[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

CN112272901B - 电磁波束扫描全双工相控阵天线 - Google Patents

电磁波束扫描全双工相控阵天线 Download PDF

Info

Publication number
CN112272901B
CN112272901B CN201980038782.9A CN201980038782A CN112272901B CN 112272901 B CN112272901 B CN 112272901B CN 201980038782 A CN201980038782 A CN 201980038782A CN 112272901 B CN112272901 B CN 112272901B
Authority
CN
China
Prior art keywords
phased array
array antenna
radiating elements
super
antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980038782.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112272901A (zh
Inventor
森格利·福
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Publication of CN112272901A publication Critical patent/CN112272901A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112272901B publication Critical patent/CN112272901B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/246—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for base stations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/521—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas
    • H01Q1/523—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas between antennas of an array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0031—Parallel-plate fed arrays; Lens-fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/001—Crossed polarisation dual antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/02—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole
    • H01Q3/04—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole for varying one co-ordinate of the orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • H04B1/44—Transmit/receive switching
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex
    • H04L5/16—Half-duplex systems; Simplex/duplex switching; Transmission of break signals non-automatically inverting the direction of transmission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明描述了一种电子波束扫描全双工相控阵天线。所述相控阵天线包括多个辐射单元的阵列。所述阵列包括具有多个辐射单元的至少一列，所述阵列用于生成辐射场。所述相控阵天线包括位于所述辐射单元阵列上方的超表面(metasurface)。所述超表面将相移引入到所述阵列的所述辐射场中，从而使得所述相控阵天线的波束与所述阵列的所述辐射场成角度偏移。

