有源天线阵列的制作方法
【专利摘要】为了减小设计用于与多个不同的移动通信系统(多频带系统)一起使用的有源天线阵列的重量、成本和复杂度，该阵列包括分成多个天线组的多个天线元件、分成收发器集合的多个RF收发器，其中集合中的每个收发器被布置为工作在不同的移动通信系统上，并且包括耦合在每个收发器集合和各自的天线组之间的各自的相移和馈电网络，使得集合中的每个收发器被耦合到各自的天线组的每个天线元件。
【专利说明】有源天线阵列
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于移动通信系统的有源天线阵列。
【背景技术】
[0002]有源天线阵列(AAA)，另外称为智能天线，最近作为用于未来蜂窝/移动网络的基站(BS)的候选技术受到欢迎。在AAA的环境中，BS天线阵列的每个辐射器由专用的RF收发器/RF前端来馈电，如图1所示。在图1中，基站2具有有源天线阵列，有源天线阵列包括一系列的N个天线元件41...4N,每个天线元件耦合到各自的RF收发器61...6N。典型地，每个RF收发器包括发射通道和接收通道，发射通道包括数字模拟转换器DAC、频率上变频级和功率放大器PA，接收通道包括低噪声放大器、频率下变频级和模拟数字转换器ADC。在收发器中或在基带信号处理中，将适当的相移施加到阵列的发射和接收通道，以便“调向”天线波束。
[0003]当前和未来的基站可能需要支持不同的移动通信系统，例如2G (例如GSM)、3G (例如WCDMA)或4G (例如LTE)，这些不同的移动通信系统工作在可以是从400MHz到2.6GHz的范围中的不同频率上。这可能需要针对每个系统的单独的天线阵列配置，这无疑是昂贵的，并且一般是不方便的。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种有源天线阵列，适用于与多个不同的移动通信系统一起使用，包括:
[0005]多个天线元件，其被分成多个天线组；
[0006]多个收发器，其被分成多个收发器组，在数量上等于所述多个不同的系统，每个收发器组适合工作在所述多个不同系统的各自的移动通信系统上，
[0007]并且包括耦合在所述收发器和所述天线元件之间的馈电和移相网络，由此，对于每个所述天线组，每个所述收发器组的成员被选择性地耦合到它的天线元件。
[0008]作为优选的，收发器被额外地形成到多个收发器集合中，每个集合包括来自每个所述收发器组的成员，并且每个天线组被耦合到各自的收发器集合。
[0009]在另一个方面，本发明提供了一种有源天线阵列，适用于与多个不同的移动通信系统一起使用，包括:
[0010]多个天线元件，其被划分成多个天线组，每组包括多于一个的天线元件；
[0011]多个收发器，其被分成多个收发器集合，其中收发器集合的每个收发器适合在所述多个不同系统的各自的移动通信系统上工作；
[0012]以及馈电和移相网络，
[0013]其中每个收发器集合通过移相网络耦合到各自的天线组，由此收发器集合的至少一个收发器被选择性地耦合到各自的天线组的天线元件。
[0014]在本发明的至少一个实施例中，多频带(多频带是用于多个移动通信系统通常使用的术语)有源天线阵列(AAA)的有效设计基于如下的事实:通过采用每个频带/系统的一个收发器，经由无源或有源馈电网络对多个天线元件馈电，合成多频带AAA所需的RF收发器的总数能够减少。因此，一个优点出现在如下的情形中:在耦合到天线元件的AAA的每个频带的RF收发器不基于一对一分配，但替代地提供了移相和馈电(多路复用/解多路复用)网络，使得每个收发器被耦合到多于一个的天线元件的地方，AAA与不同的移动通信系统一起工作所需的硬件数量、重量、成本和复杂度能够减小。虽然这可能导致在一些情形中的一些质量下降，但是已经发现，在遇到的多数实际情形中，质量下降是不显著的。
[0015]在一个实施例中，所述移相网络被布置使得对于每个天线组，每个收发器集合的成员经由各自的移相元件被耦合到天线组的每个天线元件。
