专利名称：用于无线网络的具有自适应预失真的多元件幅度和相位补偿天线阵列的制作方法
技术领域：
本发明主要地涉及通信系统和部件以及有关方法。更特别地，本发明涉及主动控制(actively controlled)的天线阵列和主动控制天线阵列的仰角(elevation)辐射图案的方法。
背景技术：
现代无线天线阵列实现主要包括可以在限定辐射(和接收)信号波束宽度以及仰角平面角度(也称为倾角)的反射器平面上布置的多个辐射元件。可以有利地通过变化向相应辐射元件施加的RF信号的幅度和相位来修改仰角平面角度天线波束宽度。仰角平面角度天线波束宽度常规上由相对于这样的天线阵列的瞄准线的波束的仰角平面角度的半功率波束宽度(HPBW)限定。在这样的天线阵列结构中，辐射元件定位对于总波束宽度控制是关键的，因为这样的天线系统依赖于向每个辐射元件供应的RF信号的幅度和相角的准确性。这需要对机械移相器的容差和准确性的明显约束以在各种仰角平面角度设置时提供在各种辐射元件之间的所需信号划分。现实应用(诸如陆地电话)经常需要一种具有波束下倾和/或方位(azimuth)波束宽度控制的高增益天线阵列，该阵列可以合并多个机械移相器以实现这样的功能。高增益多元件天线阵列在本领域中众所周知(相控阵列天线)并且一般合并具有相等或者不相等间隔的辐射元件的线性相控阵列。通过控制到每个辐射元件的激发相位和幅度，可以动态控制阵列辐射的波束的辐射波束方向和形状。通常翻新这样的高功能天线阵列取代更简单、更轻和更少功能的天线阵列。因此， 新安装的天线阵列的重量和风载(wind loading)不能明显增加。机械移相器的相位和幅度准确性一般依赖于它的构造材料。一般而言，高度准确的机械移相器实现需要大量相对昂贵的电介质材料和刚性机械支撑。这样的构造技术造成增加的组件体积、重量和制造成本。此外，已经利用更低成本的材料来开发的机械移相器配置可能无法在高功率RF信号电平之下提供充分无源互调抑制。因而，由于这些设计限制，可能出现在不同下倾角度的非所需上旁瓣抑制。与上旁瓣抑制有关的附加约束需要针对在这样的天线阵列中使用的每个辐射元件的精确幅度信号划分，这又可能除了如这样的移相器提供的相移之外的可变幅度信号划分。添加对高功率移相器的受控幅度变化颇成问题并且使它的实现复杂化。陆地电话(诸如蜂窝无线电网络)广泛使用天线阵列天线来达到增强的地理覆盖， 这要求预知所需辐射图案。典型的多元件辐射阵列的辐射图案可以具有一个主瓣和多个旁瓣。主瓣的中心定义为在两个_3dB滚降(roll off)点之间等距，这是天线的最大增益方向。基于网络覆盖要求，蜂窝无线电网络运营商经常必须调整天线的竖直辐射图案、 即图案在竖直平面中的横截面。在需要时，对天线主波束的竖直角度(也称为“倾斜”)的更改用来调整天线的覆盖区。已经利用遥控能力来单独或者组合地在机械上和电气上实现天线倾角。可以通过相对于竖直轴移动天线元件(惯称为“机械倾斜”)来机械调整天线波束倾角。如上文所述，可以通过改变向天线阵列的每个辐射元件馈送的或者从天线阵列的每个辐射元件接收的信号的相位而未移动天线结构(称为“电倾斜”)来电调整天线波束倾角。 当使用于蜂窝网络中时，天线阵列竖直辐射图案必须满足若干关键参数。首先，天线必须在有用波束宽度角度提供高瞄准线增益。其次，天线必须表现第一和第二上旁瓣电平抑制。并且最后，天线必须在波束下倾角的全范围上将旁瓣电平抑制到低于设置的限制。前述要求相互冲突。例如增加瞄准线增益可能在各种下倾角度增加旁瓣以及旁瓣角度和电平。已经确认，如果第一和第二上旁瓣电平小于-15dB，则可以实现针对总天线性能的可行折衷。从共享天线生成所需电倾角目前已经造成天线的性能折衷。例如瞄准线增益由于天线的有效孔径减少而与倾角的余弦成比例减少。这一效果不可避免并且发生于所有天线设计中。可能由于用来改变倾角的方法而造成瞄准线增益的进一步减少。在常规蜂窝网络部署基站(BS)中，电倾斜配备的天线经由线缆线路耦合到适当的多载波发射器。通常，多载波发射器可以将个别单载波高功率放大器(PA)运用于放大收发器产生的个别载波信号。使用高隔离空腔组合器来组合来自单载波高功率放大器的RF输出，这些RF输出在耦合到塔线缆线路(cable run)(或者RF波导)(该线缆线路(或者RF波导)耦合到塔装天线)之前穿过接收-发射双工器。这样的配置很没效率，因为个别RF放大器输出由于与空腔组合器、双工器以及将放大器输出连接到天线的塔线缆线路关联的损耗而衰减。改进型BS可以运用如下多载波放大器，这些放大器放大单个放大器内的个别RF 载波。这样的多载波功率放大器(MCPA)利用本领域中众所周知的线性化方案来提供如下 RF输入，该RF输出由于MCPA中存在的放大非线性而具有减少的互调失真(IMD)和噪声信号电平。