CN114765311A - 基站天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基站天线系统，该基站天线系统包括波束成形阵列，该波束成形阵列具有多个竖直列的辐射元件，每个竖直列的辐射元件被配置为每偏振发射至少三个天线波束。此外，天线系统包括波束成形无线电装置，该波束成形无线电装置具有耦合到竖直列的每偏振多个射频端口和耦合到少于竖直列的每偏振多个射频端口。

Description

基站天线系统
相关申请的交叉引用
本申请是2021年1月14日提交的美国专利申请序列号17/149，187的部分继续申请，其本身要求于2020年8月27日提交的PCT申请PCT/CN2020/111926的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及无线电通信，并且更具体地，涉及用于蜂窝通信系统的波束成形基站天线。
背景技术
蜂窝通信系统在本领域中是公知的。在蜂窝通信系统中，地理区域被划分为由相应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，所述一个或多个基站天线被配置为向在由基站服务的小区内的订户提供双向射频(“RF”)通信。在许多情况下，每个基站被划分为“扇区”。在一种常见配置中，六边形小区被划分为方位平面中的三个120个扇区，并且每个扇区由具有大约65°的方位角半功率波束宽度(“HPBW”)的一个或多个基站天线来服务。通常，基站天线安装在塔或其它凸起结构上，其中由基站天线产生的辐射图案向外指向。基站天线通常被实现为辐射元件的线性或平面相控阵列。
为了增加容量，近年来已经引入了包括波束成形阵列的基站天线和/或被配置为与多输入多输出(“MIMO”)无线电装置一起操作的基站天线。波束成形阵列是指包括多列辐射元件的天线阵列。波束成形阵列可以在例如水平或“方位角”平面中生成具有减小的(更窄)波束宽度的天线波束，这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，其中将数据流分成多个片段，这些片段是使用某些编码技术在发送站和接收站之间的多个相对不相关的传输路径上同时传输的。多列天线阵列可以用于MIMO传输，其中阵列中的每个列可以连接到MIMO无线电装置的端口并且用于发送/接收多个数据流中的一个数据流。实际上，由于正交偏振往往是高度不相关的，因此MIMO阵列中的辐射元件通常被实现为双偏振辐射元件，允许MIMO阵列中的每个列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偏振辐射器，并且第二端口连接到列中的辐射元件的第二偏振辐射器)。该技术可以有效地减半需要的辐射元件的列的数量，因为阵列的每个物理列包含两个独立的辐射器列。
还可以组合MIMO和波束成形技术。例如，所谓的8-发射/8-接收(“8T8R”)无线电装置(其包括八个无线电端口)现在常规地连接到天线阵列，该天线阵列包括四个列的双偏振辐射元件，双偏振辐射元件被配置为在扇区内每偏振形成单个天线波束。这两个偏振可以用于实现每个天线波束的2xMIMO通信。这些波束成形天线通常用于时分双工(“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，16-发射/16-接收(“16T16R”)无线电装置(其包括十六个无线电端口)在本领域中是已知的，其连接到包括八列双偏振辐射元件的天线阵列，所述双偏振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)，但是也需要天线上的更大的阵列和更昂贵的16T16R无线电装置，这可以显著地增加成本。
发明内容
根据本发明的实施例，天线系统可以包括具有多个第一偏振信号源和多个第一偏振无线电信号端口的波束成形无线电装置，其中每个第一偏振信号源耦合到所有的第一偏振无线电信号端口。天线系统可以包括具有多个辐射元件列的天线阵列。此外，天线系统可以包括耦合电路，耦合电路包括耦合器和/或分路器，耦合器和/或分路器将第一偏振无线电信号端口中的一个连接到辐射元件的列中的至少两列。例如，分路器可以是RF功率分配器，其将第一偏振无线电信号端口中的一个连接到辐射元件的多列中的至少两列。
在一些实施例中，第一偏振信号源的总数可以等于第一偏振无线电信号端口的总数。此外，耦合电路可以包括将第一偏振无线电信号端口中的一个连接到辐射元件的至少两行的另一耦合器和/或分路器。
根据一些实施例，波束成形无线电装置可以包括总共X个第一偏振无线电信号端口，并且天线阵列可以包括总共Y列的辐射元件，其中X和Y是正整数并且Y大于X。例如，Y可以等于2*X。此外，包括在耦合电路中的将第一偏振无线电信号端口连接到天线阵列中的辐射元件列的耦合器和/或分路器的总数可以等于Y-X，并且耦合器和/或分路器可以将第一偏振无线电信号端口中的一个连接到少于辐射元件的所有列。
在一些实施例中，每个第一偏振信号源可以耦合到辐射元件的所有列。此外，分路器可以是RF功率分配器，其将Z第一偏振天线信号端口耦合到辐射元件的Y列。
根据一些实施例，耦合电路可以包括将第一偏振无线电信号端口连接到天线阵列中的辐射元件列的多个耦合器和/或分路器。此外，天线系统可以包括多个第一偏振天线信号端口和连接在第一偏振天线信号端口和耦合电路之间的巴特勒矩阵波束成形网络。
在一些实施例中，耦合电路中的每个耦合器和/或分路器可以仅耦合到辐射元件的列中的两列。此外，耦合电路中的每个耦合器可以是四端口耦合器，其具有耦合到第一偏振无线电信号端口中的相应一个的输入端口、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、以及耦合到电阻端子的隔离端口。
在一些实施例中，第一列中的辐射元件的钩状平衡-不平衡转换器相对于第二列中的第二列中的辐射元件的钩状平衡-不平衡转换器翻转。
根据本发明的实施例的天线系统可以包括具有W个第一偏振信号源和X个第一偏振无线电信号端口的波束成形无线电装置，其中W和X是正整数，并且其中每个第一偏振信号源耦合到第一偏振无线电信号端口的所有X。该天线系统可以包括天线，该天线包括：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个第一偏振天线信号端口，其中Z是正整数。此外，天线系统可以包括耦合电路，耦合电路包括多个耦合器和/或分路器，耦合电路将Z个第一偏振天线信号端口耦合到辐射元件的Y列。
在一些实施例中，耦合电路中包括的将Z个第一偏振天线信号端口耦合到天线阵列中的辐射元件的Y列的耦合器和/或分路器的总数可以等于Y-Z。
根据一些实施例，每个第一偏振信号源可以耦合到辐射元件的所有Y列。
在一些实施例中，耦合电路中的每个耦合器和/或分路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，其具有耦合到第一偏振无线电信号端口中的相应一个的输入端口、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个第一偏振天线信号端口和耦合电路之间的巴特勒矩阵波束成形网络。
根据本发明的实施例的基站天线系统可以包括波束成形阵列，该波束成形阵列具有多个竖直列的辐射元件，每个竖直列的辐射元件被配置为每偏振发送至少三个天线波束。此外，基站天线系统可以包括波束成形无线电装置，其具有耦合到竖直列并少于竖直列的每偏振的多个无线电信号端口。例如，竖直列可以包括至少五个竖直列，并且无线电信号端口可以包括不多于八个无线电信号端口，其耦合到至少五个竖直列。在另一示例中，竖直列可以包括至少五个竖直列，并且无线电信号端口可以包括不多于六个无线信号端口，其耦合到至少五个竖直列。作为另一示例，竖直列可以包括至少六个竖直列，并且无线电信号端口可以包括不多于十个无线电信号端口，其耦合到至少六个竖直列。
在一些实施例中，波束成形无线电装置的不多于十个无线电信号端口可以包括每偏振不多于五个无线电信号端口，其耦合到至少六个竖直列。此外，波束成形无线电装置可以包括每偏振的多个RF信号源，每个RF信号源耦合到不多于五个无线电信号端口中的所有无线电信号端口。
根据一些实施例，基站天线系统可以包括耦合在波束成形无线电装置与两个竖直列之间的模拟RF电路。
在一些实施例中，模拟RF电路可以包括RF耦合器和/或分路器。此外，两个竖直列可以是非相邻的竖直列，并且RF耦合器和/或分路器的RF输出可以仅耦合到非相邻的竖直列。此外，RF耦合器和/或分路器的第一输出可以被馈送到具有第一相位的第一竖直列，并且RF耦合器和/或分路器的第二输出可以被馈送到具有从第一相位偏移180度的第二相位的第二竖直列。
根据一些实施例，波束成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成形无线电与一对竖直列之间的模拟RF电路。模拟RF电路可以被配置为将在天线信号端口中的第一天线端口处接收的RF信号耦合到竖直列中的至少两个竖直列。例如，模拟RF电路可以在基站天线内部。作为另一示例，模拟RF电路可以在基站天线外部。
在一些实施例中，模拟RF电路可以包括RF耦合器和/或分路器，RF耦合器和/或分路器将输入到RF耦合器和/或分路器的RF信号从天线信号端口中的第一天线信号端口分离成第一子组件和第二子组件。RF耦合器和/或分路器的第一输出可以被馈送到具有第一相位的第一竖直列，并且RF耦合器和/或分路器的第二输出可以被馈送到具有从第一相位偏移180度的第二相位的第二竖直列。
根据一些实施例，波束成形无线电装置可以包括每偏振的至少四个RF信号源。所述至少四个RF信号源中的每一者可经配置以产生所述至少三个天线波束中的每一者的相应RF分量。此外，波束成形无线电装置可以被配置为控制至少四个RF信号源中的每一个以单独地接通或断开至少三个天线波束中的每一个。
根据本发明的一些实施例的天线系统可以包括具有多个第一偏振信号源和多个第一偏振无线电信号端口的波束成形无线电装置，其中每个第一偏振信号源耦合到所有的第一偏振无线电信号端口。天线系统可以包括具有多列和多行辐射元件的天线阵列。此外，天线系统可以包括耦合电路，耦合电路包括耦合器和/或分路器，耦合器和/或分路器将第一偏振无线电信号端口中的一个连接到辐射元件的行中的至少两行。例如，分路器可以是RF功率分配器，其将第一偏振无线电信号端口中的一个连接到辐射元件的行中的至少两个。
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个组，每个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成形无线电装置，其具有耦合到天线阵列的少于64个无线电信号端口。此外，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个组的耦合电路。
在一些实施例中，波束成形无线电装置可以是32T32R波束成形无线电装置。
