專利名稱：為帶有正交極化的雙波束天線設計權重向量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及為雙波束天線設計權重向量的方法，其中，所示波束具有正交極化。
背景技術：
在移動電話通信系統(tǒng)中用于扇區(qū)覆蓋傳送的波束在陣列天線的情況下借助于波束形成來生成以便傳送用戶特定信息。標準的示例有TD-SCDMA和LTE-TDD，兩者一般情況下使用或將使用在四列中布置的雙極化天線。 組合波束以生成復合波束的構想已被公開，請參閱描述從具有正交極化的天線組合波束端口的US 5649287(參考文獻[I])。在[I]中，公開了與不但具有不同極化而且具有不同空間指向的天線相關聯(lián)的波束端口的組合，以實現(xiàn)在方位中覆蓋更大區(qū)域的復合波束而不會在組合天線方向圖(pattern)中形成零或近零。如圖I中公開的現(xiàn)有技術天線具有兩個波束，這些波束帶有正交極化，覆蓋相同區(qū)域以用于分集目的。用于借助于雙極化陣列天線生成波束的常用方法在圖2中示出，其中通過具有相同極化的元件生成了每個波束。常見方法的典型問題是-實際與期望波束形狀之間的匹配差，因為如圖3所示，創(chuàng)建的幅度方向圖圍繞期望的波束形狀方向圖“起伏”。-功率利用在用于權重向量的各個元素的幅度不是恒定的意義上是不高效的。-權重向量是天線特定的，S卩，它們設計用于某個元件間隔和元件波束寬度。因此，需要用于為帶有正交極化的雙波束天線設計權重向量的改進方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明有關的目的是提供一種方法以實現(xiàn)帶有正交極化的與現(xiàn)有技術解決方案相比在功率域中具有改進的天線輻射屬性的雙波束。此目的通過生成具有正交極化的兩個波束(這兩個波束均使用具有多個雙極化陣列元件的天線覆蓋選定區(qū)域)的方法而得以實現(xiàn)。每個雙極化陣列元件具有與第一極化相關聯(lián)的第一相位中心和與第二極化相關聯(lián)的第二相位中心，第二極化與第一極化正交。雙極化陣列元件的第一和第二相位中心布置在第一方向中，并且跨二維天線表面關于垂直于第一方向的對稱線對稱分布。每個波束通過向所述多個雙極化陣列元件饋電(feed)而生成，并且該方法包括設計具有用于第一極化的第一非零權重向量和用于第二極化的第二非零權重向量的第一權重矩陣；將第一權重矩陣應用到雙極化陣列元件以生成覆蓋選定區(qū)域的第一波束；基于第一權重矩陣的權重向量來計算第二權重矩陣；以及將第二權重矩陣應用到雙極化陣列元件以生成覆蓋選定區(qū)域的第二波束。本發(fā)明有關的優(yōu)點是，與現(xiàn)有技術天線相比，改進了實際與期望波束形狀之間的匹配。本領域技術人員可從詳細描述中發(fā)現(xiàn)另外的目的和優(yōu)點。


本發(fā)明將結合作為非限制性示例所提供的以下圖形來描述，其中圖I示出現(xiàn)有技術天線陣列配置。圖2示出帶有常規(guī)波束形成的現(xiàn)有技術天線。圖3示出用于圖2中天線的波束方向圖。圖4示出根據(jù)本發(fā)明用于生成扇區(qū)覆蓋波束的雙波束天線的一常規(guī)實施例。圖5示出其中應用雙極化波束形成的波束方向圖。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的雙波束天線的第二實施例。 圖7示出元件方向圖和期望方向圖的形狀或多或少相同的圖形的示例。圖8示出對應的圖形，示出了生成圖7中功率方向圖的天線的極化平行性。
