CN110557206B - 天线校准装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种天线校准装置。具体涉及一种耦合装置，该耦合装置包括多个耦合器。每个耦合器包括传输主线和耦合副线。传输主线用于提供输入端和输出端。耦合副线用于与传输主线耦合以提供两个耦合端。该多个耦合器的耦合副线串联连接以提供第一耦合输出端口和第二耦合输出端口。该多个耦合器中的至少一个耦合器的耦合副线的第一部分与该多个耦合器中的相邻耦合器的耦合副线的第二部分存在共用的部分。

Description

天线校准装置
技术领域
本公开总体上涉及天线技术领域。更具体来说，本公开涉及一种用于天线阵列的多通道校准装置。
背景技术
智能天线，又称为自适应阵列天线，在现代移动通信系统中具有广泛的应用。通过调节发送到各天线辐射元件的信号的幅度和相位特性，智能天线能够产生空间定向波束，使天线主波束对准特定的用户方向。由于充分利用波束的空间特性，智能天线在改善系统的通信距离、容量、链路质量等方面效果显著。
波束成形网络是智能天线的重要组成部分。在包含智能天线的基站中，射频收发机(TRX)发射的信号经由射频端口进入波束成形网络。在波束成形网络中，信号被分成与多个辐射元件或者多列辐射元件对应的多路。对每一路上的信号进行独立的幅度、相位和延迟特征的调整。经波束成形后的多路信号送到辐射单元中的相应辐射元件或者相应一列辐射元件。每个辐射元件或每列辐射元件产生独立的空间定向波束，经过干涉叠加使最终波束呈现很好的指向性。
为了形成所需的理想波束，从射频收发机到各个辐射元件或各列辐射元件的各个发送/接收通道需保证幅度相位特性的一致，才能使得实际得到的波束与预期通过波束成形网络的调整得到的波束吻合。而在实际设计中，由于射频模拟器件的复杂性和加工限制，很难保证多个发送/接收通道的特性完全相同。在未补偿通道差异性的情况下，智能天线的性能会极大恶化。因此，需要一种能够确定通道差异性以便对这种差异性进行补偿的校准装置。
现有的校准装置采集各个发送/接收通道上的信号的一部分能量，并将能量组合到一个校准端口输出。图1是图示校准装置20的基本结构和原理的示意图。图1中图示的校准装置20用于在天线阵列中具有八个辐射单元10的天线。每个辐射单元10可以包括一个辐射元件或者各个辐射元件的垂直布置的列。对于具有八个辐射单元10的天线，校准装置20可以包括八个信号输入端口11。每个信号输入端口11经由波束成形网络连接到相应的射频收发机(未示出)。在发射模式下，天线的每个射频收发机可以输出要被发送的RF信号的子分量。RF信号的子分量经由波束成形网络到达相应的输入端口11，由此被输入到校准装置20。在校准装置20处，该子分量通过相应的传输线13被传递到相应的输出端口12，并进入相应的辐射单元10。
为了采集从信号输入端口11到辐射单元10之间的传输线13上的信号的一部分，校准装置20可以包括八个定向耦合器22。每个定向耦合器22是一个四端口器件。校准装置20还包括级联功分器24以提供单个校准端口25。定向耦合器22和级联功分器24一起形成了辐射单元10到校准端口之间的校准网络。在例如用于发射通道的校准操作中，可以通过射频收发机发射校准测试信号。该校准测试信号传递经过波束成形网络，并在相应的输入端口11处被输入到校准装置20。校准测试信号的各个子分量的一小部分功率经由相应的定向耦合器22从其耦合端口23输出，并被传递到级联功分器24。对于具有八个辐射单元的天线，级联功分器24可以是3级级联Wilkinson功分器电路，以将耦合端口23输出的各耦合信号两两组合，并最终组合为复合校准测试信号。复合校准测试信号通过校准端口25从校准装置输出。校准端口25可以连接到校准收发机。校准收发机可以将复合测试信号与参考测试信号进行比较，由此能够检测各个发送通道的幅度/相位一致性。基于该比较，可以调整发射通道上各信号分量的幅度、相位和延迟特性，以补偿发送通道之间的幅度/相位差异，实现期望的波束图案。
在辐射单元数量较大时，现有的校准装置需要大量的耦合器和功分器，使得校准装置的尺寸往往较大，难以满足天线高度集成与小型化的要求。
此外，由耦合器和功分器组成的校准网络自身可能引入幅度/相位不一致的问题。当在校准端口观察到通道不一致时，无法定位差异的来源是射频收发机与辐射单元之间的波束成形和馈电网络，还是辐射单元到校准端口之间的校准网络。理想的是，校准网络中从各辐射单元到校准端口的校准通道完全一致。然而这一点在实际设计中往往难以保证。
