CN117121293A - 适合与5g波束成形无线电设备一起使用的小型小区波束成形天线和相关基站 - Google Patents

Abstract

一种小型小区基站天线包括管状反射器，所述管状反射器具有各自面向不同方向的至少第一面至第四面。所述天线还包括安装在所述管状反射器的相应第一面至第四面上的第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列。所述天线还包括无源波束成形网络，所述无源波束成形网络具有耦合到相应第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列的第一输出至第四输出。

Description

适合与5G波束成形无线电设备一起使用的小型小区波束成形 天线和相关基站

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年4月6日提交的序列号为63/171,267的美国临时专利申请的优先权，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文，就如同全文阐述一样。

技术领域

本发明涉及蜂窝通信系统，并且更具体地涉及小型小区基站天线和相关的小型小区基站。

背景技术

蜂窝通信系统是本领域中众所周知的。在典型的蜂窝通信系统中，一个地理区域被划分成称作“小区”的一系列区域，每个小区由“宏小区”基站提供服务。例如，每个小区可以具有大约1-50km²的面积，其中小区大小取决于地形和人口密度等。基站可包括基带设备、无线电设备和基站天线，该基站天线配置成提供与位于整个小区中的固定和移动订购者(“用户”)的双向射频(“RF”)通信。基站天线通常安装在塔架或其它升高结构上，其中，由每个天线生成的辐射波束(“天线波束”)向外指向以为整个小区或其一部分(“扇区”)提供服务。通常，基站天线包括辐射元件的一个或多个相控阵列，其中，当天线被安装使用时，辐射元件以一个或多个竖直列布置。在本文中，“竖直”是指相对于由地平线限定的平面大体上垂直的方向。

为了提高容量，蜂窝运营商一直在部署所谓的“小型小区”基站。小型小区基站是指可以在许可和/或未许可频谱中工作的低功率基站，该低功率基站比典型的宏小区基站服务于小得多的区域。在本文中，术语“小型小区”广泛地用于指代比常规宏小区基站服务于更小的区域的基站，并且因此术语“小型小区”涵盖服务于小地理区域的小型小区、微小区、微微小区和其它基站。例如，可以使用小型小区基站向宏小区内的高业务量区域提供蜂窝覆盖，这允许宏小区基站将小型小区附近的很多或全部业务量卸载到小型小区基站。

图1是常规小型小区基站10的示意图。基站10包括可以安装在升高结构30上的天线20。在所描绘的实施方案中，结构30为单极天线塔架，但应认识到，可以使用各种各样的安装位置，包括例如电线杆、建筑物等。典型地，小型小区基站的天线20设计为在方位平面中具有全向天线方向图，这意味着由天线20生成的天线波束可以在方位平面中延伸通过全360°圆，并且可以在仰角平面中具有适当的波束宽度(例如，10°-30°)。天线波束可以可选地在仰角平面中略微下倾(其可以是物理或电子下倾)，以减少小型小区基站天线的天线波束溢出到小型小区外部的区域中，并且还用于减少小型小区基站与覆盖的宏小区基站之间的干扰。

小型小区基站10还包括基站设备，例如一个或多个基带单元40和无线电设备42。基带单元40可以从另一源例如回程网络(未示出)接收数据，并且可以处理该数据并向无线电设备42提供数据流。无线电设备42可以生成RF信号，该RF信号包括在其中编码的数据，并可以放大这些RF信号并将其递送到天线20，以经由例如电缆连接44进行传输。尽管无线电设备42示出为与基带设备40共同位于天线塔架30的底部，但应认识到，在其它情况下，无线电设备42可以是安装在天线塔架30上邻近天线20的远程无线电头端。在一些情况下，天线可以是所谓的“有源天线”，其具有直接安装在天线上或在天线内实施的无线电设备。还应认识到，图1的小型小区基站10可典型地包括各种其他设备(未示出)，例如，电源、备用电池、电力总线、控制器等。

波束成形天线是具有多列辐射元件的天线，所述多列辐射元件由波束成形无线电设备的对应端口馈电。波束成形无线电设备可以形成基于基带数据流的多个RF信号，并将这些RF信号中的每一个传递到无线电设备的相应输出端口(“无线电端口”)。每个无线电端口耦合到辐射元件多列阵列中的不同辐射元件列。每个RF信号的振幅和相位可由波束成形无线电设备设定，使得各列辐射元件一起工作以形成在方位平面中具有变窄的波束宽度的更集中、更高增益的天线波束。如果天线的每列中的辐射元件是双极化辐射元件，则波束成形无线电设备上的RF端口的数量可以加倍，并且天线可以被配置成针对每种极化形成单独的天线波束。可以在时分双工(“TDD”)传输方案中逐时隙改变天线波束，以便使天线波束在方位平面中以电子方式“转向”以指向每个时隙期间服务的用户或所述用户附近(天线波束的指向方向是指天线波束具有峰值增益的方向)。在其它情况下，天线可以被布置成使得在仰角方向以及方位方向上存在用于子阵列的多个输入端口，使得天线波束可以在方位平面和仰角平面两者上以电子方式转向和变窄。由于波束成形天线具有缩小方位(以及可能仰角)波束宽度并且在特定用户的方向上扫描天线波束的能力，因此它们可能表现出更高的天线增益并支持增加容量。

图2为被设计成在3G TD-SCMA系统中操作的常规小型小区波束成形天线50的俯视图、侧视图和部分剖分透视图的拼图。如图2所示，波束成形天线50具有围绕支撑结构56的圆周以八边形布置的八列(或线性阵列)52竖直极化辐射元件54。线性阵列52足够靠近地间隔开，使得天线50可以使用波束成形技术对多个列一起馈电以形成变窄的天线波束。圆形天线罩58安装在支撑结构56和线性阵列52上方以提供环境保护。各个辐射元件54具有全向方向图，因此天线50不能形成高定向天线波束。辐射元件54的每个线性阵列52以全功率驱动。

图3A为被设计成在4G长期演进(“LTE”)时分双工(“TDD”)系统中操作的另一常规小型小区波束成形天线100的示意性透视图。图3A的小型小区波束成形天线100在美国专利号10,505,609中详细论述，该专利的全部内容以引用的方式并入本文。如图3A所示，基站天线100包括具有矩形截面的管状反射器组件110。基站天线100包括双极化辐射元件122的四个线性阵列120-1至120-4。在本文中，“线性阵列”是指连接到天线的公共RF端口(或者如果使用双极化辐射元件，则连接到两个RF端口)的辐射元件的列。“线性阵列”中的辐射元件不需要完全对准(即，术语线性阵列涵盖辐射元件中的一些或全部水平交错以便例如使由线性阵列形成的天线波束的方位波束宽度变窄的阵列)。每个线性阵列120安装在反射器组件110的面112-1至112-4中的相应一个上，使得辐射元件122从相应面112向外延伸，并且使得当基站天线100被安装以供使用时，每个线性阵列120相对于地平线大体上竖直地定向。反射器组件110的每个面112可以充当安装在其上的双极化辐射元件122的反射器和接地平面。基站天线100还包括天线罩130，该天线罩覆盖并保护基站天线100的辐射元件122和其他部件。

图3B示出了基站天线100的馈电网络150，该馈电网络也在上述美国专利号10,505,609中公开。馈电网络150用于在基站天线100上的八个RF端口144与四个线性阵列120的辐射元件122之间传递RF信号。图3B还示出了基站天线100上的RF端口144与常规4G波束成形无线电设备42的对应无线电端口44-1至44-8之间的连接。

如图3B中所示，基站天线100具有八个RF端口144-1至144-8。端口144-1至144-4耦合到相应线性阵列120-1至120-4的辐射元件122的-45°偶极子辐射器，并且端口144-5至144-8耦合到相应线性阵列120-1至120-4的辐射元件122的+45°偶极子辐射器。每个RF端口144耦合到相应移相器180的输入。每个移相器180以三种方式分离输入到其的RF信号，并且在三个子分量上应用相位级数，以将电子下倾施加到在RF信号的子分量通过相应线性阵列120发射(或接收)时形成的天线波束。每个移相器180的三个输出耦合到线性阵列120中的相应一个的三个馈电板128-1至128-3上的-45°极化传输线(用于移相器180-1至180-4)或+45°极化传输线(用于移相器180-5至180-8)。每个馈电板128上的传输线包括功率分离器(未示出)，并且每个此类功率分离器的两个输出连接到安装在相应馈电板128上的辐射元件122的-45°或+45°极化偶极子辐射器。

