WO2012095056A2 - 天线系统 - Google Patents

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WO2012095056A2
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butler matrix
signal
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蒲涛
何平华
毛孟达
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华为技术有限公司
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/40—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with phasing matrix
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/246—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for base stations

Definitions

  • the present invention relates to the field of wireless communications and, more particularly, to an antenna system for a base station. Background technique
  • the antenna of the base station is used to convert the radio frequency signal into an electromagnetic wave signal and radiate into the space; or receive the electromagnetic wave signal transmitted from the terminal, convert it into a radio frequency signal, and transmit it to the base station.
  • Each antenna controls a range of areas, called sectors or cells, in which electromagnetic waves are radiated or received, and the radius of radiation is controlled by controlling the main lobe downtilt.
  • the sector coverage area of the cell is controlled by controlling the horizontal direction of the main lobe of the antenna.
  • the main lobe is tilted in the following ways:
  • RET Remote Electrical Tilt
  • the hardware increases the cost.
  • the electrical downtilt in this way cannot be configured separately according to different carriers and different channels, and the flexibility is limited.
  • a multi-beam antenna refers to the amplitude and phase weighting of the excitation of the antenna array through a certain relationship, so that the antenna forms a plurality of narrow beams in different directions. By adjusting the vertical characteristics of the beam, the antenna achieves better sidelobe suppression and downtilt in the vertical direction. Applying a multi-beam antenna in the same sector can make the received signal strongest by determining different corresponding beams; at the same time, the multi-beam antenna can be used as a sector splitting, splitting one sector into two sectors, two The overlap area between the sectors is smaller, which is beneficial to reduce soft handover and softer handover, and improve system capacity to achieve capacity enhancement.
  • the existing multi-beam antenna with adjustable downtilt angle is connected to the Transceiver (TRX) module through a feeder.
  • TRX Transceiver
  • the present invention provides an antenna system that can save cost.
  • an antenna system including: a TRX array module, an antenna oscillator array module, a feed network module, and a Butler matrix module, wherein the TRX array module includes a plurality of active TR sub-modules for generating digital a beamforming shaped transmitting signal; an antenna oscillator array module comprising a plurality of antenna elements for transmitting a transmitting signal; and a feeding network module, configured to form a beam vertical characteristic of the antenna element array module before the antenna element array module transmits the transmitting signal;
  • the Butler Matrix module is configured to form a beam level characteristic of the antenna element array module before the antenna element array module transmits the transmission signal.
  • a base station comprising the antenna system described above.
  • a system in another aspect, includes the base station described above.
  • the above technical solution provides an antenna system with an AAS antenna as an infrastructure, which reduces feeder loss compared with a conventional antenna, saves labor and equipment costs, and is more convenient for adjusting the vertical and horizontal characteristics of the antenna beam. There are also certain advantages in the utilization of resources.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing an antenna system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an antenna system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an antenna system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing one example of a Butler Matrix module in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing another example of a Butler Matrix module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of a Butler Matrix module according to an embodiment of the present invention.
  • GSM Global System for Mobile Communication
  • CDMA Code Division Multiple Access
  • WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Wireless
  • GPRS General Packet Radio Service
  • LTE Long Term Evolution
  • UE User Equipment
  • Mobile terminal Mobile
  • Terminals may communicate with one or more core networks via a radio access network (eg, RAN, Radio Access Network), which may be a mobile terminal, such as a mobile phone (or "cellular")
  • RAN Radio Access Network
  • the telephone and the computer having the mobile terminal may be portable, pocket, handheld, computer built-in or in-vehicle mobile devices that exchange language and/or data with the wireless access network.
  • the base station may be a base station (BTS, Base Transceiver Station) in GSM or CDMA, or may be a base station (NodeB) in WCDMA, or may be an evolved base station (eNB or e-NodeB, evolutional Node B) in LTE.
  • BTS Base Transceiver Station
  • NodeB base station
  • eNB evolved base station
  • e-NodeB evolutional Node B
  • system and “network” are often used interchangeably herein.
  • the term “and/or” in this context is merely an association that describes the associated object, indicating that there can be three relationships, for example, A and / or B, which can mean: A exists separately, and both A and B exist, exist alone B These three situations.
  • the character " /" in this article generally means that the contextual object is an "or" relationship.
  • AAS Active Antenna System
  • AAS refers to an antenna with a source device, that is, an antenna with an active TRX module integrated inside the antenna.
  • the embodiment of the invention provides an antenna system, which uses an AAS antenna as a basic structure, reduces feeder loss compared with a conventional antenna, saves labor and equipment costs, and facilitates beam beam adjustment while utilizing spectrum resources. There are also certain advantages in the rate.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing an antenna system 10 in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the antenna system 10 includes a TRX array module 11, an antenna element array module 12, a feed network module 13, and a Butler matrix module 14.
  • the TR array module 11 includes a plurality of active TRX sub-modules that generate digital beamformed transmit signals.
  • the TRX array module 11 includes MxN active TR sub-modules, and the active TRX sub-module generates a transmission signal to be transmitted through the antenna element array module.
  • M and N indicate the number of active TR sub-modules in the horizontal and vertical directions of the antenna, respectively, and are positive integers greater than or equal to 2.
  • the TRX array module 11 can also be used to process received signals, which process the received signals substantially for an inverse process of processing the transmitted signals, and therefore will not be described herein.
  • the antenna element array module 12 transmits the transmitted signal.
  • Antenna array module 12 includes
  • a B antenna unit vibrators radiate the transmitted signal as electromagnetic waves.
  • a and B indicate the horizontal and vertical directions of the antenna, respectively, and are positive integers greater than or equal to 2.
  • the antenna array module 12 can also be used to receive signals, and the received signal is substantially an inverse of its transmitted signal, and thus will not be described herein.
  • the feed network module 13 forms a beam vertical characteristic of the antenna element array module prior to transmitting the transmission signal.
  • the beam vertical characteristic refers to a characteristic related to the beam shape of the vertical plane, and may include a lobe width, a beam pointing, and/or a side lobes of the vertical plane beam.
  • the feed network module 13 has multiple inputs and multiple outputs, and is a combined split network, which can split the input transmit signal, for example, a split unit in the feed network module 13 will input one transmit signal. It is divided into two paths with a power ratio of 1:1, or two channels with a power ratio of 4:1, which can affect the characteristics of the lobe width or the vertical sidelobe of the beam emitted by the antenna.
  • the feeder network module 13 multiple inputs can be configured, but not limited to, according to different carrier frequencies, different channels, etc., and the vertical plane adjustment is more flexible.
  • the feed network module 13 can also be used to process the received signal, and the processing thereof is roughly an inverse of the processing of the transmitted signal, and thus will not be described herein.
  • the Butler matrix module 14 forms the antenna element array module before transmitting the transmission signal Beam level characteristics.
  • the beam level characteristic refers to a characteristic related to the beam shape of the horizontal plane, and may include a lobe width, a beam pointing, and/or a side lobes of the horizontal plane beam.
  • the Butler Matrix Module 14 can provide multi-beam function of the antenna level, with multiple inputs and multiple outputs. By connecting multiple inputs through the combined network, the antenna elements are connected, and finally the outputs are directed in different directions.
  • the Butler matrix module 14 can also be used to process the received signal, and its processing is roughly an inverse of its processing on the transmitted signal, and thus will not be described herein.
  • the inclusion of the above four modules in one antenna system can form a compact structure, thereby saving equipment costs.
  • the antenna system 10 in the embodiment of the present invention is connected to the TR module through a long feeder line, which reduces the feeder loss by the short-distance connection between the modules. .
  • the multi-channel transmit signals output by the TRX array module 11 are subjected to digital beamforming processing to form beam vertical characteristics and beam level characteristics of the antenna element array module.
  • the digital beamforming of the transmitted signal by the TR array module 11 the downtilt angle of the vertical beam of the antenna can be adjusted, and the shaping of the horizontal beam of the antenna can also be realized.
  • the method of digitally adjusting the beam vertical and beam level characteristics is flexible and simple, saving labor costs.
  • the beam vertical characteristic of the antenna element array module 12 can be further adjusted by the feed network module 13, and the beam level characteristic of the antenna element array module 12 can be further adjusted by the Bartle matrix module 14.
  • two methods of digital adjustment and analog adjustment are provided, so that beam vertical characteristics and beam horizontal characteristic adjustment are more convenient.
