CN1484875A - 分布天线系统 - Google Patents
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Abstract
一种分布天线设备，包括：多个发射天线元件(12)；多个接收天线元件(30)；和多个放大器(14，140)。一个放大器(14)是功率较低的线性放大器，其与每个发射天线元件(12)操作地耦合并紧密靠近该关联的发射天线元件(12)安装，从而在功率放大器(14)与关联的天线元件(12)之间不会出现明显的功率损耗。至少有一个放大器(140)是低噪音放大器并被构建到分布天线设备中，用以接收并放大来自于接收天线设备的信号，以便接收并放大来自于至少一个接收天线元件(30)的信号。
Description
技术领域
本发明总体上涉及有源天线，更具体地说，涉及应用于多载波的集成有源天线。本发明还涉及全新的天线结构和系统，其包括能同时用于发射(Tx)和接收(Rx)操作的天线阵列。
背景技术
在通信设备如蜂窝设备、个人通信业务(PCS)、多道多点分布系统(MMDS)、以及本地多点分布系统(LMDS)中，通常使用安装在塔或其他结构顶部的天线来接收和重新发射来自使用者或用户的信号。其他一些通信系统如无线本地环路(WLL)、专用移动无线电(SMR)、以及无线局域网(WLAN)，都具有传输信号的基础结构，用以在系统的使用者或用户之间接收和重新发射通信，用户也可以使用各种形式的天线和收发器。
所有这些通信系统都需要对通过天线发射的信号进行放大。迄今为止，在实践中用于此目的的是使用安装在塔或其他结构基部的常规线性功率放大器，其具有较长的同轴电缆，用来连接安装在塔上的天线元件。由于能量在电缆中有损耗，所以有必要通过典型安装在地面基础设备或基站内的功率放大予以增加，因此进一步增加了元件费用或用电量的成本。
在许多前述的通信系统中应用于基础设备(基站)的典型输出电平都要超过10瓦，甚至经常会达到上百瓦，这样会导致较高的有效等向功率需求(EIRP)。例如，对于输出功率为20瓦(在地面上)的典型基站来说，传递到天线的能量，减去电缆中的损耗，大约为10瓦。在这种情况下，电缆损耗/发热要消耗一半的能量。这样的系统需要将多个线性放大器级连在高功率电路中，以便在高输出功率中获得所需要的线性度。典型地，对这样的高功率系统或放大器，必须使用附加的高功率合并器。
为获得综合系统中的线性度，所使用的所有附加电路都需要相对较高的输出系统，这也使得每单位元件/电量上的成本相对较高。
发明内容
本发明提出把线性放大器放在靠近天线的塔内，并且把能量分布在多个天线(阵列)元件上，以便使每个天线元件获得较低的功率，再以很低的成本(每单位/每瓦特)应用功率放大技术使得损耗低得多。
根据本发明的一方面，使用功率相对较低的线性(多载波)功率放大器。为使用这种功率相对较低的放大器，本发明提出使用天线阵列，该阵列中的每个天线元件都使用一个功率相对较低的放大器与其连接，以便使该阵列获得需要的总输出功率。
此外，本发明还提出在多元件天线阵列中的每个元件的馈点或其附近安装一个该类型的线性功率放大器。因此，该天线系统的输出功率作为一个整体，在被该阵列中使用的多个元件进行放大的同时，也可以维持线性度。
此外，本发明不需要较昂贵的高功率合并器，因为信号是通过电磁波在远端或终端区域的自由空间(远的区域)内进行合并的。因此，提出的系统使用低功率合并器，避免了传统的合并费用。并且，在塔的应用中，本发明的系统消除了在相对较长的电缆中出现的能量损失问题，也就是说消除了电缆中的能量损失，并使天线元件需要的功率较低，其中电缆通常是连接基站设备中的放大器与安装在塔上的天线设备。因此，把放大器放在天线元件的附近，在该系统中通常会出现的电缆损耗或其他传输线路损耗之后完成放大作用。这还会进一步减少对低损耗电缆的需求，因此进一步减少整个系统的费用。
对于多载波通信系统来说，在多元件天线阵列的每个元件的馈点或其附近使用多载波线性功率放大器，能提高传输效率、接收敏感性、和可靠性。
根据本发明的另一方面，分布天线设备包括多个发射天线元件、多个接收天线元件、和多个功率放大器。其中一个所述功率放大器操作地耦合每个所述发射天线元件，并且靠近该发射天线元件安装，这样在功率放大器与耦合的天线元件之间就不会出现明显的能量损耗；至少有一个所述功率放大器属于低噪音放大器，并被构建到所述分布天线设备中，用于接收和放大至少来自于一个所述接收天线元件的信号；每个所述功率放大器包含一个功率较低、单位功率损耗较低的线性功率放大芯片。
附图说明
附图应结合在说明书中并构成说明书的一部分，其与上述的对本发明的一般性说明和下面的对实施方式的具体说明一起，用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明的一种形式使用线性功率放大模块的天线阵列的简单示意图。
图2是与图1相似的示意图，说明一种可供选择的实施方式。
图3是根据本发明的一个方面的天线组件或系统的结构图。
图4是使用塔或其他支持设备的、并使用根据本发明的一个方面的天线系统的通信系统基站的结构图。
图5是使用根据本发明的另一方面的天线系统的通信系统基站的结构图。
图6是使用根据本发明的再一方面的天线系统的通信系统基站的结构图。
图7和8是使用根据本发明的再一方面的天线系统的二种类型的通信系统基站的结构图。
图8A是一种可用于本发明的线性放大器的简单示意图。
图9是根据本发明一种形式的发射/接收天线系统的结构图。