基站天线100可以与现成的第4代(4G)LTE-TDD八端口波束成形无线电设备42结合以LTE-TM8波束成形模式操作。无线电设备42使用数字波束成形技术来优化施加到在天线100的每个RF端口144处接收的信号的振幅和相位权重。特别地，在给定时隙期间，在天线100处接收由分配给时隙的用户传输的RF信号。此RF信号可在所有四个线性阵列120-1至120-4的辐射元件122处接收。在每个线性阵列120的辐射元件122处接收的RF信号的子分量的量值和相位将由于传输路径长度、衰落、每个阵列的方位指向方向和各种其它因素的差异而不同。由于导致多路径传输的建筑物、地形特征等的信号反射，可以在线性阵列120中的一个或多个处接收发射的RF信号的多个版本。在八个线性阵列120中的每一个处接收的信号被馈送到波束成形无线电设备42。波束成形无线电设备42使用优化算法来确定优化性能参数(例如，信噪比)的振幅和相位权重，以施加到在每个线性阵列120处接收的信号。波束成形无线电设备42应用由优化算法确定的振幅和相位权重来解调所接收的RF信号。波束成形无线电设备42接着确定使所接收的(上行链路)信号的性能参数最大化的振幅和相位权重的复共轭，并且使用复共轭作为振幅和相位权重以在下行链路上通过线性阵列120传输RF信号。

发明内容

根据本发明的实施方案，提供了基站天线，其包括：管状反射器，所述管状反射器具有面向不同方向的至少第一面至第四面；安装在所述管状反射器的相应第一面至第四面上的第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列；以及无源波束成形网络，所述无源波束成形网络具有耦合到相应第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列的第一输出至第四输出。

在一些实施方案中，所述第一面可以相对于第二面成约90°角。

在一些实施方案中，所述管状反射器可以在与由地平线限定的平面平行的平面中具有大体上矩形截面。

在一些实施方案中，所述无源波束成形网络可包括Butler矩阵。

在一些实施方案中，所述基站天线可被配置成在方位平面中提供全向覆盖。

在一些实施方案中，所述基站天线可以与波束成形无线电设备组合提供。所述波束成形无线电设备可包括耦合到所述无源波束成形网络的相应第一输入至第四输入的第一至第四第一极化端口。

在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备可被配置成使用时分双工(“TDD”)通信方案操作，并且可被配置成在所述TDD通信方案的帧结构中的选定时隙期间将由所述波束成形无线电设备的第一至第四第一极化端口输出的基本上所有RF能量引导到所述辐射元件阵列中的选定阵列。在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备可在所述TDD通信方案的不同时隙期间将由所述第一至第四第一极化端口输出的RF能量引导到所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列中的不同阵列。在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备可包括8T/8R八端口波束成形无线电设备。

在一些实施方案中，所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列可以是相应第一辐射元件多列阵列至第四辐射元件多列阵列，并且所述基站天线还可包括第一功分器电路至第四功分器电路，所述第一功分器电路至第四功分器电路各自被配置成在所述第一辐射元件多列阵列至第四辐射元件多列阵列中的耦合到所述波束成形网络的相应输出的相应多列阵列的列之间对所述无源波束成形网络的相应输出处输出的RF能量进行分离。

在一些实施方案中，所述第一辐射元件阵列的方位视轴指向方向可以与第二辐射元件阵列至第四辐射元件阵列的方位视轴指向方向分别偏移约90°、约180°和约270°。

在一些实施方案中，所述第一辐射元件阵列可以指向第一方向，并且第三辐射元件阵列可以指向基本上与所述第一方向相反的第三方向。在一些实施方案中，所述第二辐射元件阵列可以指向第二方向，并且第四辐射元件阵列可以指向基本上与所述第二方向相反的第四方向。

在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备的振幅和相位权重可以将所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列配置成生成在方位平面中具有扇区天线方向图、心形天线方向图、双向天线方向图和全向天线方向图中的任一个的天线波束的方式设置。

根据本发明的其它实施方案，提供了基站，其包括：波束成形无线电设备，所述波束成形无线电设备具有多个第一极化无线电端口；基站天线，所述基站天线包括多个辐射元件阵列；以及无源波束成形网络，所述无源波束成形网络耦合在所述第一极化无线电端口与所述辐射元件阵列之间。所述波束成形无线电设备被配置成调整在每个第一极化无线电端口处输出的RF信号的振幅和/或相位，以便将通过所述第一极化无线电端口输出的基本上所有RF能量引导到所述辐射元件阵列中的选定阵列。

在一些实施方案中，所述基站天线还可包括反射器组件，所述反射器组件包括第一面和相对于所述第一面成约90°角的第二面，并且所述辐射元件阵列中的第一辐射元件阵列可安装在所述第一面上，并且所述辐射元件阵列中的第二辐射元件阵列安装在所述第二面上。

在一些实施方案中，所述无源波束成形网络可包括多个四端口耦合器。

在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备可以是8T/8R八端口波束成形无线电设备。

在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备可被配置成使用时分双工(“TDD”)通信方案操作，并且可被配置成在不同时隙期间将通过所述第一极化无线电端口输出的基本上所有RF能量引导到所述辐射元件阵列中的不同阵列。

在一些实施方案中，所述基站天线可被配置成在方位平面中提供全向覆盖。

根据本发明的另外其它实施方案，提供了操作蜂窝基站的方法。所述蜂窝基站包括具有辐射元件阵列的反射器组件，所述辐射元件阵列安装成从所述反射器组件的面向不同方向的相应面向外延伸。在第一时隙期间通过波束成形无线电设备的多个端口将第一RF信号传输到无源波束成形网络，其中所述波束成形无线电设备设置所述第一RF信号的振幅和相位，使得基本上所有RF能量传递到所述辐射元件阵列中的第一辐射元件阵列。

在一些实施方案中，所述方法还包括在第二时隙期间通过所述波束成形无线电设备的多个端口将第二RF信号传输到所述无源波束成形网络，其中所述波束成形无线电设备设置所述第二RF信号的振幅和相位，使得基本上所有RF能量传递到所述辐射元件阵列中的第二辐射元件阵列。

在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备可以是8T/8R八端口波束成形无线电设备。

在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备可被配置成将所述波束成形无线电设备生成的RF信号的振幅和相位设置为四个不同设置中的一个。

在一些实施方案中，所述反射器组件可以在与由地平线限定的平面平行的平面中具有大体上矩形截面。

在一些实施方案中，所述无源波束成形网络可包括Butler矩阵。

在一些实施方案中，所述反射器组件可包括第一面至第四面，并且所述辐射元件阵列可包括安装在相应第一面至第四面上的第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列。

在一些实施方案中，所述第一面可与第二面至第四面分别成约90度、约180度和约270度角。

在一些实施方案中，所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列可以是相应第一辐射元件多列阵列至第四辐射元件多列阵列，所述基站天线还包括第一功分器电路至第四功分器电路，所述第一功分器电路至第四功分器电路各自被配置成在所述第一辐射元件多列阵列至第四辐射元件多列阵列中的耦合到所述波束成形网络的相应输出的相应多列阵列的列之间对所述无源波束成形网络的相应输出处输出的RF能量进行分离。

根据本发明的其它实施方案，提供了基站，其包括：波束成形无线电设备，所述波束成形无线电设备具有第一至第四第一极化无线电端口；基站天线，所述基站天线包括第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列；以及无源波束成形网络，所述无源波束成形网络将所述第一至第四第一极化无线电端口中的每一个耦合到所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列中的所有四个阵列。

在这些基站的一些实施方案中，所述基站天线可包括管状反射器组件，所述管状反射器组件包括第一面至第四面，所述第一面至第四面各自相对于所述第一面至第四面中的相邻面成约90°角。所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列可安装在相应第一面至第四面上。

在一些实施方案中，所述无源波束成形网络可包括至少一个四端口耦合器。例如，在一些实施方案中，所述无源波束成形网络可包括每个极化四个四端口耦合器。

在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备的振幅和相位权重可以将所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列配置成生成在方位平面中具有扇区天线方向图、心形天线方向图、双向天线方向图和全向天线方向图中的任一个的天线波束的方式设置。

