专利名称：天线结构与安装的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括天线阵列的新型天线结构，天线阵列具有可操作地耦合到天线阵列中的每个天线单元并紧靠每个天线单元的功率放大器芯片。本发明还涉及包括用于发射(Tx)和接收(Rx)操作的天线阵列的新型天线结构和系统。
在诸如蜂窝和个人通信服务(PCS)，以及多信道多点分配系统(MMDS)和本地多点分配系统(LMDS)之类的通信设备中，通常是利用安装在天线塔或其它构件顶部的天线从使用者或用户接收和转发信号。诸如无线本地环路(WLL)，专用移动无线电(SMR)和无线局域网(WLAN)之类的其它通信系统具有用于在同样可利用各种形式的天线和收发信机的系统使用者或用户之间接收和发射通信的信号传输基础设施。
所有这些通信系统需要放大由天线发射和接收的信号。为此，至今为止在实际应用中采用常规的线性功率放大器，其中按1998年的美元计算，提供所需放大的费用通常在每瓦US$100至US$300之间。在通信系统采用天线塔或其它构件的情况下，大部分基础设施经常位于天线塔或其它构件的底部，利用相对长的同轴缆与安装在天线塔上的天线单元连接。缆中遇到的功率损耗可能需要增加一些通常设置在地面的基础设施或基站的功率放大，从而使上面通常是每单元的费用或每瓦的费用进一步增加花费。
此外，这类常规的功率放大系统一般需要相当多的附加电路以实现通信系统的线性度或线性性能。例如，在常规的线性放大器系统中，通过增加反馈送路和预失真电路可增强全系统的线性度，以便补偿放大器芯片电平的非线性度，增加放大器系统的有效线性度。随着将系统驱动到更高的功率等级，必须设计和实施相对复杂的电路，以补偿随输出功率的增加而降低的线性度。
上述许多通信系统中的基础设施(基站)的输出功率等级通常超过10瓦，并且经常高达几百瓦，这会导致相对高效的全向功率需求(EIRP)。例如，对于具有20瓦功率输出的典型基站(在地面)，传送到天线的功率减去缆损耗约为10瓦。这种情况下，有一半功率消耗在缆损耗/发热上。该系统需要级联到大功率电路的复杂线性放大元件，以便在更大的输出功率达到所需的线性度。通常，对于该大功率系统和放大器，必须使用附加的大功率组合器。
相对大的输出功率系统所需的实现整个系统的线性度的所有附加电路导致了上述每单位/瓦的费用($100和$300之间)。
本发明提出了跨越多个天线(阵列)单元分配功率，以便在每个天线单元实现较低的功率等级和以低得多的费用等级(每单位/每瓦)使用功率放大器技术。
根据本发明的一个方面，在基础设施应用中的相对低的功率和线性区中使用功率相对低的和每瓦费用相对低的功率放大器芯片。为了使用这种功率相对低的，每瓦费用相对低的芯片，本发明提出了使用天线阵列，在天线阵列中使用一个功率相对低的放大器芯片与该阵列的每个天线单元连接，以获得所希望的该阵列的所有输出功率。
根据本发明的另一个方面，分布天线设备包括多个发射天线单元、多个接收天线单元和多个功率放大器，所述功率放大器之一可操作地与每个所述发射天线单元耦合，并且紧邻相关的发射天线单元安装，以便在功率放大器和相关天线单元之间不出现明显的功率损耗，所述功率放大器中的至少一个包括一个低噪声放大器，并内置在所述分布天线设备中，用于接收和放大来自所述接收天线单元至少之一的信号，每个所述功率放大器包括一个功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片。
因此，可以把通常用于远程和终端设备(例如手机或使用者/用户设备)应用的功率相对低的放大器芯片用于基础设施(例如基站)应用。根据本发明，消除了对用于相对大功率的系统中的线性性能的失真校正电路和其它相对昂贵的反馈送路等的需求。在其线性输出范围内利用功率相对低的芯片获得线性性能。就是说，本发明提出了避免过激励这些芯片或需要接近饱和电平的操作。以避免需要用附加的昂贵和复杂的电路补偿降低的线性度。本发明中使用的功率放大器芯片在线性范围通常具有一瓦或低于一瓦的输出功率。此外，本发明提出了在多元天线阵列的每个单元的馈送点安装这种类型的功率放大器芯片。因此，作为整体的天线系统的输出功率可以是天线阵列中使用的单元数量的倍数，同时保持线性度。
此外，由于在远程或终端位置通过电磁波在自由空间(在远场)组合信号，本发明不需要相对昂贵的大功率组合器。因此，所提出的系统使用低功率组合，避免了其它常规组合费用。另外，在天线塔应用中，本发明的系统消除了与相对长的缆有关的功率损耗问题，长的缆通常把基站设备中的放大器与天线塔安装的天线设备连接起来，即通过消除缆中通常涉及的功率损耗而有助于在天线单元仅需要更低的功率。因此，通过把放大器放置得靠近天线单元，在缆或其它传输线经过该系统通常的损耗之后实现了放大。这可以进一步减少对专门的低损耗缆的需求，从而进一步降低整个系统的费用。
在附图中
