CN110710054A - 具有切换的仰角波束宽度的相控阵天线及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种相控阵天线，包括第一收发器、以第一线性阵列布置的多个第一辐射元件、电插入在第一辐射元件和第一收发器之间的第一馈电网络以及沿着第一馈电网络耦合的第一开关，其中第一开关的状态是可选择的，以调节电连接到第一收发器的第一辐射元件的数量。

Description

具有切换的仰角波束宽度的相控阵天线及相关方法
相关申请交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2017年5月15日提交的序列号为62/506,100的美国临时专利申请和于2017年6月21日提交的序列号为62/522,859的美国临时专利申请的优先权，这些申请中的每个的全部内容通过引用结合于此，如同在此充分阐述的一样。
背景技术
本发明一般涉及无线电通信，更具体地说，涉及用于无线通信系统的相控阵天线。
蜂窝通信系统在本领域是众所周知的。在蜂窝通信系统中，地理区域被划分成一系列被称为“小区”的区域，这些区域由相应的基站服务。基站可以包括一个或多个基站天线，其被配置为提供与基站所服务的小区内的移动订户(本文也称为“用户”)的双向射频(“RF”)通信。传统上，基站通常被划分为“扇区”，每个扇区都由一个或多个基站天线提供服务，该一个或多个基站天线生成大小被确定为在整个扇区提供服务的辐射图或“天线波束”。每个基站天线通常都包括一列或多列垂直设置的辐射元件，其中每列辐射元件形成相应的天线波束。每个辐射元件可以被设计成在方位角平面(即，当安装基站天线以供使用时，平行于由地平线定义的平面的平面)中具有期望的半功率波束宽度，使得由该列辐射元件生成的天线波束将覆盖整个扇区。通常提供一列辐射元件，以便缩小仰角平面中天线波束的波束宽度，从而增大整个扇区的天线增益，并减少对相邻小区的干扰。
对于许多第五代(5G)蜂窝通信系统，正在考虑全二维波束控制。这些5G蜂窝通信系统是时分复用系统，其中不同的用户或用户组可以在不同的时隙期间被服务。例如，每10毫秒周期(或某种其它小的时间段)可以表示一个“帧”，该“帧”被进一步划分成几十个或数百个单个时隙。每个用户可以被指派一个或多个时隙，并且基站可以被配置为在每个帧的用户的单个时隙期间与不同用户进行通信。利用全二维波束控制，基站天线可以逐个时隙地生成小的、高度聚焦的天线波束。这些高度聚焦的天线波束通常被称为“笔形波束”，基站天线调整或“控制”笔形波束，使得它在每个相应的时隙指向不同用户。笔形波束可以具有非常高的增益并减少对相邻小区的干扰，因此它们可以提供显著增强的性能。
为了生成在方位角平面和仰角平面两者都变窄的笔形波束，通常有必要提供具有二维阵列的基站天线，该二维阵列包括具有全相位分布控制的多行和多列辐射元件。基站天线可以是有源天线，有源天线对于平面阵列中的每个辐射元件(或者在某些情况下对于辐射元件的单个子组)具有分开的收发器(无线电)，以提供全相位分布控制(即收发器可以以协调的方式在任何给定时隙期间发射相同的RF信号，由不同收发器输出的RF信号的子分量的振幅和/或相位被操纵以生成定向笔形波束辐射模式)。虽然这种技术可以提供非常高的吞吐量，但是平面阵列天线和大量单个收发器的提供可能会给基站增加相当大的成本和复杂性。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了操作包括至少第一列辐射元件的相控阵天线的方法。根据这些方法，可以通过第一列辐射元件中的所有辐射元件向第一用户发送第一RF信号。可以通过第一列辐射元件中的辐射元件的第一子集向第二用户发送第二RF信号，第一子集包括少于第一列辐射元件中的所有辐射元件的辐射元件。第一用户可以在距相控阵天线第一距离处，第二用户可以在距相控阵天线小于第一距离的第二距离处。
在一些实施例中，可以沿着第一列辐射元件提供开关，该开关可配置为选择性地将第一列辐射元件中的辐射元件的第二子集与第一RF信号和第二RF信号的源隔离。开关可以包括例如PIN二极管。第一RF信号和第二RF信号的源可以是收发器，收发器经由传输线耦合到第一列辐射元件中的辐射元件的第一子集，并且通过开关选择性地耦合到第一列辐射元件中的辐射元件的第二子集。该开关可以位于距辐射元件的第一子集中离收发器最远的辐射元件连接到传输线的结点大约[0.25+(n*0.5)]λ的电距离处，其中n是具有0或更大值的整数，λ是对应于相控阵天线的工作频带的中心频率的波长。
在包括开关的实施例中，在通过第一列辐射元件中的所有辐射元件向第一用户发送第一RF信号之后，并且在通过第一列辐射元件中的辐射元件的第一子集向第二用户发送第二RF信号之前，可以向开关发送控制信号以改变开关的状态。在一些实施例中，控制信号可以是直流控制信号。
在一些实施例中，当开关处于第一状态时，相控阵天线的辐射图可以具有第一仰角波束宽度，而当开关处于第二状态时，相控阵天线的辐射图可以具有不同的第二仰角波束宽度。开关可以是第一开关，相控阵天线可以包括沿着第一列辐射元件提供的第二开关。在这样的实施例中，当第一开关处于第一状态并且第二开关处于第一状态时，相控阵天线的辐射图可以具有第三仰角波束宽度，其中第三仰角波束宽度不同于第一仰角波束宽度和第二仰角波束宽度两者。在一些实施例中，第一开关可以沿着第一列辐射元件在第一列辐射元件中的第一对相邻辐射元件之间提供，并且第二开关可以沿着第一列辐射元件在第一列辐射元件中的第二对相邻辐射元件之间提供，第二对相邻辐射元件包括不是第一对相邻辐射元件的一部分的至少一个辐射元件。在其他实施例中，第一开关和第二开关两者可以沿着第一列辐射元件在第一列辐射元件中的第一对相邻辐射元件之间提供。
在一些实施例中，相控阵天线可以进一步包括第二列辐射元件。在这样的实施例中，可以通过第二列辐射元件中的所有辐射元件向第一用户发送第三RF信号，可以通过第二列辐射元件中的辐射元件的第一子集向第二用户发送第四RF信号，第一子集包括少于第二列辐射元件中的所有辐射元件的辐射元件。第一RF信号和第三RF信号可以同时传输，第二RF信号和第四RF信号可以同时传输。在这样的实施例中，沿着第二列辐射元件提供第二开关，第二开关可配置为选择性地将第二列辐射元件中的辐射元件的第二子集与第三RF信号和第四RF信号的源隔离。
根据本发明的进一步实施例，提供了相控阵天线，相控阵天线包括第一收发器、多个第一辐射元件、电插入在第一辐射元件和第一收发器之间的第一馈电网络以及沿着第一馈电网络耦合的第一开关。第一开关的状态是可选择的，以调节电连接到第一收发器的第一辐射元件的数量。
在一些实施例中，第一辐射元件可以布置在第一线性阵列中，并且当第一开关处于第一状态时，第一线性阵列的辐射图可以具有第一仰角波束宽度，而当第一开关处于第二状态时，可以具有不同的第二仰角波束宽度。
在一些实施例中，第一开关可以是耦合在第一馈电网络的传输线段和参考电压之间的PIN二极管。PIN二极管可以位于距第一辐射元件之一连接到传输线段的结点大约[0.25+(n*0.5)]λ的电距离处，其中n是具有0或更大值的整数，λ是对应于相控阵天线的工作频带的中心频率的波长。
在一些实施例中，天线可以进一步包括开关控制网络，开关控制网络被配置为向第一开关提供控制信号。控制信号可以是直流控制信号。