Description

电磁波束扫描全双工相控阵天线
相关申请交叉引用
本申请要求于2018年7月19日提交的序列号为16/040,054、发明名称为“电子波束扫描全双工相控阵天线(Electronically Beam-Steerable Full Duplex Phased ArrayAntenna)”的优先权，其内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及阵列天线，包括用于全双工无线通信的波束扫描相控阵天线。
背景技术
带内全双工无线技术一直是无线通信领域的研究热点，包括在第五代(5G)无线网络的应用，使用公共天线和收发信机发送和接收无线信号。在全双工通信中，使用相同的时频资源(例如，在同一时间使用相同的载波频率)传送发射信号和接收信号，导致信道的总容量增加两倍。
目前，所提出的5G大规模多输入多输出(massive-multiple-input multiple-output，massive-MIMO)技术仅限于使用时分双工(time division duplex，TDD)传输方案，在该方案中，发射信号和接收信号使用相同的频率资源，但使用不同的时间资源(例如，使用交替的时隙进行发射和接收)。由于发射器和接收器需要不同的信道模型，发现现有的大规模MIMO技术已不适合频分双工(frequency division duplex，FDD)传输方案。然而，TDD和FDD可能被认为不是真正的全双工技术，因为发射和接收不使用相同的时间资源(如在TDD中)或不使用相同的频率资源(如在FDD中)，并且可能无法实现全双工通信的所有优势。
目前，尚未开发出适合全双工通信的波束扫描相控阵天线。全双工相控阵天线开发面临的挑战包括减轻自干扰(self-interference，SI)。例如，在密堆积的二维(2D)阵列天线中，由于存在内部耦合和外部耦合，从发射路径到接收路径存在水平较高的SI泄漏信号。在全双工阵列天线中，应该降低这种由于发射器与接收器之间互耦合产生的SI(例如，降低到热噪声底限以下)，以避免在接收器中产生明显的系统干扰或失真。例如，对于5G中的20MHz信号带宽，可能需要超过100dB的SI抑制，以避免内部发射信号泄漏产生的不可接受的接收器干扰。目前，典型的基站阵列天线通常可以提供30dB的端口隔离度。需要实现更多的SI抑制量，这可能需要接收器中存在两级或三级SI消除，例如，使用模拟和数字消除电路。这可能并不可取，因为在接收器中使用多级进行SI消除可能会增加接收器中的信号饱和以及信号失真中的至少一种。
因此，期望提供一种阵列天线，在发射端口和接收端口之间提供更高的端口隔离度，以实现真正的全双工通信。还期望这种阵列天线能够提供较大的扫描角和较宽的频率带宽，以供实际使用。
发明内容
本发明描述了适合全双工通信的波束扫描相控阵天线(还简称相控阵)的示例。所公开的相控阵包括超表面，所述超表面使天线波束的角度能够偏移到适合实际使用的角度。所公开的相控阵利用高度数的线性渐进相位来消除或抑制互耦合。所公开的天线可以用于大规模MIMO通信，并且可以实现FDD和TDD通信，还可以实现真正的全双工模式下的通信。
在一些方面，本发明描述了一种波束扫描相控阵天线。所述相控阵天线包括多个辐射单元的阵列。所述阵列包括具有多个辐射单元的至少一列，所述阵列用于生成辐射场。所述相控阵天线还包括位于所述辐射单元阵列上方的超表面。所述超表面将相移引入到所述阵列的所述辐射场中，从而使得所述相控阵天线的波束与所述阵列的所述辐射场成角度偏移。
在任一上述方面/实施例中，所述多个辐射单元可以包括双极化辐射单元。
在任一上述方面/实施例中，每个双极化辐射单元可以在发射端口与接收端口之间提供约40dB至约50dB范围内的隔离度。
在任一上述方面/实施例中，所述多个辐射单元可以包括单极化辐射单元。
在任一上述方面/实施例中，所述天线还可以包括多个环形器，每个环形器耦合到相应的辐射单元。
在任一上述方面/实施例中，所述超表面可以是单极化超表面。
在任一上述方面/实施例中，所述超表面可以是双极化超表面。
在任一上述方面/实施例中，所述阵列可以包括具有辐射单元的单列。
在任一上述方面/实施例中，所述辐射单元阵列可以包括多列。
在任一上述方面/实施例中，所述超表面可以提供沿至少一条轴的线性相移分布。
在任一上述方面/实施例中，所述超表面提供无相移或沿第一轴的恒定相移分布，并且可以提供沿与所述第一轴正交的第二轴的变化相移分布。
在任一上述方面/实施例中，所述沿第二轴的变化相移分布具有沿所述第二轴的轮廓，在所述轮廓中，所述相移从沿所述第二轴的所述超表面的相对端增大到沿所述第二轴的所述超表面的中间附近的最大相移。
在一些方面，本发明描述了一种基站。所述基站包括用于无线通信中的发送和接收的相控阵天线。所述相控阵天线包括多个辐射单元的阵列。所述阵列包括具有多个辐射单元的至少一列，所述阵列用于生成辐射场。所述相控阵天线还包括位于所述辐射单元阵列上方的超表面。所述超表面将相移引入到所述阵列的所述辐射场中，从而使得所述相控阵天线的波束与所述阵列的所述辐射场成角度偏移。所述基站还包括：耦合到所述相控阵天线的发射器，用于提供一发射信号；耦合到所述相控阵天线的接收器，用于接收一接收信号。
在任一上述方面/实施例中，所述接收器可以包括单个自干扰消除级。
在任一上述方面/实施例中，在所述相控阵天线中，在所述相控阵天线中，所述超表面可以提供沿至少一条轴的线性相移分布。
在任一上述方面/实施例中，在所述相控阵天线中，所述超表面可以提供无相移或沿第一轴的恒定相移分布，并且可以提供沿与所述第一轴正交的第二轴的变化相移分布。
在任一上述方面/实施例中，所述沿第二轴的变化相移分布具有沿所述第二轴的轮廓，在所述轮廓中，所述相移从沿所述第二轴的所述超表面的相对端增大到沿所述第二轴的所述超表面的中间附近的最大相移。
在任一上述方面/实施例中，所述基站还可以包括处理设备，以控制施加到所述相控阵天线上的渐进相位。所述处理设备可以用于将渐进相位设置得足够高，从而使得所述辐射单元阵列中的互耦合自消除。
在任一上述方面/实施例中，所述基站可以用于使用所述相控阵天线进行全双工通信。
附图说明
现在将通过示例参考示出本申请的示例性实施例的附图，其中：
图1A至图1C分别示出了本文公开的示例性相控阵天线的透视图、俯视图和侧视图；
图2是本文公开的包括双极化辐射单元的示例性相控阵天线中的互耦合的示意图；
图3是本文公开的示例性相控阵天线中的超表面产生的角度偏移的示意图；
图4示出了本文公开的示例性相控阵天线中的超表面在互耦合引起的虚拟波束的角度与实际天线波束的角度之间产生的角度偏移；
图5A和图5B是公开的相控阵天线包括不同数量的辐射单元且辐射单元之间存在不同间隔的振幅抑制因数对比渐进相位以及扫描角对比渐进相位等的绘图；
图6是根据本发明一个示例的示例性4×12六扇区相控阵天线的模拟振幅抑制因数结果的绘图；
图7是本文公开的包括单极化辐射单元的示例性相控阵天线中的互耦合的示意图；
图8示出了本文公开的示例性单列相控阵天线的透视图；
图9A和图9B示出了本文公开的示例性电子波束扫描全双工相控阵天线的双极化超表面的可能相位分布；
图10是示例性无线通信设备的示意图，公开的相控阵天线的一个示例可以在无线通信设备中实现。
在不同的附图中可能使用了相似的附图标记表示相似的组件。
具体实施方式
本发明描述了自消除全双工扫描相控阵天线等示例性阵列天线。本文描述的示例可以适用于5G无线通信。所公开的相控阵天线包括能够引入相移的超表面(例如，超材料金属面板或超材料薄膜)。在一些示例中，可以使用端口隔离度相对较高的双极化辐射单元来实现所公开的相控阵天线。申请号为16/039,853的美国专利申请中描述了端口隔离度较高(例如，约40dB至约50dB的隔离度)的示例性双极化辐射单元。所公开的示例性相控阵天线也许能够在较宽的波束扫描角上在发射端口与接收端口之间实现约60dB或以上的自干扰(self-interference，SI)抑制量。所公开的示例性相控阵天线也许能够通过单级接收器消除实现足以进行全双工传输的总SI抑制量(例如，约100dB的总抑制量)。所公开的示例性相控阵天线还可能有助于避免或降低接收器前端的信号失真。
图1A至图1C分别示出了本文公开的示例性相控阵天线100的透视图、俯视图和侧视图。相控阵天线100(本文还简称为天线100)包括多个辐射单元112的阵列110。阵列110可以由印刷电路板(printed circuit board，PCB)等基板(未示出)支撑。在所示的示例中，阵列110包括具有辐射单元112的多个线性列。在其它示例中，阵列110可以是具有辐射单元112的单列。天线100还包括位于辐射单元112的阵列110上方的超表面120。如图所示，可以使用任何合适的支撑基板等将超表面120与阵列110间隔开。
超表面120可以由任何合适的超材料(例如，金属超材料薄膜)制成。例如，超表面120可以由真时延迟(true-time-delay，TTD)超材料制成，并且可以设计成在超表面120的整个区域上提供合适的相位分布，如下所述。超表面120可以是单极化超表面120，在两个正交波极化(polarization)(例如，垂直极化波和水平极化波)上提供相同的相位分布；还可以是双极化超表面120，在两个正交波极化上提供不同的相位分布(例如，在垂直极化波和水平极化波之间提供不同的相位分布)。单极化超表面对垂直极化或水平极化上的发射波都有类似的效果，因此不存在极化相关效果。在双极化超表面上，超表面在两个正交极化上具有不同的相位特性。需要说明的是，极化(即辐射场方向)与辐射场平面是不同的。在本发明中，如果超表面在两个正交场方向上具有相同的发射相位特性，则该超表面称为单极化超表面；如果超表面在两个正交场方向上具有不同的相位特性，则该超表面称为双极化超表面。需要说明的是，单极化超表面或双极化超表面都可以设计成在两个正交场平面上存在相同或不同的相位分布。
