CN105849976B - 多束天线中的反射消除 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于多束天线的馈送网络，其包括第一束端口、第二束端口、耦合到束端口的束形成网络以及消除电路。消除电路在束形成网络之前耦合到第一束端口和第二束端口。消除电路在第一束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于第一束端口上抽取的且已延迟的信号注入到第二束端口，以及在第二束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位偏移、以及将来自于第二束端口上抽取的且已延迟的信号注入到第一束端口。在本发明的一个示例中，消除电路包括在第一束输入路径上的第一方向耦合器、传输线路、在第二束输入路径上的第二方向耦合器。

Description

多束天线中的反射消除

相关申请

本申请要求于2014年1月31日提交的、标题为“多束天线中的反射消除”的、申请号为61/934,545的美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请通过引用的方式整体并入本文。

背景技术

多束天线可用于减少蜂窝基站塔上的天线的数量。例如，双束天线是这样一种类型的多束天线，其具有用于将产生的两个束的单独的输入、辐射元件阵列、以及束形成网络，该束形成网络将预定和相反的相位偏移应用到束输入，使得该束在相反方向上被调整天线瞄准线。

在多束天线中的一个通常的问题是从天线瞄准线等距地远离指向的光束间的端口到端口的耦合。这是在辐射元件上被反射的一个束的发送RF信号、以及将反射的信号通过第二束的接收路径耦合的束形成网络所引起的。如果一个束在发送而另一个束在接收，则两个束之间的高水平的耦合可能导致干扰和/或损害接收器。为了避免这种现象，束到束的隔离水平由操作者所规定。在多束天线中的辐射元件通常设计为以高效率辐射，从而最小化束到束的耦合。即使这样，来自一个束的一定量的功率也会反射到另一个束。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于多束天线的改进的馈送网络(feedbacknetwork)。馈送网络包括第一束端口；第二束端口；束形成网络，其耦合到所述第一束端口以及耦合到所述第二束端口；以及消除电路。消除电路在所述束形成网络之前耦合到所述第一束端口和所述第二束端口。所述消除电路被配置为在第一束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于第一束端口上抽取的且已延迟的信号注入到第二束端口，以及在第二束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位偏移、以及将来自于第二束端口上抽取的且已延迟的信号注入到第一束端口。在本发明的一个示例中，消除电路包括在第一束输入路径上的第一方向耦合器、传输线路、在第二束输入路径上的第二方向耦合器；然而，也可使用其他结构。

束形成网络可包括巴特勒矩阵(Butler matrix)，90°混合耦合器，或用于接收两个或更多RF信号并且将该些RF信号与不同的、预定的相位偏移组合的其他电路，使得当应用到同一阵列的辐射元件时，RF信号的每一个被输出到从阵列的瞄准线以特定的角度偏移的束之中。

本发明在这样一种天线中有利地使用，该天线包括辐射元件的阵列，其中束形成网络进一步耦合到辐射元件的阵列。在这样的使用中，RF信号的从第一束端口抽取的部分在幅值上大约(approximately)等于由辐射元件反射并且通过束形成网络沿第二束端口的接收路径向下传播的第一束端口RF信号，并且，RF信号的从第二束端口抽取的部分在幅值上大约等于由辐射元件反射并且通过束形成网络沿第一束端口的接收路径向下传播的第二束端口RF信号。RF信号的从第一束端口抽取的部分与由辐射元件反射并且通过束形成网络沿第二束端口的接收路径向下传播的第一束端口RF信号的相位偏移大约相反；并且RF信号的从第二束端口抽取的部分与由辐射元件反射并且通过束形成网络沿第一束端口的接收路径向下传播的第二束端口RF信号的相位偏移大约相反。

多束天线可包括两个、三个、四个、或更多的束。例如，在三束天线中，馈送网络可以进一步包括耦合的第三束端口，其中第三束端口包括馈送网络的中心束，并且第一束端口和第二束端口包括馈送网络的外侧束(outer beams)。

在四束天线的示例中，束形成网络可包括巴特勒矩阵。第二消除电路被添加。第一束反射和第二束反射在如上描述的第一消除电路中彼此相互抵消，第三束反射和第四束反射在第二消除电路中彼此相互抵消。

