專利名稱：天線孔徑可任意利用的集成發(fā)射/接收天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個天線裝置和一種天線系統(tǒng)，和更準(zhǔn)確地涉及在極化分集合并中帶有孔徑任意利用的有源發(fā)射/接收陣列天線。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在在市場上可以發(fā)現(xiàn)用于無線發(fā)射和接收的不同應(yīng)用領(lǐng)域的幾種天線和天線系統(tǒng)設(shè)計，例如衛(wèi)星通信，雷達安裝或移動電話網(wǎng)絡(luò)。在本文中，當(dāng)使用微波頻率范圍時，對用于例如服務(wù)移動或手持電話的基站天線的設(shè)計特別感興趣。
帶有源天線的現(xiàn)有基站通常具有發(fā)射和接收的分開的天線。對于發(fā)射，通常每個射頻信道都有一個陣列天線，這樣做的原因是由于消除交調(diào)效應(yīng)的緣故單載波功率放大器(SCPA)能夠制造得比多載波功率放大器(MCPA)具有明顯高的效率。對頻率范圍內(nèi)所有不同信道的接收一般使用兩個分開的陣列天線以獲得分集。該接收陣列天線被分開數(shù)個波長以減少衰落的影響(也稱為空間分集)。

圖1顯示了用于具有三個載波頻率的扇區(qū)的典型天線設(shè)計。所有單獨陣列天線，對于接收和發(fā)射兩者一樣，在此呈現(xiàn)具有相等尺寸。
文件WO95/34102公開了在移動無線電通信系統(tǒng)中應(yīng)用的陣列天線。該天線包括帶有至少兩行和兩列微帶貼片的矩陣的一個微帶天線陣列。另外提供多個放大器，其中每個用于發(fā)射的功率放大器或每個用于接收的低噪聲放大器都連接到微帶貼片的不同列上。最后，波束成形器連接到每個放大器用于確定由微帶貼片列產(chǎn)生的窄水平天線波瓣的方向和形狀。
另一個文件美國專利申請5510803公開了一種基于分層結(jié)構(gòu)的雙極化平板微波天線，該天線具有固定的和不能改變的孔徑應(yīng)用。該天線可以理解為兩個固定的、重疊的、單極化天線。
第三個文件EP-A1-0600799公開了用于可變極化合成的一種有源天線。往往用于雷達的該天線利用帶一或兩位相位控制的混合耦合器，其加入了允許線性正交極化或圓極化合成的0°，90°或180°的相位差。這預(yù)示了通過切換裝置該天線可以應(yīng)用于發(fā)射或接收。
在應(yīng)用領(lǐng)域，要求和需要設(shè)計和實現(xiàn)具有平衡鏈路預(yù)算例如用于移動通信的緊湊基站天線裝置和系統(tǒng)。
揭示本發(fā)明用于微波基站的大量現(xiàn)有技術(shù)天線構(gòu)成了相對大和因而昂貴的設(shè)計。通過例如集成發(fā)射和接收并且在相同天線表面同時獲得極化分集接收的適當(dāng)新方法能夠減少設(shè)計尺寸。
本發(fā)明公開了一種設(shè)計，該設(shè)計形成具有用于發(fā)射和接收信號的各個表面部分的一個模塊公共天線表面和由此在相同公共天線表面內(nèi)集成發(fā)射和接收，各種表面部分形成用于發(fā)射或用于接收的有源陣列。這種模塊公共天線表面的重疊表面部分另外分別構(gòu)成了單獨的發(fā)射和接收陣列部分，共用總的孔徑，該模塊公共天線表面產(chǎn)生至少一個用于發(fā)射的極化狀態(tài)和用于接收的通常兩個正交極化狀態(tài)以實現(xiàn)用于接收的極化分集。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，天線表面通常形成例如包含大量用于發(fā)射和/或接收的輻射單元的微帶模塊陣列，并包括一個或多個形成天線孔徑的單獨單元的列，該列和/或多列可以分別集成功率放大器和/或低噪聲放大器(LNA)。本發(fā)明分別由獨立權(quán)利要求1和12闡述，和不同的實施例由從屬權(quán)利要求2-11和13-22限定。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，明顯地，除了微帶天線外，能夠使用幾種其它雙極化天線單元，例如交叉對稱振子、環(huán)行狹縫、饋源喇叭等。
附圖簡要說明由結(jié)合下列附圖給出的本發(fā)明說明書，上述的本發(fā)明目的、特征和優(yōu)點將變得明確，其中圖1是用于三個頻率信道的現(xiàn)有技術(shù)基站有源天線設(shè)計的例子；圖2a-d說明了基本上含蓋了本發(fā)明的用于兩個頻率信道方案的四個改型設(shè)計；圖3a-e說明了利用具有集成發(fā)射和接收的微帶技術(shù)的輻射單元實施例的例子；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的例子，說明了具有四個輻射單元的一個有源天線設(shè)計，輻射單元被分成兩個用于發(fā)射的天線子陣列；圖5說明了根據(jù)本發(fā)明的一個有源天線，該天線具有八個輻射單元和整個陣列用于發(fā)射并接收；
