CN106415930B - 对于共享孔径阵列天线的独立方位图案 - Google Patents

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Abstract

提供了具有对于不同的子频带的端口的多列天线。在一个方面，功率分配器(46a、46b)将子频带端口耦合到辐射元件(43)的列(42)。至少一个功率分配器是不等分功率分配器，以允许一个子频带的半功率波束宽度(HPBW)被配置为独立于其他子频带的HPBW。端口可以在辐射元件(43)处被双工器(48)组合。根据另一方面，多列天线具有多个第一子频带端口和多个第二子频带端口。第一子频带端口中的每一个被第一子频带馈送网络耦合到多列(62)中的一列。第二子频带端口中的每一个被包括功率分配器(66a)的第二子频带馈送网络耦合到多列(62)中的两列。不同的子频带具有相同的多列天线的不同的MIMO优化。

Description

对于共享孔径阵列天线的独立方位图案
背景技术
蜂窝基站天线典型地包含由功率分配馈送网络连接的一列或多列辐射元件。这个馈送网络包含将输入功率在辐射元件的组或辐射元件的子阵列之间分配的功率分配器。馈送网络还被设计为生成在每个辐射元件或辐射元件的子阵列处的特定相位值。这个馈送网络还可以包含移相器，其允许调整对于每一个辐射元件或辐射元件的子阵列的相位，从而调整天线图案的主波束的波束峰位置。
用于移动电话和数据终端的高速数据的无线通信的一个标准被称为长期演进，通常被缩写为LTE并且被营销为4G LTE。LTE标准在不同的子频带中支持频分双工(FDD-LTE)技术和时分双工(TD-LTE)技术。例如，2490-2690MHz频带被全世界许可用于TD-LTE。在这些相同的国家中的许多国家，诸如1710-1880MHz、1850-1990MHz、1920-2170MHz和1710-2155MHz的频带可以被用于FDD-LTE的应用。
在1710MHz至2690MHz的频带中操作的超宽带辐射元件是可用的。但是，鼓励在不同的子频带中使用不同的多输入多输出(MIMO)配置。很多TD-LTE网络采用了多列波束成形天线。对于TD-LTE优化的天线可以包括间隔0.5-0.65个波长的4列辐射器，并且每一列的辐射器在2490-2690MHz频带中生成约为65度到90度的额定列半功率波束宽度(HPBW)。这将导致4x1的MIMO天线。相反，在FDD-LTE应用中，鼓励使用2x1的MIMO，该MIMO使用具有额定45度-65度的HPBW和约为一个波长的列间隔的2列辐射器。由于这些涉及MIMO端口的数量和列间隔的不同的需求，4x1的MIMO和2x1的MIMO通常在不同的天线中实现。
已知试图将在常见辐射元件阵列中的子频带组合。例如，2013年2月20日递交的美国专利申请序列第13/711,474号中，公开了为了允许多个更窄波段的特定于频率的馈送网络被附接到相同的辐射元件的阵列，使用宽带辐射元件，并且随后在辐射元件和其余馈送网络之间放置复用滤波器(例如，双工器、三工器)，将通过引用将该申请结合于此。这个对辐射元件的共享允许例如单独一列辐射元件生成具有对于两个不同频带独立的仰角下倾角的图案。这个概念原则上可以被扩展到具有多列辐射元件的天线。但是，在实践中，如果列的数量和列间隔对于LTE的一个子频带优化，则列的数量和列间隔将不能对于LTE的其他子频带优化。例如，对于FDD-LTE的1900MHz的子频带(以约一个波长间隔的两列)优化的设计将导致对于TD-LTE的子频带的次优的配置(以约1.3个波长间隔的两列，而期望的是以0.65个波长间隔的四列)。
方位图案变化是关于超宽带天线存在的另一个问题。例如，在无线通信市场中，存在对于在1710-2170MHz和2490-2690MHz频带中生成独立图案的天线的需求。覆盖整个1710-2690MHz的辐射元件是已知的。但是，因为1710-2690MHz是42％的频带(即，频带宽是频带中点的42％)，生成例如33至45度的窄HPBW的多列阵列将在跨该频带中经历方位HPBW的42％的变化。这样的变化量对于很多应用是不能接受的。