  • each active TRX sub-module may include one or more signal components, each of which undergoes digital beamforming.
  • the embodiment of the invention provides an antenna system, which uses an AAS antenna as a basic structure, reduces feeder loss compared with a conventional antenna, saves labor and equipment costs, and adjusts vertical and horizontal characteristics of the antenna beam more conveniently. There are also certain advantages in the utilization of spectrum resources.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the connection of modules of the antenna system 20 according to another embodiment of the present invention.
  • the antenna system 20 includes a TR array module 11, an antenna element array module 12, a feed network module 13, and a Butler matrix module 14.
  • antenna system 20 also includes a channel calibration module 15 and a phase shifter 16.
  • the antenna system includes one of the Butler matrix modules and one of the Butler matrix
  • the number of output ports of the module is the same number of the feed network modules, the total number of input ports of the feed network module is equal to the total number of output ports of the Butler matrix module, and the number of input ports of each of the Butler matrix modules is equal to ⁇ , the number of input ports of each of the feeder network modules is equal to ⁇ and the number of output ports is equal to ⁇ , where ⁇ is the number of the active TR sub-modules in the horizontal direction of the antenna, and ⁇ is the number of the TR modules in the vertical direction of the antenna ⁇ is the number of vibrators in the horizontal direction of the antenna, B is the number of vibrators in the vertical direction of the antenna, A ⁇ M, B>N, and VIII, B, M, and N are positive integers greater than or equal to 2.
  • the Butler Matrix module 14 is multi-input and multi-output. Each active TRX sub-module is connected to one input of the Butler Matrix module 14. If the hardware cost and structure are saved with a minimum of Butler matrix modules, in this case at least N Butler Matrix modules are required, and each Butler Matrix module has M input port numbers. The output of the Butler Matrix Module 14 is coupled to the input of the Feed Network Module 13, thereby requiring a plurality of Feed Network Modules 13 having at least the same number of output ports as the Butler Matrix Module 14.
  • the output of the feeder network module 13 is connected to the antenna element of the antenna element array module 11.
  • 23 of Fig. 2 are A antenna elements in the horizontal direction of the antenna element array module 12
  • 24 of Fig. 2 are B antenna elements in the vertical direction of the antenna element array module 12.
  • a The total number of inputs of the feeder network modules 13 is equal to the total number of outputs of the N Butler matrix modules, which are also AxN.
  • each of the N Butler matrix modules 14 receives the transmit signal SO of two horizontal active TR sub-modules, and outputs four first signals S1; the four first signals S1 are respectively fed by four
  • the network module 13 outputs a second signal S2 of at least four channels, and the second signal S2 is radiated as an electromagnetic wave by the antenna element in the horizontal direction of the antenna matrix module 12.
  • the feed network module 13 includes a plurality of input ports and a plurality of output ports, and the number of input ports and the number of output ports may be different.
  • the channel calibration module 15 is further included in the embodiment of the present invention.
  • the channel calibration module 15 couples a portion of the transmitted signal from the transmit signal of the active TRX sub-module of the TRX array module 11 to calibrate the amplitude-to-phase variation caused by the channel difference between the active TRX sub-modules to eliminate channel differences. .
  • optional antenna system 20 may also include phase shifter 16.
  • the phase shifter 16 can be a discrete unit or can be combined with the feed network module 13. For the transmission signal radiated from the antenna system of the embodiment of the present invention, by adjusting the phase shifter 16, the flexibility can be increased in the vertical inclination of the adjustment beam to compensate for the deficiency of the TR array module 11 for digital beam shaping adjustment. .
  • the baseband signal input to the active TR sub-module may be a single signal component, or may also include multiple signal components. Accordingly, the output signal output by the active TRX sub-module may be a single signal component, or A plurality of signal components are included, such as a transmit signal comprising two signal components in subsequent embodiments herein.
  • the baseband signal is shaped by the digital beam of the TR array module.
  • the feed network module 13 can adjust the beam vertical characteristics of the antenna element array module of each signal component.
  • the baseband signal is shaped by the digital beam of the TRX array module 11.
  • the Butler matrix module 14 can be used to adjust the beam level characteristics of the antenna oscillator array module.
  • the embodiment of the invention provides an antenna system, which uses an AAS antenna as a basic structure, reduces feeder loss compared with a conventional antenna, saves labor and equipment costs, and adjusts vertical and horizontal characteristics of the antenna beam more conveniently. There are also certain advantages in the utilization of spectrum resources.
  • Fig. 3 shows a connection diagram of the modules of the antenna system 30 according to another embodiment of the present invention.
  • the antenna system 30 includes a TR array module 11, an antenna element array module 12, a feed network module 13, and a Butler matrix module 14.
  • antenna system 30 also includes a channel calibration module 15 and a phase shifter 16.
  • the antenna system includes M of the feed network modules and one of the feed networks.
  • the module outputs the same number of the Butler matrix, the total number of input ports of the Butler matrix module is equal to the total number of output ports of the feeder network module, and the number of input ports of each of the feeder network modules is equal to N,
  • the number of input ports of each of the Butler matrix modules is equal to M and the number of output ports is equal to A, where M is the number of active TRX sub-modules in the horizontal direction of the antenna Quantity, N is the number of active TR modules in the vertical direction of the antenna, A is the number of vibrators in the horizontal direction of the antenna, B is the number of vibrators in the vertical direction of the antenna, A ⁇ M, B>N, and B, M, and N are greater than or equal to A positive integer of 2.
  • each active TRX sub-module is connected to one input of the feed network module 13.
  • at least M feed network modules are required, each feed network module having at least N inputs.
  • the output of the feeder network module 13 is connected to the input of the Butler Matrix module 14. If the hardware cost is saved with a minimum of Butler matrix module and the structure is simple, N Butler matrix modules 14 are required, and the number of input ports of each Butler matrix module 14 is M.
  • the output of the Butler Matrix module 14 is coupled to the antenna elements of the antenna element array module 11. As shown in Fig. 3, 33 of Fig. 3 are A antenna elements in the horizontal direction of the antenna element array module 12, and 34 of Fig. 3 are B antenna elements in the vertical direction of the antenna element array module 12.
  • the same number of Butler matrix modules 14 as the number of output ports of one feeder network module 13 are required, and the total number of input ports of all Butler matrix modules 14 is equal to M
  • the total number of output ports of the feeder network module 13, the number of output ports of a Butler matrix module is equal to A, where A can be greater than or equal to the number of output ports of each Butler matrix module 14, and B can be greater than or equal to N.
  • the Butler matrix module 14 of two inputs and four outputs is shown.
  • the invention is not limited thereto.
  • each feeder network module 13 includes 2 input ports and 6 output ports, 2 feed network modules 13 and 6 Butler Matrix Modules 14.
  • the antenna system comprises a 2x2 TRX array module 11, a 4x12 antenna element array module 12, two feed network modules 13 and six Butler matrix modules 14, wherein the input port of each feed network module 13 It is 2 and the output port is 6, and the input port of each Butler matrix module 14 is 2 and the output port is 4.
  • the antenna system of this structure has better coverage.
  • the first input of the two feed network modules 13 respectively receives two horizontally-transmitted TRX transmission signals SO, and two 2-channel third signals S3, respectively; the two-way third signals S3 are output through one Butler matrix module 14
  • the fourth signal S4 of the fourth antenna S4 is radiated as an electromagnetic wave by the antenna element in the horizontal direction of the antenna matrix module 12.
  • the fourth signal S4 of each channel can be radiated into the electromagnetic wave through the plurality of vertical antenna elements of the antenna matrix module 12 through the vector connection manner, thereby further saving the number of the Butler matrix module 14 and reducing the number of the Butler matrix modules 14 .
  • Hardware cost is
  • the channel calibration module 15 is further included in the embodiment of the present invention.
  • the channel calibration module 15 couples a portion of the transmitted signal from the transmit signal of the active TR sub-module of the TRX array module 11 to calibrate the amplitude and phase changes caused by the channel differences between the active TRX sub-modules to eliminate channel differences. .
  • optional antenna system 30 may also include phase shifter 16.
  • the phase shifter 16 can be a discrete unit or can be combined with the feed network module 13. For the transmission signal radiated from the antenna system of the embodiment of the present invention, by adjusting the phase shifter 16, the flexibility can be increased in the vertical inclination of the adjustment beam to compensate for the deficiency of the TR array module 11 for digital beam shaping adjustment. .