图1是使用功率放大器芯片/模块的发射天线阵列的简化示意图；图2是表示另一个实施例中与图1类似的示意图；图3是天线组件或系统的方框图；图4是使用天线塔或其它支撑构件，并采用根据本发明的天线系统的通信系统基站的方框图；图5是采用本发明的天线系统的本地多点分配系统(LMDS)的基站的方框图；图6是采用根据本发明的天线系统的无线LAN系统的方框图；图7和8是使用根据本发明的天线系统的两种楼内通信基站的方框图；图9是根据本发明一种形式的发射/接收天线系统的方框图；图10是根据本发明另一种形式的发射/接收天线系统的方框图；图11是根据本发明另一种形式包括中心带的发射/接收天线系统的方框图；图12是根据本发明另一方面在线性阵列中采用发射和接收单元的天线系统的方框图；图13是以分层结构采用天线阵列单元的天线系统的方框图，该分层结构由在相互正交方向定向的相应发射和接收功率的微带馈线构成；图14是可在图13的装置中使用的多层天线单元的局部截面图；图15和16示出引导来自如图13和14的天线之类的发射/接收天线的输入和输出RF的各种结构；和图17和18是表示具有相应的双工器和功率放大器的替换装置的发射/接收有源天线系统的两个实施例的方框图。
现在参考附图，首先参考图1和2，示出了根据本发明的多天线单元天线阵列10，10a的两个实例。图1和2的天线阵列10，10a的区别在于所采用的馈送构件的构造。图1示出了并联共同馈送构件，图2示出了串联共同馈送构件。在其它方面，两个天线阵列10，10a基本上相同。天线阵列10，10a中的每一个包括多个天线单元12，天线单元包括单极、偶极或微带/接插天线单元。可使用其它类型的天线单元形成天线阵列10，10a，而不脱离本发明。
根据本发明的一个方面，放大器单元14可操作地耦合到每个天线单元12的馈送端并靠近有关的天线单元12安装。在一个实施例中，将放大器单元14充分靠近每个天线单元安装，以便在放大器输出和天线单元的输入之间不出现明显损耗，如同放大器按缆等的长度耦合到天线单元的情况。例如，可将功率放大器1 4设置在每个天线单元的馈送点。在一个实施例中，放大器单元14包括功率相对低的线性集成电路芯片元件，例如单片微波集成电路(MMIC)芯片。这些芯片可包括用砷化镓(GaAs)异质结晶体管制造工艺制造的芯片。然而，也可利用硅工艺制造或CMOS工艺制造成这些芯片。
下面是MMIC功率放大器芯片的一些例子1.设在7625 Thomdike Road，Greensboro，NC 27409，或设在7341-DW.Friendly Ave.，Greensboro，NC 27410的RF Micro Devices公司的RF微器件PCS线性功率放大器RF2125P，RF2125，RF2126或RF2146；2.设在1308 Moffett Park Drive，Sunyvale，CA的Pacific Monolithics公司的太平洋单品公司的PM2112单馈送RF IC功率放大器；3.设在1301Avenue of the Amercias，New York，NY的Siemens AG的SiemensCGY191，CGY180或CGY181，GaAs MMIC双模功率放大器；4.设在522 Almanor Avenue，Sunnyvale，CA的Stanford Microdevices的Stanford Microdevices SMM-208，SMM-210或SXT-124；5.设在505 Barton Springs Road，Richardson，TX的Motorola公司的MotorolaMRFIC1817或MRFIC1818；6.设在933 East Campbell Road，Richardson，TX的Hewlett Parckard公司的Hewlett Parckard HPMX-3003；7.设在Warren NJ 07059的Anadigics，35 Technology Drie的Anadigics AWT1922；8.设在1，Taya-cho，Sakae-ku，Yokohama，Japan的SEI公司的P0501913H；和
9.设在3236 Scott Blvd.，Sanata Clara，CA 95054的Celeritek公司的CeleritekCFK2062-P3，CCS1930或CFK2162-P3。
在图1和2的天线阵列中，可通过选择或规定单元与单元间的间隔(d)和/或改变共同馈送中的线路长度来调节阵列定相。如图3所示，可通过在功率放大器14的前面或后面使用衰减器来实现阵列幅度系数调节。
现在参考图3，通常用参考标号20表示根据本发明并使用图1或图2中任何一个所示类型的天线阵列的天线系统。天线系统20包括多个天线单元12和如上面结合图1和2描述的相关功率放大器芯片14。另外，适当的衰减器电路22与功率放大器14操作地串联耦合。衰减器电路22可以放置在功率放大器14之前或之后；然而，图3示出它们在到每个功率放大器14的输入端。功率分配器和移相网络24向所有功率放大器14和它们相关的串联衰减器电路22馈送。RF输入26馈送到该功率分配器和移相网络24。
