TWI278145B - Beam forming matrix-fed circular array system - Google Patents

Description

1278145 Φ Λ 九、發明說明： 發明所屬之技術領域 本發明係有關無線通信領域。更特別是， 本發明係有關各種天線配置及被用於傳送及接 收信號之天線輻射場型之成形。 先前技術 多進多出（ΜΙΜΟ)無線系統係藉由智慧方式 • 使用接收器侧及傳送器侧之多天線來建立無線 鏈路。該多天線係被緊密相隔，但通常彼此不 被充分隔離以最佳化通信品質。傳統多進多出 無線系統並未提出仰角多波束涵蓋。 第1圖顯示具有一單接收器1 1 〇之一單傳 統全向性天線105。信號及雜訊係藉由全向天 線105之單通道”輸出115被收集。該通道 係包含波導，同軸線，微帶或類似者。因此， • 被接收資訊遺失其方向性資訊而變成時間 排序資料。棟取信號之基本方法係；理該= 增益使其位準超過干擾及雜訊。先進方法係使 用相關技術從干擾及雜訊擷取信號。該技術可 以自我相關或可使用雷克（rake)接收器來編 碼0 多路環境中，相同信號可能來自具有不同 時間延遲之多方向。當波進入“通道，，時，波 運載之信號可視其間相對相位而增添或扣除/。 1278145 因此，被接收信號係受環境支配，然而，天線 可對改善信號強度具有某些貢獻。 第2圖顯示可改善系統效能約3dB之傳統 掃描波朿類似天線用戶基礎智慧天線 (SBSA)200。當方向性波束被成形時，進入波束 接近峰值之輻射係被相關，而波束外側係被視 為不相關。當波束指向信號時，來自信號之功 率係同相’而場強度向量係增加。被定義之雜 訊係不相關，所以雜訊功率標量係增加。此對 波束中之物號雜訊給予方向性增益。此對第1 圖之全向性天線1 〇 5增添處理增益。 第3圖顯示多重傳統單全向性天線饋送多 收發器。無線多進多出系統可具有1〇至2〇仳

之改善。缺乏多路之環境中’所有天線均接收 主要藉由相位延遲而改變之類似信號及類似雜 訊。當來自不同接收器之信號被同步化及加總 時，雜訊亦被某些程度地同步化及加總。最終 增加’同時雜訊亦被約相 缺乏多路之環境中具有很 各天線係經由可能類似或截 來接收其信號。雖然信號被 分頻處之向量總和·），但頻 之雜訊係不同步化被加總 ^/8145 (也就是標量總和）。栌缺私 盖/ ^ ^就雜訊比因此被明顯改 善。例如，若呈右相π > 口凡攸以、、員改 兩頻道被以此法加總嘗：：及雜Λ功率之 大約為3dB。 訊比中之增益 天J出仰角多波束涵蓋及提供多天線隔離之 天線配置係被預期。 發明内容

本發明係提出各種波束成形 用多進多出應用所實施之通信。 系統來增強使 /接收信號係包含天線特性及其被傳送之 '道特性。因此，若天線具有不同特性，則頻 、亦不同。因為天線輻射特性通常係藉由振幅 場型及相位場型來定義。此產生相位場型明顯 改變亦可如振幅場型改變般地對多進多出有效 之結論。

一實施例中，矩陣饋送之圓形陣列系統係 包含形成圓形陣列及與該圓形陣列通信之一矩 陣之複數天線。該矩陣係包含複數混合物。當 通信信號被輸入該系統時，該系統係輸出彼此 被隔離之全方向性煎餅型輻射場型。 5亥矩陣可為一 Shelton-Butler矩陣。矩陣 饋送之圓形陣列系統可進一步包含與該混合物 通#之袓數相移器（也就是線長度）。該系統可 被用於多進多出應用。 1278145 另一實施例中，矩陣饋送之圓形陣列系統 係包含形成圓形陣列之複數天線，與該圓形陣 列通信之複數方位角矩陣，及與該方位角矩陣 通信之複數仰角矩陣。該陣列系統係形成ΜχΝ 波束，其中Μ係為方位角波束數量，而Ν為仰 角波束數量。 ^ 仰角矩陣可為一 Shelton-Butler或 Butler矩陣配置。 再另一實施例中，以波束成形矩陣饋送之 圓形陣列系統係包含具有複數天線及一波束成 形網路之-圓形陣列。該網路係包含與該圓形 陣列通k以產生彼此被隔離之全方向性煎餅波 束之一第一 Shelton-Butler矩陣，及與該第一 矩陣通信以產生方位角平面中之多方向性波束 之第一Shel ton-But ler 矩陣。 ^被方位角系統所形成之兩交又方向性波束 形f之一交叉點係具有低於波束峰值位準以下 三分貝之功率位準。方向性波束係藉由加總如 快速富利葉序靠成之彼此_之正交全方向 性模式來形成。 實施方式 入較佳實施例將參考附圖作說明，其中遍及 全文之相似數字係代表相似元件。 第4圖顯示形成全方向性煎餅型輻射場型 10 1278145 之一 She 1 ton-But ler矩陣400。平行地面之平 面上之波可提供類似被發現於如γag i陣列之 表面波結構中之窄化仰角波束寬度之定相。該 矩陣亦可為具有相同分配特性之裝置（如 Rotman Lens) 〇 矩陣400係包含混合物405A，405B，405C， 405D，及可為線長度之固定相移器（為簡化而無

