CN116646742A - 用于确定相互耦合的方法 - Google Patents

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CN116646742A CN202310188679.0A CN202310188679A CN116646742A CN 116646742 A CN116646742 A CN 116646742A CN 202310188679 A CN202310188679 A CN 202310188679A CN 116646742 A CN116646742 A CN 116646742A
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Abstract

一种装置，包括：相控阵列天线，用于使用公共频率和时间限制的物理信道资源在多个波束上发送/接收波束形成的信号；该相控阵列天线包括：用于电磁辐射的天线单元阵列，其中天线单元包括：天线元件；第一耦合结构，位于该天线元件的第一侧处，用于操纵与该天线元件第一侧的相邻天线单元的耦合；第二耦合结构，位于该天线元件的与该第一侧相对的第二侧，用于操纵与该天线元件的第二侧处的另一相邻天线单元的耦合；第一耦合结构的耦合因子不同于第二耦合结构的耦合因子；其中天线单元阵列的相邻天线单元是镜像对称结构。

Description

用于确定相互耦合的方法
技术领域
本发明涉及确定波束间干扰。
背景技术
当今和未来的无线通信系统，例如长期演进(LTE)或第五代(5G)，也称为新无线电(NR)，已经设想使用多输入多输出(MIMO)多天线传输技术。由于可用的高带宽，对高吞吐量的不断增加的需求促使无线通信系统(例如5G)使用mm波(毫米波)频率。
相控阵列是在空间上的多个天线的部署，每个天线元件具有幅度和相位调整，以将波束转向所需方向。相控阵列的电子束可操纵性(steerability)和高增益是5G和6G无线系统的关键因素。由于下一代通信利用诸如毫米波(mmW)和(子)THz频带的高频带的宽频谱，因此应通过相控阵列来补偿明显更高的路径损耗。对于相控阵列天线，有源反射系数(ARC)是最重要的性能指标之一。第m个元件的ARC定义如下。
其中，Smn是相控阵列的散射矩阵，N是元件的数目，k是波数，d是元件之间的间距，u是将波束转向角度θ所需的元件之间的相移。ARC基本上是无源反射系数和通过相移项加权的所有其他元件的耦合的总和。
自相控阵列出现以来，在宽扫描角上最小化ARC一直是天线工程师面临的一个极具挑战性的问题。从方程(1)可以看出，当扫描角θ在很大范围内变化时，耦合项对ARC的影响会发生显著变化，特别是当耦合很强时。耦合通常由天线之间的距离决定，对于广角扫描相控阵列，该距离通常限于半波长，以避免光栅波瓣。鉴于这些限制，在广扫描角上保持低ARC是极其困难的。
发明内容
现在，已经发明了一种改进的方法和实施该方法的技术设备，通过该方法减轻了上述问题。各种方面包括方法、装置和包括存储在其中的计算机程序或信号的非瞬态计算机可读介质，其特征在于独立权利要求中所述的内容。在从属权利要求和相应的图像和描述中公开了实施例的各种细节。
独立权利要求陈述了本发明的各种实施例所寻求的保护范围。本说明书中描述的不属于独立权利要求范围的实施例和特征(如果有的话)将被解释为对理解本发明的各种实施例有用的示例。
根据第一方面，提供了一种相控阵列天线，用于使用公共频率和时间限制的(limited)物理信道资源在多个波束上发送/接收波束形成的信号，包括：
用于电磁辐射的天线单元阵列，其中该天线单元包括：
天线元件；
第一耦合结构，位于天线元件的第一侧，用于操纵与天线元件第一侧处的相邻天线单元的耦合；
第二耦合结构，位于天线元件的与所述第一侧相对的第二侧，用于操纵与天线元件的第二侧处的另一相邻天线单元的耦合；
第一耦合结构的耦合因子不同于第二耦合结构的耦合因子；
其中天线单元阵列的相邻天线单元是镜像对称结构。
根据一个实施例，该天线单元还包括：
第三耦合结构，位于天线元件的第三侧，用于操纵电平面中的耦合；
第四耦合结构，位于天线元件的与第三侧相对的第四侧，用于操纵所述电平面中的耦合；以及
第三耦合结构的耦合因子不同于第四耦合结构的耦合因子。
根据实施例，天线单元阵列包括N行和M列天线单元。
根据实施例，相邻行的随时天线单元是镜像对称的，并且相邻列的搜索天线单元是镜像对称的。
根据实施例，天线被设计为在预定频率范围内工作。
根据实施例，第一耦合结构包括第一横杆，第二耦合结构包括第二横杆，其中第一横杆的尺寸不同于第二横杆的尺寸。
根据实施例，第三耦合结构包括第一环，第四耦合结构包括第二环，其中第一环的尺寸不同于第二环的尺寸。
根据实施例，第一耦合结构包括与天线元件电接触的第一短截线，第二耦合结构包括与天线元件电接触的第二短截线，其中第一短截线的尺寸不同于第二短截线的尺寸。
