使用辐射矢量的虚拟旋转的紧凑式天线阵列的制作方法

本申请要求2014年3月17日提交的美国临时专利申请序号61/954,344的优先权，该申请被整体地通过引用结合到本文中。

技术领域

本公开一般地涉及交叉极化天线阵列。

背景技术：

蜂窝式移动运营商使用更多的谱带和在每个波段内的越来越多的频谱以便满足增长的订户业务需求，并用于新的无线电接入技术（例如，长期演进（LTE）和高级LTE无线电接入技术）的部署。

技术实现要素：

在一个说明性实施例中，一种设备包括天线阵列，其具有带有第一偶极和与第一偶极正交的第二偶极的至少一个第一交叉偶极天线元件以及带有第三偶极和与第三偶极正交的第四偶极的至少一个第二交叉偶极天线元件。所述至少一个第二交叉偶极天线的取向相对于所述至少一个第一交叉偶极天线元件偏移45度。所述至少一个第一交叉偶极天线元件和所述至少一个第二交叉偶极天线元件用于以正45度和负45倾斜极化（slant polarization）来发射和/或接收信号。所述至少一个第二交叉偶极天线元件是至少一个第一交叉偶极天线元件的邻近天线元件。

在另外的说明性实施例中，一种用于使用天线阵列的方法包括：接收第一信号以便以第一45度倾斜线性极化发射；以及接收第二信号以便以第二45度倾斜线性极化发射。所述第二45度倾斜线性极化与所述第一45度倾斜线性极化正交。该方法还可包括：用第一信号驱动天线阵列的至少一个第一交叉偶极天线元件的第一偶极，用第二信号驱动天线阵列的至少一个第一交叉偶极天线元件的第二偶极，将第一信号分离成第一同相分量信号和第二同相分量信号，将第二分量信号分离成第一反相分量信号和第二反相分量信号，用第一同相分量信号和第一反相分量信号来驱动第一极化状态的至少一个偶极，以及用第二同相分量信号和第二反相分量信号来驱动第二极化状态的至少一个偶极。在一个示例中，第一极化状态的所述至少一个偶极和第二极化状态的所述至少一个偶极是天线阵列的至少一个第二交叉偶极天线元件的部件。

附图说明

通过结合附图来考虑以下详细描述，可以容易地理解本公开的教导，在所述附图中：

图1描绘了具有用于不同频带的子阵列的天线阵列的一部分；

图2A描绘了水平和垂直取向交叉偶极天线元件及其有效辐射矢量；

图2B描绘了用于使来自交叉偶极天线元件的有效辐射矢量旋转的第一设备；

图3描绘了用于使来自具有多个交叉偶极天线元件的天线的有效辐射矢量旋转的第二设备；

图4描绘了具有用于不同频带的子阵列的第一天线组件；以及

图5描绘了根据本公开的天线阵列的多个示例。

为了便于理解，在可能的情况下，已使用相同的参考数字来指定各图所共用的相同元件。

具体实施方式

蜂窝式移动运营商使用更多的谱带和在每个波段内的越来越多的频谱以便满足增长的订户业务需求，并用于新的无线电接入技术（例如，长期演进（LTE）和高级LTE无线电接入技术）的部署。蜂窝站点因此可能需要可以支持多个谱带的基站天线解决方案。具有多个波段的大多数蜂窝运营商可将这些分组成低波段谱带和高波段谱带。例如，在欧洲，可以将800MHz和900MHz波段分类为低波段谱带，而1800MHz、2100MHz和2600MHz可以被分类为高波段谱带。

蜂窝式网络可取决于物理环境、无线电信道环境、射频（RF）功率、服务覆盖和容量要求而使用多种基站和天线解决方案。可以将基站站点分类为例如宏小区、微小区、小小区、室内小区、分布式天线系统（DAS）等。宏小区站点被设计成用于更宽的区域覆盖，并且通常具有带有定向主射束的扇区化面板天线阵列以获得必要的增益，并且其位于周围建筑物的平均高度以上。

基站天线可由经由在一定长度的反射器平面上的线性配置而垂直地布置的一堆辐射元件组成。例如，每个元件辐射双正交极化场，其中，该极化由于传播环境的影响而处于+45和-45度取向，与水平和垂直极化相比给予更加对称的衰减。这还提供对于在接收机处组合而言最佳的平衡分集分支。

