，412，414)上，通过所述预相控元对用一个天线阵形成的预定天线波束信号进行预相控，使得至少一个天线波束的信号具有与其他天线波束的信号不同的相位。
14.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：所述预相控元(408，410，412，414)是一个移相元。
15.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：所述预相控元(408，410，412，414)是一个延迟线。
16.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：所述预相控元(408，410，412，414)包括一些相控系数。
17.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：所述预相控元(408，410，412，414)被实现为使天线元的和信号的功率在一个预定的波动范围内均匀分配给不同的天线元。
18.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：所述预相控元(408，410，412，414)被实现为使在正常形成的天线波束之间形成的中间波束的功率指向一个预定的方向。
19.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：通过将相同的信号发送给所有的天线波束形成一个覆盖整个扇区的波束。
20.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：所述预相控元转换至少一个天线波束的信号的相位，使得以一种预定方式达到功率平衡或功率定向。
21.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：所述预相控元(408，410，412，414)转换至少一个天线波束的信号的相位和/或振幅，使得以一种预定的方式达到功率平衡或功率定向。
22.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是：根据在波束形成元后执行的天线信号的功率测量结果控制所述预相控元(408，410，412，414)。
23.一种按照权利要求13所述的无线电发射机，其特征是根据接收机的定位测量控制预相控元(408，410，412，414)和选择产生中间波束所需的天线波束(304，306，308，310)。
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