CN1221526A - 用圆极化天线的无线电台 - Google Patents
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Abstract
揭示了一种无线电台,它包括分别与第1和第2混合传输极化耦合器(143、144)有关联的两组天线(10,12)。当响应于来自对应的极化耦合器的两组各自正交的无线电信号时,使每组天线产生两个正交的电场分量。电台还包括:至少一个混合分布耦合器(141),其第1输出(C1)连接到所述第1极化耦合器(143)的第1输入(A3),其第2输出(D1)连接到所述第2极化耦合器(144)的第1输入(A4),以及至少一个无线电信号源(T1),它将无线电信号送到所述分布耦合器(141)的第1输入(A1)。
Description
本发明涉及无线电台，特别是用作蜂窝无线电***的基台。
移动无线电通信***传统上采用垂直和线极化天线装备基台。当要求将一个以上的天线电信号源耦合到天线时，采用只有耦合到天线的一个输出的混合型耦合设备。在这种情况下，其他混合耦合器输出必须连接负载电阻以达到阻抗匹配。这种负载电阻消耗一半无线电功率不能作为有用的辐射功率，并且引起不希望的温升。
在与移动无线电台通信中采用线极化的一个缺点是通信质量取决于移动无线电台的方向。测试表明，倾斜45°的同轴型车辆天线对垂直线极化传输可造成80％的信号损失。
此外，已知分集式处理能使无线电通信***的性能得以提高。蜂窝***的基台在接收中通常采用空间型分集式，用两个空间上分开的垂直极化天线。还提出用极化分集式而不用空间分集式。对采用在同一地方设置这两种天线来说，其一敏感于垂直极化，另一敏感于水平极化。
本发明的一个目的是提高通过无线通信基台传输提供的可能性。
因而本发明提供一种无线电台，它包括分别用第1和第2混合传输极化耦合器组合的两组天线，当响应于来自对应的极化耦合器的两组各自正交的无线电信号时，使每组天线产生两个正交的电场分量。该电台还包括：至少一个混合分布耦合器，其第1输出连接到第1极化耦合器的第1输入，其第2输出连接到第2极化耦合器的第1输入；以及至少一个无线电信号源，将无线电信号送到分布耦合器的第1输入端。
这样，每组天线发射来自圆极化源的一部分无线电信号。结果，移动无线电台接收的质量不再取决于其天线在线极化方向关系上的取向。
在本发明的第1个方案中，混合耦合器互相连接，且以这种方式与天线连接，使得以同向圆极化的两个天线电波的形式由两组天线发射来自信源的天线电信号。通过两组天线的适当的相对定位和耦合器相互连接的同轴电缆长度的适当选择，则能获得发射方向性增益(达3dB左右)。这种方向性增益意味着该基台特别适合于微型蜂窝***，尤其适合要求无线电波穿透内部建筑物的情况。
在本发明的另一个方案中，混合耦合器互相连接，且以这种方式与天线连接，使得以反向圆极化的两个无线电波的形式由两组天线发射来自信源的天线电信号。这给出一种能对抗衰落影响的传输极化分集。在传播介质产生相对地少的分集，即当电波遭受相对地少的反射时(在农村、沙漠、海上环境中传播)，这种方案十分适宜，因此获得的分集增益能达3至10dB。
应当指出，从上述的一种方案转换到另一种方案十分方便，只需变动连接到耦合器的同轴电缆的连接就可。
因此，该同类设备可用于满足网络操作者的不同需要。
对几个无线电信源的情况能方便地获得上面揭示的优点。当连接几个无线电信源时，两个耦合级具有优点，能使全部可资利用的功率作有用的辐射(除收发转换开关中的损耗外)，避免机架耗散的无用的热。
采用本发明的两组天线还使天线电台接收部分能有利的安排。这些安排不仅结合在发射部分提到的那些优点，而且还可独立地应用。按照这些安排之一，无线电台至少包括一台接收机，保证两个输入无线电信号的分集处理，输入无线电信号之一由两组天线中之一按照第1方向从接收的电场分量获得，另一输入无线电信号由另一组天线按照与第1方向正交的第2方向从接收的电场分量获得。
因此，接收机在抗衰落方面组合空间分集和极化分集的优点。有可能以这种方式装置几台接收机。
通过参照附图，本发明的其他特征和优点将在下述的非限制性的方案描述中变得更清楚，这些附图是：
图1为按照本发明带一个无线电收发单元的无线电台简图；
图2为能用于按照本发明的基台中的混合耦合器的解说图；
图3为图1中基台方案变体的简图；