圖6說明了根據(jù)本發(fā)明的一個有源天線，該天線具有十個輻射單元，左列被分成兩個發(fā)射天線子陣列和整個右列用作極化分集接收；圖7說明了根據(jù)本發(fā)明的一個有源天線，該天線具有兩列中的十個輻射單元，它們用于發(fā)射和接收；圖8說明了根據(jù)本發(fā)明的一個有源天線，該天線具有兩列中的十個輻射單元，左列被分成用于發(fā)射的兩組，整個右列形成用于接收的一組，兩列都分別具有集成功率放大器和LNA；和圖9說明了根據(jù)本發(fā)明的一個用于發(fā)射的天線設(shè)計，帶有用于不同頻率的任意數(shù)量的部分重疊孔徑。
作為示例的實施例的說明本發(fā)明公開了一個天線裝置和系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)，具有在相同或分開的天線表面內(nèi)集成發(fā)射和接收。在圖2中說明了兩頻率信道設(shè)計的四個例子用于基本概念的簡單說明。在圖2的所有不同例子中，天線陣列的列的整個表面被用于接收，通過信號RxA和RxB應(yīng)用極化分集，而它可以作為一個完整的表面部分使用或被分成用于每個頻率信道Tx1和Tx2的發(fā)射的幾個部分。在例子2a中列的整個表面被用于RxA和RxB，而它被分成兩個部分分別用于Tx1和Tx2。例子2b說明了一個情況，其中Tx1/Tx2/RxA/RxB共用整列表面。例子2c說明了使用兩個列的設(shè)計，由此第一列分成兩個用于Tx1和Tx2的相等部分，而RxA和RxB共用第二列的完整表面。這樣，在某些情況中，功能被分配到兩個天線表面上。隨后，圖2d的例子說明了第四改型，其中Tx1/RxA共用整個第一列和Tx2/RxB共用第二列。因此，這種結(jié)構(gòu)方式非常靈活和用于上行和下行鏈路的預(yù)算可以分開優(yōu)化和平衡。
發(fā)射發(fā)生在至少一個極化狀態(tài)，但是接收總是發(fā)生在兩個極化狀態(tài)。能夠使用許多雙極化天線單元，但是在本文中最適合的天線類型是微帶天線。在圖3中表示了具有多于一個極化狀態(tài)用于發(fā)射(90度或45度)和用于接收(90度和0度或+45度和-45度)的輻射單元的例子。
圖3說明了與微帶天線陣列一起使用的大量不同單元設(shè)計。圖3a表示了一個設(shè)計，其中微帶模塊的天線表面將產(chǎn)生一組帶有極化狀態(tài)0°接收信號RxA和另一組帶有極化狀態(tài)90°接收信號RxB。另外，通過環(huán)行器或雙工濾波器饋送極化90°的發(fā)射信號，也輸出RxB接收信號。以類似方式，圖3b說明了一個設(shè)計，帶有45度的發(fā)射極化和用于接收極化分集的+45或-45度極化的接收信號。
圖3c說明了又一個帶有相應(yīng)微帶模塊(單元)的設(shè)計，用于通過兩個環(huán)行器或雙工濾波器發(fā)射90°極化的Tx，其也從微帶陣列模塊輸出用于RxA的接收45°極化和另一個用于RxB的接收-45°極化。
圖3d說明了直接用于45°極化的Tx和-45°極化的Rx的微帶模塊的使用。最后，圖3e顯示了帶有兩個環(huán)行器或雙工濾波器的微帶模塊的組合，一個第一環(huán)行器饋送45°極化的Tx1到天線并輸出45°極化接收的信號RxA，和一個第二環(huán)行器饋送-45°極化的Tx2到天線并輸出-45°極化接收的信號RxB。
在所有上述例子中都使用線性極化?？墒牵軌蛞怨姆绞綄蓚€正交線性極化合并，例如用3dB混合，以形成兩個正交圓極化。這樣，很明顯，本發(fā)明不僅限于線性極化，而將同樣好地工作在任意的極化狀態(tài)。
微帶模塊既可以是帶有分布在模塊中的放大器模塊的有源的，也可以是具有一個中心放大器。后者情況的缺點是天線分配器或組合器中的損耗將減少天線增益。通過在分支網(wǎng)絡(luò)和天線單元之間安放放大器模塊能避免這種情況。
在圖4中的實施例說明了具有四個輻射單元的列和用于發(fā)射的分布式放大器。發(fā)射產(chǎn)生使用兩個不同頻率信道的90°極化，而使用0°和90°極化執(zhí)行接收。通過用于Tx1和Tx2分配器分別饋電兩個輻射單元的兩個陣列，后面是用90°發(fā)射極化的每個輻射單元的功率放大器或雙工濾波器。來自雙工濾波器用90°極化的四個接收輸出在第一組合器中被合并用于RxA，后面是-LNA饋電適當(dāng)?shù)慕邮諜C。整列也具有在第二組合器中被合并用于RxB0°極化的四個輸出，后面是-第二LNA輸出所接收的0°極化信號到接收機。
