CN114552236A - 跨多个列共享无线电端口的波束赋形天线 - Google Patents

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CN114552236A CN202110047948.2A CN202110047948A CN114552236A CN 114552236 A CN114552236 A CN 114552236A CN 202110047948 A CN202110047948 A CN 202110047948A CN 114552236 A CN114552236 A CN 114552236A
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Abstract

提供了天线系统。天线系统包括波束赋形阵列，该波束赋形阵列具有辐射元件的多个垂直列，辐射元件的多个垂直列各自被配置为发送每极化至少三个天线波束。而且，天线系统包括波束赋形无线电装置，该波束赋形无线电装置具有每极化多个射频端口，这些射频端口耦合到垂直列并且少于垂直列。

Description

跨多个列共享无线电端口的波束赋形天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年8月27日提交的PCT申请No.PCT/CN2020/111926的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般地涉及无线电通信，并且更具体地涉及用于蜂窝通信系统的波束赋形基站天线。
背景技术
蜂窝通信系统是本领域众所周知的。在蜂窝通信系统中，地理区域被划分成由相应的基站服务的一系列区域或“小区”。每个基站可以包括一个或多个基站天线，该一个或多个基站天线被配置为提供与基站所服务的小区内的订户的双向射频(“RF”)通信。在许多情况下，每个基站被划分成“扇区”。在一种常见的配置中，将六边形的小区划分成方位平面中的三个120°扇区，并且每个扇区由一个或多个基站天线服务，该一个或多个基站天线具有大约65°的方位半功率波束宽度(“HPBW”)。通常，基站天线被安装在塔架或其它升高的结构上，其中由基站天线生成的辐射图指向外。基站天线常常被实现为辐射元件的线性或平面相控阵。
为了增加容量，近年来已引入了包括波束赋形阵列和/或被配置为与多输入多输出(“MIMO”)无线电一起操作的基站天线。波束赋形阵列是指包括多列辐射元件的天线阵列。波束赋形阵列可以生成在例如水平或“方位”平面上具有减小的(较窄的)波束宽度的天线波束，其增加了天线的方向性或“增益”，从而增加了可支持的吞吐量。MIMO是指一种通信技术，其中将数据流分解成块，使用一定的编码技术在发送站和接收站之间的多个相对而言不相关的传输路径上同时传输这些块。多列天线阵列可以被用于MIMO传输，其中阵列中的每列可以被连接到MIMO无线电装置的端口并且被用于发送/接收多个数据流中的一个数据流。在实践中，由于正交极化趋于高度不相关，因此MIMO阵列中的辐射元件通常被实现为双极化辐射元件，从而允许MIMO阵列中的每列都连接到无线电装置上的两个端口(其中第一端口连接到列中的辐射元件的第一极化辐射器，以及第二端口连接到列中的辐射元件的第二极化辐射器)。由于阵列的每个物理列包含两个独立的辐射器列，因此这种技术可以有效地将所需的辐射元件的列数减半。
MIMO和波束赋形技术也可以被组合。例如，现在通常将所谓的8-发送/8-接收(“8T8R”)无线电装置(其包括八个无线电端口)常规地连接到包括四列双极化辐射元件的天线阵列，这些辐射元件被配置为在扇区内形成每极化单个天线波束。两个极化可以被用于实现针对每个天线波束的2xMIMO通信。这些波束赋形天线通常被用于时分双工(“TDD”)通信并且可以在TDD通信方案的每个单独时隙期间生成单个天线波束。同样地，在本领域中已知16-发送/16-接收(“16T16R”)无线电装置(其包括16个无线电端口)，该无线电装置被连接到包括八列双极化辐射元件的天线阵列，这些辐射元件被配置为在扇区内一次形成单个天线波束。与8T8R解决方案相比，16T16R解决方案提供了更高的增益和更少的干扰(并且因此支持更高的数据吞吐量)，但是也要求天线上的更大阵列和更昂贵的16T16R无线电装置，其可以显著地增加成本。
发明内容
根据本发明的实施例，天线系统可以包括波束赋形无线电装置，所述波束赋形无线电装置具有多个第一极化信号源和多个第一极化无线电信号端口，其中每个第一极化信号源耦合到所有的第一极化无线电信号端口。天线系统可以包括天线阵列，所述天线阵列具有多列辐射元件。而且，天线系统可以包括耦合电路，所述耦合电路包括耦合器和/或分离器，所述耦合器和/或分离器将第一极化无线电信号端口中的一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的列中的至少两列。例如，分离器可以是RF功率分配器，所述RF功率分配器将第一极化无线电信号端口中的一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的列中的至少两列。
在一些实施例中，第一极化信号源的总数可以等于第一极化无线电信号端口的总数。而且，耦合电路可以包括另一个耦合器和/或分离器，所述另一个耦合器和/或分离器将第一极化无线电信号端口中的一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的列中的至少两列。
根据一些实施例，所述波束赋形无线电装置可以包括总共X个第一极化无线电信号端口并且所述天线阵列可以包括总共Y列辐射元件，其中X和Y是正整数并且Y大于X。例如，Y可以等于2*X。而且，被包括在耦合电路中的将第一极化无线电信号端口连接到天线阵列中的辐射元件的列的耦合器和/或分离器的总数可以等于Y-X，并且耦合器和/或分离器可以将第一极化无线电信号端口中的一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的列中的少于所有列。
在一些实施例中，每个第一极化信号源可以耦合到辐射元件的列中的所有列。而且，分离器可以是将Z个第一极化天线信号端口耦合到Y列辐射元件的RF功率分配器。
根据一些实施例，耦合电路可以包括多个耦合器和/或分离器，所述多个耦合器和/或分离器将第一极化无线电信号端口连接到天线阵列中的辐射元件的列。而且，天线系统可以包括多个第一极化天线信号端口以及连接在第一极化天线信号端口和耦合电路之间的巴特勒矩阵波束赋形网络。
在一些实施例中，耦合电路中的每个耦合器和/或分离器可以仅耦合到辐射元件的列中的两列。而且，耦合电路中的每个耦合器可以是四端口耦合器，所述四端口耦合器具有耦合到第一极化无线电信号端口中的相应一个第一极化无线电信号端口的输入端口、耦合到辐射元件的列中的相应列的第一输出端口和第二输出端口、以及耦合到电阻性端子的隔离端口。
在一些实施例中，与列中的第二列中的辐射元件的钩平衡-不平衡变换器相比，列中的第一列中的辐射元件的钩平衡-不平衡变换器被翻转。
根据本发明的实施例的天线系统可以包括具有W个第一极化信号源和X个第一极化无线电信号端口的波束赋形无线电装置，其中W和X是正整数，并且其中每个第一极化信号源耦合到所有X个第一极化无线电信号端口。天线系统可以包括天线，所述天线包括：具有Y列辐射元件的天线阵列，其中Y是大于X的正整数；以及耦合到天线阵列的Z个第一极化天线信号端口，其中Z是正整数。而且，天线系统可以包括耦合电路，所述耦合电路包括多个耦合器和/或分离器，所述耦合电路将Z个第一极化天线信号端口耦合到Y列辐射元件。
在一些实施例中，被包括在耦合电路中的将Z个第一极化天线信号端口耦合到天线阵列中的Y列辐射元件的耦合器和/或分离器的总数可以等于Y-Z。
根据一些实施例，每个第一极化信号源可以耦合到所有Y列辐射元件。
在一些实施例中，耦合电路中的每个耦合器和/或分离器可以仅耦合到辐射元件的列中的两列。
根据一些实施例，耦合电路中的每个耦合器可以是四端口耦合器，所述四端口耦合器具有耦合到第一极化无线电信号端口中的相应一个第一极化无线电信号端口的输入端口、耦合到辐射元件的列中的相应列的第一输出端口和第二输出端口、以及耦合到电阻性端子的隔离端口。
在一些实施例中，W可以等于X。
根据一些实施例，Z可以小于Y。
在一些实施例中，天线系统可以包括连接在Z个第一极化天线信号端口和耦合电路之间的巴特勒矩阵波束赋形网络。
根据本发明的实施例的基站天线系统可以包括具有辐射元件的多个垂直列的波束赋形阵列，所述辐射元件的多个垂直列各自被配置为发送每极化至少三个天线波束。而且，基站天线系统可以包括波束赋形无线电装置，所述波束赋形无线电装置具有每极化多个无线电信号端口，所述多个无线电信号端口耦合到垂直列并且少于垂直列。例如，垂直列可以包括至少五个垂直列，并且无线电信号端口可以包括耦合到至少五个垂直列的不超过八个无线电信号端口。在另一个示例中，垂直列可以包括至少五个垂直列，并且无线电信号端口可以包括耦合到至少五个垂直列的不超过六个无线电信号端口。作为进一步的示例，垂直列可以包括至少六个垂直列，并且无线电信号端口可以包括耦合到至少六个垂直列的不超过十个无线电信号端口。
在一些实施例中，波束赋形无线电装置的不超过十个无线电信号端口可以包括耦合到至少六个垂直列的每极化不超过五个无线电信号端口。而且，波束赋形无线电装置可以包括每极化多个RF信号源，所述多个RF信号源各自耦合到所有的不超过五个无线电信号端口。
