CN117044128A - 四极化天线阵列及利用其的波束空间极化分离 - Google Patents

Abstract

根据本发明的四极化天线系统包括多个RF链路及沿着水平方向交替排列有第一双极化天线单元的列和第二双极化天线单元的列的天线阵列。所述第一双极化天线单元和所述第二双极化天线单元具有相异的双极化特性。所述第一双极化天线单元的列用于形成具有+/‑45°极化的至少一个第一波束和至少一个第二波束，所述第二双极化天线单元的列用于形成具有0°/90°极化的至少一个第三波束和至少一个第四波束。所述第一波束、所述第二波束、所述第三波束和所述第四波束朝空间上相异的方向形成，所述第一波束和所述第三波束相当于主瓣，所述第二波束和所述第四波束相当于栅瓣。

Description

四极化天线阵列及利用其的波束空间极化分离

技术领域

本发明涉及一种阵列天线系统，通过对波束进行空间分离以使相邻的波束具有相异的双极化，从而能够提高无线通道的正交性，增加系统的通道容量。

背景技术

此部分中记载的内容只是单纯地用于提供本发明的背景信息，并不构成现有技术。

天线的极化是指相对于地球表面的电波的电磁场(即，E-平面)方向，至少部分地依赖于天线元件的物理结构与方向而决定。例如，简单的直线型天线元件当垂直安装时具有一个极化，水平安装时具有另一极化。虽然电波的磁场与电磁场形成直角，但是习惯上理解为天线元件的极化指向电磁场的方向。

在移动通信中，MIMO(multiple-input multiple-output)天线，为了减少因多重路径引起的衰减(fading)影响，及执行极化多样性(diversity)功能，通常采用双极化(dual-polarized)天线设计。但是在使用多重波束的Massive MIMO(multi-input andmulti-output)系统中因相邻波束间的干扰，导致无线通道的相关系数增高，因此很难有效地利用空间资源。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种适用于通过具有相异极化的波束对空间(扇形片)进行分离以提高天线的增益的天线阵列结构和利用其的波束空间复用。

(二)技术方案

根据本发明的四极化天线系统包括多个RF链路；以及天线阵列，其沿着水平方向交替地布置有第一双极化天线单元的列和第二双极化天线单元的列。所述第一双极化天线单元和所述第二双极化天线单元具有相异的双极化特性。

所述第一双极化天线单元的列用于形成具有+/-45°极化的至少一个第一波束和至少一个第二波束，所述第二双极化天线单元的列用于形成具有0°/90°极化的至少一个第三波束和至少一个第四波束。所述第一波束和所述第三波束相当于主瓣，所述第二波束和所述第四波束相当于栅瓣。

所述第一波束、所述第二波束、所述第三波束和所述第四波束朝空间上相异的方向形成。所述第一波束和所述第二波束在空间上相互不相邻，所述第三波束和所述第四波束在空间上相互不相邻。所述第一波束和所述第二波束分别与所述第三波束和所述第四波束中的至少一个相邻地形成。

所述第一双极化天线单元具有第一天线元件和第二天线元件且两者相互垂直交叉，所述第二双极化天线单元具有第三天线元件和第四天线元件且两者相互垂直交叉。所述第一双极化天线单元的天线元件相对于所述第二双极化天线单元的天线元件形成45度角。

所述第一双极化天线单元的列的每一列中，所述第一天线元件由馈线连接并形成第一子阵列，所述第二天线元件由馈线连接并形成第二子阵列，所述第二双极化天线单元的列的每一列中，所述第三天线元件由馈线连接并形成第三子阵列，所述第四天线元件由馈线连接并形成第四子阵列。

位于不同列的一双第一子阵列连接到第一RF链路，位于不同列的一双第二子阵列连接到第二RF链路，位于不同列的一双第三子阵列连接到第三RF链路，位于不同列的一双第四子阵列连接到第四RF链路。基于一双子阵列间到RF链路为止的RF路径差(由此产生的相位差)可决定波束的方向。

