CN115917981A - 天线设备和具有天线设备的基站 - Google Patents

Abstract

一种用于发送或接收射频(RF)信号的天线设备。所述天线设备包括多个RF信号馈源和M×N个辐射元件的阵列。所述阵列包括M行和N列，其中M≥2并且N≥M。所述阵列细分为多个集群。每个集群包括一个或多个辐射元件。每个集群中的所述一个或多个辐射元件连接到所述RF信号馈源中的一个RF信号馈源。所述阵列的所述列包括两个外列和一个或多个内列，其中每个内列包括K1个集群，其中K1≥1。每个外列包括K2个集群，其中K2>K1。

Description

天线设备和具有天线设备的基站

技术领域

本公开一般涉及天线设备领域；更具体地说，涉及用于发送或接收射频信号的天线设备和具有该天线设备的基站。

背景技术

第五代(fifth generation，5G)通信技术等新的无线通信技术利用包括6吉兆赫以下和毫米波频段的几个频率范围来发送和接收射频信号。通常，高频段(例如毫米波频段)的传播特性较差，而低频段(例如6吉兆赫以下)在传播和覆盖方面更有吸引力，但需要大天线。因此，需要将这些天线(在低频段工作)保持在有限的尺寸内，这使得这些天线的设计变得困难。

一般来说，5G蜂窝通信技术涉及广泛使用大规模MIMO(multiple-inputmultiple-output，多输入多输出)系统，同时向多个用户设备提供射频信号。这种基于MIMO(例如，大规模MIMO)的通信技术利用具有多个集群(每个集群包括一个或多个辐射元件)的传统天线设备。这些集群中的每个集群通常由一个无线链馈电。通常，辐射元件的允许大小(即孔径)受到限制。为了允许对大规模MIMO系统的辐射图案进行更大的控制，使用了大量的无线链，这些无线链映射到可用的辐射元件。上述映射的设计方式适合网络环境，例如覆盖要求和用户分布。传统上，映射是均匀的，映射是通过按照列、行或分数(例如一半、四分之一)分布辐射元件来完成的。然而，当映射的集群(几何上相等)布置得非常密集时，辐射元件之间的耦合可能会变得高得不可接受，辐射图案变得高度相关。因此，传统天线设备发送独立信息流的能力呈现出下降趋势，这是不可取的。

此外，目前用于蜂窝通信的传统天线设备是矩形的，这些传统天线设备主要利用垂直孔径(即，与部署时的水平尺寸相比，垂直尺寸更大)。然而，传统天线设备的这种结构降低了系统性能，特别是对于5G通信，因为这种传统天线设备产生的波束成形图案缺乏足够的分辨率。此外，传统天线设备凭借其集群布置呈现出高反射功率(回波损耗)和低隔离度。

因此，根据上述讨论，需要克服与传统天线设备相关联的上述缺点。

发明内容

本公开力求提供一种用于发送或接收射频(radio frequency，RF)信号的天线设备和包括一个或多个这种天线设备的基站。本公开力求提供一种解决方案，解决传统天线设备中高度相关的辐射图案和辐射元件之间不可接受的高耦合(即，低隔离度)导致传统天线设备的低效性能(例如，发送独立信息流的能力下降)的现有问题。本公开的目的是提供一种至少部分克服现有技术中遇到的问题的解决方案，并且提供一种改进的天线设备和具有一个或多个这种天线设备的改进的基站，例如，通过减少天线设备的不同辐射元件之间的耦合(例如，用于在有限尺寸内低频段中的增强5G通信，即，不增加天线设备的大小的情况下的增强5G通信)，改进的基站提供改进的天线设备系统性能和合规的隔离度和回波损耗。

本公开的目的是通过所附独立权利要求中提供的方案实现的。本公开的有利实现方式在从属权利要求中进一步定义。

在一个方面，本公开提供一种用于发送或接收射频RF信号的天线设备，该天线设备包括：多个RF信号馈源；M×N个辐射元件的阵列，该阵列包括M行和N列，其中M≥2并且N≥M。该阵列细分为多个集群，每个集群包括一个或多个辐射元件，每个集群中的一个或多个辐射元件连接到RF信号馈源中的一个RF信号馈源；其中，列包括两个外列和一个或多个内列，每个内列包括K1个集群，K1≥1，每个外列包括K2个集群，其中K2>K1。

本公开的天线设备提供改进的系统性能，并且确保回波损耗和隔离度级别方面的合规性。本公开的天线设备包括与传统天线设备相比，列数大于行数的辐射元件的阵列。这为天线设备提供了水平形状因子(即，考虑到孔径平面，在部署时其宽度大于其高度)。阵列中多个集群的分布使得它能够实现高方位分辨率，具有发送独立信息流的能力，并且在辐射元件之间保持足够的间隔，以在受限(即允许的)尺寸内实现所需回波损耗和隔离度级别。此外，与内列中的集群数量相比，本公开的天线设备的外列中具有更高的集群(例如，通过外列的分裂)数量(即K2>K1)。即使辐射元件的数量和集群的数量小于传统天线设备，集群的这种分布也(例如，外列或边缘列的集群比内列的集群更多)确保了足够的系统性能，并且确保了其孔径的照射效率。

