CN108134216B - 一种模拟波束赋形的天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟波束赋形的天线阵列，涉及通信技术领域，包含一个或者多个具备独立的模拟波束赋形功能的子阵列，每个子阵列包含金属反射板、天线辐射单元阵列和移相器；所述的移相器直接设置于天线辐射单元阵列的后端；子阵列间可灵活组合，从而很方便实现各种的数字通道数以及总阵列口径；子阵列可作为一个独立的天线模块，外接包括电源端口、小于天线单元数目的射频端口和数字信号控制接口，通过数字信号控制接口，可快速控制波束赋形。根据本发明实施例的模拟波束赋形方案，减少有源射频通道的数量，降低Massive MIMO天线阵列的复杂程度，降低了功耗与成本，为大规模的部署5G移动通信系统提供了一种经济而且更加实用的解决方法。

Description

一种模拟波束赋形的天线阵列

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种模拟波束赋形的天线阵列。

背景技术

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术是指在发射端和接收端分别布置多个发射天线和接收天线，通过多个天线实现多发多收，充分利用空间资源，改善信号质量，成倍增加通信系统信道容量。第五代移动通信系统(5G)使用大规模的多输入输出(Massive MIMO)技术，基站天线侧部署多达64个或以上的天线单元，同时在移动终端布置多个天线，大幅度增强了空间复用能力，在无线传输技术上实现突破性创新，大幅度提高频谱效率以及功率效率。

理论上具有全数字的波束赋形方式的Massive MIMO系统具有最优的性能，但存在数模转换模块成本高、数据传输及处理量过大的难题，故提出了混合波束，即数字结合模拟方式的波束赋形，并成为了5G的一个研究热点。现有的混合波束中，模拟波束赋形的实现方式是每一个天线单元连接一个收发模块以及移相器，但这种设计由于有源射频通道多，存在硬件复杂度高，校准复杂，散热困难，成本高等问题，并且随着工作带宽的升高，复杂程度问题越发显著。

为了降低成本以及能耗，LG电子公司的Kitae KIM等人在公开号为US2017/0078001A的美国专利提出了混合波束的提案，即将部分的赋形处理放在模拟域实现，从而降低数字域的整体复杂度。混合波束主要包含全连接和子阵列两种形式。基于工程可实现性角度而言，子阵列方式将是主流方式。每个子阵列中的每个辐射单元或每个辐射单元组连接有完整的射频前端，包含双工器/开关、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)这几大基本部件以及移相器。其中移相器可工作在中频、本振和射频，其优点是能实现很高的基站有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)，以及能最大限度地降低接收机噪声系数，但由于存在多路射频前端，存在电路复杂度高、散热处理难、校准复杂和成本较高等不足。

目前现有技术的系统框图见图1，经信道编码后的信源通过层映射和数字预编码的数字波束形成网络后，经过OFDM产生器并数模转换后上变频到射频，每个射频子通道通过移相器和功率放大后馈入各辐射单元或辐射单元组，电路较为复杂。

发明内容

本发明针对背景技术的问题提供一种模拟波束赋形的天线阵列，通过移相器位置的前移减少射频通道的数量，可降低射频电路的复杂程度和校准的难度，从而降低成本；本发明以有限的有源射频通道数量实现了Massive MIMO技术，以解决或者至少部分地缓解现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提出一种模拟波束赋形的天线阵列，包含一个或者多个具备独立的模拟波束赋形功能的子阵列，每个子阵列包含金属反射板、天线辐射单元阵列和移相器；所述的移相器直接设置于天线辐射单元阵列的后端，波束扫描速度快于微秒级别，可进行模拟波束的快速赋形，所述子阵列与位于公共部分通道的射频前端部件相连，所述射频前端部件包括PA、LNA和滤波器。

优选地，所述子阵列的天线辐射单元阵列包含至少一列或者一行的多个辐射单元。

优选地，所述的辐射单元为双极化或者单极化的天线单元。

优选地，所述的移相器为工作在射频的模块式移相器或者分布式移相器。

优选地，每个子阵列包含移相器的个数，小于等于辐射单元的个数。

优选地，每个子阵列与一个射频通道的一端相连接，射频通道的另一端与一个数模转换模块的一端相连接。

优选地，所述的射频通道至少包含功率放大器和混频器。

优选地，所述的数模转换模块的另一端连接OFDM产生器的一端，OFDM产生器的另一端与数字域波束网络相连接。

优选地，所述的数字域波束网络包含数字预编码和层映射模块。

优选地，天线辐射单元阵列呈水平垂直二维排列，行数和列数均大于等于2。

优选地，辐射单元水平距离介于工作频段中心频率波长的0.4～0.65倍范围内。

优选地，辐射单元垂直距离介于工作频段中心频率波长的0.5～0.8倍范围内。

本发明提出一种模拟波束赋形的天线阵列，子阵列不含有PA、LNA和滤波器等射频前端部件；子阵列间可灵活组合，从而很方便实现各种数字通道数以及总阵列口径；子阵列可作为一个独立的天线模块，外接包括电源端口、小于天线单元数目的射频端口和数字信号控制接口；通过数字信号控制接口，可以快速控制波束赋形。根据本发明实施例的模拟波束赋形方案，减少了有源射频通道的数量，大幅度降低Massive MIMO天线阵列的复杂程度，显著降低了功耗与成本，为大规模的部署5G移动通信系统提供了一种经济而且更加实用的解决方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术的系统框图；