为了能够实现来自通常具有单个反射器平面的单个天线外壳的多个服务，在低波段和高波段频率两者下操作的天线阵列的多个堆栈将必须共同位于此空间内。在某些情况下，实现并排配置，其中，低波段（LB）元件位于反射器平面的中心上，并且HB元件的另外的两个高波段（HB）阵列堆栈位于LB偶极的两侧。由于此布置，可能必须加宽天线的反射器平面宽度以容纳这些元件。此加宽将减少元件之间的互耦效应，其将使天线失谐并导致更差的辐射性能。

可以将这些基站天线安装在蜂窝塔架上，在那里基站天线经受大风。这意味着天线安装以及塔架的机械完整性要求。当天线的表面面积增加时，风载荷效应最坏。由于这个原因，可将天线的宽度保持在最小。然而，这可间接地增加天线元件的互耦，这可导致更差的辐射性能。

本公开一般地涉及天线阵列中的天线元件的更高效封装，并且更特别地相对于用于使用以一个或多个不同配置取向的多个天线元件以特定极化发射和接收信号的设备和系统。本公开的实施例在不使天线性能劣化或增加风载荷效应的情况下增加天线阵列堆叠的封装密度，其中可将天线的宽度保持到最小。如本文所使用的，术语“天线”和“天线阵列”被可互换地使用。另外，为了一致性，并且除非另外具体地说明，相对于所描绘的任何天线阵列，实际水平在页面上被指示为左至右/右至左，并且向上/垂直方向是在从页面底部到页面顶部的方向上。

在用于蜂窝应用的天线阵列中，阵列中的每个天线元件可以是处于+45/-45度的双极化交叉偶极（针对有效的辐射矢量）。某些天线阵列在单个阵列中一起具有高波段和低波段元件。例如，在单个阵列中可存在并排的两个子阵列。例如，图1示出了具有低波段（LB）子阵列120和两个高波段（HB）子阵列130的天线阵列100。然而，当在一个阵列中一起存在LB和HB天线元件时，存在封装密度问题。例如，图1的天线阵列100占据大量的空间。将来自LB子阵列120和HB子阵列130的天线元件紧密地放置在一起是可能的。然而，结果是LB元件在HB元件上的部分阻挡、阻碍或“遮蔽”。存在此类重叠时的不期望结果还包括互耦、阻挡和失谐效应，其使得阵列更难设计和控制。一个实施方式可使用具有线性+45/-45度倾斜取向天线元件的交叉极化天线阵列，因为这导致具有平衡的传播和无线电信道特性，其提供分集功率平衡和最佳的分集组合性能。

针对典型的双极化水平和垂直（H/V）取向交叉偶极天线元件，辐射矢量具有与天线元件的交叉偶极（也称为“辐射元件”）相同的取向。这在图2A中示出。特别地，图2A示出了具有水平偶极210和垂直偶极220的双极化交叉偶极天线元件205。邻近于天线元件205示出了有效的辐射矢量230。辐射矢量230可导致如先前所讨论的不期望的传输特性。与前文相反，本公开的示例使用辐射矢量的虚拟旋转来在使用水平和垂直取向交叉偶极天线元件的同时以+45/-45度倾斜极化发射（和接收）信号。具体地，作为在物理上将交叉偶极取向为+45/-45度的替代，至少一个交叉偶极天线元件在其偶极水平地和垂直地（H/V）取向的情况下在物理上取向，而经由所述至少一个交叉偶极天线元件发射和接收的通信信号被虚拟地旋转成+45/-45度的极化。本公开的示例提供相比于以其它方式通过使用以+45/-45度两者且以H/V取向来取向的天线元件可实现的的天线元件的更大封装密度。另外，本公开的示例能够实现针对不同的频带（例如，低频带或LB以及高频带或HB）使用两个不同的天线阵列。特别地，频带中的一个或两个的某些或所有天线元件具有H/V取向，并且其它天线元件具有+45/-45度取向。

在图2B中示出了第一示例性设备200。设备200包括H/V取向双极化交叉偶极天线元件205，其具有相互正交地取向的水平偶极210和垂直偶极220。设备200还包括电路或用于旋转或控制双极化天线元件205的有效辐射矢量290的功率分配器240。在一个示例中，功率分配器240包括混合耦合器或（180度）混合环耦合器，诸如鼠竞耦合器（rat race coupler）。如图2B中所示，功率分配器240包括指定为正‘P’输入端口270（也称为同相输入）和负‘M’输入端口280（在本文中也称为异相输入）的两个输入端口（采取到意图用于传输的信号的连接）和指定为‘V’输出端口250和‘H’输出端口260的两个输出端口。