在一些实施例中，天线可以进一步包括沿着第一馈电网络耦合的第二开关。当第一开关处于第一状态并且第二开关处于第一状态时，第一列辐射元件的辐射图可以具有第三仰角波束宽度，第三仰角波束宽度不同于第一仰角波束宽度和第二仰角波束宽度两者。第一开关可以沿着第一线性阵列在第一对相邻辐射元件之间提供，第二开关可以沿着第一线性阵列在第二对相邻辐射元件之间提供，第二对相邻辐射元件包括不是第一对相邻辐射元件的一部分的至少一个辐射元件。在其他实施例中，第一开关和第二开关两者可以沿着第一线性阵列在第一对相邻辐射元件之间提供。
在一些实施例中，相控阵天线还可以包括多个附加收发器、辐射元件的多个附加线性阵列、电插入在附加线性阵列和附加收发器中的相应附加收发器之间的多个附加馈电网络以及沿着相应附加馈电网络耦合的多个附加开关。在这样的实施例中，每个附加开关的状态可以是可选择的，以调节电连接到附加收发器的相应附加收发器的相应附加线性阵列中的辐射元件的数量。
根据本发明的更进一步的实施例，提供了操作相控阵天线的方法，所述相控阵天线具有布置在具有多行和多列的二维阵列中的多个辐射元件，其中通过对由多个收发器中的相应收发器提供给相应列中的辐射元件的RF信号进行相位加权，逐个时隙地选择由相控阵天线生成的天线波束的方位角指向方向。通过使用开关来选择每列中的电连接到相应收发器的辐射元件的数量，也来逐个时隙地选择天线波束的仰角波束宽度。天线波束的仰角指向方向也可以逐个时隙地选择。
根据本发明的更进一步的实施例，提供了相控阵天线，相控阵天线包括第一收发器、电连接到第一收发器的第一多个辐射元件以及被配置为选择性地连接到第一收发器的第二多个辐射元件。当第二多个辐射元件连接到第一收发器时，相控阵天线具有第一仰角波束宽度，并且当第二多个辐射元件与第一收发器断开时，相控阵天线具有大于第一仰角波束宽度的第二仰角波束宽度。
附图说明
图1是图示仰角平面中可能需要波束控制的原因的示意图。
图2是图示可以如何通过使用具有宽仰角波束宽度的天线来消除仰角波束控制的需要的示意图。
图3是图示如何使用根据本发明实施例的切换的仰角波束宽度来代替仰角波束控制的示意图。
图4是将所需天线增益示出为用户距天线的仰角视轴角的位置的函数的曲线图，其中所需天线增益被归一化为在距基站200米的距离处提供可靠通信所需的有效各向同性辐射功率。
图5是图4的曲线图，示出了对于天线的三种不同配置，根据本发明实施例的天线的增益作为叠加在其上的仰角波束宽度的函数。
图6是根据本发明实施例的具有可切换的仰角波束宽度的相控阵天线的示意框图。
图7是图6天线的一列辐射元件的示意图，示出使用PIN二极管的一个开关的实现方式。
图8是根据本发明进一步实施例的相控阵天线的一列辐射元件的示意图。
图9是根据本发明的进一步实施例的相控阵天线的一列辐射元件的示意图。
图10是图9的相控阵天线的修改实施例的示意图。
图11-图13分别是图6、图8和图9的相控阵天线的修改版本的辐射元件的代表性列的示意图。
图14是根据本发明实施例的相控阵天线的一列的一部分的示意图，该部分在一对相邻辐射元件之间具有延伸的传输线段。
图15是根据本发明实施例的相控阵天线的列的示意图，示出开关控制网络的示例实现方式。
图16是根据本发明进一步实施例的相控阵天线的一列辐射元件的示意图，该天线具有三个可选的仰角波束宽度。
图17是根据本发明某些实施例的操作相控阵天线的方法的流程图。
图18是根据本发明的进一步实施例的相控阵天线的一列辐射元件的示意图。
图19是图示可以如何使用一对PIN二极管来降低RF泄漏电流的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例针对相控阵天线，这种相控阵天线使用仰角波束宽度调整来提供自适应波束控制能力，其复杂度明显低于全二维波束控制自适应天线。具体而言，根据本发明实施例的相控阵天线可以包括一个或多个开关，用于调整相控阵天线的每列中在任何给定时隙期间“活动”(即用于发送和/或接收RF信号)的辐射元件的数量。当所有辐射元件都活动时，相控阵天线可以生成具有窄仰角波束宽度的天线波束。通过将每列中的一些辐射元件从阵列中断开，可以增大仰角波束宽度。根据本发明实施例的相控阵天线可以用作例如5G蜂窝通信系统的基站天线。
如将在此更详细讨论的，在某些情况下，通过辐射元件接入相控阵天线中和从相控阵天线中断开来调整仰角波束宽度可以提供与二维全波束控制自适应天线所提供的性能几乎一样好的性能，同时复杂性却低得多。例如，具有八行和八列辐射元件的二维全波束控制自适应天线通常将具有六十四个收发器，即阵列中每个辐射元件一个收发器。相比之下，根据本发明实施例的包括八行和八列辐射元件的切换的仰角波束宽度相控阵天线可以仅用八个收发器(每列一个收发器)来实现，从而将所需收发器的数量减少了87.5％。
使用窄笔形波束的自适应天线波束控制可以具有许多优点，包括(1)提供增大的天线增益，(2)降低天线在相邻扇区或小区中生成的干扰量，以及(3)提供在天线覆盖区域内的广泛距离和高度范围向用户提供服务的能力。提供这些能力是因为笔形波束通常可以通过调整通过相应辐射元件发送的RF信号的子分量的振幅和/或相位来“控制”，从而形成指向期望方向的聚焦的高增益辐射图。使用在仰角平面中不具有波束控制能力的传统天线，可能更难提供能够在整个广泛距离和高度范围内提供足够增益的天线辐射图。图1图示为什么会出现这种困难的示意图。
如图1所示，基站天线20可以安装在塔或其他结构10上。图1中示出了位于由基站天线20服务的小区扇区内的两个示例办公楼30、40。第一办公楼30位于离基站天线20 40米处，而第二办公楼40位于离基站天线20 200米处。如图1所示，10°-12°的仰角波束宽度在200米或更大范围的广泛高度范围为用户提供覆盖(或“照亮”(“illuminate”))，而不需要仰角波束控制。然而，在例如小于50米的更近范围，相同的仰角波束宽度将需要仰角波束控制，以便在相同的高度范围“照亮”用户。特别地，具有12°仰角波束宽度、在200米或更大范围为整个建筑物40提供覆盖的天线波束，将仅为建筑物30的中间部分提供覆盖。
为了避免仰角波束控制的额外成本和复杂性，基站天线20可以被设计成具有宽仰角波束宽度，如图2所示。大约53°的仰角波束宽度可以潜在地在预期的高度范围为附近的订户提供适当的仰角覆盖，而无需利用仰角波束控制能力。扩展仰角波束宽度以在近距离范围所需的订户高度的广泛范围内提供覆盖的缺点是天线增益随着仰角波束宽度的增大而显著降低。这又降低了对远距离用户的有效各向同性辐射功率(EIRP)，从而降低了无线链路的覆盖范围或降低了对远距离用户的性能。
根据本发明的实施例，提供了具有仰角波束宽度的基站天线，该仰角波束宽度可以根据订户离基站的范围在两个或多个状态之间切换。对于远距离用户，天线波束将被设置为具有窄仰角波束宽度，以提供高增益和/或减少对相邻小区的干扰。例如，参考图3，可以看出，如果天线50生成具有12°仰角波束宽度的天线波束B，它可以很好地照亮200米或更远距离处的用户。为了与附近用户进行通信，天线50的仰角波束宽度可以被切换为具有例如40°-50°的宽仰角波束宽度，这允许天线50在广泛高度范围照亮附近用户，而不使用仰角波束控制。当天线50被配置为具有宽仰角波束宽度时，天线50的峰值增益将相对于窄波束宽度条件下提供的峰值增益降低。然而，由于宽仰角波束宽度状态可以仅用于服务位于很接近天线50的用户，尽管EIRP较低，但是可以向这些用户提供可靠通信。根据本发明的实施例，天线50可以被配置为根据需要提供两个、三个或任意数量的仰角波束宽度状态，以平衡对于分布在离天线50的广泛高度和距离范围内的用户来说所需的仰角波束宽度和所需的EIRP。使用上述切换的仰角波束宽度技术，可以在广泛距离和订户高度范围内提供可靠的覆盖，而不需要使用仰角波束控制以及实现这种仰角波束控制所需的额外复杂度。