在一种实现形式中，天线设备中的行和列分别是水平的和垂直的，其中垂直是在工作时从天线设备的位置朝向地心的方向，水平是与垂直方向正交的方向。

为了增加元件间隔离度，与传统天线设备相比，在水平和垂直方向上减少了辐射元件的数量。此外，通过利用部署时具有水平形状因子(即横式(wider than taller))的架构，天线设备的大规模MIMO性能得到改进。

在另一种实现形式中，N等于六、七或八。

为了增加元件间隔离度，与传统天线设备相比，减少了天线设备中的辐射元件的数量和物理列的数量(例如，N等于六)。在一个示例中，阵列中的列数，即数量N，可以由天线设备的最大允许大小和相邻辐射元件之间的间隔定义，例如，间隔为RF信号波长的大约一半。

在另一种实现形式中，M等于二、三或四。

换句话说，阵列包括两行或三行或四行辐射元件。与传统的天线设备相比，天线设备中的行数小于或等于列数。在一个示例中，例如，在2行×6列的天线架构中，观察到系统性能和实现必要隔离度级别之间的最佳实际权衡中的一个最佳实际权衡。本领域普通技术人员应理解，只要实现天线设备的水平形状因子(例如，当N>M时，例如N＝30、M＝8等)，M行和N列的数量就可以变化。

在另一种实现形式中，RF信号馈源各自可连接到相应的功率收发器。

在天线设备中，每个集群中的一个或多个辐射元件连接到RF信号馈源中的一个RF信号馈源，功率收发器(即无线链的一部分)中的每个功率收发器通过相应的RF信号馈源连接到一个集群中的一个或多个辐射元件，以实现用于MIMO的天线设备的改进的系统性能和成本效益结构。

在另一种实现形式中，列中的一列或多列各自包括两个辐射元件集群，这两个集群彼此相邻布置。

两个集群彼此相邻布置意味着两个集群不重叠，也不相互交错，从而减少了相邻集群的辐射元件之间的任何耦合。

在另一种实现形式中，功率收发器的数量为十六个，集群的数量为八个。

凭借八个集群和十六个功率收发器，在允许大小限制内提供了成本效益的天线设备。

在另一种实现形式中，辐射元件中的每个辐射元件是双极化的。

双极化辐射元件的大小是紧凑的，两个极化(即两个正交极化)可能具有相似的辐射图案，这提供了对相似地理区域的覆盖。

在另一种实现形式中，天线设备用于在波束中发送RF信号，并且至少在方位角范围内扫描波束。

在方位角范围内发送和扫描波束使得天线设备能够提高灵敏度，并且与大量用户设备(user equipment，UE)通信。

在另一种实现形式中，天线设备用于基于一个或多个用户设备UE的位置扫描波束。

基于一个或多个用户设备的位置扫描波束能够相应地调整其功率使用。

在另一种实现形式中，任何两个相邻辐射元件之间的间隔为RF信号波长的至少一半。

任何两个相邻的辐射元件之间的间隔为波长的至少一半(即≥0.5λ)确保了与布置在传统天线设备中的辐射元件相比，辐射元件之间的耦合减少。

在另一种实现形式中，波长对应于天线设备的工作频段中的最小频率。

天线设备利用较低工作频段中信号传播的固有性质，实现与mmWave信号相比更好的信号传播和覆盖。

在另一种实现形式中，波长对应于天线设备在6Ghz以下的频段中的工作。

天线设备利用具体来说在6吉兆赫以下的频段中信号传播的固有性质，在有限的尺寸内，即在不增加天线设备的大小的情况下，实现更宽的照射，即与mmWave信号相比，更好的信号传播和覆盖。例如，天线设备可以指紧凑型5G低频段天线架构。

在另一种实现形式中，天线设备用于使用多输入多输出MIMO方法发送。

天线设备支持MIMO，以同时发送或接收来自多个用户设备的射频信号，同时减少天线设备的辐射元件之间的耦合。

在另一种实现形式中，每个辐射元件在其孔径上提供基本上均匀的照射。

每个辐射元件的大小是紧凑的，并且在其孔径上提供大约均匀的照射，例如，用于实现高方向性。

另一方面，本公开提供一种用于接收蜂窝通信信号的天线设备，包括以接收模式配置的天线设备。

本公开的天线设备用于在发送模式和/或接收模式下工作，以实现工作时的灵活性。

在又一方面，本公开提供一种基站，该基站包括一个或多个天线设备。

包括一个或多个天线设备的基站实现了前面的方面描述的天线设备的所有优点和效果。

应理解，可以组合所有上述实现方式。

需要说明的是，本申请中描述的所有设备、元件、电路、单元和构件可以在软件或硬件元件或其任何类型的组合中实现。本申请中描述的各种实体所执行的所有步骤以及所描述的各种实体要执行的功能均意味着相应实体适于或用于执行相应步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，外部实体执行的具体功能或步骤没有在执行具体步骤或功能的实体的具体详述元件的描述中反映，但是技术人员应清楚，这些方法和功能可以通过相应的硬件或软件元件或其任何组合实现。可以理解的是，本公开的特征易于以各种组合进行组合，而不脱离由所附权利要求书所定义的本公开的范围。