例如，分别地在正‘P’'输入端口270和负‘M’输入端口280处输入的信号241和242可分别地用于以+45和-45度线性倾斜极化进行传输。为了对此进行说明，考虑在正输入端口270处输入的进入功率分配器240的信号241（其在这种情况下是180度混合环耦合器）将功率相等地分离成两个分支，其中一个分支沿顺时针方向行进至标记为250的输出端口‘V’且另一分支沿逆时针方向行进至标记为260的输出端口‘H’。特别地，正输入端口270与‘H’端口260之间的距离和正输入端口270与‘V’端口250之间的距离是相同的距离。在一个示例中，此距离处于或基本上接近于一定距离，该距离是用于要经由设备200发射和接收的信号的频带内的中心频率的90度的相位的等价物。

在任何情况下，由于在输入端口270处接收到的信号241行进相同的距离，所以两个输出端口250和260接收相同功率和相同相位的相同信号（例如，这些是两个“同相”分量信号）。类似地，在负输入端口280处接收到的信号242进入功率分配器240，将功率相等地分离成两个分支，其中一个分支沿顺时针方向行进且一个分支沿逆时针方向行进。特别地，负输入端口280与‘V’端口250之间的距离是与正输入端口270和‘V’输出端口250之间的相同的距离，例如提供90度的相移的距离。因此，来自负输入端口280的信号242到达‘V’输出端口250，其具有与正输入端口270上的信号241相同的相位。然而，在一个示例中，负输入端口280与‘H’输出端口260之间的距离是负输入端口280与‘V’端口250之间的距离的三倍。例如，此距离可以是提供270度的相移（例如，对于处于期望频带的中心频率的信号而言）的距离或长度。换言之，当来自负输入端口280的信号242到达‘H’端口260处时，其相对于从正输入端子270到达‘H’输出端口260的信号241而言异相180度。另外，由于在输入端口280处接收到的信号241向两个输出端口250和260行进不同的距离，所以输出端口接收到相同功率但异相180度的信号（例如，这些是两个“反相”分量信号）。

如上所述，‘H’输出端口260和‘V’输出端口250从正输入端口270和负输入端口280两者接收信号241和242。这些信号在各输出端口250和260处被组合，并被分别地转送到水平偶极210和垂直偶极220以用于RF传输。如果正输入端口270和负输入端口280上的信号被直接地连接到天线元件205，则结果得到的辐射矢量将看起来如图2A中所示，即辐射矢量230。然而，由于通过功率分配器240赋予的信号延迟和功率分配，来自天线元件205的结果得到的辐射矢量看起来如图2B中所示，即具有+45/-45度倾斜线性极化的辐射矢量290。

有利地，设备200允许使用H/V取向双极化交叉偶极天线元件，例如天线元件205，同时提供将由典型的+45/-45度取向交叉偶极天线元件提供的+45/-45度倾斜线性极化有效辐射矢量。此极化矢量旋转允许否则在没有显著的性能损害的情况下将不可实现的各种新型天线阵列布局。为了举例说明，图4和5示出了根据本公开的多个示例性天线阵列布局或设计。

应注意的是本公开的示例描述了+45/-45度线性倾斜极化或H/V线性极化的使用。然而，虽然线性极化是典型的，并且给出了使用线性极化的示例，但是可以容易地得出本公开的其它实施例，例如包括双正交椭圆极化或者左旋圆和右旋圆极化，如本领域的技术人员将认识到的。另外，虽然在本文中的各种示例中描述了包括180度混合环耦合器和/或鼠竞耦合器的无源功率分配器，但本公开不限于此。例如，本公开可宽泛地采用能够提供相对相移信号并因此导致一个或多个双极化交叉偶极天线元件的有效辐射矢量的旋转的各种电路。例如，此类电路可包括无源RF器件（诸如90度混合耦合器）、有源RF部件或器件、包括用软件和/或数字信号处理（DSP）器件实现的过程或算法的器件（例如，具有关联有源部件的软件过程）等。

