CN108886201A - 天线阵列结构 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有用于在相同的无线资源上进行全双工通信的阵列结构的天线，以及一种包括这种天线和波束赋形处理器的网络元件。还提供了一种使用这种天线在相同的无线资源上同时进行发射和接收的方法。该天线包括多个发射天线元件，这些元件中的每一个元件耦合到相应的增益控制发射放大器。该天线还包括多个接收天线元件，这些元件中的每一个元件耦合到相应的增益控制接收放大器。该天线还包括位于该多个发射天线元件和该多个接收天线元件之间的电磁隔离结构。

Description

天线阵列结构
技术领域
本公开总体涉及天线结构，并且在一些方面涉及用于半双工和全双工多输入和多输出(multiple-input and multiple-output，MIMO)系统的自适应天线阵列结构。
背景技术
一些通信系统在发射机和/或接收机处使用多个天线元件。例如，MIMO系统涉及具有多个天线元件的发射机和具有多个天线元件的接收机之间的通信。与在发射机和接收机处使用单个天线元件的系统相比，MIMO系统可以提供空间复用、分集、以及波束赋形增益。
在大规模MIMO通信系统中，基站可以使用天线元件的阵列。天线元件的数量大于发射的并行的流的数量。例如，多用户(multi-user，MU)大规模MIMO系统可以包括基站，该基站具有在相同的时间频率无线资源上同时为数十个用户服务的数百乃至数千个天线元件。
大规模MIMO可以提升通信系统的容量和辐射能量效率。积极的空间复用可以提升容量。对大量天线发射的波阵面进行相干叠加可以提升能量效率，以将能量聚集到小的空间区域中。基站为了拥有由天线集中发射的波面阵，可以通过对大量天线发射的信号进行整形，以在预期的接收器端的位置处建设性地相加，并且在其他位置处破坏性地(或随机地)相加。
在某些情况下，如果基站处的天线元件和收发机允许全双工通信，则可以提升大规模MIMO系统的频谱效率。全双工通信包括在相同的无线资源上同时进行的发射和接收。
发明内容
一方面，提供了一种天线，包括多个发射天线元件，该多个发射元件中的每一个发射元件耦合到相应的增益控制发射放大器。该天线还包括多个接收天线元件，该多个接收元件中的每一个接收元件耦合到相应的增益控制接收放大器。该天线还包括该多个发射天线元件和该多个接收天线元件之间的电磁隔离结构。
可选地，当该天线用于在相同的频率无线资源上同时进行发射和接收时，该隔离结构提供减少的自干扰。
可选地，该隔离结构在该发射天线元件和该接收天线元件之间提供一个中间分隔件。
可选地，该隔离结构为电磁带隙(electromagnetic band gap，EBG)隔离器。
可选地，该多个发射天线元件被布置成第一一维阵列，以及该多个接收天线元件被布置成第二一维阵列。
可选地，该多个发射天线元件被布置成第一二维阵列，以及该多个接收天线元件被布置成第二二维阵列。
可选地，该多个发射天线元件被布置成第一三维阵列，以及该多个接收天线元件被布置成第二三维阵列。
可选地，发射元件的第一阵列为圆柱形阵列，以及接收元件的第二阵列为圆柱形阵列。
可选地，发射元件的第一阵列为局部球形阵列；以及接收元件的第二阵列为局部球形阵列。
可选地，每个该发射放大器为功率放大器，以及每个该接收放大器为低噪声放大器。
可选地，该多个发射天线元件中的每一个发射天线元件为双极化天线元件，用于发射具有第一极化方向的相应信号和发射具有第二极化方向的相应信号。并且，该多个接收天线元件中的每一个接收天线元件为双极化天线元件，用于接收具有第一极化方向的相应信号和接收具有第二极化方向的相应信号。
可选地，该多个发射天线元件中的每一个发射天线元件被耦合到用于放大具有该第一极化方向的相应发射信号的相应的发射放大器，并且被耦合到用于发射具有该第二极化方向的相应发射信号的相应的第二增益控制发射放大器。并且，该多个接收天线元件中的每一个接收天线元件被耦合到用于放大具有该第一极化方向的相应接收信号的相应的接收放大器，并且被耦合到用于接收具有该第二极化方向的相应接收信号的相应的第二增益控制接收放大器。
可选地，该发射信号的该第一极化方向和该第二极化方向是正交的，以及该接收信号的该第一极化方向和该第二极化方向是正交的。
可选地，每个该增益控制发射放大器邻近于相应的发射天线元件安装，以及每个该增益控制接收放大器邻近于相应的接收天线元件安装。
可选地，发射天线元件的数量和接收天线元件的数量不少于与该天线通信的远程用户设备(user equipment，UE)的天线元件的数量。
另一方面，提供了一种网络元件，包括如上下文所述的天线，以及波束赋形处理器，用于调整该发射放大器的相应的增益以及该接收放大器的相应的增益。
