CN102986085B - 天线布置 - Google Patents

Abstract

提供一种包括第一和第二天线元件的天线布置。馈线连接第一和第二天线元件用于向和从第一和第二天线元件馈送信号，并且在馈线与校准线之间电感耦合信号，因此可以向测量设备馈送它。

Description

天线布置

技术领域

本发明一般地涉及一种天线布置。更具体而言，本发明涉及一种允许用于校准可重新配置的有源天线的幅度和相位检测的天线布置。

背景技术

可重新配置的有源天线使用于移动网络基站的相控阵天线***中。为了能够将可重新配置的有源天线用于改变和维持这样的相控阵天线***的波束形状，要求校准天线和无线电。需要校准以便确定分别从收发器和接收器传输和接收的信号的相位、幅度和延迟，并且然后通过调整在收发器或者接收器被连接到的天线元件或者子阵列处的实际信号的相对相位、幅度和延迟来执行天线***的波束形成。

这意味着可重新配置的有源天线***的中心是校准***。以往已经布置校准***例如为定向耦合器校准网络或者RF开关可选择网络。然而定向耦合器校准网络要求每个天线元件或者子阵列需要为它构建单独的校准网络，这在制造所用材料的量的方面极为复杂和高成本。

以往已经通过在元件的近场（close field）中与通过空中的四极（交叉极化的4臂单极（monopole）-2臂偶极（dipole））耦合一起使用探测天线用于校准而不是定向耦合器校准网络来解决这些问题。然而这一探测天线设计的问题是信号电平有时很小或者由于近场影响而变化、对于测量而言误差容限变得不可被接受。也已知环境条件（例如雨水、振动或者位于近旁的金属物体）引起这一类型的构造中的信号耦合的误差。另外，在工作频率频带中，信号电平可能改变多于10dB。

因此，需要一种可以用于校准而不妨碍天线的实际功能并且鲁棒和可靠从而给予减少的测量误差的天线布置。

发明内容

因而本发明提供一种天线布置。该天线布置包括天线元件以及被配置成向和从天线元件馈送信号的馈线。校准线与馈线邻近并且与馈线间隔开布置而且被配置成经由电感耦合从馈线接收向和从天线元件馈送的信号。馈线也可以经由电感耦合从校准线接收信号。换言之，馈线和校准线形成电感器对，电感器对中的电感耦合从馈线到校准线产生并且反之亦然

由于电感耦合器对相对于天线元件的布置，最小化了干扰。因此这一天线布置很可靠，从而在所有工作频率处提供稳定、高的和一致信号电平，并且减少测量误差。另外，天线布置很鲁棒并且未根据对它的关联基站的改变而改变它的性能，对它的关联基站的改变诸如天气条件改变或者添加与天线布置接近的更多天线。

校准线应当通过电介质材料与馈线间隔开，电介质材料例如空气或者绝缘材料，该电介质材料形成在其中或者在其上提供馈线和校准线的基部。

优选地，配置校准线使得它可以直接连接或者耦合到测量或者校准设备，例如校准无线电。

为了增加在馈线与校准线之间的耦合，例如在将校准定位在与馈线的希望的邻近的不切实际的情况下，电感耦合器元件可以定位于馈线与校准线之间。这一电感耦合器元件可以定位于馈线与校准线之间。可以简单地在校准线中提供这一电感耦合器元件作为校准线的朝着馈线缩进（indent）的部分。

可以在天线布置中提供附加天线元件，使得两个天线元件布置为天线元件对的第一和第二天线元件。

在这一情况下，馈线可以被配置成向该对中的第一和第二天线元件两者馈送信号。

然后可以布置电感耦合器以便关于接合点对称，馈线在接合点处划分成分别通向第一和第二天线元件的第一和第二支路。

优选地，在将两个天线元件连接到相同馈线的情况下，馈线的第一和第二支路基本上是相等长度。这产生在天线元件之间的最大隔离以及在两个天线元件连接到相同馈线时最小化在天线元件之间的相位和幅移。

另外，当两个天线元件共享相同馈线时，两个线的迹线宽度（trace width）应当在馈线拆分（split）成两个支路的接合之后比用单个迹线更细，以便产生与单个支路馈线的相等50欧姆匹配负载。这是为了在将TX信号对半拆分到每个天线元件或者将来自两个天线元件的RX信号组合在一起时最小化信号损耗和反射。

