CN109921198A - 一种模数混合的天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种模数混合的天线阵列，所述天线阵列在一个维度上包括M个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括N个天线振子；M和N均为大于等于2的整数；所述M个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式；所述子阵列之间的间隔Y个波长小于天线振子之间的间隔X个波长。

Description

一种模数混合的天线阵列

技术领域

本发明涉及天线技术，尤其涉及一种模数混合的天线阵列。

背景技术

目前通信系统的天线架构有模拟域波束赋形设计方式和数字域波束赋形设计方式，这两种方式各有优缺点，数字域波束赋形设计方式中，每一天线分别连到不同的数字链路上，基带可通过调整天线的相位来修改发送的波束的方向，达到增强信号强度的目的；模拟域波束赋形设计方式中，多个模拟移相器调整天线相位，并连接到一个数字链路上。由于数字链路数量减少(ADC/DAC的数量减少)，可以大大降低天线阵列的成本；但是由于在基带无法区分出多流，也就无法通过波束赋形的方式降低多流之间的干扰，从而导致多流传输的效果不佳。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种模数混合的天线阵列，在降低成本的同时能降低多流件的干扰，大大增强多流传输的性能。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本实施例提供一种模数混合的天线阵列，所述天线阵列在一个维度上包括 M个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括 N个天线振子；M和N均为大于等于2的整数；

所述M个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式；

所述子阵列之间的间隔Y个波长小于天线振子之间的间隔X个波长。

在其他的实施例中，所述天线阵列包括第一维度和第二维度，所述第一维度和所述第二维度相互不同，所述天线阵列在第一维度上包括M个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括N个天线振子；

所述天线阵列在第一维度上M个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式。

在其他的实施例中，M等于2，N等于4。

在其他的实施例中，所述天线阵列在第二维度上包括P个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括Q个天线振子；

所述天线阵列在第二维度上P个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式。

在其他的实施例中，P＝2，Q＝2。

在其他的实施例中，所述天线阵列包括4H个数字支路，其中H为大于等于1的整数；

在水平维度的第m行，第(4h+1)个数字支路的天线阵子与第(4h+2)个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在水平维度的第(m+1)行，第(4h+3)个数字支路的天线阵子与第(4h+4) 个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在垂直维度的第n列，第(4h+1)数字支路的天线阵子与第(4h+3)个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在水平维度的第(n+1)列，第(4h+2)个数字支路的天线阵子与第(4h+4) 个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

其中：h为大于等于1且小于等于(H-1)的整数，m、n为大于等于1的整数。

本发明实施例提供的模数混合的天线阵列，其中，所述天线阵列在一个维度上包括M个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括N个天线振子；M和N均为大于等于2的整数；所述M个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式；所述子阵列之间的间隔Y个波长小于天线振子之间的间隔X个波长；如此，在降低成本的同时能降低多流件的干扰，大大增强多流传输的性能。

附图说明

图1A为纯数字域波束赋形的设计方式的结构示意图；

图1B为纯模拟域波束赋形的设计方式的结构示意图；

图2A为相关技术中模数混合天线架构的结构示意图；

图2B为相关技术中天线架构的波束形态的结构示意图；

图3为相关技术中数字波束之间角度分隔不足的天线架构结构示意图；

图4为本发明实施例较宽的数字波束与较窄的模拟波束的波束赋形效果示意图；

图5为本发明实施例模数混合的天线阵列的结构示意图；

图6A为本发明实施例在垂直维度上进行交织排列的结构示意图；

图6B为图6A中的数字支路采用字母来表示的结构示意图；

图7A为本发明实施例在水平维度上进行交织排列的结构示意图；

图7B为图7A中的数字支路采用字母来表示的结构示意图；

图8为本发明实施例在水平维度和垂直上进行交织排列的结构示意图；

图9为本发明又一实施例在水平维度和垂直上进行交织排列的结构示意图。

具体实施方式

一般通信系统中采用的都是数字域波束赋形的设计方式，下面以8根天线为例进行说明。图1A为纯数字域波束赋形的设计方式的结构示意图，如图1A 所示，8根天线11分别连到不同的数字链路21上，基带可通过调整天线的相位来修改发送的波束的方向，达到增强信号强度的目的。此外，基站还可以进行多流传输，通过发送使用两个不同预编码矩阵的信号(s1w1+s2w2)，达到同时传输多流数据的效果；其中s1为第一流的数据，w1为第一流的预编码矩阵， s2为第二流的数据，w2为第二流的预编码矩阵。在图1A中，八个数字链路可以发出八个正交的预编码矩阵，即八流传输。

