CN116195132A - 具有用于参数控制的协作辐射器的天线设备 - Google Patents

具有用于参数控制的协作辐射器的天线设备 Download PDF

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CN116195132A CN202080105445.XA CN202080105445A CN116195132A CN 116195132 A CN116195132 A CN 116195132A CN 202080105445 A CN202080105445 A CN 202080105445A CN 116195132 A CN116195132 A CN 116195132A
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克里斯蒂安·德拉乔万保拉
斯特凡诺·马西
恩里卡·马提尼
布鲁诺·比斯孔蒂尼
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Abstract

一种天线设备包括：用于辐射第一电磁信号的第一辐射器；用于辐射第二电磁信号的第二辐射器；以及联合馈给网络，该联合馈给网络包括依次布置的第一180度耦合器和第二180度耦合器。第一180度耦合器接收第一输入信号和第二输入信号，而第二180度耦合器向第一辐射器提供第一输出信号以及向第二辐射器提供第二输出信号。在该联合馈给网络中，将第一180度耦合器连接到第二180度耦合器的第一路径包括第一移相器。将第一180度耦合器连接到第二180度耦合器的第二路径包括第二移相器和衰减器。该天线设备表现出提升的系统性能，例如较高的指向性和较低的波束偏斜。

Description

具有用于参数控制的协作辐射器的天线设备
技术领域
本公开大体上涉及天线领域；更具体地，涉及天线设备和天线设备阵列。
背景技术
随着新无线通信技术例如第五代(fifth generation，5G)通信技术的部署，开发用于可靠通信的天线的需求越来越大。尽管所需频段的数量增加以及用户(即地面移动用户)的数量也增加，但是存在与可部署的天线的数量相关联的限制。通常，传统天线的大小(即尺寸)的显著增加也不是合意的或不被允许。因此，在这种情况下，设计和开发不增加复杂性的合适天线结构在技术上具有挑战性。
目前，在基站天线系统中，存在具有紧密隔开(即彼此紧邻)的辐射器(即辐射单元)的低频天线阵列。由于辐射器的接近，传统天线阵列在指向性(即来自天线阵列的辐射在特定方向上的集中)和波束偏斜(即辐射相对于天线阵列的平面的法线偏离的角度)方面的性能下降。例如，在这种传统的低频天线阵列中，存在指向性的损失，并且另外使辐射偏斜。此外，属于不同天线阵列的辐射器之间需要保持适当的隔离水平，这又是一项具有挑战性的任务。
一些传统技术通过伴随天线阵列的辐射器引入任意相位差耦合器而稍微改善了天线阵列的性能。然而，这样的技术导致不对称的辐射输出。例如，来自耦合器的第一端口的输出具有60度的相位差，而来自耦合器的第二端口的输出具有120度的相位差。用于使紧密隔开的辐射器解耦的其它传统技术包括使用覆板(superstrate，上板)和反射器。然而，这种传统技术无法为传统天线阵列中紧密隔开的辐射器维持期望水平的指向性和波束偏斜。此外，在使波束偏斜有所减少并且指向性有所增加的一些传统技术中，紧密隔开的辐射器不能同时工作。因此，如何使具有紧密隔开的辐射器的天线阵列获得期望的性能水平仍然是个技术问题。
因此，鉴于以上论述，需要克服与传统天线设备相关联的上述缺点。
发明内容
本公开寻求提供一种天线设备和天线设备阵列。对于辐射器紧邻的天线设备的系统性能下降(例如，波束偏斜增加和指向性降低)的现有问题，本公开寻求提供一种方案。本公开的目的是提供一种至少部分地克服现有技术中遇到的问题的方案，并提供一种改进的天线设备结构，通过在天线设备的网络中引入衰减(即损耗)来显著提高辐射器紧邻的天线设备的系统性能。
本公开的目的通过所附独立权利要求中提供的方案来实现。在从属权利要求中进一步限定了本公开的有利实现方式。
一方面，本公开提供了一种天线设备，该天线设备包括：用于辐射第一电磁信号的第一辐射器；用于辐射第二电磁信号的第二辐射器；以及联合馈给(feeding，信号馈给、馈电、馈入)网络，该联合馈给网络包括依次布置的第一180度耦合器和第二180度耦合器；其中，第一180度耦合器用于通过第一输入端口接收第一输入信号，以及通过第二输入端口接收第二输入信号；其中，第二180度耦合器用于向第一辐射器提供第一输出信号，以及向第二辐射器提供第二输出信号；其中，将第一180度耦合器连接到第二180度耦合器的第一路径包括第一移相器；以及其中，将第一180度耦合器连接到第二180度耦合器的第二路径包括第二移相器和衰减器。
