CN111418114A - 包含透镜的波束成形天线模块 - Google Patents

包含透镜的波束成形天线模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将5G通信系统与IoT技术融合以支持比4G系统更高的数据传输速率的通信技术及其系统。本公开基于5G通信技术和IoT相关技术，并且可以应用于智能服务(例如，智能家居、智能建筑、智慧城市、智能汽车或联网汽车、医疗保健、数字教育、零售、安全性、安全性相关服务等)。另外，本发明提供了一种包括天线和透镜的天线模块，其中，天线包括第一天线阵列，该第一天线阵列以预定的第一角度从天线的垂直平面偏转和辐射无线电波，并且透镜可以是与天线间隔开第一确定距离，以改变从天线辐射的无线电波的相位。

Description

包含透镜的波束成形天线模块
技术领域
本公开涉及一种包括透镜的波束成形天线结构，以确保5G通信系统中的高增益和覆盖范围。
背景技术
为了满足自部署4G通信系统以来对无线数据业务增加的需求，已努力开发改进的5G或pre-5G通信系统。因此，5G或pre-5G通信系统也称为“超越4G网络”或“后LTE系统”。5G通信系统被认为是在更高的频率(mmWave)频段(例如，60GHz频段)中实现的，以实现更高的数据速率。为了减少无线电波的传播损失并增加传输距离，在5G通信系统中讨论了波束成形、大规模多输入多输出(MIMO)、全维度MIMO(FD-MIMO)、阵列天线、模拟波束成形、大规模天线技术。另外，在5G通信系统中，基于高级小型小区、云无线接入网(RAN)、超密集网络、设备到设备(D2D)通信、无线回程、移动网络、协作通信、协作多点(CoMP)、接收端干扰消除等，用于系统网络改进的开发正在进行中。在5G系统中，已经开发了作为高级编码调制(ACM)的混合FSK和QAM调制(FQAM)以及滑动窗口叠加编码(SWSC)，作为高级接入技术的滤波器组多载波(FBMC)、非正交多址(NOMA)和稀疏码多址(SCMA)。
人类生成和消耗信息的以人为中心的连接网的互联网正在向物联网(IoT)演进，在物联网中，分布式实体(例如，事物)交换和处理信息而不需要人类干预。已出现万物联网(IoE)，万物联网是IoT技术与大数据处理技术通过与云服务器连接的结合。由于技术要素例如“感测技术”、“有线/无线通信和网络架构”、“服务接口技术”和“安全技术”是IoT实现所需要的，所以近来已在研究传感器网络、机对机(M2M)通信、机器型通信(MTC)等。这种IoT环境可提供通过收集和分析由连接的事物生成的数据为人类生活创造新价值的智能互联网技术服务。IoT可通过现有信息技术(IT)与各种工业应用之间的融合和结合被应用于包括智能家居、智能建筑、智慧城市、智能汽车或联网汽车、智能电网、医疗保健、智能仪器和先进医疗服务的各个领域。
鉴于此，进行各种尝试以将5G通信系统应用于IoT网络。例如，诸如传感器网络、机器型通信(MTC)和机对机(M2M)通信的技术可通过波束成形、MIMO和阵列天线实现。将云无线接入网(RAN)应用作为上述大数据处理技术也可被认为是5G技术与IoT技术之间融合的示例。
发明内容
技术问题
在上述多输入多输出(MIMO)通信环境中，单个天线可以包括多个天线阵列，并且用于改善无线电波的增益和覆盖范围的透镜可以附接到每个天线阵列。
透镜是一种通过改变通过天线阵列辐射的无线电波的相位来改善天线阵列的性能的设备，因此通常可以基于与透镜组合的天线或天线阵列来确定透镜的结构。
问题的解决方案
根据本公开的天线模块可以包括：天线，其包括设置在其中的至少一个天线阵列；以及透镜。所述天线可以包括第一天线阵列，该第一天线阵列辐射相对于所述天线的垂直平面偏转了预定的第一角度的无线电波。所述透镜可以与所述天线间隔开预定的第一距离，并且可以改变从所述天线辐射的所述无线电波的相位。
可以基于所述第一距离或所述第一天线阵列的宽度来确定所述第一角度。