图4至图6为按照本发明带2个无线电收发单元的无线电台简图；
图7和图8为按照本发明带4个无线电收发单元的无线电台简图。
图1和3-8所示的无线电台包括两组天线10、12，每一组由两个共位交叉的偶极子构成。每一组天线的两个偶极子是正交的，一个垂直地、另一个水平地置放。
每一组天线10、12连接到各自的混合传输极化耦合器143、144。这些耦合器143、144的每一个具有两个输出，一个C3、C4对其相应天线10、12的水平偶极子提供功率，另一个D3、D4对其相关天线10、12的垂直偶极子提供功率。
选择每一极化耦合器143、144，使在其输出C3和D3、C4和D4端上产生两个正交的无线电信号。它们可以是如图2中所示的0°/90°型的混合耦合器。这种耦合器包括电介质基板，敷有铜箔接地面，其上布有如图2所示的铜导体图形。这种图形由隔开λ′/4的两平行段Ai-Ci、Bi-Di(λ′表示考虑基板相对介电常数的无线电信号的波长)和另两段构成，所述另两段也互相平行，隔开λ′/4，在段Ai-Ci和Bi-Di之间垂直地延伸。两个第1段的相邻端Ai、Bi构成耦合器两输入端，而相对端Ci、Di构成耦合器的输出端14i(i=3、4)。这种耦合器称为“支线”耦合器，假定四端的阻抗适配(通常50Ω)，则到达输入Ai的无线电信号被分成两个半功率部分，同相的部分从Ci输出，-90°相差的另一部分从Di输出，与之对称，到达输入Bi的无线电信号被分成两个半功率部分，同相的部分从Di输出，-90°相差的部分从另一输出端Ci输出。
由耦合器14i的输出Ci和Di送出的分量始终互相正交，这样当它们对相应天线的两个正交的偶极子提供功率时，由这些偶极子产生的两个正交电场分量导致圆极化无线电波的发射。对于到达耦合器的输入Ai的无线电信号和到达耦合器的输入Bi的无线电信号来说，圆极化的方向不同。应注意到例如到达输入Ai的信号从左向圆极化(LCP)地被传输，而到达输入Bi的信号以右向圆极化(RCP)地被传输。
在图1所示的方案例子中，极化耦合器143、144由各自的同轴电缆连接到混合分布耦合器141的两个输出端C1、D1。这一分布耦合器141例如按照图2所示的混合式做成的(i=1)。其输入A1连接到信源或无线电信号发射器T1(T1为无线电收发机TR1的一部分)。分布耦合器141的另一输入B1通过阻抗匹配电阻16接地。极化耦合器143、144的输入端B3、B4也相同。
在图1中的配置下，来自源T1的无线电信号由两组天线10、12以LCP方式发射。
两组天线10、12按照相同的极化发射相同的无线电信号的这一事实可用来获得这一信号的方向性增益。这是通过选择两组天线10、12之间的距离d和连接分布耦合器141的输出C1、D1和极化耦合器143、144的输入A3、A4的同轴电缆的长度L、L+△L来达到的。
已经知道，当两个等同的无线电信号具有某种程度的相位差，当它们到达按照等同的极化模式发射它们的两组天线时，发射***的方向随两组天线之间的距离而变。特地选定距离将导致相当的方向性增益，例如约3dB。在零相移情况下选择d=0.92λ(λ表示无线电波在空气中的波长)得到最大方向性增益(2.95dB)。△L=(n-△Φ/2π)λ″时，满足这种零相移条件。在上述表达式中，△L表示连接耦合器141的输入D1和耦合器144的输入A4的同轴电缆与连接耦合器141的输出C1和耦合器143的输入A3的同轴电缆之间的长度差，n为任意整数，λ″表示无线电信号在同轴电缆中的波长，以及△Φ表示出现在分布耦合器的输出D1处的无线电信号部分与出现在分布耦合器的输出C1处的同一无线电信号部分之间的相位差(当分布耦合器141具有图2所示类型时，△Φ=-π/2)。
当要求无线电波穿透到建筑物内时，方向性增益使得无线电台特别适宜在扇区基台或微型峰窝网络基台中应用。
设计无线电收发单元TR1的接收机，以保证两个输入无线电信号的分集处理，如同在蜂窝无线电***领域中通常所做的那样。在无线电台中存在两组天线10、12能使空间分集和极化分集的优点组合进两个接收机R1输入信号。输入信号之一是由天线10的水平偶极子接收的水平电场分量，而另一个输入信号是在另一个位置中由另一天线12的垂直偶极子接收的垂直电场分量。两个转接天关20H、22V分别连接到天线10的水平偶极子和天线12的垂直偶极子上，从而分开发射和接收通路。
