CN111656611B - 包含内置的差分馈电方案的高增益和大带宽天线 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及超越诸如长期演进(LTE)的第4代(4G)通信系统的将被提供用于支持更高数据速率的pre‑5代(5G)或5G通信系统。本公开包括天线和包括天线的基站。所述天线包括至少一个单位单元，所述单位单元包括折板层、馈电网络和贴片。所述折板层包括多个折板。所述馈电网络位于所述折板层下方，并且包括多个馈电线。所述多个馈电线中的每个馈电线包括激励端口和传输线。所述贴片为四边形形状，并且位于所述折板层上方，使得所述贴片和所述折板层之间存在气隙。

Description

包含内置的差分馈电方案的高增益和大带宽天线
技术领域
本公开总体上涉及天线结构。更具体地，本公开涉及一种在大的频率范围上产生适度的辐射增益的天线结构。
背景技术
为了满足对自4G通信系统的部署以来已增加的无线数据业务的需求，已经做出努力来开发改进的5G或pre-5G通信系统。因此，5G或pre-5G通信系统也被称为“超4G网络”或“后LTE系统”。
5G通信系统被认为以较高的频率(mm波)频段(例如，28GHz或60GHz频段)实现，以便达到较高的数据速率。为了减少无线电波的传播损耗并增加传输距离，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、模拟波束成形和大规模天线技术。
另外，在5G通信系统中，正在基于高级小型小区、云无线电接入网络(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、协同多点(CoMP)、接收端干扰消除等进行对系统网络改进的开发。
在5G系统中，已经开发出了作为高级编码调制(ACM)的混合FSK和QAM调制(FQAM)和滑动窗口叠加编码(SWSC)，以及作为高级接入技术的滤波器组多载波(FBMC)、非正交多址(NOMA)和稀疏代码多址(SCMA)。
大规模多输入多输出(MIMO)的概念旨在提高下一代电信系统的覆盖范围和频谱效率。在下一代电信系统中，用户专门用一个或更多个空间方向来实现预期的通信目的。基于大规模MIMO的系统生成多个波束，并主动地为用户或一组用户形成波束，以提高所需的辐射效率。一些大规模MIMO天线系统具有大量的天线元件。因此，整个系统的性能取决于单个元件的性能，与工作频率下的波长相比，这些元件具有高增益和相当小的结构。工作频率范围为2.3-2.6GHz和/或3.4-3.6GHz。
由于设计频率和所产生的波长，在保持能够大批量生产的简单且低成本效益的整体天线结构的同时，在设计增益等于或优于～6dB并且带宽辐射范围覆盖3.2-3.9GHz范围的天线元件时会出现困难。
发明内容
问题的解决方案
本公开的实施例包括天线和包括天线的基站。
在一个实施例中，天线包括至少一个单位单元。所述至少一个单位单元包括折板层、馈电网络和贴片。所述折板层包括多个折板。所述馈电网络位于所述折板层下方，并且包括多个馈电线。所述多个馈电线中的每个馈电线包括激励端口和传输线。所述贴片为四边形形状，并且位于所述折板层上方，使得所述贴片和所述折板层之间存在气隙。
在另一个实施例中，基站包括天线、收发器和控制器。所述天线包括至少一个单位单元，所述单位单元包括折板层、馈电网络和贴片。所述折板层包括多个折板。所述馈电网络位于所述折板层下方，并且包括多个馈电线。所述多个馈电线中的每个馈电线包括激励端口和传输线。所述贴片为四边形形状，并且位于所述折板层上方，使得所述贴片和所述折板层之间存在气隙。所述收发器经由所述天线发射和接收信号。所述控制器控制所述收发器发射和接收所述信号。
在本公开中，频繁使用术语天线模块、天线阵列、波束和波束控制。天线模块可以包括一个或更多个阵列。一个天线阵列可以包括一个或更多个天线元件。每个天线元件可能能够提供一个或更多个极化，例如垂直极化、水平极化或者同时地垂直和水平极化两者。同时的垂直和水平极化可以被折射到正交极化天线。天线模块在特定方向上以增益集中的方式辐射接收的能量。在特定方向上的能量的辐射在概念上被称为波束。波束可以是来自一个或更多个天线元件或者一个或更多个天线阵列的辐射图案。
根据以下附图、说明书和权利要求，其他技术特征对于本领域技术人员而言是显而易见的。
在进行下面的详细描述之前，阐明整个本公开中使用的某些词语和短语的定义可能是有利的。术语“耦合”及其派生词是指两个或更多个元件之间的任何直接或间接通信，无论这些元件是否彼此物理接触。术语“发射”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意味着和/或。短语“与……相关联”及其派生词表示包括、被包括在内、与……互连、包含、被包含在内、连接到或与……连接、耦合到或与……耦合、与……通信、与……协作、交错、并置、邻近于、受约束为或受……约束、具有、具有……特性、具有……关系或与……有关等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这样的控制器可以以硬件或者硬件和软件和/或固件的组合来实现。与任何特定控制器相关联的功能可以是本地或远程的集中式的或分布式的。短语“至少一个”当与项目列表一起使用时，意味着可以使用一个或更多个所列项目的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任何一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
此外，下面描述的各种功能可以由一个或更多个计算机程序实现或支持，每个计算机程序由计算机可读程序代码形成并记录在计算机可读介质中。术语“应用”和“程序”是指适用于以合适的计算机可读程序代码实现的一个或更多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、函数、对象、类、实例、相关数据或其一部分。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够由计算机访问的任何类型的介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质不包括传输瞬时电信号或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂时性计算机可读介质包括可以永久存储数据的介质以及可以存储数据并随后被覆写的介质，例如可重写光盘或可擦除存储设备。