图10是根据本发明另一种形式的发射/接收天线系统的结构图。
图11是根据本发明另一种形式的具有一中心片的发射/接收天线系统的结构图。
图12是根据本发明另一方面使用线性阵列的发射和接收元件的天线系统的结构图；
图13是使用这样一种天线阵列元件的天线系统的结构图，其中该天线阵列元件为分瓣结构，且具有彼此正交的、分别用于实现发射与接收功能的微带馈线。
图14是可以用于图13的配置中的多层天线元件的部分截面图。
图15和16说明从发射/接收天线，如图13、14中的天线，直接输入和输出射频的各种配置。
图17和18显示发射/接收有源天线系统的两种实施方式的结构图，其具有各自可替换的双工器和功率放大器的配置。
图19是有源天线系统的一种实施方式的分解图；
图20是图19中的实施方式的组装图。
图21是与图19相似的分解图，说明有源天线系统的另一种实施方式。
图22是图21中的实施方式的组装图。
具体实施方式
现在参考附图，首先从图1、2开始，说明本发明的多个天线元件的天线阵列10，10a的二个示例。图1、2的天线阵列10，10a所使用的馈电结构在配置上有所不同，图1是说明并行共同馈电结构，图2是说明串行共同馈电结构。在其他方面，该二个天线阵列10，10a基本一样。每个天线阵列10，10a都包含多个天线元件12，其可以包含单级、偶级、或微带/贴片天线元件。在不脱离本发明的前提下还可以使用其他形式的天线元件来形成阵列10，10a。
根据本发明的一方面，一个多载波线性放大器14连接到每个天线元件12的馈点，并且靠近该天线元件12安装。在一种实施方式中，放大器14距离每个天线元件足够近地安装，使得在放大器的输出与天线元件的输入之间不发生明显的损耗，而不象通过一根长电缆或相似物体连接放大器与天线元件那样会出现明显的损耗。例如，可以将功率放大器14放置在每个天线元件的馈点或其附近。
在另一种可供选择的实施方式中，功率放大器14可包含较低功率的线性集成电路芯片器件，如单片微波集成电路(MMIC)芯片，这些芯片可以通过砷化镓(GaAs)异质结晶体管制造工艺进行制作。但也可以使用硅制造工艺和CMOS制造工艺来制作这些芯片。
下面是一些MMIC功率放大器芯片的例子：
1、RF Micro Devices，Inc.生产的射频微器件PCS线性功率放大器：射频2125P、射频2125、射频2126、或射频2146，公司地址：7625 ThorndikeRoad，Greensboro，NC27409，或者是7341-D W， Friendly Ave.，Greensboro，NC 27410；
2、Pacific Monolithics，Inc.生产的Pacific Monolithics PM 2112单电源射频IC功率放大器，公司地址：1308 Moffett Park Drive，Synnyvale，CA；
3、Siemens AG生产的Siemens CGY191，CGY180，或CGY181，GaAsMMIC双功率放大器，公司地址：1301 Avenue of the Americas，New York，NY；
4、Stanford Microdevices生产的Stanford Microdevices SMM-20B，SMM-210或者SXT-124，公司地址：522 Almanor Avenue，Sunnyvale，CA；
5、Motorola Inc.生产的Motorola MRFIC1817或者MRFIC1B1B，公司地址：505Barton Springs Road，Austin，TX；
6、Hewlett Packard Inc.生产的Hewlett Packard HPMX-3003，公司地址：933 East Campbell Road，Richardson，TX；
7、Anadigics生产的Anadigics AWT1922，公司地址：35 TechnologyDrive，Warren，NJ 07059；
8、SEI Ltd.生产的P0501913H，公司地址：1，Taya-cho，Sakae-ku，Yokohama，Japan；和
9、Celeritek生产的Celeritek CFK2052-P3，CCS1930或者CFK2152-P3，公司地址：3236 Scott Blvd.，Santa Clara，CA 95054。
在图1和2的天线阵列中，通过改变共同馈线的线长或者功率放大器14中的电子电路来调整阵列的相位。如图3所示，在功率放大器14内或其前面使用衰减器可以调整阵列的振幅系数。
现在参考图3，本发明的天线系统使用如图1或图2所示类型的天线阵列，通常用参考标号20表示。该天线系统20包括多个如图1、2所述的天线元件12和与其耦合的多载波线性功率放大器14。并且有适当的衰减电路22以串行电路的形式与功率放大器14相连。衰减电路22可以插入在功率放大器14之前或之内。但图3显示的是他们位于每个功率放大器14的输入端的情况。一个功率分配器和移相网络24能输送所有的功率放大器14和与其串行连接的衰减电路22。一个射频输入26向该功率分配器和移向网络24输入。
