具有多个独立斜度的共享天线的制作方法与工艺

具有多个独立斜度的共享天线相关申请的交叉引用本申请要求序列号为61/600,949的美国专利申请、序列号为61/601,887的美国专利申请和序列号为61/612,137的美国专利申请的优先权，每个都以具有多个独立斜度的共享天线阵列为题目，其公开内容在此通过引用被并入。背景用于无线语音和/或数据通信的天线通常包括由一个或更多馈电网络连接的辐射单元的阵列。许多基站天线包括以线性阵列形式的多个辐射单元。天线阵列的各种性质，例如波束俯仰角、波束方位角、以及半功率波束宽度，可以由机电控制器调整。参见例如美国专利第6,573,875号和第6,603,436号，这两者都通过引用被并入。例如，关于美国专利第6,573,875号，多个辐射单元以近似垂直的队列的形式被设置。可以提供馈电网络来给每个辐射单元提供信号。提供给辐射单元的信号的相位角可以被调整，以使得由天线阵列产生的辐射波束角从标称的或默认的波束角向上或向下倾斜。相位角可以通过操作诸如移相器的机电部件被调整。移相器可用于调整波束下倾角和/或方位角，和/或调整功率分配，并因而调整波束宽度。在一个实施例中，移相器可以被耦合到致动器，允许远程控制移相器的调整。电动下倾控制的另一个实施例涉及称为“功率变换”的相移技术。其中的一个实施例在美国专利第6,864,837号中被提供，其通过引用被并入。简而言之，RF信号被提供给可变功率分配器，其随后被应用到巴特勒矩阵(Butlermatrix)。巴特勒矩阵的输出端具有4个端口，其具有不同的相位角，当相位角被应用于辐射单元时，根据这些相位角来引导天线阵列的输出波束上下移动。还已知多频带天线。常规的多频带天线可以针对每个频带包括不同的辐射单元。参见，例如，美国专利第6,295,028号、美国专利第6,333,720号、美国专利第7,238,101号、和美国专利第7,405,710号，其公开内容通过引用被并入。每组辐射单元通常具有其自己的馈电网络。

技术实现要素：
本公开涉及在给定的天线阵列上获得多个子频带性能，其中，每个子频带具有独立受控特征，例如下倾。此外，在可选实施方式所包括的实施例中，波束引导(beamsteering)的一些方面被应用到所有子频带，且波束引导的其它方面被独立应用到子频带。这些有利的特征上述专利中未被教导或建议。用于天线阵列的馈电网络至少包括第一RF输入、第二RF输入、组合网络和波束形成网络。在一些实施例中，提供了额外的RF输入。每个RF输入对应于子频带。用于第一子频带信号的第一RF输入耦合到第一子频带参数控制器；用于第二子频带信号的第二RF输入耦合到第二子频带参数控制器。组合网络耦合到第一子频带参数控制器和第二子频带参数控制器。组合网络还具有至少一个输出，其包括第一子频带信号和第二子频带信号的组合。波束形成网络耦合到组合网络并具有多个RF输出。第一和第二子频带参数控制器能够被独立地调整。在一个实施例中，波束形成网络包括巴特勒矩阵。在一个实施例中，子频带参数控制器包括不同的差分移相器。调整第一差分移相器导致所述第一RF子频带在多个RF输出上具有第一组相位关系，且调整第二差分移相器导致第二RF子频带在所述多个RF输出上具有第二组相位关系。在一个实施例中，所述组合网络包括耦合到第一移相器的第一支线混合器；耦合到第二移相器的第二支线混合器；耦合到第一支线混合器的第一输出和第二支线混合器的第一输出的第一双工器；以及耦合到第一支线混合器的第二输出和第二支线混合器的第二输出的第二双工器。在可选实施例中，组合网络包括耦合到第一差分移相器的第一输出和第二差分移相器的第一输出的第一双工器；耦合到第一差分移相器的第二输出和第二差分移相器的第二输出的第二双工器；支线混合器，其具有耦合到第一双工器的第一输入和耦合到第二双工器的第二输入。所述馈电网络还可以包括多个次级波束斜度移相器，其中所述多个RF输出耦合到所述多个次级波束斜度移相器。所述馈电网络还可包括旁路路径，该旁路路径提供不通过波束形成网络的另外的RF输出。在一个方面，第一子频带参数控制器可将第一子频带信号划分为两个幅度相同、相位可变的信号，该信号耦合到组合网络的第一输入和第二输入，且第二子频带参数控制器可将第二子频带信号划分为两个幅度相同、相位可变的信号，该信号耦合到组合网络的第三输入和第四输入。