然而塔线缆线路损耗和双工损耗仍然存在并且必须加以解决。为了进一步减少塔线缆线路和双工器中存在的插入损耗，必须与天线尽可能近地安装BS设备。为了实现这一点，远程无线电头(RRH)安装于天线的紧邻处。RRH通常运用线性化的PA发射器来提供RF 载波信号而抑制由于在RRH的PA段内产生的放大所致的互调和噪声信号电平。在本领域中已知的诸多线性化方案可以在RRH发射器PA段内用来提供适当IMD和噪声电平抑制。在所有前述操作部署中，来自共同天线端口的组合发射器RF输出必须具有如适当管控限制所规定的IMD和噪声电平抑制。一般而言，较高组合输出电平需要增加的IMD和噪声电平抑制，因为这些限制中的一些限制具有不能被超过的绝对功率电平。与天线近邻放置高功率PA引入与如PA在特性调幅到调幅(AM-AM)和调幅到调相 (AM-PM)曲线上的操作范围所确定的PA线性和效率有关的诸多技术挑战。现代蜂窝系统运用往往需要高度线性PA操作的复杂数字调制RF信号。维持所需输出信号线性而又提供高效操作对于PA而言是高度希望的特性。可以通过将向负载递送的总功率除以向放大器供应的总功率来计算PA功率效率。根据放大器的偏置类别，输出级效率可以低至百分之7到 10 (对于A类放大器)到高至百分之45 (对于Doherty类放大器)。遗憾的是，在PA中有在线性与效率之间的性能权衡，因为高度线性操作类PA (例如A类)在与相似功能的AB类比较时往往功率效率最低。此外，塔装操作需要高效率放大器，因为常规强制空气冷却技术增添体积并且减少可靠性(因为风扇在暴露于元件时往往失效)。在先前尝试中，发现由于放大信号的因天线波束倾斜复杂化的动态性质而难以实现保持PA在高效率操作中操作。R. C. Johnson ^ Antenna Engineers Handbook (1993 ^fM 3 McGraw Hill, ISBN 0-07-032381-X)第20章的图20_2教导一种用于调整相控阵列天线的电下倾角的公知方法。从发射器向天线阵列的输入端口馈送并且在天线的辐射元件之间划分适当射频 (RF)载波信号。从相应可变移相器馈送每个辐射元件，使得可以精确调整信号相位以变化天线阵列电下倾。如先前所言，必须控制向天线辐射元件的功率划分，从而针对给定的瞄准线增益提供令人满意的旁瓣电平。高度希望维持用于所有下倾角的波阵面(pahse front), 使得不将旁瓣电平增加到高于设置的限制。然而这很难实现，因为实际移相器在相移设置范围上表现插入损耗变化，因此引入RF信号划分不准确一一促成增加的旁瓣电平。因而需要提供一种用于调整天线下倾波束而又提供增强的上旁瓣抑制的更简单方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将自适应预失真与高效率功率放大器模块一起用来实现线性信号放大和波束形成的可变波束倾斜可调天线。在实现本发明的这些和其他目的、特征以及优点时，提供一种用于无线网络系统的可变波束倾斜、实现RF功率放大器的天线阵列。在第一方面中，本发明提供一种预失真补偿型发射器和天线系统。输入接收数字输入通信信号。数字无线电接收数字输入通信信号并且提供RF信号。第一预失真器接收 RF信号并且对RF信号执行第一预失真操作并且提供第一预失真RF信号。第一放大器接收和放大第一预失真RF信号并且提供第一放大RF信号。第一辐射元件电耦合成接收第一放大RF信号。第二预失真器接收RF信号并且对RF信号执行第二预失真操作并且提供第二预失真RF信号。第二放大器接收和放大第二预失真RF信号并且提供第二放大RF信号。 第二辐射元件电耦合成接收第二放大RF信号。数字无线电、第一和第二预失真器、第一和第二放大器以及第一和第二辐射元件被配置于相互近邻的天线辐射位置。在本发明的一个优选实施例中，第一和第二预失真器中的每个对RF信号执行模拟幅度和相位预失真。第一和第二放大器中的每个包括偏置用于在高效率模式中操作的功率放大器。第一自适应控制器向第一预失真器提供第一幅度和相位控制信号，并且第二自适应控制器向第二预失真器提供第二幅度和相位控制信号。第一和第二辐射元件中的每个包括两个交叉极化辐射元件。第一和第二放大器被被动冷却。在另一方面中，本发明提供一种具有波束形成能力的预失真补偿型发射器和天线系统。输入接收输入信号。幅度和相位调整网络提供第一幅度和相位波束形成控制信号以及第二幅度和相位波束形成控制信号。第一自适应预失真模块接收输入信号以及第一幅度和相位波束形成控制信号、对输入信号执行预失真操作并且提供第一预失真输入信号。第一放大器放大第一预失真输入信号并且提供第一放大信号作为第一输出，其中第一自适应预失真模块与第一放大器近邻。