参照图4，使用图3中所示的天线系统20的天线系统设备一般用参考标号40表示。图4说明通信系统如蜂窝系统、个人通讯系统PCS、或多路多点分布系统(MMDS)的基站或基础端的配置。在塔或其他支持结构的顶部安装有如图3中所示的天线结构或天线组20。直流信号分路器(Bias Tee)44能把通过同轴电缆46接收到的信号分别输送给直流电源和射频器件，相反，它也能接收来自天线系统20的射频信号并将其传递给同轴电线或同轴电缆46，其中同轴电缆46连接装配在塔上的器件与地面基础器件。地面基础器件可以包括直流电源48以及发射器/接收器(未示出)的射频输入/输出50，其中发射器/接收器可能位于远端设备场所，因此在图4中未显示。相似的直流信号分路器52也能接收直流电源和射频输入，并将其连接到同轴电线46中，相反，也能将来自天线结构20的信号传递给射频输入/输出50。
图5说明使用上述天线结构或系统20的通信系统的基站。与图4中的设备结构相似，图5中的设备也是把天线系统20置于塔/支持结构42的顶部。也是采用同轴电缆46，例如传输射频信号的射频同轴电缆，架设在塔/支持结构的顶部与地面基础设备之间。地面基础装备可以包括带有发射器射频输入的射频收发器60。另一相似的射频收发器62安装在塔顶，用于和天线结构或系统20交换射频信号。在图5所示的实施方式中，天线系统20还装备有放置在塔42顶上的电源如直流电源48。
作为选择，二个收发器60，62可以是射频到光纤的光纤收发器(如图8所示的例子)，而电缆46可以是光纤或“光导纤维”电缆，如图8所示。
图6说明一种通信系统基站，其中同样把上述类型的天线结构或系统20安装在塔/支持结构42的顶部。与图5的安装形式相似，在塔/支持结构的顶部同样安装有与天线系统20相连的射频收发器和电源如直流电源48。在塔底附近，或者在可以无线链接的范围内安装第二或远端射频收发器60，其中无线链接是利用各自的收发器天线元件64和66连接收发器60和62，如图6所示。
图7和8说明了使用本发明的天线结构或系统20与通信系统基站连接的例子，如在建筑内部通信的应用实例。在图7中，各个直流信号分路器70和72通过射频同轴电缆74连接。直流信号分路器70位于天线系统20附近，并具有各自射频和直流电线与其连接。第二个直流信号分路器72连到发射器/接收器的射频输入/输出，并与合适的直流电源48相连。直流信号分路器和直流电源与天线系统20和远端发射器/接收器(未示出)的连接方式在诸多方面与上述情形相同，请参考图4的系统。
在图8中，天线系统20接收来自光纤到射频收发器80的射频电线，其中该收发器80通过光缆82与第二个射频到光纤收发器84相连，而第二个收发器84可以远离天线和第一个收发器80。天线的直流电源或其他电源可以远离天线系统20，如图8所示，也可以根据需要靠近天线系统20。直流电源48具有连接天线系统20的单独电线，这在诸多方面相同于已说明的方式，例如在图6中所说明的。
图8A说明可被用作放大器14的线性(多载波)放大器的例子。图8A中的放大器是一前馈设计；但在不脱离本发明的前提下可使用一些其他形式的线性(多载波)放大器。
在本发明的一种实施方式中，每个放大器14都具有与射频发射器/接收器(未示出)相连的输入端86以及与每个天线元件12的馈点相连的输出端88。多载波线性放大器14设计成能减小或消除前馈放大器14内馈电信号的放大失真。
为此，放大器14通过功率分配器90将由射频发射器/接收器(未示出)发射的馈电信号直接输送给主放大器92，并通过一延迟器98输送给载波去除结点96的输入端94。主放大器92在其输入端100接收馈电信号，并在其输出端102产生信号，该信号包含通过预定增益进行放大的馈电信号以及由馈电信号的放大而产生的失真信号。主放大器92产生的输出信号作用到耦合器104上，该耦合器104将主放大器92的输出信号直接输送给衰减器106，并通过一延迟器112输送给失真去除结点110的输入端108。
所述衰减器106衰减来自于主放大器92的输出信号，并将衰减信号输送给载波去除结点96的第二个输入端114。载波去除结点96利用其输入端94和114所接收到的信号，从衰减器106产生的衰减信号中去除载波信号，并在其输出端116产生失真信号，再将该失真信号输送给误差放大器120的输入端118。
误差放大器120把来自载波去除结点96的失真信号进行放大，并把放大的失真信号输送给失真去除结点110的第二个输入端112。失真去除结点110利用其输入端108和122所接收到的信号，从主放大器92产生的放大馈电信号中去除失真信号，并在其输出端88产生基本无失真的放大馈电信号并将其输送给天线元件12的馈点。
现在参考附图9-16，本发明的不同实施方式具有一些共性，下面总结了其中的三个：
1)使用二片不同的元件：一个发射，一个接收。这样，不需要在每个天线元件(片)上使用频率双工器就能获得明显的射频信号隔离度(通过简单地将元件在水平方向隔离4英寸，就能在PCS频率下获得超过20dB的隔离度)。事实上，该技术能被用在任何类型的天线元件上(单极，偶级，微带/贴片天线等)。
在分布天线系统的一些实施方式中，我们使用多个元件(M个垂直发射元件12和M个垂直接收元件30)，如图9，10，11所示。图9、10说明Tx和Rx元件结构采用的都是串行馈电结构。需要说明的是他们也可以采用并行馈电结构(未示出)；或者是Tx采用并行馈电结构，而Rx采用串行馈电结构(反之亦然)。
2)使用“内置的”低噪音放大器(LNA)电路或设备，也就是说，直接设置在天线内，使其位于接收(Rx)一侧。图9显示了位于以串行(或并行)馈电结构组装的天线元件30之后的LNA 140。图10说明在射频信号合并之前，将LNA 140(分立器件)放在每个接收元件(片)的输出端。