图3图示出根据本公开的用于使来自具有多个双极化交叉偶极天线元件的天线的有效辐射矢量旋转的设备300。设备300基本上类似于设备200；然而，其包括多个天线元件。例如，如图3中所示，存在具有水平偶极310A和垂直偶极320A的第一双极化H/V取向交叉偶极天线元件305A和具有水平偶极310B和垂直偶极320B的第二双极化H/V取向交叉偶极天线元件305B。虽然仅示出了两个元件，但本领域的技术人员将认识到可以用包括更大数目的分离器/功率分配器等的更大配电网实现具有另外天线元件（例如，多达十个或更多）的阵列。例如，为了用于蜂窝基站天线的实际方向性增益，这可包括许多元件，例如5—14个元件，取决于操作谱带和期望的方向性及结果得到的垂直平面或仰角模式波束宽度。在这方面，应注意的是虽然线性天线阵列是典型的，但是本公开的示例适用于线性和非线性两者。

如图3中所示，设备300还包括功率分配器/电路340，其具有用于接收输入信号341以便以+45度线性倾斜极化传输（例如，宽泛地解释为获得、收集或连接到信号，例如作为其中将发射信号的信号处理过程的一部分）的正输入端口370、用于接收输入信号341以便以-45度线性倾斜极化传输的负输入端口380、‘V’输出端口350和‘H’输出端口360。功率分配器340与图2B中的功率分配器240相同或基本上类似地运行。输出端口350和360被连接到分离器/组合器330A和330B。分离器/组合器330A被连接到各水平偶极310A和310B，而分离器/组合器330B被连接到各垂直偶极320A和320B。如设备200的情况一样，设备300还提供处于+45/-45度线性倾斜极化的来自H/V取向交叉偶极天线元件305A和305B中的每一个的有效辐射矢量。应注意的是在图2B和3中，仅仅出于说明性目的，‘V’输出端口被连接到垂直偶极，并且‘H’输出端口被连接到水平偶极。另外，结合正和负输入信号的传输来描述图2B和3。然而，本领域的技术人员将认识到的是设备200和300将以彼此相反的方式运行以便以+45/-45度线性倾斜极化来接收信号。

图2B和3图示出能够使用以特定配置取向的天线元件以特定极化发射信号的设备。换言之，使用具有H/V取向的天线元件/交叉偶极以+45/-45度线性倾斜极化发射。图4和5将本公开扩展至其中天线元件被有效地封装的示例性天线阵列，并且其被与设备（诸如图3的设备300）相结合地用于使有效辐射矢量旋转以用于发射和接收。

如上所述，某些应用要求使用具有供与两个（或更多）不同频带一起使用的天线元件的天线阵列。出于说明性目的，本公开将宽泛地指代低频带或LB以及高频带或HB。例如，在欧洲，可以将800MHz和900MHz波段分类为低波段谱带，而1800MHz、2100MHz和2600MHz可以被分类为高波段谱带。然而，应理解的是本公开不限于任何特定频率或频率范围，并且任何特定值的提及仅仅出于说明性目的。

应注意的是遍及图4和5的示例，仅仅出于明了的目的而具体地用参考数字来指示某些天线元件。然而，遍及图4和5用相同的尺寸和形状来指示相同类型（例如，HB或LB）的天线元件。

图4示出了包括LB双极化天线元件410和HB双极化天线元件420的第一天线阵列400。特别地，LB天线元件410被水平地且垂直地（H/V）取向，而HB天线元件420以+45/-45度取向。在此布置中，HB天线元件420可以更接近于LB天线元件410定位，其将在LB天线元件410以+45/-45度取向的情况下可实现。例如，图4的天线阵列400有利地占用比图1的天线阵列100更少的水平空间。

如上所述，可结合诸如图3中所示的电路或设备来使用天线阵列400。为了举例说明，具有H/V取向的所述多个LB天线元件410可被连接到诸如图3的设备300之类的设备以便以+45和-45极化来发射和接收信号。相反地，所述多个HB天线元件420可被连接到常规天线阵列配电网络，即意图用于由这些HB元件发射和接收的信号不通过诸如设备300之类的电路/设备。这样，可以用此类极化状态发射/接收意图用于以+45/-45度极化发射/接收的低频带或高频带中的信号，而不管通过其发射/接收信号的（多个）天线元件的物理取向如何。

