共形天線陣列的製作方法
2023-11-11 17:52:02 4
共形天線陣列的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種共形天線陣列。本發明的實施例提供一種用於在無線通信系統的小區站點(130)中對數據進行通信的收發機(200)。該收發機(200)包括：包括多個天線元件(235)的共形天線陣列230，其中多個天線元件(235)具有非線性天線配置以佔用至少兩個維度；以及控制器(210)，被配置為使用多個天線元件(235)的至少兩個相同天線元件來發射多個波束成形信號。
【專利說明】共形天線陣列
【背景技術】
[0001]空間處理，比如多輸入和多輸出(MMO)技術，對於改進無線系統的性能是重要的。在以低角度擴散的環境中，較高階的扇區化已經顯示出對於提高吞吐量是有效的。更一般地，用戶特定的波束成形能夠用於對不同用戶的信號進行多路復用。
[0002]然而，問題在於以有效率的且視覺上不突兀的天線架構實現較高階扇區化或用戶特定的波束成形。傳統的方案使用以線性陣列布置的天線元件。對於扇區化，每個扇區使用單個線性天線陣列而創建，其中扇區尺寸與陣列的寬度成反比。結果，需要大量的寬面板用於較高階扇區化。此外，為了用戶特定波束成形，遠離天線元件視軸(boresight)方向的波束方向圖具有差的輻射方向圖特性。
[0003]由於傳統的線性陣列的物理實施，傳統的架構施加對於安裝和展開的限制，潛在地創建了視覺上突兀的物體。
【發明內容】
[0004]本發明涉及一種共形天線陣列。
[0005]本發明的實施例提供了一種用於在無線通信系統的小區站點中對數據進行通信的收發機。收發機包括:包括多個天線元件的共形天線陣列，其中多個天線元件具有非線性天線配置以佔用至少兩個維度；以及控制器，被配置為使用多個天線元件的至少兩個相同的天線元件發射多個波束成形信號。
[0006]非線性天線配置可以是圓形配置，並且多個天線元件布置在圓柱體的表面上。此夕卜，非線性天線配置可以是半球形配置，或者符合部署區域的天線配置。此外，多個天線元件可以以由一個控制器控制的至少兩個不同的非線性天線配置來布置。
[0007]在一個實施例中，鄰近天線元件之間的間隔可以不大于波長的一半。此外，每個波束成形信號可以與小區站點中的不同扇區相關聯，並且波束成形信號的數量可以與扇區的數量相對應。
[0008]控制器可以包括被配置為產生基帶信號的基帶單元，以及被配置為基於基帶信號產生多個波束成形信號的波束成形器單元，其中每個波束成形信號包括與多個天線元件的天線元件子集相對應的一組射頻(RF)信號。每個基帶信號可以與小區站點中的不同扇區相關聯。從波束成形器單元產生的至少兩個波束成形信號可以使用子集中的至少兩個相同天線元件。
[0009]此外，波束成形器單元可以配置為，基于波束成形係數和相應的基帶信號產生波束成形信號，其中每個波束成形係數對應於子集中不同的天線元件。波束成形器單元可以將相應的基帶信號與每個波束成形係數相乘，以產生包括在一個波束成形信號中的RF信號。此外，收發機可以包括RF調製單元，被配置為將來自波束成形器單元的RF信號調製至特定的頻帶。
[0010]根據另一個實施例，收發機包括具有多個天線元件的共形天線陣列，其中多個天線元件具有非線性天線配置而佔用至少兩個維度。收發機還包括:基帶單元，被配置為產生基帶信號；以及波束成形器單元，被配置為基於基帶信號產生多個波束成形信號，其中每個波束成形信號包括與多個天線元件的天線元件子集相對應的一組射頻(RF)信號。波束成形單元可以配置為，使用至少兩個子集中相同的天線元件發射至少兩個波束成形信號。