参考图4，通常用参考标号40表示使用图3的天线系统20的天线系统设备。图4示出诸如蜂窝系统，个人通信系统PCS或多信道多点分配系统(MMDS)之类的通信系统的基站或基础设施的构造。图3的天线构件或组件20安装在天线塔或其它支撑构件42的顶部。直流偏置T形部件44把经同轴缆46接收的信号分成直流功率和RF分量，并反过来从天线系统20接收输入的RF信号并把该RF信号传送到同轴线或缆46，同轴线或缆把天线塔上安装的部件耦合到基于地面的部件。基于地面的部件可包括直流电源48和来自发射机/接收机(未示出)的RF输入/输出50，发射机/接收机可位于远程设备的位置，因此图4中未示出。一个同样的直流偏置T形部件52接收直流供电和RF输入，并将它们耦合到同轴线46，并反过来，把从天线构件20接收的信号传送到RF输入/输出50。
图5示出采用如上所述的天线构件或系统20的本地多点分配系统(LMDS)。与图4的装配方式相同，图5的装配把天线系统20安装在天线塔/支撑构件42顶部。另外，同轴缆46，例如用于执行RF传输的RF同轴缆在天线塔/支撑构件的顶部与基于地面的设备之间延伸。基于地面的设备可包括具有来自发射机的RF输入的RF收发信机60。另一个相同的RF收发信机62位于天线塔顶部，并与天线构件或系统20交换RF信号。还为天线系统20设置如之流电源48之类的电源，并且在图6所示的实施例中位于天线塔42的顶部。
图7和8示出与楼内的通信应用结合使用本发明的天线构件或系统20的实例。在图7中，用RF同轴缆74链接相应的直流偏置T形部件70和72。直流偏置T形部件70位于与天线系统20相邻的位置，并具有操作地与此耦合的相应RF和DC线。第二直流偏置T形部件72耦合到来自发射机/接收机的RF输入/输出并耦合到适当的直流电源48。直流偏置T形部件和直流电源与天线系统20和远程发射机/接收机(未示出)一起工作，与上面参考图4的系统描述的方式非常相同。
图8中，天线系统20接收来自光纤RF收发信机80的RF线，光纤收发信机80通过光缆82耦合到第二光纤RF收发信机84，第二光纤RF收发信机84位于远离天线和第一收发信机80的地方。如图8所示，天线的直流电源或其它电源可位于远离天线的地方，或如果希望的话可与天线系统20相邻。可向直流电源48提供操作地耦合到天线系统20的分离线，与例如图6的装配中所示的方式非常相同。
在此已给出并描述了在各个天线阵列单元的馈送采用功率放大器芯片或模块的新型天线阵列，以及使用该天线系统的新型设备。
现在参考剩余的图9-18，所给出的本发明的各种实施例有许多特征，下面概括其中的三个特征1)使用两个不同的(组)接插单元；一个发射，一个接收。这样导致了基本的RF信号隔离(通过简单地把接插件水平分开4英寸，在PCS频率得到超过20dB的隔离)，而不需要在每个天线单元(接插件)使用频率双工器。该技术实际上可使用在任何类型的天线单元上(偶极、单极、微带/接插件等)。
在一些分布天线系统的实施例中，我们使用如图9、10和11所示的一批单元(M个纵向Tx单元12，和M个纵向Rx单元30)。图9和10示出用于Tx和Rx的串联共同馈送构件中的单元。应指出，它们也可以是并联共同馈送构件(未示出)；或Tx为并联共同馈送构件，并接受串联馈送构件中的单元(或反之亦然)。
2)使用＂内置＂低噪声放大器(LNA)电路或器件；就是说，直接内置到接收(Rx)侧的天线中。图9示出在通过串联(或并联)共同馈送构件把天线单元30相加后的LNA140。图10示出在每个Rx单元(接插件)的输出的LNA器件140(离散器件)，在RF相加之前。
在Rx天线的LNA器件140降低了整个系统的噪声系数(NF)，并提高了系统对远程无线电发射的信号的灵敏度。因此，这样有助于增加接收链路(上行链路)的范围。
同样，上面已经讨论了在发射(Tx)单元使用功率放大器(PA)器件14(芯片)。
3)使用低功率频率双工器150(图9和10所示)。在常规的天线塔顶部系统(例如＂蜂窝增强器＂)中，由于传送到天线(在输入端)的功率是大功率RF，必须使用大功率频率双工器(在蜂窝增强器内，在天线塔顶部)。在我们的系统中，由于传送到(Tx)天线的RF功率较低(通常低于100毫瓦)，可使用低功率双工器150。
另外，在常规系统中，通常需要双工器隔离最好超过60dB；在上行链路和下于链路信号之间经常达到80或90dB的隔离。
在每个接插件，由于从我们的系统输出的功率是低功率(通常低于1-2瓦)，并且由于我们已经通过分开接插件实现了(空间)隔离，我们的双工器的隔离要求低得多。
在此所示的每个实施例中，在接收路径中使用最终发射带阻滤波器(未示出)。如果希望的话，可将滤波器内置在该LNA或每个LNA内；或者可以耦合到该LNA或每个LNA前的电路中。
现在参考图11，该实施例使用两个分开的天线单元(阵列)，一个用于发射12，一个用于接收30，例如，多个发射(阵列)单元12，和多个接收(阵列)单元30。这些单元可以是偶极、单极、微带(接插件)单元，或任何其它辐射天线单元。发射单元(阵列)使用与接收单元(阵列)分开的共同馈送(未示出)。在分开的垂直列中示出了每个阵列(发射30和接收12)；以形成窄仰角波束。也可针对两个水平行阵列(未示出)以相同方式进行；形成窄方位波束。