在高阶扇区相控阵天线中，方位方向上的波束角通常固定在约±20°至约±30°等范围内(例如，对于具有固定方位双波束的天线)。对于大规模多输入多输出(massive-multiple-input multiple-output，massive-MIMO)应用来说，可能需要天线波束在约±30°至约±45°等方位角范围内进行扫描。在典型基站中，通常希望相控阵天线提供下倾波束扫描，意味着天线波束应该定向在水平线以下的仰角处。通常需要仰角位于小范围内，例如，水平线以下约1°至约20°的范围内。通常，这些所需的方位波束角和仰角波束角是通过在仰角平面或方位平面或者两个面上使用适当的渐进相位激励相控阵天线中的辐射单元来实现的。
图2示出了包括M行和N列的共有M×N个辐射单元112的示例性相控阵天线100。在本示例中，辐射单元112为双极化辐射单元。M行中的每行耦合到编号为TX#1至TX#M的发射功率分配网络132。发射信号从发射器(未示出)提供到发射功率分配网络132，以通过天线100发射。M行中的每行还耦合到编号为RX#1至RX#M的接收功率分配网络134。接收信号通过天线100接收并经由接收功率分配网络134提供到接收器(未示出)。接收器可以适当地对接收信号进行处理。可以通过移相器136将渐进相位施加到辐射单元112上。施加到每个辐射单元112上的渐进相位由图2中的移相器136旁边的指数函数表示。在本示例中，用方位平面上的渐进相位mα和仰角平面上的渐进相位nβ来激励天线100，从而在方位方向上产生扫描角θ，在仰角方向上产生扫描角Ω。施加到第mn个辐射单元112(即位于第m行和第n列的辐射单元112)上的相移可以表示为：
Figure BDA0002828994340000041
Figure BDA0002828994340000042
其中，Az表示方位，El表示仰角，d为相邻辐射单元之间的距离，λ为天线100的中心频率。
每个辐射单元112都存在SI，如图2中的弯箭头所示。S21表示同一辐射单元112内的两个正交端口之间的交叉极化耦合。采用高渐进相位(因此扫描角的度数高)，可以控制相控阵天线100的正交极化端口之间的内部耦合信号的总和以进行抑制，如下文将进一步论述的那样。抑制量可以与天线中的辐射单元112的数量以及施加的渐进相位(与天线100的波束倾角有关)成正比。如下进一步所示，需要相对高的渐进相位来实现充分的SI抑制量。在本文公开的天线100中，超表面120将相移引入到阵列110的辐射场中，以便实现天线波束的所需倾角，例如，实现适用于基站等实际应用的较小倾角。
为清楚起见，在本发明的上下文中，由于采用了渐进相位，扫描角是指辐射单元112的阵列110生成的辐射方向图的角度。天线波束角是具有额外偏移角的波束的角度，额外偏移角是由于存在其它相位分布由超表面120引入。也就是说，波束角或天线波束角是指天线100外部的辐射方向图的角度，包括超表面120的效果；扫描角或阵列角是指阵列局部的辐射场的角度，这是SI需要考虑的并且不包括超表面120产生的偏移角。因此，天线波束角和阵列扫描角可能不同，将在下文中进行论述。
图3是天线100中的超表面120的效果示意图。为简单起见，图3仅示出了阵列110中第m行的侧视图。超表面120在仰角方向上，或者在方位方向上，或者在仰角方向和方位方向上引入相移。一般来说，超表面120可以设计成增加任何所需的相位，并且可以设计成单极化(在两个正交极化上提供相同的相位分布)超表面或双极化(在两个正交极化上提供不同的相位分布)超表面。超表面120可以设计成引入预先选择的相移(例如，通过超表面120的适当设计)，还可以设计成引入可选择的相移(例如，通过控制信号)。超表面120可以具有沿仰角平面和方位平面变化的相位分布，所述相位分布可以具有沿仰角平面和方位平面的相似轮廓或不同轮廓。
在图3的示例中，超表面120在方位平面上引入线性相移mΨ，在仰角平面上引入线性相移nФ，从而在方位方向上产生偏移角ξ，在仰角方向上产生偏移角β，如以下等式所示：
Figure BDA0002828994340000051
Figure BDA0002828994340000052
随着超表面120引入相移，故意将阵列110的辐射场偏移方位角和仰角中的至少一个。超表面120引入的偏移角可以固定在方位平面和仰角平面中的至少一个上。在一些示例中，可以控制超表面120(例如，通过控制信号)，从而控制相移并选择所需偏移角。由于超表面120产生了相移(因此产生了偏移角)，所以需要较高的渐进相位α和β以实现所需的某个天线波束角。值得注意的是，阵列110生成的局部辐射场存在辐射单元112的内部交叉极化端口之间的互耦合，不受超表面120的影响。
图4示出了超表面120的效果。为了简单起见，只显示了一个平面。如图所示，互耦合引起的虚拟波束存在角度θ，但是天线波束具有超表面120产生的角偏移ξ。因此，天线波束的角度小于阵列110生成的辐射场。
相应地，可以将施加到辐射单元112(例如，通过移相器136)上的渐进相位控制得足够高，以实现内部交叉极化端口之间的足够SI抑制量，并且还获取在实际应用中以小波束角工作的天线波束。下文论述了高渐进相位对抑制互耦合的效果。
位于第m行和第n列的本地发射信号(Txmn)在经过超表面120之后可以用以下等式表示：
Figure BDA0002828994340000053
其中，A是信号振幅。
可以设计超表面120，使得整个区域上的相位分布和延迟分布基本上是连续的，在每个辐射单元112的有效辐射锥内的变化小于180度。在这种情况下，发射信号的辐射方向图可以使用超表面120上的平均局部辐射场来近似，例如，如下所示：
Figure BDA0002828994340000054
Figure BDA0002828994340000055
上述等式表示具有超表面120引入的相移的辐射场方向图，如上所述。第mn个辐射单元(即位于第m行和第n列的辐射单元112)与第pq个辐射单元(即位于第p行和第q列的辐射单元112)之间的交叉极化信道上的总接收信号可以表示为：
Figure BDA0002828994340000061
其中，
Figure BDA0002828994340000062
是第pq个单元与第mn个单元之间的交叉极化耦合系数。
第mn个辐射单元的有源交叉极化互耦合系数可以定义为：
Figure BDA0002828994340000063
其中，Amnand Apq分别是第mn个单元和第pq个单元的激励的振幅。
这时，第pq个单元与第mn单元之间的有源交叉极化耦合系数可以表示为
Figure BDA0002828994340000064
其中：
Figure BDA0002828994340000065
所有其它辐射单元的任何接收端口处的总交叉极化耦合系数为MCx，其中：
Figure BDA0002828994340000066
将
Figure BDA0002828994340000067
代入公式：
Figure BDA0002828994340000068
出于工程目的，假设辐射单元112的阵列110无限大，可以通过相隔不同数量的单元间隔的辐射单元之间的互耦合系数来近似有源互耦合项。假设
Figure BDA0002828994340000069
定义为同一辐射单元内的两个正交端口之间的平均交叉极化耦合系数；假设一阶互耦合定义为紧邻辐射单元产生的互耦合；假设二阶耦合定义为间隔一个单元的辐射单元产生的互耦合，以此类推。那么，接收端口x产生的总的互耦合系数具有以下大小：
Figure BDA00028289943400000610
为了进行数量级估计，可以使用子阵列模型对交叉极化互耦合系数进行2阶近似，使得：
Figure BDA00028289943400000611
其中，1阶和2阶互耦合项可以近似为：
Figure BDA00028289943400000612
如上等式所示，交叉极化互耦合(mutual coupling，MC)的振幅因数包含两个Sin(x)/x因数，作为仰角渐进相位β和方位渐进相位α的函数。图5A和图5B绘制了不同M行辐射单元(假设为单列)的示例性模拟振幅因数对比不同度数的渐进相位。需要说明的是，绘图根据辐射单元的数量M是奇数(如图5A所示)还是偶数(如图5B所示)示出了不同的趋势。还需要说明的是，随着M的增大，交叉极化互耦合的振幅因数减小。
图5B表示，对于包括偶数个辐射单元的阵列，当渐进相位约为90°时，可以明显抑制或消除互耦合。对于更多个辐射单元(例如，14个或更多)来说，交叉极化互耦合的振幅因数能够抑制20dB以上，或者在渐进相位在约60°至约120°的范围内时能够抑制。图5A显示，对于包括奇数个辐射单元的阵列来说，在其它类似的高渐进相位处(例如，在阵列包括三个辐射单的情况下，高渐进相位在60°左右和120°左右)，可以明显抑制互耦合。
