CN116783777A - 馈电网络、天线、天线系统、基站及波束赋形方法 - Google Patents

馈电网络、天线、天线系统、基站及波束赋形方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了馈电网络、天线、天线系统、基站及波束赋形方法。天线包括阵列天线、馈电网络及天线端口；阵列天线包括多个辐射单元；各馈电网络的各路输出分别与阵列天线中的至少一辐射单元连接；各馈电网络的各路输入与天线端口连接。每个馈电网络具有一路输入和两路输出，且两路输出的其中一路上包含移相器；移相器具有第一工作状态，第一工作状态是指：所述两路输出信号的相位差中，至少两个频段的信号的相位差不同，从而可以使每个频段下对应的波束赋形在空间上分布不同，且形成空间上的互补，增大了波束赋形的覆盖空间。

Description

馈电网络、天线、天线系统、基站及波束赋形方法 技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种馈电网络、包括该馈电网络的天线、包括该天线的天线系统、基站及波束赋形方法。
背景技术
基站天线是移动用户终端与无线网络射频前端间的衔接设备，主要用于进行无线信号的小区覆盖。基站天线通常包括阵列天线、馈电网络与天线端口。其中阵列天线由不同频率辐射单元所组成的若干独立阵列构成，各列的辐射单元通过各自的馈电网络传递接收或发射射频信号。馈电网络可以通过传动部件实现不同辐射波束指向，或者与校准网络连接以获取系统所需的校准信号。馈电网络与天线端口间还可能存在合路器、滤波器等用于扩展性能的模块。
基站天线、与其连接的收发信机(TRX)一同构成基站的天线系统。后面以射频拉远单元(RRU)作为TRX的例子进行说明。基站天线的天线端口数与RRU的端口数进行匹配安装，例如，如果要匹配8端口的RRU，即8T8R RRU(表示8个端口RRU，每个端口实现一收发功能)，则基站天线的天线端口数也需要是8个。
当基站天线的阵列天线采用了双极化天线单元时，每列双极化天线对应两列天线实现分集接收，因此每列双极化天线需要使用两个天线端口。如图13所示的示意图中，当使用8端口RRU时，即8T8R RRU，则只能匹配4列双极化天线(对应8个天线端口)的基站天线，无法匹配8列双极化天线(对应16个天线端口)的基站天线。由于4列双极化天线的口径比较小，4列天线做波束赋形(beam forming，BF)时，由于各列间需要保持近似0.5波长的水平间距以便实现波束赋形，导致了阵列天线宽度受限，增益不足，覆盖能力受限。而如果使用16端口RRU时，即16T16R RRU，可以匹配8列双极化天线，虽然波束赋形增益很高，但RRU成本也很高，逻辑上相比8端口RRU成本增加一倍，导致性价比不足。
由上可以看出，对于基站天线来说，为了提升信号覆盖区域，需要大口径的单面天线，也即，需要具有更多列双极化天线的基站天线。但另一方面，考虑到成本问题，RRU的端口数又要尽量的少。因此，如何将具有较多列天线、即较多天线端口的基站天线，与较少端口的收发信机进行匹配，以实现在成本较低情况下较大的信号覆盖区域，是本申请所要解决的技术问题。
发明内容
鉴于现有技术的以上问题，本申请提供一种馈电网络、包括该馈电网络的天线、包括该天线的天线系统、基站及波束赋形方法，以能实现较多列天线与较少端口的收发信机的匹配。
为达到上述目的，本申请第一方面提供了一种馈电网络，所述馈电网络具有一路 输入和两路输出，且所述两路输出的其中一路上包含移相器；所述移相器具有第一工作状态，所述第一工作状态是指：所述两路输出信号的相位差中，至少两个频段的信号的相位差不同。
由上，该馈电网络可实现将两列天线对应到一个天线端口，从而，可以用较少端口的收发信机(TRX)，如射频拉远单元(RRU)，适配列数较多的天线阵列，即实现背景技术中提到的较多列天线与较少端口的收发信机的匹配，从而解决了背景技术中提到的如何在成本较低情况下实现较大的信号覆盖区域的技术问题。并且，可以实现在一个时隙下，不同频段载波相位不同，使得不同频段对应的波束赋形在空间上分布不同，且形成空间上的互补，增大了一个时隙下的波束赋形的覆盖空间。
并且，相对于现有技术一的馈电网络，对应相同的天线列数时，本申请的馈电网络上移相器减少了一半，成本及插损均实现了降低。相对于现有技术二，改进之处在于增加了移相器，可以通过移相器使对应的两路输出具有相位差，更利于波束赋形的控制。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述至少两个频段的信号的相位差不同包括：各频段的信号的相位差随各频段频率的变化而变化。