[0016]在一个实施例中，因为这样的阵列通常使用的配置，收发器元件的总数等于天线元件的总数。然而，在其它实施例中，可以采用不同数量。然而，优选的是，天线元件的总数应当是收发器集合数量的严格整数倍，使得每个收发器集合被多路复用到相同数量的天线元件。
[0017]在进一步的实施例中，收发器组的一个或多个收发器可以从各自的天线组的一个或多个天线元件解耦。
[0018]在一般情形下，将被服务的不同移动系统的数量可以是2个(双频带)或3个(三频带)。所服务的系统可以是使用中的或设想的任何类型，例如GSM(2G)、UMTS(WCDMA,3G)以及LTE(4G)。这些系统可以具有宽频率范围的工作频率，例如用于低至400MHz到接近3GHz。因为设计能够令人满意地工作在这种大频率范围的单个天线装置是困难的，有可能根据本发明而具有包括多于一个天线子元件的每个天线元件，每个子元件工作在预期频率范围的不同部分。然而根据一个实施例，优选地具有形成为单个设备的每个天线元件，该单个设备足够宽带以覆盖全部可能频率范围的重要部分。作为优选，提出具有第一实施例，第一实施例具有天线元件，这些天线元件响应于约400MHz和1500MHz之间的频率。在另一个实施例中，在约1.6GHz和2.7GHz之间的更高频率由单个天线元件覆盖，该范围包括1.8、
1.9GHz (GSM)、2.IGHz (WCDMA)、以及用于 4G 系统，比如 LTE 的 2.7GHz。
[0019]所述移相网络可以分成耦合到收发器发射通道的下行链路通道，以及耦合到收发器接收通道的上行链路通道。下行链路通道可以包括发射通道中的功率分配器，功率分配器耦合到每个收发器，用于分路来自每个收发器的功率。这些功率分配器通常是无源设备，比如Wilkinson功率分配器。多路复用单元，其也是无源设备，可以连接到天线元件的输入，并且被布置用于从各个收发器接收输入。上行链路通道可以包括耦合到天线元件的对应的多路解复用设备和耦合到收发器的功率合成器。位于功率分配器/合成器和多路复用/多路解复用单元之间的移相装置，可以是无源设备或有源设备。对于高功率应用，例如瓦特量级的功率，无源设备是优选的，因为它们具有更小的损耗。例如可以采用某个长度的传输线，它可以是可调谐的，例如通过具有可调节的介质填充。对于低功率应用，比如，例如250mW，可以采用有源设备，比如集成电路移相设备，它利用所施加的电压是可调谐的。这些设备具有例如约3dB的插入损耗，这使得它们不适合于高功率设备。
[0020]多路复用/多路解复用单元可以是不同的技术，比如基于陶瓷的、基于腔体的或基于微带的，根据功率要求和所需的输入数量进行选择。【专利附图】
【附图说明】
[0021]现在将参考随附的附图，仅通过示例的方式，描述本发明的实施例，其中:
[0022]图1是图示出移动通信系统的基站中所采用的有源天线阵列的已知配置的示图；
[0023]图2是为了解释本发明的目的而图示出具有多频带架构的基站中所采用的有源天线阵列配置的示图；
[0024]图3是本发明第一实施例的示意性框图，示出了用于其中采用了无源馈电网络的多频带AAA的一种架构；
[0025]图4是本发明第二实施例的示意性框图，示出了用于其中采用了有源馈电网络的多频带AAA的一种架构；
[0026]图5是图3和图4的架构中所包含的馈电网络的框图。移相器Φυ能够是无源的(图3的无源馈电网络)或有源的(图4的无源馈电网络)；
[0027]图6是第三实施例的示意性框图，形成了本发明的双频带AAA的具体示例；
[0028]图7是图6的AAA中所采用的模块的框图，用于下行链路发射(Tx)的情形，用于将工作在不同频带的两个收发器元件耦合到两个天线元件；
[0029]图8是类似于图7的框图，用于上行链路接收(Rx)的情形，用于将两个收发器元件耦合到两个天线元件；以及
[0030]图9包括示出了图7和图8的用于接收天线端口和发射天线端口的馈电网络的仿真性能的曲线图。
【具体实施方式】
