天线阵列和用于合成天线方向图的方法
【专利摘要】本发明公开了具有多个天线元件的天线阵列。天线阵列包括：多个收发器模块；多个天线元件的有源天线元件子集，其中有源天线元件子集包括有源地耦连到多个收发器模块中的相关联收发器模块的至少一个有源天线元件；以及多个天线元件中的至少两个天线元件的至少一个无源组合的子阵列。还公开了用于利用天线阵列生成天线方向图的方法。
【专利说明】天线阵列和用于合成天线方向图的方法
[0001]其他申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年I月28日提交的序列号为13/016,417的美国专利申请“Antenna Array and Method for Synthesizing Antenna Patterns，，的优先权和权益。
【技术领域】
[0003]本发明的领域涉及有源天线阵列和用于合成有源天线阵列的天线方向图的方法。【背景技术】
[0004]移动通信网络的使用在最近十年已经增加。移动通信网络的运营商已增加基站的数目以满足移动通信网络的用户对服务的增加的需求。移动通信网络的运营商希望降低基站的运行成本。
[0005]如今在移动通信网络领域中使用有源天线阵列以降低发射到客户手机的功率从而增加基站收发台的效率。基站收发台具有借助于光缆和电缆连接到其的天线阵列。天线阵列典型地包括多个天线元件，其收发无线电信号。基站收发台耦连到由一个或多个运营商所运营的固定线路电信网络。
[0006]基站收发台典型地包括多个发射路径和接收路径。发射路径和接收路径中的每一个由天线元件之一来终止。多个天线元件典型地允许由天线阵列所发射的无线电波束的导向(steering)。波束的导向包括但不限于以下内容中的至少一个:波达方向(DOA)的检测、波束形成、下倾(down tilting)和波束分集。波束导向的这些技术在本领域中是众所周知的。
[0007]在移动通信网络中所典型使用的有源天线阵列是包括垂直列的天线阵列元件的均匀线性阵列。有源天线阵列典型地安装在天线杆或塔上。有源天线阵列借助于光缆和电缆耦连到基站收发台(BTS)。
[0008]在天线杆基座处的装备以及安装在天线杆上的有源天线阵列配置为使用由通信标准所定义的协议来发射和接收无线电信号。通信标准典型地定义多个信道或频带，其可用于从手机到天线阵列和基站收发台的上行链路通信以及从基站收发台到用户设备的下行链路通信。
[0009]例如，用于移动通信的通信标准“全球移动通信系统(GSM)”在不同地区使用不同频率。在北美，GSM主要在移动通信频带850MHz和1900MHz上运营。在欧洲、中东和亚洲，大多数供应商使用900MHz和1800MHz频带。通信标准的其他示例包括700MHz (美国)或800MHz (欧盟)的长期演进(LTE)或UMTS标准。
[0010]随着技术进步，运营商展现出对尽可能小并且物有所值的有源天线产品的需求。天线增益应最大化而不显著增加天线的尺寸和成本，并且不显著牺牲天线的倾斜范围。
[0011]现有技术
[0012]图1和2示出用于天线阵列的现有技术解决方案。图1的无源天线阵列1000包括八个天线元件1001-1到1001-8，其由无源馈电网络1006所无源地耦连。可通过选择静态波束形成权重Vl到V8来调整固定波束方向图。在这种现有技术的无源天线阵列中，可使用机械倾斜(例如使用基于步进电机或伺服电机的系统，用于通过物理地移动整个天线本身来远程地移动无源天线的系统倾角)或通过使用‘远程电倾斜’(RET)系统来达到波束上倾或下倾。这种RET系统典型地利用电机控制的相移元件以达到从无线电信号所形成的波束的倾斜。从而天线元件1001-1到1001-8的相位可相对于彼此渐进地移转(shift)以修改天线阵列1000的倾斜。
[0013]图2示出公知的有源天线阵列2000，其中八个天线元件2001-1到2001-8中的每一个连接到其自身的收发器元件2003-1到2003-8。可以通过在各自的收发器元件2003-1到2003-8处动态地调整波束形成权重wl到《8来灵活地设计波束形状和倾斜。
【发明内容】
[0014]根据本公开的一个方面，公开了有源天线阵列，其包括多个收发器模块和多个天线元件的有源天线元件子集，其中有源天线元件子集包括有源地耦连到多个收发器模块中的相关联收发器模块的至少一个有源天线元件。有源天线阵列进一步包括多个天线元件中的至少两个天线元件的至少一个无源组合的子阵列。