在一些实施方案中，所述波束成形无线电设备可以是8T/8R八端口波束成形无线电设备。

附图说明

图1为示出了常规小型小区基站的高度简化示意图。

图2为包括常规波束成形小型小区基站天线的示意性前视图、示意性俯视图和部分剖开示意性透视图的拼图。

图3A为适用于4G LTE-TDD系统中的另一常规小型小区波束成形天线的示意性阴影透视图。

图3B为示出了图3A的常规基站天线的馈电网络的框图。

图4A为根据本发明的实施方案的小型小区波束成形天线的局部透视图，其中天线罩和顶端盖被移除。

图4B和图4C分别为图4A的基站天线中包括的安装在馈电板上的辐射元件中的两个辐射元件的侧视图和俯视图。

图4D为示出了图4A的基站天线中可包括的馈电网络的框图。

图4E为示出了图4A的基站天线中可包括的另一馈电网络的框图。

图5A为根据本发明的其它实施方案的小型小区波束成形天线的示意性俯视图。

图5B为示出了图5A的基站天线中可包括的馈电网络的框图。

图5C和图5D为根据本发明的另外实施方案的小型小区波束成形天线的示意性俯视图。

图6为根据本发明的另外其它实施方案的小型小区波束成形天线的示意图。

图7为示出了根据本发明的实施方案的操作基站天线的方法的流程图。

图8A-8D为示出了根据本发明的实施方案的可由小型小区波束成形天线形成的附加天线波束的方位方向图的图形。

当存在元件的多个实例时，可以在附图中使用两部分参考数字(例如，220-2)提及各个元件。在本文中，完整参考数字用来指代特定元件(例如，线性阵列220-2)，而参考数字的第一部分可以用来共同指代所有元件(例如，线性阵列220)。

具体实施方式

随着第五代(“5G”)蜂窝系统的引入，波束成形天线现在被广泛部署。这些天线中的大多数是所谓的“面板”天线，其被设计成在基站的120°扇区中提供覆盖。这些天线通常包括辐射元件的多个线性阵列和辐射元件的一个或多个多列阵列，所有这些阵列都安装在平面反射器上。辐射元件的线性阵列可以被设计成生成覆盖整个120°扇区的静态天线波束。相比之下，多列阵列被设计成与波束成形无线电设备一起工作，以便生成更聚焦的天线波束，所述更聚焦的天线波束具有更高的天线增益并且可以电子方式转向以覆盖120°扇区的不同部分。例如，已经开发了常规地与四列多列阵列一起使用的所谓的8T/8R波束成形无线电设备。这些8T/8R无线电设备总共具有八个无线电端口，其中四个无线电端口耦合到多列阵列的四列(每列一个无线电端口)中的辐射元件的-45°辐射器，并且另外四个无线电端口耦合到多列阵列的其余四列(每列一个无线电端口)中的辐射元件的+45°辐射器。无线电设备和四列阵列可以同时生成一对天线波束，即，每个极化处一个天线波束。8T/8R波束成形无线电设备设置通过每个无线电端口输出的RF信号的振幅和相位，使得生成的天线波束(1)在方位平面中具有减小的波束宽度，并且因此具有更高的天线增益，并且(2)在方位平面中以电子方式转向以指向期望方向。8T/8R波束成形无线电设备可以例如基于TDD通信方案逐时隙改变生成的天线波束的指向方向。

虽然这些8T/8R 5G无线电设备非常适合与仅覆盖例如小区的120°扇区的面板天线一起使用，但这些无线电设备不太适合与在方位平面中提供全向(即，360°)或准全向覆盖的天线一起使用。然而，大多数小型小区天线被设计成在方位平面中提供全向或准全向覆盖。因此，8T/8R 5G无线电设备不被设计成与大多数小型小区天线结合使用。

提供波束成形小型小区基站的一个选项是结合4G无线电设备使用上文关于图3A-3B论述的波束成形天线100。另一解决方案是使用图3A的具有被编程为执行波束切换的5G无线电设备的天线。在此配置中，5G无线电设备将基于来自用户装置的反馈确定为每个时隙提供最佳信道质量指示的无线电端口。然后，5G无线电设备将仅针对每个时隙使用所识别的无线电端口来发射和接收RF信号。然而，使用此技术，在任何给定时隙期间，仅有两个或四个无线电端口将被使用(或具有高于最低水平的量值)。由于每个无线电端口耦合到单独的收发器，这意味着在任何给定时隙期间，小于50％的无线电发射功率将被使用，并且最通常仅有约25％的无线电发射功率将被使用。因此，虽然该技术将起作用，但是来自小型小区基站的有效各向同性辐射功率(“EIRP”)将比如果在每个时隙期间所有无线电端口都被使用可获得的EIRP低3-6dB。

根据本发明的实施方案，提供了适于与5G TDD无线电设备一起使用的小型小区波束成形基站天线，所述5G TDD无线电设备可以使用无线电设备的基本上所有发射功率。这些天线可以具有无源波束成形网络，所述无源波束成形网络将从每个无线电端口接收到的RF信号路由到天线中包括的线性阵列的期望子集。根据本发明的实施方案的小型小区波束成形天线可以具有非常小的形状因子，并且可以安装在灯柱、电线杆、电话杆等上。这些小型小区波束成形天线可以在任何给定时隙期间生成定向辐射方向图，同时在方位平面中提供完整的360°覆盖。根据本发明的实施方案的小型小区天线可以比常规小型小区波束成形系统支持更高的EIRP水平。

在一些实施方案中，根据本发明的实施方案的波束成形天线可包括安装在管状反射器组件的四个主面上的辐射元件的四个线性阵列，所述管状反射器组件具有大体上矩形水平截面。每个线性阵列的方位视轴指向方向(即，当不施加电子转向时由线性阵列形成的天线波束实现峰值增益的方向)可以与其余三个线性阵列的方位视轴指向方向分别偏移约90°、约180°和约270°。每个线性阵列中的辐射元件可包括双极化辐射元件，例如倾斜-45°/+45°交叉偶极子辐射元件。辐射元件可以在方位平面中具有定向方向图，所述定向方向图例如具有在50°-100°之间的方位半功率波束宽度。四个线性阵列中的每一个可以连接到天线上的两个RF端口(每个极化一个)，并且八个RF端口可以连接到八端口5G 8T/8R波束成形无线电设备上的对应无线电端口。每个线性阵列可以形成一对定向天线波束，每个正交极化一个。例如，每个天线波束可以在方位平面中提供约90°的覆盖。

在一些实施方案中，小型小区基站天线可以使用无源波束成形网络(例如4×4Butler矩阵)来组合通过与极化中的一个相关联的四个无线电端口输出的RF信号，然后通过波束成形网络的四个输出端口中的一个输出组合信号以形成“扇区”天线波束，所述“扇区”天线波束例如在方位平面中提供对90°扇区的覆盖。无线电设备可以以四种方式中的一种方式设置从每个无线电端口输出的RF信号上的振幅和相位权重。四个不同权重设置中的每一个用以将波束成形无线电设备的四个无线电端口处输出的所有RF能量引导到四个线性阵列中的选定线性阵列。换句话说，5G波束成形无线电设备和无源波束成形网络可以被配置成一起工作，以将由四个无线电端口输出的信号馈送到四个线性阵列中的选定线性阵列。这可以针对两个极化中的每一个极化完成，使得在任何给定时隙期间由5G无线电设备输出的所有RF能量可以通过四个线性阵列中的选定线性阵列辐射。无线电设备可以可选地被编程为在服务于两个相邻阵列的覆盖区域的重叠边缘处的用户的时隙期间使用线性阵列中的两个线性阵列。

此外，通过调整权重设置，可以形成具有其它形状和/或指向方向的天线波束。例如，波束成形无线电设备的四个无线电端口处输出的所有RF能量可以被引导到线性阵列中的两个相邻线性阵列而不是单个线性阵列。此技术可用于改变扇区天线波束的视轴指向方向，使得扇区天线波束的峰值增益可以指向方位平面中的任何角度。根据本发明的实施方案的波束成形天线还可以被配置成仅通过改变权重设置来形成具有其它形状的天线波束。例如，上述天线可以被配置成仅通过在波束成形无线电设备中应用适当的权重设置来在方位平面中形成具有全向、心形和/或双向方向图的天线波束。因此，单个波束成形天线结合现成的5G波束成形无线电设备可以形成蜂窝运营商通常期望的任何标准天线方向图。