由上，使得相位随频段频率相关而变化，可以实现不同频段的信号(如不同频段对应的不同子载波)的相位不同，从而使得不同频段对应的波束赋形在空间上分布不同，且形成空间上的互补，增大了波束赋形的覆盖空间。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述相位差随各频段频率变化的变化率不小于0.5。
其中，变化率的取值的大小，应使天线辐射另一频段时，该频段的信号相位能与原频段信号相位有明显区别，以使得不同频段下的信号(如不同频段对应的不同子载波)的波束赋形在空间上能较明显的形成互补，该0.5的取值可符合该要求。在本申请具体实施方式中，该变化率可以为一斜线的斜率，或整体呈倾斜的多折线的斜率。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述移相器还具有第二工作状态，所述第二工作状态使所述两路输出具有的设定的相位差。
该移相器的该工作状态，可以实现在不同时隙切换时，在不同的时隙下形成不同指向的波束赋形。不同时隙下的波束赋形在空间上分布不同，且形成空间上的互补，增大了波束赋形的覆盖空间。其中，该工作状态下，一个时隙下的不同频段的信号(如不同频段对应的不同子载波)的相位是相同的。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述移相器使两路输出的所述设定的相位差包括：0度、90度或180度。
其中，上述为所述移相器使所述两路输出具有的相位差的具体可选值。
作为第一方面的一种可能的实现方式，各频段中的至少一个频段内的信号的相位差不变。
由上，实现了各频段中的全部或部分频段，在单个频段内的两路输出信号的相位差不变，从而形成了整体上各频段的两路输出的信号相位差随各频段频率变化，但其中的一个或多个的单个频段内，所述两路输出的信号相位差可不变。
本申请第二方面提供了一种天线，包括阵列天线、天线端口和上述任一所述馈电 网络；
所述阵列天线包括多个辐射单元；
各所述馈电网络的各路输出分别与阵列天线中的至少一辐射单元连接；
各所述馈电网络的各路输入与天线端口连接。
由上可以看出，通过馈电网络，本申请天线的天线阵列列数要多于天线端口数，从而可以适配对应天线端口数的TRX，如RRU，即实现了具有更多列的天线阵列的天线适配端口比较少的RRU。从而解决了背景技术中提到的如何在成本较低情况下实现较大的信号覆盖区域的技术问题。另一方面，相对于现有技术一的馈电网络，对应相同的天线列数时，本申请的馈电网络上移相器减少了一半，成本降低了，且插损也降低了。相对于现有技术二，改进之处在于增加了移相器，可以通过移相器使对应的两路输出具有相位差，更利于波束赋形。并且该天线具有上述馈电网络所述的各优点，对此不再赘述。
作为第二方面的一种可能的实现方式，所述阵列天线的所述多个辐射单元构成至少M列辐射单元；
N个所述馈电网络的M路输出分别连接M列辐射单元；其中，M＝2N，且N＞1。
作为第二方面的一种可能的实现方式，第n个馈电网络的两路输出分别连接所述M列辐射单元中的第n列辐射单元和第(n+M/2)列辐射单元，且，连接所述第(n+M/2)列辐射单元的一路输出上包含所述移相器；其中，n∈N，且n≤N/2。
由上，通过上述规则进行各馈电网络与天线阵列的各列辐射单元的连接，各馈电网络的具有移相器的一路输出等效电路是相同的，因此各馈电网络可以采用同一控制方法进行各波束赋形的控制，更加便于波束赋形的控制。
本申请第三方面提供了一种天线系统，包括收发信机和上述任一所述的天线；所述收发信机的各端口与各所述天线端口对应连接。
作为第三方面的一种可能的实现方式，所述收发信机包括射频拉远单元。
由上，该天线系统具有上述天线的优点，对此不再赘述。
本申请第四方面提供了一种基站，包括：抱杆、上述任一项所述的天线或上述任一所述的天线系统；所述天线固定在所述抱杆上。
由上，该基站具有上述天线或天线系统的优点，对此不再赘述。
本申请第五方面提供了一种基于上述第二方面所述的天线的波束赋形方法，包括：
使连接在一馈电网络两路输出上的辐射单元，辐射至少两个频段的信号；
且通过其中一路输出上包含的移相器，使所述两路辐射的至少两个频段的信号的相位差不同。
由上，该波束赋形方法通过移相器使所述两路输出的信号具有的相位差为变化状态，且随频段频率的变化进行变化，从而当天线在辐射不同频段的子载波时，则不同频段的子载波由于所述相位差的变化，对应的不同波束赋形在空间上分布不同，且形成空间上的互补，增大了波束赋形的覆盖空间。
进一步的，对本申请的有益效果总结后，还包括：
天线侧收益：本申请的天线，相比背景技术来说，实现了在不增加RRU端口的情况下将天线列数增加了一倍，即逻辑上相当于天线带宽的增益上增加了3dB。