附图说明

图1A是可用于多束天线的束形成网络中的已知的混合耦合器。

图1B是已知的双束天线和馈送网络的图示。

图2示出了根据本发明的一个方面的反射消除电路。

图3示出了根据本发明的一个方面的结合反射消除电路的馈送网络和双束天线。

图4示出了根据本发明的另一个方面的多束天线。

具体实施方式

已知的双束(dual-beam)天线和相关联的束形成网络在图1A和图1B中示意性地示出。天线11使用具有3dB 90°的混合耦合器12的2X2的束形成网络(BFN)10，并且形成在信号端口14处的成方位角平面的两个束A和B。(2x2BFN是指通过使用2列形成2束的BFN)。两个辐射器耦合端口16连接到天线元件，也被称为辐射器，并且两个端口14耦合到相位偏移网络，其提供束高程(elevation)倾斜(参见图1B)。然而，到端口A的信号输入可在辐射器被部分地反射，并且在接收方向上通过混合耦合器12而耦合到端口B上。

虽然90°的混合耦合器12足够驱动两列的阵列中的元件并且形成两个束，如图1所示，然而会期望更多的束成形的控制、或是对更多束的控制。巴特勒矩阵是一种束成形网络，其包括90°的混合耦合器以及相位延迟元件，从而形成多束。多个束可通过使用3dB功率分配器和相位延迟元件而形成。如文中所使用的术语“束形成网络”，是指任意这种网络，包括90°混合耦合器、巴特勒矩阵电路、功率分配器、相位延迟元件、以及它们的组合，用于接收两个或更多RF信号并且将该些RF信号与不同的、预定的相位偏移组合的其他电路，使得当应用到同一阵列的辐射元件时，RF信号的每一个被输出到从阵列的天线瞄准线以特定的角度偏移的束之中。

本文提供了一种耦合消除机制，以消除从传播到第二束的接收路径上的第一束的反射发送的RF信号。参考图2，示出了具有反射束消除的馈送网络20。在该示例中，有两个束输入，束1和束2。传输线路23将束1和束2耦合到巴特勒矩阵24，其是一种类型的束形成网络。此外，用于束1和束2的信号在被耦合到巴特勒矩阵24之前经过反射消除电路22。巴特勒矩阵24继而耦合到辐射元件25的阵列。

束消除电路22从束1中抽取信号的第一部分、添加相位延迟、并且将其馈送回用于束2的接收路径。抽取部分的幅值应当匹配反射信号的幅值。相位延迟被选择为与反射的信号异相(out of phase)。束1进入束2的路径中的反射与来自于束1的抽取的信号异相组合。因此，反射部分地或完全地在束2的输入处消除。相对于从束2反射进入束1接收路径的反射，执行相同的消除。

在本发明的一个示例中，反射电路包括两个方向耦合器26和传输线路28，以提供相位延迟。在方向耦合器26的一个示例中，如图2所示，可使用边缘耦合器27。在另一个示例中，方向耦合器26可通过将印刷电路板轨道布置在PCB的相反侧上而形成，并且在轨道的平面区域之间产生耦合。一个方向耦合器26设置在每个束输入路径上。由于用于该反馈的耦合的量是基于第一束到第二束的反射的量而确定的，故抽取的信号的幅值可通过调整元件之间耦合的强度而调整。抽取信号的相位应当通过调整从一个方向耦合器26到另一个的传输线路28的长度而调整。该消除机制的实现可在巴特勒矩阵24和束输入之间的任意点处实现。

参考图3，示出了双束天线30。天线30包括用于束1和束2的输入、束1和束2的下倾控制部32、反射消除电路34、混合耦合器36和辐射元件38。在该示例中，束消除在束下倾控制部32和混合耦合器36之间进行。虽然仅示出了两排(排1和排N)，但是本领域技术人员应当理解的是，可以采用任意数量的排以成形和引导束的高程形状。对于每一排，反射消除电路34实现在束下倾控制部32和束形成混合耦合器36之间。反射消除电路34可以包括如图2所示和说明书中所述的方向耦合器。反射束消除在每一排中针对束1和束2进行。然而，为了清楚和解释的目的，束1的消除仅针对排1示出，且束2的消除仅针对排N示出。

束1下倾控制部32将束1分为N个信号，其具有渐进的相位偏移，以影响电下倾(electrical downtilt)。参考排1，束1和束2输入到反射消除电路34。实线箭头指示沿发送方向的RF信号流。束1从束1的路径上的反射消除电路输出，并且提供到混合耦合器34的输入。混合耦合器34将束1分为相当幅值的两个信号，并且在两个端口输出束1。混合耦合器36还将90°的相位偏移施加到在输出端口中的一个上的束1。混合耦合器36的输出被施加到辐射元件38。

