CN114586238A

CN114586238A - 减轻多波束形成网络中的波束偏斜

Info

Publication number: CN114586238A
Application number: CN202080073097.2A
Authority: CN
Inventors: 科佳·丁; 萨迪克·法尔扎内; 米尼亚·加夫里洛维奇
Original assignee: Galtronic Nix Usa Co ltd
Current assignee: Galtronic Nix Usa Co ltd
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2022-06-03
Also published as: CA3157917A1; WO2021076195A1; EP4046240A1; EP4046240A4; US20230307832A1

Abstract

提供了涉及使用天线阵列的多波束形成网络的系统和方法。提供了一种矩阵电路，用于馈入天线阵列的元件以产生多个波束。为了解决波束偏斜问题，通过在矩阵电路和天线阵列元件之间使用一系列具有特定相位延迟性能的移相器来减轻波束偏斜。馈入整个天线阵列上相邻天线阵列元件的信号的线性增加或减小的相位差减轻或消除了所得多波束中的波束偏斜。所述移相器被编程，以提供这种增加或减少的相位差。

Description

减轻多波束形成网络中的波束偏斜

相关申请

本申请要求2019年10月18日提交的美国临时专利申请62/923,352的权益，该申请的全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及天线相关电路。更具体地，本发明涉及用于减少多波束形成网络中的波束偏斜的电路。

背景技术

为了增加基站的通信容量，需要多波束基站天线阵列将基站的覆盖范围从整个区域划分为几个较小的小区。此外，希望在整个工作频带内保持每个波束的覆盖范围相同。

这种波束覆盖可能成为一个问题，尤其是多波束天线阵列。

多波束天线阵列可分为两类：基于透镜原理构建的多波束天线和由多波束形成网络(MBFN)馈入的普通天线阵列形成的多波束天线。

对于基于透镜的天线，可由位于不同位置的多个馈电器生成多个波束，例如，龙伯透镜天线，可使用透镜或抛物面聚焦等原理计算这些位置。这种多波束天线通常在宽带匹配和波束隔离方面具有令人满意的性能。此外，理论上，这种天线没有波束偏斜的问题。

简单地说，这种基于透镜的天线的主要问题是天线的尺寸。这种天线需要体积相对较大的透镜/反射器，这些透镜/反射器笨重、昂贵并且很难/难以制造。透镜/反射器的大尺寸源于透镜的尺寸必须大于多个电波长这一要求。理论上很难减小这种反射器的尺寸，尤其是对于较低的频率，例如，1GHz-3GHz。

对于由多波束形成网络(MBFN)馈入/生成的天线，有两种子类型的MBFN。第一种子类型基于主透镜，例如，罗特曼透镜。由于工作原理的相似性，这种子类型的MBFN具有与基于透镜的多波束天线相同的优点和缺点，即这些天线提供了令人满意的性能，但物理尺寸相当大。

第二种子类型的MBFN通常是基于定向耦合器、移相器和分频器构建的。组件的特征仅取决于构建组件的传输线的电长度。由于可以使用平面电路来实现组件，并且由于可以通过使用弯折线或高介电叠层来减小组件的尺寸，所以网络的体积通常比基于透镜的多波束天线小得多。然而，由MBFN生成的几乎所有的天线系统(包括使用Butler矩阵、Blass矩阵、Nolen矩阵等的天线系统)具有波束偏斜的问题。

大多数基于多波束形成网络的多波束天线阵列的问题在于，波束方向会不希望但不可避免地随频率变化而扫描。当频率改变时，波束方向会改变，但是期望或希望波束指向相同的方向。对于一些通信系统，例如，3G、4G和5G移动通信，上行链路和下行链路在不同的频带下工作，这尤其成问题。由于波束方向的这种变化(称为波束偏斜)，波束覆盖的区域在各种频率下将是不同的，因此，天线阵列不能实现闭环通信。随着分数带宽的增加，例如，带宽超过30％，这个问题会加剧。