  • the baseband signal input to the active TR submodule may be a single signal component, or may also include multiple signal components. Accordingly, the output signal output by the active TR submodule may be a single signal component, or A plurality of signal components are included, such as a transmit signal comprising two signal components in the embodiment of FIG. 6 herein.
  • the baseband signal is digitally beamformed by the TRX array module.
  • the feed network module 13 can adjust the beam vertical characteristics of the antenna oscillator array module.
  • the baseband signal is shaped by the digital array of the TR array module 11.
  • the Butler matrix module 14 can adjust the beam level characteristics of the antenna element array module of each signal component.
  • the embodiment of the invention provides an antenna system, which uses an AAS antenna as a basic structure, reduces feeder loss compared with a conventional antenna, saves labor and equipment costs, and adjusts vertical and horizontal characteristics of the antenna beam more conveniently. There are also certain advantages in the utilization of spectrum resources.
  • a Butler matrix module with two inputs and four outputs is taken as an example, and Figures 4 to 6 respectively show different implementations.
  • 4 is a schematic diagram showing an example of a Butler matrix module according to an embodiment of the present invention.
  • the Butler matrix module 14 includes a first input 411, a second input 412, and first to fourth outputs 421 to 424, and a first 3dB bridge 401, a second 3dB bridge 402, and a third 3dB. Bridge 405 and fourth 3dB bridge 406, and first phase shifter 403 and second phase shifter 404.
  • the first input 411 and the second input 412 of the Butler Matrix module 14 are coupled to the first input of the first 3dB bridge 401 and the first input of the second 3dB bridge 402, respectively.
  • the first output of the first 3dB bridge 401 is coupled to the first input of the third dB bridge 405, and the second output of the first 3dB bridge is coupled to the first phase shifter 403.
  • the first output of the second 3dB bridge is coupled to the second phase shifter 404, and the second output of the second 3dB bridge 402 is coupled to the first input of the fourth 3dB bridge 406.
  • the first output of the third 3dB bridge 405 is coupled to the first output 421 of the Butler Matrix module 14, and the second output of the third 3dB bridge 405 is coupled to the second output 422 of the Butler Matrix Module 14.
  • the first output and the second output of the fourth 3dB bridge 406 are coupled to the third output 423 and the fourth output 424 of the Butler Matrix module 14, respectively.
  • the first to fourth outputs of the Butler matrix module are corresponding first signals; or when the first input of the Butler matrix module When the second input is a different third signal, the first to fourth outputs of the Butler matrix module are corresponding fourth signals.
  • Each of the transmitted signals or the third signals includes a single signal component, such as signal A or signal B shown in the figure.
  • the first output 421 is a signal A that includes a phase shift of 0 degrees at the same time.
  • the signal of the 270-degree phase-shifted signal B is shown as (signal AO + signal B 270 degrees).
  • the second output 422 is a signal including a 90 degree phase shifted signal A and a 180 degree phase shifted signal B, which is expressed as (signal A 90 degrees + signal B 180 degrees).
  • the third output 423 is a signal including a 90 degree phase shifted signal B and a 180 degree phase shifted signal A, which is expressed as (signal B90 degrees + signal A 180 degrees).
  • the fourth output 424 is a signal including both a 0 degree phase shifted signal B and a 270 degree phase shifted signal A, which is represented as a signal (AO degree + signal A270 degrees).
  • one Butler matrix module outputs four signals, and includes four phase-shifted signals A and B, respectively. After the four output signals are radiated by the antenna element module, four differently directed beams will be formed.
  • the antenna system in the embodiment of the present invention includes multiple Butler matrix modules, more differently directed beams can be output, and the above beams cover different regions, so that the frequencies can be multiplexed, and the spectrum utilization rate can be effectively improved.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing another example of the Butler Matrix module 14 according to an embodiment of the present invention.
  • the Butler Matrix Module 14 includes a 90 degree 3dB bridge 501, a first 180 degree power splitter 502, and a second 180 degree power splitter 503.
  • the first input 510 and the second input 511 of the Butler Matrix Module 14 are respectively 90 degrees 3dB
  • the first input and the second input of the bridge 501 are connected;
  • the first output of the 90 degree 3dB bridge 501 is coupled to the first input of the first 180 degree power splitter 502, and the second output of the 90 degree 3dB bridge 501 is coupled to the first input of the second 180 degree power splitter 503;
  • the first output and the second output of the first 180 degree power splitter 502 are coupled to the first output 522 and the third output 524 of the Butler Matrix module, respectively;
  • the first output and the second output of the second 180 degree power splitter 503 are coupled to the second output 523 and the fourth output 515 of the Butler Matrix module, respectively.
  • the first to fourth outputs of the Butler matrix module are corresponding first signals; or when the first input of the Butler matrix module When the second input is a different third signal, the first to fourth outputs of the Butler matrix module are corresponding fourth signals.
  • Each of the transmitted signals or the third signals includes a single signal component, such as signal A or signal B shown in the figure.
  • the first output 521 is a signal including a signal phase A of 0 degree phase shift and a signal B of phase shift of 90 degrees, which is expressed as (signal AO degree + signal B90 degrees).
  • the second output 522 is a signal including both a 0 degree phase shifted signal B and a 90 degree phase shifted signal A, which is expressed as (signal B0 degree + signal A90 degrees).
  • the third output 523 is a signal including a phase shift of 180 degrees (signal AO degree + signal B 90 degrees), which is expressed as (signal AO degree ten signal B90 degrees) +180 degrees, that is, the third output 523 includes signals simultaneously A180 degree signal and signal B270 degree signal.
  • the fourth output 524 is a signal including a phase shift of 180 degrees (signal B0 + signal A 90 degrees), which is expressed as (signal B0 + signal A 90 degrees) + 180 degrees, that is, the fourth output 524 includes signals simultaneously B180 degrees and signals A270 degrees of signal.
  • Fig. 5 in the case of two input signals, four signals are output, and four phase-shifted signals A and B are respectively included. After the four output signals are radiated by the antenna element module, four differently directed beams will be formed.
  • the antenna system in the embodiment of the present invention includes multiple Bartlett matrix modules, more differently directed beams can be output, and the beams cover different regions, so that the frequency can be multiplexed, and the spectrum utilization rate can be effectively improved.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of a Butler Matrix module 14 in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the Butler Matrix Module 14 includes a third 180 degree power splitter 601 and a fourth 180 degree power splitter 602.
  • the first input 611 and the second input 612 of the Butler Matrix Module 14 are coupled to the first input of the third 180 degree power splitter 601 and the first input of the fourth 180 degree power splitter 602, respectively.
  • the first output and the second output of the third 180 degree power splitter 601 are coupled to the first output 621 and the third output of the Butler Matrix module, respectively.
  • the first output and the second output of the fourth 180 degree power splitter 602 are coupled to the second output 622 and the fourth output 624 of the Butler Matrix module, respectively.
  • the first to fourth outputs of the Butler matrix module are corresponding first signals; or when the first input of the Butler matrix module When the second input is a different third signal, the first to fourth outputs of the Butler matrix module are corresponding fourth signals.
  • Two signal components are included in each of the transmitted signals or the third signals.
  • the first input of the Butler matrix module shown in the figure is a signal component including the signal A and the phase shifted signal B
  • the second input is a signal component comprising signal B and a phase A shifted by 90 degrees.
  • the first output 621 is a signal including both a 0-degree phase shifted signal A and a 90-degree phase shifted signal B, which is expressed as (signal AO + signal B 90 degrees).
  • the second output 622 is a signal including both a 0 degree phase shifted signal B and a 90 degree phase shifted signal A, which is represented as (signal B0 degree ten signal A90 degrees).
  • the third output 623 is a signal including a phase shift of 180 degrees (signal AO degree + signal B 90 degrees), which is expressed as (signal AO degree + signal B 90 degrees) + 180 degrees, that is, the third output 623 includes signals simultaneously A180 degree signal and signal B270 degree signal.
  • the fourth output 624 is a signal including a phase shift of 180 degrees (signal B0 + signal A 90 degrees), which is represented as (signal B0 + signal A 90 degrees) + 180 degrees, that is, the fourth output 624 includes signals simultaneously B180 degrees and signals A270 degrees of signal.
  • Fig. 6 it can be seen from Fig. 6 that in the case of two input signals, four signals are output, and four phase-shifted signals A and B are respectively included. After the four output signals are radiated by the antenna element module, four differently directed beams will be formed.