在圖5中顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，該圖說明了在一列中具有八個輻射單元的有源天線。在此整個陣列用于兩個頻率信道的發(fā)射和相應(yīng)的接收信道。45°極化的發(fā)射信號Tx1在第一分配器中分開，其通過四個最好是集成功率放大器越過第一組的四個對應(yīng)的雙工濾波器向輻射單元的各自兩單元陣列饋電。第一組的四個相應(yīng)的雙工濾波器也向第一組合器輸出信號，該組合器用于接收信號RxA和通過第一LNA輸送45°極化合并信號。類似地，-45°極化的發(fā)射信號Tx2在第二分配器中被分開，其通過四個最好是集成功率放大器越過第二組四個對應(yīng)的雙工濾波器向輻射單元的各自兩單元陣列饋電。這四個雙工濾波器的第二組也向第二組合器輸出信號，該組合器用于接收信號RxB和通過第二LNA輸送-45°極化合并信號。圖5的實施例也對應(yīng)于圖2b。
根據(jù)本發(fā)明的模塊天線設(shè)計的另一個實施例在圖6中顯示，該圖說明了具有兩列中的五個輻射單元的有源天線。左列被分成包括兩個輻射單元的第一天線子陣列和包括三個輻射單元的第二天線子陣列。第一和第二天線子陣列通過第一和第二分配器饋電，分別用于發(fā)射信道Tx1和Tx2。Tx1和Tx2代表垂直極化的輻射，即90°。左天線列中的每個輻射單元通過其自己的通常集成功率放大器饋電。如同前面所討論的右天線單元列的輻射單元被轉(zhuǎn)動45°以獲得信號RxA的+45°和信號RxB的-45°極化分集接收。通過向第一LNA饋電的第一接收組合器得到+45°的RxA，所有這些最好與天線結(jié)構(gòu)集成起來。對應(yīng)地隨后通過向第二LNA饋電的第二接收組合器得到-45°的RxA。圖6的實施例也對應(yīng)圖2c。
在圖7中顯示根據(jù)本發(fā)明的模塊天線設(shè)計的另一個實施例，該圖說明了一個兩列中具有五個輻射單元的有源天線。圖7的實施例對應(yīng)例如圖2d。左列被分成包括兩個輻射單元的第一天線子陣列、包括一個輻射單元的第二天線子陣列和包括二個輻射單元的第三天線子陣列。通過第二和第三分配器對第一和第三天線子陣列饋電，其依次由第一分配器饋電，其也對包含一個單一輻射單元的第二天線小組直接饋電。左輻射單元列以+45°極化發(fā)射信號Tx1。左天線列也經(jīng)過五個輸入端口組合器分配45°極化的接收信號RxB，該組合器具有在輸出端口用于信號RxB的公共LNA。右列以完全相似的方式設(shè)計用于產(chǎn)生-45°極化的發(fā)射信號Tx2和+45°極化的接收信號RxA。
在圖8中顯示根據(jù)本發(fā)明的模塊天線設(shè)計的另一個實施例，該圖說明了一個兩列中具有十個輻射單元的有源天線。圖8的實施例也對應(yīng)如圖2c和圖6中公開的實施例?？墒牵趫D8中說明了一個例子具有用于發(fā)射的分布功率放大器，但也具有分別用于-45°和+45°極化的兩個極化分集信道RxA和RxB的接收的低噪聲放大器。換句話說，構(gòu)成右天線列的五個天線單元的每個分別具有自己的用于-45°和+45°極化的LNA。用于各自接收極化的五個LNA在相應(yīng)的第一和第二組合器中合并，依次輸出合并的RxA和RxB信號。
最后，圖9顯示了具有用于不同頻率的大量部分重疊孔徑的天線設(shè)計的例圖。在圖9中只顯示了兩個重疊的發(fā)射表面，但重疊表面的數(shù)量根據(jù)本發(fā)明可以任意選擇。在圖9中EIRP被定義為每個子陣列的單獨輸入功率Px與增益Gx的乘積，其中下標(biāo)x代表各個發(fā)射陣列表面的編號。如所見，兩個編號2和5的表面相互部分重疊。當(dāng)利用重疊孔徑時，有關(guān)的發(fā)射頻率必須具有正交極化。接收將以上面描述相同的方式集成在相同天線表面內(nèi)，即整個天線表面或部分天線表面將被用來以兩個正交極化狀態(tài)接收信號。也注意到，將總天線表面分割為發(fā)射子陣列不必要對應(yīng)于接收分割成子陣列，但可以包括總表面和重疊表面的不同分布。