根据一些实施例，基站天线系统可以包括耦合在波束赋形无线电装置与垂直列中的两个垂直列之间的模拟RF电路系统。
在一些实施例中，模拟RF电路系统可以包括RF耦合器和/或分离器。而且，两个垂直列可以是不相邻的垂直列，并且RF耦合器和/或分离器的RF输出可以仅耦合到不相邻的垂直列。而且，RF耦合器和/或分离器的第一输出可以以第一相位被馈送到垂直列中的第一垂直列，以及RF耦合器和/或分离器的第二输出可以以第二相位被馈送到垂直列中的第二垂直列，所述第二相位从所述第一相位偏移180度。
根据一些实施例，波束赋形阵列可以是包括多个天线信号端口的基站天线的一部分。基站天线系统还可以包括耦合在波束赋形无线电装置与垂直列对之间的模拟RF电路系统。模拟RF电路系统可以被配置为将在天线信号端口中的第一天线信号端口处接收到的RF信号耦合到垂直列中的至少两个垂直列。例如，模拟RF电路系统可以在基站天线内部。作为另一个示例，模拟RF电路系统可以在基站天线外部。
在一些实施例中，模拟RF电路系统可以包括RF耦合器和/或分离器，所述RF耦合器和/或分离器将从天线信号端口中的第一天线信号端口输入到RF耦合器和/或分离器的RF信号拆分成第一子分量和第二子分量。RF耦合器和/或分离器的第一输出可以以第一相位被馈送到垂直列中的第一垂直列，以及RF耦合器和/或分离器的第二输出可以以第二相位被馈送到垂直列中的第二垂直列，所述第二相位从所述第一相位偏移180度。
根据一些实施例，波束赋形无线电装置可以包括每极化至少四个RF信号源。至少四个RF信号源中的每个RF信号源可以被配置为生成至少三个天线波束中的每个天线波束的相应RF分量。而且，波束赋形无线电装置可以被配置为控制至少四个RF信号源中的每个RF信号源，以分别打开或关闭至少三个天线波束中的每个天线波束。
根据本发明的一些实施例，天线系统可以包括具有多个第一极化信号源和多个第一极化无线电信号端口的波束赋形无线电装置，其中每个第一极化信号源耦合到所有第一极化无线电信号端口。天线系统可以包括具有多列和多行辐射元件的天线阵列。而且，天线系统可以包括耦合电路，所述耦合电路包括耦合器和/或分离器，所述耦合器和/或分离器将第一极化无线电信号端口中的一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的行中的至少两行。例如，分离器可以是RF功率分配器，所述RF功率分配器将第一极化无线电信号端口中的一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的行中的至少两行。
根据本发明的一些实施例，大规模MIMO基站天线系统可以包括至少三十六组，所述至少三十六组中的每组包括多个辐射元件。大规模MIMO基站天线系统可以包括波束赋形无线电装置，所述波束赋形无线电装置具有耦合到天线阵列的少于六十四个无线电信号端口。而且，大规模MIMO基站天线系统可以包括将无线电信号端口中的第一无线电信号端口耦合到组中的至少两组的耦合电路。
在一些实施例中，波束赋形无线电装置可以是32T32R波束赋形无线电装置。
根据一些实施例，每组可以包括恰好两个辐射元件，并且天线阵列可以具有至少六列和至少六行的组。
在一些实施例中，每组可以包括恰好三个辐射元件，并且天线阵列可以具有八列和四行的组。
根据一些实施例，天线阵列的子阵列可以包括组中的十六个组。
在一些实施例中，第一行的组可以包括子阵列的第一组和在所述子阵列之外的第二组。而且，耦合电路可以将第一组耦合到第二组。
根据一些实施例，第一列的组可以包括子阵列的第一组和在所述子阵列之外的第二组。而且，耦合电路可以将第一组耦合到第二组。
在一些实施例中，子阵列的第一组可以在第一行和第一列的组中。所述子阵列之外的第二组可以在第二行和第二列的组中。而且，耦合电路可以将第一组耦合到第二组。
根据一些实施例，耦合电路可以是RF功率分配器。
在一些实施例中，耦合电路可以将波束赋形无线电装置的无线电信号端口中的第一无线电信号端口耦合到多行和多列的组。
附图说明
图1A是常规天线系统的示意性前视图，该天线系统包括8T8R无线电装置以及包括四列双极化辐射元件的天线阵列。
图1B是图示施加到馈送到图1A的天线阵列的四列的信号的相对幅度和相位以便生成八个天线波束(每极化四个)的表格。
图2A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，该天线系统包括8T8R无线电装置、耦合电路以及包括六列双极化辐射元件的天线阵列。
图2B是图示根据本发明的实施例的耦合电路的示意图，该耦合电路可以被用于将图2A的8T8R无线电装置耦合到图2A的六列天线阵列。
图2C是图示施加到馈送到图2A的天线阵列的六列的信号的相对幅度和相位以便生成八个天线波束(每极化四个)的表格。
图3A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，该天线系统包括8T8R无线电装置、耦合电路以及包括八列双极化辐射元件的天线阵列。
图3B是图示根据本发明的实施例的耦合电路的示意图，该耦合电路可以被用于将图3A的8T8R无线电装置耦合到图3A的八列天线阵列。
图3C是图示经由图3B的耦合电路施加到馈送到图3A的天线阵列的四列的信号的相对幅度和相位以便生成八个天线波束(每极化四个)的表格。
图3D是图示根据本发明的实施例的另一耦合电路的示意图，该耦合电路可以被用于将图3A的8T8R无线电装置耦合到图3A的八列天线阵列。
图3E是图示经由图3D的耦合电路施加到馈送到图3A的天线阵列的四列的信号的相对幅度和相位以便生成八个天线波束(每极化四个)的表格。
图4A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，该天线系统包括10T10R无线电装置、耦合电路以及包括八列双极化辐射元件的天线阵列。
图4B是图示根据本发明的实施例的耦合电路的示意图，该耦合电路可以被用于将图4A的10T10R无线电装置耦合到图4A的八列天线阵列。
图4C是图示经由图4B的耦合电路施加到馈送到图4A的天线阵列的八列的信号的相对幅度和相位以便生成十个天线波束(每极化五个)的表格。
图5A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，该天线系统包括4T4R无线电装置、耦合电路以及包括四列双极化辐射元件的天线阵列。
图5B是图示根据本发明的实施例的耦合电路的示意图，该耦合电路可以被用于将图5A的4T4R无线电装置耦合到图5A的四列天线阵列。
图5C是图示经由图5B中所示的耦合电路施加到馈送到图5A的天线阵列的四列的信号的相对幅度和相位以便生成四个天线波束(每极化两个)的表格。
图6A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，该天线系统包括8T8R无线电装置、耦合电路以及包括五列双极化辐射元件的天线阵列。
图6B是图示根据本发明的实施例的耦合电路的示意图，该耦合电路可以被用于将图6A的8T8R无线电装置(具有未使用的两个端口)耦合到图6A的五列天线阵列。
图6C是图示经由图6B中所示的耦合电路施加到馈送到图6A的天线阵列的五列的信号的相对幅度和相位以便生成四个天线波束(每极化两个)的表格。
图7A是图3A-图3B的天线系统的天线阵列和耦合电路的示例实施方式的示意性框图(仅图示了一个极化)。
图7B是图示可以如何将8T8R无线电装置的第一极化信号源耦合到图7A的天线阵列和耦合电路的示意性框图。
图8是根据本发明的实施例的天线系统的示意图。
图9是图示根据本发明的实施例的天线系统可以如何被视为包括多个多列子阵列的示意图。
图10是图示连接到图3D的耦合电路的巴特勒矩阵波束赋形网络的示意图。
图11A和图11B是根据本发明的实施例的大规模MIMO天线系统的示意性前视图。
图12A是图示根据本发明的实施例的耦合电路的示意图，该耦合电路可以被用于将图11A的32T32R无线电装置的端口耦合到图11A的天线阵列的多行和多列。
图12B是图示根据本发明的实施例的耦合电路的示意图，该耦合电路可以被用于将图11B的32T32R无线电装置的端口耦合到图11B的天线阵列的多行和多列。
具体实施方式
根据本发明的实施例，提供了天线系统(例如，基站天线系统)，该天线系统包括具有多列辐射元件的天线阵列，其中至少一些列耦合到无线电装置的相同RF端口(本文中称为“无线电信号端口”)。辐射元件可以是双极化辐射元件，使得多列天线阵列可以在每个极化处生成多个天线波束。在示例实施例中，可以通过具有每极化少于八个(或少于六个)无线电信号端口的无线电装置来馈送八列(或六列)天线阵列。尤其是，可以包括模拟RF部件(诸如RF耦合器和/或分离器)的耦合电路可以将无线电信号端口中的至少一些无线电信号端口耦合到天线阵列的相应列对。作为结果，无线电装置可以包括比天线阵列的列(每极化)更少的无线电信号端口。这允许根据本发明的实施例的天线系统在使用相对不贵的无线电装置的同时提供改善的天线方向图和更高的增益。