与传统天线设备相比，本公开的天线设备具有显著提升的系统性能。本公开的天线设备利用紧密隔开的第一辐射器和第二辐射器，使得两个辐射器协作以一起辐射。与对辐射器独立进行馈给的传统天线设备相比，两个辐射器由联合馈给网络进行联合馈给。因此，与传统天线设备相比，本公开的天线设备具有较强的指向性。衰减器引入损耗，以控制耦合系数。此外，移相器使得能够控制天线设备的辐射方向图(radiating pattern，辐射图、辐射波瓣图、辐射图型)中的偏斜。此外，180度耦合器使得能够实现输入端口之间的增强的隔离。因此，与传统天线设备相比，本公开的天线设备具有显著增加的指向性和显著减少的偏斜。
在一种实现形式中，基于第一电磁信号和第二电磁信号的辐射方向图的一个或多个期望特征，确定包括第一移相器的第一相移、第二移相器的第二相移和衰减器的衰减的一组参数。
通过第一移相器、第二移相器和衰减器对衰减值和相移值进行调节，这允许在辐射方向图的偏斜与效率之间找到平衡。不同的衰减值能够实现对耦合系数的控制。选择不同的相移值允许对辐射方向图之间的偏斜进行控制。
在另一种实现形式中，辐射方向图的一个或多个特征包括辐射方向图的偏斜。
与具有协作使用的紧密并排辐射器的传统天线设备相比，通过移相器，本公开的天线设备使辐射方向图的偏斜减少。
在另一种实现形式中，辐射方向图的一个或多个特征包括辐射方向图的指向性。
与传统天线设备相比，通过经由联合馈给网络对两个辐射器进行组合馈给，本公开的天线设备获得辐射方向图的较高指向性。
在另一种实现形式中，辐射方向图的一个或多个特征包括在第一输入端口和第二输入端口处测量的辐射方向图之间的耦合。
通过第一输入端口和第二输入端口，对两个辐射器的馈给进行控制，这使得能够控制两个辐射器的辐射方向图之间的耦合。
在另一种实现形式中，联合馈给网络被配置成使得第一电磁信号和第二电磁信号相组合，以形成对应于第一输入信号的第一辐射方向图和对应于第二输入信号的第二辐射方向图。
从输入端口中之一对联合馈给网络进行馈给潜在地产生具有第一辐射器和第二辐射器两者的贡献的第一辐射方向图。换言之，通过第一输入端口的第一输入信号旨在产生第一辐射方向图，该第一辐射方向图通过第一辐射器和第二辐射器的联合辐射获得。此外，从另一输入端口对联合馈给网络进行馈给潜在地产生具有第一辐射器和第二辐射器两者的贡献的第二辐射方向图，其中这两个辐射方向图彼此独立。
在另一种实现形式中，第一辐射器和第二辐射器用于在一频段中工作。
与对辐射器进行独立馈给的传统天线设备相比，通过联合馈给网络，第一辐射器和第二辐射器被联合馈给以在该频段工作。
在另一种实现形式中，该频段对应于一波长，其中第一辐射器与第二辐射器之间的距离小于该波长。
由于上述距离小于波长，这两个辐射器是紧密隔开的，以能够在不放弃系统性能例如指向性和波束偏斜的情况下向所需数量的用户提供辐射。
另一方面，本公开提供了一种天线设备阵列，该天线设备阵列包括两个或更多个天线设备。
与传统的天线设备阵列相比，本公开的天线设备阵列具有显著提升的系统性能。本公开的天线设备阵列利用紧密隔开的辐射器，使得两个辐射器协作以一起辐射。因此，与传统的天线设备阵列相比，本公开的天线设备阵列具有显著增加的指向性和显著减少的波束偏斜。
在一种实现形式中，基于阵列的整体(collective，总体)辐射方向图和整体衰减损耗，对每个天线设备的第一移相器、第二移相器和衰减器进行配置。
通过第一移相器和第二移相器，对整体辐射方向图的偏斜进行控制，并通过衰减器来控制第一辐射器与第二辐射器之间的耦合系数。
在另一种实现形式中，布置有第一功率合成器(power combiner，功率结合器)，以向每个第一输入端口提供第一输入信号，以及布置有第二功率合成器，以向每个第二输入端口提供第二输入信号。
通过第一功率合成器和第二功率合成器，本公开的阵列通过第一输入端口和第二输入端口对一个相应的独立辐射方向图提供馈给。
应理解，所有的上述实现形式可以组合。
要说明的是，本申请中描述的所有设备、元件、电路、单元和模块可以在软件或硬件元件或其任何类型的组合中实施。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由各种实体执行的功能均意在指相应实体适于或用于执行相应的步骤和功能。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该具体步骤或功能的该实体的具体详述元件的描述中反映出来，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来实施。可以理解的是，本公开的特征易于在不脱离由所附权利要求书所限定的本公开的范围的情况下以各种组合进行组合。
根据附图以及结合所附权利要求书进行解释的说明性实现方式的详细描述，本公开的另外的方面、优点、特征和目的将变得明了。
附图说明
当结合附图进行阅读时，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。出于对本公开进行说明的目的，在附图中示出本公开的示例性结构。但是，本公开并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。
现在将参考下图、仅通过示例来描述本公开的实施例，其中：
图1A为根据本公开的实施例的具有联合馈给网络的天线设备的图示；
图1B为根据本公开的另一实施例的具有联合馈给网络的天线设备的立体图；
图2A为根据本公开的实施例的天线设备阵列的图示；