另一方面，当天线阵列中的辐射单元被用于不同频段(两个或更多个频段)的业务时，需要对各个频段分别进行校准，因而有必要将单个校准端口扩展为多个校准端口，以分别进行不同频段的校准。
发明内容
本公开的目的之一是提供一种能够克服现有技术中至少一个缺陷的耦合装置、天线校准装置和天线装置。
根据本公开的一方面，提供了一种耦合装置。该耦合装置包括多个耦合器。每个耦合器包括传输主线和耦合副线。传输主线用于提供输入端和输出端。耦合副线用于与传输主线耦合以提供两个耦合端。该多个耦合器的耦合副线串联连接以提供第一耦合输出端口和第二耦合输出端口。至少一个耦合器的耦合副线的第一部分与相邻耦合器的耦合副线的第二部分存在共用的部分。
根据本公开的另一方面，提供一种天线校准装置。该天线校准装置包括第一功率分配部和耦合装置。该耦合装置包括多个耦合器。每个耦合器包括传输主线和耦合副线。传输主线用于提供输入端和输出端。耦合副线用于与传输主线耦合以提供两个耦合端。该多个耦合器的耦合副线串联连接以提供第一耦合输出端口和第二耦合输出端口。至少一个耦合器的耦合副线的第一部分与相邻耦合器的耦合副线的第二部分存在共用的部分。耦合装置通过第一耦合输出端口连接到第一功率分配部。第一功率分配部提供多个第一校准端口。
根据本公开的另一方面，提供一种天线校准装置。该天线校准装置包括多个定向耦合器和耦合装置。该耦合装置包括多个耦合器。每个耦合器包括传输主线和耦合副线。传输主线用于提供输入端和输出端。耦合副线用于与传输主线耦合以提供两个耦合端。该多个耦合器的耦合副线串联连接以提供第一耦合输出端口和第二耦合输出端口。至少一个耦合器的耦合副线的第一部分与相邻耦合器的耦合副线的第二部分存在共用的部分。至少一个耦合器的输入端连接到该多个定向耦合器中的相应定向耦合器的耦合端。
根据本公开的另一方面，提供了一种天线装置。该天线装置包括多个天线辐射元件、多个射频端口以及耦合在多个天线辐射元件和多个射频端口之间的耦合装置。该耦合装置包括多个耦合器。每个耦合器包括传输主线和耦合副线。传输主线用于提供输入端和输出端。耦合副线用于与传输主线耦合以提供两个耦合端。该多个耦合器的耦合副线串联连接以提供第一耦合输出端口和第二耦合输出端口。至少一个耦合器的耦合副线的第一部分与相邻耦合器的耦合副线的第二部分存在共用的部分。耦合装置的各耦合器的输入端连接到多个射频端口中的相应射频端口，各耦合器的输出端连接到多个天线辐射元件中的相应天线辐射元件。
根据本公开的另一方面，提供了一种天线装置。该天线装置包括多个天线辐射元件、多个射频端口、耦合在多个辐射单元和多个射频端口之间的多个定向耦合器以及耦合装置。多个辐射单元、多个射频端口以及多个定向耦合器一一对应。该耦合装置包括多个耦合器。每个耦合器包括传输主线和耦合副线。传输主线用于提供输入端和输出端。耦合副线用于与传输主线耦合以提供两个耦合端。该多个耦合器的耦合副线串联连接以提供第一耦合输出端口和第二耦合输出端口。至少一个耦合器的耦合副线的第一部分与相邻耦合器的耦合副线的第二部分存在共用的部分。多个定向耦合器的各定向耦合器的输入端连接到多个射频端口中的相应射频端口，各定向耦合器的输出端连接到多个辐射单元中的相应辐射单元，以及各定向耦合器的耦合端连接到耦合装置的相应耦合器的输入端。
根据本公开的又一方面，提供了一种耦合电路。耦合电路包括第一耦合装置。第一耦合装置包括传输线和两条耦合线。传输线具有第一端以接收信号。两条耦合线分别在传输线的两侧并与传输线耦合。每条耦合线的靠近传输线的第一端的一端提供信号的耦合分量。
附图说明
在结合附图阅读下文的具体实施方式后，将更好地理解本公开的多个方面，在附图中：
图1是图示现有技术的校准装置的基本结构和原理的示意图；
图2是包含根据本公开实施例的耦合装置的天线装置的结构示意图；
图3是根据本公开的实施例的耦合装置的结构示意图；
图4是图3的耦合装置上包括的一个耦合器的放大图；
图5是根据本公开的改进的实施例的校准装置的结构示意图；
图6是采用定向耦合器进行校准端口扩展的校准装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本公开，其中的附图示出了本公开的若干实施例。然而应当理解的是，本公开可以以多种不同的方式呈现出来，并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本公开的公开更为完整，并向本领域技术人员充分说明本公开的保护范围。还应当理解的是，本文公开的实施例能够以各种方式进行组合，从而提供更多额外的实施例。
