CN112424994B - 分支线耦合器及有源天线系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种分支线耦合器和有源天线系统。在实施例中，分支线耦合器包括四个谐振器。该四个谐振器由主体和接地元件形成。谐振器包括电容器元件和电感器元件。该电容器元件的第一部分包括主体的至少一部分，并且该电容器元件的第二部分包括接地元件的至少一部分。电感器元件并联连接至电容器元件。电感器元件包括主体的至少一部分并延伸至接地元件。第一谐振器和第二谐振器通过第一耦合耦合，第二谐振器和第三谐振器通过第二耦合耦合，第三谐振器和第四谐振器通过第三耦合耦合，并且第四谐振器和第一谐振器通过第四耦合耦合。

Description

分支线耦合器及有源天线系统
交叉引用
本申请要求于2018年7月6日向美国专利商标局提交的名称为“分支线耦合器”、申请号为16/028,816的美国专利申请的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及一种耦合器，尤其涉及一种分支线耦合器。
背景技术
分支线耦合器作为基本部件(例如平衡混频器、平衡放大器、功率分配器等)广泛用于各种电路和系统中。
在某些情况下，例如在高频应用中，分支线耦合器的尺寸小，因此可以集成至印刷电路板(printed circuit board，PCB)的表面。因此，可以通过单层PCB或多层PCB设计分支线耦合器。
发明内容
在第一方面，提供一种分支线耦合器。该分支线耦合器包括四个谐振器，即，第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、以及第四谐振器。第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、以及第四谐振器中的每一个包括电感器(或电感器元件)和电容器(或电容器元件)。电感器和电容器并联连接。电感器和电容器接地。第一谐振器和第二谐振器通过第一耦合耦合，第二谐振器和第三谐振器通过第二耦合耦合，第三谐振器和第四谐振器通过第三耦合耦合，并且第四谐振器和第一谐振器通过第四耦合耦合。因此，分支线耦合器具有较好的接地条件，在传输信号时可以改善无源互调性能。
分支线耦合器还包括四个端口，即，第一端口、第二端口、第三端口、以及第四端口。第一端口耦合到第一谐振器并接收输入信号。第二端口耦合到第二谐振器，并输出从输入信号导出的直接信号。第三端口耦合到第三谐振器，并输出从输入信号导出的耦合信号。第四端口耦合到第四谐振器并且是隔离端口。
在根据第一方面的分支线耦合器的第一种可能的实施方式中，四个耦合中的每一个包括电容耦合。可选地，四个耦合中的每一个可以包括电感耦合。电容耦合或电感耦合可以在从通过电容耦合或电感耦合而耦合的谐振器和另一谐振器通过的信号中产生九十度的相位差。因此，在第二端口输出的直接信号相对于在第三端口输出的耦合信号将相移基本上九十度。因此，分支线耦合器可以支持无线通信中的波束成形传输。
在根据第一方面和以上实施方式的分支线耦合器的第二种可能的实施方式中，四个端口中的每一个端口都连接到端口耦合。端口耦合可以将每个端口与对应的谐振器耦合。端口耦合可以将端口的端口阻抗转换为传输线的内部阻抗，传输线的内部阻抗由分支线耦合器中的两个相邻谐振器之间的耦合形成。
在根据第二实施方式的分支线耦合器的第三种可能的实施方式中，端口耦合可以包括电感耦合。在示例中，端口可以通过电感器耦合到对应的谐振器。可选地，四个端口中的每一个都可以连接到接地电容器。
可选地，端口耦合可以包括电容器耦合。在示例中，端口可以通过电感器耦合到对应的谐振器。可选地，四个端口中的每一个都可以连接到接地电感器。
对于其中每个端口都连接到接地电容器或接地电感器的分支线耦合器，该接地电容器和电感器或该接地电感器和电容器可以形成带通滤波器，从而可以扩展输入信号的频率范围。因此，可以扩展无线系统支持的带宽。
在根据第一方面和以上实施方式的分支线耦合器的第四种可能的实施方式中，四个谐振器中的每一个包括谐振器。在一些示例中，四个谐振器由主体和接地元件形成，四个谐振器中的每一个包括电容器元件和电感器元件，其中，该电容器元件的第一部分包括主体的至少一部分，并且其中，该电容器元件的第二部分包括接地元件的至少一部分；该电感器元件并联连接至电容器元件，其中，该电感器元件包括主体的至少一部分并延伸至接地元件。谐振器包括接地的金属壳和一个或多个可传导无线信号的分布式导体。谐振器中的电感器是指由一个或多个分布式导体形成的分布式电感器。谐振器中的电容器是指由一个或多个分布式导体和金属壳形成的分布式电容器。金属壳接地。由于分支线耦合器包括谐振器，特别是谐振器的电感器和电容器由导体和金属壳形成，故接地条件得到明显改善，PIM性能可以得到更大的提高，从而带来更高的无线通信质量。
在根据第四种可能的实施方式的分支线耦合器的第五种可能的实施方式中，分支线耦合器还可以包括金属壳中的隔离部件。隔离部件具有两端，并且这两端均连接至金属壳。隔离部件可以隔离第一谐振器和第三谐振器之间的耦合，并隔离第二谐振器和第四谐振器之间的耦合。通过使用隔离部件，可以避免分支线耦合器的故障，并且提高分支线耦合器的精度。
在根据第一方面和以上实施方式的分支线耦合器的第五种可能的实施方式中，第一耦合和第三耦合具有第一耦合强度，第二耦合和第四耦合具有第二耦合强度，并且第二耦合强度等于第一耦合强度除以
Figure GDA0002883253910000021
在第二方面，提供了一种有源天线系统。有源天线系统包括根据第一方面及其实施方式的分支线耦合器和连接到该分支线耦合器的频率选择部件。频率选择部件将由频率选择部件选择的信号在分支线耦合器的第一端口输入分支线耦合器。分支线耦合器在第二端口输出直接信号，并且在第三端口输出耦合信号。有源天线系统可用于高级波束成形(advanced beam forming，ABF)。