图5A和图5B还包括在辐射单元之间存在不同间隔d(归一化到中心频率λ)并且不存在超表面引入偏移角的情况下，这些线性阵列的扫描角对比不同度数的渐进相位的绘图。需要说明的是，不同的中心频率可以采用不同的间隔d。采用这些绘图或模拟，有可能确定渐进相位(例如，在方位平面和仰角平面上)以施加到辐射单元阵列，以便实现预期的抑制量。所选的渐进相位会使得阵列在相应的方位平面和仰角平面中的至少一个上存在一定扫描角。然后，超表面可以设计或选择成引入必要的相移量(例如，在仰角方向和方位方向中的至少一个上)，以便产生实现整个天线所需的波束角所需要的偏移角。
图6是所公开天线的一个示例的模拟结果的绘图。该天线具有4×12辐射单元阵列。本例中的天线是六扇区相控阵双波束天线。在这种情况下，当中心频率为3800MHz(在图6中显示为Az 3800和El 3800)时，12行的仰角辐射单元的单元间隔d＝0.72λ,4列的方位辐射单元的单元间隔d＝0.56λ。图6示出了阵列在方位平面和仰角平面上的辐射方向图的绘图，如图所示。在本示例中，方位平面上的辐射方向图的波束宽度大于仰角平面上的辐射方向图。与方位平面相比，发现仰角平面上的旁瓣振幅电平更小。
在本模拟中，超表面设计成在仰角方向产生7°的偏移角。因此，渐进相位需要13°的下倾角才能实现实际下倾角为6°的天线波束。这对应于仰角平面上–60°的渐进相位。为了使两扇区双天线波束的方位角固定在±27°，将方位角的渐进相位选择为约–90°。
表1是本示例性案例分析中的1阶交叉极化互耦合系数的总结：
参数 最小(度数) 最大(度数)
Az渐进相位 –90 –90
El渐进相位 –40 –70
参数 最小(dB) 最大(dB)
二阶互耦合系数 –36.1 –22
El阵列抑制量 –20 –20
Az阵列抑制量 –18 –18
发射端口与接收端口之间的总交叉极化抑制量 –74.1 –60
如图6所示并如表1概述，在中心频率为3800MHz的示例性操作中，方位平面上的渐进相位可以固定在90°，其中，方位平面上的互耦合被完全抑制，由此得到的阵列扫描角约为27°。仰角平面上的渐进相位可能从约40°变为约70°，从而产生约10°到约20°的阵列扫描角。当选择超表面在仰角方向上引入7°的偏移角时，所得的总天线波束角在仰角平面上为约3°至约13°，这对于基站应用等而言可能是实用的。对于仰角平面上的这个渐进相位范围，发现发射端口与接收端口之间的总交叉极化抑制量(包括仰角平面和方位平面上的抑制量)在约60dB到约74dB的范围内。为了使SI抑制量低于热噪声底限(例如，100dB的抑制量)，接收器中可能只需要单个消除级。接收器中只使用一个消除级(相比于传统天线的两级或三级)可能有助于避免信号饱和，还可能有助于降低接收器的复杂度和成本中的至少一个。
图6还绘制了中心频率为3400MHz(表示为Az 3400和El 3400)和4200MHz(表示为Az 4200和El 4200)的扫描角对比渐进相位。在这个约20％的带宽范围内，发现在抑制互耦合的情况下实现约8°至约20°的仰角扫描范围。在超表面引入7°的偏移角的情况下，所得的天线波束的仰角在约1°到约13°的范围内。这些绘图表明，使用所公开的天线设计，可以在20％的带宽上实现可接受的波束角以及显著的SI抑制量。使用全波阵列模型已经验证了这种性能。
在一些示例中，所公开的天线可以使用单极化辐射单元来实现。当使用单极化辐射单元时，每个传输端口可以添加环形器。
图7示出了所公开的包括M×N个单极化辐射单元112的相控阵天线100的一个示例。与图2中的天线100类似，M行中的每行耦合到编号为TX#1至TX#M的发射功率分配网络132。发射信号从发射器(未示出)提供给发射功率分配网络132，以通过天线100进行传输。M行中的每行还耦合到编号为RX#1至RX#M的接收功率分配网络134。接收信号由天线100接收并且通过接收功率分配网络134提供给接收器(未示出)。可以通过移相器136将渐进相位施加到辐射单元112。施加到每个辐射单元112上的渐进相位由图7中的移相器136旁边的指数函数表示。天线100包括每个辐射单元112的环形器138(例如，三端口环形器)，以控制发射功率分配网络132或接收功率分配网络134是否与辐射单元112传送信号。
采用单极化辐射单元的优点在于，发射信号和接收信号经过相同的信号路径，因此发射信号和接收信号的信道特性相同。这种实现方式对于大规模MIMO应用可能是有利的。在一些情况下，与图2中的天线100相比，图7中的天线100可能预期具有稍微低的带内载波抑制量，因为同极化辐射单元112的泄漏更多。
每个辐射单元112都存在SI，如图7中的弯箭头所示。S11表示辐射单元112内的天线输入反射。总接收信号是第mn个辐射单元的内部泄漏信号和反射信号以及所有其它辐射单元的互耦合系数(在下面的等式中用pq表示)之和。第mn个辐射单元处的接收功率
Figure BDA0002828994340000085
可以通过下式表示：
Figure BDA0002828994340000081
其中，C1、C2和C3是三端口环形器138的传输系数，
Figure BDA0002828994340000082
是第pq个辐射单元与第mn个辐射单元之间的同极化互耦合系数。第mn个辐射单元的有源同极化耦合系数可以定义为：
Figure BDA0002828994340000083
假设所有辐射单元采用相同的环形器，则第pq个辐射单元与第mn个辐射单元之间的有源互耦合系数可以表示为：
Figure BDA0002828994340000084
所有端口产生的相控阵天线的接收输入侧的总互耦合系数可以表示为：
Figure BDA0002828994340000091
将
Figure BDA0002828994340000092
代入等式中，表达式变为：
Figure BDA0002828994340000093
对于基本上均匀的相控阵，Amn＝1。随着渐进相位激励的应用，有源互耦合因数在整个孔径范围内近似为常数。因此，
Figure BDA0002828994340000094
其中
Figure BDA0002828994340000095
是平均有源耦合因数。则Rxco的表达式可以写为：
Figure BDA0002828994340000096
Figure BDA0002828994340000097
有源互耦合项
Figure BDA0002828994340000098
可以通过存在不同单元间隔的辐射单元之间的互耦合系数近似。假设
Figure BDA0002828994340000099
定义为同一辐射单元内的平均同极化耦合系数；假设一阶互耦合定义为紧邻辐射单元之间的互耦合；假设二阶耦合定义为间隔一个单元的辐射单元之间的互耦合，以此类推。然后，具有渐进相位激励的均匀阵列的总互耦合系数可以近似为：
Figure BDA00028289943400000910
为了进行数量级估计，可以使用子阵列模型对交叉极化互耦合系数进行2阶近似，使得：
Figure BDA00028289943400000911
其中，1阶和2阶互耦合系数可以通过下式近似：
Figure BDA00028289943400000912
这与上述图2中使用双极化辐射单元的示例性天线100的结果相似。然而，在包括单极化辐射单元的示例性天线100的情况下，预期总抑制量较低，因为在双极化辐射单元的情况下，表达式的第一项S11通常高于交叉极化项S21。此外，预计单极化辐射单元的互耦合项较高，因为同极化辐射引起的互耦合系数通常大于交叉极化辐射场的互耦合系数。相比于使用双极化辐射单元的实现方式，使用单极化辐射单元的实现方式可能会降低发射端口与接收端口的隔离度。然而，在阵列的列中使用更多辐射单元可以提高总SI抑制量。
图8示出了本文公开的示例性相控阵天线100。在本示例中，辐射单元112的阵列110只包括单列。一般来说，对于65°和90°的方位角覆盖范围来说，可以认为单列配置是当前基站相控阵天线的标准配置。可以使用大量辐射单元112(例如，在所示的示例中存在24个辐射单元112)。相比于多列阵列110的一列中的辐射单元112的数量(例如，在图1A的示例中)，单列阵列110中包含较多辐射单元112(例如，12或更多)可能有助于实现期望的SI抑制量。
在一些示例中，图7中的相控阵天线100可以被设计用于大规模MIMO通信中。在这样的应用中，需要在仰角方向和方位方向上扫描天线波束。双极化超表面120可以用于引入不同的偏移角，以在不同方位区。
图9A和图9B示出了在方位平面上双极化超表面120在两个正交极化可能引入的相移的一个示例。超表面120在仰角平面上引入的相移可以是线性相移，类似于针对图2中的示例性天线所描述的相移，从而使得仰角平面上的偏移角基本上恒定。如图9A所示，在一个极化上(例如，对于水平极化波)，当波束方位角相对较大(例如，方位角大于±10°)时，超表面120不引入相移或引入恒定相移。结果是，天线波束没有增加偏移角。如图9B所示，在第二极化上(例如，对于垂直极化波)，超表面120可以设计成产生变化相移，相移具有屋顶轮廓(rooftop profile)，以使得天线波束覆盖侧射角(例如，方位角小于±10°)。这种情况下的屋顶轮廓可以指沿着一个轴(例如，单列阵列110的纵轴)的相移轮廓，在这个相移轮廓中，超表面120引入的相移从沿所述轴的超表面120的相对端稳步增大(例如，以恒定速率)，并且在沿所述轴的超表面120的中间附近具有最大相移。图9B示出了相移轮廓基本上是对称的。使用对称的屋顶轮廓可能有助于在波束处于较低的方位倾斜角时实现更对称的波束形状。对称轮廓可以为低方位角(例如，小于±10°)的辐射方向图提供更好的波束形状(例如，更对称的波束形状)。不对称轮廓可能会在辐射方向图上产生不符合要求的特性，例如，一侧的旁瓣位准较高或者振幅抑制量降低。然而，在一些实现方式中，这种不符合要求的特性认为是可接受的。在一些示例中，上述屋顶轮廓可以是偏离中心的屋顶轮廓，使得最大相移偏离沿上述轴的超表面120的中间。