应当理解的是，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。
应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本公开。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。
说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。说明书使用的用辞“在X和Y之间”和“在大约X和Y之间”应当解释为包括X和Y。本说明书使用的用辞“在大约X和Y之间”的意思是“在大约X和大约Y之间”，并且本说明书使用的用辞“从大约X至Y”的意思是“从大约X至大约Y”。
在说明书中，称一个元件位于另一元件“上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件上、附接至另一元件、连接至另一元件、联接至另一元件或接触另一元件，或者可以存在中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件或、或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。
在说明书中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。
本公开实施例提供一种用于天线的校准的耦合装置，该耦合装置能够通过多个耦合器的适当连接提供两个独立的耦合输出端口。与现有技术相比，该耦合装置不再需要多个单独的定向耦合器与级联功分器的组合的结构，从而降低了校准装置的尺寸，节省了成本。另外，两个独立的耦合输出端口能够用于消除由校准装置自身引入的通道差异性，从而更精确地检测出由发送/接收通道带来的幅度/相位不一致性问题。
现在参照图2，其中示出了包含根据本公开的实施例的耦合装置的天线装置200的结构示意图。如图2所示，天线装置200包括天线阵列210和用于对天线阵列210中的各个辐射元件进行发送和接收校准的校准装置220。
天线阵列210包括多个(例如n个)辐射单元。每个辐射单元210-1、210-2……210-n可以包括单个辐射元件或多个辐射元件(例如，辐射元件的列)。每个辐射元件进行电磁波信号和射频信号的转换，完成发射信号的辐射和接收信号的前端接收。在下文中，辐射单元210-1、210-2……210-n也可以被笼统地称为“辐射单元210”。
校准装置220包括多个信号输入端口211、与信号输入端口211一一对应的多个信号输出端口212以及连接在信号输入端口211和信号输出端口212之间的耦合装置230。耦合装置230包括能够彼此相互独立地提供输出的第一耦合输出端口225a和第二耦合输出端口225b。
耦合装置230可以提供双向操作。在发射时，射频信号(例如，来自波束成形网络或其它馈电网络)通过各个信号输入端口211进入耦合装置230，并经由相应的信号输出端口212传递到相应的辐射单元210。校准装置230采集在各个信号输入端口211和相应的信号输出端口212之间传输的射频信号的一部分能量。所采集的信号能量可以通过耦合装置230的第一耦合输出端口225a和第二耦合输出端口225b从校准装置220输出。为了在天线的正常使用过程中对天线性能进行监测，优选地，所采集的能量是所传输的信号的一小部分能量。反过来，在正常接收时，来自辐射单元210的射频信号可以经由信号输出端口212进入耦合装置230，并从信号输入端口211输出；在校准接收时，校准测试信号可以经由第一耦合输出端口225a或第二耦合输出端口225b进入耦合装置230，并从信号输入端口211输出。理想情况下，信号输出端口212和耦合输出端口225a、225b之间具有一定的隔离度。
一般地，天线装置200还可以包括波束成形网络240、射频收发机250、天线接口单元260。