所述天线还可以包括第二天线阵列，所述第二天线阵列与所述第一天线阵列间隔开预定的第二距离，并且所述第二天线阵列可以辐射相对于所述天线的垂直平面偏转了所述第一角度的无线电波。
根据权利要求3所述的天线模块，其中，可以基于所述第一距离、所述第一天线阵列的宽度或所述第二距离，确定所述第一角度。
所述透镜可以是平面透镜，并且可以一体地形成以覆盖所述天线的上表面。
可以基于所述第一天线阵列的中心轴和所述第二天线阵列的中心轴来确定所述天线的无线电波相位的中心轴，并且所述透镜的中心轴可以与所述天线的无线电波相位的中心轴重合。
所述第一天线阵列的无线电波强度的中心轴和所述第二天线阵列的无线电波强度的中心轴可以从所述天线的垂直平面偏转所述第一角度。
在包括根据本公开的天线模块的基站中，所述天线模块可以包括：天线，其包括设置在所述天线中的至少一个天线阵列；以及透镜。所述天线可以包括第一天线阵列，该第一天线阵列辐射相对于所述天线的垂直平面偏转了预定的第一角度的无线电波。
所述透镜可以与所述天线间隔开预定的第一距离，并且可以改变从所述天线辐射的所述无线电波的相位。
可以基于所述第一距离或所述第一天线阵列的宽度来确定所述第一角度。
所述天线还可以包括第二天线阵列，所述第二天线阵列与所述第一天线阵列间隔开预定的第二距离，并且所述第二天线阵列可以辐射相对于所述天线的垂直平面偏转了所述第一角度的无线电波。
可以基于所述第一距离、所述第一天线阵列的宽度或所述第二距离来确定所述第一角度。
所述透镜可以是平面透镜，并且可以一体地形成以覆盖所述天线的上表面。
可以基于所述第一天线阵列的中心轴和所述第二天线阵列的中心轴来确定所述天线的无线电波相位的中心轴，并且所述透镜的中心轴可以与所述天线的无线电波相位的中心轴重合。
所述第一天线阵列的无线电波强度的中心轴和所述第二天线阵列的无线电波强度的中心轴可以从所述天线的垂直平面偏转所述第一角度。
发明的有益效果
根据本公开的实施例，所述天线的相位分布中心可以与所述透镜的相位分布中心重合，从而即使在一个天线中设置有多个天线阵列，也可以防止通过所述天线辐射的波束失真。
附图说明
图1是示出支持波束成形的移动通信系统的图。
图2是示出包括透镜的天线模块的结构的图。
图3a是示出当在天线中设置了一个天线阵列时的天线模块的结构的图。
图3b是示出当在天线中设置了一个天线阵列时通过透镜辐射的波束的强度分布的图。
图3c是示出当在天线中设置了一个天线阵列时通过透镜辐射的波束的相位分布的图。
图4是示出根据本公开的实施例的当在天线中设置了多个天线阵列时的天线模块的配置的图。
图5a是示出当在天线中设置了多个天线阵列时的天线模块的结构的图。
图5b是示出当在天线中设置了多个天线阵列时通过透镜辐射的波束的相位分布的图。
图5c是示出当在天线中设置了多个天线阵列时通过透镜辐射的波束的强度分布的图。
图6是示出当在天线中设置了多个天线阵列时从天线辐射的波束与通过透镜辐射的波束之间的相位差的曲线图。
图7是示出在天线中设置了多个天线阵列并且每个天线阵列以预定角度偏转和辐射波束的情况的视图。
具体实施方式
在以下实施例的描述中，省略了本领域中公知的并且与本发明不直接相关的技术的描述。这是为了通过省略任何不必要的解释来清楚地传达本公开的主题。
出于相同的原因，附图中的一些元件被放大、省略或示意性地示出。而且，每个元素的大小并不能完全反映实际大小。在附图中，相同或相应的元件由相同的附图标记表示。
参考以下详细描述的实施例并参考附图，本公开的优点和特征以及实现它们的方式将变得显而易见。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应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得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。为了向本领域技术人员充分公开本公开的范围，本公开仅由权利要求的范围限定。在本公开中，相似的附图标记用于指示相似的组成元件。
