小型小区波束形成天线的制作方法

本申请要求提交于2017年8月17日的美国专利申请序列no.15/679,450和提交于2017年6月14日的美国临时申请no.62/519,370的优先权，其每一个的全部内容据此以引用方式并入本文以用于所有目的。

本发明涉及蜂窝通信系统，并且更具体地，涉及用于小型小区基站的基站天线。

背景技术

在本领域中，蜂窝通信系统是众所周知的。在典型的蜂窝通信系统中，地理区域被划分为一系列区域，其被称为“小区”，并且每个小区由“宏小区”基站服务。例如，每个小区可以具有1-50km²量级的面积，其中小区大小取决于地形和人口密度等。基站可以包括基带设备、无线电设备和天线，其配置成提供与位于整个小区中的固定和移动订户(“用户”)的双向射频(“rf”)通信。基站天线通常安装在塔架或其它升高的结构上，其中由每个天线产生的辐射波束(“天线波束”)向外指向以服务整个小区或其一部分(“扇区”)。通常，基站天线包括辐射元件的一个或多个相控阵列，其中当天线安装以供使用时，辐射元件布置成一个或多个竖向列。在本文中，“竖向”是指相对于由地平线限定的平面大致垂直的方向。

为了增加容量，蜂窝运营商已经部署了所谓的“小型小区”基站。小型小区基站是指可以在许可和/或未许可频谱中操作的较低功率基站，其比典型的宏小区基站服务小得多的区域。这里，术语“小型小区”广义地用来表示与传统宏小区基站相比服务更小的区域的基站，并且因此术语“小型小区”涵盖小型小区、微小区、微微小区(picocell)和服务于小地理区域的其它基站。例如，可以使用小型小区基站来向宏小区内的高通信量区域提供蜂窝覆盖，这允许宏小区基站将小型小区附近的大部分或全部通信量卸载到小型小区基站。在长期演进(“lte”)蜂窝网络中有效地使用可用频谱从而以合理的成本最大化网络容量方面，小型小区基站可以是特别有效的。

图1是传统小型小区基站10的示意图。基站10包括天线20，其可以安装在升高的结构30上。在所描绘的实施例中，结构30是小型天线塔，但是可以理解，可以使用各种不同的安装位置，包括例如电线杆、建筑物和水塔等。通常，小型小区基站的天线20设计成在方位角平面中具有全向天线方向图，这意味着由天线20产生的天线波束可以在方位角平面中延伸通过完整的360度圆，并且可以在仰角平面中具有合适的波束宽度(例如，10-30度)。天线波束可以在仰角平面中稍微向下倾斜(其可以是物理或电子向下倾斜)以将小型小区基站天线的天线波束的溢出减小到小型小区外部的区域，并且还用于减少小型小区基站与覆盖的宏小区基站之间的干扰。

小型小区基站10还包括基站设备，诸如一个或多个基带单元40和无线电设备42。尽管无线电设备42示出为在天线塔30的底部处与基带设备40位于同一位置，但是可以理解，在其它情况下，无线电设备42可以是安装在天线塔30上与天线20相邻的远程无线电头。如本领域技术人员已知的，基带单元40可以从另一个源(诸如，例如回程网络(未示出))接收数据，并且可以处理该数据并向无线电设备42提供数据流。无线电设备42可以产生rf信号(其包括编码在其中的数据)，并且可以放大这些rf信号并且传递这些rf信号到天线20以经由电缆连接44进行传输。还应理解的是，图1的小型小区基站10通常可以包括各种其它设备(未示出)，诸如，例如电力供应、备用电池、电力总线和控制器等。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提供了小型小区基站，其包括基站天线，所述基站天线具有第一至第八端口和双极化辐射元件的第一至第四线性阵列，其中当安装所述基站天线以供使用时，所述第一至第四线性阵列中的至少两个具有不同的方位角视轴瞄准方向，并且其中每个双极化辐射元件包括第一和第二辐射器，所述第一和第二辐射器具有相应的定向辐射方向图。小型小区基站还包括具有第一至第八无线电端口的无线电设备，所述第一至第八无线电端口连接至所述基站天线的相应的第一至第八端口。所述无线电设备配置成确定第一组幅度权重和相位权重并将其应用到从所述基站天线的相应的第一至第八端口接收的rf信号，以及确定第二组幅度权重和相位权重并将其应用到由所述无线电设备输出到所述基站天线的第一至第八端口的rf信号。

在一些实施例中，第一和第二组幅度权重和相位权重中的幅度权重和相位权重可以逐时隙地确定。

在一些实施例中，第二组幅度权重和相位权重中的幅度权重和相位权重可以是第一组幅度权重和相位权重中的相应的幅度权重和相位权重的复共轭。

在一些实施例中，第一线性阵列的方位角视轴瞄准方向可以分别与第二至第四线性阵列的方位角视轴瞄准方向偏移大约90度、大约180度和大约270度。

在一些实施例中，基站还可以包括馈送网络，其将所述第一至第四线性阵列中的每一个的所有第一辐射器分别连接至第一至第四无线电端口，并且将所述第一至第四线性阵列中的每一个的所有第二辐射器分别连接至第五至第八无线电端口。

在一些实施例中，基站天线可以配置成作为多输入多输出天线进行发射，其使用第一辐射器以发射第一数据流，并使用第二辐射器以同时发射不同于第一数据流的第二数据流。在此种实施例中，第一和第二数据流可以是发射给用户的复合数据流的一部分。

在一些实施例中，基站天线还可以包括第一至第四背板，其一起限定管状反射器组件。管状反射器组件可以例如在方位角平面中具有大致矩形的截面。

在一些实施例中，基站天线还可以包括第九端口和连接至第九端口的校准元件，其中基站天线的第九端口连接至第九无线电端口。

在一些实施例中，第一线性阵列可以指向第一方向，以及第三线性阵列可以指向与第一方向基本相反的第三方向。在此种实施例中，第二线性阵列可以指向第二方向，以及第四线性阵列可以指向与第二方向基本相反的第四方向。在一些实施例中，第一方向可以与第二方向角度地偏移大约90度。在其它实施例中，第一方向可以与第二方向相同。

