天线配置提供覆盖的制作方法

专利名称：天线配置提供覆盖的制作方法
技术领域：
本发明涉及的技术领域是电信网络，具体地说，涉及的领域是用于蜂窝通信系统 中的基站的天线。
背景技术：
在移动通信中存在很多情况，其中期望的小区结构和期望的小区数量是依赖于时 间的。例如，移动通信系统的某些部分可能在白天期间历经高负载，而在晚上历经较低的负 载。这意味着，资源需求可在M小时过程中显著不同。相似地，移动通信系统中的长期平均负载将典型地随时间而增加，这意味着特定 区域中的整个负载将改变。系统于是将必须被重新配置，以合并附加的资源，例如，如当增 加小区的数量时所实现的那样。与用于增加负载容量的天线和传播有关的解决方案的示例是较高阶扇区化，以及 添加新站点(site)，这两种解决方案提供了有效的小区划分。在一旦上述解决方案被部署，系统复杂性和资源分配持久地增加的意义上，它们 是不可逆的。还没有不繁琐的方式来使得使用传统基站配置的小区划分可逆。US 6091970公开了一种基站，其包括若干方向性天线的设备(arrangement)，其 各个方位角波束图案实现了基本上全向覆盖。在所示实施例中，从一个基站收发机传送的 信号划分为三个信号，它们被馈送到三个方向性天线的天线配置，以便提供几乎全向或“伪 全向”图案。天线配置中的所有天线使用相同的偏振来传送并且接收，并且另外的分集接收 机使用不同偏振。该解决方案带来的主要缺点在于，多个尖锐空置深度(null-depth)创建 在“伪全向”图案中，这将产生较差覆盖的区域或无覆盖的区域。US 6091970包括相移器， 由此，所传送的信号中的两个可以相移。然而，这种解决方案仅移动源于来自三个天线的组 合后的辐射图案的干涉仪测得的图案。这意味着，空置深度得以移动，但未被消除。需要避 免当具有相同的偏振的天线图案组合时出现的产生空置深度的干涉仪测得的图案带来的 问题。US 6091970中的相移器的效果仅对有限的带宽起作用，这意味着，该解决方案也 具有窄带的缺点。随着相移器插入输出线路中，相移器效果仅对于所传送的信号起作用，即 这仅是下行链路解决方案。US 6577879B1描述了如何通过对于每一另外波束采用正交偏振定向而保持天线 图案控制。本发明相对US 6577879B1的优点在于，其也对于当采用带有来自方向性天线的 奇数数量的波束的解决方案时提供组合后的全向辐射图案而没有空置深度的问题提供解 决方案，其中，每一波束覆盖完全360°全向覆盖的角扇区。因而需要一种改进的、可靠的并且低复杂性的解决方案，其消除现有解决方案的 缺点。
本发明目的在于消除现有技术解决方案的上述缺陷中的至少一些，并且提供 一种天线设备
一种用于天线设备的方法 装配有所述天线设备的基站
以解决当任何数量的部分重叠波束的辐射图案组合时基本上没有空置深度而提供全 向辐射图案的问题。该目的通过提供一种用于无线通信系统的天线设备而得以实现，其被布置为具有 至少一个传送模式和至少一个接收模式，所述设备在天线配置中包括至少三个方向性天 线。每一方向性天线被布置为具有形状为波束的方位角辐射图案，每一波束覆盖角扇区，从 而第一传送模式下的所有波束的组合后的辐射图案被布置为提供完全360°全向覆盖。所 述方向性天线在空间上被布置从而覆盖邻近角扇区的波束部分地重叠，并且从而所有波束 的辐射图案被布置为通过将方向性天线连接到相同的传送线路而组合，其中
覆盖邻近角扇区并且其相位中心在具有小于两个λ的半径的圆形内的至少两个方 向性天线被布置在第一簇中，其中，所有方向性天线具有基本上相同的偏振，其中，λ是接 收/传送频带中的平均波长，
所述天线设备包括至少一个簇，
所述分离方向性天线或所述天线簇的偏振基本上正交于覆盖邻近角扇区的分离方 向性天线或天线簇的偏振，
各天线簇与不包括于簇中的分离方向性天线之和是偶数， 在所述相同的天线配置中，方向性天线是仅一个簇的一部分 因而创建基本上没有空置深度的全向方位角辐射图案。该目的通过提供一种用于无线通信系统中的天线设备的方法而得以实现，其具有 至少一个传送模式和至少一个接收模式，所述设备在天线配置中包括至少三个方向性天 线。每一方向性天线具有形状为波束的方位角辐射图案，每一波束覆盖角扇区，从而第一传 送模式下的所有波束的组合后的辐射图案提供完全360°全向覆盖。所述方向性天线在空 间上被布置从而覆盖邻近角扇区的波束部分地重叠，并且从而所有波束的辐射图案通过将 方向性天线连接到相同的传送线路而组合，其中
覆盖邻近角扇区并且其相位中心在具有小于两个λ的半径的圆形内的至少两个方 向性天线定位第一簇中，其中，所有方向性天线具有基本上相同的偏振，其中，λ是接收/ 传送频带中的平均波长，
所述天线设备包括至少一个簇，
所述分离方向性天线或所述天线簇的偏振被选取为基本上正交于覆盖邻近角扇区 的分离方向性天线或天线簇的偏振，
各天线簇与不包括于簇中的分离方向性天线之和被配置为偶数， 在所述相同的天线配置中，方向性天线被检查为仅一个簇的一部分 因而创建基本上没有空置深度的全向方位角辐射图案。本发明还提供一种基站，用于与电信网络中的移动终端进行通信，该电信网络装 配有根据天线设备权利要求的任一权利要求的天线设备。
本发明具有的优点是允许站点的天线配置适用于不同情况，而无需改变天线安装。通过实现从属权利要求中的一项或若干项来实现其它优点。


