TW508867B - Dual-beam antenna aperture - Google Patents

Description

五、發明說明（1) 本發3 技術範圍 地台以天線陣列，特別關於供通信系統中之基 基地A ;綠 ， 月厅、 達成在i面包含天線元件之垂直方向、線性F車列，以 益及嚴_ 、乍波束及方向中之寬瓣，而提供一足為 、， 之限制1操作員要求天線越小越好，因其受:： §亦非常3 =Τ:在一場地所需之天線單元Ϊ ;1為=位置”戈包含-波束以上於天線單元中；早 不：方向之基地台天線孔徑 微波帶天i 題，如利用孔彳-合 。H ί國專利號碼5’ 686, 926揭示-多波束天線裝置 、刀隔之二波束在單一天線面上構成。組合複數個 Τ產生多個波束。此一解決方案使天線之尺寸降低， γ天線所受之風卩且，因此可安裝許多天線於單—支結 才一上以達成支撐結構之重量減輕。但，甚為明顯，二 元件陣列之多波束天線，即天線元件之二垂直列‘：每一 i 線元件或柱以混合連接，其將無法提供適於基地台應用之 足夠良好之性能。二元件陣列可提供一正負30度之‘向， 及約60度3 dB波束寬’但無法提供良好之旁瓣抑制。圖2 顯示頻率2045 MHz之二元件陣列之模擬方向天線圖。二元 件陣列®形如’所示。右及左波束之第一旁瓣之峰值高 08867 五、發明說明（2) 於-15 dB，大部功率將輻射至鄰近單元 對於提供低旁瓣位準，一緊致多波 需求二P需要利用降低數目之必要面 區之基地台之用之天線。 本發明之概述 本發明揭示一天線配置及天線系統。此 孔徑，以產生較習知技術為低之較低旁 案L以供通信網路之基地台之用。此配 個輻射器，沿構成孔徑之天線面板，安排 垂直列。數個此種面板共同構成一基地台 產生一波束。二垂直柱之每一組分成子單 尚度涵蓋，每一三獨立柱之子單元連接至 網路’該網路具有形成天線埠之三個輸出 終端。在一正交實施例中，波束形成網路 梯度於天線埠出現之信號之間。三個輻射 並含在高度方向之2-8個子單元，每一： | ^ ~· 夕二個孔徑耦合之輻射器元件。此等孔徑 件由補片天線元件組成，分別由帶狀線網 形成網路支援一 90度相位梯度角，或支援 ^本發明之天線配置揭示於獨立申請專利 &例揭示於附屬申請專利範圍2 - 1 4項。 本發明之天線系統揭示於獨立項1 5，其 &附屬項16-21。 ' 圖式簡略說明 第8頁 線裝置，尚有一 供充份理想涵蓋 新穎天線提供一 位準之多波束圖 及系統包含複數 成輻射元件之三 天線，每一孔徑 元以提供足夠之 一獨立波束形成 終端，及二輸入 產生9 0度之相位 裔检為垂直極化 L輻射器柱含至 輕合之輻射器元 路饋送。此波束 一任意角。 第一項，其他實 他實施例則揭示

5〇8867 、發明說明（3) 本發明之目的及其優點，可自以下之敘述及參考伴隨圖 式而更為明瞭，其中： 圖1為一現代科技之6 -片段天線設施之例，其具有空間 分開及6 0度雙波束天線，及丨2 〇度相隔； 圖2說明一模擬之雙波束孔徑方向天線圖，其含9 〇度相 位梯度之二元件陣列； 圖3顯示，頻率2045 MHz之孔徑饋送補片天線元件，之 一元件陣列之雙波束孔徑之圖形； 圖4為一 6 -片段天線配置之一例，具有空間分開及相隔 60度之雙6〇度雙波束天線，三組之每一組涵蓋240度方向 圖5說明相位陣列之基本原理； 圖6說明輻射器元件之二面板之放大圖，每一面板有圖 顯示之二旁瓣； 圖7說明圖6之二雙波束孔徑之側視圖； 圖8為雙波束孔徑單元之方塊圖，該單元具有本發明之 二元件方向陣列之三柱； 圖9說明含四個混合之方向波束形成電路； 圖1 〇說明提供隨機相位梯度角之方向波束形成電路； 圖11顯示具有9 0度相位梯度角之三元件雙波束孔徑之_ 波束之方向天線圖； 圖1 2顯示具有相位移位器卢=65角之三元件雙波束之波 束之方向天線圖； 圖1 3顯示雙波束之幾何圖形，每一含具有3孔徑饋送之