[0031]多频带(m-频带)AAA BS的设计在图2中示出，用于解释本发明(在本说明书中，根据一般的说法，术语“频带”被用来表示移动通信系统)。提供了 N个天线元件201...20N,数量与图1中相同。每个天线元件从集合221...22N馈电，每个集合包括m个专用RF前端(收发器)241...24m，每个前端设计成工作在不同的频带/系统。因此可以看出，收发器的总数也分成m组，每组工作在各自的系统。每个馈电集合221...22N通过各自的多路复用网络261...26N被馈电到各自的天线元件201...20N。其余的基站在28处指示。
[0032]每个收发器241...24m公共地被提供有发射通道和接收通道，发射通道包括数字模拟转换器DAC、频率上变频级和功率放大器PA，接收通道包括低噪声放大器、频率下变频级和模拟数字转换器ADC。将适当的相移施加到阵列的发射和接收通道，以便“调向”天线波束。然而，为了本说明书的目的，“收发器”将理解为意谓一种包括接收通道和/或发射通道，具有合适的接收和/或发射组件的RF单元。
[0033]在图2中，BS天线阵列的每个天线元件(通常为面板的形式)，从m个专用RF前端馈电，它们中的每一个设计成工作在不同的频带。在该情形中，对相同天线元件20i馈电的m个RF前端241...24m中的每个前端的RF信号必须被多路复用在RF多路复用器26i上，并且天线元件20i还必须是足够宽带的，从而所有m-频带被包括在天线工作带宽中。
[0034]用于设计多频带AAA的图2的方法具有的主要缺点是，对于合成的m_频带、N-天线元件AAA，需要(mxN)个RF前端。这显著增加了 BS的成本、它的复杂度、并且还有它的重量和体积。因为所有这些原因，用于多频带AAA的更有效的架构是优选的。
[0035]在下述图中，与图2的那些部分相似的部分由相同的参考数字指代。[0036]图3是本发明第一实施例的示意性框图，示出了用于多频带AAA的一种架构，其中采用了各自的无源馈电网络，以分配和多路复用/多路解复用去往/来自M个宽带天线元件的、m个RF收发器(它们中的每一个工作在不同频带)的发射/接收RF信号。图4是本发明第二实施例的示意性框图，示出了用于多频带AAA的一种架构，其中采用了各自的有源馈电网络，以分配和多路复用/解多路复用去往/来自M个宽带天线元件的、m个RF收发器(它们中的每一个工作在不同频带)的发射/接收RF信号。
[0037]在图3和图4中，AAA支持m个频带，而天线面板由N个辐射或天线元件201...20N组成。根据该AAA架构，N个天线元件被分组为M个元件201...20M、20M+1...202M等的(N/M)个集合或组30 (因为这个原因，N/M的模数应当是零)。然后，这些组30的每一个由无源(图3)网络321...32 (N/M)或有源馈电网络(图4)341...34 (N/M)馈电。(无源和有源馈电网络的特征在于网络中的移相设备是构造上有源或无源的)。每个馈电网络32或34的输入被分别耦合到m个RF收发器241...24m的集合221...22N/M, 一个集合的每个收发器设计为工作在由AAA支持的m个不同系统(频带)之一。在一般的情形中，由AAA支持的移动通信系统m的数量(以及因此对每个馈电网络馈电的独立收发器的数量)和由相同馈电网络馈电的天线元件M的数量是完全互相独立的，并且它可能更小(m<M)，相等(m =M)或更大(m > M)。
[0038]馈电网络32、34的功能在图5的框图中描绘，该框图是用于发射信号和接收信号两者的单个馈电移相网络的框图。对于来自基站的下行链路发射的情形(Tx模式)，在馈电网络的第一级中，m个收发器的每一个的RF发射信号由1:M功率分配器50分为M个副本。然后，每个副本由对应的移相器Oi，j52移相适当的量。最后，M个多路复用器54被提供为耦合到各自的天线元件201...20M，并从每个功率分配器50接收经移相的信号。因此，将要传输进入相同天线元件的所有RF经移相的信号(不同频带)在馈电到宽带天线元件中之前被多路复用。在基站的上行链路工作的情形中(Rx模式)，实施了互换的功能，因为多路复用器54用作用于接收信号的多路解复用器，并且功率分配器50用作功率合成器。重要的是，注意多路复用器之前的所有组件是单频带组件，多路复用器是多频带的，并且天线元件是仅有的必须是宽带的组件。