图Ia-图Ie示意性示出杆上安装的扇区天线和塔上安装的放大器(tower mounted amplifier)布置的不例。2b示意性示出站点情况的模型。图3示意性示出三个扇区站点的方位角天线辐射图案。4h示意性示出当以不同间隔组合三个天线时的辐射图案。图fe-图5c示意性示出三个扇区配置的辐射图案的三个示例。图6a_图6b示意性示出三个扇区站点的实施例中根据本发明的天线设备 (antenna arrangement) ^Jt莫Μ。图7a_图7d示意性示出关于具有不同偏振的各天线之间的距离的变化的根据本 发明的天线设备的辐射图案。图8a_图他示意性示出关于具有相同偏振的各天线之间的距离的变化的根据本 发明的天线设备的辐射图案。图9示意性示出根据本发明的五个方向性天线的配置。图10示意性示出根据本发明的普通天线配置。图11示出本发明的方法的框图。图12示意性示出切换设备。
具体实施例方式现将参照附图详细描述本发明。本发明涉及一种天线设备和对应方法，用于作为例如蜂窝通信系统的电信网络。 天线设备包括多个方向性天线，安装到例如塔或杆，并且连接到基站。基站与在天线设备的 覆盖内的移动终端进行通信。每一方向性天线具有辐射图案，其主波束覆盖角扇区，角扇区 在垂直轴周围的方位角方向上具有对应角间隔，其为基站的总角覆盖间隔的一部分，在各 邻近角扇区之间具有特定重叠(或者在各邻近波束之间具有重叠)。公共配置的示例是具有 对应波束的三个方向性天线，每一波束覆盖近似120°的角扇区，该配置提供基站站点周围 的完全360°覆盖。本发明还包括一种基站，其装配有本发明的天线解决方案。每一方向性天线覆盖一个角扇区。所使用的方向性天线可以是扇区天线，因为它 们被优化为典型地在120°周围覆盖特定角扇区。包括至少一个天线元件的每一扇区天线 对于该特定角扇区产生一个波束。方向性天线也可以包括多个天线元件，其为例如阵列天 线或其它天线结构的一部分，并且产生覆盖一个角扇区的一个波束。虽然本发明可以实现 在具有任何数量扇区的应用中，但所解决的问题主要存在于来自方向性天线的波束的数量 是等于或大于三的奇数的应用。此外，只要其它类型的天线对于每一扇区产生一个波束，就 可以使用它们。所使用的所有天线类型的共同特征在于，邻近角扇区的波束部分地重叠。天线设备的全向覆盖定义为具有覆盖360°而没有空置深度(即没有将为较差 覆盖或没有覆盖的角)的辐射图案的天线设备。全向天线辐射图案无需是各向同性的，即接收到的功率或所传送的功率无需在所有方向上相等。图1示出在塔或杆上安装方向性天线(在该示例中为扇区天线)的原理。此外，本发 明示出为具有三个扇区天线的站点，具有以120°分离的指向方向，其中，三个扇区覆盖或 全向覆盖是期望的。此后，三个扇区覆盖或扇区化覆盖意味着，每一方向性天线连接到分离 传送和/或接收线路，并且全向覆盖一般意味着，所有方向性天线在下行链路上携带相同 信号的副本，这可以例如通过使得所有方向性天线连接到相同的传送线路而得以实现。然 而，去往每一方向性天线的各信号的功率级别可以通过插入以下将解释的放大器而不同。 下行链路意味着方向性天线工作在传送模式下，上行链路意味着方向性天线工作在接收模 式下。在上行链路上，可以通过将所有方向性天线连接到相同的接收线路来实现全向覆盖， 但去往每一方向性天线的各信号可以根据从哪个方向接收信号而不同。将结合图2更详细 地解释该情况。其它安装情况和站点布置(例如具有不同数量的天线、扇区和指向方向，以 及具有仅在下行链路上的全向覆盖以及在上行链路上的三个扇区覆盖(即扇区化覆盖))可 以在本发明的范围内。也可以如上所述使用不同类型的天线。图Ia和Ib示出布置的两个 示例。本发明可以因而用在下行链路和上行链路操作中。在说明书中，主要通过下行链 路操作来例举本发明。然而，每一示例可操作在上述上行链路和下行链路中。图Ia示出天线塔102上安装的单个向下倾斜的扇区天线101。扇区天线通过第一 传送线路103连接到塔上安装的放大器TMA 104, TMA 104进而经由第二传送线路105连接 到基站的传送/接收电路。该示例中的扇区天线101覆盖基本上120°的角扇区宽度，并 且塔装配有三个相同的扇区天线(为了清楚，图1仅示出一个天线)，其中，它们的指向方向 116分离120°，见图Ic-图le。图Ib示出关于单模高增益扇区天线的另一示例，包括两个天线元件106和107， 均通过组合器传送线路109连接到组合器108。组合器通过第三传送线路110连接到TMA 104，并且然后进一步通过第二传送线路105连接到基站电路。该示例中的天线元件106和 107覆盖基本上120°的角扇区宽度，并且塔装配有三个相同的成对天线元件(为了清楚， 图Ib仅示出一对天线)，其中，它们的指向方向116分离120°，见图Ic-图le。安装在公共塔、杆、屋顶或房顶上或者安装在墙壁或相似结构上的方向性天线不 一定必须相同，而是可以例如关于增益和波束形状而具有不同性能。图lc、图Id和图Ie示出当在具有三角形113、正方形114或圆形115截面的塔或 杆上安装时扇区天线112的不同布置的顶视图。每一扇区天线的指向方向116垂直于天线 孔径117。指向方向以分离角118而分离。在图Ic-图Ie的示例中，在邻近天线的各指向 方向之间的分离角是120°。出于多种原因，例如，分区需求和成本(资本和运营支出)，可以有利地允许使站点 的天线配置适应于不同情况，而无需改变天线安装。