还提供了操作相控阵天线的方法。在一个示例方法中，相控阵天线具有多个辐射元件，这些辐射元件以行和列的形式排列，以形成辐射元件的二维阵列。通过对由多个收发器中的相应收发器提供给相应列中的辐射元件的RF信号进行相位加权，可以逐个时隙地选择由相控阵天线生成的天线波束的方位角指向方向。同样，通过对由多个收发器中的相应收发器提供给相应列中的辐射元件的RF信号进行相位加权，可以逐个时隙地选择由相控阵天线生成的天线波束的仰角指向方向。同时，通过使用开关来选择每列中的电连接到相应收发器的辐射元件的数量，也可以逐个时隙地选择天线波束的仰角波束宽度。
现在将参考图4-图15更详细地描述本发明的实施例。
为了与位于例如离基站天线50 200米或更远的用户进行通信，EIRP必须被设置在足以在用户的设备(例如，蜂窝电话)上的接收器处提供可接受的信噪比的水平。所需的EIRP通常通过使用高方向性笔形波束提供高天线增益来实现，然后由基站发射的RF信号的发射功率被适当地缩放，以向用户提供适当的EIRP(发射功率被缩放，因为过高的EIRP值可能是不希望的，因为高功率信号可能提供很少的性能改善，并被视为对其他无线通信链路的干扰)。
为了与位于很接近基站天线50(例如，在15至30米内)的用户进行通信，EIRP要求明显低于200米或更远处所要求的EIRP，因为发射信号的自由空间损耗随着距离的增大呈指数增大，因此对于很接近基站天线50的用户来说要低得多。因为EIRP要求较低，所以可以使仰角波束宽度更宽，并且仍然可以容忍由此导致的天线增益的降低(即仍然可以实现所要求的最小EIRP水平)。
向用户提供可接受的服务水平所要求的最小EIRP是用户离基站天线的距离或“范围”的函数，因为自由空间损耗是距离的函数。如上参考图1-图2所示，用天线波束照亮用户所必要的仰角波束宽度也是范围的函数，随着范围减小，需要更大的仰角波束宽度。图4是将所需天线增益示出为用户离天线的仰角视轴角的位置的函数的曲线图，其中所需天线增益被归一化为在200米距离处提供可靠通信所要求的EIRP。
参考图4，示出了两种不同的场景。在曲线图右侧的曲线52所示的第一种场景下，假设相控阵天线位于参考海拔(例如海平面)以上三米的高度，并且用户位于参考海拔以上九米的高度。曲线52涵盖距离基站天线15米至200米范围的用户。如图4中曲线52的一端所示，当用户在距基站天线200米的距离处时，用户在距天线波束的视轴仰角约为2.5°的仰角处。如曲线52的另一端可见，当用户在距基站天线15米的距离处时，用户在距天线波束的视轴仰角约为22°的仰角处。曲线52还示出在这两个距离/距视轴仰角的仰角下实现可比性能所需的天线增益从200米处的大约22dBi下降到15米处的大约-8dBi，或者相差大约30dB。图4左侧的曲线54针对假设基站天线在参考海拔十米以上的高度处而用户在参考海拔一米以上的高度处的情况，绘制相同数据。
如下所示，对图4的分析得出的结论是，虽然可能没有必要提供仰角波束控制，但是仍然有必要在仰角平面中提供一定水平的波束宽度控制，以满足相对远离基站天线的用户的高方向性要求和接近基站天线的用户的宽波束宽度要求。
根据本发明的实施例，提供了相控阵天线，相控阵天线包括至少一列辐射元件(即垂直设置的线性阵列)。提供了一个或多个收发器，每个收发器都耦合到辐射元件列中的相应一列(而不是像对波束控制天线通常所做的那样为每个辐射元件提供收发器)。使用一个或多个可以嵌入在相控阵天线中的开关以控制每列中连接到该列的收发器的辐射元件的数量，来控制仰角波束宽度(以及因此控制方向性)，从而有效地控制相控阵天线的长度。由于仰角波束宽度是该列辐射元件的长度(即每个线性阵列中顶部和底部辐射元件之间的距离)的函数，根据本发明实施例的相控阵天线可以生成具有不同仰角波束宽度的天线波束。
在一个示例实施例中，相控阵天线可以包括64个辐射元件，这些辐射元件被布置在二维阵列中，该二维阵列具有八列垂直设置的辐射元件和八行水平设置的辐射元件。辐射元件可以以相对于辐射信号的波长的适当的间隔隔开(通常相邻辐射元件在垂直方向上间隔约0.5至0.65个波长，在水平方向上间隔至少0.5个波长，尽管其他间隔也是可能的)。每列中的八个辐射元件可以通过馈电网络连接到八个收发器中的相应收发器(即每列辐射元件都可以由单个收发器馈电)。通过将每列中的八个辐射元件中的一些从线性阵列中断开(即通过有效地将每列中的辐射元件的子集与其相关联的收发器断开)，可以调整天线的仰角波束宽度。例如，当所有八行辐射元件被接入到阵列中时，天线可以提供大约10度的相对窄的波束宽度。通过将三行辐射元件(即顶部三行或底部三行)从阵列中断开，波束宽度被加宽到大约20度。通过将五行辐射元件从阵列中断开(使得只有三行辐射元件活动)，波束宽度进一步加宽到大约30度。
图5是图4的曲线图的再现，其进一步针对天线的三种不同切换状态的上述六十四个辐射元件相控阵天线，将天线增益示出为离视轴的仰角的函数，该三种不同切换状态即阵列中所有八行辐射元件都活动的第一状态(曲线60)，阵列中八行辐射元件中的五行辐射元件活动的第二状态(曲线70)和阵列中八行辐射元件中只有三行辐射元件活动的第三状态(曲线80)。从图5中可以看出，对于10°(-5°至5°)或更小的仰角波束宽度，天线在第一状态下(当所有六十四个辐射元件都活动时)提供最高增益。对于-30°至-7°和7°至30°的仰角波束宽度，天线在第三状态(只有二十四个活动辐射元件)下提供最高增益。对于从-7°到-5°和从5°到7°的仰角波束宽度，天线在第二状态(四十个活动辐射元件)下提供最高增益。然而，从图5中还可以看出，通过使用第一状态或第三状态，可以满足位于接近和远离基站天线的不同高度处的用户的天线增益要求，并且通过使用第二状态提供的增益的增大非常小(从0-2dBi)。因此，具有可在两种状态之间切换的仰角波束宽度的相控阵天线可以向位于距天线各种距离和高度处的用户提供高天线增益。
图6是根据本发明实施例的具有可切换的仰角波束宽度的相控阵天线100的示意框图。如图6所示，天线100包括六十四个辐射元件110，它们以二维阵列排列，该二维阵列具有八列112-1至112-8和八行114-1至114-8，使得在每列112和每行114中包括八个辐射元件110-1至110-8。虽然该示例被示为具有八列且每列八个辐射元件，但是本文公开的技术可以应用于具有任意数量的行和/或列以及大于一个的任意数量的辐射元件的相控阵天线。天线100是具有八个收发器120-1至120-8的有源天线，为每个相应列112提供一个收发器120。还提供了八个馈电网络130。每个馈电网络130都将相应一个收发器120连接到由收发器120馈电的列112中的辐射元件110。天线100还包括八个开关140，为每列112提供一个开关140。每个开关140可以沿着其相应列112放置在相同位置处，即在每列112的相同的两个辐射元件110之间。在所示实施例中，每个开关140都位于每列112中的辐射元件110-3和110-4之间。最后，相控阵天线100可以包括可以用于设置每个开关140的位置的开关控制网络150。虽然图6所示的示例是使用相控阵的矩形网格结构来图示的，但是本发明的实施例也包括具有三角形网格、不规则间隔网格或其他网格结构的相控阵天线。虽然图6所示的示例是使用矩形阵列来图示的，其中每列都具有相同数量的阵列元件，但是本发明的实施例还包括具有其他阵列形状(诸如圆形、三角形或其他多边形)的相控阵天线，其中每列中的元件数量不相等。
