CN112310662A - 具有带增强型半功率束宽控制的天线阵列的蜂窝通信系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有带增强型半功率束宽控制的天线阵列的蜂窝通信系统。天线阵列包括：在其第一列中的第一多个辐射元件，所述第一多个辐射元件响应于从第一无线电得到的第一多个RF馈送信号；在其第二列中的第二多个辐射元件，所述第二多个辐射元件响应于从第二无线电得到的第二多个RF馈送信号。提供了功率分配器电路，所述功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动在第二列辐射元件的第一端处的第一个辐射元件，并用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动在第一列辐射元件的第一端处的第一个辐射元件。

Description

具有带增强型半功率束宽控制的天线阵列的蜂窝通信系统
优先权申请的引用
本申请要求2019年8月2日提交的美国临时专利申请序号62/882,052的优先权，该申请的公开内容据此也通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及无线电通信和天线装置，且更具体地涉及用于蜂窝通信的基站天线阵列和操作基站天线阵列的方法。
背景技术
相控阵天线可在不物理移动其中的辐射元件的情况下创建并在不同方向上电子操纵无线电波束。如由图1A所示，在相控阵天线10中，射频(RF)馈送电流通过移相器(Φ1-Φ8)从发射器(TX)提供至多个间隔开的天线辐射元件，所述移相器在由间隔开的辐射元件发射的无线电波之间建立期望的相位关系。如本领域技术人员将理解的，适当建立的相位关系使得从辐射元件发射的无线电波能够组合从而增强沿期望方向(示为θ)的辐射，但抑制沿不期望方向的辐射。移相器(Φn)典型地由计算机控制系统(CONTROL)控制，所述计算机控制系统可改变所发射的无线电波的相位，并且由此在不同的方向上电子操纵组合波。此电子操纵可以在相控阵天线用于蜂窝通信和其它基于RF的系统时是重要的。
例如，在典型的蜂窝通信系统中，一个地理区域通常被划分成通常称为“蜂窝”的一系列区域，这些区域由相应的基站提供服务。每个基站可包括一个或多个基站天线(BSA)，这些基站天线被配置成提供与由基站服务的蜂窝内的移动用户的双向射频(“RF”)通信。在许多情况下，每个基站都被划分为“扇区”。在可能最常见的配置中，六角形形状的蜂窝被划分成三个120°扇区，每个扇区由一个或多个基站天线提供服务，这些基站天线可具有每个扇区近似65°的方位角半功率束宽(HPBW)。通常，基站天线安装在塔架或其它升高的结构上，辐射模式(亦称“天线束”)从其向外指向。基站天线通常实施为辐射元件的线性或平面相控阵列。例如，如由图1B所示，基站天线10’可包括辐射元件的并排列(RE11-RE18、RE21-RE28)，这些并排列限定一对相对紧密间隔的天线A1和A2。在此基站天线10’中，辐射元件的每一列可响应于各自的相移馈送信号，这些相移馈送信号从相应的RF馈送信号(FEED1、FEED2)和发射器(TX1、TX2)得到，并响应于计算机控制(CONTROL1、CONTROL2)而变化。
为了适应日益增长的蜂窝通信量，蜂窝运营商已经在各种新频带中增加了蜂窝服务。尽管在一些情况下，可以使用所称的“宽带”或“超宽带”辐射元件的线性阵列在多个频带中提供服务，但在其它情况下，必须使用辐射元件的不同线性阵列(或平面阵列)来支持不同频带中的服务。
随着频带数量的激增，增加扇区划分已变得更普遍(例如，将蜂窝划分成六个、九个或甚至十二个扇区)，并且部署在典型基站处的基站天线的数目已经显著增加。然而，由于局部区划条例和/或天线塔架的重量和风载荷约束等，通常关于能够部署在给定基站的基站天线的数目受到限制。为了在不进一步增加基站天线的数目的情况下提高容量，已经引入了所称的多带基站天线，其中，在单个天线中包括辐射元件的多线性阵列。一个非常普通的多带基站天线设计是RVV天线，其包括：用于在694-960MHz频带(通常称为“R带”)中的一些或全部中提供服务的“低带”辐射元件的一个线性阵列；以及用于在1695-2690MHz频带(通常称为“V带”)中的一些或全部中提供服务的“高带”辐射元件的两个线性阵列。R带和V带辐射元件的这些线性阵列通常以并排方式安装。
也对RRVV基站天线有极大的兴趣，RRVV基站天线可包括低带辐射元件的两个线性阵列和高带辐射元件的两个(或四个)线性阵列。例如，如由图1C所示，RRVV天线12可包括相对低带辐射元件的两个外部列14a、14b(每列显示为5个“大”辐射元件(“X”))和相对高带辐射元件的两个内部列16a、16b(每列显示为9个“小”辐射元件(“x”))。RRVV天线可以用于包括4x4多输入多输出(“MIMO”)应用的各种应用中，或可以用作多带天线，该多带天线具有两个不同的低带(例如，700MHz低带线性阵列和800MHz低带线性阵列)和两个不同的高带(例如，1800MHz高带线性阵列和2100MHz高带线性阵列)。然而，RRVV天线以商业可接受方式实施是有挑战的，原因是在低带中实现65°方位角HPBW天线束通常需要至少200mm宽的低带辐射元件。但是，如由图1C所示，当低带辐射元件的两个阵列并排放置，高带线性阵列在它们之间时，可能需要宽度为约500mm的基站天线。这种大RRVV天线可能具有非常高的风载荷，可能非常重和/或可能制造起来昂贵。运营商宁愿选择具有约430mm宽度的RRVV基站天线，该宽度是现有技术基站天线的典型宽度。
为了实现具有更窄束宽的RRVV天线，可以降低低带辐射元件的尺寸和/或可以降低低带“R”和高带“V”辐射元件的线性阵列之间的横向间距。遗憾的是，随着辐射元件的线性阵列更紧密地排列在一起，线性阵列之间的信号耦合程度可以显著增加，并且此“寄生”耦合可导致HPBW的不期望增加。类似地，低带辐射元件的尺寸的任何减小通常将导致HPBW增加。