[0015]根据本公开的另一方面，公开了用于利用具有多个天线元件的天线阵列来生成天线方向图的方法，该方法包括:针对天线阵列的多个天线元件中的至少两个天线元件的至少一个无源组合的子阵列的天线元件确定静态相位关系；针对多个天线元件的有源天线元件子集以及针对所述至少一个无源组合的子阵列确定动态波束形成参数；以及基于静态相位关系和动态波束形成参数利用天线方向图通过多个天线元件来中继无线电信号。
[0016]本文所使用的术语“有源”或“有源地”应指包括动态可适应的波束形成参数。类似地，本文所使用的“无源”或“无源地”应指包括静态相位关系。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1示出现有技术的无源天线阵列；
[0018]图2示出现有技术的有源天线阵列；
[0019]图3示出根据本公开的一个方面的有源天线阵列的示例；
[0020]图4示出根据本公开的有源天线阵列的另一个示例；
[0021]图5a示出图4中所描绘的有源天线阵列的、下方的无源组合的子阵列的天线方向图；
[0022]图5b示出图4中所描绘的有源天线阵列的、上方的无源组合的子阵列的天线方向图；
[0023]图6a示出针对-6°倾角的、图4中所描绘的有源天线阵列与标准6元件有源天线阵列相比较的整体天线方向图；
[0024]图6b示出针对0°倾角的、图4中所描绘的有源天线阵列与标准6元件有源天线阵列相比较的整体天线方向图；
[0025]图6c示出针对6°倾角的、图4中所描绘的有源天线阵列与标准6元件有源天线阵列相比较的整体天线方向图；
[0026]图6d示出针对9°倾角的、图4中所描绘的有源天线阵列与标准6元件有源天线阵列相比较的整体天线方向图；
[0027]图6e示出针对12°倾角的、图4中所描绘的有源天线阵列与标准6元件有源天线阵列相比较的整体天线方向图；
[0028]图6f示出针对14°倾角的、图4中所描绘的有源天线阵列与标准6元件有源天线阵列相比较的整体天线方向图；
[0029]图7示出根据本发明的、用于生成天线方向图的方法的示例。
【具体实施方式】
[0030]现在将基于附图描述本发明。应理解的是，本文所描述的本发明的实施例和各方面仅是示例并且不以任何方式限制权利要求的保护范围。本发明由权利要求和其等同物来限定。应理解的是，本发明的一个方面或实施例的特征可以与本发明的一个或多个不同方面和/或实施例的特征组合。
[0031]图3示出根据本公开的一方面的有源天线阵列3000的示例。天线阵列3000包括以垂直列排列的多个天线元件3001-1到3001-8。应注意的是，本发明可以指向具有以垂直列排列的天线元件3001-1到3001-8的有源天线阵列3000，但不限于这种垂直排列。天线元件3001-1到3001-8可以线性地(即间距相等)或非线性地(即间距不等)、垂直地或水平地、以二维或多维阵列、或以任何其他合适方式排列。应进一步注意的是，天线元件3001-1到3001-8的数目不限于八个。在有源天线阵列3000中可以存在任何数目N个天线元件3001-1到3001-N。在图3中示出的示例中，存在多个天线元件3001-1到3001-8中的四个有源天线元件3001-3到3001-6的中央子集。应注意的是，子集中有源天线元件3001-3到3001-6的数目不限于四个。有源天线元件子集可包括该N个天线元件3001-1到3001-N的任何数目M个，其中M大于N-2。有源天线阵列3000进一步包括六个收发器模块3003-1到3003-6，其中收发器模块30 03-3到3003-6是相关联的并且有源地耦连到各自的有源天线元件 3001-3 到 3001-6。
[0032]图3的有源天线阵列3000进一步包括分别由多个天线元件3001-1到3001-8中的两个天线元件3001-1、2和3001-7、8组成的两个无源组合的子阵列3005_1、2。两个子阵列3005-1、2中的第一个3005-1 (上方子阵列)包括最上方的两个天线元件3001_1、2，其由第一无源馈电网络3006-1所无源地组合。类似地，两个子阵列3005-1、2中的第二个
3005-2(下方子阵列)包括最下方的两个天线元件3001-7、3001-8，其由第二无源馈电网络