根据实施例，第三耦合结构包括与天线元件电接触的第三短截线，第四耦合结构包括与天线元件电接触的第四短截线，其中第三短截线的尺寸不同于第四短截线的尺寸。
根据第二方面，提供了一种包括相控阵列天线的装置，该相控阵列天线用于使用公共频率和时间限制的物理信道资源在多个波束上发送/接收波束形成的信号，该装置包括：
用于电磁辐射的天线单元阵列，其中所述天线单元包括：
天线元件；
第一耦合结构，位于天线元件的第一侧，用于操纵与天线单元的第一侧处的相邻天线单元的耦合；
第二耦合结构，位于天线元件的与第一侧相对的第二侧，用于操纵与天线元件的第二侧处的另一相邻天线单元的耦合；
第一耦合结构的耦合因子不同于第二耦合结构的耦合因子；
其中天线单元阵列的相邻天线单元是镜像对称结构。
附图说明
为了更完整地理解示例实施例，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：
图1示出了根据实施例的用于结合波束分布布置的装置的示意框图；
图2示意性地示出了根据示例实施例的装置的布局；
图3显示了示例性无线电接入网络的一部分；
图4A和图4B示出了偶极天线的一维1x3线性阵列的示例及其有源反射系数；
图4C和图4D显示了微带贴片天线的二维平面阵列的示例及其在宽二维扫描上的有源反射系数；
图5示出了根据实施例的具有镜像对称散射体的天线阵列的概念图；
图6A和图6B示出了根据实施例的具有镜像对称环作为散射体的1x3偶极天线阵列的示例和相应S参数；
图6C和图6D示出了根据实施例的具有镜像对称散射体的贴片天线的平面阵列的示例和宽扫描角上的对应S参数；
图6E和图6F示出了根据实施例的镜像对称天线的平面阵列和宽扫描角上的对应S参数的示例；以及
图7显示了根据一种方法的天线布置和用于天线布置的驱动电路的示例的简化框图。
具体实施方式
下面更详细地描述了实施有源反射系数管理的合适的装置和可能的机制。尽管以下关注于5G网络，但下文进一步描述的实施例决不限于仅在所述网络中实现，而是它们适用于实现MU-MIMO(多用户多输入-多输出)传输的任何网络。
在这方面，首先参考图1和图2，其中图1示出了示例性装置或电子装置50的示意框图，其可以合并根据实施例的布置。图2示出了根据示例实施例的装置的布局。接下来将解释图1和图2的元件。
电子装置50例如可以是无线通信系统的移动终端或用户设备。装置50可以包括用于合并和保护设备的壳体30。装置50还可以包括显示器32和键盘34。代替键盘，用户接口可以被实现为作为触敏显示器的一部分的虚拟键盘或数据输入系统。
该装置可以包括麦克风36或任何合适的音频输入，其可以是数字或模拟信号输入。装置50还可以包括音频输出设备，例如耳机38、扬声器或模拟音频或数字音频输出连接中的任何一个。装置50还可以包括电池40(或者该设备可以由任何合适的移动能源设备供电，例如太阳能电池、燃料电池或发条发电机)。该装置还可以包括能够记录或捕获图像和/或视频的相机42。装置50还可以包括红外端口41，用于与其他设备的近距离视线通信。在其他实施例中，装置50还可以包括任何合适的短程通信解决方案，例如，蓝牙无线连接或USB/火线(firewire)有线连接。
装置50可以包括用于控制装置50的控制器56或处理器。控制器56可以连接到存储器58，存储器58可以存储用于在控制器56上实现的用户数据和指令。存储器可以是随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)。存储器可以存储计算机可读的、计算机可执行的软件，包括当被执行时使控制器/处理器执行本文描述的各种功能的指令。在一些情况下，该软件可能不可由处理器直接执行，但可使计算机(例如，当编译和执行时)执行本文描述的功能。控制器56还可以被连接到编解码器(CODEC)电路54，该编解码器电路适合于执行音频和/或视频数据的编码和解码，或者帮助由控制器执行的编码和解码。
装置50可以包括连接到控制器的无线电接口电路52，该无线电接口电路适合于生成例如用于与蜂窝通信网络、无线通信系统或无线局域网通信的无线通信信号。装置50还可以包括连接到无线电接口电路52的天线44，用于将在无线电接口电路51处生成的射频信号发送到(多个)其他装置，并用于从(多个)其他装置接收射频信号。
在下文中，将使用基于高级长期演进(LTE-Advanced，LTE-a)或新无线电(NR，5G)的无线电接入架构作为可应用实施例的接入架构的示例来描述不同的示例性实施例，然而，不将实施例限于这样的架构。本领域技术人员认识到，通过适当地调整参数和过程，实施例也可以应用于具有适当部件的其他类型的通信网络。适合系统的其他选项的一些示例是通用移动电信系统(UMTS)无线电接入网络(UTRAN或E-UTRAN)、长期演进(LTE，与E-UTRA相同)、无线局域网(WLAN或WiFi)、全球微波接入互操作性(WiMAX)、个人通信服务(PCS)、紫峰/>宽带码分多址(WCDMA)、使用超宽带(UWB)技术的系统、传感器网络、移动自组织网络(MANET)和因特网协议多媒体子系统(IMS)或其任何组合。
