CN102017304A - 超经济广播系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种超经济广播系统和方法。该系统包括限定多个相应的小区的多个基站收发台，每个基站收发台包括具有多个扇区的相控阵天线，每个扇区具有多个垂直排列的天线板，并且每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱上的多个垂直排列的辐射体。该方法包括：使用多个垂直排列的天线板形成被水平和垂直整形的波束，其中每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱上的多个垂直排列的辐射体；并且发射在近区、中区以及至少一部分远区内具有实质上均匀的场强的功率分布。

Description

超经济广播系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求(2008年5月2日提交的)申请号为61/049,950的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明一般涉及蜂窝通信系统。具体来说，本发明涉及超经济广播系统和方法。
背景技术
至少对于某些美国(U.S.)和欧盟(EU)的应用来说，蜂窝无线电话系统基站收发台(BTS)可能受约束于1640瓦的最大容许有效等向辐射功率(EIRP)。EIRP，作为系统性能的度量，至少是发射机功率和天线增益的函数。作为对蜂窝BTS EIRP限制的结果，U.S.、EU以及其它蜂窝系统设计者使用大量的BTS以便向他们的消费者提供令人满意的服务质量。对小区的进一步限制包括小区内所要服务的消费者的数目，这会使小区大小成为人口密度的函数。
一种已知的天线装置具有17.5dBi的天线增益、3dB的馈线损耗(1.25″线、200英尺天线杆)以及3.5dB的BTS噪声系数，使得Ga-NFsys(系统噪声系数)＝17.5-3.5-3.0＝11dBi(在上行链路中)。下行链路发射机功率通常为50W。利用总计-3.5dB的馈线、双工滤波器和跨接电缆，给天线的Pa输入功率通常为16W，使得EIRP为16W+17.5dB＝1,000W。
在许多实现中，每个BTS被布置在小区中心附近，小区在本领域中按照术语有各种称谓，例如宏小区，考虑到针对诸如室内服务或航空器内服务之类的特定用途，使用更小的小区(微小区、纳小区、微微小区等等)。诸如城市人口密度的小区之类的典型小区具有小于3英里(5千米)的半径。除了EIRP约束，BTS天线塔的高度通常由各种本地或地区的分区限制进行管制。结果，在世界许多地方的蜂窝通信提供商实施非常类似的系统。
在每个国家内，对蜂窝BTS EIRP以及天线塔的高度的限制是不同的。不仅全球对移动蜂窝通信的需求正在快速增长，而且在诸如印度、中国等科技发展中国家中，确实还有许许多人尽管有意愿和能力支付物美价廉的服务，但当前还不能使用蜂窝服务。在一些国家，政府补贴当前正在推动扩建的进行，然而，却希望最小化这种补贴扩建的成本和时间。在这些情况下，特别是对于收入水平低和/或人口密度低的地区来说，传统蜂窝网络运营商仍需要解决的问题是如何减少与蜂窝基础设施部署相关联的资本成本，同时降低运营费用。需要一种能够显著减少传统BTS基站等同物(site-equivalent)的数目同时降低运营费用的创新解决方案。
发明内容
本发明的实施例提供一种超经济广播系统和方法。
在一个实施例中，一种蜂窝通信系统包括：限定多个相应的小区的多个基站收发台，每个基站收发台包括具有多个扇区的相控阵天线，每个扇区具有多个垂直排列的天线板，并且每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱中的多个垂直排列的辐射体。
在另一实施例中，一种使用相控阵天线广播信号的方法包括：使用多个垂直排列的天线板形成被水平和垂直整形的波束，其中每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱中的多个垂直排列的辐射体，并且发射在近区、中区以及至少一部分远区内具有实质上均匀的场强的功率分布。
因此，已经相当宽泛地概述了本发明的某些实施例，以便可以更好地理解本发明的详细描述并可以更好地认识对本领域的当前贡献。当然，还有将要在下面进行描述的本发明的另外实施例，并且这些实施例将形成这里所附权利要求的主题。
在这方面，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解，在本发明的应用中，本发明并不限于下列描述中提出的或者附图中示出的结构细节和组件的排列。除了所描述的这些实施例之外，本发明能够以各种方式实践和实施。同样，应当理解，这里所用的措词和术语以及摘要是为了描述的目的而不应当视作限制。