附图说明

图1a是利用双极化阵列的4T4R天线系统的一例。

图1b图示了能够基于图1a的天线系统实现的示例性的空间复用的波束图案。

图2a是利用双极化天线阵列的4T4R天线系统的另一例。

图2b图示了能够基于图2a所示的天线系统实现的示例性的空间复用的波束图案。

图3a是根据本公开一方面的利用四极化(quad-polarized)天线阵列的4T4R天线系统的一例。

图3b图示了能够基于图3a所示的天线系统实现的示例性的空间复用的波束图案。

图4a图示了根据本公开另一方面的利用四极化天线阵列的8T8R天线系统的一例。

图4b图示了能够基于图4a所示的天线系统实现的示例性的空间复用的波束图案。

具体实施方式

下面，参照附图对本公开的实施例进行详细说明。标注附图标记时，即使相同技术特征在不同的附图中出现，也尽可能使用了相同的附图标记。同时需要注意的是，在通篇说明书中，如果认为对相关已知的技术特征和功能的具体说明可能会导致本公开主题不清楚，则省略其详细说明。

本公开的技术涉及一种有效的天线阵列结构，该结构通过对波束进行空间分离以使相邻的波束具有相异的双极化。

根据本公开的天线阵列由第一双极化天线单元和第二双极化天线单元构成。第一双极化天线单元和第二双极化天线单元具有相异的双极化特性。

第一双极化天线单元用于形成至少一个第一波束和至少一个第二波束，第二双极化天线单元用于形成至少一个第三波束和至少一个第四波束。第一波束和第三波束相当于主瓣(main lobe)，第二波束和第四波束相当于栅瓣(grating lobe)。第一波束和第二波束具有相同的双极化特性，第三波束和第四波束具有相同的双极化特性，相反地，第一波束和第二波束与第三波束和第四波束具有相异的双极化特性。

第一波束至第四波束朝空间上相异的方向形成，第一波束和第三波束相当于主瓣(main lobe)，第二波束和第四波束相当于栅瓣(grating lobe)。

第一波束与第二波束在空间上相互不相邻，第三波束与第四波束在空间上相互不相邻。相反地，第一波束和第二波束分别与第三波束和第四波束中的至少一个相邻地形成。因此，空间上相邻的波束之间具有相异的双极化特性，这样相比于相邻波束之间具有相同的双极化特性的情况，能够有效地减少相邻波束间的干扰。

为了更好地理解上述技术的技术可用性，首先说明利用双极化阵列的天线系统中为了形成具有相异极化特性的波束时考虑到的方案。

图1a是利用双极化阵列的4T4R天线系统的一例，图1b图示了能够基于图1a的天线系统实现的示例性的空间复用的波束图案。

图1a中图示的双极化天线阵列由两列双极化天线单元构成。各双极化天线单元包括+45°极化的第一天线元件(101a)和-45°极化的第二天线元件(101b)。各列中，天线元件按照极化类别连接到馈线(feeder line)。即，各列中，+45°极化的第一天线元件(101a)连接到第一馈线(111a)并形成第一子阵列，-45°极化的第二天线元件(101b)连接到第二馈线(111b)并形成第二子阵列。因此，图1a中图示的双极化天线阵列中，天线元件可分为4个子阵列。4个子阵列通过馈线分别连接到4个天线端口。各天线端口分别连接有RF链路。每个RF链路可包括RF元件如LNA(low noise amplifier)和PA(power amplifier)、滤波器等，并提供RF发送路径和RF接收路径。因此，图1a的天线系统为4T4R。

具有相同极化特性的天线元件之间的间距优选为0.5λ，其中λ是天线阵列的频带的中心频点的波长。为了确保弱相关关系，间距越大越好。即，图示的附图中，相邻列之间的间距可以是0.5λ至1λ。

通过对信号(S1至S4)的极化合成及用于所需的波束方向的数字域(例如，数字单元)中的相位调节，基于图1a中图示的双极化天线阵列，可将具有相异的双极化特性的两个波束(即，+/-45°极化的第一波束和具有V/H极化的第二波束)形成在相异的空间方向上。

图1b中+/-45°极化的左上方向的波束通过将具有相异相位的S1信号提供给第一天线端口和第三天线端口，将具有相异相位的S2信号提供给第二天线端口和第四天线端口而形成。图1b中V/H极化的右上方向的波束通过将具有相异相位的S3信号和具有相异相位的S4信号提供给第一至第四天线端口而形成。如果具有相异相位的S3信号从天线阵列的子阵列放射，则作为极化合成的结果，形成90°(V)极化，如果具有相异相位的S4信号从天线阵列的子阵列放射，则作为极化合成的结果，形成0°(H)极化。例如，利用双极化天线阵列形成具有+/-45°极化和V/H极化的波束的具体方法在由本申请的申请人于2020年04月16日申请的韩国专利申请第10-2020-0046256号中已公开。