另外，組合器和/或分配器的不同配置可以用于在不同實施例中連接單獨的輻射單元或輻射單元組，作為例如影響或減少旁瓣和/或波束方向的一種方法。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明的分布放大器也提供應(yīng)用每個單獨分布放大器的可變相位偏移，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，由此在仰角方向控制用于發(fā)射和接收的輻射波瓣(電波傾斜)的可能性是很明顯的。這樣連接的另一個優(yōu)點是在一個放大器失靈或更多放大器失靈的更壞情況下，控制每個放大器模塊的相位意味著它仍可能優(yōu)化輻射圖。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計的優(yōu)點是多樣的。將實現(xiàn)方便的模塊組合。另一個優(yōu)點是通過放大器的數(shù)量和/或孔徑部分的尺寸的選擇實現(xiàn)針對EIRP和功率輸出的大的靈活性。由于可以利用單一頻率放大器的效率而不受常規(guī)技術(shù)中合并損耗的影響，也將獲得高發(fā)射效率。因為幾個放大器并聯(lián)用于一個和相同信道，也實現(xiàn)了容錯設(shè)計。該設(shè)計提供用于發(fā)射的至少一個極化和用于接收的兩個正交極化以獲得極化分集。另外，根據(jù)本發(fā)明的該設(shè)計提供了用于發(fā)射和接收的總天線表面的選擇使用和在相同天線表面集成的發(fā)射和接收。總之，根據(jù)本發(fā)明的該設(shè)計提供了天線系統(tǒng)的非常通用的模塊設(shè)計，例如用于移動遠程通信網(wǎng)絡(luò)的基站中。
通過描述大量說明性實施例介紹了本發(fā)明。在所公開的實施例中顯示了少量的單獨輻射單元，但是當(dāng)然可以使用其它數(shù)量的輻射單元、功率放大器、低噪聲放大器和分配器及組合器。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，所公開的通用模塊天線可以用許多方式改變是顯而易見的。這改變不會背離本發(fā)明的精神和范圍，并且對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說所有這些修改是計劃中的都將包括在下列權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一個天線裝置，用于通常工作在微波頻率范圍內(nèi)的微波無線通信系統(tǒng)，形成一個天線組合，包括至少一個有源天線陣列，其特征在于天線裝置使用形成具有用于發(fā)射和接收的各個表面部分和在天線裝置的相同總表面內(nèi)集成發(fā)射與接收的一個模塊公共天線表面的設(shè)計，各個表面部分形成或用于發(fā)射或是用于極化分集接收的有源陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，其特征在于模塊公共天線表面的重疊表面部分分別構(gòu)成發(fā)射陣列部分和接收陣列部分，共用一個總孔徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的天線裝置，其特征在于它產(chǎn)生用于發(fā)射的至少一個極化狀態(tài)和通常兩個用于接收的正交極化狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，其特征在于模塊公共天線表面發(fā)射陣列部分的極化是在平面上的+45°或-45°線性的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，其特征在于模塊公共天線表面發(fā)射陣列部分的極化是線性和垂直的，即90°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，其特征在于使用單一載波功率放大器用于所述模塊公共天線表面的發(fā)射部分，借此陣列表面的至少一個輻射單元是由一個這樣的單一載波功率放大器饋電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的天線裝置，其特征在于在模塊公共天線表面的接收部分中使用低噪聲放大器，借此陣列表面的至少一個接收單元將對一個這樣的低噪聲放大器饋電。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的天線裝置，其特征在于用于模塊公共天線表面輻射單元的單一載波功率放大器的總數(shù)由描述最佳EIRP的函數(shù)限定。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的天線裝置，其特征在于用于模塊公共天線表面輻射單元的單一載波功率放大器的總數(shù)由描述故障容限的函數(shù)限定。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的天線裝置，其特征在于用于輸出由模塊公共天線表面的單個陣列單元組合的接收信號的低噪聲放大器(LNA)的總數(shù)是由描述最佳接收機敏感度的函數(shù)限定。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的天線裝置，其特征在于用于輸出由模塊公共天線表面的單個陣列單元組合的接收信號的低噪聲放大器(LNA)的總數(shù)是由描述故障容限的函數(shù)限定。