同样，本领域技术人员应当认识到，本公开所基于的构思可以容易地被用作设计用于实现本发明的若干目的的其它结构、方法以及系统的基础。因此，重要的是，这些权利要求应当被视作包括这种等同结构，只要它们不背离本发明的精神和范围。
附图说明
图1描绘根据本发明实施例的基站收发台天线的透视图。
图2将标准小区的覆盖与由根据本发明实施例的基站收发台天线提供的覆盖进行比较。
图3A和图3B描绘根据本发明实施例的相控阵天线的水平辐射图和垂直辐射图。
图4A和图4B示出根据本发明实施例的“罗宾汉”原理的各个方面。
图5示出根据本发明实施例的相控阵天线的天线板的功率和相位。
图6呈现根据本发明实施例的作为距离的函数的相控阵天线信号强度。
图7A描绘根据本发明实施例的相控阵天线板的半透明透视图。
图7B和7C各描绘根据本发明相应实施例的相控阵天线板的透视图。
图8A、8B和8C各描绘根据本发明相应实施例的相控阵天线板的端部的透视图。
图9描绘根据本发明实施例的相控阵天线板的正面透视图。
图10描绘根据本发明实施例的相控阵天线板的后面透视图。
图11描绘根据本发明实施例的天线板叠层的透视图。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种超经济广播系统和方法。
一、本发明概述
创造性的超经济广播系统包含各种天线设计和无线电网络规划构思，解决蜂窝运营商在全面支持380至3,800MHz频率范围中所有子标准和调制的GSM-960/1800/1900、CDMA-450/850以及UMTS-2170标准中的需要。有利地，也就是说，例如，由于基站的覆盖区域增加了10-30倍以及应用了优化的无线电覆盖规划方法，该创造性的超经济广播系统减少特殊资本支出以及运营费用，同时在技术效率、适用性和盈利能力水平上超越标准技术。
根据本发明的各种实施例，所需的BTS的数目降减少了10-20倍，维持或提高了服务质量，并且允许去除在新网络构建或现有网络扩张中使用的所有冗余BTS。这种改进的资源管理效率允许运营商延迟或者甚至停止购买新的设备(BTS，收发机)，从而导致财务资源的节省、更高的盈利能力以及提高的业务资本化。根据本发明的教导，小区的现代化由于实施了调制解调器和更可靠的设备而使得无线接入网络具有更好的容错性。维护费用也被降低，平均故障间隔时间(MTBF)显著增加，并且蜂窝网络的总体拥有成本(TCO)大大降低，从而保持或者甚至增加了盈利能力水平。
该创造性的超经济广播系统的优选实施例还包括安装优化的基站，该优化的基站具有432厄兰(Erlang)的最大可能基站容量和例如达40km超长范围的室内覆盖。网络每1km2的预期成本比用较便宜且质量较差的BTS和标准天线产生的覆盖的成本低10倍以上。这些优化的基站既放大它们上行链路信道的信号又放大它们下行链路信道的信号，从而与标准天线和天线杆相比，提高了链路预算18-30dB，甚至提高了10-20倍大的覆盖面积。下行链路的放大可以达到每载波差不多80W，从而允许移动终端减少能耗并且使RF干扰最小。
这些优化的基站还具有最大的容量扩张灵活性的特点，也就是说，例如，从7.5-15厄兰的初始配置到成熟网络中的432厄兰(+2,880％)。这确保与现代电信市场的人口、经济以及战略条件相比该网络具有最大自适应容量。
该创造性的超经济广播系统类似地可应用于广播网络，其中强大的放大器和高位安装的天线在40-50km半径内的地域(5,000至8,000km2)上提供视距无线电覆盖。
该创造性的超经济广播系统有利地允许运营商在辽阔的地理区域上以最小资本支出快速投入语音服务，从而给予许许多多的人以改善他们生活质量的机会。这样，运营商接纳经济且有利可图的技术，这些技术在将来的很多年里可以成为业务发展战略的关键要素。通过适应本发明的教导，运营商能够引进可以得到由高的内部收益率支持的自筹资金的机会。运营商可能非常需要仅仅资本支出总量的15-25％来启动项目自筹资金过程——其余可以凭借所产生的巨大总利润来筹措资金。
该创造性的超经济广播系统可能在电信服务消费水平相对较低(ARPU(每用户平均收入)US$1-4)、缺乏或只有老的模拟电信基础设施的地区最为有利可图。在这种地区，具有最低CAPEX(资本支出)水平(50-150US$/km2)的移动蜂窝基础设施可以提供最佳的经济和技术收益。在增加小区容量方面的灵活性、运营费用减少50-95％、与所有新标准(GPRS、EVDO、HSDPA、WiMAX、UMB、OFDM/MIMO)兼容，可以共同确保最低的总体拥有成本并且使得能够扩张到收入低和/或人口密度低的市场。
二、本发明若干实施例的详细描述