在整个本公开中提供了对其他某些单词和短语的定义。本领域普通技术人员应当明白即使不是在大多数情况下也是在很多情况下，这样的定义适用于这样定义的词语和短语在以前以及未来的使用。
附图说明
为了更加完整地理解本公开及其优点，现在参考结合附图的以下描述，在附图中相同的附图标记代表相同的部件：
图1示出了根据本公开的各种实施例的网络的系统；
图2示出了根据本公开的各种实施例的基站；
图3A示出了根据本公开的各种实施例的单位单元的俯视透视图；
图3B示出了根据本公开的各种实施例的单位单元的截面图；
图3C示出了根据本公开的各种实施例的单位单元的分解图；
图4A示出了根据本公开的各种实施例的包括以交错布置的单位单元的天线面板的俯视透视图；
图4B示出了根据本公开的各种实施例的包括以交错布置的单位单元的天线面板的截面图；
图4C示出了根据本公开的各种实施例的包括以交错布置的单位单元的天线面板的分解图；
图5A示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元的天线面板的俯视透视图；
图5B示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元的天线面板的仰视透视图；
图6示出了根据本公开的各种实施例的单位单元的子阵列；
图7示出了根据本公开的各种实施例的单位单元的子阵列；
图8A示出了根据本公开的各种实施例的单位单元的俯视透视图；
图8B示出了根据本公开的各种实施例的单位单元的截面图；
图8C示出了根据本公开的各种实施例的单位单元的分解图；
图9A示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元的天线面板的俯视透视图；
图9B示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元的天线面板的截面图；以及
图9C示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元的天线面板的分解图。
具体实施方式
下面讨论的图1到图9C以及用来描述本公开原理的各种实施例仅仅是示例性的，不应以限制本公开范围的方式进行解释。本领域技术人员将理解，可以以任何适当布置的无线通信系统来实施本公开的原理。
为了满足对自4G通信系统的部署以来已增加的无线数据业务的需求，已经做出努力来开发改进的5G或pre-5G通信系统。因此，5G或pre-5G通信系统也被称为“超4G网络”或“后LTE系统”。
5G通信系统被认为以较高的频率(mm波)频段和sub-GHz频段(例如，3.5GHz频段)实现，以便达到较高的数据速率。为了减少无线电波的传播损耗并增加传输距离，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、模拟波束成形和大规模天线技术。
另外，在5G通信系统中，正在基于高级小型小区、云无线电接入网络(RAN)、超密集网络、设备到设备(D2D)通信、无线回程通信、移动网络、协作通信、协同多点(CoMP)传输与接收、干扰缓解和消除等进行对系统网络改进的开发。
图1示出了根据本公开的实施例的示例无线网络。图1所示的无线网络的实施例仅用于说明。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用无线网络100的其他实施例。
如图1所示，无线网络100包括gNB 101、gNB 102和gNB 103。gNB101与gNB 102和gNB 103通信。gNB 101还与至少一个网络130通信，例如因特网、专有因特网协议(IP)网络或其他数据网络。
gNB 102为gNB 102的覆盖区域120内的第一多个UE提供对网络130的无线宽带接入。第一多个UE包括：可以位于小型企业(SB)中的UE 111；可以位于企业(E)中的UE 112；可以位于WiFi热点(HS)中的UE 113；可以位于第一住宅(R)中的UE 114；可以位于第二住宅(R)中的UE 115；以及可以是诸如蜂窝电话、无线膝上型计算机、无线PDA等的移动设备(M)的UE 116。gNB 103为gNB 103的覆盖区域125内的第二多个UE提供对网络130的无线宽带接入。第二多个UE包括UE 115和UE 116。在一些实施例中，gNB 101-103中的一个或更多个gNB可以使用5G、LTE、LTE-A、WiMAX、WiFi或其他无线通信技术彼此通信以及与UE 111至UE 116通信。
根据网络类型，术语“基站”或“BS”可以指被配置为提供对网络(例如传输点(TP)、发送-接收点(TRP)、增强型基站(eNodeB或gNB)、5G基站(gNB)、宏小区、毫微微小区、WiFi接入点(AP)或其他启用无线功能的设备)的无线接入的任何组件(或组件的集合)。基站可以根据一种或更多种无线通信协议(例如，5G第三代合作伙伴计划(3GPP)新无线接口/接入(NR)、长期演进(LTE)、高级LTE(LTE-A)、高速分组接入(HSPA)、Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac等)来提供无线接入。为了方便起见，术语“BS”和“TRP”在本公开中可互换使用以指代提供对远程终端的无线接入的网络基础设施组件。另外，根据网络类型，术语“用户设备”或“UE”可以指代任何组件，例如“移动站”、“用户站”、“远程终端”、“无线终端”、“接收点”或“用户设备”。为了方便起见，在本公开中使用术语“用户设备”和“UE”来指代无线接入BS的远程无线设备，无论UE是移动设备(例如，移动电话还是智能电话)或通常被视为固定设备(例如，台式计算机或自动售货机)。
虚线表示覆盖区域120和125的大致范围，仅出于说明和解释的目的而将其显示为大致圆形。应当清楚地理解，取决于gNB的配置以及与自然和人为障碍相关的无线电环境的变化，与gNB相关的覆盖区域(例如覆盖区域120和125)可以具有其他形状，包括不规则形状。