圖示）。一 4埠矩陣係被顯示，但其可為2埠， 3埠，4埠，6埠等。 第4B圖顯示可被第4A圖之矩陣4〇〇饋送 之-圓形陣列。天線組件可包含有關任何極化

She 1 ton-But 1 er矩陣饋送之圓形陣列形成之 各種正父全方向性模式。正交性保持各模 整強度’其係相對使用功率分配器之模式成7° 形广不被用於形成-模式之該功率係於分 配處理時損失。 於刀 各模式係具有其特性相位組。其一 : = 此快速富利葉轉換組 隔離。實施時二-雜Ϊ又組’其組成係被完全 限制。、度係被建造矩陣之混合物 第6 7、8Α及8Β圖顯示當使用該模式時 1278145 如何避免無效空間 ^ 囚局谷模式相位不 ，’各模式之頻道特性不同，所以此系統可被 夕進多出經由頻道多元性來改善系統增益。n :件矩:車饋送之圓形陣列中係具有N模式。各 模式係藉由其相位進展來指定。 第6圖係為-零模式，其_所有元件係被 :相饋送。若相同強度之兩相對運行波具有相 對相位，則其可進人該陣列並以零信號結束。 弟7圖係為“ 180度”模式且具有如第6 :所示之相同波相消，但若該相消並非全部相 j ’則其具有不同相位角。再者，若兩波係繞 者陣列中央旋轉，則相位可呈現不同值。 第8A圖係為“90度，，模式。進入陣列之 ^同‘兩相對運行波將經歷信號增添。第8B圖係 ς # 9〇度模式，其亦經歷信號增添，但運 3第，圖之反相，其使它們彼此不同。此系列 '明若-模式經歷相消，至少另外兩個不會， ，所1模式結果係為唯一。豐富多路環境中， ί:模式係運載不相似資訊組，且可藉由處理 α來分類。 總之，所提出天線系統係提供彼此不交又 模式。各模式係藉由檢視被給予 車杈式埠。所有元件均被用來形成各模式， 以吾人可具有孔徑再使用優點，其形成較窄 12 1278145 » ， 仰角波束。 另一實施例中，如第9A圖所示，仰角 Butler矩陣之列係被用來饋送兩個或更多如 第9B圖所示之堆疊圓形陣列925a，925B以產 生隔離窄見度仰角波束。第9 c圖中，被放置於 陣列中央之反射器棒950可促進上陣列之饋 送。如第9D圖所示之簡單饋送陣列可被用於兩 φ 層仰角結構。 第9A圖顯示一兩層波束成形矩陣饋送圓 形陣列系統900,其包含至少兩饋送八天線91〇 之方位角矩陣板（也就是矩陣）905A，905B。方 位角矩陣板9〇5A，905B係依序被可分隔方位角 波束家族為具有不同仰角之兩家族之仰角矩陣 列915A，915B，915C，915D饋送。此例中，各 仰角矩陣係為具有適當相位延遲之兩埠混合 鲁 物。 如第10圖所示，當各圓形陣列被方位角 Shelton-Butler矩陣饋送時，被系統9〇〇形成 於方位角平面中之波束係為煎餅或圓錐型以產 生彼此隔離之多重隔離全方向性煎餅或圓錐型 波束。描繪圓錐波束之輻射場型係涵蓋不同仰 角事貝上各波束係為具有f皆波相位分配之 圓錐波束組。波束堆疊係來自仰角矩陣915八， 915B ， 915C ， 915D 。 1278145 * * 弟11圖顯示被串聯提供複數同時方向性 波束用於多進多出之藉由如第4圖所 綱產生之方位角場型。相對於單元件孔徑: :數：？方向性波束(如六個波束)係藉由使用 犖棘=ϊ ϋ統4GG係等同快速富利 葉轉換，而弟—糸統係等同反快速富利葉 轉換。