相控阵天线100可以包括例如基站天线。辐射元件110可以包括任何合适的辐射元件，诸如例如偶极或贴片辐射元件。虽然本文对示例实施例的描述主要集中在贴片和偶极辐射元件上，但是应当理解，在其他实施例中，辐射元件可以是任何合适的辐射元件，包括单极、电介质、蝴蝶结、凹口、锥形凹口、维瓦尔第、波导或任何其他类型的辐射元件。辐射元件110可以发射和接收具有第一偏振的信号，或者可以包括以两个正交偏振发射和接收信号的交叉偏振辐射元件。最典型地，辐射元件110可以是交叉偏振辐射元件。然而，为了便于描述，下面的讨论将描述单偏振实现方式，这也可以被视为对包括交叉偏振辐射元件110的天线的一半的描述。因此，应当理解，下面的讨论完全支持具有单偏振辐射元件或交叉偏振辐射元件的天线100，这两者都落在本发明的范围内。
辐射元件110可以安装在平面底板(未示出)上，诸如例如由金属片形成的反射接地面。然而，应当理解，在一些实施例中，辐射元件110可以是三维布置。例如，如果天线包括圆柱形RF透镜或一个或多个球形RF透镜，则辐射元件110可以布置成行和列，这些行和列沿着RF透镜的圆周弯曲。
收发器120可以包括生成RF信号的任何合适的收发器。
在所描绘的实施例中，每个馈电网络130包括线性馈电网络。在一些实施例中，每个线性馈电网络130可以相同。线性馈电网络130可以每个包括RF传输线132，诸如例如微带或带状线传输线。相应列112中的八个辐射元件110可以沿着传输线132连接。从收发器120输入到传输线132之一的馈送给传输线130的RF信号可以沿着传输线132行进，RF信号的相应部分或“子分量”馈送到连接到传输线132的八个辐射元件110中的每个辐射元件。每个辐射元件110都可以将相应子分量辐射到自由空间中。传输线132的阻抗可以沿着传输线132的长度变化，以便控制馈送到每个辐射元件110的RF信号的子分量的相应幅度。例如，在一些实施例中，沿着传输线132的阻抗可以变化，使得每个辐射元件110接收相同量的信号能量。在其他实施例中，每列112中心中的辐射元件110可以接收比列112两端上的辐射元件110更多的RF能量。其他布置也是可能的。
辐射元件110可以沿着列方向彼此物理间隔开例如0.5至0.65之间的波长，其中波长对应于辐射元件110的工作频带的中心频率。然而，相邻辐射元件110连接到传输线132的位置可以大约是一个波长。换句话说，在一些实施例中，相邻辐射元件110之间的每条传输线132的段的电长度可以是一个波长，并且可以长于相邻辐射元件之间的物理间隔。该间隔允许所有辐射元件110被同相激励，导致天线波束从天线100垂直延伸。在其他实施例中，在相邻辐射元件110之间延伸的传输线132的每段的电长度可以大于或小于一个波长，以便向天线波束的仰角图提供固定的倾斜。
在一些实施例中，每个开关140可以使用例如PIN二极管142(见图7)来实现，该PIN二极管的一端连接到传输线132，另一端接地(或另一参考电压)。图7是示出相控阵天线100的列112之一的示意图。图7还包括(在右侧)示出PIN二极管142和传输线132之间的连接的放大图。如图7所示，PIN二极管142的阳极端子连接到传输线132，并且PIN二极管142的阴极端子接地(或另一参考电压)。阳极可以在距离沿着传输线132的在PIN二极管142之前的最后一个辐射元件110连接到射频传输线132的那一点D＝[0.25+(n*0.5)]λ的距离处连接到传输线132，如图7所示。在上述等式中，λ是对应于辐射元件110被设计为工作的频带的中心频率的波长，n是具有零值或更大值的整数。
通过将到每个PIN二极管142的连接定位在沿着传输线132的距辐射元件110的位置(最靠近PIN二极管142并在收发器130和PIN二极管142之间)大约0.25λ、0.75λ、或者[0.25+(n*0.5)]λ的任何间隔，当PIN二极管142(正向偏置)导通时，PIN二极管142将作为接地的分流器工作。这样，当PIN二极管142被正向偏置(即导通)时，将在对应于收发器130和PIN二极管142之间最靠近PIN二极管142的最近辐射元件110的馈线结点处实现开路，因此只有收发器120和PIN二极管142之间的辐射元件110将接收由收发器120输出的RF信号并将其辐射到传输线132上。当PIN二极管142未偏置或反向偏置(即不导通)时，PIN二极管142沿着传输线132在很大程度上看起来透明，然后RF能量传递到随后的辐射元件110。换句话说，如果PIN二极管142未偏置或反向偏置，则RF信号被馈送到列112中的所有八个辐射元件110，而如果PIN二极管被正向偏置，则RF能量仅被馈送到收发器120和PIN二极管142之间的辐射元件110。当相对于PIN二极管142的阴极向PIN二极管142的阳极施加正DC电压时，PIN二极管142被正向偏置，而当相对于其阴极向其阳极施加负DC电压时，PIN二极管142被负向偏置。在实践中，PIN二极管142仅提供有限的隔离量，因此一些剩余的RF电流可能会从PIN二极管142中泄漏，从而被已经从相控阵天线断开的辐射元件110辐射。这可能会导致天线辐射图发生不希望的变化。如图19所示，在一些实施例中，可以使用从传输线132的任一侧延伸的一对PIN二极管142-1、142-2(并且两者在距离D处连接到传输线)来代替单个PIN二极管142，以便当天线处于其宽波束宽度状态时减少RF泄漏电流。
虽然本文描述的本发明的各种实施例使用PIN二极管142来实现开关140，但是应当理解，也可以使用其他类型的开关140。例如，在本领域中已知各种各样的半导体开关，它们可以适合用作开关140，包括例如功率MOSFET或功率双极结型晶体管，诸如氮化镓基、绝缘体上硅(SOI)基或碳化硅基晶体管开关。此外，还可以使用其他合适的半导体开关器件，包括例如绝缘栅双极晶体管、晶闸管、其他类型的二极管等。此外，还可以使用基于非半导体的开关器件，诸如MEMS器件。因此，应当理解，可以使用任何合适的开关140。开关器件可以被放置到阵列电路中，或者根据本文所示的示例作为分流元件，或者作为传输线内的串联开关元件，或者嵌入在辐射元件内或者在辐射元件的馈线上。
再次参考图6，开关控制网络150可以被实现为向每条传输线132提供直流(DC)偏置电流的电流源152。在图6的实施例中，可以向所有八条传输线132供应相同的DC偏置电流。沿着电流源152和相应传输线132之间的每个连接提供相应电感器154，电感器154可以阻止RF能量传递到电流源152。例如，可以响应于从外部源提供的控制信号来控制DC电流源152。当没有DC偏置电流输出到传输线132时，PIN二极管142是未偏置的。当负DC偏置电压被施加到传输线132时，PIN二极管142被反向偏置。在这些偏置状态下，PIN二极管142表现出高阻抗，并且可以对传输线132基本透明。因此，在这些状态下，每列的所有八个辐射元件110将从收发器120被馈送RF信号。