根据一些实施例，每个组可以确切地包括两个辐射元件，并且天线阵列可以具有至少六个列和至少六个行的组。
在一些实施例中，每个组可以确切地包括三个辐射元件，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，第一组中的第一行可以包括子阵列的第一组和在子阵列之外的第二组。此外，耦合电路可将第一组耦合到第二组。
根据一些实施例，所述组的第一列可以包括所述子阵列的第一组和在所述子阵列之外的第二组。此外，耦合电路可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组的第一行和第一列中。在子阵列外部的第二组可以在组的第二行和第二列中。此外，耦合电路可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成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所述组的多个行和多个列。
根据一些实施例，基站天线系统可以包括：具有多个无线电信号端口的波束成形无线电装置。基站天线系统可以包括具有竖直堆叠的子阵列的天线阵列，每个子阵列包括双偏振辐射元件的多个子列。所述无线电信号端口中的第一无线电信号端口耦合到所述子阵列中的第一子阵列的两个子列。并且所述无线电信号端口中的第二无线电信号端口耦合到所述子阵列中的第二子阵列的两个子列。
在一些实施例中，所述子阵列中的所述第一子阵列的所述两个子列中的每个子列包括所述双偏振辐射元件中的三个双偏振辐射元件。此外，所述无线电信号端口中的每一者耦合到所述双偏振辐射元件中的六个双偏振辐射元件。
根据一些实施例，所述子阵列中的所述第一子阵列和所述第二子阵列均可以耦合到所述无线电信号端口中的每偏振四个无线电信号端口。
在一些实施例中，所述无线电信号端口中的第三无线电信号端口可以耦合到所述子阵列中的第三子阵列的两个子列。此外，所述无线电信号端口中的第四无线电信号端口耦合到所述子阵列中的第四子阵列的两个子列。
根据一些实施例，所述子阵列中的所述第一子阵列的所述两个子列中的每个子列包括所述双偏振辐射元件中的六个双偏振辐射元件。
在一些实施例中，基站天线系统可以包括耦合到所述子阵列中的所述第一子阵列的每偏振多个第一移相器。基站天线系统可以包括耦合到所述子阵列中的所述第二子阵列的每偏振多个第二移相器。所述无线电信号端口中的所述第一无线电信号端口可以经由所述第一移相器中的首个移相器耦合到所述子阵列中的所述第一子阵列的所述两个子列，并且所述无线电信号端口中的所述第二无线电信号端口经由所述第二移相器中的首个移相器耦合到所述子阵列中的所述第二子阵列的所述两个子列。此外，所述子阵列中的所述第一子阵列可以耦合到所述第一移相器中的每偏振四个第一移相器，并且所述子阵列中的所述第二子阵列可以耦合到所述第二移相器中的每偏振四个第二移相器。
根据一些实施例，基站天线系统可以包括耦合到所述子阵列中的所述第一子阵列的每个子列的每偏振单个第一移相器。此外，基站天线系统可以包括耦合到所述子阵列中的第二子阵列的每个子列的每偏振单个第二移相器。
根据一些实施例，大规模MIMO基站天线系统可以包括具有多个辐射元件的天线阵列。大规模MIMO基站天线系统可以包括具有耦合到天线阵列的少于64个无线电信号端口的波束成形无线电装置。此外，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所述辐射元件的至少两个子列的耦合电路。
在一些实施例中，所述波束成形无线电装置包括32T32R波束成形无线电装置。
根据一些实施例，每个子列可以包括正好两个辐射元件或恰好一个辐射元件。在其它实施例中，每个子列包括正好三个辐射元件，并且所述天线阵列具有八列和四行子列。
在一些实施例中，所述天线阵列的子阵列可以包括八个子列。此外，所述耦合电路可以包括移相器。
根据一些实施例，基站天线系统可以包括具有多个无线电信号端口的波束成形无线电装置。基站天线系统可以包括具有多行和多列辐射元件的天线阵列。所述无线电信号端口中的每个无线电信号端口可以耦合到所述列中的至少两列和所述行中的不大于一半数量的行。
在一些实施例中，所述行中的每个行可以耦合到每偏振四个无线电信号端口，并且所述列中的每个列可以包括分别耦合到每偏振四个无线电信号端口的四个子列。
根据一些实施例，所述无线电信号端口中的每个无线电信号端口可以耦合到所述行的四分之一或三分之一。
附图说明
图1A是包括8T8R无线电装置和包括四个双偏振辐射元件列的天线阵列的常规天线系统的示意性前视图。
图1B是说明施加到馈送到图1A的天线阵列的四个列的信号以便产生八个天线波束(每一偏振处四个)的相对振幅和相位的表。
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、耦合电路和天线阵列，该天线阵列包括六列双偏振辐射元件。
图2B是说明根据本发明的实施例的可用于将图2A的8T8R无线电装置耦合到图2A的六列天线阵列的耦合电路的示意图。
图2C是说明应用于馈送到图2A的天线阵列的六个列的信号以便产生八个天线波束(每一偏振处四个)的相对振幅及相位的表。
图3A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，其包括8T8R无线电装置、耦合电路和包括八列双偏振辐射元件的天线阵列。
图3B是说明根据本发明的实施例的可用于将图3A的8T8R无线电装置耦合到图3A的八列天线阵列的耦合电路的示意图。
图3C是说明经由图3B的耦合电路而施加到图3A的天线阵列的四个列的信号的相对振幅及相位以便产生八个天线波束(每一偏振处四个)的表。
图3D是说明根据本发明的实施例的可用于将图3A的8T8R无线电装置耦合到图3A的八列天线阵列的另一耦合电路的示意图。
图3E是说明经由图3D的耦合电路而施加到图3A的天线阵列的四个列的信号的相对振幅及相位以产生八个天线波束(每一偏振处四个)的表。
图4A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，其包括10T10R无线电装置、耦合电路和包括八列双偏振辐射元件的天线阵列。
图4B是说明根据本发明的实施例的可用于将图4A的10T10R无线电装置耦合到图4A的八列天线阵列的耦合电路的示意图。
图4C是说明经由图4B的耦合电路施加到图4A的天线阵列的八列的信号的相对振幅和相位以便产生十个天线波束(在每一偏振处为五)的表。
图5A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，其包括4T4R无线电装置、耦合电路和包括四个双偏振辐射元件列的天线阵列。
图5B是说明根据本发明的实施例的可用于将图5A的4T4R无线电装置耦合到图5A的四列天线阵列的耦合电路的示意图。
图5C是说明经由图5B中所展示的耦合电路而施加到图5A的天线阵列的四个列的信号的相对振幅及相位以便产生四个天线波束(每一偏振处的两个)的表。
图6A是根据本发明的实施例的天线系统的示意性前视图，其包括8T8R无线电装置、耦合电路和包括五列双偏振辐射元件的天线阵列。
图6B是说明根据本发明的实施例的可用于将图6A的8T8R无线电装置(具有未使用的两个端口)耦合到图6A的五列天线阵列的耦合电路的示意图。
图6C是说明经由图6B中所示的耦合电路而施加到图6A的天线阵列的五个列的信号的相对振幅及相位以便产生四个天线波束(每一偏振处的两个)的表。
图7A是图3A-图3B的天线系统的天线阵列和耦合电路(仅示出一种偏振)的示例实现方式的示意性框图。
图7B是说明8T8R无线电装置的第一偏振信号源如何可耦合到图7A的天线阵列和耦合电路的示意性框图。
图8是根据本发明实施例的天线系统的示意图。
图9是示出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是示出连接到图3D的耦合电路的巴特勒矩阵波束成形网络的示意图。
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是示出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是示出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。
图13A是根据本发明的实施例的具有四行的大规模MIMO天线系统的示意性前视图。
图13B是说明耦合到图13A的行的图13A的耦合电路的第一偏振部分和第二偏振部分的示意图。
图13C为说明图13A的行中的第一行的放大示意图。
图13D和图13E是示出其中图13A的耦合电路包括耦合在图13A的32T32R无线电装置的端口和图13A的天线阵列的多列之间的每偏振的多个元件的示例的示意图。
图13F是说明另一实例的示意图，其中图13A的耦合电路包含耦合到图13A的行中的第一行的每偏振的单个移相器。
图13G是相对于图13A的系统修改以提供两行的大规模MIMO天线系统的示意性前视图。
图13H和图13I是相对于图13B的图修改以分别提供三行和两行的示意图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，提供了包括具有多列辐射元件的天线阵列的天线系统(例如，基站天线系统)，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”)。辐射元件可以是双偏振辐射元件，使得多列天线阵列可以在每偏振处生成多个天线波束。在示例实施例中，八列(或六列)天线阵列可以由具有每偏振少于八个(或少于六个)无线电信号端口的无线电装置馈送。特别地，可以包括模拟RF部件(诸如RF耦合器和/或分路器)的耦合电路可以将至少一些无线电信号端口耦合到天线阵列的相应的成对的列。结果，无线电装置可以包括比天线阵列的列更少的无线电信号端口(每偏振)。这允许根据本发明实施例的天线系统在使用相对便宜的无线电装置时提供改进的天线方向图和更高的增益。
如上所述，常规地，8T8RTDD波束成形无线电装置与具有四列双偏振辐射元件的天线阵列结合使用。此实施方案提供相对低成本的波束成形解决方案，但可能遭受低增益(且因此低容量)及不理想的相对粗略天线模式。如果需要更高性能，则16T16RTDD波束成形无线电装置可以与具有八个列的双偏振辐射元件的天线阵列结合使用。此实施方案提供增加的增益、改进的天线波束且支持较高容量，但显然更昂贵。根据本发明的实施例，提供了天线系统，其可以例如包括8T8RTDD波束成形无线电装置，其结合具有多于四个列的双偏振辐射元件(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，该实现提供了增加的增益和改进的天线波束，尽管性能不如高容量解决方案好。因此，根据本发明的实施例的天线系统可以提供对于先前需要高成本解决方案的许多应用来说是可接受的中间解决方案。