第12圖顯示串聯系統4〇〇另一有用特性， 藉此交叉點之功率位準，其中兩鄰接波束交 叉，係低於波束峰值大約3dB。 第13圖顯示因為方向性波束係藉由加總 如快速富利葉序列組成之彼此相關之正交全方 向性模式來形成，所以第12圖之地交又點係 可行。當諧波序列被加總時係提供3dB交叉點。 第14圖顯示具有第11至13圖所示特性之 SheU〇n-Butler矩陣饋送圓形陣列系統，其提 供多進多出i生高度區隔通信頻道所需之高度 ?離及高度方向性波束。因為各波束係於_ 交又點處共享均等信號内容，所3dB交又可於 不放棄仏唬内容下提供各波束其最大分隔。相 反地，來自各兩波束之信號功率總和係相加至 整數。 如第15圖所示，方位角矩陣板9〇5A，9〇5b 係為Shelton-Butler配置。當各圓形陣列藉由 14 1278145 兩串聯Shelton-Butler矩陣饋送時，鉛筆型波 束係被形成。仰角矩陣列91 5A，915B，91 %， 915D 了為 Butler 或 Shelton-Butler 配置。鉛 筆型波束首先被形成於類似手上展開手指，各 具有不同仰角之垂直堆疊中。此外，如第i j 圖所不，其亦被並行成形，涵蓋360度方位角。 方位角波東分配係具有3dB交又點。仰角波束 可被指定具有不同交又值。此全額分配中，波 束總數係為MW，其中Μ係為Shelton-Butler 矩陣中之槔數量，形成Μ方位角波束，而以 BUtler矩陣中之埠數量，形成㈠中角波束。該 矩陣因此為2-D矩陣。僅藉由選擇被饋送之對 應埠，任何波束子集均可被使用。 弟16圖顯示描綠八波束之輕射場型，四個 二：而四個於下層(其令-個係被前面者阻

Si;:波tf:不同方向且被所有天線元件-^既念係運用孔徑再使用形成用於多 夕之乍波束及同時波束觀念。 角及仰角波束均為；進=組：：位 需。此外’若設計應: 容則:為:"交又點，各波束 ^ 所以其將提供各波束其最 1278145 I 癫 大仰角區隔而不放棄信號内容。相反地，來自 各兩波束之L號功率總和係相加至整數。各 束亦可僅藉由-次馈送或開啟一埠而被個別使 用I由埠砥擇’波束方向可被電子改變。 1綠：然本發明已以較佳實施例型式做說明，但 熟練技術人士庫將了 @ 4 h ^ 甘應將了角中被描述於以下申請專利 摩巳圍内之其他變異。 圖式簡單說明 y本么月可從以下實施例說明及 言平細了解，其中： 了又 々第1圖顯示傳統單全方向性天線。 第2圖顯示傳統掃描波束天線。 :3圖顯示複數傳統單天線饋送多接收器。 弟4A圖顯示一 Shelt〇n_Butier矩陣。 弟仙圖顯示被第4A圖之矩陣饋送之一圓形陣 列。 弟 5 A、B、C 及 Γ)岡 hs — ^ 圖頒不可猎由Shelton-Butlei· 矩陣饋送之圓形陣列形成之各種正交全 方向性模式。 第6 7 8A及8B圖顯示當使用各種正交全方 ^ 向性模式時如何避免無效空間。 第9A圖顯示一兩層堆疊矩陣。 第9β圖顯示可被第9A圖之堆疊矩陣饋送之一 堆疊圓形陣列。 16 1278145 第9C圖顯示一簡單兩層堆疊圓形陣列。 第9D圖顯示可被用於兩層仰角結構之 送結構。 第10圖說明描緣涵蓋不同仰角之圓錐波束之 輻射場型。 第11圖顯示獲得自多波束天線之六個方位角 波束場型。 • 第12圖顯不離峰值30度之天線波束交又點。 第13圖顯示輻射規模改變來增強波束峰值。 第14圖顯示依據本發明另一實施例具有波束 成形網路之一矩陣饋送圓形陣列。 第15圖顯示依據本發明較佳實施例被配置之 一方位角/仰角波束矩陣。 第16圖顯示描繪八波束之輻射場型，四個於上層 而四個於下層，其中一個係被前面者阻曰 • 隔。 主要元件符號說明： 105單傳統全向性天線u〇單接收器 U 5單“通道”輸出 200傳統掃描波束類似天線用戶基礎智慧天線 (SBSA) 400形成全方向性煎餅型輻射場型之一 Shelton-Butler 矩陣 405A、405B、405C、405D 混合物 17 1278145 ? -