第一辐射元件电耦合到第一输出。第二自适应预失真模块接收输入信号以及第二幅度和相位波束形成控制信号、对输入信号执行预失真操作并且提供第二预失真输入信号。第二放大器放大第二预失真输入信号并且提供第二放大信号作为第二输出，其中第二自适应预失真模块与第二放大器近邻。第二辐射元件电耦合到第二输出ο在本发明的一个优选实施例中，输入信号为模拟RF调制信号，并且第一自适应预失真模块对输入信号执行第一模拟幅度和相位预失真，并且第二预失真模块对输入信号执行第二模拟幅度和相位预失真。第一自适应预失真模块、第一放大器、第一辐射元件、第二预失真模块、第二放大器和第二辐射元件被被动冷却。第一幅度和相位波束形成控制信号独立于第二幅度和相位波束形成控制信号。在另一方面中，本发明提供一种用于自适应提供发射器和天线系统的天线波束的方法，该发射器和天线系统具有多个波束形成模式。接收RF输入信号。接收与第一波束形成模式对应的控制信号。确定针对第一波束形成模式用于RF信号的第一辐射元件期望信号强度。基于第一辐射元件期望信号强度来失真RF输入信号以形成第一预失真信号。放大第一预失真信号以形成第一输出信号。将第一输出信号电耦合到第一辐射元件。确定针对第一波束形成模式用于RF信号的第二辐射元件期望信号强度。基于第二辐射元件期望信号强度来失真RF输入信号以形成第二预失真信号。放大第二预失真信号以形成第二输出信号。将第二输出信号电耦合到第二辐射元件。根据来自第一和第二辐射元件的辐射放射来生成第一波束图案。在一个优选实施例中，从远程基站位置接收数字输入信号并且将该数字输入信号转换成RF以在发射器和天线系统的位置提供RF输入信号。放大第一和第二预失真信号以形成第一和第二输出信号还包括控制用于在高效率模式中操作的第一和第二放大器。接收与第二波束形成模式对应的控制信号。确定针对第二波束形成模式用于RF信号的第一和第二辐射元件期望信号强度。基于针对第二波束形成模式用于RF信号的第一和第二辐射元件期望信号强度来执行不同的第一和第二预失真操作。通过基于针对第二波束形成模式用于RF信号的第一和第二辐射元件期望信号强度调整第一和第二放大器偏置来控制第一和第二放大。确定用于第一波束形成模式的相对相位值和相对幅度值。通过运用用于第一波束形成模式的相对相位值和相对幅度值来确定针对第一波束形成模式用于RF信号的第一和第二辐射元件期望信号强度。通过确定将第一波束图案向预定方向倾斜的相对相位值和相对幅度值来确定相对相位值和相对幅度值。通过确定最小化第一波束图案的上旁瓣的相对相位值和相对幅度值来确定相对相位值和相对幅度。通过确定最大化第一波束图案的主放射瓣的增益的相对相位值和相对幅度值来确定相对相位值和相对幅度。通过确定提供第一波束图案的瓣间零位填充(null filling)的相对相位值和相对幅度值来确定相对相位值和相对幅度。前文是本发明的目的和方面的简要非限制性概要。根据本发明的下文具体描述将理解本发明的进一步特征和优点。
图IA是竖直定位的天线阵列的仿真竖直天线辐射图案的表示，该天线阵列具有在具有优化型第1上旁瓣(Pl-USl)抑制的0和最大下倾角处设置的电下倾能力。图IB是竖直定位的天线阵列的仿真竖直辐射图案的表示，该天线阵列具有在为了最大前向增益而优化的0和最大下倾角处设置的电下倾能力。图IC是竖直定位的天线阵列的仿真竖直辐射图案的表示，该天线阵列具有在为了第1上旁瓣(Pl-USl)和零位填充而优化的0和最大下倾角处设置的电下倾能力。图2是具有波束下倾能力的常规构造的天线阵列的图，该天线阵列包括用于遥控式移相器的与基站的互连。图3是根据本发明一个优选实施例的交叉极化预失真补偿型天线多元件阵列的前视图。图4是用于根据本发明一个优选实施例的预失真补偿型天线阵列的图。图5呈现根据本发明一个优选实施例的辐射双元件预失真受控辐射模块的图。图6描绘根据本发明一个优选实施例的针对各种辐射图案的在预失真补偿型天线阵列的辐射元件之间的相对幅度分布。图7描绘根据本发明一个优选实施例的针对各种辐射图案的在预失真补偿型天线阵列的辐射元件之间的相对相位分布。图8呈现用于根据本发明一个优选实施例的双元件辐射模块的顶级RF图。图9呈现根据本发明一个优选实施例的交叉极化天线阵列的图。图10呈现根据本发明一个优选实施例的智能相位和幅度划分TX I/O网络和对接的图。
