CN111149255A

CN111149255A - 多频段天线系统

Info

Publication number: CN111149255A
Application number: CN201780095475.5A
Authority: CN
Inventors: 伊格纳西欧·冈萨雷斯; 克里斯托夫·施普兰格尔; 布鲁诺·比斯孔蒂尼; 伯恩哈德·里斯特; 约翰·巴普蒂斯特·奥伯迈尔
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2037-10-04
Also published as: EP3676911A1; US20200235487A1; WO2019068317A1; CN111149255B; US11469516B2

Abstract

一种多频段天线系统(10)，包括第一大规模多输入多输出(mMIMO)天线阵列(12)、至少一个第二天线阵列(30)、配电网络(42，44、52、54、62、64)、以及转换装置(16)，天线阵列(12)包括在第一频段中使用的多个第一天线单元(13)，第二天线阵列(30)包括在低于第一频段的第二频段中使用的多个第二天线单元(31)，其中第二天线阵列(30)与第一mMIMO天线阵列(12)至少部分交错，布置在分布层(40)中的配电网络(42，44、52、54、62、64)用于分配第二天线阵列的天线单元的输入和/或输出信号，转换装置(16)包括用于连接到第一mMIMO天线阵列(12)的第一组第一连接器(23)、用于连接到mMIMO射频(RF)模块(18)的第二组第二连接器(27)、以及穿过分布层(40)的从第一组第一连接器(23)到第二组第二连接器(27)的互连通道。多频段天线系统非常紧凑，可以用于轻松升级现有的天线站点以及设置新的天线站点。

Description

多频段天线系统

技术领域

本发明涉及一种多频段天线系统，尤其涉及一种适用于大规模多输入多输出(massive multiple input multiple output，mMIMO)系统的多频段天线系统。

背景技术

蜂窝移动通信系统通常需要支持多种通信标准(例如，LTE、UMTS、GSM)以及由监管机构确定的各种频段。使用多个频段尤其需要使用适于各个频段的物理特性的不同天线单元。

随着对天线与无线电设备(例如有源天线系统(active antenna system，AAS))的深度集成需求的增长，需要一种在不折中天线系统性能的情况下，设计紧凑型多频段天线系统的新方法。此外，随着LTE的部署即将完成，对即将到来的5G基础设施的准备工作正在进行。支持下一代移动通信的关键技术之一是6GHz以下的mMIMO。

蜂窝移动通信系统的天线位置通常是空间受限的，因此为不同频段使用多个单独的天线通常是不可取的。此外，天线系统的站点升级和新部署面临着限制性规则，这些规则的发展慢于技术。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种多频段天线系统，其中，该多频段天线系统克服了现有技术的一个或多个上述问题。此外，本发明的一个目的是提供一种改进的多频段天线系统的概念。

根据本发明的一个方面，一种多频段天线系统包括第一大规模多输入多输出(mMIMO)天线阵列，该天线阵列包括在第一频段中使用的多个第一天线单元。此外，该多频段天线系统包括至少一个第二天线阵列，该第二天线阵列包括在低于第一频段的第二频段中使用的多个第二天线单元。第二天线阵列与第一mMIMO天线阵列至少部分交错。根据本方面的多频段天线系统，包括用于分配第二天线阵列的天线单元的输入和/或输出信号的配电网络。配电网络布置在分布层(distribution layer，也称分配层)中。根据本方面的多频段天线系统还包括转换装置，该转换装置又包括用于连接到第一mMIMO天线阵列第一组第一连接器、用于连接到mMIMO射频(radio frequency，RF)模块的第二组第二连接器、以及从第一组第一连接器到第二组第二连接器的互连通道。该互连通道穿过分布层。