图3所示的方案与图1所示的不同之处在于分布耦合器141的输出D1连接到极化耦合器144的输入B4而不是输入A4，然后输入A4被连接到阻抗匹配电阻16。在这种情况下，来自源T1的天线电信号由天线10以LCP方式发射，由天线12以RCP方式发射。于是基台对发射提供空间和极化分集，其结果特别适宜于产生较少反射的传播介质(农村、沙漠、海上环境等)。
要指出，基台的安装者只需以不同方式连接与分布耦合器141的输出D1连接的同轴电缆可以随意选择方向性增益或分集式增益。因此很明显，只用基本调整就能实现同一设备的充分潜力。
在图4至5所示的方案中，基台包括带有无线电信号源T2、T3和分集式接收机R2、R3的第2无线电收发单元TR2、TR3。对于双收发单元TR1、TR2,完全可获得前面揭示的优点。
在图4所示的例子中，装备有第2分布耦合器142，例如图2所示的那种类型(i=2)。分布耦合器142具有连到源T2输出的输入A2，连接阻抗匹配电阻16的输入B2，连到极化耦合器143输入B3的输出C2，以及连到极化耦合器144输入B4的输出D2。因此，来自源T2的无线电信号由两组天线10、12以RCP方式发射，而来自源T1的无线电信号由两组天线10、12以LCP方式发射。这对两个无线电信号源使能获得方向性增益的优点。在图4所示的情况，来自源T2的无线电信号在耦合器142的输出D2有-90度相位差，在输出C2上有零相移(即较输出D2有+90度的相差△Φ′)。两组天线之间的距离d为0.92λ，连接耦合器142的输出C2和耦合器143的输入B3的同轴电缆与连接耦合器142的输出D2和耦合器144的输入B4的同轴电缆之间的长度差△L′具有(n′-△Φ′/27)λ″的形式，其中n′表示任意整数，以获得方向性增益2.95dB。
接收部分，另外两个转接开关20V和20H分别连接到天线10的垂直偶极子和天线12的水平偶极子以分开发射和接收通路。这两个转接开关对单元TR2的接收机R2提供两种空间的和极化的不同的输入无线电信号。
图5示例的方案与图4的差别在于，分布耦合器141的输出D1连接到极化耦合器144的输入B4，而分布耦合器142的输出B2连接到极化耦合器144的输入A4。因而这种方案对两种无线电信号源T1(天线10上LCP，天线12上RCP)和T2(天线10上RCP，天线12上LCP)给出方向性增益。
图6示例的方案提供了与图5的可比较的优点。在本例中，没有第2分布耦合器142，耦合器143和144的输入B3和A4被接上阻抗匹配电阻16。第2收发单元TR3的源T3连接到分布耦合器141的输入B1，其结果，送出的无线电信号由天线10以LCP方式发射，由天线12以RCP方式发射。配备两个区域耦合器145、156(可如图2所示类型，i=5、6)以用于接收部分。区域耦合器145具有连到转接开关22V的输入A5、和连到阻抗匹配电阻16的输入B5。其输出C5对接收机R1提供第1输入信号，其输出D5对接收机R3提供第1输入信号。区域耦合器146具有连接到转接开关20H的输入A6、和连接到阻抗匹配电阻16的输入B6。其输出C6对接收机R1提供第2输入信号，其输出D6对接收机R3提供第2输入信号。因此对两个接收机的每一个获得接收中的分集性。与图5示例的方案相比较，图6中的要求一个额外的混合耦合器，而少了两个转接开关。
在图7和8示例的方案中，无线电台包括4个收发单元TR1、TR2、TR3、TR4，两个分布耦合器141、142，以及4个区域耦合器145、146、147、148。
在图7的例子中，分布耦合器141、142以与图4中的相同的方式连接到极化耦合器143、144。分布耦合器141的输入B1连接到无线电信号源T3，而分布耦合器142的输入B2连到无线电信号源T4。区域耦合器145、146连接的方式同图6的例子。另两个区域耦合器147、148(如图2所示类型，i=7、8)以相似方式安装，从而对接收机R2和R4的每一个分别提供两个来自由转接开关22H和20T提供的并由天线12的水平偶极子和由天线10的垂直偶极子接收的电场分量。