组合网络的至少一个输出包括第一输出和第二输出，第一输出包括所述第一子频带信号的第一部分以及第二子频带信号的第一部分，第二输出包括第一子频带信号的第二部分以及第二子频带信号的第二部分，其中第一子频带信号的第一部分和第二部分的功率分配是由第一子频带参数控制器来控制的，而第二子频带信号的第一部分和第二部分的功率分配是由第二子频带参数控制器来控制的。在另外的实施例中，在此公开的任何示例性馈电网络可用于天线，且还包括耦合到RF输出的多个辐射单元。在一个实施例中，子频带控制器包括子频带斜度控制器。辐射单元的阵列还包括多个子阵列，每个子阵列耦合到多个RF输出中的一个，并具有多个辐射单元。在一个实施方式中，次级斜度设备将辐射单元的阵列耦合到RF输出。在另一个实施例中，辐射单元阵列的至少一部分接收将次级斜度设备旁路的信号。附图说明图1示出了根据本发明的一个实施例的馈电网络和天线阵列。图2示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。图3示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。图4示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。图5示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。图6示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。图7示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。图8示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。图9示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。图10示出了根据本发明的另一个实施例的馈电网络和天线阵列。具体实施方式参照图1，根据本发明的一个实例的波束形成网络110被示出。在这个实例中，具有第一子频带和第二子频带的复合的射频(RF)信号可被施加到第一双工器112。第一双工器112将复合的RF信号分离成相应的第一子频带和第二子频带。第一子频带被施加到第一斜度控制器114(斜度1)，且第二子频带被施加到第二斜度控制器114(斜度2)。在图1所示的实例中，第一斜度控制器114和第二斜度控制器114每个都包括移相器118。每个移相器118将子频带分离成一对幅值相等、相位可变的信号。移相器的结构不是最重要的。其它结构可被用来将幅值相等、相位可变的信号提供给支线混合器(branchlinehybrid)。第一斜度控制器114和第二斜度控制器114被耦合到组合网络116。在图1的实例中，组合网络116包括第一和第二分支混合器120以及第一和第二双工器122。来自第一和第二斜度控制器114的幅值相等、相位可变的信号被施加到支线混合器120，支线混合器120的输出包括具有相同相位但可变的幅值的信号。用于第一斜度控制器114和第二斜度控制器114的支线混合器120的输出被一对第二双工器122组合，如所示。每个分支混合器120的第一输出被耦合到第一双工器122，且每个分支混合器120的第二输出被耦合到第二双工器122。如本文中所所用的，“输入”和“输出”指的是传输信号路径。然而，因为本文所描述的结构是无源器件，所以该网络和器件也执行接收信号路径中的相反操作。因此，“输入”和“输出”的使用仅仅是为了清楚起见，且不意味着暗指该网络不在接收和传输两个方向上同时操作。因为双工器122中的每个从两个支线混合器120接收可变幅值的输出，所以每个双工器122的输出包括输入子频带信号的组合，其中每个子频带信号的幅值取决于子频带控制118是可变的。第二双工器122的输出被施加到波束形成网络例如巴特勒矩阵124的四个输入端口中的两个，而其它两个输入端口被终接在匹配的负载上。巴特勒矩阵124的每个输出可被施加到辐射单元126，或者如图1所示的辐射单元126的子阵列128。在这个实例中，巴特勒矩阵124包括45度的相位延迟。这在135度的范围内创建了以45度为增量的四个不同的相位。给定子频带的波束方向可以通过调整巴特勒矩阵124的输入处的功率分配来调整。在这个实例中，可以实现大于100％的半功率波束宽度(HPBW)一点的下斜度。