从辐射器38到混合耦合器36的虚线指示束1的反射部分。由于混合耦合器36是无源(passive)元件，故混合耦合器36将束1反射组合，并且将其注入到束2的接收路径中。

反射消除电路34通过抽取束1的一部分、施加相位延迟、以及将信号应用到束2路径而消除束1在束2上的反射。

虽然上述给出的示例是相对于两列/两束而进行的，但是本发明可扩展到三个或更多的束和/或列，以改进束之间的隔离。例如，在三束的示例中，反射消除技术可以应用到两个外侧束，其将典型地沿沿距瞄准线相等但相反的角度引导。对于三束示例中的中心束，无需反射消除。

在另一示例中，在四束系统中，第一反射消除将应用在两个外侧束之间，而第二反射消除将应用在内侧束之间。例如，在图4中，示出了四束、4列(4x4BFN)的多束天线和馈送网络40。馈送网络具有四个输入，1R、1L、2R、2L，产生如图所示的相应的束。

内侧束输入(1R、1L)耦合到第一反射消除电路42。外侧束输入(2R、2L)耦合到第二反射消除电路44。反射消除电路42、44连接到巴特勒矩阵46。巴特勒矩阵46可包括传统的巴特勒矩阵。巴特勒矩阵46耦合到天线元件48。

由于内侧束1L和1R取向为距瞄准线成相等但相反的角度，故这些束将反射到彼此的接收路径中，其将通过反射消除电路42被消除或实质上降低。外侧束2R、2L也成相反且相等的角度，但是相比于1R和1L成更宽的角度。相应地，从2R到2L的反射、以及从2L到2R的反射，在第二反射消除电路44中被消除或实质上降低。

Claims (17)

1.一种用于多束天线的馈送网络，包括：

a、第一束端口；

b、第二束端口；

c、束形成网络，耦合到所述第一束端口以及耦合到所述第二束端口，以及

d、消除电路，在所述束形成网络之前耦合到所述第一束端口和所述第二束端口，所述消除电路被配置为在所述第一束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于所述第一束端口上抽取的且已延迟的信号注入到所述第二束端口上，以及在所述第二束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于所述第二束端口上抽取的且已延迟的信号注入到所述第一束端口上。

2.如权利要求1所述的馈送网络，其中所述消除电路包括在第一束输入路径上的第一方向耦合器、传输线路、以及在第二束输入路径上的第二方向耦合器。

3.如权利要求1所述的馈送网络，其中所述束形成网络包括巴特勒矩阵。

4.如权利要求1所述的馈送网络，其中所述束形成网络包括90°混合耦合器。

5.一种天线，包括如权利要求1所述的馈送网络，其中束形成网络进一步耦合到辐射元件的阵列，并且其中：

a、RF信号的从所述第一束端口抽取的部分在幅值上大约等于由所述辐射元件反射并且通过所述束形成网络沿所述第二束端口的接收路径向下传播的第一束端口RF信号；以及

b、RF信号的从所述第二束端口抽取的部分在幅值上大约等于由所述辐射元件反射并且通过所述束形成网络沿所述第一束端口的接收路径向下传播的第二束端口RF信号。

6.如权利要求5所述的天线，其中：

a、RF信号的从所述第一束端口抽取的部分与由所述辐射元件反射并且通过所述束形成网络沿所述第二束端口的接收路径向下传播的第一束端口RF信号的相位偏移为相位大约相反；以及

b、RF信号的从所述第二束端口抽取的部分与由所述辐射元件反射并且通过所述束形成网络沿所述第一束端口的接收路径向下传播的第二束端口RF信号的相位偏移为相位大约相反。

7.如权利要求6所述的天线，进一步包括耦合到所述馈送网络的第三束端口，其中所述第三束端口包括所述馈送网络的中心束，并且所述第一束端口和所述第二束端口包括所述馈送网络的外侧束。

8.一种馈送网络，包括：

a、第一束端口；

b、第二束端口；

c、第三束端口；

d、第四束端口；

e、巴特勒矩阵；

f、第一消除电路，在所述巴特勒矩阵之前耦合到所述第一束端口和所述第二束端口，所述消除电路被配置为在所述第一束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于所述第一束端口上抽取的且已延迟的信号注入到所述第二束端口，以及在所述第二束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于所述第二束端口上抽取的且已延迟的信号注入到所述第一束端口，以及

g、第二消除电路，在所述巴特勒矩阵之前耦合到所述第一束端口和所述第二束端口，所述消除电路被配置为在所述第三束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于所述第三束端口上抽取的且已延迟的信号注入到所述第四束端口，以及在所述第四束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于所述第四束端口上抽取的且已延迟的信号注入到所述第三束端口。