以这种方式分开(空间)的单元增加了发射和接收天线频带之间的隔离。这同样起到使用耦合到单个发射/接收单元的频率双工器的作用。分开半个波长以上通常确保了隔离大于10dB。
背面/反射器155可以是平坦的接地面，分段式或分段的线性折叠接地面，或曲面反射器板(用于偶极)。在任何一种情况下，可以在背面上放置诸如一块金属之类的一个或多个导电带160(无源)，以确保发射和接收单元辐射图在方位面中；或在与阵列正交的平面中相互对称。图11示出为此目的使用单个中心带160的实施例并描述如下。也可使用多个带，例如在相应的Tx和Rx天线单元的每侧有多个带。也可以对在水平阵列(未示出)定向的天线单元(Tx，Rx)采用这种方式；即确保在仰角平面中对称。对不以接地面155为中心的天线单元(Tx，Rx)，如图11所示，所得到的辐射图通常是不对称的；就是说，波束趋于偏离方位中点。中心带160(金属)针对每个阵列＂拉动＂辐射图波束，背面朝向中心。在偶极天线单元的情况下，该带160可以是固体金属(铝、铜、...)条；在微带/接插件天线单元的情况下，该带可以是简单的铜带。在任何一种情况下，可将中心带160接地或浮动；即不接地。另外，中心带160(或条)进一步增加了发射和接收天线阵列/单元之间的隔离。
可将相应的Tx和Rx天线单元彼此相对正交极化，以实现更进一步的隔离。这可通过使接收单元30为水平极化，和使发射单元12为垂直极化，或反之亦然来进行。同样，这可通过在倾斜45度(右)极化中操作接收单元30，和在倾斜45度(左)极化中操作发射单元12，或反之亦然来实现。
为得到所希望的波束图，并考虑到单元12(在发射阵列中)之间可容许的互耦量，选择发射阵列中单元12的垂直分离。出于同样的考虑垂直分开接收单元30。可不同于发射单元12，垂直地分开接收单元30；然而，必须补偿共同馈送，以便在整个所希望的频带确保接收波束图与发射波束图相同。通常略微补偿接收共同馈送的定相，以确保与发射阵列相同的图形。
大部分现有蜂窝/PCS天线针对发射和接收使用相同的天线单元或阵列。典型的装置具有到天线的RF缆，该天线使用并联共同馈送构件；因此所有馈送路径，和单元处理发射和接收这两个信号。因此，对于这些类型的系统，不需要把这些单元分成分开的发射和接收功能块。该方案的特征是a)使用单个(1个)天线单元(或阵列)用于Tx和Rx这二者的操作。
b)不需要压缩或限制几何结构。
c)一个(1个)单个共同馈送构件用于Tx和Rx这二者的操作。
d)在相同平面中极化用于Tx和Rx这二者的单元。
对于(c)和(d)，存在着一些使用交叉极化天线(照字面上讲是两个天线构件，或同一个单元中的子单元)的情况(即双极化天线)，Tx功能块有其自己的子单元和共同馈送构件，Rx功能块有其自己的子单元和分开的共同馈送构件。
在图11中，我们把发射和接收功能块分成分开的发射和接收天线单元，以使不同的频带(发射和接收)分开。这样增加了频带之间的隔离，在接收路径的情况下，这样有助于在放大之前衰减(降低发射频带中信号的功率等级)。同样，对于发射路径，我们仅在把放大的信号送到发射天线单元前使用有源部件(功率放大器)(功率)放大该发射信号。
如上所述，中心带帮助从向外转向校正波束。在单列阵列中，发射和接收使用相同的单元，很可能把阵列放置在天线中心(接地面)(例如见下面描述的图12)。因此，以方位波束为中心(对称)与接地面正交。然而，利用相邻的垂直阵列(一个用于Tx，一个用于Rx)，波束变得不对称并向外转向几度。在两个阵列之间放置的无源中心带向中心＂拉回＂每个波束。当然，可这样进行设计以确定垂直阵列的中心带宽度以及布局和位置，以便准确地对中每个波束。
该方案的特征在于a)使用两个(2个)不同的天线单元(或阵列)；一个用于Tx，一个用于Rx。
b)分开的几何结构，Tx与Rx单元相邻放置(如图11所示)。
c)使用两个(2个)分开的共同馈送构件，一个用于Tx，一个用于Rx。
d)可在相同平面极化每个单元，或者可构成一种装置，其中Tx单元在给定的极化面，Rx单元全部在正交的极化面中。
图12的实施例使用两个分开的天线单元，一个用于发射12，一个用于接收30，或是多个发射(阵列)单元，和多个接收(阵列)单元。这些单元可以是偶极、单极、微带(接插)单元，或任何其它辐射天线单元。发射单元阵列使用来自接收单元阵列的分开的共同馈送。然而，对于在仰角平面中形成的波束，所有单元在单个垂直列中。对于在方位阵列中形成的波束，也可在单个水平行(未示出)中使用该装置。该方法针对(单元的)列在方位面，和针对(单元的)行在仰角面确保了高度对称(共轴)的波束。
可相互正交地极化图12中的各个Tx和Rx天线单元以实现更进一步的隔离。这可通过使接收接插件30(或接收阵列中的单元)在水平极化，和使发射接插件12(或单元)在垂直极化，或反之亦然来实现。同样，这可通过在倾斜45度(右)极化中操作接收单元，和在倾斜45度(左)极化中操作发射单元，或反之亦然来实现。