  • the antenna system in the embodiment of the present invention includes multiple Bartlett matrix modules, more differently directed beams can be output, and the beams cover different regions, so that the frequency can be multiplexed, and the spectrum utilization rate can be effectively improved.
  • the signal of the Butler Matrix module of Figure 6 has changed.
  • the signal of one channel includes two signal components, the signal component of which has been phase-shifted by the TRX array module, thereby omitting the 90-degree 3dB bridge, thereby further simplifying the structure of the Butler matrix module, and is more suitable for integration. cut costs.
  • the embodiment of the invention further includes a base station, which includes the antenna system in the embodiment of the invention.
  • the embodiment of the invention further includes a system, the system comprising the base station.
  • the disclosed systems, devices, and methods may be implemented in other ways.
  • the device embodiments described above are merely illustrative.
  • the division of the unit is only a logical function division.
  • there may be another division manner for example, multiple units or components may be combined or Can be integrated into another system, or some features can be ignored, or not executed.
  • the coupling or direct coupling or communication connection shown or discussed may be an indirect coupling or communication connection through some interface, device or unit, and may be electrical, mechanical or otherwise.
  • the components displayed for the unit may or may not be physical units, ie may be located in one place, or may be distributed over multiple network units. Some or all of the units may be selected according to actual needs to achieve the objectives of the solution of the embodiment.
  • each functional unit in each embodiment of the present invention may be integrated into one processing unit, or each unit may exist physically separately, or two or more units may be integrated into one unit.
  • the functions may be stored in a computer readable storage medium if implemented in the form of a software functional unit and sold or used as a standalone product. Based on such understanding, the technical solution of the present invention is essentially or a part contributing to the prior art or a part of the technical solution.
  • the points may be embodied in the form of a software product stored in a storage medium, including instructions for causing a computer device (which may be a personal computer, server, or network device, etc.) to perform various embodiments of the present invention All or part of the steps of the method.
  • the foregoing storage medium includes: a U disk, a mobile hard disk, a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), a magnetic disk or an optical disk, and the like, which can store program codes. .

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

天线系统 技术领域
本发明涉及无线通信领域， 并且更具体地， 涉及基站的天线系统。 背景技术
基站的天线用于将射频信号转化成电磁波信号， 辐射到空间； 或接收从 终端发射的电磁波信号， 转化成射频信号， 输送至基站。
每个天线控制一定范围的区域， 该区域称为扇区或小区， 在此区域内辐 射或接收电磁波， 通过控制主瓣下倾角的方法来控制辐射半径。 主瓣下倾角 越大， 则辐射半径越小。 通过控制天线的主瓣水平方向来控制小区的扇区覆 盖区域。
主瓣下倾有以下几种方式：
1、 将天线安装成倾斜状态， 形成的主波瓣方向， 也就是下倾角在设计 时是己经固定的， 称为机械固定下倾（FET, Fixed Electrical Tilt ), 除非上塔 调节或更换安装支架， 无法改变下倾角。
2、在天线内部设置移相器，变成手动可调电下倾（ MET, Manual Electrical Tilt ) 天线， 要改变下倾角时， 上塔操作调节移相器， 同样很不方便。
3、 因此在方式 2 的天线的基础上增加一个电机装置， 用于远端控制， 该基站天线称为可控电下倾 （RET, Remote Electrical Tilt ) 天线， 硬件增加 了成本。此外， 这种方式的电下倾不能按照不同载波， 不同频道等分别配置， 灵活度有限。
多波束天线是指对天线阵列的激励通过一定关系的幅度和相位加权，使 得天线在指向不同的方向形成多个窄波束。 通过调节波束的垂直特性， 使天 线在垂直方向获得较好的旁瓣抑制及下倾角。在同一扇区应用多波束天线可 以通过确定选择不同的相应波束， 使接收信号最强； 同时多波束天线可以用 来作为扇区劈裂，将一个扇区劈裂成两个扇区，两个扇区间的重叠区域更小， 有利于減少软切换和更软切换， 提升系统容量以达到容量增强的作用。
现有下倾角可调的多波束天线通过馈线与收发信机（ Transceiver, 简称 TRX )模块连接。 在这种连接中， 传输有损耗， 此外分立元器件增加了设备 成本的同时也增加了维护的人工成本。 发明内容
本发明提供了一种天线系统， 能够节省成本。
一方面， 提供了一种天线系统， 包括： TRX阵列模块、 天线振子阵列模 块、 馈电网络模块和巴特勒矩阵模块， 其中 TRX阵列模块， 包括多个有源 TR 子模块， 用于生成经过数字波束赋形的发射信号； 天线振子阵列模块， 包括多个天线振子， 用于发射发射信号； 馈电网络模块， 用于在天线振子阵 列模块发射发射信号前形成天线振子阵列模块的波束垂直特性； 巴特勒矩阵 模块， 用于在天线振子阵列模块发射发射信号前形成天线振子阵列模块的波 束水平特性。
另一方面， 提供了一种基站， 该基站包括上述天线系统。
另一方面， 提供了一种系统， 该系统包括上述基站。