发明内容
根据本发明的一些实施例的天线阵列可包括：第一列辐射元件和第二列辐射元件，所述第一列辐射元件和所述第二列辐射元件分别响应于从第一无线电得到的第一多个射频(RF)馈送信号和从第二无线电得到的第二多个RF馈送信号。提供了第一功率分配器电路，所述第一功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件，并用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件。在这些实施例中，所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件可以与所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件完全相对地延伸。所述第一功率分配器电路还可被配置成用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件，并用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件。
在本发明的另外的实施例中，可以提供第二功率分配器电路，所述第二功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的大多数能量驱动所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件，并用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的非零少数能量驱动所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件。此第二功率分配器电路还可被配置成用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的大多数能量驱动所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件，并用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的非零少数能量驱动所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件。
根据本发明的又一些另外的实施例，提供了第一移相器，所述第一移相器被配置成响应于由第一无线电生成的第一RF输入馈送信号生成第一多个RF馈送信号。还可以提供第二移相器，所述第二移相器被配置成响应于由第二无线电生成的第二RF输入馈送信号生成第二多个RF馈送信号。因此，所述第一多个RF馈送信号可以相对于彼此移相，并且所述第二多个RF馈送信号可以相对于彼此移相。
根据本发明的附加实施例，所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件接收与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量，并且，所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件接收与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量。因此，所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件可以不接收与所述第二多个RF馈送信号相关联的能量，并且，所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件可以不接收与所述第一多个RF馈送信号相关联的能量。
在本发明的又一些另外的实施例中，提供了一种天线阵列，其中具有第一辐射元件阵列和第二辐射元件阵列，所述第一辐射元件阵列和所述第二辐射元件阵列分别响应于从第一RF发射器得到的第一多个射频(RF)馈送信号和从第二RF发射器得到的第二多个RF馈送信号。提供了第一功率分配器电路，所述第一功率分配器电路被配置成：(i)用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第二辐射元件阵列中的第一个辐射元件；(ii)用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第一辐射元件阵列中的第一个辐射元件；(iii)用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第一辐射元件阵列中的第一个辐射元件；以及(iv)用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第二辐射元件阵列中的第一个辐射元件。所述天线阵列还可被配置成使得所述第一辐射元件阵列中的第二个辐射元件接收与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量，并且，所述第二辐射元件阵列中的第二个辐射元件接收与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量。
替代性地，可以提供第二功率分配器电路，所述第二功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的大多数能量驱动所述第一辐射元件阵列中的第二个辐射元件，并用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的非零少数能量驱动所述第二辐射元件阵列中的第二个辐射元件。