在夜晚期间，当业务流一般很低时，可 以有利地临时地使基站的一部分不活动，以便节省运营支出。当安装新的基站时，可以有利 地以基站的最小配置(例如恰一个无线电链)来启动，以节省资本支出，并且然后随着业务 增加而添加上更多的无线电链。无线电链包括方向性天线以及对应传送和接收线路、还有 对于方向性天线特殊地用作例如收发器的电子器件。使用相同天线设备的站点情况的两个不同模型示出于图2中，用于上行链路和下行链路操作。图加示出传统三个扇区情况，其向扇区化覆盖提供三个传送/接收线路，每 一传送/接收线路均连接到一个方向性天线。传送/接收线路可以例如是三个分离的无线 电链(每扇区一个无线电链)的一部分，每一链具有分离的收发机。图2b示出包括作为单个 无线电链的一部分的仅一个传送/接收线路的全向覆盖情况。单个传送/接收线路划分为 三个传送/接收线路，每一划分的传送/接收线路均连接到一个方向性天线。
图加是位于X/Y平面(通常是水平面)中并且在三个扇区实施例中配置的第一方 向性天线201、第二方向性天线202和第三方向性天线203的顶视图。第一方向性天线201 和第二方向性天线202位于距原点205的半径r 204。第三方向性天线203位于距原点205 的半径R 207。所有方向性天线具有垂直于对应半径矢量的天线孔径117。各邻近方向性 天线之间的分离角118是120°。第一方向性天线与第二方向性天线的相位中心之间的天 线间隔Dl以箭头206指示，第一方向性天线与第三方向性天线的相位中心之间的天线间隔 D2以箭头216指示。方向性天线或任何天线的相位中心定义为“与天线关联的点的位置， 从而，如果其被取作半径扩展到远场的球体的中心，则辐射球体的表面上的给定场分量的 相位基本上恒定，至少在其中辐射明显的表面的部分上”。第一方向性天线201通过第一传 送线路211从例如第一无线电链连接到第一传送/接收线路208，第二方向性天线202通过 第二传送线路212从例如第二无线电链连接到第二传送/接收线路209，第三方向性天线 203通过第三传送线路213从例如第三无线电链连接到第三传送/接收线路210。每一无 线电链具有其自身的收发机，并且具有特定容量和可用的功率资源。当例如在晚间容量需 求减少时，可以有利地临时地使基站的一部分不活动，而不改变天线配置，以便节省例如因 收发机和制冷设备的功耗而产生的运营成本。 图2b示出当所有三个方向性天线连接到全向覆盖配置中的相同传送/接收线路 时的情况。在该实施例中，因而可以使两个无线电链中的活动电子设备(即主要收发机)临 时地不活动。操作收发机连接到划分器/组合器214。包括出自例如基站中的无线电链的 例如传送/接收线路208、209或210的第四传送/接收线路215在划分器/组合器中被划 分为三个划分的传送/接收线路，每一划分的传送/接收线路连接到一个方向性天线，通过 第一传送线路211连接到第一方向性天线201，通过第二传送线路212连接到第二方向性天 线202，并且通过第三传送线路213连接到第三方向性天线203。可以通过相位调整器(例 如真实时间延迟单元)来调整一个或多个传送线路中的信号的相位。相位调整器可以用于 精细调谐从各个方向性天线的辐射图案组合的辐射图案。然而，相位调整器是可选的，而非 本发明之所需。划分的传送/接收线路中的信号也可以可选地被放大，以补偿因第四传送 /接收线路的信号的划分而导致的损耗。放大器可以位于传送线路或传送/接收线路中。 可以使用例如上行链路上的TMA或下行链路上的功率放大器或二者，使用连接到第四传送 /接收线路215或连接到传送线路211-213或二者的双工设备来实现这种补偿。图加和图2b中的传送/接收线路208、209、210和215可以是组合后的传送和接 收线路或分离的传送和/或分离接收线路，即，其将在传送模式下是传送线路，在接收模式 下是接收线路。图2b因而示出提供全向覆盖的第一传送模式和/或第一接收模式下的天线配置。 图加示出提供扇区化覆盖的第二传送模式和/或第二接收模式下的天线配置。如图加中的情形所示而配置的三个扇区站点的方位角(一般是水平的)辐射图案绘制在图3中。来自方向性天线201-203的辐射图案301-303在所有方向上提供覆盖(即 天线增益)，其中，在沿着图3所示的扇区边界304-306的覆盖中具有倾斜(dip)。这被称为 具有三个有效角扇区或三个有效辐射图案或波束的扇区化覆盖。通过将三个扇区站点重新配置为图2b中的情况，生成全向方位角辐射图案(提供 全向覆盖)。这种全向图案是组合图3中的三个分离方向性天线图案的结果。通过假设图 案具有相同的偏振，并且所有天线携带相同信号(在传送时)，那么必须考虑相干地组合图 案的幅度和有效相位二者来添加它们，其中，有效相位也是天线位置的函数。天线位置的效果清楚地示出于图4中，图4示出方位角辐射图案，一般是水平辐 射图案，源自根据图2b中的配置向三个方向性天线馈送相同(相干)信号，其中，天线间隔 D1=D2，半径r=R。所有辐射图案4a_4h示出当在相位上组合在所有方向上具有相同偏振的 三个方向性天线辐射图案以生成全向覆盖时所生成的图案。对于(不现实地)放置得靠近一 起的天线，各相位中心之间的距离Dl和D2为零，有效辐射图案具有平滑的全向形状，其提 供与根据图加中的配置的图3中的三个方向性天线的包络图案的覆盖相似的覆盖。该情 况示出于图如中。