本实用新型涉及无线通讯领域，特别涉及天线单元、多阵列天线系统及基站。
背景技术：
无线通讯发展将继续增加系统集成商们的开发以适应不同应用，对于随着时间环境衰落变化的全谱使用，其中干扰抵消/降低成为重要议题。另外，移动用户正需求更多的应用服务，需要更高容量的通讯系统。事实上，营运商正努力延伸现有的使用频带同时寻求用于更高级系统应用的更新工作频带。无线通讯显著发展的目的不只在于满足当前无线通讯系统的需求，更重要是发展现有通讯领域进入4.5/5G或更高的通讯系统。这些最迅速的新兴系统产生巨大的挑战，天线系统的设计作为新的频带应全面覆盖以满足无线系统涉及的各种应用级别，例如，传输及区计划机制。传统的基站收发站(Base Transceiver Station, BTS)是由远端射频单元（Remote Radio Unit, RRU）连接至天线单元（Antenna Unit, AU）和基站单元（Baseband Unit, BBU)进行信号处理而构成。当前更先进的技术是将一个或两个RRU单元直接放置在天线背面而减少损耗以最小化AU和RRU之间的距离。然而，这种设计仍然有缺陷，因为一个阵列中的所有天线辐射单元共享相同的RRU而导致波束赋形的局限性，垂直分区和更高级别的MIMO技术受限。其它缺陷是因为一个RRU连接至一个双工器来分离同一个FDD系统的传输和接收频带。同一个FDD系统的传输和接收频带非常接近，因此第三阶互调频率 (2F2-F1 or 2F1-F2，其中F2是传输频带，而F1是同一FDD频带中的接收频带)很容易落在接收频带内。双工器需要足够大尺寸才能进行传输/接收频带的分离。
技术实现要素：
为了克服上述缺陷，本实用新型的第一目标在于提供一种天线单元，适用于至少双FDD频带，通过小型的集成RF电路就能具有良好的频带分离作用。
本实用新型的次要目的在于提供一种天线系统，其具有MIMO性能，包括多列辐射单元，每一发送及接收通道可独立控制。因此，适用于一个天线盒内的至少两个FDD系统的每一辐射元件的振幅和相位可以独立设置从而获得具有MIMO性能（3D MIMO 特性）的垂直和水平波束赋形。
为了实现上述目标，本实用新型用于至少两种FDD系统的天线单元包括：具有至少两个输出端口且各自代表至少两种不同的FDD频道的第一合路器；具有一个输入端和至少两个输出端的第二合路器；以及具有一个输入端和至少两个输出端的第三合路器。第一合路器的至少两个输出端的每一输出端工作于至少两种不同FDD系统的频带，且分别为第一FDD系统（FDD1）的频带和第二FDD系统（FDD2）的频带。第一合路器的每一输出端以双频模式工作。
第一合路器的末端可以是单向通道，或者第一合路器的输入端连接一个双向功分单元。第一合路器的第一输出端口以双频模式工作，该双频是指第一FDD系统的传输频带（T1）和第二FDD系统的接收频带（R2）。第一合路器的第二输出端口以双频模式工作，该双频是指第二FDD系统的传输频带（T2）和第一FDD系统的接收频带（R1）。
第二合路器有一个输入端及至少两个输出端。第二合路器的输入端连接于第一合路器的第一输出端。第二合路器的第一输出端口以单频模式工作且频带为第一FDD系统的传输频带T1，而其第二输出端口以单频模式工作且频带为第二FDD系统的接收频带R2。第一FDD系统的传输频带T1与第二FDD系统的接收频带R2相隔较远，因此第二合路器尺寸很小而具有很好的频带间隔离能力（相对于传统的RRU设计中其单一的FDD系统的传输频带与接收频带之间的隔离需要由尺寸足够大的双工器来隔离两接近的频带）。第一FDD系统的传输频带远离第二FDD系统的接收频带，因此作为第三阶频率的互调问题也可以改善。
第二合路器的第一输出端与第一射频（RF）传输电路连接，该第一射频传输电路包括至少一个对传输频带中确切的目标频率进行滤波的滤波器，一个用于放大输入信号而保持与原始信号相同波形变化的驱动放大器（Driven Amplifier, DA)，以及一个用于定义第一FDD系统传输频带所需增益的功率放大器（Power Amplifier, PA）。第二合路器的第二输出端口与第一射频（RF）接收电路连接，该第一射频接收电路包括至少一个低噪声放大器LNA(Low Noise Amplifier)和一个适用于第二FDD接收频带的滤波器。