在斜度极限，输出是等幅值的。有人可能会在外子阵列中使用更多的单元，以产生锥度并减少旁瓣电平。在最大和最小斜度处，波束被很好地形成。在中间斜度处，波束的叠加引起幅值锥度，导致了HPBW的加宽和方向性的降低。虽然上述实例与两个子频带一起示出，但另外的子频带可以通过添加第三和第四(或另外的)斜度控制器并对双工器的结构做出相应的变化来添加。在一个实例中，辐射单元的尺寸可被确定，用于在足以容纳相邻的RF频带的范围内的操作。例如，辐射单元可被设计为容纳698-960MHz范围内的RF信号或1710-2700MHz或甚至更大频带范围内的RF信号。例如，如果图1的实例与针对1710-2700MHz范围内的RF信号被设计的辐射单元结合使用，则第一子频带可以是GSM1800信号，而第二子频带可以是UMTS2100信号。在另一实例中，第一子频带可以是GSM1800信号，第二子频带可以是UMTS2100信号，而第三子频带可以是LTE2500信号。在这些实例的每一个中，每个子频带的下斜度可被独立控制，即使使用一个共同的辐射单元的阵列，且共同的巴特勒矩阵是在馈电网络中。参照图2，根据本发明的另一实例的波束形成网络210被示出。图2的实例类似于图1的实例，不同之处是第一双工器124和移相器118被省略。作为代替，在这个实例中，具有相位差的第一和第二子频带信号被直接施加到组合网络116。因为馈电网络210与馈电网络110有许多共同之处，其中器件以相同的方式被布置并执行相同的功能，在图1和图2中使用共同的引用符号，且这样的器件的描述不再重复。与图1的实例一样，除了两个子频带外，图2的实例可以被扩展成包括多个子频带。参照图3，根据本发明的另一实例的波束形成网络310被示出。图3的实例类似于图1，区别在于，组合网络316被修改以减少器件数量和成本。对于图3的以相同的方式被布置并执行相同的功能的器件，共同的引用符号被使用且这样的器件的描述不再重复。与图1的实例一样，除了两个子频带外，图3的实例可被扩展成包括多个子频带。此外，图2和图3的可选实例也可被组合，例如，使用图3的可选结构以及如图2所示的省略双工器和移相器。本实例中的组合网络316包括连接到单一的支线混合器320的第一和第二双工器322。在图3所示的实例中，第一斜度控制器114和第二斜度控制器114的每一个包括移相器118。每个移相器118将子频带分离成一对幅值相等、相位可变的信号。第一斜度控制器114的输出被施加到一对双工器322的第一输入。第二斜度控制器114的输出被施加到一对双工器322的第二输入。双工器的输出包括两个子频带，所述两个子频带具有随斜度控制可变的相位和相等的幅值。双工器322的输出被施加到支线混合器320的输入。支线混合器的输出包括具有等相位和可变幅值的两个子频带信号。支线混合器320的输出被施加到巴特勒矩阵124的四个输入端口中的两个，而其它两个输入端口被终接在匹配的负载上。再次，子频带的斜度可以通过在巴特勒矩阵124的输入之间改变给定子频带的功率分配来控制。本发明的另一实例在图4中示出。这个实例类似于图1的实例，但在辐射单元的阵列的中间添加了另一个辐射单元126的子阵列128。由于图4的馈电网络410与馈电网络110有许多共同之处，其中被相同地布置并执行相同的功能的器件，在图1和图4中使用共同的引用符号，且未改变的器件的描述不再重复，而作为替代，图1的描述通过引用被并入。虽然组合网络116的构成器件与支线混合器120和双工器122一起被示出，但为了图示的清晰的目的，组合网络116的框和引用符号被省略。该额外的子阵列128由RF信号驱动，该RF信号不经历关于相移的任何可变性，因为它不通过波束形成网络410的其余部分。相反，该信号经过固定的相位延迟元件430，例如带通滤波器。固定的相位延迟元件430可被选择以实现适当大小的固定相位延迟，使得物理上在天线阵列的中心的子阵列128，就相移而言，还保持在中间。此外，两个额外的双工器(未示出)可以被用在所述“通过”信号路径中，以嵌入足够的固定相位延迟。随着子阵列(或单个辐射单元)的数量的扩展，重新配置辐射单元的子阵列的辐射单元之间的相位增量可以是可取的。例如，在图4中，巴特勒矩阵424被修改成使得相位延迟为60度。在这个实例中，有五个具有最大30度的增量的被调相的输出。这稍微减小了下斜度范围(例如，10单元阵列可以扫描6度，这与图1-3所示的实例的6.5度形成对照)。