参照图1b，以水平面为基准具有约40°波束宽度的波束可朝相异的方向形成。特别是，相邻的波束具有相异的双极化特性。图1b中为了呈现各波束的双极化特性而标出的±45°表示该波束具有+45°极化和-45°极化，V/H表示该波束具有90°(V)极化和0°(H)极化。这一点在其他附图中也相同。例如，朝左上侧形成的波束具有+45°极化的无线信号和-45°极化的无线信号，朝右上侧形成的波束具有90°极化的无线信号和0°极化的无线信号。

相较于能够形成具有相同双极化特性(65度波束宽度)的4个波束的Legacy天线系统，图1a的天线系统能够增加容量(capacity)。在3.5GHz以上的频带中壳体相较于双极化天线单元占用更多的空间，效率不佳。因此，为了积极利用壳体的空余空间，可考虑如图2a的具有更多子阵列的天线阵列。

图2a是利用双极化天线阵列的4T4R天线系统的另一例。图2b图示了能够基于图2a所示的天线系统实现的示例性的空间复用的波束图案。

图2a中图示的天线阵列可由4列双极化天线单元构成。各双极化天线单元包括+45°极化的第一天线元件和-45°极化的第二天线元件。各列中，天线元件按照极化类别分别连接到馈线(feeder line)并形成第一子阵列和第二子阵列。因此，图2a中图示的双极化天线阵列中，天线元件可分为8个子阵列。8个子阵列通过馈线分别连接到8个天线端口。8个天线端口通过RF矩阵(matrix)连接到4个RF链路。因此，图2a的天线系统为4T4R。

图2a的天线系统可通过RF矩阵的极化重构朝相异空间方向形成4个独立波束(即，+/-45°极化的两个波束和V/H极化的两个波束)。RF矩阵可通过无源器件实现，例如混合耦合器、定向耦合器、移相器等。RF矩阵功能如同图1a的天线系统，可通过在数字域中处理基带信号来实现。

参照图2b，以水平面为基准具有约40°的波束宽度的4个波束可朝相异的方向形成。特别是，相邻的波束具有相异的双极化特性。例如，+/-45°的波束和0°/90°的波束自左向右交替地形成。

如上所述，利用双极化天线阵列的天线系统通过在数字域或者RF域中进行信号处理将具有相异的双极化特性的波束在空间上进行分离。但是，为了在数字域中实现极化合成/分离需要额外的硬件，因此天线系统产生的热量增加。基于RF矩阵的极化重构，由于构成矩阵的元件会伴随有损失发生，因此很难确保波束间距的准确性。

如前所述，本申请公开了一种有利于实现空间极化分离的天线阵列结构，以使相邻的波束具有相异的双极化特性。

图3a是根据本公开一方面的利用四极化(quad-polarized)天线阵列的4T4R天线系统的一例，图3b图示了能够基于图3a所示的天线系统实现的示例性的空间复用的波束图案。

图3a中图示的天线阵列由第一双极化天线单元和第二双极化天线单元构成。第一双极化天线单元和第二双极化天线单元具有相异的双极化特性。例如，第一双极化天线单元包括+45°极化的第一天线元件(301a)和-45°极化的第二天线元件(301b)，第二双极化天线单元包括V(90°)极化的第一天线元件(302a)和H(0°)极化的第二天线元件(302b)。因此，根据本公开的天线阵列可称之为“四极化天线阵列”。

图3a中图示的天线阵列中，+45°/-45°的双极化天线单元列和V/H的双极化天线单元列相互交替地排列。即，在水平方向上，+45°/-45°的双极化天线单元和V/H的双极化天线单元相互交替地排列，垂直方向上排列有具有相同的双极化特性的天线单元。换而言之，相邻的双极化天线单元列具有相异的双极化特性。