再一个方面，提供一种方法，包括使用天线在相同的无线资源上同时进行发射和接收，该天线具有由隔离结构分隔的多个发射天线元件和多个接收天线元件。该发射包括主动调节增益控制发射放大器的增益，该增益控制发射放大器分别耦合到该多个发射天线元件中的每一个发射天线元件。该接收包括主动调节增益控制接收放大器的增益，该增益控制接收放大器分别耦合到该多个接收天线元件中的每一个接收天线元件。
可选地，在相同的无线资源上同时进行发射和接收包括在相同的频率无线资源上同时进行发射和接收。
可选地，调节该增益控制发射放大器的增益包括分别调节用于模拟波束赋形的发射信号的幅度系数和相位系数。
可选地，该发射还包括基带数字预编码。
可选地，调节该增益控制接收放大器的增益包括分别调节用于模拟波束赋形的接收信号的幅度系数和相位系数。
可选地，该接收还包括基带数字后编码或基带数字均衡中的至少一种。
可选地，调节该增益控制发射放大器的增益包括调节具有第一极化方向的发射信号的相应的第一幅度系数和第一相位系数以及具有第二极化方向的发射信号的相应的第二幅度系数和第二相位系数。
可选地，调节该增益控制接收放大器的增益包括调节具有第一极化方向的接收信号的相应的第一幅度系数和第一相位系数以及具有第二极化方向的接收信号的相应的第二幅度系数和第二相位系数。
附图说明
参照附图将对实施例的示例进行更详细地描述，其中：
图1是根据本发明一实施例的包括波束赋形处理器和具有自适应天线阵列结构的天线子系统的网络元件的示意图；
图2是根据本发明一实施例的包括波束赋形处理器和具有双极化自适应天线阵列结构的天线子系统的网络元件的示意图；
图3A是根据本发明一实施例的具有一维(one-dimensional，1D)阵列结构的天线的示意图；
图3B是根据本发明一实施例的具有二维(two-dimensional，2D)阵列结构的天线的示意图；
图3C是根据本发明一实施例的具有圆柱形三维(three-dimensional，3D)阵列结构的天线的示意图；
图3D是根据本发明一实施例的具有半球形三维阵列结构的天线的示意图；以及
图4是根据本发明一实施例的用于在相同的无线资源上同时进行发射和接收的方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明一实施例的包括波束赋形处理器180和具有自适应天线阵列结构的有源天线子系统100的示例性网络元件的示意图。所描述的网络元件可以是基站、用户设备(user equipment，UE)或另一种类型的节点的一部分，并且可以是固定的或移动的。
在示例中，天线子系统100具有发射天线元件110、112、114、116和118的阵列102。天线子系统100还具有接收天线元件120、122、124、126和128的阵列104。为分隔天线元件的两个阵列102、104，在发射天线元件的阵列102和接收天线元件的阵列104之间设置的是电磁隔离结构130。发射天线元件的阵列102、电磁隔离结构130和接收天线元件的阵列104沿着一条线布置。
虽然发射天线元件的阵列102和接收天线元件的阵列104各被示为具有五个相应的天线元件，但应理解这是一个示例，并且更通常地，阵列102、104可以具有更多或更少的天线元件。在一些实施例中，发射天线元件的阵列102和接收天线元件的阵列104各自具有不同数量的天线元件。在一些实施例中，阵列102、104之一或两者都具有数百、数千或更多的天线元件。在一些实施例中，阵列102、104之一或两者都具有多个天线元件，其数量不少于与该天线子系统100通信的远程用户设备(user equipment，UE)的天线元件的数量。此外，虽然该阵列102、104各被示为沿着一条线布置，但是应该理解的是，也可以考虑阵列102、104的其他配置，包括二维(two-dimensional，2D)阵列配置和三维(three-dimensional，3D)阵列配置。
虽然阵列102、104的天线元件被示为具有正方形形状，并且定向为每个正方形天线元件的一侧面向另一个正方形天线元件的一侧的方式，但是应该理解的是，这种配置是一个示例，也可以考虑天线元件的其他形状和方位。例如，阵列102、104中的每个天线元件可以由形成十字形状的一对重叠的微带线构成。作为另一个示例，阵列102、104中的天线元件可以具有正方形形状，并且具有由图1中所示的方位在平面内顺时针旋转45度的方位。