然而，在中间斜度处波束模式(pattern)的劣化被减少，并且旁瓣抑制可被改善。与图1的实例一样，除两个子频带外，图4的实例中可被扩展成包括多个子频带。另外，图2和图3的可选实例也可以结合图4的实例，例如，使用图3的可选的组合网络316结构以及如图2所示省略双工器和移相器。另一实例在图5中示出。该实例包括图1实例的结构，包含巴特勒矩阵的输出和辐射单元(或辐射单元的子阵列)之间的次级移相器532。由于图5的馈电网络510与馈电网络110有许多共同之处，其中以相同的方式被布置并执行相同的功能的器件，在图1和图5中使用共同的引用符号，且这样的器件的描述不再重复，而作为替代，图1的描述通过引用被并入。次级移相器532也可与上述实例中的任何实例组合。次级移相器532的位置意味着它们以相同效应作用于正被传输或接收的所有子频带。然而，斜度1控制和斜度2控制仍然允许子频带的独立控制。在该实例中，次级移相器可具有0-8度的范围。斜度1控制和斜度2控制可具有6度的调整范围，例如，+/-3度。如果次级移相器534被设定在4度，则斜度1和斜度2可以被独立地设定在1和7度(分别为4-3和4+3度)之间的任何位置。继续这个实例，如果斜度1被设定在2度，则第一子频带将具有6度的总斜度。如果斜度2被设定在-1度，则第二子频带将具有3度的总斜度。在这个实例中，次级移相器可以独立于斜度1和斜度2进行调整，并且可被动态地调整，即使斜度1和斜度2在较长的时间周期保持不变。参照图6，另一实例被提出，其具有五个输出端口作为馈电网络610的部分。为清楚起见，单一的子频带网络600被示出。在这个实例中，子频带网络600为三个组合器618(三端口双工器)提供三个幅值相等、相位可变的信号。这个实例中的三端口组合器618启用天线阵列被三个子频带的使用。对于每个子频带，所述信号中的两个信号可以被移相以实现斜度控制，而第三个信号可以被配置为不经历相位延迟中的任何可变性。在这个实例中，子频带网络600包括斜度控制器612、第一和第二预馈电盘614和额外的(Extra)PS616。与在上面的实例中相同，两个幅值相等、相位可变的信号由斜度控制器612提供。来自斜度控制器的两个信号被耦合到预馈电盘614。预馈电盘614可以是1:2的功率分配器。每个预馈电盘614的一个输出被提供给额外的PS616。“额外的PS”优选是隔离式的2:1功率合成器。在一个实例中，额外的PS616可以是反向的1:2移相器，其与可用于斜度控制器612的结构类似。这潜在地允许两个信号部分在相位上的组合，使得不存在信号损失。这要求额外的PS616的相位偏移量被设定成使得它抵消由斜度控制器612输出的两个原始信号之间的相位差。在一个实例中，初始设备对天线控制的相位偏移量可被传递，使得额外的PS616可被正确地设定，例如当知道正确的值时通过使用致动器或其它装置来调整额外的PS616。在另一实例中，额外的PS616可以是隔离式的组合器，例如Wilkinson组合器。该实例的缺点是，当额外的PS616的两个输入不同相时，功率中的一些将被损耗在矢量组合中。在该实例中，组合网络包括3个三端口组合器618和支线混合器622。额外的PS616的输出和预馈电盘614的其它输出被输入到三端口组合器618。在图6的图示中，每个三端口组合器618示出了两个无连接的输入。实际上，这些输入将连接到另外的子频带网络。本发明不限于三端口组合器，且更少或更多数量的子频带可与具有更少或更多数量的输入端口的双工器组合。在图6的实例中，组合的相位可变的信号中的两个被耦合到支线混合器622。支线混合器622被耦合到巴特勒矩阵624的输入。巴特勒矩阵624提供四个相位可变、幅值相等的输出。组合的相位可变的信号中的第三信号不经历有关相移的任何另外的可变性，因为它不通过支线混合器622或巴特勒矩阵624。作为替代，第三信号通过电路元件626，其可被选择以实现适当大小的固定相位延迟，使得相移在巴特勒矩阵624的输出的中间。包含非可变的中心子阵列的情况下，有五个被调相的输出。与图4的实例相同，巴特勒矩阵624可被修改成使得相位延迟被选择为利用阵列的中间的额外的子阵列。图6的实例还包括耦合到巴特勒矩阵624的输出的次级移相器628和辐射单元(或辐射单元的子阵列)。次级移相器的位置意味着它们以相同效应作用于正在发送或接收的所有子频带。