对于远程无线电产生的信号来说，位于接收天线处的LNA 140能减少总噪音指数(NF)，增加系统的敏感度，因此，有助于扩大接收连接(上行)的范围。
功率放大器14(芯片)在发射(Tx)元件上的相似应用已经在上面讨论过了。
3)使用低功率频率双工器150(如图9和图10所示)。在一些传统的塔顶系统中(如“Cell Boosters”)，由于输送给天线(输入端)的能量是高功率射频，所以必需使用高功率频率双工器(在Cell Boosters内，在塔顶上)。而在本系统中，由于传到(发射)天线上的射频功率很低(通常低于100毫瓦)，所以使用的是低功率双工器150。
另外，在传统系统中，双工器的隔离度基本上要求超过60dB，而在上行与下行信号之间的隔离度常常会达到80dB或90dB。
由于从本系统输出的能量在每片元件上都是低功率的(基本上低于1～2瓦)，而且我们已经通过隔离元件而获得了(空间的)隔离度，所以，要求双工器的隔离度要低的多。
在这里所述的每种实施方式中，在接收路径中都要使用最终发射拒波过滤器(未示出)。根据需要，该滤波器可被构建在每个LNA里面；也可以连接在每个LNA前面的电路中。
现在参考图11，该实施方式使用二组独立的天线元件(阵列)：一组用于发射12，一组用于接收30，例如，用于多个发射元件(阵列)12和多个接收元件(阵列)30。这些元件可以是偶级、单级、微带(贴片)元件、或其他辐射天线元件。发射元件(阵列)使用与接收元件阵列分开的共同馈线(未示出)。每个阵列(发射器12和接收器30)显示为一独立的纵列，形成狭窄的仰角波束；也可以显示为2个水平阵列(未示出)，形成狭窄的方位波束。
元件的这种隔离(空间距离)增加了发射和接收天线波段之间的隔离度，其作用相似于在单个的发射/接收元件上使用频率双工器。超过半波长的隔离一般能保证隔离度大于10dB。
背板/反射体155可以是平整的地平面、分段式线性折叠地平面、或曲面反射板(偶极的)。对于每种情况，都可以在背板上放置一个或多个导电带160，如一块金属，这样能确保在方向面内，或者在与天线垂直的平面内，发射和接收元件的辐射图彼此对称。在图11说述的实施方式中，用于此目的的是单一的中间带160，下面将对其进行描述。但是，也可以使用多带，例如分别在发射和接收天线元件的每边都放置多个带。这也可用于成水平阵列(未示出)的天线元件(Tx，Rx)，也就是确保仰角平面上的对称。如果天线元件(Tx，Rx)在地平面155上没有居中，如图11所示，产生的辐射图一般不对称，也就是说，波束倾向于偏离方位中心。(金属)中间带160把每个阵列发射的辐射图波束向中间“拉”回。对于偶极天线元件，该带160可以是固态金属(铝、铜......)棒；对于微带天线元件，则可以是简单的铜片。对于每种情况，中间带160都可以接地；或悬空，即不接地。另外，中间带160(或棒)进一步增加了发射和接收天线阵列/元件之间的隔离度。
独立的Tx和Rx天线元件还可以彼此极性正交，以进一步增加隔离度。这可以通过使接收元件30的极化方向水平，发射元件12的极化方向垂直加以实现，反之亦然。相似地，也可以通过使接收元件30的极化方向倾斜45度(朝右)，发射元件12的极化方向倾斜45度(朝左)加以实现，反之亦然。
为了获取需要的电波图，以及考虑到(发射阵列中的)元件12之间承受的互耦量，需要选择发射阵列中的元件12之间的垂直间隔。接收元件30的垂直间隔也予以类似考虑。接收元件30的垂直间隔可以与发射元件12不同，但必须补偿共同馈线，以确保在所需的频率波段下接收电波图能与发射电波图相似。接收共同馈线的相位通常会有轻微的补偿，以使其方向图与发射阵列的相似。
大多数现有的蜂窝/PCS天线使用相同的天线元件或阵列用于发射和接收。典型配置是用射频信号电缆连到天线上，使用的是并行共同馈电结构，因此，所有的馈电路径及元件都能传递发射和接收信号。因此，对这类系统，无需将元件分成单独的发射元件和接收元件。这种方法的特征是：
a)使用一(1)单独的天线元件或阵列，同时用于发射和接收操作。
b)对空间配置不加压缩和限制。
c)一(1)单独的共同馈电结构，同时用于发射和接收操作。
d)针对发射和接收的元件极化在同一平面内实现。
对于c)和d)，有几种使用交叉极化天线(照字面意思，是在同一天线元件内有二天线结构，或者副元件)的情况(即偶极化天线)，其发射功能有其副元件和共同馈电结构，接收天线也有其副元件和单独的共同馈电结构。
在图11中，我们把发射和接收功能分成独立的发射天线元件和接收天线元件，以使其波段明显分离(针对发射与接收)。在接收路径于放大之前有衰减(降低发射波段中信号的电平)的情况下，这能增加波段之间的隔离度。相似地，对于发射路径，在将放大信号输入发射天线元件之前，使用有源器件(功率放大器)仅对发射信号进行(功率)放大。
如上所述，中心片有助于防止电波向外辐射。在发射与接收使用相同元件的单独纵向阵列中，可将该阵列放在天线(地平面)的中间(例如，参考于下面所述的图12)。因此，方位波束会对中(对称的)并与地平面正交。但是，通过使用相邻的垂直阵列(一个用于发射，一个用于接收)，电波会变得不对称，而向外偏离一点角度。放置在二个阵列中间的无源中心片会把每个电波都“拉”向中心。当然，这可以通过模拟来决定正确的片宽及其位置和垂直阵列的放置位置，以精确对中每束电波。
该方法的特征如下：
a)使用二(2)个不同的天线元件(或天线)：一个用于发射，一个
用于接收。
b)空间配置是将发射与接收元件分开且相邻放置(如图11所示)。