因此，需要解决此类MBFN生成的天线系统中的波束偏斜问题的方法和系统。

发明内容

本发明提供了涉及使用天线阵列的多波束形成网络的系统和方法。提供了一种矩阵电路，用于馈入天线阵列的元件以产生多个波束。为了解决波束偏斜问题，通过在矩阵电路和天线阵列元件之间使用一系列具有特定相位延迟性能的移相器来减轻波束偏斜。馈入整个天线阵列上相邻天线阵列元件的信号的线性增加或减小的相位差减轻或消除了所得多波束中的波束偏斜。所述移相器被编程为提供这种增加或减少的相位差。

在第一方面，本发明提供了一种使用具有多个天线阵列元件的天线阵列同时生成多个波束的电路，所述电路包括：

矩阵电路，所述矩阵电路包括复数个混合耦合器和延迟线，所述矩阵电路耦合在复数个负载和所述天线阵列之间；

复数个移相器，所述复数个移相器耦合在所述矩阵电路和所述天线阵列之间；

其中，

所述矩阵电路的每行包括在行方向上串联耦合的复数个混合耦合器，其中，在行方向上的每对混合耦合器由至少一个延迟线连接；

所述矩阵电路的每列包括在列方向上串联耦合的复数个混合耦合器；

所述矩阵电路的顶行耦合到所述天线阵列的天线元件，使得所述顶行的每个混合耦合器通过所述复数个移相器中的一个移相器耦合到所述天线阵列的天线元件，所述顶行的每个混合耦合器在列方向上耦合在所述复数个移相器中的一个移相器和所述矩阵电路的前一行的混合耦合器之间；

所述矩阵电路的底行耦合到复数个匹配负载，使得所述底行的每个混合耦合器在列方向上耦合在所述复数个匹配负载中的一个匹配负载和所述矩阵电路的紧接的下一行的混合耦合器之间；并且

所述移相器用于为来自所述矩阵电路的信号生成相邻天线阵列元件之间的线性增加的相位差。

第二方面，本发明提供了一种使用具有多个天线阵列元件的天线阵列同时生成多个波束的电路，所述电路包括：

第一复数个移相器，所述第一复数个移相器在所述矩阵电路的相邻行之间耦合；

第二复数个移相器，所述第二复数个移相器在所述矩阵电路和所述天线阵列之间耦合；

其中，

所述矩阵电路的顶行耦合到所述天线阵列的天线元件，使得所述顶行的每个混合耦合器通过所述第二复数个移相器中的一个移相器耦合到所述天线阵列的天线元件，所述顶行的每个混合耦合器在列方向上耦合在所述第二复数个移相器中的一个移相器和所述第一复数个移相器中的一个移相器之间；

所述矩阵电路的底行耦合到复数个匹配负载，使得所述底行的每个混合耦合器在列方向上耦合在所述复数个匹配负载中的一个匹配负载和所述第一复数个移相器中的一个移相器之间；

所述第一复数个移相器的每个移相器耦合在所述矩阵电路中相邻行的混合耦合器之间，使得所述矩阵电路的每个混合耦合器在列方向上串联耦合到所述第一复数个移相器的至少一个移相器；并且