在根据第二方面的有源天线系统的第一种可能的实施方式中，频率选择部件包括滤波器或双工器。在一些示例中，将频率选择部件制作形成金属腔。因此，由于频率选择部件和分支线耦合器都是金属腔，所以频率选择部件可以容易地连接到分支线耦合器。可选地，频率选择部件和分支线耦合器可以在相同的金属腔中制造。因此，可以降低制造成本。
在根据第二方面和第二方面的第一种可能的实施方式的有源天线系统的第二种可能的实施方式中，有源天线系统还包括天线。直接信号和耦合信号被发送到该天线。可选地，分支线耦合器可以在输入端口处接收来自天线的信号，并且在两个输出端口处将直接信号和耦合信号输出到频率选择部件。因此，可以实现高质量的信号发送和信号接收。
在第三方面，提供了一种基站。该基站包括根据第二方面及其实施方式的有源天线系统以及基带单元。该基带单元可以包括基带处理器。该基带处理器将信号输出到有源天线系统，并且可以接收来自有源天线系统的信号。利用结合了上述分支线耦合器的有源天线系统的实施方式，可以提高基站的无线通信质量，并且还可以相应地降低制造成本。而且，可以扩展系统频率的带宽，并且可以支持更多的业务吞吐量。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：
图1是分支线耦合器的示意图；
图2是实施例中的分支线耦合器的示意图；
图3是实施例中的谐振器的示意图；
图4是实施例中的分支线耦合器的示意图；
图5A-图5K是实施例中的分支线耦合器的示意图；
图6A-图6C是实施例中的分支线耦合器的示意图；
图7是实施例中的有源天线系统的示意图；以及
图8是实施例中的基站的示意图。
具体实施方式
下面详细讨论当前实施例的结构、制造、以及使用。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本公开的特定方式，并不限制本公开的范围。
图1是现有技术的分支线耦合器10的示意图。现有技术的分支线耦合器10包括四条传输线，即两条主传输线(也称为水平平行传输线)L1和L2，以及两条分支线(也称为垂直平行线)L3和L4。两条主传输线L1和L2通过两条分支线L3和L4连接。四条传输线L1-L4 也被称为分支线耦合器10的四个臂。两条分支线L3和L4中的每条传输线的特性阻抗均等于Z0。两个主传输线L1和L2中的每条传输线的特性阻抗均等于
Figure GDA0002883253910000031
四条传输线L1-L4 中的每条线的长度等于四分之一波长(λ/4)，其中λ表示波长。
分支线耦合器10具有四个端口，即，第一端口(端口1)、第二端口(端口2)、第三端口(端口3)、以及第四端口(端口4)。四个端口L5-L8可以连接到电传输线、电缆、或其他电导体元件。一个端口是输入端口，两个端口是输出端口，其余一个端口是隔离端口。分支线耦合器10可以将从输入端口输入的信号分到两个输出端口中。从输入端口输入的信号的功率可以在输出端口之间平均分配，并且两个输出处的信号相对于彼此具有90度的相位差 (或相移)。例如，如图1所示，端口1可以是输入端口，端口2和端口3是输出端口，并且端口4是隔离端口。功率信号输入到端口1，并被分到两个输出端口2和3中。在端口1是输入端口的示例下，端口1接收输入信号，从输入信号导出的信号从端口2输出，并且从输入信号导出的信号从端口3输出。从端口2输出的信号直接通过主传输线L1传输，因此，从端口2输出的信号也称为直接信号。从端口3输出的信号通过分支传输线L4传输，从端口3 输出的信号也称为耦合信号。
每个端口可以耦合到具有特性阻抗Z0的传输线。传输线L5、L6、L7、以及L8的特性阻抗与分支线L3和L4的特性阻抗相同。
本公开中的分支线耦合器还指分支线混合器、九十度(90°)混合耦合器、混合器(hybrid)，等等。
图2是根据实施例的分支线耦合器200的示意图。分支线耦合器200包括四个谐振器 R1-R4，即，第一谐振器R1201、第二谐振器R2 202、第三谐振器R3 203、以及第四谐振器R4 204。通过耦合将一对相邻的谐振器耦合，两个谐振器之间的该耦合可以在两个谐振器之间产生九十度的相位差。在本公开的实施例中，将四个谐振器耦合以实现分支线耦合器。
分支线耦合器200可以作为基本部件广泛用于各种电路和系统。作为有源天线系统 (active antenna system，AAS)的重要部件，分支线耦合器200能显著影响AAS的性能。本申请公开了性能高且制造复杂度较小的分支线耦合器200的实施例。
分支线耦合器200还包括端口1211、端口2212、端口3213、以及端口4214。有利地，分支线耦合器200可以将输入信号分成两个输出端口处的信号。有利地，分支线耦合器200可以在两个输出端口之间均分输入信号。第二输出端口处的信号将相对于第一输出端口处的信号基本相移90度。四个端口1-4211-214中的任一端口都可以是输入端口，而另外两个端口是输出端口。剩下的一个端口称为隔离端口。端口1211通过第一端口耦合kp1 221耦合到第一谐振器R1 201。端口2212通过第二端口耦合kp2 222耦合到第二谐振器R1 202。端口3213 通过第三端口耦合kp3 223耦合到第三谐振器R3 203。端口4214通过第四端口耦合kp4 224 耦合到第四谐振器R4 204。
第一谐振器R1 201通过第一耦合k12 231耦合到第二谐振器R2 202。第二谐振器R2 202通过第二耦合k23 232耦合到第三谐振器R3 203。第三谐振器R3 203通过第三耦合k34 233耦合到第四谐振器R4 204。第四谐振器R4 204通过第四耦合k41 234耦合到第一谐振器 R1 201。
在一个示例中，由于工业上最常用的端口阻抗值是50Ω，因此端口1-4 211-214的端口阻抗Z0可以是50Ω。Z0不限于特定值，也可以根据实际需要设定为其他值。耦合k23 232和耦合k41 234的特性阻抗等于内部阻抗Zi，耦合k12 231和耦合k34 233的特性阻抗等于
Figure GDA0002883253910000041