将理解，流程图图示的每个框以及流程图图示中的框的组合可以由计算机程序指令来实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，从而使得经由计算机或其他可编程数据处理机执行的指令产生用于实现在一个或多个流程图框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可用或计算机可读的存储器中，该计算机可用或计算机可读的存储器可以指导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式起作用，从而使得存储在计算机可用或计算机可读的存储器中的指令产生包括指令装置的产品，该指令装置实现一个或多个流程图框中指定的功能。也可以将计算机程序指令加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，以使一系列操作步骤在计算机或其他可编程设备上执行，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现在一个或多个流程图框中指定的功能的步骤。
另外，流程图的每个框可以代表代码的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应注意，在一些替代实施方式中，框中指出的功能可以不按顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个框，或者有时可以以相反的顺序执行这些框。
如本文所用，术语“单元”是指执行某些任务的软件或硬件组件或设备，例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。单元可以被配置为驻留在可寻址存储介质上，并且可以被配置为在一个或更多个处理器上执行。因此，例如，模块或单元可以包括组件(例如，软件组件、面向对象的软件组件、类组件和任务组件)、过程、功能、属性、进程、子例程、程序代码段、驱动程序、固件、微码、电路、数据、数据库、数据结构、表、矩阵和变量。可以将在组件和单元中提供的功能组合为更少的组件和单元，或者进一步分离为其他组件和模块。另外，可以将组件和单元实现为操作设备或安全多媒体卡中的一个或更多个中央处理单元(CPU)。而且，在实施例中，单元可以包括一个或更多个处理器。
图1是示出支持波束成形的移动通信系统的图。
示出了多个基站111和112中的每个基站与包括根据本公开的天线模块的通信设备120之间的通信。如上所述，5G移动通信可具有较宽的频率带宽。
另一方面，从基站111和112或通信设备120发射的无线电波的增益和覆盖范围可能变差。因此，为了解决这个问题，5G移动通信系统基本上使用波束成形技术。
也就是说，基站111和112或包括支持5G移动通信系统的天线模块的通信设备120可以以各种角度形成波束，并使用所形成的波束中具有最佳通信环境的波束进行通信。
参照图1为例，通信设备120可以形成以不同角度辐射的三种波束，相应地，基站也可以形成以不同角度辐射的三种波束。例如，通信设备120可以辐射波束索引为1、2和3的三种波束，第一基站111可以辐射波束索引为4、5和6的三种波束，第二基站112可以辐射波束索引为7、8和9的三种波束。
在这种情况下，通过通信设备120与第一基站111和第二基站112之间的通信，通信设备和第一基站可以通过具有最佳通信环境的波束(例如，通信设备120的波束索引为2的波束和第一基站111的波束索引为5的波束)来执行通信。以相同的方式，通信设备120和第二基站112可以执行通信。
同时，图1仅示出了可以应用5G通信系统的一个示例。即，可以增加或减少能够由通信设备或基站辐射的波束的数量，因此本公开的范围不应限于图1中所示的波束的数量。