所述第一和第二复数个移相器中的所述移相器用于为来自所述矩阵电路的信号生成相邻天线阵列元件之间的线性增加的相位差。

在第三方面，本发明提供了一种使用具有多个天线阵列元件的天线阵列同时生成多个波束的电路，所述电路包括：

复数个移相器，其中，每个移相器耦合到至少一个混合耦合器；

其中，

-所述矩阵电路的底行耦合到复数个匹配负载；并且

-所述移相器用于为来自所述矩阵电路的信号生成相邻天线阵列元件之间的线性增加的相位差。

附图说明

现将参照以下附图描述本发明的实施例，其中，不同附图中的相同附图标记表示相同的元件，其中：

图1示意性地示出了波束偏斜的概念；

图2示意性地示出了本发明的一个方面；

图3示出了波束偏斜对波束方向的影响；

图4A至图4D示出了使用传统的Blass矩阵以及本发明的一种实施方式产生的波束图；

图5A至图5F示出了本发明的12元件6波束实施方式；

图6示出了由图5A-5F所示的实施方式产生的测量辐射图；以及

图7示意性地示出了本发明的一个方面的变型。

具体实施方式

一方面，本发明提供了在功能组件的组成方面基于耦合器和移相器的天线系统。由此产生的天线系统紧凑、重量轻、成本低。

在另一个方面，本发明使用与天线阵列一起使用的电路，并提供消除所产生的多个波束中的波束偏斜的电路。为了消除波束偏斜，连接到天线阵列元件的多波束网络的每个输出端口都需要线性相位延迟。所有输出端口都需要渐进递增的线性相位延迟。Blass矩阵可用于提供具有近似线性相位延迟的可接受性能的基础。利用Blass矩阵，使用一系列移相器，并将其放置在Blass矩阵和天线阵列元件之间，以抵消误差，从而实现预期的线性相位延迟。

关于本发明的理论基础，为了生成在给定频率f₀下具有从法线方向倾斜

的特定方向的波束，如图1所示，相邻元件之间的渐进相位差ΔPha应为(等式1)：

其中，λ₀是自由空间中频率为f₀的波长。

可以看出，如果波束方向

在特定频率带宽内保持恒定值，则相位差必须是线性增加值，因为λ₀线性增加。

然而，由于定向耦合的原理，几乎所有的定向耦合器(例如，3-dB 90度正交耦合器、环形耦合器、Magic-T等)都不能提供耦合端口和直通端口之间线性增加(或减小/降低)的相位差的性能。相反，该耦合器将在给定带宽内在耦合端口和直通端口之间生成恒定的相位差。

根据等式(1)，很明显，ΔPha是恒定值，并且当λ₀随着频率变化/增加而线性增加时，值

将相应地倾斜。这解释了MBFN中存在波束偏斜。而且，由于基于定向耦合器构建所有第二种子类型MBFN，所以如果不能生成线性相位差，则波束偏斜问题是不可避免的。

为了解决该波束偏斜问题，生成所需的线性相位差。为了在连接到天线阵列元件的端口上生成所需的线性相位差，在天线阵列和传统的Blass矩阵之间放置了一系列移相器或移相器组。这种配置如图2所示。

图2示出了常规Blass矩阵，其中，每行中的混合耦合器通过延迟线串联耦合。底行中的每个混合耦合器在列方向上耦合在匹配负载和下一行中的混合耦合器之间。此外，顶行中的每个混合耦合器耦合在前一行中的混合耦合器和移相器之间。每个移相器耦合在顶行中的混合耦合器和天线阵列元件之间。

图2中的示意图是无波束偏斜的12元件6波束应用的MBFN的示例。如上所述，使用图中用红色表示的一系列移相器来消除波束偏斜。这些移相器生成常规耦合器不能生成的所需的线性增加的相位差。可以根据需要设计和配置线性增加的相位差。关于这种相位差的进一步细节，可以参考以下参考文献：K.Ding和A.A.Kishk，“2-D Butler Matrix andPhase-Shifter Group”，IEEE Trans.Microw.Theory Techn.，第66卷第12期，第5554-5562页，2018年12月。该参考文献的全部内容在此通过引用结合于本文中。

从图2中可以看出，矩阵电路的每行都有在行方向上串联耦合的复数个混合耦合器。在行方向上的每对混合耦合器由至少一条延迟线连接。混合耦合器的顶行耦合到天线阵列的天线元件。这样做，使得顶行的每个混合耦合器通过移相器耦合到天线元件。在该实施方式中，矩阵电路的底行耦合到匹配负载，使得底行中的每个混合耦合器在列方向上耦合在匹配负载和来自下一行的混合耦合器之间。