该发射天线元件110、112、114、116、118中的每一个发射天线元件被耦合到相应的增益控制发射放大器140、142、144、146、148的输出端，该增益控制发射放大器的输入端耦合到该波束赋形处理器180。对于每个增益控制发射放大器，存在从波束赋形处理器180耦合到该增益控制发射放大器的控制线，其允许该波束赋形处理器180调节个别放大器增益。为了简单起见，图1中只标示了用于发射放大器140的控制线160。在一个示例性实施例中，该增益控制发射放大器140、142、144、146、148为功率控制器。在一些实施例中，例如，在该发射天线元件110、112、114、116、118为单极化天线元件的一些实施例中，还提供了一种调节增益控制发射放大器140、142、144、146、148的输出端的相位的装置。例如，可以将增益控制发射放大器140、142、144、146、148配置为具有可变的相移量，并且可以提供来自波束赋形处理器180的其他控制线来控制该增益控制发射放大器140、142、144、146、148中的每一个增益控制发射放大器的相应的相移量。在另一个示例性实施例中，可以将相移器与增益控制发射放大器140、142、144、146、148中的每一个增益控制发射放大器串联设置，并且可以提供来自波束赋形处理器180的控制线来控制每个相应相移器的相移量。
该接收天线元件120、122、124、126、128中的每一个接收天线元件被耦合到相应的增益控制接收放大器150、152、154、156、158的输入端，该增益控制接收放大器的输出端耦合到波束赋形处理器180。对于每个增益控制接收放大器，存在从波束赋形处理器180耦合到该增益控制接收放大器的控制线，其允许该波束赋形处理器180调节单个放大器增益。为了简单起见，图1中只标示了用于接收放大器150的控制线170。在一个示例性实施例中，该增益控制接收放大器150、152、154、156、158为低噪声放大器(low noise amplifiers，LNA)。在一些实施例中，例如，在该接收天线元件150、152、154、156、158为单极化天线元件的一些实施例中，还提供了一种调节增益控制接收放大器150、152、154、156、158的输出端的相位的装置。例如，可以将增益控制接收放大器150、152、154、156、158配置为具有可变的相移量，并且可以提供来自波束赋形处理器180的其他控制线来控制该增益控制接收放大器150、152、154、156、158中的每一个增益控制接收放大器的相应的相移量。在另一个示例性实施例中，可以将相移器与增益控制接收放大器150、152、154、156、158中的每一个增益控制接收放大器串联设置，并且可以提供来自波束赋形处理器180的控制线来控制每个相应相移器的相移量。
在一些实施例中，波束赋形处理器180为数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)。在其他实施例中，波束赋形处理器180是在软件和/或固件控制下的通用处理器、定制的专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、能够进行波束赋形的另一种类型的处理器、或以上的任意组合。波束赋形处理器180还可以耦合到为波束赋形处理器180的操作提供指令的控制器。虽然波束赋形处理器180在图1中被示为与天线子系统100分离，但是在一些实施例中，波束赋形处理器180和天线子系统100可以组合在单个组件中。
在所示实施例中，该增益控制发射放大器140、142、144、146、148和该增益控制接收放大器150、152、154、156、158被示为位于它们相应的天线元件的右侧。应该理解的是，所示出的具体位置仅仅为了图解释义。在一些实施例中，该增益控制放大器可以位于基板上，该基板还支持发射天线元件的阵列102和接收天线元件的阵列104。在一些实施例中，该增益控制放大器可以位于它们的相应天线元件的后侧。在其他实施例中，该增益控制放大器可以位于邻近于它们的相应天线元件的其他位置。通过将该增益控制发射放大器分布于邻近它们的相应发射天线元件，在某些情况下可以提高功率效率和热量分布。通过将该增益控制接收放大器分布于邻近它们的相应接收天线元件，在某些情况下可以提升噪声和损耗特性。在其他实施例中，该增益控制发射放大器和该增益控制接收放大器可以位于其他位置，例如，位于与支持发射天线元件的阵列102和接收天线元件的阵列104的基板不同的基板上。
在天线子系统100的全双工操作期间，即当该阵列102、104分别在相同的无线资源上同时进行发射和接收时，提供电磁隔离结构130以增强从发射天线元件的阵列102发射的信号与由接收天线元件的阵列104接收的信号之间的隔离。在一些实施例中，电磁隔离结构130为电磁带隙(electromagnetic band gap，EBG)隔离器，其可以具有带结构或环结构。在其他实施例中，电磁隔离结构130是一种电磁吸收体材料的组件或提供电磁隔离的另一个结构。在一些实施例中，电磁隔离结构130是彼此邻近设置的多个隔离结构。例如，若干个EBG级可以级联以提供比单个EBG隔离器更多的隔离。