图3描述了简化系统架构的示例，仅显示了一些元件和功能实体，它们都是逻辑单元，其实现可能与所示不同。图3所示的连接是逻辑连接；实际的物理连接可能不同。对于本领域技术人员来说，显而易见的是，该系统通常还包括图3所示以外的其他功能和结构。然而，实施例不限于作为示例给出的系统，但本领域技术人员可以将该解决方案应用于具有必要性能的其他通信系统。
图3的示例示出了示例性无线电接入网络的一部分。
图3示出了用户设备300和用户设备302，用户设备300和用户设备302被配置为在小区中的一个或多个通信信道上与提供该小区的接入节点(例如(e/g)节点B(NodeB))304无线连接。从用户设备到(e/g)节点B的物理链路被称为上行链路或反向链路，而从(e/g)节点B到用户设备的物理链路则被称为下行链路或前向链路。应当理解，(e/g)节点B或其功能可以通过使用适合于这种使用的任何节点、主机、服务器或接入点等实体来实现。
通信系统通常包括多于一个(e/g)节点B，在这种情况下，(e/g)节点B也可以被配置为通过为此目的而设计的有线或无线链路彼此通信。这些链路可用于信令目的。(e/g)节点B是被配置为控制其耦合到的通信系统的无线电资源的计算设备。节点B也可以被称为基站、接入点或任何其他类型的接口设备，包括能够在无线环境中操作的中继站。(e/g)节点B包括或耦合到收发器。从(e/g)节点B的收发器向建立到用户设备的双向无线电链路的天线装置(unit)提供连接。天线装置可以包括多个天线或天线元件。(e/g)节点B进一步连接到核心网络310(CN或下一代核心NGC)。取决于系统，CN侧的对应方可以是服务网关(S-GW，路由和转发用户数据分组)、用于提供用户设备(UE)到外部分组数据网络的连接性的分组数据网络网关(P-GW)或移动管理实体(MME)等。CN可以包括网络实体或可以称为管理实体的节点。网络实体的示例至少包括接入和移动性管理功能(AMF)。
用户设备(也称为用户设备(UE)、用户终端、终端设备、无线设备、移动站(MS)等)示出了空中接口上的资源被分配和分指派给的一种类型的设备，因此，本文中针对用户设备描述的任何特征都可以用相应的网络装置实现，例如中继节点、eNB和gNB。这种中继节点的示例是朝向基站的层3中继(自回程中继)。
用户设备通常指包括利用或不用订户标识模块(SIM)操作的无线移动通信设备的便携式计算设备，包括但不限于以下类型的设备：移动站(移动电话)、智能手机、个人数字助理(PDA)、电话听筒、使用无线调制解调器(报警或测量设备等)的设备、膝上型电脑和/或触摸屏计算机、平板电脑、游戏控制台、笔记本电脑和多媒体设备。应当理解，用户设备也可以是几乎排他性的仅上行链路设备，其示例是将图像或视频剪辑加载到网络的相机或摄像机。用户设备也可以是具有在物联网(IoT)网络中操作的能力的设备，物联网是一种场景，其中物体被提供在网络上传递数据而不需要人对人或人对机交互的能力。因此，用户设备可以是物联网设备。用户设备还可以利用云。在一些应用中，用户设备可以包括具有无线电部件(例如手表、耳机或眼镜)的小型便携式设备，并且计算在云中进行。用户设备(或在一些实施例中，层3中继节点)被配置为执行一个或多个用户设备功能。用户设备还可以被称为订户单元、移动站、远程终端、接入终端、用户终端或用户设备(UE)，仅提及几个名称或装置。
本文描述的各种技术也可以应用于网络物理系统(CPS)(控制物理实体的协作计算元件的系统)。CPS可以实现和利用嵌入不同位置的物理对象中的大量互连ICT设备(传感器、致动器、处理器、微控制器等)。移动网络物理系统是网络物理系统的一个子类别，其中所涉及的物理系统具有固有的移动性。移动物理系统的示例包括由人或动物运输的移动机器人和电子设备。
此外，尽管装置被描述为单个实体，但可以实现不同的单元、处理器和/或存储器单元(图1中未全部显示)。
5G支持使用多输入多输出(MIMO)天线，比LTE(所谓的小小区概念)更多的基站或节点，包括与较小站合作运行的宏站点，并根据服务需求、使用情况和/或可用频谱使用多种无线电技术。无线电网络的接入节点形成发射/接收(TX/Rx)点(TRP)，并且UE期望接入至少部分重叠的多TRP的网络，例如宏小区、小小区、微微小区、毫微微小区、远程无线电头、中继节点等。接入节点可以被提供有大规模MIMO天线，即由例如数百个天线元件组成的非常大的天线阵列，在单个天线面板或多个天线面板中实现，能够使用多个同时的无线波束与UE通信。UE可以被提供有MIMO天线，该MIMO天线具有由例如几十个天线元件组成的天线阵列，该天线阵列被实现在单个天线面板或多个天线面板中。因此，UE可以使用一个波束来接入一个TRP，使用多个波束来接入一个TRP，使用一个(公共)波束来接入多个TRP，或者使用多个波束来接入多个TRP。