基于Butler矩阵的波束成形网络通常用于将多个无线电端口耦合到辐射元件的多列平面阵列。例如，Butler矩阵可以用于允许两个无线电端口共享辐射元件的多列阵列，使得每个无线电端口耦合到该阵列中的所有辐射元件。Butler矩阵通常被配置成以这样的方式将两个无线电端口耦合到多列阵列，使得来自第一无线电端口的RF信号生成指向方位平面中的第一方向的第一天线波束，并且来自第二无线电端口的RF信号生成指向方位平面中的第二不同方向的第二天线波束。此类天线通常用于扇区分离应用中，其中第一天线波束覆盖基站的扇区的第一部分(例如，120°扇区的左侧)，并且第二天线波束覆盖扇区的第二部分(例如，120°扇区的右侧)。本发明的实施方案以完全不同的方式使用Butler矩阵式波束成形网络；Butler矩阵充当功率组合器并且充当开关，这允许无线电设备的所有输出功率被递送到天线的线性阵列中的选定线性阵列。

根据本发明的其它实施方案，基站天线可包括实现相同结果的切换网络。例如，提供了基站天线，其包括安装在管状反射器组件的四个主面上的辐射元件的四个线性阵列，所述管状反射器组件具有大体上正方形水平截面。对于每个极化，这些天线还包括4×1组合器和1×4开关。每个4×1组合器耦合到5G波束成形无线电设备的与两个支持的极化中的一个相关联的四个无线电端口。每个4×1组合器的输出耦合到1×4开关中的相应一个，并且每个1×4开关的输出耦合到相应线性阵列。每个1×4开关可以被设置成逐时隙将在其输入处接收到的RF信号路由到四个线性阵列中的选定线性阵列，以便组合通过无线电端口中的四个无线电端口输出的RF信号，并且通过线性阵列中的选定线性阵列输出组合信号。

在一些应用中，根据本发明的实施方案的包括Butler矩阵式馈电网络的天线可以优于在馈电网络中使用RF开关的天线，因为Butler矩阵式方法可以具有优异的功率处理能力和更好的无源互调失真性能。

现在将参考图4A-7更详细地论述本发明的实施方案。

图4A为根据本发明的实施方案的适于用作小型小区基站天线的波束成形基站天线200的透视图(其中天线罩和其顶端盖被移除)。如图4A中所示，小型小区基站天线200包括矩形管状反射器组件210，所述矩形管状反射器组件具有四个面212-1至212-4。双极化辐射元件222的四个线性阵列220-1至220-4安装成从反射器组件210的相应面212向外延伸(第四线性阵列220-4在图4A中不可见，但可以与其他线性阵列220相同，不同之处在于其指向不同方向)。矩形管状反射器组件210可包括整体结构，或者可包括附接在一起的多个结构。其每个面212可以充当安装在其上的线性阵列220的双极化辐射元件222的反射器和接地平面。

多个RF端口244安装在基站天线200的底端盖240中。可以提供总共八个RF端口244-1至244-8，其中两个RF端口244耦合到每个线性阵列220。耦合到每个线性阵列220的第一RF端口244可以支持以第一极化的通信，并且耦合到每个线性阵列220的第二RF端口244可以支持以第二极化的通信。

当基站天线200被安装以供使用时，每个线性阵列220可以相对于地平线大体上竖直地定向，使得每个线性阵列220包括一列辐射元件222。在所描绘的实施方案中，每个线性阵列220包括总共五个辐射元件222。然而，应认识到，在线性阵列220中可包括其它数量的辐射元件222。在所描绘的实施方案中，每个线性阵列220实施为辐射元件222的三个子阵列，其中顶部子阵列和底部子阵列包括安装在公共馈电板228上的两个辐射元件222，而中间子阵列包括安装在其自身的馈电板228上的单个辐射元件222。应认识到，在每个子阵列中可以包括任何适当数量的辐射元件222，并且可以使用或可以不使用馈电板228。还应认识到，可以使用与图4A-4C中描绘的不同类型的辐射元件222。基站天线200还包括天线罩和顶端盖(未示出)，其覆盖并保护基站天线200的辐射元件222和其他部件。

可以例如使用图4B-4C中所示的辐射元件设计实施每个辐射元件222。如图4B和4C中所示，每个辐射元件222可包括一对柄224-1、224-2和一对辐射器226-1、226-2。每个柄224可包括微带印刷电路板。构成柄224-1、224-2的两个印刷电路板可以以“X”配置布置。每个辐射器226可包括例如具有第一偶极子臂和第二偶极子臂的偶极子辐射器。每个偶极子辐射器226可以在方位平面中具有定向方向图，所述定向方向图具有例如在45°-65°之间的方位半功率波束宽度。在所描绘的实施方案中，基站天线200为双极化天线，因此每个辐射元件222包括以所谓的“交叉偶极子”布置布置的一对偶极子辐射器226，其中第一偶极子辐射器226与竖直轴线成-45°的角度设置，并且第二偶极子辐射器226与竖直轴线成+45°的角度设置。每个偶极子辐射器226可以设置在基本上垂直于其对应柄224的纵向轴线的平面中。在一些实施方案中，两个偶极子辐射器226-1、226-2可以形成在公共印刷电路板上。在图4B-4C中，每个子阵列包括安装在馈电板228上的一对辐射元件222。馈电板228可以被配置成将向其提供的RF信号分离(分离不需要相等)成两个子分量，并且将每个子分量馈送到辐射元件222中的相应辐射元件。馈电板228可包括两个输入，即每个极化一个输入。定向器227可以安装在偶极子辐射器226上方以使辐射元件222的波束宽度变窄。

如上文论述的，根据本发明的实施方案的小型小区基站天线可以使用波束成形网络，例如Butler矩阵，来组合由波束成形无线电设备输出的RF信号，并将组合的RF信号路由到天线的线性阵列中的选定线性阵列。以此方式，可以利用无线电设备的全发射功率，并且RF信号可以被引导到选定线性阵列。

图4D为根据本发明的实施方案的馈电网络250的简化电路图，所述馈电网络可用于在基站天线200的四个第一极化RF端口244与四个线性阵列220的辐射元件222的第一极化偶极子辐射器226之间传递RF信号。图4D还示出了RF端口244与常规波束成形无线电设备42上的对应无线电端口44-1至44-8之间的连接。波束成形无线电设备42可以为8T/8R 5G波束成形无线电设备。图4D仅示出了基站天线200支持的两个极化中的一个极化(例如，-45°极化)的无线电端口44、RF端口244和馈电网络250。应认识到，对于第二极化将重复图4D中所示的元件。

如图4D中所示，馈电网络250包括四个混合耦合器260-1至260-4和一对45°相位延迟270。每个混合耦合器260可以包括例如四端口90°混合耦合器，所述四端口90°混合耦合器具有第一输入端口262-1和第二输入端口262-2以及第一输出端口264-1和第二输出端口264-2。如本领域中已知的，四端口90°混合耦合器在其两个输入端口262-1、262-2处接收信号“A”和“B”，并且在每个输出端口264-1、264-2处输出量值为A/2+B/2的信号，其中两个输出信号之间的相位差为90°。45°相位延迟270可以包括例如延迟线或更复杂的相位延迟结构，其可以在更宽的频率范围提供改进的性能(即，一致的相位延迟)。还应认识到，90°混合耦合器中的一个或多个可以用180°耦合器与延迟线的结合替换。

如图4D中所示，第一混合耦合器260-1的输入262-1、262-2耦合到5G波束成形无线电设备42的第一端口44-1和第二端口44-2，并且第二混合耦合器260-2的输入262-1、262-2耦合到5G波束成形无线电设备42的第三端口44-3和第四端口44-4。第一混合耦合器260-1的第一输出264-1耦合到第一45°相位延迟270-1的输入，并且第一混合耦合器260-1的第二输出264-2耦合到第四混合耦合器260-4的第一输入262-1。第一45°相位延迟270-1的输出耦合到第三混合耦合器260-3的第一输入262-1。第二混合耦合器260-2的第一输出264-1耦合到第三混合耦合器260-3的第二输入262-2，并且第二混合耦合器260-2的第二输出264-2耦合到第二45°相位延迟270-2的输入。第二45°相位延迟270-2的输出耦合到第四混合耦合器260-4的第二输入262-2。