上述技术方案提供了一种天线系统， 以 AAS天线作为基础架构， 和传 统的天线相比， 减小了馈线损耗， 节省了人工和设备成本， 天线波束垂直和 水平特性调节更加方便， 同时在频普资源的利用率上也有一定的优势。 附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例或现有技 术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图 仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造 性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例或现有技 术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图 仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造 性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1是示出根据本发明实施例的天线系统的示意框图。
图 2是示出根据本发明另一实施例的天线系统的示意图。
图 3是示出根据本发明另一实施例的天线系统的示意图。
图 4是示出根据本发明实施例的巴特勒矩阵模块的一个例子的示意图。 图 5是示出根据本发明实施例的巴特勒矩阵模块的另一例子的示意图。 图 6是示出根据本发明实施例的巴特勒矩阵模块的另一例子的示意图。 具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例， 而不是 全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创 造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的技术方案， 可以应用于各种通信系统， 例如： 全球 移动通信 ( GSM, Global System for Mobile Communication ) 系统， 码分多 址（ CDMA, Code Division Multiple Access )系统，宽带码分多址（ WCDMA, Wideband Code Division Multiple Access Wireless ) , 通用分组无线业务 ( GPRS , General Packet Radio Service ) , 长期演进 （LTE , Long Term Evolution )等。
用户设备 （ UE , User Equipment ) , 也可称之为移动终端 （ Mobile
Terminal )、 移动用户设备等， 可以经无线接入网（例如， RAN , Radio Access Network ) 与一个或多个核心网进行通信， 用户设备可以是移动终端， 如移 动电话（或称为"蜂窝"电话）和具有移动终端的计算机， 例如， 可以是便携 式、 袖珍式、 手持式、 计算机内置的或者车载的移动装置， 它们与无线接入 网交换语言和 /或数据。
基站，可以是 GSM或 CDMA中的基站（ BTS, Base Transceiver Station ), 也可以是 WCDMA中的基站（ NodeB )，还可以是 LTE中的演进型基站（ eNB 或 e-NodeB, evolutional Node B ), 本发明并不限定， 但为描述方便， 下述实 施例以 Node B为例进行说明。
另外 , 本文中术语"系统"和"网络"在本文中常被可互换使用。 本文中术 语"和 /或"， 仅仅是一种描述关联对象的关联关系， 表示可以存在三种关系， 例如， A和 /或 B, 可以表示： 单独存在 A， 同时存在 A和 B, 单独存在 B 这三种情况。 另外， 本文中字符" /", 一般表示前后关联对象是一种"或"的关 系。
应注意， 以下描述中， 在两个元件"连接"时， 这两个元件可以直接连接， 也可以通过一个或多个中间元件间接地连接。 两个元件连接的方式可包括接 触方式或非接触方式。本领域技术人员可以对以下描述的示例连接方式进行 等价替换或修改， 这样的替换或修改均落入本发明的范围内。 AAS ( Active Antenna System , 有源天线系统）是指带有源器件的天线， 也就是天线内部集成了有源 TRX模块的天线。
本发明实施例提供了一种天线系统， 以 AAS天线作为基础架构， 和传 统的天线相比， 减小了馈线损耗， 节省了人工和设备成本， 天线波束调节更 加方便， 同时在频谱资源的利用率上也有一定的优势。
图 1是示出根据本发明实施例的天线系统 10的示意框图。 天线系统 10 包括 TRX阵列模块 11、 天线振子阵列模块 12、 馈电网络模块 13和巴特勒 矩阵模块 14。
TR 阵列模块 11包括多个有源 TRX子模块，生成经过数字波束赋形的 发射信号。 TRX阵列模块 11 包括 MxN个有源 TR 子模块， 有源 TRX子 模块生成发射信号通过天线振子阵列模块发射。 M和 N分别指示天线水平 方向和垂直方向的有源 TR 子模块数量，且为大于等于 2的正整数。该 TRX 阵列模块 11 也可以用于处理接收信号， 其处理接收信号大致为其处理发射 信号的一个逆过程， 因此在此不作赘述。
天线振子阵列模块 12发射所述发射信号。 天线振子阵列模块 12 包括
A B个天线单元振子， 将发射信号以电磁波形式辐射出去。 A和 B分别指 示天线水平方向和垂直方向， 且为大于等于 2的正整数。 该天线振子阵列模 块 12也可以用于接收信号， 其接收信号大致为其发射信号的一个逆过程， 因此在此不作赘述。
馈电网络模块 13在发射所述发射信号前形成所述天线振子阵列模块的 波束垂直特性。其中，波束垂直特性指的是和垂直面的波束形状相关的特性， 可以包括垂直面波束的波瓣宽度、 波束指向、 和 /或副瓣等。 馈电网络模块 13有多路输入和多路输出， 为一合分路网络，可以将输入的发射信号进行分 路， 如该馈电网络模块 13 中的一个分路单元将输入的一路发射信号分成功 率比为 1 : 1的两路， 或者分成功率比为 4: 1的两路， 从而可以影响天线发 射出的波束的波瓣宽度或垂直面副瓣等特性。 与 MET天线或 RET中的移相 器相比， 馈电网络模块 13 多路输入可以但并不限于按照不同载频、 不同信 道等分别配置， 垂直面调节更灵活。 该馈电网络模块 13也可以用于对接收 到的信号进行处理， 其处理过程大致为其对发射信号的处理过程的一个逆过 程， 因此在此不作赘述。
巴特勒矩阵模块 14在发射所述发射信号前形成所述天线振子阵列模块 的波束水平特性。 其中， 波束水平特性指的是和水平面的波束形状相关的特 性， 可以包括水平面波束的波瓣宽度、 波束指向、 和 /或副瓣等。 巴特勒矩阵 模块 14可以提供天线水平面的多波束功能， 有多路输入和多路输出， 通过 将多路输入通过合分路网络， 连接天线振子， 最终使得各路输出指向不同的 方向。 该巴特勒矩阵模块 14也可以用于对接收到的信号进行处理， 其处理 过程大致为其对发射信号的处理过程的一个逆过程， 因此在此不作赘述。
在一个天线系统中同时包括上述四种模块可以形成紧致的结构，从而可 以节省设备成本。
出于筒洁， 以发射方向为例， 本发明实施例中的天线系统 10通过各模 块之间的近距离连接， 相比传统的天线系统通过较长的馈线与 TR 模块连 接， 減少了馈线损耗。
此外， TRX阵列模块 11输出的多路发射信号经过了数字波束赋形处理， 形成了天线振子阵列模块的波束垂直特性和波束水平特性。 通过 TR 阵列 模块 11 对发射信号进行的数字波束赋形， 可以实现天线的垂直面波束的下 倾角可调， 也可以实现天线的水平面波束的赋形。 数字调节波束垂直特性和 波束水平特性的方法灵活、 简便， 可以节省人工成本。 同时， 经过馈电网络 模块 13还可以进一步地调节天线振子阵列模块 12的波束垂直特性， 经过巴 特勒矩阵模块 14还可以进一步调节天线振子阵列模块 12的波束水平特性。 本发明实施例中提供了数字调节和模拟调节两种方式，使得波束垂直特性和 波束水平特性调节更加方便。
进一步地， 由于天线系统中至少包括 2x2个有源 TRX子模块， 形成至 少 4个多波束。 不同的多波束的覆盖区域不同， 从而可以提高频谙利用率。 此外，每路有源 TRX子模块输出的发射信号可以包括一个或多个信号分量， 每个信号分量都经过了数字波束赋形处理。
本发明实施例提供了一种天线系统， 以 AAS天线作为基础架构， 和传 统的天线相比， 减小了馈线损耗， 节省了人工和设备成本， 天线波束垂直和 水平特性调节更加方便， 同时在频谱资源的利用率上也有一定的优势。
图 2是示出根据本发明另一实施例的天线系统 20各模块的连接示意图。 如图 2所示， 天线系统 20包括 TR 阵列模块 11、 天线振子阵列模块 12、 馈电网络模块 13和巴特勒矩阵模块 14。 与天线系统 10不同的是， 天线 系统 20还包括通道校准模块 15和移相器 16。 当所述 TRX阵列模块包括 MxN个所述有源 TR 子模块， 且所述天线 振子阵列模块为 ΑχΒ个时， 所述天线系统包括 Ν个所述巴特勒矩阵模块和 与一个所述巴特勒矩阵模块的输出端口数相同数量的所述馈电网络模块， 所 述馈电网络模块的输入端口总数等于所述巴特勒矩阵模块的输出端口总数， 每个所述巴特勒矩阵模块的输入端口数等于 Μ,每个所述馈电网络模块的输 入端口数等于 Ν且输出端口数等于 Β, 其中 Μ为天线水平方向的所述有源 TR 子模块数量， Ν为天线垂直方向的所述 TR 模块数量， Α为天线水平 方向的振子数量， B为天线垂直方向的振子数量， A≥M, B>N, 且八、 B、 M和 N为大于等于 2的正整数。