然而，子阵列的斜度控制器612仍然允许子频带的独立控制。此外，图6中示出的是方位角波束形成元件630和多个子阵列632、634、636、638和640。子阵列632和640包括1:3的分离器642和三个辐射单元。子阵列634、636和638包括1:2的分离器646和两个辐射单元644。中央子阵列636耦合到不通过波束形成网络626的固定相位延迟信号。辐射单元和子阵列的其它组合被设想。参照图7，具有四个输出端口的馈电网络710的另一实例被提出。为清楚起见，单一的子频带网络600被示出。图7的子频带网络和波束形成网络624在许多方面类似于图6的子频带网络和波束形成网络，省略的是额外的PS616和提供固定相位信号的相位延迟626。因此，在馈电网络710中有四个输出端口和四个子阵列。已相对于图6被描述的器件保持相同的引用符号，并且这样的器件的描述在本文不再重复。在图8的实例中，提供了六端口解决方案的馈电网络810被示出，其具有14个辐射单元644。为清楚起见，单一的子频带网络600被示出。已相对于图6被描述的器件保持相同的引用符号，并且这样的器件的描述在本文不再重复。图8的实例包括波束形成网络，其包括两个预馈电盘、支线混合器和巴特勒矩阵824。每个预馈电盘包括1:2的功率分配器812，其可以是任何已知的结构的。在该实例中，功率分配器812可被配置为分配两个输出的功率，一个占输入功率的三分之二，而一个占输入功率的三分之一。其它功率分配比例被设想。每个功率分配器的三分之二的功率电平输出被耦合到支线混合器。每个功率分配器的三分之一的功率电平输出被耦合到固定的相位偏移电路。在所示的实例中，固定的相位偏移量814是60度。巴特勒矩阵824被修改成使得相位偏移电路816为30度。巴特勒矩阵824的四个输出，其与通过固定相位偏移电路被耦合的两个输出结合，提供六端口解决方案。图8的实例还包括耦合到巴特勒矩阵的输出的次级移相器828a、828b和828c和辐射单元的子阵列。为了实现逐步增加的相移，移相器828、828b和828c彼此具有预定的关系，移相器828a比移相器828b提供更大的相移，移相器828b反过来比移相器828c施加更大的相移。在这个实例中，顶部和底部的子阵列包括三个辐射单元，而中间的四个子阵列包括两个辐射单元。这个实例包括14个辐射单元644。辐射单元可以按100mm被均匀地间隔开。图9示出了馈电网络910，其是类似于图8的实例的一个实例，其改变在于，顶部和底部的子阵列是两个单元的阵列。这导致了十二个辐射单元。在一个实例中，十二个辐射单元可以按105mm被均匀地间隔开。在另一实例中，十二个辐射单元未被均匀地间隔开。例如，该间隔可以是118mm/111mm/104mm/100mm/97mm/95mm/97mm/100mm/104mm/111mm/118mm。即，朝向中间，单元被更靠近地分隔在一起，而在端部，被分隔得较远。本公开中的辐射单元的阵列的其它实例也可受益于非均匀间隔。在图10的实例中，馈电网络1010包括七端口的解决方案。已相对于图6和/或图8被描述的器件保持相同的引用符号，并且这样的器件的描述在本文中不再重复。为清楚起见，子频带网络未示出。与前面的实例一样，三端口组合器618可以各自连接到三个子频带网络。此外，具有多于或少于三个端口的组合器可被使用，以连接到多于或少于三个子频带网络。每个三端口组合器被耦合到1:3的预馈电盘1012。每个预馈电盘1012的第一输出被耦合到75度的固定相位延迟。该部分包括由馈电网络1010提供的七个端口中的第二和第六端口。每个预馈电盘1012的第二输出被耦合到预馈电盘1018，其接下来被耦合到75度的相位延迟元件1014。可选地，移相器可以被使用，代替预馈电盘1018。该部分包括馈电网络1010的中间(第四)端口。预馈电盘1018的第三输出被耦合到支线混合器622。支线混合器622被耦合到巴特勒矩阵1024。巴特勒矩阵1024的相位延迟元件1016被配置为60度，以构成馈电网络的额外端口。巴特勒矩阵1024的输出包括馈电网络1010的第一、第三、第五和第七端口。馈电网络1010还包括次级移相器828a、828b和828c，以提供所有子频带共用的斜度控制。移相器828a、828b和828c之间的相位关系可被调整，以考虑中心(第四个)端口的添加。上述实施方式确定为示例性实施方式，且并非旨在限制本发明，本发明的范围由权利要求书限定。