CN109661751A - 天线阵列以及包括天线阵列和网络节点的装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种天线阵列(10、20、30)，包括至少两组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)天线单元元件。每组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)天线单元元件支持相应的频带，其中，所述相应的频带中最低频率的所述天线单元元件之间的垂直中心到中心距离是包含所述最低频率的一个天线单元元件的凸包的垂直延伸D的两倍以上，以及至少第二组的天线单元元件与所述最低频率的所述天线单元元件交错布置。还公开一种包括所述天线阵列(10、20、30)和网络节点(41)的装置(40)。

Description

天线阵列以及包括天线阵列和网络节点的装置
技术领域
在此公开的技术一般地涉及天线技术领域，并且具体地说，涉及包括至少两组天线单元元件的天线阵列，每组天线单元元件支持相应的频带。
背景技术
针对下一代移动通信***(5G)具有各种要求，这意味着将需要许多不同载波频率下的频带。例如，将需要更低的频带以便获得足够的覆盖，以及将需要更高的频带以达到所需的容量。移动通信运营商因此将需要在大跨度的频率上部署无线***。
通常鉴于所描述的特定频带的先决条件来设计天线。将多个频带集成到单个天线孔径中因此将导致关于辐射模式性能的折衷。一种解决方案是在公共反射地平面上将更高频率元件堆叠在更低频率元件之上。但是，这将使天线变得更深并且用于两个频带的元件之间的相互作用变得重要，尤其是对于诸如波束控制之类的应用。
从上面可以看出，为了即使对于所需的大跨度频率也保持良好的辐射模式性能，未来的天线产品将可能需要多种单频带天线解决方案。但是，这将增加基站天线的总尺寸，并且是运营商的主要关注点。基站天线的尺寸应该尽可能小，以便于安装、视觉占用空间(footprint)和风荷载。此外，运营商的站点租赁成本通常与天线的物理尺寸相关。
发明内容
本公开的目标是提供一种支持多个频带的天线阵列。特定目标是提供一种支持多个频带同时还减小天线尺寸的天线解决方案。该目标和其它目标通过根据所附独立权利要求的天线阵列和装置、以及根据从属权利要求的实施例来实现。
根据一个方面，该目标通过一种天线阵列来实现，所述天线阵列包括至少两组天线单元元件，每组天线单元元件支持相应的频带。在所述天线阵列中，所述相应的频带中最低频率的所述天线单元元件(其中最低频率的天线单元元件是单个辐射元件)之间的垂直中心到中心距离是包含所述最低频率的一个天线单元元件的凸包的垂直延伸D的两倍以上，以及至少第二组的天线单元元件与所述最低频率的所述天线单元元件交错布置。
所述阵列天线提供许多优势。例如，与基于当今实践的多频天线(这将导致多个单频带天线)相比，所述天线阵列具有减小的天线视觉占用空间。进一步，在此处各种实施例中公开的天线阵列具有低风荷载和低站点租赁成本而不牺牲性能。更进一步，元件和对应组件(例如无线和/或模拟移相器)的数量能够减少，这将降低制造成本。
根据一个方面，该目标通过一种装置来实现，所述装置包括如上所述的天线阵列和网络节点，所述网络节点被配置为支持至少两个频带并使用所述天线阵列以与一个或多个通信设备通信。
在阅读以下说明书和附图时，本教导的实施例的进一步特性和优势将变得清晰可见。
附图说明
图1是示出分别具有2、4和8个元件的垂直单列阵列的不同元件间隔的容量的图；
图2a示出根据依照本教导的第一实施例的天线阵列；
图2b示出根据图2a中所示的天线阵列的变型；
图3示出根据本教导的第二实施例的天线阵列；
图4示出根据本教导的第三实施例的天线阵列；
图5示出根据本教导的实施例的设计方面；