现在将参照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，其包括8T8R无线电装置190和具有天线阵列112的天线110，天线阵列112包括双偏振辐射元件130的四列120-1到120-4。每个辐射元件130可以包括例如交叉偶极辐射元件，交叉偶极辐射元件包括第一偶极辐射器132和与第一偶极辐射器132交叉/相交的第二偶极辐射器134。偶极辐射器132和134各自具有两个偶极“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，在本文中，当提供多个相似的元件时，它们可以使用两部分的附图标记来编号。这些元件可由其完整参考数字(例如，列120-3)个别地指代，且可由其参考数字的第一部分(例如，列120)共同指代。
列120的阵列可以在天线110的天线罩(未示出)内。天线110可以包括RF端口140-1至140-8，RF端口140-1至140-8在本文中也可以被称为“连接器”或“天线信号端口”，它们被耦合(例如，电连接)到列120。特别地，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，并且天线信号端口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到194-8(例如同轴电缆)耦合到无线电装置190的相应无线电信号端口192。例如，无线电装置190可以是用于蜂窝基站的TDD波束成形无线电装置，并且天线110和无线电装置190可以位于蜂窝基站处(例如，可以是蜂窝基站的组件)。
因为无线电装置190被示出为8T8R无线电装置，其包括八个RF端口192-1至192-8，其在无线电装置190的内部组件与天线阵列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偏振端口，并且无线电信号192中的另一个可以是第二偏振端口，其中第一和第二偏振是不同的偏振。无线电装置190还可以包括不是无线电信号端口(而是可以用于校准无线电装置190的内部电路以考虑无线电装置190外部的RF信号路径之间的幅度和相位差的端口)的一个或多个校准端口(未示出)。
8T8R无线电装置190包括四个RF第一偏振信号源和四个第二偏振信号源。无线电装置190中的每个第一偏振RF信号源耦合到四个第一偏振无线电信号端口(这里是无线电信号端口192-1、192-3、192-5、192-7)，并且无线电装置190中的每个第二偏振RF信号源耦合到四个第二偏振无线电信号端口(这里是无线电信号端口192-2、192-4、192-6、192-8)。
图1B是说明施加到图1A的天线阵列的四个列的RF信号的相对振幅及相位以便产生八个天线波束(每一偏振处四个)的表。图1B的表格仅说明馈送到列120的第一偏振辐射器132的RF信号的相对振幅和相位。将了解，将RF信号的相同相对振幅和相位馈送到列120的第一偏振辐射器132。
在图1B中，标记为“波束X”(X＝1、2、3、4)的行显示了四个RF信号的相对相位，所述四个RF信号被提供给四个列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)输出具有0dB的相对幅度和到第一列120-1的辐射器132的相对相位的信号，输出具有0dB的相对幅度和到第二列120-1的辐射器132的-270相对相位的信号，输出具有0dB的相对幅度和到第三列120-3的辐射器132的-135相对相位的信号，并且输出具有0dB的相对幅度和到第四列120-4的辐射器132的0相对相位的信号。如上文所描述，由无线电装置190中的第一信号源输出到四个列120-1到120-4的四个RF信号产生在方位平面中指向第一方向的第一天线波束。无线电装置190中的第二、第三和第四信号源在方位平面中生成指向三个附加方向的第二、第三和第四天线波束。
图1B还展示可由无线电装置190应用以产生所谓的“广播”波束的相位。如本领域中已知的，广播波束是指波束成形天线形成的波束，波束成形天线是被设计为覆盖由天线系统服务的整个覆盖区域的宽波束宽度波束。广播波束是用于在整个覆盖区域中与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，其包括8T8R无线电装置290(例如，TDD波束成形无线电装置)、耦合电路250和具有天线阵列212的天线210，天线阵列212包括双偏振辐射元件130的六个列120-1到120-6。应当理解，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还通过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波束成形无线电装置，并且天线210和无线电装置290可以位于蜂窝基站处(例如，可以是蜂窝基站的组件)。
列120在本文中可以被称为“竖直”列，因为它们可以在竖直方向上从天线210的下部延伸到天线210的上部。竖直方向可以是或者可以与天线210的纵轴平行，该纵轴可以垂直于地平线。如本文所使用的，术语“竖直”不一定要求某物精确是竖直的(例如，天线210可以具有小的机械下倾)。另外，在所描绘的实施例中，辐射元件132布置成真正的行和列。应了解，在许多情况下，每隔一列120可在竖直方向上偏移，使得每一列120相对于其一个或一个以上邻近列120在竖直方向上“交错”。该“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。具体来说，耦合电路250经配置以将输入到天线信号端口140中的第一者的RF信号分裂成两个子分量，且将此RF信号的两个子分量馈送到列120中的相应第一列和第二列中的辐射元件130的第一偏振辐射器132。耦合电路250进一步经配置以将输入到天线信号端口140中的第二者的RF信号分裂成两个子分量，且将此RF信号的两个子分量馈送到列120中的相应第三列和第四列中的辐射元件130的第一偏振辐射器132。耦合电路250同样被配置为类似地将输入到天线信号端口140中的第三和第四天线信号端口140的RF信号分离成相应的子分量对，并且以类似的方式将那些子分量馈送到辐射元件130的第二偏振辐射器130。耦合电路250可以包括各种类型的模拟RF电路，诸如多个RF耦合器和/或多个RF分路器/组合器(例如，RF功率分配器)。虽然图2A中展示为在天线210内部，但在一些实施例中，耦合电路250可在天线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和(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，其包括八个无线电信号端口192-1至192-8。无线电信号端口192中的四个可以是第一偏振端口，并且无线电信号端口192中的另四个可以是第二偏振端口，其中第一偏振和第二偏振是不同的偏振。如下面将讨论的，在其他实施例中可以使用具有不同数量的无线电信号端口的其他无线电装置。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，五个第一偏振无线电信号端口和五个第二偏振无线电信号端口)的10T10R无线电装置来代替8T8R无线电装置290。
天线210中包括的双偏振辐射元件130的列120的数量超过了包括在无线电装置290上的第一偏振无线电信号端口192的数量。为了在两个偏振处利用所有六个列120，至少一些无线电信号端口192使用耦合电路250跨多个(这里为两个)列120共享。因此，通过提供耦合电路250，可以断开波束成形无线电装置上的列数和第一(或第二)偏振无线电信号端口的数量之间的对应关系，并且因此天线210可以包括五个、六个、七个、八个或更多个列120，即使无线电装置290每偏振仅具有四个无线电信号端口192。
过去已使用巴特勒矩阵来将无线电信号端口耦合到多列天线阵列，其中每偏振的无线电信号端口的数目未必等于天线阵列中的辐射元件的列数。然而，这些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分割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，并且巴特勒矩阵用于分离和相移由每个信号源提供的RF信号，以便将RF信号馈送到天线阵列中的所有列。这通常需要一系列层的混合耦合器或会显著增加天线插入损耗的其他模拟电路元件。根据本发明的实施例，可以使用波束成形无线电装置，其在数字域中馈送组合信号源，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。然后可以使用少量附加模拟组件(例如，混合耦合器或威尔金森功率分配器)来进一步细分输出在一个或多个无线电信号端口处的RF信号，使得馈送天线阵列212的所有列120。换句话说，无线电装置290可以在数字域中执行一些波束成形RF信号操作，从而简化天线系统硬件并改善插入损耗。例如，如下面将参照图7B所讨论的，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中的每一者可耦合到所有无线电信号端口192且可经配置以产生列120发射的每一天线波束的相应RF信号分量716，且无线电装置290可经配置以控制信号源715中的每一者以分别地接通或断开每一天线波束。
虽然系统200仅具有一个无线电装置290，但根据本发明的其它实施例的天线系统可包括耦合到同一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频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可以用作第一子频带中的TDD波束成形阵列以及用作第二子频带中的FDD扇区分割阵列。
图2B是说明根据本发明的实施例的可用于将图2A的8T8R无线电装置290耦合到图2A的六列天线阵列212的耦合电路250的示意图。如图2B所示，耦合电路250可以包括第一耦合器和第二耦合器和/或分路器260-1和260-2。第一耦合器和/或分路器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120-6两者。类似地，第二耦合器和/或分路器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120-5两者。
端口140-1和140-7以及端口140-3和140-5可以是第一偏振端口。为了简化说明，从图2B中的视图中省略了第二偏振天线信号端口140-2、140-4、140-6和140-8。相同的耦合电路250可以用于将第二偏振天线信号端口140-2、140-4、140-6和140-8耦合到天线阵列212的六个列120-1到120-6。此外，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/或分路器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对140。