从第三混合耦合器260-3的第一输出端口264-1输出的RF信号耦合到第一线性阵列220-1的辐射元件222的-45°偶极子辐射器226。从第三混合耦合器260-3的第二输出端口264-2输出的RF信号耦合到第三线性阵列220-3的辐射元件222的-45°偶极子辐射器226。从第四混合耦合器260-4的第一输出端口264-1输出的RF信号耦合到第二线性阵列220-2的辐射元件222的-45°偶极子辐射器226。从第四混合耦合器260-4的第二输出端口264-2输出的RF信号耦合到第四线性阵列220-4的辐射元件222的-45°偶极子辐射器226。

由于上述连接，假设信号“A”从无线电端口44-1输出，信号“B”从无线电端口44-2输出，信号“C”从无线电端口44-3输出，并且信号“D”从无线电端口44-4输出，在线性阵列220-1至220-4处接收的信号A-D的子分量的相位如下：

线性阵列220-1：A+45°；B+135°；C+90°；D+180°

线性阵列220-2：A+90°；B+0°；C+225°；D+135°

线性阵列220-3：A+135°；B+225°；C+0°；D+90°

线性阵列220-4：A+180°；B+90°；C+135°；D+45°

下面的表1示出了输入到馈电网络250的RF信号的振幅和相位(即，波束成形无线电设备42中应用的振幅和相位设置)，这将使得所有RF能量被引导到单个线性阵列220。

表1

关注例如表1的第一行，可以看出，当无线电端口44-1至44-4分别被馈送具有0.5/-45°、0.5/-135°、0.5/-90°、0.5/-180°的量值/相位的信号时，则每个线性阵列220处的RF功率如下：

阵列220-1＝1

阵列220-2＝0.5/45°+0.5/-135°+0.5/135°+0.5/-45°＝0

阵列220-3＝0.5/90°+0.5/90°+0.5/-90°+0.5/-90°＝0

阵列220-4＝0.5/135°+0.5/-45°+0.5/45°+0.5/-135°＝0

换句话说，通过对8T/8R波束成形无线电设备42进行编程以将适当的振幅和相位施加到用于第一极化的四个端口上输出的RF信号，小型小区基站天线200可以被配置成将所有RF能量输出到线性阵列220-1。可以应用相同的技术以通过在每个无线电端口44处输出的信号的相位上简单地使用相反符号来将所有RF能量引导到第二线性阵列220-2、第三线性阵列220-3或第四线性阵列220-4。

因此，表1示出了通过使用波束成形无线电设备42对提供给无线电端口44-1至44-4的RF信号适当地进行振幅和相位加权，通过这些无线电端口44发射的所有RF能量可以被引导到四个线性阵列220中的选定线性阵列。因此，通过使用无源波束成形网络250，可以利用8T/8R波束成形无线电设备42的全部能力(并且具体地，每个发射/接收链的全部RF功率)，并且RF能量可以通过线性阵列220中的选定线性阵列发射以提供定向的高增益天线波束。

虽然图4D中未示出，但基站天线200还可以具有校准端口，所述校准端口用于确定沿着每个路径通过馈电网络传输的RF信号的相对量值和相位，使得可以确定沿着每个RF路径的衰减水平和相移的差异，并且当生成施加到每个无线电端口44处输出的RF信号的振幅和相位权重时，无线电设备42可以考虑这些差异。

如上所述，基站天线200可以具有四波束波束集，并且无线电设备42可以被编程为基于在时隙期间服务的用户的一个或多个信道质量指示为每个时隙选择四个天线波束中的一个天线波束。由于基站天线200具有双极化辐射元件222，因此选定线性阵列220在每个时隙期间生成两个天线波束，从而允许小型小区基站天线200作为2T/2R(2xMIMO)波束成形天线操作。

应认识到，图4D示出了Butler矩阵的一个特定设计。可以使用各种不同的Butler矩阵设计，并且无线电设备42可以适当地调整每个输入信号的振幅和相位以将RF能量路由到选定线性阵列220。还应认识到，在一些实施方案中可以使用除Butler矩阵之外的波束成形网络。

在许多情况下，可能期望具有对由基站天线生成的天线波束进行电子下倾的能力。图4E为具有远程电子下倾能力的馈电网络250A的示意图。图4E的馈电网络250A可以代替图4D的馈电网络250使用。

如图4E中所示，馈电网络250A类似于馈电网络250，因为它包括四个混合耦合器260-1至260-4和45°相位延迟270-1、270-2。由于上文已经描述了这些元件的布置和操作，因此将省略对其的重复描述。

馈电网络250A还包括四个功率分离器/移相器组件280-1至280-4。每个移相器280可以被配置成以三种方式分离输入到其的RF信号(并且功率分离可以相等或不相等)，并且在分离的RF信号的三个子分量上施加相位级数，以将电子下倾施加到在RF信号的子分量通过连接到功率分离器/移相器组件280的输出的线性阵列220发射(或接收)时形成的天线波束。如上文参考图4D描述的，每个移相器280的三个输出耦合到相应线性阵列220的三个馈电板228-1至228-3上的-45°极化传输线。馈电板228-1、228-3上的-45°极化传输线包括功率分离器(未示出)，并且每个此类功率分离器的两个输出连接到相应馈电板228的辐射元件222的相应-45°极化辐射器226。因此，在第三混合耦合器260-3和第四混合耦合器260-4的每个输出端口264处输出的RF信号被分离成若干子分量，然后进行相移，并且相移的子分量再次被分离并被馈送到耦合到相应输出端口264的线性阵列220的五个-45°极化偶极子辐射器226。功率分离可以是相等或不相等的功率分离。移相器输出的数量可以不同于三个。

应认识到，图4E，如图4D一样，仅示出了两个极化中的一个极化的馈电网络。应认识到，对于第二极化将重复图4E中所示的元件。还应认识到，在一些实施方案中，移相器280可以被省略，并且可以在馈电板228上对RF信号进行分离并将其耦合到辐射元件222。同样，应认识到，在一些实施方案中，馈电板228可以被省略，并且辐射元件可以由RF电缆直接馈电。例如，如果压铸金属偶极子辐射器用作辐射元件，则在示例性实施方案中，偶极子辐射器可以由同轴电缆直接馈电。因此，应认识到，可以使用任何适当的馈电网络和辐射元件，包括无需使用任何馈电板直接向每个辐射元件馈电的馈电网络。虽然图4E示出了每个馈电板228安装一个或两个辐射元件222的实施方案，但应理解，每个馈电板228可以设置任何数量的辐射元件222(例如，三个、四个等)。例如，在另一实施方案中，每个线性阵列220的所有五个辐射元件222可以设置在单个馈电板228上，所述单个馈电板可以包括用于两个极化的移相器280，而在其它实施方案中，每个辐射元件222可以在其自身的馈电板228上实施。

因此，基站天线200包括管状反射器210，所述管状反射器具有各自面向不同方向的至少第一面212-1至第四面212-4。天线200还包括安装在管状反射器210的相应第一面212-1至第四面212-4上的辐射元件222的第一阵列220-1至第四阵列220-4。天线200还包括无源波束成形网络260-1至260-4、270-1、270-2，所述无源波束成形网络具有耦合到辐射元件的相应第一阵列220-1至第四阵列220-4的第一输出至第四输出。

基站天线200可以相对较小，对于在2GHz频率范围内操作的天线，直径为约8英寸，高度为约两英尺。这种天线可以容易地安装在大多数电线杆和路灯上，并且考虑到其小直径，天线200可以与电线杆混合在一起，使得其不影响景观。此外，在城市环境中，通常存在拥有电线杆的少量实体，例如电力公司、政府实体(例如，用于路灯)和固定电话公司。因此，部署可安装在电线杆上的小型小区基站天线(例如基站天线200)可能是有利的，因为蜂窝运营商可以与一个或两个实体达成租赁协议以获得用于在整个城市区域中安装小型小区基站天线的位置。