图6示意性地示出根据本教导的包括网络节点和天线阵列的装置。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，给出诸如特定架构、接口、技术之类的特定细节以便提供彻底理解。在其它情况下，省略对公知设备、电路、以及方法的详细描述，以免不必要的细节使描述模糊不清。在整个描述中，相同的参考标号指相同或类似的元件。
首先要注意的是，术语“天线单元元件”被定义为表示针对由天线支持的所有频率(除了最低频率之外)，位于天线阵列的某个“位置”处的一个或多个辐射元件的装置。对于最低频率，天线单元元件被定义为表示单个辐射元件。
例如，图2a的天线阵列10被示出为具有八(8)个位置，其中每个位置包括双极化天线单元元件(其转而包括用于更高频率的两个双极化辐射元件和用于最低频率的单个双极化辐射元件)。辐射元件例如可以包括金属导体。
此外，图中所示的天线单元元件被绘制为十字形，并且注意，这些元件的尺寸仅用于指示相应十字形(天线单元元件)的相对波长(其未按比例示出)。因此，更大的十字形对应于更低的频率(更长的波长)，而更小的十字形对应于更高的频率(更短的波长)。
简而言之，在此描述了具有多组交错的天线单元元件的阵列天线的各种实施例，其解决并且满足未来移动通信***的需要。阵列天线的每组天线单元元件支持特定频带，其中至少一组在垂直维度上具有大于对应频带(并且具体地说用于最低频率的天线单元元件，其天线单元元件包括单个辐射元件)的一个波长的天线单元元件间隔。在某些实施例中，提供具有多组交错的天线单元元件的天线阵列，其中每组天线单元元件支持特定频带，并且其中对于至少一组天线单元元件，以下情况为真：阵列的垂直延伸上的天线单元元件间隔是该组中天线单元元件的垂直延伸的2.5倍以上。
设计用于在大角度间隔上进行波束成形的天线通常被设计具有小的天线辐射元件间隔(通常约为0.5个波长)以便避免栅瓣(grating lobes)。相比之下，并且根据本教导，天线单元元件间隔大于常规的天线辐射元件间隔。因此，对于固定的天线孔径尺寸，根据本教导的天线单元元件的数量减少，代价仅是如下所述的性能的轻微损失。增加的天线单元元件间隔被利用并且用于以交错的方式针对不同的频带布置天线单元元件。
图1是示出分别具有2、4和8个天线单元元件的垂直单列阵列的不同元件间隔的下行链路容量的图(在该图的最右部示出阵列)。本发明的发明者已执行仿真，以便研究高程(垂直)用户设备(UE)特定的波束成形的增益。仿真表明天线单元元件间隔对***性能具有很大影响，并且图1示出下行链路容量(y轴)如何取决于垂直列阵列的天线单元元件间隔(x轴)。针对平面城市场景在仿真器中执行仿真。在仿真中，根据用于定义小区覆盖的天线元件模式，发送小区参考信号(CRS)。在图1中可以看到，相对较大的天线单元元件间隔(1-2λ)比固定数量的阵列天线单元元件的天线单元元件间隔(大约0.5λ)提供更好的性能。如前所述，后一种天线单元元件间隔通常在用于UE特定的波束形成的天线阵列中使用。例如，当从具有0.5λ天线单元元件间隔的八天线单元元件阵列(8×1阵列)转到具有1λ间隔的四天线单元元件阵列(4×1阵列)(图1中的箭头A1)时，***容量仅从505bps/m2减少到480bps/m2，这对应于5％的损失。基于此，并且根据本教导的一个方面，八天线单元元件阵列中的每第二个天线单元元件被移除而不会导致任何明显的性能损失。对于高程UE特定的波束成形，更大天线单元元件间隔比小天线单元元件间隔提供更好的性能的原因是由于以下关系：天线单元元件间隔越大，UE特定的波束越窄。UE特定的波束越窄，越少的功率将干扰其它UE。但是，对于大的天线单元元件间隔，还将出现栅瓣(这将产生干扰)，但对于高程波束成形，该栅瓣通常朝向或接近最高点或最低点结束，并且因此不会对其它用户产生任何干扰或者仅产生非常有限的干扰。
基于上面的仿真和推理，在不同实施例中，天线阵列被设计用于通过实现大跨度频率的有效部署，满足下一代移动通信***(5G)的需求。