该技术允许把所有单元放置在一条中线以下。这样导致对称(共轴)的方位波束，并减小了所需的天线宽度。然而，由于应把它们靠近组合在一起，也增加了天线单元之间的互耦，以致不产生模糊的仰角旁瓣。
该方案的特征在于a)使用两个(2个)不同的天线单元(或阵列)；一个用于Tx，一个用于Rx。
b)相邻的几何结构，直排布局。
c)使用两个(2个)分开的共同馈送构件，一个用于Tx，一个用于Rx。
d)在相同平面极化每个单元，或者Tx单元全部在给定的极化面，Rx单元全部在正交的极化面。
图13的实施例对发射和接收功能这二者使用单个天线单元(或阵列)。这种情况下，使用接插(微带)天线单元。通过使用具有介电层183、185、187(见图14)的多单元(4层)印刷电路板生成接插单元170。可用同轴探头(未示出)，或耦合探头或微带线180、182的孔向天线馈送。对于接收功能，馈送微带线182与发射功能的馈送带状线(探头)180正交定位。
如图13所示，可为了波束形成的目的在阵列中级联这些单元。RF输入190通过分开的共同馈送从RF输出192(在接收共同馈送上)指向辐射单元，在点＂A＂结束。应指出，共同馈送180、182中的任何一个或二者都可以是并联或串联共同馈送构件。
图13的示意图示出在低噪声放大器(LNA)之后的点＂A＂(192)结束的串联共同馈送中将接收路径的RF相加。然而，可以在相加之前在接收馈送(图13中未示出)中的每一个的输出直接使用低噪声放大器(LNA)，与如上面讨论的图14中所示的相同。
如上面参考图13和14给出和讨论的，通过来自相同天线(接插)单元的正交极化的抽头实现发射和接收RF的隔离。图14以截面图的形式表示出图13的每个单元的一般分层结构。由介电层183分开相应的馈送180、182。另一个介电层185把馈送182与接地面186分开，还有一个介电层把接地面186与辐射单元或＂接插件＂188分开。
该原理对两个功能块(Tx和Rx)使用相同的天线物理位置。可将单个接插单元(或交叉极化偶极)用作具有两个不同馈送的天线单元(一个用于TX，另一个以正交极化用于Rx)。由于两个天线单元(Tx和Rx)占据了相同的物理空间，因此将它们正交极化。
该方案的特征在于a)将一个(1个)单独的天线单元(或阵列)用于Tx和Rx这两者。
b)不按几何结构构成。
c)使用两个(2个)分开的共同馈送构件，一个用于Tx，一个用于Rx。
d)每个单元包含两个(2个)相互交叉极化(正交)的子单元。
图15-16的实施例示出两种(2种)把输入和输出RF从Tx/Rx有源天线引到基站的方式。
图15示出在两个明确不同的缆194、196的状态下在点192(图8的)的输出RF能量，和到达点190(图13的)的输入RF能量。这些缆可以是同轴缆，或光缆(在点＂A＂和＂B＂具有RF/模拟到光纤转换器)。该装置在天线(天线塔顶部)系统不需要频率双工器。另外，在基站不需要频率双工器(用于分开发射频带和接收频带的RF能量)。
图16示出在天线系统内把输出RF能量(来自接收阵列)和输入RF能量(到发射阵列)一起同向双工(经频率双工器100)，以便单条缆198沿天线塔(未示出)到基站104。因此，输出/输入通过单条同轴缆(或具有RF/模拟到光纤转换器的光缆)到基站104。该系统在基站104需要另一个频率双工器102。
图17和18示出可用作发射/接收有源天线系统的另一个装置。该阵列由具有直接连到每个单元的天线单元馈送的频率双工器112的多个天线单元110(偶极、单极、微带接插件、...)组成。
在图17中，分离RF输入能量(发射模式)，并通过串联共同馈送构件115(可以是微带、带状线、或同轴缆)，但也可以是并联共同馈送构件(未示出)送到每个单元。功率放大器(PA)芯片或模块114在每个双工器112之前。在分开的共同馈送构件116中将RF输出(接收模式)相加，由在点＂A＂，即RF输出122前的单个LNA120放大。
在图18中，在每个双工器112的输出端有一个用于每个天线(阵列)单元110的LNA120。然后在共同馈送125(串联或并联)中将这些中的每一个相加，并送到点＂A＂，即RF输出122。
图17和18的装置可采用两种连接(已在图15和16中描述)中的任何一种连接到基站104(收发信机设备)。
在此给出和讨论的是一种在各个天线阵列单元的馈送采用功率放大器芯片或模块的新型天线阵列，和使用该天线系统的新型设备。
虽然已示出并描述了本发明的特定实施例和应用，应该理解，本发明不限于在此公开的明确结构和组成，很显然，从上面的描述中可以得出各种改进、改变、和变化，可以理解，它们形成本发明的一部分，并落入如所附权利要求定义的本发明的精神和范围内。
权利要求
1.一种分布天线设备，包括多个天线单元，和多个功率放大器，每个功率放大器与所述天线单元之一可操作地耦合，并紧邻相关的天线单元安装，以使在功率放大器与相关的天线单元之间不出现明显的功率损耗；每个所述功率放大器包括功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其中每个天线单元为偶极。
3.根据权利要求1所述的天线设备，其中每个天线单元为单极。