[0011]非線性天線配置可以是圓形配置，並且多個天線元件布置在圓柱體的表面上。此夕卜，非線性天線配置可以是半球形配置，或者符合部署區域的天線配置。此外，多個天線元件可以以由一個控制器控制的至少兩個不同的非線性天線配置來布置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]從本文在下面給出的詳細描述以及所附的附圖，示例實施例將變得更加完全地被理解，其中相似的元件由相似的參考數字代表，參考數字僅以舉例說明的方式給出，且因此並非本發明的限定，且其中:
[0013]圖1示出用於實施根據本發明實施例的共形天線陣列的系統；
[0014]圖2示出根據本發明實施例的具有一般天線結構的共形天線陣列；
[0015]圖3A示出根據本發明實施例的具有圓形天線配置的共形天線陣列；
[0016]圖3B示出根據本發明實施例的具有圓形天線配置的共形天線陣列的圖形表示；
[0017]圖4示出根據本發明實施例的具有半球形天線配置的共形天線陣列；
[0018]圖5示出根據本發明實施例的具有符合部署區域的天線配置的共形天線陣列；
[0019]圖6示出根據本發明實施例，用於在下行鏈路通信信道上發射數據的，具有共形天線陣列的收發機；
[0020]圖7A示出根據本發明實施例的波束成形器單元的邏輯框；
[0021]圖7B示出天線元件的物理概觀，示出根據本發明實施例的波束成形信號；以及
[0022]圖8示出根據本發明實施例的天線元件映射圖表。
【具體實施方式】
[0023]現在將參考附帶的附圖更加完全地描述本發明的各種示例的實施例，在附圖中示出了本發明的一些示例的實施例。貫穿附圖的描述，相似的數字指代相似的元件。
[0024]將理解，儘管術語第一、第二等等可以在本文中使用以描述各種元件，這些元件不應當由這些術語限定。這些術語僅用於區別一個元件與另一個元件。例如，第一元件能夠被稱為第二元件，並且類似地，第二元件能夠被稱為第一元件，而不偏離示例實施方式的範圍。如本文中使用的，術語「和/或」包括相關聯的列出項目中的一個或多個的任意以及所有組合。
[0025]本文使用的術語僅是為了描述特定實施例的目的，且不旨在示例實施例的限定。如本文中使用的，單數形式「一」、「一個」和「該」旨在也包括複數形式，除非上下文清楚地相反指示。將進一步理解，術語「包括」、「包括有」、「包含」和/或「包含有」，當使用在本文中時，明確指明了所敘述的特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個或多個其它特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組的存在或增加。
[0026]還應當指出，在一些備選實施方式中，指出的功能/行動可以不按在圖中指出的順序發生。例如，取決於所涉及的功能/行動，相繼示出的兩個圖實際上可以同時執行，或有時可以以相反的順序執行。[0027]除非另外地定義，本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與示例實施例所屬的領域的普通技術人員的通常理解相同的含義。將進一步理解，術語(例如，那些在通常使用的詞典中定義的術語)應當解釋為具有與它們在相關技術的上下文中的含義一致的含義，且將不以理想化的或過度正式的意義而解釋，除非本文清楚地如此定義。
[0028]在下列描述中，說明性的實施例將參考行動和操作的符號代表(例如，以流程圖的形式)而描述，該操作可以實施為程序模塊或功能過程，包括執行特定任務或實施特定摘要數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構等等，並且可以使用在已有的網絡元件的已有的硬體而實施。這種已有的硬體可以包括一個或多個中央處理單元(CPUs)、數位訊號處理器(DSPs)、專用集成電路、現場可編程門陣列(FPGAs)、計算機等。