天线布置也可以配备有连接器元件，该连接器元件被配置成连接到在另一天线布置上提供的对应连接器元件。以这一方式，天线布置可以相互电（和物理）连接，使得一个校准无线电可以用于许多天线布置的校准，并且仅必须在一个天线布置上提供一个校准端口用于连接到校准无线电。这意味着可以成行地或者成列地级联天线布置，使得可以容易地按照要求来操纵和定制有源天线元件的波束形成的形状。

级联的天线布置然后可以同等形成向/从数量为1-X的天线元件耦合的无穷（infinite）（匹配/端接（terminated））耦合器线。

连接器元件可以是RF耦合器，例如简单商用RF耦合器。

在本发明的一个实施例中，天线元件安装于基部上，并且在基部上提供连接器元件。在这一情况下，可以在基部中以相互共面提供馈线或者校准线或者如下提供馈线和校准线，校准线与在馈线下面或者上方伸展（run）。基部可以是印刷电路板。然而，优选使用RF连接器作为连接器元件而不是将印刷电路板连接在一起，因为印刷电路板可能在10-20年之后易受环境破坏。

本发明还提供一种天线布置，该天线布置包括天线元件和被配置成向天线元件馈送信号的馈线。另外，提供连接器元件，该连接器元件被配置成连接天线布置与另外天线布置，使得天线布置可电连接并且可以以堆叠布置。

以这一方式，许多天线布置可以相互连接和级联，使得仅需天线布置之一具有用于连接到校准无线电的校准端口，以便发生相位、幅度和延迟的测量。

这意味着显著减少设计和制造的复杂性。另外，连接器元件允许在相同平面中竖直或者水平地堆叠或者级联天线布置，使得可以根据要求来配置和定制有源天线的波束形成。

级联天线布置然后可以同等形成耦合到数量为1-n的天线元件的无穷（匹配/端接）耦合器线。

有利地，连接器元件可以是商业可用的RF连接器。另外，馈线和天线元件可以安装于基部上或者中，基部例如印刷电路板，使得可以在基部上或者中提供连接器元件。这允许使用现有制造技术来简单和低成本地制造天线布置。

本发明也提供一种用于从天线元件接收信号的方法。该方法包括从向天线元件供应信号的馈线向校准线电感耦合信号并且在校准线处接收信号。然后可以从校准线向测量设备馈送信号。

现在将参照具体实施例和附图仅通过例子描述本发明，在附图中。

附图说明

- 图1是根据本发明一个实施例的天线布置的俯视图的简化示意图；

- 图2是根据本发明一个实施例的连接的天线布置阵列的俯视图的简化示意图；

- 图3是根据本发明一个实施例的天线布置的俯视图的简化示意图；

- 图4是根据本发明一个实施例的连接的天线布置的阵列的俯视图的简化示意图；

- 图5是根据本发明一个实施例的天线布置的俯视图的简化示意图；

- 图6是根据本发明一个实施例的天线布置的俯视图的简化示意图；

- 图7是根据本发明一个实施例的天线布置的阵列的俯视图的简化示意图；

- 图8是根据本发明一个实施例的天线布置的俯视图的简化示意图；并且

- 图9是图8中所示天线布置的侧面横截面图。

具体实施方式

图1示出了包括基本上矩形基部11（例如印刷电路板（PCB））的天线布置10的俯视图，该基部11具有两个长边11a1和11a2以及两个短边11b1和11b2。两个贴片天线元件12a和12b安装于基部11上，使得它们相互间隔开并且与矩形基部11的长边11a1和11a2基本上等距布置。馈线端口F1基本上居中布置于天线元件12a与12b之间的基部11中。馈线端口可以例如由同轴线缆连接到用于向天线布置供应信号的收发器（未示出，因为这在天线布置的天线元件12a和12b相反的一侧上）。

在基部11中提供馈线13，并且馈线13连接馈线端口F1与天线元件12a和12b中的每个天线元件。馈线13耦合到馈线端口F1并且背离馈线端口通向基部11的一个长边11a1。在接合点J处，馈线13拆分成两个支路13a和13b，使得第一支路13a通向天线元件12a并且耦合到天线元件12a，并且第二支路13b通向天线元件12b并且耦合到天线元件12b。