在天线子系统100的全双工操作期间由电磁隔离结构130提供的具体的电磁隔离水平可以取决于天线子系统100的具体应用和/或发射天线元件的阵列102以及接收天线元件的阵列104的具体配置。在典型应用中，电磁隔离结构130可以提供40至50dB的电磁隔离。在一些应用中，例如，具有少量天线元件的天线结构、设计为阵列102、104彼此靠近的天线结构、或者设计为用于较短距离发射和/或用于小小区的天线结构，可以选择较低水平的电磁隔离。在一些应用中，电磁隔离结构130可以提供高水平的电磁隔离，例如，50至80dB或更多的电磁隔离。在一些实施例中，除了使用电磁隔离结构130之外，可以应用其他自干扰消除技术，以在从天线子系统100发射和接收的信号之间实现更高水平的有效隔离。
在发射操作中，波束赋形处理器180通过输入端182接收用于发射的流。波束赋形处理器180通过主动控制由相应的发射天线元件110、112、114、116、118发射的信号的幅度系数和相位系数进行自适应模拟波束赋形。例如，在一些实施例中，波束赋形处理器180调节该增益控制发射放大器140、142、144、146、148的增益，以控制由相应的发射天线元件110、112、114、116、118发射的信号的幅度系数和相位系数。在提供了用于直接调节该增益控制发射放大器140、142、144、146、148的输出端的相位的装置的实施例中，波束赋形处理器180使用这些装置来调节由相应的发射天线元件110、112、114、116、118发射的信号的相位系数。在一些实施例中，波束赋形处理器180可以在该模拟波束赋形之前的处理阶段对用于发射的流进行基带数字预编码和/或其他数字编码。
在接收操作中，波束赋形处理器180通过主动影响接收信号的幅度系数和相位系数对由接收天线元件120、122、124、126和128接收的信号进行自适应模拟波束赋形。例如，在一些实施例中，波束赋形处理器180主动调节相应的增益控制接收放大器150、152、154、156、158的增益，以影响由接收天线元件120、122、124、126、128接收的信号的幅度系数和相位系数。在提供了用于直接调节该增益控制接收放大器150、152、154、156、158的输出端的相位的装置的实施例中，波束赋形处理器180使用这些装置来影响由相应的接收天线元件120、122、124、126、128接收的信号的相位系数。在一些实施例中，波束赋形处理器180可以在该模拟波束赋形之后的处理阶段对接收到的流进行基带数字后编码、基带数字均衡和/或其他数字编码。波束赋形处理器180通过输出端184输出处理后的接收到的流。
在一些实施例中，包括波束赋形处理器180和天线子系统100的该网络元件可以在相同的无线资源(例如，相同的无线频率资源)上同时进行发射和接收，以实现全双工操作。在其他实施例中，该网络元件可以在不同的无线资源上同时进行发射和接收。在另一些实施例中，该网络元件可以在不同的时间在相同的无线资源或不同的无线资源上进行发射和接收，以实现全双工操作。
在一些不包括隔离结构130的天线结构中，大量的天线元件可能使全双工操作期间的一些诸如预编码和波束赋形的信号处理操作的实现复杂化。在图1所示的实施例中，因为电磁隔离结构130提供发射天线元件的阵列102和接收天线元件的阵列104之间的隔离，所以与不包括隔离结构130的替代天线结构相比，可以简化全双工操作期间的一些这样的信号处理操作的实现。
图2是根据本发明一实施例的包括波束赋形处理器280和具有双极化自适应天线阵列结构的天线子系统200的示例性网络元件的示意图。
在示例中，天线子系统200具有发射天线元件210、212的阵列202。天线子系统200还具有接收天线元件220、222的阵列204。为分隔天线元件的两个阵列202、204，在发射天线元件的阵列202和接收天线元件的阵列204之间设置的是电磁隔离结构230。发射天线元件的阵列202、电磁隔离结构230和接收天线元件的阵列204位于平面上，并且沿着一条线布置。虽然在图2中示出了天线子系统200的示例性配置，但是应该理解的是，其他配置也是可能的。例如，发射天线元件的阵列202和/或天线元件的阵列204可以包括更多数量的天线元件，或者可以具有其他空间配置，例如，二维(two-dimensional，2D)阵列配置和三维(three-dimensional，3D)阵列配置。
该发射天线元件210、212中的每一个发射天线元件以及该接收天线元件220、222中的每一个接收天线元件为双极化天线元件。每个双极化天线元件包括基板、以及用于分别发射和接收具有第一极化方向和第二极化方向的信号的相应的第一子元件290、292、294、296和相应的第二子元件291、293、295、297。在一些实施例中，相应的第一极化方向和第二极化方向是正交的。在图2示出的实施例中，每个第一子元件290、292、294、296和对应的第二子元件291、293、295、297是彼此垂直定向的重叠的微带天线元件。然而，应该理解的是，也可以使用其他双极化天线元件类型，例如，双极化贴片天线元件。