参考图3，该图示出了图2中的移相器的每条路径上的相位差的模拟结果。从图3可以看出，虽然12个移相器在中心频率具有相同的相位延迟，但是当频率改变时，移相器具有不同的梯度(斜率)。每条路径上的梯度将随着相邻路径之间的相同差异而逐渐增加(或减少)。

从图3中可以看出，可根据优选配置提取多个点。这几点就是：1.在某一给定频率下，每条路径上的相位延迟优选地彼此相等；2.每条路径上的相位延迟梯度优选地相互协调，以消除波束偏斜；3.每条路径上所需的相位延迟梯度不仅与移相器组本身有关，还与Blass矩阵有关。因此，当波束扫过不同频率时，相位延迟随着频率的增加而增加。

参考图4A-4D，示出了与最小减轻或未减轻波束偏斜相比消除或减轻波束偏斜的效果。在图4A和图4C中，示出了在频率从1.7GHz变为2.7GHz时由6波束传统Blass矩阵生成的波束2和波束3的辐射图案。可以看出，在没有减轻波束偏斜效应的情况下，波束方向将随着频率变化而移动，这导致整个频带的波束覆盖重叠减少。然而，消除或减轻波束偏斜将有效抑制波束方向的移动，如图4B和图4D所示。图4A示出了来自传统Blass矩阵的波束2。图4B示出了来自根据本发明的系统的波束2。图4C示出了来自传统Blass矩阵的波束3，而图4D示出了来自根据本发明的系统的波束3。

应当清楚，本发明的一种实施方式继承了Blass矩阵的一些固有优点。例如，本发明的这种实施方式能够为任意数量的元件产生任意数量的波束。这与Butler矩阵相反，在Butler矩阵中，波束数必须等于天线阵列中的元件数，并且波束数和天线阵列元件数必须是2的整数次方。此外，这种实施方式允许独立设计和配置每个波束的方向、波束宽度和旁瓣电平。

也就是说，本发明的这种实施方式在一个重要方面不同于Blass矩阵。本发明的这种实施方式是根据许多功能组件设计的，例如，耦合器和移相器，并且不同于作为不可分割的整体的Blass矩阵。因此，本发明的实施方式可以被分成由电缆连接的多个电路板。虽然结构分离不会改善波束形成性能，但这将非常有助于提高设计的灵活性和适用性，从而可以使MBFN的整体设计小型化。

除上述优点外，在该实施方式中，移相器组中的每个移相器可扩展为多个部分，或构造为具有多个部分或组件。这意味着，理论上，如果有足够的空间来容纳移相器组/多个移相器，则对于波束偏斜的消除没有限制。此外，每个移相器都有很好的宽带匹配潜力，以满足其他可能的要求。

根据本发明的另一方面，MBFN的设计和构造可分为两个分立步骤。第一步骤是根据所需的波束数和天线阵列元件数设计一个常规的Blass矩阵。该步骤包括设计Blass矩阵，以便考虑每个波束的期望的波束方向、波束宽度和旁瓣电平。一旦完成，第二步骤是设计移相器组或多个移相器，从而消除波束偏斜。应当清楚，可以使用专门配置的移相器来实现移相器，但是使用具有特定长度段的电子可控开关可以产生可编程移相器。

根据本发明的一个方面，无波束偏斜的12元件6波束MBFN的样本如图5所示。图5A至图5F示出了该示例的总体配置、端口和负载的位置、每层的布局以及横截面图。图5A示出了系统的整体配置，详细说明了波束端口、元件端口和负载的定义。图5B是一个简图中的系统的铜层的俯视图。图5C是顶层布局，图5D是中间层布局，图5E是底层布局。图5F是该系统的电路板的横截面图。