图5图示出根据本公开的天线阵列的多个另外的示例。特别地，天线阵列510和520每个包括分别地包含HB天线元件和LB天线元件的混合HB和LB子阵列。在天线阵列510中，LB天线元件512以+45/-45度取向，而HB天线元件514具有水平和垂直（H/V）取向。针对天线阵列510，HB天线元件514每个可被连接到诸如设备300之类的一个或多个电路/设备，以便提供将被虚拟地旋转的信号的发射和接收，使得信号将被使用H/V取向HB天线元件（514）以+45/-45度倾斜线性极化来被发射/接收。相反地，LB天线元件512可经由常规手段来接收和发射信号，即信号的发射和接收不通过诸如设备300之类的电路/设备。

天线阵列520包括具有H/V取向的LB天线元件522，而HB天线元件524中的某些具有H/V取向且HB天线元件525中的某些具有+45/-45度取向。在这种情况下，LB天线元件522可被连接到一个或多个设备（诸如设备300），以便虚拟地旋转信号极化以便以+45/-45度倾斜线性极化发射和接收。在一个示例中，HB天线元件524和525可被用于相同信号的发射和接收。然而，HB天线元件524可被连接到一个或多个其它设备（诸如设备300），以使信号旋转以便以+45/-45度倾斜极化发射和接收，而HB天线元件525可在没有此类处理的情况下接收和发射信号。

本公开的示例还提供了用于单波段（例如，仅HB或LB）的天线阵列。例如，天线阵列530包括仅LB天线元件，例如直列式（in-line）阵列。某些天线元件536以+45/-45度取向，而其它天线元件537具有H/V取向。在一个实施例中，天线元件536和537可以但不需要用于发射和接收相同的基信号。因此，天线元件537可被连接到一个或多个其它设备（诸如设备300）以使信号的极化旋转以便以+45/-45度倾斜线性极化发射和接收，而天线元件536可在没有此类处理的情况下接收和发射信号。特别地，天线阵列530具有更大的封装效率，即其比在对所有天线元件被给定+45/-45度取向的情况下占用更少的空间。天线阵列540和550提供单波段天线阵列的附加示例。例如，天线阵列540包括+45/-45度取向天线元件546和H/V取向天线元件547。类似地，天线阵列550包括+45/-45度取向天线元件556和H/V取向天线元件557。

在图5的某些示例中，所述至少第一交叉偶极天线元件的中心垂直地位于天线阵列中（例如，如在天线阵列510和530中）的所述至少第二交叉偶极天线元件的中心以上或以下。类似地，在图5的某些示例中，所述至少第一交叉偶极天线元件的中心水平地邻近于天线阵列中（例如，如在天线阵列510、540和550中）的所述至少第二交叉偶极天线元件的中心定位。还应注意的是图5的所有上述示例（并且还有图4的示例）以邻近于第一交叉偶极天线元件的第二交叉偶极天线元件为特征，其中，第二交叉偶极天线的取向相对于第一交叉偶极天线元件偏移45度。例如，在天线阵列530中，每对相邻天线元件包括H/V取向天线元件537和+45/-45度取向天线元件536。类似地，在天线阵列550中，在每个水平行中，只有H/V取向天线元件557和+45/-45度取向天线元件556是相邻的。换言之，在任何水平行中没有具有类似物理取向的两个天线元件是相邻的。

在图5中还提供了另外的示例性天线阵列560和570。天线阵列560和570图示出本公开不限于在两个维度上的封装布置，但是可以将其用来使用第三维度实现更大的封装效率。特别地，天线阵列560包括双极化H/V取向LB天线元件562，其具有共同位于同一位置上的双极化H/V取向HB天线元件561。换言之，双极化H/V取向LB天线元件562的中心和双极化H/V取向HB天线元件561的中心占用天线阵列560中的相同位置。这可称为“双列直插式”天线布置。使用HB天线元件563的两个附加HB阵列堆栈位于LB天线元件562的任一侧上。

天线阵列570包括双极化H/V取向LB天线元件572，其具有共同位于同一位置上的双极化+45/-45度取向HB天线元件571。换言之，双极化H/V取向LB天线元件572的中心和双极化+45/-45度取向HB天线元件571的中心占用天线阵列570中的相同位置。这还可被类似地称为“双列直插式”天线布置。另外的两个HB阵列堆栈的HB天线元件574位于LB元件572的任一侧上。

虽然前文描述了根据本公开的一个或多个方面的各种示例，但是在不脱离由随后的（多个）权利要求及其等价物确定的本公开的范围的情况下可设计根据本公开的一个或多个方面的其它和更多的（多个）示例。