第三合路器有一个输入端以及至少两个输出端，其输入端与第一合路器的第二输出端连接。第三合路器的第一输出端以单频模式工作且频带为第一FDD系统的接收频带R1，而其第二输出端口以单频模式工作且频带为第二FDD系统的传输频带T2。第二FDD系统的传输频带T2与第一FDD系统的接收频带R1相隔较远，因此第三合路器尺寸很小而具有很好的频带间隔离能力。第二FDD系统的传输频带远离第一FDD系统的接收频带，因此作为第三阶频率的互调问题也可以改善。第三合路器的第一输出端与第一RF接收电路连接，该第一RF接收电路包括至少一个LNA(Low Noise Amplifier)和一个适用于第一FDD接收频带的滤波器。第三合路器的第二输出端口与第一RF传输电路连接，该第一射频传输电路包括至少一个滤波器，以及适用于第二FDD系统传输频带的驱动放大器（Driven Amplifier, DA)和功率放大器。
基于上述多频带FDD系统天线单元，本实用新型还提供一种天线系统。
该天线系统包括安装于一个反射板上用于传输和接收至少两种不同FDD频带的多列辐射元件。辐射元件以独立一个元件或者一对互连的元件而垂直分布。第一合路器输入端通过连接器直接连接于该独立元件，使用的连接器例如SMP连接器直接连接以避免使用传统的电缆连接，从而改善损耗问题。第一合路器的输入端也可以直接连接于由功分单元互连的一对辐射元件，该功分单元具有一定功分比例如双向（two-way）功分，用于直接连接的连接器例如SMP连接器。每列辐射元件之间插设有隔墙，用作单独阵列的水平方向图的控制。
本实用新型的天线单元至少适于双FDD频带的系统，其具有以下优点：
通过第一合路器将天线单元的输入分裂为至少两路输出端，第一合路器的两路输出端的每一个输出端工作频带至少为两种不同FDD系统的两种窄带，且该两路输出端分别与第二和第三合路器连接，第二和第三合路器各自至少有两个输出端。第二合路器的两个输出端与第一射频电路连接，第一射频电路包括驱动放大器、功率放大器、LNA和滤波器等元件以反向发射/接收方式而分离两种不同FDD频带。（由于第一FDD系统的接收频带与第二FDD系统的传输频带相差很远，）FDD系统的传输和接收频带的分离大大提高，且可获得30dB的隔离效果，且合路器的尺寸很小。第一FDD传输带的第三阶频率远离第二个FDD接收带，因此互调问题也得到很好的改善。
另一优点是：采用多列天线系统中的第一合路器的输入直接连接于一个独立的辐射元件或由双向功分单元相连的一对辐射元件的方式，该直接连接方式较使用传统电缆的连接方式有效改善损耗问题。
进一步地，通过嵌入软件的方式，将软件定义的无线电（Software Defined Radio, SDR)随同第二RF电路一并设置，从而能够使波束赋形以及信号传输/接收的独立控制达到最优化。因此，各辐射元件的振幅和相位可独立设置，垂直和水平波束赋形具有MIMO性能（3D MIMO特性）且适用于至少两种不同FDD系统。
本实用新型的实施方式通过下文描述的实施例结合附图进一步阐述。
附图说明
图1是本实用新型第一实施例的天线单元的RF电路示意图。
图2是本实用新型第二实施例的第一合路器的示意图。
图3是本实用新型第三实施例的第二合路器的示意图。
图4是本实用新型实施例的天线单元直接连接一个辐射单元的示意图。
图5本实用新型实施例的天线单元连接多个辐射单元的示意图。
图6是本实用新型实施例的基站示意图。
图7是本实用新型实施例的分布式多天线阵列。
图8是本实用新型实施例基站结构示意图。
具体实施方式
为便于理解本实用新型，下述说明以及附图用于进一步地完全描述本实用新型。本实用新型的附图是本实用新型较佳实施例。然而，本实用新型可以多种不同实施方式实现，而并不限于所描述的较佳实施例。另外，提供这些实施例的目的在于更完整地理解本实用新型所公开的技术方案。
请参照图1-5所示的本实用新型实施例的天线单元110，适于至少双FDD频带的通讯系统，包括至少三个合路器100、200、300以及若干射频电路800、900用于分隔至少两种不同的FDD频带。第一合路器100可分裂其输入101为至少两输出端102、103。输出端102、103各自工作于至少两种不同FDD系统的至少两窄频带，且分别与第二和第三合路器200、300连接。第二和第三合路器200、300各自包括至少两个输出端202/203，301/303。第二合路器200的至少两个输出端202、203与第一射频电路800连接。第一射频电路800包括驱动放大器402，功率放大器401， LNA 408、412和滤波器405、410进行适当配置从而使至少两种不同FDD的频带以反向发送/接收方式进行分离。