在以下实施例中，采用可操纵的天线阵列，其能够(针对相应的频带)在阵列中的所有天线单元元件上执行UE特定的波束成形、单用户-多输入多输出(SU-MIMO)和/或多用户(MU)-MIMO。这可以通过使用有源天线阵列(在每个天线单元元件后面具有一个无线电)来实现，但还可以使用模拟波束成形(每个极化仅需要一个无线电)来实现，或者使用两者的组合来实现。
图2a示出根据本教导的第一实施例的天线阵列。在图2a中，第一实施例在右侧示出，并且基于当前实践的解决方案在左侧示出以便比较。在基于当前实践的解决方案中，将使用两个单独的天线阵列，每个天线阵列用于相应的频带，这例如导致不需要的更大占用空间。
对于根据本教导的实施例，已针对每个天线阵列移除一半的天线单元元件，并且其余的天线单元元件已被放置在一个单个孔径上。对于该特定实施例，放置天线单元元件以使得对于低频带(800MHz)，天线单元元件间隔是1λ，以及对于高频带(1.9GHz)，天线单元元件间隔大于2λ。因此，根据该示例性实施例的天线阵列10包括两组天线单元元件：第一组11，用于低频带并且包括四个双极化(具体地说交叉极化)辐射元件11a、11b、11c、11d；以及第二组12，用于高频带并且包括四个双极化天线单元元件12a、12b、12c、12d。
图2b示出根据图2a中所示的天线阵列的变型。具体地说，对于更高频率(即在所示情况下为1.9GHz)，“每个位置”具有两个天线单元元件12a1、12a2；12b1、12b2；12c1、12c2；12d1、12d2，即在更低频率(在所示情况下为800MHz)的辐射元件11a、11b、11c、11d之间交错。因此，图2b的天线阵列10'还具有八(8)个位置，其中一半位置包括双极化辐射元件11a、11b、11c、11d，以及另一半位置包括两个垂直堆叠的双极化天线单元元件12a1、12a2、12b1、12b2、12c1、12c2、12d1、12d2。
图3示出根据本教导的第二实施例的天线阵列。根据上图，基于当前实践的解决方案将使用三个单独的天线阵列以满足下一代移动通信的需求(在左侧示出)。根据本教导，与基于当前实践的解决方案相比，用于每个频带的天线单元元件的数量减少。因此，在图3中所示的实施例中，三个天线孔径(每个频带一个)已被合并成一个单个孔径。
例如，假设第一频带(800MHz)的天线单元元件的天线单元元件间隔(即，相同频带的天线单元元件的两个位置之间的距离)是λ800/2(图3的最左部的天线阵列)。根据本教导，用于该第一频带的天线单元元件间隔(图3的最右部的天线阵列)实际约为d＝1λ800。对于根据本教导的所示实施例的第二频带(1.9GHz)，天线单元元件间隔是d＝2.4λ1800，以及对于第三频带(2.6GHz)，天线单元元件间隔是d＝3.25λ2600。因此，根据该示例性实施例的天线阵列20包括三组天线单元元件：第一组21，包括用于第一频带的四个双极化辐射元件21a、21b、21c、21d；第二组22，包括用于第二频带的四个双极化天线单元元件22a、22b、22c、22d；以及第三组23，包括用于第三频带的四个双极化天线单元元件23a、23b、23c、23d。
如前所述，更高频率可以具有位于天线阵列的某个“位置”处的一个或多个天线单元元件(具体地说，一个或多个位置中的每一个位置处的一个子阵列)的布置。在接下来描述的图4中，两个最高频率均包括在一个相应位置处的子阵列。
图4示出根据本教导的第三实施例的天线阵列。在该实施例中，四个不同的天线孔径(每个频带一个)已被合并成一个单个孔径。对于非常高的频率(28GHz和60GHz)，整个对应的天线阵列均被放置为连续的辐射元件组。
根据该示例性实施例的天线阵列30包括四组天线单元元件：第一组31，包括用于第一频带的四个双极化辐射元件31a、31b、31c、31d；第二组32，包括用于第二频带的四个双极化天线单元元件32a、32b、32c、32d。对于第三频带(28GHz)，提供包括双极化(例如交叉极化)辐射元件的第三组33天线单元元件。第三组33天线单元元件可以密集间隔(密集阵列)，即第三频带的所有天线单元元件都聚集在单个位置处。同样，对于第四频带(60GHz)，提供第四组34天线单元元件。在第四组34中，天线单元元件可以密集间隔(密集阵列)，即用于第四频带的整个天线阵列34(其所有天线单元元件)也位于单个位置处。注意，用于第三和第四频带的天线阵列33、34应该优选地以如下方式定位：该方式允许在第一和第二频带处的等距天线单元元件放置。