在5G系统设计当中引入了模拟域波束赋形的概念，下面以8根天线为例进行说明。图1B为纯模拟域波束赋形的设计方式的结构示意图，如图1B所示，其中8根天线21使用8个模拟移相器调整天线相位，并连接到一个数字链路 22上。由于数字链路数量减少，即模数转换或数模转换(ADC/DAC)的数量减少，可以大大降低天线阵列的成本。但是，使用纯粹的模拟域赋形的话，由于在基带无法区分出s1和s2，无法通过波束赋形的方式降低多流之间的干扰，亦即传输的格式为(s1+s2)*w，因此多流传输的效果不佳。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

为了克服纯数字域波束赋形设计方式和纯模拟域波束赋形设计方式的上述问题，在5G系统中引入了模数混合的天线架构。图2A为相关技术中模数混合天线架构的结构示意图，如图2A所示，其中连续的N个天线振子连接到一个数字链路上，此N个天线振子之间的相位可通过移相器进行调整。阵列中可包含M个数字链路。在图2A的例子中，N＝4，M＝2。

按照图2A的天线架构，由于模拟移相器之间的间隔为半波长，使用模拟移相器可以在空间上赋形N个正交的模拟波束。在此基础上，可以使用数字链路形成更窄的波束，如图2B所示。由于基站有两个数字链路，也可以形成双流的传输。

在相关技术的天线架构上，数字波束只能在模拟波束的宽度之内进行赋形，即，现有天线架构的问题：数字波束之间角度分隔不足，多流效果不佳，如图 3所示，两个数字波束1和2之间的角度间隔被模拟波束4限制，造成多流传输的方向受限，换句话说，数字波束1和2只能在模拟波束4之内发送，流间干扰的抑制效果不佳。

进一步的分析，原有波束架构的问题在于数字波束之间的间隔太窄，而数字波束是进行多流传输的主要方法。相应地，模拟波束则是增强信号强度的主要方法，应当较窄。因此，应当采用较宽的数字波束，而模拟波束较窄，才能达到较好的单流和多流传输效果，即，预期的波束赋形效果：较宽的数字波束，与较窄的模拟波束。如图4所示，与模拟波束1至4相比，数字波束1和2的波束赋形很宽。

为达到图4所述的技术效果，本发明实施例提出了一种模数混合天线架构，图5为本发明实施例模数混合天线的结构示意图，如图5所示，本实施例提供的模数混合天线架构是一种基于交织的天线阵列，该天线阵列形态包含M个子阵列，每个子阵列连接到不同的数字链路上，子阵列内部有N个天线振子，天线之间的间隔为X个波长；子阵列之间的间隔为Y个波长，并且Y<X；

在图5所举的例子中，M＝2，N＝4。

本实施例提供的模数混合天线的架构中，包含M个子阵列，每个子阵列连接到不同的数字链路上，子阵列内部有N个天线振子，天线振子之间的间隔为 X个波长；子阵列之间的间隔为Y个波长，并且Y<X。

与现有技术相比，本实施例具有如下技术优点：可保持与原有方案相同的单流效果，并且大大增强多流传输的性能。

5G系统中引入了模数混合的天线架构，连续的N个天线振子连接到一个数字链路上，N个天线振子之间的相位可通过移相器进行调整。天线阵列中可包含M个数字链路。利用N个天线振子可以产生N个模拟波束。利用M个数字链路可以产生M个数字波束。发明人认为，数字波束只能在模拟波束的宽度之内进行赋形，两个数字波束之间的角度间隔被模拟波束限制，会造成多流传输的方向受限，流间干扰的抑制效果不佳。

对此，本实施例提供一种模数混合的天线架构，该天线架构，包含M个子阵列，每个子阵列连接到不同的数字链路上，子阵列内部有N个天线振子，不同子阵列的天线振子可以交织排列，天线振子之间的间隔为X个波长，子阵列之间的间隔为Y个波长，并且Y<X，X和Y为大于等于1的整数。其中，波长为天线辐射出的无线波的波长。

本实施例提供的技术方案，不同子阵列的天线振子交织排列，子阵列之间的间隔小于天线振子之间的间隔；能够保证数字波束之间具有较大的间隔，从而提高了多流传输效果。

本实施例提供一种模数混合的天线阵列，所述天线阵列在一个维度上包括 M个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括 N个天线振子；M和N均为大于等于2的整数；