图5A为根据本发明的其它实施方案的小型小区波束成形天线300的示意性俯视图。如图5A中所示，基站天线300包括反射器组件310，所述反射器组件具有一起限定半八边形管的四个面312-1至312-4和可选后壁。双极化辐射元件222的两列阵列320以并排方式安装以从反射器组件310的每个面312向外延伸。每个两列阵列320可以包括两个线性阵列220，每个线性阵列包括六个辐射元件222。由于图5A是基站天线300的示意性俯视图，因此在图该中仅可见每个线性阵列220的顶部辐射元件222。反射器组件310的每个面312可以充当安装在其上的双极化辐射元件222的反射器和接地平面。

图5B为示出了图5A的基站天线300中可包括的馈电网络350的框图。基站天线300的馈电网络可以与图4E中所示的馈电网络250A几乎相同。馈电网络250A与馈电网络350之间的主要区别是(1)馈电网络350被设计成向每个线性阵列的六个辐射元件而不是五个辐射元件馈电，以及(2)在馈电网络350中，每个移相器280的每个输出耦合到对RF信号进行分离的1×2功分器390。每个1×2功分器390的第一输出耦合到面312上的第一线性阵列220的馈电板228中的一个，并且每个1×2功分器390的第二输出耦合到面312上的第二线性阵列220的馈电板228中的一个。以此方式，每个移相器280可以向面312上的两个线性阵列220馈电，使得两个线性阵列220一起充当多列阵列320，以形成在方位平面中具有变窄波束宽度的天线波束。应认识到，图5B仅示出了一个极化的馈电网络350。因此，馈电网络350将被复制以向线性阵列220中的每个辐射元件222的第二极化辐射器馈电。

基站天线300可以适合于在方位平面中提供对180°区域的覆盖。基站天线300可以例如安装在建筑物的外壁上。在其它实施方案中，具有图5A的半八边形水平截面的管状反射器组件310可以用具有完整八边形水平截面的管状反射器组件替换，并且可以提供八个附加线性阵列220，其中两个线性阵列220安装在管状反射器组件的四个附加面中的每一个面上。此类基站天线可以与两个8T/8R无线电设备或与单个16T/16R无线电设备一起操作。

虽然基站天线200(图4A-4E)在方位平面中支持完整的360°覆盖区域，并且基站天线300(图5A-5B)在方位平面中支持完整的180°覆盖区域，但应认识到，本发明的实施方案不限于此。相反，可以提供小型小区基站天线，其被设计成覆盖方位平面中的任何连续部分或多个不连续部分。例如，如图5C中所示，在另一实施方案中，可以提供被设计成服务于120°覆盖区域的小型小区基站天线400。如图5C中所示，小型小区基站天线400可包括具有四个面412-1至412-4的反射器组件410。辐射元件222的两(或三)列阵列320可以安装在反射器组件410的每个面412上。参考图5D，作为另一示例，可以提供具有四面管状反射器组件210但具有仅安装在管状反射器组件210的两个相对面212-1、212-3上的辐射元件222阵列320的小型小区基站天线500。每个阵列320可以是具有例如两(或三)列辐射元件222的多列阵列。每列中的辐射元件222可以通常以与图5B中所示的相同方式馈电。基站天线500可以特别非常适合用于隧道中、桥梁上和/或长的笔直高速公路上。由于阵列仅设置在反射器组件210的四个面212中的两个面上，因此基站天线500可以与4T/4R TDD 5G波束成形无线电设备一起操作。

图6为根据本发明的另外其它实施方案的基站的示意图，所述基站包括波束成形无线电设备42和小型小区波束成形天线600。小型小区波束成形天线600使用4×1功率组合器660和1×4开关670来实现类似于图4D的波束成形网络250的功能。应认识到，图6仅示出了用于两个正交极化中的第一正交极化的无线电端口44和馈电网络。因此，无线电设备42可包括四个附加第二极化端口，并且可提供第二4×1组合器660和第二1×4开关670，其将四个第二极化无线电端口44连接到四个线性阵列220中的辐射元件222的第二极化辐射器226-2。

基站600可以如下操作。波束成形无线电设备42可以在每个第一极化无线电端口44处输出相同的RF信号。然后，这些RF信号由4×1组合器660组合成复合RF信号。由组合器660输出的复合RF信号被馈送到1×4开关670，所述开关将复合RF信号传递到四个线性阵列220中的选定线性阵列的第一极化辐射器。1×4开关670可以基于确定哪个阵列220将支持具有最高信道质量指示(其可以基于来自在每个时隙期间服务的用户装置的反馈来确定)的通信来为TDD通信方案中的每个时隙选择四个阵列220中的一个阵列。因此，基站天线600可以以与上述基站天线200相同的方式操作，但使用组合器660和开关670来选择在特定时隙期间被馈电的线性阵列220，而不是选择如基站天线200的情况中的无源波束成形网络。应注意，尽管图6中未示出，但用于基站天线600的馈电网络还可以包括移相器，以便提供远程电子下倾能力。图6中的1×4开关670的四个输出可以通过四个移相器280耦合到线性阵列220，其耦合方式与如图4E中所示混合耦合器260-3和260-4的四个输出通过移相器280耦合到线性阵列220的方式相同，因此此处将不再重复对图6的此修改的进一步论述。

图7为示出了根据本发明的实施方案的操作小型小区基站的方法的流程图。该小型小区基站包括TDD波束成形无线电设备和小型小区基站天线，所述小型小区基站天线包括双极化辐射元件的多个阵列，其中所述阵列中的至少两个阵列具有不同的方位视轴指向方向。如图7所示，操作可以从波束成形无线电设备设置第一RF信号的振幅和相位(框700)开始。可以设置振幅和相位，使得第一RF信号的基本上所有RF能量被传递到辐射元件阵列中的第一辐射元件阵列。然后，第一RF信号可以在第一时隙期间通过波束成形无线电设备的多个端口传输到无源波束成形网络(框710)。此后，波束成形无线电设备可以设置第二RF信号的振幅和相位(框720)。可以设置振幅和相位，使得第二RF信号的基本上所有RF能量被传递到不同于第一辐射元件阵列的第二辐射元件阵列。然后，第二RF信号可以在第二时隙期间通过波束成形无线电设备的多个端口传输到无源波束成形网络(框730)。因此，波束成形无线电设备可以使用其波束成形能力来使无源波束成形网络作为开关操作。

在一些实施方案中，TDD波束成形无线电设备可以在多输入多输出(“MIMO”)传输方案的不同层之间分离能量，从而以不同天线波束同时服务多个用户装置。例如，无线电设备可以通过在RF电平处使用不同振幅/相位权重(在每个极化处)形成两个不同的天线波束来支持4xMIMO通信。

还应认识到，根据本发明的实施方案的小型小区基站(例如，图4D的包括基站天线200的小型小区基站)可以被配置成将RF能量输出到多于单个线性阵列220，以便生成具有额外形状的天线波束。当通过波束成形无线电设备42的四个无线电端口44-1至44-4输出的所有RF能量被传递到单个线性阵列220时，天线波束可以是所谓的被设计成在方位平面中覆盖例如90°扇区的“扇区”天线波束。这种天线波束可以在方位平面中具有适于覆盖90°扇区的HPBW(例如，约45°的方位HPBW)和适于向扇区提供覆盖的仰角HPBW(和仰角平面中的电子下倾)。通过对8T/8R无线电设备42输出的RF信号适当地进行振幅和相位加权，蜂窝运营商可以形成在方位平面中覆盖四个90°象限中的任一个的天线波束，其中无线电设备42输出的所有RF能量用于形成每个天线波束。

此外，通过调整施加在8T/8R无线电设备42中的权重设置，可以调整扇区天线波束的指向方向。例如，波束成形无线电设备42的四个无线电端口44-1至44-4处输出的所有RF能量可以被引导到基站天线200的两个相邻线性阵列220，而不是单个线性阵列220。此技术可用于改变扇区天线波束的视轴指向方向，使得扇区天线波束的峰值增益可以指向方位平面中的任何角度。