该发射天线元件的第一子元件290、292和第二子元件291、293中的每一个子元件耦合到相应的增益控制发射放大器240、241、242、243的输出端，该增益控制发射放大器的输入端耦合到波束赋形处理器280的发射波束赋形单元286。对于每个增益控制发射放大器，存在从波束赋形处理器280耦合到发射波束赋形单元286的控制线，其允许对单个放大器增益的调节。为了简单起见，图2中只标示了分别用于发射放大器240和241的控制线260和261。
该接收天线元件的第一子元件294、296和该第二子元件295、297中的每一个子元件耦合到相应的增益控制接收放大器的输入端，该增益控制接收放大器的输出端耦合到波束赋形处理器280的接收波束赋形单元288。对于每个增益控制接收放大器，存在从波束赋形处理器280耦合到接收波束赋形单元288的控制线，其允许对个别放大器增益的调节。为了简单起见，图2中只标示了分别用于接收放大器250和251的控制线270和271。
在发射操作中，发射波束赋形单元286通过输入端282接收用于发射的流。发射波束赋形单元286通过主动调节分别耦合到第一子元件290、292的增益控制发射放大器240、242的增益，进行自适应模拟波束赋形，以控制通过该第一极化方向发射的相应信号的幅度系数和相位系数。发射波束赋形单元286还通过主动调节分别耦合到第二子元件291、293的增益控制发射放大器241、243的增益，进行自适应模拟波束赋形，以控制通过该第二极化方向发射的相应信号的幅度系数和相位系数。在一些实施例中，发射波束赋形单元286在该模拟波束赋形之前的处理阶段对用于发射的流进行基带数字预编码和/或其他数字编码。
在接收操作中，接收波束赋形单元288对由第一子元件294、296接收的具有第一极化方向的信号和由第二子元件295、297接收的具有第二极化方向的信号进行自适应模拟波束赋形。接收波束赋形单元288通过主动调节增益控制接收放大器250、251、252、253的增益进行自适应模拟波束赋形，以影响接收信号的幅度系数和相位系数。在一些实施例中，接收波束赋形单元288可以在该模拟波束赋形之后的处理阶段对接收到的流进行基带数字后编码、基带数字均衡和/或其他数字编码。接收波束赋形单元288通过输出端284输出处理后的接收到的流。
图3A是根据本发明一实施例的具有一维(one-dimensional，1D)阵列结构的天线300的示意图。
在图示实施例中，天线300具有发射天线元件310的阵列302。天线300还具有接收天线元件320的阵列304。为分隔天线元件的两个阵列302、304，在发射天线元件的阵列302和接收天线元件的阵列304之间设置的是电磁隔离结构330。发射天线元件的阵列302、该电磁隔离结构330和接收天线元件的阵列304位于平面上，并且沿着一条线布置。在图示实施例中，两个阵列302和304中的每一个阵列都具有三个天线元件。然而，应该理解的是，可以在两个阵列302和304中的每一个阵列中使用更多或更少的天线元件，并且每个阵列中的天线的数量可以不同。
在一些实施例中，发射天线元件的阵列302、该电磁隔离结构330和接收天线元件的阵列304由诸如玻璃纤维印刷电路板(printed circuit board，PCB)材料的单个基板支持。然而，应该理解的是，其他配置也是可能的。例如，发射天线元件的阵列302和接收天线元件的阵列304可以分别位于单独的基板上，并且物理基板可以支持阵列302、304以及电磁隔离结构330。
在图示实施例中，发射天线元件310和接收天线元件320被示为具有菱形形状，并且定向为以每个菱形的角靠近另一个菱形的角的方式。然而，应当理解的是，这种配置是一个示例，也可以考虑天线元件的其他形状和方位。在图示实施例中，相邻发射天线元件310的质心(centroids)之间的间距为λ/2，其中λ是期望由该天线300发射和接收的信号的波长。相邻接收天线元件320的质心之间的间距也为λ/2。在一些实施例中，λ可以为111mm(用于2.7GHz通信)、136mm(用于2.2GHz通信)或176.5mm(用于1.7GHz通信)。
图3B是根据本发明一实施例的具有二维(two-dimensional，2D)阵列结构的天线400的示意图。
