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倾斜相关的波束形状系统

阅读：210发布：2024-02-27

专利汇可以提供倾斜相关的波束形状系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于在电倾斜期间改变天线阵列（83、88）的辐射方向图形状的系统。天线阵列（83、88）具有多个天线单元（84），并且该系统包括配备有一次端口（11）和多个二次端口（121-124、12）的移相设备（10、20、40、85），一次端口（11）被配置成接收发射信号，二次端口被配置成向每个天线单元（84）提供相移输出信号。该系统还包括相位锥度设备（20、40、85、87），其以倾角 θ改变天线单元上的相位锥度，从而改变波束形状。本发明适用于无线通信系统内的下行链路以及上行链路。，下面是倾斜相关的波束形状系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于在电倾斜期间改变下行链路中天线阵列(83；88)的辐射方向图形状的系统，所述天线阵列(83；88)具有多个天线单元(84)，所述系统包括配备有一次端口(11)和多个二次端口(121-124；12)的移相设备(10；20；40；85)，所述一次端口(11)被配置成接收发射信号，所述多个二次端口被配置成向每个天线单元(84)提供相移输出信号，其特征在于所述系统还包含相位锥度设备(20；40；85；87)，所述相位锥度设备以倾角(θtilt)改变天线单元上的相位锥度，从而改变波束形状，所述相位锥度设备与所述移相设备相集成，以形成非线性移相设备(20；40；85)，当改变倾角(θtilt)时，所述非线性移相设备(20；40；
85)在二次端口(121-124)上生成非线性渐进相移。
2.一种用于在电倾斜期间改变上行链路中天线阵列(83；88)的辐射方向图形状的系统，所述天线阵列(83；88)具有多个天线单元(84)，所述系统包括配备有多个二次端口(121-124；12)和一次端口(11)的移相设备(10；20；40；85)，所述多个二次端口(121-124；
12)被配置成从每个天线单元(84)接收相移输入信号，所述一次端口(11)被配置成将输入信号组合成接收信号，其特征在于所述系统还包括相位锥度设备(20；40；85；87)，所述相位锥度设备以倾角(θtitl)改变二次端口上的相位锥度，从而改变波束形状，所述相位锥度设备与所述移相设备相集成，以形成非线性移相设备(20；40；85)，当改变倾角(θtitl)时，所述非线性移相设备(20；40；85)在二次端口(121-124)上生成非线性渐进相移。
3.根据权利要求1所述的系统，其中相同的移相设备(10；20；40；85)被用于下行链路。
4.根据权利要求2所述的系统，其中相同的移相设备(10；20；40；85)被用于上行链路。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中移相设备包括具有U形线(24；44)的延迟线网络。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述移相设备包括提供所述非线性渐进相移的可移动构件(23；43)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述可移动构件(23)具有旋转运动。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述可移动构件(43)具有平移运动。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置成在下行链路中向以均匀天线阵列布置的天线单元传送相移输出信号。
10.根据权利要求2所述的系统，其中所述系统被配置成在上行链路中从以均匀天线阵列布置的天线单元传送相移输入信号。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置成在下行链路中向以非均匀天线阵列布置的天线单元传送相移输出信号。
12.根据权利要求2所述的系统，其中所述系统被配置成在上行链路中从以非均匀天线阵列布置的天线单元传送相移输入信号。
13.一种用于在电倾斜期间改变下行链路中天线阵列(83；88)的辐射方向图形状的方法，所述天线阵列(83；88)具有多个天线单元(84)，所述方法包括以下步骤：
从移相设备(10；20；40；85)的多个二次端口(121-124；12)向每个天线单元(84)提供相移输出信号，所述移相设备配备有一次端口(11)，所述一次端口(11)被配置成接收发射信号，
其特征在于：