第9頁 508867 五、發明說明（4) 補片元件之三柱，供頻率2045 MHz之用· 圖14說明含三天線及三輸入埠之步你 圖1 5說明具有三天線元件及三埠之蘭陣； 圖16說明具有相位移位器及三埠供陣； 圖1 7說明N = 4之巴特來矩陣； 天線之網路； 圖1 8說明具有三輕射元件之雙 線圖； 線，之模擬方向3 圖19顯示表I，展示具有固定掃描 路之激勵及相位角； 方向波束形成網 圖20顯示表II，展示具有可調掃描 路之激勵與相位角；及 之方向波束形成_ 圖2 1顯不表111，展示有固定掃描 方向波束形成網路之天線部份之測量之炎及可調掃描角之 詳細說明 4數 —多旁瓣天線可击相位陣列 以達成波束之任何類之相位操縱。至少需要二元件 理。一N元件相位陣列之波輻如下 颂不相位陣列之原

— — N = Y^eJn(?i^kd^osQ) (1) 線性陣列之空 氕中后。為元件因數，相位梯 為d，k為波數。當 馬曰 召 + kd · cos θ0 = 〇 時，’角心為最大，其為掃描角之 為達到理想相位陣列’經由 。 欠7C件間之相位梯度 nzzl (2) JU000/ 五、發明說明（5) 及陣列中可加以调整至理想值。波束寬為元件因數 及陣列中兀件N之數目及空間d之審1干U數 元件間之摩禺合不可忽視，其可改變波束1 : r ::离天線 間d應使其足夠小，d/μ，否則，皮束$及二'角。空 有光柵旁瓣。 見二間中，將 一特^地需要之天線單元數目，可利 低。参考圖4，此裝置係由三個Ύ以降 圖1相似。每-四波束單元含二構成，舆 ^ ^ ^ s # °// ((； > 0^ 2'圖6)之孔徑’其提供二6。度之波束：與孔徑 ，如i国° ί 2較以往技藝相似之結構有稍低之旁瓣“ 之碼5,686,926所揭示者。操作本發明建議 及或子單元，需要具有二輸入終端 7輸出終知之方向波束形成網路。圖6詳細說明二面 之二旁辮如圖4所示。掃描角為- +…度，旁瓣 相鄰天線幸1射器元件（補片）間之距離為 1 - 2。較佳為距離相等，原則上亦可不同。 土發明降低在-場地所需天線數目，及改進產生之旁瓣 =之-方法。圖1所示為習知技藝之場地裝置。此以空 曰^相隔之6-片段#’係所用6個雙波束天線單元製成，天 士皁元巧〇度之波束寬度’各提供一總數12個波束。每 ;天線單元含二面板孔徑，並彼此成6()度之配置^二孔徑 糸統合於一天線單元，配置成使其波束指向+ 6〇度及_6〇度 第11頁 JUOOO/ 五 '發明說明（6) 根據本發明，—工& ^ 之孔徑，及-方位诂、二、方位方向’由具有三個獨立柱 ，如圖8所示。圖7 1兒〔成網路/部份以形成旁瓣而構成 仏及3b具有7列Γ二：一說明性實施命!，其…面板 其他適用ΓΛ 之補片輕射器5。除補片單元外， &太杏 田‘為元件及極化亦可隨機選擇使用。γ | 4 ::貫例之垂直極化外，亦可選 擇使用;：:: 直列中二個二 板’可分為二子面板，在每-垂 且〜甲3 4個及3個補片輻射器元 一你甘ϊ 上部子面板可供較高高度之輻射圖，^之1^為，3x4之 較低高度之韓射圖。當然，面板之子面板亦二面板可供 方向更成二共同旁瓣Μ乃由獨立之波束开度及方位 圖8說明基地台天線一部份方塊圖，/且有成^路所饋送。 子面板。此天線可分成高度子面二方向之 例之天線為垂直極化，纟高度方向含2_8個數佳貫施 段在方位平面有三列，合、二 月I又。母一片 由條狀線、、、罔路饋送每一列。圖8之三元件列 位波束形成網路7 ,及每一網路另外連接至— :方 成網路9。此高度波束形成網路並非本發明之二ς ^形 :再：f。建立二方位旁瓣之二信號W連接=产； 束Ϊ ί網ί之輸入璋’其提供理想之高度圖案及傾斜又角 足夠而良好之旁瓣抑制可由三元件陣列達成。不=角二 ，二元件陣列之旁瓣位準在實際應用上太高。丄 ，是 之波束形成網路為一更複離之工作。但，二。二、冬端 90度混合連接，或9〇度混合器及功率分裂器纟且人可^利用 。口、、、 口而完成。 第12頁 50880/ 五、發明說明（7) 天Ϊ車建 固定90度相位梯度。圖10說明之第二例中， 已建立一任意相位梯度。 以9 0度相位梯度形成波幸 a ΐ s四個混合器之方位波束形成網路。利用- ς Γς、’且。口」^ 6之網路/具有三個輸出終端’及二個輸入埠 ^ 2。一0度相位梯度在出現在天線琿之信號間建立。 餘L蜂天、《終端Al，、及^之理論信號如圖1 9之表1所示在 二二月ίI ’激勵之波輻及相位，由天線元件間之耦合而 欠乂可見#唬巧率之因數2之理想錐形已達成。因 此，激勵，"間元件之波輻較側元件大約41%。 -:f :以任思相位梯度之方位波束形成。此網路包含 —* Γ 口态11，一個功率分裂器13，二個相位移位器13及 :率組合器16。改變相位移位器φ之角度，一任意相位 現二I f出，在天線璋之信號間建立。圖20之表11顯示出 A、”、端心，、及、之理論激勳。事實上，激勵之波 ^用目位，因天線元件間之耦合，#會改變，如前例。 。=件陣列之方位天線圖案，在一4χ3元件模式上測量 饋形利用二不同方位波束形成網路予以模擬，包括 頻in搞合之效應。圖11說明三元件雙波束孔徑，以 貝^3〇 _見之元件，距離50 mm(圖13)所 束寬=55度’掃描角=37度。圖9…交情況可見3案掃描皮