随着天线在方位角平面上移动离开，所得辐射图案开始变得波动，当天 线的相位中心离开公共原点大于1-2个波长时，其发展成为带有严重增益下降的角间隔， 所谓的空置深度。在图4b中，半径r和R是波长的1/4，在图如中，是波长的1/2，在图4d 中，是1个波长，在图4e中，是2个波长，在图4f中，是5个波长，在图4g中，是10个波长， 在图4h中，是20个波长。对于典型蜂窝通信系统的一个示例，频率在IGHz周围，其对应于 30cm的波长。出于实际原因，例如天线所安装到的结构的截面尺寸，因此一般需要使用大于 1-2个波长的距离Dl和D2。这在波长是15cm左右的情况下对于例如在UMTS (通用移动电 信系统)频带中所使用的更高频率变得甚至更是必要的。角分散(angular spread)描述这样的特性当在通信链路的一端观测时，从无线 通信链路的另一端传送的信号显现为平均上发源自各方向的角范围或间隔(其宽度取决于 传播环境、以及通信链路两端之间的距离和方向，并且可以是任意窄的)。从辐射的观点来 看，角分散可以被认为是滤波器，其应该与天线辐射图案缠卷(convolve)，以得到用于给定 传播环境的有效图案。因此，由于因角分散不足够抵消增益损耗而导致的平均化效应，所 以当方位角或水平角分散窄于历经增益下降的角间隔的宽度(在某个可接受的相对增益级 别)时辐射图案增益下降对应于覆盖的损失。分离距离越大，空置深度就变得越窄(波动越 快)，并且图案变得类似干涉仪。因而，对于与给定传播环境和天线安装的角分散有关的间 隔充分远的天线，有效全向覆盖可以存在，因为从角分散所提供的平均化。结论是，如果天线站点对于方向性天线待使用具有相同偏振的扇区图案之和来提 供全向图案，则天线的相对定位或位置是关键设计因素。但很多安装关于天线定位或位置 未提供任何(或很多)选择，这意味着，组合后的图案非常依赖于如何在具体安装站点将天 线放置得彼此有关。由于辐射图案的有效相位值也依赖于无线电链中的所有组件(例如放 大器、滤波器以及馈送器传送线路)，因此这种情况尤其真实。本发明引入一种天线设备，其允许例如三个扇区天线安装用于全向覆盖。这是最 常见的配置，但本发明也可以用于带有其它数量(奇数或偶数)扇区的配置，扇区的数量至 少是三个。以下将对此进行进一步解释。本发明的基本构思在于，将带有不同偏振的辐射 图案组合，并且将带有相同(或相似)偏振的辐射图案与相干信号组合，用于分隔得靠近一起的天线，以避免辐射图案波动带来的问题，辐射图案波动可以产生具有糟糕覆盖或没有 覆盖的大角区域。图5示出如图3所示的三个扇区天线配置，其中r=R=5X，其中，λ是天线的操作 频带中的平均波长。图5还示出如何将基于使用不同偏振的本发明的基本构思应用于三个 扇区站点配置中的三个方向性天线当中的两个的图案，其中，方向性天线距公共原点径向 位移五个波长。图如示出三个辐射图案501-503，或波束，用于方向性天线，每一方向性天 线覆盖角扇区，在方位角平面上具有均勻分隔的指向方向116，并且馈送有独立信号，因而 无需相干组合。图恥示出当两个共同偏振方向性天线被馈送有相同信号的副本时的所得 功率图案501/503，其中，归因于从两个组合后的方向性天线发源的辐射之间的建设性干涉 和破坏性干涉，图案展现出强烈波动。图5c示出源自应用本发明一方面的功率图案，其中， 两个组合后的天线图案501/503被配置为使用不同的基本正交的偏振。图5c因而示出通 过组合正交偏振图案，用于邻近角扇区的部分重叠波束，可以实现无空置深度的辐射图案。使用带有不同偏振的辐射图案的组合的构思可以重复地应用于带有等于或大于 两个的任何数量的天线的给定站点配置，辐射图案的有效数量对于每一组合而减少1，直到 两个不同有效图案留下。如果在图案产生相似覆盖的方向上这两个有效图案具有不同的基 本上正交的偏振(这对应于带有偶数个扇区的站点配置)，则可以组合图案，以得到有效的 全向图案。因而，对于偶数扇区站点配置，可以通过总是具有基本上正交的偏振的邻近角扇 区来实现有效全向辐射图案。然而，对于奇数扇区站点配置，这是不可能的，因为将总是存 在具有相同的偏振的两个邻近角扇区。本发明现在将位置添加作为另一参数，在上述正交 偏振之上，以用在天线站点的配置中。根据簇(其包括带有邻近波束的两个或更多个方向性 天线)中的合适的位置，这些方向性簇天线可以具有基本上相同的偏振。可以存在一个或若 干簇。通过组合正交偏振和位置的原理，只要天线簇与不包括于簇中的分离方向性天线之 和是偶数，就可以组合任何数量的角扇区，以获得全向覆盖。以下将与附图的描述关联而进 一步解释该情况。图6a示出X/Y平面上的天线设备的示意性模型(顶视图)。组合带有相同偏振“pi” 的第一方向性天线601和第二方向性天线602的波束。根据图2的划分器/组合器214可 以具有均勻或不均勻的功率划分。考虑到方向性天线601 (201)、传送线路211、方向性天 线602 (202)、传送线路212，划分器/组合器214将提供相位相干组合，从而组合后的图案 不展现出空置深度，或者空置深度最小化。此外，带有不同的基本上正交的偏振“P2”的第 三方向性天线603 (203)的波束也在划分器/组合器214中组合，然而，没有对相位相干性 的需求。这意味着，由于正交偏振彼此独立，说明其未将波动引入到有效全向辐射图案，因 此可以将第三方向性天线603的图案添加作为功率，也就是没有相干。