当DC电流源152被控制以向传输线132输出正DC偏置电流时，PIN二极管142变得正向偏置，并且可能表现为沿着每条传输线132到地的低阻抗短路。当这种情况发生时，沿着每条传输线132的剩余部分(即每条传输线132不在收发器120和PIN二极管142之间的部分)的较高阻抗表现为开路，并且只有非常少量的RF能量将沿着相应传输线132的这些部分流动。
如果相控阵天线100如图6所示配置，每个PIN二极管142都位于相应列112中的第三和第四辐射元件110-3和110-4之间，那么当PIN二极管142被正向偏置时，每列112将仅通过前三个辐射元件110-1至110-3辐射RF能量，因为沿着每条RF传输线132传播经过第三辐射元件110-3的RF能量被短路到地。由于RF电流仅流向每列112中的前三个辐射元件110-1至110-3，所以仰角波束宽度显著加宽。
为了为每列112选择八个辐射元件110配置，PIN二极管142将是未偏置的或反向偏置的，并且处于高阻抗状态。当PIN二极管142处于这种高阻抗状态时，RF电流能够传递到所有八个辐射元件110。因此，仰角波束宽度将从所有八个辐射元件110形成，生成窄波束宽度、高增益天线波束。
虽然在图6的示例中，沿着每条传输线132在第三和第四辐射元件110-3、110-4之间提供单个PIN二极管142，但是应当理解，PIN二极管142可以替代地位于沿着每条传输线132的其他位置，使得当PIN二极管142处于它们各自的正向偏置状态时，每列112中不同数量的辐射元件110可以辐射RF能量。例如，在其他实施例中，PIN二极管142可以位于第一和第二辐射元件110-1、110-2之间、第二和第三辐射元件110-2、110-3之间、第四和第五辐射元件110-4、110-5之间、第六和第七辐射元件110-6、110-7之间或者第七和第八辐射元件110-7、110-8之间。此外，如下面将要讨论的，在一些实施例中，可以沿着每条传输线132提供多个开关140，这些开关可以被分开控制，使得相控阵天线100可以在多于两种不同的仰角波束宽度状态下工作。
图8是根据本发明进一步实施例的八行八列相控阵天线200的一列212的示意图，其进一步包括示出PIN二极管142沿着所描绘的列212连接到传输线232的放大视图。虽然在图8中未示出，但是应当理解，相控阵天线200还包括八个收发器120和开关控制网络150，并且将包括七个附加列212，使得相控阵天线200可以与上面讨论的相控阵天线100几乎相同，只是每个馈电网络被实现为串行馈电网络230，而不是相控阵天线100中包括的线性馈电网络130。
参考图8，相控阵天线200包括辐射元件210，其可以是例如贴片辐射元件。如本领域技术人员所知，贴片辐射元件指的是(典型地)基于微带的辐射元件，其包括安装在接地面上的扁平矩形金属片。矩形金属片和接地面一起形成微带传输线的谐振部分。馈电网络230包括直接通过贴片辐射元件210馈电的传输线232(例如微带传输线)。传输线232的尺寸可以相对于贴片辐射元件210的尺寸进行控制(所有贴片辐射元件210都可以具有相同的尺寸)，以与继续沿着传输线232流动的RF能量的量相比，控制在每个贴片辐射元件210处辐射的RF能量的量。
与图7的相控阵天线100一样，用作开关140的PIN二极管142沿着传输线232位于第三和第四辐射元件210-3、210-4之间。PIN二极管142可以从收发器120(见图6)和PIN二极管142之间最靠近PIN二极管142的辐射元件210的位置以[0.25+(n*0.5)]λ的间隔连接到传输线132。当PIN二极管142未偏置或反向偏置时，它对于RF能量是透明的，因此，由收发器120输出的RF信号将流向所有八个辐射元件210。然而，如果PIN二极管142被正向偏置，则它充当到地的分流器，并且由收发器120输出的任何RF信号都将仅由天线200的每列中的前三个辐射元件210辐射。应当理解，在其他实施例中，PIN二极管142可以位于任何其他对相邻辐射元件210之间。当操作以具有加宽的仰角波束宽度时，可以基于相控阵天线200的期望仰角波束宽度来选择PIN二极管142的位置。
除了上述差异，相控阵天线200的结构和操作可以与相控阵天线100的结构和操作相同，因此将省略对其的进一步描述。
图9是根据本发明进一步实施例的八行八列相控阵天线300的一列312的示意图。相控阵天线300几乎与上面讨论的相控阵天线100相同，只是相控阵天线100中包括的每个线性馈电网络130在相控阵天线300中用相应的共同馈电网络330代替。
参考图9，相控阵天线300包括辐射元件110，其可以是例如偶极或贴片辐射元件。天线300的列312中的每个辐射元件110都通过共同馈电网络330连接到收发器120(见图6)。收发器120连接到图9中馈电网络330的端部333。共同馈电网络330可以包括以“分支”结构布置的多个传输线段332。在三条传输线段332相遇的每个分支位置334，第一传输线段332上的RF信号可以分割成两个子分量，这两个子分量沿着相应的第二和第三传输线段332向下流动。在一些实施例中，RF信号可以在每个这样的分支位置334被均匀地分割，尽管这不是必须的。
如图9进一步所示，用作开关140的PIN二极管142沿着传输线段332之一定位。在图9的实施例中，PIN二极管142位于最靠近馈电网络330的端部333的支路附近，该端部333是分支结构的根部。PIN二极管142可以位于距离第一分支位置334D＝[0.25+(n*0.5)]λ的间隔处。当PIN二极管142未偏置或反向偏置时，PIN二极管142对于RF能量来说是透明的，因此，馈送列312的收发器120(见图6)所输出的RF信号将流向列312中的所有八个辐射元件110。然而，如果PIN二极管142被正向偏置，则它充当到地的分流器，并且由收发器120输出的任何RF信号将仅由列312中的前四个辐射元件110-1至110-4辐射。
应当理解，PIN二极管142可以位于每个共同馈电网络330中的任何分支附近，和/或沿着每个共同馈电网络330可以包括多于一个PIN二极管142。例如，图10是相控阵天线300的修改版本300’的一列312’的示意图。如图10所示，在该修改的实施例中，第二PIN二极管142-2位于第二级分支位置334之一附近。当图10的实施例的PIN二极管142-1、142-2被正向偏置时，第一和第二辐射元件110-1、110-2以及第五至第八辐射元件110-5至110-8将被有效地从相控阵天线300’中断开。在这种情况下，相控阵天线300’的仰角波束宽度将是每列具有两个辐射元件的相控阵天线的仰角波束宽度。
除了上述差异，相控阵天线300、300’的结构和操作可以与相控阵天线100的结构和操作相同，因此将省略对其的进一步描述。