与基于当前实践的解决方案相比，所有示出和描述的实施例给出减小的物理天线尺寸。减小的物理天线尺寸将减少视觉占用空间、风荷载和站点租赁成本。此外，需要更少的天线单元元件和对应的波束成形设备(例如无线电和/或模拟移相器)，这将降低制造成本。
通过使用双极化波束成形(DBPF)，可以由每个频带的所有天线单元元件发送任何潜在的公共信号(例如长期演进(LTE)中的CRS或下一代空中接口(NR)中的***接入信号)，同时仍然保持单个天线单元元件的辐射模式。以这种方式，能够利用所有功率放大器，并且因此公共信号将不会受到任何传输功率损耗的影响。对于LTE，在研究中已表明，优选地将小区覆盖与UE特定波束的包络相匹配，因此针对用于能够进行UE特定波束成形的这种阵列，能够优选地使用用于CRS信号的元件模式。
图5示出根据本教导的实施例的设计方面。具有多组交错元件的天线阵列10、20、30被设计具有比通常使用的元件间隔更大的元件间隔(即，相应组内的天线单元元件之间的距离)。对于每组天线单元元件(其中每组支持特定频带)，天线阵列10、20、30的垂直延伸上的元件间隔是该组中的天线单元元件的垂直延伸D的两倍以上(例如2.5倍)。天线单元元件的垂直延伸D可以被定义为包含该组的一个天线单元元件的凸包的垂直延伸。
如已描述的，天线阵列10、20、30可以是具有多组天线单元元件的“有源”天线阵列，其中每组中的天线单元元件被调谐到特定频带。天线单元元件可以是由馈送网络(feednetwork)馈送的一对双极化辐射元件或一组双极化辐射元件。在针对最低频带调谐的组中，天线单元元件之间(即辐射元件之间)的垂直中心到中心距离优选地至少为2.5D，其中作为定义D的备选方式，D是包围该组中的天线单元元件(即辐射元件)的最小圆的直径。调谐到更高频带的一组或多组天线单元元件被放置在最低频带的天线单元元件之间。针对最低频率调谐的天线单元元件组展现出旋转对称性，以允许使用两个正交极化进行波束成形。
图6示意性地示出根据本教导的包括网络节点和天线阵列的装置。基于描述的原理和已经描述的各种实施例，能够实现天线阵列的多个额外实施例，并且在下面给出某些更多示例。
天线阵列10、20、30包括至少两组11、12、21、22、23、31、32、33、34天线单元元件，其中每组11、12、21、22、23、31、32、33、34天线单元元件支持相应的频带。天线阵列10、20、30可以是垂直列阵列。天线阵列10、20、30可以由天线馈送网络43馈送。天线馈送网络可以包括组件，例如用于将射频电流转换为无线电波以及将无线电波转换为射频电流的组件、功率放大器、天线调谐器、阻抗匹配部等。
在一个方面，提供一种包括天线阵列10、20、30和天线馈送网络43的天线设备。
例如，如参考图5描述的，相应的频带中最低频率的天线单元元件之间的垂直中心到中心距离是包含最低频率的一个天线单元元件的凸包的垂直延伸D的两倍以上，其中用于最低频率的天线单元元件是单个辐射元件。
至少第二组的天线单元元件与最低频率的天线单元元件交错布置。至少第二组的每个天线单元元件包括一个或多个辐射元件的装置。
天线阵列10、20、30的天线单元元件被布置在地平面(未示出)上，该地平面影响辐射模式波束宽度和方位角。如前所述，天线阵列10、20、30可以被实现为有源天线阵列，其中每个天线单元元件具有一个无线电。
在一个实施例中，相应的频带中最低频率的天线单元元件(即，辐射元件)之间的垂直中心到中心距离是包含最低频率的天线单元元件(即，辐射元件)的凸包的垂直延伸D的2.5倍。在其它实施例中，垂直中心到中心距离是包含一组天线单元元件的一个天线单元元件的凸包的垂直延伸D的2.1倍、2.2倍、2.3倍、2.4倍或是2.5倍以上。
