具有可控制聚光灯波束的蜂窝阵列的制作方法

相关申请交叉引用

本专利申请要求于2014年12月29日提交的申请号为14/584,201、发明名称为“具有可控制聚光灯波束的蜂窝阵列”的美国专利申请的优先权，其全部内容如同复制通过引用结合在本申请中。

本发明一般涉及天线阵列领域。更具体地，本发明涉及具有从公共孔径射出的多个可控制聚光灯波束的蜂窝阵列的实现方式。

背景技术：

随着无线设备数量激增，在大范围区域向越来越多的用户提供充足覆盖的能力比以往任何时候都更加重要。当前蜂窝天线阵列技术已经达到了满足这些需求的限制因素。因此，在特定区域提供更高容量的无线覆盖的需求与日俱增。

当前标准的蜂窝阵列针对扇区蜂窝覆盖产生65度或90度波束宽度的单方位角波束。在城市地区，会存在需要特别高通信容量的几个人口稠密区域或热点。在这种情况下，可以采用具有较窄方位角波束宽度的附加可控制波束来改善这些区域的容量。

产生几个窄方位角波束的一种常规方法涉及使用具有统一权函数的巴特勒矩阵(butlermatrix)。然而，这种方法产生具有较高旁瓣的辐射图案，其浪费能量并可能与相邻波束发生干扰。其它方法在典型蜂窝阵列顶部采用具有较大孔径的附加天线来在蜂窝网络中产生窄波束。由于蜂窝塔上的不动产有限且价格昂贵，这种方法是不可取的。此外，以这种方式产生的窄波束通常不是电子可控制的，使得这种方法仅在具有固定地理密度的场景中有用。

技术实现要素：

本文中公开一种天线阵列架构，包括：多行离散式辐射器。所述行内部的多个离散式辐射器被成对馈送给第一组混合耦合器。所述第一组混合耦合器的第一输出被馈送给第一方位角移相器，所述第一组混合耦合器的第二输出被馈送给第二方位角移相器。所述行端部的辐射器被成对馈送给第二组混合耦合器，其中，在所述行一端的所述第二组混合耦合器的第一输出被馈送给第一仰角移相器以产生第一波束，在所述行另一端的所述第二组混合耦合器的第一输出被馈送给第二仰角移相器以产生第二波束，所述第二组混合耦合器的第二输出被馈送给第三组混合耦合器，所述第三组混合耦合器的第一输出被馈送给所述第一方位角移相器，并且所述第三组混合耦合器的第二输出被馈送给所述第二方位角移相器。第三仰角移相器配置为接收所述第一方位角移相器的输出以产生第三波束，并且第四仰角移相器配置为接收所述第二方位角移相器的输出以产生第四波束，其中所述第一和第二波束为用于向较大区域提供服务的覆盖波束，并且所述第三和第四波束为用于向目标区域提供高容量服务的聚光灯波束。

附图说明

结合在说明书中并构成说明书一部分的附图说明了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为根据本公开实施例的具有聚光灯波束的蜂窝mimo阵列的示例性阵列架构。

图2为示出了根据本公开实施例的具有聚光灯波束的三扇区蜂窝mimo阵列配置的示例性馈送结构和波束成形配置的框图。

图3为根据本公开实施例的具有聚光灯波束的示例性三扇区蜂窝mimo阵列的辐射图案的示意图。

图4为根据本公开实施例的示例性正交双聚光灯波束成形方案的框图。

图5为示出了根据本公开实施例的可控制聚光灯波束的示例性方位角辐射图案的曲线图。

图6为示出了根据本公开实施例的65°覆盖波束的示例性方位角辐射图案的曲线图。

具体实施方式

现在将详细说明几个实施例。虽然将结合可选实施例对主题进行说明，但应理解，其并不是旨在将所要求保护的主题限定在这些实施例中。相反，所要求保护的主题旨在覆盖替换、修改及等同物，其可以包括在由所附权利要求限定的所要求保护的主题的精神和范围内。