馈线13的支路13a和13b逐渐变细，使得支路13a和13b在接合点J处的部分狭窄并且它们朝着它们分别耦合到天线元件12a和12b的点逐渐变宽。

在基部11的相对短边11b1和11b2上提供并且由校准线14连接连接器端口C1A和C1B。校准线14与基部11的一个长边11a1平行和近邻并且布置于基部11中，使得它在与馈线13及其支路13a和13b相同的平面中。连接器端口C1A也充当校准探测器并且为此而可连接到校准无线电（未示出）。

在连接器端口C1A与C1B之间的校准线14上的点处，校准线14背离基部11的长边11a1朝着接合点J向内缩进以形成电感耦合器15。形成电感耦合器15的缩进具有三侧；与基部11的短边11b1和11b2平行的两侧15a和15b，以及与基部11的长边11a1和11a2平行的一侧15c。电感耦合器15的长边15c关于馈线13的接合点J对称布置并且与接合点J近邻用于从馈线13拾取信号，但是它未接触馈线13。

另一馈线23将第二馈线端口F2耦合到天线元件12a和12b。在基部中也提供与馈线端口F1间隔开、位于天线元件12a和12b之间并且与基部的长边11a1和11a2基本上等距的第二馈线端口F2。馈线端口F2经由同轴线缆连接到收发器。

馈线23也在接合点J处拆分成分别通向第一和第二天线元件12a和12b的两个支路23a和23b。也与馈线23邻近提供与上文描述的校准线14和电感器耦合器15平行（和相反）和相同的第二校准线24和第二电感耦合器25。包括馈线端口F2、馈线23、校准线24和电感耦合器25的布置的结构和功能除了它们与基部11的相反长边11a2邻近之外与包括馈线端口F1、馈线13、校准线14和电感耦合器15的布置的结构和功能相同。

分别在基部11的短边11b1和11b2上的校准线24的任一端处提供连接器端口C2A和C2B。连接器端口C2A充当校准探测器并且可连接到与连接器端口C1A相同的校准无线电（而两个连接器端口C1A和C2A经由分路器/控制器耦合到校准无线电），而连接器端口C2B可连接到另外天线布置10上的对应元件。

连接器端口C1B、C2B可连接到另外天线布置10上的对应连接器端口C1A、C2A，使得天线布置10可以如图4中所示用线性方式与许多其他天线布置10物理和电连接，使得天线布置10形成成列的耦合线并且相互电连接。

相邻天线布置的连接器端口可以如图2中示意地所示相互直接连接或者经由同轴线缆耦合。

仅在耦合线的一端处的天线布置然后需要连接到校准无线电。耦合线的另一端（即在该线的另一端处的天线布置上的连接器端口C1B、C2B）可以由50欧姆电阻器端接。替代地，它可以与具有相等数量的天线布置的另一相同耦合线串联耦合。两个耦合线然后将“看见”无穷匹配线从而在宽频率范围内给予平坦响应，并且所有信号将一起良好组合。将天线布置10排成行地耦合在一起允许竖直调节在向天线布置10供应信号的（一个或多个）收发器与每个天线元件的馈线点F1之间的时间延迟以形成波束并且支配信号的叠加。

布置电感耦合器15、25，使得所有它的侧15a、b、c；25a、b、c平坦并且在与馈线13、23和校准线14、24相同的平面中。馈线13、23和校准线14、24（并且因此电感耦合器15、25）可以都由相同适当传导材料（例如铜）制成。

在使用中，电感耦合器15、25从馈线13、23拾取在馈线端口F1、F2处向天线布置10施加的并且馈线13、23向（和从）有源天线元件12a和12b馈送的信号，这促进信号向和从馈线13、33和校准线14、24的电感耦合。信号然后沿着校准线14、24向连接器端口C1A、C2A、即校准探测器传播，并且信号的相位、幅度和延迟由连接到连接器端口C1A、C2A的测量设备测量。