具体实施例方式现在将参照附图，这些附图辅助举例说明本发明的各种相关特征。由于相同元件在并行路径中的多路定位和使用，所以未用后缀a或者b即可引用这些标记，因为后缀指示无区别地引用相关成对元件中的任一元件。现在将主要在解决与使用预失真补偿型双元件有关的前述问题中描述本发明。应当明确理解，本发明可以应用于其中需要或者希望倾角和/或波束宽度控制的其他应用中。就这一点而言，出于图示和描述的目的来呈现预失真补偿型双极化天线阵列的下文描述。另外，该描述并非旨在于使本发明限于这里公开的形式。因而，与以下教导以及相关领域的技能和知识一致的变型和修改在本发明的范围内。这里描述的实施例还旨在于说明已知用于实现随之公开的本发明的模式并且使本领域其他技术人员能够在等效或者替代实施例中以及以本发明的(一个或多个)特定应用或者(一个或多个)用途认为必需的各种修改利用本发明。本天线适合于接收和传输射频(RF)信号， 因为应当理解信号流除非另有指明则为互补和双向的。本发明的一个或者多个实施例运用与共同馈送的辐射元件近邻定位的预失真模块和功率放大器。PA天线模块阵列组合以形成波束形成天线阵列。由于每个PA的更低操作功率而减少针对每个PA的线性化要求。可以通过变化向每个辐射模块施加的入射RF幅度和相位来定制辐射放射的形状。预失真模块的使用通过运用更高效率的PA来减少PA功率消耗而又维持IMD和寄生电平在强制规范内。可以独立设置每个预失真模块以变化用于放大信号线性化的所得校正信号的相位和幅度。这造成来自所有辐射模块的IMD的更低波束形成和，因为在每个独立预失真模块内引入的任何噪声将具有不会在构造上干扰所得波阵面的随机相位。这里可以运用与先前在美国专利号7，观8，988 (Braittwaite)中公开的预失真模块有关的教导，并且通过引用将此类专利的公开结合于此。如图4中所示，在第一优选实施例中，六对相同辐射交叉极化辐射元件(112， 114)、(212，214)、(312，314)、(412，414)、(512，514)、(612，614)分别布置于共同对组 CA1、 CA2、CA3、CA4、CA5、CA6中。六对的运用并非限制因素，因为可以使用任何数量的对。参照图 8和图9，第一共同对组(CA)I包括第一交叉极化(112)辐射元件和第二交叉极化辐射元件 (114)。辐射元件(112，114)中的交叉极化辐射元件(112a，114a或者112b，114b)的每段利用共同端口(CFP-lOa，CFP-IOb)耦合到固定比率的两端口划分网络(116a或者116b)。为了方便，向一个端口分配+45度极化(CFP-IOa)而向第二端口分配-45度极化(CFP-10b)。 两半在所有其他方面相同，下文将参照+45度极化，但是相同操作概念同样应用于-45度极化。双工器118 (ANT端口)操作地耦合到共同端口 CFP-IOa以有助于同时发射和接收功能。在TX路径中，与双工器119紧邻提供预失真受控功率放大器模块120而它的输出 150耦合到所述双工器118的TX端口。如图9中所示，在接收路径中，提供低噪声放大器 (LNA) 122，该低噪声放大器(LNA) 122具有耦合到所述双工器118的RX端口的其输入端口 160。双工器滤波器118为接收和发射路径提供适当RF信号滤波以针对下行链路和上行链路RF信号提供并发操作和隔离。在有源天线阵列10中提供LNA 122以改进接收器噪声指数和灵敏度。LNA输出信号耦合到LNA输出端口 128。LNA 122配备有管理控制器168。在本发明的一个或者多个实施例中，LNA 122包括耦合器162、放大器164和166、耦合器170 以及控制器168。如图9中所示，预失真受控功率放大器模块120提供下行链路RF信号放大。输入 RF端口 1 耦合到对耦合到输入端口 1 的输入RF信号采样的第一定向耦合器132。第一定向耦合器132向输入检测模块134提供采样的输入信号。输入检测模块134向控制器模块138提供相位和幅度信息。自适应预失真模块136输入端口操作地耦合到第一定向耦合器132输出端口。预失真模块136响应于来自控制器模块138的控制信号和来自输出定向耦合器142的观测RF采样信号146来向放大级(140，142)提供对应预失真信号以产生线性化的放大RF信号150。向输出检测器144提供采样RF信号的输出耦合器142对输出 RF信号进行采样。输出检测器144模块向控制器138提供前向和反向信号电平以及前向相位信息。控制器模块138向前述自适应预失真模块136和放大增益级(140，142)提供控制信号而又监视观测输入信号。控制器模块138经由数字接口 IM向智能相位和幅度划分TX I/O网络70 传送操作参数。为LNA模块1 放大的上行链路信号提供补充RX I/O网络 706a。图5图示每个预失真受控功率放大器模块210a、310a、410a、510a和610a包括与预失真功率放大器模块110相似配置的电路并且耦合到有源模块CAl、CA2、CA3、CA4、CA5和 CA6。预失真功率放大器模块610包括输入RF端口 626、数字接口拟4和双工器618。