在一些情况下，可能不需要屋顶轮廓，相反，超表面120可以引入具有线性相位分布的相移。这样的设计可能适用于不怎么考虑旁瓣振幅的情况。
在上述示例中，使用单极化辐射单元112和环形器138来实现天线100。在一些示例中，可以使用双极化辐射单元112来实现天线100，并且还包括环形器138。这会使得容量增加，例如，比图2中的示例性天线100增加一倍。在一些示例中，还可以在使用双极化辐射单元实现天线时使用环形器。双极化辐射单元中的每个极化上都使用环形器(即，每个双极化辐射单元设置有两个环行器，每个极化上一个环行器)，预期会使容量翻倍，有可能会减少互耦合抑制量(也有可能增加成本和复杂性中的至少一个)。这种使用环形器和双极化辐射单元的实施例可以用于大规模MIMO应用，以实现更大容量或最大容量。
通过在阵列110中的列中使用更多数量的辐射单元112，可以保持足够低的互耦合。使用循环器138可以使辐射单元112使用同一辐射器(例如，在贴片辐射单元的情况下使用辐射贴片)进行发射和接收，从而为发射信道和接收信道提供相同的信道特性。这可以用于大规模MIMO等应用。
在一些示例中，本发明描述了一种相控阵天线。所述相控阵天线包括双极化辐射单元的多列阵列，每列包含少量辐射单元，所述相控阵天线包括单极化超表面。在一些示例中，本发明描述了一种相控阵天线。所述相控阵天线包括单极化辐射单元的单列阵列，每列包含大量辐射单元，所述相控阵天线包括双极化超表面。应理解，在其它示例中，可以组合特征。例如，所公开的相控阵天线的一个示例可以包括单极化辐射单元的多列阵列，每列包含大量辐射单元，所述相控阵天线包括单极化超表面；所公开的相控阵天线的另一个示例可以包括双极化辐射单元的单列双阵列，每列包含少量辐射单元，所述相控阵天线包括双极化超表面。应理解，所述相控阵天线可以设计成具有不同特征，以适应不同的应用和不同的操作需求。
所公开的天线的示例可以在基站等无线通信设备中实现。在一些应用中，基站也可以称为接入点、路由器或eNodeB等。所公开的天线可以使得在5G通信网络等无线网络中能够采用全双工通信。例如，所公开的相控阵天线可以实现为高阶扇区化多列基站、高增益基站阵列天线(例如，包含单列相控阵列)或多列MIMO阵列天线等。
图10是示例性无线通信设备的示意图，所公开的相控阵天线的一个示例可以在无线通信设备中实现。
所公开的相控阵天线的各种示例可以在不同的无线通信设备中实现，如上所述。图10是示例无线通信设备1000的示意图。本文描述的相控阵天线100的示例可以在无线通信设备1000中使用。本文描述的相控阵天线100的一个或多个示例可以在无线通信设备1000中实现为单列阵列或多列阵列。例如，无线通信设备1000可以是无线通信网络中的基站。无线通信设备1000可以用于5G通信网络或其它无线通信网络内的通信，还可以用于全双工通信。(即发射信号和接收信号使用相同的时频资源)。虽然图10示出了每个组件的单个实例，但是在无线通信设备1000中可能存在每个组件的多个实例。无线通信设备1000可以使用平行架构和分布式架构中的至少一个来实现。
无线通信设备1000可以包括一个或多个处理设备1005，例如，处理器、微处理器、专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、专用逻辑电路或其组合。无线通信设备1000还可以包括一个或多个可选的输入/输出(input/output，I/O)接口1010。I/O接口1010能够与一个或多个可选的输入设备1035和输出设备1037连接。无线通信设备1000可以包括用于与网络(例如，内网、互联网、P2P网络、WAN、LAN网和无线接入网(Radio Access Network，RAN)中的任意一个或多个)或其他节点进行有线通信或无线通信的收发器1015。在一些示例中，无线通信设备1000可以包括一个或多个连接到有线网络的其它接口(未示出)。有线网络可以使用有线链路(例如，以太网电缆)。收发器1015可以通过所公开的相控阵天线100的示例实现无线通信(例如，全双工通信)。收发器1015包括发射器1017和接收器1019。在一些示例中，除了使用包括发射器1017和接收器1019的收发器1015，发射器和接收器可以实现为无线通信设备1000中的独立组件。
发射器1017提供一发射信号以通过天线100发送。例如，发射器1017可将发射信号提供给天线100的发射功率分配网络。接收器1019通过天线100接收一接收信号。例如，接收器1019可以通过接收功率分配网络134接收该接收信号。接收器1019可以包括处理接收信号的一个或多个级。例如，接收器1019可以包括单个消除级(未示出)，用于执行干扰消除或抑制(例如，包括提供更多SI抑制量)。
无线通信设备1000还可以包括一个或多个存储单元1020。一个或多个存储单元1020可以包括大容量存储单元，例如，固态硬盘、硬盘驱动器、磁盘驱动器和光盘驱动器中的任意一个或多个。无线通信设备1000还可以包括一个或多个存储器1025。一个或多个存储器1025可以包括物理内插1040，物理内插1040可以包括易失性存储器或非易失性存储器(例如，闪存、随机存取存储器(random access memory，RAM)和只读存储器(read-onlymemory，ROM)中的任意一个或多个)。非瞬时性存储器1025(以及存储单元1020)可以存储由处理设备1005执行的指令。存储器1025可以包括其它软件指令，用于实现操作系统和其它应用/功能，等等。在一些示例中，一个或多个数据集和/或模块可以由外部内存(例如，与无线通信设备1000进行有线通信或无线通信的外部驱动器)提供，也可以由瞬时性或非瞬时性计算机可读介质提供。非瞬时性计算机可读介质的示例包括RAM、ROM、可擦除可编程ROM(erasable programmable ROM，EPROM)、电可擦除可编程ROM(electrically erasableprogrammable ROM，EEPROM)、闪存、CD-ROM或其它便携式存储器。
可以存在总线1030，用于实现无线通信设备1000的组件之间的通信。总线1030可以是任何合适的总线架构，包括存储器总线、外设总线或视频总线等。可选的输入设备1035(例如，键盘、鼠标、麦克风、触摸屏、小键盘中的任意一个或多个)和可选的输出设备1037(例如，显示器、扬声器和打印机中的任意一个或多个)示为在无线通信设备1000的外部，并且连接到可选的I/O接口1010。在其它示例中，可以将输入设备1035和/或输出设备1037中的一个或多个作为无线通信设备1000的组件包含在内。
处理设备1005还可以用于与收发器1015进行发射信号/接收信号的通信，并且还可以用于控制施加到相控阵天线100上的渐进相位。在天线100中的超表面具有可控相移分布时，处理设备1005可以用于控制超表面的相移分布。
在一些示例中，本发明描述了一种适用于全双工通信的相控阵天线，同样适用于5G网络等中的大规模MIMO通信。在各种示例中，所公开的全双工相控阵天线可以使用排列在单列或多列阵列中的多个双极化或单极化辐射单元，并且包括超表面以引入相移。超表面可以是单极化超表面或双极化超表面。
在所公开的相控阵天线中包含超表面能够消除或抑制内部互耦合，同时实现具有实用性的天线波束角。在所公开的天线中包含超表面还可以提供其它优点。例如，超表面的使用可以在超表面上实现波束重叠，这可有助于解决栅瓣问题。
所公开的天线的一些示例使用相控阵天线中的双极化辐射单元，例如，申请号为16/039,853的美国专利申请中描述的具有高极化正交性的双极化辐射单元。这种示例性天线可以适用于较小的相控阵天线，在方位方向上存在较少的列数，例如，作为高阶扇区化天线阵列。模拟发现，对于10°扫描范围(例如，约3°至约13°)内的相对较低的仰角波束角，这样的示例性天线可以实现约60dB至约70dB范围内的发射到接收泄漏抑制。
所公开的天线阵列的各种示例可以适用于宽带全双工通信，并且可以用于波束扫描相控阵架构中。
本公开可以在不脱离权利要求书的主题的情况下以其他特定形式体现。所描述的示例性实施例在各方面都仅仅是示意性的，而不是限制性的。可以对上述一个或多个实施例中的选定特征进行组合，以创建未明确描述的替代实施例，适合此类组合的特征均理解为落入本发明的范围内。例如，尽管示出了所公开的天线的一定尺寸和形状，但可以使用其它尺寸和形状。
另外还公开了所公开范围内的所有值和子范围。此外，虽然本文所公开和示出的系统、设备和流程可以包括特定数量的元件/组件，但是这些系统、设备和组件可以修改为包括更多或更少此类元件/组件。例如，虽然任何所公开的元件/组件可以为单个数量，但是本文所公开的实施例可以修改为包括多个此类元件/部件。本文所描述的主题旨在覆盖和涵盖所有适当的技术变更。