发明内容
根据发明的一个方面，提供了一种包括至少两列辐射元件的天线。对应于第一子频带的第一端口耦合到第一功率分配器，其中该功率分配器的第一输出和第二输出被耦合到辐射元件中的两列。对应于第二子频带的第二端口耦合到第二功率分配器，其中第二功率分配器的第一输出和第二输出也被耦合到辐射元件中的两列。第一功率分配器具有第一功率分配比，并且第二功率分配器具有与第一功率分配比不同的第二功率分配比。
在一个示例中，第一功率分配比是1∶2，并且第二功率分配比不是1∶2，即，第二功率分配器包括不等分功率分配器。这样允许第二子频带的半功率波束宽度(HPBW)独立于第一子频带的HPBW来配置。来自第一端口和第二端口的信号可以被双工器在辐射元件处组合。
在一个示例中，辐射元件的列具有在对应于第一子频带的频率处的约一个波长的间隔，并且第一子频带具有第一半功率波束宽度。第二功率分配器被选择以使得对应于第二子频带的第二半功率波束宽度近似等于第一半功率波束宽度。在另一示例中，第一子频带具有第一半功率波束宽度，并且第二功率分配器被选择以使得对应于第二子频带的第二半功率波束宽度不等于第一半功率波束宽度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种多列天线，包括多列辐射元件、多个第一子频带端口和多个第二子频带端口。多个第一子频带端口中的每一个被第一子频带馈送网络耦合到多列辐射元件中的一列。多个第二子频带端口中的每一个被包括功率分配器的第二子频带馈送网络耦合到多列辐射元件中的两列。第二子频带馈送网络之一的一部分和第一子频带馈送网络之一可以被双工器耦合到辐射元件的列。
在一个示例中，辐射元件的列具有在第一子频带频率处的约0.5-0.65个波长的间隔。由第二子频带的辐射元件中的一个形成的一对辐射元件的列具有包括在第二子频带频率处的约一个波长的间隔的孔径。天线还可以进一步包括四列辐射元件，多个第一子频带端口包括四个2600MHz子频带端口并且多个第二子频带端口包括两个1900MHz子频带端口。在这个示例中，天线包括全部在相同的共享的四列辐射元件上操作的对于2600MHz子频带优化的4x1的MIMO阵列和对于1900MHz子频带优化的2x1的MIMO阵列。
附图说明
本发明的示意性实施例将参考下列附图在下文详细说明。
图1示出了根据现有技术的对于TD-LTE优化的4x1的MIMO天线10的示例；
图2示出了根据现有技术的对于FDD-LTE优化的2x1的MIMO天线20的示例；
图3示出了根据现有技术的将常见辐射元件阵列中的子频带组合的天线30的示例；
图4示出了根据本发明的第一方面的多频带天线40；
图5示出了根据本发明的另一方面的天线50；以及
图6示出了根据本发明的又一方面的对于TD-LTE和FDD-LTE优化的MIMO天线60的示例。
具体实施方式
参考图1，示出了对于TD-LTE优化的4x1的MIMO天线10的示例。天线包括4个输入端口，端口1-端口4，和间隔0.5-0.65个波长的4列辐射器12。每一列12在2490-2690MHz频带中生成约65度到90度的额定列HPBW。每一列12具有包括可调移相器14的馈送网络。每一个移相器14将输入端口与列12的独立辐射元件13a和/或两个或更多个的辐射元件的子阵列13b耦合。移相器14改变向单独的辐射元件13a和/或两个或更多个的辐射元件的子阵列13b施加的信号的相对相位确定。这个可变的相位确定允许辐射波束的角度从垂直于辐射元件的阵列被电学地改变。
参考图2，示出了对于FDD-LTE优化的2x1的MIMO天线20的示例。天线包括2个输入端口，端口1和端口2，和间隔一个波长的2列辐射器22。每一列22在1710MHz-2155MHz频带中生成45度到65度的额定列HPBW。像图1中的天线一样，每一列22具有包括可调移相器14的馈送网络，该移相器将输入端口与列22的独立辐射元件23a和/或两个或更多个的辐射元件的子阵列23b耦合。由于这些涉及MIMO端口的数量和列间隔的不同要求，4x1的MIMO和2x1的MIMO通常在不同的天线中实现。