系统侧收益：在时分双工(TDD)系统中，上行由于时隙配比原因受限，每个时刻只能上传一个状态波束，如果用户分布非常均匀，仅通过两路合为一路的方式，无法实现全用户连接，而进一步通过各频段的子载波在两路输出的相位差为变化状态，实现形成的波束指向的变化，来增大波束赋形的空间覆盖，以实现更多用户的接入。即，当为用户空间上分布不均匀时，可以用两路输出相位差为固定的0、90、180或相位差为变化状态中的任意一种，当用户空间上分布很均匀时，使用各频段的子载波在两路输出的相位差为变化状态对应的波束，则可以实现更多用户的上行接入。
本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
以下参照附图来进一步说明本申请的各个特征和各个特征之间的联系。附图均为示例性的，一些特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本申请所涉及领域的惯常的且对于本申请非必要的特征，或是额外示出了对于本申请非必要的特征，附图所示的各个特征的组合并不用以限制本申请。另外，在本说明书全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
图1是本申请移动通信系统的第一实施例的示意图；
图2是本申请基站的第一实施例的示意图；
图3A是本申请实施例提供的阵列天线与天线端口的排列示意图；
图3B是本申请实施例提供的馈电网络与阵列天线连接的示意图；
图4是本申请实施例中移相器处于非X度相位状态时，不同时隙的波束空间覆盖的示意图；
图5是本申请实施例中移相器处于X度相位状态时，同一时隙时的相位不同的两子载波的波束空间覆盖的示意图；
图6A是本申请实施例中为移相器处于X度相位状态时，各频段子载波的相位随频率变化的第一示意图；
图6B是本申请实施例中为移相器处于X度相位状态时，各频段子载波的相位随频率变化的第二示意图；
图6C是本申请实施例中移相器处于X度相位状态时，各频段子载波的相位随频率变化的第三示意图；
图6D是本申请实施例中对应图6A的详细的示意图；
图6E是本申请实施例中移相器处于非X度相位状态时，各频段子载波的相位相同的示意图；
图7是本申请实施例中的馈电网络的等效电路示意图；
图8A是本申请实施例中的天线阵列示意图；
图8B是本申请实施例中的馈电网络与天线阵列连接的示意图；
图9A是本申请实施例中移相器使馈电网络两路输出为0度相位差时水平面方向的波束赋形图；
图9B是本申请实施例中移相器使馈电网络两路输出为90度相位差时水平面方向的波束赋形图；
图9C是本申请实施例中移相器使馈电网络两路输出为180度相位差时水平面方向的波束赋形图；
图9D是本申请实施例中移相器使馈电网络两路输出为X度相位差时形成相位不同的两个子载波时的水平面方向的波束赋形图；
图10为本申请实施例中的波束赋形方法的流程图；
图11是现有技术一的具有移相器的天线示意图；
图12是现有技术二的BUTLER网络与天线连接的示意图；
图13为背景技术中的天线端口与RRU端口是否匹配的示意图。
具体实施方式
说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。
说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。
本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
为了准确地对本申请中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本申请，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义。
1、阵列天线：由若干相同的辐射单元按一定几何规律排列组成通过馈电网络进行工作的天线系统。
2、射频拉远单元(Radio Remote Unit，RRU)：是在远端将基带光信号转成射频信号放大的装置。
3、基带单元(Base band Unit，BBU)：信源发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号所固有的频带(频率带宽)，称为基本频带，简称基带；BBU是处理基带信号的器件模块的总称。
4、功分器(Power divider)：也称为功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。
5、合路器：是将多路信号能量合成一路输出的器件；如上，功分器反过来用时可作为合路器使用。
6、移相器：移相器是使得从该器件的输入信号到输出口信号的相位可以通过某种方式进行变化，实现在波束赋形图(即天线方向图)的变化。本申请的实施例中的移相器可采用数字移相器。为2bit的数字移相器时，支持4种相位状态，本申请中该4中相位状态为0度、90度、180度、X度相位状态。本申请中将移相器处于X度相位状态称为移相器的第一工作状态，将移相器处于非X度相位状态(如处于0度、90度、180度的状态)称为移相器的第二工作状态。具体将在后文详述。