9.如权利要求8所述的馈送网络，其中所述第一消除电路包括在所述第一束输入上的方向耦合器、传输线路、以及在所述第二束输入上的方向耦合器；并且其中，所述第二消除电路包括在第三束输入上的方向耦合器、传输线路、以及在第四束输入上的方向耦合器。

10.一种天线，包括如权利要求8所述的馈送网络，其中所述巴特勒矩阵进一步耦合到辐射元件的阵列，并且其中：

a、RF信号的从所述第一束端口抽取的部分在幅值上大约等于由所述辐射元件反射并且通过所述巴特勒矩阵沿所述第二束端口的接收路径向下传播的第一束端口RF信号；

b、RF信号的从所述第二束端口抽取的部分在幅值上大约等于由所述辐射元件反射并且通过所述巴特勒矩阵沿所述第一束端口的接收路径向下传播的第二束端口RF信号；

c、RF信号的从所述第三束端口抽取的部分在幅值上大约等于由所述辐射元件反射并且通过所述巴特勒矩阵沿所述第四束端口的接收路径向下传播的第三束端口RF信号，以及

d、RF信号的从所述第四束端口抽取的部分在幅值上大约等于由所述辐射元件反射并且通过所述巴特勒矩阵沿所述第三束端口的接收路径向下传播的第四束端口RF信号。

11.如权利要求10所述的天线，其中：

a、RF信号的从所述第一束端口抽取的部分与由所述辐射元件反射并且通过所述巴特勒矩阵沿所述第二束端口的接收路径向下传播的第一束端口RF信号的相位偏移为相位大约相反；

b、RF信号的从所述第二束端口抽取的部分与由所述辐射元件反射并且通过所述巴特勒矩阵沿所述第一束端口的接收路径向下传播的第二束端口RF信号的相位偏移为相位大约相反；

c、RF信号的从所述第三束端口抽取的部分与由所述辐射元件反射并且通过所述巴特勒矩阵沿所述第四束端口的接收路径向下传播的第三束端口RF信号的相位偏移为相位大约相反；以及

d、RF信号的从所述第四束端口抽取的部分与由所述辐射元件反射并且通过所述巴特勒矩阵沿所述第三束端口的接收路径向下传播的第四束端口RF信号的相位偏移为相位大约相反。

12.一种多束天线，包括：

a、第一束端口；

b、第二束端口；

c、辐射元件的阵列；

d、束形成网络，耦合到所述束形成网络的输入上的第一束端口和第二束端口，并且还耦合到所述束形成网络的输出上的辐射元件的阵列；以及

e、消除电路，在所述束形成网络的输入之前耦合到所述第一束端口和所述第二束端口，所述消除电路被配置为在第一束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于所述第一束端口上抽取的且已延迟的信号注入到所述第二束端口，以及在第二束端口上抽取RF信号的一部分、添加相位延迟、以及将来自于所述第二束端口上抽取的且已延迟的信号注入到所述第一束端口。

13.如权利要求12所述的天线，其中所述消除电路包括在第一束输入路径上的第一方向耦合器、传输线路、以及在第二束输入路径上的第二方向耦合器。

14.如权利要求12所述的天线，其中所述束形成网络包括巴特勒矩阵。

15.如权利要求12所述的天线，其中所述束形成网络包括90°混合耦合器。

16.如权利要求12所述的天线，其中：

a、RF信号的从所述第一束端口抽取的部分在幅值上大约等于由所述辐射元件反射且通过所述束形成网络沿所述第二束端口的接收路径向下传播的第一束端口RF信号；以及

b、RF信号的从所述第二束端口抽取的部分在幅值上大约等于由所述辐射元件反射且通过所述束形成网络沿所述第一束端口的接收路径向下传播的第二束端口RF信号。

17.如权利要求16所述的天线，其中：

a、RF信号的从所述第一束端口抽取的部分与由所述辐射元件反射并且通过所述束形成网络沿所述第二束端口的接收路径向下传播的第一束端口RF信号的相位偏移为相位大约相反；以及

b、RF信号的从所述第二束端口抽取的部分与由所述辐射元件反射并且通过所述束形成网络沿所述第一束端口的接收路径向下传播的第二束端口RF信号的相位偏移为相位大约相反。