第一合路器100至少有两个输出102和103。第一合路器的输入端101可在宽频模式下工作，适于至少两个FDD频带的系统即FDD1 和 FDD2。其中FDD1系统的传输和接收频带分别为T1和R1。FDD2系统的传输和接收频带分别为T2和R2。
相应地，本实用新型天线单元110的天线系统可工作于N多个FDD系统（简称为FDDx），每一FDD系统具有传输和接收频带分别为Tx和Rx。
作为一种示例，FDD1 可以为 LTE1800系统，其中FDD1的传输频带T1的范围为1710-1785MHz，而FDD1的接收频带R1的范围为1805-1880MHz。
作为另一种示例，FDD2 可以是LTE2600系统，其中FDD2的传输频带T2的范围是 2500-2570MHz，而FDD2的接收频带R2的范围是2620-2690MHz。
作为第三种示例，FDD1或FDD2 可能是UMTS2100，其中T1或T2 的范围可以是1920-1980MHz，而R1或R2的范围值可以是2110-2170 MHz。
在本实用新型的一实施例中，第一合路器100的第一输出端103以双频模式工作，双频分别为FDD1系统的传输频带T1和FDD2系统的接收频带R2。第一合路器100的第二输出端102同样为双频模式工作，双频分别为FDD1系统的接收频带R1和FDD2系统的传输频带T2。第二合路器200通过其输入端201与第一合路器100的第一输出端103连接，且将其输入信号分裂至两个输出端202、203。两个输出端202、203各自以单频模式工作。第二合路器200的第一输出端203连接于FDD1传输频带的传输电路801，而第二输出端202连接于FDD2接收频带R2的接收电路802。天线单元110的第二合路器200以反向发送/接收方式工作，具体是第一输出端203工作频带为FDD1的传输频带而第二输出端202的工作频带为FDD2的接收频带。
第三合路器300通过其输入端302与第一合路器100的第二输出端102连接，且分裂至两输出端301、303。第一输出端301连接于FDD1的接收频带R1的接收电路902，第二输出端303连接于FDD2的传输频带T2的传输电路901。
上述实施例中，第一系统FDD1的传输频带T1和第二系统FDD2的接收频带R2是由第二合路器200分离。（相对于第一系统FDD的T1与R1之间或者第二系统的T2与R2之间的间隔而言，）T1与R2之间的间隔很远，因此第二合路器200可以做成很小尺寸。第一射频电路800包括由功率放大器PA 401，驱动放大器DA 402以及第一滤波器405连接而成的FDD1的第一传输电路801以及由第一LNA 408，第二滤波器410和第二LNA 412连接而成的FDD2的接收电路802。可以理解，根据系统需要，可以级联额外的PA和DA（为提高增益或输出电压）以及LNA（用于减小噪声级）。
第一RF电路的传输方式中，经第一滤波器405对第一系统FDD1的传输频带T1滤波而保留目标窄带，一般而言，第一传输频带T1为通用的传输频带且可供一定数量的系统用户共享；第一滤波器405的输出信号由DA 402进行放大且输出带有增益因子的信号，该增益因子是根据系统需求而进行定义的；最后，由PA 401放大输出带有50 ohm阻抗的信号发送于第二合路器200的第一输出203。作为一种实施方式，PA 401和DA 402相互匹配设置获得21dBm输出电压。
在接收模式中，自第二合路器200的输出信号经由LNA 408放大，之后由滤波器410进行滤波从而仅从第二系统FDD2的接收频带R2中保留有利的窄带。一般而言，R2为通用的接收频带且可供一定数量的系统用户共享。第二LNA 412可选择性地使用，用以改善噪声级。在一特定的实施例中，LNA 408 和 412可匹配设置而获得2.5dB的噪声级。
本实用新型的一种实施例，第一射频电路800中的接收射频元件进行合理配置，具体是第二合路器的第一输出端203连接的第一射频传输电路801是由至少一个滤波器405、一个驱动放大器402和一个PA 401 顺序连接而成；而第二合路器200的第二输出端202连接至第一射频接收电路802是由至少一个LNA 408 和一个滤波器410顺序连接而成的。
