TWI547013B - 用於發射和／或接收射頻信號之天線陣列，存取網路節點及其車輛 - Google Patents

用於發射和／或接收射頻信號之天線陣列，存取網路節點及其車輛 Download PDF

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TWI547013B
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喬格 許艾波勒
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Description

用於發射和/或接收射頻信號之天線陣列，存取網路節點及其車輛
本發明之實施例係關於藉由一天線陣列進行之射頻信號之一傳輸及/或一接收且更特定而言但非排他地，係關於具有在三個線性獨立空間方向上之極化部分之射頻信號之一傳輸及/或接收。
一傳輸器與一接收器之間的一無線電鏈路之一容量可藉由應用一所謂的MIMO、SIMO或MISO傳輸(MIMO=多輸入多輸出，SIMO=單輸入多輸出，MISO=單輸入單輸出)來增加。單輸入意指僅一個天線元件應用於自傳輸器發射射頻信號。多輸入意指兩個或兩個以上天線元件形成用於自傳輸器發射射頻信號之一發射天線陣列。單輸出意指一個天線元件應用於在接收器處接收射頻信號。多輸出意指兩個或兩個以上天線元件形成用於在接收器處接收射頻信號之一接收天線陣列。
射頻信號通常係線性極化的且一極化方向對應於射頻信號之一電場向量。電場向量總是正交地對準至射頻信號之一傳播方向。發射天線陣列及接收天線陣列通常係彼此不對準的，尤其在傳輸器及/或接收器可移動時。此外，由於反射及散射，自發射天線陣列至接收天線陣列之射頻信號之一傳輸路徑並非總是相同於發射天線陣列與接收 天線陣列之間的一最短路線。因此，所接收射頻信號之極化方向可不最佳地對應於且可不平行對準至接收天線陣列之天線元件之激發區域之極化方向。
經由多路徑通道傳輸之射頻信號之極化方向影響無線傳輸系統之一總體資料輸送量。因此，本發明之實施例之目的係增加無線傳輸系統之總體資料輸送量。
該目的藉由用於發射射頻信號及/或用於接收射頻信號之一天線陣列達成。該天線陣列含有皆形成一第一基本配置之一第一天線元件及一第二天線元件。該第一天線元件具有一第一實質上平坦形式且經調適以在一第一激發區域內激發具有一第一極化方向之一第一電磁場及具有不同於該第一極化方向之一第二極化方向之一第二電磁場。該第二天線元件亦具有一第二實質上平坦形式。該第二天線元件毗鄰於該第一天線元件而配置且經調適以在不平行於該第一激發區域且面向該第一激發區域而配置之一第二激發區域內激發具有不平行於該第一極化方向且不平行於該第二極化方向之一第三極化方向之至少一第三電磁場。
較佳地，該第一天線元件係具有(舉例而言)含有諸如銅之一金屬材料之一四邊形、八邊形、圓形、橢圓形或一六邊形貼片之一第一貼片天線且該第二天線元件係具有較佳地一相同形式及一相同材料之一第二貼片天線。另一選擇係，該第一天線元件可由兩個不平行相交之天線桿形成且該第二天線元件可由另外一個天線桿或由另外兩個不平行相交之天線桿形成。在另外替代方案中，諸如一矩形微帶貼片天線之微帶天線或一所謂的平面倒F天線(PIFA)可應用於該第一天線元件及該第二天線元件。
本發明之實施例提供增加無線傳輸系統之一總體資料輸送量之 一第一益處，此乃因射頻信號可在一相同無線電資源(例如，相同時槽及/或相同頻率副載波及/或相同展頻碼)上以具有總共高達三個正交極化之多個輻射波束傳輸。
本發明之實施例提供一第二益處：提供一種天線陣列，無論在傳輸器處使用何種極化方向且無論何種極化方向之替代已出現於自發射天線陣列至接收天線陣列之傳輸路徑上，該天線陣列皆允許接收線性極化射頻信號。
本發明之實施例提供允許以一容易方式製造天線陣列之一第三益處。在基於貼片天線之天線陣列之一製造程序期間，天線元件之平坦接地板可在接地板之對應邊緣處連接且含有激發區域之平坦元件可由印刷電路板之一標準程序產生。由於天線陣列之一基本上平坦結構，饋線電纜可容易地相對於天線元件對準且饋線電纜可容易地連接至天線元件。
當代替在一完全平坦表面上使用平行貼片天線而以提議方式配置相互正交貼片天線時，本發明之實施例提供其他益處。天線陣列之一發射特性以彼方式經改良使得在一立體角之一較大場中，波束之一方向大致正交於該天線陣列之至少一子組天線元件上或該子組之該等天線元件之法向方向與波束之方向之間的至少一角度係相對小的。與基於相交之偶極或相交之天線桿之一天線陣列相比，含有數個貼片天線之一天線陣列僅在一半空間中發射射頻信號且因此不需要該等射頻信號之一反射表面。
根據一較佳實施例，該第二天線元件可進一步經調適以激發具有不同於該至少第三極化方向之一第四極化方向之一第四電場。藉此，該第一天線元件及該第二天線元件兩者皆能夠發射及/或接收具有兩個不同極化方向之射頻信號。
根據一另外較佳實施例，該第一激發區域正交於該第二激發區 域而配置。較佳實施例允許發射及接收可具有所有三個可能正交極化方向之具有一相同強烈程度或強度之射頻信號。
在一甚至另外較佳實施例中，第一極化方向、第二極化方向及第三極化方向彼此正交地配置。甚至另外較佳實施例亦允許發射及接收可具有所有三個可能正交極化方向之具有一相同強烈程度或強度之射頻信號。