3006-2所无源地组合。应注意的是，有源天线阵列3000可替代地包括N个天线元件3001-1到3001-N中的一个或任何其他数目K个子阵列，其中K ( N/2。子阵列3005_1、2可分别位于天线元件3001-1到3001-8的垂直列的上方和下方，使得有源天线元件子集3001-3到3001-6位于子阵列3005-1、2之间。这允许将如下文所描述的所谓的“渐变式(tapered)”天线阵列。然而，该至少一个子阵列可位于有源天线阵列3000中的任何合适的位置。有源天线阵列3000包括两个共用收发器模块3003-1、2，其分别与上方子阵列3005-1和下方子阵列3005-2相关联。上方子阵列3005-1的天线元件3001_1、2耦连到与上方子阵列3005-1相关联的共用收发器模块3003-1，下方子阵列3005-2的天线元件3001_7、8耦连到与下方子阵列3005-2相关联的共用收发器模块3003-2。与各自的子阵列3005-1到3005-K相关联的共用收发器模块3003-1到3003-K的数目对应于N个天线元件3001-1到3001-N的子阵列3005-1到3005-K的数目K，其中I≤K≤N/2。总之，天线阵列3000中的收发器模块3003-1到3003-6的数目即图3的示例中的六个，小于天线阵列3000中的天线元件3001-1到3001-8的数目即图3的示例中的八个。
[0033]可通过针对上方子阵列3005-1的天线元件3001_1、2确定静态相位关系V11^21来调整将上方子阵列3005-1和与上方子阵列3005-1相关联的共用收发器模块3003-1相连接的第一无源馈电网络3006-1。可借助于机械倾斜(例如使用基于步进电机或伺服电机的系统，用于通过物理地移动上方子阵列3005-1来远程地移动无源天线的系统倾角)或借助于‘远程电倾斜’(RET)系统，来实施上方子阵列3005-1的这种调整。RET系统典型地利用电机控制的相移元件以达到从无线电信号所形成的波束的倾斜。天线元件3001-1、2的相位和/或幅度从而可以相对于彼此渐进地移转以使天线阵列3000的波束成形。
[0034]类似地，可通过针对下方子阵列3005-2的天线元件3001_7、8确定静态相位关系Vl2、V22来调整将下方子阵列3005-2和与下方子阵列3005-2相关联的共用收发器模块3003-2相连接的第二无源馈电网络3006-2。可借助于机械倾斜或借助于RET系统来实施下方子阵列3005-2的这种调整，如上一段中所描述的。天线元件3001-7、8的相位和/或幅度从而可以相对于彼此渐进地移转以使天线阵列3000的波束成形。
[0035]可由波束形成参数W3到W6来动态地确定有源天线元件子集3001-3到3001-6的相位和/或幅度。可分别由波束形成参数W1和W2来动态地确定与有源天线元件子集3001-3到3001-6有关的子阵列3005-1、2的相位和/或幅度。
[0036]图4示出根据本发明的天线阵列4000的另一个示例，其可用于700MHz范围，例如在3GPP12号运营频带(Lower700MHz)、13号运营频带(Upper700MHz)和14号运营频带(Upper700MHz,公共安全/私有)中。天线阵列的垂直长度约1800mm (约6英尺)。天线阵列4000包括以垂直列成对排列的八对天线元件4001-1到4001-16的列，其中每两个相邻天线元件形成一对互相交叉极化的(cross-polarized)天线元件。偶数的天线元件
4001-2,4001-4,......、4001-16 具有第一极化(polarization)，奇数的天线元件 4001-1、
4001-3、……、4001-15具有第二极化，其与第一极化不同。应注意的是，天线阵列4000还可以是多维的并且互相交叉极化的天线元件对不必与彼此或邻居天线元件相邻。
[0037]在图4中所示出的示例中，存在多个天线元件4001-1到4001-16中的四对有源天线元件4001-5到4001-12的中央子集。应注意的是，有源天线元件对的数目不限于四对。中央有源天线元件子集可包括该N个天线元件4001-1到4001-N的任何数目M个，其中M≤N-2。有源天线阵列4000进一步包括总共12个收发器模块4003-1到4003-12，其中中央四对收发器模块4003-3到4003-10是相关联的并且有源地耦连到各自的中央四对有源天线元件子集4001-5到4001-12。
[0038]图4的有源天线阵列4000进一步包括两对无源组合的子阵列4005-1到4005-4。两个天线元件4001-1、3具有第一极化并且两个天线元件4001-2、4具有第二极化。类似地，天线元件4001-13、15具有第一极化并且天线元件4001-14、16具有第二极化。第一子阵列4005-1包括最上方的具有第一极化的两个天线元件4001-1、3，其由第一无源馈电网络4006-1所无源地组合。第二子阵列4005-2包括最上方的具有第二极化的两个天线元件4001-2、4，其由第二无源馈电网络4006-2所无源地组合。类似地，第三子阵列4005-3包括最下方的具有第一极化的两个天线元件4001-13、15，其由第三无源馈电网络4006-3所无源地组合。第四子阵列4005-4包括最下方的具有第二极化的两个天线元件4001-14、16，其由第四无源馈电网络4006-4所无源地组合。