[0039]所提出的无源或有源的馈电网络32、34的第一 RF组件是1:M功率分配器/合成器。这些1:M功率分配器/合成器是无源双向组件，并且能够是完全平衡的或不平衡的，优选地针对同一组30的天线元件实施幅度的逐渐减小(amplitude tapering)。
[0040]馈电网络的移相器Φ?，j52被用来维持横跨通过相同馈电网络(波束调向应用)馈电的天线元件的每个频带的某个相位进度(phase progression)。在与图1或图2类似的AAA的一般情形中，为了达到某个波束扫描角度，连续的天线元件之间所需的(每个频带的)相移可以由相同频带的N个独立收发器主动地设置。这能够例如通过在发射器的数字域中，或者在发射器的RF部分中移相而完成。这同样对接收通道有效。在图3和图4的架构的情形中，每个频带仅有N/M个独立的收发器(在发射器的数字域中或RF部分中)能够维持达到某个波束扫描角度所需要的相位进度。假定这些收发器的每一个将对M个连续的天线元件馈电，能够由独立收发器设置的相移应当等于为了在相邻天线元件之间保持某个波束扫描角度的所需要的相位进度的M倍。然后馈电网络的移相器Φ?，j52应当用来维持同一组30的连续天线元件之间所需要的相位进度。在宏小区部署中所采用的高功率AAA的情形中，在宏小区部署中波束扫描要求是有限的(即0° -10°偏离宽边)，能够示出，比如无源微波传输线的无源组件，其被设计成在为了达到所需要的所有波束扫描角度所需要的相移范围中间提供渐进的相移，该无源组件能够提供足够好的解决方案。在该情形中，馈电网络能够是排他地无源的(图3)，因为功率分配器以及多路复用器通常是无源设备。此外，在这种情形中，无源馈电网络是双向微波电路，并且因此单个网络能够用于下行链路(Tx)和上行链路(Rx)两者。
[0041]然而，在需要大的波束扫描角度的应用中，比如用于小的小区部署、多扇区部署的AAA等，对于该些移相器，无源的解决方案是不够的。替代地，该些移相器应当是有源的(电压控制芯片)，并且应当由正在将RF信号馈电到馈电网络中的频带的收发器控制。在该情形中，馈电网络将是有源的网络(图4)。注意，这种有源RF移相器通常是有损耗的(例如<50%的效率)。然而，在低功率AAA(大约250mW)的环境中，这样的有损耗组件不必然完全脱离环境。最后，假定有源RF移相器通常是单向设备，每组的天线元件需要两个馈电网络；一个用于下行链路(Tx)并且一个用于上行链路(Rx)。
[0042]关于图5的RF多路复用器/多路解复用器，这些设备所需要的操作非常取决于特定的AAA架构和确切的系统配置。在能够设想的最一般的情形中(考虑之下的所有频带在相同天线中馈电)，这些多路复用器/多路解复用器必须多路复用/多路解复用考虑之下的所有频带的所有的Tx和Rx RF信号 。对于FDD(频率复用)系统的情形，其中Tx和Rx信号被分配在不同的频段上，该设备应当多路复用/多路解复用2m个不同的频带。另一种方法可能是，该设备仅多路复用/多路解复用多频带AAA的全部m个频带(“全部频带”意思是Tx和Rx频谱的两者都包括在每个多路复用频带的总频谱中)。在该情形中，在每个频带的RF前端(RF链)将需要传统的双工设备用于将Tx和Rx信号双工(用于FDD系统的情形)。然而，也能够考虑用于多路复用设备的精确操作的其他情形，依赖于精确的AAA结构。在下述示例中将讨论一个这样的情形。
[0043]参考图6，展现了双频带(m = 2) AAA的实施例。感兴趣的两个频带是用于UMTS部署(DL:2.11-2.17GHz, UL:1.92-1.98GHz)的 2.1GHz 和用于 LTE 部署(DL:2.62-2.19GHz,UL:2.50-2.57GHz)的2.6GHz。AAA由N = 8个辐射元件(在一般情形中N应当是任意偶数)组成，而天线元件成对地被分组(M = 2)。对于该具体情形m = M。所采用的辐射元件是宽带的、双极化的，同时一个极化(+45° )被用于下行链路发射(Tx端口 /+45° )，并且正交极化(-45° )被用于上行链路接收(Rx端口)(此假设对无源/有源馈电网络的多路复用设备的工作有影响)。