第一FDD传输电路801中，其滤波器405可对传输频带中的有利频率准确滤波，驱动放大器402可放大输入信号而保持与原始信号相同的波形变化，功率放大器401可定义所需增益。
第三合路器300与第二合路器200相同，其第一射频电路900对应用于T2和R1，与第一射频电路800作用相同。
第二系统的传输频带T2和第一系统的接收频带R1（相对于相同系统的“T1和R1”或“T2和R2“而言）相隔很远从而可由小型第三合路器300进行分离，第三合器300尺寸小却有足够分离能力。功率放大器PA 403、驱动放大器DA 404和第一滤波器406顺序连接形成第二系统FDD2的传输电路901；第一LNA 407、第二滤波器409和第二LNA 411顺序连接形成第一系统FDD1的接收电路902。第三合路器300的传输方式和接收方式与第二合路器200相同。
参照图2所示的本实用新型适用于三种不同FDD系统的实施例，第一合路器100包括三个输出端104、105、106用于三种FDD频带，标示为FDD1（工作频带包括传输频带T1和接收频带R1）、FDD2（工作频带包括传输频带T2和接收频带R2）和FDD3（工作频带包括传输频带T3和接收频带R3）。进一步的示例说明，FDD1可以是UMTS2100系统，具有传输频带T1为1920-1980 MHz 以及接收频带R1为2110-2170 MHz；FDD2可以是LTE1800系统，具有传输频带T2为1710-1785 MHz以及接收频带R2为1805-1880 MHz；FDD3可以是LTE2600系统，具有传输频带 T3为2500-2575 MHz 和接收频带 R3为 2620-2690 MHz。三个输出端104、105、106的工作频带设置为第一输出端104工作频带为T1&R2、第二输出端105的工作频带为 T2&R3 、第三输出端106的工作频带为T3&R1。可以理解，三个输出端104、105、106分别与一个小型合路器连接，各合路器具有两个输出端与第一射频电路连接且以单频模式工作。三个小型合路器与上述实施例所述以及如图1所示的合路器200、300相似。
请参照图3所示的本实用新型适用于三种不同FDD系统的另一种实施例，其第二合路器200包括三个出口端204、205和206，通过第一射频电路800分离三个不同FDD系统的三个单独频带。例如，第二合路器分别分离FDD1、FDD2 和 FDD3的R1、 T2 和 R3频带，且R1、 T2 和 R3三频带相互之间的间隔相差很远；相应地，第三合路器设计为三个输出端用于分离R2、T1和 T3三频带；从而完成三个FDD系统的Tx/Rx频带体系。
请参照图4所示的天线单元110，其进一步包括辐射元件500直接与第一合路器100连接。所述辐射元件500与第一合路器100的直接连接是通过连接器502实现的，该连接器为射频元件之间的柔性连接器，例如推进式连接器中的SMP(Sub Miniature Push-on) 连接器、SMP-MAX连接器或SMA(Small Miniature Assembly)连接器。辐射元件500与第一合路器100的直接连接方式可改善传统的RRU-AU系统及其之间通过电缆相连接而产生的损耗。
参照图5所示的本实用新型的又一种实施方式，天线单元110与一对互连的辐射元件500直接相连，第一合路器通过连接器502与一功分单元501直接连接，例如SMP连接器、SMP-MAX连接器或SMA连接器。功分单元501具有一定功分比，可以是双向功分器，且该双向功分方式可以是相等/不相等的振幅/相位。
请一并参照图6-8所示的本实用新型实施例，基于上述天线单元110的一种天线系统700，包括多列如图1-5所示的天线单元110。其中，这些多列天线单元110的多个第一合路器100各自有一个输入端101，从而形成天线系统的多输入端结构。每个第一合路器100具有两个或以上输出端102、103，各输出端102、103分别通过小型合路器200、300与第一射频电路800、900连接。各小型合路器200、300有两个或以上的输出端，以双FDD频带反向方式工作，即，每一小型合路器的两输出端的其中一个输出端以FDD系统的传输频带工作，而另一个输出端以另一个FDD系统的接收频带工作。因此，多重射频接收通道对应形成天线系统700的多重输出端701，两FDD系统的垂直分区的独立路径可获得最优化，因此，该天线系统700适用于MIMO系统（具有3D MIMO特性）。合路器100、200、300以及射频电路800、900可以集成到同一天线盒 705中。