c)使用二(2)个独立的共同馈电结构：一个用于发射，一个用于
接收。
d)可在同一平面内使每个元件极化，或者构建一种布局：给定发射
元件的极化，使接收元件的极化与其正交。
图12的实施方式使用二种独立的天线元件，一种是发射元件12，一个是接收元件30；或者是多个发射(阵列)元件，多个接收(阵列)元件；这些元件可以是偶极、单极、微带(片)元件，或者是其他辐射天线元件。发射元件阵列使用与接收元件阵列分开的单独共同馈电。但所有元件形成单一的垂直列，使波束形成在俯仰平面内。该布局也可用于单一的水平行(未示出)，使电波形成在方位阵列中。该方法能确保形成高对称性(对中的)的电波：对于(元件)列，是在方位面内；对于(元件)行，是在俯仰面内。
图12中，单个的Tx和Rx天线元件可以彼此正交，以进一步增加隔离度。这可通过水平极化接收贴片30(或元件，在接收阵列中)，和垂直极化发射贴片12(或元件)加以实现，反之亦然。相似地，也可以通过使接收元件30倾斜45度(朝右)极化，和使发射元件12倾斜45度(朝左)极化加以实现，反之亦然。
该项技术允许把所有的元件放在一中心线上，导致对称的(对中的)方位波束，并且降低了天线的需要宽度；但由于需要将这些元件紧密封装在一起，这将增加天线元件之间的互耦，所以并不能产生明显的仰角波瓣。
该方法的特征如下：
a)使用二(2)种天线元件(阵列)：一个发射用，一个接收用。
b)几何布局是相邻的、共线布置。
c)用二(2)个独立的共同馈电结构：一个发射用，一个接收用。
d)每个元件都在同一平面内极化，或者构建一个布局：给定发射元件的极化，使接收元件的极化与其正交。
图13的实施方式使用单一的天线元件(阵列)，同时用于发射与接收功能。在这种情况下，可以使用贴片(微带)天线元件。贴片元件170通过多层元件(4层)印制电路板而制成，该电路板具有绝缘层183、185、187(看图4)。这种天线的馈电可以由同轴探头(未示出)，孔径连接探头，或微带线180，182来实现。为了实现接收功能，馈电微带线182应该与实现发射功能的馈电微带线(探头)180正交。
该元件在阵列中可以重叠以获取给定形状的波束，如图13所示。射频输入端190通过与射频输出端192(在接收共同馈电上)分开的单独共同馈线直接连向辐射元件，在“A”点终止。注意，共同馈线180，182之一或全部既可以是并行也可以串行。
图13显示接收路径上的射频在串行馈线中合并，在“A”点(192)结束，其前面是一低噪音放大器(LNA)。但在合并前，低噪音放大器(LNA)可直接用在每个接收馈线的输出端(图13中未显示)，与图9中说明的相似，如上所述。
发射与接收射频的隔离度可通过相同天线元件的正交极化带来获得，如上所述，参考图13，14。图14是说明图13中的每个元件170一般性层状结构的横截面图。各个馈线180，182被绝缘层183隔离。另一绝缘层185把馈线182与地平面186隔开，还有一绝缘层又把地平面186与辐射元件或“贴片”188隔开。
这个概念用具有相同物理位置的天线元件来实现双重功能(发射和接收)。单独的贴片元件(或者交叉极化偶极元件)可用作这样的天线元件，其具有二根独立馈线：一根用于发射，一根用于正交极化的接收。由于该二天线元件(发射与接收)占据相同的物理空间，所以他们的极化正交。
该方法的特征如下：
a)使用一(1)个单独的天线元件(或阵列)，用于发射与接收。
b)几何布局不受限制。
c)使用二(2)个独立的共同馈电结构：一发射用，一接收用。
d)每个元件包含二(2)个彼此交叉(正交)极化的副元件。
图15，16的实施方式说明了从发射/接收有源天线上将输入射频与输出射频直接连接到基站的二种方法。
图15显示了射频能量在点192(图13中的)输出，输入的射频能量流向点190(图13中)，通过二根明显不同的电缆194，196。这些电缆可以是同轴电缆，或光纤电缆(在“A”点和“B”点利用射频/模拟到光纤转换器)。这种配置不需要在天线(塔顶)系统中使用频率双工器。另外，在基站中也不需要使用频率双工器(用于分离发射波段的射频能量与接收波段的射频能量)。
图16显示在天线系统中(通过频率双工器400)双工传输输出射频能量(来自接收阵列)与输入射频能量(输送给发射阵列)，所以仅需单一电缆198从塔(未示出)连到基站404。因此，去往基站的输入/输出就通过一根同轴电缆(或光纤电缆，带有射频/模拟到光纤转换器)实现。该系统还需要在基站404内使用一频率双工器402。
图17、18说明可用于发射/接收有源天线系统的另一种配置。该阵列包含多个天线元件410(偶极、单极、微带贴片......)，并在每个天线元件的馈线直接连接一频率双工器412。
图17中，射频输入能量(发射方向图)通过串行共同馈电结构415(可以是微带、带状线或同轴电缆)分路输向每个元件，但也同通过并行共同馈电结构(未示出)。在每个双工器412之前，有一功率放大(PA)芯片或元件414。射频输出(接收方向图)在射频输出端422即A点之前，通过单一的LNA 420进行放大，然后通过单一的共同馈电结构416进行合并。
图18中，在每个双工器412的输出端都有一LNA 420，用于每个天线(阵列)元件410。在共同馈线425(串行或并行)中合并，然后流向射频输出端422即点“A”。
图17、18中的配置可以使用二种连接方式(如图15、16所述)中的任一种，与基站404(收发设备)相连。
在图19-20中，使用相似的参考标号表示相似于前图中所示的元件和仪器。
