专利名称：使用变换矩阵产生多个辐射模式的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及天线系统，更具体地，涉及使用天线阵列的变换矩 阵来产生多个辐射模式。
背景技术：
在通信系统中，无论其遵照GSM， CDMA还是其他技术标准，基站 与移动终端之间的通信通常包括一个或多个用于传输数据信号的业务信 道，以及一个或多个用于交换控制信号的控制信道。对某些信号控制信 道，例如，CDMA系统的导频信道而言，必须全方向地广播控制信号，以 便覆盖整个小区或扇形小区。另一方面，希望引导用于通过业务信道与特 定移动设备通信而形成的窄波束，而不会干扰其附近的其他移动设备。波 束形成模式针对特定用户，而且其具有窄波束宽度。逻辑上，这可以通过两种途径实现第一种途径是通过一组天线产生 波束成形模式，并通过其他组天线产生全向模式。第二种途径是使用单组 天线，但全向模式需要被合成。但是，第一种途径将增加与全向模式产生 相关的成本。对第一种途径而言，两组天线的物理布置同样增加了困难。 已有针对波束成形和全向广播合成的问题的讨论。将全向广播模式与波束 成形手段综合的困难仍是--项需要更新、更好的技术方案的挑战。因此，需要提供改进的方法，其允许天线阵列同时提供波束成形和全 向模式，而不需要用于全向模式的额外天线或全向模式合成。发明内容公开了一种产生多个辐射模式的系统和方法。 一种天线系统包括天线阵列，其具有一个或多个天线，用于提供第一辐射模式和第二辐射模式； 变换矩阵，其用于根据变换函数M，将一个或多个输入转换为一个或多个 输出，其中，变换矩阵的输出为天线提供具有预定相位和幅度的信号，用 于产生第一辐射模式和第二辐射模式；以及发射机，其用于为变换矩阵的 输入提供对应于第一辐射模式的第一组信号和对应于第二辐射模式的第二 组信号。本发明的一个目的是提供一种天线系统，该天线系统包括天线阵列， 其具有N个天线，用于提供窄波束宽度的第一辐射模式和宽波束宽度的第 二辐射模式；变换矩阵，其用于根据变换函数M，将N个输入端变换为N 个输出端；以及发射机。变换矩阵的N个输出为N个天线提供具有预定相 位和幅度的信号，用于产生第一輻射模式和第二辐射模式。发射机被配置 为向变换矩阵的N个输入提供对应于第一辐射模式的第一组信号和对应于 第二辐射模式的第二组信号。变换矩阵将第一组信号和第二组信号相组 合，用于产生第一辐射模式和第二辐射模式所需的预定相位和幅度。本发明的另一目的是公开一种产生多个辐射模式的方法。该方法包括 确定要由天线阵列发射的对应于具有第一波束宽度的第一辐射模式的第--输出权重，以及对应于具有第二波束宽度的第二辐射模式的第二输出权 重，基于耦合到天线阵列的预定变换矩阵的变换函数和第一和第二输出权 重，获得第一和第二输入权重。然后，产生对应于第一辐射模式和第二辐 射模式的分别利用第一和第二输入权重编制的第一和第二组输入信号。
图l是示出根据本发明的一个实施例的典型基站的示意图。 图2是示出图1中的典型基站的另 一设置的示意图。图3是示出根据本发明的一个实施例的变换矩阵的图。 图4是示出根据本发明的一个实施例的为不同辐射模式产生权重的步 骤的流程图。
具体实施方式
以下虽然按照几个有限的例子来说明本发明，但是，可以理解的是， 本发明可以应用到任何多址技术。这些多址技术包括频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)，正交频分复用(OFDM)系统，以及 这些系统的任意组合，无论同步还是非同步，无论使用频分复用还是吋分 复用。图l示出根据本发明的一个实施例的作为基站的一部分的天线系统 100。天线系统100包括至少一个天线阵列110、 Tx/Rx复用器阵列120、变 换矩阵130、发射机140、以及电子电路模块150。天线阵列110包括用于全 小区360度覆盖或诸如120度扇形小区覆盖的多个天线110。此外，天线阵 列110通过Tx/Rx复用器阵列120的复用端121，连接到变换矩阵130， Tx/Rx 复用器阵列120可以实现为多个与每个天线110相对应的复用器、传能器(circulator)、或开关器。