Claims (19)

1.一种波束扫描相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线包括：
多个辐射单元的阵列，其中，所述阵列包括具有多个辐射单元的至少一列，所述阵列用于生成辐射场；
位于所述辐射单元阵列上方的超表面，其中，所述超表面将相移引入到所述阵列的所述辐射场中，从而使得所述相控阵天线的波束与所述阵列的所述辐射场成角度偏移；
其中，所述超表面提供无相移或沿第一轴的恒定相移分布，所述超表面提供沿与所述第一轴正交的第二轴的变化相移分布。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述多个辐射单元包括双极化辐射单元。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，每个双极化辐射单元在发射端口与接收端口之间提供约40dB至约50dB范围内的隔离度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述多个辐射单元包括单极化辐射单元。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线还包括多个环形器，每个环形器耦合到相应的辐射单元。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述超表面是单极化超表面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述超表面是双极化超表面。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述阵列包括具有辐射单元的单列。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述辐射单元阵列包括多列。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述超表面提供沿至少一个轴的线性相移分布。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的相控阵天线，其特征在于，所述沿第二轴的变化相移分布具有沿所述第二轴的轮廓，在所述轮廓中，所述相移从沿所述第二轴的所述超表面的相对端增大到沿所述第二轴的所述超表面的中间附近的最大相移。
12.一种基站，其特征在于，所述基站包括：
相控阵天线，用于无线通信中的发送和接收，其中，所述相控阵天线包括：
多个辐射单元的阵列，其中，所述阵列包括具有多个辐射单元的至少一列，所述阵列用于生成辐射场；
位于所述辐射单元阵列上方的超表面，其中，所述超表面将相移引入到所述阵列的所述辐射场中，从而使得所述相控阵天线的波束与所述阵列的所述辐射场成角度偏移；
耦合到所述相控阵天线的发射器，用于提供一个发射信号；
耦合到所述相控阵天线的接收器，用于接收一个接收信号；
其中，在所述相控阵天线中，所述超表面提供无相移或沿第一轴的恒定相移分布，所述超表面提供沿与所述第一轴正交的第二轴的变化相移分布。
13.根据权利要求12所述的基站，其特征在于，所述接收器包括单个自干扰消除级。
14.根据权利要求12或13所述的基站，其特征在于，在所述相控阵天线中，所述超表面提供沿至少一个轴的线性相移分布。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的基站，其特征在于，所述沿第二轴的变化相移分布具有沿所述第二轴的轮廓，在所述轮廓中，所述相移从沿所述第二轴的所述超表面的相对端增大到沿所述第二轴的所述超表面的中间附近的最大相移。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的基站，其特征在于，所述基站还包括处理设备，以控制施加到所述相控阵天线上的渐进相位，其中，所述处理设备用于设置渐进相位，设置的所述渐进相位的高度使得所述辐射单元阵列中的互耦合自消除。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的基站，其特征在于，所述基站用于使用所述相控阵天线进行全双工通信。
18.一种基站，其特征在于，所述基站包括：
相控阵天线，用于无线通信中的发送和接收，其中，所述相控阵天线包括：
多个辐射单元的阵列，其中，所述阵列包括具有多个辐射单元的至少一列，所述阵列用于生成辐射场；
位于所述辐射单元阵列上方的超表面，其中，所述超表面将相移引入到所述阵列的所述辐射场中，从而使得所述相控阵天线的波束与所述阵列的所述辐射场成角度偏移；
耦合到所述相控阵天线的发射器，用于提供一个发射信号；
耦合到所述相控阵天线的接收器，用于接收一个接收信号；
其中，在所述相控阵天线中，所述超表面提供沿至少一个轴的线性相移分布。
19.一种基站，其特征在于，所述基站包括：
相控阵天线，用于无线通信中的发送和接收，其中，所述相控阵天线包括：
多个辐射单元的阵列，其中，所述阵列包括具有多个辐射单元的至少一列，所述阵列用于生成辐射场；
位于所述辐射单元阵列上方的超表面，其中，所述超表面将相移引入到所述阵列的所述辐射场中，从而使得所述相控阵天线的波束与所述阵列的所述辐射场成角度偏移；
耦合到所述相控阵天线的发射器，用于提供一个发射信号；
耦合到所述相控阵天线的接收器，用于接收一个接收信号；
其中，
所述基站还包括处理设备，以控制施加到所述相控阵天线上的渐进相位，其中，所述处理设备用于设置渐进相位，设置的所述渐进相位的高度使得所述辐射单元阵列中的互耦合自消除。
CN201980038782.9A 2018-07-19 2019-07-18 电磁波束扫描全双工相控阵天线 Active CN112272901B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/040,054 2018-07-19
US16/040,054 US10950940B2 (en) 2018-07-19 2018-07-19 Electronically beam-steerable full-duplex phased array antenna
PCT/CN2019/096595 WO2020015711A1 (en) 2018-07-19 2019-07-18 Electronically beam-steerable full-duplex phased array antenna