根据本发明的附加实施例，提供了一种天线阵列，该天线阵列具有：第一列中的第一多个辐射元件，所述第一多个辐射元件响应于从第一无线电得到的第一多个RF馈送信号；第二列中的第二多个辐射元件，所述第二多个辐射元件响应于从第二无线电得到的第二多个RF馈送信号。提供了功率分配器电路，所述功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动在所述第二列辐射元件的第一端处的第一个辐射元件，并用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动在所述第一列辐射元件的第一端处的第一个辐射元件。此第一功率分配器电路还可被配置成用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件，并用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件。此外，所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件可以用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量驱动，并且不用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的能量驱动。类似地，所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件可以用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量驱动，并且不用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的能量驱动。在本发明的这些实施例的一些中，所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件可以位于所述第一列辐射元件的第二端处，并且所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件可以位于所述第二列辐射元件的第二端处。在本发明的这些实施例的一些中，所述第一列辐射元件和所述第二列辐射元件排列成使得所述第一列辐射元件中的每个辐射元件与所述第二列辐射元件中的相应辐射元件完全相对地延伸。
附图说明
图1A为根据现有技术的相控阵天线的框图。
图1B为根据现有技术的基站天线(BSA)的框图。
图1C为根据现有技术的RRVV基站天线的平面布局图，其示出了低带辐射元件(X)的两个线性阵列和高带辐射元件(x)的两个线性阵列的布置。
图2为根据本发明的实施例的其中具有多个HPBW增强功率分配器电路的基站天线(BSA)的框图。
图3A为根据本发明的实施例的HPBW降低功率分配器电路的框图。
图3B为根据本发明的实施例的HPBW降低功率分配器电路的电学示意图。
图3C为根据本发明的实施例的HPBW降低功率分配器电路的电学示意图。
图3D为根据本发明的实施例的HPBW降低功率分配器电路的电学示意图。
图3E为根据本发明的实施例的HPBW降低功率分配器电路的电学示意图。
图3F为根据本发明的实施例的包含四个-10dB四端口定向耦合器的HPBW降低功率分配器电路的电学示意图。
图4A为根据本发明的实施例的基站天线内的左列低带辐射元件和右列低带辐射元件的平面图，其示出了如何以降低的功率水平将与左列低带辐射元件相关联的相移馈送(PSF)信号提供至左列低带辐射元件和右列低带辐射元件。
图4B为根据本发明的实施例的基站天线内的左列低带辐射元件和右列低带辐射元件的平面图，其示出了如何以降低的功率水平将与左列低带辐射元件相关联的相移馈送(PSF)信号提供至左列低带辐射元件和右列低带辐射元件中的一半辐射元件。
图4C为根据本发明的实施例的基站天线内的两列低带辐射元件的平面图，其示出了如何以降低的功率水平将与左列低带辐射元件相关联的相移馈送(PSF)信号提供至左列低带辐射元件和右列低带辐射元件中的四分之一辐射元件。
图5为将RRVV天线(一列被激活)的方位角束宽轮廓(由实线示出)与使用图3E的功率分配器电路的相应RRVV天线的方位角束宽轮廓进行比较的图形，其中，k1＝0.81和k2＝0.01。
图6A为根据本发明的实施例的HPBW降低功率分配器电路的框图。
图6B为根据本发明的实施例的HPBW降低功率分配器电路的电学示意图。
图7A为基站天线内的左列低带辐射元件和右列低带辐射元件的平面图，其示出了如何可以不同的幅值将从第一无线电得到的多个相移RF馈送(PSF)信号提供至左列低带辐射元件。
图7B为根据本发明的实施例的基站天线内的左列低带辐射元件和右列低带辐射元件的平面图，其示出了如何可以不同的幅值将从第一无线电得到的多个相移RF馈送(PSF)信号提供至左列低带辐射元件并提供至右列低带辐射元件中的单个辐射元件。
图7C为根据本发明的实施例的基站天线内的左列低带辐射元件和右列低带辐射元件的平面图，其示出了如何可以不同的幅值将从第一无线电得到的多个相移RF馈送(PSF)信号提供至左列低带辐射元件并提供至右列低带辐射元件中的单个辐射元件。
图7D为根据本发明的实施例的基站天线内的左列低带辐射元件和右列低带辐射元件的平面图，其示出了如何可以不同的幅值将从第一无线电得到的多个相移RF馈送(PSF)信号提供至左列低带辐射元件并提供至右列低带辐射元件中的三(3)个辐射元件。
图8为对于图7A-7C的低带辐射元件阵列根据频率(GHz)比较-3dB束宽(HPBW)的图形。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施，且不应解读为局限于本文陈述的实施例；而是，提供这些实施例使得本公开将是彻底完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的参考数字指全部相同的元件。