根据本发明的其它实施例，提供了基站天线，其包括第一至第八端口和多个辐射元件，所述多个辐射元件布置成辐射元件的第一至第四线性阵列，每个辐射元件具有小于120度的半功率方位角波束宽度并且包括以第一极化辐射的第一辐射器和以第二极化辐射的第二辐射器，第二极化与第一极化正交，其中第一线性阵列的辐射元件安装成具有第一方位角视轴瞄准方向，第二线性阵列的辐射元件安装成具有第二方位角视轴瞄准方向，第三线性阵列的辐射元件安装成具有第三方位角视轴瞄准方向，以及第四线性阵列的辐射元件安装成具有第四方位角视轴瞄准方向，其中第一至第四方位角视轴瞄准方向中的至少两个彼此不同。这些基站天线还包括馈送网络，其将第一线性阵列的每个第一极化辐射器连接至第一端口，将第一线性阵列的每个第二极化辐射器连接至第二端口，将第二线性阵列的每个第一极化辐射器连接至第三端口，将第二线性阵列的每个第二极化辐射器连接至第四端口，将第三线性阵列的每个第一极化辐射器连接至第五端口，将第三线性阵列的每个第二极化辐射器连接至第六端口，将第四线性阵列的每个第一极化辐射器连接至第七端口，以及将第四线性阵列的每个第二极化辐射器连接至第八端口。

在一些实施例中，第一至第四方位角视轴瞄准方向可以彼此相差至少50度。在示例性实施例中，第一至第四方位角视轴瞄准方向可以分别为大约0度、90度、180度和270度。基站天线可以与八端口波束形成无线电设备组合提供，其中基站天线的第一至第八端口耦合至波束形成无线电设备的相应的第一至第八无线电端口。基站天线可以配置成在其中基站天线生成全向天线波束的广播模式和其中基站天线生成至少一个定向天线波束的服务波束模式两者中操作。在服务波束模式中，第一至第四线性阵列可以是可配置的以同时产生至少四个独立的天线波束。在广播模式中，波束形成无线电设备可以配置成将rf信号细分成八个相同的子分量并且通过相应的第一至第八无线电端口输出子分量。

在一些实施例中，基站天线还可以包括第九端口和连接至第九端口的校准元件，其中基站天线的第九端口连接至波束形成无线电设备的第九无线电端口。

根据本发明的其它实施例，提供了操作基站天线的方法。基站天线包括双极化辐射元件的多个线性阵列，所述多个线性阵列中的至少两个具有不同的方位角视轴瞄准方向。根据这些方法，在时分多路复用系统的第一时隙期间，通过所述多个线性阵列从用户接收rf信号。将接收的rf信号传送到波束形成无线电设备。确定第一组幅度权重和相位权重，第一组幅度权重和相位权重包括针对每个线性阵列的在第一极化和第二极化中的每一个下的相应幅度权重和相应相位权重。将第一组幅度权重和相位权重应用到接收的rf信号。确定第二组幅度权重和相位权重，第二组幅度权重和相位权重包括针对每个线性阵列的在第一极化和第二极化中的每一个下的相应幅度权重和相应相位权重。然后，将第二组幅度权重和相位权重应用到通过所述多个线性阵列发射给用户的一个或多个rf信号。

在一些实施例中，所述多个线性阵列可以包括四个线性阵列，并且所述四个线性阵列中的至少两个可以指向相反的方向。

在一些实施例中，所述多个线性阵列包括四个线性阵列，并且每个线性阵列的方位角瞄准方向可以分别与三个其它线性阵列中的每一个的方位角瞄准方向偏移大约90度、180度和270度。

在一些实施例中，天线可以包括总共四个线性阵列和第一至第八端口，其中每个辐射元件包括以第一极化辐射的第一辐射器和以第二极化辐射的第二辐射器，第二极化与第一极化正交，并且天线还包括馈送网络，其将第一线性阵列的每个第一极化辐射器连接至第一端口，将第一线性阵列的每个第二极化辐射器连接至第二端口，将第二线性阵列的每个第一极化辐射器连接至第三端口，将第二线性阵列的每个第二极化辐射器连接至第四端口，将第三线性阵列的每个第一极化辐射器连接至第五端口，将第三线性阵列的每个第二极化辐射器连接至第六端口，将第四线性阵列的每个第一极化辐射器连接至第七端口，以及将第四线性阵列的每个第二极化辐射器连接至第八端口。

在一些实施例中，基站天线还可以包括第九端口和连接至第九端口的校准元件。

在一些实施例中，通过所述多个线性阵列发射给用户的所述一个或多个rf信号可以包括由第一至第四线性阵列的第一辐射器发射的第一rf信号和由第一至第四线性阵列的第二辐射器发射的第二rf信号。

在一些实施例中，通过所述多个线性阵列发射给用户的所述一个或多个rf信号可以包括由第一和第二线性阵列的第一辐射器发射的第一rf信号、由第三和第四线性阵列的第一辐射器发射的第二rf信号、由第一和第二线性阵列的第二辐射器发射的第三rf信号、以及由第三和第四线性阵列的第二辐射器发射的第四rf信号。