4G/LTE网络支持一些多TRP方案，但在5G NR中，例如通过经由多TRP传输多个控制信号来增强多TRP特性，这能够提高链路分集增益。此外，高载波频率(例如，mm波)与大规模MIMO天线一起需要用于多TRP技术的新波束管理程序。
5G移动通信支持广泛的用例和相关应用，包括视频流、增强现实、不同的数据共享方式和各种形式的机器类型应用(例如(大规模)机器类型通信(mMTC)，包括车辆安全、不同的传感器和实时控制。5G预计将具有多个无线电接口，即6GHz以下、厘米波(cmWave)和毫米波(mmWave)，并且还能够与LTE等现有传统无线电接入技术集成。至少在早期阶段，可以将与LTE的集成实现为系统，其中宏覆盖由LTE提供，并且5G无线电接口接入通过向LTE的聚合来自小小区。换言之，5G计划支持RAT间操作性(诸如LTE-5G)和RI间操作性(无线电接口间操作性，如低于6GHz–厘米波，低于6GHz-厘米波–毫米波)。5G网络中考虑使用的概念之一是网络切片，其中可以在同一基础设施内创建多个独立的专用虚拟子网络(网络实例)，以运行对延迟、可靠性、吞吐量和移动性有不同要求的服务。
5G NR的频带分为两个频率范围：频率范围1(FR1)包括子6GHz的频带，即先前标准传统上使用的频带，但也包括扩展到涵盖从410MHz到7125MHz的潜在新频谱供应的新频带，以及频率范围2(FR2)包括从24.25GHz到52.6GHz的频带。因此，FR2包括毫米波范围中的频带，由于其较短的范围和较高的可用带宽，与FR1中的频带相比，在无线电资源管理中需要一些不同的方法。
LTE网络中的当前架构完全分布在无线电中，并且完全集中在核心网络中。5G中的低延迟应用和服务需要将内容靠近无线电，这导致了本地爆发和多接入边缘计算(MEC)。5G使分析和知识生成能够在数据源进行。这种方法需要利用可能无法持续连接到网络的资源，如笔记本电脑、智能手机、平板电脑和传感器。MEC为应用程序和服务托管提供了分布式计算环境。它还能够在蜂窝订户附近存储和处理内容，以加快响应时间。边缘计算涵盖了广泛的技术，如无线传感器网络、移动数据采集、移动签名分析、协作分布式对等自组织网络和处理，也可分为本地云/雾计算和网格/网(grid/mesh)计算、露(dew)计算、移动边缘计算、微云(cloudlet)、分布式数据存储和检索、自主自愈网络、远程云服务、增强和虚拟现实、数据缓存、物联网(大规模连接和/或延迟关键)、关键通信(自动驾驶车辆、交通安全、实时分析、时间关键控制、医疗应用)。
通信系统还能够与诸如公共交换电话网络或因特网312之类的其他网络通信，或者利用它们提供的服务。通信网络还可以支持云服务的使用，例如，至少部分核心网络操作可以作为云服务执行(如图3中“云”314所示)。通信系统还可以包括中央控制实体等，其为不同运营商的网络提供设施以例如在频谱共享中进行合作。
边缘云可以通过利用网络功能虚拟化(NFV)和软件定义的联网(SDN)被带入无线接入网络(RAN)。使用边缘云可以意味着至少部分地在服务器、主机或节点中执行接入节点操作，该服务器、主机或者节点可操作地耦合到包括无线电部件的远程无线电头或基站。节点操作也可能分布在多个服务器、节点或主机之间。云RAN架构的应用使得RAN实时功能能够在RAN侧(在分布式单元DU中)执行，而非实时功能能够以集中式方式(在集中式单元CU308中)执行。
还应当理解，核心网络操作和基站操作之间的劳动分配可能不同于LTE的劳动分配，或者甚至不存在劳动分配。可能使用的其他一些技术进步是大数据和全IP，这可能会改变网络的构建和管理方式。5G(或新无线电，NR)网络被设计为支持多层级结构，其中MEC服务器可以放置在核心和基站或节点B(gNB)之间。应当理解，MEC也可以应用于4G网络。gNB是支持5G网络(即NR)的下一代节点B(或新节点B)。
5G还可以利用非地面节点306(例如，接入节点)来增强或补充5G服务的覆盖，例如，通过提供回程、对无线设备的无线接入、机器对机器(M2M)通信的服务连续性、物联网(IoT)设备的服务连续性、车辆船上的乘客的服务连续性、确保对关键通信的服务可用性和/或确保未来铁路/海上/航空通信的服务可用性。非地面节点可能相对于地球表面具有固定位置，或者非地面节点可能是可移动的非地面节点，可能相对于地球表面而移动。非地面节点可以包括卫星和/或HAPS。卫星通信可以利用地球静止轨道(GEO)卫星系统，也可以利用低地球轨道(LEO)卫星系统、特别是巨型星座(其中部署了数百颗(纳米)卫星的系统)。巨型星座中的每一颗卫星可以覆盖多个支持卫星的网络实体，这些实体创建地面小区。地面小区可以通过地面中继节点304或通过位于地面或卫星中的gNB来创建。