还将理解，上述相控阵天线中的任何一个都可以被修改为每列辐射元件包括两个或更多个PIN二极管142，以便当天线在它们相应的宽仰角波束宽度状态下工作时，实现RF信号与被取消选择的元件的增强隔离。在实践中，每个PIN二极管142(或其他开关140)仅提供有限的隔离量，因此一些剩余的RF电流可能会从每个PIN二极管142泄漏，从而被已经从相控阵天线中断开的辐射元件110、210辐射。这可能会导致天线辐射图发生不希望的变化。如图11-图13所示，可以沿每列提供多个PIN二极管142，以在相应天线处于它们的宽波束宽度状态时减少RF泄漏电流。如图11-图13的左侧所示，在一些实施例中，PIN二极管142可以位于不同对相邻辐射元件110、210之间。这可能很方便，因为可能有附加物理空间可用。如图11-图13的右侧所示，在其他实施例中，附加PIN二极管142可以放置在同一对相邻辐射元件110、210之间，并且沿着馈电传输线132、232距离两个辐射元件110、210以间隔D被隔开。在一些实施例中，可以在一对相邻辐射元件110、210之间提供延伸的传输线段134，该传输线段比在其他相邻对辐射元件110、210之间延伸的传输线段长一个或多个波长。该延伸的传输线段134可以提供附加物理空间用于沿着同一对相邻辐射元件110、210之间的列定位两个PIN二极管142。如果两个PIN二极管142位于同一对相邻辐射元件110、210之间，则由第二PIN二极管142增加的隔离可以具有最大效果。图14示意性地示出根据本发明实施例的相控阵天线的一列的一部分，该相控阵天线具有延伸的传输线段134，该传输线段134提供附加物理空间用于沿着同一对相邻辐射元件110、210之间的列定位两个PIN二极管142-1、142-2。
如图18所示，根据本发明的更进一步的实施例，PIN二极管142可以位于将每个辐射元件110连接到传输线132的单个传输线分支133上。在这样的实施例中，每个PIN二极管142可以位于距离每条传输线分支133与传输线132相交的结点的四分之一波长处，或者位于四分之一波长的奇整数倍(诸如1、3、5、7等)处。使用这种技术，可以分流单个辐射元件110，以提供配置阵列尺寸(即相控阵天线的每列112中包括的辐射元件110的数量)的替代手段，以便控制仰角波束宽度。在图18的示例中，相控阵天线的所示的列112可以与每列112的所有八个辐射元件110一起操作，以通过反向偏置或未偏置PIN二极管142-1、142-2来提供窄仰角波束宽度。通过将位于到辐射元件110-1的传输线分支133-1上的PIN二极管142-1正向偏置，相控阵天线然后将在仅辐射元件110-2至110-8活动的情况下工作。通过正向偏置位于两条传输线分支133-1、133-2上的PIN二极管142-1、142-2，相控阵天线然后将在仅辐射元件110-3至110-8活动的情况下工作，以提供稍微宽一些的仰角波束宽度。当PIN二极管142被反向偏置或未偏置时，它们出现高阻抗状态，并且允许RF功率从它们相关联的辐射元件110辐射。当正向偏置时，PIN二极管142起到到地短路的作用，这又在传输线分支133和传输线132的相应结点处表现为开路。这种正向偏置状态防止RF功率从相关联的辐射元件110辐射，而不会使主传输线132短路到地。虽然示出了PIN二极管142位于传输线分支133-1和133-2上，但是应当理解，如果需要，PIN二极管可以包括在更多或更少的传输线分支133上，并且可以包括在列112两端的传输线分支133上。
如图15所示，在示例实施例中，开关控制网络150可以包括用于每列的共享电流源152和偏置T电路156。为了简化附图，图15仅示出了电流源152和相控阵天线100的列112之一。如图15所示，偏置T电路包括电感器154和电容器158。电容器158耦合到收发器120，并阻塞来自共享DC电流源152的DC电流传递到收发器120。电感器154耦合在共享DC电流源152和传输线132之间。可以通过向偏置T电路156的电感器路径施加DC电流来正向偏置PIN二极管142，以便将DC电流注入传输线132。来自收发器120的RF信号和来自DC电流源152的DC偏置电流两种被施加到辐射元件110。偏置T电路156因此允许控制PIN二极管142的偏置状态，同时保持DC偏置电路与RF收发器120隔离。应当理解，图6的开关控制网络150可以用在根据本文描述的本发明实施例的任何天线中。
在一些应用中，提供两种以上的可选仰角波束宽度状态可能是有利的。在这种情况下，开关140可以被放置在相应对的相邻辐射元件110之间，并且被独立控制，以便激励变化数量的辐射元件110，从而将仰角波束宽度设置为三个或更多个不同状态。
图16是根据本发明实施例的相控阵天线的一列辐射元件的示意图，其具有三个可选的仰角波束宽度。参考图16，PIN二极管142-1、142-2分别放置在辐射元件110-3和110-4之间以及辐射元件110-5和110-6之间。第一DC偏置电流可以通过第一电感器154-1选择性地馈送到第一PIN二极管142-1。收发器120通过电容器158耦合到传输线132，以便隔离PIN二极管142-1的DC偏置电流。提供第二电容器159来阻塞PIN二极管142-1的DC偏置电流影响PIN二极管142-2的偏置状态。通过第二电感器154-2，向PIN二极管142-2提供分开的DC偏置电流。以这种方式，两个PIN二极管142-1、142-2可以被独立偏置。在这个示例中，这将允许相控阵天线在每列具有三个辐射元件110、五个辐射元件110或八个辐射元件110的三种状态下被激励。这将提供选择图5所示三种仰角波束宽度条件的能力。通过电容耦合进一步分开传输线132以提供更高数量的仰角波束宽度状态，该技术可以用附加PIN二极管142(或其他开关140)和偏置网络来扩展。
图6示出了基于线性馈送阵列列以一维来实现切换的波束宽度控制的二维天线阵列配置的示例。在这个示例中，通过应用相位加权来控制水平或方位轴中的波束控制，该相位加权被应用于八个收发器信道中的每个，以便在方位上提供具有宽视场的窄波束宽度。在垂直或仰角方向上，通过向PIN二极管142施加偏置电流以选择宽仰角波束宽度条件，或者通过不向PIN二极管142施加偏置电流或施加负偏置电压以选择窄仰角波束宽度条件，来实现切换的波束宽度方法。
尽管以上示例集中于切换相控阵天线的仰角波束宽度，但是在水平或方位图必须在多个波束宽度状态之间切换的情况下，可以应用相同的技术。此外，同样的技术也适用于双偏振天线阵列，以便一前一后地切换方位角和仰角波束宽度。
因此，根据本发明的实施例，提供了相控阵天线，相控阵天线可以包括第一收发器(例如收发器120)、布置在第一线性阵列(例如列112)中的多个第一辐射元件(例如辐射元件110)、电插入在第一辐射元件和第一收发器之间的第一馈电网络(例如馈电网络130)以及沿着第一馈电网络耦合的第一开关(例如开关140/PIN二极管142)。第一开关的状态是可选择的，以调节电连接到第一收发器的第一辐射元件的数量。当第一开关处于第一状态时，第一线性阵列的辐射图具有第一仰角波束宽度，并且当第一开关处于第二状态时，具有不同的第二仰角波束宽度。
第一开关可以包括例如耦合在第一馈电网络的传输线段和参考电压之间的PIN二极管。PIN二极管可以在距第一辐射元件之一大约[0.25+(n*0.5)]λ的电距离处连接到传输线段，其中n是具有0或更大值的整数，λ是对应于相控阵天线的工作频带的中心频率的波长。天线可以包括开关控制网络(例如，开关控制网络150)，开关控制网络被配置为向第一开关提供控制信号(例如，DC偏置电流)，以将第一开关设置为期望的状态。