另外，在一些情况下，蜂窝运营商可能希望生成具有除“扇区”形状之外的形状的天线波束。例如，为了将控制信号传输到基站天线的覆盖区域内的所有用户，蜂窝运营商可能希望生成在方位平面中具有全向覆盖的天线波束。通过下面的表2中所示的方式对无线电端口44-1至44-4处输出的RF信号进行振幅和相位加权，可以生成在方位平面中具有大体上全向覆盖的天线波束。

表2

图8A为示出了当使用表2中所示的波束成形权重激发图4A-4D的基站天线200时生成的全向天线波束的方位方向图的图形。可以看出，天线波束通常具有全向形状，但是天线波束表现出相当高的纹波度(即，增益随指向角变化)，并且方向图包括两个相对深零点(deep null)(每个深零点比峰值增益低约15dB)。已确定，如果基于Butler矩阵的馈电网络250的所有四个端口改为用具有相同相位的RF信号激励，则所生成的全向天线波束可以表现出减小的纹波，如图8B中所示。因此，基站天线200可以被配置成仅通过对波束成形无线电设备42的每个无线电端口44处输出的RF信号适当地进行加权来生成全向天线波束(例如，用于服务波束)。

蜂窝运营商有时还对部署生成所谓的“心形”天线波束的基站天线感兴趣，所述“心形”天线波束在方位平面中提供对大约180°的覆盖。根据本发明的实施方案的基站天线还可以通过例如下面的表3中所示的方式对无线电端口44-1至44-4处输出的RF信号进行振幅和相位加权来容易地形成此类心形天线波束。

表3

表3中所示的振幅和相位权重会将所有RF能量发送到线性阵列220中的第一和第二相邻线性阵列，以便在方位平面中形成具有心形的天线波束。还应认识到，可以从表3中所示的内容对振幅和相位权重进行调整，以选择激发哪对相邻线性阵列220以形成心形天线波束，使得心形天线波束的峰的指向方向可以旋转以指向不同方向。此外，也可以通过将RF能量引导到线性阵列220中的具有由波束成形无线电设备42施加的适当振幅和相位权重的三个线性阵列来调整心形天线波束的指向方向以指向方位平面中的任何方向。

图8C为示出了当使用表3中所示的波束成形权重激发图4A-4D的基站天线200时可以生成的心形天线波束的方位方向图的图形。

蜂窝运营商有时还对部署生成所谓的“双向”天线波束的基站天线感兴趣，所述“双向”天线波束在方位平面中的两个相对方向上提供覆盖。例如，在方位平面中具有双向形状的天线波束可用于向高速公路的长的相当笔直的部分和/或沿着桥梁、隧道等提供覆盖。根据本发明的实施方案的基站天线还可以通过例如以下面的表4中所示的方式对无线电端口44-1至44-4处输出的RF信号进行振幅和相位加权来容易地形成此类“双向”天线波束。

表4

表4中所示的振幅和相位权重会将所有RF能量发送到线性阵列220中的第一和第二相对线性阵列，以便在方位平面中形成具有心形的天线波束。还应认识到，可以从表4中所示的内容对振幅和相位权重进行调整，以选择激发哪对相对线性阵列220以形成心形天线波束，使得心形天线波束的峰的指向方向可以旋转以指向不同方向。

图8D为示出了当使用表4中所示的波束成形权重激发图4A-4D的基站天线200时可以生成的双向天线波束的方位方向图的图形。

此外，可以进一步调整振幅和相位权重，使得上文论述的在方位平面中提供小于全向覆盖的各种天线波束(即，90°扇区波束、心形180°扇区波束和双向天线波束)的峰的指向方向可以指向方位平面中的任何方向。

如上文所示，根据本发明的实施方案的小型小区波束成形基站天线可以生成蜂窝运营商对单个天线中的小型小区天线要求的所有标准天线波束(全向、扇区、心形、双向)，并且可以在使用蜂窝无线电设备的全发射功率时这样做。使用常规技术，这种能力只能通过提供四种不同的小型小区天线设计来获得，其中每种设计被配置成形成天线波束中的特定天线波束。简而言之，通过使用标准的现成8T/8R波束成形无线电设备，蜂窝运营商现在可以使用相同天线生成任何标准天线波束。

应认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述天线进行许多修改。例如，基站天线200包括安装在具有正方形水平截面的支撑结构的四个侧上的四个线性阵列220。在其它实施方案中，可以提供与基站天线200相同的基站天线，不同之处在于其包括安装在具有五边形水平截面的支撑结构上的五个线性阵列。此基站天线可以与10T/10R 5G波束成形无线电设备一起使用。在另外其它实施方案中，可以提供与基站天线200相同的基站天线，不同之处在于其包括安装在具有六边形水平截面的支撑结构上的六个线性阵列。此基站天线可以与12T/12R 5G波束成形无线电设备一起使用。作为另一示例，可以提供具有管状反射器组件的小型小区基站天线，所述管状反射器组件具有大体上八边形水平截面，其中线性阵列安装在管状反射器组件的八个面中的每个面上。此基站天线可以与两个8T/8R波束成形无线电设备结合使用，以有效地实施等同于单个壳体中的基站天线200的两个天线的天线。假设管状反射器组件的八个面按顺序编号为面1-8，则面1、3、5和7上的线性阵列可以与第一波束成形无线电设备一起使用，并且面2、4、6和8上的线性阵列可以与第二波束成形无线电设备一起使用。此方法可用于实施较高阶MIMO通信或在两个不同频带中提供服务。

本发明提供了小型小区基站天线，所述小型小区基站天线可以与8T/8R(或其它)5G无线电设备一起使用，同时利用无线电设备的所有输出功率。这可能是重要的，因为8T/8R无线电设备可以是可供在诸如C-带的5G频带(3.7-3.98GHz)的某些频带中使用的唯一5G无线电设备。此类8T/8R无线电设备不适合与常规小型小区天线一起使用。本发明提供了利用8T/8R无线电设备的波束成形能力来生成较高增益天线波束同时针对每个用户使用无线电设备的所有八个信道的全发射功率的基站天线。

上面已参考附图描述了本发明。本发明不限于图示的实施方案；相反，这些实施方案旨在向本领域技术人员完整和完全公开本发明。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。一些元件的厚度和尺寸可能不成比例。

为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，例如“下方”、“之下”、“下部”、“上方”、“上部”、“顶部”、“底部”等，以描述如图所示的一个元件或特征与另外的一个或多个元件或特征的关系。应当理解，除了图中所示的取向之外，空间相对术语还意图涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件将被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方两者的取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或其他取向)，并据此解释本文使用的空间相对描述语。

为了简洁和/或清楚起见，可能不详细描述众所周知的功能或构造。如本文所使用的，表述“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。

将理解尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各个元件，但这些元件不应由这些术语限制。这些术语仅用以将一个元件与另一元件区分开来。例如，在不偏离本发明的范围的情况下，第一元件可称作第二元件，并且类似地，第二元件可称作第一元件。

Claims (47)

1.一种基站天线，包括：

管状反射器，所述管状反射器具有面向不同方向的至少第一面至第四面；

安装在所述管状反射器的相应第一面至第四面上的第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列；以及

无源波束成形网络，所述无源波束成形网络具有耦合到相应第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列的第一输出至第四输出。

2.根据权利要求1所述的基站天线，其中所述第一面相对于第二面成约90°角。

3.根据权利要求1所述的基站天线，其中所述管状反射器在与由地平线限定的平面平行的平面中具有大体上矩形截面。

4.根据权利要求1所述的基站天线，其中所述无源波束成形网络包括Butler矩阵。

5.根据权利要求1所述的基站天线，其中所述基站天线被配置成在方位平面中提供全向覆盖。

6.根据权利要求1所述的基站天线，其与波束成形无线电设备组合，其中所述波束成形无线电设备包括耦合到所述无源波束成形网络的相应第一输入至第四输入的第一至第四第一极化端口。

7.根据权利要求6所述的基站天线，其中所述波束成形无线电设备使用时分双工(“TDD”)通信方案操作，并且被配置成在所述TDD通信方案的帧结构中的选定时隙期间将所述波束成形无线电设备的第一至第四第一极化端口输出的基本上所有RF能量引导到所述辐射元件阵列中的选定阵列。