本公开的附加方面、优点、特征和目的从附图和结合以下所附权利要求书解释的说明性实现方式的详细描述中变得显而易见。

附图说明

当结合附图阅读时，可以更好地理解以上发明内容以及说明性实施例的以下详细描述。为了说明本公开，本公开的示例性结构在附图中示出。但是，本公开不限于本文公开的具体方法和工具。此外，本领域技术人员应理解，附图不是按比例绘制的。在可能的情况下，相同的元件用相同的数字表示。

现在参考下图仅作为示例来描述本公开的实施例，其中：

图1A是根据本公开的实施例的用于发送或接收射频RF信号的天线设备的图示；

图1B是根据本公开的实施例的图1A的天线设备的分解图；

图1C是根据本公开的实施例的简化形式的图1A天线设备的架构的图示；

图2A是根据本公开的各种实施例的天线设备的不同架构以及其相应性能的图形表示的图示；

图2B是根据本公开的实施例的描绘对应于天线设备的不同架构的回波损耗级别的图形表示；

图2C是根据本公开的实施例的描绘对应于天线设备的不同架构的隔离度级别的图形表示；

图3是根据本公开的实施例的说明具有一个或多个天线设备和一个或多个用户设备的基站的网络图。

在附图中，带下划线的数字用于表示带下划线的数字所在的项目或与带下划线的数字相邻的项目。不带下划线的数字与由将不带下划线的数字与项目相关联的线标识的项目有关。当一个数字不带下划线并且附有相关联的箭头时，不带下划线的数字用于标识箭头指向的一般项目。

具体实施方式

以下详细描述说明了本公开的实施例以及可以实现这些实施例的方式。虽然已经公开了实施本公开的一些模式，但本领域技术人员应认识到，也可以存在用于实施或实践本公开的其它实施例。

图1A是根据本公开的实施例的用于发送或接收射频RF信号的天线设备的图示。参考图1A，示出了天线设备100。天线设备100包括多个RF信号馈源102和辐射元件106A至106L的阵列104。在一种实现方式中，天线设备100还包括多个功率收发器108A至108P。

天线设备100用于例如在蜂窝通信中发送或接收射频信号。具体来说，天线设备100包括多个RF信号馈源102以及M×N个辐射元件(例如，辐射元件106A至106L)的阵列(例如阵列104)，该阵列包括M行和N列，其中，M≥2并且N≥M。多个RF信号馈源102是指导电轨道，例如金属轨道，电流通过该导电轨道提供给天线设备100的每个集群中的一个或多个辐射元件。阵列104是指M×N个辐射元件(例如，辐射元件106A至106L)的集合，该集合工作以在天线设备100中发送或接收射频信号。M是指行，N是指列。在阵列104中，行数大于或等于二。此外，在阵列104中，列数大于或等于行数。这为天线设备100提供了水平形状因子(即，考虑到孔径平面，在部署时其宽度大于其高度)。

根据一个实施例，N等于六、七或八。在本实施例中(如图1A中所示)，N等于六(即，阵列104包括六列)。为了增加元件间隔离度，与传统天线设备相比，减少了天线设备100中的辐射元件的数量和物理列的数量。例如，大多数传统天线设备具有八个或八个以上的列，这些列在天线设备100中减少到六个或七个(在某些情况下减少到八个)。在一个示例中，阵列104中的列数，即数量N，可以受到天线设备100的最大允许大小和相邻辐射元件之间的间隔的限制。

根据一个实施例，M等于二、三或四。在本实施例中(如图1A中所示)，M等于二。在本实施例中，示出了2×6个辐射元件(即两行，其中每行具有6个辐射元件)组成的阵列104。换句话说，在本实施例中描述了十二个辐射元件102A至102L。在一个示例中，天线设备100的架构是指5G低频段天线架构，该5G低频段天线架构在受限孔径大小内(即，天线设备100符合为低频段(例如，6Ghz以下)天线指定的强大小约束)提供了高系统性能与可获得的隔离度以及有源回波损耗级别之间的实际权衡。或者说，例如，在2行×6列的天线架构中(例如，在如图1A中示出的天线设备100中)，观察到系统性能与实现必要隔离度级别之间的最佳实际权衡中的一个最佳实际权衡。此外，2×6个辐射元件组成的阵列104确保了天线设备100的紧凑大小。在一些替代实施例中，提供了2×8个辐射元件的阵列、3×8个辐射元件的阵列或4×8个辐射元件的阵列。例如，在图2A中描述了这种实施例。本领域普通技术人员应理解，M行的数量可以不限于二、三或四，N列可以不限于六、七或八。应理解，只要实现给定天线设备(例如天线设备100)的水平形状因子，M行和N列的数量就可以变化。在一个示例中，给定天线设备(例如天线设备100)的水平形状因子是通过使N列的数量大于N行(例如N＝30、M＝8等)来实现的。或者说，在一个示例中，如图1A中所示，在部署时，天线设备100等每个天线设备凭借具有比垂直尺寸更多的N列，具有更大的水平尺寸。