在一些实施例中，第二开关可以沿着第一馈电网络耦合。在一些情况下，第一开关和第二开关的组合可以用于将天线的仰角波束宽度设置为至少三种不同状态。在其他情况下，当辐射元件从阵列中断开时，第二开关可以用于提供增强的隔离。
根据本发明的进一步实施例，提供了操作包括至少第一列辐射元件的相控阵天线的方法。现在将参考图17的流程图描述一个示例。
参考图17，该方法可以包括通过第一列辐射元件中的所有辐射元件向第一用户发送第一RF信号(框400)。然后，控制信号(例如，DC偏置电流)可以被传输到沿着第一列辐射元件提供的开关(框410)。开关可被配置为选择性地将第一列辐射元件中的辐射元件的第二子集与第一RF信号和第二RF信号的源隔离，并且控制信号可用于改变开关的状态。此后，可以通过第一列辐射元件中的辐射元件的第一子集向第二用户发送第二RF信号，第一子集包括少于第一列辐射元件中的所有辐射元件的辐射元件(框420)。第一用户可以在距相控阵天线第一距离处，第二用户可以在距相控阵天线小于第一距离的第二距离处。虽然参考图17描述的方法描述了具有单列辐射元件的相控阵天线的操作，但是应当理解，图17的方法也可以被视为描述了根据本发明实施例的包括多列辐射元件的天线中的一列辐射元件的操作。
应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述示例实施例进行许多改变。例如，所有上述公开的实施例的方面都可以以任何方式组合。因此，例如，相控阵天线100的任何元件都可以用在本文描述的其他实施例中。作为另一个示例，相控阵天线可以具有任意数量的行和列的辐射元件，并且可以具有任意形状。可以沿着每列使用任何适当类型的开关，通过将元件接入到阵列中或从阵列中断开来改变仰角波束宽度。这些开关可以位于任何合适的位置，以将辐射元件接入到阵列中和从阵列中断开。可以为每个单个辐射元件提供开关，或者可以使用单个开关将多个辐射元件接入到阵列中和从阵列中断开。多种多样的开关控制网络是可能的。因此，应当理解，上述实施例仅作为示例提供，本发明的范围由所附权利要求定义。
还应当理解，本文描述的技术可以与每个偏振使用单个无线电的无源相控阵天线一起使用。在这种无源天线实现方式中，本文描述的技术可以用于调整仰角波束宽度、方位角波束宽度或两者。
上面已经参考附图描述了本发明的实施例，在附图中，示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。贯穿全文，相同的数字指代相同的元素。
应当理解，尽管术语“第一”、“第二”等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个和另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目中的任何及其所有组合。
应当理解，当一个元件被称为“在”另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接位于”另一个元件“上”时，不存在中间元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其他词语应该以类似的方式解释(即，“在...之间”对“直接在...之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
诸如“下”或“上”或“上方”或“下方”或“水平”或“垂直”之类的相对术语在本文可以用来描述如图所示的一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系。应当理解，除了图中所示的方向之外，这些术语旨在涵盖设备的不同方向。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，术语“包括”、“包含”在本文使用时，指定所述特征、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。
以上公开的所有实施例的方面和元件可以以任何方式和/或与其他实施例的方面或元件组合，以提供多个附加实施例。

Claims (36)

1.一种操作包括至少第一列辐射元件的相控阵天线的方法，所述方法包括：
通过所述第一列辐射元件中的所有辐射元件向第一用户发送第一射频RF信号；
通过所述第一列辐射元件中的辐射元件的第一子集向第二用户发送第二RF信号，所述第一子集包括少于所述第一列辐射元件中的所有辐射元件的辐射元件；
其中，所述第一用户在距所述相控阵天线第一距离处，所述第二用户在距所述相控阵天线小于所述第一距离的第二距离处。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沿着所述第一列辐射元件提供开关，所述开关能配置为选择性地将所述第一列辐射元件中的辐射元件的第二子集与所述第一RF信号和所述第二RF信号的源隔离。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述开关是PIN二极管。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第一RF信号和所述第二RF信号的所述源是收发器，所述收发器经由传输线耦合到所述第一列辐射元件中的辐射元件的所述第一子集，并且通过所述开关选择性地耦合到所述第一列辐射元件中的辐射元件的所述第二子集，并且其中，所述开关位于距辐射元件的所述第一子集中的离所述收发器最远的辐射元件连接到传输线的结点大约[0.25+(n*0.5)]λ的电距离处，其中，n是具有0或更大值的整数，并且λ是对应于所述相控阵天线的工作频带的中心频率的波长。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，还包括在通过所述第一列辐射元件中的所有辐射元件向所述第一用户发送所述第一RF信号之后，并且在通过所述第一列辐射元件中的辐射元件的所述第一子集向所述第二用户发送所述第二RF信号之前，向所述开关发送控制信号以改变所述开关的状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述控制信号包括直流控制信号。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的方法，其中，当所述开关处于第一状态时，所述相控阵天线的辐射图具有第一仰角波束宽度，并且当所述开关处于第二状态时，所述相控阵天线的辐射图具有第二仰角波束宽度，所述第二仰角波束宽度不同于所述第一仰角波束宽度。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其中，所述开关是第一开关，所述相控阵天线还包括沿着所述第一列辐射元件提供的第二开关。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的方法，其中，当所述第一开关处于所述第一状态并且所述第二开关处于第一状态时，所述相控阵天线的辐射图具有第三仰角波束宽度，所述第三仰角波束宽度不同于所述第一仰角波束宽度和所述第二仰角波束宽度两者。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的方法，其中，所述第一开关沿着所述第一列辐射元件在所述第一列辐射元件中的第一对相邻辐射元件之间提供，并且所述第二开关沿着所述第一列辐射元件在所述第一列辐射元件中的第二对相邻辐射元件之间提供，所述第二对相邻辐射元件包括不是所述第一对相邻辐射元件的一部分的至少一个辐射元件。