4.根据权利要求1所述的天线设备，其中每个天线单元是微带/接插天线单元。
5.根据权利要求1所述的天线设备，进一步包括与每个功率放大器可操作地串联耦合的衰减器电路，用于调节阵列幅度系数。
6.根据权利要求1所述的天线设备，进一步包括与所有所述功率放大器可操作地耦合的功率分配器和移相网络。
7.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述天线单元和所述功率放大器耦合到馈送构件，其中选择天线单元与天线单元的间隔和馈送构件中的线路长度中的至少一项，以获得希望的阵列定相。
8.一种包括天线塔/支撑构件和安装在所述天线塔/支撑构件上的天线构件的天线系统设备，所述天线构件包括多个天线单元，和多个功率放大器，每个功率放大器与所述天线单元之一可操作地耦合，并紧邻相关的天线单元安装，以使在功率放大器与相关的天线单元之间不出现明显的功率损耗；每个所述功率放大器包括功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片。
9.根据权利要求8所述的设备，进一步包括安装在所述天线塔/支撑构件上的、并与所述天线构件可操作地耦合的直流偏置T形部件。
10.根据权利要求9所述的设备，进一步包括与所述直流偏置T形部件可操作地耦合、并到达与所述天线塔/支撑构件的基座部分相邻的基于地面的第二直流偏置T形部件的同轴线，所述第二直流偏置T形部件可操作地耦合到直流电源和来自发射/接收机的RF输入/输出。
11.根据权利要求8所述的设备，进一步包括安装在所述天线塔/支撑构件顶部、并与所述天线构件可操作地耦合的第一RF收发信机和电源。
12.根据权利要求11所述的设备，进一步包括与所述天线塔/支撑构件的基座部分相邻安装、并通过同轴缆与所述第一RF收发信机耦合的第二RF收发信机构件。
13.根据权利要求11所述的设备，进一步包括第二RF收发信机和在所述第一RF收发信机和所述第二RF收发信机之间执行通信的无绳链路。
14.一种包括天线构件的楼内天线系统设备，包括多个天线单元，和多个功率放大器，每个功率放大器与所述天线单元之一可操作地耦合，并紧邻相关的天线单元安装，以使在功率放大器与相关的天线单元之间不出现明显的功率损耗；每个所述功率放大器包括功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片。
15.根据权利要求14所述的设备，进一步包括一个与所述天线构件可操作地耦合的直流偏置T形部件；与所述直流偏置T形部件可操作地耦合、并到达第二直流偏置T形部件的同轴线，所述第二直流偏置T形部件可操作地耦合到直流电源和来自发射机/接收机的RF输入/输出。
16.根据权利要求14所述的楼内天线系统设备，进一步包括与所述天线构件可操作地耦合的光纤RF收发信机；第二光纤RF收发信机，和耦合两个光纤RF收发信机的光缆。
17.一种分布天线设备，包括多个发射天线单元；多个接收天线单元；多个功率放大器，所述功率放大器中的一个与每个所述发射天线单元可操作地耦合，并紧邻相关的发射天线单元安装，以使在功率放大器与相关的发射天线单元之间不出现明显的功率损耗；至少一个内置在所述分布天线设备中的低噪声放大器，用于接收和放大来自所述接收天线单元至少之一的信号；每个所述功率放大器包括功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片。
18.根据权利要求17所述的天线设备，包括多个低噪声放大器，每个低噪声放大器与所述接收天线单元之一可操作地耦合。
19.根据权利要求17所述的天线设备，其中有一个单独的低噪声放大器与所有所述接收天线单元的相加输出可操作地耦合。
20.根据权利要求17所述的天线设备，进一步包括与所有所述功率放大器可操作地耦合的低功率频率双工器，用于把单独的RF缆耦合到所有所述发射和接收天线单元。
21.根据权利要求17所述的天线设备，其中所述接收天线单元呈第一线性阵列，所述发射天线单元呈与所述第一线性阵列隔开并与之平行的第二线性阵列。
22.根据权利要求21所述的天线设备，进一步包括位于第一和第二线性阵列之间的导电中心带单元。
23.根据权利要求17所述的天线设备，其中有一个单独的发射RF缆耦合到所有所述功率放大器，以便把将要发射的信号传送到所述天线设备，以及有一个单独的接收RF缆耦合到所述至少一个低噪声放大器，以便传送离开所述天线设备的接收信号。
24.根据权利要求22所述的天线设备，其中所述接收天线单元、所述发射天线单元和所述中心带单元全部安装在一个共同的背面上。
25.根据权利要求24所述的天线设备，其中所有所述功率放大器也安装到所述背面上。
26.根据权利要求17所述的天线设备，其中所述发射天线单元和所述接收天线单元以交替顺序排列在单一的线性阵列中。
27.根据权利要求17所述的分布天线设备，其中在一个极化方向极化所述发射天线单元，与所述发射天线单元的极化方向正交地极化接收天线单元。