在图19-20中，有一外壳，其包括天线屏蔽器盖200和天线屏蔽器背板210，用于封装有源天线结构，该天线结构包括装在绝缘板187上的贴片188，并可以在绝缘板上加工多个引流线202，用于照明或消除静电(ESD)。这些引流线202与地势源如地平面相连。图19、20中的实施方式也具有上述的地平面186，参考图13，14。图19中，地平面是一绝缘片，其一侧金属喷镀并面对该绝缘片187。地平面186的另一侧具有蚀刻的馈电图案，形成贴片188的馈电网络。该馈电网络通过光栅204与贴片188相连。绝缘片186的背面还可以装载一些如图16-18中所示的仪器。
天线屏蔽器的背面或外壳210上也装有PC板215，该PC板上可容纳多个电子设备，如一个或多个放大器414、420和双工器400、402和/或412，如图16-18中的示例所示。在图19、20中还示出了附加底盖212、214，用于含有天线屏蔽器盖和背板200、210的外壳。从图19中可以看到二列贴片天线元件188，根据需要，其中一列用作发射天线元件，另一列用作接收天线元件。
在图21、22的实施方式中，有一类似的绝缘层187，其上安装有多个具有引流线202的贴片元件188(形成一列)，其中作为例子将引流线印制在绝缘面187上，用于消除静电。参考图19，上述引流线202与一合适的地势相连。地平面186的结构与上面图19中所述的类似。电子PC板由参考标号315表示。与图14、15中的实施方式相似，提供有天线屏蔽器盖300和天线屏蔽器背板310，以及各个端盖312，314。
上面已经显示和说明的是一种全新的天线阵列，在每个阵列的天线元件的馈点或其附近使用功率放大芯片或元件，以及该天线系统的全新的安装方法。
虽然，已经显示和说明了本发明的具体实施方式和应用，但应该理解的是，本发明并不限于已公开的给定结构和组成，根据前面的描述而进行的各种改进、改变、和变异都是显而易见的，应当理解为是形成本发明的一部分，因为他们落入了如附件所限定的本发明的精神和范围之内。
Claims (48)
1、一种分布天线阵列，包括：
多个天线元件；和
多个功率放大器，每个功率放大器与所述天线元件之一操作地耦合，并紧密靠近该关联的天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
每个所述功率放大器包括功率较低的线性功率放大器。
2、如权利要求1所述的天线阵列，其中每个天线元件是偶极天线。
3、如权利要求1所述的天线阵列，其中每个天线元件是单极天线。
4、如权利要求1所述的天线元件，其中每个天线元件是微带/贴片天线元件。
5、如权利要求1所述的天线阵列，其中进一步包括衰减电路，其与每个线性功率放大器串行连接，以调整阵列的振幅系数。
6、如权利要求1所述的天线阵列，其中进一步包括与所有的所述线性功率放大器耦合的功率分路器及移相网络。
7、如权利要求5所述的天线阵列，其中进一步包括与所有的所述线性功率放大器耦合的功率分路器及移相网络。
8、如权利要求1所述的天线阵列，其中所述天线元件和所述线性功率放大器连接到并行馈电结构。
9、如权利要求1所述的天线阵列，其中所述天线元件和所述线性功率放大器耦合到串行馈电结构。
10、如权利要求1所述的天线阵列，其中所述天线元件和所述线性功率放大器耦合到馈电结构。
11、如权利要求10所述的天线阵列，其中馈电结构中的线长可以选择以获取需要的阵列移相。
12、一种天线系统设备，包括塔/支持结构、和安装在所述塔/支持结构顶部的天线结构，所述天线结构包括：
多个天线元件；和
多个功率放大器，每个功率放大器与所述天线元件之一操作地耦合，并紧密靠近该关联的天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
每个所述功率放大器包括功率较低的线性功率放大器。
13、如权利要求12所述的设备，其中进一步包括直流信号分路器，其安装在所述塔/支持结构上并与所述天线结构操作地耦合。
14、如权利要求13所述的设备，其中进一步包括同轴线，其与所述直流信号分路器操作地耦合，并架连到地面上的、靠近所述塔/支持结构基部的第二个直流信号分路器上；所述第二个直流信号分路器操作地耦合至直流电源和发射器/接收器的射频输入/输出。
15、如权利要求12所述的设备，其中进一步包括安装在所述塔/支持结构顶部并与所述天线结构操作地耦合的第一射频收发器和电源。
16、如权利要求15所述的设备，其中进一步包括第二射频收发器，其靠近所述塔/支持结构的基部安装，并通过同轴电缆与所述第一射频收发器相连。
17、如权利要求15所述的设备，其中进一步包括第二射频收发器，以及用于在所述第一射频收发器与第二射频收发器之间传输通信的无线链接。
18、一种内装天线系统的设备，包括天线结构，该天线结构包括：
多个天线元件，和
多个功率放大器，每个功率放大器与所述天线元件之一操作地耦合，并紧密靠近该关联的天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
每个所述功率放大器包括功率较低的线性功率放大器。
19、如权利要求20所述的设备，其中进一步包括：
直流信号分路器，安装成可与所述天线结构耦合；同轴电缆，其与所述直流信号分路器操作地耦合，并架连到第二个直流信号分路器上；所述第二个直流信号分路器操作地耦合至直流电源和发射器/接收器的射频输入/输出。
20、如权利要求18所述的内装天线系统的设备，其中进一步包括：
与所述天线结构操作地耦合的光纤-射频收发器；