11.根据权利要求2-10中任一项所述的方法，其中，所述第一开关和所述第二开关两者都沿着所述第一列辐射元件在所述第一列辐射元件中的第一对相邻辐射元件之间提供。
12.根据权利要求2-11中任一项所述的方法，其中，所述第一开关和所述第二开关是独立可控的。
13.根据权利要求2-12中任一项所述的方法，其中，所述相控阵天线还包括第二列辐射元件，所述方法还包括：
通过所述第二列辐射元件中的所有辐射元件向所述第一用户发送第三RF信号；
通过所述第二列辐射元件中的辐射元件的第一子集向所述第二用户发送第四RF信号，所述第一子集包括少于所述第二列辐射元件中的所有辐射元件的辐射元件；
其中，所述第一RF信号和所述第三RF信号同时传输，并且所述第二RF信号和所述第四RF信号同时传输，并且
其中，所述开关是第一开关，并且
其中，沿着所述第二列辐射元件提供第二开关，所述第二开关能配置为选择性地将所述第二列辐射元件中的辐射元件的第二子集与所述第三RF信号和所述第四RF信号的源隔离。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，还包括：
通过所述第一列辐射元件中的辐射元件的第二子集向第三用户发送第三RF信号，所述第二子集包括比所述第一子集更少的所述第一列辐射元件中的辐射元件；
其中，所述第三用户在距所述相控阵天线小于所述第二距离的第三距离处。
15.一种相控阵天线，包括：
第一收发器；
多个第一辐射元件；
电插入在所述第一辐射元件和所述第一收发器之间的第一馈电网络；
沿着所述第一馈电网络耦合的第一开关；
其中，所述第一开关的状态是能选择的，以调节电连接到所述第一收发器的所述第一辐射元件的数量。
16.根据权利要求15所述的相控阵天线，其中，所述第一辐射元件布置在第一线性阵列中，并且其中，当所述第一开关处于第一状态时，所述第一线性阵列的辐射图具有第一仰角波束宽度，并且当所述第一开关处于第二状态时，所述第一线性阵列的辐射图具有第二仰角波束宽度，所述第二仰角波束宽度不同于所述第一仰角波束宽度。
17.根据权利要求15或16所述的相控阵天线，其中，所述第一开关是耦合在所述第一馈电网络的传输线段和参考电压之间的PIN二极管。
18.根据权利要求17所述的相控阵天线，其中，所述PIN二极管位于距所述第一辐射元件之一连接到所述传输线段的结点大约[0.25+(n*0.5)]λ的电距离处，其中，n是具有0或更大值的整数，λ是对应于所述相控阵天线的工作频带的中心频率的波长。
19.根据权利要求15-19中任一项所述的相控阵天线，还包括开关控制网络，所述开关控制网络被配置为向所述第一开关提供控制信号。
20.根据权利要求15-20中任一项所述的相控阵天线，其中，所述控制信号包括直流控制信号。
21.根据权利要求15-21中任一项所述的相控阵天线，还包括沿着所述第一馈电网络耦合的第二开关。
22.根据权利要求21所述的相控阵天线，其中，当所述第一开关处于所述第一状态并且所述第二开关处于第一状态时，所述第一列辐射元件的所述辐射图具有第三仰角波束宽度，所述第三仰角波束宽度不同于所述第一仰角波束宽度和所述第二仰角波束宽度两者。
23.根据权利要求21或22所述的相控阵天线，其中，所述第一开关沿着所述第一线性阵列在第一对相邻辐射元件之间提供，并且所述第二开关沿着所述第一线性阵列在第二对相邻辐射元件之间提供，所述第二对相邻辐射元件包括不是所述第一对相邻辐射元件的一部分的至少一个辐射元件。
24.根据权利要求21-23中任一项所述的相控阵天线，其中，所述第一开关和所述第二开关两者沿着所述第一线性阵列在第一对相邻辐射元件之间提供。
25.根据权利要求21-24中任一项所述的相控阵天线，其中，所述第一开关和所述第二开关分开大约[0.25+(n*0.5)]λ的电距离，其中，n是具有0或更大值的整数，λ是对应于所述相控阵天线的工作频带的中心频率的波长。
26.根据权利要求21-26中任一项所述的相控阵天线，其中，所述第一开关和所述第二开关是独立可控的。
27.根据权利要求15-26中任一项所述的相控阵天线，其中，所述第一开关能配置为选择性地将所述线性阵列中的辐射元件的第二子集与所述收发器隔离。
28.根据权利要求15-27中任一项所述的相控阵天线，还包括：
多个附加收发器；
辐射元件的多个附加线性阵列；
电插入在所述附加线性阵列和所述附加收发器中的相应附加收发器之间的多个附加馈电网络；
沿着相应附加馈电网络耦合的多个附加开关；
其中，每个附加开关的状态是能选择的，以调节电连接到所述附加收发器的相应附加收发器的相应附加线性阵列中的辐射元件的数量。
29.一种操作相控阵天线的方法，所述相控阵天线具有布置在具有多行和多列的二维阵列中的多个辐射元件，所述方法包括：
通过对由多个收发器中的相应收发器提供给相应列中的所述辐射元件的RF信号进行相位加权，逐个时隙地选择由所述相控阵天线生成的天线波束的方位角指向方向；和
通过使用开关选择每列中的电连接到所述相应收发器的辐射元件的数量，逐个时隙地选择由所述相控阵天线生成的所述天线波束的仰角波束宽度。
30.一种相控阵天线，包括：
第一收发器；
电连接到所述第一收发器的第一多个辐射元件；
被配置为选择性地连接到所述第一收发器的第二多个辐射元件，
其中，当所述第二多个辐射元件连接到所述第一收发器时，所述相控阵天线具有第一仰角波束宽度，并且当所述第二多个辐射元件与所述第一收发器断开时，所述相控阵天线具有大于所述第一仰角波束宽度的第二仰角波束宽度。
31.根据权利要求30所述的相控阵天线，其中，开关沿着将所述第二多个辐射元件连接到所述第一收发器的传输线插入。
32.根据权利要求31所述的相控阵天线，其中，所述开关是耦合在所述传输线和参考电压之间的PIN二极管。
33.根据权利要求32所述的相控阵天线，其中，所述PIN二极管位于距所述第一多个辐射元件中的一个辐射元件连接到所述传输线的结点大约[0.25+(n*0.5)]λ的电距离处，其中，n是具有0或更大值的整数，λ是对应于所述相控阵天线的工作频带的中心频率的波长。
34.根据权利要求31-33中任一项所述的相控阵天线，还包括开关控制网络，所述开关控制网络被配置为向所述开关提供直流控制信号。
35.根据权利要求21-24中任一项所述的相控阵天线，其中，所述第一开关和所述第二开关以距所述第一收发器相同的电距离连接到所述馈电网络的传输线。
36.根据权利要求17所述的相控阵天线，其中，所述馈电网络包括主传输线和多个传输线分支，所述多个传输线分支将每个相应第一辐射元件连接到所述主传输线，并且其中，所述PIN二极管位于所述传输线分支中的第一传输线分支上距所述传输线分支中的第一传输线分支和所述主传输线之间的结点大约[0.25+(n*0.5)]λ的电距离处，其中，n是具有0或更大值的整数，λ是对应于所述相控阵天线的工作频带的中心频率的波长。
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