根據一第一替代實施例，該天線陣列可進一步含有該第一基本配置之至少一個第一另外配置且該第一基本配置之該至少第一另外配置沿著藉由該第一激發區域跨越之一第一平面與該第二激發區域跨越之一第二平面之一相交線給定之一軸毗鄰於該第一基本配置而配置。藉此，該第一天線元件及該第二天線元件之該第一基本配置在一第一維度上延伸以用於組建具有若干個2×n天線元件(×：乘號，n：例如，一列中之天線元件之數目)之天線陣列。
根據一第二替代實施例，該天線陣列進一步含有該第一基本配置之至少一個第二另外配置且該第一基本配置之該至少第二另外配置實質上沿著由該第一天線元件之該第一激發區域與該第二天線元件之該第二激發區域中心交叉之一另外相交線給定之一軸毗鄰於該第一基本配置而配置。藉此，該第一天線元件及該第二天線元件之該第一基本配置在一第二維度上延伸以用於組建具有若干個m×1天線元件(m：例如，一行中之天線元件之數目)之天線陣列。
較佳地，該第一基本配置之該至少第二另外配置及該第一基本配置形成天線元件之激發區域之一多重摺疊區域。自一側視圖，此多重摺疊區域看起來像一鋸齒狀圖案。
在一另外較佳實施例中，第一替代實施例及第二替代實施例可經組合以用於在兩個維度上延伸該第一基本配置以用於組建具有若干個m×n天線元件之緊致型三維天線陣列。
在一第三替代實施例中，天線陣列進一步含有一第三天線元件。該第一基本配置及第三天線元件配置成一第二基本配置。該第三天線元件具有一第三實質上平坦形式且毗鄰於該第一天線元件配置且毗鄰於該第二天線元件配置。該第三天線元件經調適以在不平行於該第一激發區域且不平行於該第二激發區域且面向該第一激發區域且面向該第二激發區域而配置之一第三激發區域內激發具有一第五極化方向之至少一第五電磁場。藉此，該天線陣列能夠在一半空間中在任意極化方向上向任意方向傳輸射頻信號且自任意方向接收射頻信號。
較佳地，該第一激發區域、該第二激發區域及該第三激發區域彼此正交地配置。藉此，該天線陣列能夠在一半空間中以幾乎一相同品質在任意極化方向上向任意方向傳輸射頻信號及/或自任意方向接收射頻信號。
在一第四替代實施例中，作為該第三替代實施例之一延伸，該天線陣列進一步含有該第二基本配置之至少一個另外配置且該第二基本配置之該至少另外配置毗鄰於該第二基本配置而配置。藉此，該第一天線元件、該第二天線元件及該第三天線元件之該第二基本配置在三維上延伸以用於組建具有若干個m×n×o天線元件(o：關於一第三維度之天線元件之數目)之天線陣列。
較佳地，該第四替代實施例之該天線陣列之該等天線元件實質上(特定而言)配置成三角形、菱形或六邊形形式。當該天線陣列之該等天線元件之一總體激發區域提供在一三維空間中之一平面時且當自關於在該三維空間內之該平面之一法向觀看該天線陣列時，可給出此等形式。
在另外替代實施例中，該等天線元件之激發區域之中心點配置於一平面中或形成一凹面或凸面表面或形成一圓柱形之一橫向表面。
本發明之實施例之另外有利特徵定義且闡述於以下詳細說明 中。
AA1‧‧‧天線陣列
AA2‧‧‧天線陣列
AA3‧‧‧天線陣列
AA4‧‧‧天線陣列
AA5‧‧‧天線陣列
AA-I‧‧‧天線陣列
AA-O‧‧‧天線陣列
AAP1‧‧‧天線陣列平面
AAP2‧‧‧天線陣列平面
AE1‧‧‧第一天線元件/天線元件
AE2‧‧‧天線元件/第二天線元件
AE2a‧‧‧第二天線元件/天線元件
AE2b‧‧‧第二天線元件
AE3‧‧‧天線元件/第三天線元件
BA1‧‧‧第一基本配置/基本配置
BA2‧‧‧第二基本配置/基本配置/配置
BA1-1-2‧‧‧基本配置/第一基本配置/配置
BA1-1-3‧‧‧基本配置/第一基本配置/配置
BA1-1-4‧‧‧基本配置/第一基本配置/配置
BA1-1-5‧‧‧基本配置/第一基本配置/配置
BA1-2-2‧‧‧基本配置/第一基本配置/配置
BA1-2-3‧‧‧基本配置/第一基本配置/配置
BA2-1‧‧‧第一配置
BA2-2‧‧‧第二配置/配置
BA2-3‧‧‧第三配置/配置
BA2-4‧‧‧第四配置/配置
BA2-5‧‧‧第五配置/配置
BA2-6‧‧‧第六配置/配置
CON‧‧‧控制器/處理器/連接
D‧‧‧橫向尺寸
EA1‧‧‧第一激發區域/第一四邊形激發區域/激發區域
EA2a‧‧‧第二四邊形激發區域/第二激發區域/激發區域
EA2b‧‧‧激發區域
EA3‧‧‧激發區域/第三激發區域
EC1‧‧‧第一電觸點/電觸點
EC2‧‧‧第二電觸點/電觸點
FC1‧‧‧第一饋線電纜
FC2‧‧‧第二饋線電纜
FL1‧‧‧第一饋線鏈路
FL2‧‧‧第二饋線鏈路
G1‧‧‧導電接地板/接地板
G2‧‧‧導電接地板/接地板
G3‧‧‧接地板
HS1‧‧‧殼體
HS2‧‧‧殼體
IL1‧‧‧相交線
IL2‧‧‧相交線
MRV1‧‧‧最大輻射向量
MRV2‧‧‧向量
NN1‧‧‧存取網路節點
NN2‧‧‧存取網路節點
PD1‧‧‧第一極化方向/極化方向
PD2‧‧‧第二極化方向/極化方向
PD3‧‧‧第三極化方向/極化方向
PD4‧‧‧第四極化方向/極化方向
PD5‧‧‧第五極化方向/極化方向
PD6‧‧‧第六極化方向/極化方向
PHI‧‧‧角度
RA1‧‧‧輻射角度
RA2‧‧‧角度
TR‧‧‧收發器
VB‧‧‧車輛主體
VH1‧‧‧車輛
VH2‧‧‧車輛
WTC1‧‧‧連接
WTC2‧‧‧連接
x‧‧‧方向/分量
y‧‧‧方向/分量
z‧‧‧方向/分量
本發明之實施例將在以下詳細說明中變得顯而易見且將藉由以非限制性圖解說明方式給出之隨附圖來圖解說明。
圖1a)及圖1b)以一透視圖示意性地展示含有兩個天線元件之一天線陣列之一第一基本配置及根據本發明之一第一實施例之天線陣列之天線元件中之一者之一另外透視圖。