带有偏振“pi”的第 一方向性天线和第二方向性天线被放置距成像坐标系统原点607的半径rl 606和r2 605， 而带有不同偏振“p2”的第三方向性天线被放置距同一原点的半径R 608。半径rl是原点 607与第一方向性天线601的相位中心之间的距离，半径r2是原点607与第二方向性天线 602的相位中心之间的距离。半径R是原点607与第三方向性天线603的相位中心之间的 距离。半径rl和r2在此情况下是相同的，但情况并不一定必须如此。公共簇内的各天线 应放置在基本相同的平面上，平行于X/Y平面。第一方向性天线和第二方向性天线的相位 中心之间的距离Dl 609应小于组合后的传送/接收频带中的平均频率的大约3-4个波长。从图4可见该情况。当r彡1 -2 λ时，空置深度并未完全展开。在图4的配置中，当Γ=λ 时，Dl 变为 2*sin60° * λ =1,7 λ，当 r=2 λ 时，Dl 变为 3，5 λ。在图6的配置中，第一方向性天线和第二方向性天线被看作包括簇。簇可以包括 多于两个的天线，如以下将示出的那样。覆盖邻近角扇区并且具有基本上相同的偏振的天 线被定义为属于相同簇，各天线被定位使得它们的相位中心可以在具有近似1-2个波长λ 的半径的圆形内相内切(其中，λ是接收/传送频带中的平均波长)。该圆形因此被称为λ 圆形。λ圆形的半径应小于2λ。当两个或更多个天线定位得靠近一起时，有可能的是，取 决于λ圆形的中心所处的位置，一个天线A可以属于两个或更多个簇。在此情况下，取决 于各簇中的哪个包括天线Α，将存在多个可能的天线配置。图6b示出安装在具有正方形截面的塔604上的第一方向性天线、第二方向性天线 和第三方向性天线。由于天线间隔距离变得太大而不允许传统图案组合，即不考虑天线偏 振和天线位置二者，因此这是本发明良好地适用的一种安装情况。本发明的一种益处清楚地示出于图7中，图7示出方位角(一般是水平的)辐射图 案，源自馈送根据图6布置的三个方向性天线(例如扇区天线)，用于半径R不同值的相同 (相干)信号的副本的信号，并且其中，第三方向性天线具有对于第一方向性天线和第二方 向性天线的偏振基本上正交的偏振。如将示出的那样，组合后的辐射图案独立于第三方向 性天线的位置(半径R)。这意味，我们可以将第三方向性天线放置在距第一方向性天线和第 二方向性天线的定位有若干波长的定位或位置，例如在图6b所示的塔的“相对”侧。这意 味，方向性天线可以定位为不被它们所安装到的结构(在此情况下，塔)所模糊。在图7中的 所有辐射图案中，半径r等于半个波长。在图7a中，半径R=2个波长，在图7b中，R=5个波 长，在图7c中，R=IO个波长，在图7d中，R=20个波长。清楚地可见，R的任何值将生成基本 上相同的辐射图案。图6中的第三方向性天线603可以因而放置在距第一方向性天线和第 二方向性天线的任何距离处。出于实际原因，一般更有益的是，使用概率来定位远离簇中的 天线的第三方向性天线。然而，具有对于第一方向性天线和第二方向性天线的偏振基本上 正交的偏振的第三方向性天线可以位于距第一方向性天线和第二方向性天线的任何距离 处，即其也可以位于λ圆形内。第一方向性天线和第二方向性天线(各天线靠近在一起)的安装方面的需求示出 于图8中，图8示出方位角辐射图案(一般是水平图案)，源自馈送根据图6布置的三个方向 性天线，具有用于半径r的不同值的相同(相干)信号，其中，R=IO个波长，并且其中，第三方 向性天线具有对于第一方向性天线和第二方向性天线的偏振基本上正交的偏振。在图8a 中，第一方向性天线和第二方向性天线的半径r是0个波长，这仅仅在理论上是可能的，在 图8b中，r=l/4波长，在图8c中，r=l/2波长，在图8d中，r=l个波长，在图8e中，r=2个波 长，在图8f中，r=5个波长，在图8g中，r=10个波长，在图他中，r=20个波长。如期望的那 样，第一方向性天线和第二方向性天线的指向方向之间的角区域中的行为与在如图4所示 的r=R的配置中当对于所有方向性天线具有相同偏振的辐射图案组合时的情况的行为相 似。如图8可见，当r<l-2 λ时，空置深度仍然未完全展开。在图6的配置 中，该情况对应于D1，第一方向性天线和第二方向性天线的相位中心之间的距离在 2*sin60° *λ ^ 1,7 λ与4*sin60° *λ=3，5λ之间。因而，使用本发明的实现方式应合适地按以下方式而被应用当各个辐射图案组合时，天线被识别并且设置为具有相同的偏 振，可以放置该天线使得它们的相位中心在λ圆形内(如上定义的)。本发明因而通过使用天线安装规则和偏振需求的组合，在生成无空置深度的辐射 图案(即由于幅度波动具有有限增益下降的辐射图案)的同时，允许多个天线连接到相同传 送/接收线路。总之，这意味着，用于无线通信系统的天线设备布置为具有至少一个传送 模式和至少一个接收模式，所述设备在天线配置中包括至少三个方向性天线，每一方向性 天线被布置为具有形状为波束的方位角辐射图案，每一波束覆盖角扇区，从而第一传送模 式下或在第一传送模式和第一接收模式下所有波束的组合后的辐射图案被布置为提供完 全360°全向覆盖。所述方向性天线在空间上被布置使得覆盖邻近角扇区的波束部分地重 叠，并且使得所有波束的辐射图案被布置为通过将方向性天线连接到相同的传送线路或相 同传送和接收线路而组合，其中