天线接口单元260包括从基带单元(未示出)接收数字信号以及将数字化的接收信号提供给基带单元的处理器。基带单元可以是基站(未示出)的主控制系统的一部分。射频收发机250可以执行各种信号处理，包括但不限于数字处理、数模/模数转换、基带/中频/射频变换、低噪声放大、滤波。波束成形网络240可以包括移相器或馈电功率分配电路，用于对来自射频收发机的各路信号施加预定的增益和相位的调整，并馈送到相应的辐射单元210；或者从相应的辐射单元210接收信号并传送至相应的射频收发机250。
当天线装置200以发射模式操作时，天线接口单元260从基带单元接收要被发射的信号，将该信号分割成多个相同的子分量(例如，子分量的数目可以与辐射单元210的数目相等)，并向每个子分量施加预定的增益和相位，然后将各个子分量提供给相应的射频收发机250。信号的各个子分量在射频收发机250处被转换成模拟信号，然后经由波束成形网络到达对应的辐射单元210。从辐射单元210辐射的信号经干涉叠加以形成期望的波束图案。
当天线装置200以接收模式操作时，每个辐射单元210接收RF信号的不同子分量。RF信号的每个接收到的子分量被提供给对应的射频收发机250，并在该射频收发机250处被转换成数字子分量，然后被传递到天线接口单元260。天线接口单元260对接收到的数字子分量施加预定的增益和相位，并组合各数字子分量以形成接收图案。
天线装置200可以通过控制发送通道和接收通道上的增益和相移来执行复杂的波束操纵。例如，天线装置200可以通过改变波束成形网络240中的增益(经由功率分配电路)和相移(经由移相器)来电子地调整天线波束的波束宽度、波束形状和波束方向。
然而，各个发送通道和接收通道可能具有不一致的传输特性，使得即便期望的增益和相移被施加到各个通道上，所最终得到的波束图案也与预期不同。此外，在智能天线的操作过程中，各个发送通道和接收通道之间可能发生相对变化。因此，有必要对发送通道和接收通道之间的传输特性差异和变化进行检测、校准和补偿。
通过采集发送通道和接收通道上的信号的一部分进行检测和处理，校准装置220(主要地包括耦合装置230)可以用于校准和补偿各发送通道和接收通道之间的幅度/相位不一致性。在一些实施例中，天线装置200还可以包括校准收发机270。校准装置220的耦合输出端口225a和225b经由例如RF线缆耦合到校准收发机270。校准装置220和校准收发机270可以用于监视所有发送通道和接收通道的增益和相位的值(或相对值)，使得可以对其进行调整。校准装置220可以执行初始校准和在正常使用过程中的持续监测和调整。
为了校准发送通道，将校准测试信号从天线接口单元260发送到辐射单元210。在发送通道上发送的校准测试信号的功率的一部分经由耦合装置230被提取并被从耦合输出端口225a和225b输出到校准收发机270。校准收发机270执行与射频收发机250的操作类似的操作并测量复合校准测试信号。校准收发机270和/或天线接口单元260通过算法确定对各个发送通道上的信号的增益和相位的调整，并由天线接口单元260实现这种调整。用于校准的各种算法对于本领域技术人员来说是已知的，因此本文不再进一步描述这些算法。
为了校准接收通道，校准收发机270将测试信号发送到耦合输出端口225a和225b。校准测试信号的每个子分量的功率的一部分经由耦合装置230被传送到对应的接收通道，其中子分量由相应的射频收发机250处理并被提供给天线接口单元260。天线接口单元260从各个接收通道接收不同版本的校准测试信号，并使用适当的算法来改变在接收通道上接收到的信号的增益和相位，使得形成合适的波束图案。
图3是根据本公开的实施例的耦合装置300的结构示意图。图3的耦合装置300可以作为图2的耦合装置230的一种实现。耦合装置300包括多个耦合器。对于具有八个辐射单元的智能天线，图3中示出了与八个辐射单元一一对应的八个耦合器302-1、302-2…302-8。为简便，下文中耦合器302-1、302-2…302-8可以被笼统地称为“耦合器302”。在其它实施例中，耦合器的数量可以不限于八个。图4是图3的耦合装置300上包括的一个耦合器302的放大图。
如图4所示，耦合器302包括传输主线303和耦合副线305。传输主线303可以用于在波束成形网络和相应的辐射单元之间传输信号。对应于图2的信号输入端口211，传输主线303的输入端304a可以连接到波束成形网络。对应于图2的输出端212，传输主线303的输出端304b可以连接到与该耦合器对应的辐射单元。