尽管图1示出了无线网络的一个示例，但是可以对图1进行各种改变。例如，无线网络可以包括任何合适的布置的任意数量的gNB和任意数量的UE。此外，gNB 101可以直接与任何数量的UE通信，并为那些UE提供对网络130的无线宽带接入。类似地，每个gNB 102-103可以直接与网络130通信，并为UE提供对网络130的直接无线宽带接入。此外，gNB 101、gNB102和/或gNB 103可以提供对其他或另外的外部网络(例如外部电话网络或其他类型的数据网络)的接入。
图2示出了根据本公开的实施例的示例gNB 102。图2所示的gNB 102的实施例仅用于说明，并且图1的gNB 101和gNB 103可以具有相同或相似的配置。然而，gNB可以具有多种配置，并且图2不将本公开的范围限制为gNB的任何特定实现。
如图2所示，gNB 102包括多个天线205a-205n、多个射频(RF)收发器210a-210n、发射(TX)处理电路215和接收(RX)处理电路220。gNB 102还包括控制器/处理器225、存储器230以及回程或网络接口235。在各种实施例中，天线205a-205n可以是可以基于多个谐振模式的概念而设计的高增益和大带宽天线，并且可以合并堆叠或多个贴片天线方案。例如，在各种实施例中，多个天线205a-205n中的每个天线可以包括一个或更多个天线面板，该天线面板包括一个或更多个单位单元(例如，图3A-C中所示的单位单元300或图8A-8C中所示的单位单元800)。
RF收发器210a-210n从天线205a-205n接收输入的RF信号，诸如网络100中的UE发送的信号。RF收发器210a-210n将输入的RF信号下变频以产生IF或基带信号。IF或基带信号被发送到RX处理电路220，RX处理电路220通过对基带或IF信号进行滤波、解码和/或数字化来生成处理后的基带信号。RX处理电路220将处理后的基带信号发送到控制器/处理器225以进行进一步处理。
TX处理电路215从控制器/处理器225接收模拟或数字数据(例如语音数据、网络数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路215对输出的基带数据进行编码、复用和/或数字化，以生成处理后的基带或IF信号。RF收发器210a-210n从TX处理电路215接收输出的经处理的基带或IF信号，并且将基带或IF信号上变频为经由天线205a-205n发射的RF信号。
控制器/处理器225可以包括一个或更多个控制gNB 102的整体操作的处理器或其他处理设备。例如，控制器/处理器225可以根据公知的原理控制RF收发器210a-210n、RX处理电路220和TX处理电路215的前向信道信号的接收和反向信道信号的发送。控制器/处理器225也可以支持额外的功能，例如更高级的无线通信功能。例如，控制器/处理器225可以支持波束成形或定向路由选择操作，在该操作中，对来自/去往多个天线205a-205n的输出/输入信号进行不同的加权，以有效地将输出信号导向所需的方向。控制器/处理器225可以在gNB 102中支持各种各样的其他功能。
控制器/处理器225还能够执行驻留在存储器230中的程序和其他进程，例如OS。控制器/处理器225可以根据执行过程的需要将数据移入或移出存储器230。
控制器/处理器225也耦合到回程或网络接口235。回程或网络接口235允许gNB102通过回程连接或通过网络与其他设备或系统通信。接口235可以支持通过任何适当的有线或无线连接的通信。例如，当gNB 102被实施为蜂窝通信系统(例如支持5G、LTE或LTE-A的蜂窝通信系统)的一部分时，接口235可以允许gNB 102通过有线或无线回程连接与其他gNB通信。当gNB 102被实施为接入点时，接口235可以允许gNB 102通过有线或无线局域网或通过有线或无线连接与较大的网络(例如，互联网)通信。接口235包括支持通过有线或无线连接的通信的任何合适的结构，例如以太网或RF收发器。
存储器230耦合至控制器/处理器225。存储器230的一部分可以包括RAM，并且存储器230的另一部分可以包括闪存或其他ROM。
尽管图2示出了gNB 102的一个示例，但是可以对图2进行各种改变。例如，gNB 102可以包括图2中所示的任意数量的每种组件。作为特定示例，接入点可以包括多个接口235，并且控制器/处理器225可以支持路由功能以在不同的网络地址之间对数据进行路由。作为另一特定示例，尽管被示出为包括单个实例的TX处理电路215和单个实例的RX处理电路220，但是gNB 102可以包括多个实例的TX处理电路215或RX处理电路220(例如，每个RF收发器一个)。而且，图2中的各种组件可以被组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加额外的组件。
根据各种实施例，天线包括至少一个单位单元。至少一个单位单元包括：具有多个折板(flap)的折板层；位于折板层下方的馈电网络，该馈电网络包括多个馈电线，多个馈电线中的每个馈电线包括激励端口和传输线；以及具有四边形形状的贴片，该贴片位于折板层上方，使得贴片和折板层之间存在气隙。
在一些实施例中，天线还包括位于折板层和馈电网络之间的多个槽。每个传输线延伸经过多个槽中的一个槽，并且具有位于多个槽中的相对槽之间的端点。
在一些实施例中，用于馈电网络的层上方的折板层中的多个折板形成了腔，该折板层是电磁材料层，该多个折板是从该电磁材料层加工而成的，并且多个折板包括围绕腔设置的四个折板。
在一些实施例中，天线还包括天线面板。至少一个单位单元包括在天线面板中相对于彼此以大约四十五度角彼此相邻设置的多个单位单元。
在一些实施例中，折板层形成在基板的一侧上，并且馈电网络形成在基板的另一侧上，并且多个折板和传输线由一种或更多种电磁材料形成。
在一些实施例中，天线还包括天线面板。至少一个单位单元包括在天线面板中彼此相邻设置的多个单位单元。
在一些实施例中，贴片包括位于贴片的每个角上的狭缝。
在一些实施例中，至少一个单位单元包括形成子阵列的两个单位单元，子阵列中的单位单元共享公共馈电网络。
在一些实施例中，子阵列包括具有+90度和-90度的差异的正交极化；该差异是经由公共馈电网络引入的。