耦合器和/或分路器260-1和260-2耦合到相应的不相邻的列对120。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他列120的两个列120。例如，图2B示出了每个共同耦合的对之间具有三列120。因此，相同的距离可以分离每个共同耦合的对。
在一些实施例中，耦合器和/或分路器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”用于覆盖各种各样的功率耦合和/或分离设备，包括诸如混合耦合器、分支线耦合器、鼠笼式耦合器等的四端口设备，以及诸如威尔金森功率耦合器/分配器等的三端口设备。
此外，根据其它实施例的耦合电路可以包括耦合到相应的成对的列120的多于两个耦合器和/或分路器。在一些实施例中，将X个第一偏振天线信号端口192耦合到Y个列120(经由天线的Z个第一偏振天线信号端口140(图2A))的耦合器和/或分路器(在耦合电路中)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/或分路器的总数可以等于X。因此，在一些实施例中，Y可以等于2*X，并且每个耦合器和/或分路器的RF输出因此可以仅耦合到(即，精确地)两列120。在其他实施例中，可以使用4x4缓冲器矩阵，其包括Z＝4个端口140与Y＝4、6或8列120连接的4个耦合器。
在一些实施例中，无线电装置290可以包括每一个均耦合到所有X个无线电信号端口192的W个第一偏振信号源。每个第一偏振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/或分路器260可以是四端口耦合器，其具有(i)耦合到X个无线电信号端口192中的相应一个的RF输入端口，(ii)耦合到Y列120中的一个的第一RF输出端口，(iii)耦合到Y列120中的另一个的第二RF输出端口，以及(iv)耦合到电阻端子(例如，50欧姆电阻器)的隔离端口。
在一些实施例中，与包括在列120-2到120-5中的辐射元件130的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器的取向相比，包括在列120-1和120-6中的辐射元件130的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器的取向可以反转。通过反转或“翻转”辐射元件130(图2A)的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器，馈送到列120-1和120-6的辐射元件130的RF信号的相位可以相对于馈送到列120-2和120-5的辐射元件130的RF信号的相位偏移180度。此外，在一些实施例中，列120可以以操作频率(例如，至少62毫米(“mm”))间隔开大约0.5个波长。
与图1A的常规天线系统100相比，天线系统200可以提供改进的性能。特别地，由于天线阵列212包括六个辐射元件列120(相对于包括在天线系统100中的四列120)，所以天线阵列212的增益可以比天线阵列112的增益大大约0.4dB。另外，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，每偏振的至少三个波束)可以表现出改善的滚降。
图2C是说明应用于馈送到图2A的波束成形天线阵列的六个列的信号以便产生八个天线波束(每一偏振处四个)的相对振幅和相位的表。图2C的表可以以与上文参考图1B的类似表描述的相同方式解译。列1、2、5和6所示的振幅仅仅是实例。因此，可以在耦合器和/或分路器260-1和260-2之间提供不同的幅度比。
如图2C所示，共同耦合到耦合器和/或分路器260的两列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D+/-180度的相位的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A+/-180度的相位的RF信号。
然而，这些相位偏移可能不一定正好是180度。特别地，可以经由移相器调整相位偏移，使得它们不精确地是180度。这可以允许不同的波束成形可能性，并且可以避免具有在给定角度具有局部最小值的耦合列120的子阵列图案。更确切地说，尽管仍可存在最小值，但可在发生控制的情况下提供控制。
此外，可以针对所有列120利用不同的相应相位来发送每个天线波束。作为示例，馈送到六列120以形成第一天线波束(图2C中的波束1)的RF信号可以分别在列120-1到120-6处具有-540度、-405度、-270度、-135度、0和+135度的相位。然而，这些相位不必处于算术序列中，因此可以被广泛地调整。此外，可以针对列120利用不同的相位集合来发送不同的天线波束，如在图2C的表格中进一步示出的。
还应当注意，信号的幅度被馈送到不同的列120。特别地，馈送到列120-3和120-4的RF信号可以具有0dB的相对幅度，因为这些信号不通过耦合器和/或分路器。耦合器和/或分路器260可以被实现为四端口混合耦合器，其可以被假定为具有例如1dB的插入损耗。由每个耦合器和/或分路器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/或分路器260将信号的幅度减小另外的3.76dB)，并且馈送到列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/或分路器260将信号的幅度减小另外的0.76dB)。
在一些实施例中，每个天线波束(即，图2C中的波束1到波束4)可以向120度扇区的不同部分提供覆盖。此外，这些天线波束在本文中可以被称为“切换”或“可切换”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，波束成形无线电装置290可以在TDD通信帧的第一时隙期间仅生成一个天线波束(例如，作为两个示例的波束1或波束3)，并且可以在其他时隙(例如，两个天线波束、三个天线波束或所有四个天线波束)期间生成多于一个天线波束。
在一些实施例中，天线阵列212(或根据本文中所描述的本发明的实施例的任何其它天线阵列)可经设计以在辐射元件130的操作频带的多个子频带中操作。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，例如，天线阵列212可以被设计为在2.3GHz子频带或2.6GHz子频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2.3GHzTDD波束成形无线电装置以用于在2.3GHz子频带中操作，或者可以耦合到2.6GHzTDD波束成形无线电装置以用于在2.6GHz子频带中操作。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)，其允许2.3GHzTDD波束成形无线电装置和2.6GHzTDD波束成形无线电装置两者同时通过天线阵列212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隔，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的间距对应于2.3GHz处的0.47波长和2.6GHz处的0.54个波长，这表示为了获得两个子频带中的良好(但不理想)性能的折衷。
如图2C中进一步所示，天线系统200还可以生成向天线210的完整覆盖区域提供覆盖的广播波束。该广播波束可以用于例如向天线210的覆盖区域内的所有用户发送公共控制信号。应了解，根据本发明的实施例的天线系统中的每一者可经配置以产生此类广播波束。
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，其包括8T8R无线电装置290、耦合电路350和具有天线阵列312的天线310，天线阵列312包括双偏振辐射元件130的八个列120-1到120-8。天线阵列312因此包括比天线阵列212(图2A)多两列以上的列120和比天线阵列112(图1A)多四列以上的列。因此，耦合电路350可以包括比耦合电路250(图2A)更多的耦合器和/或分路器。此外，为了改善方位旁瓣(例如，通过约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到120-6更少的辐射元件130。
图3B是说明根据本发明的实施例的可用于将图3A的8T8R无线电装置290耦合到图3A的八列天线阵列的耦合电路350的示意图。耦合电路350可以包括四个耦合器和/或分路器360-1至360-4。耦合器和/或分路器360中的每一个可以将无线电装置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)电连接到一对列120。
第一耦合器和/或分路器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/或分路器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/或分路器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/或分路器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可以是第一偏振端口。为了简化说明，从图3B中的视图中省略了第二偏振端口140-2、140-4、140-6和140-8。包括另外四个耦合器和/或分路器360的相同电路可以将第二偏振端口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，与包括在列120-1至120-4中的辐射元件130的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器的取向相比，包括在列120-5至120-8中的辐射元件130的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器的取向可以反转，从而将馈送到四个左侧列120的信号的相位偏移180度。此外，在一些实施例中，列120可彼此间隔开至少62毫米。
图3C是说明经由图3B的耦合电路350施加到图3A的天线阵列312的四个列120的信号的相对振幅及相位以便产生八个天线波束(每一偏振处四个)的表。图3C的表格可以以与上面详细描述的图1B的表格相同的方式来解释。应当理解，可以调整图3C的表中所示的幅度和相位，以便“调谐”所生成的天线波束的形状，以便满足客户要求。所示的幅度仅仅是示例。