从图5A至图5F可以看出，耦合器矩阵和位于耦合器之间的弯折线形成了Blass矩阵。此外，可以看出，图5C上侧的具有弯曲开口端短截线的12条弯曲线形成了移相器组。在一个实施方式中，该示例配置在1.695GHz-2.69GHz的频带内工作。参考图6，示出了该示例配置的测量辐射图。图6中左边的辐射图用于仰角平面，而图6中右边的辐射图用于方位角平面。可以看出，中心的六个波束在频带内的波束稳定性方面示出令人满意的性能。

虽然图5A至图5F中的配置显示了一种可能的实施方式，但该配置仅使用了单行或单组移相器。图5A至图5F中的配置使用单行移相器，并且这些移相器被放置在Blass矩阵的外部，以消除波束偏斜。一种变型是在矩阵中放置多行移相器。这种变型如图7所示。

如图7所示，矩阵电路中的每行混合耦合器夹在多行移相器之间。混合耦合器的底行夹在一行匹配负载和一行移相器之间。因此，底行中的每个混合耦合器耦合在移相器和匹配负载之间。除了这些底行混合耦合器之外，每个混合耦合器都耦合在两个移相器之间。对于顶行移相器，每个移相器耦合在来自顶行混合耦合器的混合耦合器和天线阵列元件之间。理论上，这种配置将比图5A-5F中的配置表现出更好的性能。

在该变型中，有两组移相器，第一组位于顶行混合耦合器和天线元件之间，第二组位于矩阵电路中的相邻行混合耦合器之间。在混合耦合器的顶行中，每个混合耦合器在列方向上耦合在第二组移相器的一个移相器和第一组移相器的一个移相器之间。在该变型的底行中，底行耦合到匹配负载，使得底行中的每个混合耦合器在列方向上耦合在匹配负载和移相器之间。

该变型中移相器的配置具有在矩阵电路中相邻行的混合耦合器之间耦合的第二组移相器的每个移相器。这被配置为使得每个混合耦合器在列方向上串联耦合到所述第二组移相器的至少一个移相器。应当清楚，虽然这种实施方式目前使用具有固定参数的移相器，但是可编程移相器(或者具有变化参数的移相器)也是可能的。

理解本发明的人员现在可设想上述替代结构和实施例或变体，所有这些均旨在落入所附权利要求中定义的本发明的范围内。

Claims

1.一种使用具有多个天线阵列元件的天线阵列同时生成多个波束的电路，所述电路包括：

其中，

2.根据权利要求1所述的电路，其中，从特定混合耦合器发送到所述天线阵列中的特定天线元件的信号的相位由所述特定混合耦合器耦合到的特定移相器控制，所述特定混合耦合器是位于所述矩阵电路的所述顶行中的。

3.一种使用具有多个天线阵列元件的天线阵列同时生成多个波束的电路，所述电路包括：

复数个第一移相器，所述第一复数个移相器耦合在所述矩阵电路的相邻行之间；

复数个第二移相器，所述第二复数个移相器耦合在所述矩阵电路和所述天线阵列之间；

其中，

4.根据权利要求3所述的电路，其中，从特定混合耦合器发送到所述天线阵列中的特定天线元件的信号的相位至少部分地由所述第二复数个移相器中的特定移相器控制，所述特定移相器是所述特定混合耦合器耦合到的移相器，所述特定混合耦合器是位于所述矩阵电路的所述顶行中的。

5.一种使用具有多个天线阵列元件的天线阵列同时生成多个波束的电路，所述电路包括：

其中，

所述矩阵电路的底行耦合到复数个匹配负载；并且

6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述矩阵电路的每列包括复数个混合耦合器，所述复数个混合耦合器在列方向上串联耦合到至少一个移相器或至少一个混合耦合器。

7.根据权利要求5所述的电路，其中，所述矩阵电路的顶行耦合到所述天线阵列的天线元件，使得所述顶行的每个混合耦合器通过所述复数个移相器中的一个移相器耦合到所述天线阵列的天线元件，所述顶行的每个混合耦合器在列方向上耦合在所述复数个移相器中的一个移相器和所述矩阵电路的前一行的混合耦合器之间。