所述M个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式；

所述子阵列之间的间隔Y个波长小于天线振子之间的间隔X个波长。

这里，所述交织排列方式为在至少一个维度上相邻两个天线振子属于不同模拟波束形成的子阵列，或者，在至少一个维度上相邻两个天线振子连接不同的数字支路，参见图5，数字支路包括两个51和52，天线振子511和521相邻，其中，天线振子511属于数字支路51对应的模拟波束形成的子阵列，天线振子 521属于数字支路52对应的模拟波束形成的子阵列；或者，天线振子511连接数字支路51，天线振子521连接数字支路52。再如，天线振子522与天线振子 512和513相邻，天线振子522属于数字支路52对应的模拟波束形成的子阵列，天线振子512和513属于数字支路51对应的模拟波束形成的子阵列；或者，天线振子522连接数字支路52，天线振子512和513连接数字支路52。

在实施的过程中，交织排列方式与数字支路的数量有关，例如M等于3时，交织排列方式是唯一的，即第一个数字支路的第一个天线振子与第二个数字支路的第一个天线振子相邻，第二个数字支路的第一个天线振子与第三个数字支路的第一个天线振子相邻；第三个数字支路的第一个天线振子与第一个数字支路的第二个天线振子相邻，第一个数字支路的第二个天线振子与第二个数字支路的第二个天线振子相邻，第二个数字支路的第二个天线振子与第三个数字支路的第二个天线振子相邻，如此循环。如果M等于4，那么交织排列方式可以前两个数字支路组成第一组进行交织排列，后两个数字支路组成第二组进行交织排列；当然也可以这四个数字支路进行交织。当M等于5时，可以前两个数字支路组成第一组进行交织排列，后三个数字支路组成第二组进行交织排列；也可以前三个数字支路组成第一组进行交织排列，后两个数字支路组成第二组进行交织排列；或者，这五个数字支路进行交织排列。

在其他的实施例中，所述天线阵列包括第一维度和第二维度，所述第一维度和所述第二维度相互不同，所述天线阵列在第一维度上包括M个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括N个天线振子；

所述天线阵列在第一维度上M个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式。

这里，第一维度和第二维度用于描述二维天线阵列，例如所述第一维度可以水平维度或垂直维度，对应地，第二维度为垂直维度或水平维度。

在其他的实施例中，M等于2，N等于4。

在其他的实施例中，所述天线阵列在第二维度上包括P个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括Q个天线振子；

所述天线阵列在第二维度上P个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式。

在其他的实施例中，P＝2，Q＝2。

在其他的实施例中，所述天线阵列包括4H个数字支路，其中H为大于等于1的整数；

在水平维度的第m行，第(4h+1)个数字支路的天线阵子与第(4h+2)个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在水平维度的第(m+1)行，第(4h+3)个数字支路的天线阵子与第(4h+4) 个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在垂直维度的第n列，第(4h+1)数字支路的天线阵子与第(4h+3)个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在水平维度的第(n+1)列，第(4h+2)个数字支路的天线阵子与第(4h+4) 个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

其中：h为大于等于1且小于等于(H-1)的整数，m、n为大于等于1的整数。

图6A和图7A分别示出了两种不同的交织排列方式，以水平维度有4个天线振子，垂直维度有8个天线振子为例进行说明，其中，垂直维度上包括两个数字支路，其中第一列包括数字支路11和12，第二列包括数字支路21和22，第三列包括数字支路31和32，第四列包括数字支路41和42，其中，数字支路 11包括四个天线振子111至114，数字支路12包括四个天线振子121至124，数字支路13包括四个天线振子131至134，数字支路14包括四个天线振子141 至144，数字支路21包括四个天线振子211至214，数字支路22包括四个天线振子211至214，数字支路23包括四个天线振子231至234，数字支路24包括四个天线振子241至244。图6A和图7A提供了一种在一个维度上进行交互排列的方式，即图6A中的天线振子在垂直维度上进行交织排列，图7A中的天线振子在水平维度上进行交织排列。