图1所示的通信设备120包括能够执行与基站的通信的各种设备。例如，这样的设备可以包括客户场所设备(CPE)或无线转发器。图2是示出包括透镜的天线模块的结构的图。
根据本公开的天线模块可以包括：天线200，其包括至少一个天线阵列；以及透镜210。也就是说，根据本公开的天线200可以包括多个天线阵列。例如，一个天线200可以包括四个天线阵列，并且可以通过调整通过每个天线阵列辐射的波束的角度来最终确定通过天线200辐射的波束的角度。
通过天线200辐射的波束可以穿过与天线200间隔开预定距离的透镜210。透镜210可以改变入射在透镜上的波束(或无线电波)的相位。
具体地，透镜210可以通过在透镜上形成的图案将入射在透镜210上的波束的相位值改变为同一相位值，然后将它们辐射到透镜210的外部。
因此，通过透镜210辐射到外部的波束具有比通过天线200辐射的波束更锐利的形状。也就是说，使用透镜210可以提高通过天线200辐射的波束的增益值。下面将参考图3a至图3c描述关于使用透镜210的波束的增益值改善和相位变化的更详细描述。
图3a是示出当在天线中设置了一个天线阵列时的天线模块的结构的图。
当仅一个天线阵列200设置在天线中时，通过天线阵列200辐射的无线电波(或波束)可以具有如图3a所示的形状。另外，如图3a所示，无线电波的强度分布和相位分布可以围绕无线电波的中心轴具有抛物线形状。
同时，可以将与天线阵列200间隔开预定距离的透镜210设置为使得无线电波的中心轴和透镜的中心轴彼此重合。在这种情况下，透镜210的相位分布可以是抛物线，其形状与无线电波的相位分布相反。(如上所述，可以通过在透镜上形成的图案来确定透镜的相位分布。形成用于确定相位分布的透镜图案的方法不在本公开的范围之内，因此省略其详细描述)。
也就是说，在图3a所示的天线模块的结构中，透镜的中心轴和无线电波的中心轴彼此重合，并且透镜相位分布的中心、天线无线电波的相位分布的中心以及天线无线电波的强度分布的中心也全部重合。
在图3a中公开的天线模块结构的情况下，通过透镜辐射的波束的强度分布在图3b中示出，并且波束的相位分布在图3c中示出。
通过图3b和图3c，可以看出，通过透镜辐射的无线电波的增益值越接近透镜的中心轴就越大，并且也可以看到形成了无线电波的相位值，使得透镜的中心轴和无线电波的中心轴彼此重合。
同时，单个天线可以包括多个天线阵列。特别地，在多输入多输出(MIMO)通信环境中，对包括多个天线阵列的天线的需求增加。
图4是示出根据本公开的实施例的当在天线中设置了多个天线阵列时的天线模块的配置的图。
根据本公开的天线模块400可以包括天线200，该天线200包括天线阵列201、202、203和204中的至少一个。每个天线阵列201、202、203和204可以包括多个天线元件。例如，一个天线阵列可以由图4中所示的16个天线元件组成，天线阵列可以通过控制各个天线元件以各种角度形成波束。
另外，天线模块400可以根据需要进一步包括各种组件。例如，天线模块400还可以包括用于向天线模块400提供电力的连接器230，以及用于转换通过连接器230提供的电压的DC/DC转换器210。
另外，天线模块400还可以包括现场可编程门阵列(FPGA)220。FPGA220是包括可编程逻辑器件和可编程互连线的半导体器件。可以通过复制诸如“与”、“或”、“异或”和“非”的逻辑门以及更复杂的解码器功能来对可编程逻辑器件进行编程。FPGA也可以包括触发器或存储器。
另外，天线模块400可以包括低压降(LDO)调节器240。当输出电压低于并且非常接近输入电压时，LDO调节器240是高效的调节器，并且可以去除输入功率的噪声。由于具有低输出阻抗，所以LDO调节器240可以具有通过在电路中设置主导极点来稳定电路的功能。
同时，图4仅示出了根据本公开的实施例的天线模块的结构，因此本公开的范围不应限于此。
也就是说，图4示出了四个天线阵列构成一个天线的情况，但是包括在一个天线中的天线阵列的数量可以根据需要增加或减少。另外，可以根据需要添加或移除前述连接器230、DC/DC转换器210、FPGA 220或LDO调节器240。