此外，在以下详细描述中，为了提供对所要求保护主题的透彻理解，提出了许多具体细节。然而，本领域技术人员应认识到各实施例可以在没有这些具体细节或具有其等效物的情况下实现。在其它实例中，未对公知方法、过程、组件和电路进行详细描述，因为不会使主题的各方面和特征变得不清楚。

以下详细描述的某些部分按照方法进行示出和讨论。各实施例充分适用于执行各种其它步骤或本文中附图的流程图中所记载的步骤的变型，并以不同于本文中所描绘并描述的顺序执行。

详细描述的某些部分按照过程、步骤、逻辑块、处理以及可以在计算机存储器上执行的数据位上操作的其它符号表征进行示出。这些描述和表征是数据处理领域的技术人员用于将其工作的实质最有效地传达给其它领域技术人员的手段。在本文中，通常认为过程、计算机执行步骤、逻辑块、处理等是导致期望结果的顺序自相一致的步骤或指令。这些步骤为要求对物理量进行物理操纵的步骤。通常，尽管不是必须的，这些量表现为能够被存储、传输、组合、比较并在蜂窝天线阵列中以其它方式进行控制的电或磁信号的形式。主要由于普遍使用的原因，已证明将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、术语、数字或诸如此类有时是方便的。

然而，应注意，所有这些以及类似术语均与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的便利标签。除非另有说明，通过以下讨论显而易见的是，应理解，全文中，采用诸如“访问”、“写入”、“包括”、“存储”、“发送”、“遍历”、“关联”、“识别”等术语的讨论指的是天线阵列或其它电子计算设备的动作和过程，该天线阵列或其它电子计算设备将表示为系统寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据控制并转换成类似表示为系统存储器或寄存器或其它这种信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。

具有可控制聚光灯波束的蜂窝阵列

本文中公开了具有从公共孔径射出的多个可控制聚光灯波束的蜂窝阵列的实现方式。这种方式可以容易地用于适应各种地理人口密度和分布。

根据一些实施例，所述阵列能够产生多个65度的蜂窝覆盖波束，其可被用于具有分集增益或mimo(多输入多输出)模式下的常规蜂窝覆盖。所述阵列还可以产生多个较窄的可控制波束或“聚光灯”波束。聚光灯波束可以是较窄的，并且在方位角和仰角方向上是电子可控制的(例如，移动、对准或旋转)。通过以这种方式控制波束，所述阵列能够在需要高容量服务的高需求“热点”区域提供可靠性更大的更高容量服务。例如，聚光灯波束也可以用于填补常规覆盖波束造成的空隙或缺陷。

通过这种方式，本文中所公开的各实施例的蜂窝阵列可以针对常规蜂窝服务显著提高具有mimo能力的网络容量，并且所述阵列被辅以多个可控制波束。可控制波束可以是高增益和相对窄的聚光灯波束。本文中的实施例所公开的天线波束可以从公共孔径同时并独立地射出。

应注意，常规蜂窝波束和聚光灯波束的组合导致更高的整体孔径效率。这些阵列概念的各种实现方式采用正交双波束形成器，其使得多个覆盖波束和聚光灯波束利用公共孔径能够同时形成波束。正交双波束形成器能够利用简单的射频(rf)电路进行常规蜂窝波束与多个聚光灯波束的相对低损耗的结合，从而导致较高的整体孔径效率。

本文中所公开的阵列架构可被用在典型的三扇区蜂窝网络中。独立于覆盖波束，较窄的聚光灯波束在方位角和仰角方向上为电子可控制的。该阵列包括分布在平面孔径上的多个驱动辐射元件。正交双波束形成器被使用以允许使辐射元件同时馈送，从而使得多个蜂窝覆盖波束和多个电子可控制聚光灯波束可以从公共孔径同时产生。

参见图1，其示出了根据本发明实施例的示例性多波束阵列架构100。根据一些实施例，所述阵列具有9列和10行的离散式辐射器。所述辐射器可以为宽带辐射器，比如宽带贴片或偶极子。每两行辐射器(例如，行对)可以在方位角方向上偏移一定距离(例如，辐射器长度的一半)以产生最佳的方位角波束图案。例如，第一行101和第二行102可以在方位角方向上偏移第三行103和第四行104元件之间间距的一半。