28.根据权利要求21所述的天线设备，其中所述发射天线单元分开以得到给定的波束图并且不超过给定的互耦量，且其中所述接收天线单元分开以得到给定的波束图并且不超过给定的互耦量。
29.根据权利要求28所述的天线设备，进一步包括与所述发射天线单元可操作地耦合的发射共同馈送构件，和与所述接收天线单元可操作地耦合的接收共同馈送构件，其中一个或两个所述共同馈送构件调节成使发射波束图和接收波束图基本相同。
30.根据权利要求26所述的分布天线设备，其中在一个极化方向极化所述发射天线单元，与所述发射天线单元的极化方向正交地极化接收天线单元。
31.根据权利要求17所述的天线设备，其中一个单独的接插天线单元阵列既起到所述发射天线单元的作用又起到所述接收天线单元的作用，并进一步包括耦合到每个所述接插天线单元的发射馈送带状线和接收馈送带状线，所述发射馈送带状线和接收馈送带状线至少在它们与每个所述接插单元耦合的区域相互正交地定向。
32.根据权利要求31所述的天线设备，其中一个单独的发射RF缆耦合到所有所述功率放大器，以便把将要发射的信号传送到所述天线单元，一个单独的接收RF缆耦合到所述至少一个低噪声放大器，以便传送离开所述天线设备的接收信号。
33.根据权利要求31所述的天线设备，进一步包括与所有所述功率放大器和与所述至少一个低噪声放大器可操作地耦合的低功率频率双工器，用于把单独的RF缆耦合到所有所述发射和接收天线单元。
34.根据权利要求31所述的天线设备，进一步包括与每个所述接插天线单元可操作地耦合的频率双工器，所述多个功率放大器和所述至少一个低噪声放大器在电路中与所述频率双工器耦合。
35.根据权利要求32所述的天线设备，其中每个所述频率双工器都有一个接收输出端，其中一个单个低噪声放大器耦合到所述接收输出端的求和连结点。
36.根据权利要求34所述的天线设备，其中每个所述频率双工器都有接收输出端，其中所述至少一个低噪声放大器包括一个耦合到每个所述接收输出端的低噪声放大器。
37.根据权利要求17所述的天线设备，进一步包括与所有所述功率放大器可操作地耦合的低功率频率双工器，用于把单独的RF缆耦合到所有所述发射和接收天线单元。
38.根据权利要求17所述的天线设备，进一步包括与每个所述接插天线单元可操作地耦合的频率双工器，所述多个功率放大器和所述至少一个低噪声放大器在电路中与所述频率双工器耦合。
39.根据权利要求38所述的天线设备，其中每个所述频率双工器都有一个接收输出端，其中一个单独的低噪声放大器耦合到所述接收输出端的求和连结点。
40.一种构成分布天线的方法，包括将多个天线单元布置成天线阵列；和使包括功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片的功率放大器与所述天线单元中的每一个可操作地耦合，紧邻相关天线单元安装，以使在功率放大器与相关的天线单元之间不出现明显的功率损耗。
41.根据权利要求40所述的方法，进一步包括通过把一衰减器电路与每个功率放大器串联耦合来调节阵列幅度系数。
42.根据权利要求40所述的方法，进一步包括把一功率分离器和移相网络与所有所述功率放大器耦合起来。
43.根据权利要求40所述的方法，进一步包括把所述天线单元和所述功率放大器耦合到馈送构件上，并选择天线单元与天线单元的间隔和馈送构件中的线路长度中的至少一项，以获得希望的阵列定相。
44.一种在天线塔/支撑构件上装配天线系统的方法，所述方法包括把天线阵列中安装的多个天线单元安装在所述天线塔/支撑构件上；和使包括功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片的功率放大器与每个所述天线单元耦合，紧邻相关天线单元安装，以使在功率放大器与相关的天线单元之间不出现明显的功率损耗。
45.根据权利要求44所述的方法，进一步包括把直流偏置T形部件安装在所述天线塔/支撑构件上，并将所述直流T形部件与所述天线阵列可操作地耦合起来。
46.根据权利要求45所述的方法，进一步包括将引自所述直流偏置T形部件的同轴线耦合到与所述天线塔/支撑构件的基座部分相邻的基于地面的第二直流T形部件，并将所述第二直流偏置T形部件耦合到直流电源和来自发射机/接收机的RF输入/输出上。
47.根据权利要求44所述的方法，进一步包括把第一RF收发信机和电源安装在所述天线塔/支撑构件的顶部，并使所述第一RF收发信机和电源与所述天线构件耦合；与所述天线塔/支撑构件的基座部分相邻安装第二RF收发信机构件，并通过同轴缆使所述第二RF收发信机构件与所述第一RF收发信机耦合。
48.根据权利要求47所述的方法，进一步包括用无绳链路代替所述所述同轴缆，以便在所述第一RF收发信机构件和所述第二RF收发信机构件之间执行通信。
49.一种构成楼内天线系统设备的方法，包括提供多个天线单元；和使包括功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片的功率放大器与每个所述天线单元耦合，紧邻相关天线单元安装，以使在功率放大器与相关的天线单元之间不出现明显的功率损耗。