阵列104细分为多个集群110A至110H，每个集群包括(辐射元件106A至106L的)一个或多个辐射元件，每个集群中的一个或多个辐射元件连接到RF信号馈源中的一个RF信号馈源(即，多个RF信号馈源102中的一个RF信号馈源)。(阵列104的)列包括两个外列和一个或多个内列，每个内列包括K1个集群，K1≥1，每个外列包括K2个集群，其中K2>K1。集群是指将一个集群中的一个或多个辐射元件与其它集群隔离的一个或多个辐射元件的集合。具体来说，集群是共同馈电(例如，使用RF信号馈源)的辐射元件组，它们的馈电之间的关系通过模拟手段(例如，通过印刷在板(印刷电路板)上的导电轨道的固定馈电网络或通过可变机电移相器)预定义。

换句话说，给定集群内的一个或多个辐射元件是共同馈电的。在一个示例中，这种共同馈电可以是固定的(例如，凭借固定网络)或可变的(例如，凭借可变移相器)。通常，与给定集群内(即集群内(intra-cluster))的不同辐射元件相关联的信号特性(例如，幅度和相位)以预定义的方式(对于固定网络)或预定义的范围(对于可变网络)相关。另一方面，在不同的集群(即集群间(inter-cluster))中，RF信号在示例中可能凭借实时或近实时算法获得，以数字方式分配，并且可以不预先定义。

阵列104中的多个集群110A至110H的分布使得其能够实现具有发送独立信息流的能力的高方位分辨率，并且在辐射元件102A至102L之间保持足够的间隔，以在有限的尺寸内实现所需的回波损耗和隔离度级别，即，而不增加天线设备100的大小(与传统天线设备相比)。外列是指在阵列104的相对边缘上的列。一个或多个内列设置在至少两个外列之间。

此外，在本实施例中，与内列中的集群的数量相比，天线设备100在外列中具有更多的集群(例如，通过外列的分裂)数量(即K2>K1)。即使天线设备100中的辐射元件的数量和集群的数量相对小于传统天线设备，集群的这种分布也(例如，外列或边缘列的集群比内列的集群更多)确保了足够系统性能和其孔径的照射效率。在阵列104中，存在至少一个列形式的集群(本实施例中有四个集群)，以及至少两个分裂列形式的集群。在这种情况下，两个外列中的每个外列都是分裂列的形式。

根据一个实施例，列包括两个或两个以上内列。在本实施例中，例如，如图1A中所示，有四个内列和两个外列。四个内列中的每个内列包括一个集群(例如，集群110C、集群110D、集群110E或集群110F)。两个外列中的每个外列包括两个集群(例如，一个外列包括集群110A和110B，另一个外列包括集群110G和110H)。因此，根据本实施例，集群的数量是八个。两个外列中的第一外列中的集群110A包括辐射元件106A。两个外列中的第一外列(分裂列)中的集群110B包括辐射元件106B。第一内列中的集群110C包括辐射元件106C和辐射元件106D。第二内列中的集群110D包括辐射元件106E和辐射元件106F。第三内列中的集群110E包括辐射元件106G和辐射元件106H。第四内列中的集群110F包括辐射元件106I和辐射元件106J。两个外列中的第二外列中的集群110G包括辐射元件106K。第二外列(即分裂列)中的集群110H包括辐射元件106L。

可选地，在一些实现方式中，两个外列可以不分裂。例如，天线设备100的一侧(即一个边缘)处的一个或多个外列分裂，而天线设备100的另一侧处的一个或多个外列可能不分裂。或者说，一些外列可以是具有两个不同非重叠集群的分裂列，而一些外列可能不分裂。即使天线设备100中的辐射元件的数量和规则集群(不分裂)的数量小于传统天线设备，外列分裂的选择可能也取决于要实现其孔径的多少照射效率。

根据一个实施例，一列或多列各自包括两个辐射元件集群，两个集群彼此相邻布置。在本实施例中，两个外列中的每个外列包括两个集群。例如，第一外列包括彼此相邻布置的集群110A和集群110B，第二外列包括彼此相邻布置的集群110G和集群110H。两个集群彼此相邻布置意味着两个集群不重叠，也不相互交错。在一些实施例中，除了在外列(即边缘列)中具有两个或两个以上集群之外，一个或多个内列可以可能地具有两个或两个以上集群，而不限制本公开的范围。此外，本领域技术人员应理解，两个或两个以上列可以分组在一起，并且可以使用一个或多个不同的集群方案，而不限制本公开的范围。