如上面所讨论的，按照常规，将8T8R TDD波束赋形无线电装置与具有四列双极化辐射元件的天线阵列结合使用。这个实施方式提供了相对低成本的波束赋形解决方案，但是可能遭受低增益(并且因此低容量)和不理想的相对粗糙的天线方向图。如果要求更高的性能，那么可以将16T16R TDD波束赋形无线电装置与具有八列双极化辐射元件的天线阵列结合使用。这个实现方式提供了增加的增益、改善的天线波束并支持更高的容量，但是可能明显更加昂贵。根据本发明的实施例，提供了天线系统，该天线系统例如可以包括8T8R TDD波束赋形无线电装置，结合具有多于四列双极化辐射元件(例如，六列或八列)的天线阵列。与上面讨论的低成本解决方案相比，这个实施方式提供了增加的增益和改善的天线波束，尽管性能不如高容量解决方案那么好。因此，根据本发明的实施例的天线系统可以提供对于先前要求高成本解决方案的许多应用而言可接受的中间解决方案。
现在将参考附图更详细地讨论本发明的实施例。
图1A是常规天线系统100的示意性前视图，该天线系统100包括8T8R无线电装置190和天线110，该天线110具有包括四列120-1至120-4的双极化辐射元件130的天线阵列112。每个辐射元件130可以包括例如交叉偶极子辐射元件，该交叉偶极子辐射元件包括第一偶极子辐射器132和与第一偶极子辐射器132交叉/相交的第二偶极子辐射器134。偶极子辐射器132和134各自具有两个偶极子“臂”。每列120包括辐射元件130的一个或多个组122(例如，一个或多个子阵列)。注意的是，在本文中，当提供多个相像的元件时，它们可以使用两部分附图标记来编号。这些元件可以通过它们完整的附图标记(例如，列120-3)被单独地引用，以及可以通过它们附图标记的第一部分(例如，列120)被集体地引用。
列120的阵列可以在天线110的天线罩(未示出)内部。天线110可以包括RF端口140-1至140-8，其在本文中也可以被称为“连接器”或“天线信号端口”，其被耦合(例如，电连接)到列120。尤其是，天线信号端口140-1、140-3、140-5和140-7分别耦合到列120-1、120-2、120-3和120-4的辐射元件130的第一辐射器132，以及天线信号端口140-2、140-4、140-6和140-8分别耦合到列120-1、120-2、120-3和120-4的辐射元件130的第二辐射器134。如图1A中进一步所示，天线信号端口140还通过相应的RF传输线194-1至194-8(诸如同轴线缆)耦合到无线电装置190的相应的无线电信号端口192。例如，无线电装置190可以是用于蜂窝基站的TDD波束赋形无线电装置，以及天线110和无线电装置190可以位于蜂窝基站处(例如，可以是蜂窝基站的部件)。
因为无线电装置190被示出为8T8R无线电装置，所以它包括八个RF端口192-1至192-8，这些RF端口在无线电装置190的内部部件与天线阵列112之间传递RF通信信号。这些端口192在本文中也可以被称为“无线电信号端口”。例如，无线电信号192中的四个可以是第一极化端口，并且无线电信号192中的另外四个可以是第二极化端口，其中第一极化与第二极化是不同的极化。无线电装置190还可以包括一个或多个校准端口(未示出)，该一个或多个校准端口不是无线电信号端口，而是可以被用于校准无线电装置190的内部电路系统以解决无线电装置190外部的RF信号路径之间的幅度和相位差的端口。
8T8R无线电装置190包括四个RF第一极化信号源和四个第二极化信号源。无线电装置190中的每个第一极化RF信号源耦合到四个第一极化无线电信号端口(这里为无线电信号端口192-1、192-3、192-5、192-7)，以及无线电装置190中的每个第二极化RF信号源耦合到四个第二极化无线电信号端口(这里为无线电信号端口192-2、192-4、192-6、192-8)。
图1B是图示施加到馈送到图1A的天线阵列的四列的RF信号的相对幅度和相位以便生成八个天线波束(每极化四个)的表格。图1B的表格仅图示了馈送到列120的第一极化辐射器132的RF信号的相对幅度和相位。将认识到的是，相同的相对幅度和相位的RF信号馈送到列120的第一极化辐射器132。
在图1B中，标记为“波束X”(X＝1、2、3、4)的行示出了四个RF信号的相对相位，这四个RF信号被提供给四列120中的辐射元件130的第一辐射器123。因此，例如，第一信号源(波束1)向第一列120-1的辐射器132输出具有相对幅度0dB和相对相位-405的信号，向第二列120-1的辐射器132输出具有相对幅度0dB和相对相位-270的信号，向第三列120-3的辐射器132输出具有相对幅度0dB和相对相位-135的信号，以及向第四列120-4的辐射器132输出具有相对幅度0dB和相对相位0的信号。如上所述，由无线电装置190中的第一信号源向四列120-1至120-4输出的四个RF信号生成指向方位平面中的第一方向的第一天线波束。无线电装置190中的第二信号源、第三信号源和第四信号源生成指向方位平面中的三个附加方向的第二天线波束、第三天线波束和第四天线波束。
图1B还示出了无线电装置190可以施加的相位，以便生成所谓的“广播”波束。如本领域中已知的，广播波束是指由波束赋形天线形成的波束，该波束是宽波束宽度的波束，其被设计为覆盖由天线系统服务的整个覆盖区域。广播波束是被用于与整个覆盖区域的所有用户通信的单个波束。
图2A是根据本发明的实施例的天线系统200的示意性前视图，该天线系统200包括8T8R无线电装置290(例如，TDD波束赋形无线电装置)、耦合电路250以及具有包括六列120-1至120-6的双极化辐射元件130的天线阵列212的天线210。将认识到的是，天线系统200可以包括附加列的辐射元件(未示出)。
天线210可以包括耦合到列120的天线信号端口140。天线信号端口140也通过RF传输线194耦合到无线电装置290的相应无线电信号端口192。无线电装置290可以是TDD波束赋形无线电装置，并且天线210和无线电装置290可以位于蜂窝基站处(例如，可以是蜂窝基站的部件)。
列120在本文中可以被称为“垂直”列，因为它们可以在垂直方向上从天线210的下方部分延伸到天线210的上方部分。垂直方向可以是或可以平行于天线210的纵向轴，该纵向轴可以垂直于水平线。如本文所使用的，术语“垂直”并不一定要求某物恰好垂直(例如，天线210可以具有小的机械下倾)。此外，在所描绘的实施例中，辐射元件132布置在真实的行和列中。将认识到的是，在许多情况下，每隔一列120可以在垂直方向上偏移，使得每列120相对于其一个或多个相邻列120在垂直方向上“交错”。这种“交错”方法可以增加相邻列120中的辐射元件132之间的距离，并且因此改善相邻列120之间的隔离。
耦合电路250将天线信号端口140连接(例如，电连接)到列120。具体地，耦合电路250被配置为将输入到天线信号端口140中的第一天线信号端口的RF信号拆分成两个子分量，并将这个RF信号的两个子分量馈送到列120的相应第一列和第二列中的辐射元件130的第一极化辐射器132。耦合电路250还被配置为将输入到天线信号端口140的第二天线信号端口的RF信号拆分成两个子分量，并将这个RF信号的两个子分量馈送到列120的相应第三列和第四列中的辐射元件130的第一极化辐射器132。耦合电路250同样被配置为将输入到天线信号端口140的第三天线信号端口和第四天线信号端口的RF信号类似地拆分成相应的子分量对，并以类似的方式将那些子分量馈送到辐射元件130的第二极化辐射器130。耦合电路250可以包括各种类型的模拟RF电路系统，诸如多个RF耦合器和/或多个RF分离器/组合器(例如，RF功率分配器)。虽然在图2A中示出为在天线210内部，但是在一些实施例中，耦合电路250可以在天线210外部。作为示例，耦合电路250可以是耦合在(a)无线电信号端口192与(b)天线信号端口140之间的独立设备。
因为无线电装置290被示出为8T8R无线电装置，所以它包括八个无线电信号端口192-1至192-8。无线电信号端口192中的四个无线电信号端口可以是第一极化端口，以及无线电信号端口192中的另外四个无线电信号端口可以是第二极化端口，其中第一极化与第二极化是不同的极化。如以下将讨论的，在其它实施例中可以使用具有不同数量的无线电信号端口的其它无线电装置。例如，在一些实施例中，可以使用具有四个无线电信号端口的4T4R无线电装置或具有十个无线电信号端口192(例如，五个第一极化无线电信号端口和五个第二极化无线电信号端口)的10T10R无线电装置来代替8T8R无线电装置290。
天线210中包括的双极化辐射元件130的列120的数量超过无线电装置290上包括的第一极化无线电信号端口192的数量。为了利用处于两个极化的全部六列120，使用耦合电路250跨多个(这里是两个)列120共享无线电信号端口192中的至少一些无线电信号端口。因此，通过提供耦合电路250，可以打破列数与波束赋形无线电装置上的第一(或第二)极化无线电信号端口的数量之间的对应关系，并且因此天线210可以包括五、六、七、八或更多列120，尽管无线电装置290仅具有每极化四个无线电信号端口192。