本领域技术人员理解，所描述的系统只是无线电接入系统的一部分的示例，并且在实践中，该系统可以包括多个(e/g)节点B，用户设备可以接入多个无线电小区，并且该系统还可以包括其他装置，例如物理层中继节点或其他网络元件等。(e/g)节点B中的至少一个或可以是家庭(e/g)节点B。此外，在无线电通信系统的地理区域中，可以提供多个不同种类的无线电小区以及多个无线电小区。无线电小区可以是宏小区(或伞形小区)，其是大小区，通常具有高达几十公里的直径，或更小的小区，例如微、毫微微或微微小区。图1的(e/g)节点B可以提供任何类型的这些小区。蜂窝无线电系统可以实现为包括多种小区的多层网络。通常，在多层网络中，一个接入节点提供一种或多种小区，因此需要多个(e/g)节点B来提供这样的网络结构。
为了满足提高通信系统部署和性能的需要，引入了“即插即用”(e/g)节点B的概念。通常，一个能够使用“即插即用”(e/g)节点B的网络，除了家庭(e/g)节点(H(e/g)节点B)之外，还包括家庭节点B网关或HNB-GW(图1中未显示)。通常安装在运营商网络内的HNB网关(HNB-GW)可以将来自大量HNB的流量聚合回核心网络。
无线资源控制(RRC)协议用于各种无线通信系统中，用于定义UE和基站(例如eNB/gNB)之间的空中接口。该协议由3GPP在用于LTE的TS 36.331和用于5G的TS 38.331中规定。就RRC而言，UE可以在LTE和5G中以空闲模式或连接模式操作，其中可用于UE的无线电资源取决于UE当前所在的模式。在5G中，UE也可以在非活动模式下操作。在RRC空闲模式中，UE没有用于通信的连接，但UE能够监听寻呼消息。在RRC连接模式中，UE可以在不同的状态下操作，例如小区_DCH(专用信道)、小区_FACH(前向接入信道)、小区_PCH(小区寻呼信道)和URA_PCH(URA寻呼信道)。UE可以经由诸如广播控制信道(BCCH)、寻呼控制信道(PCCH)、公共控制信道(CCCH)、专用控制信道(DCCH)、专用业务信道(DTCH)之类的各种逻辑信道与eNB/gNB通信。
状态之间的转换由RRC的状态机控制。当UE通电时，它处于断开模式/空闲模式。UE可以通过初始附着或连接建立转换到RRC连接模式。如果短时间内没有来自UE的活动，eNB/gNB可以通过移动到RRC非活动来暂停其会话，并且可以通过移动至RRC连接模式来恢复其会话。UE可以从RRC连接模式或从RRC非活动模式移动到RRC空闲模式。
从网络到UE的实际用户和控制数据通过下行链路物理信道传输，在5G中，下行链路物理信道包括承载必要下行链路控制信息(DCI)的物理下行链路控制信道(PDCCH)、承载用户数据和系统信息的物理下行链路共享信道(PDSCH)以及物理广播信道(PBCH)，其携带使UE能够接入5G网络所需的系统信息。
从UE到网络的用户和控制数据是通过上行链路物理通道传输的，其中5G包括物理上行链路控制信道(PUCCH)，该信道(PUCCH)用于上行链路控制信息，包括HARQ反馈确认，调度请求和下行链路信道，以及用于链接适应的下行链路信道状态信息，用于上行链路数据传输的物理上行链路共享通道(PUSCH)和物理随机接入信道(PRACH)，UE用于请求连接设置为随机接入。
对于5G技术，最重要的设计目标之一是提高可靠性和延迟指标，以及网络弹性和灵活性。
特别是当考虑到UE在包括毫米波范围的频率范围2(FR2；24.25GHz至52.6GHz)中的操作时，预期UE实现具有多个天线面板(多面板UE，MPUE)，以在大的立体角上执行波束控制，从而最大化可靠性。
在FR2中，预期gNB和UE都使用“窄”波束进行操作，这意味着gNB使用比扇区宽波束窄的辐射方向图进行操作，而UE使用比全向波束窄的辐射方向图进行操作。波束成形数据传输通过应用幅度和相位预编码/波束成形权重(即，波束权重)在期望方向上从天线阵列中的所有元件发送信号来实现。在诸如基站(gNb)之类的网络单元的大规模MIMO中，来自大型天线阵列的波束形成传输向期望的用户设备(UE)提供了改进的信号强度，但是如果波束在其他UE的方向上产生不希望的干扰，则可能对其他UE产生显著干扰。
在多用户MIMO(MU-MIMO)中，可以在频率-时间资源上同时调度多个用户，同时在用户的主导方向传发送波束形成的信号。MU-MIMO通过在同一物理资源块(PRB)上的同一时隙中共同调度多个UE来提高系统吞吐量。只有当朝向一个UE的波束形成传输不对其他共同调度的UE产生太多干扰时，MU-MIMO的益处才能实现。
基于波束的操作的原因取决于需要增加阵列/天线增益以补偿毫米波处的较高耦合损耗，但这也带来了一些技术限制。基于波束的操作需要gNB和UE之间良好的波束对应性，这是很难保持的，因为对于非常窄的波束，因此在空间域中具有很大的自由度，它对gNB与UE之间的阻塞和波束失准以及UE的移动性和旋转效应非常敏感。
波束之间的相关性计算的一种方法是执行其波束权重的点积或内积，即，其中b1和b2是波束1和波束2的nTRX×1-长度波束权重向量。有时，干扰也计算为‖b′1 Hb′2‖2，其中b′1和b′2是对应于单个极化的/>-长度波束权重向量。该方法可能导致对一个波束到另一个波束的干扰的不准确估计。这是因为该度量仅计算来自另一波束的瞄准线波束方向上的一个波束的干扰，但是当UE将该波束报告为最佳波束时，UE可以位于波束的波束支配方向上的任何位置。
