CN104979635A - 一种阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天线，包括多个天线阵子，所述阵列天线还包括：至少一个设置于相邻的第一天线阵子和第二天线阵子之间的阻隔单元，用于利用第一感应电流在所述第二天线阵子上产生第二感应电流，以至少部分抵消所述第二天线阵子上的第三感应电流；所述第一感应电流为所述第一天线阵子上传输的信号电流耦合到所述阻隔单元后产生的感应电流，所述第三感应电流为所述第一天线阵子上传输的信号电流耦合到所述第二天线阵子后产生的感应电流。

Description

一种阵列天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种阵列天线。

背景技术

随着无线技术的高速发展，无线网络中数据业务迅速增长。据预测，在未来十年间，数据业务将以每年1.6-2倍的速率增长，这给整个无线通信网络带来巨大挑战。

随着无线宽带业务需求的不断增多，移动运营商需要不断增加空口带宽和基站数量，由此带来的无线接入网络的能源消耗问题变得日益严重，节能减排已迫在眉睫。据统计，基站站点造成的能耗占总能耗的百分之七十以上，因此只有提高接入网能效才能达到降低能耗提高容量的目的。

大规模天线技术，即在基站部署大规模多天线（如部署128根天线），利用不同算法来调整不同天线上的信号幅度与相位，进行波束赋形，为网络提供大容量和低能耗的接入。该技术的价值很早就在无线通信领域得到认可，它不仅可以有效提升网络的频谱效率，还不会提高带宽和功率。

研究表明随着天线数目的增大，系统能效增高。但是在实际天线阵中，天线间存在电磁耦合效应。如图1所示，第一天线A和第二天线B相邻，第一天线A上的时变电流产生时变电磁场，该时变电磁场将会耦合到第二天线B上，形成耦合感应电流，该电流方向如第二天线B上箭头所示。通过仿真发现，当天线数目增加到一定程度之后，例如增加到50个以上时，系统容量受限于天线阵子之间的耦合。

而目前天线阵子之间的耦合都是通过增加天线阵子之间的距离来解决的。而当天线阵子非常多时，这种解决天线阵子之间的耦合的方案将大大增加天线的体积。

发明内容

有鉴于此，本发明实施是例的目的在于提供一种阵列天线，该阵列天线可在不过多增加天线系统体积的前提下，有效降低天线之间的耦合效应。

本发明实施例通过如下技术方案实现：

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种阵列天线，包括多个天线阵子，所述阵列天线还包括：至少一个设置于相邻的第一天线阵子和第二天线阵子之间的阻隔单元，用于利用第一感应电流在所述第二天线阵子上产生第二感应电流，以至少部分抵消所述第二天线阵子上的第三感应电流；所述第一感应电流为所述第一天线阵子上传输的信号电流耦合到所述阻隔单元后产生的感应电流，所述第三感应电流为所述第一天线阵子上传输的信号电流耦合到所述第二天线阵子后产生的感应电流。

较佳的，所述第二感应电流和第三感应电流大小相同，方向相反。

可选的，任意两个相邻的天线阵子间均设置有所述阻隔单元。

优选的，所述阻隔单元的长度在四分之一到一个波长之间。

可选的，所述天线阵子为非平衡天线阵子，所述阻隔单元与天线地之间间隔一定距离。

可选的，所述天线阵子为平衡天线阵子，所述阻隔单元上设置有一狭缝结构。

更佳的，本发明的一些实施例中，还包括：对应于天线阵子设置的信号采集链路，和对应的阻隔单元电连接，用于采集天线阵子上的信号耦合到所述阻隔单元上的第一耦合感应电流，用于阵列天线下行校准，以及向所述阻隔单元输出激励信号，使得激励信号耦合到所述天线阵子产生用于阵列天线上行校准的第二耦合感应电流。

较佳的，所述信号采集链路为对应的天线阵子的收发链路。

可选的，所述天线阵子为非平衡天线阵子，所述阻隔单元与天线地之间间隔一定距离。

可选的，所述天线阵子为平衡天线阵子，所述阻隔单元上设置有一狭缝结构。

较佳的，所述阻隔单元为相对于定向耦合器的窄带器件。

较佳的，所述阻隔单元工作于第一天线阵子和第二天线阵子的隔离频点上。

从上面所述可以看出，本发明及其实施例所提供的阵列天线，在两个天线阵子之间设置阻隔单元，利用第一天线上传输的信号电流耦合到该阻隔单元上的第一感应电流，在第二天线阵子上产生第二感应电流，进一步用该第二感应电流抵消第一天线阵子上传输信号的电流耦合到第二天线阵子上产生的第三感应电流，从而有效降低天线阵子之间的耦合度，缩小大规模天线阵子之间的间距，减小整个阵列天线的面积，提高系统容量。