[0029]然而，應當注意，所有這些類似的術語將與適當的物理量相關聯，且只是應用到這些量的便利標籤。除非明確地相反敘述，或者從討論中是明顯的，比如「獲取」或「確定」的術語等，指代計算機系統或類似的電子計算設備的動作和過程，該類似的電子計算設備將表示為計算機系統的寄存器和存儲器內的物理、電子量的數據操作和轉換為類似地表示為計算機系統存儲器或寄存器內或其它這種信息存儲、傳送或顯示設備內的物理量的其它數據。
[0030]術語「基站」可以考慮為同義於和/或指代基站收發機(BTS)、NodeB、擴展型NodeB、演進型NodeB、毫微微小區、微微小區、接入點等等，且可以描述在網絡與一個或多個用戶設備之間，為數據和/或語音連接提供無線電基帶功能的裝備。術語「用戶設備」可以被認為是同義於，且此後可以偶爾指代，移動物體(mobile)、移動單元、移動站、移動用戶、訂戶、用戶、遠程站、接入終端、接收機等等，且可以描述無線通信網絡中無線資源的遠程用戶。
[0031]不同於傳統的線性陣列，本發明的實施例提供一種可以適應於多個不同天線配置的共形天線陣列，不同天線配置比如具有任意的天線元件間隔的一般天線配置、圓形天線配置、半球形天線配置、以及符合它的部署區域的天線配置。共形天線陣列包括具有非線性天線配置而佔用至少兩個維度的天線元件。為了在多種多樣的天線結構中允許較高階扇區化，共形天線陣列在至少兩個相同的天線元件上發射多個波束成形信號(例如，一個波束成形信號針對小區站點中的每個扇區)。換句話說，共形天線陣列針對多波束成形信號重新使用已有的天線元件。於是，與適當波束成型算法耦合的共形天線陣列導致對較高階扇區化或用戶特定波束成形的有效輻射方向圖特性，這將在下面進一步解釋。
[0032]圖1示出用於實施根據本發明實施例的共形天線陣列的系統。
[0033]參考圖1，無線通信系統100包括用戶設備(UEs) 105、基站110、核心網120、以及網際網路125。此外，無線通信系統100可以包括用於無線通信系統100上數據的傳送的本領域公知的其它網絡元件。基站110可以是多標準基站(MBS)，其包括支持多個不同無線標準的模塊，多個不同無線標準例如全球移動通信系統(GSM)、碼分多址(CDMA)/高速分組接入(HSPA)、長期演進(LTE)、和/或CDMA/LTE，等等。
[0034]每個UE 105與基站110(反之亦然)在空中接口上通信。用於在UEs 105和基站110之間建立、維持和操作空中接口以在基站110和UEs 105之間提供上行鏈路和/或下行鏈路無線通信信道的技術在本領域是已知的，且為了清楚，僅那些與本公開內容相關的建立、維持、和操作空中接口的方面將在本文中討論。[0035]小區站點130可以服務基站110的覆蓋區域，稱為小區，且小區可以劃分為許多扇區。為了易於解釋，術語小區可以指代由小區站點130服務的整個覆蓋區域，或小區站點130的單個扇區的任一個。從基站110的小區站點130至UE 105的通信被稱為前向鏈路或下行鏈路。從UE 105至基站110的小區站點130的通信被稱為反向鏈路或上行鏈路。
[0036]基站110可以從核心網120發送和接收信息，核心網120是無線通信網絡100的中央部分。例如，在UMTS中，核心網120可以包括移動交換中心(MSC)、無線電網絡控制器(RNC)，它們可以經過網關支持節點(GSN)來接入網際網路125，和/或經過移動交換中心(MSC)接入公共交換電話網絡(PSTN)，以提供至其它基站110的連接性。UMTS網絡中的RNC提供與GSM網絡中的基站控制器(BSC)相同的功能。
[0037]基站110包括用於在空中接口上發送和/或接收信息的收發機。收發機可以包括共形天線陣列230，以及用於使用至少兩個相同的天線元件發送多個波束成形信號的控制器。如上面解釋的，共形天線230陣列可以適應於多個不同的天線配置，比如，例如具有任意天線元件間隔的一般天線配置(圖2)、圓形天線配置(圖3A和3B)、半球形天線配置(圖4)、以及符合它的部署區域的天線配置(圖5)。收發機和控制器的細節在本發明的圖6-8中示出。