耦合副线305包括与传输主线303进行耦合的两个耦合部分307a和307b。耦合部分307a和307b可以分布在传输主线303的两侧。耦合部分307a和307b与传输主线303可以是同轴线、矩形波导、圆波导、带状线、微带线和其它传输线中的任一种。耦合部分307a和307b与传输主线303之间的耦合可以通过各种已知的耦合技术来实现，包括且不限于：小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。优选地，耦合副线305与传输主线303采用窄边耦合的微带线，以使得校准装置的结构更紧凑，满足小型化要求。在耦合部分307a和307b与传输主线303构成的三线耦合结构中，304a是输入端，304b是输出端，耦合部分307a和307b上靠近输入端304a的306a和306b是耦合端，耦合部分307a和307b上靠近输出端304b的308a和308b是隔离端。耦合副线305的连接部分307c位于耦合部分307a和307b之间，即隔离端308a和308b之间。连接部分307c的形状没有特殊限制。优选地，连接部分307c的电长度被设计为使其阻抗满足三线耦合结构的阻抗匹配要求。这样，当信号从输入端304a输入时，信号的经耦合的分量，即耦合量，仅从耦合端306a和306b向外传输，而在隔离端308a和308b及其之间的连接部分307c上没有功率输出。
返回到图3，图3与图4中相同的附图标记指示相同的部件。首先，各个耦合器302-1至302-8的耦合副线305串联连接，以提供第一耦合输出端口325a和第二耦合输出端口325b(对应于图2中的225a和225b)。通过将多个耦合器302的耦合副线串联连接，耦合装置300能够具备这样的能力：当从任何一个耦合器302的输入端304a注入信号时，都能从两个耦合输出端口325a和325b获得注入信号的两份耦合量。这两份耦合量是注入信号经过两个不同的路径耦合传播得到的，彼此具有独立性。例如，当信号从耦合器302-5的输入端304a注入时，在耦合器302-5的耦合端306a和306b分别获得耦合量。接下来，按照耦合理论，在耦合端306a的耦合量的主要能量依次通过耦合器302-4、302-3、302-2和302-1的耦合副线到达耦合输出端口325a；在耦合端306b的耦合量的主要能量依次通过耦合器302-6、302-7和302-8的耦合副线到达耦合输出端口325b。
对于一个耦合器302而言，输入端304a到第一耦合输出端口325a的第一路径和到第二耦合输出端口325b的第二路径给其上传输的信号造成不同的幅度/相位改变。然而，对于所有耦合器302，第一路径的幅度/相位改变与第二路径的幅度/相位改变之和是固定的。例如，在图3中，该和近似等于六个耦合器的重叠的耦合副线的电长度带来的幅度/相位改变量。这样，对于连接至相应耦合器的各个发送通道，可以通过比较耦合输出端口325a和325b的和值之间的差异来确定发送通道之间的幅度/相位一致性。耦合装置300中的各个耦合器302无需保证电路结构上的完全一致，因为基于耦合输出端口325a和325b的两份耦合量，这种电路结构上的差异可以在校准算法中得以消除。根据本公开实施例的电路结构中信号传播的特性，本领域技术人员知晓如何对现有技术的校准算法作出修改。例如，可以将现有技术中直接比较来自各发送通道的校准端口输出信号之间的差异修改为比较来自各发送通道的耦合输出端口325a和325b的信号的和值。对于校准算法的其它细节在此不做赘述。
其次，至少一个耦合器302的耦合副线与相邻耦合器的耦合副线存在共用的部分。具体而言，至少一个耦合器的耦合副线的与传输主线进行耦合的两个耦合部分之一与相邻耦合器的耦合副线的位于两个耦合部分之间的连接部分存在共用的部分。如图3所示，耦合器302-1的耦合副线的耦合部分307b用作相邻耦合器302-2的连接部分317c的至少一部分。由于相邻耦合器的耦合副线依次串联连接，即需要依照307c、307b、317a、317c的顺序，当307b与317c存在共用的部分时，307c与317a也存在共用的部分。例如，图3中，耦合部分317a用作连接部分307c的一部分307c-1。由此，耦合器302-1的隔离端308a与耦合器302-2的耦合端316a相连，耦合器302-1的另一隔离端308b与耦合器302-2的隔离端318a相连，耦合器302-1的耦合端306b通过连接部分317c连接到耦合器302-2的隔离端318b。这样，相邻耦合器302-1和302-2呈现交错布置，即耦合器302-1的输入端304a与耦合器302-2的输入端314a彼此远离，而输出端304b和314b彼此靠近。