当如图4所示在一个天线中包括多个天线阵列时，在图5a中示出包括天线和透镜的天线模块的结构。具体地，图5a示出了在一个天线500中包括两个天线阵列200和202的情况。
构成一个天线500的第一天线阵列200和第二天线阵列202彼此间隔开预定距离，并且第一天线阵列200和第二天线阵列202中的每个可以朝向透镜210辐射无线电波。
从图5a可以看出，在包括第一天线阵列200和第二天线阵列202的天线模块的配置中，透镜210的中心轴与第一天线阵列200的无线电波中心轴和第二天线阵列202的无线电波中心轴不重合。
这是因为第一天线阵列200和第二天线阵列202不能被定位为彼此物理重叠。因此，通过第一天线阵列200和第二天线阵列202辐射的无线电波不重叠，并且如图5a所示，彼此间隔开。
也就是说，通过第一天线阵列200辐射的无线电波的天线无线电波角度分布和天线无线电波相位分布与通过第二天线阵列202辐射的无线电波的天线无线电波角度分布和天线无线电波相位分布不重合。
另外，通过第一天线阵列200辐射的无线电波的相位分布与通过第二天线阵列202辐射的无线电波的相位分布之和与透镜的相位分布不相反。结果，可能劣化透镜的性能(增益值提高和覆盖范围提高)。(可以使透镜的性能最大化的条件是如图3A所示的由天线无线电波相位分布形成的抛物线和由透镜相位分布形成的抛物线彼此相反的情况)。
图5b是示出图5a所示的天线模块结构中的通过透镜辐射的波束的相位分布的图，图5c是示出图5a所示的天线模块结构中的通过透镜辐射的波束的强度分布的图。
从图5b和图5c可以看出，透镜中心轴与从包括第一天线阵列和第二天线阵列的天线辐射的无线电波的轴不重合。
因此，通过透镜辐射的无线电波强度围绕透镜的中心轴和天线无线电波的中心轴从一侧到另一侧均匀分布，使得通过透镜辐射的波束可能没有锐利的形状。(也就是说，通过透镜提高的增益值可能会降低。)
图6是示出当在天线中设置了多个天线阵列时从天线辐射的波束与通过透镜辐射的波束之间的相位差的图。除了上述的无线电波增益值减小之外，在图5a所示的结构中可能引起另一个问题。这可以通过图6的曲线图看出。
参照图6的曲线图，透镜的相位分布(在图中标记为“透镜”)和从天线辐射的无线电波的相位分布(在图中标记为“天线”)彼此相同。具体地，透镜的相位分布形成为相对于透镜的中心轴在零度入射角处具有峰值，而从天线辐射的无线电波的相位分布形成为相对于透镜的中心轴在大约12度的入射角处具有峰值。
因此，在如图5a所示的天线模块结构中，天线中心轴和透镜中心轴可能彼此不重合，从而天线模块可能难以在准确的角度形成波束。(如上所述，5G移动通信系统使用波束形成技术，该技术以预定的角度间隔形成多个波束。因此，无法以准确的角度形成多个波束是应用5G移动通信系统时的一个严重问题。)
图7是示出在天线中设置了多个天线阵列并且每个天线阵列以预定角度偏转和辐射波束的情况的视图。
如上所述，图5a所示的天线模块具有如下问题：由于天线包括多个天线阵列，因此通过天线辐射的无线电波的相位分布与透镜相位分布不对应。
因此，本公开旨在控制构成天线500的第一天线阵列201和第二天线阵列202的无线电波辐射角度，使得通过天线辐射的无线电波的相位分布与透镜相位分布相对应。
具体地，如图7所示，通过第一天线阵列201辐射的无线电波和通过第二天线阵列202辐射的无线电波被组合以形成通过天线500辐射的无线电波。由通过天线500辐射的无线电波的相位分布形成的抛物线与由围绕透镜210的透镜相位分布形成的抛物线相反。也就是说，可以控制第一天线阵列201和第二天线阵列202，使得天线无线电波相位分布的中心轴与透镜的中心轴彼此重合。
例如，第一天线阵列201和第二天线阵列202中的每一个可以辐射从天线的垂直平面以预定的第一角度偏转的无线电波，并且可以基于天线阵列与透镜之间的距离、天线阵列的宽度或天线阵列之间的距离来确定第一角度。