参考图3，示出了将常见辐射元件阵列中的子频带组合的天线30的示例。设置了四个端口和两列32的辐射元件33。端口1和端口2被设置用于在1900MHz的第一子频带，并且端口3和端口4被设置用于在2600MHz的第二子频带。辐射元件36是宽带辐射元件。端口1耦合到第一列32的移相器34a。端口3耦合到第一列32的移相器34b。移相器34a和34b经由复用滤波器38(例如，双工器、三工器)耦合到辐射元件33。通常，馈送网络包括附加的移相器输出和辐射元件，来更好地定义仰角波束图案。参见例如，2013年2月20日递交的美国专利申请序列第13/711,474号，通过引用将其结合于此。这个对辐射元件的共享允许例如单独列的辐射元件来生成具有对于两个不同频率带的独立的仰角下倾角的图案。
图3将这个概念扩展到多列的辐射元件。端口2耦合到第二列32的移相器34a。端口4耦合到第二列32的移相器34b。移相器34a和34b经由复用滤波器38耦合到辐射元件33。
但是，如图3中示出的示例的缺点是如果列的数量和列间隔对于LTE的一个子频带优化，列的数量和列间隔将不能对于LTE的其他频带优化。例如，图3中的天线30可以通过将第一列32和第二列32间隔约一个波长来对于FDD-LTE的1900MHz的子频带优化。但是，这将导致对于TD-LTE的子频带的次优的配置。首先，仅设置了两列，而期望的是四列。另外，列间隔为约在2600MHz的子频带中的1.3个波长，而期望的是0.65个波长。
图4中示出了根据本发明的第一方面的多频带天线40。设置了两列42辐射元件43。设置了两个端口。端口1是1900MHz的子频带，并且端口2是2600MHz的子频带。
端口1耦合到移相器网络44a。提供给列42中的每一个辐射元件43(或辐射元件的子阵列)的信号的相位可以被改变以调整电波束倾斜。移相器网络44a的输出连接到功率分配器46a。功率分配器46a分配RF信号并且将相位调整信号提供给单独列42。端口2耦合到移相器网络44b。移相器网络44b的输出连接到功率分配器46b。功率分配器46b分配RF信号并且将经相位调整的信号提供给单独列42。双工器48将来自端口1馈送网络和端口2馈送网络的信号组合，并且将信号与辐射元件43耦合。
列42可以间隔，例如，约150mm远。这是在1900MHz子频带的一个波长。在这样的示例中，与端口1馈送网络相关联的功率分配器46a可以是等分功率分配器并且具有1∶2的功率分配比。但是，在2600MHz，列42的150mm的间隔将是约1.3个波长，缩小了对于2600MHz的子频带的HPBW。可以通过将在2600MHz馈送网络中的功率分配器46b配置为功率分配比不是1∶2的非等分功率分配器来恢复HPBW。通过单独对于每一个子频带配置功率分配器46a、46b的功率分配比，1900MHz子频带的HPBW可以被配置为与2600MHz子频带的HPBW相同。
可替代地，可以使用这个结构有意地生成不同图案的波束宽度。例如，在具有用于两个独立的频带的馈送网络的天线中，一个频带可以使用配置为生成45度的HPBW的功率分配器，而另一个频带可以使用配置为生成33度的HPBW的功率分配器。
图5中示出了根据本发明的另一方面的天线50。设置了两列52的辐射元件53。设置了两个端口。端口1是1900MHz的子频带，而端口2是2600MHz的子频带。
端口1(1900MHz子频带)耦合到第一功率分配器56a，该功率分配器分配信号使得可以向两个不同列52的馈送网络提供信号。功率分配器56a的输出被耦合到在每一列52中的移相器网络54a。端口2(2600MHz子频带)耦合到第二功率分配器56b，该功率分配器分配信号使得可以向两个不同列52的馈送网络提供信号。功率分配器56b的输出被耦合到在每一列52中的移相器网络54b。双工器58将来自端口1馈送网络和端口2馈送网络的信号组合，并且将信号耦合到辐射元件53。
功率分配器56a、56b可以如上所述地对于每一个子频带独立配置，使得1900MHz子频带的HPBW可以被配置为与2600MHz子频带的HPBW相同。另外，如上所述，可以使用这个结构有意地生成对于不同子频带的不同的图像波束宽度。