各列中，天线元件按照极化类别分别连接到馈线(feeder line)并形成第一子阵列和第二子阵列。

具体地，+45°/-45°的双极化天线单元列(即，第一列和第三列)中，+45°极化的第一天线元件(301a)连接到第一馈线(311a)并形成第一子阵列，-45°极化的第二天线元件(301b)连接到第二馈线(311b)并形成第二子阵列。V/H的双极化天线单元列(即，第二列和第四列)中，V极化的第一天线元件(302a)连接到第一馈线(312a)并形成第一子阵列，H极化的第二天线元件(302b)连接到第二馈线(312b)并形成第二子阵列。因此，图3a中图示的四极化天线阵列中，天线元件可分为8个子阵列。8个子阵列通过馈线分别连接到8个天线端口。8个天线端口连接到4个RF链路。因此，图3a的天线系统为4T4R。RF链路的数量等于第一双极化天线单元的列数与第二双极化天线单元的列数之和。

为了按照极化类别分别形成波束，错开布置且具有相同极化的两个子阵列采用一个RF链路。无需额外的移相器，基于两个子阵列间到RF链路为止的RF路径差(由此产生的相位差)可决定波束的方向。

需要注意的一点是，具有相同极化的两个子阵列间的间距(d)大于λ。例如，两个子阵列间的间距(d)可以是1.5λ至2λ。λ是天线阵列的频带的中心频率点的波长。这种排列中，除了在所需波束方向上产生主瓣(main lobe)以外，在相位为2π倍数的方向上产生与主瓣的大小匹敌的侧瓣(side lobe)即栅瓣(grating lobe)。栅瓣产生的方向基于子阵列间的间距(d)、波长(λ)、用于生成主瓣所需的波束方向上的波束指向角(θ)决定。

本公开的天线系统利用一般用于衰减的栅瓣，可形成类似于图2b的波束图案。

参照图3a，为了形成+45°极化的波束，第一列中具有+45°极化的天线元件所连接的天线端口与第三列中具有+45°极化的天线元件所连接的天线端口结合到第一RF链路。为了形成-45°极化的波束，第一列中具有-45°极化的天线元件所连接的天线端口与第三列中具有-45°极化的天线元件所连接的天线端口结合到第二RF链路。+45°极化的波束的主瓣和-45°极化的波束的主瓣朝第一空间方向形成，+45°极化的波束的栅瓣和-45°极化的波束的栅瓣朝第二空间方向形成，因此两个空间方向上存在+45°/-45°双极化。

此外，为了形成H(0°)极化的波束，第二列中具有H(0°)极化的天线元件所连接的天线端口和第四列中具有H(0°)极化的天线元件所连接的天线端口结合到第三RF链路。为了形成V(90°)极化的波束，第二列中具有V(90°)极化的天线元件所连接的天线端口和第四列中具有V(90°)极化的天线元件所连接的天线端口结合到第四RF链路。H(0°)极化的波束的主瓣和V(90°)极化的主瓣朝第三空间方向形成，H(0°)极化的波束的栅瓣和V(90°)极化的波束的栅瓣朝第四空间方向形成，因此两个空间方向上存在H/V双极化。

参照图3b，在水平面上，4个波束可朝相异方向形成。特别是，相邻的波束具有相异双极化特性，例如，+/-45°的双极化波束和0°/90°的双极化波束自左向右交替地形成。+/-45°的双极化波束中一个用于主瓣，另一个用于栅瓣。此外，0°/90°的双极化波束中一个用于主瓣，另一个用于栅瓣。

图3a中图示的天线系统通过在RF域上实现用于将天线元件的子阵列连接到RF链路的简单的合成器(combiner)，可实现极化波束的空间复用。空间复用的波束图案可利用简单的RF电路结构实现，相较于需要在数字域中实现的图1a中图示的天线系统，无需信号处理所需的硬件，从而还可以改善基于此引起的发热问题。此外，相较于图2a中图示的天线系统，可确保波束间距的准确性，能够最小化对SINR产生影响的波束间的重叠区域。

图4a图示了根据本公开另一方面的利用四极化天线阵列的8T8R天线系统的一例，图4b图示了能够基于图4a所示的天线系统实现的示例性的空间复用的波束图案。为了强调天线阵列的结构，图4a中省去了RF链路和数字单元。

图4a中图示的天线阵列包括相互交替排列的4列+45°/-45°的双极化天线单元和4列V/H的双极化天线单元。即，在水平方向上，+45°/-45°的天线单元和V/H的天线单元相互交替地排列，在垂直方向上，排列有具有相同的双极化特性的天线单元。