有源模块CA6包括划分网络616和616b以及辐射元件612和614。图4呈现有源天线阵列10 (AAA)互连图。AAA配备有耦合到数字无线电(DR)模块700的高速接口 104。DR模块700提供数字到RF转换以及用于控制和监视的监督功能。 电源单元(PSU) 702耦合到功率端口 106。DR 700提供用于在下行链路(DL)方向上(即从 AAA 10到移动用户(MU))和在上行链路(UL)方向上(即从MU到AAA)传输的RF信号。DR700提供的DL链路RF信号与在单独控制线上的波束形成要求模式数据(Pl，P2，P3，…， Pn)—起耦合到智能相位和幅度(IPA)划分TX I/O网络7(Ma。TX I/O网络分别通过RF端口 126、226、326、426、526 和 626 以及接口 124、224、324、424、524 和 624 来与有源模块 110、 210、310、410、510 和 610 对接。图3呈现用于有源天线阵列(AAA) 10的前视图的示意图。在一个优选实施例中， 利用矩形形状的反射器102来构造这样的AAA 10，该反射器为六个双元件有源模块110、 210、310、410、510和610提供适当反射器平面。根据包括前述设计要求和权衡的设计标准来选择有源模块110、210、310、410、510和610的数量。每个有源模块110-1610还利用大体上沿着反射器102中心轴PO纵向布置的成对交叉极化辐射元件112、114、212、214、312、 314、412、414、512、514、612、614。共同有源模块(CAM)可以具有个别间距的辐射元件，使得元件间距可以不相等，然而在它的基本形式中，辐射元件间距Vsl、Vs2、Vs3、Vs4、Vs5、Vs6 相同。类似地，相邻有源模块间距Sgl、Sg2、Sg3、Sg4、Sg5可以不相等，但是在示例实施例中，间距Sg的尺寸可以等距并且等于内元件Vs的间距尺寸。提供适当高速接口 140，该接口用来引导去往和来自AAA 10的数字化RF信号与用来控制和监视AAA 10的操作的监督控制信号。提供功率连接器106用于向AAA 10的电路递送所需功率。图IA呈现如下AAA 10的为了图示辐射波束倾斜概念而提供的两个竖直辐射图案 3 和32b，该AAA 10具有沿着X轴向外定位的矩形平面反射器102。AAA 10利用平面反射器102，并且已经沿着它的如下竖直轴(Z轴)限定它的几何中心，该轴沿着反射器102板的背面伸展。AAA 10的两个竖直辐射图案3 和32b对应于向个别辐射元件信号施加的零和最大相移设置。当信号相移设置成最小值(零)时，主瓣3 居中于与天线10的X轴对应的中心线或者“瞄准线”30a周围。除了主辐射波束32的图案之外还标识第一上旁瓣(USL) 34、第二 USL 36以及上旁瓣和第一下旁瓣38以指示它们的相对方向(30、40相对于χ轴成角度Φ1，42相对于χ轴成角度Φ2，44相对于χ轴成角度Φ3)以及相对于主波束32的瞄准线30方向而言的幅度US1、US2、LS1。图示最大向下倾斜辐射波束32b (它的瞄准线轴为 30b)并且与最小倾斜辐射波束32a (它的瞄准线轴30a)比较。当天线使用于蜂窝网络中时必须满足若干关键参数。首先，天线必须在有用波束宽度角度上提供高瞄准线增益。第二，天线必须抑制第一 USL 34和第二 USL 36以避免对邻近小区站点中的移动用户(MU)的有害干扰。并且第三，当天线在倾角范围上电倾斜时， USL 34和36的相对幅度US1、US2以及离去角Φ 1、Φ2应当保持于设置的限制内。在实际天线实现中，难以达到这些要求，因为例如使瞄准线增益最大化将增加旁瓣34、36和38的幅度。有效的旁瓣控制可能需要少量减少由于天线的有效孔径减少而往往与主波束倾角的余弦成比例减少的瞄准线增益。根据下倾角范围而可能需要进一步减少瞄准线增益。图1Α、1Β和IC描绘本发明的一个或者多个实施例所赋予的各种竖直波束成形模 S(P1，P2，P3)。附加竖直波束成形模式是可能的。例如考虑在设置成0度下倾时的第一 USL :34a(即Pl-USla)。在模式Pl中，相对于主辐射瓣32a明显减少第一 USL 34a(<20dB)o 当命令天线达到最大下倾时，来自天线的辐射能量未由于附近扇区中的第一 USL 34b而带来干扰信号。在其他操作实例中，可能需要高前向增益(模式P2)。当如图IB中所示在模式 P2中配置时，第一 USL 34a (即P2_USla)的抑制在与Pl模式比较时通常降级。P2模式可以证实在倾斜时在附近扇区中被冒犯，因为下倾的第一USL P2-USlb的信号电平可能过度。