端口耦合kp1-kp4 221-224可以在分支线耦合器200的端口阻抗Z0和内部阻抗Zi之间产生阻抗匹配，诸如将内部阻抗Zi转换为端口阻抗Z0。Zi可以等于或小于Z0。
端口1211接收输入信号。从端口2212输出直接信号，其中，该直接信号从输入信号导出。耦合信号从输入信号导出并从端口3213输出。
在本公开的实施例中，当将特定频率或频带的电磁信号输入到谐振器时，谐振器R1-R4 201-204中的每一个谐振器在该频率或频带谐振。在分支线耦合器200中，四个谐振器 R1-R4 201-204中的每一个谐振器可以在基本相同的频率或频带谐振。通过适当地设计四个谐振器R1-R4 201-204，可以将分支线耦合器200构造成在期望的频率或频率范围工作。
在一些示例中，谐振器可以包括导电材料中的中空区域。例如，该中空区域可以填充空气、特定气体、或可以是基本真空。可替代地，该谐振器可以包括填充有介电材料或非导电材料的中空区域。然而，应当理解，可以例如通过改变腔的尺寸和/或形状对谐振器的谐振频率进行一定程度的调整或改变。例如，腔可以包括可移动的或可调节的壁，其中，可以改变腔的尺寸或形状以影响谐振频率。
图3是一实施例中的谐振器201的示意图。谐振器R1-R4 201-204中的每一个谐振器可以由等效电路表示，该等效电路包括电感器(或电感器元件)2011和电容器(或电容器元件)2012，其中，电感器元件和电容器元件形成电子谐振器电路。谐振器R1201可以表示为并联连接的电感器2011和电容器2012。电感器和电容器中都具有两端，并且该两端中的一端是接地端，即，该端接地。例如，电感器2011和电容器2012两者都具有接地端。在示例中，地是电路中测量电压的参考点、电流的公共返回路径、或与大地的直接或间接物理连接。具有接地端的电感器可以称为接地电感器，具有接地端的电容器可以称为接地电容器。接地有利于减少分支线耦合器200中的无源互调(passive intermodulation，PIM)，以下将更详细地讨论。在示例中，谐振器R1-R4 201-204的谐振频率f可以根据以下等式来设置：
Figure GDA0002883253910000042
其中，L表示电感器2011的电感值(单位为亨利)，C表示电容器2012 的电容值(单位为法拉)。
在一些示例中，四个谐振器R1-R4 201-204由主体和接地元件形成。谐振器R1-R4201-204中的每一个谐振器包括电容器元件，该电容器元件的第一部分包括该主体的至少一部分，该电容器元件的第二部分包括该接地元件的至少一部分。谐振器R1-R4 201-204中的每一个谐振器还包括并联连接到电容器元件的电感器元件，该电感器元件包括该主体的至少一部分并且延伸到接地元件。在示例中，接地元件可以包括金属壳(或导电壳或导电腔)、或连接到金属壳的导体。该主体包括在金属壳中的整体部件、或相互连接的多个部件、或在金属壳内部的分立部件。
在本公开的实施例中，电感器是一种无源电子部件，当电流流过电感器时，该电感器将能量存储在磁场中，其中，由磁场存储的能量的量被量化为电感。电感器阻止电流变化。电感量度是电压与电流变化率之比。应当理解，部件可以包括多个分布式元件或部件，其中，分布式元件或部件可以组合在一起以用作电感器2011。例如，两个金属导体中的每一个都具有电感，其中，两个金属导体彼此连接作为一个整体并用作电感器2011。由多个部件形成的电感器2011可以称为分布式电感器2011。因此，在一些实施例中，电感器2011可以包括当信号通过时会具有电感的金属导体，例如金属线、金属件、或线圈。金属导体在存在信号的情况下会产生自感。在示例中，该信号可以包括高频信号，诸如具有高于300MHz的频率的信号。应当注意，频率不限于该示例。
实施例中的电容器2012是指一种无源电子部件，当电容器2012两端存在电势时，电容器将能量存储在电场中，其中，电场存储的能量的量被量化为电容。当施加随时间变化的电压时，电容器2012将通过其自身传导电流。电容耦合是通过电场感应的位移电流在两个导体之间传递信号。电容器2012可以包括被间隙或电绝缘体材料隔开的一对导体。该绝缘体可以是空气或任何其他电绝缘材料。电容器2012可以包括分布式元件或部件，即，多个分布式元件或部件可以累加并且可以生成期望的电容值。在本公开的实施例中，由分布式部件或元件形成的电容器2012可以被称为分布式电容器2012。
在一些示例中，形成电感器2011和电容器2012的部件包括导电壳和多个导电部件。导电部件放置在导电壳的内部，其中，一些导电部件连接到导电壳，而一些导电部件不连接到导电壳。导电部件可以形成一个或多个电感器2011。在导电部件和导电壳之间，或在导电部件和连接到导电壳的导电部件之间存在间隙或空间。在金属壳520的空腔内由这样的一个或多个电感器和一个或多个电容器形成的谐振器可以称为空腔谐振器(参见图5A-图5I)。
在示例中，谐振器R1-R4 201-204可以由四分之一波长同轴谐振器构成，其中，中心导体的一端接地。
再次参考图2，第一谐振器R1 201和第二谐振器R2 202通过耦合k12 231耦合，第二谐振器R2 202和第三谐振器R3 203通过耦合k23 233耦合，第三谐振器R3 203和第四谐振器R4 204通过耦合k34 233耦合，并且第四谐振器R4 204和第一谐振器R1 201通过耦合k41 234耦合。
耦合k12 231、k23 232、k34 233、以及k41 234可以在依次连接的谐振器之间依次引入90度相移。即，耦合k12 231可以在谐振器R1 201和R2 202之间引入90度的相位差，耦合k23 232可以在谐振器R2 202和R3 203之间引入90度的相位差，耦合k34 233可以在谐振器R3 203和R4 204之间引入90度的相位差，并且耦合k41 234可以在谐振器R4 204和 R1201之间引入90度的相位差。因此，耦合k12 231使得自谐振器R1 201和谐振器R2 202 流出的信号产生九十度的相位差。耦合k23 232使得自谐振器R2 202和谐振器R3 203流出的信号产生九十度的相位差。耦合k34 233使得自谐振器R2 202和谐振器R3 203流出的信号产生九十度的相位差。耦合k41 234使得自谐振器R4 204和谐振器R1201流出的信号产生九十度的相位差。