具体地，可以根据以下等式确定用于偏转的第一角度。
θ＝tan-1((W+p)/(2*D))
θ：第一角度，W：天线阵列的宽度，D：天线阵列与透镜之间的距离，p：天线阵列之间的距离
同时，尽管仅公开了在一个天线中包括两个天线阵列的情况，但是本公开的范围不应限于此。也就是说，如果需要，可以增加或减少天线中包括的天线阵列的数量。
另外，尽管以上描述了第一天线阵列和第二天线阵列可以辐射以相同的第一角度偏转的无线电波，但是根据需要，第一天线阵列和第二天线阵列也可以辐射以不同角度偏转的无线电波。(但是，即使在这种情况下，天线无线电波相位分布的中心轴和透镜的中心轴也应相互重合。)
尽管已经参考特定实施例详细描述了本公开，但是应当理解，可以在不脱离本公开的范围的情况下进行各种改变和修改。另外，如果需要，上述实施例可以选择性地彼此组合。例如，本公开中提出的一些实施例可以彼此组合并由基站和终端使用。

Claims (14)

1.一种天线模块，所述天线模块包括：
天线，所述天线包括设置在其中的至少一个天线阵列；以及
透镜，
其中，所述天线包括第一天线阵列，所述第一天线阵列辐射相对于所述天线的垂直平面偏转了预定的第一角度的无线电波，并且
其中，所述透镜与所述天线间隔开预定的第一距离，并改变从所述天线辐射的所述无线电波的相位。
2.根据权利要求1所述的天线模块，其中，所述第一角度是基于所述第一距离或所述第一天线阵列的宽度确定的。
3.根据权利要求1所述的天线模块，其中，所述天线还包括第二天线阵列，所述第二天线阵列与所述第一天线阵列间隔开预定的第二距离；以及
其中，所述第二天线阵列辐射相对于所述天线的垂直平面偏转了所述第一角度的无线电波。
4.根据权利要求3所述的天线模块，其中，所述第一角度是基于所述第一距离、所述第一天线阵列的宽度或所述第二距离确定的。
5.根据权利要求3所述的天线模块，其中，所述透镜是平面透镜，并且一体地形成以覆盖所述天线的上表面。
6.根据权利要求3所述的天线模块，其中，所述天线的无线电波相位的中心轴是基于所述第一天线阵列的中心轴和所述第二天线阵列的中心轴确定的，并且所述透镜的中心轴与所述天线的无线电波相位的中心轴重合。
7.根据权利要求3所述的天线模块，其中，所述第一天线阵列的无线电波强度的中心轴和所述第二天线阵列的无线电波强度的中心轴相对于所述天线的垂直平面偏转了所述第一角度。
8.一种包括天线模块的基站，
所述天线模块包括：
天线，所述天线包括设置在其中的至少一个天线阵列；以及
透镜，
其中，所述天线包括第一天线阵列，所述第一天线阵列辐射相对于所述天线的垂直平面偏转了预定的第一角度的无线电波，并且
其中，所述透镜与所述天线间隔开预定的第一距离，并改变从所述天线辐射的所述无线电波的相位。
9.根据权利要求8所述的基站，其中，所述第一角度是基于所述第一距离或所述第一天线阵列的宽度确定的。
10.根据权利要求8所述的基站，其中，所述天线还包括第二天线阵列，所述第二天线阵列与所述第一天线阵列间隔开预定的第二距离；以及
其中，所述第二天线阵列辐射相对于所述天线的垂直平面偏转了所述第一角度的无线电波。
11.根据权利要求10所述的基站，其中，所述第一角度是基于所述第一距离、所述第一天线阵列的宽度或所述第二距离确定的。
12.根据权利要求10所述的基站，其中，所述透镜是平面透镜，并且一体地形成以覆盖所述天线的上表面。
13.根据权利要求10所述的基站，其中，所述天线的无线电波相位的中心轴是基于所述第一天线阵列的中心轴和所述第二天线阵列的中心轴确定的，并且所述透镜的中心轴与所述天线的无线电波相位的中心轴重合。
14.根据权利要求10所述的基站，其中，所述第一天线阵列的无线电波强度的中心轴和所述第二天线阵列的无线电波强度的中心轴相对于所述天线的垂直平面偏转了所述第一角度。
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