根据一个实施例，天线设备100中的行和列分别是水平的和垂直的，其中垂直是在工作时从天线设备100的位置朝向地心的方向，水平是与垂直方向正交的方向。M行根据其在天线设备100中的布置水平布置，而N列垂直布置。换句话说，术语水平和垂直是指从给定的兴趣点，例如天线设备100在部署时的位置，相对于地球定义的方向。因此，垂直是从天线设备100的位置朝向地心的方向，水平是与垂直方向正交的方向(即平行于地球表面)。为了增加元件间隔离度，与传统天线设备相比，在水平和垂直方向上减少了辐射元件的数量。此外，在部署时，天线设备100等每个天线设备具有比垂直尺寸更大的水平尺寸。由于水平尺寸较大，孔径为横式。此外，在阵列104中，由于列数大于行数，天线设备100具有水平形状因子(即，考虑到孔径平面，在部署时其宽度大于其高度)。天线设备100的大规模MIMO性能通过利用具有水平形状因子(即，部署时为横式)的架构得到改进。或者说，阵列104的水平范围大于垂直范围。水平范围由水平方向上彼此相邻放置的辐射元件的数量定义。垂直范围由垂直方向上彼此相邻放置的辐射元件的数量定义。

根据一个实施例，(辐射元件106A至106L的)任何两个相邻辐射元件之间的间隔是RF信号波长的至少一半。任何两个相邻辐射元件之间的间隔是射频信号波长的至少一半(即≥0.5λ)，使得与在发送和接收射频信号时具有相对较低的性能特性的传统技术相比，天线设备100在发送和接收射频信号时具有改进的(例如，最佳或接近最佳)特性。有益的是，与传统天线设备相比，间隔为波长的至少一半提供了由辐射元件106A至106L发送或接收的射频信号的可接受和可管理的耦合级别，其中由于传统辐射元件的密集包装，由辐射元件发送或接收的射频信号之间因此存在不可接受和不可管理的耦合级别。有益的是，由于任何两个相邻辐射元件之间的元件间间隔大于或等于RF信号波长的一半，与传统天线设备相比，天线设备100因此具有改善的系统性能，具有合规的S参数(即散射参数)(即，具有改进的或至少可接受的回波损耗和隔离度级别的合规端口)。

根据一个实施例，波长对应于天线设备100的工作频段中的最小频率。工作频段是指天线设备100发送到用户设备(或从用户设备接收)的射频信号的范围。根据一个实施例，波长对应于天线设备100在6Ghz以下的频段中的工作。在5G通信中，6吉兆赫以下的频段也可以称为较低频段。在一个实施例中，辐射元件106A至106L利用低频段发送或接收射频信号(例如，天线设备100中的每个辐射元件可以发送连续的复杂波)。天线设备100利用6吉兆赫以下的频段中的信号传播的固有性质实现与mmWave信号相比更好的信号传播和覆盖。因此，天线设备100提供了紧凑型5G低频段天线架构，该5G低频段天线架构在受限孔径大小(即，天线设备100符合为低频段(例如，6Ghz以下)天线指定的强大小约束)内提供了高系统性能与可获得的隔离度以及有源回波损耗级别之间的实际权衡。

根据一个实施例，多个辐射元件106A至106L中的每个辐射元件是双极化的。辐射元件106A至106L的双极化使得天线设备100能够同时在水平和垂直方向(水平和垂直方向彼此正交)上发送和接收射频信号。凭借双极化，与单极化的辐射元件相比，天线设备100可以向更多数量的用户设备发送和接收射频信号。

根据一个实施例，每个辐射元件在其孔径上提供基本上均匀的照射。(例如辐射元件106A至106L的)每个辐射元件的大小是紧凑的，并且在其孔径上提供显著均匀的照射，例如，用于实现高方向性。高方向性是指天线设备100的辐射模式在特定方向上的高度集中，使得RF信号的波束可以进一步传播。辐射集群110A至110H在天线设备100中以列和分裂列水平地分布也有助于提供基本上均匀的照射。在一个示例中，术语“基本上均匀”是指或多或少均匀的照射，其中具有小于30％的非均匀照射的可能性。在一些实施例中，每个辐射元件可以不在其孔径上提供均匀的照射。

根据一个实施例，(多个RF信号馈源102的)RF信号馈源各自可连接到相应的功率收发器。在一个示例中，功率收发器对应于无线链，或者是连接到为每个集群馈电的每个RF信号馈源的无线链的一部分。无线链是指单个无线以及其支撑信号处理电子组件中的所有支撑信号处理电子组件，包括收发器、一个或多个混频器、一个或多个放大器和一个或多个模拟/数字转换器。辐射元件106A至106L中的每个辐射元件也可以称为天线单元。

通常，每个集群都由一个无线链馈电。在本实施例中，每个集群是双极化集群，因此由两个无线链(即两个功率收发器)馈电。在本实施例中，在几何上不相等(因为外列是具有两个不同的非重叠集群的分裂列)的集群110A至110H布置为使得在辐射元件之间保持适当的间隔，以在有限的尺寸内实现所需的回波损耗和隔离度级别，即，而不增加在低频段中工作的天线设备100的大小。

在本实施例中，功率收发器108A和108B连接到辐射元件106A。功率收发器108C和108D连接到辐射元件106B。功率收发器108E和108F中的每个功率收发器连接到辐射元件106C和106D。类似地，功率收发器108G和108H中的每个功率收发器连接到辐射元件106E和106F(即，如所示出，每个功率收发器共同对两个辐射元件进行馈电)。功率收发器108I和108J中的每个功率收发器连接到辐射元件106G和106H。功率收发器108K和108L中的每个功率收发器连接到辐射元件106I和106J。功率收发器108M和108N连接到单个辐射元件，例如辐射元件106K。功率收发器108O和108P连接到辐射元件106L。