在各种实施例中，天线阵列10、20、30包括单个天线孔径。
在上面实施例的变型中，至少两组11、12、21、22、23、31、32、33、34天线单元元件的每一组的天线单元元件被布置在单个天线孔径中。即，天线阵列10、20、30的孔径由所有天线单元元件组共享(其中至少最低频率的天线单元元件均包括单个辐射元件)。
在各种实施例中，天线阵列10、20、30包括三组11、12、21、22、23、31、32、33、34天线单元元件，其中三组11、12、21、22、23、31、32、33、34的天线单元元件被交错布置，以使得天线孔径中的每第三个天线单元元件来自相应的组。
在各种实施例中，天线阵列10、20、30包括四组11、12、21、22、23、31、32、33、34天线单元元件，其中四组11、12、21、22、23、31、32、33、34的天线单元元件被交错布置，以使得天线孔径中的每第四个天线单元元件来自相应的组。
在各种实施例中，天线阵列10、20、30包括n组天线单元元件，其中n组的天线单元元件被交错布置，以使得天线孔径中的每第n个天线单元元件来自相应的组。
在各种实施例中，天线阵列10、20、30包括至少一组额外天线单元元件，其天线单元元件被布置为在其余组11、12、21、22、23、31、32天线单元元件的两个天线单元元件之间聚集在一起。例如已针对图4描述和示出这些实施例。
在各种实施例中，至少两组11、12、21、22、23、31、32、33、34天线单元元件的天线单元元件包括双极化辐射元件。这些双极化辐射元件以两种不同的极化提供/接收辐射，以使得由于正交极化，可以提供两个单独的通信信道，它们可以在相同频率下彼此独立地使用。双极化辐射元件可以包括以相应极化辐射的两个偶极。注意，不同的频带不需要具有相同的极化，以及双极化辐射元件的偶极可以以交叉几何形状布置(例如，如图2和3中所示)或者以某种其它方式布置(前提是它们具有正交极化)。
仍然参考图6，还提供装置40。装置40包括如已描述的天线阵列10、20、30和网络节点41，网络节点41被配置为支持至少两个频带并使用天线阵列10、20、30以与一个或多个通信设备42通信。前面描述的天线馈送网络43也可以是装置40的一部分。网络节点41例如可以是演进型nodeB，其被布置用于与通信设备42(例如智能电话、膝上型计算机、平板计算机等)进行无线通信。在该无线通信中使用所描述的天线阵列10、20、30。
在某些实施例中，装置40的网络节点41可以被配置为通过在天线阵列10、20、30的所有天线单元元件上执行通信设备(例如UE)特定的传输来与一个或多个通信设备42通信。网络节点41可以被配置为在所有元件上执行用户数据的高程UE特定的波束成形传输，以使得针对最低频带出现栅瓣。
在某些实施例中，装置40的网络节点41可以被配置为通过在天线阵列10、20、30的一组天线单元元件的所有天线单元元件上执行通信设备特定的传输来与一个或多个通信设备42通信。
在某些实施例中，装置40的网络节点41可以被配置为在天线阵列10、20、30的频带内的所有天线单元元件上执行非设备特定的信令。装置40的网络节点41可以被配置为例如在每组天线单元元件内使用每极化波束成形或者通过使用双极化波束成形，执行公共信号(例如广播信号)的小区特定的传输。这些实施例的一个优势是能够通过有效地使用分布式功率放大器来执行公共信令(例如，***信息的广播)。
注意，网络节点41可以被配置为执行传输模式的不同示例中的一项或多项，即被配置为执行以下一项或多项：在一组或多组天线单元元件的所有天线单元元件上执行通信设备特定的传输、以及在所有天线单元元件上执行非设备特定的信令(例如广播)。