使用相位锥度设备(20；40；85；87)以倾角(θtitl)在天线单元上提供经改变的相位锥度，以及
将所述相位锥度设备与所述移相设备相集成以形成非线性移相设备(20；40；85)，以及
以倾角θtitl在非线性移相设备(20；40；85)的二次端口(121-124)上生成非线性渐进相移。
14.一种用于在电倾斜期间改变上行链路中天线阵列(83；88)的辐射方向图形状的方法，所述天线阵列(83；88)具有多个天线单元(84)，所述方法包括以下步骤：
把来自每个天线单元(84)的相移输入信号提供至移相设备(10；20；40；85)的多个二次端口(121-124；12)，所述移相设备配备有一次端口(11)，所述一次端口(11)被配置成将输入信号组合成接收信号，
其特征在于：
使用相位锥度设备(20；40；85；87)以倾角(θtitl)在二次端口上提供经改变的相位锥度，以及
将所述相位锥度设备与所述移相设备相集成以形成非线性移相设备(20；40；85)，以及
以倾角θtitl在非线性移相设备(20；40；85)的二次端口(121-124)上生成非线性渐进相移。
15.根据权利要求13所述的方法，包括为下行链路使用相同移相设备(10；20；40；85)的步骤。
16.根据权利要求14所述的方法，包括为上行链路使用相同移相设备(10；20；40；85)的步骤。
17.根据权利要求13或14所述的方法，其中生成非线性渐进相移的步骤被实施为具有U形线(24；44)的延迟线网络。
18.根据权利要求17所述的方法，其中生成非线性渐进相移的步骤是通过移动可移动构件(23；43)来执行的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中移动所述可移动构件(23)包括旋转运动。
20.根据权利要求18所述的方法，其中移动所述可移动构件(43)包括平移运动。
21.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法包括以下附加步骤：在下行链路中向以均匀天线阵列布置的天线单元传送相移输出信号。
22.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法包括以下附加步骤：在上行链路中从以均匀天线阵列布置的天线单元传送相移输入信号。
23.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法包括以下附加步骤：在下行链路中向以非均匀天线阵列布置的天线单元传送相移输出信号。
24.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法包括以下附加步骤：在上行链路中从以非均匀天线阵列布置的天线单元传送相移输入信号。
25.一种适于在通信网络中在下行链路中使用的基站，所述基站包括具有多个天线单元(84)的天线阵列(83；88)和移相设备(10；20；40；85)，所述移相设备配备有一次端口(11)和多个二次端口(121-124；12)，所述一次端口(11)被配置成接收发射信号，所述多个二次端口被配置成向每个天线单元(84)提供相移输出信号，所述移相设备被配置成受控制器控制以执行波束(91；92)的电倾斜，其特征在于所述基站还包括相位锥度设备(20；
40；85；87)，所述相位锥度设备以倾角(θtitl)改变天线单元上的相位锥度，从而改变波束形状，以及所述相位锥度设备与所述移相设备相集成，以形成非线性移相设备(20；40；
85)。
26.一种适于在通信网络中在上行链路中使用的基站，所述基站包括具有多个天线单元(84)的天线阵列(83；88)和移相设备(10；20；40；85)，所述移相设备配备有多个二次端口(121-124；12)和一次端口(11)，所述多个二次端口(121-124；12)被配置成从每个天线单元(84)接收相移输入信号，所述一次端口(11)被配置成将所接收的输入信号组合成接收信号，所述移相设备被配置成受控制器控制以执行波束(91；92)的电倾斜，其特征在于所述基站还包括相位锥度设备(20；40；85；87)，所述相位锥度设备以倾角(θtitl)改变二次端口(121-124；12)上的相位锥度，从而改变波束形状，以及所述相位锥度设备与所述移相设备相集成，以形成非线性移相设备(20；40；85)。
27.根据权利要求25所述的基站，其中相同的移相设备(10；20；40；85)被用于下行链路。
28.根据权利要求26所述的基站，其中相同的移相设备(10；20；40；85)被用于上行链路。
29.根据权利要求25或26所述的基站，其中所述天线阵列是均匀天线阵列(83)。
30.根据权利要求25或26所述的基站，其中所述天线阵列是非均匀天线阵列(88)。
31.一种通信网络(80)，包括至少一个根据权利要求26-30中任一项所述的基站。