在本实施例中，功率收发器的数量为十六个。在本实施例中，由于天线设备100中的高级集群分布，十六个功率收发器，即多个功率收发器108A至108P(即16个无线链)因此连接到阵列104中的十二个辐射元件。

在工作中，根据一个实施例，天线设备100用于在波束中发送RF信号，并且至少在方位角范围内扫描波束。方位角范围是指部署最多接收设备(即UE)以接收天线设备100发送的射频信号的范围。换句话说，方位角范围是波束相对于阵列104的方位角值或方位角值的范围。在波束中发送射频信号并且通过方位角范围扫描波束能够在特定方向(即方位角范围)上向辐射元件106A至106L发送或从其接收射频信号，以提供高数据速率的信号。例如，辐射元件106A至106L中的一些或全部辐射元件可以发送复杂波(即，以相似的波长和相位发送射频信号，以在特定方向上发送射频信号)。在一些情况下，天线设备100还可以具有仰角的转向能力。

根据一个实施例，天线设备100用于基于一个或多个用户设备UE的位置扫描波束。天线设备100用于执行波束成形以与UE传输(发送或接收)一个或多个RF信号波束。基于UE的位置扫描波束，以使特定波束到达一个UE(或多个UE)。此外，用户设备旨在被广义地解释为包括可以用于无线通信网络上的语音和/或数据通信的任何电子设备。用户设备的示例包括但不限于蜂窝电话、5G无线调制解调器、演进型通用移动通讯系统(universal mobiletelecommunications system，UMTS)陆地无线接入(evolved UMTS terrestrial radioaccess，E-UTRAN)NR双连接(E-UTRAN NR-dual connectivity，EN-DC)设备或定制型通讯硬件。此外，用户设备应被广义地解释，以包括各种不同类型的移动台、用户台或更一般地，通信设备，包括插入笔记本电脑中的数据卡的组合等示例。这种通信设备还旨在包括通常被称为接入终端的设备。

根据一个实施例，天线设备100用于使用多输入多输出MIMO方法发送。天线设备100用于使用MIMO、多用户MIMO(multi-user MIMO，MU-MIMO)或大规模MIMO方法，通过两个或两个以上辐射元件同时向用户设备等各种网络节点发送射频信号和从各种网络节点接收射频信号。有益的是，天线设备100支持MIMO，以实现与用户设备通信的频谱效率。

根据一个实施例，天线设备100用于接收蜂窝通信信号，包括以接收模式配置的天线设备100。天线设备100用于在发送模式和接收模式两种模式下运作。在发送模式下，天线设备100的辐射元件106A至106L用于向蜂窝设备(即用户设备)发送RF信号。在接收模式下，天线设备100的辐射元件106A至106L用于从蜂窝设备接收RF信号。可选地，天线设备100可以同时在接收模式和发送模式下工作。

图1B是根据本公开的实施例的天线设备的分解图。图1B结合图1A的元件进行描述。参考图1B，示出天线设备100的分解图。天线设备100还包括天线罩112、栅栏114、盖116、印刷电路板(printed circuit board，PCB)118、反射器120和支架122。还示出了(图1A的)天线设备100的辐射元件106A至106L。

在本实施例中，辐射元件106A至106L中的每个辐射元件是具有近似圆锥形结构的偶极辐射元件。示出了辐射元件106J的放大图124。放大图124描绘了辐射元件106J的口126，辐射元件106J通过该口发送或接收射频信号。

天线罩112是指天线设备100的覆盖物，天线罩保护天线设备100免受环境条件(如恶劣天气条件)的影响，但不影响信号的发送或接收。天线罩112覆盖辐射元件106A至106L。

栅栏114中的每个栅栏用于增强天线设备100的不同集群(例如图1A的集群110A至110H)的隔离度，还用于对相应的集群110A至110H中的辐射元件106A至106L发送或接收的射频信号进行辐射图案控制。有益的是，栅栏114使得能够减少辐射元件106A至106L发送或接收的射频信号之间的任何不希望的干扰。

盖116用于保护天线设备100免受任何损坏，例如环境条件对天线结构的损坏等。

PCB 118中的每个PCB用于实现天线设备110中的电连接，例如多个RF信号馈源102与辐射元件106A至106L的连接，并且还为辐射元件106A至106L在它们各自的集群中提供机械支撑。

反射器120用于改进辐射元件106A至106L发送或接收的射频信号的辐射图案。在一个示例中，反射器120增加天线设备100的增益。在另一个示例中，反射器120可以用于在一个方向上聚焦射频信号。

支架122用于紧固天线设备100的不同组件。支架122也可以称为用于物理地将天线设备100的反射器120和栅栏114等所有组件保持在一个物理位置的夹具。有益的是，支架122保护组件免受任何意外移动。

图1C是根据本公开的实施例的简化形式的图1天线设备的架构的示意图。图1C结合图1A和图1B的元件进行描述。参考图1C，示出了天线设备100。天线设备100包括辐射元件106A至106L的阵列104。