Tx/Rx复用器阵列120的接收端123连接到基站 IOO的接收机(未示出)。Tx/Rx复用器阵列120的发射端122连接到变换矩 阵130的输出端132。另一方面，变换矩阵130的输入端134连接到被基站 100的电子电路模块150控制的发射机140。而且，因为变换矩阵130的输入 端134和输出端132的数目相等，所以变换矩阵130可以表示为NxN变换矩 阵130。在这种情况，该NxN变换矩阵130从输入端134到输出端132的变换 函数可以表示为M。该NxN变换矩阵130从输出端132到输入端134的逆变 换函数可以表示为inv(M)或S 。作为示例，假设天线阵列110的天线110的数目是8，这意味着N为8。 为了产生第一期望辐射模式(标识为N》，具有与第一辐射模式N!相对应 的合适相位与幅度的NX1矢量化信号权重(表示为W》必须从变换矩阵 130的输出端132馈送到发射端122。类似地，为了产生第i期望辐射模式(表示为Ni)，对应的矢量化信号权重(表示为W,)可以被输入到发射端122，然后馈送到天线阵列110。可以根据通信系统中之前交换的信号的属性或者其他特定标准，确定 每个辐射模式Ni的矢量化信号权重Wi。例如，通过识别特定移动终端发射 的传入方向，确定将窄成形波束引导到特定移动终端的矢量化信号权重。 在另一例子中，在天线阵列110物理安装之后，确定预定矢量化信号，以 便全向地广播。发射机140的输出可以被变换矩阵130组合，并且被置于一 个或两个输出端132以及对应的天线110中。因为变换矩阵等式M及其逆变换等式Si已知，而且所期望的矢量化信 号权重可以动态或静态地被确定，所以，对应于每个矢量化信号权重W,的 发射机140的矢量化输入Wi'可以由以下式计算得到Wi' = Si *Wi上式由以下变换等式得到-Wi = M*Wi,其屮，Wi'是与Wi的NXl矢量相对应的lXN矢量。假设，Wo和Wb是频率 分集信号或时间分集信号的权重，Wn通常是用于公共控制，Wb是专用于 业务信号。为了公共控制广播的目的，利用Wo生成的辐射模式具有宽波朿 宽度。另一方面，利用Wb生成的辐射模式具有窄波束宽度。因此，通过应 用上述逆变换等式，W。，和Wb'可以被产生，并且被基站应用于N个信号， 这些信号然后被输入到变换矩阵130的输入端i34，以便产生具有最初要求 的权重W。和Wb的辐射模式。这个步骤确保产生具有预期权重的两个期望 的不同模式。在变换矩阵130提供的变换函数M之后，利用适当权重Wb和Wo产生的 两个预期发散模式从变换矩阵130的输出端132，进入到Tx/Rx复用器阵列 120的发射端122。因此，天线阵列110的天线110发射的射频信号可以同时以窄波束宽度和宽波束宽度形成。图2示出根据本发明的另一实施例的典型基站100的另一设置。在图l 所述实施例中，天线阵列110通过Tx/Rx复用器阵列120，连接到变换矩阵 130。伹是，在图2所述实施例中，天线阵列110直接连接到变换矩阵130的 输出端132。此外，变换矩阵130的输入端134耦合到Tx/Rx复用器阵列120的复用端121。最后，Tx/Rx复用器阵列120的发射端122耦合到发射机 140。如上所示，本发明允许在变换函数M之前或之后，执行发射和接收机 的复用功能。请参考图3，这是示出根据本发明的一个优选实施例的变换矩阵130的 框图。这里，变换矩阵130由2x2的90度混合电路(hybrid) 136的Butler矩 阵组成。NXN Butler矩阵是使用90度混合电路136的提供正交波束的波束 成形网络。在8X8变换矩阵130的情况，在3行中形成12个混合电路136， 每行4个混合电路。当变换矩阵130的输入端134之一被信号激励时，变换 矩阵130的所有输出端132在幅度上等同地被激励，但在各输出端132之间 具有渐进相位。因为Butler矩阵在电信或电子工业中是熟知的，所以不再 作进一步解释。