[0038]圖2示出根據本發明實施例的具有一般天線結構的共形天線陣列230。例如，共形天線陣列230包括具有非線性配置而佔用三個維度的多個天線元件235。天線元件235的布置以及每個天線元件235之間的間隔是任意的。此外，儘管在圖2中未示出，共形天線陣列230的天線元件235可以布置成為多個組，比如布置在建築物的角落區域的兩個面板，或任何其它類型的非線性分組。
[0039]圖3A示出根據本發明實施例的具有圓形天線配置的共形天線陣列230。圖3B示出根據本發明實施例的具有圓形天線配置的共形天線陣列230的圖形表示。如圖3A中示出的，共形天線陣列230包括布置在圓柱體表面的具有非線性配置的天線元件235。參考圖3B，共形天線陣列230可以包括以圓形方式布置的二十四(24)個天線元件235。在這個實施例中，鄰近天線元件235之間的最大距離(S)不大於載波波長的一半。當元件間隔接近載波波長的一半時，非線性布置可以接近二維流形。換句話說，在足夠小的尺度，圓形配置的天線元件235可以佔用兩個維度。此外，圓形配置的陣列半徑(R)可以是2.17 X，且角度(a)可以是15度。在這個特定示例中，24個天線元件235可以用於電子地產生12個波束成形信號，其使用重疊天線元件，如參考本發明的圖6-8進一步描述的那樣。
[0040]圖4示出根據本發明實施例的具有半球形天線配置的共形天線陣列230。在圖4中，天線元件235具有非線性配置，這些天線元件布置在半球表面上。類似於圓形天線配置，半球形天線配置可以用於使用相同的天線元件產生多個波束成形信號。此外，半球形天線配置的鄰近天線元件235之間的最大距離(S)不大於載波波長的一半。
[0041]圖5示出根據本發明實施例的具有符合部署區域的非線性天線配置的共形天線陣列230。部署區域是共形天線陣列230所位於的區域。參考圖5，天線配置符合建築物的角落區域。天線配置235布置在建築物的形成角落的每一側上的兩個面板上。類似於圓形天線配置和半球形天線配置，圖5的天線配置可以用於使用相同的天線元件產生多個波束成形信號。而且，圖5的天線配置的鄰近天線元件235之間的最大距離(S)不大於載波波長的一半。[0042]此外，本發明的實施例包含的可延展的天線陣列230，可延展的天線陣列230是單個天線陣列，單個天線陣列被塑造或配置為至少兩個不同的天線配置。例如，天線元件235可以劃分成為兩個不同的組，其中天線元件235的每個組支持不同的天線配置。然而，本發明的實施例包含使用單個天線陣列的任何數量的天線配置。具有多個天線配置的可延展的天線陣列230可以由單個射頻(RF)單元驅動，這將參考本發明的圖6進一步解釋。
[0043]包括共形天線陣列230的收發機配置為使用天線元件235發送多個波束成形信號。例如，收發機實施波束成形方案，波束成形方案是用於控制共形天線陣列230上信號的接收或發送的方向性的信號處理技術。波束成形信號，其是波束成形方案的結果，可以是可在方向和波束寬度方面變化的自適應信號，或者可以是固定的波束。在任一種情形中，收發機可以使用共形天線陣列230產生多個波束成形信號(例如，針對每個扇區一個波束成形信號)。本發明的實施例包含在本領域中公知的任何波束成形技術。然而，根據本發明的實施例，為了創建更緊湊、靈活的天線陣列，當在共形天線陣列230上發送多個波束成形信號時，天線元件235被重新使用。
[0044]圖6示出根據本發明實施例的用於在下行鏈路通信信道上發射數據的、具有共形天線陣列230的收發機200。
[0045]收發機200可以包括共形天線陣列230，共形天線陣列230包括天線陣列235和中央控制器210，中央控制器210用於控制天線陣列230以及產生天線元件235上的波束成形信號。中央控制器210包括基帶單元(BBU) 240、波束成形器單元250、以及RF調製單元260。中央控制器210例如還可以包括本領域公知的其它組件，比如，校準單元。天線陣列230可以根據由無線標準或載波使用的波束架構來發射多個波束成形信號。