模式P2也表现略微更窄的竖直半功率波束宽度角度(ΗΡΒ)Ρ2-Θ 1。模式Ρ2主要预期用于与不经常的远距离用户或者在如下紧急操作中的通信，该紧急操作可能需要原本不需要的延伸距离的扇区覆盖。如图IC中所示，模式Ρ3被设计成提供与小区站点近邻的接近均勻覆盖。模式Ρ3提供如下瓣间零位填充，该瓣间零位填充无论倾角(θ la-θ lb)如何都减少附近小区站点的信号变化，因为第一下旁瓣P3-LSla与主波束30a ‘混合’，使得竖直波束倾斜未向与小区站点近邻的移动用户(MU)引入过度信号变化。模式P3在为其中大量MU位于小区站点近邻处的拥挤地点(诸如音乐会或者体育事件)提供覆盖时尤其有用。模式P3 也为所有倾角提供略微更宽(HPB)的P3-θ 1以及充分的第一 USL P3-USla。可以容易设计并且用本天线实施附加辐射图案和模式而不更改天线构造。图6和图7呈现耦合到每个CAM模块的DL RF信号的相对幅度和相位处理。图6呈现向每个辐射元件提供的相对RF幅度信号。由于使用双重辐射元件构造(112，114)、但是具有共同馈线，所以某些幅度和相位误差存在于相互配对的辐射元件中和相邻对之间。在实际条件下，该误差仅少量造成总图案不准确，并且对于较大元件阵列而言，该误差很小。为了实现针对每个CAM模块的RF相位和幅度信号控制，在图10中呈现智能相位幅度分布网络(IPA) 704。对于下行链路，RF信号从数字无线电(DR) 700的输出耦合并且通过提供相等信号划分的划分器714耦合到微控制器(MPU) 716个别控制的六个相位/幅度(以及可选延迟)调整网络(718、722、7对、7洸、7沘、730)中的每个网络。有少量差异，但是相似构造的RX IPA (706)用来将从个别CAM模块接收的UL RF信号耦合回到DR 700接收器。在一些实现中，RX和TX IPA可以使用相同MPU、但是为了本讨论而单独加以示出。 另外，MPU 716与指示MPU 716模式选择的DR700控制逻辑通信。可以合并附加控制逻辑或者波束模式配置以处置一个或者多个CAM模块的完全或者部分失效，因为这将保持天线在能力有些减少时操作，直至可以提供给修复和维护。就适当模块而言，除了冗余电源单元 (PSU) 702之外还实现最终组件节能改造(weatherization)以改进AAA的MTBF。如图4、图9和图10中所示，MPU 716与关联于每个CAM模块110、210、310、410、510 和610的每个控制器138通信。如图所示，每个CAM模块配备有双工器118，该双工器118 允许在现代蜂窝网络中常见的频分双工(FDD)操作，其中BS在一组频率发射而同时在不同一组频率接收MU发射的信号。应当理解可以容易通过将双工器118替换为适当的RX-TX换向(传送)开关和接收器前端隔离器以防止高功率发射信号电平损坏接收器LNA来适配AAA 用于时分双工(TDD)操作。不同于FDD (FDD使用由防护频带分离的两个不同频率频带)， TDD操作可以用于如下数据传输，该数据传输在操作于相同载波频率之时在每个方向上发射短数据脉冲。如图6中所示，根据所选波束模式(Pl，P2，P3或者替代模式)，来自每个CAM模块的发射功率电平可以明显不同。通过将自适应预失真(APD) 136与使用于CAM模块中的每个PA级140和142—起利用，本发明提供操作优点。CAM模块控制器138向MPU 716反馈操作参数。由于所有CAM模块相同，所以可以容易实现构造简易性，但是MPU 176在操作上根据所选波束模式向每个CAM提供期望信号电平参数。对于每个CAM控制器138，一旦接收操作模式，控制器就向APD 136提供最优预失真配置而又监视输入134检测器和输出144 检测器。此外，控制器138可以如为了满足所选模式(P1，P2，P3或者替代模式)配置而需要的那样更改偏置或者向每个放大器级140、142供应电压而又提供来自放大器级140和142的最优效率和线性。另外可以实现CAM操作优化，因为控制器138可以基于用于每个操作波束模式的观测信号以及下倾角来自动更新和存储查找表。图9呈现示例CAM 110的图。现在将讨论UL信号接收。RL信号接收由耦合到二通信号分路器/组合器116的成对交叉极化辐射器112和114实现。来自每个元件112、 114的组合信号耦合到双工器118的ANT端口。双工器118在为每个RF信号组(TX或者 RX)提供个别通道的TX与RX路径之间提供隔离。RX信号耦合到低噪声放大器(LNA) 122 的输入160。LNA可以合并任何数量的电路设计或者配置。省略LNA电路描述。然而来自 LNA的放大128 RX信号耦合到对应RX IPA 706输入端口( 128，228，328，428，528和628)。 