请参考图4，其示出根据本发明的一个实施例的使用变换矩阵为多个 辐射模式产生权重的流程图。如上所示，基站包括天线阵列、Tx/Rx复用 器阵列、具有变换函数M的变换矩阵、以及发射机。在这个例子中，天线 阵列的天线直接耦合到Tx/Rx复用器阵列的复用端，如图l所示。此外， Tx/Rx复用器阵列的发射端耦合到变换矩阵的输出端，变换矩阵的输入端 耦合到发射机。在本实施例的另一例子中，天线阵列的天线耦合到变换矩 阵的输出端，变换矩阵的输入端耦合到Tx/Rx复用器阵列的复用端。而 且，Tx/Rx复用器阵列的发射端耦合到发射机。变换矩阵可以由具有90度 混合电路的Butler矩阵实现。在这个例子中，假设需要两种不同的辐射模式， 一种具有窄波束宽 度，另一种具有宽波束宽度。为了区分中两种不同的辐射模式，他们应当 具有相应的矢量权重。在步骤208，基于期望的第一辐射模式，动态地确 定对应于第一辐射模式(例如，具有窄波束宽度)的第一输出矢量化信号 权重。同样，在步骤212，确定对应于第二辐射模式(例如，具有宽波束 宽度)的第二输出矢量化信号权重。这两个步骤可以同步或以相反顺序执 行。因此，需要注意的是，这两个步骤的次序并不重要。因为变换矩阵的 变换等式已知，所以，其逆函数也可以确定。基站必须产生具有合适输入 权重的信号输入，以便当信号输入通过变换矩阵时，从变换矩阵的输出信号将承载所期望的第一和第二输出矢量化信号权重，以形成两种辐射模式。在步骤216，通过应用具有第一输出矢量化信号权重的逆变换函数， 计算得到第一输入矢量化信号权重。类似地，在步骤220，通过应用具有 第二输出矢量化信号权重的逆变换函数，计算得到第二输入矢量化信号权 重。同样，可以理解的是，步骤216和步骤220中第一和第二输入矢量化 信号权重的计算可以并行或以相反顺序进行。因此，在最后步骤224,基 站利用相应的输入矢量化信号权重，产生对应于第一和第二辐射模式的第 一和第二信号。在第一和第二信号被应用了对应权重之后，第一和第二信 号成为NX1的信号矢量，其中N是天线数目。在组合这两个矢量信号并 将其通过变换矩阵输入到天线阵列后，产生了两种所期望的辐射模式。作为替代，到变换矩阵的所有输入可以与矩阵相组合，并且，只产生 传输到指定天线或元件的单个输出或选定数目的输出。例如，如果天线阵 列中的特定天线设计为传输宽波朿模式，可以调整输入权重，以便无效掉 其他天线上的信号(例如，W=[l， 0, O,...O])。进一步地，也可以是一个 辐射模式由天线阵列产生，而另一辐射模式仅由阵列中的一个特定天线发 射。或者，天线阵列中的一个天线子集产生一种模式，而另一天线子集产 生其他模式。以上描述了实现本发明不同特点的不同实施例或者示例。此外，说明 了组件和流程的特定示例，以便帮助清楚理解木发明。例如，如果需要， 上述流程可以被应用于产生两个以上的模式。当然，这些仅仅是例子，并 不在于限制权利要求书中所述的本发明。虽然通过参考优选实施例以特定地显示和说明本发明，但是，对于本 领域技术人员而言应当理解的是，可以在形式和细节上作出各类变化而不 脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种天线系统，包括天线阵列，所述天线阵列具有一个或多个天线，用于提供第一辐射模式和第二辐射模式；变换矩阵，用于根据变换函数M，将一个或多个输入变换为一个或多个输出，其中，所述变换矩阵的输出为所述天线提供具有预定相位和幅度的信号，用于产生所述第一和第二辐射模式；以及发射机，用于为所述变换矩阵的输入提供与所述第一辐射模式相对应的第一组信号和与所述第二辐射模式相对应的第二组信号。
2. 如权利要求1所述的天线系统，还包括Tx/Rx复用器阵列，所述 Tx/Rx复用器阵列具有一个或多个复用器，用于将预定数目的发射端与预定接收端复用到预定复用端。
3. 如权利要求2所述的天线系统，其中，所述发射端耦合到所述变换矩阵的输出，并且所述复用端耦合到所述天线阵列。
4. 如权利要求2所述的天线系统，其中，所述发射端耦合到所述发 射机，并且所述复用端耦合到所述变换矩阵的输入。