图4A显示了偶极天线的1x3线性(1D)阵列，图4B显示了其有源反射系数(有源S2)。偶极天线之间的距离d为半波长，激发振幅均匀，并且在元件之间指派相移以控制波束。此外，对天线阵列进行了优化，以便在宽边(broadside)(θ＝0°)进行匹配，这是典型的相控阵列设计工作流程。如图4B所示，有源阻抗匹配很快偏离了宽边状态(～-25dB)，并且随着扫描角的增加而变差。ARC降级会降低相控阵列增益和总体系统效率。这可以从这个简单的1x3阵列示例中如何计算ARC来理解：
ARC2＝S22+S21·e+jφ+S23·e-jφ (2)
由于S21＝S23，ARC可以表示如下：
ARC2＝S22+2·S21·cos(φ)＝S22+2·S21·cos(kd·sinθ) (3)
从等式(3)可以看出，耦合项(S21和S23)与余弦加权因子相干地相加。在该示例中，S22约为-9dB，S21和S23约为-15dB。在宽边(θ＝0°)，增加了耦合项S22、S21、S23以实现良好的ARC。然而，随着扫描角偏离宽边，ARC会迅速退化。最小化耦合将使ARC对扫描角不太敏感，但如上所述，耦合由元件之间的间距决定，通常被限制为半波长。
不仅对于线性阵列，而且对于平面阵列，有源反射系数问题可能非常严重。图4C示出了微带贴片天线AE的二维(2D)平面阵列的示例，图4D显示了其在宽2D扫描上的ARC。同样，这种天线布置可以在瞄准线(boresight)(θ＝0°)处实现出色的阻抗匹配，但ARC随着扫描角的增加而降低。
在下文中，根据各种实施例，将更详细地描述用于天线阵列的增强布置。天线阵列包括多个天线元件，例如偶极子天线或贴片天线，以及位于辐射元件两侧的两个或多个耦合结构。在本公开中，天线元件也可以称为辐射元件。在本公开中，天线元件和与天线元件相关联的耦合结构也可以称为天线单元或辐射单元。
根据一些实施例，天线阵列利用相控阵列装置单元中的不对称性及其镜像对称(MirSy)部署来实现广角扫描上的低ARC。对于这样的相控阵列，与相邻装置单元的耦合变得不相同，因此，它们不像通常的相控阵列那样相干地相加。图5描述了本公开的一般概念。在整个阵列中部署天线元件，并在天线元件之间添加不对称的E平面散射体和H平面散射体。在该配置中，由于磁场散射体H1和H2，来自一个装置单元的向左和向右的耦合是不同的，并且电场散射体E1和E2在E平面(垂直)耦合中产生不对称性。在耦合中产生不对称性的目的是防止或至少减少ARC中耦合项的相干求和，如方程(2)和(3)所述。通过适当设计这样的散射体，ARC对扫描角的敏感性可以大大降低。
由于在大型相控阵列中为每个装置单元设计任意散射体可能不可行，因此采用镜像对称性来最小化设计复杂性。如图5的示例所示，电场(E)散射体E1、E2和磁场(H)散射体H1、H2分别沿水平线和垂直线镜像。这如图5所示，因此在天线元件AE的水平行中，磁场(平面)散射体H1，H2在天线元件旁边以交替的顺序布置，使得在最左侧的天线元件处，第一磁平面散射体H1位于天线元件AE的左侧，第二磁平面散射体H2位于天线元件AE的右侧；在水平方向上的下一个天线元件处，第一磁平面散射体H1位于天线元件AE的右侧，第二磁平面散射体H2位于天线元件AE的左等等。相应地。在天线元件AE的垂直行中，电场(平面)散射体E1、E2以交替的顺序布置，使得在最顶部的天线元件处，第一电平面散射体E1位于天线元件AE上方，并且第二电平面散射体E2位于天线元件AE下方；在垂直方向上的下一个天线元件处，第一电平面散射体E1在天线元件AE下方，并且第二电平面散射体E2在天线元件AE上方，等等。
应当注意，术语左、右、上和下在这里仅用作参考图5的说明，但在实际实现中，磁平面散射体H1、H2可以位于相对于天线元件的两个相对侧，而电平面散射体E1、E2可以位于相对于天线元件的两个其他相对侧。
由于这类镜像对称散射体每两个装置单元重复一次，因此在具有周期性边界条件的设计过程中，只能包括四个(2x2)装置单元。然后可以重复这样的2x2装置单元以获得期望尺寸的天线阵列。例如，8x8天线阵列可以通过在两行中实现两个2x2装置单元来获得，即，以2x2阵列的形式实现四个2x2装置单元。
应当注意，镜像对称性不限于散射体，但是，例如，辐射器本身可以不对称地设计并镜像，这将在本公开稍后描述。
与其他广扫描角阻抗匹配方法相比，该方法不需要额外的电介质或电路层。事实上，广角扫描的ARC的问题仅在天线孔径层上解决，而不增加成本。因此，本公开的实施例可适用于几乎任何类型的相控阵列天线。此外，对于5G/6G应用，天线布置和方法可以扩展到包括mmW和(子)THz频带的任何频率范围。
一个关键方面是与相邻装置单元的不对称耦合，因此它们不会相干地添加到ARC中。不对称性可以通过不同的几何形式(如散射体、短截线等)来实现。在本公开中，影响电平面和磁平面中的耦合的不对称性的这种元件也可以被称为耦合操纵结构或耦合操纵元件。