图2B为根据本公开的另一实施例的天线设备阵列的图示；
图3为描绘根据本公开的实施例的天线设备的网络效率的图形表示；
图4为描绘根据本公开的实施例的天线设备的辐射方向图的图形表示；
图5为描绘根据本公开的实施例的天线设备操作的主平面中的辐射方向图的图形表示；以及
图6为与传统的天线设备阵列相比的根据本公开的实施例的天线设备阵列的图示。
在附图中，采用带下划线的数字来表示带下划线的数字位于其上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下述项目有关：该项目由将不带下划线的数字与该项目连结的线标识。当一数字不带下划线并伴有关联的箭头时，该不带下划线的数字用于标识箭头指向的总项目。
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施这些实施例的方式。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，用于实施或实践本公开的其它实施例也是可能的。
图1A为根据本公开的实施例的具有联合馈给网络的天线设备的图示。参考图1，示出了天线设备100A。天线设备100A包括第一辐射器102和第二辐射器104。天线设备100A还包括联合馈给网络，该联合馈给网络包括第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B。还示出了第一输入端口108A、第二输入端口108B、第一移相器110A、第二移相器110B和衰减器112。
一方面，本公开提供了一种天线设备100A，该天线设备包括：
第一辐射器102，用于辐射第一电磁信号；
第二辐射器104，用于辐射第二电磁信号；以及
联合馈给网络，该联合馈给网络包括依次布置的第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B；
其中，第一180度耦合器106A用于通过第一输入端口108A接收第一输入信号，以及通过第二输入端口108B接收第二输入信号；
其中，第二180度耦合器106B用于向第一辐射器102提供第一输出信号，以及向第二辐射器104提供第二输出信号；
其中，将第一180度耦合器106A连接到第二180度耦合器106B的第一路径包括第一移相器110A；以及
其中，将第一180度耦合器106A连接到第二180度耦合器106B的第二路径包括第二移相器110B和衰减器112。
天线设备100A也可以被称为辐射设备。天线设备100A用于通讯(telecommunication，远程通信)。例如，天线设备100A可以用于无线通信系统中。在一些实施例中，这种天线设备的阵列或一个或多个天线设备的阵列可以用于通信系统中。这种无线通信系统的示例包括但不限于基站(例如演进型Node B(Evolved Node B，eNB)、gNB等)、中继器设备、用户端设备和其它定制的通讯硬件。
天线设备100A包括用于辐射第一电磁信号的第一辐射器102。在示例中，第一辐射器102用于例如通过第一辐射器102的孔径沿限定的方向辐射第一电磁信号。例如，第一辐射器102辐射的第一电磁信号可以是下行通信或上行通信。在一种实施方式中，第一辐射器102还用于接收例如来自用户设备(user equipment，UE)的电磁信号。
天线设备100A包括用于辐射第二电磁信号的第二辐射器104。在示例中，第二辐射器104用于例如通过第二辐射器104的孔径沿限定的方向辐射第二电磁信号，该孔径可以不同于第一辐射器102的孔径。可替代地，在示例中，第二辐射器104还用于接收电磁信号。
根据实施例，第一辐射器102和第二辐射器104用于在一频段中工作。在示例中，该频段可以是第五代(5G)频段，例如5G新空口(New Radio，NR)频段(例如F1频段或F2频段)。例如，该频段是sub-6GHz频段，例如450兆赫至6兆赫(例如F2频段)。第一辐射器102和第二辐射器104可以辐射该频段中相同频率的电磁信号。但在一些实施方式中，第一辐射器102和第二辐射器104可以用于辐射不同频率的电磁信号。
根据实施例，该频段对应于一波长，并且其中第一辐射器102与第二辐射器104之间的距离小于该波长。由此，第一辐射器102和第二辐射器104在天线设备100A中紧密隔开(即紧邻)。与其中紧密隔开的辐射器使传统天线设备的系统性能降低的传统天线设备相比，本公开的天线设备100A通过使用联合馈给网络克服了因紧密隔开的辐射器所引起的问题，由此具有提升的系统性能。
天线设备100A包括联合馈给网络，该联合馈给网络包括依次布置的第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B。这里的联合馈给网络是指具有用于向第一辐射器102和第二辐射器104两者提供馈给的一个或多个电子组件的导电迹线(track，轨、径迹)。联合馈给网络使本公开的天线设备100A能够具有提升的系统性能，例如由辐射器发送的电磁辐射的改进的指向性和受控的波束偏斜。此外，联合馈给网络对于第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B两者是对称的。由此，相比于其中辐射器无法同时使用或者当同时使用时彼此独立地工作从而具有相对非常低的系统性能并具有耦合问题的一些传统天线设备，第一辐射器102和第二辐射器104两者可以同时使用并且联合操作，即彼此协作。