将理解尽管术语第一、第二、第三等可在本文中用来描述各个元件、部件、区域、层和/或扇区，但这些元件、部件、区域、层和/或扇区不应由这些术语限制。这些术语仅用来区分一个元件、部件、区域、层或扇区与另一区域、层或扇区。因此，在不偏离本发明的教导的情况下，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或扇区可称作第二元件、部件、区域、层或扇区。
本文中使用的术语仅出于描述具体实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本文中所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述”也旨在包括复数形式。还将理解，术语“包括”、“包含”、“具有”及其变型在本说明书中使用时，指存在所述的特征、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或其分组。相反，术语“由……组成”在本说明书中使用时，指所述特征、步骤、操作、元件和/或部件，且排除附加特征、步骤、操作、元件和/或部件。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括科技术语)具有与本发明所属领域的技术人员通常所理解的相同含义。还将理解，诸如在通用词典中定义的术语应当解释为具有与在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过度正式的含义解释，除非在本文中明确地如此定义。
现在参考图2，根据本发明的实施例的基站天线(BSA)20图示为包括每个阵列五(5)个辐射元件(RE11-RE15、RE21-RE25)的两个线性阵列(即，列)，该线性阵列限定左低带天线(A1)和右低带天线(A2)。如所示的，每对左辐射元件和右辐射元件((RE11-RE21)、(RE12-RE22)……(RE15-RE25))响应于对应的一对修改的相移馈送信号((PSF11、PSF21*)、(PSF12、PSF22*)……(PSF15、PSF25*))，所述对应的一对修改的相移馈送信号由对应的功率分配器电路(PDn＝PD1,PD2,……或PD5)生成。功率分配器电路PDn中的每一个响应于由对应的左侧移相器(Φ1-Φ5)和右侧移相器(Φ1-Φ5)生成的一对相移馈送(PSF)信号。左侧移相器(Φ1-Φ5)共同响应于由第一发射器TX1生成的第一RF馈送信号(FEED1)和由第一控制器生成的相位控制信号(CONTROL1)。右移相器(Φ1-Φ5)共同响应于由第二发射器TX2生成的第二RF馈送信号(FEED1)和由第二控制器生成的相位控制信号(CONTROL2)。
左低带天线A1和右低带天线A2可以在或者可以不在相同频带中发射。例如，在一些情况下，两个天线A1、A2可以被操作以支持多输入多输出(“MIMO”)发射，其中，同一信号在(基于指定信道的已知特性)被“预失真”之后通过辐射元件的多个线性阵列发射，使得多个发射的信号(在同一频带中)在接收器位置处建设性地组合。此“MIMO”技术可在降低衰减效应、信号反射等方面非常有效。
在其它情况下，两个天线A1、A2可指向不同方向，以在相同或不同频带中提供独立天线束。因此，一个低带天线(例如，A1)可在第一频带(例如，700MHz带)中发射，而另一个低带天线(A2)可在不同频带(例如，800MHz带)中发射，这意味着从A1和A2发射的信号将在频率上不重叠。
如将由本领域技术人员理解的，左侧(和右侧)移相器(Φ1-Φ5)可在通常执行多个功能的更大的移相器电路内操作。首先，此移相器电路可执行1x5功率分流，使得对应的RF馈送信号(例如，FEED1、FEED2)可以被再次划分成五个更低功率的馈送信号，这些馈送信号被直接馈送到对应的功率分配器电路PDn。其次，移相器电路可以在个别馈送信号两端生成相位斜度(例如，-2°、-1°、0°、+1°、+2°相位变化)，从而产生作为相移馈送信号(PSF)的更低功率的馈送信号。有利的是，可以在产生的天线束的升高模式上创建期望的电子“下倾斜”的此相位斜度可以被远程地控制和调节。
而且，如参考图3E的交叉耦合功率分配器电路30e在下面强调的，根据本发明的一些替代性实施例，单个功率分配器电路可以放置在每个馈送信号发射器(TX1、TX2)与对应的移相器(Φ1-Φ5)之间，从而产生对半功率束宽(HPBW)的改进。不过，当两个天线A1和A2被操作以支持多输入多输出(“MIMO”)发射时，相同的下倾斜将应用到两个天线。此外，当一个天线覆盖一个频带(例如，700MHz带)，并且另一个天线覆盖另一个频带(例如，800MHz带)时，下倾斜在两个带上将是不同的。在这两种应用中，图3E的实施例相对于图2的实施例和图4B-4C的实施例可能不是优选的，本文下面将描述。而且，由于在功率分配器电路30e内较高量的信号能量可能对地(GND)丢失这一事实，图3E的实施例可以产生相对较高的信号损失。不过，如由图5所示，该图是将RRVV天线(一列被激活)的-180°到+180°束宽轮廓于使用图3E的功率分配器电路的对应RRVV天线的束宽轮廓进行比较的图形，对于RRVV天线的RR阵列可以使用单个功率分配器电路30e实现HPBW改进。