天线400具有发射天线元件410的阵列402。天线400还具有接收天线元件420的阵列404。为分隔天线元件的两个阵列402、404，在发射天线元件的阵列402和接收天线元件的阵列404之间设置的是电磁隔离结构430。发射天线元件的阵列402、该电磁隔离结构430和接收天线元件的阵列404位于平面上。两个阵列402、404中的每一个阵列在平面中被布置成规则的2D网格。在图示实施例中，两个阵列402、404中的每一个阵列中的每个天线元件的质心之间的间距为λ/2。然而，天线元件的其他配置也是可能的。特别地，两个阵列402、404中的每一个阵列不必包括被布置成正方形的平方数量的天线元件。例如，在一些实施例中可以使用天线元件的矩形阵列402、404。应该理解的是，阵列402、404的具体形状以及发射天线元件410和接收天线元件的420的具体数量是设计选择。这些设计选择可以取决于，例如，天线400的预期应用是在多个用户聚集在一个区域中的情况下仅包括一个具有大的覆盖范围的波束，还是包括其中每个波束具有用于单个用户和/或群集用户组的窄的覆盖范围的许多波束。在图示实施例中，两个阵列402和404中的每一个阵列都具有九个天线元件。然而，应该理解的是，可以在两个阵列402和404中的每一个阵列中使用更多或更少的天线元件，并且每个阵列中的天线的数量可以不同。
图3C是根据本发明一实施例的具有圆柱形三维(three-dimensional，3D)阵列结构的天线500的示意图。
天线500具有发射天线元件510的阵列502。天线500还具有接收天线元件520的阵列504。为分隔天线元件的两个阵列502、504，在发射天线元件的阵列502和接收天线元件的阵列504之间设置的是具有多个EBG隔离器532的电磁隔离结构530。
在图示实施例中，发射天线元件的阵列502具有由沿中心轴对齐的四个环形支撑结构形成的圆柱形形状。发射天线元件510是平面的、正方形的、围绕每个环形支撑结构均匀间隔开的、并且切向安装到由该环形支撑结构形成的圆柱形形状上的。在其他实施例中，每个发射天线元件510可以是弧形的，以遵循由该环形支撑结构形成的圆柱形形状。在图示实施例中，该发射天线元件510之间的周向间距为λ/2。该发射天线元件510之间的纵向间距为λ。
在图示实施例中，接收天线元件的阵列504具有与发射天线元件的阵列502相同的配置。该电磁隔离结构530具有圆柱形形状，该圆柱形形状具有与沿该中心轴对齐的两个环形支撑结构形成的阵列502、504相同的直径。在图示实施例中，矩形EBG隔离器532围绕这两个环形支撑结构均匀分布。在一些实施例中，也可以使用EBG隔离材料的其他形状和/或分布。例如，各个EBG隔离器532可以是正方形的。更一般地讲，在采用EBG隔离器532的实施例中，该电磁隔离结构530可以包括多个规则的和/或不规则的EBG隔离器532。在其他实施例中，可以将其他隔离材料用于电磁隔离结构530。例如，可以在发射天线元件的阵列504和接收天线元件的阵列504之间设置坡莫合金(permalloy)和/或锰游合金隔离(mu-metalisolation)材料的实心环或圆盘。应该理解的是，对电磁隔离结构530的材料的选择是设计选择，其可以取决于例如特定应用的隔离要求和/或物理/环境限制。
在图3C中所示出的用于2.2GHz的通信的该天线500的特定示例中，发射天线元件的阵列502和接收天线元件的阵列504中的每一个阵列具有64个天线元件。每个天线元件510、520具有大小为λ/2乘λ/2(68mm乘68mm)的正方形形状。发射元件和接收元件的阵列502、504中的每一个阵列中的天线元件510、520具有周向间距λ/2和垂直间距λ。对于1W的最大总下行链路辐射功率，每个发射天线元件510最多处理16mW的功率。
在与图3C中所示出的用于2.2GHz的通信的天线500相同的具有圆柱形形状的天线的特定示例中，发射天线元件的阵列502和接收天线元件的阵列504中的每一个阵列具有640个全向天线元件。针对640×(λ/2)2＝3m2的组合辐射面积，每个天线元件510、520具有大小为λ/2乘λ/2(7cm乘7cm)的正方形形状。该天线可以被配置为以12W的总功率进行发射，其中每个发射天线元件处理19mW的功率。为了进行分析和模拟，发射天线元件的阵列502的高度假定为30m。
在该示例性天线的数值模拟中，该天线例如可以服务100个固定终端，每个终端具有高度为5m的8dB的增益天线，该固定终端随机分布在以发射天线元件的阵列为中心的半径为6km的圆盘上。通过应用Hata-COST231无线电传播模型，假设对数正态阴影衰落具有8dB的标准偏差，则在1km范围内的路径损耗可以是127dB，并且范围衰减指数可以是3.52。接收机可以具有9dB的增益噪声系数。如果最大比发射(maximum-ratio transmission，MRT)波束赋形被用于下行链路且最大比合并(maximal-ratio combining，MRC)被用于上行链路，则该示例性天线可以为100个终端提供估计为2Gb/s的总下行链路吞吐量，实现100bps/Hz的总频谱效率。
以上讨论的图3C中示出的圆柱形3D天线阵列结构作为示例提供。也可以使用其他3D天线阵列结构。图3D是根据本发明一实施例的具有半球形3D阵列结构的天线的示意图.