根据本发明的一个方面，与传统的蜂窝系统相比，有利地增加小区间隔，即相邻BTS之间的距离，同时在每个小区内提供一致的服务质量(QoS)。本发明优选实施例增加每个BTS的范围。传统宏小区的半径通常具有从大约1/4英里(400米)到理论最大值22英里(35千米)的范围(在GSM标准下的极限值)；实践中，除了在高密度的市区和非常空旷的郊区外，使用大约3至6英里(5-10km)的半径。对于本发明的典型实施例来说，本发明提供在22英里的GSM极限值下的全部功能，并且在某些实施例中很好地扩展到该极限值之外。在本发明的某些实施例中，小区大小保持受用户容量的限制，与传统宏小区相比，用户容量本身能够被显著增加。
与小区大小的增加成比例地，增加BTS天线塔高度，从而为扩大的小区保留所需的视距(针对惯用的4/3直径地球模型)传播路径。本发明的优选实施例将任何地方的BTS天线塔的高度从大约200英尺(60米)增加到大约1500英尺(大约500m)。为了使传统蜂窝收发机(用户的手持移动电话、数据终端、计算机适配器等等)的发送功率和接收灵敏度很大程度上保持不变，用于SEC系统的塔顶装置的EIRP和接收灵敏度相对于传统蜂窝系统来说在长距离处增加，而在天线杆附近减少。这些效果通过相控阵天线和相关的无源元件以及本发明中包括的有源电子器件来实现。
有利地，可以在SEC系统内使用诸如收发机、电源、数据传输系统、温度控制和监控系统等等的标准BTS设备。一般来说，可以在例如以36至96台收发机以及216至576厄兰的容量为特色的每个BTS处同时支持一至三个或者更多的蜂窝运营商(服务提供商)。可替代地，蜂窝运营商可以使用更经济的BTS收发机(比如，0.1W的收发机功率)，从而进一步减少成本和能耗。这些经济的BTS与之前的设计相比具有更小的覆盖区(footprint)和更低的能耗，部分归因于在相控阵天线塔的顶部而非在地上执行发送信号的放大和接收信号的处理。
图1呈现根据本发明实施例的BTS天线的透视图。
基站收发台10包括天线塔12和相控阵天线14，相控阵天线14布置在塔12的上部，这里示出为塔顶。该实施例中示出的天线14的形状通常为圆柱形，这用来降低风力载荷，并且天线14具有多个扇区16，例如6个扇区、8个扇区、12个扇区、18个扇区、24个扇区、30个扇区、36个扇区等等，它们共同提供对与该BTS相关的小区的全向覆盖。每个扇区16包括采用垂直叠层形式的多个天线板18。每个高程(elevation)20包括能够围绕支撑系统以在特定高度提供360℃覆盖的多个天线板18，每个板18可能属于不同的扇区16。每个天线板18包括封装在天线罩内的多个垂直排列的辐射体，这些天线罩在一定程度上与实施例中示出的板18相符合。
诸如同轴电缆、光纤电缆等等之类的馈线将蜂窝运营商设备连接到位于相应的扇区16后面的天线馈电系统。在每个扇区16的馈电系统的输入端有双工器、功率传输放大器、低噪声接收放大器等等，来放大和整形从相控阵天线14发送的信号和由相控阵天线14接收的信号。在一个实施例中，该馈电系统包括精密的功率分配器以将每个扇区16内的天线板18互连，并且向该扇区中的板18提供垂直波瓣整形以及波束倾斜。在另一实施例中，可以在该馈电系统内使用软同轴电缆。
图2将标准小区的覆盖与由根据本发明实施例的BTS天线提供的覆盖进行比较。表1将传统蜂窝基站的天线参数和覆盖与本发明的两个不同实施例进行比较。GSM 870-960MHz频带用于该比较。
Figure BPA00001252171000071
表1
一般来说，天线塔12是被拉线拉住的或者支撑大约3,000至20,000lbs(镑)有效载荷的自支撑的天线杆，其具有从大约200英尺到大约1,500英尺的总天线杆高度，并且能够支撑SEC天线对抗高风力载荷。可替代地，假设满足所希望的结构刚度和有效载荷定额，可以使用标准天线杆、烟囱、塔或其它结构。可以提供太阳能集热器、微波链路、风力发电机等等，以减轻BTS电力和陆上线路通信基础设施的负担。
在一些实施例中，相控阵天线14使用24个到288个之间的天线板18，这些天线板18排列成三到三十六个扇区16，每个扇区16包括两到十六个，优选八到十二个天线板18的高程20。一般来说，每个扇区16形成具有差不多10％的带宽、7°到65°(在十二扇区或八扇区的实施例中优选为30°或45°)的水平波束宽度以及0.66°到2°的垂直波束宽度的定向天线波束。对于优选实施例，天线板18的八个高程20的垂直排列提高用于信号发送和接收的天线孔径效率。扇区16的紧凑圆周排列建立圆柱形形状。一些天线14的实施例可以适用于支持容量增加以满足业务和增长需求。