现在参考图3A，功率分配器电路30a可以用来执行图2的功率分配器电路PD1-PD5的操作，该功率分配器电路被图示为通过有意地交叉耦合一对相移输入馈送信号PSF1n和PSF2n来生成一对修改的相移馈送信号PSF1n*和PSF2n*，该对相移输入馈送信号可以由与图2所示的BSA 20中的间隔开的天线A1和A2相关联的相应的移相器(Φn)生成。具体地，修改的相移馈送信号PSF1n*以第一相移输入馈送信号PSF1n和第二相移输入馈送信号PSF2n的第一组合的方式生成。根据本发明的一些实施例，修改的相移馈送信号PSF1n*根据以下关系生成：PSF1n*＝(k1)PSF1n+(k2)PSF2n，其中，PSF1n表示第一RF馈送信号，PSF2n表示第二RF馈送信号，k1是第一功率转换系数，k2是第二功率转换系数，并且其中，0.7≤k1≤0.9且0.0026≤k2≤0.027。类似地，修改的相移输入馈送信号PSF2n*以如下方式生成：PSF2n*＝(k1)PSF2n+(k2)PSF1n，其中，k1是第一功率转换系数，k2是第二功率转换系数。在本发明的替代性实施例中，与修改的相移输入馈送信号PSF2n*的生成相关联的这些第一功率转换系数k1和第二功率转换系数k2可以提供为第三功率转换系数k1*(其中，k1*≠k1)和第四功率转换系数k2*(其中，k2*≠k2)，并且其中，0.7≤k1*≤0.9且0.0026≤k2*≤0.027。最后，尽管由图3A所示的交叉耦合操作是对已经移相的馈送信号(PSF)执行的，但这些操作可以在如由图3E所示的发射器生成的馈送信号FEED1、FEED2中的每一个上“全局”执行。
如由图3B-3D的实施例所示，多个替代性电路设计可以用来执行由图3A的功率分配器电路30a所示的操作。例如，如由图3B的功率分配器电路30b所示，两对4端口级联定向耦合器((C11-C12)、(C21-C22))可以经由R11、R12、R21、R22与单端口电阻器终端交叉耦合，从而将相移输入馈送信号PSF1n、PSF2n转换成修改的相移输入馈送信号PSF1n*、PSF2n*。
根据本发明的一些实施例，图3B的定向耦合器C11、C12、C21和C22可被配置为具有相同特性的四端口定向耦合器(例如，-10dB耦合器)，其中，R11、R12、R21、R22可以为50欧姆。如由图3B所示和图3F的功率分配器电路30f所示，如果定向耦合器C11、C12、C21和C22是相同的-10dB耦合器，则耦合器C11将与第一相移输入馈送信号PSFn1相关联的能量的90％传递到耦合器C12的输入，并将与第一相移输入馈送信号PSFn1相关联的能量的10％耦合到耦合器C22，其中，耦合的10％信号中的90％将通过终端电阻器R22传递到地(并丢失)，并且耦合的10％信号中的10％(即，1％＝0.01，或-20dB)将提供至C22的输出(作为PSF2n*的信号分量)。同样，耦合器C21将与第二相移输入馈送信号PSFn2相关联的能量的90％传递到耦合器C22的输入，并将与第二相移输入馈送信号PSFn2相关联的能量的10％耦合到耦合器C12，其中，耦合的10％信号中的90％将通过终端电阻器R12传递到地(并丢失)，并且耦合的10％信号中的10％(即，1％)将提供至C12的输出(作为PSF1n*的分量)。以相似方式，在耦合器C12的输入端处接收的90％的PSF1n信号中的90％将作为“(0.81)PSF1n”，即，PSF1n*的主要能量分量传递，并且在耦合器C22的输入端处接收的90％的PSF2n信号中的90％将作为“(0.81)PSF2n”，即，PSF2n*的主要能量分量传递。
图3C图示了替代性功率分配器电路30c，其用四个Wilkinson(威尔金森)功率分配器WPD11、WPD12、WPD21和WPF22(包含电阻器R* 11、R* 12、R* 21和R* 22)替代图3B中所示的定向耦合器C11、C12、C21和C22。这些电阻器R* 11、R* 12、R* 21和R* 22的值在本发明的一些实施例中可以不相等，以便实现在k1和k1*不相等且k2和k2*不相等时的不对称耦合。并且在图3D的实施例中，功率分配器电路30d被图示为包括(图3B的)一对定向耦合器C11、C21与(图3C的)一对Wilkinson功率分配器WPD12和WPF22的组合。这些实施例中的每一个有利地支持上文关于图3A强调的馈送信号能量的交叉耦合。
如由图3F和图4A-4C所示，左列低带辐射元件和右列低带辐射元件可以在基站天线40a、40b和40c内使用不同数目的交叉耦合的功率分配器电路30f，以实现不同水平的半功率束宽HPBW降低。在图4A中，与辐射元件的左侧阵列相关联的所有八个相移馈送信号PSF1n可以0.979或0.5功率水平生成，然后经历交叉耦合，以促进左侧阵列的0.979(0.81)和0.5(0.81)的降低功率水平和右侧阵列中的所有辐射元件在1％耦合时的0.979(0.01)和0.5(0.01)的降低功率水平。此1％耦合是一种形式的“有意”信号干扰，其以对与辐射元件的右侧阵列相关联的主馈送信号的完整性的最小不利结果实现可察觉的HPBW降低。相反，在图4B中，只有左侧阵列和右侧阵列中的中间四个辐射元件接收耦合信号，而在图4C中，只有一对辐射元件接收耦合信号。不过，这些“有意”交叉耦合实施例中的每一个可以被有利地使用，从而以不同水平的功率效率将HPBW降低到不同程度。
现在参考图6A，替代性功率分配器电路60a被图示为通过有意地交叉耦合一对相移输入馈送信号PSF1n和PSF2n来生成一对修改的相移馈送信号PSF1n*和PSF2n*，该对相移输入馈送信号可以由与图2所示的BSA 20中的间隔开的天线A1和A2相关联的相应的移相器(Φn)生成。具体地，图6A的修改的相移馈送信号PSF1n*以第一相移输入馈送信号PSF1n和第二相移输入馈送信号PSF2n的第一组合的方式生成。根据本发明的一些实施例，修改的相移馈送信号PSF1n*根据以下关系生成：PSF1n*＝(k1)PSF2n+(k2)PSF1n，其中，PSF1n表示第一RF馈送信号，PSF2n表示第二RF馈送信号，k1是第一功率转换系数，k2是第二功率转换系数，并且其中，0.7≤k1≤0.9且0.0026≤k2≤0.027。类似地，修改的相移输入馈送信号PSF2n*以如下方式生成：PSF2n*＝(k1)PSF1n+(k2)PSF2n，其中，k1是第一功率转换系数，k2是第二功率转换系数。在本发明的一些另外的实施例中，第一功率转换系数k1可以指定为：0.7≤k1，第二功率转换系数k2可以指定为：k2≤0.05。