说明书全文

倾斜相关的波束形状系统

技术领域

[0001] 本发明涉及用于适配(adapt)无线通信网络中天线的波束形状的系统。

背景技术

[0002] 可变波束倾斜(tilt)是一种用于优化蜂窝电话和数据通信的无线电接入网络的重要工具。通过改变基站天线的主波束指向，能够控制干扰环境和小区覆盖区域这二者。

[0003] 通常通过借助于某种移相设备向天线单元或天线单元组的激励增加可变线性相移来执行可变电波束倾斜。由于成本原因，该移相设备应当尽可能简单并且包含尽可能少的部件。因此，其通常使用某些种类的可变延迟线来实现。在本说明书中，术语“线性”和“非线性”应被理解为指的是多端口移相网络的多个二次端口(secondary port)上的相对相位，而非端口本身的时间或相位特性。

[0004] 具有一个一次端口(primary port)和N个(N＞1)二次端口的传统的多端口移相器，是利用二次端口上的线性渐进可变相位锥度(taper)来实现的。除了线性渐进相位锥度之外，固定振幅和相位锥度通常被用作用于生成锥形(tapered)标称二次端口分布的手段。

[0005] 图1a和1b图示了具有一个一次端口11的传统移相器10，并且该移相器在四个二次端口121-124上生成下行链路线性渐进相移。可变角度“延迟板”13具有多个U形线(trombone line)14，每个U形线用于每个二次端口121-124。U形线14被以线性渐进半径来布置。通过适当选择结的形状(junction configuration)、线长度和线阻抗值，能够控制移相器的标称相位和振幅锥度，例如以实现图1a中以“0”指示的二次端口上的均匀相位。通过改变延迟线长度(即U形线14的长度)，在该情况中是通过相对于固定板15旋转延迟板13，二次端口121-124经历图1b中所指示的线性渐进相移。在上行链路中，二次端口
121-124从天线(未示出)接收信号，这些信号在移相器中被组合成一次端口11处的共同接收信号。

[0006] 目前已考虑过利用非线性移相设备来控制电向下倾斜，例如Drach的US5,798,675和Butland等人的US 5,801,600中所提到的。

[0007] JP2004 229220中公开了一种使用传统线性移相器进行倾斜相关(tilt-dependent)波束成形的系统。该系统具有取决于倾角的不同波束宽度，但是这是通过基站控制器(4)中的倾角控制部(41)与垂直波束宽度控制部(42)结合来实现的，见JP2004 229220中的图6。

[0008] 传统上，基站天线具有约一个波束宽度的可变波束倾斜范围。这种情况加上当前多数移动连接是具有固定比特率要求的电路切换语音的事实，尚未激起在提高接近天线处的信号与干扰加噪声比(SINR)方面的兴趣。一般而言，其已经足够好了。

[0009] 对于特定小区配置，例如对于高处放置的天线结合小型小区，更需要使用具有大波束倾斜的天线。对于具有常规窄仰角波束辐射方向图的天线，大波束倾斜使得接近基站的用户与比接近小区边界的用户相比经受更低的路径增益，原因是远近用户的路径损耗之差小于方向性天线增益之差。对于基于分组的数据通信而言，这并非是对可用功率的最优使用。因此，对于具有大波束倾斜的天线，需要主波束下某种程度的辐射方向图零值填充，或者甚至某种类似余割的波束成形。

[0010] 另一方面，在大型小区中，当不采用波束倾斜或采用小波束倾斜时，应该针对最大峰值增益来优化天线方向图。小区边界处的用户的路径增益总会小于更接近于基站的用户的路径增益，原因是在大型小区且接近水平观测角的情况下，路径损耗随垂直观测角而快速变化。

发明内容

[0011] 本发明的一个目标是提供一种系统，该系统允许针对小倾角时的高最大增益以及大倾角时的主波束下的高度零值填充这二者来优化天线的辐射方向图。

[0012] 一种实现该目标的解决方案是通过提供一种用于根据倾角来改变天线波束形状的系统来实现的，所述天线优选具有以阵列形式布置的多个天线单元。电倾斜是通过包含移相设备来实现的，该移相设备将在移相设备的二次端口上提供相移。相位锥度设备利用倾角来在天线单元上提供经改变的相位锥度。

[0013] 本发明的一个优势是：通过保持最优天线方向图，可以在自适应系统中使用单一天线以满足对增加通信链路质量进而增加与一个或多个并发用户相关联的比特率的需要，所述最佳天线方向图取决于到基站的距离。