在一些实施例中，天线还包括天线面板，该天线面板包括多个子阵列，每个子阵列包括共享公共馈电网络的两个单位单元。
在一些实施例中，馈电网络是非对称带状线馈电网络。
在一些实施例中，天线还包括多个引脚，每个引脚连接到多个馈电线中的一个馈电线的激励端口并且连接到非对称带状线馈电网络。
根据各种实施例，基站包括天线，该天线包括至少一个单位单元。所述至少一个单位单元包括：包括围绕空隙布置的多个折板的折板层；位于折板层下方的馈电网络，该馈电网络包括多个馈电线，该多个馈电线中的每个馈电线包括激发端口和传输线；以及具有四边形形状的贴片，该贴片位于折板层中的空隙上方，使得贴片和折板层之间存在气隙。基站包括被配置为经由天线发射和接收信号的收发器以及被配置为控制收发器发射和接收信号的控制器。
在一些实施例中，至少一个单位单元还包括位于折板层和馈电网络之间的多个槽。每个传输线延伸经过多个槽中的一个槽，并且具有位于多个槽中的相对槽之间的端点。
在一些实施例中，在用于馈电网络的层上方的折板层中的多个折板形成了腔，该折板层是电磁材料层，该多个折板是从该电磁材料层加工而成的，并且多个折板包括围绕腔设置的四个折板。
在一些实施例中，折板层形成在基板的一侧上，并且馈电网络形成在基板的另一侧上，并且多个折板和传输线由一种或更多种电磁材料形成。
在一些实施例中，贴片包括位于贴片的每个角上的狭缝。
在一些实施例中，至少一个单位单元包括形成子阵列的两个单位单元，子阵列中的单位单元共享公共馈电网络。
在一些实施例中，子阵列包括具有+90度和-90度的差异的正交极化；该差异是经由公共馈电网络引入的。
在一些实施例中，天线还包括多个引脚，每个引脚连接到多个馈电线中的一个馈电线的激励端口并且连接到馈电网络。
图3A-3C示出了根据本公开的各种实施例的单位单元300。图3A示出了单位单元300的俯视透视图。图3B示出了单位单元300的截面图。图3C示出了单位单元300的分解图。尽管图3A-3C示出了单位单元300的一个示例，但是可以对单位单元300进行各种改变。例如，图3A-3C中的各种组件可以被组合、进一步细分或省略，并且可以添加额外的组件。
单位单元300可以包括包括贴片305的第一层、包括多个折板315的折板层310、包括多个狭缝355的层以及包括馈电网络330的基板层320。折板层310包括多个折板315。单位单元300可以被布置在天线205a-205n中的任何一个天线中包括的天线面板上。
包括贴片305的第一层是单位单元300的顶层。贴片305可以是四边形形状，并且在贴片305的每个角中包括狭缝325。例如，贴片305可以被构造为方形或矩形的形状，并且在每个角处包括狭缝325。在其他实施例中，贴片305可以是圆形形状，并且包括四个狭缝325。例如，四个狭缝325可以各自间隔开九十度。在一些实施例中，贴片305可以是电磁(EM)材料层中的介电材料，使得EM辐射可以穿过介电材料。尽管本公开描述了四边形形状作为路径天线的形状的示例，但是本发明的实施例不限于此。本公开的一些实施例还可以应用于具有任何类型的多边形(例如，三角形、六边形)的贴片天线。
包括贴片305的第一层可以直接布置在折板层310的顶部。贴片305是单位单元300的主要辐射元件。狭缝325可以用于增大单位单元300的带宽。
折板层310布置在贴片305下方。折板层310包括形成腔350的多个折板315。在该实施例中，折板层310是EM材料(例如，金属或其他EM材料)层，多个折板315从该EM材料层加工而成。例如，折板层310的多个折板315可以从任何合适的EM材料层加工而成(或以其他方式形成在该任何合适的EM材料层中)。在该示例中，多个折板315包括围绕腔350设置的四个折板。
当从折板层310加工出多个折板315时，形成了腔350。在一些实施例中，腔350可以填充有介电材料，并且因此可以被认为是EM材料的腔，因为在该腔中不存在EM材料。在其他实施例中，腔350可以充满空气，并且表示在折板层310中不存在EM材料。此外，如图3B所示，在包括贴片305的层和折板层310之间存在气隙370。
馈电网络330包括多个馈电线335。多个馈电线355中的每个馈电线包括激励端口340和传输线345。激励端口340从电源接收电力以为单位单元300供电。传输线345从激励端口延伸并且具有在由多个折板315形成的腔350下方(当组装时)的端点。
在一些实施例中，多个馈电线335可以被包括在公共馈电网络中，该公共馈电网络包括多个单位单元300的馈电网络330。可以使用任何合适的技术来实现馈电网络330，诸如串联馈电网络、协同馈电网络(corporate feeding network)、带状线馈电网络、非对称带状线或不均匀带状线馈电网络。多个馈电线335可以包括一种或更多种EM材料。例如，多个馈电线335可以从任何合适的EM材料加工而成。多个馈电线335中的每个馈电线可以被沉积到基板层320上。
例如，可以通过使用非对称带状线来实现对单位单元300的激励。带状线可以通过将金属传输线夹在两个接地的介电基板(例如介电平板)之间来形成，其中基板与传输线接触，并且基板的接地平面在外部。当基板中的一个基板被空气替换时，带状线结构与对应的带状线相比变得非对称。可以将非对称带状线的结构应用于单位单元300的结构中，以通过多个槽355提供激发和单向辐射。
基板层320可以由用于大规模MIMO天线的任何合适的材料构成。例如，可以使用玻璃增强的环氧层压材料FR4来构造基板层320。在一些实施例中，折板层310可以沉积在基板层320的一侧上，并且馈电网络330可以沉积在基板层320的相对侧上。
单位单元300还包括多个槽355。在这些实施例中，通过在位于基板层320和折板层310之间的EM材料层中不存在EM材料来形成多个槽355。可以在基板层320的顶部上的EM材料层中加工出多个槽355。组装时，每个传输线335延伸经过多个槽355中的一个槽，并在多个槽355中相对槽之间终止。用于槽355的EM材料层可以是金属或作为合适导体的任何其他材料。多个槽355被构造成允许EM能量朝着贴片305穿过EM材料层。在一些实施例中，多个槽355可以存在于基板层320的一侧上，并且馈电网络330可以沉积在基板层320的相对侧上。