5. 如权利要求1所述的天线系统，其中，所述变换矩阵是由预定的 90度混合电路组成的N X N Butler矩阵。
6. 如权利要求1所述的天线系统，其中，所述第一或第二辐射模式 的幅度和相位是根据之前接收的信号的预定属性而动态确定的。
7. 如权利要求1所述的天线系统，其中，所述幅度和相位通过应用 与所述第一和第二辐射模式相对应的预定矢量化信号权重而被编制。
8. —种用于通过具有预定数目天线的天线阵列来产生多个辐射模式 的方法，所述方法包括确定要由所述天线阵列发射的与具有窄波束宽度的第一辐射模式相对 应的第一输出权重，以及与具有宽波束宽度的第二辐射模式相对应的第二 输出权重；基于与所述天线阵列耦合的预定变换矩阵的变换函数以及所述第一和第二输出权重，获得第一和第二输入权重；以及产生分别与所述第一和第二辐射模式相对应的要利用所述第一和第二 输入权重编制的第一和第二组输入信号。
9. 如权利要求8所述的方法，还包括在所述第一和第二组输入信号 被馈送到所述变换矩阵前，使所述第一和第二组输入信号通过Tx/Rx复用 器。
10. 如权利要求8所述的方法，还包括使所述变换矩阵的输出通过 Tx/Rx复用器。
11. 如权利要求8所述的方法，其中，所述变换矩阵是由预定的90 度混合电路组成的NXN Butler矩阵。
12. 如权利要求8所述的方法，其中，所述第一辐射模式是根据之前 接收的信号的属性而动态确定的。
13. 如权利要求8所述的方法，其中，第二辐射模式是静态预定的。
14. 如权利要求8所述的方法，其中，所述获得步骤还包括获得预定 的第一和第二输入权重，用于提供耦合到一个或多个预定天线的一个或多 个所选择的输出，其中至少一个天线不接收任何输出。
15. —种天线系统，包括-天线阵列，所述具有一个或多个天线，用于提供第一辐射模式和第二 辐射模式，其中，所述第一辐射模式用于承载与预定移动终端相关联的预 定业务信道，所述第二辐射模式用于承载与一个或多个移动终端相关联的 控制信道；变换矩阵，用于根据变换函数，将一个或多个输入变换为一个或多个 输出，其中，所述变换矩阵的输出为所述天线提供具有预定相位和幅度的 信号，用于产生所述第一和第二辐射模式；以及发射机，用于为所述变换矩阵的输入提供与所述第一辐射模式相对应 的第一组信号和与所述第二辐射模式相对应的第二组信号。
16. 如权利要求15所述的天线系统，还包括耦合到所述变换矩阵和所 述天线的Tx/Rx复用器阵列，所述Tx/Rx复用器阵列具有一个或多个复用 器，用于将预定数目的发射端与预定接收端复用到预定复用端。
17. 如权利要求16所述的天线系统，其中，所述发射端耦合到所述变 换矩阵的输出，并且所述复用端耦合到所述天线阵列。
18. 如权利要求16所述的天线系统，其中，所述发射端耦合到所述发 射机，并且所述复用端耦合到所述变换矩阵的输入。
19. 如权利要求15所述的天线系统，其中，所述变换矩阵是由预定的 90度混合电路组成的N X N Butle-巨阵。
20. 如权利要求15所述的天线系统，其中，所述第一或第二辐射模式 的幅度和相位是根据之前接收的信号的预定属性而动态确定的。
21. 如权利要求15所述的天线系统，其中，所述幅度和相位通过应用 与所述第一和第二辐射模式相对应的预定矢量化信号权重而被编制。
全文摘要
公开了一种用于产生多个辐射模式的系统和方法。天线系统包括天线阵列，具有一个或多个天线，用于提供第一辐射模式和第二辐射模式；变换矩阵，用于根据变换函数，将一个或多个输入变换为一个或多个输出，其中，变换矩阵的输出为天线提供具有预定相位和幅度的信号，用于产生第一辐射模式和第二辐射模式；以及发射机，用于为变换矩阵的输入提供对应于第一辐射模式的第一组信号和对应于第二辐射模式的第二组信号。
文档编号H04M1/00GK101248649SQ200680015314
公开日2008年8月20日 申请日期2006年2月13日 优先权日2005年3月4日
发明者丹尼尔·维, 布雷恩·库尔特兹, 杨维东, 杭·金, 皮尔·达维斯, 约翰·格拉贝尔 申请人:纳维尼网络公司