第13頁 五、發明說明 角37度時，旁瓣位準降低為__20 <9〇度’及伞，度，頻率2〇45MHz3〇®^=相位梯度 5 0 mm所測之圖形。波束寬度5 距離為 中，當三終端間無正交信號時，又旁瓣為29度。此例 dB，但仍可提供—可接受之值d壤為-15 指者:合成掃描角及波束寬如㈣表πΓ所示。寸如圖13所 固疋方位波束形成網路（圖9之網路 =5;度=束寬度，理想值掃描角為】^ III所不利用可调之網路可提供29度之播Μ，/ 之波束寬度。方位波束形成網路可田度 個方向性麵合器實施。具有三蟑之布 。布來斯矩陣可使輸入埠數目少於天[二t圖14所示 頂部。其餘之連接與匹配:1負及』=士，★線蜂位於矩陣之 至Ιη 1及1η 2琿形成。布來斯矩陣：缺：妾信號 大量功率。 、^為在終端處損失 驅動補片元件之三輻射列之 』有：埠如圖15所示。此一諾蘭矩之 相同，其顯示有三天線及三埠 ;16之專值電路 成網路包含三個方向性耦合 °右闌型方位波束形 信號連接至二輸入埠(Inl，心上個相位移位器。輸入 。方向性耦合器可隨機耦合及3 n， ’其餘埠則予終結 定。三埠之諾蘭矩陣之缺點為，曰‘對;束參數而 个訂轉及無法產生對稱波

最後 所示者 一相位 係組合 連接至 之負載 圖17所 精於 性耦合 圖18 有三輜 一空重 dB 〇此 精於 ，而不 。1N有與網路相關之波束形成網路之方法為圖1 7 # ^叫1布特來矩陣含四個方向性耦合器/混合器及 太 :—45度。三天線元件之方位波束形成網路 一抖仏矩陣之二輸出埠而達成。二波束之輸入信號 輸入埠（1R/1L42R/2L)，其餘輸入埠則以匹配 〜、、、。。相位移位_可為隨機參數，或ψ =45度，如 示0 此技藝者可瞭解’本發明所指之混合器亦可為方向 1§ 0 j不杈擬之雙波束天線孔徑，頻率2〇45 ΜΗζ，具 入兀列之方位天線圖。右波束與左波束之最大有 ζ* F1 9之亦然。右及左瓣之左右旁瓣為準低於—25 可與圖2之習知技藝比較。 瞭ϊ，對本發明可有不同之改變及修改 至申"月專利範圍限定之範疇有悖。

第15頁 508867 案號89126593 f/年f月，夕曰 修正

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Claims (1)