[0046]根據本發明的實施例，共形天線陣列230可以支持任何類型的波束架構。波束架構涉及小區站點130的扇區數量以及每一扇區的波束成形信號的數量。例如，S可以是每一小區站點130的扇區的數量，且b (S)可以是針對每個扇區s的波束成形信號的數量，其中s = 1，…，S。因此，一個波束架構可以包括每一小區站點130的任何數量的扇區，以及每一扇區的任何數量的波束 成形信號。
[0047]例如，共形天線陣列230可以支持GSM標準，GSM標準具有如下波束架構，即，每一小區站點130有12個扇區，以及每一扇區有一個波束成形信號。共形天線陣列230可以支持HSPA標準，HSPA標準具有如下波束架構，即，每一小區站點130有6個扇區，以及每一扇區有兩個波束成形信號。此外，共形天線陣列230可以支持LTE標準，LTE標準具有如下波束架構，即，每一小區站點130有3個扇區，以及每一扇區有四個波束成形信號。
[0048]對於GSM，BBU 240產生基帶信號(例如，12個基帶信號)，基帶信號包括在下行鏈路通信信道上發射至小區站點130的12個扇區的每一個中的UEs 105的數據流。波束成形器單元250從BBU 240接收基帶信號，且產生多個波束成形信號，其中每個波束成形信號關聯於小區站點130中的不同扇區。波束成形信號的數量對應于波束架構中扇區的數量。RF調製單元260將來自波束成形器單元250的RF信號調製到與標準或載波關聯的特定頻帶。
[0049]圖7A示出根據本發明實施例的波束成形器單元250的邏輯框，以及圖7B示出天線元件235的物理概觀，示出根據本發明實施例的波束成形信號。
[0050]參考圖7A和7B，波束成形器單元250接收針對每個扇區的基帶信號，且產生多個天線元件235 (1-24)上的多個波束成形信號。每個基帶信號與波束成形信號(和扇區)相關聯。
[0051]然而，每個波束成形信號使用天線元件的子集而產生。在這個情形中，每個波束成形信號使用7個鄰近的天線元件而產生，如圖7B中示出的。例如，波束成形信號I(Bl)使用天線元件22、23、24、1、2、3和4而產生，波束成形信號2 (B2)使用天線元件24、1、2、3、4、5和6而產生，以及波束成形信號3 (B3)使用天線元件2-8而產生。對於每個剩餘的波束成形信號進行同樣的重複。另一種方式描述，每個波束成形信號包括跨越天線元件235的子集而產生的多個射頻(RF)信號。在圖7A中的示例中，波束成形器單元250基於12個基帶信號產生24個RF信號。24個RF信號用於形成12個波束成形信號的每一個。例如，BI包括跨越天線元件22、23、24、1、2、3和4的RF信號，B2包括跨越天線元件24和1_6的RF信號，以及B3包括跨越天線元件2-8的RF信號。
[0052]如圖7B中示出的，重新使用相同的天線元件用於產生波束成形信號。例如，來自波束成形器單元250的至少兩個波束成形信號，使用子集中的至少兩個(或更多)相同的天線元件。另一種方式，鄰近的波束成形信號中的天線元件從先前的波束成形信號而被位移。因此，每個天線元件上的RF信號通常是針對一個特定波束成形信號的RF信號與針對另一個特定波束成形信號(或更多)的RF信號之和。例如，在圖7B中，天線元件24上的RF信號BI以及天線元件24上的RF信號BI被相加。
[0053]圖8示出根據本發明實施例的天線元件映射圖表。圖表示出哪個天線元件對應于波束成形器單元250，這是上面討論的繼續。然而，本發明的實施例包含任何類型的天線映射。例如，如果使用不同天線配置(例如，半球形配置等等)，天線元件235和波束成形信號之間的映射將改變。此外，如果天線元件235的數量不同於24，天線元件和波束成形信號之間的映射將改變。