由源T1和T3产生的信号由两组天线以LCP方式发射，且由源T2和T4产生的信号由两组天线以RCP方式发射。因而至少对某些源可能从方向性增益得到好处。例如，如果以前述方式选择天线之间的距离和长度差△L、△L′，则对源T1和T2将获得最佳的方向性增益。也可能设想某种低于最佳值的选择，使方向性增益在4个源之间分享。还可能采取对源T1、T2为一方，对源T3、T4为另一方获得不同辐射图案的可能性的优点，从而产生多波束天线***，这种***以一定的隔离度将来自T1、T2的信号发射到一部分空间中，而将来自T3、T4的信号发射到另一部分空间中，因而形成覆盖区域的“电子扇区”。
图8示例的方案区别于图7的地方是连接分布耦合器141、142的输出D1、D2的同轴电缆的连接形式：连接到耦合器141的输出D1的同轴电缆又连接到极化耦合器144的输入B4，而另一分布耦合器142的输出D2连接到极化耦合器144的输入A4。在图8的情况下，由于来自每一个信号源的信号由一组天线以LCP方式、由另一组天线以RCP方式发射，所以4个无线电信号源从极化发射分集式得到好处。
应指出，本发明的无线电台中，已经强调的操作上的灵活性具有容易配置的附加优点。从初始的配置例如图1所示的配置开始，操作者按需通过对它附加收发单元来扩展它，因为通过同轴电缆选择连接能使获得方向性增益和分集性增益。即使在用4个单元TR1-TR4的完整配置中如图7或图8中的一个，来自4个源T1-T4的无线电功率也完全地辐射，在阻抗匹配电阻中没有不希望的消耗。
本发明已经以两个交叉的偶极子构成天线10、12的情况说明如上。专业人员将理解在本发明的范围内可采用其他天线配置，只要响应于两个正交的无线电信号，它能使产生两个正交的电场分量就行。因此，通过在电介质基板上布上方形导体图形，其相邻两边将接收来自对应的极化耦合器，从而构成可用的天线。
此外，可以采用不同于图2所示的混合耦合器。特别是对分布耦合器141、142或区域耦合器145-148不要求产生正交信号。
Claims (14)
1．一种无线电台，其特征在于包括分别与第1和第2混合传输极化耦合器(143、144)有关联的两组天线(10,12)，当响应于来自对应的极化耦合器的两组各自正交的无线电信号时，使每组天线产生两个正交的电场分量；还包括：至少一个混合分布耦合器(141)，其第1输出(C1)连接到所述第1极化耦合器(143)的第1输入(A3)，其第2输出(D1)连接到所述第2极化耦合器(144)的第1输入(A4)，以及至少一个无线电信号源(T1)，它将无线电信号送到所述分布耦合器(141)的第1输入(A1)。
2．如权利要求1所述的无线电台，其特征在于所述混合耦合器(141、143、144)互相连接，且以这种方式与天线(10、12)连接，使得以同向圆极化的两个各自的无线电波的形式由两组天线发射送到分布耦合器(141)的所述第1输入(A1)的无线电信号。
3．如权利要求2所述的无线电台，其特征在于选择两组天线(10、12)之间的距离(d)，以及分别将分布耦合器(141)的第1输出(C1)连接到第1极化耦合器(143)的第1输入(A3)和将分布耦合器(141)的第2输出(D1)连接到第2极化耦合器(144)的第1输入(A4)的同轴电缆的长度(L、L+△L)，致使获得送到分布耦合器(141)的所述第1输入(A1)的无线电信号的方向性增益。
4．如权利要求3所述的无线电台，其特征在于，两组天线(10、12)之间的距离(d)约0.92λ，其中λ表示无线电波在空气中的波长，以及将分布耦合器(141)的第2输出(D1)连接到第2极化耦合器(144)的第1输入(A4)的同轴电缆与将分布耦合器(141)的第1输出(C1)连接到第1极化耦合器(143)的第1输入(A3)的同轴电缆之间的长度差(△L)具有(n-△Φ/2π)λ″的形式，其中n是整数，λ″是无线电信号在同轴电缆中的波长，△Φ是送到分布耦合器(141)的所述第1输入(A1)的无线电信号部分出现在分布耦合器的第2输出(D1)处和同一无线电信号部分出现在分布耦合器的第1输出(C1)处之间的相位差。
5．如权利要求1所述的无线电台，其特征在于所述混合耦合器(141、143、144)互相连接，且以这种方式与天线(10、12)连接，使得以反向圆极化的两个各自的无线电波的形式由两组天线发射送到分布耦合器(141)的所述第1输入(A1)的无线电信号。
6．如权利要求1至5中任一项所述的无线电台，其特征在于包括将另一无线电信号送到所述分布耦合器(141)的第2输入(B1)的另一个无线电信号源(T3)。