图6A中的天线阵列中，第一列、第二列、第三列和第四列的天线阵子的排列都是一样的，以第一列为例进行说明，第一列的数字支路11的四个天线阵子111-114和数字支路12的四个天线阵子121-124之间交织排列，也就是说，排列顺序依次是：第一个数字支路11的第一个天线振子111、第二个数字支路 12的第一个天线振子121、第一个数字支路11的第二个天线振子112、第二个数字支路12的第二个天线振子122、第一个数字支路11的第三个天线振子113、第二个数字支路12的第三个天线振子123、第一个数字支路11的第四个天线振子114、第二个数字支路12的第四个天线振子124。为了更为清楚地表示图 6A，将6A中的数字支路采用字母来表示，例如，将数字支路11用字母K表示，将数字支路12用字母L表示，将数字支路21用字母O表示，将数字支路 22用字母I表示，将数字支路31用字母R表示，将数字支路32用字母S表示，将数字支路41用字母C表示，将数字支路42用字母D表示，从图6B可以看出，在垂直维度上的天线振子是进行交织排列的。

图7A中的天线阵列中，第一行、第二行、第三行和第四行的天线阵子的排列都是一样的，以第一行为例进行说明，第一行的数字支路11的四个天线阵子111-114和数字支路12的四个天线阵子121-124之间交织排列，也就是说，排列顺序依次是：第一个数字支路11的第一个天线振子111、第二个数字支路 12的第一个天线振子121、第一个数字支路11的第二个天线振子112、第二个数字支路12的第二个天线振子122、第一个数字支路11的第三个天线振子113、第二个数字支路12的第三个天线振子123、第一个数字支路11的第四个天线振子114、第二个数字支路12的第四个天线振子124。为了更为清楚地表示图 7A，将7A中的数字支路采用字母来表示，例如，将数字支路11用字母K表示，将数字支路12用字母L表示，将数字支路21用字母O表示，将数字支路 22用字母I表示，将数字支路31用字母R表示，将数字支路32用字母S表示，将数字支路41用字母C表示，将数字支路42用字母D表示，从图7B可以看出，在水平维度上的天线振子是进行交织排列的。

图8提供了一种在两个维度上进行交互排列的方式，即，图8中的天线振子在水平维度和垂直维度上分别都进行交织排列。图8中的每一个字母表示一个数字支路，在水平维度，数字支路K的天线阵子与数字支路L的天线阵子进行交织排列，数字支路Z的天线阵子与数字支路W的天线阵子进行交织排列；在垂直维度上，数字支路K的天线阵子与数字支路Z的天线阵子进行交织排列，数字支路L的天线阵子与数字支路W的天线阵子进行交织排列。因此，图8 中的各天线振子是在水平维度和垂直维度上分别都进行交织排列的。

需要说明的是，在图6A、图6B、图7A、图7B中的数字支路是一维的，即数字支路的天线阵子只排列在一个维度上，例如图6A中的数字支路11的四个天线阵子是在垂直维度上排列的，又如图7A中的数字支路11的四个天线阵子是在水平维度上排列的。而图8中的数字支路是二维的，数字支路K的天线阵子在水平维度和垂直维度上都有，所以数字支路是二维的。

在本发明的其他实施例中，天线阵列在第一维度上交织排列，在第二维度上也交织排列，可以将图6A和图7A组合起来，为了方便表示，采用字母来表示。参见图9，图9中的天线阵列是由一个图6B的天线阵列和两个图7B的天线阵列组成的。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种模数混合的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列在一个维度上包括M个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括N个天线振子；M和N均为大于等于2的整数；

所述M个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式；

所述子阵列之间的间隔Y个波长小于天线振子之间的间隔X个波长。

2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括第一维度和第二维度，所述第一维度和所述第二维度相互不同，所述天线阵列在第一维度上包括M个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括N个天线振子；

所述天线阵列在第一维度上M个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式。

3.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，M等于2，N等于4。

4.根据权利要求1至3任一项所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列在第二维度上包括P个数字支路，每一所述数字支路包括模拟波束形成子阵列，所述子阵列包括Q个天线振子；

所述天线阵列在第二维度上P个数字支路中的子阵列中的天线振子呈交织排列方式。

5.根据权利要求4所述的天线阵列，其特征在于，P＝2，Q＝2。

6.根据权利要求1至3任一项所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括4H个数字支路，其中H为大于等于1的整数；

在水平维度的第m行，第(4h+1)个数字支路的天线阵子与第(4h+2)个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在水平维度的第(m+1)行，第(4h+3)个数字支路的天线阵子与第(4h+4)个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在垂直维度的第n列，第(4h+1)数字支路的天线阵子与第(4h+3)个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

在水平维度的第(n+1)列，第(4h+2)个数字支路的天线阵子与第(4h+4)个数字支路的天线阵子之间进行交织排列；

其中：h为大于等于1且小于等于(H-1)的整数，m、n为大于等于1的整数。