[0054]波束成形器單元250基於相應的波束成形係數和相應的基帶信號，產生每個波束成形信號。例如，BI的波束成形係數可以是A22、A23、A24、A1、A2、A3和A4。這些波束成形係數對應於天線元件22、23、24、1、2、3和4。波束成形器單元250將基帶信號X1與每個波束成形係數A22、A23、A24、A1、A2、A3和A4相乘，以產生對于波束成形信號BI的天線元件22、23、24、
1、2、3、4的RF信號。類似地，B2的波束成形係數可以是波束成形器單元250將基帶信號X2與每個波束成形係數B24、B2、B3、B4、B5、B6相乘，以產生針對波束成形信號BB的天線元件24和1-6的RF信號。波束成形係數可以是固定的或自適應地確定的。
[0055]參考回圖6，當收發機200包括一般天線配置、半球形配置、符合部署區域的天線配置、以及包括至少兩個不同天線結構的可延展陣列時，控制器210以類似的方式工作。然而，用於多個波束成形信號的重疊天線元件的數量、天線元件235的數量、以及每個天線元件235之間的間隔可以改變。此外，在可延展陣列的情形中，僅單個RF調製單元260可以用於驅動可延展陣列。例如，與上面的描述相同，對於可延展陣列中兩個不同天線配置的每一個，波束成形器單元250可以產生相應的波束成形信號。
[0056]關於在上行鏈路通信信道上接收數據，圖6中的收發機200以先前描述的方式類似的方式工作。然而，RF調製單元260從共形天線陣列230的天線元件235接收RF信號，且在特定於標準或載波的頻帶作為至基頻的下變頻器而工作。
【權利要求】
1.一種用於在無線通信系統的小區站點(130)中對數據進行通信的收發機(200)，所述收發機包括: 共形天線陣列(230)，包括多個天線元件(235)，所述多個天線元件具有非線性天線配置以佔用至少兩個維度；以及 控制器(210)，被配置為使用所述多個天線元件(235)的至少兩個相同的天線元件來發射多個波束成形信號。
2.根據權利要求1所述的收發機，其中所述非線性天線配置是圓形配置。
3.根據權利要求2所述的收發機，其中所述多個天線元件被布置在圓柱體的表面上。
4.根據權利要求1所述的收發機，其中所述非線性天線配置是半球形配置。
5.根據權利要求1所述的收發機，其中所述非線性配置是符合部署區域的天線配置。
6.根據權利要求1所述的收發機，其中所述多個天線元件以由一個控制器控制的至少兩個不同的非線性天線配置來布置。
7.根據權利要求1所述的收發機，其中所述控制器包括: 基帶單元(240)，被配置為產生基帶信號；以及 波束成形器單元(250)，被配置為基於所述基帶信號產生所述多個波束成形信號，每個波束成形信號包括與所述多個天線元件(235)的天線元件的子集相對應的一組射頻(RF)信號。
8.根據權利要求7所述的收發機，其中從所述波束成形器單元(250)產生的至少兩個波束成形信號使用所述子集中的所述至少兩個相同的天線元件。
9.根據權利要求7所述的收發機，其中所述波束成形器單元(250)被配置為基于波束成形係數和相應的基帶信號來產生波束成形信號，每個波束成形係數對應於所述子集中的不同天線元件。
10.根據權利要求9所述的收發機，其中所述波束成形器單元(250)將所述相應的基帶信號與每個波束成形係數相乘，以產生被包括在一個波束成形信號中的所述RF信號。
【文檔編號】H01Q3/26GK103460508SQ201180064226
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年12月19日 優先權日:2011年1月5日
【發明者】D·M·薩瑪德茲加, C·特蘭, H·C·黃, S·J·沃克, R·A·瓦倫蘇埃拉 申請人:阿爾卡特朗訊