7．如权利要求1至6中任一项所述的无线电台，其特征在于包括第1和第2分布耦合器(141、142)和第1和第2无线电信号源(T1、T2)，第1分布耦合器(141)具有从第1无线电信号源(T1)接收第1无线电信号的第1输入(A1)、连接到第1极化耦合器(143)第1输入(A3)的第1输出(C1)以及连接到第2极化耦合器(144)之第1输入(A4；B4)的第2输出(D1)，而第2分布耦合器(142)具有从第2无线电信号源(T2)接收第2无线电信号的第1输入(A2)、连接到第1极化耦合器(143)之第2输入(B3)的第1输出(C2)以及连接到第2极化耦合器(144)之第2输入(B4；A4)的第2输出(D2)。
8．如权利要求7所述的无线电台，其特征在于所述混合耦合器(141～144)互相连接，且以这种方式与天线(10、12)相连，使得以同向圆极化的两个各自的无线电波的形式由两组天线发送所述第1和第2无线电信号中的每一个。
9．如权利要求8所述的无线电台，其特征在于选择两组天线(10,12)之间的距离(d)，以及分别将第1分布耦合器(141)的第1输出(C1)连接到第1极化耦合器(143)的第1输入(A3)、将第1分布耦合器(141)的第2输出(D1)连接到第2极化耦合器(144)的第1输入(A4)、将第2分布耦合器(142)的第1输出(C2)连接到第1极化耦合器(143)的第2输入(B3)、以及将第2分布耦合器(142)的第2输出(D2)连接到第2极化耦合器(144)的第2输入(B4)的同轴电缆的长度(L、L+△L)，致使获得每一所述第1和第2无线电信号的方向性增益。
10．如权利要求9所述的无线电台，其特征在于，两组天线(10,12)之间的距离(d)的0.92λ，其中λ表示无线电波在空气中的波长；连接第1分布耦合器(141)的第2输入(D2)和第2极化耦合器(144)的第1输入(A4)的同轴电缆与连接第1分布耦合器(141)的第1输出(C1)和第1极化耦合器(143)的第1输入(A3)的同轴电缆之间的长度差(△L)具有(n-△Φ/2π)λ″的形式，其中n为整数，λ″为无线电信号在同轴电缆中的波长，而△Φ为出现在第1分布耦合器之第2输出(D1)处的第1无线电信号部分与出现在第1分布耦合器之第1输出(C1)处的第1无线电信号部分之间的相位差；以及连接第2分布耦合器(142)的第1输出(C2)和第1极化耦合器(143)的第2输出(B3)的同轴电缆与连接第2分布耦合器(142)的第2输出(D2)和第2极化耦合器(144)的第2输入(B4)的同轴电缆之间的长度差(△L′)具有(n′-△Φ′/2π)λ″的形式，其中n′为整数，△Φ′为出现在第2分布耦合器之第1输出(C2)处的第2无线电信号部分与出现在第2分布耦合器之第2输出(D2)处的第2无线电信号部分之间的相位差。
11．如权利要求7所述的无线电台，其特征在于所述混合耦合器(141～144)互相连接，且以这种方式与天线(10、12)连接，使得以反向圆极化的两个各自的无线电波的形式由两组天线发射所述第1和第2无线电信号中的每一个。
12．如权利要求7至11中任一项所述的无线电台，其特征在于第1和第2分布耦合器(141、142)中至少一个具有连接到另一个无线电信号源(r3、T4)的第2输入(B1、B2)。
13．如权利要求1至12中任一项所述的无线电台，其特征在于至少包括一台保证两个输入无线电信号的分集处理的接收机(R1)，所述输入无线电信号之一由两组天线中之一(10)按照第1方向从接收的电场分量获得，另一输入无线电信号由另一组天线(12)按照与所述第1方向正交的第2方向从接收的电场分量获得。
14．如权利要求13所述的无线电台，其特征在于至少包括两台接收机(R1、R3)，每一台保证两个各自的输入无线电信号的分集处理，具有一个输入(A5)和两个输出(C5、D5)的第1区域耦合器(145)接收从由天线(12)按照第1方向接收的电场分量获得的无线电信号，两个输出(C5、D5)的每一个将输入的无线电信号送到各自的接收机(R1、R3)，具有一个输入(A6)和两个输出(C6、D6)的第2混合区域耦合器(146)接收从由另一天线(10)按照第2方向接收的电场分量获得的无线电信号，两个输出(C6、D6)的每一个将另一个输入的无线电信号送到各自的接收机(R1、R3)。
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