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112272901A CN112272901A (zh) 2021-01-26
CN112272901B true CN112272901B (zh) 2022-03-08

Family

ID=69162585

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980038782.9A Active CN112272901B (zh) 2018-07-19 2019-07-18 电磁波束扫描全双工相控阵天线

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10950940B2 (zh)
EP (1) EP3794679B1 (zh)
CN (1) CN112272901B (zh)
WO (1) WO2020015711A1 (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11283182B2 (en) * 2018-12-03 2022-03-22 At&T Intellectual Property I, L.P. Guided wave launcher with lens and methods for use therewith
US11581640B2 (en) * 2019-12-16 2023-02-14 Huawei Technologies Co., Ltd. Phased array antenna with metastructure for increased angular coverage
CN112332079B (zh) * 2020-03-13 2021-11-19 华南理工大学 一种基于超表面的双线极化双波束基站天线
EP4160944A4 (en) * 2020-05-28 2024-02-28 LG Electronics, Inc. METHOD AND APPARATUS FOR FAST BEAM STEERING TRANSMISSION BASED ON FREQUENCY GRADIENT METASURFACE FOR OWC
WO2022025315A1 (ko) * 2020-07-29 2022-02-03 엘지전자 주식회사 유효 스캔 레인지에서 연속 빔 스캐닝에 대한 페이즈 컨트롤 장치 및 이에 대한 방법
CN111864406A (zh) * 2020-07-29 2020-10-30 江苏泰科微通讯科技有限公司 一种小型化四低频多端口基站天线
CN114122686A (zh) 2020-09-01 2022-03-01 康普技术有限责任公司 基站天线
CN113690636B (zh) * 2021-07-12 2022-11-18 华南理工大学 基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线
US20240356236A1 (en) * 2021-10-14 2024-10-24 Beijing Xiaomi Mobile Software Co., Ltd. Metasurface unit and antenna
US12113295B2 (en) * 2021-12-03 2024-10-08 Kymeta Corporation Flexible multi-beam, multi frequency, wideband RF and digital transceiver architecture for modular metasurface antenna
CN114498001A (zh) * 2022-01-26 2022-05-13 华南理工大学 基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线及通信设备
WO2024153306A1 (en) * 2023-01-16 2024-07-25 Huawei Technologies Co., Ltd. Radio frequency device and communication device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105098344A (zh) * 2015-09-06 2015-11-25 西安电子科技大学 机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线
CN105811117A (zh) * 2016-04-28 2016-07-27 东南大学 基于各向异性超表面的多波束辐射与极化调控的设计方法
CN105900282A (zh) * 2014-02-24 2016-08-24 Hrl实验室有限责任公司 有源人工磁导体
CN109792106A (zh) * 2016-09-22 2019-05-21 华为技术有限公司 用于波束控制天线的液晶可调谐超颖表面
CN209249705U (zh) * 2018-09-12 2019-08-13 北京超材信息科技有限公司 一种可重构波束扫描天线
CN209249695U (zh) * 2018-09-12 2019-08-13 北京超材信息科技有限公司 一种液晶可重构波束扫描天线