除870-960MHz之外的频率分配同样可行，具体地，包括至少先前分配的在460MHz、750MHz、900MHz、2GHz、2.8GHz以及3.5GHz附近的频带。这种频带以及可以随后分配或获得的其它频带，可能都需要在大小上略微不同并且在配置上有点不同的装置，以便提供这里所描述的服务。例如，由于辐射设备经常在大约10％的范围(即+/-5％的中心频率)内是有效的并且可以按照尺寸来限定，因此可能有必要的是，与上述900MHz频带相比，粗略使单个辐射体的物理大小和它们之间的间距加倍以提供460MHz频带的服务，并且针对2GHz频带使这些尺寸减半。
在本发明所考虑的其它实施例中，例如，更宽带宽的辐射体可以支持U.S.和EU GSM和/或CDMA频带的至少全部，例如，通过重新调整而非制造物理尺寸不同的替代设备，相关的滤波器可以能够适应多个这种频带。因为相关的U.S.和EU频带并不重叠，所以相应频带的发射和接收频率与这些频带的发射和接收频率相比彼此更加接近，从而使得这些频带的滤波器优选运行在离散的范围。这可以考虑应当许可多个间隔很近的频带，例如，在这种情况下，多个滤波器可以支持较少阵列的辐射体。
在一个实施例中，使用尺寸为大约8英尺×12英寸×8英寸(2.5m×5cm×20cm)且重量粗略为30镑(15kg)的单个铝挤压型材作为框架和反射体，制成每个天线板18。辐射体、信号分布接头、天线罩、安装硬件等等附接到该挤压型材。在具有很高共面性(例如+/-0.25°)的相控阵天线14的每个扇区16内天线安装板18，这种共面性部分地由所有天线和天线杆元件的结构优化来提供。另外，这些天线板减少有效风力载荷面积。有利地，这些特征组合起来增加上行链路信道灵敏度(天线增益)，同时提高下行链路信道吞吐量。本发明还考虑其它扇区16的配置和天线板18的尺寸。
图3A描绘根据本发明实施例的使用被配置为实现32度波束宽度的单个扇区16的水平辐射图。相控阵天线14具有由以阵列形式位于相应扇区16内的多个偶极子辐射体产生的、具有零点填充和有效上波瓣抑制的非对称系数的固定辐射图。在一个实施例中，每个天线板18包括两个相邻的、垂直定向的、八个偶极子辐射体的交错的支柱。因此，对于包括八个这样的天线板18的扇区16，各提供两个垂直阵列的64个偶极子辐射体。在该实施例中，每个支柱中的偶极子辐射体以近似一个波长的间隔固定隔开，同时这些支柱彼此相对偏移大约二分之一波长。换句话说，相邻的、交错的偶极子辐射体以二分之一波长的间隔固定隔开。
根据这种实施例的相控阵天线14可以实现大约29dBi到32dBi的信号增益系数，并且可以接受达到每个载波80W的天线输入功率。图3B描绘根据本发明实施例的单个扇区的总垂直辐射图。
在与传统蜂窝天线相比时，相控阵天线14的场强在远区(即5km至30km)增加17dB到27dB，在近区(即0km到1km)减小大约10dB，并且在中区(即1km到5km)保持不变。这些效果在相控阵天线14的近区和远区产生更加均匀的场强分布图，在与传统蜂窝天线相比时，这引起例如小区覆盖面积的10倍到40倍的增加。这是“罗宾汉(Robin Hood)”原理的实例，其中功率/增益从过剩的垂直区域被重定向至不足的垂直区域以保持附近的功率水平和EIRP较低，同时扩大范围，如图4A和4B所示。
在一个实施例中，每+1dB的路径损耗给予不止25％的信号。
相控阵天线14还支持多信号输入和多信号输出(MIMO)技术，并且由于多路径波达方向(DOA)速度降低、最优下倾以及超范围的射频干扰快速截止，有利地增加载波/干扰比并提高吞吐量。通过邻接板16的框架/反射体组件并改进辐射体设计，进一步增强旁瓣和后瓣的抑制，还提高信号接收可靠性，并且有助于减少小区中的掉话次数。
如上所表明的，诸如细的软同轴电缆之类的馈线将BTS蜂窝运营商设备连接到相控阵天线14的下部。在一个实施例中，包括：用于对垂直波瓣的辐射图进行整形的有源低损耗器件(比如，LLVLSU-低损耗垂直波瓣整形单元)、便于维护并具有可靠性的低能量密度设计的80W单载波功率放大器(比如，LPDPA-低功率密度功率放大器)、双工器/滤波器、组合器、多路藕合器以及低噪声放大器(LNA)、非常低噪声放大器(VLNA)以及跨接电缆。LLVLSU负责构建具有相控阵天线14的小区，并且实现中区和远区中零点填充的振幅平衡，从而实现“罗宾汉”原理。
细的软同轴电缆降低馈线的重量、购买成本以及风力载荷，使得安装容易等等。细的软同轴电缆的额外信号衰减被下行链路信道中的80W单载波功率放大器完全补偿，该80W单载波功率放大器安装在直接位于天线板18后面的相控阵天线14的下部中。通过同样位于天线板16后面并且遮挡住风雨的非常低噪声放大器——具有小于1dB的噪声指数的放大器，在上行链路信道中实现进一步的信号放大。
部分通过组件质量控制并且部分通过特别注意在信号级联过程中设备的匹配，例如，Friis级联规则的使用，双工器/滤波器、组合器以及多路耦合器可以使相应的噪声指数保持为低水平。合适选择和配置的天线元件能够具有高电效率的特色，也就是说，例如在10％的通带内不超过1.15的电压注波比(VSWR)。这种低水平的VSWR可以通过所有系统组件的阻抗的匹配来实现，并且可以减少无线BTS的高频设备的能耗和故障风险。低VSWR给予很大的可能性来充分使用功率放大器和相控阵天线14的容量。所有有源RF组件优选被设计为具有非常低的能量密度，从而针对额外的能量效率使用对流气冷方法，以及具有系统级容错性和软故障(soft-fail)特性的特色。
在一些实施例中，通过使用无源的低损耗精度垂直波瓣整形器(或LLVLSU)，基站能够根据“罗宾汉”原理重新分布其辐射功率，并且能够确保在近区、中区和远区中电磁场强度的显著均匀性。图3B描绘由LLVLSU形成的垂直辐射图。在示出的实施例中，最大信号功率在-0.5度的下倾角处被实现。信号功率通过充分的零点填充被逐渐降低(-3.125度、-2.125度以及-1.25度)，同时上波瓣(＞+1.25度)被有效地抑制超过25dB以避免过度的RF干扰。
在其它实施例中，类似的“罗宾汉”场强分布可以通过无源垂直波瓣整形来实现。以该后一形式，可以由单独的同轴馈线将诸如精密的功率分配器之类的单个有源功率分配器引到所有板，或者例如，可以在多个三端口(或更多端口)功率分配设备之间分布功率分配功能。在这种实施例中，提供给各个板的功率可以相对于提供给其它板的功率被增加或减小，以实现与LLVLSU分布相当的分布。
图5示出根据本发明实施例的相控阵天线的功率32和相位34的分布频谱30。在功率频谱32和36中，相控阵天线14的每个扇区16包括如图1所示的单个天线板18的八个高程20。图5阶梯式的功率32分布和相位34分布可由有源或无源垂直波瓣整形实现为任何想要水平的精度。本发明也考虑其它功率和相位分布频谱。例如，图5表示将功率频谱32的最大功率水平提供给第三板，而将功率频谱36的最大功率水平提供给第六板等等。如图5的第三功率频谱38所示，其它实施例还可以部分通过进一步改变耦合到每个板18内每个辐射体的信号强度来改变给每个辐射体而非给每个板的功率。
图6呈现根据本发明实施例的作为距离的函数的相控阵天线信号强度40。在该实施例中，如图5所示，特定功率分布32与元件间隔和相位控制的预定值相结合，能够提供波束倾斜和向下波瓣抑制的特定值。传统的天线设计通常限于实现信号强度42，与实现本发明的天线的信号强度48的分布相比，信号强度42在近区44中非常高，而在远区46中非常低。相控阵天线14的其它实施例，例如，由对扇区16内每个板18中的每个辐射体来说唯一的功率分布38替换图5所示的示例性板接板式功率分布32的相控阵天线14，能够实现信号强度/增益50，服务区内许多位置可以进一步提高该信号强度/增益50。
图7A和图8A描绘根据本发明实施例的相控阵天线板100的半透明的透视图。在优选实施例中，有利地，支撑构件110为许多交叉的偶极子辐射体120提供连续的反射体表面112(或底板)，这些偶极子辐射体120以平行支柱的形式布置在支撑构件110上。在支撑构件110内提供许多带状线以将交叉的偶极子辐射体120连接到布置在图1中示出的相控阵天线14的支撑构件110后面的信号分布电缆和联接器。在所描绘的实施例中，各包括八个交叉的偶极子辐射体120的两个支柱被提供在每个板100上，并且以互补对的形式排列的四个带状线132、134、136、138，将交叉偶极子辐射体120连接到信号分布电缆。每个交叉的偶极子辐射体包括两个导体，每个偶极子辐射体一个导体。
在优选实施例中，辐射体120是横向放置的、四边形的交叉偶极子辐射体。图7A中还提供示例性横向放置的、四边形的交叉偶极子辐射体120的透视图，在一个或更多相关的共同未决的专利申请中更详细地描述与之相关的突出特征。横向放置的、四边形交叉的偶极子辐射体120能够被配置为展示低的交叉耦合，并且当被合适地放置和定向并被馈给合适的相控信号时，被配置为展示低的相互耦合。
在图7A的实施例中，八个等间隔的偶极子辐射体120被提供在两个交错的支柱的每个支柱中。优选地，在示出的实施例中，在这两个支柱之间交替的连续的辐射体120的有效垂直间隔偏移一半，从而粗略地提供辐射体120中心之间的半波间隔。如在相关的共同未决的专利申请中所提出的，天线的有效发射和接收特性受辐射体间的间隔和馈线相位控制的影响。穿过交替支柱中最接近的辐射体120中心的线，形成相对于支撑构件110的中心线的45度角。本发明还考虑每个支柱上等间隔偶极子辐射体120的其它数目，例如，两个、四个、六个、十二个、十六个等等。
在优选的900MHz频带的实施例中，每个支柱内的辐射体120沿天线板100的长度分开约12英寸(例如，12.033英寸)，并且沿天线板100的长度相对相邻支柱内的辐射体偏移约6英寸(例如，6.017英寸)。在该实施例中，这些支柱分开约71/2英寸(7.680英寸)。在优选的1800MHz频带的实施例中，尺寸都被减少0.5倍；可以类似地适用其它实施例。请注意，由该创造性系统实际上辐射和接收的信号高于、低于或等于这些中心频率。例如，一个900MHz频带的实施例可以包括例如890-915MHz针对基站接收的频率范围(例如890-915MHz)和例如935-960MH针对基站发射的频率范围(例如935-960MHz)。
在一个实施例中，支撑构件110是从诸如铝合金之类的高强度材料挤压成形的，并且在其中形成了纵向延伸的若干腔104。可以使用其它制备方法和材料来形成支撑构件110，例如，冷轧、焊接等等。在所示的实施例中，支撑构件110包括四(4)个信号接地腔104，其中布置有相应的带状线132、134、136、138。为了提供额外的侧向尺寸、强度等等，支撑构件110还可以包括一个或多个结构腔108。
图7B和图8B中描绘天线板100的另一实施例。在该实施例中，凸起部分122形成在支撑构件110上以提供对偶极子辐射体120的额外支撑。由该实施例支持的频率范围可以是例如900MHz频带。
在该实施例中，阵列板100具有约100英寸(例如，98.00英寸)的总长度、12英寸(例如，12.60英寸)的总宽度以及2英寸(例如，1.91英寸)的总高度。一般来说，阵列板100具有约0.1英寸(例如，0.08英寸)的厚度，包括该板的周边以及中央连接板(center web)114和交叉构件106。凸起部分122被提升到支撑构件110之上约0.2英寸(例如，0.17英寸)并且从支撑构件110的中心线偏移约4英寸(例如，3.84英寸)。两个外部中央连接板114分别布置在每个凸起部分122的中心线下面，而两个内侧中央连接板114分别布置在阵列板100的中心线与凸起部分122的中心线之间。四个通常为矩形的信号接地腔104因此被形成，从而每个围起近似相同的体积。例如，两个内信号接地腔可以是宽约2英寸、高11/2英寸(例如，2.06英寸乘以1.58英寸)，而两个外信号接地腔104可以是宽约21/4英寸高11/2英寸(例如，2.29英寸乘以1.58英寸)。
如图8B所示，圆形凹槽121形成在支撑构件110的每一侧以容纳来自安装在板上的天线罩的配对圆形法兰(如图7B中的虚线所示)。该天线罩可以由适合于天线罩的诸如聚碳酸酯之类的RF-透明材料来构造。在该实施例中，凹槽121可以具有约1/4英寸(例如，0.22英寸)的半径。该天线罩包括两个端盖和一个中央部分，外表面具有曲线形状以及在约8英寸(例如，7.75英寸)的支撑构件110之上的最大高度。约1/2英寸直径的锥口钻孔(未示出)提供在凸起部分122中以适应每个辐射体120的安装。每个辐射体120的两个导体穿过凸起部分122中的这些孔，并且连接到布置在下面的接地信号腔104内的相应的带状线。
在图7C和图8C中描绘天线板100的另一实施例。在该实施例中，凸起部分122形成在支撑构件110上以提供对偶极子辐射体120的额外支撑。由该实施例支持的频率范围可以是例如1800MHz频带。在该实施例中，阵列板100具有约50英寸的总长度、12英寸的总宽度以及2英寸的总高度。一般来说，阵列板100具有约0.1英寸的厚度，包括该板的周边以及中央连接板114；在该实施例中没有使用交叉构件。如图8C所示，圆形凹槽121形成在支撑构件110的每一侧以接容纳来自安装在板上的天线罩的配对接合圆形凸缘法兰(如图7C中的虚线所示)。该天线罩可以由适合于天线罩的诸如聚碳酸酯之类的RF-透明材料来构造。在该实施例中，凹槽121可以具有约1/4英寸的半径。该天线罩包括两个端盖和一个中央部分，外表面具有曲线形状。
图9描绘根据本发明实施例的相控阵天线板的正面透视图，而图10描绘根据本发明实施例的相控阵天线板的后面透视图。
信号分布电缆连接器142、144、146和148被连接到信号分离器310、312，信号分离器310、312分配由信号馈线320和322承载的相应信号。在图10所描绘的实施例中，由信号馈线320承载的信号被信号分离器310分离，而后提供给信号分布电缆连接器142、146，而由信号馈线322承载的信号由信号分离器312分离，而后提供给信号分布电缆连接器144和148。在该实施例中，每个偶极子辐射体有利地连接到两个信号馈线320、322。在优选实施例中，信号分离器310、312将由信号馈线320、322承载的相应信号分成正交分量。
天线罩302对于关心的频率实质上是透明的，并且封装天线板100以便保护偶极子辐射体120对抗天气等等的不利影响。在一个实施例中，可以使用单个扇区16，并且可以将额外的底板表面300附接到天线板100的每一侧。