[0014] 对于本领域技术人员而言，在阅读详细描述后，本发明的其它目标和优势将会很明显。

[0015] 附图简述

[0016] 图1a和1b示出了线性移相器。

[0017] 图2a和2b示出了非线性移相器的第一实施例。

[0018] 图3a和3b示出了阐释来自线性移相器和非线性移相器的相移的图。

[0019] 图4示出了非线性移相器的第二实施例。

[0020] 图5示出了0度波束倾斜时的天线单元激励。

[0021] 图6示出了9度波束倾斜时的天线单元激励。

[0022] 图7a-7d示出了利用本发明的仰角辐射方向图

[0023] 图8示出了具有包括本发明的基站的无线电信网络。

[0024] 图9示意性地图示了根据本发明的倾斜相关波束形状。

[0025] 详细描述

[0026] 包括具有多个天线单元的天线的基站被布置在小区中，其中在所有其他条件相同的情况下，天线的特性决定了小区的大小以及小区覆盖区域。为在整个小区内实现相同的信号强度，无论到基站的距离如何，在该小区中，天线增益G(θ)除以路径损耗L(θ)作为观测角θ的函数，应为常数：

[0027]

[0028] 尽管如此，常数C随小区配置而变，即随着天线安装高度和小区大小而变，这又意味着最优天线辐射方向图随波束倾角而改变，如图7b-7d中的线71所示。能够通过利用倾角来改变天线上的相位锥度，例如通过提供结合如图2a、2b、3b和4所描述的非线性移相器，来实现倾斜相关辐射方向图。非线性移相器促进了不同波束倾角的不同相位锥度，由此将提供倾斜相关的天线波束形状。

[0029] 在以下描述中将可互换地使用术语“相移”和“时间延迟”，并且应当理解，除非另外指出，这些术语在本上下文中指代等效属性。

[0030] 本发明的一个基本部分是在移相器网络的二次端口上提供非线性相位锥度。一种用于实现这一点的方法是使用多二次端口真(true)时间延迟网络，其中相对延迟线长度通常是非线性渐进的。真时间延迟网络生成频率相关的相移，该属性使得其特别适用于天线应用，如波束控制。

[0031] 图2a和2b中阐释了下行链路中非线性移相器20的第一实施例的基本原理，类似于图1a和图b中所示出的移相器，其使用真时间延迟网络。延迟网络(以及像这样的方法)的关键属性是：通过在延迟板23上以非周期方式布置U形线24(在该特定实施例中)，在二次端口上提供非线性相对时间延迟。通过适当选择结的形状、线长度和线阻抗值，能够控制具有非线性延迟相关性的真时间延迟网络的标称相位和振幅锥度，例如以实现图2a中二次端口121-124上由“0”标示的二次端口上的均匀相位。与图1中的真时间延迟网络形成对照，通过相对于固定板25旋转延迟板而改变延迟线长度在二次端口121-124上产生非线性渐进时间延迟(并且因而相移)，如图2b中和所标示的那样。在上行链路中，移相器20的二次端口121-124从天线(未示出)接收信号，这些信号经非线性时间延迟并在移相器内组合成一次端口11处的共同接收信号。

[0032] 作为非限制性实例，图3a和3b中分别针对延迟板13和23的不同旋转(见图例)比较了下行链路中来自线性移相器和非线性真时间延迟网络的相移。在图3a中，二次端口121-124上的相位超前(相对相位)与延迟板13的旋转成线性关系，这使其自身表现为：就给定板旋转而言的直线30、31、32和33。这意味着对于任意给定延迟板旋转，(二次端口n与端口1之间的)相对相位值为：

[0033]

[0034] 其中n为二次端口号，α为板旋转角，并且k为取决于实施特征(例如传输线的波数和U形线14的径向间隔)的常数。

[0035] 图3b中图示了非线性真时间延迟网络中的二次端口121-124上的非线性相位超前(相对相位)。在图3b中，当旋转延迟板23时，二次端口121-124上的相位超前(相对相位)是非线性的，这使其自身表现为：就0度旋转而言一条直线35以及就不等于0度的给定板旋转而言三条非直线36、37和38。因而，相对相位值不同，即：