附图说明

图1是示出传统小型小区基站的高度简化的示意图。

图2是包括现有技术基站天线的线性阵列的示意性正视图、顶视图和透视图的拼图。

图3是包括传统波束形成小型小区基站天线的示意性正视图、顶视图和透视图的拼图，其中其天线罩在透视图中部分示出。

图4是传统面板式波束形成天线的透视图，其中移除了天线罩。

图5a是示出根据本发明实施例的波束形成小型小区基站天线的示意图。

图5b和5c是示出图5a的小型小区天线的天线波束的方位角和仰角截面的曲线图。

图6a是示出根据本发明实施例的小型小区基站天线的示意图。

图6b-6j是示出可以通过激励图6a的小型小区天线的各列或列的组合而产生的天线波束的方位角或仰角截面的曲线图。

图7a和7b分别是包括在图6a的基站天线中的辐射元件中的两个的侧视图和顶视图。

图8是示出可以包括在图6a的基站天线中的馈送网络的框图。

图9是根据本发明实施例的基站天线的框图，其具有校准端口和分布式校准元件。

图10是示出操作根据本发明实施例的基站天线的方法的流程图。

图11是根据本发明其它实施例的小型小区基站天线的示意性透视图。

具体实施方式

根据本发明的实施例，提供了小型小区波束形成基站天线，其适用于lte时分双工(“tdd”)系统和频分双工(“fdd”)系统。根据本发明实施例的小型小区波束形成天线可以具有非常小的形状因子并且可以安装在灯柱、电力杆和电话杆等上。这些小型小区波束形成天线可以使用具有定向辐射方向图的辐射元件的多个线性阵列或“列”来在方位角平面中提供完整的360°覆盖。根据本发明实施例的小型小区天线可以逐时隙地形成具有相对高增益的定向天线波束，并且可以用于多输入多输出(“mimo”)操作模式和/或波束形成操作模式。

在一些实施例中，根据本发明实施例的波束形成天线可以包括安装在矩形管状反射器组件的四个主面上的辐射元件的四个线性阵列。每个线性阵列的方位角视轴瞄准方向可以与两个相邻线性阵列的方位角视轴瞄准方向偏移大约90°。每个线性阵列中的辐射元件可以包括双极化辐射元件，诸如，例如倾斜-45°/+45°交叉偶极子辐射元件。辐射元件可以在方位角平面中具有定向方向图，其具有例如在50-120°之间的方位角半功率波束宽度。四个线性阵列中的每一个可以连接至天线上的两个端口(每个极化一个端口)，并且天线上的八个端口可以连接至八端口波束形成无线电设备上的相应无线电端口。每个线性阵列可以形成一对定向天线波束，每个正交极化一个。例如，每个天线波束可以在方位角平面中提供超过九十度的覆盖。

可以执行数字波束形成，使得通过线性阵列中的两个或更多个发射和接收rf信号，其中为每个线性阵列提供了适当的幅度权重和相位权重，从而在方位角平面中产生具有高增益的相对窄的天线波束。例如，可以将相同的rf信号提供给两个相邻的线性阵列，其中馈送到每个线性阵列rf信号的子分量设置幅度权重和相位权重，使得两个线性阵列一起形成单个天线波束，其指向位于两个线性阵列的方位角视轴瞄准方向之间的用户。剩余的两个线性阵列也可以被激励(潜在地以低得多的功率水平)，以便在潜在干扰信号源的位置中的天线波束内产生一个或多个零点，或者提供第二天线波束，其通过从各种结构反射来照射用户。

根据本发明实施例的天线可以在lte-tdd系统中用作小型小区基站天线。尽管目前在lte-tdd系统中使用八端口波束形成天线，但是这些天线是“面板式”天线，其具有安装在共同的平面背板上的双极化辐射元件的四个列，使得所有四个列面向相同方向(即，具有相同的方位角视轴瞄准方向)。这些面板式天线通常用作宏小区基站天线中的扇区天线，并且可能不特别适合于其中常常需要全向覆盖的许多小型小区应用-特别是在密集的城市环境中。相反，根据本发明实施例的波束形成天线可以具有多个定向(并且因此更高增益)线性阵列，其一起提供全向覆盖。

根据本发明某些实施例的小型小区天线可以用作mimo天线和/或波束形成天线。例如，具有在方位角平面中偏移90°的双极化辐射元件的线性阵列的上述四列天线可以用作用于靠近小型小区基站的用户的mimo天线以及用作用于服务靠近小型小区外边缘的用户的波束形成天线。在一种配置中，天线可以使用两个正交极化来实现2xmimo，并且在每个极化下使用所有四个列来用于波束形成以在方位角平面中创建高增益定向波束。在另一种配置中，天线可以使用第一列和第二列(在两个正交极化中的每一个下)以发射第一和第二mimo数据流并使用第三列和第四列(在两个正交极化中的每一个下)以发射第三和第四mimo数据流来实现4xmimo。馈送至第一列和第二列的rf信号的子分量可以设置幅度权重的和相位权重以缩窄由第一列和第二列形成的两个天线波束，并且第三列和第四列可以同样设置幅度权重的和相位权重以缩窄由第三列和第四列形成的天线波束。

根据本发明实施例的小型小区天线可以用于lte传输模式8(“ltetm8模式”)，该模式是双层波束形成模式。传统的波束形成无线电设备可以与此种天线一起使用以解调和处理在特定tdd时隙期间从用户接收的rf信号，以确定在天线的八个端口处接收的信号的幅度权重和相位权重，这些信号将导致组合的接收信号，其将优化参数，诸如接收的信噪比、误码率等。然后，可以使用幅度权重和相位权重的复共轭来产生从基站发射到该特定用户的rf信号的幅度权重和相位权重。类似的过程可以用于fdd系统，除了可以对下行链路幅度权重和相位权重进行进一步修改以校正信道模型中由于用于上行链路和下行链路传输的频率之间的差异而导致的差异。