在这个说明性示例中，多个槽355可以包括四个单独的槽355。四个槽355可以包括：包含两个彼此基本平行布置的槽355的第一组；以及包含两个彼此基本平行且垂直于第一组的槽355布置的槽355的第二组。每个传输线335可以与单独的槽355相关联。每个传输线335可以延伸经过多个槽355中的一个槽，并且具有位于多个槽355中相对槽之间的端点。
在一些实施例中，单位单元300可以包括多个引脚360，每个引脚360连接到多个馈电线335中的一个馈电线的激励端口的底部并连接到馈电网络330。多个引脚360中的每个引脚可以是同轴电缆，并且以调制电流的形式向单位单元300供应EM能量。多个引脚360是单位单元300的激励点。
单位单元300的结构具有多种优点。在一些实施例中，可以在无需焊接的情况下组装单位单元300，从而导致低成本且低耗时的组装。在一些实施例中，作为将狭缝325与折板层310的边缘片之间的空间耦合的结果，单位单元300可以在不牺牲增益的情况下实现大约700MHz(0.7GHz)的带宽。在一些实施例中，单位单元300利用带状线馈电或非对称带状线馈电，导致低的相互耦合。在一些实施例中，带状线馈电或非对称带状线馈电结构可以包括滤波器。
尽管在本文中描述为包括多个层的单个单元，但是该描述仅用于说明。在一些实施例中，在本文中描述的每个层可以包括用于多个单位单元300的多个组件。例如，包括贴片305的层可以包括包含多个贴片305的层。包括多个折板315的折板层310可以包括多于一个的折板315。基板层320可以包括多个馈电网络330。当所描述的每个层以特定布置(例如以图4A-4C中所描述的布置)布置时，可以形成包括多个单位单元300的天线面板。
图4A-4C示出了根据本公开的各种实施例的包括以交错布置的多个单位单元的天线面板。图4A示出了包括单位单元405的天线面板400的俯视透视图。图4B示出了包括单位单元405的天线面板400的截面图。图4C示出了包括单位单元405的天线面板400的分解图。在一些实施例中，每个单位单元405可以是单位单元300之一。
天线面板400包括多个单位单元405。例如，如图4A所示，天线面板400可以包括八个单位单元405。在一些实施例中，天线面板400可以包括多于或少于八个单位单元405。天线面板400可以被包括在天线中，例如被包括在天线205a-205n中的任何一个天线中。
天线面板400可以由图3A-3C中描述的多个层组成。特别地，为了易于理解天线面板400的结构，图4A示出了下层的组件以虚线示出的多个层。例如，天线面板400可以包括：包括多个贴片425的第一层420、包括多个折板435和多个腔437的第二层430以及包括多个馈电网络445的第三层440。天线面板可以包括第二层430和第三层440之间的气隙470。天线面板400中的每个单位单元405可以包括贴片425、多个折板435和馈电网络445。贴片425可以是贴片305。多个折板435可以是多个折板315。馈电网络445可以是馈电网络330。
单位单元405可以在天线面板400中彼此相邻放置。在一些实施例中，单位单元405可以布置成四个子阵列410。每个子阵列410可以包括两个单位单元405。子阵列410中包括的两个单位单元405可以以相对于彼此大约四十五度角的1×2布置来布置。如下面更详细地讨论的，在一些实施例中，子阵列410中的两个单位单元405可以包括公共馈电网络415。公共馈电网络415可以包括每个单位单元405的馈电网络445。
以子阵列410布置的多个单位单元405的结构可以提高天线面板400的性能。通过交错布置的子阵列410来布置单位单元405可以导致更有效的公共馈电网络415，该公共馈电网络415允许天线面板400在期望的频带上实现总体上改进的辐射性能和适度的增益特性。利用多个单位单元405的天线面板400的布置可以导致大约6dB的增益。天线面板400上子阵列410的布置可以导致大约9dB的增益并且提供覆盖3.2-3.9GHz范围的宽带辐射。
公共馈电网络415可以包括激励端口和向子阵列410中的两个单位单元405馈电的传输线。在下面的图6和图7的描述中更详细地描述了公共馈电网络415。
如图4A-4C所示，天线面板400包括以交错构造布置的八个单位单元405。例如，单位单元405以相对于彼此成45度偏移的2×4布置设置在天线面板400中。尽管单位单元405以相对于彼此成45度偏移的2×4布置示出，但是该布置仅用于说明。其他实施例是可能的。例如，天线面板400可以包括以相对于彼此成45度偏移的4×4布置而布置的十六个单位单元405。在其他实施例中，可以适当地使用以任何布置的任何数量的单位单元405。
在一些实施例中，尽管馈电网络445被合并成向子阵列410的两个单位单元405馈电的公共馈电网络415，但是单位单元405可以保持单独的极化。例如，公共馈电网络415可以支持单位单元405的交错布置，从而导致两个单位单元405之间的极化差异。极化差异通过公共馈电网络415被引入到每个单位单元405。通过向子阵列410的两个单位单元405中的每个单位单元的馈电网络445馈电并保持单独的极化，相关联的RF电路可以通过公共馈电网络415提供主动极化的单个差分馈电。在各个实施例中，每个子阵列410可以合并任何合适的馈电网络布置，例如串联馈电网络、协同馈电网络或带状线馈电网络。公共馈电网络415用于优化由天线面板400产生的波束的波束控制能力。
子阵列410中的单位单元405的交错构造具有若干个优点。例如，在一些实施例中，交错构造可以改善从天线400发射的波束的旁瓣水平(side lobe level)和波束控制性能。在一些实施例中，交错构造可以减少交叉极化辐射，从而提高从天线400发射的波束的效率。例如，子阵列410可以包括21dB的交叉极化抑制比。交错构造可以进一步导致低扫描损耗。
在一些实施例中，单位单元405的交错构造为子阵列410的单位单元405也耦合到不同的子阵列410的单位单元405提供了机会。例如，子阵列410可以包括两个单位单元405a和405b。处于交错构造的单个单位单元405a可以与不包括在与单位单元405a相同的子阵列410中的相邻单位单元405c耦合。可以观察到单个单位单元405a在3.6GHz的频率下与单位单元405c具有例如大约-25dB的耦合。另外，可以观察到单位单元405a与相邻于单位单元405a的另一个单位单元405在3.6GHz的频率下具有例如大约-30dB的耦合。