图11示出当从相控阵天线14的内部看时与图1所示的实施例中的扇区16对应的单个板叠层60。叠层60包括多个辐射体板62、一对接线盒64、一对(发射)功率放大器(PA)66、一对接收放大器(RA)68、一对双工器/滤波器70、一对第一三通接头/功率分配器组件72、多个第二三通接头/功率分配器组件74、多个第三三通接头/功率分配器组件76、多个最终功率分配器78以及多个互连电缆80。图11示出包括在板62任一侧的辅助反射延伸表面82的实施例；在其它实施例中，在任一侧的形成扇区16的附加板62可以除去延长部分82。
由电缆80互连的三通72、74、76、78的排列，通过滤波器/双工器70为发射机66提供信号输出分布并且为接收机68提供信号输入收集。下面的讨论特别针对发射提出；接收功能反映发射。每个三通72在两个输出端之间分配双工发射信号，这两个输出端由电缆80连接到接下来的两个三通74的输入端，接下来的两个三通74进一步分配信号并经由另外的电缆80将其传递给每一串上的最终四个三通76。至少某些实施例中的三通72、74、76可以展示基本上一样的传播时序特征，但是在从输入端到每个输出端传送的功率量上可以不同。
在示出的实施例中，在三层的三通72、74、76上使用两个功率分离(splitting)值，具体来说，约60∶40和70∶30的分离，来实现图5的图表中示出的信号分布30的比例。与每个板相关联的用于发射的信号强度的值或者用于接收的增益的值是很好近似的功率分离的乘积。例如，如果馈电给面板的连续三通中的每个三通具有30％的支流，并且30％的支流被级联以馈电给该板，那么到达该板的发射机能量的比例是.3*.3*.3，或者2.7％。类似地，70％、60％、60％的级联提供给板25.2％的可用功率。
全部被等分(50∶50)的三通以相对基本的波束形式提供实质上均匀的功率分布。在替代方案中，可以通过允许七个三通72、74、76中的每个三通具有针对板叠层60内的一个位置优化的功率分离，而非该实施例中所示的70∶30和60∶40分离的组合，来实现分布30的扩展变种。如图6所示，已经将多个辐射体之间的功率分布记录为控制在距天线的每个距离处的信号强度40的系数。针对每个三通选择特定的内部构造可以实现这种功率分布。明智的折衷可以准许产品简化并且伴随着系统成本的减少，同时使特定的性能目标达到任意优选的程度。
通过如所记录的那样使三通72、74、76的相位标准化并且使用电缆80的相对长度来控制传播延迟，可以使在堆叠的板62之间的相位控制在相当的程度上与功率分布无关。在所示的实施例中，通过用等长的电缆80全面均衡传播延迟来使相位实质上均匀；在其它实施例中，例如，通过进一步减小后瓣和旁瓣，进一步调整波束倾斜以及主波束整形等等，相位调整与功率分布一起可以提供对小区的波束特征进行进一步的控制。
为了补偿诸如地形变化、对政治边界所允许的特定天线10的覆盖的限制等等之类的因素，如图1所示，可以在相控阵天线14内从扇区16到扇区16进一步改变功率分布与相位控制的结合。这样，例如，在位于导电性始终如一的土壤(可靠的地平面)之上的极为平坦的地形中的专用塔16上的天线14，可以支持具有向所有扇区16均匀馈电的最大尺寸的小区。作为替代实例，建筑物顶部的辐射体天线14可以坐落在湖的附近，该湖在一个方向上的远处有石质山崖并且在与之相反的方向上有缓和上升的森林，并且辐射体天线14可以被要求服务周边不均匀的小区，从而需要每个叠层60中的功率/相位分布适应于该小区的方位相关特征。
辐射体偶极天线140、142的改进后的四边形构造和它们的间隔进一步至少在蜂窝电话所要求的带宽内提供低的电压驻波比(VSWR)，蜂窝电话所要求的带宽，即对于基本的900MHz GSM频带为大约7.6％，或者对于该频带的P-、E-或R-扩展版本达到9.1％。对于1.8GHz GSM频带，带宽再次为大约9.1％，并且发射频率和接收频率之间的间隙粗略等于E-GSM频带的频率。
该创造性超经济广播系统的优选实施例具有30dBi的天线增益、15dB的馈线损耗(0.25″线、200m天线杆@960＜Hz)、30dB的增益，由于上述有源组件，从而向下馈电到具有3.5dB的噪声系数的标准BTS。使用级联的Frris公式，天线端口处的NFsys为小于1.0dB。相应地，Ga-NFsys＝30.0-1.0＝29.0dBi(在上行链路中)。下行链路发射机功率在0.1W和80W之间变化。利用总计-15.0dB的馈线、双工滤波器和跨接器电缆，到天线的Pa输入功率是80W，使得EIRP为80W*1000＝80,000W。
与上述在背景技术部分中讨论的已知天线装置相比，上行链路中的提高为20.9-11.0＝18.0dB，而下行链路中的提高为30.0-15.5+10log80/16＝14.5+7＝21.5dB。该EIRP提高141倍。