图6A的功率分配器电路60a的实施例可被配置成包括两对级联定向耦合器((C11-C12)、(C21-C22))，这两对级联定向耦合器经由如图6B的功率分配器电路60b所示的R11、R12、R21、R22彼此交叉耦合，并包括单端口电阻器终端。图6B的定向耦合器C11、C12、C21和C22可被配置为具有相同特性的四端口定向耦合器(例如，-10dB耦合器)，其中，R11、R12、R21、R22可以为50欧姆。如由图6B所示，如果定向耦合器C11、C12、C21和C22是相同的-10dB耦合器，则耦合器C11将与第一相移输入馈送信号PSFn1相关联的能量的90％传递到耦合器C12的输入，并将与第一相移输入馈送信号PSFn1相关联的能量的10％耦合到耦合器C22，其中，耦合的10％信号中的90％将通过终端电阻器R22传递到地(并丢失)，并且耦合的10％的信号中的10％(即1％＝0.01，或-20dB)将提供至C22的输出(作为PSF1n*的次要信号分量)。同样，耦合器C21将与第二相移输入馈送信号PSFn2相关联的能量的90％传递到耦合器C22的输入，并将与第二相移输入馈送信号PSFn2相关联的能量的10％耦合到耦合器C12，其中，耦合的10％信号中的90％将通过终端电阻器R12传递到地(并丢失)，并且耦合的10％信号中的10％(即，1％)将提供至C12的输出(作为PSF2n*的次要信号分量)。以相似方式，在耦合器C12的输入端处接收的90％的PSF1n信号中的90％将作为“(0.81)PSF1n”，即，PSF2n*的主要能量分量传递，并且在耦合器C22的输入端处接收的90％的PSF2n信号中的90％将作为“(0.81)PSF2n”，即，PSF1n*的主要能量分量传递。基于此图示的配置，图6B的功率分配器电路60b以与图3B的功率分配器电路30b相同的方式操作，但具有交叉的输出。
现在参考图7A-7D，提供了四种方式的比较，其说明了用第一多个射频(RF)馈送信号驱动辐射元件的单个阵列(例如，低带辐射元件)的替代性技术，所述第一多个射频馈送信号从由RF发射器(例如，无线电)生成的第一RF输入馈送信号得到。如参考图2在本文上面图示和描述的，多个相移馈送信号PSF11-PSF15、PSF21-PSF25可以由对应的多个移相器生成，所述多个移相器从各自的RF馈送源，包括第一无线电和第二无线电(例如，TX1、TX2)接收输入馈送信号。
在图7A中，提供了基站天线70a内的左列辐射元件和右列辐射元件的平面图，其示出了如何可以不同的幅值(和不同的相对相位)将从第一无线电得到的第一多个相移RF馈送信号(PSF1n)提供至左列六(6)个低带辐射元件，且无如图2、3A和6A所示的任何中间功率分配器电路(PDn)。基于此配置，第一多个相移RF馈送信号(PSF1n)的相对幅值根据以下分布(从左列中的“下”左辐射元件到左列中的“上”左辐射元件)变化：PSF11＝0.13,PSF11＝0.23,PSF13＝0.25,PSF14＝0.21,PSF15＝0.065,PSF16＝0.065。
相反，在图7B中，提供了根据本发明的实施例的基站天线70b内的左列辐射元件和右列辐射元件的平面图，其示出了如何可以不同的幅值将从第一无线电得到的第一多个相移RF馈送信号(PSF1n)提供至左列六(6)个低带辐射元件，且还提供至在第二列辐射元件的端部处的单个辐射元件。具体地，在天线70b的“上”端处的对应的一对左和右辐射元件72b可以用从如由图3A的单个功率分配器电路PDn 30a修改的相移RF馈送信号PSF16得到的相应的一对功率降低的信号驱动，其中，PSF16＝0.065,PSF16*＝0.065x0.81，且PSF26*＝0.065x0.01。(也参见图3B、3F的PDn 30b,PDN 30f)。因此，由图7B所示的馈送信号驱动实例对应于由图4A-4C所示的相关技术，不过只使有一个功率分配器电路PDn(例如，30a、30b、30f)。
接着，如由图7C所示，提供了根据本发明的实施例的基站天线70c，其示出了如何可以不同的幅值将从第一无线电得到的第一多个相移RF馈送信号(PSF1n)提供至左列六(6)个低带辐射元件，且还提供至在第二列辐射元件的端部处的单个辐射元件。具体地，在天线70c的“上”端处的对应的一对左和右辐射元件72c可以用从图6A-6B的单个功率分配器电路PDn60a,60b修改的相移RF馈送信号PSF16得到的相应的一对功率降低的信号驱动，其中，PSF16＝0.065,PSF16*＝0.065x0.01，且PSF26*＝0.065x0.81。因此，如所示的，通过相对于对72b颠倒提供在对72c中的左辐射元件与右辐射元件之间的信号的幅值(0.81相对0.01)，由图7C图示的馈送信号驱动实例不同于由图7B所示的馈送信号驱动实例。基于此配置，可以使用相同的498mm壳体提供600MHz天线(频带从617MHz到896MHz)作为RRVV天线(例如，698MHz-960MHz)；图7A-7C的基站天线70a、70b和70c可以具有498mm的宽度和1828mm的长度。
最后，如由图7D所示，提供了基站天线70d，其示出了根据本发明的实施例图3A-3B和3F的第一功率分配器电路(30a、30b、30f)如何可以与图6A-6B的第二功率分配器电路(60a、60b)组合，以实现进一步的HPBW变窄。如所示的，在第一列辐射元件和第二列辐射元件的端部处的第一对并排辐射元件72d1可以从第二功率分配器电路(60a、60b)接收信号，而其它两对并排辐射元件72d2、72d3可以从对应的第一功率分配器电路(30a、30b、30f)接收信号。
现在参考图8，提供了将图7A-7B的实施例之间的相对半功率束宽(HPBW)(y轴)根据频率(x轴)进行比较的图形，其中，通过在天线70b的端部处使用单个功率分配器电路PDn(参见例如图3A、3B和3F的30a、30b、30f)来实现HPBW的相对小的降低(≈2°)，但通过在天线70c的端部处使用单个“反向输出”功率分配器电路PDn(参见例如图6A-6B的60a、60b)来实现HPBW的相对大的降低(≈16°)。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型的优选实施例，尽管使用特定术语，但这些术语是在通用和描述性意义上使用的，并且不是出于限制目的使用的，本发明的范围在以下权利要求书中陈述。