7、馈电网络：可用于对传输的信号进行波束赋形，包括改变波束的波束宽度、形状和波束指向。馈电网络包括垂直维度的馈电网络和水平维度的馈电网络。
阵列天线每列对应有多个垂直维度的馈电网络，为该列中纵向排列的各辐射单元组馈电，可用于形成水平面的波束赋形图(如图9A所示波束赋形图，为图8A示出的天线阵列的第一列的五组辐射单元与第五列的五组辐射单元，在该两列对应的相位差为0时，所形成的波束赋形图)。
水平维度的馈电网络的每路输出连接每列天线，每路输入与天线端口的每个端口连接。由于水平维度的馈电网络涉及天线端口数量，故，在未明确指出的情况下，本申请实施例中的馈电网络均指水平维度的馈电网络。
8、BUTLER网络：是一种馈电网络。
9、工作频段：即工作的频率范围，本申请中工作频段被分划分为不同的各频段，每个频段对应一子载波，例如100兆的工作频段以每20兆为单位划分为5个频段，分别对应5个子载波。
下面，首先对现有技术进行分析：
现有技术一：如图11示出了具有移相器的天线，该天线结构中，其馈电网络111中的每路输入转两路输出，每路输出经过移相器112连接天线阵列113。现有技术一存在的问题是：由于每路输出都设置有移相器112，整个系统比较复杂；另一方面，移相器112的数量较多，导致整体损耗高。另外，该技术中一路转为两路输出、并经移相器输出后，两路输出间的相位差是一个随频率不变的相位差，即该两路输出所连天线的信号当频段变化时，各频段下两路输出的子载波的相位差并不随之改变。
现有技术二：国际公布号为WO103855A2、发明名称为天线及基站的专利申请中，提供了一种BUTLER网络。如图12示出的该BUTLER网络的结构中，输入端口有两个，输出端口有四个，用于与阵列天线连接，该BUTLER网络输出端口的第一与第三端口连接，第二与第四端口连接。该BUTLER网络可以实现两个输入端口与四个输出端口的连接。该结构中，每一个输入端口都需要向两个一路转两路的子网络发送信号，并且每个一路转两路的子网络未设置移相器，因此，该技术中，一路转两路后对应的两路输出，也不存在随频率改变的相位差，即该两路输出所连天线的载波当频段发生 变化时，各频段下两路输出的各子载波的相位差并不随之改变。
基于现有技术，本申请提出了改进的天线的方案，利用一路输入转两路输出的馈电网络连接阵列天线的其中两列，实现天线端口数减半。并且，在馈电网络的所述两路输出中的一路设置移相器，可用来调节所述两路输出的相位差，该相位差至少包含两个状态，且其中一个状态中，两路输出的各频段的信号的相位差随着两路输出对应各频段的频率变化，从而可以实现两路输出对应的两列天线信号频段变化时，信号的相位也发生了变化，进而产生不同指向的波束进行空间覆盖，增加了蜂窝扇区的覆盖空间。
下面结合附图对本发明实施例进行详细说明。首先，介绍本发明实施例提供的天线所应用的场景，之后，介绍本发明实施例提供的馈电网络及包括该馈电网络的天线的具体结构。
本申请实施例提供的天线适用于移动通信系统，这里的移动通信系统，包括但不限于：全球移动通讯(Global System of Mobile communication，GSM)系统、码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)系统、宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)系统、通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)、长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统、LTE频分双工(Frequency Division Duplex，FDD)系统、LTE时分双工(Time Division Duplex，TDD)、通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunication System，UMTS)、全球互联微波接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)通信系统、未来的第五代(5th Generation，5G)系统或新无线(New Radio，NR)等。
示例性的，本申请实施例提供的天线可以应用于如图1所示的无线网络系统，其中，天线可以应用于基站子系统(Base Station Subsystem，BBS)、陆地无线接入网(UMTS terrestrial radio access network，UTRAN)，通用移动通信系统(UMTS)或者演进的陆地无线接入网(Evolved Universal Terrestrial Radio Access，E-UTRAN)，用于进行无线信号的小区覆盖，实现用户设备(User Equipment，UE)与所述无线网络射频端之间的衔接。