此外，本发明实施例中还设有信号采集链路，可采集隔离单元和天线阵子之间的耦合电流，从而能够实现对阵列天线的校准。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中天线阵子之间的耦合效应示意图；

图2为现有技术中天线校准电连接示意图；

图3为本发明一个实施例提供的包含一对天线阵子和一个阻隔单元的阵列天线在俯视方向上一部分结构示意图；

图4为图3的阵列天线增设阻隔单元后的阵列天线结构示意图；

图5为本发明另一个实施例提供的包含有一对天线阵子和一个阻隔单元的阵列天线在俯视方向上结构示意图；

图6为图5的阻隔单元和天线地在组装状态下左视方向上示意图；

图7为阻隔单元复用作为天线校准时增加的信号采集链路与天线阵子和阻隔单元的连接关系示意图。

具体实施方式

为了给出有效的实现方案，本发明实施例提供了以下实施例，以下结合说明书附图对本发明的实施例进行说明。

根据本发明实施例的阵列天线，包括多个天线阵子，还包括：至少一个设置于相邻的第一天线阵子和第二天线阵子之间的阻隔单元，用于利用第一感应电流在所述第二天线阵子上产生第二感应电流，以至少部分抵消所述第二天线阵子上的第三感应电流；

上述第一感应电流为所述第一天线阵子上传输的信号电流耦合到所述阻隔单元后产生的感应电流，上述第三感应电流为所述第一天线阵子上传输的信号电流耦合到所述第二天线阵子后产生的感应电流。

具体的，第一天线阵子和第二天线阵子可以包括环状天线、倒F形天线、条带天线、平面倒F形天线、缝隙天线、腔式天线、单极天线、偶极天线、贴片天线、微带天线等。

本发明具体实施例中，通过设置一阻隔单元，来实现二次耦合，进而通过二次耦合到天线阵子上的感应电流来抵消天线阵子上由天线阵子之间的一次耦合生成的感应电流，从而能够有效降低天线阵子之间的耦合度，进而在满足耦合度要求的情况下缩小大规模天线阵子之间的间距，减小整个阵列天线的面积。

本发明的一个实施例所提供的阵列天线结构如图3所示，展示了包含有一对天线阵子和一个阻隔单元的阵列天线在俯视方向上的一部分结构。如图3所示，该阵列天线包括：第一天线阵子301、第二天线阵子302、阻隔单元303。在图3所示的布置中，阻隔单元303设置于第一天线阵子301和第二天线阵子302之间。

在第一天线阵子301上存在时变电流I_excited的情况下，根据法拉第电磁感应定理和安培定理，变化电场会产生磁场，变化磁场会产生电场，第一天线阵子301上的电流将耦合到阻隔单元303上，形成第一感应电流I_parasitic。

在第二天线阵子302的两端，第一天线阵子301上变化的电场导致产生第三感应电流I_direct。而由寄生单元上第一感应电流I_parasitic也会耦合到天线B的中间位置，形成第二感应电流I_cancel，三者上的电流方向如图3所示。由于I_cancel和I_direct方向相反，因而这两路感应电流可以至少部分抵消，从而可有效减少第一天线阵子301和第二天线阵子302之间的耦合效应。

在实际情况下，阻隔单元303本身会对第一天线阵子301上的时变电流I_excited所产生的变化磁场进行阻挡，导致在第二天线阵子302上产生的第一耦合电流I_parasitic小于不设置阻隔单元303时第二天线阵子302上所产生的感应电流。因而阻隔单元303在本身就对第一天线阵子301和第二天线阵子302之间的耦合效应起到减弱作用。

图3所示的实施例中，天线阵子采用平衡天线阵子；阻隔单元也可以应用于具有非平衡天线阵子的阵列天线，具体的，将阻隔单元设置于第一天线阵子和第二天线阵子之间，通过同样的原理降低两个天线阵子之间的耦合效应。

如图5所示，其第一天线阵子501和第二天线阵子502为微带天线的天线阵子，阻隔单元503设置于第一天线阵子501和第二天线阵子502之间。该结构的阵列天线耦合隔离原理与图3所示的实施例相同，在此不再重复描述。

当天线阵子采用除了微带天线之外的其它非平衡天线时，阻隔单元的设置方式与图3或图5相同。

阻隔单元的形状，可以采用图3中所示的工字型，也可以采用图5中所示的条形。

具体的形状以及位置的设计可以通过仿真，或者实际实验得到。

参照图3，当第二感应电流I_cancel和第三感应电流I_direct为方向相反、任意大小的电流时，二者之间至少可以部分抵消，从而对耦合效应起到削减的作用。在最佳情况下，第二感应电流I_cancel和第三感应电流I_direct应大小相等、方向相反。