[0036] 对于至少一个n，n∈{2，N-1}

[0037] 其中N为延迟支路的数目。在图3b中，当板角度改变时，延迟支路3的相位变化比支路2的相位变化的2倍还要快。

[0038] 图4示出了非线性移相器40的第二实施例。该延迟线网络基于延迟板43相对于固定板45的平移(而不是旋转)。延迟网络U形线44被显示成具有相同长度，但是它们也可以具有不同长度(延迟板43上的线和固定板45上的线这二者)。

[0039] 图5示出了15个单元的线性天线阵列的单元激励，其是针对最大增益和-20dB的上旁瓣抑制来进行优化的。该单元激励产生图7中的辐射方向图，即0度波束倾斜。在现有技术中，线性渐进相位被添加到图5中所示的相位锥度中，以实现不同的倾角θtilt。

[0040] 图6示出了9度波束倾斜的单元激励，其中振幅锥度与0度波束倾斜的振幅锥度相同，但是相位锥度已经根据本发明针对零值填充进行了优化。该激励产生图7d中的具有9度波束倾斜的辐射方向图。

[0041] 对于0度与9度之间的波束倾角，通过对0度和9度处的相位激励进行线性内插来找到相位激励。图7b和7c中示出了这些辐射方向图70中的一些，其中每个子图的相位倾斜改变3度。为了进行比较，在同一图中示出了相对路径损耗71，相对路径损耗已在波束峰值处进行了标准化。相对路径损耗随波束倾角θtilt而改变。

[0042] 本发明并不限于上述恒定小区照射(illumination)的实例，而是适用于所有由于种种原因而希望有随波束倾角而改变的辐射方向图的情况。此外，本发明并不限于线性天线阵列，其还可以实施在具有非线性天线阵列的基站中。

[0043] 本发明允许针对小倾角时的高最大增益以及大倾角θtilt时接近天线处的良好覆盖(高度零值填充)来优化天线方向图。

[0044] 图8示出了包括第一基站BS1的无线电信系统80，其例如使用GSM标准。第一基站BS1经由第一基站控制器BSC1连接至电信系统80的核心网络81。在该实施例中，均匀线性天线阵列83包括六个天线单元84。非线性移相器85的二次端口12连接至均匀线性天线阵列83的每个天线单元84，而移相器85的一次端口11连接至第一基站BS1。如上文中结合图2a、2b和4所描述的那样，第一基站控制器BSC1通过改变非线性延迟板的位置来控制可变波束倾斜，由此改变来自于均匀线性天线阵列83的波束的波束形状。

[0045] 电信系统80还包括第二基站BS2。第二基站BS2经由第二基站控制器BSC2连接至核心网络81。在该实施例中，非均匀线性天线阵列88包括四个天线单元84，它们不必是如图所示的交叉极化的。线性移相器10(现有技术)的二次端口12经由相位锥度设备87连接至非线性天线阵列88的每个天线单元84，所述相位锥度设备87以倾角θtilt改变天线单元上的相位锥度。移相器10的一次端口11连接至第二基站BS2。如上文中结合图1a和1b所描述的那样，第二基站控制器BSC2通过改变线性延迟板的位置来控制可变波束倾斜，由此改变来自于非均匀线性天线阵列88的波束的波束形状。

[0046] 应当注意，天线阵列可以具有均匀或非均匀布置的天线单元84，并且交叉极化的天线单元仅作为非限制性实例示出，当然可以在不偏离本发明范围的情况下使用其它类型的天线单元。此外，可以在不偏离权利要求的范围的情况下交织操作于不同频带的天线单元。

[0047] 应将所阐释的电信系统(GSM)看作非限制性实例，并且其它电信标准(如WCDMA、WiMax、WiBro、CDMA2000等)可以实施所描述的发明而不脱离本发明的范围。在某些电信标准中可以省略所描述的GSM系统中的某些部分，例如基站控制器BSC1和BSC2，这对于本领域内的技术人员而言是很明显的。

[0048] 图9图示了布置在升高位置(例如天线杆90)中的天线阵列83。非线性移相器85连接至天线阵列83(如结合图8中所描述的那样)，并且由基站控制器BSC1控制。图9中图示了非倾斜波束91(对应于图7a中的0度图)以及倾斜波束92(对应于图7d中的9度图)。

[0049] 尽管已经使用下行链路详细描述了本发明，但是如上所述，本领域内的技术人员会很容易地使这些教导适应于上行链路。

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