有益的是，与传统天线设备相比，通过联合馈给网络将两个辐射器(即第一辐射器102和第二辐射器104)相结合，意味着利用较大孔径(即较大的辐射面积)，由此通过本公开的天线设备100A获得增加的指向性。在传统的天线设备中，这样的紧邻的辐射器独立地连接到相应的馈给网络(即，对两个辐射器独立地进行馈给)，由此，传统天线设备的孔径实质上小于本公开的天线设备100A的孔径。此外，与本公开的天线设备100A相比，传统的天线设备具有较低水平的指向性和较强的元件间耦合。
第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B中的每个180度耦合器均为四端口设备，用于通过两个端口接收两个输入信号(或馈给)，并通过另两个端口提供经180度相移的两个输出信号(馈给)。第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B依次进行布置，使得第二180度耦合器106B与第一180度耦合器106A相比较靠近第一辐射器102和第二辐射器104，如示例所示。
包括第一180度耦合器106A的联合馈给网络用于通过第一输入端口108A接收第一输入信号，以及通过第二输入端口108B接收第二输入信号。第一输入端口108A和第二输入端口108B中的每个输入端口用于为第一辐射器102和第二辐射器104提供输入信号(即馈给)。在示例中，由第一输入端口108A和第二输入端口108B提供的馈给的幅度和频率基于待由第一辐射器102和第二辐射器104发送的电磁信号的频率。基于由第一180度耦合器106A接收的第一输入信号和第二输入信号，生成两个输出信号。在示例中，两个输出信号相位相差180度。
由第一180度耦合器106A提供的输出信号由如下所示的函数(1)表示。
Figure BDA0004139725910000051
其中
在具有单位幅度的输入信号进入第一180度耦合器106A的端口‘1’的情况下，该信号被分(distribute，分发、分散)成α1信号(即第一180度耦合器106A的端口‘2’处的α1幅度)和β1信号(即第一180度耦合器106A的端口‘4’处的β1幅度)(例如，在这种情况下，如在函数(1)的矩阵中的列1所见，α1占行2，β1占行4)
其中，
α1是由0至1内的实数表示的信号的幅度(即具有大于零且小于或等于一的值)，
β1是指由0至1之间的实数表示的信号的幅度(即具有大于零且小于或等于一的值，其中α1和β1两者均为0至1内的实数的事实意味着两个输出信号将具有相同的相位(即相同的时间延迟)。
此外，当具有单位幅度的输入信号进入第一180度耦合器106A的端口‘3’时(例如，如在上述函数(1)中的矩阵的列3中所见)，一个输出为负(即矩阵的列3中的-α1)，这意味着一个输出信号，即-α1，相对于另一输出信号β1异相。
S1是指由第一180度耦合器106A产生的输出信号。
包括第二180度耦合器106B的联合馈给网络用于向第一辐射器102提供第一输出信号，以及向第二辐射器104提供第二输出信号。第二180度耦合器106B用于接收由第一180度耦合器106A提供的两个输出信号作为输入。此外，基于由第一180度耦合器106A提供的输出信号，第二180度耦合器106B提供第一输出信号和第二输出信号。有益地，第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B的存在能够提供第一输入端口108A与第二输入端口108B之间的改进的隔离。具体地，本公开通过使用第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B提供了显著改进的端口到端口隔离。
由第二180度耦合器106B提供的第一输出信号和第二输出信号由如下所示的函数(2)表示。
Figure BDA0004139725910000061
其中
当在第二180度耦合器106B的端口‘1’处接收到信号时，该信号被分成α2信号和β2信号，
α2是由第二180度耦合器106B的端口‘2’接收的信号的幅度，
β2是指由第二180度耦合器106B的端口‘4’接收的信号的幅度，其中α2和β2具有相同的相位(即相同的时间延迟)
当在第二180度耦合器106B的端口‘3’处接收到信号时，该信号被分成-α2信号和β2信号，
-α2是指由第二180度耦合器106B的端口‘2’接收的信号的幅度，其中-α2相对于β2异相，其中α2和β2的值大于零且小于或等于一，S2是指由第二180度耦合器106B产生的第一和第二输出信号。
根据实施例，联合馈给网络被配置成使得第一电磁信号和第二电磁信号相组合，以形成对应于第一输入信号的第一辐射方向图和对应于第二输入信号的第二辐射方向图。有益地，从输入端口中之一(例如第一输入端口108A)对联合馈给网络进行馈给潜在地产生具有第一辐射器102和第二辐射器104两者的贡献的第一辐射方向图。此外，从另一输入端口(例如第二输入端口108B)接入联合馈给网络潜在地产生具有第一辐射器102和第二辐射器104两者的贡献的第二辐射方向图。此外，上述两种辐射方向图彼此独立。