放置在λ圆形内的方向性天线应使用如图4和图8所示并且与这些附图关联而解 释的基本上相同的偏振。这意味，覆盖邻近角扇区并且其相位中心在具有小于两个λ的半 径的圆形内的至少两个方向性天线被布置在第一簇中，其中，所有方向性天线具有基本上 相同的偏振，其中，λ是接收/传送频带中的平均波长。·所述天线设备包括至少一个簇
如图5和图7所示的具有基本上正交偏振的邻近波束得以组合，而不产生空置深度。 这意味，所述分离方向性天线或所述天线簇的偏振基本上正交于覆盖邻近角扇区的分离方 向性天线或天线簇的偏振。·各天线簇与不包括于簇中的分离方向性天线之和是偶数。
·在所述相同天线配置中，方向性天线是仅一个簇的一部分。以此方式，创建基本上没有空置深度的全向方位角辐射图案。分离方向性天线是不包括于簇中的方向性天线。因而，本发明允许相同天线配置用于扇区化覆盖和全向覆盖，即图2中的两种站 点情况可以使用单个天线(以及馈送器，如果期望的话)安装而被支持。然而，通常，本发明 可以也用于扇区化覆盖和全向覆盖的组合。在组合一个或若干邻近波束之后，有效角扇区 的数量可以是1至站点配置中的扇区的数量(或如每角扇区一个波束那样的波束的数量)之 间的任何数量。一个扇区对应具有所有波束的辐射图案的组合的图案，即一个有效图案。用 于在扇区化覆盖和全向覆盖之间切换设备的解决方案(其为涉及基站设备的信号路由和功 率上升/功率下降的资源分配操作)是已知的，并且不是本发明的一部分。切换设备示意性 示出于图12中，其中，切换装置1201在第一传送模式1202与第二传送模式1203之间进行 切换。对应切换设备用于在第一接收模式与第二接收模式之间进行切换。本发明的优点在于，其将低成本、低复杂性解决方案提供给这样的问题使用多个 方向性天线(例如扇区天线)或连接到公共传送/接收线路的阵列天线生成组合的有效辐射 图案，基本上没有空置深度，产生全向覆盖。每一方向性天线产生一个波束，用于特定角扇 区。阵列天线也产生一个波束，用于角扇区。使用三个方向性天线对于三个扇区应用描述了本发明。所使用的方向性天线可 以是三个扇区天线，因为它们被优化为典型地在120°周围覆盖特定角扇区。这样的天线 产生一个波束，用于该特定角扇区。方向性天线也可以例如是每角扇区产生一个波束的阵列天线。然而，只要扇区的数量等于或大于3，本发明就也可以实现在具有其它数量的扇区 (奇数或偶数)的配置中。关于五个方向性天线901-905的实施例的示例示出于图9中。在 该示例中，包括扇区天线的所有方向性天线具有在方位角平面(一般是水平面)上的方向性 辐射图案或波束。第一扇区天线901和第二扇区天线902具有从天线的相位中心到公共 原点906的半径r。第三扇区天线903、第四扇区天线904和第五扇区天线905具有从扇 区天线的相位中心到公共原点906的半径R。第一扇区天线和第二扇区天线具有相同的偏 振pl，并且具有小于4个波长的在各相位中心之间的距离。第一扇区天线和第二扇区天线 的相位中心因此可以内切于λ圆形内，并且它们属于相同簇。第三扇区天线、第四扇区天 线和第五扇区天线全部放置远离(即大于4 λ )第一扇区天线和第二扇区天线。第三扇区天 线903具有基本上正交于pl的偏振ρ2，第四扇区天线904具有偏振pl，第五扇区天线905 具有偏振P2。这意味，对于具有相同偏振pl的簇天线的邻近扇区天线具有基本上正交的 偏振P2。当所有五个扇区天线连接到相同传送/接收线路，并且来自这五个扇区天线的天 线图案组合时，由于邻近第三扇区天线和第五扇区天线具有对于簇天线的基本上正交的偏 振，因此在第一扇区天线与第三扇区天线之间并且在第二扇区天线与第五扇区天线之间在 扇区边界中将没有干涉图案。第四扇区天线904具有与簇天线基本上相同的偏振pl。由于 第三扇区天线和第五扇区天线具有基本上正交于第四扇区天线的偏振Pl的偏振P2，因此 在第四扇区天线与第三扇区天线以及第四扇区天线与第五扇区天线之间在扇区边界中将 没有干涉仪测得的图案。由于第四扇区天线没有与第一扇区天线和第二扇区天线的扇区边 界，因此在第四扇区天线与第一扇区天线或者第四扇区天线与第二扇区天线之间也将没有 重叠辐射图案，因为所有扇区天线的天线图案是方向性的，并且因而当来自第四扇区天线、 第一扇区天线和第二扇区天线的辐射图案组合时，将没有干涉仪测得的图案，虽然它们具 有相同的偏振P1。来自第四扇区天线和第一扇区天线以及第四扇区天线和第二扇区天线的 辐射图案的仅可能的重叠是第四扇区天线的后瓣图案，其可以与第一扇区天线和第二扇区 天线的辐射图案重叠。然而，后瓣典型地低于典型扇区天线的主瓣的级别25-40dB，因而当 辐射图案组合时具有可忽略的影响。当在天线设备中存在多于三个的扇区天线，并且全向 图案将通过向方向性天线馈送相同信号而产生时，覆盖邻近扇区的簇天线将具有基本上相 同的偏振，并且簇将具有带有基本上正交偏振的邻近天线或天线簇。只要方向性天线的相 位中心可以内切于λ圆形内，簇就可以包括多于两个的方向性天线。天线配置可以包括一 个或若干簇。天线可以仅是相同的天线配置中的一个簇的一部分。