图3D是说明根据本发明的实施例的可用于将图3A的8T8R无线电装置290耦合到图3A的八列天线阵列312的另一耦合电路350'的示意图。第一耦合器和/或分路器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/或分路器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/或分路器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/或分路器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。因此，如在图3B和图3D中所示，耦合器和/或分路器360可以馈送不相邻列120的各种组合。
在一些实施例中，与包括在列120-3到120-6中的辐射元件130的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器的取向相比，可以反转包括在列120-1、120-2、120-7和120-8中的辐射元件130的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器的取向，以便实现馈送到各个列120的信号之间的相移。此外，列120可彼此间隔开至少62毫米。
图3E是说明经由图3D的耦合电路350施加到图3A的天线阵列312的四个列120的信号的相对振幅及相位以产生八个天线波束(每一偏振处四个)的表。图3E的表可以以与上面详细描述的图1B的表相同的方式来解释。应当理解，可以调整图3E的表中所示的幅度和相位，以便“调谐”所生成的天线波束的形状，以便满足客户要求。
在图3E的表中，馈送到一些列的RF信号的振幅展示为在各种范围内。举例来说，馈送到列120-2的RF信号的振幅展示为在-10.4dB到-4.76dB的范围内，且馈送到列120-3的RF信号的振幅展示为在-0.4dB到-1.76dB的范围内。这示出了可以如何使用具有不同功率分配比的耦合器和/或分路器来微调天线波束的形状以便满足客户要求。
图4A是根据本发明的另外的实施例的天线系统400的示意性前视图，其包括10T10R无线电装置490、耦合电路450和具有天线阵列412的天线410，天线阵列412包括双偏振辐射元件130的八个列120。
图4B是说明可用于将图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/或分路器460-1至460-3。耦合器和/或分路器460中的每一个可以将无线电装置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的一对列120。
第一耦合器和/或分路器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/或分路器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/或分路器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。因此，每个共同耦合的一对列120可以是在它们之间具有四列120的非相邻对。
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可以是第一偏振端口。为了简化说明，从图4B中的视图中省略了第二偏振天线信号端口140-2、140-4、140-6、140-8和140-10。包括三个附加耦合器和/或分路器460的相同电路可以用于将第二偏振天线信号端口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的第二偏振辐射器134。
耦合电路450可以被配置为在共同耦合的列120之间提供180度的相位偏移。此外，列120可彼此间隔开约62mm。
图4C是说明经由图4B的耦合电路施加到图4A的天线阵列的八列的信号的相对振幅和相位以便产生十个天线波束(在每一偏振处为五)的表。如图4C所示，在示例实施例中，列120-1至120-3可以被馈送具有与分别馈送到列120-6至120-8的RF信号相同的振幅和相位的RF信号。另一方面，列120-4和120-5可以被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，其包括4T4R无线电装置590、耦合电路550和具有天线阵列512的天线510，所述天线阵列512包括双偏振辐射元件130的四列120。
图5B是说明根据本发明的实施例的可用于将图5A的4T4R无线电装置590耦合到图5A的四列天线阵列的耦合电路550的示意图。耦合电路550可以包括两个耦合器560-1和560-2。耦合器和/或分路器560中的每一个可以将无线电装置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)电连接到一对列120。
第一耦合器和/或分路器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/或分路器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。因此，每个共同耦合的一对列120可以是在它们之间具有一列120的非相邻对。天线信号端口140-1和140-3可以是第一偏振天线信号端口。为了简化说明，从图5B中的视图中省略了第二偏振天线信号端口140-2和140-4。包括两个附加耦合器和/或分路器560的相同电路可以用于将第二偏振天线信号端口140-2和140-4耦合到天线阵列512中的辐射元件130的第二偏振辐射器134。
在一些实施例中，与包括在列120-2和120-3中的辐射元件130的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器的取向相比，包括在列120-1和120-4中的辐射元件130的偶极辐射器132、134上的钩状平衡-不平衡转换器的取向可以反转，以便实现馈送到各种列120的信号之间的相移。此外，列120可彼此间隔开至少58mm。
图5C是说明经由图5B中所展示的耦合电路而施加到图5A的天线阵列的四个列的信号的相对振幅及相位以便产生四个天线波束(每一偏振处的两个天线波束)的表。
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，其包括8T8R无线电装置690、耦合电路650和具有天线阵列612的天线610，天线阵列612包括双偏振辐射元件130的五个列120。
图6B是说明根据本发明的实施例的可用于将图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的五列天线阵列的耦合电路650的示意图。耦合电路650可以包括两个耦合器和/或分路器660-1和660-2。耦合器和/或分路器660中的每一个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)电连接到一对列120。
第一耦合器和/或分路器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/或分路器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。因此，每个共同耦合的一对列120可以是在它们之间具有两列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的唯一列120。天线信号端口140-1、140-3和140-5可以是第一偏振天线信号端口。为了简化说明，从图6B中的视图中省略了第二偏振天线信号端口140-2、140-4和140-6。包括两个附加耦合器和/或分路器660的相同电路可以用于将第二偏振天线信号端口140-2、140-4和140-6耦合到天线阵列612中的辐射元件130的第二偏振辐射器134。如图6A所示，波束成形无线电装置690包括第七和第八无线电信号端口192-7和192-8，它们不耦合到天线610，而是未被使用。
图6C是说明经由图6B中所示的耦合电路而施加到图6A的天线阵列的五个列的信号的相对振幅及相位以便产生四个天线波束(每一偏振处的两个天线波束)的表。
图7A是图3A和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(仅示出一种偏振)。特别地，图7A示出了耦合电路350的每个耦合器和/或分路器360可以是四端口混合耦合器，其具有(i)耦合到相应天线信号端口140(图3A)并且因此耦合到相应无线电信号端口192(图3A)的RF输入端口，(ii)耦合到列120之一的第一RF输出端口，(iii)耦合到列120中的另一个的第二RF输出端口，以及(iv)耦合到电阻端子745(例如，50欧姆电阻器)的隔离端口。为了简化说明，每列120仅示出了一个辐射元件130。
在一些实施例中，模拟RF电路可以在从耦合器和/或分路器360输出的信号到达列120之前对该信号提供相位调整。举例来说，相应相位调整组件755可耦合到列120。作为示例，相位调整组件755可以是延迟线或其他相移元件。
图7B是说明8T8R无线电装置的信号源可如何耦合到图7A的天线阵列及耦合电路的示意性框图。为了简化说明，无线电装置290和天线310(图3A)之间的接口仅由四个第一偏振天线信号端口140-1、140-3、140-5和140-7表示在图7B中。如图3A中更详细地所示，第一偏振天线信号端口140-1、140-3、140-5和140-7耦合到无线电装置290的相应的第一偏振无线电信号端口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，为了简化说明，图7B中仅示出了无线电信号端口192-7。对于第二偏振也存在与图7B中所示的电路相同的电路。
无线电装置290包括四个第一偏振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，每个RF组合器735组合来自相应信号源715的四个信号分量716并且将所得组合信号输出到无线电信号端口192。因此，每个第一偏振信号源715可以耦合到所有的第一偏振无线电信号端口192，并且可以同时生成用于四个天线波束的信号分量716。此外，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和组合器735之间的相位调整组件725，或者可以以其他方式生成具有不同相位的RF分量，如图7b所示。
在一些实施例中，相位调整组件725和/或组合器735的功能可以由数字域中的无线电装置290而不是使用模拟RF组件来提供。此外，无线电装置290可控制信号源715中的每一者以单独接通或断开天线波束。例如，无线电装置290可以通过控制信号源715来单独接通或断开任何信号组件716来实现这一点。