将第一180度耦合器106A连接到第二180度耦合器106B的第一路径114A包括第一移相器110A。第一移相器110A用于将可控的相移施加于由第一180度耦合器106A通过第一路径114A提供给第二180度耦合器106B的输出信号。在示例中，第一移相器110A接收来自第一180度耦合器106A的输出信号作为输入，并将经受控移相的输出信号提供给第二180度耦合器106B。这里的第一路径114A是指导电迹线，例如金属迹线，信号通过该导电迹线从第一180度耦合器106A提供到第二180度耦合器106B。
由第一移相器110A提供给第二180度耦合器106B的经受控移相的输出信号由如下所示的函数(3)表示。
Figure BDA0004139725910000071
其中
在函数(3)中的矩阵的第一列中，当在第一移相器110A的端口‘1’处接收到信号时，该信号的全幅度被指引(direct，引导、管理)为
Figure BDA0004139725910000072
信号，/>
Figure BDA0004139725910000073
是由第一移相器110A的端口‘2’接收的信号的幅度，具有相位减量(即时间延迟)/>
Figure BDA0004139725910000074
在函数(3)中的矩阵的第二列中，当在第一移相器110A的端口‘2’处接收到信号时，该信号的全幅度被指引为
Figure BDA0004139725910000075
信号，/>
Figure BDA0004139725910000076
是由第一移相器110A的端口‘1’接收的信号的幅度，具有相位减量(即时间延迟)/>
Figure BDA0004139725910000077
以及
S3是指由第一移相器110A提供的输出信号。
将第一180度耦合器106A连接到第二180度耦合器106B的第二路径114B包括第二移相器110B和衰减器112。衰减器112用于在从第一180度耦合器106A通过第二路径114B提供给第二180度耦合器106B的信号中引入损耗，以能够控制第一辐射器102与第二辐射器104之间的耦合系数和相位。通过使用衰减器112，在天线设备100A中有意地引入损耗。损耗使得能够控制第一辐射器102与第二辐射器104之间的耦合系数和相位。第二移相器110B用于对由第一180度耦合器106A通过第二路径114B向第二180度耦合器106B提供的输出信号进行可控的相移。在示例中，第二移相器110B接收来自衰减器112的输出信号作为输入信号，并将经受控移相的输出信号提供给第二180度耦合器106B。
由第一移相器110A和第二移相器110B提供的相移以及由衰减器112提供的衰减可以对于特定的方案实施具有固定值，或者在某些实施中可以具有可变值。
由衰减器112提供给第二移相器110B的输出信号由如下所示的函数(4)表示。
Figure BDA0004139725910000078
其中
在函数(4)中的矩阵的第一列中，当在衰减器112的端口‘1’处接收到信号时，该信号的幅度被指引为γ3信号，γ3是由衰减器112的端口‘2’接收的信号的幅度，具有比例为γ3的幅度减小，
在函数(4)中的矩阵的第二列中，当在衰减器112的端口‘2’处接收到信号时，该信号的幅度被指引为γ3信号，γ3是由衰减器112的端口‘1’接收的信号的幅度，具有比例为γ3的幅度减小，
S4是指由衰减器112提供给第二移相器110B的输出信号。
由第二移相器110B提供给第二180度耦合器106B的经受控移相的输出信号由如下所示的函数(5)表示。
Figure BDA0004139725910000081
其中
在函数(5)中的矩阵的第一列中，当在第二移相器110B的端口‘1’处接收到信号时，该信号的全幅度被指引为
Figure BDA0004139725910000082
信号，/>
Figure BDA0004139725910000083
是由第二移相器110B的端口‘2’接收的信号的幅度，具有相位减量(即时间延迟)/>
Figure BDA0004139725910000084
在函数(5)中的矩阵的第二列中，当在第二移相器110B的端口‘2’处接收到信号时，该信号的全幅度被指引为
Figure BDA0004139725910000085
信号，/>
Figure BDA0004139725910000086
是由第二移相器110B的端口‘1’接收的信号的幅度，具有相位减量(即时间延迟)/>
Figure BDA0004139725910000087
S5是由第二移相器110B提供给第二180度耦合器106B的输出信号。
有益地，由第一移相器110A和第二移相器110B提供的可控相位差允许对由第一辐射器102和第二辐射器104发送的波束即辐射之间的偏斜角度进行控制。具体地，与无法适当地控制相位差以及由此无法适当地控制偏斜角度的传统技术相比，通过由第一移相器110A和第二移相器110B提供的可控相位差，偏斜角度得以减小。