[0039]应注意的是，有源天线阵列4000可替代地包括N个天线元件4001-1到4001-N的一个或任何其他数目K个子阵列，其中K < N/2。可排列子阵列4005-1到4005-4使得针对位于天线元件4001-1到4001-16的垂直列的上端和下端的每个极化存在一个子阵列。中央有源天线元件子集4001-5到4001-12位于子阵列4005-1、2和4005_3、4之间。这允许将如下文所描述的所谓的“渐变式”天线阵列。然而，该至少一个中央子阵列可位于有源天线阵列4000中的任何合适的位置。有源天线阵列4000进一步包括两对共用收发器模块4003-1、2、11、12，其分别与上方子阵列4005-1、2和下方子阵列4005_3、4相关联。第一上方子阵列4005-1的天线元件4001-1、3耦连到与第一上方子阵列4005-1相关联的共用收发器模块4003-1，第二上方子阵列4005-2的天线元件4001_2、4耦连到与第二上方子阵列4005-2相关联的共用收发器模块4003-2，第一下方子阵列4005-3的天线元件4001-13、15耦连到与第一下方子阵列4005-3相关联的共用收发器模块4003-11，以及第二下方子阵列4005-4的天线元件4001-14、16耦连到与第二下方子阵列4005-4相关联的共用收发器模块4003-12。与子阵列4005-1到4005-K相关联的共用收发器模块4003-1到4003-K的数目对应于N个天线元件4001-1到4001-N的子阵列4005-1到4005-K的数目K，其中I≤K≤N/2。总之，天线阵列4000中的收发器模块4003-1到4003-12的数目即图4的示例中的十二个，小于天线阵列4000中的天线元件4001-1到4001-16的数目即图4的示例中的十六个。
[0040]有源天线元件子集对4001-5到4001-12具有约250mm的非限制性间距A。针对有源天线元件子集4001-5到4001-12和子阵列4005-1、2之间的间距选择约250mm的相同距离A。然而，上方第一和第二子阵列4005-1、2的天线元件对4001-1到4001-4具有较小的约140mm的非限制性间距B。以对称的方式，下方第三和第四子阵列4005_3、4的天线元件对4001-13到4001-16也具有约140mm的非限制性间距B。严格地讲，图4的天线阵列4000因此不是线性阵列，因为在所有天线元件4001-1到4001-16之间的间距不相同。然而，总的来说，天线阵列的总长度L是约1800_ (约6英尺)。因此,在容纳(house)仅六对具有300mm间距的天线阵列的相同长度L内，可排列八对天线元件4001-1到4001-16。与中央有源天线元件子集4001-5到4001-12的间距相比较的或与有源天线元件子集4001-5到4001-12和子阵列4005-1、2之间的间距相比较的子阵列4005-1到4005-4的天线元件4001-1到4001-4和4001-13到4001-16的不等间距，允许利用角范围覆盖整体天线的倾斜范围的相当平坦(flat)的天线图来合成两个子阵列方向图。通过该方式，维持用于波束倾斜的完全灵活性(与六对线性阵列相比较)而不显著牺牲天线增益(参见图5a和5b)是可能的。
[0041]与六对线性天线阵列相比较，图4中示出的八对非线性天线阵列4000由于较高数目的天线元件4001-1到4001-8而提供较高的天线增益和较好的旁瓣抑制。然而，有源天线阵列4000的长度和成本并未随着天线元件4001-1到4001-8的数目增加而线性地增加。因为在八对非线性天线阵列4000中使用无源组合的子阵列4005-1到4005-4，所以总长度L和收发器模块的数目可以与针对六对线性阵列的相同。
[0042]图5a示出下方子阵列4005-3、4005-4在以度为单位的仰角上的天线方向图。在整体有源天线阵列4000的倾斜范围内(典型地低于20° )，天线方向图相对平坦。这提供在波束倾斜方面的灵活性。图4中示出上方子阵列4005-1、2在以度为单位的仰角上的类似平坦的天线方向图。使用合适的优化技术，针对底部子阵列4005-3、4的两个静态相位关系V12> V22是复合权重(complex weight)并被选择为
【权利要求】
1.一种具有多个天线元件的天线阵列，包括: 多个收发器模块； 所述多个天线元件的有源天线元件子集，其中所述有源天线元件子集包括有源地耦连到所述多个收发器模块中的相关联子集收发器模块的至少一个有源天线元件；以及 所述多个天线元件中的至少两个天线元件的至少一个无源组合的子阵列。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述天线阵列的所述多个天线元件以垂直列排列。