在最佳实施例中，参照图3，调整寄生单元303的设计，则可满足耦合到天线B上电流I_direct和I_cancel完全相互抵消，满足耦合电流I_coupled＝I_direct+I_cancel＝0，也就是说I_direct和I_cancel大小相等，方向相反。如此，寄生单元可以对天线阵子之间的隔离度最高。

参照图3，在一些具体实施例中，为了提高第二感应电流I_cancel和第三感应电流I_direct之间相互抵消的效果，可对阻隔单元303进行设计，使其工作于第一天线阵子301和第二天线阵子302的隔离频点上。该隔离频点可以是一个、两个或多个隔离频点。

在优选实施例中，阻隔单元采用可调谐的寄生单元。

在理想情况下，阻隔单元的长度在四分之一到一个波长之间。例如，阻隔单元的长度可以是四分之一波长，也可以是二分之一波长，也可以是一个波长。

当阵列天线中设置有一个阻隔单元时，会起到一定的降低耦合效应并降低阵列天线体积的作用；但当阵列天线中存在多个天线阵子时，仅设置一个阻隔单元，其所起到的降低耦合效应、减小阵列天线体积的作用有限。因而，在较佳的实施例中，阵列天线应设置多个隔离单元，以提升耦合效应降低和体积减小的效果。

例如，图4所示的实施例在图3基础上增设一个阻隔单元303。参照图4，在依次设置的第一天线阵子301、第二天线阵子302、第三天线阵子303之间，设置有两个阻隔单元303：即，相邻的第一天线阵子301和第二天线阵子302之间，设置有一个阻隔单元303；并且，相邻的第二天线阵子302和第三天线阵子304之间，还设有另一个阻隔单元303。

同理，当阵列天线设有更多天线阵子时，在天线阵子之间，还可以设置更多的阻隔单元。

在一种最佳实施例中，阵列天线中任意两个相邻的天线阵子之间均设置有阻隔单元。

在需要的时候，还可以在两个相邻的天线阵子之间设置多个阻隔单元，这多个阻隔单元沿着天线阵子依次设置。

除了耦合效应降低这一问题，在阵列天线系统中，为保证波束赋型的准确性，需要对天各个射频通道进行幅度和相位的校准。尤其是在大规模天线系统中（如128天线），波束宽度非常窄，因而校准尤其重要。

现有技术中的一种校准方案如图2所示。将8个单列天线201在一个天线罩内部，每个天线的输入输出口接口202处有一个耦合度相同的定向耦合器203，组成一块耦合网络板卡。所有的定向耦合器203通过合路器204汇集到校准接口205，反馈到RRU(射频拉远单元，Radio Remote Unit)的反馈通道，合路器204还包括多个功率分配合成器2041。在大规模阵列天线中，若采用现有技术的校准方案，则需要在天线阵子之间设置数量庞大的定向耦合器，这样必然会增加校准成本。

现有8天线系统的校准方案中，8个定向耦合器加工在一块PCB板上，工程实现并无难度。而在未来的大规模天线系统中（如128天线），校准精度要求很高，如仍采用定向耦合器校准，耦合器数量大，集成在一块板卡上，校准板卡庞大，并且如此庞大的校准板将会存在幅度相位离散性，对校准精度产生影响。

现有校准方案对于大规模天线系统还存在另一个问题：8天线系统的8个定向耦合器加工在一块PCB板上，工程实现并无难度；而在未来的大规模天线系统中（如128天线），校准精度要求很高，如仍采用定向耦合器校准，耦合器数量大，集成在一块板卡上，校准板卡庞大，并且如此庞大的校准板将会存在幅度相位离散性，对校准精度产生影响。

为解决现有技术中存在的上述校准问题，本发明实施例阵列天线还进一步利用其阻隔单元进行校准。具体的，如图7所示，对应天线阵子设置信号采集链路，该信号采集链路和对应的阻隔单元电连接，用于采集天线阵子上的信号耦合到所述阻隔单元上的第一耦合感应电流，用于阵列天线下行校准，以及向所述阻隔单元输出激励信号，使得激励信号耦合到所述天线阵子产生用于阵列天线上行校准的第二耦合感应电流。

这一方案使得阻隔单元在降低耦合效应的基础上又具备了实现校准的功能，从而降低了校准的成本。

通过上述信号采集链路，可实现阵列天线的上行校准，即在阻隔单元被激励的情况下，测量耦合到每个天线阵子上的耦合电流信号幅度与相位，通过对采集到的耦合电流信号进行比较、计算、综合，实现校准。