RX IPA 706与TX IPA 704类似地配置，但是RX信号(UL)流相反。有源模块110、210、310、 410、510 和 610 提供端口 130、230、330、430、530 和 630 电耦合到 RX IPA 706。注意，对应对(TX-RX)的移相器和移幅器同样配置成相同设置。RX信号路径镜像TX路径。作为附加背景，参照图2，呈现这样的图，该图表示在配备有遥控电移相器25的常规构造的通信天线与常规基站(BS)之间的互连。用于发射和接收蜂窝通信的常规构造的通信天线利用提供所需可变信号相移的移相器25以及从共同RF端口 Pi向RF I/O端口 (P0-P4)的信号划分。远程可控Pc移相器25配备有共同RF端口 Pi以及经由适当RF管路(诸如线缆、微带等)FO至F4耦合到辐射子模块20-24的五个分布式RF端口 PO至P4。 如图所示，存在利用的两个不同辐射子模块类型三个双辐射元件子模块20、22、M以及两个三辐射元件子模块21、23。不同辐射元件分组允许方便的信号划分和易于构造，但是替代的相等或者不相等子模块构造也是可能的。回顾辐射子模块20-24，每个辐射子模块具有固定、但是不同比率的RF信号划分器D0-D4，而共同端口(未明示)用于经由相应RF管路 F0-F4接收和发射信号。每个划分器D0-D4网络用来向个别辐射元件(所有EO至E4)提供所需的信号划分以实现亲和(amicable)于波束下倾的幅度信号梯度而又维持充分的上旁瓣抑制性能。在典型频分双工(FDD)操作中，BS收发器TX提供用于在预定频率从BS向MU (常称为下行链路方向)传输的RF信号而MU同时可以在不同频率向BS通信(上行链路方向)。 频分双工意味着发射器TX和接收器RX在不同载波频率同时操作。两组RF信号经由将BS 双工器连接到天线RF端口 Pi的同轴线路向和从天线传播。根据同轴线缆线路的安装长度可以造成信号衰减，这基本上影响这样的蜂窝网络站的性能。为了克服同轴线缆线路损耗， 常见做法是将更大型、更大功率的功率放大器用于发射器和更高灵敏度的接收器——它们可能过分昂贵和体积大。为了最小化信号损耗的影响，减少或者消除同轴线缆线路损耗是高度有利的。已经描述本发明主要用于将自适应预失真与高效率功率放大器一起用来实现线性信号放大和波束形成。就这一点而言，出于图示和描述的目的而呈现自适应预失真和高效率功率放大器的前文描述。另外，该描述并非旨在于使本发明限于这里公开的形式。此夕卜，与以下教导以及相关领域的技能和知识一致的变型和修改在本发明的范围内。这里描述的实施例还旨在于说明已知用于实现随之公开的本发明的模式并且使本领域其他技术人员能够在等效或者替代实施例中以及以本发明的(一个或多个)特定应用或者(一个或多个)用途认为必需的各种修改下利用本发明。
权利要求
1.一种预失真补偿型发射器和天线系统，包括 输入，用于接收数字输入通信信号；数字无线电，接收所述数字输入通信信号并且提供RF信号；第一预失真器，接收所述RF信号并且对所述RF信号执行第一预失真操作并且提供第一预失真RF信号；第一放大器，接收和放大所述第一预失真RF信号并且提供第一放大RF信号； 第一辐射元件，电耦合成接收所述第一放大RF信号；第二预失真器，接收所述RF信号并且对所述RF信号执行第二预失真操作并且提供第二预失真RF信号；第二放大器，接收和放大所述第二预失真RF信号并且提供第二放大RF信号；以及第二辐射元件，电耦合成接收所述第二放大RF信号，其中所述数字无线电、所述第一和第二预失真器、所述第一和第二放大器以及所述第一和第二辐射元件被配置于相互近邻的天线辐射位置。
2.如权利要求1所述的预失真补偿型发射器和天线系统，其中所述第一和第二预失真器中的每个对所述RF信号执行模拟幅度和相位预失真。
3.如权利要求2所述的预失真补偿型发射器和天线系统，其中所述第一和第二放大器中的每个包括偏置用于在高效率模式中操作的功率放大器。
4.如权利要求2所述的预失真补偿型发射器和天线系统，还包括第一自适应控制器，用于向所述第一预失真器提供第一幅度和相位控制信号；以及第二自适应控制器，用于向所述第二预失真器提供第二幅度和相位控制信号。
5.如权利要求4所述的预失真补偿型发射器和天线系统，其中所述第一和第二辐射元件中的每个包括两个交叉极化辐射元件。
6.如权利要求3所述的预失真补偿型发射器和天线系统，其中所述第一和第二放大器被被动冷却。