转换装置允许用于第一mMIMO天线阵列的信号通过分布层传输。因为通常这样的配电网络在物理上阻碍了将任何其他信号路由到第一天线单元的路径，因此，如果第二天线阵列使用配电网络，则使得第一mMIMO天线阵列的第一天线单元与来自第二天线阵列的第二天线单元的交错成为可能。因为不同的天线阵列可以具有重叠的孔，因此，转换装置允许以紧凑的方式构造天线系统。由于这种紧凑的结构，现有的天线站点可以重复使用，并且可以在同一空间中提供多个天线孔。减小了多频段天线系统的所需尺寸。另外，因为第二组连接器可以布置为适合RF模块的连接器，而无需考虑mMIMO天线阵列的天线单元的位置，所以可以使用标准的RF模块。

在第一方面的另一实施方式中，第一mMIMO天线阵列包括反射器，并且，分布层平行于该反射器布置。天线系统的不同部分在方向上彼此平行的这种布置非常紧凑，并且更容易满足空间的限制。

在第一方面的另一实施方式中，配电网络包括间隙，互连通道通过该间隙穿过配电网络。该间隙可以简易地布置成允许转换装置穿过分布层。通过这种方式，不需要采用任何附加的波导来绕过分布层。

在第一方面的另一实施方式中，每个互连通道包括穿过配电网络以与第一连接器连接的第一部分、用于与第二连接器连接的第二部分，以及用于在第一部分和第二部分之间路由信号的连接部分。通过这种方式，可以将信号的路由分为两个不同的几何方向，例如分为两个正交的方向。由此得出，转换装置大体上是平直的，并且仅第一部分和第二部分沿天线阵列的方向延伸。这允许将转换装置与天线系统的其他部件非常紧凑地组装在一起。

在第一方面的另一实施方式中，配电网络在物理上被划分为用于不同极化的配电子网络，其中间隙位于上述配电子网络之间。这样，间隙可以更简易地布置。

在第一方面的另一实施方式中，每个第一连接器通过一个互连通道连接到一个第二连接器。第一组连接器和第二组连接器之间的这种一对一关系允许将第一mMIMO天线阵列的每个天线单元精确链接到来自mMIMO RF模块的一个信源/信宿。

在第一方面的另一实施方式中，互连通道对每个第一天线单元的每个信号的相位进行均衡。因此，转换装置为第二组连接器提供了标准化的接口。mMIMO RF模块不需要与一个特定的mMIMO天线阵列明确匹配。

在第一方面的另一实施方式中，互连通道具有各自的物理长度以提供上述均衡。这样的均衡易于实现且非常可靠。

在第一方面的另一实施方式中，前述天线系统还包括用于驱动第一mMIMO天线阵列的mMIMO RF模块，其中，第二连接器连接到mMIMO RF模块。

在第一方面的另一实施方式中，前述第一mMIMO阵列还包括连接到第一天线单元的馈电网络，并且，第一连接器连接到该馈电网络。馈电网络简化了互连通道的布置，即这些互连通道在配电网络中的间隙处的位置。来自第一组连接器的任何RF信号都可以被路由到实际的天线单元。

在第一方面的另一实施方式中，馈电网络为其中一个第一连接器提供到上述第一天线单元中的多个第一天线单元的馈电连接。例如，这可以用于实现简易波束倾斜。

根据以下描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将显而易见。

附图说明

为了更清楚地描述本发明的实施例的技术特征，下面简要介绍用于描述实施例的附图。以下说明书中的附图仅是本发明的一些实施例，但是在不脱离权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对这些实施例进行修改。

图1示出了根据本发明的实施例的多频段天线系统的结构示意图；以及

图2示出了根据本发明的另一实施例的多频段天线系统的横截面示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施例的多频段天线系统10。

多频段天线系统10包括第一mMIMO阵列12，第一mMIMO阵列12包括多个第一天线单元(未示出)。第一mMIMO阵列12包括连接到转换装置16的馈电网络14。馈电网络14向第一mMIMO阵列12的第一天线单元馈电。转换装置16连接到mMIMO RF模块18，该模块通过转换装置16向第一mMIMO阵列12提供信号并从第一mMIMO阵列12接收信号。数字输入信号从mMIMO的输入/输出20被路由到mMIMO RF模块18。