参考图6，示出了对于TD-LTE和FDD-LTE优化的MIMO天线60的示例。天线60包括用于TD-LTE的2600MHz的4个端口，2600MHz的端口1-2600MHz的端口4，以及四列62的辐射器63。列62的间隔为0.5-0.65个波长。这将如期望的对于2600MHz的TD-LTE频带导致4x1的MIMO。
每一列62在2490MHz-2690MHz频带中生成65度到90度的额定列HPBW。每一列22具有包括可调移相器网络64的馈送网络。每一个移相器网络64将端口与列62的独立辐射元件63(和/或两个或更多个的辐射元件的子阵列)耦合。移相器网络64改变应用到独立辐射元件63的信号的相对定向，以实现电学的下倾斜角。
天线60进一步包括两个用于FDD-LTD的1900MHz端口(1900MHz端口1-1900MHz端口2)。对于1900MHz频带，四个列62被功率分配器66成对组合，以形成两个阵列。每一对列62的孔径的中央之间的间隔是150mm(约一个波长)，导致了如期望的对于FDD-LTE的1900MHz频带的2x1的MIMO配置。有利地，功率分配器66可以被配置为如参见图4和图5描述的不等分功率分配器来控制HPBW。例如，HPBW可以取决于被用于组合两个相邻列的功率分配器而在40度-90度之间调整。当使用了不等分功率分配器66时，每一个功率分配器66的更大的幅度被导向内部的列62，并且更小的幅度被导向外部的列62，使得两个内部的列62具有比外部的列62更大的幅度。按此方法，1900MHz端口2具有与1900MHz端口1相比的镜像功率分布。可替代地，可以以其他方式组合列，诸如组合全部4个列来生成20-35度的窄HPBW。
这些可能性将允许拥有在多个频带中的频谱的运营商能够在使用完全相同的天线的同时，生成对于两个不同频带的完全独立的方位分布，这将在提高站点的外观美感的同时，减少站点资本费用、运行费用、租金和塔的负载。
虽然这里的说明是参考在发送方向上的信号流做出的，但是组件展现了互易性，并且接收的信号以相反的方向移动。例如，辐射元件也接收无线电频率能量，功率分配器也组合接收的无线电频率能量等。

Claims (18)

1.一种天线，包括
a.第一列的辐射元件和第二列的辐射元件，所述第一列的辐射元件和所述第二列的辐射元件中的每一列包括多个辐射元件；
b.对应于第一子频带的第一端口，该第一端口耦合到具有第一功率分配比的第一功率分配器，其中第一功率分配器的第一输出被耦合到第一列的辐射元件中的每个辐射元件并且第一功率分配器的第二输出被耦合到第二列的辐射元件中的每个辐射元件；
c.对应于第二子频带的第二端口，该第二端口耦合到第二功率分配器，第二功率分配器具有第二功率分配比，第二功率分配比与第一功率分配比不同，其中第二功率分配器的第一输出被耦合到第一列的辐射元件中的每个辐射元件并且第二功率分配器的第二输出被耦合到第二列的辐射元件中的每个辐射元件；以及
d.设置在第一列的辐射元件和第二列的辐射元件当中的至少一者与第二端口之间的移相器，
其中所述第一子频带不同于所述第二子频带。
2.如权利要求1所述的天线，其中来自第一端口的信号和来自第二端口的信号在辐射元件处被双工器组合。
3.如权利要求1所述的天线，其中第一列的辐射元件和第二列的辐射元件具有在对应于第一子频带的频率处的约一个波长的间隔，所述第一子频带具有第一半功率波束宽度，并且其中第二功率分配器被选择以使得对应于第二子频带的第二半功率波束宽度近似等于第一半功率波束宽度。
4.如权利要求1所述的天线，其中所述第一子频带具有第一半功率波束宽度，并且其中第二功率分配器被选择以使得对应于第二子频带的第二半功率波束宽度不等于第一半功率波束宽度。
5.如权利要求1所述的天线，其中第一功率分配比是1∶2，并且第二功率分配比不是1∶2。
6.一种天线，包括：
a.多列辐射元件，每列包括多个辐射元件；
b.多个第一子频带端口，所述多个第一子频带端口中的每一个被第一子频带馈送网络耦合到所述多列辐射元件中的相应一列中的每个辐射元件；以及