在此主要参考几个实施例描述了本发明。但是，如本领域的技术人员理解的，除了在此公开的特定实施例之外的其它实施例同样可以在由所附专利权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种天线阵列(10、20、30)，包括至少两组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)天线单元元件，每组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)天线单元元件支持相应的频带，其中：
-所述相应的频带中最低频率的所述天线单元元件之间的垂直中心到中心距离是包含所述最低频率的一个天线单元元件的凸包的垂直延伸D的两倍以上，以及
-至少第二组的天线单元元件与所述最低频率的所述天线单元元件交错布置。
2.根据权利要求1所述的天线阵列(10、20、30)，其中，所述相应的频带中所述最低频率的所述天线单元元件之间的所述垂直中心到中心距离是包含所述最低频率的所述天线单元元件的凸包的垂直延伸D的2.5倍。
3.根据权利要求1或2所述的天线阵列(10、20、30)，包括单个天线孔径。
4.根据权利要求3所述的天线阵列(10、20、30)，其中，所述至少两组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)天线单元元件的每一组的所述天线单元元件被布置在所述单个天线孔径中。
5.根据上述权利要求中任一项所述的天线阵列(10、20、30)，包括三组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)天线单元元件，其中，所述三组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)的所述天线单元元件被交错布置，以使得所述天线孔径中的每第三个天线单元元件来自相应的组。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的天线阵列(10、20、30)，包括四组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)天线单元元件，其中，所述四组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)的所述天线单元元件被交错布置，以使得所述天线孔径中的每第四个天线单元元件来自相应的组。
7.根据上述权利要求中任一项所述的天线阵列(10、20、30)，包括至少额外的一组天线单元元件，所述至少额外的一组的所述天线单元元件被布置为在其余组(11、12、21、22、23、31、32)天线单元元件的两个天线单元元件之间聚集在一起。
8.根据上述权利要求中任一项所述的天线阵列(10、20、30)，其中，所述至少两组(11、12、21、22、23、31、32、33、34)天线单元元件的所述天线单元元件包括双极化辐射元件。
9.一种装置(40)，包括根据权利要求1至8中任一项所述的天线阵列(10、20、30)和网络节点(41)，所述网络节点(41)被配置为支持至少两个频带并使用所述天线阵列(10、20、30)以与一个或多个通信设备(42)通信。
10.根据权利要求9所述的装置(40)，其中，所述网络节点(41)被配置为通过在所述天线阵列(10、20、30)的所有天线单元元件上执行通信设备特定的传输来与所述一个或多个通信设备(42)通信。
11.根据权利要求9所述的装置(40)，其中，所述网络节点(41)被配置为通过在所述天线阵列(10、20、30)的一组天线单元元件的所有天线单元元件上执行通信设备特定的传输来与所述一个或多个通信设备(42)通信。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置(40)，其中，所述网络节点(41)被配置为在所述天线阵列(10、20、30)的频带内的所有天线单元元件上执行非设备特定的信令。
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