图 2的 21是 TR 阵列 11中水平方向的 M个有源 TRX子模块， 图 2 的 22是 TR 阵列 11中垂直方向的 N个有源 TR 子模块。通常巴特勒矩阵 模块 14是多入多出。 每个有源 TRX子模块连接到巴特勒矩阵模块 14的一 路输入端。 如果以最少巴特勒矩阵模块实现节省硬件成本、 结构筒单， 在此 情况下， 至少需要 N个巴特勒矩阵模块， 且每个巴特勒矩阵模块有 M个输 入端口数。 巴特勒矩阵模块 14的输出端与馈电网络模块 13的输入端连接， 由此需要至少与 1个巴特勒矩阵模块 14的输出端口数相等的多个馈电网络 模块 13。馈电网络模块 13的输出端与天线振子阵列模块 11的天线振子连接。 如图 2所示， 图 2的 23是天线振子阵列模块 12水平方向的 A个天线振子， 图 2的 24是天线振子阵列模块 12垂直方向的 B个天线振子。出于简化电路 的考虑， 在此情况下， 当每个巴特勒矩阵模块 14有 A个输出时， 则至少需 要 A个馈电网络模块 13 ,每个馈电网络模块 13有 N路输入， A个馈电网络 模块 13的输入总数等于 N个巴特勒矩阵模块的输出总数， 同为 AxN个。
图中为说明的方便， 示出 2个输入、 4个输出的巴特勒矩阵模块 14。 但 本发明对此不做限定。 在此情况下， N个巴特勒矩阵模块 14的每一个接收 两路水平方向有源 TR 子模块的发射信号 SO, 输出 4路第一信号 S1 ; 4路 第一信号 S1分别经 4个馈电网络模块 13输出为至少 4路的第二信号 S2, 第二信号 S2经天线矩阵模块 12水平方向的天线振子辐射为电磁波。通常馈 电网络模块 13 包括多个输入端口和多个输出端口， 输入端口数和输出端口 数可以不同。
上述说明以发射过程为例， 作为反方向的接收过程， 上述连接关系依然 成立） 在此不再赘述 可选的， 在本发明实施例中还包括通道校准模块 15。 通道校准模块 15 从 TRX阵列模块 11的有源 TRX子模块的发射信号耦合出一部分发射信号， 用来对有源 TRX子模块之间的通道差异带来的幅相变化进行校准， 以消除 通道差异。
此外， 可选的， 天线系统 20还可以包括移相器 16。 移相器 16可以是分 立单元， 也可以与馈电网络模块 13 结合在一起。 对于从本发明实施例的天 线系统辐射出去的发射信号， 通过调节移相器 16， 可以在调整波束垂直方向 下倾角上增加灵活度， 以弥补 TR 阵列模块 11进行数字波束赋形调节后的 不足。
需要特别说明的是， 输入有源 TR 子模块的基带信号可以是单一信号 分量， 或者也可以包括多个信号分量， 相应地， 有源 TRX子模块输出的发 射信号可以是单一信号分量， 也可以包括多个信号分量， 例如本文后续实施 例中的包括两个信号分量的发射信号。 基带信号经过 TR 阵列模块数字波 束赋形， 当发射信号包括多个信号分量时， 再经过馈电网络模块 13 , 可以调 节每个信号分量的天线振子阵列模块的波束垂直特性。 基带信号经过 TRX 阵列模块 11数字波束赋形， 当发射信号包括多个信号分量时， 再经过巴特 勒矩阵模块 14， 可以共同调节天线振子阵列模块的波束水平特性。
本发明实施例提供了一种天线系统， 以 AAS天线作为基础架构， 和传 统的天线相比， 减小了馈线损耗， 节省了人工和设备成本， 天线波束垂直和 水平特性调节更加方便， 同时在频谱资源的利用率上也有一定的优势。
与图 2的天线系统 20不同的是， 图 3示出根据本发明另一实施例的天 线系统 30各模块的连接示意图。
如图 3所示， 天线系统 30包括 TR 阵列模块 11、 天线振子阵列模块 12、 馈电网络模块 13和巴特勒矩阵模块 14。 与天线系统 10不同的是， 天线 系统 30同样还包括通道校准模块 15和移相器 16。
当所述 TRX阵列模块包括 MxN个所述有源 TR 子模块， 且所述天线 振子阵列模块为 AxB个时， 所述天线系统包括 M个所述馈电网络模块和与 一个所述馈电网絡模块输出端口数相同数量的所述巴特勒矩阵， 所述巴特勒 矩阵模块的输入端口总数等于所述馈电网络模块的输出端口总数， 每个所述 馈电网络模块的输入端口数等于 N， 每个所述巴特勒矩阵模块的输入端口数 等于 M且输出端口数等于 A,其中 M为天线水平方向的有源 TRX子模块数 量， N为天线垂直方向的有源 TR 模块数量， A为天线水平方向的振子数 量， B为天线垂直方向的振子数量， A≥M， B>N, 且 、 B、 M和 N为大于 等于 2的正整数。
图 3的 31是 TR 阵列模块 11中水平方向的 M个有源 TRX子模块， 图 3的 32是 TR 阵列模块 11中垂直方向的有源 TRX子模块。 每个有源 TRX 子模块连接到馈电网络模块 13的一路输入。 在此情况下， 至少需要 M个馈 电网络模块， 每个馈电网络模块至少有 N个输入。
馈电网络模块 13的输出端与巴特勒矩阵模块 14的输入端连接。 如果以 最少巴特勒矩阵模块实现节省硬件成本、 结构简单， 由此需要 N个巴特勒矩 阵模块 14, 且每个巴特勒矩阵模块 14的输入端口数为 M个。 巴特勒矩阵模 块 14的输出端与天线振子阵列模块 11的天线振子连接。 如图 3所示， 图 3 的 33是天线振子阵列模块 12水平方向的 A个天线振子， 图 3的 34是天线 振子阵列模块 12垂直方向的 B个天线振子。 出于节省硬件成本、 结构简单 的考虑， 在此情况下， 需要与一个馈电网络模块 13 的输出端口数相同数目 的巴特勒矩阵模块 14, 所有巴特勒矩阵模块 14的输入端口总数等于 M个 馈电网络模块 13 的输出端口总数， 一个巴特勒矩阵模块的输出端口数等于 A, 其中 A可以大于等于每个巴特勒矩阵模块 14的输出端口数， B可以大 于等于 N。
图中为说明的方便， 示出 2个输入、 4个输出的巴特勒矩阵模块 14。 但 本发明对此不做限定。 在此情况下， 当 M=N=2、 A=4、 B=12, 且每个馈电 网络模块 13包括 2个输入端口和 6个输出端口时， 则需要 2个馈电网络模 块 13和 6个巴特勒矩阵模块 14。 当天线系统包括 1个 2x2的 TRX阵列模 块 11， 1个 4x12的天线振子阵列模块 12， 2个馈电网络模块 13和 6个巴特 勒矩阵模块 14, 其中每个馈电网络模块 13的输入端口为 2且输出端口为 6, 每个巴特勒矩阵模块 14的输入端口为 2且输出端口为 4,这种结构的天线系 统的覆盖效果较佳。 2个馈电网络模块 13的第一路输入分别接收 2个水平方 向的 TRX的发射信号 SO, 分别输出 2路第三信号 S3 ; 2路第三信号 S3经 1 个巴特勒矩阵模块 14输出 4路第四信号 S4， 所述 4路第四信号 S4经天线 矩阵模块 12水平方向的天线振子辐射为电磁波。 其中， 每一路第四信号 S4 经功分器通过矢量连接方式还可以经天线矩阵模块 12多个垂直方向的天线 振子辐射为电磁波， 由此进一步节省了巴特勒矩阵模块 14的数量， 降低了 硬件成本。
上述说明以发射过程为例， 作为反方向的接收过程， 本发明实施例中的 连接关系依然成立， 此处不再赘述。
可选的， 在本发明实施例中还包括通道校准模块 15。 通道校准模块 15 从 TRX阵列模块 11的有源 TR 子模块的发射信号耦合出一部分发射信号， 用来对有源 TRX子模块之间的通道差异带来的幅相变化进行校准， 以消除 通道差异。
此外， 可选的， 天线系统 30还可以包括移相器 16。 移相器 16可以是分 立单元， 也可以与馈电网络模块 13 结合在一起。 对于从本发明实施例的天 线系统辐射出去的发射信号， 通过调节移相器 16, 可以在调整波束垂直方向 下倾角上增加灵活度， 以弥补 TR 阵列模块 11进行数字波束赋形调节后的 不足。
需要特别说明的是， 输入有源 TR 子模块的基带信号可以是单一信号 分量， 或者也可以包括多个信号分量， 相应地， 有源 TR 子模块输出的发 射信号可以是单一信号分量， 也可以包括多个信号分量， 例如本文图 6的实 施例中的包括两个信号分量的发射信号。 基带信号经过 TRX阵列模块数字 波束赋形， 当发射信号包括多个信号分量时， 再经过馈电网络模块 13， 可以 共同调节天线振子阵列模块的波束垂直特性。 基带信号经过 TR 阵列模块 11数字波束赋形， 当发射信号包括多个信号分量时，再经过巴特勒矩阵模块 14， 可以调节每个信号分量的天线振子阵列模块的波束水平特性。
本发明实施例提供了一种天线系统， 以 AAS天线作为基础架构， 和传 统的天线相比， 减小了馈线损耗， 节省了人工和设备成本， 天线波束垂直和 水平特性调节更加方便， 同时在频谱资源的利用率上也有一定的优势。
针对上述实施例天线系统 20、 30或 40的巴特勒矩阵模块， 以 2路输入 4路输出的巴特勒矩阵模块为例， 图 4至图 6分别示出不同的实现方式。 其 中， 图 4是示出根据本发明实施例的巴特勒矩阵模块的一个例子的示意图。
如图 4所示， 巴特勒矩阵模块 14包括第一输入 411、第二输入 412和第 一至第四输出 421至 424， 且第一 3dB电桥 401、 第二 3dB电桥 402、 第三 3dB电桥 405和第四 3dB电桥 406, 以及第一移相器 403和第二移相器 404。