在图示实施例中，天线600具有发射天线元件610的阵列602。天线600还具有接收天线元件620的阵列604。该阵列602、604各自具有沿着半球的表面布置的局部球形形状的基板。设置在局部球形阵列602和604之间的是沿着该半球的表面布置的多个EBG隔离元件632。在图示实施例中，发射天线元件610是圆形且沿着该局部球形基板以规则图形布置的。接收天线元件的阵列604具有与发射天线元件的阵列602类似的配置。EBG隔离元件632也是圆形且以规则图形布置的。然而，应该理解的是，发射天线元件610、接收天线元件620和EBG隔离元件632的具体配置是设计选择。例如，发射天线元件610、接收天线元件620和EBG隔离元件632的形状可以是平面或者弧形和圆形、正方形、矩形或多边形。在特定实施例中，发射天线元件610和接收天线元件620通常为五边形形状，并且以与足球的黑色部分相同的方式间隔开。在特定实施例中，天线600可以包括用于物理安装到房间的天花板的安装硬件。
图4是根据本发明一实施例的用于在相同的无线资源上同时进行发射和接收的方法700的流程图。在框702处，天线被用来在相同的无线资源上同时进行发射和接收，该天线具有由隔离结构分隔的多个发射天线元件和多个接收天线元件。在一些替代实施例中，有时该天线可以不在相同的无线资源上同时进行发射和接收。该天线有时可以在不同的无线资源上进行发射和接收和/或在不重叠的时间进行发射和接收。
在框704处，在进行发射时，分别耦合到该多个发射天线元件中的每一个发射天线元件的增益控制发射放大器的增益被主动调节。该主动调节可以包括通过分别调节发射信号的幅度系数和相位系数实现的模拟波束赋形。在该发射天线元件具有双极化方向的实施例中，该模拟波束赋形可以包括调节具有第一极化方向的发射信号的相应的第一幅度系数和第一相位系数以及具有第二极化方向的发射信号的相应的第二幅度系数和第二相位系数。在一些实施例中，可以在模拟波束赋形之前进行基带数字预编码。
在框706处，在进行接收时，分别耦合到该多个接收天线元件中的每一个接收天线元件的增益控制接收放大器的增益被主动调节。该主动调节可以包括通过分别调节接收信号的幅度系数和相位系数实现的模拟波束赋形。在该接收天线元件具有双极化方向的实施例中，该模拟波束赋形可以包括调节具有第一极化方向的接收信号的相应的第一幅度系数和第一相位系数以及具有第二极化方向的接收信号的相应的第二幅度系数和第二相位系数。在一些实施例中，在进行接收时，可以在模拟波束赋形之后进行基带数字后编码和/或基带数字均衡。
在一些实施例中，可以提供一种包括由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读介质，以便控制图4中示出的方法700的执行、实现上述另一种方法和/或促进上述装置的实现和/或操作。在一些实施例中，该处理器可以是通用计算机硬件平台的部件。在其他实施例中，该处理器可以是专用计算机硬件平台的部件。例如，该处理器可以是嵌入式处理器，并且该指令可以被作为固件提供。一些实施例可以仅通过使用硬件来实现。在一些实施例中，由处理器执行的该指令可以以软件产品的形式体现。该软件产品可以存储在非易失性或非暂时性存储介质中，该介质可以是，例如，光盘只读存储器(compact disc read-onlymemory，CD-ROM)、通用串行总线(universal serial bus，USB)闪存盘或可移动硬盘。
以上提供的一些实施例的描述是为了使本领域任何技术人员能够制造或使用根据本公开的装置、方法、或处理器可读介质。对这些实施例的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，并且可以将本文描述的方法和设备的通用原理应用于其他实施例。因此，本公开并非意在局限于本文所示的实施例，而是获得与本文公开的原理和新颖性特征一致的最广泛范围。

Claims (24)

1.一种天线，包括：
多个发射天线元件，所述多个发射元件中的每一个发射元件耦合到相应的增益控制发射放大器；
多个接收天线元件，所述多个接收元件中的每一个接收元件耦合到相应的增益控制接收放大器；以及
所述多个发射天线元件和所述多个接收天线元件之间的电磁隔离结构。
2.如权利要求1所述的天线，其中当所述天线用于在相同的频率无线资源上同时进行发射和接收时，所述隔离结构提供减少的自干扰。
3.如权利要求1或2所述的天线，其中所述隔离结构在所述发射天线元件和所述接收天线元件之间提供一个中间分隔件。