7.一种具有波束形成能力的预失真补偿型发射器和天线系统，包括 输入，用于接收输入信号；幅度和相位调整网络，用于提供第一幅度和相位波束形成控制信号以及第二幅度和相位波束形成控制信号；第一自适应预失真模块，接收所述输入信号以及所述第一幅度和相位波束形成控制信号、对所述输入信号执行预失真操作并且提供第一预失真输入信号；第一放大器，放大所述第一预失真输入信号并且提供第一放大信号作为第一输出，其中所述第一自适应预失真模块与所述第一放大器近邻； 第一辐射元件，电耦合到所述第一输出；第二自适应预失真模块，接收所述输入信号以及所述第二幅度和相位波束形成控制信号、对所述输入信号执行预失真操作并且提供第二预失真输入信号；第二放大器，放大所述第二预失真输入信号并且提供第二放大信号作为第二输出，其中所述第二自适应预失真模块与所述第二放大器近邻；以及第二辐射元件，电耦合到所述第二输出。
8.如权利要求7所述的预失真补偿型发射器和天线系统，其中所述输入信号为模拟RF调制信号，并且其中所述第一自适应预失真模块对所述输入信号执行第一模拟幅度和相位预失真，其中所述第二预失真模块对所述输入信号执行第二模拟幅度和相位预失真。
9.如权利要求7所述的预失真补偿型发射器和天线系统，其中所述第一自适应预失真模块、所述第一放大器、所述第一辐射元件、所述第二预失真模块、所述第二放大器和所述第二辐射元件被被动冷却。
10.如权利要求7所述的预失真补偿型发射器和天线系统，其中所述第一幅度和相位波束形成控制信号独立于所述第二幅度和相位波束形成控制信号。
11.一种用于自适应提供发射器和天线系统的天线波束的方法，所述发射器和天线系统具有多个波束形成模式，所述方法包括接收RF输入信号；接收与第一波束形成模式对应的控制信号；确定针对所述第一波束形成模式用于所述RF信号的第一辐射元件期望信号强度； 基于所述第一辐射元件期望信号强度来预失真所述RF输入信号以形成第一预失真信号；放大所述第一预失真信号以形成第一输出信号； 将所述第一输出信号电耦合到第一辐射元件；确定针对所述第一波束形成模式用于所述RF信号的第二辐射元件期望信号强度； 基于所述第二辐射元件期望信号强度来预失真所述RF输入信号以形成第二预失真信号；放大所述第二预失真信号以形成第二输出信号；将所述第二输出信号电耦合到第二辐射元件；并且根据来自所述第一和第二辐射元件的辐射放射来生成第一波束图案。
12.如权利要求11所述的方法，还包括从远程基站位置接收数字输入信号并且将所述数字输入信号转换成RF以在所述发射器和天线系统的位置提供所述RF输入信号。
13.如权利要求11所述的方法，其中放大所述第一和第二预失真信号以形成所述第一和第二输出信号还包括控制用于在高效率模式中操作的第一和第二放大器。
14.如权利要求11所述的方法，还包括 接收与第二波束形成模式对应的控制信号；确定针对所述第二波束形成模式用于所述RF信号的第一和第二辐射元件期望信号强度；并且基于针对所述第二波束形成模式用于所述RF信号的所述第一和第二辐射元件期望信号强度来执行不同的第一和第二预失真操作。
15.如权利要求14所述的方法，还包括通过基于针对所述第二波束形成模式用于所述 RF信号的所述第一和第二辐射元件期望信号强度调整第一和第二放大器偏置来控制第一和第二放大。
16.如权利要求11所述的方法，还包括确定用于所述第一波束形成模式的相对相位值和相对幅度值，并且其中确定针对所述第一波束形成模式用于所述RF信号的所述第一和第二辐射元件期望信号强度运用用于所述第一波束形成模式的所述相对相位值和相对幅度值。
17.如权利要求16所述的方法，其中确定所述相对相位值和相对幅度值还包括确定将第一波束图案向预定方向倾斜的相对相位值和相对幅度值。
18.如权利要求16所述的方法，其中确定所述相对相位值和相对幅度值还包括确定最小化第一波束图案的上旁瓣的相对相位值和相对幅度值。
19.如权利要求16所述的方法，其中确定所述相对相位值和相对幅度值还包括确定最大化第一波束图案的主放射瓣的增益最大的相对相位值和相对幅度值。
20.如权利要求16所述的方法，其中确定所述相对相位值和相对幅度值还包括确定提供第一波束图案的瓣间零位填充的相对相位值和相对幅度值。
全文摘要
公开一种运用有源受控天线阵列架构的改进型通信系统和方法。该阵列(10)包含空间布置的多个受驱动辐射元件，这些辐射元件被馈送有预失真的RF信号的辐射元件对(112，114)，以便提供天线阵列的仰角辐射图案的受控变化。高功率放大器(PA)的效率由耦合到每个高功率PA(140，142)的自适应预失真维持而又提供波束倾斜和旁瓣控制。
文档编号H01Q3/00GK102460828SQ201080035127
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月7日 优先权日2009年6月8日
发明者拉比诺维奇 A., 泰勒 A., 卡里奇曼 S. 申请人:电力波技术公司