c.多个第二子频带端口，所述多个第二子频带端口中的每一个通过第二子频带馈送网络耦合到所述多列辐射元件中的至少两列中的每个辐射元件，所述第二子频带馈送网络包括设置在所述多列辐射元件中的所述至少两列与相应的第二子频带端口之间的至少一个移相器以及至少一个不等分功率分配器。
7.如权利要求6所述的天线，其中第二子频带馈送网络之一的一部分和第一子频带馈送网络之一被双工器耦合到辐射元件的列。
8.如权利要求6所述的天线，其中，所述多列辐射元件包括第一列辐射元件、第二列辐射元件、第三列辐射元件和第四列辐射元件，其中所述多列辐射元件以在第一子频带频率处的约0.5-0.65个波长的距离彼此间隔开；其中，第一列辐射元件和第二列辐射元件形成第一孔径，并且第三列辐射元件和第四列辐射元件形成第二孔径，并且其中，第一孔径的中心与第二孔径的中心之间的距离为第二子频带频率处的约一个波长。
9.如权利要求6所述的天线，其中所述多列辐射元件包括四列辐射元件，所述多个第一子频带端口包括四个2600MHz子频带端口并且所述多个第二子频带端口包括两个1900MHz子频带端口。
10.如权利要求9所述的天线，还包括对于2600MHz子频带优化的4x1的MIMO阵列和对于1900MHz子频带优化的2x1的MIMO阵列。
11.如权利要求6所述的天线，其中所述多列辐射元件包括四列辐射元件，并且所述多个第二子频带端口包括两个子频带端口，每一个子频带端口耦合到不等分功率分配器，每一个不等分功率分配器耦合到两列辐射元件，使得每一个不等分功率分配器的更大的幅度被导向辐射元件的内部列，并且更小的幅度被导向辐射元件的外部列。
12.如权利要求11所述的天线，其中两个子频带端口耦合到辐射元件的列，从而两个子频带端口相比具有镜像的功率分布。
13.一种多频带天线，所述多频带天线被配置为至少在第一频带和与第一频带不同的第二频带中操作，所述多频带天线包括：
第一射频RF端口，所述第一RF端口被配置为在第一频带中发送第一RF信号；
第二RF端口，所述第二RF端口被配置为在第二频带中发送第二RF信号；
第一列辐射元件，所述第一列辐射元件被布置成辐射元件的多个第一子阵列，每个第一子阵列包括至少一个辐射元件；
第二列辐射元件，所述第二列辐射元件被布置成辐射元件的多个第二子阵列，每个第二子阵列包括至少一个辐射元件；
多个第一功率分配器，第一功率分配器中的每一个功率分配器具有耦合到第一RF端口的输入端、耦合到第一子阵列中的对应一个子阵列的第一输出端和耦合到第二子阵列中的对应一个子阵列的第二输出端；
多个第二功率分配器，第二功率分配器中的每一个功率分配器具有耦合到第二RF端口的输入端、耦合到第一子阵列中的对应一个子阵列的第一输出端和耦合到第二子阵列中的对应一个子阵列的第二输出端；
设置在所述多个第一功率分配器与第一RF端口之间的第一移相器；以及
设置在所述多个第二功率分配器与第二RF端口之间的第二移相器。
14.如权利要求13所述的多频带天线，其中响应于第一RF信号在第一频带中的发送而生成的第一天线波束的第一半功率波束宽度近似等于响应于第二RF信号在第二频带中的发送而生成的第二天线波束的第二半功率波束宽度。
15.如权利要求13所述的多频带天线，还包括：
多个第一双工器，其中每个第一双工器设置在第一子阵列中的对应一个子阵列与第一功率分配器中的对应一个功率分配器的第一输出端和第二功率分配器中的对应一个功率分配器的第一输出端之间；以及
多个第二双工器，其中每个第二双工器设置在第一子阵列中的对应一个子阵列与第一功率分配器中的对应一个功率分配器的第一输出端和第二功率分配器中的对应一个功率分配器的第一输出端之间。
16.如权利要求13所述的多频带天线，其中第一功率分配器被配置为具有第一功率分配比，并且第二功率分配器被配置为具有不同于第一功率分配比的第二功率分配比。
17.如权利要求16所述的多频带天线，其中第一功率分配器具有1∶2的功率分配比，并且第一频带的中心频率低于第二频带的中心频率。
18.如权利要求13所述的多频带天线，其中第一频带是1900MHz频带，并且第二频带是2600MHz频带。
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