根据实施例，基于第一电磁信号和第二电磁信号的辐射方向图的一个或多个期望特征，确定包括第一移相器110A的第一相移、第二移相器110B的第二相移和衰减器112的衰减的一组参数。第一相移、第二相移和衰减的值使得能够获得辐射方向图的一个或多个期望特征，例如天线设备100A的辐射方向图的期望效率值、辐射方向图之间的期望偏斜值。对衰减值和相移值进行调整，允许找到辐射方向图的偏斜与效率之间的平衡。不同的衰减值使得能够对两个辐射器之间的耦合系数和相位进行控制。此外，选择不同的相移值允许对辐射方向图之间的偏斜进行控制。
根据实施例，辐射方向图的一个或多个特征包括辐射方向图的偏斜。这里的术语辐射方向图的偏斜是指辐射方向图相对于天线设备100A的平面的法线偏离的角度。术语偏斜也可以指波束偏斜。辐射方向图的偏斜优选为低，以使天线设备100A获得良好的系统性能。传统的天线设备具有的辐射方向图的偏斜较高，和/或在输入端口之间具有非常高的耦合。本公开的天线设备100A通过控制由第一移相器110A和第二移相器110B提供的相位差来实现辐射方向图的显著较低的偏斜。
根据实施例，辐射方向图的一个或多个特征包括辐射方向图的指向性。这里的术语指向性是指辐射方向图在特定方向上的集中(例如，在限定方向上的波束成形)。辐射方向图的指向性通常优选为高，以实现天线设备100A的提升的系统性能。传统的天线设备的辐射方向图的指向性较低。与对这种紧密隔开的辐射器独立进行馈给的传统天线设备相比，本公开的天线设备100A通过以组合形式对第一辐射器102和第二辐射器104提供馈给而获得较高的指向性。
根据实施例，辐射方向图的一个或多个特征包括在第一输入端口和第二输入端口处测量的辐射方向图之间的耦合。这里的术语耦合是指第一辐射器102和第二辐射器104之间的电磁相互作用。基于由第一输入端口108A和第二输入端口108B提供的馈给，对辐射方向图之间的耦合进行调整。
图1B为根据本公开的另一实施例的具有联合馈给网络的天线设备的立体图。参考图1B，示出了天线设备100B。天线设备100B包括第一辐射器102和第二辐射器104。另外示出了联合馈给网络116。
联合馈给网络116用于向第一辐射器102和第二辐射器104提供联合馈给。联合馈给网络使天线设备100B能够具有提升的系统性能，例如由第一辐射器102和第二辐射器104发送的电磁辐射的改进的指向性和受控的波束偏斜。联合馈给网络116也可以被称为有耗网络(lossy network)，这是因为在联合馈给网络116中使用了衰减器112(图1A)，由此引入损耗以使得能够对第一辐射器102和第二辐射器104之间的耦合系数和相位进行控制。
放大因数确定两个辐射器的最大指向性，这是因为放大因数的值越高(越接近1)，两个辐射器越均匀地进行辐照。此外，放大因数的值越高，表示两个辐射器之间的耦合越高，这是因为两个辐射器的两个辐射方向图的相位中心将趋于重合。一旦设置了放大因数以达到目标指向性值，天线设备100B的净效率仅受天线设备100B的两个辐射器之间的相位差的影响。
图2A为根据本公开的实施例的天线设备阵列的图示。结合图1A和1B中的元件来描述图2。参考图2A，示出了天线设备阵列200A。天线设备阵列200A包括两个或更多个天线设备，例如天线设备202A至202F，其中每个天线设备具有联合馈给网络，例如联合馈给网络204A。在该实施例中，天线设备阵列200A的每个天线设备包括两个辐射器。例如，第一天线设备202A包括由联合馈给网络204A联合馈给的第一辐射器102和第二辐射器104。如所示，联合馈给网络204A包括第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B、第一输入端口108A、第二输入端口108B、第一移相器110A、第二移相器110B和衰减器112。
天线设备阵列200A包括多个与图1A的天线设备102A和图1B的天线设备102B类似的天线设备。对于天线设备阵列200A中的每个天线设备，天线设备阵列200A均包括对应的联合馈给网络。
在示例中，天线设备阵列200A包括具有第一联合馈给网络204A的第一天线设备202A、具有第二联合馈给网络204B的第二天线设备202B、具有第三联合馈给网络204C的第三天线设备202C，以此类推直到第六天线设备。在这样的示例中，第一天线设备具有第一效率值，第二天线设备具有第二效率值，第三天线设备具有第三效率值，以此类推。因此，天线设备阵列200A具有由如下给出的函数(6)表示的净效率。
Figure BDA0004139725910000091
其中，
η是指天线设备阵列200A的净效率，
ηk是指天线设备(例如第一天线设备202A)的效率，使得η1是第一天线设备202A的第一效率，η2是第二天线设备202B的第二效率，η3是第三天线设备202C的第三效率，以此类推直到第六天线设备202F的第六效率η6。
有益的是，通过天线设备阵列200A将具有不同效率的网络组合，可以实现指向性、波束偏斜和天线效率之间的平衡的权衡。在示例中，天线设备阵列200A使每个天线设备202A至202F的辐射器发送的电磁辐射具有改进的指向性和受控的波束偏斜。