阵列104包括在工作时垂直的六列和水平的两行。阵列104包括两个外列128A和128B和四个内列130A至130D。外列128A是分裂列，该外列包括两个集群，其中每个集群具有一个辐射元件，即辐射元件106A和辐射元件106B。内列130A包括一个集群，其中该集群具有两个辐射元件，即辐射元件106C和106D。类似地，内列130B包括一个集群，其中该集群具有两个辐射元件，即辐射元件106E和106F。内列130C包括一个集群，其中该集群具有两个辐射元件，即辐射元件106G和106H。内列130D包括一个集群，其中该集群具有两个辐射元件，即辐射元件106I和106J。外列128B再次包括具有两个集群的分裂列，其中每个集群具有一个辐射元件，即辐射元件106K和辐射元件106L。在一个示例中，包括六列和两行的阵列104具有小于或等于500毫米的宽度和小于或等于1500毫米的长度。

图2A是根据本公开的各种实施例的天线设备的不同架构以及其以图形表示描绘的相应性能的图示。图2A结合图1A、图1B和图1C的元件进行描述。参考图2A，示出了天线设备的不同架构202A至202D，并且它们的相应性能以图形表示204进行描绘。

架构202A包括具有两行和六列的辐射元件阵列。阵列包括两个外列和四个内列。四个内列中的每个内列包括一个集群，两个外列中的每个外列包括两个集群。架构202A与图1C中天线设备100的架构相同。

架构202B包括具有两行和八列的辐射元件阵列。架构202C包括具有三行和八列的辐射元件阵列。架构202D包括具有四行和八列的辐射元件阵列。

图形表示204表示在多用户MIMO(multi-user MIMO，MU-MIMO)场景中具有水平形状因子的架构202A至202D在小区吞吐量方面的比较性能。图形表示204表示X轴206上以比特/s/Hz为单位的香农·汤姆林森-哈拉希玛预编码(Shannon Tomlinson HarashimaPrecoding，THP)(共同调度的UE的总和)和Y轴208上的累积分布函数(cumulativedistribution function，CDF)的值。在图形表示204中，线210表示架构202A的性能(具有2行和6列的16Rx和16Tx的水平形状因子)。类似地，线212表示架构202B的性能(具有2行和8列的16Rx和16Tx的水平形状因子)，线214表示架构202C的性能(具有3行的16Rx和16Tx的水平形状因子)，线216表示架构202D的性能(具有4行的16Rx和16Tx的水平形状因子)。为了比较具有水平形状因子的天线设备与通常具有垂直形状因子(行比列多)的传统天线设备，线218和线220表示传统天线设备(即，具有行数大于列数的垂直形状因子的天线设备)的传统架构的性能。

图形表示204描绘了与具有垂直形状因子的传统架构(由线218和220表示)相比，具有水平形状因子的架构202A至202D基本上具有显著改进的性能特性(由线210、212、214和216表示)。此外，架构202A(其对应于图1A至图1C中的天线设备100的架构)呈现出系统性能与实现具有相对更紧凑大小的必要隔离度级别(由线210表示的性能)之间的最佳实际权衡中的一个最佳实际权衡。

图2B是根据本公开的实施例的描绘对应于天线设备的不同架构的回波损耗级别的图形表示。图2B结合图1A、图1B、图1C和图2A的元件进行描述。参考图2B，示出了图形表示222，其描绘了至少由线224表示的架构202A的回波损耗级别在不同频率下一致小于或等于负十四分贝(即≤-14dB)，这与其它架构的回波损耗级别相比更好。线224对应于图2A的架构202A。图形表示222在其X轴226上描绘了以兆赫(megahertz，MHz)为单位的不同架构发送的射频信号的频率，在其Y轴228上描绘了以分贝为单位的回波损耗值。

图2C是根据本公开的实施例的描绘对应于天线设备的不同架构的隔离度级别的图形表示。图2C结合图1A、图1B、图1C、图2A和图2B的元件进行描述。参考图2C，示出了图形表示230，其描绘了至少由线232表示的架构202A的隔离度级别在不同频率下一致小于或等于大约负二十二分贝(即≤-22dB)，这与其它架构的隔离度级别相比更好。线232对应于图2A的架构202A。图形表示230在其X轴234上描绘了以吉兆赫(gigahertz，GHz)为单位的不同架构发送的射频信号的频率，在其Y轴236上描绘了以分贝为单位的隔离度级别值。

图3是根据本公开的实施例的说明具有一个或多个天线设备的基站的框图。图3结合图1A、图1B、图1C、图2A、图2B和图2C的元件进行描述。参考图3，示出了具有基站300的网络环境，该网络环境包括一个或多个天线设备302、一个或多个用户设备UE 304和通信网络306。一个或多个天线设备302对应于图1A至图1C的天线设备100。

基站300包括合适的逻辑、电路和/或接口，该逻辑、电路和/或接口可以用于通过一个或多个天线设备302在蜂窝网络(例如5G或即将到来的6G)上与多个无线通信设备通信。基站300的示例可以包括但不限于演进型NodeB(evolved Node B，eNB)、下一代NodeB(Next Generation Node B，gNB)等。在一个示例中，基站300可以包括多个天线设备，多个天线设备用作天线系统，以在上行和下行通信中与多个无线通信设备通信。多个无线通信设备的示例包括但不限于用户设备(例如智能手机)、用户端设备(customer premiseequipment)、中继器设备、固定无线接入节点或其它通信设备或通讯硬件。