可以根据耦合系数来设置耦合k12 231、耦合k23 232、耦合k34 233、以及耦合k41234 的耦合强度。耦合系数是表征两个谐振器相互作用的无量纲值。在一个示例中，耦合k12 231 的耦合强度等于耦合k34 233的耦合强度，而耦合k23 232的耦合强度等于耦合k41 234的耦合强度。在该实施例中，耦合k23 232和耦合k41 234的耦合强度等于耦合k12231或k34 233 的耦合强度除以
Figure GDA0002883253910000061
更强的耦合强度可以实现更宽的工作带宽。带宽，也可以称为阻抗带宽，是指可以维持给定回波损耗的频率范围。带宽通常与给定的回波损耗或电压驻波比(voltage standing wave radio,VSWR)值搭配。
一对相邻的谐振器之间的耦合可以包括阻抗逆变器，也称为K-逆变器。可以通过电感耦合将相邻谐振器耦合，该电感耦合是指通过由共同变化的磁场链接的电感进行的耦合。可选地，一对谐振器之间的耦合可以包括电容耦合。电容耦合是指通过具有电容效应的装置 (例如电容器)的耦合或连接，其中，两个谐振器之间的电相互作用是由二者之间的电容效应引起的。
在该实施例中，端口耦合kp1-kp4 221-224可以包括电感耦合。可选地，端口耦合kp1-kp4 221-224可以包括电容耦合。在一些示例中，在电感耦合中，信号的电压超前于信号的电流九十度。相反，在电容耦合实施例中，电压滞后于电流九十度。
特别是结合了两种不同金属时，机械部件的相互作用通常产生非线性元件。异种材料的连接是主要原因。PIM发生在天线元件、同轴连接器、同轴电缆、以及接地装置中。接地不充分是引起PIM的关键因素。较好的接地条件可以改善PIM性能。相反，较差的接地条件可能导致更多的PIM，并且网络中的传输性能可能下降。
PIM电平可以由以分贝-毫瓦(decibel-milliwatts,dBm)为单位的特定值表示。PIM电平越低，意味着PIM性能越好。
无线高速数据网络使用严格分组的信道和复杂的调制方案以使得能够传输大量数据。如果无线高速数据网络受到PIM的干扰，则与超灵敏接收器关联的该无线高速数据网络可能会面临意料之外的严重容量损失。PIM是互调失真的一种形式，发生在通常被认为是线性部件的部件中，例如电缆、连接器和天线。PIM是无源电路中两个或多个频率的非线性混合导致的干扰。调制此类射频信号是传输信息所必需的，但是任意PIM都可能严重影响射频信号的性能。不必要的PIM可能会使一个或多个接收通道不敏感，使得导致很高的误码率(bit error rate,BER)，从而降低网络带宽。存在超过副瓣电平(minor level)的PIM甚至可能导致通信中断。在最坏的情况下，它甚至可能导致永久无法使用接收器通道。
由PIM引起的已经稀疏的网络容量的损失对于大容量、高速无线数据网络是不允许的。每当一个以上的信号通过射频路径传输时(例如，无源非线性设备或元件中存在两个或多个信号时)，都会发生PIM。这些信号将彼此混合或相乘，生成与原始信号相关的其他不必要信号。
在本公开的实施例中，由于分支线耦合器200是通过并入包括接地电感器和接地电容器的谐振器而设计的，因此谐振器之间的耦合k12-k41用于实现分支线耦合器200，从而提供更好的接地性能。分支线耦合器200改善了无线高速传输的PIM性能。此外，分支线耦合器的设计可以降低设计复杂度和制造成本。
图4是实施例中的分支线耦合器400的示意图。除了四个额外的接地部件(GC1-GC4) 241-244以外，分支线耦合器400与分支线耦合器200类似。接地部件241-244中的每一个具有接地端和另一端，该另一端连接到端口1211、端口2212、端口3213、或端口4214的相应端口。
在一个示例中，对于其端口耦合kp1-kp4 221-224是电感耦合的端口，接地部件241-244 中的每一个都包括接地电容器。对于其端口耦合kp1-kp4 221-224是电容耦合的端口，接地部件241-244中的每一个都包括接地电感器。
在该实施例中，接地部件241-244和端口耦合221-224可在一些实施例中形成并联谐振电路并用作带通滤波器。在其他实施例中，在端口耦合221-224包括电感器并且接地部件 241-244包括接地电容器的示例中，形成低通滤波器。在其他实施例中，在端口耦合221-224 包括电容器并且接地部件241-244包括接地电感器的示例中，形成高通滤波器。
图5A-图5C是根据实施例的分支线耦合器500的示意图。图5A是移除盖510的分支线耦合器500的俯视图。图5B是从正面看的分支线耦合器500的沿AA的剖视图。图5C 是分支线耦合器500的内部部件的示意图。
图5A是分支线耦合器500的俯视图。在所示实施例中，分支线耦合器500包括盖510、壁520、以及和底部580。盖510、壁520、以及底部580由金属材料制成并形成接地的金属壳。分支线耦合器500还包括主体540，该主体540包括四个金属件541-544，其中，主体540位于金属壳内。四个金属件541-544被金属壳的壁520包围但不接触壁520。