在一些实施例中，单位单元405未布置成子阵列410。以交错布置来布置单位单元405，但是不将单位单元405布置成子阵列可以导致各种优点。例如，天线面板400的带宽可以被提高并且被测量高达并包括600MHz。在降低整个天线系统的复杂性的同时，可以提高受控波束的效率。
图5A-5B示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元505的天线面板500。图5A示出了包括单位单元505的天线面板500的俯视透视图。图5B示出了包括单位单元505的天线面板500的仰视透视图。在一些实施例中，每个单位单元505可以是单位单元300或单位单元405之一。
天线面板500包括多个单位单元505。例如，如图5A所示，天线面板500可以包括八个单位单元505。在一些实施例中，天线面板500可以包括多于或少于八个单位单元505。天线面板500可以被包括在天线中，例如被包括在天线205a-205n中的任何一个天线中。天线面板500可以包括图3A-3C中描述的多个层。特别地，类似于图4A，为了易于理解天线面板500的整体结构，图5A示出了下层的组件以虚线示出的多个层。例如，天线面板500可以包括第一层520、第二层530和第三层540。第一层520可以具有与第一层420相同的结构，第二层530可以具有与第二层430相同的结构，并且第三层540可以具有与第三层440相同的结构。
单位单元505可以在天线面板500中彼此相邻放置。在一些实施例中，单位单元505可以布置成四个子阵列510。每个子阵列510包括两个单位单元505。子阵列510中包括的两个单位单元505可以以1×2布置并排布置。子阵列510中的两个单位单元505可以包括公共馈电网络515。公共馈电网络515可以包括每个单位单元505的馈电网络550。
每个馈电网络550可以包括与馈电网络330相同的结构。例如，每个馈电网络550包括传输线555和激励端口560。
公共馈电网络515包括激励端口和向子阵列510中的两个单位单元505馈电的传输线。在下面的图6和图7的描述中更详细地描述了公共馈电网络515。
天线面板500可以包括以并排构造布置的八个单位单元505。例如，单位单元505以彼此并排的2×4布置设置在天线面板500中。尽管单位单元505以2×4布置示出，但是该布置仅用于说明。其他实施例是可能的。例如，天线面板500可以包括以4×4布置的十六个单位单元505。在其他实施例中，可以适当地使用以任何布置的任何数量的单位单元405。
在一些实施例中，以子阵列510布置的多个单位单元505的结构可以提高天线面板500的性能。以这种布置通过子阵列510来布置单位单元505产生更有效的公共馈电网络515，该公共馈电网络515允许天线面板500实现在期望的频带上的总体上改进的辐射性能以及适度的增益特性。在一些实施例中，在天线面板500中子阵列510的布置可以导致等于或大于6dB的增益并且在3.2-3.9GHz范围内提供宽带辐射。
在一些实施例中，尽管馈电网络被合并成向子阵列510的两个单位单元505馈电的公共馈电网络515，但是单位单元505可以保持单独的极化。例如，公共馈电网络515可以支持单位单元505的交错布置，从而导致两个单位单元505之间的极化差异。在一些实施例中，子阵列包括+45度和-45度的极化差异。极化差异通过公共馈电网络515被引入到每个单位单元505。通过向子阵列510的两个单位单元505中的每个单位单元的馈电网络550馈电并保持单独的极化，相关联的RF电路可以通过公共馈电网络515提供主动极化的单个差分馈电。在各个实施例中，每个子阵列510可以合并任何合适的馈电网络，例如串联馈电网络、协同馈电网络或带状线馈电网络。公共馈电网络515用于优化由天线面板500产生的波束的波束控制能力。例如，在一些实施例中，天线面板500可以使用子阵列510实现接近700MHz的测量的输入阻抗带宽。
如图5B所示，在一些实施例中，馈电网络550可以沉积在第三层540的一侧上，并且槽565可以存在于第三层540的相对侧上。
图6示出了根据本公开的各种实施例的子阵列610。子阵列610包括天线面板615中包括的两个单位单元605。在各种实施例中，单位单元605可以是单位单元300、单位单元405或单位单元505中的任何一个单位单元。在各种实施例中，子阵列610可以是子阵列410或子阵列510。在各种实施例中，天线面板615可以是天线面板400或天线面板500。
子阵列610包括布置在天线面板615中的两个单位单元605。两个单位单元605中的每个单位单元包括单独馈电网络620，并且共享公共馈电网络630。每个单独馈电网络620包括两个激励端口622。两个激励端口622中的每个激励端口连接到传输线624。
公共馈电网络630是向子阵列610中的每个单位单元605馈电的馈电网络。公共馈电网络630包括两个激励端口632。两个激励端口632中的每个激励端口连接到传输线634，该传输线634连接到每个单位单元605。例如，激励端口632a包括连接到单位单元605a和单位单元605b两者的传输线634a。激励端口632b包括连接到单位单元605a和单位单元605b两者的传输线634b。
传输线634以相同构造连接到每个单位单元605。例如，如图6所示，传输线634a在单位单元605的西部连接到单位单元605a和单位单元605b二者。如图6所示，传输线634b在单位单元605的东部连接到单位单元605a和单位单元605b二者。术语“西”和“东”仅用于说明。尽管在图6中被示为连接到单位单元605的西部和东部，但传输线634可以以任何构造连接到单位单元605，该构造包括连接到每个单位单元605的类似位置的传输线634a以及连接到每个单位单元605的与传输线634a的连接点不同的类似位置的传输线634b。
每个单位单元605包括多个槽640。多个槽640可以是多个槽355。传输线624和634中的每个传输线可以延伸经过多个槽640中的一个槽，并且具有位于多个槽640中相对槽之间的端点。
在各种实施例中，子阵列610布置可以被用在天线面板400或天线面板500中。子阵列610布置可以被用来改进天线面板400、500的增益。例如，在一些实施例中，子阵列610布置的利用可以导致实现大约9dB的增益。