在下文中，参考图6A-图6F描述了三种示例性相控阵列设计及其在宽扫描范围内的ARC性能。
图6A示出了天线布置60的一个实施例，该天线布置60包括具有不对称环形散射体62的1x3线性偶极天线阵列61。环形散射体62中间的虚线表示镜像对称平面的位置。由于散射体62的不同耦合因子，从中间天线元件61.1经由第一散射体62.1到右侧相邻天线元件61.2的耦合(S23)比从中间天线元件61.1经由第二散射体62.2到左侧相邻天线元件61.2的耦合(S21)强得多。优化了散射体62的尺寸后，该相控阵列天线可以在整个扫描范围内实现低于-10dB的ARC，如图6B所示。
图6C示出了天线布置60的另一个实施例，该天线布置60包括具有镜像对称散射体62的微带贴片天线61的平面阵列。环形散射体62.1、62.2用于操纵磁平面(H平面)耦合，横杆散射体62.3、62.4控制电平面(E平面)耦合。由于镜像对称性，优化过程中仅包含具有周期性边界条件(BC)的2x2子阵列63。同样在图6C中，环形散射体62中间的虚线表示镜对称平面的位置。优化后，在垂直和水平方向复制2x2子阵列63，从而获得8x8有限相控阵。对该阵列进行了模拟，上半球的ARC被示出为图6D的轮廓图。可以看出，在极宽的扫描角(-70°<θ<+70°，)下，ARC低于-10dB。全半球最差的ARC仍然低于-7dB。
如果两个相对边的长度相等，而另两个相对的边的长度也相等，则环形散射体也可以称为平行四边形散射体，但这两个长度不必相等。如果平行四边形的角各为90度，则该结构也可以称为矩形。
为了证明耦合操纵可以通过除散射体之外的任意几何形状实现，设计了具有镜像对称短截线的微带贴片阵列，如图6E所示。这里，T形短截线64.1、64.2形成在贴片61的相对侧，使得一个贴片61的T形短截线64.1和64.2不相同，但在它们的几何形状上具有一些差异，以在电平面中提供不同的耦合。相应地，L形短截线64.3、64.4在贴片61的相对侧上相对于T形短截线64.1、64.2在正交方向上形成，使得一个贴片61的L形短截线64.3和64.4不相同，但在它们的几何形状上具有一些差异，以在磁平面中提供不同的耦合。短截线64.1、64.2、64.3、64.4与贴片61电接触。
图6E显示了仿真结果。ARC的轮廓图表明，通过这种镜像对称短截线64.1、64.2、64.3、64.4，可以在宽扫描范围内实现类似的ARC性能。
耦合操纵元件的尺寸和形式在不同的实施例中可以是不同的，并且还可以取决于用于这种天线布置的频率范围。天线元件的设计也可能影响耦合操纵元件的设计。
应当注意，相邻天线61之间的间隙中的耦合操纵元件可以被认为是一个天线的耦合操纵元件和相邻天线的相邻耦合操纵元件的组合。例如，环形耦合操纵元件的第一部分将被视为一个天线的耦合操纵元件，环形耦合操作元件的第二部分将被认为是相邻天线的耦合操作元件，如图6A和图6C中的镜像对称平面所示。
天线布置可以设计成在预定频率范围f1至f2、f2＞f1下工作。因此，可以将天线布置中的天线元件的相互距离d调整为在感兴趣的最高频率处的波长的一半左右。根据一个实施例，距离d是两个相邻天线的中心线之间的距离。当天线单元网格的几何形状非常规则(例如矩形)时，中心线可能很容易确定，但是对于更复杂的几何形状，中心线可以例如基于单元形状的周期性来估计或确定。
在一些实施例中，可以在衬底表面上具有导电层的衬底上制造天线布置，其中可以通过去除(例如通过蚀刻)导电层的不必要区域来形成天线和耦合操纵结构的图案。
图7示出了根据一种方法的天线布置60和用于天线布置60的驱动电路65的示例的简化框图。驱动电路65包括用于天线布置61的每个天线单元的移相器。在该示例中，天线布置61是天线单元61.1-61.4的1x4阵列，但类似的原理也适用于天线布置中不同数目的天线单元。RF部分52提供用于由天线布置60传输的射频信号。射频信号被提供给驱动电路的移相器65.1-65.4。移相器65.1-65.4对射频信号造成的相移被设置为使得天线布置60的辐射方向图的主波束指向期望的传输方向，该传输方向可以在装置50的操作期间改变。当天线布置60用于接收射频信号时，可以使用类似的原理，其中每个移相器65.1-65.4对由天线元件接收的信号产生一定的相移，使得天线布置60的辐射方向图指向期望的接收方向。
根据一个方面的诸如基站(gNb)的装置包括多输入多输出(MIMO)天线，其包括用于使用公共频率和时间限制的物理信道资源来发送波束形成的信号的天线单元阵列；用于调整提供给天线单元的信号的相移以获得具有朝向期望传输方向的主波束的辐射方向图的布局。
通常，本发明的各种实施例可以在硬件或专用电路或其任何组合中实现。虽然本发明的各个方面可以说明并描述为框图或使用其他一些图形表示，但众所周知，本文所述的这些块、装置、系统、技术或方法可以作为非限制示例，硬件、软件、固件、特殊用途电路或逻辑，通用硬件或控制器或其他计算设备或某些组合。