四个端口511-514从金属壳伸出，其中，四个端口511-514电耦合到分支线耦合器500 内的四个谐振器R1-R4 501-504。端口1-4 511-514通过端口耦合kp1-kp4 521-524耦合到主体 540(因此耦合到主体540的四个谐振器R1-R4 501-504)。端口1-4 511-514中的每一个可以通过对应的端口耦合kp1-kp4 521-524耦合到金属件541-544。在一些实施例中，端口耦合 kp1-kp4 521-524包括金属导体。在一些实施例中，端口耦合kp1-kp4 521-524包括金属导体，当信号通过端口耦合kp1-kp4 521-524时，该金属导体用作电感器。端口1511和金属件541 通过金属导体521连接，端口2512和金属件542通过金属导体522耦合，端口3513和金属件543通过金属导体523耦合，端口4514和金属件544通过金属导体524耦合。在所示的实施例中，端口1-4 511-514穿过侧壁520中的孔，并且可以夹在侧壁520上或贴附在侧壁520 上。进一步，将端口511-514贴附到侧壁520可以使得主体540保持在金属壳内的适当位置，包括将主体540贴附在距金属壳预定距离处，以实现分支线耦合器500的电容器部件。或者，端口1-4 511-514位于壁520的外部，并且金属导体521-524穿过壁520并连接至端口1-4 511-514。
在一些实施例中，端口耦合kp1-kp4 521-524是电感耦合。可选地，端口1-4 511-514 中的每一个连接到接地电容器。
四个金属件541-544连接到金属基底530，该金属基底530连接到底部580。可选地，四个金属件541-544和金属基底530可以是一体的单元。四个金属件541-544与盖510间隔预定距离D1，并与底部580间隔预定距离D2(见图5B)。如图5A所示，金属件541-544中的每一个与最近的壁520间隔预定距离D3。当信号传输到金属件541-544时，信号也通过金属基底530传输到底部580。在一些实施例中，金属基底530和金属件541-544中的每一个形成电感器。由于该电感器由多个电感贡献部件形成，因此这种电感器也称为分布式电感器。在本公开的实施例中，盖510、壁520、以及底部580都接地。由于金属基底530接触底部 580(即分支线耦合器500的外部金属壳)，所以这种电感器的一端是接地端。
图5D是实施例中的第一谐振器501中的电感器5011的示意图。信号S在端口1511处输入，并通过端口耦合521传输到金属件541。信号S然后从金属件541传递到金属基底530，最后传递到接地的底部580。在存在信号S1的情况下，金属件541和金属基底530可以产生自感。因此，金属件541和金属基底530可以形成第一谐振器501的电感器5011。由于金属基底530连接至底部580，因此，电感器5011的一端接地，电感器5011是接地电感器。当信号通过金属件542-544和金属基底530时，可以类似地形成第二谐振器至第四谐振器502-504的接地电感器。
四个金属件541-544和盖510、底部580、和/或壁520也可以形成不同的接地电容器。这样的电容器可以称为分布式电容器。金属件541相对于盖510、底部580、或图5A的左侧的壁520可以形成电容器元件。金属件541可通过在两个导电板或导电体之间形成小间隙(或空气间隙)来形成电容器元件，其中，由于两个导电板或导电体之间的电势而存储和释放电能。在一些示例中，预定距离D1、D2、或D3可以是几密耳或大于10密耳(密耳是等于千分之一英寸的长度单位)。应当注意，本公开的实施例不限制预定距离D1、D2、或D3的特定长度。可选地，金属件与壁之间的距离D3可以不同于另一金属件与壁之间的另一距离D3。
类似地，金属件542相对于盖510、底部580、或图中后侧的壁520可以形成电容器元件。金属件543相对于盖510、底部580、或图中右侧的壁520可以形成电容器元件。金属件544相对于盖510、底部580、或图中前侧的壁520可以形成电容器元件。因此，金属件 541-544中的每一个可包括电容器元件的一部分或一端，并且盖510、底部580、或壁520包括电容器元件的另一部分或另一端。
图5E是实施例中的第一谐振器501中的电容器5012(或电容器元件)的示意图。信号S在端口1511处输入，并通过端口耦合521传输到金属件541。金属件541和盖510形成电容器5012，其中，金属件541和盖510之间具有间隙D1。由于盖510接地，所以电容器 5012的一部分(即，上部)接地。因此，电容器5012是接地电容器。类似地，当信号通过金属件542-544时，金属件542-544与盖510一起可以形成第二谐振器至第四谐振器502-504 的接地电容器。应该理解，电容器5012仅是示例，第一谐振器501可以包括更多的电容器，例如由金属件541与底部580、图中右侧的壁520、或金属杆591中的至少一个形成的电容器。
图5I-图5K是实施例中的分支线耦合器500b的示意图。分支线耦合器500b类似于分支线耦合器500，不同之处在于，每个金属件包括一个孔或腔，即，金属件541中的腔571、金属件542中的腔572、金属件543中的腔573、以及金属件544中的腔574。如图5J所示，可以有四个金属杆或螺钉591-594与盖510连接。每个金属杆591-594的直径可以小于相应金属件541-544上的每个腔571-574的直径，使得在金属杆591-594和金属件541-544之间存在小空间或小间隙。每个金属杆591-594可以至少部分地延伸到腔571-574中，但是不接触腔的侧壁。因此，可以通过金属杆591-594和金属件541-544之间的间隙形成电容器。由于金属杆591-594连接到盖510，即，这些电容器的一端是接地端，所以这种电容器是接地电容器。金属杆591-594可以固定到盖510。可选地，金属杆591-594可以是可调节的并且可以相对于盖510上下移动，即，可以调节金属杆591-594的延伸到腔571-574中的长度。应当理解，金属杆591-594可用于调节谐振器R1-R4 501-504的谐振频率，从而影响分支线耦合器 500的工作频率。在一些实施例中，金属杆591-594包括螺旋螺纹，并且可以通过旋转金属杆 591-594而使其进一步延伸到腔571-574中或从腔571-574旋出。
图5F是实施例中的第一谐振器501中的另一电容器5012b的示意图。信号S在端口1511处输入，并通过端口耦合521传输到金属件541。金属件541和金属杆591形成电容器5012b。由于金属杆591连接到接地的盖510，所以电容器5012b的一部分接地。因此，电容器5012b是接地电容器。