图2B为根据本公开的另一实施例的天线设备阵列的图示。结合图1A、1B和2A中的元件来描述图2B。参考图2B，示出了天线设备阵列200B。天线设备阵列200B包括两个或更多个天线设备。天线设备阵列200B包括第一功率合成器206A和第二功率合成器206B。天线设备阵列200B包括附加的180度耦合器208和附加的移相器210。还示出了第一180度耦合器106A和第二180度耦合器106B、第一输入端口108A、第二输入端口108B、第一移相器110A、第二移相器110B和衰减器112。
天线设备阵列200B包括连接到第一输入端口108A和第二输入端口108B的第一功率合成器206A和第二功率合成器206B。附加的180度耦合器208提供了增强的隔离，并且附加的移相器210提供了对布置在阵列200B中的不同天线设备之间的辐射方向图的偏斜增强的控制。
根据实施例，基于阵列的整体辐射方向图和整体衰减损耗，对每个天线设备的第一移相器110A、第二移相器110B和衰减器112进行配置。这里的整体辐射方向图是指由天线设备阵列200B的天线设备的第一辐射器和第二辐射器辐射的第一电磁信号的组合辐射方向图。这里的整体衰减损耗是指基于由衰减器112产生的衰减的阵列组合损耗。第一移相器110A和第二移相器110B能够控制整体辐射方向图的偏斜，衰减器112能够控制第一辐射器与第二辐射器之间的耦合系数。
根据实施例，天线设备阵列200B包括：被布置成向每个第一输入端口108A提供第一输入信号的第一功率合成器206A；以及被布置成向每个第二输入端口108B提供第二输入信号的第二功率合成器206B。第一功率合成器206A和第二功率合成器206B中的每个功率合成器潜在地用于针对一个相应的独立辐射方向图，通过第一输入端口108A和第二输入端口108B提供输入信号(馈给)。此外，第一功率合成器206A和第二功率合成器206B中的每个功率合成器均用于使多个相移信号组合。在示例中，第一功率合成器206A和第二功率合成器206B中的每个功率合成器还可以将模拟信号传递到一个或多个混频器、一个或多个放大器和一个或多个模数转换器。
有益的是，对于天线设备阵列200B的每个天线设备的(紧密隔开的)第一辐射器和第二辐射器，天线设备阵列200B具有较高的指向性和较低的偏斜。
图3为描绘根据本公开的实施例的天线设备的网络效率的图形表示。参考图3，在天线设备的两个辐射器之间的幅度比和相位差方面示出了天线设备的网络效率的图形表示300。
关于天线设备的两个辐射器之间的不同相位差，图形表示300在X轴302上表示幅度比(以度为单位)，并在Y轴304上表示效率值。效率曲线306表示在相位差为0度的情况下关于不同放大因数的不同效率值。效率曲线308表示在相位差为15度的情况下关于不同放大因数的不同效率值。效率曲线310表示在相位差为30度的情况下关于不同放大因数的不同效率值。效率曲线312表示在相位差为45度的情况下关于不同放大因数的不同效率值。效率曲线314表示在相位差为60度的情况下关于不同放大因数的不同效率值。效率曲线316表示在相位差为75度的情况下关于不同放大因数的不同效率值。效率曲线318表示在相位差为90度的情况下关于不同放大因数的不同效率值。
图4为描绘根据本公开的实施例的天线设备的辐射方向图的图形表示。参考图4，在天线设备的偏斜角度和净效率方面示出了天线设备的辐射方向图的图形表示400。示出了图形表示400的一部分的放大视图400A。
关于天线设备的不同净效率，图形表示400在X轴402上表示偏斜角度值并在Y轴404上表示辐射方向图值(以分贝为单位)。辐射方向图曲线406表示当天线设备的净效率为100％时关于不同偏斜角度的不同辐射方向图值。辐射方向图曲线408表示当天线设备的净效率为92.7％时关于不同偏斜角度的不同辐射方向图值。辐射方向图曲线410表示当天线设备的净效率为87.3％时关于不同偏斜角度的不同辐射方向图值。辐射方向图曲线412表示当天线设备的净效率为83％时关于不同偏斜角度的不同辐射方向图值。辐射方向图曲线414表示当天线设备的净效率为82.1％时关于不同偏斜角度的不同辐射方向图值。
天线设备的两个辐射器之间的相位差参与由天线设备辐射的辐射方向图的偏斜角度。天线设备的净效率与两个辐射器之间的相位差配对。如在图形表示400中所见，具有由例如辐射方向图曲线414表示的较低效率(即较低相位差)的天线设备具有较低的偏斜角度。
图5为描绘根据本公开的实施例的天线设备操作的主平面中的辐射方向图的图形表示。参考图5，在相移和增益方面示出了天线设备的辐射方向图的图形表示500。
图形表示500在圆轴502上表示角度并在水平轴504上表示增益值。辐射方向图曲线506表示对应于输入端口中之一的辐射信号如何在角度区域上分布。辐射方向图曲线508表示对应于另一输入端口的辐射信号如何在角度区域上分布。两个辐射方向图曲线(设备运行的主平面的一部分)示出了对应于一个输入端口的一个辐射方向图曲线506如何向左偏斜，以及对应于另一输入端口的另一辐射方向图曲线508如何向右偏斜。
图6为根据本公开的实施例的与传统的天线设备阵列相比的天线设备阵列的图示。参考图6，示出了在本公开中使用的天线设备阵列602和传统使用的天线设备阵列604。本公开中使用的天线设备阵列602包括第一辐射器606A和第二辐射器606B。传统使用的天线设备阵列604包括传统的第一辐射器608A和传统的第二辐射器608B。