图7示出了根据本公开的各种实施例的子阵列710。子阵列710包括在天线面板715中布置的两个单位单元705。在各种实施例中，单位单元705可以是单位单元300、单位单元405或单位单元505中的任何一个单位单元。在各种实施例中，子阵列710可以是子阵列410或子阵列510。在各种实施例中，天线面板715可以是天线面板400或天线面板500。
子阵列710包括在天线面板715中布置的两个单位单元705。两个单位单元705中的每个单位单元包括单独馈电网络720，并且共享公共馈电网络730。每个单独馈电网络720包括激励端口722。每个激励端口722连接到传输线724。两个单位单元705还包括共享传输线726。共享传输线726的一端终止于单位单元705a，共享传输线726的另一端终止于单位单元705b。
在这些实施例中，共享传输线726在子阵列710内引入子阵列710的+45度和-45度的极化差异，或单位单元705a和单位单元705b之间的90度的极化差异。如图7所示，共享传输线726不包括激励端口。然而，其他实施例是可能的。例如，共享传输线726可以包括单独激励端口。
公共馈电网络730是向子阵列710中的每个单位单元705馈电的馈电网络。公共馈电网络730包括激励端口732。激励端口732连接到传输线734，该传输线734连接到每个单位单元705的多个位置。例如，传输线734包括分成分支734a-1和分支734a-2的第一部分734a和分成分支734b-1和分支734b-2的第二部分734b。分支734a-1连接到单位单元705a的南部，分支734a-2连接到单位单元705b的南部。分支734b-1连接到单位单元705a的北部，分支734b-2连接到单位单元705b的北部。尽管示出为连接到单位单元705的“南”部和“北”部，但是传输线734可以以任何构造连接到单位单元705，该构造包括连接到每个单位单元604的类似位置的第一部分以及连接到每个单位单元705的与第一部分734a的连接点不同的类似位置的第二部分734b。
公共馈电网络730允许每个单位单元705通过适当的激励设置提供垂直、水平或正交极化中的至少一种。单独馈电网络720可以与正交极化相关联。正交极化高度隔离，从而产生所需的交叉极化抑制比。在包括两个或更多个单位单元705的子阵列710中，每个单位单元705的单独馈电网络720可以链接在一起以形成用于特定极化取向的公共馈电网络730。例如，每个单位单元705的单独馈电网络720可以链接在一起以形成用于正交极化的公共馈电网络730。
每个单位单元705包括多个槽740。多个槽740可以是多个槽355。传输线724、726和734中的每个传输线可以延伸经过多个槽740中的一个槽，并且具有位于多个槽40中的相对槽之间的端点。
在各种实施例中，子阵列710布置可以被用在天线面板400或天线面板500中。子阵列710布置可以被用来改进天线面板400、天线面板500的增益。例如，在一些实施例中，子阵列710布置的利用可以导致21dB的交叉极化抑制比。
图8A-8C示出了根据本公开的各种实施例的单位单元800。图8A示出了单位单元800的俯视透视图。图8B示出了单位单元800的截面图。图8C示出了单位单元800的分解图。尽管图8A-8C示出了单位单元800的一个示例，但是可以对图8A-8C进行各种改变。图8A-8C中的各种组件可以被组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加额外的组件。
单位单元800可以包括三个层。单位单元800包括具有顶部圆形贴片805的第一层、具有底部方形贴片815的第二层以及具有馈电网络830的第三层825。
单位单元800可以布置在天线205a-205n中的任何一个天线中包括的天线面板中。底部方形贴片815包括支撑件820，其用于将包括底部方形贴片815的第二层保持在第三层825上方的一定距离处。顶部圆形贴片805包括支架810，其用于相对于第三层825将包括顶部圆形贴片805的第一层保持在包括底部方形贴片815的第二层上方的位置处。
顶部圆形贴片805可以被放置在第一介电片的底侧上，或者替换第一介电片的已经被去除的部分。底部方形贴片815可以被放置在第二介电片的底侧上，或者替换第二介电片的已经被去除的部分。第一介电片和第二介电片可以包括相同的材料。例如，第一介电片和第二介电片可以是0.508mm厚的Rogers 4350，并且包括3.66的介电常数和0.004的损耗因数。包括底部方形贴片815的第二层可以通过支撑件820保持在第三层825上方的第一距离处。例如，第一距离可以是7mm。包括顶部圆形贴片805的第一层可以通过支架810保持在第三层825上方的第二距离处。例如，第二距离可以是11mm。馈电网络830可以位于第三层825上。例如，馈电网络830可以被加工或沉积到第三层825上。
馈电网络830包括垂直馈电830a和水平馈电830b。垂直馈电830a传输垂直地通过单位单元800的在馈电网络830上接收的电流。每个垂直馈电830a被引脚835包围。引脚835稳定垂直馈电830a并连接到馈电网络830的激励端口。在一些实施例中，引脚835还可以在包括底部方形贴片815的层和第三层825之间保持适当的间隔。水平馈电830b传输水平地通过单位单元800的电流。
馈电网络830可以包括内置的180°混合。作为改进交叉极化抑制比的方法，馈电网络830将差分激励提供给顶部圆形贴片805和底部方形贴片815。在一些实施例中，交叉极化可以独立于观察角。
单位单元800可以被用在基于特征模式的天线设计(CMA)中。在一些实施例中，单位单元800可以被用在有益于CMA的概念的天线中，该天线利用堆叠式或多个天线来改进天线的辐射增益。例如，天线可以是八木宇田天线(Yagi-Uda antenna)。堆叠式或多个天线的使用可以增加天线的带宽。本公开的各种实施例结合了CMA和多个谐振器天线的使用来增加带宽，同时实现高增益。