现在将参考附图更详细地讨论几种传统的波束形成天线以及本发明的示例实施例。

波束形成天线指的是具有由无线电设备的不同端口馈送的一个或多个辐射元件的多个列的天线。无线电设备可以调制rf信号，并且然后将其发送给无线电设备的每个输出端口(“无线电端口”)的收发器。每个无线电端口的rf信号的幅度和相位可以由无线电设备设置，使得辐射元件的列一起工作以形成更聚焦、更高增益的天线波束，其在方位角平面中具有变窄的波束宽度(或者，如果天线具有双极化辐射元件，则两个此种波束，即每个极化一个天线波束)。在其它情况下，天线可以布置成使得在仰角方向以及方位角方向上存在用于子阵列的多个输入端口，使得天线波束可以在方位角平面和仰角平面中都变窄。天线波束可以在tdd传输方案中逐时隙地改变，以便在每个时隙期间增加所选用户方向上的天线增益。波束形成天线的列间隔(即，辐射元件的相邻的竖向取向的线性阵列之间的水平距离)通常相对小。由于波束形成天线具有使方位角(也许是仰角)波束宽度变窄并且在用户的方向上扫描天线波束的能力，所以它们可以展现更高的天线增益并且支持增加的容量。通常，波束形成天线包括校准网络以便可以严格控制相邻列之间的幅度和相位关系。校准网络允许无线电设备补偿将多个无线电端口连接至相应天线端口的跳线电缆之间的幅度和相位的差异。

图2是包括现有技术多列小型小区天线50的示意性正视图、顶视图和透视图的拼图。如图2所示，天线50包括竖向设置的全向偶极子的八个线性阵列52(在图2中各个偶极子是不可见的)。每个线性阵列52具有其自己的天线罩54以提供环境保护，并且八个天线罩54布置成限定圆柱体。天线50是双频带天线，其中线性阵列52中的四个配置成以1.9ghz操作，以及线性阵列52中的其它四个配置成以2.6ghz操作。天线50的直径为大约六英尺，这允许每个线性阵列52相对于在相同频带中操作的其它线性阵列52高度去相关。然而，考虑到线性阵列52之间的大间距，天线50不可用作波束形成天线。天线50使用了空间分集来提高性能。

图3是设计成在3gtd-scma系统中操作的另一个传统的小型小区波束形成天线60的顶视图、侧视图和阴影透视图的拼图。如图3所示，波束形成天线60具有竖向极化的辐射元件64的八个列(或线性阵列)62，其围绕支撑结构66的圆周布置成八边形。线性阵列62间隔成足够紧靠，使得天线60可以使用波束形成技术来一起馈送多个列以形成变窄的天线波束。圆形天线罩68安装在支撑结构66和线性阵列62上以提供环境保护。各个辐射元件64具有全向方向图，并且因此天线60不能形成高指向性天线波束。辐射元件64的每个线性阵列62以全功率驱动。

稍后的波束形成天线实现为面板式天线。这些天线通常包括安装成从平面背板向前延伸的辐射元件的多个列。图4是一个此种波束形成面板式天线70的透视图。如图4所示，波束形成天线70具有双极化辐射元件74的四个列72，其安装在平面背板76上。辐射元件74的每个列72具有相同的方位角视轴瞄准角。天线70包括总共八个端口78，即每列两个端口(每个极化一个端口)，以及用于校准的第九端口78。天线罩(未示出)安装在辐射元件74上以提供环境保护。面板式波束形成天线(诸如图4的天线70)可以提供良好的性能。这些面板式天线可以用作宏小区基站上的扇区天线，或者可以安装在建筑物或其它结构的侧面上。存在许多小型小区应用，其中在方位角平面中需要完整的360度覆盖。面板式波束形成天线往往不适合此种应用，因为它们在方位角平面中不提供全向覆盖。

用于制造提供全向覆盖的波束形成天线的一种可能技术将是在具有三角形水平截面的管的每一侧上安装辐射元件的两个并排的竖向取向的线性阵列。实质上，这种方法提供了三个独立的波束形成天线，其每个在方位角平面中提供到120°扇区的覆盖，以提供完整的360°覆盖。图5a中示出了此种波束形成天线100的示例。

如图5a所示，波束形成天线100具有包括三个背板112-1、112-2和112-3的管状三角形反射器组件110。双极化辐射元件122的六个竖向取向的线性阵列120-1至120-6安装在反射器组件110上，其中每个背板112设置两个线性阵列120。每个背板112可以包括例如反射器，其用作安装在其上的线性阵列120的辐射元件122的接地平面。可以使用单一整体结构(例如，金属片，其弯曲以形成具有三角形水平截面的管)以形成所有三个背板112。在本文中，当提供多个相似或类似元件时，它们可以使用两部分附图标记在附图中进行标记。此种元件在本文中可以通过它们的全部附图标记(例如，背板112-2)个别地指代并且可以通过它们的附图标记的第一部分(例如，背板112)共同地指代。

两个竖向取向的线性阵列120安装在每个背板112上。在所描绘的实施例中，每个线性阵列120包括总共六个双极化辐射元件122。双极化辐射元件122可以从相应的背板112向前延伸。每个背板112上的线性阵列120可以间隔成紧靠在一起。例如，每个背板112上的线性阵列120可以以线性阵列120的工作频率范围的中心频率的大约一半波长间隔开。

天线100可以具有用于每个线性阵列120的两个端口(每个极化一个，总共十二个端口)。在一些实施例中，每个背板112上的两个线性阵列120可以执行独立的波束形成，而在其它实施例中，可以使用全部六个线性阵列120来执行波束形成。