巴特勒矩阵模块 14的第一输入 411和第二输入 412分别与第一 3dB电 桥 401的第一输入和第二 3dB电桥 402的第一输入连接。 第一 3dB电桥 401的第一输出与第三 dB电桥 405的第一输入连接， 第 一 3dB电桥的第二输出与第一移相器 403连接。
第二 3dB电桥的第一输出与第二移相器 404连接， 第二 3dB电桥 402 的第二输出与第四 3dB电桥 406的第一输入连接。
第三 3dB电桥 405的第一输出与巴特勒矩阵模块 14的第一输出 421连 接， 第三 3dB电桥 405的第二输出与巴特勒矩阵模块 14的第二输出 422连 接。
第四 3dB电桥 406的第一输出和第二输出分别与巴特勒矩阵模块 14的 第三输出 423和第四输 424出连接。
当巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别是不同路发射信号时， 则 巴特勒矩阵模块的第一至第四输出为对应的第一信号； 或者当巴特勒矩阵模 块的第一输入和第二输入分别是不同路第三信号时， 则巴特勒矩阵模块的第 一至第四输出为对应的第四信号。每路发射信号或第三信号中包括单一信号 分量， 例如图中所示信号 A或信号 B。
举例来说， 如图 4所示第一输出 421是同时包括 0度相移的信号 A和
270度相移的信号 B的信号， 图中表示为 (信号 AO度 +信号 B270度)。
第二输出 422是同时包括 90度相移的信号 A和 180度相移的信号 B的 信号， 图中表示为 (信号 A90度 +信号 B180度)。
第三输出 423是同时包括 90度相移的信号 B和 180度相移的信号 A的 信号， 图中表示为 (信号 B90度 +信号 A180度)。
第四输出 424是同时包括 0度相移的信号 B和 270度相移的信号 A的 信号， 图中表示为信号 (AO度 +信号 A270度)。
从图 4可以看出， 在 2路输入信号的情况下， 一个巴特勒矩阵模块输出 了 4路信号， 且分别包括了 4种相移的信号 A和信号 B。 经天线振子模块将 4路输出信号辐射后， 将形成了 4个不同指向的波束。 当本发明实施例中的 天线系统中包括多个巴特勒矩阵模块时， 可以输出更多不同指向的波束， 上 述波束覆盖不同区域， 从而可以复用频率， 有效提高频谱利用率。
图 5是示出根据本发明实施例的巴特勒矩阵模块 14的另一例子的示意 图。 巴特勒矩阵模块 14包括 90度 3dB电桥 501、 第一 180度功分器 502和 第二 180度功分器 503。
巴特勒矩阵模块 14的第一输入 510和第二输入 511分别与 90度 3dB电 桥 501的第一输入和第二输入连接；
90度 3dB电桥 501的第一输出与第一 180度功分器 502的第一输入连 接， 90度 3dB电桥 501的第二输出与第二 180度功分器 503的第一输入连 接；
第一 180度功分器 502的第一输出和第二输出分别与巴特勒矩阵模块的 第一输出 522和第三输出 524连接；
第二 180度功分器 503的第一输出和第二输出分别与巴特勒矩阵模块的 第二输出 523和第四输出 515连接。
当巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别是不同路发射信号时， 则 巴特勒矩阵模块的第一至第四输出为对应的第一信号； 或者当巴特勒矩阵模 块的第一输入和第二输入分别是不同路第三信号时， 则巴特勒矩阵模块的第 一至第四输出为对应的第四信号。每路发射信号或第三信号中包括单一信号 分量， 例如图中所示信号 A或信号 B。
举例来说， 如图 5所示第一输出 521是同时包括 0度相移的信号 A和 90度相移的信号 B的信号， 图中表示为 (信号 AO度 +信号 B90度)。
第二输出 522是同时包括 0度相移的信号 B和 90度相移的信号 A的信 号， 图中表示为 (信号 B0度 +信号 A90度)。
第三输出 523是包括 180度相移的 (信号 AO度 +信号 B90度)的信号， 图 中表示为 (信号 AO度十信号 B90度） +180度， 也就是第三输出 523为同时包 括信号 A180度和信号 B270度的信号。
第四输出 524是包括 180度相移的 (信号 B0度 +信号 A90度)的信号， 图 中表示为 （信号 B0度 +信号 A90度） +180度， 也就是第四输出 524为同时 包括信号 B180度和信号 A270度的信号。
从图 5可以看出， 在 2路输入信号的情况下， 输出了 4路信号， 且分别 包括了 4种相移的信号 A和信号 B。经天线振子模块将 4路输出信号辐射后， 将形成了 4个不同指向的波束。 当本发明实施例中的天线系统中包括多个巴 特勒矩阵模块时， 可以输出更多不同指向的波束， 上述波束覆盖不同区域， 从而可以复用频率， 有效提高频谱利用率。
与图 4所示的巴特勒矩阵模块相比， 图 5中和 TRX阵列模块连接的巴 特勒矩阵模块减少了分路器件， 180度功分器作为矢量运算网络在数字域中 进行准确的矢量运算， 由此系统结构更加简化， 更适于集成化以降低成本。 图 6是示出根据本发明实施例的巴特勒矩阵模块 14的另一例子的示意 图。巴特勒矩阵模块 14包括第三 180度功分器 601和第四 180度功分器 602。
巴特勒矩阵模块 14的第一输入 611和第二输入 612分别与第三 180度 功分器 601的第一输入和第四 180度功分器 602的第一输入连接。
第三 180度功分器 601的第一输出和第二输出分别与巴特勒矩阵模块的 第一输出 621和第三输出连接 623。
第四 180度功分器 602的第一输出和第二输出分别与巴特勒矩阵模块的 第二输出 622和第四输出 624连接。
当巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别是不同路发射信号时， 则 巴特勒矩阵模块的第一至第四输出为对应的第一信号； 或者当巴特勒矩阵模 块的第一输入和第二输入分别是不同路第三信号时， 则巴特勒矩阵模块的第 一至第四输出为对应的第四信号。每路发射信号或第三信号中包括两个信号 分量， 例如图中所示巴特勒矩阵模块的第一输入是包括信号 A和 90度相移 后的信号 B的信号分量， 巴特勒矩阵模块的第二输入是包括信号 B和 90度 相移后的信号 A的信号分量。
举例来说， 如图 6所示第一输出 621是同时包括 0度相移的信号 A和 90度相移的信号 B的信号， 图中表示为 (信号 AO度 +信号 B90度)。
第二输出 622是同时包括 0度相移的信号 B和 90度相移的信号 A的信 号， 图中表示为 (信号 B0度十信号 A90度)。
第三输出 623是包括 180度相移的 (信号 AO度 +信号 B90度)的信号， 图 中表示为 (信号 AO度 +信号 B90度） +180度， 也就是第三输出 623为同时包 括信号 A180度和信号 B270度的信号。
第四输出 624是包括 180度相移的 (信号 B0度 +信号 A90度)的信号， 图 中表示为 （信号 B0度 +信号 A90度） +180度， 也就是第四输出 624为同时 包括信号 B180度和信号 A270度的信号。
从图 6可以看出， 在 2路输入信号的情况下， 输出了 4路信号， 且分别 包括了 4种相移的信号 A和信号 B。经天线振子模块将 4路输出信号辐射后， 将形成了 4个不同指向的波束。 当本发明实施例中的天线系统中包括多个巴 特勒矩阵模块时， 可以输出更多不同指向的波束， 上述波束覆盖不同区域， 从而可以复用频率， 有效提高频谱利用率。
与图 5所示的巴特勒矩阵模块相比， 图 6的巴特勒矩阵模块的信号有变 化， 一路发射信号包括两个信号分量时， 其中的信号分量已经经过 TRX阵 列模块移相， 由此可以省略 90度 3dB电桥， 从而使得巴特勒矩阵模块结构 进一步简化， 更适于集成化以降低成本。
本发明实施例中还包括一种基站， 该基站包括本发明实施例中的天线系 统。
本发明实施例中还包括一种系统 , 该系统包括上述基站。
本领域普通技术人员可以意识到， 结合本文中所公开的实施例描述的各 示例的单元及算法步骤， 能够以电子硬件、 或者计算机软件和电子硬件的结 合来实现。 这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行， 取决于技术方案的特 定应用和设计约束条件。 专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方 法来实现所描述的功能， 但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到， 为描述的方便和筒洁， 上述描 述的系统、 装置和单元的具体工作过程， 可以参考前述方法实施例中的对应 过程， 此处不再赘述。
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 的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口， 装置或单元的间接耦合 或通信连接， 可以是电性， 机械或其它的形式。 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， 在本发明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。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使 用时， 可以存储在一个计算机可读取存储介质中。 基于这样的理解， 本发明 的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部 分可以以软件产品的形式体现出来， 该计算机软件产品存储在一个存储介质 中， 包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机， 服务器， 或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。 而前 述的存储介质包括: U盘、移动硬盘、只读存储器（ ROM, Read-Only Memory )、 随机存取存储器（RAM, Random Access Memory ), 磁碟或者光盘等各种可 以存储程序代码的介质。