多频段天线系统10还包括第二天线阵列30，第二天线阵列30连接到配电网络40。配电网络40包括第一配电子网络42和第二配电子网络44，第一配电子网络42用于分配例如第一正(+45°)极化信号，第二配电子网络44用于分配例如第二负(-45°)极化信号。第一配电子网络42和第二配电子网络44连接到天线输入/输出46。

本实施例中存在第三天线阵列32，第三天线阵列32连接到第一配电子网络52和第二配电子网络54，这两个配电子网络均连接到另一天线输入56。此外，多频段天线系统10包括第四天线阵列34，第四天线阵列34连接到第一配电子网络62和第二配电子网络64，第二子网络连接到另一天线输入66。

转换装置16包括第一部分22，该第一部分穿过分布层40，并且因此包括在分布层40中的配电子网络42、44、52、54、62、64与馈电网络14上的第一连接器(图1中未示出)连接。为允许第一部分22穿过分布层，在一些配电子网络42、44、52、54、62、64之间(例如极化相反的配电子网络之间)存在间隙24。例如，在负极化配电网络44和正极化配电网络52之间存在一个间隙24。

转换装置16还包括第二部分26，第二部分26用于连接到mMIMO RF模块18上的第二连接器(图1中未示出)。

在四个天线阵列12、30、32、34中，第一mMIMO天线阵列12可以在6GHz以下的第一频段中工作。第二、第三、第四天线阵列30、32、34可以分别在第二频段、第三频段、第四频段中工作。第二、第三、第四频段均可以包括低于第一频段的频率。第二、第三、第四频段可以重叠也可以不重叠。

第三天线阵列32和第四天线阵列34以及相关联的配电网络52、54、62、64和天线输入56、66是可选的。可以提供更多或更少的天线阵列。

馈电网络14可以在第一mMIMO天线阵列12的第一天线单元之间提供固定的相位和幅度分布。通过这种方式，馈电网络14可以通过例如如下方式在第一天线单元之间分配信号：提供预定波束倾斜或其他波束形成功能。因此，馈电网络14可以在转换装置和天线单元之间提供接口。馈电网络14可以被实现为多层印刷电路板(printed circuit board，PCB)，并且还可以用作第一mMIMO天线阵列12的反射器。

转换装置16将第一mMIMO天线阵列12的馈电网络14与mMIMO RF模块18互连。转换装置16被布置和构造成通过其第一部分22在物理上穿过分布层。第一部分22可以以如下方式被布置：使得第一部分22通过分布层中的间隙24穿过分布层。这些间隙24可以例如被布置在各个配电子网络42、44、52、54、62、64之间。

转换装置16可以进一步均衡第一mMIMO天线阵列12的所有第一天线单元的相位。这意味着转换装置16将以特定方式通过其第二组第二连接器提供对第一天线单元的访问，从而使mMIMO RF模块18不需要为了正确执行而去了解第一天线单元的确切布局和/或构造。从转换装置16的输入(例如第二部分26)到第一天线单元和/或馈电网络14的信号路径呈现出与mMIMO RF模块18的输出相等的相位。按照这种方式，转换装置16还可适于不同的mMIMO RF模块18。

mMIMO RF模块18可以是向第一mMIMO天线阵列12提供功率和信号处理的射频单元。mMIMO RF模块18通过转换装置16连接到第一mMIMO阵列12的第一天线单元。mMIMORF模块18可以控制第一天线单元，使得这样的组合提供有源天线系统(AAS)。mMIMO RF模块18可以是现场可安装的和/或现场可交换的。