12.一個天線系統(tǒng)，用于通常工作在微波頻率范圍的無線通信，該系統(tǒng)包括至少一個有源陣列天線，其特征在于天線系統(tǒng)利用一個形成具有各種用于發(fā)射和接收的表面部分的模塊公共天線表面和在相同總天線表面內(nèi)集成發(fā)射和接收的天線裝置設(shè)計，各種表面部分形成或用于發(fā)射或是用于極化分集接收的有源陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的天線系統(tǒng)，其特征在于模塊公共天線表面的重疊表面部分分別構(gòu)成發(fā)射陣列部分和接收陣列部分，共用一個總孔徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的天線系統(tǒng)，其特征在于它產(chǎn)生用于發(fā)射的至少一個極化狀態(tài)和通常兩個用于接收的正交極化狀態(tài)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的天線系統(tǒng)，其特征在于模塊公共天線表面發(fā)射陣列部分的極化是在平面上的+45°或-45°線性的。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的天線系統(tǒng)，其特征在于模塊公共天線表面發(fā)射陣列部分的極化是線性和垂直的，即90°。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的天線系統(tǒng)，其特征在于使用單一載波功率放大器于所述模塊公共天線表面的發(fā)射部分，借此陣列表面的至少一個輻射單元是由一個這樣的單一載波功率放大器饋電。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的天線系統(tǒng)，其特征在于在模塊公共天線表面的接收部分中使用低噪聲放大器，借此陣列表面的至少一個接收單元將對一個這樣的低噪聲放大器饋電。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的天線系統(tǒng)，其特征在于用于模塊公共天線表面輻射單元的單一載波功率放大器的總數(shù)由描述最佳EIRP的函數(shù)限定。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的天線系統(tǒng)，其特征在于用于模塊公共天線表面發(fā)射部分的單一頻率放大器的總數(shù)由描述故障容限的函數(shù)限定。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的天線系統(tǒng)，其特征在于用于輸出由模塊公共天線表面的單獨陣列單元組合的接收信號的單頻低噪聲放大器(LNA)的總數(shù)是由描述最佳接收機敏感度的函數(shù)限定。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的天線系統(tǒng)，其特征在于用于輸出由模塊公共天線表面的單獨陣列單元合并的接收信號的單頻低噪聲放大器(LNA)的總數(shù)是由描述故障容限的函數(shù)限定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天線裝置和系統(tǒng)設(shè)計,形成一模塊公共天線表面,該天線表面具有各種表面部分用于發(fā)射和接收和在相同公共天線表面集成發(fā)射和接收,該各種表面部分形成無源或有源陣列用于發(fā)射或接收。另外,模塊公共天線表面的重疊表面部分別分構(gòu)成單獨的發(fā)射和接收陣列部分,共享總的孔徑,模塊公共天線表面產(chǎn)生至少一個極化平面用于發(fā)射和一般兩個正交極化平面用于接收,以實現(xiàn)極化分集接收。另外,根據(jù)本發(fā)明裝置和系統(tǒng)的天線表面一般形成一個包含大量發(fā)射和/或接收輻射單元的微帶模塊陣列,和包括形成天線孔徑的單獨單元的一個或幾個列,該列和/或多個列又在分別具有集成功率放大器和/或低噪聲放大器(LNA)的優(yōu)選設(shè)計中。
文檔編號H01Q21/00GK1250549SQ9880343
公開日2000年4月12日 申請日期1998年2月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月24日
發(fā)明者A·德尼奈德, L·洛斯特倫 申請人:艾利森電話股份有限公司