应当理解，电容器5012和电容器5012b是两个示例。第一谐振器501可以包括更多的电容器元件，例如由金属件541与底部580和/或图中右侧的壁520形成的电容器元件。这些电容器元件中的每一个均可以有助于获得所需的总电容。
(一个或多个)电感器和(一个或多个)电容器可形成谐振器。因此，分支线耦合器500的四个谐振器R1-R4 501-504可以由四个金属件541-544和其他部件形成。第一谐振器R1 501包括并联连接的(一个或多个)第一分布式电感器和(一个或多个)第一分布式电容器。第一分布式电感器包括金属件541和金属基底530。第一分布式电容器包括金属件541，以及盖510、壁520、底部580、或金属杆591中的至少一个。第一分布式电容器具有一端(即金属件541)。盖510、壁520、底部580、或金属杆591中的至少一个形成第一分布式电容器的另一端。类似地，可以形成第二谐振器R2 502、第三谐振器R3 503、以及第四谐振器R4 504。
图5G是实施例中的第一谐振器501的示意图。第一谐振器501包括图5D所示的电感器5011和图5E所示的电容器5012。电感器5011和电容器5012具有公共端，并且电感器5011和电容器5012的另一端都接地。即，电感器5011和电容器5012并联连接并形成并联 LC谐振器(或LC电路，其中，字母L代表电感器，字母C代表电容器)。可选地，在如上所述形成更多电容器(例如电容器5012b)的情况下，多个电容器和电感器5011可以形成并联LC谐振器。
应当注意，为便于描述，图5D和图5F突出显示了与第一谐振器有关的一些部件，但并不意味着图5D-图5F中的分支线耦合器500仅包含这些部件。
图5H是实施例中的第一谐振器和第二谐振器之间的电感耦合k12的示意图。信号S通过端口耦合521输入到金属件541中。当信号S流经金属件541时会产生磁场。磁场穿过金属件542，并且可以在金属件542上产生信号。金属件542上的信号也可以产生穿过金属件541的磁场。因此，第一谐振器501和第二谐振器502通过电感耦合。可选地，金属导体 551连接金属件541和金属件542，并且可以将信号S传导到金属件542。传输到金属件542 的信号越多，可以产生的电感越强。金属导体551还可以产生电感以增强第一谐振器501和第二谐振器502之间的耦合。谐振器501-504的另外两个相邻的谐振器可以类似地耦合。
在另一示例中，在端口1511处输入信号，该信号从金属件541通过金属导体551传输到金属件542。金属件541和金属件542上产生涡流。金属件541和金属件542上的涡流可产生磁场。这两个磁场相互作用并产生互感。因此，第一谐振器R1 501和第二谐振器R2 502可以通过互感耦合。可选地，金属导体551-554在信号流动时产生自感，并且一对相邻的谐振器通过自感耦合。例如，当信号通过金属导体551时，第一谐振器R1 501和第二谐振器 R2502通过金属导体551产生的电感耦合。类似地，第二谐振器R2 502和第三谐振器R3 503 通过金属导体552产生的电感耦合，第三谐振器R3 503和第四谐振器R4 504通过金属导体553产生的电感耦合，第四谐振器R4 504和第一谐振器R1 501通过金属导体554产生的电感耦合。
可选地，在实施例中，分支线耦合器500不包括金属导体551-554，这未在图中示出，其中一对相邻的谐振器可以通过互感耦合。
如图5B和图5C所示，金属导体551-554可以制成槽形或楔形。可选地，金属导体551-554的形状可以调节一对相邻谐振器之间的耦合强度。例如，厚度T可以调节从一个金属件传输到另一金属件的信号量，该信号量可以影响磁场的强度。可选地，可以调节金属导体551-554的电感和/或阻抗，以改变两个谐振器之间的耦合强度。
分支线耦合器500可以还包括隔离部件560，例如金属柱560。隔离部件560放置在四个谐振器R1-R4 501-504之间，可以隔离和防止第一谐振器R1 501和第三谐振器R3 503之间的耦合，并且可以隔离和防止第二谐振器R2 502和第四谐振器R4 504之间的耦合。隔离部件560的一端连接到盖510，并且隔离部件560的另一端连接到底部580。即，隔离部件560的两端都接地，其中，在第一谐振器R1 501与第三谐振器R3 503之间不形成交叉耦合，且在第二谐振器R2 502与第四谐振器R4 504之间不形成交叉耦合。由于隔离部件的两端接地，故隔离部件560防止产生电感或电容，或者，电感或电容很弱，以致可以忽略该电感或电容。
可选地，端口1-4 511-514连接到对应的接地部件GC1-GC4(例如接地电容器)。如图5B和图5C所示，在一些实施例中，端口1511连接到金属圆柱体5101，该金属圆柱体5101收容在金属导体5121的顶部中形成的收容器5111中，并且金属圆柱体5101和金属导体5121之间存在预定的空间。金属导体5121连接到底部580。因此，金属圆柱体5101和金属导体5121形成电容器，其中，金属圆柱体5101包括电容器的一端，金属导体5121包括电容器的另一端(即电容器的接地端)。类似地，金属圆柱体5102-5104和金属导体5122-5124可以形成这种电容器。
可选地，每个金属圆柱体5101-5104与对应的金属导体5121-5124之间可以没有间隔。即，每个金属圆柱体5101-5104可以与对应的金属导体5121-5124相接触，金属圆柱体5101-5104可以包裹有电绝缘体或介电材料，或者，收容器5111-5114可以覆盖有电绝缘体或电介质。通过使用电绝缘体或电介质，即使金属圆柱体5101-5104的位置靠近金属导体5121-5124，信号也无法在金属圆柱体5101-5104和金属导体5121-5124之间直接导电传输。因此，金属圆柱体5101-5104和金属导体5121-5124产生了电容效应，即，形成了分布式电容器。