第一mMIMO天线阵列12可以被构建为不具有馈电网络14。在这种情况下，转换装置16可以直接连接到第一mMIMO天线阵列12的第一天线单元，而不经过馈电网络14。如果第一mMIMO天线阵列12仅包括未分组的单独的第一天线单元，则尤其可能是这种情况。在这种情况下，每个连接到mMIMO RF模块18的第二连接器对应于第一mMIMO天线阵列12中的一个第一天线单元。

分布层40可以包括多个配电子网络42、44、52、54、62、64。配电子网络42、44、52、54、62、64是一种设备，可提供从其输入到其输出的可控的相位和幅度分布，反之亦然。因此，分布层40和/或每个配电子网络42、44、52、54、62、64可以视为提供移相器的功能。分布层40的输出数量取决于其馈电和控制的天线阵列30、32、34的配置。

在某些情况下，分布层40可以在天线单元的每个极化上具有一个要馈电的输入。一个相移分布层40可以为同一物理设备中的两个极化提供其功能。然而，在本实施例中，分布层40被划分为用于各个极化的独立的部件。上述部件为配电子网络42、44、52、54、62、64。由于这些配电子网络42、44、52、54、62、64彼此独立，因此它们可以通过在彼此之间存在间隙24的方式来构造。然后可以使转换装置16的第一部分22穿过这些间隙24以连接到第一mMIMO阵列12。

图2所示的另一实施例遵循相似的构造原理，因此相似的特征用和之前相同的附图标记来表示。为了避免不必要的重复，将不再描述具有和之前相同或几乎相同功能的特征。

在本实施例中，转换装置16包括用于连接到第一mMIMO天线阵列12的馈电网络14的第一连接器23和用于连接到mMIMO RF模块18的第二连接器27。转换装置16还包括在第一连接器23和第二连接器27之间的互连通道。每个互连通道包括连接到第一连接器23的第一部分22、连接到第二连接器27的第二部分26、以及在第一部分22和第二部分26之间路由信号的连接部分28。每个连接部分28可以将第一部分22的其中一个准确连接到第二部分26的其中一个。

连接部分28可以包括延迟段29。这些延迟段29增加了任何包括这些延迟段的连接部分28的物理长度，从而增加了电气长度。通过选择并实施适合的延迟段29，可以使所有互连通道或预先确定的选择的互连通道相位均衡。

连接部分28可以以印刷电路板(PCB)上的金属层实现。第一部分22和第二部分26可以以圆柱销或其他可适用的波导实现。多种不同类型的连接器可以用作连接器23、27。在一个实施例中，可以通过例如MMBX连接器进行连接。

分布层40包括四个配电子网络42、44、52、54。第一配电子网络42、52承载具有第一极化的信号，第二配电子网络44、54承载具有第二极化的信号。配电子网络42、44、52、54连接到第二天线阵列30中包括的第二天线单元31。在第二配电子网络44和第一配电子网络52之间留有间隙24。

第一部分22通过间隙24在物理上穿过分布层40。第一连接器23与馈电网络14连接，馈电网络14将经由第一连接器23传输的每个信号路由至第一mMIMO天线阵列12中包括的一个或多个第一天线单元13。

本文所述的本发明实施例允许mMIMO系统与数个无源天线阵列共存，因为这样能提供一种恰当互连所有天线阵列以及馈电系统和网络，同时使天线系统的几何体积保持最小的方法。减小的尺寸简化了新站点的获得和站点的升级。由于根据本发明的天线系统的风荷载可等同于先前安装的天线系统的风荷载，因此可以重复使用现有的机械支撑结构。由于增加了端口数量，因此其可以适合于站点共享，站点共享大大降低了网络运营商的运营成本。

已结合本文的各种实施例描述了本发明。然而，通过研究附图、本公开、和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和影响所公开的实施例的其他变形形式。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。实施例中使用的某些元件的数量可以根据本领域技术人员确定的需求来改变，例如，天线单元、配电网络、天线阵列的数量以及本文给出的数量不应理解为对本发明的限制。在互不相同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。虽然已详细描述了本发明及其优点，但是应理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换、变更、修改、组合。