Claims (25)

1.一种天线阵列，包括：
第一列辐射元件和第二列辐射元件，所述第一列辐射元件和所述第二列辐射元件分别响应于从第一无线电得到的第一多个射频(RF)馈送信号和从第二无线电得到的第二多个RF馈送信号；以及
第一功率分配器电路，所述第一功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件，并且用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件与所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件相对地延伸。
3.根据权利要求2所述的天线阵列，其中，所述第一功率分配器电路还被配置成用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件，并且用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件。
4.根据权利要求3所述的天线阵列，还包括：
第二功率分配器电路，所述第二功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的大多数能量驱动所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件，并且用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的非零少数能量驱动所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件。
5.根据权利要求4所述的天线阵列，其中，所述第二功率分配器电路还被配置成用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的大多数能量驱动所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件，并且用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的非零少数能量驱动所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件。
6.根据权利要求3所述的天线阵列，还包括：
第一移相器，所述第一移相器被配置成响应于由所述第一无线电生成的第一RF输入馈送信号生成所述第一多个RF馈送信号；以及
第二移相器，所述第二移相器被配置成响应于由所述第二无线电生成的第二RF输入馈送信号生成所述第二多个RF馈送信号。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其中，所述第一多个RF馈送信号相对于彼此移相，并且所述第二多个RF馈送信号相对于彼此移相。
8.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件接收与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量；并且其中，所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件接收与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量。
9.根据权利要求3所述的天线阵列，其中，所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件接收与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量；并且其中，所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件接收与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量。
10.根据权利要求8所述的天线阵列，还包括：
第一移相器，所述第一移相器被配置成响应于由所述第一无线电生成的第一RF输入馈送信号生成所述第一多个RF馈送信号，所述第一多个RF馈送信号相对于彼此移相；以及
第二移相器，所述第二移相器被配置成响应于由所述第二无线电生成的第二RF输入馈送信号生成所述第二多个RF馈送信号，所述第二多个RF馈送信号相对于彼此移相。
11.一种天线阵列，包括：
第一辐射元件阵列和第二辐射元件阵列，所述第一辐射元件阵列和所述第二辐射元件阵列分别响应于从第一RF发射器得到的第一多个射频(RF)馈送信号和从第二RF发射器得到的第二多个RF馈送信号；以及
第一功率分配器电路，所述第一功率分配器电路被配置成：(i)用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第二辐射元件阵列中的第一个辐射元件；(ii)用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第一辐射元件阵列中的第一个辐射元件；(iii)用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第一辐射元件阵列中的第一个辐射元件；以及(iv)用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第二辐射元件阵列中的第一个辐射元件。