在密集城市环境中的小型小区应用中，由天线100发射和接收的rf信号可能经受高度散射。此种散射倾向于增强相邻的线性阵列120之间的去相关程度，以允许间隔成紧靠在一起(如当执行波束形成时所需要的)的线性阵列也在mimo模式中操作(其需要去相关的天线，并且因此空间分离更大)。例如，当在密集城市环境中使用时，天线100可以通过使用每个极化来发射不同的数据流而用作2xmimo天线。每个背板112上的两个线性阵列120可以一起操作以执行波束形成。在一些情况下，可以使用来自多个背板的线性阵列120来执行波束形成，和/或可以通过使用多组线性阵列120发射数据流来支持4xmimo传输(例如，三个线性阵列120可以用于以第一极化产生第一天线波束和以第二极化产生第二天线波束，而剩余的三个线性阵列120可以用于以第一极化产生第三天线波束和以第二极化产生第四天线波束，以支持4xmimo)。

图5b和5c是示出当所有六个线性阵列120同时以相同幅度的rf信号同相激励时由图5a的小型小区天线产生的天线波束的方位角和仰角截面的曲线图。如这些曲线图所示，天线波束在方位角平面中具有准全向形状，并且具有相对窄的仰角波束宽度。

可以预期的是，基站天线100可以表现出相对良好的性能。然而，基站天线100可能比一些应用所期望的更大和/或更昂贵。特别地，基站天线100需要具有总共三十六个辐射元件122的总共六个线性阵列120。此种天线可能是相对昂贵的。另外，用于天线100的天线罩将具有12英寸量级的直径。较小直径的天线罩对于许多小型小区应用来说将是期望的，因为小型小区基站天线通常安装在其上的电线杆通常具有小于一英尺的直径。此外，如图5a中可以看出，在方位角平面中有三个深零点，其位于三角形反射器组件110的拐角处。这些零点中的每一个比峰值增益值低大约15dbi。尽管波束形成技术可以减小这些零点的深度，但是仍然可能难以为位于这些零点的方向上的用户，特别是为距天线100距离较远的用户提供覆盖。

基站天线100可以连接至十二端口波束形成无线电设备，并且可以操作为波束形成天线和/或mimo天线。以下关于波束形成基站天线200的讨论解释了根据本发明实施例的天线如何可以与八端口波束形成无线电设备结合使用，以提供可以在波束形成操作模式和/或在mimo操作模式中操作的天线。基站天线100将以基本相同的方式工作，其中唯一的区别在于基站天线100是十二端口天线，其与十二端口波束形成无线电设备结合工作，而基站天线200是八端口天线，其与八端口波束形成无线电设备结合工作。因此，将省略对基站天线100的操作的进一步讨论。

图6a是示出根据本发明其它实施例的波束形成基站天线200的示意性透视图，其适合用作小型小区天线。如图6a所示，小型小区基站天线200包括矩形管状反射器组件210。基站天线200包括双极化辐射元件222的四个线性阵列220-1至220-4。反射器组件210的每个面可以包括背板212-1至212-4。每个背板212可以包括单一结构或者可以包括附接在一起的多个结构。每个背板212可以包括例如反射器，其用作安装在其上的线性阵列220的双极化辐射元件222的接地平面。

每个线性阵列220安装在相应的一个背板212上，并且可以在安装基站天线200以供使用时相对于地平线大致竖向地取向，使得每个线性阵列220包括辐射元件222的列。在所描绘的实施例中，每个线性阵列220包括总共六个辐射元件222。然而，可以理解，线性阵列220中可以包括其它数量的辐射元件222。例如，可以使用图7a-7b所示的辐射元件设计来实现每个辐射元件222。基站天线200还包括天线罩260，其覆盖并保护基站天线200的辐射元件222和其它部件。

参考图7a和7b，在示例性实施例中，每个线性阵列220可以实现为辐射元件222的三个子阵列221，其中每个子阵列221包括安装在公共馈送板228上的两个辐射元件222。然而，可以理解，子阵列221可以或不可以用于其它实施例中，并且可以使用任何适当的辐射元件222。还可以理解，不同类型的辐射元件222可能更适合于不同的操作频带。

还如图7a和7b所示，每个辐射元件222可以包括一对杆224-1、224-2和一对辐射器226-1、226-2。每个杆224可以包括微带印刷电路板。当从上方观察时，形成杆224-1、224-2的两个印刷电路板可以布置成“x”形构造。每个辐射器226可以包括例如偶极子。每个辐射器226可以在方位角平面中具有的定向方向图，其具有例如在50°-120°之间的方位角半功率波束宽度。在所描绘的实施例中，基站天线200是双极化天线，并且因此每个辐射元件222包括以所谓的“交叉偶极子”结构布置的一对偶极子辐射器226，其中第一辐射器226设置成与竖向轴线成-45°的角，以及第二辐射器226设置成与竖向轴线成+45°的角。每个辐射器(偶极子)226可以设置在基本上垂直于其相应杆224的纵向轴线的平面中。在一些实施例中，两个辐射器226-1、226-2可以形成在公共印刷电路板上。在所描绘的实施例中，每个子阵列221包括安装在馈送板228上的一对辐射元件222。馈送板228可以配置成将提供到其上的rf信号分成两个子分量(分离不需要相等)并且将每个子分量馈送到相应的一个辐射元件222。馈送板228可以包括两个输入，即每个极化一个输入。导向器227可以安装在辐射器226上方以使辐射元件222的波束宽度变窄。

图8示出了馈送网络250的实施例，其可以用于在基站天线200上的八个rf连接器端口244(在本文中也简称为“端口”)和四个线性阵列220的辐射元件222之间传递rf信号。图8还示出了基站天线200上的端口244与传统波束形成无线电设备42上的相应无线电端口44-1至44-8之间的连接。

如图8所示，基站天线200是具有端口244-1至244-8的八端口天线。尽管在图8中未示出，但是基站天线200还可以具有校准端口，其用于校准无线电设备，使得无线电设备可以产生将在线性阵列220之间提供期望的幅度和相移的幅度权重和相位权重。端口244-1至244-4耦合到相应线性阵列220-1至220-4的-45°偶极子，以及端口244-5至244-8耦合到相应线性阵列220-1至220-4的+45°偶极子。在这个特定实施例中，在无线电设备42内部执行发射和接收信道的双工。