发现从馈线端口F1到连接器端口C1A、C2A的信号在具有1.92GHz和2.2GHz频率的施加信号之间的幅度差约为4 dB，这与针对相同施加频率、用于现有技术天线布置的在7与9dB之间的差值相比。另外，相位性能表现与现有技术天线布置相比在相同频率范围内的更高更稳定信号电平。

图3示出了本发明的第二实施例，在该实施例中，天线阵列A包括安装于基部（未示出）上并且在阵列A的一端处的电阻器R与在阵列A的另一端处的校准无线电CR之间耦合在一起的n个贴片天线元件AE1-AEn。天线元件如在上文描述的第一实施例中那样成对布置，使得耦合到电阻器R的天线布置具有天线元件AE1和AE2的对并且耦合到校准无线电CR的天线布置具有天线元件AEn-1和AEn的对。

两个相应收发器端口TRX1-TRXn向每个天线元件AE1-AEn馈送信号。馈线33耦合每个收发器端口TRX1-TRXn与两个相邻天线元件，使得例如天线元件AE1和AE2均耦合到收发器端口TRX1和TRX2并且天线元件AEn-1和AEn均耦合到TRXn-1和TRXn。

收发器端口TRX1-TRXn、馈线33和天线元件AE1-AEn的布局与根据上文描述的第一实施例的馈线端口F1、F2、馈线13、23和天线元件12、22的布局相同。然而在这一实施例与先前实施例之间的不同是提供连接于天线阵列A中的电阻器R与校准无线电CR之间的仅一个校准线34。校准线34基本上沿着天线元件AE1-AEn在每对收发器端口TRX1、TRX2…TRXn-1、TRXn之间安装于其上的基部的中心伸展。

在校准线34中未提供这样的电感耦合器。然而校准线34与如下接合近邻布置，每个馈线33在该接合拆分成通向该对天线元件中的每个天线元件的支路。这意味着在每个馈线33与天线元件AE1-AEn之间馈送的信号通过空中电感耦合于馈线33与校准线34之间。校准线34然后拾取有源天线信号并且将它们耦合到校准无线电CR用于相位和幅度测量。

图4示出了根据第二实施例的若干天线阵列A一起耦合于校准无线电CR1与CR2之间，使得它们以行和列两者级联。

这一布置有效地是向和从校准线34和数量为1-n的天线元件AE1-AEn耦合信号的无穷匹配/端接耦合器线。如果校准线34与每个收发器端口对中的收发器端口等距布置，则这意味着信号将向和从校准无线电CR1和CR2同等耦合。然而校准线也可以布置于基部的一侧上而不是居中，在该情况下，可以在校准算法中补偿与CR1和CR2的任何不对称耦合。

图5示出了具有简化布置的第三实施例，在该布置中，天线布置40具有仅一个天线元件42而不是两个。经由馈线41从馈线端口F4向天线元件42馈送RF信号，该馈线41连接馈线端口F4和天线元件42。在这一实施例中，校准线44在与馈线41相同的平面中与馈线41邻近并且从馈线41间隔开布置。馈线41具有仅一个支路，该支路的至少一段与校准线平行。校准线44可以使用商用RF耦合线来耦合到其他天线布置的校准线44。替代地，天线元件42、馈线41和校准线44可以安装于印刷电路板上，该印刷电路板具有用于连接到其他天线元件上的对应连接器端口的连接器端口。在任一配置中，天线布置可以如上文描述的那样连接在一起，使得它们级联为“无穷”耦合线。

图6示出了第三实施例的发展，在该发展中，校准线44具有在其中提供的电感耦合器45。通过在馈线端口F4和馈线41周围弯曲校准线44来形成电感器耦合器45以促进在校准线44与馈送线41之间的电感耦合。

在操作中，校准线耦合到校准无线电（如果它是级联中的最后天线布置则直接耦合或者经由另一个或者多个天线元件耦合）。经过馈线41向天线元件42馈送的天线电感耦合到校准线44（如果提供，则经由电感耦合器元件45），使得馈线41和校准线44形成电感对。校准线接收的信号然后耦合到校准无线电用于测量。

图7图示了第四实施例，其中天线布置50也仅有由馈线51连接到馈线端口F5的一个天线元件52，但是在这一情况下，校准线54与馈线51接近地在馈线51下面而不是如在先前实施例中那样在相同水平面中伸展。另外，馈线51在接合J处拆分成两个支路。两个支路在朝着它们重新组合处的天线元件52往回弯曲之前恰在它们在接合J处拆分之后与校准线54平行。