当信号从耦合器302-1的输入端注入时，在耦合端306a和306b处存在耦合量。在耦合端306a的耦合量可以从第一耦合输出端口325a输出。而在耦合端306b的耦合量的主要能量接着沿着耦合器302-2的耦合副线到达耦合器302-2的耦合端316b。当耦合器302-3至302-8以相同的方式对串联的耦合副线进行共用时，该耦合量的主要能量将经由耦合器302-3至302-8之间串联的耦合副线从耦合器302-8的耦合端输出，即到达第二耦合输出端口325b。
由于至少一个耦合器与相邻耦合器的耦合副线之间存在共用的部分，与使用各个单独的耦合器相比，从耦合器的输入端到耦合输出端口的路径缩短，减小了耦合输出端口相对于输入端的插入损耗；耦合器之间的布置更加紧凑，减小了耦合装置的尺寸。在仿真计算的一个具体示例中，与使用单独的耦合器相比，耦合装置300的尺寸减小了44％，耦合端口的插入损耗减小了1.6dB。此外，耦合装置300还能够具有改善的回波损耗特性和耦合平坦度。
应当认识到，虽然在图3中示出了每个耦合器302都与相邻耦合器共用部分耦合副线，但在其它实施例中，可以仅使一个耦合器与相邻耦合器共用部分耦合副线，而其它耦合器仍然保持耦合副线串联连接。这样的实施例也符合本发明的精神和实质，落入本发明的范围。
返回到图2，在一些实施例中，第一功率分配部231与第一耦合输出端口225a相连，以扩展出多个第一校准端口(例如，图2所示的校准端口232-1和232-2)。第一功率分配部231可以对第一耦合输出端口225a的信号功率进行均等划分和非均等划分。第一功率分配部231可以提供的第一校准端口数量不限于图2中示出的两个。第一功率分配部231可以利用以下任意一种技术实现：1分N的威尔金森型(Wilkinson)或其它类型的功分器、N选1开关阵列或者具有类似功能的电路或装置。为了减小第一校准端口相对于耦合装置230的输入端211的回波损耗，第一功率分配部231还可以包括功率衰减器。
在进一步的实施例中，第一功率分配部231可以包括频率解复用元件。该频率解复用元件对第一耦合输出端口225a的信号从频率上进行划分，以使得多个第一校准端口中的至少两个第一校准端口可以用于输出不同的频段的信号。例如，图2中的第一校准端口232-1和232-2可以分别对应不同的频段。频率解复用元件可以包括利用各种已知技术的滤波器。在一个具体示例中，来自第一耦合输出端口225a的信号可以先经过第一功率分配部中的功分器分成两条支路，其中至少一条支路上可以设置有用于不同频段的带通滤波器。对耦合装置输出的信号进行频率上的划分在天线阵列中的辐射单元分别用于不同频段的业务时是有益的。因为它可以防止耦合装置输出信号在经历后续信号处理时发生不同频段信号之间的相互干扰。为了保证在校准装置220中用于不同频段信号的校准通道的一致性，优选地，从第一耦合输出端口225a到用于不同频段的各第一校准端口的路径对其上传输的信号提供一致的幅度/相位特性。例如，在图2中校准端口232-1和232-2用于不同频段时，从225a到232-1的第一路径和从225a到232-2的第二路径具有镜像对称的电路排布。
在又一些实施例中，第二功率分配部233与第二耦合输出端口225b相连，以扩展出多个第二校准端口(例如，图2所示的校准端口234-1和234-2)。在一些示例中，第二功率分配部233可以与第一功率分配部231具有镜像对称的电路排布。在第一功率分配部231包括频率解复用元件时，第二功率分配部233也可以包括相同的频率解复用元件，以使得多个第二校准端口与多个第一校准端口一一对应。第一校准端口可以与对应的第二校准端口成对使用(例如，232-1与234-1成对使用)，以用于针对特定频段的接收/发送通道的校准。在另一些示例中，第二功率分配部233可以与第一功率分配部231不同。只要第一校准端口(例如232-1)和第二校准端口(例如234-1)用于相同的频段，它们就可以成对地用于相应接收/发送通道的校准。
在改进的实施例中，校准装置在耦合装置之外还可以包括多个定向耦合器。每个定向耦合器可以包括彼此耦合的传输线和耦合线。各个传输线可以是在用于连接到波束成形网络的相应射频端口与相应的辐射元件之间传输信号的馈电线。耦合线用于将馈电线上传输的信号的一部分能量耦合输出，并传递到根据本公开的实施例的、结合图2-4描述的耦合装置。