如图8所示，第一端口244-1耦合到移相器280-1的输入。移相器280-1可以将输入到其的rf信号分成三路(并且分离的功率可以相等或不相等)，并且可以在分离的rf信号的三个子分量上应用相位锥度以将电子向下倾斜施加到天线波束，所述天线波束在rf信号的子分量通过线性阵列220-1发射(或接收)时形成。移相器280-1的三个输出耦合到线性阵列220-1的三个馈送组件228-1至228-3上的-45°极化传输线。每个馈送组件228上的-45°极化传输线包括功率分离器(未示出)，并且每个此种功率分离器的两个输出连接至相应的馈送组件228的辐射元件222的相应的-45°极化辐射器226。因此，在端口244-1处输入的rf信号可以被分成几个子分量，并且然后进行相移，并且相移后的子分量可以再次分离并且馈送到线性阵列220-1的六个偶极子226，所述六个偶极子布置成以-45°极化辐射。由移相器280-1执行的以及在馈送板组件228上的功率分离可以是相等或不相等的功率分离。移相器输出的数量可能不同于三个。在一些实施例中，移相器280可以集成到包含所有辐射元件的单个印刷电路板上，从而消除了对移相器输出和馈送板228之间的电缆的需要。

类似的，第五端口244-5耦合到移相器280-5的输入。移相器280-5可以将输入到其的rf信号分成三路(并且分离的功率可以相等或不相等)，并且可以在分离的rf信号的三个子分量上应用相位锥度以例如将电子向下倾斜施加到天线波束，所述天线波束在rf信号的子分量通过线性阵列220-1发射(或接收)时形成。移相器280-5的三个输出耦合到线性阵列220-1的三个馈送组件228-1至228-3上的+45°极化传输线。每个馈送组件228上的+45°极化传输线包括功率分离器(未示出)，并且每个此种功率分离器的两个输出连接至相应的馈送组件228的辐射元件222的相应的+45°极化辐射器226。因此，在端口244-5处输入的rf信号可以被分成几个子分量，并且然后进行相移，并且相移后的子分量可以再次分离并且馈送到线性阵列220-1的六个偶极子226，所述六个偶极子布置成以+45°极化辐射。

如图8所示，相同的馈送结构可以用于经由移相器280-2至280-4和280-6至280-8馈送线性阵列220-2至220-4的辐射元件222。因此，将省略对馈送网络250的这些部分的进一步描述。还应该理解，在一些实施例中可以省略移相器280，并且rf信号可以在馈送板组件228上分离并且耦合到辐射元件222。同样，应该理解，在一些实施例中可以省略馈送板组件，并且可以通过例如附接至接线盒的电缆直接馈送辐射元件。例如，如果使用压铸金属偶极子作为辐射元件，则在示例性实施例中可以通过同轴电缆直接馈送偶极子。因此，应该理解，可以使用任何适当的馈送网络和辐射元件，包括直接馈送每个辐射元件而不使用任何馈送板组件的馈送网络。

尽管图8(以及图7a-7b)示出了其中每个馈送板228安装两个辐射元件222的实施例，但将理解，可以为每个馈送板228提供任何数量的辐射元件222。例如，在另一个实施例中，所有六个辐射元件222可以设置在单个馈送板228上，该单个馈送板可以包括移相器280-1和280-5(或者替代地，可以省略移相器280)，而在其它实施例中，每个辐射元件222可以单独实现并且具有与移相器280-1、280-5的输出的直接连接。在选择特定设计时可以考虑可以单独进行相位调整(假设提供了用于电子向下倾斜控制的相移)的辐射元件222的制造问题、成本以及数量。

基站天线200还可以包括图6a或图8中未示出的多个传统部件。例如，多个电路元件和其它结构可以安装在反射器组件210内。这些电路元件和其它结构可以包括例如用于机械地调整移相器280的远程电子倾斜(ret)致动器、机械连杆和一个或多个控制器。天线200可以包括顶部端盖和底部端盖，并且连接器端口244可以安装在底部端盖中。还可以提供安装支架(未示出)以用于将基站天线200安装到另一个结构，诸如天线塔或电线杆。

图6b-6j是示出了可以使用小型小区天线200形成的示例性波束方向图的曲线图。

图6b和6c示出了当rf信号被施加到天线的单个端口244并且因此提供给具有四个线性阵列220中的仅一个的第一极化的辐射器226时天线200的方位角和仰角方向图(图6b示出了当rf信号馈送到线性阵列220-1时的情况，该线性阵列具有0度的方位角视轴角)。如图6b所示，天线波束具有约60-65度的方位角半功率波束宽度。如图6c所示，仰角方向图具有约5度的向下倾斜和约7度的仰角半功率波束宽度。

图6d是复合天线方向图，其示出了图6b的方位角方向图以及当连接至其它三个线性阵列220中的每一个的端口被自身激励时产生的方位方向图。如可以看出的，每个线性阵列220产生类似的方位角波束方向图，除了每个波束方向图的方位角视轴与由两个相邻的线性阵列220形成的波束方向图偏离90度之外。尽管在附图中没有示出与图6d中的具有90°、180°和270°的视轴瞄准方向的方位角方向图对应的仰角方向图，但它们与图6c的仰角方向图基本相同。