50.根据权利要求49所述的方法，进一步包括使直流偏置T形部件与所述天线单元耦合，使同轴线耦合在所述直流偏置T形部件和第二直流偏置T形部件之间，使所述第二直流偏置T形部件耦合到直流电源和来自发射机/接收机的RF输入/输出端。
51.根据权利要求49所述的方法，进一步包括使光纤RF收发信机与所述天线单元耦合；和使光缆耦合在所述光纤RF收发信机和第二光纤RF收发信机之间。
52.一种构成分布天线的方法，包括将多个发射天线单元布置成阵列；将多个接收天线单元布置成阵列；使功率放大器与每个所述发射天线单元耦合，紧邻相关的发射天线单元安装，以使在功率放大器与相关的天线单元之间不出现明显的功率损耗；和提供至少一个内置在所述分布天线中的低噪声放大器，用于接收和放大来自所述接收天线单元至少之一的信号；
53.根据权利要求52所述的方法，其中提供多个低噪声放大器，每个所述低噪声放大器与所述接收天线单元之一可操作地耦合。
54.根据权利要求52所述的方法，进一步包括把所有所述接收天线单元的输出相加，并使相加的输出耦合到一个单独的低噪声放大器上。
55.根据权利要求52所述的方法，进一步包括把低功率频率双工器与所有所述功率放大器耦合，并通过所述双工器把单独的RF缆耦合到所有所述发射和接收天线单元上。
56.根据权利要求52所述的方法，进一步包括把所述接收天线单元布置成第一线性阵列，把所述发射天线单元布置成与所述第一线性阵列隔开并与之平行的第二线性阵列。
57.根据权利要求56所述的方法，进一步包括在第一和第二线性阵列之间定位导电中心带单元。
58.根据权利要求52所述的方法，进一步包括使单独的发射RF缆耦合到所有所述功率放大器上，以便把要发射的信号传送到所述发射天线单元，并使单独的接收RF缆耦合到所述至少一个低噪声放大器上，以便传送离开所述接收天线单元的接收信号。
59.根据权利要求57所述的方法，进一步包括把所述接收天线单元、所述发射天线单元和所述中心带单元安装在一个共同的背面上。
60.根据权利要求59所述的方法，进一步包括把所有所述功率放大器和所述至少一个低噪声放大器安装到所述背面。
61.根据权利要求52所述的方法，进一步包括把所述发射天线单元和所述接收天线单元以交替顺序排列成单一的线性阵列。
62.根据权利要求52所述的方法，进一步包括在一个极化方向极化所述发射天线单元，与所述发射天线单元极化方向正交地极化接收天线单元。
63.根据权利要求56所述的方法，进一步包括将所述发射天线单元分开以得到给定的波束图并且不超过给定的互耦量，将所述接收天线单元分开以得到给定的波束图并且不超过给定的互耦量。
64.根据权利要求63所述的方法，进一步包括使发射共同馈送构件与所述发射天线单元耦合，和使接收共同馈送构件与所述接收天线单元耦合，调节一个或两个所述共同馈送构件以使发射波束图和接收波束图基本相同。
65.根据权利要求61所述的方法，进一步包括在一个极化方向极化所述发射天线单元，与所述发射天线单元极化方向正交地极化接收天线单元。
66.根据权利要求52所述的方法，其中一个单独的接插天线单元阵列既起到所述发射天线单元的作用又起到所述接收天线单元的作用，并进一步包括使发射馈送带状线和接收馈送带状线耦合到每个所述接插天线单元，并且至少在它们与每个所述接插单元耦合的区域相互正交地定向所述发射馈送带状线和接收馈送带状线。
67.根据权利要求66所述的方法，进一步包括使一个单独的发射RF缆耦合到所有所述功率放大器，以便把要发射的信号传送到所述天线单元，并使一个单独的接收RF缆耦合到所述至少一个低噪声放大器上，以便传送离开所述天线单元的接收信号。
68.根据权利要求66所述的方法，进一步包括使一个低功率频率双工器与所有所述功率放大器耦合，并与所述至少一个低噪声放大器耦合，和通过所述双工器使单独的RF缆耦合到所有所述天线单元。
69.根据权利要求66所述的方法，进一步包括使频率双工器与每个所述接插天线单元耦合，并使所述多个功率放大器和所述至少一个低噪声放大器在电路中与所述频率双工器耦合。
70.根据权利要求69所述的方法，其中每个所述频率双工器有一个接收输出，并进一步包括把所述接收输出相加，和使一个单个低噪声放大器耦合到所述接收输出的求和连结点。
71.根据权利要求69所述的方法，其中每个所述频率双工器具有接收输出端，并进一步包括使低噪声放大器耦合到每个所述接收输出端上。
全文摘要
一种分布天线设备,包括多个发射天线单元和多个功率放大器,每个功率放大器与天线单元中的一个可操作地耦合,并紧邻相关的天线单元安装,以使在功率放大器与相关的天线单元之间不出现明显的功率损耗。每个功率放大器是功率相对低的、每瓦费用相对低的线性功率放大器芯片。在各种设备中使用的天线阵列包括蜂窝式、PCS、MMDS、和如LANS或WLANS之类的楼内通信系统。
文档编号H01Q1/24GK1273443SQ0011870
公开日2000年11月15日 申请日期2000年4月26日 优先权日1999年4月26日
发明者M·D·贾德, T·D·蒙特, D·G·杰克逊, G·A·马卡 申请人:安德鲁公司