过去已使用巴特勒矩阵以将无线电信号端口耦合到多列天线阵列，其中每极化的无线电信号端口的数量不一定等于天线阵列中的辐射元件的列数。然而，这样的常规技术与多个标准频分双工(“FDD”)无线电装置一起使用，以形成用于扇区拆分操作的多个静态天线波束。每个无线电信号端口连接到单个信号源，并且使用巴特勒矩阵以对由每个信号源提供的RF信号进行拆分和相移，以便将RF信号馈送到天线阵列中的所有列。这通常需要混合耦合器或其它模拟电路元件的一系列层，其可以明显增加天线的插入损耗。根据本发明的实施例，可以使用波束赋形无线电装置来馈送数字域中的组合信号源，使得每个无线电信号端口可以输出由多个信号源生成的RF信号的子分量。然后可以使用少量的附加模拟部件(例如，混合耦合器或威尔金森功率分配器(Wilkinson power divider))进一步细分在无线电信号端口中的一个或多个无线电信号端口处输出的RF信号，使得天线阵列212的所有列120被馈送。换句话说，无线电装置290可以在数字域中执行一些波束赋形RF信号操作，从而简化天线系统硬件并改善插入损耗。例如，如将在下面参考图7B讨论的，在一个示例实施例中，无线电装置290可以包括四个RF信号源715并且可以被配置为在从无线电信号端口192输出组合信号之前组合由所有四个信号源715生成的RF信号。信号源715中的每个信号源可以耦合到所有无线电信号端口192并且可以被配置为生成列120发送的每个天线波束的相应的RF信号分量716，并且无线电装置290可以被配置为控制信号源715中的每个信号源单独地打开或关闭每个天线波束。
虽然系统200仅具有一个无线电装置290，但是根据本发明的其它实施例的天线系统可以包括耦合到相同天线阵列的多个无线电装置。例如，可以提供附加的无线电装置和双工器以提供在辐射元件130的操作频率范围的不同子带中操作的频分双工(“FDD”)双波束或三波束或四波束天线系统，使得天线阵列212可以在第一子带中被用作TDD波束赋形阵列并且在第二子带中被用作FDD扇区拆分阵列。
图2B是图示根据本发明的实施例的耦合电路250的示意图，该耦合电路250可以被用于将图2A的8T8R无线电装置290耦合到图2A的六列天线阵列212。如图2B中所示，耦合电路250可以包括第一耦合器和/或分离器260-1和第二耦合器和/或分离器260-2。第一耦合器和/或分离器260-1将第一天线信号端口140-1连接(例如，电连接)到第二列120-2和第六列120-6两列。类似地，第二耦合器和/或分离器260-2将第七天线信号端口140-7连接到第一列120-1和第五列120-5两列。
端口140-1和140-7以及端口140-3和140-5可以是第一极化端口。为了图示的简化，从图2B中的视图中省略了第二极化天线信号端口140-2、140-4、140-6和140-8。相同的耦合电路250可以被用于将第二极化天线信号端口140-2、140-4、140-6和140-8耦合到天线阵列212的六个列120-1至120-6。而且，在一些实施例中，耦合电路250可以在天线210的外部，并且耦合器和/或分离器260可以因此将无线电信号端口192耦合到相应的天线信号端口140对。
耦合器和/或分离器260-1和260-2耦合到相应的不相邻的列120对。如本文关于列120所使用的，术语“不相邻”是指在它们之间具有至少一个其它列120的两个列120。例如，图2B示出了每个公共耦合对之间具有三个列120。相应地，相同的距离可以分开每个公共耦合对。
在一些实施例中，耦合器和/或分离器260-1和260-2可以是相应的模拟RF耦合器。在本文中，术语“耦合电路”被用于覆盖各种各样的功率耦合和/或分离设备，包括四端口设备(诸如混合耦合器、支线耦合器、老鼠赛跑耦合器(rat race coupler)等)，以及三端口设备(诸如威尔金森功率耦合器/分配器等)。
而且，根据其它实施例的耦合电路可以包括耦合到相应的列120对的多于两个耦合器和/或分离器。在一些实施例中，(耦合电路中的)(经由天线的Z个第一极化天线信号端口140(图2A))将X个第一极化天线信号端口192耦合到Y列120的耦合器和/或分离器的总数可以等于Y–X和/或可以等于Y–Z，其中X、Y和Z是正整数，并且Y大于X和Z两者。在一些实施例中，耦合器和/或分离器的总数可以等于X。作为结果，在一些实施例中，Y可以等于2*X，并且每个耦合器和/或分离器的RF输出因此仅耦合到(即，恰好地)两个列120。在其它实施例中，可以使用包括将Z＝4个端口140与Y＝4、6或8列120连接的4个耦合器的4x4巴特勒矩阵。
在一些实施例中，无线电装置290可以包括W个第一极化信号源，W个第一极化信号源各自耦合到所有X个无线电信号端口192。每个第一极化信号源也可以通过耦合电路250耦合到天线阵列212的所有Y列120。
在一些实施例中，每个耦合器和/或分离器260可以是四端口耦合器，该四端口耦合器具有(i)耦合到X个无线电信号端口192中的相应一个无线电信号端口的RF输入端口、(ii)耦合到Y列120中的一列的第一RF输出端口、(iii)耦合到Y列120中的另一列的第二RF输出端口、以及(iv)耦合到电阻性端子(例如，50欧姆电阻器)的隔离端口。
在一些实施例中，与列120-2至120-5中包括的辐射元件130的偶极子辐射器132、134上的钩平衡-不平衡变换器的朝向相比，列120-1和120-6中包括的辐射元件130的偶极子辐射器132、134上的钩平衡-不平衡变换器的朝向可以反转。通过反转或“翻转”辐射元件130的偶极子辐射器132、134(图2A)上的钩平衡-不平衡变换器，可以相对于馈送到列120-2和120-5的辐射元件130的RF信号的相位将馈送到列120-1和120-6的辐射元件130的RF信号的相位偏移180度。而且，在一些实施例中，列120可以在操作频率处间隔开大约0.5个波长(例如，至少62毫米(“mm”))。
与图1A的常规天线系统100相比，天线系统200可以提供改善的性能。尤其是，由于天线阵列212包括六列120的辐射元件(相对于天线系统100中包括的四列120)，因此天线阵列212的增益可以比天线阵列112的增益大约大0.4dB。此外，与由天线阵列112生成的天线波束相比，由天线阵列212生成的天线波束(例如，每极化至少三个波束)可以表现出改善的转降(roll-off)。
图2C是图示施加到馈送到图2A的波束赋形天线阵列的六列的信号的相对幅度和相位以便生成八个天线波束(每极化四个)的表格。可以以与以上参考图1B的类似表格所描述的相同方式来解释图2C的表格。针对列1、2、5和6示出的幅度仅仅是示例。相应地，可以在耦合器和/或分离器260-1和260-2之间提供不同的幅度比。
如图2C中所示，通常耦合到耦合器和/或分离器260的两个列120可以发送相同信号的180度相移版本。例如，第五列120-5可以发送具有相位“D”的信号，而第一列120-1可以发送具有相位D+/-180度的RF信号。类似地，第二列120-2可以发送具有相位“A”的信号，而第六列120-6可以发送具有相位A+/-180度的RF信号。
然而，这些相位偏移可以不一定恰好是180度。尤其是，可以经由移相器来调整相位偏移，使得它们并非恰好是180度。这可以允许不同的波束赋形可能性，并且可以避免具有在给定角度处具有局部最小值的耦合的列120的子阵列图案。更精确地，虽然最小值仍然可以存在，但是可以对它们在哪里出现提供控制。
而且，可以针对所有列120以不同的相应相位来发送每个天线波束。作为示例，馈送到六个列120以形成第一天线波束(图2C中的波束1)的RF信号可以分别具有在列120-1至120-6处的-540度、-405度、-270度、-135度、0和+135度的相位。然而，相位不必按算术顺序(in an arithmetic sequence)，并且因此可以被广泛调整。而且，对于列120，可以以不同的相位集发送不同的天线波束，如图2C的表格中进一步所示。
还应当注意的是，信号的幅度被馈送到不同的列120。尤其是，被馈送到列120-3和120-4的RF信号可以具有0dB的相对幅度，因为这些信号没有通过耦合器和/或分离器。耦合器和/或分离器260可以被实现为四端口混合耦合器，可以假设其具有例如1dB的插入损耗。每个耦合器和/或分离器260输出的较小信号被馈送到外部列120，并且因此馈送到列120-1和120-6的信号可以具有-4.76dB的相对幅度(即，1dB的插入损耗，并且耦合器和/或分离器260将信号的大小降低附加的3.76dB)，以及馈送到列120-2和120-5的信号可以具有-1.76dB的相对幅度(即，1dB的插入损耗，并且耦合器和/或分离器260将信号的大小降低附加的0.76dB)。
在一些实施例中，每个天线波束(即，图2C中的波束1至波束4)可以提供对120度扇区的不同部分的覆盖。而且，这些天线波束在本文中可以被称为“开关”或“可开关”波束，因为它们可以被选择性地发送到一个或多个特定扇区。例如，波束赋形无线电装置290可以在TDD通信帧的第一时隙期间生成仅一个天线波束(例如，波束1或波束3，作为两个示例)，并且可以在其它时隙期间生成多于一个天线波束(例如，两个天线波束、三个天线波束或所有四个天线波束)。
在一些实施例中，天线阵列212(或本文描述的根据本发明的实施例的任何其它天线阵列)可以被设计为在辐射元件130的操作频带的多个子带中操作。例如，辐射元件130可以被设计为在2.2-2.7GHz操作频带(或1.7-2.7GHz操作频带)中操作。在这样的实施例中，天线阵列212可以被设计为例如在2.3GHz子带或2.6GHz子带中的任一个或两个中操作。在这样的实施例中，天线阵列可以耦合到2.3GHz TDD波束赋形无线电装置用于在2.3GHz子带中操作，或者可以耦合到2.6GHz TDD波束赋形无线电装置用于在2.6GHz子带中操作。可替代地，可以使用双工器(其可以在天线210内部或在天线210外部)，该双工器允许2.3GHzTDD波束赋形无线电装置和2.6GHz TDD波束赋形无线电装置两者通过天线阵列212同时地发送和接收RF信号。在这样的实施例中，可以选择相邻列之间的间距，使得相邻列之间的距离在两个操作频带中接近0.5个波长。例如，相邻列之间的62mm的间距与2.3GHz处的0.47个波长和2.6GHz处的0.54个波长对应，其表现了折衷以便在两个子带中均获得好的(但不是理想的)性能。