所述天线系统700的多重输出端701与基站1000的第二射频电路11连接。较佳地，SDR (Software Defined Radio)与随同基站天线1000的第二射频电路11一并设置。SDR可使波束赋形特征以及独立系统链路控制最优化。这样，发射功率及接收器的灵敏度方面可进行独立控制，双FDD系统（具有3D MIMO特性）的水平和垂直分区的独立路径可达到最优化。
参照图7所示本实用新型实施例的双极化辐射元件500的多个阵列，布置在反射面板702上传输和接收至少两种不同FDD系统的工作频带，工作频带为宽频范围1710-2690MHz。单个天线单元110可以是包括一个独立的辐射元件或者一对互连的辐射元件，并进一步实现多重FDD的天线系统700且具有MIMO及大规模MIMO天线特征。每两列天线阵列之间插设在隔离墙701用于各独立阵列的水面方向图控制。各辐射元件500的振幅和相位可基于SDR独立变化，因此垂直分区也可获得具有3D MIMO应用特性。
在基站天线的信号处理过程中，SDR(Software Defined Radio)定义被传输信号的波形和加权，并发射加权的信号至第一射频电路801/901的每一个滤波器405/406。其中，权重指定每个传输路径的不同振幅/相位使其具有波束形成能力。各滤波器405/406通过排除来自其它网络系统的使用者的传输频带而仅保留目标频率后将其输入的信号发送给驱动放大器402/404；驱动放大器402/404放大电压。根据所预期的功率增益，驱动放大器402/404放大的信号与原始信号保持相同的图形变化但不同的振幅级，并将其输入发送给功率放大器401/403配置输出功率，再将信号发送给合路器200/300（本实用新型上述实施例中所称的第二合路器200或第三合路器300）。合路器200/300根据其目标频率选择对应的通路，并将其输入信号发送给第一合路器100，第一合路器100再根据目标频率选择对应的通路。第一合路器100将其从第二、三合路器200/300接收的输入信号发送给一个射频元件500或通过双向功分器501将其输入分裂至两个辐射元件500。最后，辐射元件500将其接收的信号转换为电磁波向空间发射。
反之，来自移动终端的空间电磁波由辐射元件500接收后转换为RF信号，再输入至和第一合路器100根据其接收信号选择对应的通路，被选定的合路器200/300再将其输入发送至LNA 407或408以放大自合路器200/300的输出信号，接着由滤波器409 或 410进行滤波从而将接收频带R1 或 R2中仅保留有利的窄带。第二LNA 411 或 412可选择性地使用，以改善自滤波器409 或 410输出的信号的噪声级。最后，自第二LNA 411 或 412的输出信号发送至基站的第二射频电路11进行处理，其中SDR与第二射频电路11一起设置于基站。
本实用新型中使用的术语“双频反向模式”与“多个FDD频带以反向传输/接收方式”含义相同；术语“带间隔离”可以理解为“同一合路器的工作频带之间的隔离”；术语“输入”可以理解为“输入信号”或“输入通道”；术语“输出”可以理解为“输出信号”或“输出通道”；“FDD网络”可以理解为与“FDD系统”、“FDD”、“FDD频带”相同；术语“传输通道”与“传输路径”或“传输电路”可以理解为相同；术语“接收通道”与“接收路径”或“接收电路”也可以理解为相同。
本实用新型的说明书在于解释本实用新型，但本实用新型保护的范围并不限于以上所述的具体实施方式。上述实施方式进行的各种变化或修改是可以实现，以及对于本领域的普通技术人员而言以上实施方式的各元件的各种替换或等同属于常规的且悉知的。本领域的普通技术人员亦知道以其它形式、结构、安排、比例，和以其它元件、材料，以及部件也可以获得本实用新型的技术方案，这些改变或改善仍然在本实用新型所限定的权利要求的保护范围之内。在不脱离本实用新型的精神和范围内对上述实施例进行的改善和改变均涵盖在本实用新型权利要求保护的范围之内。