8.根据权利要求7所述的基站天线，其中所述波束成形无线电设备在所述TDD通信方案的不同时隙期间将所述第一至第四第一极化端口输出的RF能量引导到所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列中的不同阵列。

9.根据权利要求6所述的基站天线，其中所述波束成形无线电设备包括8T/8R八端口波束成形无线电设备。

10.根据权利要求1所述的基站天线，其中所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列包括相应第一辐射元件多列阵列至第四辐射元件多列阵列，所述基站天线还包括第一功分器电路至第四功分器电路，所述第一功分器电路至第四功分器电路各自被配置成在所述第一辐射元件多列阵列至第四辐射元件多列阵列中的耦合到所述波束成形网络的相应输出的相应多列阵列的列之间对所述无源波束成形网络的相应输出处输出的RF能量进行分离。

11.根据权利要求1所述的基站天线，其中所述第一辐射元件阵列的方位视轴指向方向与第二辐射元件阵列至第四辐射元件阵列的方位视轴指向方向分别偏移约90°、约180°和约270°。

12.根据权利要求1所述的基站天线，其中所述第一辐射元件阵列指向第一方向，并且第三辐射元件阵列指向基本上与所述第一方向相反的第三方向。

13.根据权利要求12所述的基站天线，其中所述第二辐射元件阵列指向第二方向，并且第四辐射元件阵列指向基本上与所述第二方向相反的第四方向。

14.一种基站，包括：

波束成形无线电设备，所述波束成形无线电设备具有多个第一极化无线电端口；

基站天线，所述基站天线包括多个辐射元件阵列；以及

无源波束成形网络，所述无源波束成形网络耦合在所述第一极化无线电端口与所述辐射元件阵列之间，

其中所述波束成形无线电设备被配置成调整每个第一极化无线电端口处输出的RF信号的振幅和/或相位，以便将通过所述第一极化无线电端口输出的基本上所有RF能量引导到所述辐射元件阵列中的选定阵列。

15.根据权利要求14所述的基站，其中所述基站天线还包括反射器组件，所述反射器组件包括第一面和相对于所述第一面成约90°角的第二面，其中所述辐射元件阵列中的第一辐射元件阵列安装在所述第一面上，并且所述辐射元件阵列中的第二辐射元件阵列安装在所述第二面上。

16.根据权利要求14所述的基站，其中所述无源波束成形网络包括多个四端口耦合器。

17.根据权利要求16所述的基站，其中所述波束成形无线电设备包括8T/8R八端口波束成形无线电设备。

18.根据权利要求14所述的基站，其中所述波束成形无线电设备使用时分双工(“TDD”)通信方案操作，并且被配置成在不同时隙期间将通过所述第一极化无线电端口输出的基本上所有RF能量引导到所述辐射元件阵列中的不同阵列。

19.根据权利要求14所述的基站，其中所述基站天线被配置成在方位平面中提供全向覆盖。

20.一种操作蜂窝基站的方法，所述蜂窝基站包括具有辐射元件阵列的反射器组件，所述辐射元件阵列安装成从所述反射器组件的面向不同方向的相应面向外延伸，所述方法包括：

在第一时隙期间通过波束成形无线电设备的多个端口将第一RF信号传输到无源波束成形网络，其中所述波束成形无线电设备设置所述第一RF信号的振幅和相位，使得基本上所有RF能量被传递到所述辐射元件阵列中的第一辐射元件阵列。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括在第二时隙期间通过所述波束成形无线电设备的多个端口将第二RF信号传输到所述无源波束成形网络，其中所述波束成形无线电设备设置所述第二RF信号的振幅和相位，使得基本上所有RF能量被传递到所述辐射元件阵列中的第二辐射元件阵列。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述波束成形无线电设备包括8T/8R八端口波束成形无线电设备。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述波束成形无线电设备被配置成将所述波束成形无线电设备生成的RF信号的振幅和相位设置为四个不同设置中的一个。

24.根据权利要求20所述的方法，其中所述反射器组件在与由地平线限定的平面平行的平面中具有大体上矩形截面。

25.根据权利要求20所述的方法，其中所述无源波束成形网络包括Butler矩阵。

26.根据权利要求20所述的方法，其中所述反射器组件包括第一面至第四面，并且所述辐射元件阵列包括安装在相应第一面至第四面上的第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一面与第二面至第四面分别成约90度、约180度和约270度角。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列包括相应第一辐射元件多列阵列至第四辐射元件多列阵列，所述基站天线还包括第一功分器电路至第四功分器电路，所述第一功分器电路至第四功分器电路各自被配置成在所述第一辐射元件多列阵列至第四辐射元件多列阵列中的耦合到所述波束成形网络的相应输出的相应多列阵列的列之间对所述无源波束成形网络的相应输出处输出的RF能量进行分离。

29.一种基站，包括：

波束成形无线电设备，所述波束成形无线电设备具有第一至第四第一极化无线电端口；

基站天线，所述基站天线包括第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列；以及

无源波束成形网络，所述无源波束成形网络将所述第一至第四第一极化无线电端口中的每一个耦合到所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列中的所有四个阵列。

30.根据权利要求29所述的基站，其中所述基站天线还包括管状反射器组件，所述管状反射器组件包括第一面至第四面，所述第一面至第四面各自相对于所述第一面至第四面中的相邻面成约90°角，并且所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列安装在相应第一面至第四面上。

31.根据权利要求30所述的基站，其中所述无源波束成形网络包括多个四端口耦合器。

32.根据权利要求29所述的基站，其中所述无源波束成形网络包括至少一个四端口耦合器。

33.根据权利要求29所述的基站，其中通过设置所述波束成形无线电设备的振幅和相位权重，所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列能够被配置成在方位平面中生成具有扇区天线方向图、心形天线方向图、双向天线方向图和全向天线方向图中的任一个的天线波束。

34.根据权利要求29所述的基站，其中所述波束成形无线电设备包括8T/8R八端口波束成形无线电设备。

35.根据权利要求29所述的基站，其中所述无源波束成形网络包括Butler矩阵。

36.根据权利要求29所述的基站，其中所述无源波束成形网络包括四个四端口耦合器。

37.根据权利要求6所述的基站天线，其中通过设置所述波束成形无线电设备的振幅和相位权重，所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列能够被配置成在方位平面中生成具有扇区天线方向图、心形天线方向图、双向天线方向图和全向天线方向图中的任一个的天线波束。

38.根据权利要求29所述的基站，其中所述基站天线还包括管状反射器组件，所述管状反射器组件具有第一面至第八面和大体上八边形水平截面，并且所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列安装在所述第一面至第八面中的不相邻面上。

39.根据权利要求29所述的基站，其中所述无源波束成形网络是所述基站天线的一部分。

40.一种基站，包括：

波束成形无线电设备，所述波束成形无线电设备具有第一至第四第一极化无线电端口；以及

基站天线，所述基站天线包括第一至第四第一极化连接器端口和无源波束成形网络，所述无源波束成形网络包括耦合到相应第一至第四第一极化连接器端口的第一输入至第四输入，

其中所述第一至第四第一极化无线电端口耦合到相应第一至第四第一极化连接器端口。

41.根据权利要求40所述的基站，所述基站天线还包括第一辐射元件线性阵列至第四辐射元件线性阵列，其中所述无源波束成形网络还包括耦合到相应第一辐射元件线性阵列至第四辐射元件线性阵列的第一输出至第四输出。

42.根据权利要求41所述的基站，其中所述第一线性阵列至第四线性阵列面向相应第一不同方向至第四不同方向。

43.根据权利要求42所述的基站，其中所述第一不同方向至第四不同方向在方位平面中对应于约0°、约90°、约180°和约270°的方向。

44.根据权利要求40所述的基站，其中所述无源波束成形网络包括多个四端口耦合器。

45.根据权利要求41所述的基站，其中通过设置所述波束成形无线电设备的振幅和相位权重，所述第一辐射元件阵列至第四辐射元件阵列能够被配置成在方位平面中生成具有扇区天线方向图、心形天线方向图、双向天线方向图和全向天线方向图中的任一个的天线波束。

46.根据权利要求40所述的基站，其中所述波束成形无线电设备包括8T/8R八端口波束成形无线电设备。

47.根据权利要求40所述的基站，其中所述无源波束成形网络包括Butler矩阵。