如图2C中进一步所示，天线系统200还可以生成广播波束，该广播波束向天线210的整个覆盖区域提供覆盖。这个广播波束可以被用于例如向天线210的覆盖区域内的所有用户发送公共控制信号。将认识到的是，根据本发明的实施例的天线系统中的每个天线系统可以被配置为生成这样的广播波束。
图3A是根据本发明的实施例的天线系统300的示意性前视图，该天线系统300包括8T8R无线电装置290、耦合电路350以及具有包括八列120-1至120-8的双极化辐射元件130的天线阵列312的天线310。因此，天线阵列312包括比天线阵列212(图2A)多两列的列120和比天线阵列112(图1A)多四列的列。相应地，耦合电路350可以包括比耦合电路250(图2A)更多的耦合器和/或分离器。而且，为了改善方位旁瓣(例如，提高约2-3分贝(“dB”))，一个或多个外部列120-1、120-2、120-7和120-8可以包括比内部列120-3至120-6更少的辐射元件130。
图3B是图示根据本发明的实施例的耦合电路350的示意图，该耦合电路350可以被用于将图3A的8T8R无线电装置290耦合到图3A的八列天线阵列。耦合电路350可以包括四个耦合器和/或分离器360-1至360-4。耦合器和/或分离器360中的每个耦合器和/或分离器可以将无线电装置290的相应无线电信号端口192(经由天线310的相应天线信号端口140)电连接到列120对。
第一耦合器和/或分离器360-1将天线310的第一天线信号端口140-1连接到第一列120-1和第五列120-5两者。第二耦合器和/或分离器360-2将天线310的第三天线信号端口140-3连接到第二列120-2和第六列120-6两者。第三耦合器和/或分离器360-3将天线310的第五天线信号端口140-5连接到第三列120-3和第七列120-7两者。类似地，第四耦合器和/或分离器360-4将天线310的第七天线信号端口140-7连接到第四列120-4和第八列120-8两者。天线信号端口140-1、140-3、140-5和140-7可以是第一极化端口。为了图示的简化，从图3B中的视图中省略了第二极化端口140-2、140-4、140-6和140-8。包括另外四个耦合器和/或分离器360的相同的电路可以将第二极化端口140-2、140-4、140-6和140-8连接到天线阵列212的八列120。
在一些实施例中，与列120-1至120-4中包括的辐射元件130的偶极子辐射器132、134上的钩平衡-不平衡变换器的朝向相比，列120-5至120-8中包括的辐射元件130的偶极子辐射器132、134上的钩平衡-不平衡变换器的朝向可以反转，因此与四个右侧列120相比，将馈送到四个左侧列120的信号的相位偏移180度。而且，在一些实施例中，列120可以彼此间隔至少62mm。
图3C是图示经由图3B的耦合电路350施加到馈送到图3A的天线阵列312的四个列120的信号的相对幅度和相位以便生成八个天线波束(每极化四个)的表格。可以以与以上详细描述的图1B的表格相同的方式解释图3C的表格。将认识到的是，可以调整图3C的表格中所示的幅度和相位，以便“调谐”所生成的天线波束的形状以满足客户需求。所示的幅度仅仅是示例。
图3D是图示根据本发明的实施例的另一耦合电路350'的示意图，该耦合电路350'可以被用于将图3A的8T8R无线电装置290耦合到图3A的八列天线阵列312。第一耦合器和/或分离器360-1将天线310的第一天线信号端口140-1连接到第三列120-3和第七列120-7两者。第二耦合器和/或分离器360-2将第三天线信号端口140-3连接到第四列120-4和第八列120-8两者。第三耦合器和/或分离器360-3将第五天线信号端口140-5连接到第一列120-1和第五列120-5两者。类似地，第四耦合器和/或分离器360-4将第七天线信号端口140-7连接到第二列120-2和第六列120-6两者。相应地，如图3B和图3D中所示，耦合器和/或分离器360可以馈送不相邻列120的各种组合。
在一些实施例中，与列120-3至120-6中包括的辐射元件130的偶极子辐射器132、134上的钩平衡-不平衡变换器的朝向相比，列120-1、120-2、120-7和120-8中包括的辐射元件130的偶极子辐射器132、134上的钩平衡-不平衡变换器的朝向可以反转，以便实现馈送到各列120的信号之间的相移。而且，列120可以彼此间隔至少62mm。
图3E是图示经由图3D的耦合电路350'施加到馈送到图3A的天线阵列312的四个列120的信号的相对幅度和相位以便生成八个天线波束(每极化四个)的表格。可以以与以上详细描述的图1B的表格相同的方式来解释图3E的表格。将认识到的是，可以调整图3E的表格中所示的幅度和相位，以便“调谐”所生成的天线波束的形状以便满足客户需求。
在图3E的表格中，示出了馈送到列中的一些列的RF信号的幅度在各种范围内。例如，示出馈送到列120-2的RF信号的幅度在-10.4dB至-4.76dB的范围内，以及示出馈送到列120-3的RF信号的幅度在-0.4dB至-1.76dB的范围内。这说明了可以如何使用具有不同功率分配比的耦合器和/或分离器以便精细调整天线波束的形状以便满足客户需求。
图4A是根据本发明的进一步实施例的天线系统400的示意性前视图，该天线系统400包括10T10R无线电装置490、耦合电路450以及具有包括八列120的双极化辐射元件130的天线阵列412的天线410。
图4B是图示可以被用于将图4A的10T10R无线电装置490耦合到图4A的八列天线阵列的耦合电路450的实施例的示意图。耦合电路450可以包括三个耦合器和/或分离器460-1至460-3。耦合器和/或分离器460中的每个耦合器和/或分离器可以将无线电装置490的相应无线电信号端口192(经由天线410的相应天线信号端口140)电连接到天线阵列412的列120对。
第一耦合器和/或分离器460-1将第一天线信号端口140-1连接到第一列120-1和第六列120-6两者。第二耦合器和/或分离器460-2将第三天线信号端口140-3连接到第二列120-2和第七列120-7两者。同样地，第三耦合器和/或分离器460-4将第五天线信号端口140-5连接到第三列120-3和第八列120-8两者。相应地，列120的每个公共耦合的对可以是在其间具有四个列120的不相邻对。
在一些实施例中，列120-4和120-5可以单独地(而不是共同地)耦合到相应的天线信号端口140-7和140-9。天线信号端口140-1和140-5以及天线信号端口140-3、140-7和140-9可以是第一极化端口。为了图示的简化，从图4B中的视图中省略了第二极化天线信号端口140-2、140-4、140-6、140-8和140-10。包括三个附加耦合器和/或分离器460的相同的电路可以被用于将第二极化天线信号端口140-2、140-4、140-6、140-8和140-10耦合到天线阵列412中的辐射元件130的第二极化辐射器134。
耦合电路450可以被配置为提供在公共耦合的列120之间的180度的相位偏移。而且，列120可以彼此间隔约62mm。
图4C是图示经由图4B的耦合电路施加到馈送到图4A的天线阵列的八列的信号的相对幅度和相位以便生成十个天线波束(每极化五个)的表格。如图4C中所示，在示例实施例中，可以向列120-1至120-3分别馈送具有与馈送到列120-6至120-8的RF信号相同的幅度和相位的RF信号。另一方面，可以向列120-4和120-5馈送不同幅度和相位的RF信号。
图5A是根据本发明的实施例的天线系统500的示意性前视图，该天线系统500包括4T4R无线电装置590、耦合电路550以及具有包括四列120的双极化辐射元件130的天线阵列512的天线510。
图5B是图示根据本发明的实施例的耦合电路550的示意图，该耦合电路550可以被用于将图5A的4T4R无线电装置590耦合到图5A的四列天线阵列。耦合电路550可以包括两个耦合器560-1和560-2。耦合器和/或分离器560中的每个耦合器和/或分离器可以将无线电装置590的相应无线电信号端口192(经由天线510的相应天线信号端口140)电连接到列120对。
第一耦合器和/或分离器560-1将第一天线信号端口140-1连接到第一列120-1和第三列120-3两者。类似地，第二耦合器和/或分离器560-2将第三天线信号端口140-3连接到第二列120-2和第四列120-4两者。相应地，列120的每个公共耦合的对可以是在其间具有一个列120的不相邻对。天线信号端口140-1和140-3可以是第一极化天线信号端口。为了图示的简化，从图5B中的视图中省略了第二极化天线信号端口140-2和140-4。包括两个附加耦合器和/或分离器560的相同的电路可以被用于将第二极化天线信号端口140-2和140-4耦合到天线阵列512中的辐射元件130的第二极化辐射器134。
在一些实施例中，与列120-2和120-3中包括的辐射元件130的偶极子辐射器132、134上的钩平衡-不平衡变换器的朝向相比，列120-1和120-4中包括的辐射元件130的偶极子辐射器132、134上的钩平衡-不平衡变换器的朝向可以反转，以便实现在馈送到各列120的信号之间的相移。而且，列120可以彼此间隔至少58mm。