第二光纤-射频收发器；和
耦合该二个光纤-射频收发器的光纤。
21、如权利要求19所述的设备，其中进一步包括与所述天线结构耦合的电源。
22、一种分布天线装置，其包括：
多个发射天线元件；
多个接收天线元件；和
多个功率放大器，每个功率放大器与所述发射天线元件之一操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的发射天线元件之间不会出现明显的功率损耗；和
至少一个低噪音放大器，用于接收并放大来自于至少一个所述接收天线元件的信号；
每个所述功率放大器包括功率较低、每瓦成本较低的线性功率放大器；和
所述装置被构造成：所述发射天线元件和与其耦合的所述功率放大器、以及所述接收天线元件和与其耦合的所述至少一个低噪音放大器连续工作，并能够同时实现各自的发射与接收操作；
其中，所述发射天线元件被互相隔离开，以获取给定的波束图，并使其互耦不超过给定量，并且其中，所述接收天线元件被互相隔离开，以获取给定的波束图，并使其互耦不超过给定量。
23、如权利要求22所述的天线装置，其中每个所述功率放大器芯片的输出不超过约1瓦。
24、如权利要求22所述的天线装置，其中进一步包括多个低噪音放大器，每一个与所述接收天线元件之一操作地耦合。
25、如权利要求22所述的天线装置，其中每个天线元件是偶极天线。
26、如权利要求22所述的天线装置，其中每个天线元件是多极天线。
27、如权利要求22所述的天线装置，其中每个天线元件是微带/贴片天线元件。
28、如权利要求22所述的天线装置，其中单独的低噪音放大器操作地耦合至所有的所述接收元件的合并输出。
29、如权利要求22所述的天线装置，其中进一步包括与所有的所述功率放大器操作地耦合的低功率频率双工器，用于使单一一根射频信号电缆操作地耦合至所有的所述发射与接收天线元件。
30、如权利要求22所述的天线装置，其中所述接收天线元件形成第一线性阵列；所述发射天线元件处于与所述第一线性阵列分开且与其并行的第二线性阵列。
31、一种分布天线装置，包括：
多个发射天线元件，
多个接收天线元件；和
多个功率放大器，一个功率放大器与每个所述发射天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的发射天线元件之间不会出现明显的功率损耗；和
至少一个低噪音放大器，用于接收并放大来自于至少一个所述接收天线元件的信号；
每个所述功率放大器包括功率较低、每瓦成本较低的线性功率放大器；和
所述装置被构造成：所述发射天线元件和与其耦合的所述功率放大器、以及所述接收天线元件和与其耦合的所述至少一个低噪音放大器连续工作，并能够同时实现各自的发射与接收操作；
其中，所述接收天线元件处于第一线性阵列；所述发射天线元件处于与所述第一线性阵列分开且与其并行的第二线性阵列；和
进一步包括位于第一与第二线性阵列之间的导电中心片元件。
32、如权利要求31所述的天线装置，其中所述接收天线元件与一串行和一并行共同馈电结构之一耦合。
33、如权利要求32所述的天线装置，其中所述发射天线元件与串行和并行共同馈电结构之一耦合。
34、如权利要求31所述的天线装置，其中：单独的射频发射电缆与所有的所述功率放大器耦合，以将需被传送的信号输送给所述天线装置；单独的射频接收电缆与至少一个低噪音放大器耦合，以载送离开所述天线装置的接收信号。
35、如权利要求31所述的天线装置，其中所述接收天线元件、所述发射天线元件、和所述中心片元件均装在公共背板上。
36、如权利要求35所述的天线装置，其中所述功率放大器也全部装在所述背板上。
37、一种分布天线装置，包括：
多个发射天线元件；
多个接收天线元件；和
多个功率放大器，一个功率放大器与每个所述发射天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的发射天线元件之间不会出现明显的功率损耗；和
至少一个低噪音放大器，用于接收并放大来自于至少一个所述接收天线元件的信号；
每个所述功率放大器包括功率较低、每瓦成本较低的线性功率放大器；和
所述装置被构造成：所述发射天线元件和与其耦合的所述功率放大器、以及所述接收天线元件和与其耦合的所述至少一个低噪音放大器连续工作，并能够同时实现各自的发射与接收操作；
其中，所述接收天线元件和所述发射天线元件互相交替地形成一个线性阵列。
38、一种分布天线装置，包括：
多个发射天线元件；
多个接收天线元件；和
多个功率放大器，一个功率放大器与每个所述发射天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的发射天线元件之间不会出现明显的功率损耗；和
至少一个低噪音放大器，用于接收并放大来自于至少一个所述接收天线元件的信号；
每个所述功率放大器包括功率较低、每瓦成本较低的线性功率放大器；和
所述装置被构造成：所述发射天线元件和与其耦合的所述功率放大器、以及所述接收天线元件和与其耦合的所述至少一个低噪音放大器连续工作，并能够同时实现单独的发射与接收操作；
其中，所述接收天线元件和所述发射天线元件包括独立的天线元件阵列，其中所述发射天线元件在一个方向极化，而所述接收天线元件在与所述发射天线元件的极化方向正交的方向极化。
39、如权利要求38所述的分布天线装置，其中进一步包括与所述发射天线元件操作地耦合的发射共同馈电结构，和与所述接收天线元件操作地耦合的接收共同馈电结构，其中通过调整所述共同馈电结构之一或两者，而使发射波束图与接收波束图基本相似。