4.如权利要求1至3中任一项所述的天线，其中所述隔离结构为电磁带隙(EBG)隔离器。
5.如权利要求1至3中任一项所述的天线，其中
所述多个发射天线元件被布置成第一一维阵列；以及
所述多个接收天线元件被布置成第二一维阵列。
6.如权利要求1至3中任一项所述的天线，其中
所述多个发射天线元件被布置成第一二维阵列；以及
所述多个接收天线元件被布置成第二二维阵列。
7.如权利要求1至3中任一项所述的天线，其中
所述多个发射天线元件被布置成第一三维阵列；以及
所述多个接收天线元件被布置成第二三维阵列。
8.如权利要求1至3中任一项所述的天线，其中
发射元件的第一阵列为圆柱形阵列；以及
接收元件的第二阵列为圆柱形阵列。
9.如权利要求1至3中任一项所述的天线，其中
发射元件的第一阵列为局部球形阵列；以及
接收元件的第二阵列为局部球形阵列。
10.如权利要求1至10中任一项所述的天线，其中
每个所述发射放大器为功率放大器；以及
每个所述接收放大器为低噪声放大器。
11.如权利要求1至11中任一项所述的天线，其中
所述多个发射天线元件中的每一个发射天线元件为双极化天线元件，用于发射具有第一极化方向的相应信号和发射具有第二极化方向的相应信号，
所述多个接收天线元件中的每一个接收天线元件为双极化天线元件，用于接收具有第一极化方向的相应信号和接收具有第二极化方向的相应信号。
12.如权利要求11所述的天线，其中
所述多个发射天线元件中的每一个发射天线元件被耦合到用于放大具有所述第一极化方向的相应发射信号的相应的发射放大器，并且被耦合到用于发射具有所述第二极化方向的相应发射信号的相应的第二增益控制发射放大器，以及
所述多个接收天线元件中的每一个接收天线元件被耦合到用于放大具有所述第一极化方向的相应接收信号的相应的接收放大器，并且被耦合到用于接收具有所述第二极化方向的相应接收信号的相应的第二增益控制接收放大器。
13.如权利要求11或12所述的天线，其中
所述发射信号的所述第一极化方向和所述第二极化方向是正交的；以及
所述接收信号的所述第一极化方向和所述第二极化方向是正交的。
14.如权利要求1至13中任一项所述的天线，其中
每个所述增益控制发射放大器邻近于相应的发射天线元件安装；以及
每个所述增益控制接收放大器邻近于相应的接收天线元件安装。
15.如权利要求1至14中任一项所述的天线，其中发射天线元件的数量和接收天线元件的数量不少于与所述天线通信的远程用户设备(UE)的天线元件的数量。
16.一种网络元件，包括：
如权利要求1至15中任一项所述的天线；以及
波束赋形处理器，用于调节所述发射放大器的相应的增益以及所述接收放大器的相应的增益。
17.一种方法，包括：
使用天线在相同的无线资源上同时进行发射和接收，所述天线具有由隔离结构分隔的多个发射天线元件和多个接收天线元件，
所述发射包括主动调节增益控制发射放大器的增益，所述增益控制发射放大器分别耦合到所述多个发射天线元件中的每一个发射天线元件；以及
所述接收包括主动调节增益控制接收放大器的增益，所述增益控制接收放大器分别耦合到所述多个接收天线元件中的每一个接收天线元件。
18.如权利要求17所述的方法，其中在相同的无线资源上同时进行发射和接收包括在相同的频率无线资源上同时进行发射和接收。
19.如权利要求17或18所述的方法，其中调节所述增益控制发射放大器的增益包括分别调节用于模拟波束赋形的发射信号的幅度系数和相位系数。
20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其中所述发射还包括基带数字预编码。
21.如权利要求17或18所述的方法，其中调节所述增益控制接收放大器的增益包括分别调节用于模拟波束赋形的接收信号的幅度系数和相位系数。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述接收还包括基带数字后编码或基带数字均衡中的至少一种。
23.如权利要求17或18所述的方法，其中调节所述增益控制发射放大器的增益包括调节具有第一极化方向的发射信号的相应的第一幅度系数和第一相位系数以及具有第二极化方向的发射信号的相应的第二幅度系数和第二相位系数。
24.如权利要求17或18所述的方法，其中调节所述增益控制接收放大器的增益包括调节具有第一极化方向的接收信号的相应的第一幅度系数和第一相位系数以及具有第二极化方向的接收信号的相应的第二幅度系数和第二相位系数。
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