本实施例涉及的天线可以位于无线接入网设备中，实现信号收发。具体来说，无线接入网设备可包括但不限于如图2所示的基站。所述基站可以是GSM或CDMA系统中的基站(Base Transceiver Station，BTS)，也可以是WCDMA系统中的基站(NodeB，NB)，还可以是LTE系统中的演进型基站(Evolutional NodeB，eNB或eNodeB)，还可以是云无线接入网络(Cloud Radio Access Network，CRAN)场景下的无线控制器，或者该基站可以为中继站、接入点、车载设备、可穿戴设备以及未来5G网络中的基站或者未来演进的PLMN网络中的基站等，例如，新无线基站，本申请实施例并不限定。所述基站可以提供无线小区信号覆盖，并以一个或多个小区为终端设备服务。
如图2所示，基站的一种可能的结构可以包括天线210、收发信机(TRX)230和基带单元(BBU)250，天线210、收发信机230可以安装在抱杆270上。其中，收发信机230与天线210的天线端口连接，从而天线端口可用于接收收发信机230发送的待发送信号并由天线210的辐射单元辐射待发送信号，或将辐射单元接收的接收信 号发送至收发信机230。在图2的实施例中，TRX可以是射频拉远单元(RRU)。
BBU可用于对待发送的基带光信号进行处理并传输至RRU，或者接收RRU传输过来的接收基带信号(即信号接收过程中天线接收的接收射频信号经过RRU的转化处理得到的基带信号)并进行处理；RRU可将BBU发送的待传输的基带光信号转换成待发送射频信号(包括对基带信号进行必要的信号处理，如进行信号放大等)，此后RRU可以将待发送射频信号通过天线端口发送至天线，使得射频信号通过天线进行辐射，或者，RRU可以接收天线通过天线端口传输过来的接收射频信号，将其转化为接收基带信号并发送至BBU。
天线可以包括阵列天线、馈电网络以及天线端口。阵列天线可以由按行列排列的若干辐射单元构成，用于接收和/或辐射无线电波；馈电网络为至少一个，各馈电网络的输出端用于对阵列天线中的每列辐射单元进行馈电，馈电网络的一路输出上可设置移相器，用于改变阵列天线辐射波束的辐射方向，实现对传输的信号的波束赋形；各馈电网络的输入端与天线端口连接，形成收发通道，其中每一个天线端口与一个收发通道对应，天线端口可连接至TRX的相应端口。
阵列天线的辐射单元可以为单偶极子单元、双极化偶极子单元、贴片辐射单元或圆环辐射单元等。
本申请一实施例提供的馈电网络具有一路输入和两路输出，且所述两路输出的其中一路上包含移相器；所述移相器具有第一工作状态，所述第一工作状态是指：所述两路输出信号的相位差中，至少两个频段的信号的相位差不同。所述移相器还具有第二工作状态，所述第二工作状态使所述两路输出具有的设定的相位差。
该馈电网络可实现将两列天线对应到一个天线端口，从而，可以用较少端口的收发信机(TRX)，如射频拉远单元(RRU)，适配列数较多的天线阵列，即实现背景技术中提到的较多列天线与较少端口的收发信机的匹配，从而解决了背景技术中提到的如何在成本较低情况下实现较大的信号覆盖区域的技术问题。其中，移相器处于第二工作状态时，可以实现不同时隙下波束赋形的空间分布。移相器处于第一工作状态时，则可以实现在一个时隙下，由于不同频段载波相位不同，使得不同频段对应的波束赋形在空间上分布不同，且形成空间上的互补，增大了一个时隙下的波束赋形的覆盖空间，进而更加增大了多个时隙的波束赋形的覆盖空间。
在一些实施例中，所述两路输出信号的相位差中，至少两个频段的信号的相位差不同，包括：各频段的信号的相位差随各频段频率的变化而变化，并且其中部分或全部单个频段内的所述相位差方式有多种，例如图6A-图6D所示的几种情况，具体将在后文详述。
下面，对本申请一实施例的天线的结构进一步详细介绍，在介绍该天线的过程中，同时对本申请一实施例的馈电网络的结构进一步进行详细介绍。
该实施例提供的天线包括阵列天线、馈电网络和天线端口。
其中，如图3A所示阵列天线包括形成阵列的若干辐射单元，每列具有多个辐射单元。
其中，如图3B所示的实施例中，包括至少一个馈电网络；每个馈电网络具有一路输入和两路输出。所述馈电网络还可包括连接所述一路输入和两路输出的功分器。
各馈电网络的各路输入与天线的各天线端口连接，形成收发通道，天线端口可连接至TRX的对应端口。各馈电网络的各路输出与各列辐射单元连接，下面详述：
各所述馈电网络的各路输出均分别与阵列天线中的至少一辐射单元相连。
在一些实施例中，所述阵列天线的所述多个辐射单元包括多列辐射单元，其列数可以大于等于M，该M为自然数；在本实施例中，列数为M。