1. 508867 案號 89126593 修正 wlf 六、申請專利範圍 1. 一種天線 之多波 複 列，因 徑產生 每 •，及 天線埠 在天線 2.如 為垂直 向有2 -丨 3 ·如 具有至 4 ·如 件包含 5 ·如 排成一 6.如 波束形 生約6 0 7 ·如 波束形 束圖案 數個輻 而構成 配置， ，以供 射元件 一孔徑 具有一孔徑以產生具有較低旁瓣位準 通信網路之基地台之用，其中 ，沿一天線面板安排成元件之三獨立 ;數面板構成一基地台天線，每一孔 二波束； 組三獨立列構成至少一子面板，供不同之高度圖案 列之每一子面板連接至波束形成網路，其具有構成 之第一’第二及第三輸出終端’及二輸入終端’及 之信號間建立一相位梯度。 利範圍第1項之天線配置，其中之三獨立列 並在高度方向含至少二片段，通常在高度方 璋出現 申請專 極化， 3片段 申請專 少三輻 申請專 補片天 申請專 天線裝 申請專 成網路 度之二 申請專 成網路 利範圍第2項之天線配置，其中之每一三列 射器元件。 利範圍第3項之天線配置，其中之輻射器元 線元件，由條狀線網路饋送。 利範圍第1項之天線配置，其中之二面板安 置，其可涵蓋在方位平面之2 40度之寬段。 利範圍第1項之天線配置，其中每一面板之 ，包含四個混合器，及一功率組合器，以產 波束，指向與孔徑正交之± 3 0度。 利範圍第1項之天線配置，其中每一面板之 含二混合器，二功率分裂器，二向位移位器

   O:\67\67974-910917.ptc 第17頁 508867 案號 89126593 夕/年f月，7曰 修正 六、申請專利範圍 ，及一功率組合器以產生具有任意相位梯度之二波束。 8. 如申請專利範圍第7項之天線配置，其中之波束形成 網路產生約6 0度之二波束，指向與孔徑正交之± 3 0度，如 相位移位器所獲得者。 9. 如申請專利範圍第6項之天線配置，其中之波束形成 網路提供一錐形信號於構成信號璋之第一及第三輸出終端 ，至一列之輻射器元件，以獲得第二中間輻射器元件列之 激勵，其較中間列之每側各列之激勵為大。 1 0.如申請專利範圍第7項之天線配置，其中該波束形成 網路提供一錐形信號，於構成信號埠之第一及第三輸出終 端，至一列之輻射器元件，以獲得第二中間輻射器元件列 之激勵，其較中間列之每側各列之激勵為大。 1 1.如申請專利範圍第8項之天線配置，其中該波束形成 網路提供一錐形信號於構成信號埠之第一及第三輸出終端 ，至一列之輻射器元件，以獲得第二中間輻射器元件之激 勵，其較該中間列之每側之各列之激勵為大。 1 2 ·如申請專利範圍第1項之天線配置，其中該波束形成 網路包含3 X 3埠布來斯矩陣，其一輸入埠被終結。 1 3 ·如申請專利範圍第1項之天線配置，其中該波束形成 網路利用3 X 3諾蘭矩陣，其一輸入埠被終結。 1 4 ·如申請專利範圍第1項之天線配置，其中之波束形成 網路4x4布特來矩陣，其有二輸入終結，及二天線輸出埠 組合一起0 1 5 · —種天線系統，該系統以較低旁瓣位準構成一多瓣

   O:\67\67974-910917.ptc 第18頁 508867 案號 89126593 曰 修正 六、申請專利範圍 配置，以供通信網路基地台之用，其中 形成天線孔徑之面板備有輻射元件之三垂直列，由 一方位波束形成網路饋送之輻射器元件之三垂直列，使每 一面板形成雙波束孔徑，其顯示改進之旁瓣位準，及 形成有角度之共同面板之二面板，提供在方位平面 中2 4 0度涵蓋之天線配置。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之天線系統，具有三列輻射 器之每一面板分成數個子面板，每一子面板亦提供由一獨 立方位波束形成網路饋送之三輻射器之垂直列，其由一高 度波束形成網路饋送。 1 7.如申請專利範圍第1 5項之天線系統，其中之輻射器 元件構成，由條形線網路饋送之垂直極化之補片元件。 1 8.如申請專利範圍第1 5項之天線系統，其中之三對面 板構成一天線配置涵蓋3 6 0度，因此可簡化基地台天線制 列之機械結構，及降低其風阻。 1 9.如申請專利範圍第1 5項之天線系統，其中之波束形 成網路構成任一布來斯矩陣，一諾蘭矩陣或布特來矩陣。 2 0.如申請專利範圍第1 9項之天線系統，其中之波束形 成網路以9 0度相位梯度作業。 2 1 .如申請專利範圍第1 9項之天線系統，其中之波束形 成網路以一任意相位梯度作業。

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