图8是根据本发明实施例的天线系统的示意图。该系统可以包括16T16R无线电装置890。无线电装置890可以包括每偏振的八个RF信号源715。此外，无线电装置890可包含相位调整组件855，其镜像在列120与耦合器和/或分路器360之间的模拟相位调整组件755。无线电装置890还可以包括耦合器和/或分路器860，其镜像耦合器和/或分路器360。在一些实施例中，无线电装置890可以在数字域中而不是使用模拟RF组件来提供耦合器和/或分路器860和相位调整组件855的功能。因此，无线电装置890可以补偿模拟RF电路，诸如耦合器和/或分路器360以及相位调整组件755，其通过数字镜像模拟RF电路来馈送列120。此数字镜像可比无线电装置890内部的模拟镜像(即，额外硬件)便宜。
图9是示出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所示，相邻列120可以相应地彼此间隔开距离d(中心到中心)。因此，由耦合器和/或分路器360-1共同馈电的一对列120-1和120-5可以间隔开距离4d，并且在该对列之间具有三列120。该共同馈电的对可以被认为是两列120子阵列。总之，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可以由距离4d限定的任何多个天线波束。该示例是半波长的4倍，因此其用于四个天线波束。
图10是说明连接到图3D的耦合电路350'的巴特勒矩阵波束成形网络(“BFN”)1010的示意图。BFN1010被配置为生成创建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)。此外，耦合电路350'仅作为实例提供，且本文中的任何耦合电路可连接到巴特勒矩阵BFN。如图10所示，BFN是4x4(连接到四个无线电装置的四个端口)BFN，其连接在耦合电路350'与天线310的端口140-1、140-3、140-5和140-7之间(图3A)。因此，在一些实施例中，BFN可以是在天线310内部的模拟电路。在其他实施例中，BFN被配置为执行的矩阵操作可以替代地由无线电装置290(图3A)数字地执行。
作为使用BDF1010进行波束成形的结果，给定偏振的4个端口140中的每一个可以连接到所有(例如，所有8个)列120。为了简化说明，在图10中仅示出了一个偏振。然而，同一BFN可以连接到两个偏振的耦合器和/或分路器360。
图11A和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所示，根据本发明的实施例的天线系统1100包括32T32R波束成形无线电装置1190、耦合电路1150和具有天线阵列1112的天线1110，天线阵列1112包括双偏振辐射元件130的六个列120-1至120-6和六个行1130-1至1130-6。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，每偏振的十六个端口192)通过耦合电路1150耦合到天线阵列1112。
如图11A中示意性示出的，耦合电路1150可以包括耦合到多行1130的多个耦合器和/或分路器(例如，功率分配器)1160(图12A)，从而通过促进无线电装置1190的使用而不是64T64R无线电装置(其将具有64个无线电信号端口)来提供显著的成本节省。代替由多个列120共享(或除了由多个列120共享)，无线电装置1190的每个无线电信号端口192因此可以由多个行1130共享。因此，虽然本文中的其它实例论述共享由单个端口192输出的RF信号的列120，但输出RF信号的那些实例中的每一端口192可另外或替代地耦合到多个行1130。为了降低天线阵列1112的馈送网络(例如，耦合电路1150)的复杂性，在一些实施例中，仅多个行1130或仅多个列120(而不是两个)可以耦合到每个端口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。每个组122是列120的一部分，并且因此在本文中可以被称为“子列”。此外，在一些实施例中，一些组122(例如，十六个)可以在组122的子阵列1120中，子阵列1120与在子阵列1120之外的其他组122共享无线电装置1190的端口192。例如，(i)在行1130-1中的子阵列1120之外的组122和(ii)在行1130-5中的子阵列1120内部的另一组122(并且在例如列120-5中)可以通过耦合电路1150的相同耦合器和/或分路器1160耦合到无线电装置1190。耦合电路1150的附加耦合器和/或分路器1160可以将附加对的组122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(总共八个)可以增加天线阵列1112的垂直增益。作为另一实例，添加两列120(总共八个)可增加天线阵列1112的方位角增益。另一方面，使用总共六行1130和六列120可以保持天线阵列1112相对于其扩展变型的小尺寸和低成本。因此，天线阵列1112可以具有至少六个行1130和至少六个列120，其中性能、大小和成本折衷是基于该数量是六、七或者八。
虽然天线阵列1112被示出为具有72个辐射元件130，但是将行1130和/或列120添加到天线阵列1112可以将辐射元件130的数量增加到例如九十六或一百二十八。因此，天线阵列1112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和具有天线阵列1113的天线1111，天线阵列1113包括八个列120-1至120-8以及四个双偏振辐射元件130的行1130-1至1130-4。特别地，图11B中的每个组122确切地包括三个辐射元件130，而图11A中的每个组122确切地包括两个辐射元件130。虽然阵列1112(图11A)和1113可以各自具有相同的总数量的辐射元件130，但是由于其附加的行1130，阵列1112可以提供更好的辐射图案。
图12A是示出根据本发明的实施例的耦合电路1250的示意图，其可以用于将图11A的32T32R无线电装置1190的第一偏振无线电信号端口192-1耦合到图11A的天线阵列1112的多行1130和多列120。特别地，图12A示出了示例，其中端口192-1通过耦合器和/或分路器1160耦合到行1130-1和1130-5，并且通过另一耦合器和/或分路器1260耦合到列120-1和120-5。为了简化说明，在图12A中仅示出了32T32R无线电装置1190的一个偏振的一个端口192-1。然而，耦合电路1250可以包括将其它第一偏振无线电信号端口192(例如，端口192-3、192-5等)耦合到阵列1112的附加耦合器和/或分路器1160和1260。相同的耦合电路1250可以用于将第二偏振无线电信号端口192-2、192-4等耦合到天线阵列1112的列120和行1130。耦合电路1250因此可替代本文中所描述的另一耦合电路(例如，图11A的耦合电路1150)或为其一部分。
图12B是示出根据本发明的实施例的耦合电路1250'的示意图，其可以用于将图11B的32T32R1190无线电装置的第一偏振无线电信号端口192-1耦合到图11B的天线阵列1113的多个行1130和多个列120。特别地，图12B示出了示例，其中端口192-1通过耦合器和/或分路器1160耦合到行11-2和11-4，并且通过另一耦合器和/或分路器1260耦合到列120-1和120-5。为了简化说明，在图12A中仅示出了32T32R无线电装置1190的一个偏振的一个端口192-1。然而，耦合电路1250'可以包括耦合其它第一偏振无线电信号端口192(例如，端口192-3、192-5等)到阵列1113的附加耦合器和/或分路器1160和1260。相同的耦合电路1250'可以用于耦合第二偏振无线电信号端口192-2、192-4等到天线阵列1113的列120和行1130。因此，耦合电路1250'可以替换本文所述的另一耦合电路或作为其一部分，诸如图11B的耦合电路1150。
耦合电路1250、1250'允许在水平平面和竖直平面中施加柔性梁。因此，由耦合电路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与由耦合到不具有耦合电路1250(或耦合电路1250')的64T64R无线电装置的天线阵列提供的性能相当。
图13A是根据本发明的实施例的具有四行1330-1到1330-4的大规模MIMO天线系统1301的示意性前视图。系统1301包括32T32R无线电装置1190、耦合电路1350和具有天线阵列1313的天线1311，所述天线阵列1313包括八个列120-1至120-8以及双偏振辐射元件130的四个行1330-1至1330-4。特别地，图13A中的每个行1330包括正好三个辐射元件130的八个子列122。因此，每行1330是包括二十四个辐射元件130的子阵列。四个子阵列(即，四个行1330-1到1330-4)处于竖直堆叠中，使得其在水平方向上彼此不重叠。此外，每列120包括可以不通过耦合电路1350彼此耦合的四个子列122。相反，耦合电路1350可仅将在同一行1330中的子列122耦合在一起。
32T32R无线电装置1190具有三十二个无线电信号端口192-1到192-32，其分别通过三十二个RF传输线194-1到194-32耦合到天线1301的三十二个天线信号端口140-1到140-32。此外，行1330中的辐射元件130的每个子列122耦合到行1330中的另一子列122。具体地，每个无线电信号端口192通过耦合电路1350耦合到一对子列122。因此，每个无线电信号端口192可以耦合到恰好六个辐射元件130。
如图13A所示，在一些实施例中，每行1330可以具有相同数量的辐射元件130。在其他实施例中，不同的行1330可以具有不同数量的辐射元件130。例如，一些行1330可以恰好具有在每个子列122中的一个或正好两个辐射元件130，并且其他行1330可以在每个子列122中恰好具有三个辐射元件130。此外，在一些实施例中，列120可相对于彼此竖直交错布置。
图13B是说明耦合到行1330的图13A的耦合电路1350的第一偏振部分1350-1P和第二偏振部分1350-2P的示意图。第一偏振部分1350-1P和第二偏振部分1350-2P将行1330中的三个辐射元件130的每个子列122(图13a)耦合到该行1330中的三个辐射元件130的另一子列122。因此，第一偏振部分1350-1p和第二偏振部分1350-2P各自耦合到四对子列122。此外，当四个行1330-1到1330-4中的每一者耦合到相应的第一偏振部分1350-1P和相应的第二偏振部分1350-2P时，总共十六对的子列122通过耦合电路1350耦合在一起。因此，耦合电路1350可以耦合到32个子列122-1到122-32。
因为不同行1330可以具有相对于彼此的不同振幅/相位用于波束成形目的(例如，数字波束成形)，所以每个行1330在本文中可以被称为“相位可调行”。相位可调行使得能够在仰角平面中进行波束转向。