本发明的实施例可以在诸如集成电路模块的各种组件中实践。集成电路的设计大体上是一个高度自动化的过程。复杂而强大的软件工具可用于将逻辑级设计转换为准备在半导体衬底上蚀刻和形成的半导体电路设计。
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上述描述通过示例性和非限制性示例提供了本发明示例性实施例的完整和信息性描述。然而，当结合附图和所附示例阅读时，鉴于上述描述，相关领域的技术人员可能会发现各种修改和适应。然而，本发明教导的所有这些和类似修改仍将落入本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种相控阵列天线，用于使用公共频率和时间限制的物理信道资源在多个波束上发送/接收波束形成的信号；所述相控阵列天线包括：
用于电磁辐射的天线单元阵列，其中所述天线单元包括：
天线元件；
第一耦合结构，位于所述天线元件的第一侧，用于操纵与所述天线元件的第一侧处的相邻天线单元的耦合；
第二耦合结构，位于所述天线元件的与所述第一侧相对的第二侧，用于操纵与所述天线元件的所述第二侧处的另一相邻天线单元的耦合；
所述第一耦合结构的耦合因子不同于所述第二耦合结构的耦合因子；
其中所述天线单元阵列的相邻天线单元是镜像对称结构。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述第一耦合结构包括第一横杆，并且所述第二耦合结构包括第二横杆，其中所述第一横杆的尺寸不同于所述第二横杆的尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的天线，其中所述第一耦合结构包括与所述天线元件电接触的第一短截线，并且所述第二耦合结构包括与所述天线元件电接触的第二短截线，其中所述第一短截线的尺寸不同于所述第二短截线的尺寸。
4.根据权利要求1或2所述的天线，包括：
第三耦合结构，位于天线元件的第三侧，用于操纵所述电平面中的耦合；
第四耦合结构，位于所述天线元件的与所述第三侧相对的第四侧，用于操纵所述电平面中的耦合；以及
所述第三耦合结构的耦合因子不同于所述第四耦合结构的耦合因子。
5.根据权利要求4所述的天线，其中所述天线单元阵列包括N行和M列天线单元。
6.根据权利要求5所述的天线，其中相邻行的所述天线单元是镜像对称的，并且相邻列的所述天线单元是镜像对称的。
7.根据权利要求4所述的天线，其中所述第三耦合结构包括第一环，并且所述第四耦合结构包括第二环，其中所述第一环的尺寸不同于所述第二环的尺寸。
8.根据权利要求7所述的天线，其中所述第三耦合结构包括与所述天线元件电接触的第三短截线，并且所述第四耦合结构包括与所述天线元件电接触的第四短截线，其中所述第三短截线的尺寸不同于所述第四短截线的尺寸。
9.根据权利要求1、2或5-8中任一项所述的天线，其中所述一个天线元件的所述第一耦合结构和相邻天线元件的第二耦合结构被组合为所述一个天线元件与所述相邻天线元件之间的一个耦合操纵结构。
10.一种装置，包括相控阵列天线，所述相控阵列天线用于使用公共频率和时间限制的物理信道资源在多个波束上发送/接收波束形成的信号；所述相控阵列天线包括：
用于电磁辐射的天线单元阵列，其中所述天线单元包括：
天线元件；
第一耦合结构，位于所述天线元件的第一侧，用于操纵与所述天线单元的第一侧处的相邻天线单元的耦合；
第二耦合结构，位于所述天线元件的与所述第一侧相对的第二侧，用于操纵与所述天线元件的所述第二侧处的另一相邻天线单元的耦合；
所述第一耦合结构的耦合因子不同于所述第二耦合结构的耦合因子；
其中所述天线单元阵列的相邻天线单元是镜像对称结构。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一耦合结构包括第一横杆，并且所述第二耦合结构包括第二横杆，其中所述第一横杆的尺寸不同于所述第二横杆的尺寸。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述第一耦合结构包括与所述天线元件电接触的第一短截线，并且所述第二耦合结构包括与所述天线单元电接触的第二短截线，其中所述第一短截线的尺寸不同于所述第二短截线的尺寸。
13.根据权利要求10或11所述的装置，包括：
第三耦合结构，位于天线元件的第三侧，用于操纵所述电平面中的耦合；
第四耦合结构，位于所述天线元件的与所述第三侧相对的第四侧，用于操纵所述电平面中的耦合；以及
所述第三耦合结构的耦合因子不同于所述第四耦合结构的耦合因子。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述天线单元阵列包括N行和M列天线单元。
15.根据权利要求14所述的装置，其中相邻行的所述天线单元是镜像对称的，并且相邻列的所述天线单元是镜像对称的。
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