圖2以一透視圖示意性地展示根據本發明之一第二實施例之含有兩個天線元件之天線陣列之第一基本配置。
圖3以一透視圖示意性地展示基於本發明之第一實施例之天線陣列之數個第一基本配置之一天線陣列。
圖4以一透視圖示意性地展示根據本發明之一第四實施例之一天線陣列之一第二基本配置。
圖5以一透視圖示意性地展示基於本發明之第四實施例之天線陣列之數個第二基本配置之一天線陣列。
圖6a)及圖6b)示意性地展示包括根據本發明之實施例中之一者之一天線陣列之一存取網路節點之一第一方塊圖及連接至根據本發明之實施例中之一者之一天線陣列之一另外存取網路節點之一第二方塊圖。
圖7a)及圖7b)示意性地展示包括具有根據本發明之實施例中之一者之一天線陣列之一存取網路節點之一車輛之一第一方塊圖及包括連接至根據本發明之實施例中之一者之一天線陣列之一另外存取網路之一另外車輛之一第二方塊圖。
圖1a)展示在一第一基本配置BA1中含有一第一天線元件AE1及一第二天線元件AE2a之一天線陣列AA1。第一天線元件AE1含有用於一 笛卡爾座標系統之一x-y平面中之電場之一第一四邊形激發區域EA1。第一天線元件AE1經調適以在第一激發區域EA1內激發具有在x方向上之一第一極化方向PD1之一第一電磁場且藉此自第一激發區域EA1之相對邊緣發射第一電磁場。第一天線元件AE1進一步經調適以在第一激發區域EA1內激發具有在y方向上之一第二極化方向PD2之一第二電磁場且藉此自第一激發區域EA1之另外其餘相對邊緣發射第二電磁場。此關於圖1a)中所展示之實施例意指，第一極化方向PD1正交於第二極化方向PD2。在一替代方案中，極化方向PD1、PD2兩者之間的一角度可取決於激發區域之一幾何形式處於45度角與135度角之間的一範圍中(諸如85度角)，該激發區域可具有另一選擇係一八邊形、一圓形、一橢圓形或一六邊形形式。
以一類似方式，第二天線元件AE2a含有用於笛卡爾座標系統之一y-z平面中之電場之一第二四邊形激發區域EA2a。第二天線元件AE2a經調適以在第二激發區域EA2a內激發具有在z方向上之一第三極化方向PD3之一第三電磁場且藉此自第二激發區域EA2之相對邊緣發射第三電磁場。第二天線元件AE2a進一步經調適以在第二激發區域EA2a內激發具有在y方向上之一第四極化方向PD4之一第四電磁場且藉此自第二激發區域EA2之另外其餘相對邊緣發射第四電磁場。此關於圖1a)中所展示之實施例意指，第三極化方向PD3正交於第四極化方向PD4，第三極化方向PD3亦正交於第一極化方向PD1及第二極化方向PD2且第四極化方向PD4平行於第二極化方向PD2。其中第一極化方向PD1、第二極化方向PD2及第三極化方向PD3彼此正交之此一配置係一較佳實施例。
在一替代方案中，第三極化方向PD3及第四極化方向PD4不平行於y、z方向，但亦具有其間之一直角。在一另外替代方案中，極化方向PD3、PD4兩者之間的一角度可處於45度角與135度角之間的一範圍 中(諸如85度角)。在一甚至另外替代方案中，自激發區域EA1、EA2之一前側量測之第一激發區域EA1與第二激發區域EA2a之間的一角度PHI可替代90度角為較佳地介於80度角與135度角之間的一範圍中(諸如100度角或120度角)。
第一天線元件AE1及第二天線元件AE2a可(舉例而言)係如圖1a)中所展示且如關於圖1b)更詳細地展示之所謂的眾所周知貼片天線。一貼片天線含有：諸如一四邊形接地板之一導電接地板G1、G2；提供激發區域EA1、EA2a之具有一四邊形形式(參見圖1a)及b))或一六邊形形式之一導電貼片；用於導電貼片之一第一電觸點EC1之一第一饋線鏈路FL1；及用於導電貼片之一第二電觸點EC2之一第二饋線鏈路FL2。第一天線元件AE1之導電貼片與第二天線元件AE2a之導電貼片之間的一距離可(舉例而言)等於電磁場之一半波長或在電磁場之一半波長範圍內。
第一天線元件AE1及第二天線元件AE2a彼此接近及毗鄰定位。導電接地板G1、G2如圖1a)中所展示接觸。另一選擇係，導電接地板可彼此分離。
通常，當應用針對天線元件常見之50 ohm線時，天線元件AE1、AE2各自相對於一所謂的50 ohm點經控制。電觸點EC1、EC2之位置定義阻抗位準及極化方向。第一電觸點EC1之位置可(舉例而言)藉由場模擬判定。此一判定係對熟習此項技術者眾所周知的且因此未更詳細地闡述。
第一電觸點EC1可應用於在第一天線元件AE1之情形中激發(舉例而言)具有第一極化方向PD1之第一電場或在第二天線元件AE2a之情形中激發具有第三極化方向PD3之第三電場。第二電觸點EC2可應用於在第一天線元件AE1之情形中激發(舉例而言)具有第二極化方向PD2之第二電場或在第二天線元件AE2a之情形中激發具有第四極化方 向PD4之第四電場。
在金屬板處之第一電觸點EC1及第二電觸點EC2之此一配置允許激發具有兩個正交極化之兩個電場，該兩個正交極化在第一天線元件AE1之情形中具有第一及第二極化方向PD1、PD2或者在第二天線元件AE2之情形中具有第三及第四極化方向PD3、PD4。
一第一饋線電纜FC1之一內導體與第一饋線鏈路FL1之間的一電觸點可藉由接地板G1、G2之一第一穿孔及穿過在該第一穿孔內自第一饋線電纜FC1至第一饋線鏈路FL1之連接WTC1之一第一導線提供。一第二饋線電纜FC2之一內導體與第二饋線鏈路FL2之間的一電觸點可藉由接地板G1、G2之一第二穿孔及穿過在該第二穿孔內自第二饋線電纜FC2至第二饋線鏈路FL2之連接WTC2之一第二導線提供。