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7250908B2 (en) * 2004-05-15 2007-07-31 Southern Methodist University Beam steering array antenna method and apparatus
US9337535B2 (en) * 2012-07-30 2016-05-10 Lockheed Martin Corporation Low cost, high-performance, switched multi-feed steerable antenna system
CN203589218U (zh) 2013-11-26 2014-05-07 深圳光启创新技术有限公司 天线
WO2017091845A1 (en) * 2015-12-01 2017-06-08 Macquarie University A directional antenna with a variable beam direction
KR102063222B1 (ko) * 2016-05-26 2020-01-07 더 차이니즈 유니버시티 오브 홍콩 안테나 어레이에서의 상호 결합을 감소시키기 위한 장치 및 방법
US10700429B2 (en) * 2016-09-14 2020-06-30 Kymeta Corporation Impedance matching for an aperture antenna
US20200067281A1 (en) * 2016-10-06 2020-02-27 Christopher CURWEN Inhomogeneous focusing and broadband metasurface quantum-cascade lasers
ES2927286T3 (es) * 2016-11-09 2022-11-03 Tongyu Communication Inc Sistema de radiación de doble banda y arreglo de antenas del mismo
CN106681026B (zh) 2017-02-10 2019-03-22 北京理工大学 基于超颖表面-相变材料的任意偏振动态调控器件及方法
CN106876982B (zh) * 2017-02-22 2021-08-06 西安电子科技大学 改善多天线系统性能的超表面及采用超表面的多天线系统
US10116051B2 (en) * 2017-03-17 2018-10-30 Isotropic Systems Ltd. Lens antenna system
US11698460B2 (en) * 2017-04-17 2023-07-11 Purdue Research Foundation Ultrafast laser beam steering using frequency-arrayed optics
US10833408B2 (en) * 2017-07-07 2020-11-10 Rockwell Collins, Inc. Electronically scanned array
CN111819733B (zh) * 2017-09-22 2022-04-19 杜克大学 用可重构的超表面天线增强的mimo通信系统及其使用方法
US10686636B2 (en) * 2018-01-26 2020-06-16 Kymeta Corporation Restricted euclidean modulation
US10594032B2 (en) * 2018-06-07 2020-03-17 King Abdulaziz University Beam scanning antenna and method of beam scanning

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105900282A (zh) * 2014-02-24 2016-08-24 Hrl实验室有限责任公司 有源人工磁导体
CN105098344A (zh) * 2015-09-06 2015-11-25 西安电子科技大学 机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线
CN105811117A (zh) * 2016-04-28 2016-07-27 东南大学 基于各向异性超表面的多波束辐射与极化调控的设计方法
CN109792106A (zh) * 2016-09-22 2019-05-21 华为技术有限公司 用于波束控制天线的液晶可调谐超颖表面
CN209249705U (zh) * 2018-09-12 2019-08-13 北京超材信息科技有限公司 一种可重构波束扫描天线
CN209249695U (zh) * 2018-09-12 2019-08-13 北京超材信息科技有限公司 一种液晶可重构波束扫描天线

Also Published As

Publication number Publication date
US10950940B2 (en) 2021-03-16
US20200028261A1 (en) 2020-01-23
EP3794679B1 (en) 2023-06-14
WO2020015711A1 (en) 2020-01-23
EP3794679A4 (en) 2021-07-28
EP3794679A1 (en) 2021-03-24
CN112272901A (zh) 2021-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112272901B (zh) 电磁波束扫描全双工相控阵天线
US20210399434A1 (en) Multibeam antenna designs and operation
US7202832B2 (en) Vehicle mounted satellite antenna system with ridged waveguide
US6977621B2 (en) Vehicle mounted satellite antenna system with inverted L-shaped waveguide
US20150195001A1 (en) Antenna system with enhanced inter-sector interference mitigation
US7391381B2 (en) Vehicle mounted satellite antenna system with in-motion tracking using beam forming
EP2689493B1 (en) Method and apparatus for antenna radiation cross polar suppression
US10297914B2 (en) Indented antenna array for transmitter to receiver isolation
EP3695459B1 (en) Cellular antenna for elevated and obstructed deployment
Krishna et al. A series fed planar microstrip patch array antenna with 1D beam steering for 5G spectrum massive MIMO applications
US10236572B2 (en) Radio frequency chokes for integrated phased-array antennas
Prasannakumar Wideband bi-static and monostatic STAR antenna systems
CN113016108B (zh) 天线模块和搭载有天线模块的通信装置
Gong et al. Metamaterial Absorber Structure for Tx-Rx Antenna Isolation Improvement in Full-Duplex Massive MIMO
RU2659303C1 (ru) Спутниковый многополосный антенный блок
WO2023123342A1 (en) Base station antennas with external pim shielding structures and related devices
Javed et al. Improving analog zero-forcing null depth with N-bit vector modulators in multi-beam phased array systems
JP5701643B2 (ja) 偏波共用アンテナ
Hirokawa et al. A $64\mathrm {x} 64$-way Two-dimensional Beam-switching Butler Matrix for Multi-beam Massive MIMO
Foo Self-cancellation full-duplex steerable phased array
CN116266673A (zh) 一种天线和通信设备
CN206807453U (zh) 用于用户终端的信号收发装置、用户终端
Chen et al. Millimetre‐Wave Planar Phased Patch Array with Sidelobe Suppression for High Data‐Rate Transmission
Bakr et al. A scalable-low cost architecture for high gain beamforming antennas
CN115459797A (zh) 全双工通信装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant