相關(guān)申請交叉引用

本專利申請要求于2014年12月29日提交的申請?zhí)枮?4/584,201、發(fā)明名稱為“具有可控制聚光燈波束的蜂窩陣列”的美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容如同復制通過引用結(jié)合在本申請中。

本發(fā)明一般涉及天線陣列領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及具有從公共孔徑射出的多個可控制聚光燈波束的蜂窩陣列的實現(xiàn)方式。

背景技術(shù)：

隨著無線設(shè)備數(shù)量激增，在大范圍區(qū)域向越來越多的用戶提供充足覆蓋的能力比以往任何時候都更加重要。當前蜂窩天線陣列技術(shù)已經(jīng)達到了滿足這些需求的限制因素。因此，在特定區(qū)域提供更高容量的無線覆蓋的需求與日俱增。

當前標準的蜂窩陣列針對扇區(qū)蜂窩覆蓋產(chǎn)生65度或90度波束寬度的單方位角波束。在城市地區(qū)，會存在需要特別高通信容量的幾個人口稠密區(qū)域或熱點。在這種情況下，可以采用具有較窄方位角波束寬度的附加可控制波束來改善這些區(qū)域的容量。

產(chǎn)生幾個窄方位角波束的一種常規(guī)方法涉及使用具有統(tǒng)一權(quán)函數(shù)的巴特勒矩陣(butlermatrix)。然而，這種方法產(chǎn)生具有較高旁瓣的輻射圖案，其浪費能量并可能與相鄰波束發(fā)生干擾。其它方法在典型蜂窩陣列頂部采用具有較大孔徑的附加天線來在蜂窩網(wǎng)絡中產(chǎn)生窄波束。由于蜂窩塔上的不動產(chǎn)有限且價格昂貴，這種方法是不可取的。此外，以這種方式產(chǎn)生的窄波束通常不是電子可控制的，使得這種方法僅在具有固定地理密度的場景中有用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本文中公開一種天線陣列架構(gòu)，包括：多行離散式輻射器。所述行內(nèi)部的多個離散式輻射器被成對饋送給第一組混合耦合器。所述第一組混合耦合器的第一輸出被饋送給第一方位角移相器，所述第一組混合耦合器的第二輸出被饋送給第二方位角移相器。所述行端部的輻射器被成對饋送給第二組混合耦合器，其中，在所述行一端的所述第二組混合耦合器的第一輸出被饋送給第一仰角移相器以產(chǎn)生第一波束，在所述行另一端的所述第二組混合耦合器的第一輸出被饋送給第二仰角移相器以產(chǎn)生第二波束，所述第二組混合耦合器的第二輸出被饋送給第三組混合耦合器，所述第三組混合耦合器的第一輸出被饋送給所述第一方位角移相器，并且所述第三組混合耦合器的第二輸出被饋送給所述第二方位角移相器。第三仰角移相器配置為接收所述第一方位角移相器的輸出以產(chǎn)生第三波束，并且第四仰角移相器配置為接收所述第二方位角移相器的輸出以產(chǎn)生第四波束，其中所述第一和第二波束為用于向較大區(qū)域提供服務的覆蓋波束，并且所述第三和第四波束為用于向目標區(qū)域提供高容量服務的聚光燈波束。

附圖說明

結(jié)合在說明書中并構(gòu)成說明書一部分的附圖說明了本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。

圖1為根據(jù)本公開實施例的具有聚光燈波束的蜂窩mimo陣列的示例性陣列架構(gòu)。

圖2為示出了根據(jù)本公開實施例的具有聚光燈波束的三扇區(qū)蜂窩mimo陣列配置的示例性饋送結(jié)構(gòu)和波束成形配置的框圖。

圖3為根據(jù)本公開實施例的具有聚光燈波束的示例性三扇區(qū)蜂窩mimo陣列的輻射圖案的示意圖。

圖4為根據(jù)本公開實施例的示例性正交雙聚光燈波束成形方案的框圖。

圖5為示出了根據(jù)本公開實施例的可控制聚光燈波束的示例性方位角輻射圖案的曲線圖。

圖6為示出了根據(jù)本公開實施例的65°覆蓋波束的示例性方位角輻射圖案的曲線圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細說明幾個實施例。雖然將結(jié)合可選實施例對主題進行說明，但應理解，其并不是旨在將所要求保護的主題限定在這些實施例中。相反，所要求保護的主題旨在覆蓋替換、修改及等同物，其可以包括在由所附權(quán)利要求限定的所要求保護的主題的精神和范圍內(nèi)。

此外，在以下詳細描述中，為了提供對所要求保護主題的透徹理解，提出了許多具體細節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應認識到各實施例可以在沒有這些具體細節(jié)或具有其等效物的情況下實現(xiàn)。在其它實例中，未對公知方法、過程、組件和電路進行詳細描述，因為不會使主題的各方面和特征變得不清楚。