12.根据权利要求11所述的天线阵列，其中，所述第一辐射元件阵列中的第二个辐射元件接收与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量；并且其中，所述第二辐射元件阵列中的第二个辐射元件接收与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量。
13.根据权利要求11所述的天线阵列，还包括：
第二功率分配器电路，所述第二功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的大多数能量驱动所述第一辐射元件阵列中的第二个辐射元件，并且用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的非零少数能量驱动所述第二辐射元件阵列中的第二个辐射元件。
14.根据权利要求12所述的天线阵列，其中，所述第一辐射元件阵列和所述第二辐射元件阵列是辐射元件的相应的第一线性阵列和第二线性阵列。
15.根据权利要求14所述的天线阵列，其中，辐射元件的第一线性阵列和第二线性阵列是辐射元件的相应的第一并排列和第二并排列。
16.一种天线阵列，包括：
第一列中的第一多个辐射元件，所述第一多个辐射元件响应于从第一无线电得到的第一多个RF馈送信号；
第二列中的第二多个辐射元件，所述第二多个辐射元件响应于从第二无线电得到的第二多个RF馈送信号；以及
功率分配器电路，所述功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动在第二列辐射元件的第一端处的第一个辐射元件，并且用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动在第一列辐射元件的第一端处的第一个辐射元件。
17.根据权利要求16所述的天线阵列，其中，所述第一功率分配器电路还被配置成用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的大多数能量驱动所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件，并且用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的非零少数能量驱动所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件。
18.根据权利要求17所述的天线阵列，其中，所述第一列辐射元件中的第二个辐射元件是用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量驱动的，并且不用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的能量驱动；并且其中，所述第二列辐射元件中的第二个辐射元件是用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量驱动的，并且不用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的能量驱动。
19.根据权利要求17所述的天线阵列，其中，在所述第一列辐射元件的第二端处的第二个辐射元件是用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量驱动的，并且不用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的能量驱动；并且其中，在所述第二列辐射元件的第二端处的第二个辐射元件是用与所述第二多个RF馈送信号中的第二个相关联的所有能量驱动的，并且不用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的能量驱动。
20.根据权利要求17所述的天线阵列，其中，所述第一列辐射元件和所述第二列辐射元件排列成使得所述第一列辐射元件中的每个辐射元件与所述第二列辐射元件中的相应辐射元件完全相对地延伸。
21.根据权利要求17所述的天线阵列，其中，所述功率分配器电路包括与第二级联对的功率分配器交叉耦合的第一级联对的功率分配器。
22.根据权利要求21所述的天线阵列，其中，所述第一级联对的功率分配器中的每一个和所述第二级联对的功率分配器中的每一个选自：定向耦合器、支线耦合器、Wilkinson功率分配器和无功T型分流器及其组合。
23.根据权利要求21所述的天线阵列，其中，所述第一级联对的功率分配器被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的70-90％能量驱动在所述第二列辐射元件的第一端处的第一个辐射元件，并且用与所述第一多个RF馈送信号中的第一个相关联的0.26-2.7％能量驱动在所述第一列辐射元件的第一端处的第一个辐射元件。
24.根据权利要求23所述的天线阵列，其中，所述第二级联对的功率分配器被配置成用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的70-90％能量驱动所述第一列辐射元件中的第一个辐射元件，并且用与所述第二多个RF馈送信号中的第一个相关联的0.26-2.7％能量驱动所述第二列辐射元件中的第一个辐射元件。
25.根据权利要求24所述的天线阵列，还包括：
第二功率分配器电路，所述第二功率分配器电路被配置成用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的大多数能量驱动所述第一辐射元件阵列中的第二个辐射元件，并且用与所述第一多个RF馈送信号中的第二个相关联的非零少数能量驱动所述第二辐射元件阵列中的第二个辐射元件。
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