其中N个所述馈电网络的M路输出分别连接M列辐射单元，为该M列辐射单元进行馈电；其中，M＝2N，且N＞2；
且，其中的第n个馈电网络的两路输出分别连接第n列的辐射单元和第(n+M/2)列的辐射单元，也可以参照图3A所示理解为，对于这M列辐射单元，以M列辐射单元的中线为对称，第n个馈电网络连接第n列的辐射单元和中线后第n列的辐射单元，其中，n∈N，且n≤N/2。进一步举例来说，通过第一馈电网络连接第一列的辐射单元和中线后第一列的辐射单元；通过第二馈电网络连接第二列的辐射单元和中线后第二列的辐射单元，当阵列天线的辐射单元的列数大于4时，以此类推。
在其他一些实施例中，第n个馈电网络的两路输出不一定按照上面规则连接两列辐射单元，还可能的方式是两路输出连接任意的两列辐射单元，或者两路输出位于上述中线两侧，两路输出连接任意的位于中线两侧的两列辐射单元。其中，按照上面规则连接两列辐射单元时，更便于对波束赋形的控制，其具体原因将在后面描述移相器的等效电路时，进一步进行说明。
如图3B所示，馈电网络的两路输出的其中一路包含移相器；所述移相器使所述两路输出具有相位差。在本实施例中，移相器均设置在上述(n+M/2)列的辐射单元对应的馈电网络的输出上，便于波束赋形的控制。设置该移相器的原因在于：由于第一列辐射单元和中线后第一列辐射单元之间的间距远远大于1个波长，而大于一个波长时，波束赋形比较困难(通常要小于半个波长才容易赋形)，导致馈电网络的幅相设计所对应的各列辐射单元的波束，在水平面的覆盖能力难以完全覆盖蜂窝三扇区的一个区，而通过其中一路输出设置移相器，以产生不同的相位，从而使得各列单元波束相位不同，增大波束的覆盖面积。其中，移相器的速度可为传输时间间隔(Transmission Time Interval，TTI)级切换，即实现在时隙中可以切换，通过移相器使得波束在不同的时隙中可以变化，即在不同的时隙形成不同的波束，增大了整体的覆盖面积。
另外，由于下行时隙多，对于用户的任何空间分布都不受限，可以在多个时隙用多个波束，保证用户的全覆盖。但在上行时，时隙数量受限(为了合理利用资源，通常采用下行资源大于上行资源的不对称设置，故上行时隙的分配会受限制，例如下行、上行的时隙配比常为8:2，或4:1)，可能导致无法利用时隙进行波束覆盖，此问题的示意图如图4所示，图4表示因时隙数量受限，使用各上行时隙只能形成图4中左图或右图的波束，例如，图4可以理解为上行时隙配置了两个时隙，图4的左图与右图分别为该两个时隙的第一时隙和第二时隙的波束覆盖情况，其两个时隙的波束整体覆盖范围(即两个时隙的波束叠加的覆盖范围)有限，会出现部分用户同一时刻(一个 时刻指上下时隙构成的总时间内)无法同时接入网络的情况。
基于图4示出的问题，本申请的所述移相器还使馈电网络的两路输出具有的相位差包含至少两个状态，且其中一个状态，本申请称为对应移相器的X度相位状态，即第一工作状态，该状态下，两路输出的各子载波相位差随着各子载波所在频段频率进行变化，即相位差为变化状态。这样在上行时隙时，且移相器为X度相位状态时，如图5示，同一个时隙下，在不同频段下、两路输出的各子载波的相位差是不同的，因此，两路输出在不同频段下所形成的波束指向是不同的，形成了空间覆盖互补的波束。也即，在同一时隙下，通过不同频段形成的不同指向的波束覆盖，解决了上行的空间覆盖问题。进而，在另一时隙下，同样可以采用上述方式进行波束赋形，从而，不同时隙下的空间覆盖也更加密集。
上述过程也可以参见图6D所示进行介绍，移相器处于X度相位状态时，在同一时隙下，具有移相器的一路会输出具有不同相位的多个子载波，且不同子载波对应不同频段，也即，对应各个频段两路输出的各子载波具有不同的相位差，从而在各个频段两路输出所形成的各个波束具有不同的指向，这些各个频段的波束构成了该时隙下的整体波束，从而其空间覆盖更为密集。
在一些实施例中，馈电网络的两路输出的所述相位差随着频率的变化率的曲线可为沿一斜率不为0的直线或近似直线，在本实施例中所述变化率(对应直线即为斜率)的绝对值大于0，可选的该绝对值可为不小于0.5，较佳的大于0.8。如图6A、图6B、图6C示出了移相器处于X度相位状态时，各频段子载波的相位随频率变化的示意图。由于两路输出中另一路的输出的相位不变化，因此两路输出的各频段子载波相位差的变化，也可以参照图6A-图C。