以下詳細描述的某些部分按照方法進行示出和討論。各實施例充分適用于執(zhí)行各種其它步驟或本文中附圖的流程圖中所記載的步驟的變型，并以不同于本文中所描繪并描述的順序執(zhí)行。

詳細描述的某些部分按照過程、步驟、邏輯塊、處理以及可以在計算機存儲器上執(zhí)行的數(shù)據(jù)位上操作的其它符號表征進行示出。這些描述和表征是數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的技術(shù)人員用于將其工作的實質(zhì)最有效地傳達給其它領(lǐng)域技術(shù)人員的手段。在本文中，通常認為過程、計算機執(zhí)行步驟、邏輯塊、處理等是導致期望結(jié)果的順序自相一致的步驟或指令。這些步驟為要求對物理量進行物理操縱的步驟。通常，盡管不是必須的，這些量表現(xiàn)為能夠被存儲、傳輸、組合、比較并在蜂窩天線陣列中以其它方式進行控制的電或磁信號的形式。主要由于普遍使用的原因，已證明將這些信號稱為位、值、元素、符號、字符、術(shù)語、數(shù)字或諸如此類有時是方便的。

然而，應注意，所有這些以及類似術(shù)語均與適當?shù)奈锢砹肯嚓P(guān)聯(lián)，并且僅僅是應用于這些量的便利標簽。除非另有說明，通過以下討論顯而易見的是，應理解，全文中，采用諸如“訪問”、“寫入”、“包括”、“存儲”、“發(fā)送”、“遍歷”、“關(guān)聯(lián)”、“識別”等術(shù)語的討論指的是天線陣列或其它電子計算設(shè)備的動作和過程，該天線陣列或其它電子計算設(shè)備將表示為系統(tǒng)寄存器和存儲器內(nèi)的物理(電子)量的數(shù)據(jù)控制并轉(zhuǎn)換成類似表示為系統(tǒng)存儲器或寄存器或其它這種信息存儲、傳輸或顯示設(shè)備內(nèi)的物理量的其它數(shù)據(jù)。

具有可控制聚光燈波束的蜂窩陣列

本文中公開了具有從公共孔徑射出的多個可控制聚光燈波束的蜂窩陣列的實現(xiàn)方式。這種方式可以容易地用于適應各種地理人口密度和分布。

根據(jù)一些實施例，所述陣列能夠產(chǎn)生多個65度的蜂窩覆蓋波束，其可被用于具有分集增益或mimo(多輸入多輸出)模式下的常規(guī)蜂窩覆蓋。所述陣列還可以產(chǎn)生多個較窄的可控制波束或“聚光燈”波束。聚光燈波束可以是較窄的，并且在方位角和仰角方向上是電子可控制的(例如，移動、對準或旋轉(zhuǎn))。通過以這種方式控制波束，所述陣列能夠在需要高容量服務的高需求“熱點”區(qū)域提供可靠性更大的更高容量服務。例如，聚光燈波束也可以用于填補常規(guī)覆蓋波束造成的空隙或缺陷。

通過這種方式，本文中所公開的各實施例的蜂窩陣列可以針對常規(guī)蜂窩服務顯著提高具有mimo能力的網(wǎng)絡容量，并且所述陣列被輔以多個可控制波束?？煽刂撇ㄊ梢允歉咴鲆婧拖鄬φ木酃鉄舨ㄊ１疚闹械膶嵤├_的天線波束可以從公共孔徑同時并獨立地射出。

應注意，常規(guī)蜂窩波束和聚光燈波束的組合導致更高的整體孔徑效率。這些陣列概念的各種實現(xiàn)方式采用正交雙波束形成器，其使得多個覆蓋波束和聚光燈波束利用公共孔徑能夠同時形成波束。正交雙波束形成器能夠利用簡單的射頻(rf)電路進行常規(guī)蜂窩波束與多個聚光燈波束的相對低損耗的結(jié)合，從而導致較高的整體孔徑效率。

本文中所公開的陣列架構(gòu)可被用在典型的三扇區(qū)蜂窩網(wǎng)絡中。獨立于覆蓋波束，較窄的聚光燈波束在方位角和仰角方向上為電子可控制的。該陣列包括分布在平面孔徑上的多個驅(qū)動輻射元件。正交雙波束形成器被使用以允許使輻射元件同時饋送，從而使得多個蜂窩覆蓋波束和多個電子可控制聚光燈波束可以從公共孔徑同時產(chǎn)生。