图5C是图示经由图5B中所示的耦合电路施加到馈送到图5A的天线阵列的四列的信号的相对幅度和相位以便生成四个天线波束(每极化两个)的表格。
图6A是根据本发明的实施例的天线系统600的示意性前视图，该天线系统600包括8T8R无线电装置690、耦合电路650以及具有包括五列120的双极化辐射元件130的天线阵列612的天线610。
图6B是图示根据本发明的实施例的耦合电路650的示意图，该耦合电路650可以被用于将图6A的8T8R无线电装置690(具有未使用的两个无线电信号端口192)耦合到图6A的五列天线阵列。耦合电路650可以包括两个耦合器和/或分离器660-1和660-2。耦合器和/或分离器660中的每个耦合器和/或分离器可以将相应的无线电信号端口192(经由天线610的相应天线信号端口140)电连接到列120对。
第一耦合器和/或分离器660-1将第一天线信号端口140-1连接到第一列120-1和第四列120-4两者。类似地，第二耦合器和/或分离器660-2将第三天线信号端口140-3连接到第二列120-2和第五列120-5两者。相应地，列120的每个公共耦合的对可以是在其间具有两个列120的非相邻对。
在一些实施例中，列120-3可以是耦合到第五天线信号端口140-5的仅有的列120。天线信号端口140-1、140-3和140-5可以是第一极化天线信号端口。为了图示的简化，从图6B中的视图中省略了第二极化天线信号端口140-2、140-4和140-6。包括两个附加耦合器和/或分离器660的相同的电路可以被用于将第二极化天线信号端口140-2、140-4和140-6耦合到天线阵列612中的辐射元件130的第二极化辐射器134。如图6A中所示，波束赋形无线电装置690包括不耦合到天线610而是未使用的第七无线电信号端口192-7和第八无线电信号端口192-8。
图6C是图示经由图6B中所示的耦合电路施加到馈送到图6A的天线阵列的五列的信号的相对幅度和相位以便生成四个天线波束(每极化两个)的表格。
图7A是图3A和图3B的天线系统300的天线阵列312和耦合电路350的示例实施方式的示意性框图(仅图示了一个极化)。尤其是，图7A示出了耦合电路350的每个耦合器和/或分离器360可以是四端口混合耦合器，该四端口混合耦合器具有(i)耦合到相应的天线信号端口140(图3A)并因此耦合到相应的无线电信号端口192(图3A)的RF输入端口、(ii)耦合到列120中的一列的第一RF输出端口、(iii)耦合到列120中的另一列的第二RF输出端口、以及(iv)耦合到电阻性端子745(例如，50欧姆的电阻器)的隔离端口。为了图示的简化，每列120示出仅一个辐射元件130。
在一些实施例中，模拟RF电路系统可以在从耦合器和/或分离器360输出的信号到达列120之前向该信号提供相位调整。例如，相应的相位调整部件755可以耦合到列120。作为示例，相位调整部件755可以是延迟线或其它相移元件。
图7B是图示可以如何将8T8R无线电装置的信号源耦合到图7A的天线阵列和耦合电路的示意性框图。为了图示的简化，无线电装置290与天线310(图3A)之间的接口在图7B中仅由四个第一极化天线信号端口140-1、140-3、140-5和140-7表示。如图3A中更详细示出的，第一极化天线信号端口140-1、140-3、140-5和140-7耦合到无线电装置290的相应的第一极化无线电信号端口192-1、192-3、192-5和192-7。每个无线电信号端口192可以耦合在相应的组合器735和相应的天线信号端口140之间。然而，为了图示的简化，在图7B中仅示出了无线电信号端口192-7。对于第二极化，也存在与图7B中所示的电路相同的电路。
无线电装置290包括四个第一极化RF信号源715。每个信号源715被配置为生成无线电装置290提供给不同的相应端口192的四个不同的RF信号分量716。例如，无线电装置290可以包括RF组合器735，RF组合器735各自组合来自相应信号源715的四个信号分量716并将结果所得的组合信号输出到无线电信号端口192。相应地，每个第一极化信号源715可以耦合到所有的第一极化无线电信号端口192，并且可以同时生成用于四个天线波束的信号分量716。而且，无线电装置290可以被配置为单独地调整每个信号分量716。作为示例，无线电装置290可以包括在信号源715与组合器735之间的相位调整部件725，或者可以以其它方式生成具有不同相位的RF分量，如图7B中所示。
在一些实施例中，可以由无线电装置290在数字域中提供相位调整部件725和/或组合器735的功能，而不是使用模拟RF部件。而且，无线电装置290可以控制信号源715中的每个信号源单独地打开或关闭天线波束。例如，无线电装置290可以通过控制信号源715单独地打开或关闭任何信号分量716来做到这一点。
图8是根据本发明的实施例的天线系统的示意图。系统可以包括16T16R无线电装置890。无线电装置890可以包括每极化八个RF信号源715。而且，无线电装置890可以包括相位调整部件855，该相位调整部件855镜像在列120与耦合器和/或分离器360之间的模拟相位调整部件755。无线电装置890还可以包括镜像耦合器和/或分离器360的耦合器和/或分离器860。在一些实施例中，无线电装置890可以在数字域中提供耦合器和/或分离器860以及相位调整部件855的功能，而不是使用模拟RF部件。相应地，无线电装置890可以补偿模拟RF电路系统(诸如耦合器和/或分离器360以及相位调整部件755)，该无线电装置890通过数字地镜像模拟RF电路系统来馈送列120。这样的数字镜像可以比无线电装置890内部的模拟镜像(即，附加硬件)更便宜。
图9是图示根据本发明的实施例的天线系统可以如何被视为包括多个多列子阵列的示意图。如图9中所示，相邻列120可以彼此间隔距离d(中心到中心)。相应地，由耦合器和/或分离器360-1共同馈送并且在其间具有三个列120的列120-1和120-5对可以间隔距离4d。这个被共同馈送的对可以被认为是两列120子阵列。总的来说，天线系统因此可以具有四个两列120子阵列。
根据本发明的实施例的天线系统可以生成任意多个天线波束，其可以由距离4d定义。这个示例是半波长的4倍，因此它适用于四个天线波束。
图10是图示连接到图3D的耦合电路350'的巴特勒矩阵波束赋形网络(“BFN”)1010的示意图。BFN 1010被配置为生成产生天线波束的渐进相位(例如，针对不同列120的-157.5、+67.5、-67.5和+157.5)。而且，耦合电路350'仅作为示例提供，并且本文的任何耦合电路可以连接到巴特勒矩阵BFN。如图10中所示，BFN 1010是连接在耦合电路350'与天线310的端口140-1、140-3、140-5和140-7(图3A)之间的4x4(四个端口连接到四个无线电装置)BFN。相应地，在一些实施例中，BFN 1010可以是天线310内部的模拟电路。在其它实施例中，BFN 1010被配置为执行的矩阵运算可以替代地由无线电装置290(图3A)数字地执行。
作为使用BFN 1010用于波束赋形的结果，给定极化的4个端口140中的每个端口可以连接到所有(例如，所有8个)列120。为了图示的简化，图10中示出了仅一个极化。然而，相同的BFN 1010可以连接到两个极化的耦合器和/或分离器360。
图11A和图11B是根据本发明的实施例的大规模MIMO天线系统的示意性前视图。如图11A中所示，根据本发明的实施例的天线系统1100包括32T32R波束赋形无线电装置1190、耦合电路1150以及具有包括六列120-1至120-6和六行1130-1至1130-6的双极化辐射元件130的天线阵列1112的天线1110。无线电装置1190包括三十二个无线电信号端口192-1至192-32。在一些实施例中，所有三十二个端口192(即，每极化十六个端口192)通过耦合电路1150耦合到天线阵列1112。
如图11A中示意性图示的，耦合电路1150可以包括耦合到多行1130的多个耦合器和/或分离器(例如，功率分配器)1160(图12A)，从而通过促进无线电装置1190而不是将具有六十四个无线电信号端口的64T64R无线电装置的使用来提供明显的成本节省。因此，无线电装置1190的每个无线电信号端口192可以由多行1130共享而不是由多列120共享(或者是对多列120共享的补充)。相应地，虽然本文的其它示例讨论了共享由单个端口192输出的RF信号的列120，但是输出RF信号的那些示例中的每个端口192可以附加地或可替代地耦合到多行1130。为了降低用于天线阵列1112的馈送网络(例如，耦合电路1150)的复杂性，在一些实施例中，可以仅将多行1130或仅将多列120(而不是两者)耦合到每个端口192。
如本文所使用的，术语“行”是指辐射元件130的组122的行，其中每个组122可以包括至少两个辐射元件130。而且，在一些实施例中，一些组122可以在(例如，十六个集)组122的子阵列1120中，该组122与子阵列1120外部的其它组122共享无线电装置1190的端口192。例如，(i)子阵列1120外部的行1130-1中的组122和(ii)子阵列1120内部的行1130-5中(并且例如列120-5中)的另一个组122可以通过耦合电路1150的相同耦合器和/或分离器1160耦合到无线电装置1190。耦合电路1150的附加的耦合器和/或分离器1160可以将附加的组122对耦合到无线电装置1190。