以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限 于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易 想到变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护 范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

权利要求
1、 一种天线系统， 其特征在于， 所述天线系统包括收发信机 TRX阵列 模块、 天线振子阵列模块、 馈电网络模块和巴特勒矩阵模块：
所述 TRX阵列模块， 包括多个有源 TRX子模块， 用于生成经过数字波 束赋形的发射信号；
所述天线振子阵列模块， 包括多个天线振子， 用于发射所述发射信号； 所述馈电网络模块， 用于在所述天线振子阵列模块发射所述发射信号前 形成所述天线振子阵列模块的波束垂直特性；
所述巴特勒矩阵模块， 用于在所述天线振子阵列模块发射所述发射信号 前形成所述天线振子阵列模块的波束水平特性。
2、 根据权利要求 1 所述的天线系统， 其特征在于， 所述天线系统中各 模块的连接关系包括：
所述 TRX阵列模块将所述发射信号发送到所述巴特勒矩阵模块的输入 端；
所述巴特勒矩阵模块将所述发射信号处理后生成第一信号， 经所述巴特 勒矩阵模块的输出端将所述第一信号发送到所述馈电网络模块的输入端； 所述馈电网络模块将所述第一信号处理后生成第二信号， 经所述馈电网 络模块的输出端将所述第二信号发送到所述天线振子阵列模块。
3、 根据权利要求 2所述的天线系统， 其特征在于：
当所述 TR 阵列模块包括 ΜχΝ个所述有源 TR 子模块， 且所述天线 振子阵列模块为 ΑχΒ个时， 所述天线系统包括 Ν个所述巴特勒矩阵模块和 与一个所述巴特勒矩阵模块的输出端口数相同数量的所述馈电网络模块， 所 述馈电网络模块的输入端口总数等于所述巴特勒矩阵模块的输出端口总数， 每个所述巴特勒矩阵模块的输入端口数等于 Μ,每个所述馈电网络模块的输 入端口数等于 Ν且输出端口数等于 Β, 其中 Μ为天线水平方向的所述有源 TRX子模块数量， Ν为天线垂直方向的所述有源 TR 子模块数量， Α为天 线水平方向的振子数量， B为天线垂直方向的振子数量， A≥M, B>N, L A、 B、 M和 N为大于等于 2的正整数。
4、 根据权利要求 1 所述的天线系统， 其特征在于， 所述天线系统中各 模块的连接关系包括：
所述 TR 阵列模块将所述发射信号发送到所述馈电网络模块的输入端； 所述馈电网络模块将所述发射信号处理后生成第三信号， 经所述馈电网 络模块的输出端将所述第三信号发送到所述巴特勒矩阵的输入端；
所述巴特勒矩阵将所述第三信号处理后生成第四信号， 经所述巴特勒矩 阵的输出端将所述第四信号发送到所述天线振子阵列模块。
5、 根据权利要求 4所述的天线系统， 其特征在于：
当所述 TRX阵列模块包括 MxN个所述有源 TR 子模块， 且所述天线 振子阵列模块为 ΑχΒ个时， 所述天线系统包括 Μ个所述馈电网络模块和与 一个所述馈电网络模块输出端口数相同数量的所述巴特勒矩阵， 所述巴特勒 矩阵模块的输入端口总数等于所述馈电网络模块的输出端口总数， 每个所述 馈电网络模块的输入端口数等于 Ν， 每个所述巴特勒矩阵模块的输入端口数 等于 Μ且输出端口数等于 Α,其中 Μ为天线水平方向的所述有源 TRX子模 块数量， Ν为天线垂直方向的所述有源 TRX子模块数量， Α为天线水平方 向的振子数量， B为天线垂直方向的振子数量， A≥M, B>N, 且 A、 B、 M 和 N为大于等于 2的正整数。
6、 根据权利要求 5所述的天线系统， 其特征在于， 当 M=N=2、 A=4, 且 B=12时， 所述天线系统包括：
1个 2x2的所述 TRX阵列模块， 1个 4x 12的所述天线振子阵列模块， 2 个所述馈电网络模块和 6个所述巴特勒矩阵模块， 其中每个所述馈电网络模 块的输入端口数为 2且输出端口数为 6, 每个所述巴特勒矩阵模块的输入端 口为 2且输出端口数为 4。
7、 根据权利要求 1 所述的天线系统， 其特征在于， 所述天线系统还包 括：
通道校准模块， 用于校准所述 TRX阵列模块待输出的发射信号的幅相 特性。
8、 根据权利要求 2或 4所述的天线系统， 其特征在于， 所述馈电网络 模块还包括：
移相器， 用于通过模拟方式改变所述第二信号或所述第三信号的幅相特 性， 形成所述天线振子阵列模块的波束垂直特性。
9、 根据权利要求 3或 5所述的天线系统， 其特征在于， 所述巴特勒矩 阵模块包括第一输入、 第二输入和第一至第四输出， 且包括第一 3dB电桥、 第二 3dB电桥、 第三 3dB电桥、 第四 3dB电桥， 第一移相器和第二移相器， 其中
所述巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别与所述第一 3dB 电桥 的第一输入和所述第二 3dB电桥的第一输入连接；
所述第一 3dB电桥的第一输出与所述第三 3dB 电桥的第一输入连接， 所述第一 3dB电桥的第二输出与所述第一移相器连接；
所述第二 3dB 电桥的第一输出与所述第二移相器连接， 所述第二 3dB 电桥的第二输出与所述第四 3dB电桥的第一输入连接；
所述第三 3dB电桥的第一输出与所述巴特勒矩阵模块的第一输出连接， 所述第三 3dB电桥的第二输出与所述巴特勒矩阵模块的第二输出连接； 所述第四 3dB 电桥的第一输出和第二输出分别与所述巴特勒矩阵模块 的第三输出和第四输出连接，
当所述巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别是不同路所述发射 信号时， 则所述巴特勒矩阵模块的第一至第四输出为对应的所述第一信号， 或者当所述巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别是不同路所述第三 信号时， 则所述巴特勒矩阵模块的第一至第四输出为对应的所述第四信号。
10、 根据权利要求 3或 5所述的天线系统， 其特征在于， 所述巴特勒矩 阵模块包括第一输入、 第二输入和第一至第四输出， 且包括 90度 3dB电桥、 第一 180度功分器和第二 180度功分器， 其中
所述巴特勒矩阵的第一输入和第二输入分别与所述 90度 3dB电桥的第 一输入和第二输入连接；
所述 90度 3dB电桥的第一输出与所述第一 180度功分器的第一输入连 接， 所述 90度 3dB电桥的第二输出与所述第二 180度功分器的第一输入连 接；
所述第一 180度功分器的第一输出和第二输出分别与所述巴特勒矩阵模 块的第一输出和第三输出连接；
所述第二 180度功分器的第一输出和第二输出分别与所述巴特勒矩阵模 块的第二输出和第四输出连接；
当所述巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别是不同路所述发射 信号时， 则所述巴特勒矩阵模块的第一至第四输出为对应的所述第一信号； 或者当巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别是不同路所述第三信号 时， 则所述巴特勒矩阵模块的第一至第四输出为对应的所述第四信号。
11、 根据权利要求 3或 5所述的天线系统， 其特征在于， 所述巴特勒矩 阵模块包括第一输入、 第二输入和第一至第四输出， 且包括第三 180度功分 器和第四 180度功分器， 其中
所述巴特勒矩阵模块的第一输入和第二输入分别与所述第三 180度功分 器的第一输入和所述第四 180度功分器的第一输入连接；
所述第三 180度功分器的第一输出和第二输出分别与所述巴特勒矩阵模 块的第一输出和第三输出连接；
所述第四 180度功分器的第一输出和第二输出分别与所述巴特勒矩阵模 块的第二输出和第四输出连接；
当所述巴特勒矩阵模块的第一输入包括第一路发射信号与 90度相移后 的第二路发射信号， 所述巴特勒矩阵模块的第二输入包括所述第二路发射信 号和 90度相移后的所述第一路发射信号时， 则所述巴特勒矩阵模块的第一 至第四输出为对应的所述第一信号， 或者
当所述巴特勒矩阵模块的第一输入包括第一路第三信号与 90度相移后 的第二路第三信号， 所述巴特勒矩阵模块的第二输入包括所述第二路第三信 号和 90度相移后的所述第一路第三信号时， 则所述巴特勒矩阵模块的第一 至第四输出为对应的所述第四信号。
12、 根据权利要求 1所述的天线系统， 其特征在于， 所述发射信号包括 一个或多于一个信号分量。
13、 一种基站， 其特征在于， 包括根据权利要求 1至 11任意一项所述 的天线系统。
14、 一种通信系统， 其特征在于， 包括根据权利要求 13所述的基站。
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