[0044]在图6中，4个模块60的每一个都由收发器集合221-224组成，收发器组221-224包括一对RF前端241，242( —个用于2.1GHz，并且一个用于2.6GHz)、馈电和移相网络322…324、以及每个天线组30的一对天线元件201、202。对于该实施方式，这些模块60中的每一个的框图在图7和图8中示出，分别包括下行链路(Tx)和上行链路(Rx)电路。
[0045]参考图7，收发器241包括用于UMTS IF和BB信号的部分70，随后是发射器部分72。收发器242包括用于LTE IF和BB信号的部分74，随后是发射器部分72。每个发射器部分72包括I和Q通道76、78，I和Q通道76、78包括DAC80、乘法器82，其中基带信号乘以来自L084的经相移的IF信号，该经相移的IF信号在86、88被移相。IQ信号在90合并，并且馈送到功率放大器92。[0046]在图7中，两个功率放大器92没有被滤波的输出(分别在2.1GHz (UMTS)和
2.6GHz (LTE))被提供到移相发射网络321T，其中该输出在功率分配器96被分开，并且功率分配器96的输出在移相器98、99中适当地被移相。双工器100从每个功率分配器接收信号，并且来自两个收发器的组合信号从每个双工器被馈送到合适的天线元件201、202。在该情形中，每个天线元件是双极化天线，并且输出信号被施加到天线元件201、202的两个正交极化之一，在该情形中是天线元件201的+45°输入，以及天线元件202的+45°输入。
[0047]对于图8中所示出的上行链路接收的情形，与图7的那些部分相似的部分由相同的参考数字指代。发射部分72由接收部分120替代，并且移相网络321从划分和多路复用功能321T改变为多路解复用和合成功能321R。在两个天线元件201、202的极化部分-45°的接收信号，在102通过与图7的过程的相反互换过程被多路解复用为在1.9GHz (UMTS)频带的接收信号，以及2.5GHz (LTE)频带的接收信号，然后信号在104、106被移相，并且最终相同频带的信号在每个接收器120的LNA(低噪声放大器)中的110被放大(取决于精确的系统配置，LNA能够紧接地放置在多路解复用器之后)之前，在功率合成器108中被合成。每个LNA的输出分成两个IQ通道76、78，其中信号在82、84、86、88转换为基带，并且施加到ADC112。
[0048]假定Tx和Rx的工作被考虑在不同的天线极化上(并且因此在不同的天线端口上)，Tx馈电网络是完全独立于Rx馈电网络的。然而，所采用的多路复用/多路解复用设备还应当提供相同频带的Tx和Rx信号之间所需要的隔离。例如，图7中的双工设备(下行链路)，除了两个Tx信号之间的隔离之外，还应当提供两个频带的Tx信号到对应的Rx信号之间所需要的隔离。意义重大的是，注意到这种多路复用单元将从不同的移动通信系统接收下行链路信号，这种多路解复用单元将从不同的移动通信系统接收上行链路信号，并且因此这些信号将广泛地间隔在频率中。这因此简化了这种单元的构造，因为滤波的要求相比于公共多路复用的情形降低了，其中所有的多路复用信号在相同的频带上。
[0049]为了证明上述要求，图7和图8的无源馈电网络的仿真结果在图9中呈现。对于该仿真，所有的功率合成器/分配器、移相器和双工器都设计为无源组件。具体地，关于双工器，它们是陶瓷双工器。具体地，在图9中，图8 (接收天线端口)和图7 (发射天线端口)的无源馈电网络的性能(S-参数)分别被呈现。这些结果示出了，例如，在下行链路发射情形(图7)，不仅两个频带的Tx信号充分地隔离，还实现了UMTS Tx与Rx信号，以及LTE Tx与Rx信号之间的良好隔离。对于Rx的情形，实现了类似的性能。
[0050]上面所描述的实施例的优点是，具有减少数量的收发器的多频带或多系统AAA的设计和实施方式，以便于降低总体AAA的重量、成本和复杂度。