900兩層波束成形矩陣饋送圓形陣列系統 905A、9 05B方位角矩陣板 910饋送八天線 915A、915B、915C、915D 仰角矩陣列 925A、925B堆疊圓形陣列 950反射器棒 18

Claims (1)

1278145 t、申請專利範圍： jJ 一種矩陣饋送之圓形陣列系統，包含： (a )衩數天線’其形成一圓形陣列；及 (b) —第一矩陣，與該圓形陣列通信，該第 一矩陣包含複數混合物，其中，當一通 信信號被輸入該系統時，該系統輸出彼 此隔離之全方向性煎餅型輻射場型。 _ 2·如申清專利範圍第1項之矩陣饋送圓形陣 列系統，其中該第一矩陣為 Shelton-Butler 矩陣配置。 3·如申请專利範圍第1項之矩陣饋送圓形陣 列系統，更包含： (C)複數固定相移器’其與該圓形陣列通 信。 4. 如申請專利範圍第3項之矩陣饋送圓形陣 • 列系統，其中該固定相移器係線長度》 5. 如申請專利範圍第}項之矩陣饋送圓形陣列 系統，其中該系統是用於至少一多進多出 應用’以經由頻道分集來增強系統增益。 6. —種矩陣饋送之圓形陣列系統，包含·· (a) 複數天線’其形成一圓形陣列；及 (b) 稷數方位角矩陣’其與該圓形陣列通 信；及 (C)複數仰角矩陣5並 /、與邊方位角矩陣通 19 1278145 r ^ 7· 8· 9· 10. 11. 12. 仏，其中該陣列系統形成ΜχΝ波束，其 中Μ為方位角波束數量，而ν為仰角波 束數量。 如申明專利範圍第β項之矩陣饋送圓形陣 列系統，其中該方位角矩陣為 Shelton-Butler 矩陣配置。 如申巧專利範圍第6項之矩陣饋送圓形陣 列系統，其中該仰角矩陣為 Shelton-Butler 矩陣配置。 如申明專利範圍第6項之矩陣饋送圓形陣列系統，其中該仰角矩陣為Butler矩陣配 置。 如申/明專利範圍第6項之矩陣饋送圓形陣 列系其中由兩交叉方向性波束所形成 之一 ^又點具有低於該波束的峰值位準以 下約二分貝的一功率位準。 如申/明專利範圍第丨0項之矩陣饋送圓形陣 =系統’其中該方向性波束係藉由加總如 快速富利葉相組成之彼此相關之正交全 方向性模式來形成。申請專利範圍第6項之矩陣饋送圓形陣’其^該系、統是用於至少—多進多 出應用以經由頻道分集來增強系統增益。 種波束成形矩陣饋送之圓形陣列系、统，包 20 13 1278145 ， 4 含·· (a) —圓形陣列，其包含複數天線·，及 (b) —波束成形網路，包含： (bl)—第一 Shelton-Butler 矩陣，其與 該圓形陣列通信以產生彼此隔離之 全方向性煎餅型波束；及 (b2) —第二 Shelton-Butler 矩陣，其與 # 該第一矩陣通信以產生方位角平面 中之多方向性波束。 14·如申請專利範圍第13項之波束成形矩陣饋 送之圓形陣列系統，其中由兩交叉方向性 波束所形成之一交叉點具有低於該波束的 峰值位準以下約三分貝之功率位準。 15·如申請專利範圍第13項之波束成形矩陣饋 送之圓形陣列系統，其中該系統是用於至 籲 J 夕進夕出應用，以經由頻道分集來增 強系統增益。 21