3.根据权利要求1或2所述的天线阵列，包括至少两个无源组合的子阵列，其中所述有源天线元件子集位于所述至少两个无源组合的子阵列之间。
4.根据上述权利要求中任一所述的天线阵列，其中所述至少一个无源组合的子阵列的所述至少两个天线元件相比于在所述有源天线元件子集中的有源天线元件和所述至少一个无源组合的子阵列中的天线元件之间的间距，具有在所述至少两个天线元件的各个天线元件之间的较小的间距。
5.根据上述权利要求中任一所述的天线阵列，其中所述至少一个无源组合的子阵列中的至少一个有源地耦连到所述多个收发器模块中的相关联子阵列收发器模块。
6.根据上述权利要求中任一所述的天线阵列，其中所述多个收发器模块中的收发器模块的数目小于所述多个天线元件中的天线元件的数目。
7.根据上述权利要求中任一所述的天线阵列，其中所述至少一个无源组合的子阵列的所述至少两个天线元件由无源馈电网络所无源地组合。
8.一种用于利用具有多个天线元件的天线阵列生成天线方向图的方法，所述方法包括: 针对所述天线阵列的所述多个天线元件中的至少两个天线元件的至少一个无源组合的子阵列的所述天线元件确定静态相位关系； 针对所述多个天线元件的有源天线元件子集的天线元件以及针对所述至少一个无源组合的子阵列确定动态波束形成参数；以及 基于所述静态相位关系和所述动态波束形成参数利用天线方向图通过所述多个天线元件来中继无线电信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述静态相位关系是复合权重，并且其中所述动态波束形成参数是复合波束形成权重。
10.根据权利要求8或9所述的方法，进一步包括针对所述至少一个无源组合的子阵列的所述天线元件确定静态幅度关系。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述静态幅度关系不等地分布在所述至少一个无源组合的子阵列的所述天线元件之中。
12.根据权利要求8到11中任一所述的方法，进一步包括对所述多个天线元件中的不同天线元件供应不等的功率值。
13.根据权利要求8到12中任一所述的方法，其中确定所述静态相位关系包括针对所述天线阵列的所述多个天线元件中的至少两个第一最外天线元件确定静态相位关系，其中至少两个无源组合的子阵列的第一个包括所述至少两个外天线元件，以及其中确定所述静态相位关系包括针对至少两个第二最外天线元件确定静态相位关系，其中至少两个无源组合的子阵列的第二个包括所述至少两个第二最外天线元件。
14.根据权利要求8到13中任一所述的方法，其中确定所述静态相位关系在不显著限制在波束形成或倾斜范围方面的灵活性的多种波束形成参数被最大化的条件下实施。
15.根据权利要求8到14中任一所述的方法，其中确定所述静态相位关系或所述波束形成参数中的至少一个包括使用基于群优化算法或遗传算法中的至少一个的优化算法。
16.根据权利要求8到15中任一所述的方法，其中确定所述动态波束形成参数是基于所确定的静态相位关系。
17.根据权利要求8到16中任一所述的方法，其中确定所述相位关系和确定所述波束形成参数迭代地重复以达到所需的天线方向图。
18.—种具体化在非暂时性计算机可读介质上的计算机程序产品，所述计算机可读介质包括用于制造具有多个天线元件的天线阵列的可执行指令，所述天线阵列包括: 多个收发器模块； 所述多个天线元件的有源天线元件子集，其中所述有源天线元件子集包括有源地耦连到所述多个收发器模块中的相关联收发器模块的至少一个有源天线元件； 以及 所述多个天线元件中的至少两个天线元件的至少一个无源组合的子阵列。
19.一种具体化在非暂时性计算机可读介质上的计算机程序产品，所述计算机可读介质包括用于执行用于利用具有多个天线元件的天线阵列生成天线方向图的方法的可执行指令，所述方法包括: 针对所述天线阵列的所述多个天线元件中的至少两个天线元件的至少一个无源组合的子阵列的所述天线元件确定静态相位关系； 针对所述多个天线元件的有源天线元件子集以及针对所述至少一个无源组合的子阵列确定动态波束形成参数；以及 基于所述静态相位关系和所述动态波束形成参数利用天线方向图通过所述多个天线元件来中继无线电信号。
【文档编号】H01Q21/24GK103493289SQ201280006846
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年1月30日 优先权日:2011年1月28日
【发明者】马丁·韦克勒, 乔治·施密特 申请人:凯瑟雷恩工厂两合公司