内部或中间列主要用于形成两个聚光灯波束，并且外部或边缘列为用于形成65度覆盖波束和聚光灯波束的共享元件。根据一些实施例，所述阵列可以针对每个偏振产生2个65度覆盖波束和8个聚光灯波束。根据其它实施例，所述阵列可以针对两个线性偏振产生4个65度覆盖波束和16个聚光灯波束。

现参见图2，根据本发明实施例描绘了具有两个同时聚光灯波束的三扇区mimo配置的示例性馈送和波束形成结构。示出了辐射器的整体布置和互连，其中，在每个内部列中，辐射器被成对馈送给90度混合耦合器(例如，混合耦合器205)。

在两个单独的方位角移相器201和200上对90度混合耦合器的输出进行相加以形成聚光灯波束，并且边缘列上的辐射器用作用于产生聚光灯波束和覆盖波束的共享元件。方位角移相器200与仰角移相器204连接，方位角移相器201与仰角移相器203连接。将内部行上的辐射器(例如，辐射器212)成对馈送给混合耦合器，所述混合耦合器将一个输出馈送给方位角移相器201并将另一个输出馈送给方位角移相器200。根据一些实施例，所形成的覆盖波束为65度覆盖波束。

边缘列辐射器(例如，辐射器209和210)的混合输出在聚光灯波束和覆盖波束之间被分开。例如，最右列(例如，混合耦合器211)的一个混合输出馈送仰角移相器213以产生第一65度覆盖波束，最右列的另一混合输出结合附加辐射器(例如，辐射器214)和混合耦合器(例如，混合耦合器208)馈送方位角移相器(例如，方位角移相器200)。同样地，最左列(例如，混合耦合器212)的混合输出馈送第二聚光灯波束和第二覆盖波束。因此，这种阵列架构可以针对不同偏振在同一孔径内产生两个独立的聚光灯波束和两个独立的65度覆盖波束。

图3示出了根据本发明实施例的用于示例性宽带3扇区mimo阵列的65度覆盖波束图案和相关联的聚光灯波束图案。根据一些实施例，对于每个偏振，为每个聚光灯波束形成窄波束(例如10°至14°)。在这种情况下，总共8个聚光灯波束被分成两组，每组包括4个如图所示的交替波束。例如，在任何给定时间，聚光灯#1可以是a1、a2、a3或a4，聚光灯#2可以是b1、b2、b3或b4。操作频率通常包括1710mhz至2690mhz范围内的umts和lte频带。采用+/-45°线性倾斜极化对波束进行双极化，并且这些波束可用于4t4rmimo(＞3λ间隔)或增益分集。

现参见图4，根据本发明实施例示出了用于产生聚光灯波束(例如，聚光灯波束401)和覆盖波束(例如，覆盖波束402)的示例性正交双波束成形配置。根据一些实施例，示出了单个列(例如，列403)。如上所述，多行波束成形元件被配对在一起，并且多对辐射器(例如，辐射器404和405)通过90度混合耦合器(例如，混合器406)连接。混合耦合器的每个0度输出被馈送给移相器(例如，聚光灯移相器408)，而混合器的每个90度输出被馈送给覆盖移相器(例如，覆盖移相器407)。这样，可以同时形成两个正交波束。

现参见图5，根据本发明实施例示出了示例性可控制聚光灯波束的方位角辐射图案。聚光灯波束彼此正交，并且所述波束的波束宽度取决于阵列中的方位角大小和列数。在一种平面配置中，聚光灯波束可被控制到大约±45°并具有较低的方位角旁瓣(例如，低于-18db)。不同于现有技术，例如具有统一权函数的巴特勒矩阵所产生的辐射图案，所述图案由于灵活的振幅锥度具有较低的旁瓣。

参见图6，根据本发明实施例示出了用于三扇区mimo阵列的由边缘列产生的示例性65度覆盖波束的方位角辐射图案。