天线无需沿着如在与天线的孔径垂直的矢量的方向上距公共原点的径向位移所 表示的它们的各个主波束指向方向位移，如图1、图2、图6和图9所示的那样。图10示出 在更普通的配置中在Χ/Υ平面上位移的方向性天线。第一方向性天线1001和第二方向性 天线1002属于某个簇，并且具有基本上相同的偏振。第三方向性天线1003放置为远离其 它两个方向性天线，并且具有不同偏振，其基本上正交于第一方向性天线和第二方向性天 线的偏振。如图7所示，到具有与第一方向性天线和第二方向性天线不同的偏振的第三方 向性天线的距离不是关键的，第三方向性天线可以实际上放置在距其它两个方向性天线任 何距离处。第一方向性天线可以放置在对于Y轴具有角度Φ1的点Χ1/Υ1处，第二方向性 天线在对于Y轴具有角度Φ2的点Χ2/Υ2处，第三方向性天线在对于Y轴具有角度Φ3的 点Χ3Λ3处。方向性共同偏振天线将放置在基本上相同的Χ/Υ平面(其例如可以是水平面)上。如之前所提及的，每一方向性天线的特性可以不同。方向性天线可以在例如天线增益、 方位角和仰角波束宽度以及仰角指向方向之类的特性方面不同。本发明还包括一种用于天线设备的方法，所述方法包括图11所示的以下步骤
将方向性天线定位1101在第一簇中。覆盖邻近角扇区并且其相位中心在具有小于 两个λ的半径的圆形内的至少两个方向性天线被布置在第一簇中，其中，所有方向性天线 具有基本上相同的偏振，其中，λ是接收/传送频带中的平均波长。所述天线设备包括至 少一个簇。·对于邻近角扇区的重叠波束，选取基本上正交的偏振1102。所述分离方向性天 线或所述天线簇的偏振基本上正交于覆盖邻近角扇区的分离方向性天线或天线簇的偏振。·配置1103所述天线设备，使得各天线簇与不包括于簇中的分离方向性天线之 和是偶数。·在相同的天线配置中，检查1104—个方向性天线是仅一个簇的一部分。本发明还提供一种基站，用于与电信网络中的移动终端进行通信，所述电信网络 装配有根据权利要求1-11中的任一权利要求的天线设备。用于示出本发明的实施例在下行链路上对应于辐射相同量的功率的每一天线，因 而可以仅考虑天线增益而组合天线图案。通常，本发明允许来自辐射不同量的功率的天线 的辐射图案的组合，其中，具有相同或不同辐射图案的天线对应于方位角的角扇区覆盖的 受控变化。用于示出将多个辐射图案组合为组合后的有效图案的辐射图案被解释为自由空 间辐射图案，即仅在理想无线电波传播环境(例如自由空间)或在高质量天线测量范围中可 获得的辐射图案。通常，本发明可应用于展现出角分散的变化程度的任意无线电波传播环景。本发明不限于以上实施例，而是可以在所附权利要求的范围内自由变化。
权利要求
1.一种无线通信系统的天线设备，布置为具有至少一个传送模式和至少一个接收模 式，所述设备在天线配置中包括至少三个方向性天线(112，201-203，601-603，901-905， 1001-1003)，每一方向性天线被布置为具有形状为波束的方位角辐射图案，每一波束覆盖 角扇区，从而第一传送模式下的所有波束的组合后的辐射图案被布置为提供完全360°全 向覆盖，所述方向性天线空间上被布置从而覆盖邻近角扇区的波束部分重叠，并且从而所 有波束的辐射图案被布置为通过将所述方向性天线连接到所述相同的传送线路(215)而组 合，其特征在于 覆盖邻近角扇区并且其相位中心在具有小于两个λ的半径的圆形内的至少两个方 向性天线被布置在第一簇中，其中，所有方向性天线具有基本上相同的偏振，其中，λ是接 收/传送频带中的平均波长， 所述天线设备包括至少一个簇， 所述分离方向性天线或所述天线簇的偏振基本上正交于覆盖邻近角扇区的分离方向 性天线或天线簇的偏振， 各天线簇与不包括于簇中的分离方向性天线之和是偶数， 在所述相同的天线配置中，方向性天线是仅一个簇的一部分因而创建基本上没有空置深度的全向方位角辐射图案。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，第一接收模式下的所有波束的辐射 图案被布置为通过将所述方向性天线(112，201-203，601-603，901-905，1001-1003)连接到 相同的接收线路(215)而组合。
3.根据权利要求1或2的天线设备，其特征在于，簇中的所述方向性天线(201-202， 601-602，901-902，1001-1002)位于基本上水平面上。
4.根据权利要求1-3中的任一权利要求的天线设备，其特征在于，所述天线配置中的 另外分离方向性天线或天线簇的波束将具有对于覆盖邻近角扇区的波束基本上正交的偏 振。
5.根据前述权利要求中的任一权利要求的天线设备，其特征在于，所述方向性天线安 装在公共杆、塔、房顶或屋顶上，或者安装在墙壁或相似结构上。
6.根据前述权利要求中的任一权利要求的天线设备，其特征在于，所述天线配置包括 三个方向性天线，每一方向性天线覆盖一个角扇区，其中，第一方向性天线和第二方向性天 线皆具有基本上相同的偏振，并且属于所述第一簇，第三分离方向性天线具有基本上正交 于所述第一簇的偏振的偏振。
7.根据权利要求6的天线设备，其特征在于，所述方向性天线的各指向方向(116)之 间的分离角(118)基本上是120°。
8.根据前述权利要求中的任一权利要求的天线设备，其特征在于，相位调整器被布置 为实现在一个或多个传送线路(211，212，213)中，用于精细调谐从所述各个方向性天线的 图案组合的辐射图案。
9.根据前述权利要求中的任一权利要求的天线设备，其特征在于，从一个传送线路 (215)发源的传送线路(211，212，213)中的划分信号被布置为被放大，以补偿因所述传送线 路信号的划分而导致的损耗，并且/或者所述传送线路(215)中的信号被布置为被放大，以 补偿因所述传送线路信号的划分而导致的损耗。