接地板G1、G2可接觸至第一饋線電纜FC1之一外導體及/或第二饋線電纜FC2之一外導體。較佳地，穿過連接WTC1之第一導線及第一饋線鏈路FL1可藉由一第一連續導線提供且穿過連接WTC2之第二導線及第二饋線鏈路FL2可藉由一第二連續導線提供。第一饋線電纜FC1及第二饋線電纜FC可(舉例而言)係同軸電纜。
另一選擇係，代替應用貼片天線，至少第一天線元件AE1可藉由兩個不平行相交之天線桿形成，其中兩個天線桿之間的一偶極距離係足夠大以供一電絕緣及射頻解耦合且與電磁場之一半波長相比小之距離且至少第二天線元件AE2a可藉由一個另外天線桿或藉由亦具有其間之偶極距離之兩個另外不平行相交之天線桿形成。在另外替代方案中，諸如一矩形微帶貼片天線之微帶天線或一所謂的平面倒F天線(PIFA)可應用於至少第一天線元件及至少第二天線元件。原則上能夠激發具有高達兩個不同極化方向之兩個電場且具有一實質上平坦空間形式之所有種類之天線元件可應用於本發明。實質上平坦空間形式意指一單個天線元件僅能夠將射頻信號發射至由天線元件之激發區域限 制之一半空間中或接收來自該半空間之射頻信號。
第一天線元件AE1之第一激發區域EA1如圖1a)中所展示具有一法向向量e z且第二天線元件AE2a之第二激發區域EA2a具有一法向向量e x。天線元件AE1、AE2a之中心處於由以下方程式給出之位置r 1、r 2：
其中D係天線元件AE1、AE2a之一橫向尺寸且特定而言接地板G1、G2之一邊緣之一長度，該長度通常約為半波長λ/2或更高之量值。
在一波向量傳播方向k上行進之一傳入電磁波可由以下電場向量描述。E(r,t)=E exp[-j(ωt-k．r)] (2)
其中E．k=0，亦即，電場向量正交於波向量k=(kx,ky,kz)T。
傳入電磁波在天線元件AE1、AE2a之中心處具有以下電場向量：
其中E 1係在第一天線元件AE1之中心處之一電場向量且E 2係在第二天線元件AE2之中心處之一電場向量。
根據以下方程式，第一天線元件AE1接收電場向量E 1=E(r 1,t)之x分量E 1,x 及y分量E 1,y ：E 1,x =E 1．e x ,E 1,y =E 1．e x 。
x分量E 1,x 之一所接收信號r 1,x 可由以下方程式給出r 1,x =E 1,x f 1,x (k), (5)
其中f 1,x (k)係傳入電磁波之傳播方向之一函數且取決於第一天線元件AE1之一定向且取決於傳入電磁波之一極化方向且描述一天線輸出信號之一強烈程度相依於關於第一天線元件AE1之定向之傳播方向。
因此，第一天線元件AE1處y分量E 1,y 之一所接收信號r 1,y 、第二天線元件AE2a處一y分量E 2,y 之一所接收信號r 2,y 及第二天線元件AE2a處一z分量E 2,z 之一所接收信號r 2,z 可由以下方程式給出：r 1,y =E(r 1,t)．e y f 1,y(k) (6)
r 2,y =E(r 2,t)．e y f 2,y(k) (7)
r 2,z=E(r 2,t)．e z f 2,z(k) (8)。
若電磁波(舉例而言)在波向量方向上行進，則天線元件AE1、AE2a之中心處之電場向量由以下方程式給出
亦即，兩個電場向量具有相同振幅及相同相位。相反，若兩個天線元件AE1、AE2a以相同相位激發，則一所傳輸射頻信號在一波向量之一相反傳播方向-k上具有一最大強烈程度。
圖2展示含有第一天線元件AE1及一第二天線元件AE2b之一另外天線陣列AA2。天線陣列AA1與天線陣列AA2之間的唯一區別在於第二天線元件AE2a由一另外第二天線元件AE2b替換。天線陣列AA2之另外第二天線元件AE2b係關於另外第二天線元件AE2b之一激發區域EA2b不同於天線陣列AA1之第二天線元件AE2a。激發區域EA2b僅經調適以激發具有在z方向上之第三極化方向PD3之第三電場且不激發具有另一極化方向之另外電場。此意指當在第一天線元件AE1及第二天線元件AE2b處使用三個正交極化方向PD1、PD2、PD3時，係原則 上冗餘之另外天線陣列AA2之一第四極化方向不存在。
當一貼片天線用於天線元件AE2b時，第二天線元件AE2b可如圖1b)中所展示藉由在導電貼片處應用兩個電觸點EC1、EC2中之僅一者容易地實現。另一選擇係，僅一單個天線桿應用為第二天線元件AE2b之一單個偶極。
較佳地，第一天線元件AE1之第一極化方向PD1及第二極化方向PD2以及天線元件AE2b之第三極化方向PD3係彼此正交的。如關於圖1a)之實施例所闡述之類似替代方案可應用於非正交極化方向。
圖3示意性地展示具有5列天線元件且具有6行天線元件之一5×6天線陣列AA3。一列內及一行內之天線元件可彼此毗鄰配置，其中不具有間隙或具有類似於如關於圖1a)之實施例所闡述之間隙之一間隙。
在另外替代方案中，天線陣列AA3可具有少於或多於5列及/或天線陣列AA3可具有少於或多於6行，諸如一4×4天線陣列、一6×2天線陣列、一1×8天線陣列或一6×6天線陣列。
天線陣列AA3含有第一天線元件AE1及第二天線元件AE2a之第一基本配置BA1且進一步含有在笛卡爾座標系統之y方向上彼此毗鄰之四個另外基本配置BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5。所得天線陣列係一5×2天線陣列。