尽管EIRP计算假定了标称天线增益，但由该创造性超经济广播系统提供的实际增益在大于5,000m的距离处并且在地面上的与垂直波瓣最大值对应的高度处被提高。在基站附近，全增益还没有被提高，并且在垂直波瓣最大值的高度处的增益低于标准天线。另外，指向地面水平的增益由于窄的波瓣而进一步被减小。这样，创造性的罗宾汉原理在近区传送较低的辐射EIRP。
本发明的许多特征和优点从该详细的说明书中是明显的，因此，所附权利要求旨在覆盖本发明的落入本发明真实精神和范围内的所有这种特征和优点。进一步，由于本领域技术人员很容易想到许多改进和变化，因此并非想将本发明限制在所示出和所描述的精确的结构和操作，并且相应地，可以要求保护落入本发明范围内的所有合适的改进和等同物。

Claims (20)

1.一种蜂窝通信系统，包括：
限定多个相应的小区的多个基站收发台，每个基站收发台包括具有多个扇区的相控阵天线，每个扇区具有多个垂直排列的天线板，每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱上的多个垂直排列的辐射体。
2.根据权利要求1所述的系统，其中每个支柱包括至少八个固定间隔的、横向放置的、四边形交叉偶极子辐射体。
3.根据权利要求2所述的系统，其中每个支柱内的辐射体之间的垂直间隔为约一个波长。
4.根据权利要求3所述的系统，其中相邻的、交错的辐射体之间的垂直间隔为约二分之一波长。
5.根据权利要求4所述的系统，其中对于来自每个支柱的辐射体来说，在两个相邻辐射体的中心之间所画的线相对于所述天线板的中心线形成大约45度的角。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个扇区包括至少六个扇区。
7.根据权利要求6所述的系统，其中每个扇区包括至少八个天线板。
8.根据权利要求7所述的系统，其中每个扇区形成具有约7°至约65°的水平波束宽度以及约0.66°至约2°的垂直波束宽度的定向天线波束。
9.根据权利要求8所述的系统，其中每个扇区形成具有约30°至约45°的水平波束宽度的定向天线波束。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述相控阵天线广播具有近区场强、中区场强和远区场强的信号，并且其中所述近区位于约0km到1km，所述中区位于约1km到5km，并且所述远区位于约5km到30km。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述相控阵天线的近区场强比传统蜂窝天线的场强低约10dB，并且所述相控天线的远区场强比所述传统蜂窝天线的场强高约17dB至27dB。
12.根据权利要求10所述的系统，其中每个扇区包括无源馈电系统，所述无源馈电系统向每个天线板分配预定的信号功率和预定的信号相位并且分配来自每个天线板的预定的信号功率和预定的信号相位。
13.根据权利要求10所述的系统，其中每个天线板包括无源馈电系统，所述无源馈电系统向每个天线辐射体分配预定的信号功率和预定的信号相位并且分配来自每个天线辐射体的预定的信号功率和预定的信号相位。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述无源馈电系统是带状线。
15.一种使用相控阵天线广播信号的方法，包括：
使用多个垂直排列的天线板形成被水平和垂直整形的波束，每个天线板具有布置在至少两个交错的支柱上的多个垂直排列的辐射体；并且
发射在近区、中区以及至少一部分远区内具有实质上均匀的场强的功率分布。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述近区位于约0km至1km，所述中区位于约1km至5km，并且所述远区位于约5km至30km。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述近区的场强比传统蜂窝天线的场强低约10dB，并且所述远区的场强比所述传统蜂窝天线的场强高约17dB至27dB。
18.根据权利要求15所述的方法，其中水平波束宽度为约7°至约65°，并且垂直波束宽度为约0.66°至约2°。
19.根据权利要求15所述的方法，其中每个支柱包括至少八个固定间隔的、横向放置的、四边形交叉偶极子辐射体，其中每个支柱内的辐射体之间的垂直间隔为约一个波长，并且其中相邻的、交错的辐射体之间的垂直间隔为约二分之一波长。
20.一种使用相控阵天线广播信号的系统，包括：
用于形成被水平和垂直整形的波束的装置；以及
用于发射在近区、中区以及至少一部分远区内具有实质上均匀的场强的功率分布的装置。
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