图9A-9C示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元的天线面板900。图9A示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元905的天线面板900的俯视透视图。图9B示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元905的天线面板900的截面图。图9C示出了根据本公开的各种实施例的包括单位单元905的天线面板900的分解图。在一些实施例中，每个单位单元905可以是单位单元800之一。
天线面板900包括多个单位单元905。例如，如图9A所示，天线面板900可以包括八个单位单元905。在一些实施例中，天线面板900可以包括多于或少于八个单位单元905。天线面板900可以位于天线中，例如位于天线205a-205n中的任何一个天线中。
天线面板900可以由图8A-8C中的单位单元800的描述中描述的多个层组成。例如，天线面板900可以包括具有多个顶部圆形贴片925的第一层920、具有多个底部方形贴片935的第二层930以及具有多个馈电网络945的第三层940。天线面板900中的每个单位单元905可以包括顶部圆形贴片925、底部方形贴片935和馈电网络945。
单位单元905可以以任何合适的布置设置在天线面板900中。例如，如图9A-9C所示，单位单元905可以以交错布置设置，其中单位单元905以相对于彼此偏移45度的2×4布置来布置。在另一个实施例中，单位单元905可以以无偏移的2×4布置来布置。天线面板900的一些实施例可以包括多于八个单位单元905。例如，如果天线面板900包括十六个单位单元905，则单位单元905可以以4×4或2×8布置来布置。
在一些实施例中，单位单元905可以以子阵列910来布置。子阵列910可以包括两个单位单元905。在一些实施例中，子阵列910可以包括公共馈电网络915，该公共馈电网络915允许天线面板900实现在期望的频带上的整体宽带辐射性能以及适度的增益特性。
在一些实施例中，天线面板900可以实现测量的大于11.5dB的辐射增益。在一些实施例中，天线面板900可以实现大于18dB的交叉极化抑制比(CPRR)。在一些实施例中，天线面板900可以实现测量的大于20dB的回波损耗(RL)。在一些实施例中，天线面板900的子阵列910可以实现测量的大于20dB的端口到端口的隔离。在一些实施例中，天线面板900可以实现测量的大于25dB的平面内(in-plane)。在一些实施例中，天线900可以实现测量的大于30dB的交叉耦合。在一些实施例中，天线面板900可以实现测量的200MHz的带宽(BW)。
在一些实施例中，如图9A-9C所示，当例如在大规模MIMO天线阵列中使用时，天线面板900具有各种优点。天线面板900是可以相对容易地生产的模块化的、成本有效的设计。天线面板900包括内置的差分馈电网络和背板激励，其结构导致天线面板900可以相对容易地集成。在结构上，如图9A-9C所示的天线900是稳定且耐用的，同时保持轻巧的重量以便于集成到天线阵列中。
在一些实施例中，电磁波的相位的逐渐发展是天线面板的馈电网络中相移的发展的结果。例如，可以通过使用通过激励端口接收的RF电流来控制馈电网络的交叉极化，从而控制波束。
尽管本公开已经描述了作为示例的装配在基站中的天线，但这是为了描述方便，并且本公开的实施例不限于此。根据本公开的各个实施例的天线可以装配有用户设备、TRP、远程无线电头端(RRH)、数字单元(DU)、接入单元(AU)或执行多天线通讯的任何设备。
在本申请中的任何描述均不应理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须被包括在权利要求范围内的必要元件。

Claims (12)

1.一种天线，所述天线包括：
至少一个单位单元，所述至少一个单位单元中的每个单位单元包括：
基板层，
折板层，所述折板层包括形成了腔的多个折板，设置在所述基板层的一侧上，其中，所述折板层是电磁材料层，所述多个折板是从所述电磁材料层加工而成的；并且所述多个折板包括围绕所述腔设置的四个折板，馈电网络，所述馈电网络设置在所述基板层的另一侧上，所述馈电网络包括多个馈电线，所述多个馈电线中的每个馈电线包括激励端口和传输线，
贴片，所述贴片为四边形形状，所述贴片位于所述折板层上方，使得所述贴片和所述折板层之间存在气隙。
2.根据权利要求1所述的天线，所述天线还包括：
多个槽，所述多个槽位于所述折板层和所述馈电网络之间，
其中，每个所述传输线延伸经过所述多个槽中的一个槽，并且具有位于所述多个槽中的相对槽之间的端点。
3.根据权利要求2所述的天线，所述天线还包括：天线面板，所述天线面板包括所述至少一个单位单元，其中，所述至少一个单位单元包括相对于彼此以四十五度角彼此相邻地设置的多个单位单元。
4.根据权利要求1所述的天线，其中：
所述传输线是由一种或更多种电磁材料制成的。
5.根据权利要求4所述的天线，所述天线还包括：
天线面板，所述天线面板包括所述至少一个单位单元，其中，所述至少一个单位单元包括彼此相邻地设置的多个单位单元。
6.根据权利要求1所述的天线，其中，所述贴片包括位于所述贴片的每个角上的狭缝。
7.根据权利要求1所述的天线，其中，所述至少一个单位单元包括形成子阵列的两个单位单元，所述子阵列中的单位单元共享公共馈电网络。
8. 根据权利要求7所述的天线，其中：
所述子阵列包括+90度和-90度的差异的正交极化；并且
所述差异是经由所述公共馈电网络引入的。
9.根据权利要求1所述的天线，所述天线还包括：
天线面板，所述天线面板包括多个子阵列，
其中，所述至少一个单位单元包括多个单位单元，
其中，所述多个子阵列中的每个子阵列包括所述多个单位单元中的共享公共馈电网络的两个单位单元。
10.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈电网络中的所述多个馈电线形成非对称带状线结构。
11.根据权利要求10所述的天线，所述天线还包括多个引脚，每个引脚连接到所述多个馈电线中的一个馈电线的所述激励端口并且连接到所述非对称带状线结构的馈电网络。
12.一种基站，所述基站包括：
根据权利要求1-11任一项所述的天线：
收发器，所述收发器被配置为经由所述天线发射和接收信号；以及
控制器，所述控制器被配置为控制所述收发器发射和接收所述信号。
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