在传统使用的天线设备阵列604中，传统的第一辐射器608A与传统的第二辐射器608B之间的耦合使天线设备604的系统性能降低，这是因为传统的第一辐射器608A和传统的第二辐射器608B被设计成在天线设备阵列604中独立工作。
在本公开使用的天线设备602的阵列中，第一辐射器606A和第二辐射器606B被设计成通过联合馈给网络610进行协作并一起辐射。由此，与传统使用的天线设备阵列604等传统天线系统相比，对耦合进行了控制，并且系统性能得以显著提高。
在不脱离所附权利要求所限定的本公开的范围的情况下，可对上文描述的本公开的实施例进行修改。如“包含”、“包括”、“并入”、“具有”等表述用于描述和要求保护本公开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”。任何被描述为“示例性”的实施例不一定被解释为比其它实施例优选或有利，和/或排除并入其它实施例的特征。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没有提供”。应当理解，为了清楚起见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以组合的形式提供在单个实施例中。相反地，为了清楚起见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以任何合适的组合或视适合性在本公开的任何其它所描述实施例中提供。

Claims (11)

1.一种天线设备(100A、100B)，包括：
第一辐射器(102、606A)，用于辐射第一电磁信号；
第二辐射器(104、606B)，用于辐射第二电磁信号；以及
联合馈给网络(610)，包括依次布置的第一180度耦合器(106A)和第二180度耦合器(106B)；
其中，所述第一180度耦合器(106A)用于通过第一输入端口(108A)接收第一输入信号，以及通过第二输入端口(108B)接收第二输入信号；
其中，所述第二180度耦合器(106B)用于向所述第一辐射器(102、606A)提供第一输出信号，以及向所述第二辐射器(104、606B)提供第二输出信号；
其中，将所述第一180度耦合器(106A)连接到所述第二180度耦合器(106B)的第一路径包括第一移相器(110A)；以及
其中，将所述第一180度耦合器(106A)连接到所述第二180度耦合器(106B)的第二路径包括第二移相器(110B)和衰减器(112)。
2.根据权利要求1所述的天线设备(100A、100B)，其中，包括所述第一移相器(110A)的第一相移、所述第二移相器(110B)的第二相移和所述衰减器(112)的衰减的一组参数是基于所述第一电磁信号和所述第二电磁信号的辐射方向图的一个或多个期望特征确定的。
3.根据权利要求2所述的天线设备(100A、100B)，其中，所述辐射方向图的所述一个或多个特征包括所述辐射方向图的偏斜。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的天线设备(100A、100B)，其中，所述辐射方向图的所述一个或多个特征包括所述辐射方向图的指向性。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的天线设备(100A、100B)，其中，所述辐射方向图的所述一个或多个特征包括在所述第一输入端口和所述第二输入端口处测量的所述辐射方向图之间的耦合。
6.根据任一项前述权利要求所述的天线设备(100A、100B)，其中，所述联合馈给网络(610)被配置成使得所述第一电磁信号和所述第二电磁信号相组合，以形成对应于所述第一输入信号的第一辐射方向图和对应于所述第二输入信号的第二辐射方向图。
7.根据任一项前述权利要求所述的天线设备(100A、100B)，其中，所述第一辐射器(102、606A)和所述第二辐射器(104、606B)用于在一频段中工作。
8.根据权利要求7所述的天线设备(100A、100B)，其中，所述频段对应于一波长，并且其中所述第一辐射器(102、606A)与所述第二辐射器(104、606B)之间的距离小于所述波长。
9.一种天线设备阵列(200A、200B、602)，包括两个或更多个根据任一项前述权利要求所述的天线设备(204)。
10.根据权利要求9所述的阵列(200A、200B、602)，其中，每个天线设备的所述第一移相器(110A)、所述第二移相器(110B)和所述衰减器(112)是基于所述阵列(200A、200B、602)的整体辐射方向图和整体衰减损耗进行配置的。
11.根据权利要求10所述的阵列(200A、200B、602)，还包括：第一功率合成器(206A)，被布置成向所述第一输入端口中的每一个提供所述第一输入信号；以及第二功率合成器(206B)，被布置成向所述第二输入端口中的每一个提供所述第二输入信号。
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