[0051]说明书和附图仅举例说明了本发明的原理。因此，将意识到，本领域的技术人员将能够设计出，尽管没有在本文明确地描述或示出的、但是体现了本发明的原理并且被包括在其精神和范围内的各种配置。此外，本文记载的所有示例主要明白地旨在仅为了教导的目的，以帮助读者理解本发明的原理以及由发明人为促进该技术所贡献的概念，并且将解释为不限于这种具体记载的示例和条件。此外，记载了本发明的原理、方面和实施例，以及它们的具体示例的本文所有陈述，都旨在包括其等价物。
【权利要求】
1.一种天线阵列，适用于与多个不同的移动通信系统一起使用，包括: 多个天线元件(201...20N)，其被分成多个天线组(30)，每个组包括多于一个的天线元件(201...20M)； 多个馈电和移相网络(321、341...32、34(N/M))； 其特征在于 所述天线阵列是有源天线阵列，并且包括多个收发器，其被分成多个收发器集合(221...22N/M)，每个集合包括多于一个的收发器(241...24m)，并且其中收发器集合的每个收发器适于在所述多个不同系统(m)的各自的移动通信系统上工作； 其中每个收发器集合通过各自的馈电和移相网络耦合到各自的天线组，使得收发器集合的每个收发器被耦合到各自天线组的每个天线元件以便提供有源天线阵列，从而生成横跨所述多个天线元件的相邻元件的天线信号的预定相位进度。
2.根据权利要求1所述的有源天线阵列，其中各自的所述收发器集合的所选择成员经由各自的移相设备(52、98、99、104、106)被耦合到所述天线组的每个天线元件，以便生成所述预定相位进度。
3.根据任一个前述权利要求所述的有源天线阵列，其中每个收发器集合包括两个收发器，所述两个收发器服务两个系统的各自系统，优选为UMTS系统和LTE系统，并且每个所述天线组包括两个天线元件。
4.根据任一个前述权利要求所述的有源天线阵列，其中每个移相网络包括上行链路通道(321R)和下行链路通道(321T)，并且对于所述下行链路通道，包括一个或多个多路复用设备(100)，所述一个或多个多路复用设备中的每一个被耦合到天线元件，以从所述集合的不同收发器接收不同移动电话系`统的多个下行链路信号。
5.根据任一个前述权利要求所述的有源天线阵列，其中每个移相网络包括上行链路通道(321R)和下行链路通道(321T)，并且对于所述上行链路通道，包括一个或多个多路复用设备(102)，所述一个或多个多路复用设备中的每一个被耦合到天线元件，以将不同移动电话系统的多个上行链路信号馈送到所述组的不同收发器。
6.根据权利要求4所述的有源天线阵列，其中每个移相网络包括下行链路通道(321T)，所述下行链路通道包括耦合到所述收发器的功率分配器(96)、耦合到所述天线元件的多路复用器(100)、以及选择性地耦合在所述功率分配器和多路复用器之间的移相设备(98,99)。
7.根据权利要求5所述的有源天线阵列，其中每个移相网络包括上行链路通道(321R)，所述上行链路通道包括耦合到所述收发器的功率合成器(108)、耦合到所述天线元件的多路解复用器(102)、以及选择性地耦合在所述功率分配器和多路解复用器之间的移相设备(104、106)。
8.根据任一个前述权利要求所述的有源天线阵列，其中所述移相网络包括有源移相设备(52)，优选为集成电路元件。
9.根据权利要求1至7中任一个所述的有源天线阵列，其中所述移相网络包括无源移相设备(52),优选为传输线长度。
10.根据任一个前述权利要求所述的有源天线阵列，其中每个所述天线元件是双极化天线(201、202)，其中一个极化被耦合到所述各自的收发器的发射通道，并且另一个极化被耦合到所述各自的收发器的所述接收通道。
11.根据任一个前述权利要求所述的有源天线阵列，其中每个所述天线元件是足够宽带的，以覆盖所述多个 不同系统的工作频率的至少一部分。
【文档编号】H01Q5/00GK103444088SQ201280013697
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年1月26日 优先权日:2011年2月11日
【发明者】T·科基诺斯, F·皮维特 申请人:阿尔卡特朗讯