一个或多个UE 304中的每个UE可以包括用于传输(发送/接收)RF信号的合适的逻辑、电路、接口和/或代码。一个或多个UE 304的示例包括但不限于便携式电子设备(例如智能手机、无人机、物联网(Internet-of-Things，IoT)设备、机器类型通信(machine typecommunication，MTC)设备、手持计算设备，演进型通用移动通讯系统(universal mobiletelecommunications system，UMTS)陆地无线接入(evolved UMTS terrestrial radioaccess，E-UTRAN)NR双连接(E-UTRAN NR-dual connectivity，EN-DC)设备，或任何其它用于无线通讯的定制硬件)，或非便携式电子设备，如固定无线接入调制解调器。或者，一个或多个UE 304中的每个UE可以是车辆或车辆中的通讯单元(telecommunications unit，TCU)。

在一个示例中，通信网络306指蜂窝网络(例如，真正的5G、5G新无线(new radio，NR)(例如，6GHz以下、cmWave或mmWave通信))。在另一个示例中，通信网络306是指用于大规模MIMO的IoT网络。

在不脱离所附权利要求所定义的本公开范围的情况下，可以对上文描述的本公开的实施例进行修改。例如“包括”、“结合”、“具有”、“是”等用于描述和要求保护本公开的表述旨在以非排他性的方式解释，即允许未明确描述的项目、组件或元件也存在。对单数的引用也应解释为涉及复数。本文使用的词语“示例性”表示“作为一个示例、实例或说明”。任何描述为“示例性”的实施例不一定解释为比其它实施例更优选或更有利的，和/或排除其它实施例的特征的结合。本文使用的词语“可选地”表示“在一些实施例中提供且在其它实施例中不提供”。应当理解，为了清楚起见而在单独实施例的上下文中描述的本公开的某些特征还可以通过组合提供在单个实施例中。相反地，为了简洁起见而在单个实施例的上下文中描述的本公开的各种特征也可以单独地或通过任何合适的组合或作为本公开的任何其它描述的实施例提供。

Claims (18)

1.一种用于发送或接收射频RF信号的天线设备(100)，所述天线设备(100)包括：

多个RF信号馈源(102)；

M×N个辐射元件(106A至106L)的阵列(104)，所述阵列包括M行和N列，其中M≥2并且N≥M；

其中，所述阵列(104)细分为多个集群(110A至110H)，每个集群包括一个或多个辐射元件，每个集群中的所述一个或多个辐射元件连接到所述RF信号馈源中的一个RF信号馈源；

其中，所述列包括两个外列(128A、128B)和一个或多个内列(130A、130B、130C、130D)，每个内列包括K1个集群，K1≥1，每个外列包括K2个集群，其中K2>K1。

2.根据权利要求1所述的天线设备(100)，其中，所述天线设备(100)中的所述行和所述列分别是水平的和垂直的，其中所述垂直是在工作时从所述天线设备(100)的位置朝向地心的方向，所述水平是与所述垂直方向正交的方向。

3.根据权利要求1或2所述的天线设备(100)，其中，N等于六、七或八。

4.根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)，其中，所述列包括两个或两个以上内列。

5.根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)，其中，M等于二、三或四。

6.根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)，其中，所述RF信号馈源(102)各自可连接到相应的功率收发器(108A至108P)。

7.根据权利要求6所述的天线设备(100)，其中，所述列中的一列或多列各自包括两个辐射元件集群，所述两个集群彼此相邻布置。

8.根据权利要求6或7所述的天线设备(100)，其中，所述功率收发器(108A至108P)的数量为十六个，所述集群(110A至110H)的数量为八个。

9.根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)，其中，所述辐射元件(106A至106L)中的每个辐射元件是双极化的。

10.根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)，其中，所述天线设备(100)用于在波束中发送所述RF信号，并且至少在方位角范围内扫描所述波束。

11.根据权利要求10所述的天线设备(100)，其中，所述天线设备(100)用于基于一个或多个用户设备UE(304)的位置扫描所述波束。

12.根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)，其中，任何两个相邻辐射元件之间的间隔是所述RF信号波长的至少一半。

13.根据权利要求12所述的天线设备(100)，其中，所述波长对应于所述天线设备(100)的工作频段中的最小频率。

14.根据权利要求13所述的天线设备(100)，其中，所述波长对应于所述天线设备(100)在6Ghz以下的频段中的工作。

15.根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)，其中，所述天线设备(100)用于使用多输入多输出MIMO方法发送。

16.根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)，其中，每个辐射元件(106A至106L)在其孔径上提供基本上均匀的照射。

17.一种用于接收蜂窝通信信号的天线设备(100)，包括：以接收模式配置的根据前述任一项权利要求所述的天线设备(100)。

18.一种基站(300)，包括：一个或多个根据前述任一项权利要求所述的天线设备(302)。

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