以一更一般方式，一個另外第一基本配置BA1-1-2或數個另外第一基本配置BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5可沿著藉由第一天線元件AE1之第一激發區域EA1跨越之一第一平面與第二天線元件AE2a之第二激發區域EA2跨越之一第二平面之一相交線IL1給定之一軸毗鄰於第一基本配置BA1而配置。所得天線陣列係一n×2天線陣列。
天線陣列AA3進一步含有在笛卡爾座標系統之x方向及z方向上彼 此毗鄰之兩個甚至另外基本配置BA1-2-2、BA1-2-3。所得天線陣列係一1×6天線陣列。
以一更一般方式，一個甚至另外第一基本配置BA1-2-1或數個甚至另外第一基本配置BA1-2-2、BA1-2-3可沿著由在第一天線元件AE1之第一激發區域EA1與第二天線元件AE2a之第二激發區域EA2中心交叉之一另外相交線IL1給定之一軸毗鄰於第一基本配置BA1而配置。所得天線陣列係一1×m天線陣列。
在x方向上兩個天線元件之間的一偏移之一大小可由在z方向上呈一法向之天線元件之一大小給出且在z方向上兩個天線元件之間的一偏移之一大小可由在x方向上呈一法向之天線元件之一大小給出。
當如圖3中所展示組合n×2天線陣列及1×m天線陣列以形成一n×m天線陣列時，其中n=5及m=6，第一基本配置BA1之多個毗鄰配置BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5、BA1-2-2、BA1-2-3形成天線元件AE1、AE2a、AE3之激發區域EA1、EA2a、EA3之一多重摺疊區域。
在一替代方案中，天線陣列AA2可為天線陣列AA3提供第一基本配置或組建區塊。關於天線陣列AA1及天線陣列AA2闡述之所有變體及替代方案可應用於天線陣列AA3。
具有法向向量e z且關於x-y平面平行配置之天線陣列AA3之天線元件可使其中心由向量r 1,i,j 表示且具有法向向量e x且關於y-z平面平行配置之天線陣列AA3之天線元件可使其中心由向量r 2,j,k 表示。向量r 1,i,j 及r 2,j,k 由以下方程式給出：
其中i係關於x方向之一整數指數，j係關於y方向之一整數指數且k係關於z方向之一整數指數。此意指天線陣列AA3之所有天線元件之中心在一天線陣列平面AAP1內(參見圖3)。
針對具有波向量k之一電磁波之天線元件之中心處之電場之向量可由以下方程式給出：
其中kx、ky、kz係波向量k之向量分量且k係關於z方向之整數指數。
若天線陣列AA3之天線元件之輸入饋入有具有如方程式(11)及(12)中所給出但反轉符號之相位之射頻信號，則天線陣列AA3在一波向量之傳播方向-k=-(kx,ky,kz)T上傳輸一射頻信號。射頻信號之一波束寬度取決於在天線陣列AA3處使用之天線元件之一數目且取決於至天線陣列AA3之一距離。
若一傳入電磁波以一波向量方向傳播，該波向量方向正交於含有天線陣列AA3之天線元件之激發區域之中心或中心點之天線陣列平面AAP1，則電場向量可由以下方程式表示：
方程式(13)及(14)展示電場向量之相位獨立於指數i、j、k，亦即，天線陣列AA3之所有天線元件之激發區域之中心處之電磁場向量皆具有相同相位。相反，若天線陣列AA3之天線元件之所有激發區域可以相同相位激發，則天線陣列AA3傳輸在相反波向量方向上具有一最大振幅之一射頻信號，該波向量方向在圖3中由與天線陣列平面AAP1以90°之一輻射角度RA1正交之一最大輻射向量MRV1展示。此係天線陣列AA3之一所謂的中心方向。
天線陣列AA3能夠在由天線陣列平面AAP1限制且使用所有三個正交極化方向PD1、PD2、PD3之一半空間之三維中形成波束。其最適用於其中在平行於x-z平面之一平面中存在一高角度擴展但其中存在垂直於x-z平面之一低角度擴展之環境。
代替如圖3中所展示在一單個天線陣列平面中具有天線陣列AA3之天線元件之激發區域之所有中心，在另外替代方案中，天線陣列AA3之天線元件之激發區域之中心或中心點可形成一凹面或凸面表面或可形成一圓柱形之一橫向表面。
圖4展示一另外天線陣列AA4，該天線陣列含有天線陣列AA1之第一天線元件AE1及天線陣列AA1之第一基本配置BA1之第二天線元件AE2a且含有一第三天線元件AE3。第一基本配置BA1及第三天線元件AE3形成一第二基本配置BA2。
第三天線元件AE3亦具有一實質上平坦形式以能夠將射頻信號發射至由第三天線元件AE3之一第三激發區域EA3限制之一半空間中或自該半空間接收射頻信號。
第三天線元件AE3位於笛卡爾座標系統之x-z平面中且毗鄰於第一天線元件AE1配置且毗鄰於第二天線元件AE2配置。此意指，第三 天線元件AE3在笛卡爾座標系統之x-z平面中含有用於電場之第三激發區域EA3。藉此，第三激發區域EA3不平行於第一激發區域EA1且不平行於第二激發區域EA2而配置，且與第二激發區域EA2a面向圖1a)中之第一激發區域EA1類似，第三激發區域EA3面向第一激發區域EA1及第二激發區域EA2a。
較佳地，第三天線元件AE3經調適以在第三激發區域EA3內激發具有在x方向上之一第五極化方向PD5之一第五電磁場且經調適以在第三激發區域EA3內激發具有在z方向上之一第六極化方向PD6之一第六電磁場。此意指，第五極化方向PD5與第六極化方向PD6之間的一角度角亦係90度角且第三天線元件AE3之第五極化方向PD5平行於第一天線元件AE1之第一極化方向PD1且第三天線元件AE3之第六極化方向PD6平行於第二天線元件AE2a之第三極化方向PD3。較佳地，極化方向PD1、PD5之群組之極化方向、極化方向PD2、PD4之群組之極化方向及極化方向PD3、PD6之群組之極化方向彼此正交。