图6A-图6C是实施例中的分支线耦合器600的示意图。分支线耦合器600类似于图5D-图5K所示的分支线耦合器500b，不同之处在于分支线耦合器600的端口耦合521-524是电容耦合。图6A-图6C中的腔571-574也可以是可选的，即，金属件541-544不开设腔571-574。可选地，四个端口1-4 511-514与诸如接地电感器5121-5124的接地部件GC1-GC4连接。
在该实施例中，电感器521收容在金属件541中的收容器5131中，并且电感器521和收容器5131之间存在预定间隔。因此，电感器521和金属件541之间形成电容器。类似地，电感器522-524和金属件542-544可以形成这种电容器。
可选地，电感器521-524中的每一个与对应的金属件541-544之间可以没有间隔。即，电感器521-524中的每一个可以与对应的金属件541-544相接触，电感器521-524可以包裹有电绝缘体或电介质材料，或者，收容器5131-5134可以覆盖有电绝缘体或电介质。通过使用绝缘材料，即使电感器521-524的位置靠近金属件541-544，信号也无法在电感器521-524和金属件541-544之间直接传输。因此，在电感器521-524和金属件541-544之间产生了电容效应。
分支线耦合器500和分支线耦合器600的更多细节类似于上述分支线耦合器200和分支线耦合器400。
注意，分支线耦合器500中所包括的金属壳和部件的形状、位置、和尺寸不限于图5A-图5C所示，分支线耦合器600中所包括的金属壳和部件的形状、位置、和尺寸不限于图6A-图6C所示。
图7是根据实施例的AAS700的示意图。在一些实施例中，AAS 700可以用于高级波束成形(advanced beam forming，ABF)。AAS 700包括至少一个分支线耦合器710、至少一个频率选择部件720、以及天线730。在示例中，频率选择部件720可以包括滤波器或双工器。
如以上描述的分支线耦合器中所述，分支线耦合器710可包括四个谐振器。作为示例，分支线耦合器710可以包括如上所述的分支线耦合器200、400-600。
工作中，在分支线耦合器710的端口1处将来自频率选择部件720的信号输入分支线耦合器710。在分支线耦合器710的端口2和端口3输出两个信号，并将其发送到天线730。类似地，也可以在分支线分配器710的端口4处将来自频率选择部件720的另一个信号输入，并且在分支线耦合器710的端口2和端口3输出两个信号，并将其发送到天线730。相反地，分支线耦合器720可以在端口2处接收来自天线730的信号，并在端口1和端口4处向频率选择部件720发送两个信号。分支线耦合器720也可以在端口3处接收来自天线730的信号，然后在端口1和端口4处将两个信号发送到频率选择部件720。因此，待在天线上发送的信号可以具有更好的PIM性能(即，较低的PIM电平)。例如，PIM可能低于-120dBm。
此外，与由单个或多个PCB实现的分支线耦合器相比，在分支线耦合器710包括谐振器的情况下，由本公开实施例提供的AAS将具有较低的制造复杂度并且将需要较少的制造材料。因此，相应地降低了制造成本。例如，成本可以低至由多层PCB制成的分支线耦合器的成本的30％。
例如，如图4、图5A-图5C、以及图6A-图6C所示的实施例，如果分支线耦合器710 在每个端口处包括接地电容器或接地电感器，则AAS 700可以在更宽的带宽上操作。带宽可以从中心频率的8％提高到至少23％，能够支持更多的业务吞吐量。
此外，插入损耗是用于评估分支线耦合器的性能的另一重要参数。在示例中，通过采用如本公开实施例所提供的分支线耦合，插入损耗小于0.1分贝(decibel，dB)。
如图7所示的AAS 700可以用于不同的频带以及不同数量的发射器和接收器。在一个示例中，对于支持2.6GHz且具有8个发射器和8个接收器(8T8R)的系统，AAS 700中可以包括四个分支线耦合器。
在该实施例中，在一些示例中，诸如滤波器和双工器之类的频率选择部件720可以以金属腔的形式制成。由于分支线耦合器710也可以是金属腔的形式，因此从制造的角度来看，频率选择部件720和分支线耦合器710可以容易地连接在AAS 700中。因此可以降低制造难度和成本。
图8是根据实施例的基站800的示意图。基站800包括基带单元(baseband unit，BBU) 810和耦合到BBU 810的AAS 820。应当理解，其他部件可以被包括在基站800中，但是为了简单起见未示出这些部件。BBU 810将信号输出到AAS 820。BBU 810还可以接收来自AAS 820的信号。BBU 810可以包括基带处理器，该基带处理器可以生成信号并将其发送到AA 820，而且能接收和处理来自AAS 820的信号。AAS 820可以包括如图7所示的AAS 700。通过采用结合了本公开实施例中描述的分支线耦合器的AAS 820，相应地改善了基站800的无线传输质量。
尽管已经对说明书进行了详细的描述，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。而且，本公开的范围并不限于本文所述的特定实施例，本领域的普通技术人员将从本公开了解到，目前存在或以后将开发的过程、机器、制造、物质组成、设备、方法、或步骤可以执行与本文描述的相应实施例基本相同的功能或实现与本文描述的相应实施例基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在包括这些过程、机器、制造、物质组成、设备、方法、或步骤。