在许多情况下，使用两个线性阵列220以在方位角平面中形成变窄的天线波束可能是有利的。图6e和6f示出了当rf信号被施加到连接至具有0°和90°的方位角视轴瞄准方向的线性阵列的天线的端口时天线200的方位角和仰角方向图。在图6e和6f的情况下，提供给两个端口的信号不设置幅度权重或相位权重，并且因此所得的方位角方向图提供了方位角平面中的半球形覆盖。然而，应该理解，通过对提供给两个端口的rf信号设置幅度权重和相位权重，天线波束可以在方位角平面中变窄。图6g和6h示出了当rf信号(在没有设置幅度权重和相位权重的情况下)被施加到连接至具有0°、90°和180°的方位角视轴瞄准方向的线性阵列220的天线的三个端口时天线200的方位角和仰角方向图。最后，图6i和6j示出了当rf信号(在没有设置幅度权重和相位权重的情况下)被施加到天线200的所有四个线性阵列220时天线200的方位角和仰角方向图。如可以容易地看到的，天线200能够在方位角平面中提供全向覆盖。

如上所述，本领域已知八端口波束形成天线，但是这些天线通常实现为面板式天线，其具有双极化辐射元件的四个列(线性阵列)，其中所有四个列指向相同的方向(即，具有相同的方位角瞄准角)。然而，此种天线并不特别适用于密集城市环境中的许多小型小区应用，其中通常优选的是具有全向覆盖的天线，以便单个基站天线可以为小型小区提供覆盖。全向波束形成天线在本领域中也是已知的，但是这些天线使用具有低增益和有限波束形成能力的全向辐射元件。如上所示，基站天线200能够提供全向覆盖，而使用定向辐射元件(即，在方位角平面中提供小于360°覆盖的辐射元件)可以允许具有高得多的增益的较窄天线射束。如下面将更详细解释的，天线200可以用作波束形成天线和/或用作mimo天线。此外，当在lte-tm8波束形成模式中使用时，基站天线200可以与现用lte-tdd八端口波束形成无线电设备结合操作，其将使用数字波束形成技术来优化应用到在天线200的每个端口244处接收的信号的幅度权重和相位权重。现用无线电设备还可以计算上行链路的优化权重的复共轭以产生下行链路上每个端口244的相应幅度权重和相位权重。

基站天线200可以相对小，对于在2ghz频率范围内操作的天线，其具有8英寸量级的直径和约二英尺的高度。此种天线可以容易地安装在大多数电线杆和路灯上，并且考虑到其小直径，天线200可以与杆混合在一起，使得其不是视觉妨害。此外，在城市环境中，通常有少数拥有电线杆的实体，诸如电力公司、政府实体(例如，用于路灯)和固定电话公司。因此，因为蜂窝运营商可以与一个或两个实体达成租赁协议以获得用于在整个城市区域安装小型小区基站天线的位置，部署电线杆可安装的小型小区基站天线(诸如基站天线200)可能是有利的。相反，面板式波束形成天线通常只在安装到墙壁或建筑物上时是“隐形的”。通常，蜂窝运营商将需要一次租赁一个或几个墙壁/建筑物上的安装位置，这使得租赁谈判的交易成本高得多。

对于波束形成天线，通常需要减小相邻线性阵列之间的水平间隔，以便减少天线方向图中的旁瓣并增加天线波束的方向性。通常，约0.5个波长的水平间隔对于波束形成天线是期望的。相反，当使用mimo传输技术时，发射不同数据流的线性阵列相对去相关是必需的。常规地用于实现此种去相关的两种技术是极化分集和空间分集。交叉极化信号可以实现高水平的去相关，尽管在高散射环境中这些水平可能会略有降低。空间分集通过将线性阵列物理地间隔开来实现。通常，一个波长或更多的水平(方位角平面)间隔对于mimo天线是期望的。但是，当环境越加杂乱(高散射)时，必要的间隔被减少。小型小区天线通常用于城市环境中，其具有高度散射，并且因此即使当线性阵列相对靠近在一起时也可以实现充分的去相关。

这里，基站天线200的线性阵列220可以为了波束形成的目的而紧密接近地定位。由于每个线性阵列220的方位角视轴瞄准方向不同，因此线性阵列220可以充分地去相关，特别是当天线200部署在密集城市环境中时。因此，在一些应用中，小型小区基站天线200可以用作波束形成天线和mimo天线。特别地，可以使用mimo技术来将待发射给用户的数据分解为多个独立的数据流，并且这些数据流中的每一个都经由两个或四个线性阵列发射给用户。例如，天线200可以使用2xmimo技术来发射信号：以第一极化通过四个线性阵列220发射第一数据流，同时以第二极化通过四个线性阵列220发射第二数据流(其中两个传输都在相同的频率)。

基站天线200可能特别适合在lte-tdd和lte-fdd系统中操作。在一些实施例中，可以在lte-tddtm8模式或lte-fddtm8模式中使用基站天线200。特别地，基站天线200可以与标准现用八端口波束形成无线电设备42结合使用，以在lte-tddtm8模式中操作，如下。

在特定时隙期间，在天线200处接收由分配给该时隙的用户发射的rf信号。该rf信号可以在所有四个线性阵列220-1至220-4的-45°偶极子和+45°偶极子处接收。在每个线性阵列220处(以及在每个线性阵列220的辐射元件222处)接收到的rf信号的子分量的幅度和相位将由于传输路径长度、衰落、每个阵列的方位角瞄准方向和各种其它因素的差异而不同。由于信号反射离开建筑物、或地形特征等(其导致多路径传输)，可以在线性阵列220中的一个或多个处接收发射的rf信号的多个版本。在八个线性阵列220中的每一个处接收到的信号馈送到波束形成无线电设备42。波束形成无线电设备42使用优化算法来确定幅度权重和相位权重以应用到在每个端口244-1至244-8处接收的信号，其优化某些性能参数，诸如信噪比、或误码率等。优化算法可以是例如干扰抑制合并或最大比合并优化算法。波束形成无线电设备42在解调接收到的rf信号时应用由优化算法确定的幅度权重和相位权重。该技术在本领域中被公知为数字波束形成。

波束形成无线电设备42可以确定最大化所接收的(上行链路)信号的性能参数的幅度权重和相位权重的复共轭，并且可以使用这些复共轭作为用于在下行链路上通过线性阵列220发射rf信号的幅度权重和相位权重。