通过本发明实施例提供的方案，阵列天线中的每个阻隔单元与信号采集链路相连，所有的阻隔单元和信号采集链路组成校准网络，该校准网络体积将大程度减小，因此在降低成本的同时，校准精度也得到了提高。

进一步，所述信号采集链路可以是专门设置、用于采集所述耦合电流的一个信号采集链路，也可以是天线阵列中相应天线阵子的收发链路。当信号采集链路采用天线阵列中相应天线阵子的收发链路时，相比单独设置信号采集链路的方案，其成本将进一步缩减。

校准过程中还包括下行校准，该下行校准需要在第一天线阵子和第二天线阵子工作的情况下，测量耦合到阻隔单元上的耦合电流信号幅度和相位；当天线阵列包括更多个天线阵子时，依次类推，天线阵列中每个天线阵子先后工作，分别测量寄生单元耦合而来的耦合电流电流信号幅度和相位。并对所有的测量到的耦合电流信号进行比较，计算，综合，实现校准。

为了实现上述上行校准，可采用如下方案。

当天线阵子为平衡天线阵子时，参照图3，其第一天线阵子301和第二天线阵子302为偶极子或平衡天线阵子，在这种情况下，阻隔单元303上设置有一条狭缝，用于实现耦合电流的测量。

进一步优选的，阻隔单元303上的狭缝设置于阻隔单元303中部。

更进一步，所述阻隔单元上的狭缝为直线狭缝。在需要的情况下，该狭缝也可以是曲线狭缝。

更进一步，阻隔单元303可以包括一个、两个或更多个尺寸相同的T形导电部件，其中，两个T形导电部件的T形底端相对设置，二者之间相隔较短的距离而形成狭缝。

当天线阵子为非平衡天线阵子时，参照图5和图6，在阻隔单元503和天线地504之间，设置有一条缝隙505。该缝隙505由阻隔单元503和天线地504之间的间距所产生，信号采集链路可通过缝隙505来测量第一天线阵子501耦合产生的感应电流信号；并用测量结果来实现校准。

图6还展示了阻隔单元503左视方向的形状为T形。该形状为阻隔单元较佳的一种设计形状。

进一步，阻隔单元采用相对于定向耦合器的窄带器件，例如寄生单元。从而进一步提高校准精度。

从上面所述可以看出，本发明提供了一种天线阵列，包括多个天线阵子，在天线阵子之间设置阻隔单元，可以有效降低天线阵子之间的耦合度，缩小大规模天线阵子之间的间距，减小天线面积，提高系统容量。此外，本发明实施例增设信号采集链路，可在阵列天线中形成校准网络。该信号采集链路可采用相应天线阵子的收发链路，一个器件两个用途，有利于减少成本。进一步，本发明优选实施例中的阻隔单元所采用的寄生单元相比于现有校准网络中的定向耦合器，属于窄带器件，从而其校准精度更高。综上所述，本发明提供的阵列天线，有利于降低基站的能耗，并同时避免过于增加阵列天线的体积。

应当理解，本说明书所描述的多个实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种阵列天线，包括多个天线阵子，其特征在于，所述阵列天线还包括：

至少一个设置于相邻的第一天线阵子和第二天线阵子之间的阻隔单元，用于利用第一感应电流在所述第二天线阵子上产生第二感应电流，以至少部分抵消所述第二天线阵子上的第三感应电流；

所述第一感应电流为所述第一天线阵子上传输的信号电流耦合到所述阻隔单元后产生的感应电流，所述第三感应电流为所述第一天线阵子上传输的信号电流耦合到所述第二天线阵子后产生的感应电流。

2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述第二感应电流和第三感应电流大小相同，方向相反。

3.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，任意两个相邻的天线阵子间均设置有所述阻隔单元。

4.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述阻隔单元的长度在四分之一到一个波长之间。

5.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，还包括：

对应于天线阵子设置的信号采集链路，和对应的阻隔单元电连接，用于采集天线阵子上的信号耦合到所述阻隔单元上的第一耦合感应电流，用于阵列天线下行校准，以及向所述阻隔单元输出激励信号，使得激励信号耦合到所述天线阵子产生用于阵列天线上行校准的第二耦合感应电流。

6.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，所述信号采集链路为对应的天线阵子的收发链路。

7.根据权利要求5或6所述的阵列天线，其特征在于，所述天线阵子为非平衡天线阵子，所述阻隔单元与天线地之间间隔一定距离。

8.根据权利要求5或6所述的阵列天线，其特征在于，所述天线阵子为平衡天线阵子，所述阻隔单元上设置有一狭缝结构。

9.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，所述阻隔单元为相对于定向耦合器的窄带器件。

10.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述阻隔单元工作于第一天线阵子和第二天线阵子的隔离频点上。