另外，相位可调行的辐射图案可以与基带数字地结合。例如，每相位可调行可以在远场具有某些辐射图案。作为示例，耦合到行1330-1的四个(每偏振)无线电信号端口192的辐射图案可以数字地结合，从而构造行1330-1的相位可调行的辐射图案。不同行1330的多个(即，至少两个)相位可调行的图案可以进一步结合，从而构造整个阵列(例如8×12阵列)辐射图案。
图13C是说明图13A的行1330的第一行1330-1的放大示意图。如图13C所示，行1330-1耦合到每偏振四个耦合元件1360。耦合元件1360可以包括移相器、耦合器和/或分路器(例如，功率分配器)。四个第一偏振耦合元件1360-1、1360-3、1360-5和1360-7可以是耦合电路1350(图13A)的第一偏振部分1350-1P(图13B)的一部分。同样地，四个第二偏振耦合元件1360-2、1360-4、1360-6和1360-8可以是耦合电路1350的第二偏振部分1350-2P(图13B)的一部分。
行1330-1包括三个竖直堆叠的子行133-1至133-3，每个子行包括沿水平方向布置的八个辐射元件130。每个子列122(在相应列120-1至120-8中的八个子列122-1至122-8中)包括来自每个子行133-1至133-3的单个辐射单元130。此外，每一耦合元件1360耦合到来自子行133-1到133-3中的每一者的两个辐射元件130。在一些实施例中，相邻子行133之间的中心到中心间隔为约58mm，且相邻子列122之间的中心到中心间隔为约41毫米。
图13C还示出了行1330-1中的每个辐射元件130可以具有-45°和+45°的倾斜偏振。例如，偶极辐射器132和134可以分别是辐射元件130的倾斜-45和+45°辐射器。第一偏振耦合元件1360-1、1360-3、1360-5和1360-7可以耦合到偶极辐射器132，并且第二偏振耦合元件1360-2、1360-4、1360-6和1360-8可以耦合到偶极辐射器134。
图13D和图13E是示出其中图13A的耦合电路1350包括耦合在图13A的32T32R无线电装置的无线电信号端口192与图13A的天线阵列1313的多个子列122之间的每偏振多个耦合元件1360的示例的示意图。
如图13D所示，耦合电路1350的第一偏振部分1350-1P包括第一偏振耦合元件1360-1、1360-3、1360-5和1360-7。耦合元件1360-1将无线电信号端口192-7耦合到子列122-4和122-8。耦合元件1360-3将无线电信号端口192-5耦合到子列122-3和122-7。耦合元件1360-5将无线电信号端口192-3耦合到子列122-2和122-6。耦合元件1360-7将无线电信号端口192-1耦合到子列122-1和122-5。
在一些实施例中，耦合元件1360-1、1360-3、1360-5和1360-7可以分别是第一偏振移相器PS-1、PS-3、PS-5和PS-7。因此，可以通过使用相应的移相器PS来组合每一对子列122。每个移相器PS可以是例如旋转电刷臂移相器，其可以在多个(例如，两个)波束转向选项之间切换。在没有移相器PS的情况下，波束可以仅在四个方向上转向，其中零点(当天线的不同无线电波彼此抵消时可能发生)在它们之间。相比之下，使用移相器PS允许波束在方位平面中转向到零点并且以该角度提供最大增益。作为示例，可以根据耦合到移相器PS的无线电信号端口192的相位来调整移相器PS的位置。此外，在一些实施例中，移相器PS可以帮助控制旁瓣。在美国专利7，907，096中讨论了示例移相器，该专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
仅调整无线电装置1190(图13A)的相位不能覆盖零点。然而，可以调整移相器PS的相位以覆盖零点。在一些实施例中，控制远程电倾斜(“RET”)的波束成形系统可以自动确定移相器PS相位。在其他实施例中，用户可以手动输入移相器PS相位。
如图13E所示，耦合电路1350的第二偏振部分1350-2P包括第二偏振耦合元件1360-2、1360-4、1360-6和1360-8。耦合元件1360-2将无线电信号端口192-8耦合到子列122-4和122-8。耦合元件1360-4将无线电信号端口192-6耦合到子列122-3和122-7。耦合元件1360-6将无线电信号端口192-4耦合到子列122-2和122-6。耦合元件1360-8将无线电信号端口192-2耦合到子列122-1和122-5。此外，在一些实施例中，耦合元件1360-2、1360-4、1360-6和1360-8可以分别是第二偏振移相器PS-2、PS-4、PS-6和PS-8。
为了简化说明，在图13C-图13E中仅示出了行1330(图13B)的第一行1330-1(图13C)的耦合元件1360-1至1360-8。然而，应理解，每一行1330可每偏振耦合到四个耦合元件1360(且因此耦合到四个无线电信号端口192)。例如，第二行1330-2(图13B)的八个子列122-9到120-16(图13A)可以以类似于图13D所示的第一行1330-1的方式经由四个第一偏振耦合元件1360耦合到第一偏振无线电信号端口192-9、192-11、192-13和192-15(图13A)。同样地，第二行1330-2的八个子列122-9到122-16可以以类似于第一行1330-1的图13E所示的方式经由四个第二偏振耦合元件1360耦合到第二偏振无线电信号端口192-10、192-12、192-14和192-16(图13A)。包括八个子列122-17到122-24的第三行1330-3(图13B)可以类似地耦合到第一偏振无线电信号端口192-17、192-19、192-21和192-23(图13A)和第二偏振无线电信号端口192-18、192-20、192-22和192-24(图13A)。包括八个子列122-25到122-32的第四行1330-4(图13B)可以类似地耦合到第一偏振无线电信号端口192-25、192-27、192-29和192-31(图13A)和第二偏振无线电信号端口192-26、192-28、192-30和192-32(图13A)。
相对于常规64T64R天线系统，尽管天线系统1301(图13A)具有无线电信号端口192的数量的一半，但天线系统1301(图13A)可在方位平面中仅产生小的性能降级。此外，因为每一列120在仰角平面中耦合到每偏振四个无线电信号端口192(每一列120中的每一子列122一个无线电信号端口192)，所以系统1301可在仰角平面中提供完整波束成形。
在一些实施例中，行1330中的每个第一偏振无线电信号端口192可以具有其提供给一对子列122的相等份额的功率分布。同样地，行1330中的每个第二偏振无线电信号端口192可以具有其提供给一对子列122的相等份额的功率分布。例如，功率可以在图13D中所示的第一偏振无线电信号端口192-1、192-3、192-5和192-7之间均等地(每一个25％)分开，并且可以在图13E中所示的第二偏振无线电信号端口192-2、192-4、192-6和192-8之间均等地分开(每一个25％)。因此，来自无线电装置1190(图13A)的全部电力可被传输到空气。相比之下，在具有每偏振由相应无线电信号端口馈送的列的常规大规模MIMO天线系统中，辐射元件的外部列会由于振幅锥形和/或不良旁瓣而损失功率。
此外，无线电信号端口192的相位可以基于方位转向角而变化。例如，对于41.8°的方位转向角，无线电信号端口192-1和192-7可以分别具有157.5°和-157.5°的相位，并且无线电信号端口192-3和192-5可以分别具有-67.5°和67.5°的相位。作为另一示例，在方位转向角为-13°的情况下，无线电信号端口192-1和192-7可以分别具有-67.5°和67.5°的相位，并且无线电信号端口192-3和192-5可以分别具有-22.5°和22.5°的相位。方位角平面中波束的总相位包括(a)无线电信号端口192的相位，(b)固定馈送网络相位，以及(c)移相器PS(图13d和13e)相位(如果有的话)。
图13F是说明另一实例的示意图，其中图13A的耦合电路1350包含耦合到第一行1330-1的每偏振的单个移相器PS。第一偏振移相器PS-1耦合到第一行1330-1中的八个子列122-1至122-8中的每一个的第一偶极辐射器132。第二偏振移相器PS-2耦合到8个子列122-1至122-8中的每一个的第二偶极辐射器134。与图13D中所示的不同，图13F中的单相移位器PS-1可以将单个第一偏振无线电信号端口192-1(图13D)耦合到所有八个子列122-1至122-8。同样，与图13E所示不同，图13F中的单相移位器PS-2可以将单个第二偏振无线电信号端口192-2(图13E)耦合到所有八个子列122-1至122-8。
每偏振使用单个移相器PS可以使得所有列120具有相等的功率。例如，1:2电刷型移相器PS可以向其左分支和右分支提供-3dB功率分布。每偏振使用单个移相器PS可以比使用每偏振的多个移相器PS更具成本效益。虽然每偏振使用单个移相器PS可以在某种程度上限制方位角波束转向，因为只有一个无线电装置连接到列120，只要天线系统包括两行或更多行1330，仍然可以在仰角平面中提供全数字波束成形。
为了简化说明，从图13F中的视图中省略了第二至第四行1330-2至1330-4。然而，应当理解，行1330(图13A)中的每一个可以通过使用每偏振的单个移相器PS而不是每偏振的四个移相器PS耦合到每偏振的仅一个无线电信号端口192。因此，四个行1330-1到1330-4可耦合到8T8R无线电装置290(图2A)而非32T32R无线电装置1190(图13A)。
图13G是相对于图13A的天线系统1301修改的大规模MIMO天线系统1301'的示意性前视图，以提供总共两行1330-1'和1330-2'而不是四行1330-1到1330-4。系统1301'包括16T16R无线电装置890、耦合电路1350'和天线1311'，天线1311'具有天线阵列1313'，天线阵列1313'包括八列120-1至120-8以及两行1330-1'和1330-2'的双偏振辐射元件130。特别地，两行1330-1'和1330-2'各自包括八个子列122'的确切六个辐射元件130。因此，两行1330-1'和1330-2'中的每一行是包括48个辐射单元130的子阵列，其中第一行1330-1'包括8个子列122-1'至122-8'，第二行1330-2'包括8个子列122-9'至122-16'。子列122'的对可以通过耦合电路1350'以类似于在图13D和13E中示出的方式彼此耦合。
图13H和图13I是相对于图13B的图修改的示意图，以分别提供总共三行1330-1至1330-3和两行1330-1和1330-2的总数。因此，图13A的天线系统1301可经修改以减少行1330的数目。消除行1330中的一行可以将无线电信号端口192(图13A)的数目以及耦合元件1360(图13C)的数目减少八个。此外，消除行1330中的两个可以将无线电信号端口192的数量(和耦合元件1360的数量)减少十六个。