參見圖1，其示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的示例性多波束陣列架構(gòu)100。根據(jù)一些實施例，所述陣列具有9列和10行的離散式輻射器。所述輻射器可以為寬帶輻射器，比如寬帶貼片或偶極子。每兩行輻射器(例如，行對)可以在方位角方向上偏移一定距離(例如，輻射器長度的一半)以產(chǎn)生最佳的方位角波束圖案。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元件之間間距的一半。

內(nèi)部或中間列主要用于形成兩個聚光燈波束，并且外部或邊緣列為用于形成65度覆蓋波束和聚光燈波束的共享元件。根據(jù)一些實施例，所述陣列可以針對每個偏振產(chǎn)生2個65度覆蓋波束和8個聚光燈波束。根據(jù)其它實施例，所述陣列可以針對兩個線性偏振產(chǎn)生4個65度覆蓋波束和16個聚光燈波束。

現(xiàn)參見圖2，根據(jù)本發(fā)明實施例描繪了具有兩個同時聚光燈波束的三扇區(qū)mimo配置的示例性饋送和波束形成結(jié)構(gòu)。示出了輻射器的整體布置和互連，其中，在每個內(nèi)部列中，輻射器被成對饋送給90度混合耦合器(例如，混合耦合器205)。

在兩個單獨的方位角移相器201和200上對90度混合耦合器的輸出進行相加以形成聚光燈波束，并且邊緣列上的輻射器用作用于產(chǎn)生聚光燈波束和覆蓋波束的共享元件。方位角移相器200與仰角移相器204連接，方位角移相器201與仰角移相器203連接。將內(nèi)部行上的輻射器(例如，輻射器212)成對饋送給混合耦合器，所述混合耦合器將一個輸出饋送給方位角移相器201并將另一個輸出饋送給方位角移相器200。根據(jù)一些實施例，所形成的覆蓋波束為65度覆蓋波束。

邊緣列輻射器(例如，輻射器209和210)的混合輸出在聚光燈波束和覆蓋波束之間被分開。例如，最右列(例如，混合耦合器211)的一個混合輸出饋送仰角移相器213以產(chǎn)生第一65度覆蓋波束，最右列的另一混合輸出結(jié)合附加輻射器(例如，輻射器214)和混合耦合器(例如，混合耦合器208)饋送方位角移相器(例如，方位角移相器200)。同樣地，最左列(例如，混合耦合器212)的混合輸出饋送第二聚光燈波束和第二覆蓋波束。因此，這種陣列架構(gòu)可以針對不同偏振在同一孔徑內(nèi)產(chǎn)生兩個獨立的聚光燈波束和兩個獨立的65度覆蓋波束。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于示例性寬帶3扇區(qū)mimo陣列的65度覆蓋波束圖案和相關(guān)聯(lián)的聚光燈波束圖案。根據(jù)一些實施例，對于每個偏振，為每個聚光燈波束形成窄波束(例如10°至14°)。在這種情況下，總共8個聚光燈波束被分成兩組，每組包括4個如圖所示的交替波束。例如，在任何給定時間，聚光燈#1可以是a1、a2、a3或a4，聚光燈#2可以是b1、b2、b3或b4。操作頻率通常包括1710mhz至2690mhz范圍內(nèi)的umts和lte頻帶。采用+/-45°線性傾斜極化對波束進行雙極化，并且這些波束可用于4t4rmimo(＞3λ間隔)或增益分集。

現(xiàn)參見圖4，根據(jù)本發(fā)明實施例示出了用于產(chǎn)生聚光燈波束(例如，聚光燈波束401)和覆蓋波束(例如，覆蓋波束402)的示例性正交雙波束成形配置。根據(jù)一些實施例，示出了單個列(例如，列403)。如上所述，多行波束成形元件被配對在一起，并且多對輻射器(例如，輻射器404和405)通過90度混合耦合器(例如，混合器406)連接。混合耦合器的每個0度輸出被饋送給移相器(例如，聚光燈移相器408)，而混合器的每個90度輸出被饋送給覆蓋移相器(例如，覆蓋移相器407)。這樣，可以同時形成兩個正交波束。

現(xiàn)參見圖5，根據(jù)本發(fā)明實施例示出了示例性可控制聚光燈波束的方位角輻射圖案。聚光燈波束彼此正交，并且所述波束的波束寬度取決于陣列中的方位角大小和列數(shù)。在一種平面配置中，聚光燈波束可被控制到大約±45°并具有較低的方位角旁瓣(例如，低于-18db)。不同于現(xiàn)有技術(shù)，例如具有統(tǒng)一權(quán)函數(shù)的巴特勒矩陣所產(chǎn)生的輻射圖案，所述圖案由于靈活的振幅錐度具有較低的旁瓣。

參見圖6，根據(jù)本發(fā)明實施例示出了用于三扇區(qū)mimo陣列的由邊緣列產(chǎn)生的示例性65度覆蓋波束的方位角輻射圖案。