第三天線元件AE3展示為具有諸如一四邊形接地板之一接地板G3及具有提供第三激發區域EA3之一四邊形形式(參見圖4)或一六邊形形式之一導電貼片之一貼片天線。另一選擇係，天線陣列AA4之天線元件AE1、AE2a、AE3可藉由除如關於圖1a)之實施例闡述之一貼片天線之外之類型實現。
根據一第一替代方案中，天線元件AE1、AE2a、AE3之導電貼片彼此電隔離。關於一第二替代方案，天線元件AE1、AE2a、AE3之導電貼片中之兩者可形成圍繞由笛卡爾座標系統軸中之一者給出之一拐角轉動之一單個貼片。在此一情形中，貼片可具有一矩形金屬邊緣輪廓之一形式且四個極化方向中之僅兩者彼此獨立。第二替代方案提供需要較少控制信號及較少饋線電纜之優點，此使得天線元件之一組成較不複雜且可減小成本。
關於圖1a)之實施例闡述之類似替代方案可應用於天線陣列AA4之天線元件AE1、AE2a、AE3之非正交極化方向。
在圖4中未展示之替代實施例中，第二天線元件AE2a及/或第三天線元件AE3可由類似於具有一單個極化方向之天線陣列AA2之第二天線元件AE2b之天線元件替換且所替換天線元件中之至少一者提供在z方向上之一極化方向。
當天線元件AE1、AE2a及AE3如圖4中所展示彼此垂直時，天線元件之一外形式較佳地係四邊形。當在一替代實施例中，天線元件AE1、AE2a及AE3彼此不垂直時，天線元件之一外形式可(舉例而言)係斜方形或類似於一足球之表面元件之五邊形與六邊形表面元件之一組合。
當存在所有三維中之一大角度擴展時可較佳地應用天線陣列AA4。
如圖4中所展示天線元件AE1、AE2a及AE3之中心處於以下位置：
在一波向量之方向k上行進之一傳入電磁波可由一電場向量E(r,t)=E exp[-j(ωt-k．r)]描述，其中E．k=0，亦即，電場向量正交於波向量k=(k x,k y,k z)T，該傳入電磁波在天線元件AE1、AE2a、AE3之中心處具有以下電場向量：
根據以下方程式，第一天線元件AE1接收傳入電磁波之一x分量E 1,x 及一y分量E 1,y ：E 1,x =E 1．e x ,E 1,y =E 1．e x 。
在第一天線元件AE1處x分量E 1,x 之一所接收信號r 1,x 可由方程式表示r 1,x =E 1,x ．f 1,x(k), (19)
其中f 1,x(k)係波向量k之一函數且描述第一天線元件AE1之一輸出信號之一強烈程度相依於傳入電磁波之傳播之方向。
因此，第一天線元件AE1處y分量E 1,y 之一所接收信號r 1,y 、第二天線元件AE2a處一y分量E 2,y 之一所接收信號r 2,y 、第二天線元件AE2處一z分量E 2,z 之一所接收信號r 2,z 、第三天線元件AE3處一z分量E 3,z 之一所接收信號r 3,z 及第三天線元件AE3處一x分量E 3,x 之一所接收信號r 3,x 可由以下方程式表示：r 1,y =E(r 1,t)．e y f 1,y(k) (20)
r 2,y=E(r 2,t)．e y f 2,y(k),r 2,z=E(r 2,t)．e z f 2,z(k) (21)
r 3,z=E(r 3,t)．e z f 3,z(k),r 3,x=E(r 3,t)．e x f 3,x(k) (22)
上文方程式(20)、(21)及(22)描述傳入電磁波之參數與天線陣列AA4之天線元件AE1、AE2a、AE3之不同輸出處之所接收信號之間的關係。相反，藉由使天線陣列AA4之天線元件AE1、AE2a、AE3之天線埠饋入有對應信號，天線陣列AA4允許在三維空間之一八分區中將波束傳輸至任意方向，該等波束在距天線陣列AA4顯著距離中表現出大致類似平面波的行為。
當傳入電磁波在一波向量之方向上行進時，天線元件AE1、AE2a、AE3之激發區域EA1、EA2a、EA3之 中心處之電場向量係相同的：
相反，若天線元件AE1、AE2a、AE3饋入有相同射頻信號，則傳輸在具有一波向量之一相反傳播方向-k c上具有最大振幅之一傳出電磁波。
圖5示意性地展示具有若干個18天線元件之一天線陣列AA5，該天線陣列係基於如圖4中所展示之天線陣列AA4之第二基本配置BA2或組建區塊。另一選擇係，天線元件之數目可係低於18(諸如15)或甚至更低或者高於18(諸如24)或更高。
天線陣列AA5含有第二基本配置BA2之一第一配置BA2-1、毗鄰於第二基本配置BA2之第一配置之第二基本配置BA2之一第二配置BA2-2且其中在x方向及y方向上之一偏移皆等於一單個天線元件之一縱向邊緣之一大小。以一相同方式，天線陣列AA5進一步含有毗鄰於第二基本配置BA2之第二配置BA2-2之第二基本配置BA2之一第三配置BA2-3且其中在x方向上及y方向上之一偏移皆等於單個天線元件之縱向邊緣之大小。以一相同方式，天線陣列AA5進一步含有毗鄰於第二基本配置BA2之第三配置BA2-3及第二配置BA2-2之第二基本配置BA2之一第四配置BA2-4且其中相對於第二基本配置BA2之第三配置BA2-3而言在x方向及z方向上之一偏移皆等於單個天線元件之縱向邊緣之大小。以一相同方式，天線陣列AA5進一步含有毗鄰於第二基本配置BA2之第四配置BA2-4之第二基本配置BA2之一第五配置BA2-5且其中在x方向及z方向上之一偏移皆等於單個天線元件之縱向邊緣之大小。以一相同方式，天線陣列AA5進一步含有毗鄰於第二基本配置BA2之第五配置BA2-5及第一配置BA2-1之第二基本配置BA2之一第六配置BA2-6且其中相對於第二基本配置BA2之第五配置BA2-5而言在y 方向及z方向上之一偏移皆等於單個天線元件之縱向邊緣之大小。藉此，第二基本配置BA2之第一配置BA2-1、配置第二BA2-2、第三配置BA2-3、第四配置BA2-4、第五配置BA2-5及第六配置BA2-6彼此毗鄰配置以形成具有(舉例而言)一實質上三角形、菱形或六邊形形式之一總體天線陣列。