10multi-band antenna system多频段天线系统

12first mMIMO antenna array第一mMIMO天线阵列

13first antenna element第一天线单元

14feeding network馈电网络

16transition device转换装置

18mMIMO RF module mMIMO RF模块

20mMIMO input mMIMO输入

22first part第一部分

23first connector第一连接器

24gap间隙

26second part第二部分

27second connector第二连接器

28connecting part连接部分

29delay section延迟段

30second antenna array第二天线阵列

31second antenna element第二天线单元

32third antenna array第三天线阵列

34fourth antenna array第四天线阵列

40distribution layer分布层

42first distribution sub-network第一配电子网络

44second distribution sub-network第二配电子网络

46antenna input天线输入

52first distribution sub-network第一配电子网络

54second distribution sub-network第二配电子网络

56antenna input天线输入

62first distribution sub-network第一配电子网络

64second distribution sub-network第二配电子网络

66antenna input天线输入

Claims

1.一种多频段天线系统(10)，包括：

第一大规模多输入多输出(mMIMO)天线阵列(12)，包括在第一频段中使用的多个第一天线单元(13)，

至少一个第二天线阵列(30)，包括在低于所述第一频段的第二频段中使用的多个第二天线单元(31)，

其中，所述第二天线阵列(30)与所述第一mMIMO天线阵列(12)至少部分交错，

布置在分布层(40)中的配电网络(42、44、52、54、62、64)，所述配电网络(42、44、52、54、62、64)用于分配所述第二天线阵列的所述天线单元的输入和/或输出信号，以及

转换装置(16)，包括：

第一组第一连接器(23)，用于连接到所述第一mMIMO天线阵列(12)，

第二组第二连接器(27)，用于连接到mMIMO射频(RF)模块(18)，以及

从所述第一组第一连接器(23)到所述第二组第二连接器(27)的互连通道，所述互连通道穿过所述分布层(40)。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述第一mMIMO天线阵列包括反射器，并且其中，所述分布层(40)平行于所述反射器布置。

3.根据权利要求1或2所述的天线系统，其中，所述配电网络包括间隙(24)，所述互连通道通过所述间隙(24)穿过所述配电网络。

4.根据权利要求3所述的天线系统，其中，每个互连通道包括穿过所述配电网络(42、44、52、54、62、64)以与所述第一连接器(23)连接的第一部分(22)、用于连接到所述第二连接器(27)的第二部分(26)、以及用于在所述第一部分(22)和所述第二部分(26)之间路由信号的连接部分(28)。

5.根据权利要求3或4任一项所述的天线系统，其中，所述配电网络在物理上被划分为用于不同极化的配电子网络(42、44、52、54、62、64)，其中所述间隙(24)位于所述配电子网络(42、44、52、54、62、64)之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统，其中，所述第一连接器(23)中的每个第一连接器(23)通过所述互连通道中的一个互连通道连接到一个第二连接器(27)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统，其特征在于，所述互连通道对所述第一天线单元(13)中的每个第一天线单元(13)的每个信号的相位进行均衡。

8.根据权利要求7所述的天线系统，其特征在于，所述互连通道具有各自的物理长度以提供所述均衡。

9.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统，还包括用于驱动所述第一mMIMO天线阵列(12)的mMIMO RF模块(18)，其中，所述第二连接器(27)连接到所述mMIMO RF模块(18)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的天线系统，其中，所述第一mMIMO阵列(12)还包括连接到所述第一天线单元(13)的馈电网络(14)，并且其中，所述第一连接器(23)连接到所述馈电网络(14)。

11.根据权利要求10所述的天线系统，其中，所述馈电网络(14)为所述第一连接器(23)中的一个第一连接器(23)提供到所述第一天线单元(13)中的多个第一天线单元(13)的馈电连接。