图5是根据本公开的改进的实施例的校准装置520的结构示意图。与图2类似，校准装置520连接到包括多个辐射单元的天线阵列510。天线阵列510的具体结构与图2的天线阵列210类似，在此不具体陈述。校准装置520包括耦合装置530和多个定向耦合器522。定向耦合器522是四端口器件，其包括传输线513和与传输线513进行耦合的耦合线。传输线513的两端分别为输入端和输出端，耦合线的靠近输入端的一端为耦合端523，相对一端为隔离端526。每个定向耦合器522可以通过作为输入端的信号输入端口511与波束成形网络相连，并通过作为输出端的信号输出端口512与相应的辐射单元510相连。信号输入端口511和相应的信号输出端口512之间的传输线513是在射频收发机和相应的辐射单元之间延伸的发射通道的部分。传输线513例如可以被实现为微带RF传输线，并且每个传输线513都可以是每个相应的射频收发机和与其相关联的辐射单元之间的之间电连接的部分。各个耦合端523连接到耦合装置530的输入端口(例如，连接到图3所示的各耦合器302的输入端304a)，用于传送通过每个发送通道发送的校准测试信号的一小部分能量。隔离端526连接到匹配负载。该匹配负载例如可以是50欧姆电阻。
与图2中的耦合输出端口225a和225b类似，耦合装置530提供第一耦合输出端口525a和第二耦合输出端口525b。耦合装置530可以采用以上结合图3和图4讨论的结构。耦合装置的各个输出端口531(例如，图3所示的各耦合器302的输出端304b)连接到匹配负载。该匹配负载例如也可以是50欧姆电阻。
当存在来自辐射单元510的反射信号时，由于定向耦合器522的输出端口512与耦合端523之间存在一定的隔离度，因此能够有效抑制反射信号进入耦合装置530并从耦合输出端口525a和525b输出。因此，与图2中校准装置220的耦合装置230直接连接在波束成形网络和辐射单元之间相比，图5的校准装置520能够使用定向耦合器吸收来自辐射单元的反射信号。此外，由于定向耦合器可以设置在最邻近辐射单元的位置，校准装置520能够在辐射单元的输入端口处对整个馈电网络进行校准，由此使得校准更加准确和有效。在仿真计算的一个具体示例中，与校准装置220相比，校准装置520的校准端口的耦合度精确度从±4.85dB提高到±2dB，相位精确度从±21°提高到±3°。
根据本公开的另一方面，作为采用Wilkinson功分器的替代，图2的第一功率分配部231和/或第二功率分配部233可以采用双定向耦合器来将耦合装置230的耦合输出端口225a和225b扩展为多个校准端口。在智能天线中的各个辐射单元用于两个或更多频段的业务时，扩展的多个校准端口可以用于对不同频段的校准。
图6是采用定向耦合器进行校准端口扩展的校准装置620的结构示意图。校准装置620包括与图2中耦合装置230类似的耦合装置630，其具有多个输入端口611、多个输出端口612和耦合输出端口625a和625b。耦合装置630可以采用以上结合图3和图4讨论的结构。校准装置620还包括功率分配部631，用于将耦合输出端口625a扩展成多个校准端口632-1和632-2。功率分配部631包括双定向耦合器635。双定向耦合器635包括连接到耦合输出端口625a的传输线和在传输线两侧与其耦合的两条耦合线，由此具备六个端口。传输线的直通端口637可以通过匹配负载端接到地，由此减少反射信号进入耦合装置630。该匹配负载例如可以是50欧姆电阻。在一些实施例中，两条耦合线上与端口637相邻的隔离端口636a和636b可以通过匹配负载端接到地，以避免反射信号的干扰。在一些实施例中，如图6所示，隔离端口636a和636b可以分别连接到各自的T型偏置电路。T型偏置电路的偏置信号端口638-1和638-2分别用于施加直流偏置信号。端口639a和639b可以经由匹配负载(例如，50欧姆电阻)端接到扇形线，以允许直流信号通过，而使高频信号等效接地。由此，当射频信号从端口625a输入，并且在偏置信号端口638-1施加直流偏置信号时，从耦合端口632-1将得到射频信号的耦合分量与直流偏置信号的组合信号。同样，可以从耦合端口632-1获得射频信号的耦合分量与经由偏置信号端口638-2施加的直流偏置信号的组合信号。