關於天線陣列AA3之第二基本配置BA2闡述之所有變體及替代方案可應用於天線陣列AA5。
天線陣列AA5之所有天線元件之中心可如圖5中所展示在一天線陣列平面AAP2內。一向量MRV2以90度角之一角度RA2正交於天線陣列平面AAP2。
在替代實施例中，天線陣列AA5之天線元件之中心可經配置以形成一凹面或凸面表面或以形成一圓柱形或一球體之一橫向表面。
當一傳入電磁波在與向量MRV2相反之一傳播方向k c上行進時，在所有天線元件之中心處之所接收信號之電場具有一相同相位。相反，若所有天線元件以相同相位激發，則天線陣列AA5在平行於向量MRV2之一傳播方向-k c上傳輸一信號。
傳入電磁波之參數與圖5中之天線陣列之元件之不同輸出處之所接收信號之間的關係可藉由與關於圖3之二維情形中類似之公式描述。相反，波束可經傳輸以使得藉由使天線埠饋入有對應信號而在三維空間之一八分區中(在距天線之顯著距離中)表現為類似具有一任意方向之大致平面波的行為。所傳輸波束之寬度取決於所使用之天線元件之數目及至天線陣列AA5之距離。
通常，天線陣列AA5可以一方式安裝以使得方向 指向一傳輸通道之主要方向。
參考圖6a)，展示一存取網路節點NN1之一方塊圖。存取網路節 點NN1在一外殼或一殼體HS1內含有一天線陣列AA、連接至天線陣列AA-I之一收發器TR、及連接至收發器TR之一控制器或處理器CON。術語「處理器」或「控制器」不應理解為排他性地指代能夠執行軟體之硬體，且可隱含地包含(但不限於)數位信號處理器(DSP)硬體、網路處理器、特殊應用積體電路(ASIC)、場可程式化閘陣列(FPGA)、用於儲存軟體之唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)及非揮發性儲存器。控制器CON及收發器TR之部件可係一所謂的基帶板之部分。天線陣列AA-I可係如上文所闡述之天線陣列AA1、AA2、AA3、AA4或AA5中之一者。
圖6b)展示在存取網路節點NN2之外殼或殼體HS2外側含有一天線陣列AA-O之一存取網路節點NN2之一另外方塊圖。天線陣列AA-O藉由可係諸如一同軸電纜之一電纜之一連接CON連接至存取網路節點NN2之收發器TR。天線陣列AA-O可係如上文所闡述之天線陣列AA1、AA2、AA3、AA4或AA5中之一者。
存取網路節點NN1及NN2可分別係一基地台、一行動台、一中繼器或一繼電器。術語「基地台」可視為同義於及/或稱為諸如一LTE節點B(LTE=長期演進)、存取點基地台、存取點、大型小區、微小區、超微型小區、微型小區、一WLAN路由器(WLAN=無線區域網路)等之一基地收發器台且可闡述經由一或多個無線電鏈路將無線連接性提供至一或多個行動台之設備。術語「行動台」可被視為同義於且此後可偶爾稱作一行動單元、行動使用者、存取終端機、使用者設備、用戶、使用者、遠端台等。舉例而言，行動台可係一蜂巢式電話、一可攜式電腦、一口袋電腦、一手持式電腦、一個人數位助理或一車載行動裝置。術語「中繼器」可視為同義於及/或稱為接收一信號且在一較高位準或較高電力下簡單地重新傳輸該信號或至一阻礙物之另一側上以使得信號可覆蓋較長距離之一電子裝置。術語「繼電器」可視為 同義於及/或稱為不僅在一較高位準或較高電力下而亦以一不同頻率及/或不同時槽及/或展頻碼接收一信號及重新傳輸一不同信號以增加一無線存取網路之容量且改良無線鏈路效能之一電子裝置。
參考圖7a)，展示一車輛VH1之一方塊圖。車輛VH1含有用於在車輛VH1內側之車輛佔用者與諸如基於UMTS(UMTS=全球行動通信系統)、LTE或進階LTE之一無線電存取網路之間提供無線存取之存取網路節點NN1。此意指存取網路節點NN1之天線陣列AA-I係適當地位於車輛VH1內。
圖7b展示具有天線陣列AA-O之一替代配置之一車輛VH2之一另外方塊圖。天線陣列AA-O位於車輛主體VB外側且藉由連接CON連接至位於車輛主體VB內側之存取網路節點NN2。
車輛VH1及VH2展示為汽車。術語「車輛」可進一步視為同義於及/或係指一卡車、一公共汽車、一火車、一有軌電車或索道、一船、一飛機等。
AA1‧‧‧天線陣列
AE1‧‧‧第一天線元件/天線元件
AE2‧‧‧天線元件/第二天線元件
AE2a‧‧‧第二天線元件/天線元件
BA1‧‧‧第一基本配置/基本配置
D‧‧‧橫向尺寸
EA1‧‧‧第一激發區域/第一四邊形激發區域/激發區域
EA2a‧‧‧第二四邊形激發區域/第二激發區域/激發區域
EC1‧‧‧第一電觸點/電觸點
EC2‧‧‧第二電觸點/電觸點
FC1‧‧‧第一饋線電纜
FC2‧‧‧第二饋線電纜
FL1‧‧‧第一饋線鏈路
FL2‧‧‧第二饋線鏈路
G1‧‧‧導電接地板/接地板
G2‧‧‧導電接地板/接地板
PD1‧‧‧第一極化方向/極化方向
PD2‧‧‧第二極化方向/極化方向
PD3‧‧‧第三極化方向/極化方向
PD4‧‧‧第四極化方向/極化方向
PHI‧‧‧角度
WTC1‧‧‧連接
WTC2‧‧‧連接
x‧‧‧方向/分量
y‧‧‧方向/分量
z‧‧‧方向/分量

Claims (15)