在一些实施例中，天线阵列1112可以被扩展为包括更多的行1130和/或更多的列120，同时仍然使用无线电装置1190。例如，添加两行1130(总共八行)可以增加天线阵列1112的垂直增益。作为另一个示例，添加两列120(总共八列)可以增加天线阵列1112的方位增益。另一方面，相对于天线阵列1112的扩展变体，使用总共六行1130和六列120可以维持天线阵列1112的小尺寸和低成本。相应地，天线阵列1112可以具有至少六行1130和至少六列120，其中基于数量是六个、七个还是八个来进行性能、尺寸和成本的权衡。
虽然天线阵列1112被示出为具有七十二个辐射元件130，但是向天线阵列1112添加行1130和/或列120可以将辐射元件130的数量增加到例如九十六个或一百个二十八个。天线阵列1112因此可以具有由无线电装置1190的端口192馈送的至少七十二个辐射元件130。
参考图11B，根据本发明的实施例的天线系统1101包括32T32R无线电装置1190、耦合电路1150以及具有包括八列120-1至120-8和四行1130-1至1130-4的双极化辐射元件130的天线阵列1113的天线1111。尤其是，图11B中的每个组122包括恰好三个辐射元件130，而图11A中的每个组122包括恰好两个辐射元件130。虽然阵列1112(图11A)和1113可以各自具有相同总数的辐射元件130，但是由于其附加的行1130，阵列1112可以提供更好的辐射方向图。
图12A是图示根据本发明的实施例的耦合电路1250的示意图，该耦合电路1250可以被用于将图11A的32T32R无线电装置1190的第一极化无线电信号端口192-1耦合到图11A的天线阵列1112的多行1130和多列120。尤其是，图12A图示了其中端口192-1通过耦合器和/或分离器1160耦合到行1130-1和1130-5并且通过另一个耦合器和/或分离器1260耦合到列120-1和120-5的示例。为了图示的简化，图12A中示出了32T32R无线电装置1190的一个极化的仅一个端口192-1。然而，耦合电路1250可以包括将其它第一极化无线电信号端口192(例如，端口192-3、192-5等)耦合到阵列1112的附加耦合器和/或分离器1160和1260。相同的耦合电路1250可以被用于将第二极化无线电信号端口192-2、192-4等耦合到天线阵列1112的列120和行1130。耦合电路1250因此可以代替本文描述的另一个耦合电路，或作为本文描述的另一个耦合电路的一部分(诸如图11A的耦合电路1150)。
图12B是图示根据本发明的实施例的耦合电路1250'的示意图，该耦合电路1250'可以被用于将图11B的32T32R 1190无线电装置的第一极化无线电信号端口192-1耦合到图11B的天线阵列1113的多行1130和多列120。尤其是，图12B图示了其中端口192-1通过耦合器和/或分离器1160耦合到行1130-2和1130-4并且通过另一个耦合器和/或分离器1260耦合到列120-1和120-5的示例。为了图示的简化，图12A中示出了32T32R无线电装置1190的一个极化的仅一个端口192-1。然而，耦合电路1250'可以包括将其它第一极化无线电信号端口192(例如，端口192-3、192-5等)耦合到阵列1113的附加耦合器和/或分离器1160和1260。相同的耦合电路1250'可以被用于将第二极化无线电信号端口192-2、192-4等耦合到天线阵列1113的列120和行1130。耦合电路1250'因此可以代替本文描述的另一个耦合电路，或作为本文描述的另一个耦合电路的一部分(诸如图11B的耦合电路1150)。
耦合电路1250、1250'允许在水平平面和垂直平面两者上施加柔性波束。相应地，通过耦合电路1250(或耦合电路1250')耦合到32T32R无线电装置(例如，无线电装置1190)的天线阵列的性能可以与由耦合到64T64R无线电装置而其间没有耦合电路1250(或耦合电路1250')的天线阵列提供的性能相当。
根据本发明的实施例的天线系统可以提供许多优点。例如，参考图2A和图3A，诸如耦合电路250或350之类的模拟RF电路系统可以允许多个列120共享由8T8R无线电装置290的单个端口192输出的RF信号。模拟RF电路系统可以在天线210(图2A)或310(图3A)内部，或者可以在耦合在无线电装置290与天线210或310之间的独立设备中。
与具有耦合到8T8R无线电装置190(图1A)的仅四个列120(图1A)的常规天线110(图1A)相比，天线210或310可以具有由8T8R无线电装置290经由模拟RF电路系统馈送的至少六个列120。因此，天线210或310可以提供比天线110更高的增益和更高的容量/吞吐量。作为示例，天线210或310可以提供比天线110明显更好的方位图案/方向性，并且因此可以改善网络容量。具有无线电装置290的天线系统200或300也可以比具有16T16R无线电装置的常规天线系统明显不贵。
在一些实施例中，波束赋形无线电装置不限于馈送至少六个列120。而是，如图6A的示例中所示，8T8R无线电装置690使用不超过六个端口192(每极化三个)来馈送五列120。作为另一个示例，波束赋形无线电装置可以使用不超过八个端口192(每极化四个)来馈送五列120。相应地，本发明的波束赋形无线电装置可以耦合到至少五列120，其中由给定的波束赋形无线电装置馈送的列120的总数可以大于无线电装置的耦合到列120的每极化的端口192的总数。
虽然上面已参考将RF信号拆分成第一子分量和第二子分量并将这些子分量馈送到天线阵列的辐射元件的第一列和第二列的耦合电路描述了本发明的实施例，但是将认识到的是，本发明的实施例不限于此。尤其是，在其它实施例中，可以使用1到3、1到4、1到5耦合器和/或分离器等将RF信号分成多于两个子分量并将那些子分量馈送到天线阵列的相应列。
上面已参考其中示出本发明的实施例的附图描述了本发明的实施例。然而，这个发明可以以许多不同形式来实施，并且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。而是，提供这些实施例以使得这个公开将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿全文，相似的附图标记是指相似的元件。
将理解的是，虽然在本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应当受到这些术语的限制。这些术语仅仅被用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任意和所有组合。
将理解的是，当元件被称为在另一个元件“上”时，该元件可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件“上”时，不存在中间元件。还将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。应当以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其它词语(即，“在...之间”相对于“直接在...之间”、“相邻”相对于“直接相邻”等)。
相对术语(诸如“之下”或“之上”或“上方”或“下方”或“水平”或“垂直”之类)可以在本文中用于描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所图示的。将理解的是，这些术语除了图中所描绘的朝向之外还意图涵盖设备的不同朝向。
本文所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。如本文所使用的，单数形式“一(a/an)”和“该(the)”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所陈述的特征、操作、元素和/或部件，但是不排除一个或多个其它特征、操作、元素、部件和/或其组的存在或添加。
以上公开的所有实施例的方面和元素可以以任何方式组合和/或与其它实施例的方面或元素组合以提供多个附加实施例。

Claims (46)

1.一种天线系统，包括：
波束赋形无线电装置，所述波束赋形无线电装置具有多个第一极化信号源和多个第一极化无线电信号端口，其中每个第一极化信号源耦合到所有的第一极化无线电信号端口；
天线阵列，所述天线阵列具有多列辐射元件；以及
耦合电路，所述耦合电路包括耦合器和/或分离器，所述耦合器和/或分离器将第一极化无线电信号端口中的一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的列中的至少两列。
2.如权利要求1所述的天线系统，其中第一极化信号源的总数等于第一极化无线电信号端口的总数。
3.如权利要求1所述的天线系统，其中所述波束赋形无线电装置包括总共X个第一极化无线电信号端口并且所述天线阵列包括总共Y列辐射元件，其中X和Y是正整数并且Y大于X。
4.如权利要求3所述的天线系统，其中Y＝2*X。
5.如权利要求3所述的天线系统，
其中被包括在耦合电路中的将第一极化无线电信号端口耦合到天线阵列中的辐射元件的列的耦合器和/或分离器的总数等于Y-X，以及