图6A、图6B分别示出了为K为正斜率和负斜率两种情况，图6C示出了与图6A相近的曲线图。所述X度相位状态，对应一条随着频率变化的曲线，从f1频率到f2频率，具有移相器的一路输出的各子载波的相位逐渐上升，对应的两路输出相位差值从0度逐渐上升到180度，图6A、图6B、图6C中仅示意性的示出了工作频段两端的两子载波，该两子载波之间的、随频率变化相位变化的其他各子载波可参见图6D所示的示意图。就该图6A、图6B，定义了一个相位和频率相关的斜率K，K＝(相位2-相位1)/(频率2-频率1)，前者的单位是deg，后者的单位是MHz；并定义斜率K的绝对值∣K∣，即对K取正值。K取值的大小，应使对应的天线辐射另一频段时，该频段的子载波相位能与原频段子载波相位有明显区别，以使得不同频段下的子载波的波束赋形在空间上能形成互补，本申请的一实施例中，可设置∣K∣﹥0.5，即需要在一个90M的子频段内(频率差)相位差需要大于45度(相位差)，此时对应的波束赋形在空间上有较好的互补。
另外需要说明的是，图6A-图6D示出的各频段的子载波相位随各频段频率变化，且图6A、图6C分别示出了在其中的单个频段子载波内相位可变化(图中曲线斜率不为0)与不变(对应的两路输出的相位差不变)的两种情况不难理解，也可以是部分单个频段的子载波内，所述相位为变化，而另一部分单个频段内所述相位为不变，且这两部分可以任意交叉、组合。
为了更好地理解X度相位，参见图7进一步进行详细解释。图7是一馈电网络 的等效电路示意图；功分器后分成两路输出L1和L2，其中L1和L2传输线长度几乎相同，L2会经过一个移相器，移相器包括至少两个状态以上，其中一个状态的等效传输线长度小于1个波长(此时移相器可为0度、90度或180度相位状态)，另外一个状态(此时移相器为X度相位状态)的等效传输线长度大于1个波长，大于1波长的传输线实现功分器后L1和L2两路的相位差的随频率变化的功能。另外，当各个馈电网络按照上面提到的规律连接各列辐射单元时，各馈电网络的具有移相器的一路输出等效电路是相同的，因此各馈电网络可以采用同一控制方法进行各波束赋形的控制，更加便于波束赋形的控制。
移相器使馈电网络的两路输出具有的相位差的另一个状态为相位差的设定状态，也称为移相器处于非X度相位状态，或称为第二工作状态，该设定的相位状态可为0度、90度、180度。在该状态下，移相器在不同的时隙下进行所述0度、90度或180度相位的切换，实现不同时隙下的不同的波束(如图9A、图9B和图9C所示)，而在同一个时隙下，如图6E所示，具有移相器的一路，其输出的在工作频段内的多个频段所对应的多个子载波的相位是相同的，即两路输出的各频段的子载波相位差是定值(如都是0度、或都是90度，或都是180度)，不随频率的变化而变化。
由上，通过上述天线结构，利用其中一馈电网络的两输出连接阵列天线的其中两列，可实现天线端口数的减半，也即，本申请解决了当天线口径较大(即阵列天线的列数较多)时并未增加RRU端口数，使得天线覆盖增加的同时，未使得系统成本明显提高。并且，也通过上述移相器的X度相位状态，增大了波束的空间覆盖，尤其是增大了上行时的空间覆盖，提高了用户的接入率。
本申请还提供了一种天线系统，包括TRX和上述的天线；所述TRX的端口与各天线端口连接。其中，在本实施例中，TRX可以为RRU。
相应的，本申请还提供了一种基站，包括：抱杆、上述天线或上述天线系统，其中天线固定在所述抱杆上。
下面提供了天线的一具体实施方式，如图8A所示，该具体实施方式中，天线端口数为8个，以匹配8T8R RRU。本实施方式中阵列天线为8*10双极化辐射单元，即有8列双极化辐射单元，且每列10个双极化辐射单元，且每一列双极化辐射单元对应天线的每两个天线端口。其中，阵列天线单列垂直维度上，每两个辐射单元组成一组，从而构成水平8组，垂直切分5组，整个阵列天线共40组，其中垂直一列的5组天线通过对应的垂直维度的各馈电网络可用于形成水平面的波束赋形。
如图8B所示，各馈电网络连接方式具体为：水平维度的第一行水平8组，其中，第一组与第五组结对，第二组与第六组结对，第三组与第七组结对，第四组与第八组结对。其中，所述的结对指的是与同一个功分器相连接。
每一个结对组中有一组连接的馈电网络的一路输出上设置有移相器；所述移相器为2bit，从而可以有4个相位状态，本实施方式中为0、90、180、X度相位状态，馈电网络设置有移相器的该路输出，相比没有设置移相器的输出，相位超前或者滞后0度、90度、180度或X度。
下面，对本实施方式中第一列和第五列结对组为例，对波束赋形情况进行说明：
图9A、图9B、图9C分别对应移相器切换使第一列、第五列的辐射单元组形成0度、90度和180度相位时，水平面方向的波束赋形图，其中图中横坐标为频率，纵坐标为幅度值。上述是移相器处于非X度相位状态，即处于一设定值时，为便于描述可称为第二工作状态。
以第一列、第五列的辐射单元组形成0度对水平面方向波束赋形图的成型进行说明：如图8A所示每列垂直切分为5组，第一列的5组辐射单元与第五列5组的辐射单元，在第一列与第五列相位差为0度时，形成所述水平面方向的波束赋形图。此时移相器设置为工作于第二工作状态，使得第一列与第五列天线之间的相位差为0度相位差。当第一列与第五列辐射单元在下个时隙切换到90度相位差时，波束赋形图则改变为图9B所示。可见，移相器工作于第二工作状态时，可实现多个时隙下的多个波束的覆盖。