  1. 一種用於發射及/或用於接收射頻信號之天線陣列(AA3、AA5)，該天線陣列(AA3、AA5)包括形成一基本配置(BA1、BA2)之一第一天線元件(AE1)及一第二天線元件(AE2a、AE2b)，該第一天線元件(AE1)具有一第一平坦形式且經調適以在一第一激發區域(EA1)內激發具有一第一極化方向(PD1)之一第一電磁場及具有不同於該第一極化方向(PD1)之一第二極化方向(PD2)之一第二電磁場，該第二天線元件(AE2a、AE2b)具有一第二平坦形式，該第二天線元件(AE2a、AE2b)毗鄰於該第一天線元件(AE1)而配置且該第二天線元件(AE2a、AE2b)經調適以在不平行於該第一激發區域(EA1)且面向該第一激發區域(EA1)而配置之一第二激發區域(EA2)內激發具有不平行於該第一極化方向(PD1)且不平行於該第二極化方向(PD2)之一第三極化方向(PD3)之至少一第三電磁場，其中該天線陣列(AA3)進一步包括毗鄰於該基本配置(BA1、BA2)而配置之至少一個另外配置(BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5、BA1-2-3、BA1-2-2)，其中該基本配置(BA1、BA2)之該第一天線元件(AE1)與該至少一個另外配置(BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5、BA1-2-3、BA1-2-2)之一天線元件係平行配置且其中該基本配置(BA1、BA2)之該第二天線元件(AE2)與該至少一個另外配置(BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5、BA1-2-3、BA1-2-2)之一另外天線元件係平行配置。
  2. 如請求項1之天線陣列(AA3、AA5)，其中該第二天線元件(AE2a、AE2b)進一步經調適以激發具有不同於該至少第三極化方向(PD3)之一第四極化方向(PD4)之一第四電磁場。
  3. 如請求項1之天線陣列(AA3、AA5)，其中該第一激發區域(EA1) 正交於該第二激發區域(EA2)而配置。
  4. 如請求項1之天線陣列(AA3、AA5)，其中該第一極化方向(PD1)、該第二極化方向(PD2)及該第三極化方向(PD3)彼此正交地配置。
  5. 如請求項1之天線陣列(AA3)，其中該基本配置(BA1)之該至少一個另外配置(BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5)實質上沿著藉由該第一激發區域(EA1)跨越之一第一平面與該第二激發區域(EA2)跨越之一第二平面之一相交線(IL)給定之一軸毗鄰於該基本配置(BA1)而配置。
  6. 如請求項1之天線陣列(AA3)，其中該基本配置(BA1)之該至少一個另外配置(BA1-2-1、BA1-2-2)實質上沿著由該第一天線元件(AE1)之該第一激發區域(EA1)與該第二天線元件(AE2a)之該第二激發區域(EA2)中心交叉之一另外相交線(IL2)給定之一軸毗鄰於該基本配置(BA1)而配置。
  7. 如請求項6之天線陣列(AA3)，其中該基本配置(BA1)之該至少一個另外配置(BA1-2-1、BA1-2-2)及該基本配置(BA1)形成天線元件(AE1、AE2a、AE3)之激發區域(EA1、EA2a、EA3)之一多重摺疊區域。
  8. 如請求項1之天線陣列(AA5)，其中該基本配置(BA2)進一步包括一第三天線元件(AE3)，其中該第三天線元件(AE3)具有一第三平坦形式，其中該第三天線元件(AE3)毗鄰於該第一天線元件(AE1)且毗鄰於該第二天線元件(AE2)而配置且其中該第三天線元件(AE3)經調適以在不平行於該第一激發區域(EA1)且不平行於該第二激發區域(EA2)且面向該第一激發區域(EA1)及該第二激發區域(EA2)而配置之一第三激發區域(EA3)內激發具有一第五極化方向(PD5、PD6)之至少一第五電磁場。
  9. 如請求項8之天線陣列(AA5)，其中該第一激發區域(EA1)、該第二激發區域(EA2)及該第三激發區域(EA3)彼此正交地配置。
  10. 如請求項9之天線陣列(AA5)，其中該基本配置(BA2)之該至少一個另外配置(BA2-2、BA2-3、BA2-4、BA2-5、BA2-6)毗鄰於該基本配置(BA2)而配置，其中該基本配置(BA2)之該第三天線元件(AE3)與該至少一個另外配置(BA1-1-2、BA1-1-3、BA1-1-4、BA1-1-5)之一天線元件係平行配置。
  11. 如請求項9之天線陣列(AA5)，其中該天線陣列(AA5)之天線元件(AE1、AE2a、AE2b、AE3)配置成一實質上三角形、菱形或六邊形形式。
  12. 如請求項1之天線陣列(AA3、AA5)，其中該等天線元件(AE1、AE2a、AE2b、AE3)之激發區域(EA1、EA2、EA3)之中心點配置於一平面中。
  13. 如請求項1之天線陣列(AA3、AA5)，其中該等天線元件(AE1、AE2a、AE2b、AE3)係貼片天線。
  14. 一種存取網路節點(NN1、NN2)，其包括如請求項1之一天線陣列(AA3、AA5)。
  15. 一種車輛(VH1、VH2)，其包括如請求項14之一存取網路節點(NN1、NN2)。
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