其中耦合器和/或分离器将第一极化无线电信号端口中的所述一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的列中的少于所有列。
6.如权利要求1所述的天线系统，其中每个第一极化信号源耦合到辐射元件的列中的所有列。
7.如权利要求1所述的天线系统，其中耦合电路包括多个耦合器和/或分离器，所述多个耦合器和/或分离器将第一极化无线电信号端口连接到天线阵列中的辐射元件的列，并且其中天线系统还包括多个第一极化天线信号端口以及连接在第一极化天线信号端口和耦合电路之间的巴特勒矩阵波束赋形网络。
8.如权利要求7所述的天线系统，其中耦合电路中的每个耦合器和/或分离器仅耦合到辐射元件的列中的两列，以及其中耦合电路中的每个耦合器和/或分离器包括四端口耦合器，所述四端口耦合器具有耦合到第一极化无线电信号端口中的相应一个第一极化无线电信号端口的输入端口、耦合到辐射元件的列中的相应列的第一输出端口和第二输出端口、以及耦合到电阻性端子的隔离端口。
9.如权利要求1所述的天线系统，其中，与列中的第二列中的辐射元件的钩平衡-不平衡变换器相比，列中的第一列中的辐射元件的钩平衡-不平衡变换器被翻转。
10.如权利要求1所述的天线系统，其中分离器包括将第一极化无线电信号端口中的所述一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的列中的所述至少两列的射频RF功率分配器。
11.如权利要求1所述的天线系统，其中耦合电路还包括将第一极化无线电信号端口中的所述一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的至少两行的另一个耦合器和/或分离器。
12.一种天线系统，包括：
波束赋形无线电装置，所述波束赋形无线电装置具有W个第一极化信号源和X个第一极化无线电信号端口，其中W和X是正整数，其中每个第一极化信号源耦合到所有X个第一极化无线电信号端口；
天线，所述天线包括：
具有Y列辐射元件的天线阵列，其中Y是大于X的正整数；以及
耦合到天线阵列的Z个第一极化天线信号端口，其中Z是正整数；以及
耦合电路，所述耦合电路包括多个耦合器和/或分离器，所述耦合电路将所述Z个第一极化天线信号端口耦合到所述Y列辐射元件。
13.如权利要求12所述的天线系统，其中被包括在耦合电路中的将所述Z个第一极化天线信号端口耦合到天线阵列中的所述Y列辐射元件的耦合器和/或分离器的总数等于Y-Z。
14.如权利要求12所述的天线系统，其中每个第一极化信号源耦合到所有Y列辐射元件。
15.如权利要求12所述的天线系统，其中耦合电路中的每个耦合器和/或分离器仅耦合到辐射元件的列中的两列。
16.如权利要求12所述的天线系统，其中耦合电路中的每个耦合器和/或分离器包括四端口耦合器，所述四端口耦合器具有耦合到第一极化无线电信号端口中的相应一个第一极化无线电信号端口的输入端口、耦合到辐射元件的列中的相应列的第一输出端口和第二输出端口、以及耦合到电阻性端子的隔离端口。
17.如权利要求12所述的天线系统，其中W＝X。
18.如权利要求12所述的天线系统，其中Z小于Y。
19.如权利要求12所述的天线系统，还包括连接在所述Z个第一极化天线信号端口和耦合电路之间的巴特勒矩阵波束赋形网络。
20.如权利要求12所述的天线系统，其中分离器包括将所述Z个第一极化天线信号端口耦合到所述Y列辐射元件的射频RF功率分配器。
21.一种基站天线系统，包括：
波束赋形阵列，所述波束赋形阵列具有辐射元件的多个垂直列，所述辐射元件的多个垂直列各自被配置为发送每极化至少三个天线波束；以及
波束赋形无线电装置，所述波束赋形无线电装置具有每极化多个无线电信号端口，所述多个无线电信号端口耦合到垂直列并且少于垂直列。
22.如权利要求21所述的基站天线系统，
其中垂直列包括至少五个垂直列，以及
其中无线电信号端口包括耦合到所述至少五个垂直列的不超过六个无线电信号端口。
23.如权利要求21所述的基站天线系统，
其中垂直列包括至少五个垂直列，以及
其中无线电信号端口包括耦合到所述至少五个垂直列的不超过八个无线电信号端口。
24.如权利要求21所述的基站天线系统，
其中垂直列包括至少六个垂直列，以及
其中无线电信号端口包括耦合到所述至少六个垂直列的不超过十个无线电信号端口。
25.如权利要求24所述的基站天线系统，
其中波束赋形无线电装置的所述不超过十个无线电信号端口包括耦合到所述至少六个垂直列的每极化不超过五个无线电信号端口，以及
其中波束赋形无线电装置包括每极化多个RF信号源，所述多个RF信号源各自耦合到所有的所述不超过五个无线电信号端口。
26.如权利要求21所述的基站天线系统，还包括耦合在波束赋形无线电装置与垂直列中的两个垂直列之间的模拟RF电路系统。
27.如权利要求26所述的基站天线系统，
其中模拟RF电路系统包括RF耦合器和/或分离器，
其中所述两个垂直列是不相邻的垂直列，以及
其中RF耦合器和/或分离器的RF输出仅耦合到所述不相邻的垂直列。
28.如权利要求27所述的基站天线系统，其中RF耦合器和/或分离器的第一输出以第一相位被馈送到垂直列中的第一垂直列，以及RF耦合器和/或分离器的第二输出以第二相位被馈送到垂直列中的第二垂直列，所述第二相位从所述第一相位偏移180度。
29.如权利要求21所述的基站天线系统，其中波束赋形阵列是包括多个天线信号端口的基站天线的一部分，所述基站天线系统还包括耦合在波束赋形无线电装置与垂直列对之间的模拟RF电路系统，
其中模拟RF电路系统被配置为将在天线信号端口中的第一天线信号端口处接收到的RF信号耦合到垂直列中的至少两个垂直列。
30.如权利要求29所述的基站天线系统，其中模拟RF电路系统在基站天线内部。
31.如权利要求29所述的基站天线系统，其中模拟RF电路系统在基站天线外部。
32.如权利要求29所述的基站天线系统，
其中模拟RF电路系统包括RF耦合器和/或分离器，所述RF耦合器和/或分离器将从天线信号端口中的第一天线信号端口输入到RF耦合器和/或分离器的RF信号拆分成第一子分量和第二子分量；以及
其中RF耦合器和/或分离器的第一输出以第一相位被馈送到垂直列中的第一垂直列，以及RF耦合器和/或分离器的第二输出以第二相位被馈送到垂直列中的第二垂直列，所述第二相位从所述第一相位偏移180度。
33.如权利要求21所述的基站天线系统，其中波束赋形无线电装置包括每极化至少四个RF信号源。
34.如权利要求33所述的基站天线系统，
其中所述至少四个RF信号源中的每个RF信号源被配置为生成所述至少三个天线波束中的每个天线波束的相应RF分量，以及
其中波束赋形无线电装置被配置为控制所述至少四个RF信号源中的每个RF信号源，以分别打开或关闭所述至少三个天线波束中的每个天线波束。
35.一种基站天线系统，包括：
波束赋形无线电装置，所述波束赋形无线电装置具有多个第一极化信号源和多个第一极化无线电信号端口，其中每个第一极化信号源耦合到所有第一极化无线电信号端口；
天线阵列，所述天线阵列具有多列和多行辐射元件；以及
耦合电路，所述耦合电路包括耦合器和/或分离器，所述耦合器和/或分离器将第一极化无线电信号端口中的一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的行中的至少两行。
36.如权利要求35所述的基站天线系统，其中分离器包括射频RF功率分配器，所述RF功率分配器将第一极化无线电信号端口中的所述一个第一极化无线电信号端口连接到辐射元件的行中的所述至少两行。
37.一种大规模MIMO基站天线系统，包括：
天线阵列，所述天线阵列具有至少三十六组，所述至少三十六组中的每组包括多个辐射元件；
波束赋形无线电装置，所述波束赋形无线电装置具有耦合到天线阵列的少于六十四个无线电信号端口；以及
耦合电路，所述耦合电路将无线电信号端口中的第一无线电信号端口耦合到组中的至少两组。
38.如权利要求37所述的大规模MIMO基站天线系统，其中波束赋形无线电装置包括32T32R波束赋形无线电装置。
39.如权利要求37所述的大规模MIMO基站天线系统，
其中每组包括恰好两个辐射元件，以及
其中天线阵列具有至少六列和至少六行的组。
40.如权利要求37所述的大规模MIMO基站天线系统，
其中每组包括恰好三个辐射元件，以及
其中天线阵列具有八列和四行的组。
41.如权利要求37所述的大规模MIMO基站天线系统，其中天线阵列的子阵列包括组中的十六组。
42.如权利要求41所述的大规模MIMO基站天线系统，
其中第一行的组包括所述子阵列的第一组和在所述子阵列之外的第二组，以及
其中耦合电路将第一组耦合到第二组。
43.如权利要求41所述的大规模MIMO基站天线系统，
其中第一列的组包括所述子阵列的第一组和在所述子阵列之外的第二组，以及
其中耦合电路将第一组耦合到第二组。
44.如权利要求41所述的大规模MIMO基站天线系统，
其中所述子阵列的第一组在第一行和第一列的组中，
其中在所述子阵列之外的第二组在第二行和第二列的组中，以及
其中耦合电路将第一组耦合到第二组。
45.如权利要求37所述的大规模MIMO基站天线系统，其中耦合电路包括射频RF功率分配器。
46.如权利要求37所述的大规模MIMO基站天线系统，其中耦合电路将波束赋形无线电装置的无线电信号端口中的第一无线电信号端口耦合到多行和多列的组。
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