各列中，天线元件按照极化类别分别连接到馈线(feeder line)并形成第一子阵列和第二子阵列。因此，图4a中图示的四极化天线阵列中，天线元件分为16个子阵列。16个子阵列通过馈线分别连接到16个天线端口。16个天线端口连接到8个RF链路(未图示)。

为了按照极化类别分别形成波束，位于不同列且具有相同极化的两个子阵列将采用一个RF链路。基于两个子阵列间到RF链路为止的RF路径差(由此产生的相位差)可决定波束的方向。

为了支持各种角度的波束方向，相较于图3a，一个RF链路上连接的子阵列间的水平方向的间距更大。例如，为了形成+45°极化的波束，第一列中具有+45°极化的天线元件所连接的天线端口和第五列中具有+45°极化的天线元件所连接的天线端口结合到一个RF链路。第二列中具有H(0°)的极化的天线元件所连接的天线端口和第六列中具有H(0°)极化的天线元件所连接的天线端口结合到一个RF链路。参照图4b，以水平面为基准，8个波束朝相异的方向形成，相邻的波束具有相异的双极化。如前所述，8个波束中，4个波束用于栅瓣。

以上说明仅用于举例说明本发明实施例的技术思想，对于本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员而言，在不超出本发明的本质特征的范围内可进行各种修改和变形。因此，本实施例并非用于限定本发明的技术思想而是用于说明，本发明的技术思想的范围不受所述实施例的限制。本发明的保护范围应基于下面的权利要求书解释，并与其等同的范围内的所有技术思想应解释为皆属于本发明的权利范围。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求对2021年3月26日向韩国专利局提交的专利申请10-2021-0039618号及2022年3月24日向韩国专利局提交的专利申请10-2022-0036777号的优先权，其所有内容作为参考文献包含在本专利申请中。

Claims (8)

1.一种四极化天线系统，包括：

多个RF链路；以及

天线阵列，其沿着水平方向交替地布置有第一双极化天线单元的列和第二双极化天线单元的列，

所述第一双极化天线单元和所述第二双极化天线单元具有相异的双极化特性，

所述第一双极化天线单元的列用于形成具有+/-45°极化的至少一个第一波束和至少一个第二波束，所述第二双极化天线单元的列用于形成具有0°/90°极化的至少一个第三波束和至少一个第四波束，

所述第一波束、所述第二波束、所述第三波束和所述第四波束朝空间上相异的方向形成，所述第一波束和所述第三波束相当于主瓣，所述第二波束和所述第四波束相当于栅瓣。

2.如权利要求1所述的四极化天线系统，其中，所述第一波束和所述第二波束在空间上相互不相邻，所述第三波束和所述第四波束在空间上相互不相邻。

3.如权利要求1所述的四极化天线系统，其中，所述第一波束和所述第二波束分别与所述第三波束和所述第四波束中的至少一个相邻地形成。

4.如权利要求1所述的四极化天线系统，其中，所述第一双极化天线单元具有第一天线元件和第二天线元件且两者相互垂直交叉，所述第二双极化天线单元具有第三天线元件和第四天线元件且两者相互垂直交叉。

5.如权利要求4所述的四极化天线系统，其中，所述第一双极化天线单元的天线元件相对于所述第二双极化天线单元的天线元件形成45度角。

6.如权利要求4所述的四极化天线系统，其中，所述第一双极化天线单元的列的每一列中，所述第一天线元件由馈线连接并形成第一子阵列，所述第二天线元件由馈线连接并形成第二子阵列，

所述第二双极化天线单元的列的每一列中，所述第三天线元件由馈线连接并形成第三子阵列，所述第四天线元件由馈线连接并形成第四子阵列，

位于不同列的一双第一子阵列连接到第一RF链路，位于不同列的一双第二子阵列连接到第二RF链路，位于不同列的一双第三子阵列连接到第三RF链路，位于不同列的一双第四子阵列连接到第四RF链路。

7.如权利要求6所述的四极化天线系统，其中，基于各RF链路间的长度差定义所述第一波束至第四波束的方向。

8.如权利要求1所述的四极化天线系统，其中，所述RF链路的数量相当于所述第一双极化天线单元的列数与所述第二双极化天线单元的列数之和。