在本公开的说明书中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如在本公开的说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一”、“一个”也旨在包括复数形式。在本公开的实施例中，“至少一个”是指一个或多个。术语“多个”是指两个或两个以上。术语“和/或”描述了相关项目之间的关系。术语“和/ 或”可以代表三种关系。例如，“A和/或B”可以单独表示A、同时表示A和B、以及单独表示B的情况。其中A和B可以是单数或复数。符号“/”通常表示关联项目的“或”。表述“至少一个”或类似表述可以表示这些项目的任何组合，这些项目的任何组合包括单数项目或复数项目的任何组合。例如，a，b或c中的至少一个可以包括a、b、c、a和b、a和c、b 和c、或a和b和c，其中a、b、c可以是单数，或者可以是复数。
尽管已经结合示例性实施例描述了本公开，但是本说明书无意以限制性意义来解释。参考描述，示例性实施例以及本公开的其他实施例的各种修改和组合对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，所附权利要求意在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (8)

1.一种分支线耦合器，包括：
由主体和接地元件形成的四个谐振器，其中，所述四个谐振器中的谐振器包括：
电容器元件，其中，所述电容器元件的第一部分包括所述主体的至少一部分，并且所述电容器元件的第二部分包括所述接地元件的至少一部分；
并联连接至所述电容器元件的电感器元件，其中，所述电感器元件包括所述主体的至少一部分并延伸至所述接地元件；
所述四个谐振器中的第一谐振器和第二谐振器通过第一耦合耦合，所述四个谐振器中的所述第二谐振器和第三谐振器通过第二耦合耦合，所述四个谐振器中的所述第三谐振器和第四谐振器通过第三耦合耦合，并且所述第四谐振器和所述第一谐振器通过第四耦合耦合，所述第一耦合、所述第二耦合、所述第三耦合、所述第四耦合中的每一个包括电容耦合或电感耦合。
2.根据权利要求1所述的分支线耦合器，还包括第一端口、第二端口、第三端口、以及第四端口；
所述第一端口通过第一端口耦合耦合到所述第一谐振器；
所述第二端口通过第二端口耦合耦合到所述第二谐振器；
所述第三端口通过第三端口耦合耦合到所述第三谐振器；以及
所述第四端口通过第四端口耦合耦合到所述第四谐振器，
其中，所述第一端口耦合、所述第二端口耦合、所述第三端口耦合、以及所述第四端口耦合中的每一个包括对应的电感耦合，并且所述第一端口、所述第二端口、所述第三端口、以及所述第四端口中的每一个连接至对应的接地电容器；或者
所述第一端口耦合、所述第二端口耦合、所述第三端口耦合、以及所述第四端口耦合中的每一个包括对应的电容耦合，并且所述第一端口、所述第二端口、所述第三端口、以及所述第四端口中的每一个连接至对应的接地电感器。
3.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其中，所述第一耦合在经由所述第一谐振器和所述第二谐振器的信号中产生九十度的相位差；
所述第二耦合在经由所述第二谐振器和所述第三谐振器的信号中产生九十度的相位差；
所述第三耦合在经由所述第三谐振器和所述第四谐振器的信号中产生九十度的相位差；以及
所述第四耦合在经由所述第一谐振器和所述第四谐振器的信号中产生九十度的相位差。
4.根据权利要求1所述的分支线耦合器，其中，所述第一耦合和所述第三耦合具有第一耦合强度，所述第二耦合和所述第四耦合具有第二耦合强度，并且所述第二耦合强度等于所述第一耦合强度除以
Figure FDA0003561386240000011
5.一种有源天线系统，包括：
频率选择部件，以及
分支线耦合器，所述分支线耦合器耦合到所述频率选择部件并用于接收来自所述频率选择部件的信号，其中，所述分支线耦合器包括：
由主体和接地元件形成的四个谐振器，其中，所述四个谐振器中的谐振器包括：
电容器元件，其中，所述电容器元件的第一部分包括所述主体的至少一部分，并且所述电容器元件的第二部分包括所述接地元件的至少一部分；
并联连接至所述电容器元件的电感器元件，其中，所述电感器元件包括所述主体的至少一部分并延伸至所述接地元件；
所述四个谐振器中的第一谐振器和第二谐振器通过第一耦合耦合，所述四个谐振器中的所述第二谐振器和第三谐振器通过第二耦合耦合，所述四个谐振器中的所述第三谐振器和第四谐振器通过第三耦合耦合，以及所述第四谐振器和所述第一谐振器通过第四耦合耦合，所述第一耦合、所述第二耦合、所述第三耦合、所述第四耦合中的每一个包括电容耦合或电感耦合。
6.根据权利要求5所述的有源天线系统，还包括第一端口、第二端口、第三端口、以及第四端口；
所述第一端口通过第一端口耦合耦合到所述第一谐振器；
所述第二端口通过第二端口耦合耦合到所述第二谐振器；
所述第三端口通过第三端口耦合耦合到所述第三谐振器；以及
所述第四端口通过第四端口耦合耦合到所述第四谐振器，
其中，所述第一端口耦合、所述第二端口耦合、所述第三端口耦合、以及所述第四端口耦合中的每一个包括对应的电感耦合，并且所述第一端口、所述第二端口、所述第三端口、以及所述第四端口中的每一个连接至对应的接地电容器；或者
所述第一端口耦合、所述第二端口耦合、所述第三端口耦合、以及所述第四端口耦合中的每一个包括对应的电容耦合，并且所述第一端口、所述第二端口、所述第三端口、以及所述第四端口中的每一个连接至对应的接地电感器。
7.根据权利要求5所述的有源天线系统，其中，所述第一耦合在经由所述第一谐振器和所述第二谐振器的信号中产生九十度的相位差；
所述第二耦合在经由所述第二谐振器和所述第三谐振器的信号中产生九十度的相位差；
所述第三耦合在经由所述第三谐振器和所述第四谐振器的信号中产生九十度的相位差；以及
所述第四耦合在经由所述第一谐振器和所述第四谐振器的信号中产生九十度的相位差。
8.根据权利要求5所述的有源天线系统，所述第一耦合和所述第三耦合具有第一耦合强度，所述第二耦合和所述第四耦合具有第二耦合强度，并且所述第二耦合强度等于所述第一耦合强度除以
Figure FDA0003561386240000021
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