与先前实施例一样，这一天线布置可以耦合到其他天线布置以形成耦合器线并且最终耦合到校准无线电。在馈线51与校准线54之间的信号的电感耦合如上文描述的那样发生。

图8和图9示出了第五实施例，在该实施例中，具有两个支路61a和61b的馈线连接到用于向天线元件62馈送信号的馈线端口F6。连接馈线端口F6的馈线61a的支路平坦并且与馈线的圆柱支路61b垂直布置，该圆柱支路连接到天线元件62。

校准线具有由与馈线的圆柱支路61b同轴布置的空心圆柱电感耦合器元件65接合的两个部分64a和64b。

当从馈线端口F6向天线元件62馈送信号时，它们由电感耦合器元件65从馈线的圆柱部分61b电感耦合到校准线64a、64b并且可以被馈送到测量设备加以测量，例如用于测量幅度、相位和延迟的校准无线电。信号也可以由电感耦合器元件65从校准线64a、64b电感耦合到馈线61b的圆柱部分。

虽然上文已经参照具体实施例描述本发明，但是它不限于这些实施例，并且落在如要求保护的本发明范围内的更多替代将无疑地为本领域技术人员所想到。

例如上文描述的天线布置可以成行地与许多其他天线布置有源（使用连接器端口）或者无源（使用电感耦合布置）连接。此外，两个或者更多耦合的天线元件链可以并排布置于平行列中。

上文在示例性实施例中描述的天线元件是贴片天线。然而可以使用任何其他适当类型的天线。

Claims (13)

1.一种天线布置，包括：

天线元件；

馈线，被配置成向所述天线元件馈送信号和从所述天线元件馈送信号；以及

校准线，其与所述馈线邻近并且与所述馈线间隔开而且被配置成经由电感耦合从所述馈线接收所述信号和向所述馈线传输所述信号；其中所述校准线被配置成使得它能够耦合到测量设备；

还包括：连接器元件，其适于连接到在另一天线布置上提供的对应连接器元件，使得可以级联所述天线布置；

所述级联的天线布置同等形成与数量为1-n的天线元件耦合的无穷耦合器线。

2.根据权利要求1所述的天线布置，其中所述校准线通过电介质材料与所述馈线间隔开。

3.根据权利要求1至2中的任一权利要求所述的天线布置，还包括定位于所述馈线与所述校准线之间的电感耦合器元件。

4.根据权利要求3所述的天线布置，其中在所述校准线中提供所述电感耦合器元件。

5.根据权利要求3所述的天线布置，还包括附加天线元件，使得所述天线元件和所述附加天线元件布置为天线元件对的第一和第二天线元件，其中所述馈线被配置成向所述对中的所述第一和第二天线元件两者馈送信号。

6.根据权利要求5所述的天线布置，其中所述电感耦合器关于接合点对称，所述馈线在所述接合点处划分成分别通向所述第一和第二天线元件的第一和第二支路。

7.根据权利要求1所述的天线布置，其中所述天线元件是贴片天线。

8.根据权利要求1所述的天线布置，其中所述连接器元件是RF耦合器。

9.根据权利要求1所述的天线布置，其中所述天线元件安装于基部上，并且在所述基部上提供所述连接器元件。

10.根据权利要求9所述的天线布置，其中在所述基部中提供所述馈线和所述校准线。

11.根据权利要求1所述的天线布置，其中在共同平面中提供所述馈线和所述校准线。

12.根据权利要求9所述的天线布置，其中所述基部是印刷电路板或者同轴***。

13.一种从用于耦合到测量设备的天线元件接收信号的方法，所述方法包括：将所述信号从向所述天线元件供应所述信号的馈线电感耦合到校准线，在所述校准线处接收所述信号，将信号从所述校准线电感耦合到所述馈线，并且在所述馈线处接收所述信号；还包括从所述校准线向测量设备馈送所述信号；

还包括：将连接器元件连接到在另一天线布置上提供的对应连接器元件，使得可以级联所述天线布置；

所述级联的天线布置同等形成与数量为1-n的天线元件耦合的无穷耦合器线。