40、如权利要求38所述的分布天线装置，其中所述发射天线元件在一个方向极化，而接收天线元件的极化方向与所述发射天线元件的极化方向正交。
41、如权利要求38所述的分布天线装置，其中所述接收天线元件与一串行和一并行共同馈电结构之一耦合；所述发射天线元件与一串行和一并行共同馈电结构之一耦合。
42、一种分布天线装置，包括：
多个发射天线元件；
多个接收天线元件；和
多个功率放大器，一个功率放大器与每个所述发射天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的发射天线元件之间不会出现明显的功率损耗；和
至少一个低噪音放大器，用于接收并放大来自于至少一个所述接收天线元件的信号；
每个所述功率放大器包括功率较低、每瓦成本较低的线性功率放大器；和
所述装置被构造成：所述发射天线元件和与其耦合的所述功率放大器、以及所述接收天线元件和与其耦合的所述至少一个低噪音放大器连续工作，并能够同时实现单独的发射与接收操作；
其中，贴片天线元件形成的单一阵列起到所述发射天线元件和所述接收天线元件的作用，其进一步包括：与所述每个贴片天线元件耦合的带状发射馈线和带状接收馈线；所述带状发射馈线和带状接收馈线至少在其与每个所述贴片元件相连的区域内，其方向彼此正交。
43、一种分布天线的操作方法，包括：
在一阵列中配置多个发射天线元件；
在一阵列中配置多个接收天线元件；
将功率放大器与所述每个发射天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
将至少一个低噪音放大器构建到所述分布天线之中，用于接收并放大来自至少一个所述接收天线元件的信号；
在所述发射天线元件进行发射的同时，所述接收天线元件进行接收；和
将所述发射天线元件互相隔离开，以获取给定的波束图，并使互耦不超过一给定量；将所述接收天线元件互相隔离开，以获取给定的波束图，并使互耦不超过一给定量。
44、一种分布天线的操作方法，包括：
在一阵列中配置多个发射天线元件；
在一阵列中配置多个接收天线元件；
将功率放大器与所述每个发射天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
将至少一个低噪音放大器构建到所述分布天线之中，用于接收并放大来自至少一个所述接收天线元件的信号；
在所述发射天线元件进行发射的同时，所述接收天线元件进行接收；和
在第一线性阵列中配置所述接收天线元件，在与所述第一线性阵列隔离开且与其并行的第二线性阵列中配置所述发射天线元件；和
在第一与第二线性阵列之间安装一导电中心片元件。
45、一种分布天线的操作方法，包括：
在一阵列中配置多个发射天线元件；
在一阵列中配置多个接收天线元件；
将功率放大器与所述每个发射天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装该功率放大器，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
将至少一个低噪音放大器构建到所述分布天线之中，用于接收并放大至少来自一个所述接收天线元件的信号；
在所述发射天线元件进行发射的同时，所述接收天线元件进行接收；和
进一步包括将所述发射天线元件与所述接收天线元件互相交替地设置在一单个线性阵列中。
46、一种分布天线的操作方法，包括：
在一阵列中配置多个发射天线元件；
在一阵列中配置多个接收天线元件；
将功率放大器与所述每个发射天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的发射天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
将至少一个低噪音放大器构建到所述分布天线之中，用于接收并放大来自至少一个所述接收天线元件的信号；
在所述发射天线元件进行发射的同时，所述接收天线元件进行接收；和
进一步包括将所述发射天线元件在一个方向极化，而将所述接收天线元件在一与所述发射天线元件的极化方向正交的方向极化。
47、一种天线系统设备，包括塔/支持结构和安装在所述塔/支持结构上的天线结构，所述天线结构包括：
多个天线元件；
多个功率放大器，每个功率放大器与所述天线元件之一操作地耦合，并紧密靠近该关联的天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
每个所述功率放大器包括功率较低、每瓦成本较低的线性功率放大芯片；
第一射频到光纤收发器，其安装在所述塔/支持结构上，并与所述天线结构操作地耦合；和
第二射频到光纤收发器，其靠近所述塔/支持结构的基部安装，并通过光缆与所述第一射频收发器耦合。
48、一种在塔/支持结构上安装天线系统的方法，所述方法包括：
在所述塔/支持结构上安装多个配置成天线阵列的天线元件；
将功率放大器与包含功率较低、每瓦成本较低的线性功率放大芯片的每个所述天线元件操作地耦合，并紧密靠近该关联的天线元件安装，从而在所述功率放大器与关联的天线元件之间不会出现明显的功率损耗；
将第一射频到光纤收发器安装在所述塔/支持结构上，并将其耦合到所述天线结构；将第二射频到光纤收发器靠近所述塔/支持结构的基部安装，并通过光缆将其耦合到所述第一射频到光纤收发器。
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