耦合到图13H的三行1330-1到1330-3中的一行的每一无线电信号端口192根据规定耦合到行1330-1到1330-3的三分之一。类似地，耦合到图13I的两个行1330-1和1330-2中的一行的每个无线电信号端口192根据规定耦合到行1330-1和1330-2的一半。再次参考图13G，耦合到两个行1330-1'和1330-2'中的一行的每个无线电信号端口192根据规定耦合到行1330-1'和1330-2'的一半。此外，再次参考图13A-13E，耦合到四个行1330-1到1330-4中的一行的每个无线电信号端口192根据规定耦合到行1330-1到1330-4中的四分之一。因此，各种实施例提供无线电信号端口192，其各自耦合到至少两列120且行1330的不大于一半的行。
再次参考图13I，两行1330-1和1330-2提供16T16R设计，其可以具有与常规32T32R设计相同(或几乎相同)的仰角平面波束。此外，与图13I的两个行1330-1和1330-2相比，图13H的三行1330-1至1330-3提供了具有更好的仰角平面转向范围/波束成形的24T24R设计。
包括在图13A至13I中示出的行1330的天线系统可以在方位平面和仰角平面中执行数字波束成形。相比之下，常规天线系统可以仅在方位平面中而不在仰角平面中提供数字波束成形。包括行1330的天线系统可以具有全数字波束转向能力。在一些实施例中，可以数字地执行波束转向的第一部分，并且可以通过无源巴特勒矩阵硬件(例如，耦合器、功率分配器、移相器等)来执行波束转向的第二部分。根据一些实施例，波束成形可以是(i)在仰角平面中完全数字的，以及(ii)在方位平面中的数字和无源的组合。在其它实施例中，波束成形可以是(a)在方位平面中完全数字，以及(b)在仰角平面中数字和无源的组合。
此外，通过添加行1330，可以提高仰角平面中的性能(例如，波束质量)。因此，行1330在本文中可以被称为“模块化”，因为可以添加或减去行1330以提供不同级别的MIMO，诸如16T16R(两行1330)、24T24R(三行1330)、32T32R(四行1330)、40T40R(五行1330)或48T48R(六行1330)，具有完全波束成形。四行1330(32T32R)设计可以与常规64T64RMIMO产品类似地执行，尽管具有一半的无线电信号端口192。此外，与四行1330设计相比，五行1330(40T40R)设计可以提供更好的仰角平面转向范围/波束成形。类似地，六行1330(48T48R)设计可以提供与五行1330设计相比更好的仰角平面转向范围/波束成形。模块化可为设计天线系统提供灵活性以满足不同的性能要求，例如大增益或低旁瓣。
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的模拟RF电路可以允许多个列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和天线210或310之间的独立设备中。
与仅具有耦合到8T8R无线电装置190(图1A)的四列120(图1A)的常规天线110(图1A)相比，天线210或310可具有至少六个列120，其经由模拟RF电路由8T8R无线电装置290馈送。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可以比天线110提供显著更好的方位角/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还可以比具有16T16R无线电装置的常规天线系统显著便宜。除了降低成本之外，较小的无线电装置具有较少的部件，因此占用较少的空间，具有较轻的重量，并且需要较少的电力和冷却。
在一些实施例中，波束成形无线电装置不限于馈送至少六个列120。相反，如图6A的示例中所示，8T8R无线电装置690使用不多于六个端口192(每偏振三个)来馈送五个列120。作为另一示例，波束成形无线电装置可以使用不超过八个端口192(每偏振四个)来馈送五个列120。因此，本发明的波束成形无线电装置可以耦合到至少五个列120，其中由给定波束成形无线电装置馈送的列120的总数可以大于耦合到列120的每偏振的无线电装置的端口192的总数量。
虽然上面已经参考将RF信号分成第一子分量和第二子分量并且将这些子分量馈送到天线阵列的第一和第二列辐射元件的耦合电路描述了本发明的实施例，但是应当理解，本发明的实施例不限于此。特别地，在其它实施例中，1到3、1到4、1到5耦合器和/或分路器等可以用于将RF信号分成两个以上的子分量，并且将那些子分量馈送到天线阵列的相应的列。
上面已经参照附图描述了本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的附图标记始终表示相同的元件。
将理解，尽管术语第一、第二等在本文中可使用这些元件来描述各种元件，这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。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”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。
将理解，当元件被称为在另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”时，则不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，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”到另一元件时，则不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以类似的方式解释(即，“之间”与“直接在之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。).
诸如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“竖直”的相对术语可在本文中用于描述如图所示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。应当理解，除了图中所示的方位外，这些术语旨在包括器件的不同方位。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。还将理解，术语“包括”在本文中使用时指定所述特征、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、操作、元件、部件和/或其组合。
上文公开的所有实施例的方面和元件可以以任何方式和/或与其他实施例的方面或元件组合来组合以提供多个附加实施例。

Claims (20)

1.一种基站天线系统，包括：
具有多个无线电信号端口的波束成形无线电装置；以及
具有竖直堆叠的子阵列的天线阵列，每个子阵列包括双偏振辐射元件的多个子列，
其中，所述无线电信号端口中的第一无线电信号端口耦合到所述子阵列中的第一子阵列的两个子列，并且
其中，所述无线电信号端口中的第二无线电信号端口耦合到所述子阵列中的第二子阵列的两个子列。
2.根据权利要求1所述的基站天线系统，其中，所述子阵列中的所述第一子阵列的所述两个子列中的每个子列包括所述双偏振辐射元件中的三个双偏振辐射元件。
3.根据权利要求1所述的基站天线系统，其中，所述无线电信号端口中的每一者耦合到所述双偏振辐射元件中的六个双偏振辐射元件。
4.根据权利要求1所述的基站天线系统，其中，所述子阵列中的所述第一子阵列和所述第二子阵列均耦合到所述无线电信号端口中的每偏振四个无线电信号端口。
5.根据权利要求1所述的基站天线系统，其中，所述无线电信号端口中的第三无线电信号端口耦合到所述子阵列中的第三子阵列的两个子列。
6.根据权利要求5所述的基站天线系统，其中，所述无线电信号端口中的第四无线电信号端口耦合到所述子阵列中的第四子阵列的两个子列。
7.根据权利要求1所述的基站天线系统，其中，所述子阵列中的所述第一子阵列的所述两个子列中的每个子列包括所述双偏振辐射元件中的六个双偏振辐射元件。
8.根据权利要求1所述的基站天线系统，还包括:
耦合到所述子阵列中的所述第一子阵列的每偏振多个第一移相器；以及
耦合到所述子阵列中的所述第二子阵列的每偏振多个第二移相器。
9.如权利要求8所述的基站天线系统，
其中，所述无线电信号端口中的所述第一无线电信号端口经由所述第一移相器中的首个移相器耦合到所述子阵列中的所述第一子阵列的所述两个子列，并且
其中，所述无线电信号端口中的所述第二无线电信号端口经由所述第二移相器中的首个移相器耦合到所述子阵列中的所述第二子阵列的所述两个子列。
10.根据权利要求9所述的基站天线系统，
其中，所述子阵列中的所述第一子阵列耦合到所述第一移相器中的每偏振四个第一移相器，并且其中，所述子阵列中的所述第二子阵列耦合到所述第二移相器中的每偏振四个第二移相器。
11.如权利要求1所述的基站天线系统，还包括:
耦合到所述子阵列中的所述第一子阵列的每个子列的每偏振单个第一移相器；以及
耦合到所述子阵列中的第二子阵列的每个子列的每偏振单个第二移相器。
12.一种大规模MIMO基站天线系统，包括：
具有多个辐射元件的天线阵列；
具有耦合到天线阵列的少于64个无线电信号端口的波束成形无线电装置；以及
将无线电信号端口中的第一无线电信号端口耦合到所述辐射元件的至少两个子列的耦合电路。
13.根据权利要求12所述的大规模MIMO基站天线系统，其中，所述波束成形无线电装置包括32T32R波束成形无线电装置。
14.根据权利要求12所述的大规模MIMO基站天线系统，其中，每个子列包括正好两个辐射元件或恰好一个辐射元件。
15.如权利要求12所述的大规模MIMO基站天线系统，
其中，每个子列包括正好三个辐射元件，并且
其中，所述天线阵列具有八列和四行子列。
16.根据权利要求12所述的大规模MIMO基站天线系统，其中，所述天线阵列的子阵列包括八个子列。
17.根据权利要求12所述的大规模MIMO基站天线系统，其中，所述耦合电路包括移相器。
18.一种基站天线系统，包括：
具有多个无线电信号端口的波束成形无线电装置；以及
具有多行和多列辐射元件的天线阵列，
其中，所述无线电信号端口中的每个无线电信号端口耦合到所述列中的至少两列和所述行中的不大于一半数量的行。
19.如权利要求18所述的基站天线系统，
其中，所述行中的每个行耦合到每偏振四个无线电信号端口，并且
其中，所述列中的每个列包括分别耦合到每偏振四个无线电信号端口的四个子列。
20.根据权利要求18所述的基站天线系统，其中，所述无线电信号端口中的每个无线电信号端口耦合到所述行的四分之一或三分之一。
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