图2为本发明一种实施例中模拟波束赋形的天线阵列结构示意图；

图3为本发明一种实施例中多个子阵列组成Massive MIMO天线阵列的布局图；

标号说明：

201-数字域波束网络，202-OFDM产生器，203-数模转换模块，204-混频器，205-功率放大器，206-移相器，207-天线子阵列，208-金属反射板，209-天线辐射单元阵列；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种模拟波束赋形的天线阵列；

本发明一种优选实施例中，如图2所示，模拟波束赋形的天线阵列包含M个具备独立的模拟波束赋形功能的子阵列207，每个子阵列包含金属反射板208、天线辐射单元阵列209和移相器206；所述的移相器206直接设置于天线辐射单元阵列209的后端，具有不慢于微秒级别的波束扫描速度，具有模拟波束的快速赋形功能。

本发明一种优选实施例中，移相器的工作频段范围为3.3-5.0GHz，开关速度小于1微秒，移相器为数字式移相器，移相位数≥4bit；

本发明实施例中，将子阵列的射频前端放置在公共部分通路，各射频子通道仅保留射频移相器，并紧挨辐射单元；与图1中现有技术结构相比较，本发明将增加无源网络损耗，故需要保证较低损耗的移相器，但同时可明显简化有源电路及其校准的复杂度。

本发明一种优选实施例中，子阵列207的个数M≥2，优选的M＝8；

本发明一种优选实施例中，所述的天线辐射单元阵列包含P行Q列的辐射单元，其中，行数P≥2，列数Q≥2，优选的行数Q＝4，列数P＝4；辐射单元工作频段为3.3-5.0GHz；

本发明一种优选实施例中，所述的辐射单元为双极化或者单极化的天线单元。

本发明一种优选实施例中，所述的移相器为工作在射频的模块式移相器或者分布式移相器。

本发明一种优选实施例中，每个子阵列包含移相器的个数S小于等于辐射单元的个数P×Q。

本发明一种优选实施例中，每个天线子阵列与一个射频通道的一端相连接，射频通道的另一端与一个数模转换模块203的一端相连接。

本发明一种优选实施例中，所述的射频通道至少包含功率放大器205和混频器204。

本发明一种优选实施例中，所述的数模转换模块203的另一端连接OFDM产生器202的一端，OFDM产生器202的另一端与数字域波束网络201相连接。

本发明一种优选实施例中，所述的数字域波束网络201包含数字预编码和层映射模块。

本发明实施例中，信源信号经数字域波束网络201进行层映射以及数字预编码之后，进入OFDM模块，然后进入数模转换模块203，再通过混频器204上变至射频，进入包含功放在内的射频前端通道，最后通过数个移相器连接子阵列的辐射单元；

本发明一种优选实施例中，所述的辐射单元，水平距离为工作频段中心频率波长的0.5倍。

本发明一种优选实施例中，所述的辐射单元，垂直距离介于工作频段中心频率波长的0.5～0.8倍范围。

本发明一种优选实施例中，如图3所示，具备独立模拟波束赋形功能的子阵列可形成T行S列的各种组合，其中M＝T×S；本发明的结构可以方便实现各种数字通道数以及总阵列口径；所述子阵列可作为一个独立的天线模块，外接包括电源端口、小于天线单元数目的射频端口和数字信号控制接口。通过数字信号控制接口，可以快速控制波束赋形。

本发明结构可实现子阵列与收发模块(Tx/Rx)二者独立进行模块化设计，同时一个子阵列只需要一个有源射频通道，可降低射频前端电路的复杂程度，同时降低校准的难度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，包含一个或者多个具备独立的模拟波束赋形功能的子阵列，每个子阵列包含金属反射板、天线辐射单元阵列和移相器；所述的移相器直接设置于天线辐射单元阵列的后端，波束扫描速度快于微秒级别，可进行模拟波束的快速赋形，所述子阵列与位于公共部分通道的射频前端部件相连，所述射频前端部件包括PA、LNA和滤波器。

2.根据权利要求1所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，所述子阵列的天线辐射单元阵列包含至少一列或者一行的多个辐射单元。

3.根据权利要求2所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，所述的辐射单元为双极化或者单极化的天线单元。

4.根据权利要求1所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，所述的移相器为工作在射频的模块式移相器或者分布式移相器。

5.根据权利要求1所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，每个子阵列包含移相器的个数，小于等于辐射单元的个数。

6.根据权利要求1所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，每个子阵列与一个射频通道的一端相连接，射频通道的另一端与一个数模转换模块的一端相连接。

7.根据权利要求6所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，所述的射频通道至少包含功率放大器和混频器。

8.根据权利要求6所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，所述的数模转换模块的另一端连接OFDM产生器的一端，OFDM产生器的另一端与数字域波束网络相连接。

9.根据权利要求8所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，所述的数字域波束网络包含数字预编码和层映射模块。

10.根据权利要求2所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，天线辐射单元阵列呈水平垂直二维排列，行数和列数均大于等于2。

11.根据权利要求10所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，辐射单元水平距离介于工作频段中心频率波长的0.4～0.65倍范围内。

12.根据权利要求10所述的模拟波束赋形的天线阵列，其特征在于，辐射单元垂直距离介于工作频段中心频率波长的0.5～0.8倍范围内。