具體實施例方式現(xiàn)有技術天線配置10在圖I中示出，包括在第一方向12中以相等距離移位的四個雙極化元件11。為了說明的目的，雙極化天線元件11包括與第一極化(實線)相關聯(lián)的第一元件IIa和與第二極化(虛線)相關聯(lián)的第二元件IIb，第二極化與第一極化正交。天線配置還包括耦合到每個天線元件的放大單元13，每個放大單元13包括用于下行鏈路傳送的功率放大器PA和用于上行鏈路接收的低噪聲放大器LNA及隔離上行鏈路接收和下行鏈路傳送的濾波器(未示出)。天線端口 A和B經(jīng)波束形成網(wǎng)絡14和每個相應放大單元13連接到雙極化天線元件11。波束形成網(wǎng)絡14按常規(guī)配置成通過連接天線端口A并應用適合的權重到與第一極化相關聯(lián)的第一元件11A，以及通過連接天線端口 B并應用適合的權重到與第二極化相關聯(lián)的第二元件11B，生成兩個波束。為了分集的目的，期望具有兩個波束，這些波束帶有覆蓋相同區(qū)域的正交極化。用于借助于雙極化陣列天線生成波束的常用方法在圖2中示出，其中通過具有相同極化的元件生成了每個波束。觀察到，圖2只示出下行鏈路，并且應用到每個元件IIa和IIb的權重通過實線箭頭15 (第一極化)和虛線箭頭16 (第二極化)示出。圖3中示出對應于常見方法的波束方向圖的一個示例。在此示例中，通過應用以下權重矩陣，生成與端口 I關聯(lián)的期望波束
r _(\心1_「0.3751+ )0.0363 I I - 0.7243 + y'0.0308'Wi。。。0_發(fā)現(xiàn)對于所有方位角將具有正交極化的用于波束2的對應權重矩陣為
r n 「 0 0 0 0 ■W2 = ^ = 0.3751 + ；0.0363 丨 I - 0.7243+ )0.0308兩個零權重向量，即％纟和，用于實現(xiàn)兩個正交波束。用于元件的半功率波束寬度(hpbw)在示例中設為70度，并且用于期望扇區(qū)覆蓋波束的hpbw設為65deg。元件分隔、即相鄰雙極化天線元件11的相位中心(每個極化一個相位中心)之間的距離設為0. 7個波長。圖3示出用于常規(guī)方法的波束方向圖。對每個極化相同的功率方向圖示為實線I。期望方向圖形狀hpbw 65deg在圖2中示為虛線2,并且元件功率方向圖示為虛線3, hpbw70dego假設所有功率放大器具有相同的額定輸出功率，則元件上的幅度錐度(taper)造成功率利用降低。功率效率指數(shù)(figure)顯示在兩個波束以每波束相同的平均功率分配傳送時的實際輸出功率相對總可用輸出功率。為了查找效率指數(shù)，權重矩陣必須在幾個步驟中被歸一化。第一步驟是設置總功率在兩個波束中等于I
權利要求
1.一種生成兩個波束的方法，所述兩個波束具有正交極化，使用包括多個雙極化陣列元件(11 ;31)的天線(20 ;30)覆蓋選定區(qū)域，每個雙極化陣列元件具有與第一極化相關聯(lián)的第一相位中心(18 ；28a)和與第二極化相關聯(lián)的第二相位中心(18 ;28B)，所述第二極化與所述第一極化正交，所述雙極化陣列元件的所述第一和第二相位中心被布置在第一方向(12)中，并且跨二維天線表面關于垂直于所述第一方向(12)的對稱線(22 ；32)對稱分布，每個波束通過向所述多個雙極化陣列元件饋電而生成，特征在于所述方法包括 -設計具有用于所述第一極化的第一非零權重向量和用于所述第二極化的第二非零權重向量的第一權重矩陣， -將所述第一權重矩陣應用到所述雙極化陣列元件以生成覆蓋所述選定區(qū)域的第一波束， -基于所述第一權重矩陣的權重向量來計算第二權重矩陣，以及 -將所述第二權重矩陣應用到所述雙極化陣列元件以生成覆蓋所述選定區(qū)域的第二波束。
2.如權利要求I所述的方法，其中計算所述第二權重矩陣中元素的所述步驟包括通過以下操作來計算所述第二權重矩陣中的元素 -在實軸中對所述第一權重向量的每個元素進行鏡像，以及在虛軸中對所述第二權重向量的每個元素進行鏡像， -將所計算的元素行反轉，以及 -將所計算的行反轉的元素列反轉。
3.如權利要求I或2的任一項所述的方法，其中所述第一權重矩陣M7"定義為
4.如權利要求1-3的任一項所述的方法，其中所述方法還包括在直線上布置所述雙極化陣列元件的所述第一和第二相位中心。
5.如權利要求1-4的任一項所述的方法，其中所述方法還包括布置每個雙極化陣列元件以具有與所述第一極化相關聯(lián)的第一饋電點和與所述第二極化相關聯(lián)的第二饋電點，由此每個波束通過向所述第一和第二饋電點饋電而生成。
6.如權利要求1-5的任一項所述的方法，其中所述方法還包括選擇每個雙極化陣列元件以便在所述第一和第二相位中心在所述第一方向(12)中并且關于所述對稱線(22;32)對稱布置的條件下具有任意配置。
7.如權利要求1-5的任一項所述的方法，其中所述方法還包括將所有雙極化陣列元件選擇成相同。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述方法還包括將每個雙極化陣列元件分成具有帶正交極化的相同天線功率方向圖的兩個天線元件。
9.如權利要求1-8的任一項所述的方法，其中所述方法還包括通過將極化旋轉矩陣Φ 應用到所述第一和第二權重矩陣來執(zhí)行兩個波束的極化旋轉，所述極化旋轉矩陣定義為φ = ' cos(/ ) sin(/ )'-sin(y ) cos(^) β是用于所述極化的旋轉的隅角。
10.如權利要求1-9的任一項所述的方法，其中所述第一相位中心之間的分隔和所述第二相位中心之間的分隔是相同的，所述方法還包括通過將空間波束轉向矩陣Ψ應用到所述第一和第二權重矩陣來為兩個波束執(zhí)行空間波束轉向，所述波束轉向矩陣優(yōu)選在所述天線上作為線性相移定義為 'e~Jh5S O O O _ O e~J0$s O O ψ~ O O eJ0-5S 0 00 0 eJL5\ δ是電相位角，其與以波長為單位的元件分隔組合來定義所述波束的掃描角。
11.一種配置成生成兩個波束的天線(20)，所述波束具有正交極化，覆蓋選定區(qū)域，所述天線(20)包括多個雙極化陣列元件(11)，每個雙極化陣列元件具有與第一極化相關聯(lián)的第一相位中心和與第二極化相關聯(lián)的第二相位中心，所述第二極化與所述第一極化正交，所述雙極化陣列元件的所述第一和第二相位中心被布置在第一方向(12)中，并且跨二維天線表面關于垂直于所述第一方向(12)的對稱線(22)對稱分布，每個波束通過向所述多個雙極化陣列元件饋電來生成，特征在于所述天線還配置成由如權利要求ι- ο的任一項中定義的方法來控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及生成兩個波束的方法，這兩個波束具有正交極化，使用包括多個雙極化陣列元件(11)的天線(20)覆蓋選定區(qū)域。每個雙極化陣列元件具有與第一極化相關聯(lián)的第一相位中心(18)和與第二極化相關聯(lián)的第二相位中心(18)。該方法包括設計具有用于第一極化的第一非零權重向量和用于第二極化的第二非零權重向量的第一權重矩陣，基于第一權重矩陣的權重向量來計算第二權重矩陣，以及將第一和第二權重矩陣應用到雙極化陣列元件以生成覆蓋選定區(qū)域的第二波束。
文檔編號H01Q3/26GK102640352SQ201080049815
公開日2012年8月15日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權日2009年10月28日
發(fā)明者B·G·約翰尼遜, S·O·彼得森 申請人:瑞典愛立信有限公司