在采用Wilkinson功分器的情形中，校准端口632-1和632-2之间存在直接连接，对不同校准端口添加直流偏置可能会产生相互干扰。因而在实际中常常需要采用隔直器。相比之下，双定向耦合器635的使用可以防止不同校准端口之间的直流连接，以更低的成本获得比隔直器更好的性能。此外，双定向耦合器635比Wilkinson功分器能实现更好的回损，并且减小校准装置的尺寸。
将认识到，虽然图5中示出了功率分配电路631与根据本公开的实施例的提供两个独立耦合输出端口的耦合装置相连，在其它实施例中，功率分配电路631可以与现有技术的各种校准装置的校准端口相连，以用于校准端口数量的扩展。
虽然已经描述了本公开的示范实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，在本质上不脱离本公开的精神和范围的情况下能够对本公开的示范实施例进行多种变化和改变。因此，所有变化和改变均包含在权利要求所限定的本公开的保护范围内。本公开由附加的权利要求限定，并且这些权利要求的等同物也包含在内。

Claims (15)

1.一种耦合装置，包括：
多个耦合器，每个耦合器包括：
传输主线，用于提供输入端和输出端；以及
耦合副线，与所述传输主线耦合以提供两个耦合端，耦合副线包括分别在传输主线两侧分布的两个第一部分和连接在所述两个第一部分之间的第二部分；
其中，所述多个耦合器的耦合副线串联连接以提供第一耦合输出端口和第二耦合输出端口，
其中，所述多个耦合器中的至少一个耦合器的耦合副线的第一部分与所述多个耦合器中的相邻耦合器的耦合副线的第二部分存在第一共用的部分，
其中，所述至少一个耦合器的耦合副线的第二部分与所述相邻耦合器的耦合副线的第一部分存在第二共用的部分。
2.如权利要求1所述的耦合装置，其中，所述两个第一部分在传输主线两侧与传输主线平行耦合，第二部分包括平行于第一部分的区段，并且所述第一共用的部分是所述区段的至少一部分。
3.如权利要求1所述的耦合装置，其中所述第二部分的长度被设计为满足阻抗匹配要求。
4.如权利要求1所述的耦合装置，其中至少一个耦合器的输入端连接到相应的定向耦合器的耦合端。
5.如权利要求4所述的耦合装置，其中所述至少一个耦合器的输出端连接到匹配负载。
6.如权利要求4所述的耦合装置，其中所述相应的定向耦合器的输出端连接到匹配负载。
7.一种天线校准装置，包括：
第一功率分配部；和
如权利要求1-6任一所述的耦合装置，
其中，所述耦合装置通过第一耦合输出端口连接到所述第一功率分配部，所述第一功率分配部提供多个第一校准端口。
8.如权利要求7所述的天线校准装置，还包括第二功率分配部，其中所述耦合装置通过第二耦合输出端口连接到所述第二功率分配部，所述第二功率分配部提供多个第二校准端口。
9.如权利要求7所述的天线校准装置，其中第一功率分配部包括频率解复用元件，以使得所述多个第一校准端口中的至少两个第一校准端口用于不同的频段。
10.如权利要求9所述的天线校准装置，其中各个第一校准端口相对于第一耦合输出端口的路径提供一致的幅度相位特性。
11.一种天线校准装置，包括：
多个定向耦合器；和
如权利要求1-3任一所述的耦合装置，
其中，所述耦合装置的至少一个耦合器的输入端连接到所述多个定向耦合器中的相应定向耦合器的耦合端。
12.如权利要求11所述的天线校准装置，其中所述至少一个耦合器的输出端连接到匹配负载。
13.如权利要求11所述的天线校准装置，其中，所述相应定向耦合器的输出端连接到匹配负载。
14.一种天线装置，包括：
多个辐射单元；
多个射频端口；以及
耦合在所述多个辐射单元和所述多个射频端口之间的如权利要求1-3任一所述的耦合装置，
其中所述耦合装置的各耦合器的输入端连接到所述多个射频端口中的相应射频端口，各耦合器的输出端连接到所述多个辐射单元中的相应辐射单元。
15.一种天线装置，包括：
多个辐射单元；
多个射频端口；
耦合在所述多个辐射单元和所述多个射频端口之间的多个定向耦合器，所述多个辐射单元、所述多个射频端口以及所述多个定向耦合器一一对应；以及
如权利要求1-3任一所述的耦合装置，
其中所述多个定向耦合器的各定向耦合器的输入端连接到所述多个射频端口中的相应射频端口，各定向耦合器的输出端连接到所述多个辐射单元中的相应辐射单元，以及
各定向耦合器的耦合端连接到所述耦合装置的相应耦合器的输入端。
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