图9D对应移相器切换到X度相位状态时，在一个时隙下，第一列与第五列辐射单元形成波形时，在工作频段内的不同频段的各子载波相位差不同，是随着频段的变化而变化，相位差不同的各子载波形成了各频段下的指向不同的波束，进而所有频段的各波束形成该时隙下的整体波束。这里，图9D的示例恰好是：在一个时隙下，第一列的五组辐射单元与第五列的五组辐射单元辐射第一频段波形，通过移相器使得该第一频段的子载波相位为0度，形成图9A示出的水平面方向波束赋形图，同时，第一列的五组辐射单元与第五列的五组辐射单元辐射第二频段波形，通过移相器使得该第二频段的子载波为180度，形成图9C示出的水平面方向波束赋形图，从而该时隙下两个频段所形成的波束赋形图如图9D所示，为图9A与图9C的波束赋形图的叠加图。
由图9D可以看出，当移相器切换到X度相位状态时，可通过同一时隙下的、对应不同频段的不同相位差的各子载波，可以产生该时隙下的空间互补的不同波束，增大了波束覆盖的空间。这样在上面提到的用户上行接入的情况下，由于每个时隙下的波束覆盖空间均增大了，因此整体波束覆盖空间(即上行各个时隙的波束覆盖范围的叠加)进一步增大，可以同时满足用户极限分布情形下的同时接入。
本申请还相应的提供了一种基于上述天线的波束赋形方法，如图10所述，包括如下步骤：
S10：使连接在一馈电网络两路输出上的辐射单元，辐射至少两个频段的信号；且通过其中一路输出上包含的移相器，使所述两路辐射的至少两个频段的信号的相位差不同，即该移相器可处于X度相位状态，即移相器处于第一工作状态。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的连接或直接连接或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接连接或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。

Claims (13)

  1. 一种馈电网络，其特征在于：
    所述馈电网络具有一路输入和两路输出，且所述两路输出的其中一路上包含移相器；所述移相器具有第一工作状态，所述第一工作状态是指：所述两路输出信号的相位差中，至少两个频段的信号的相位差不同。
  2. 根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，所述至少两个频段的信号的相位差不同包括：各频段的信号的相位差随各频段频率的变化而变化。
  3. 根据权利要求2所述的馈电网络，其特征在于，所述相位差随各频段频率变化的变化率不小于0.5。
  4. 根据权利要求2或3所述的馈电网络，其特征在于，所述移相器还具有第二工作状态，所述第二工作状态使所述两路输出具有的设定的相位差。
  5. 根据权利要求4所述的馈电网络，其特征在于，所述设定的相位差包括：0度、90度或180度。
  6. 根据权利要求1或2所述的馈电网络，其特征在于，各频段中的至少一个频段内的所述信号的相位差不变。
  7. 一种天线，其特征在于，包括阵列天线、天线端口和至少一个权利要求1-6任一所述馈电网络；
    所述阵列天线包括多个辐射单元；
    各所述馈电网络的各路输出分别与阵列天线中的至少一辐射单元连接；
    各所述馈电网络的各路输入与天线端口连接。
  8. 根据权利要求7所述的天线，其特征在于，
    所述阵列天线的所述多个辐射单元构成至少M列辐射单元；
    N个所述馈电网络的M路输出分别连接M列辐射单元；其中，M＝2N，且N＞1。
  9. 根据权利要求8所述的天线，其特征在于，
    第n个馈电网络的两路输出分别连接所述M列辐射单元中的第n列辐射单元和第(n+M/2)列辐射单元，且，连接所述第(n+M/2)列辐射单元的一路输出上包含所述移相器；其中，n∈N，且n≤N/2。
  10. 一种天线系统，其特征在于，包括收发信机和权利要求7-9任一所述的天线；
    所述收发信机的各端口与各所述天线端口对应连接。
  11. 根据权利要求10所述的天线系统，其特征在于，所述收发信机包括射频拉远单元。
  12. 一种基站，其特征在于，包括：抱杆、权利要求7-9任一项所述的天线或权利要求10-11任一所述的天线系统；
    所述天线固定在所述抱杆上。
  13. 一种基于权利要求7-9所述天线的波束赋形方法，其特征在于，包括：
    使连接在一馈电网络两路输出上的辐射单元，辐射至少两个频段的信号；
    且通过其中一路输出上包含的移相器，使所述两路辐射的至少两个频段的信号的相位差不同。
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