10.根据权利要求1的天线设备，其特征在于，在第二接收模式下，分离接收线路 (208，209，210)被布置为连接到所述方向性天线中的每一个，因而创建用于上行链路的扇区化覆盖。
11.根据权利要求1的天线设备，其特征在于，在第二传送模式下，分离传送线路 (208，209，210)被布置为连接到所述方向性天线中的每一个，因而创建用于下行链路的扇 区化覆盖，切换装置(1201)被布置为在第一传送模式(1202)与第二传送模式(1203)之间 进行切换。
12.一种用于无线通信系统中的天线设备的方法，所述天线设备具有至少一个传送模 式和至少一个接收模式，所述设备在天线配置中包括至少三个方向性天线(112,201-203， 601-603，901-905，1001-1003)，每一方向性天线具有形状为波束的方位角辐射图案，每一 波束覆盖角扇区，从而第一传送模式下的所有波束的组合后的辐射图案提供完全360°全 向覆盖，所述方向性天线空间上被布置从而覆盖邻近角扇区的波束部分重叠，并且从而所 有波束的辐射图案通过将所述方向性天线连接到所述相同的传送线路(215)而组合，其特 征在于 覆盖邻近角扇区并且其相位中心在具有小于两个λ的半径的圆形内的至少两个方 向性天线定位(1101)在第一簇中，其中，所有方向性天线具有基本上相同的偏振，其中，λ 是接收/传送频带中的平均波长， 所述天线设备包括至少一个簇， 所述分离方向性天线或所述天线簇的偏振被选取(1102)为基本上正交于覆盖邻近 角扇区的分离方向性天线或天线簇的偏振， 各天线簇与不包括于簇中的分离方向性天线之和被配置(1103)为偶数， 在所述相同天线配置中，方向性天线被检查(1104)为仅一个簇的一部分因而创建基本上没有空置深度的全向方位角辐射图案。
13.根据权利要求12的用于天线设备的方法，其特征在于，第一接收模式下的所有波 束的辐射图案通过将所述方向性天线(112，201-203，601-603，901-905，1001-1003)连接到 所述相同的接收线路(215)而得以组合。
14.根据权利要求12或13的用于天线设备的方法，其特征在于，簇中的所述方向性天 线(201-202，601-602，901-902，1001-1002)位于基本上水平面上。
15.根据权利要求12-14中的任一权利要求的用于天线设备的方法，其特征在于，所 述天线配置中的另外分离方向性天线或天线簇的波束将具有对于覆盖邻近角扇区的波束 基本上正交的偏振。
16.根据权利要求12-15中的任一权利要求的用于天线设备的方法，其特征在于，所 述方向性天线安装在公共杆、塔、房顶或屋顶上，或者安装在墙壁或相似结构上。
17.根据权利要求12-16中的任一权利要求的用于天线设备的方法，其特征在于，所 述天线配置包括三个方向性天线，每一方向性天线覆盖一个角扇区，其中，第一方向性天线 和第二方向性天线皆具有基本上相同的偏振，并且属于所述第一簇，第三分离方向性天线 具有基本上正交于所述第一簇的偏振的偏振。
18.根据权利要求17的用于天线设备的方法，其特征在于，所述方向性天线的各指向 方向(116)之间的分离角(118)基本上是120°。
19.根据前述权利要求12-18中的任一权利要求的用于天线设备的方法，其特征在 于，相位调整器实现在一个或多个传送线路(211，212，213)中，用于精细调谐从所述各个方 向性天线的图案组合的辐射图案。
20.根据权利要求12-19中的任一权利要求的用于天线设备的方法，其特征在于，从 一个传送线路(215)发源的传送线路(211，212，213)中的划分信号被放大，以补偿因所述 传送线路信号的划分而导致的损耗，并且/或者所述传送线路(215)中的信号被放大，以补 偿因所述传送线路信号的划分而导致的损耗。
21.根据权利要求12的用于天线设备的方法，其特征在于，在第二接收模式下，分离 接收线路(208，209，210)连接到每一方向性天线，因而创建用于上行链路的扇区化覆盖。
22.根据权利要求12的用于天线设备的方法，其特征在于，在第二传送模式下，分离 传送线路(208，209，210)连接到每一方向性天线，因而创建用于下行链路的扇区化覆盖，切 换装置(1201)在第一传送模式(1202)与第二传送模式(1203)之间进行切换。
23.一种方法，用于与电信网络中的移动终端进行通信，所述电信网络装配有根据权 利要求1-11中的任一权利要求的天线设备。
全文摘要
本发明提供一种用于无线通信系统的天线设备，其被布置为具有至少一个传送模式和至少一个接收模式，所述设备在天线配置中包括至少三个方向性天线(601，602，603)。每一方向性天线被布置为具有形状为波束的方位角辐射图案，每一波束覆盖角扇区，从而第一传送模式下的所有波束的组合后的辐射图案被布置为提供完全360°全向覆盖。通过组合方向性天线的定位和偏振(P1，P2)，当组合方向性天线的辐射图案时，可以创建方位角平面中基本上没有空置深度的全向辐射图案。本发明还提供一种对应方法以及一种基站，用于与装配有所述天线设备的电信网络中的移动终端进行通信。
文档编号H01Q21/24GK102067376SQ200880129887
公开日2011年5月18日 申请日期2008年6月19日 优先权日2008年6月19日
发明者M·约翰逊, S·彼得森, S·约翰逊 申请人:爱立信电话股份有限公司