针对tdd传输系统的帧结构中的每个时隙，波束形成无线电设备42可以确定幅度权重和相位权重，以应用到在每个端口244-1至244-8处接收的信号。无线电设备42可以在帧中的每个时隙期间与不同的用户(或用户组)进行通信。无线电设备42将周期性地执行信道采样操作，以确定在特定时隙期间基站天线与被服务的用户之间的信道的状态。基于信道采样的结果，无线电设备42可以例如仅使用波束形成、将波束形成与2xmimo传输技术结合使用或者将波束形成与4xmimo传输技术结合使用来向特定用户发射数据。无线电设备42将周期性地执行附加信道采样，以确定信道特性在每个时隙期间是否已经改变并且基于更新的信道特性修改所使用的传输技术。

还应该理解，根据本发明实施例的基站天线还可以包括校准端口和一个或多个校准元件。在一些实施例中，校准元件可以包括例如分布式校准元件，其可以接收由辐射元件的线性阵列中的每一个发射的信号。合适的分布式校准元件的示例是泄漏同轴电缆。无线电设备可以发射校准信号，所述校准信号通过天线的一个或多个线性阵列进行发射。不同的校准信号可以通过每个线性阵列进行发射。所述一个或多个校准元件可以接收校准信号，并通过基站天线的校准端口将接收到的校准信号传递给无线电。无线电设备可以确定接收到的校准信号的幅度和相位，使得幅度权重和相位权重可以校准成更精确地控制线性阵列之间的幅度和相移。

图9是根据本发明实施例的基站天线300的框图，其具有校准端口302和分布式校准元件304。如图9所示，分布式校准元件304可以定位成接收通过双极化辐射元件322的每个线性阵列320发射的rf信号。通过分布式校准元件304接收的信号被传送到校准端口302，并且然后传送到无线电设备42上的校准端口48。每个校准信号(即，通过不同线性阵列320发射的校准信号)可以以不同的频率发射，或者可以包括唯一码，使得无线电设备42处的接收器可以在校准信号之间进行区分以确定其间的相移。无线电设备42可以使用该信息来确保被应用到发射到各个线性阵列320的rf信号的幅度权重和相位权重提供优化的天线波束。

图10是示出操作根据本发明实施例的基站天线的方法的流程图。基站天线包括双极化辐射元件的多个线性阵列，其中线性阵列中的至少两个具有不同的方位角视轴瞄准方向。如图10所示，操作可以开始于在时分多路复用系统的第一时隙期间通过所述多个线性阵列接收来自用户的rf信号(框500)。该接收的rf信号传送到波束形成无线电设备(框510)。然后确定第一组幅度权重和相位权重，第一组幅度权重和相位权重包括针对每个线性阵列的在第一极化和第二极化中的每一个下的相应幅度权重和相应相位权重(框520)。然后可以将第一组幅度权重和相位权重应用到接收的rf信号(框530)。然后可以确定第二组幅度权重和相位权重，第二组幅度权重和相位权重包括针对每个线性阵列的在第一极化和第二极化中的每一个下的相应幅度权重和相应相位权重(框540)。第二组幅度权重和相位权重中的幅度权重和相位权重可以是第一组幅度权重和相位权重中的幅度权重和相位权重的复共轭。然后可以将第二组幅度权重和相位权重应用到通过所述多个线性阵列发射给用户的一个或多个rf信号(框550)。

图11是根据本发明其它实施例的基站天线400的示意性透视图。天线400类似于上面参考图6a-8所述的天线200，除了包括在天线400中的辐射元件422的线性阵列420-1和420-2安装在第一背板412-1上，而辐射元件422的线性阵列420-3和420-4安装在第三背板412-3上，并且没有线性阵列安装在背板412-2或背板412-4上。第三背板412-3与第一背板412-1相对。换句话说，除了线性阵列420在背板412上的位置之外，两个天线200和400可以是相同的。天线400可以是双向天线，其特别适合在隧道中使用、和用于沿着城市街道的外部覆盖等，其中覆盖通常仅需要沿着纵向轴线，而非由天线200提供的全向覆盖。天线400可以包括连接至八端口波束形成无线电设备42的八端口天线。端口未在图11中示出以简化附图，但可以与基站天线200的端口244相同。天线400还可以包括校准端口。因为两个线性阵列420并排安装在背板上(即，在背板412-1上，以及也在背板412-3上)，所以天线400可以能够产生比天线200更窄、更高增益的波束。

应该理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下对上述天线进行许多修改。例如，基站天线200包括四个线性阵列220，其安装在具有正方形水平截面的支撑结构的四个侧面上。在其它实施例中，可以提供基站天线，其与基站天线200相同，除了它包括安装在具有五边形水平截面的支撑结构上的五个线性阵列。在其它实施例中，可以提供基站天线，其与基站天线200相同，除了它包括安装在具有六边形水平截面的支撑结构上的六个线性阵列。

以上已经参考附图描述了本发明。本发明不限于所说明的实施例；相反，这些实施例旨在向本领域技术人员充分并完全地公开本发明。在附图中，类似的数字在全文中指代类似的元件。某些元件的厚度和尺寸可能不成比例。

为了便于描述，可以在本文中使用诸如“在……下方”、“在……下面”、“在……以下”、“在……上方”、“在……上面”、“顶部”、“底部”等之类的空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。应当理解，空间相对术语旨在涵盖除了附图中描绘的取向之外装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果在附图中的装置翻转，则描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将被取向成在其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以涵盖上和下两种取向。装置可以以其它方式定向(旋转90度或在其它取向处旋转)，并且在本文中使用的空间相对描述符被相应地解释。

为了简洁和/或清楚起见，可能不会详细描述公知的功能或结构。如本文所用，表述“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。

应当理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，这些元件应不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。