有源天线系统和基站的制作方法

1.本实用新型的实施例一般涉及射频和微波设备，并且更具体地涉及有源天线系统和基站。


背景技术：

2.本部分介绍的内容只是为了便于更好地理解本实用新型。因此，本部分的陈述不应理解为对哪些内容属于现有技术或哪些内容不属于现有技术的承认。
3.目前，第五代(5g)无线技术被广泛用于日常通信系统中。对用户而言，5g无线技术意味着高峰值数据速率、超低延迟和大网络容量。
4.与第四代(4g)无线电相比，由于无线电效率较低，5g无线电的功耗较高。由于会导致高成本，该高功耗是大规模天线系统中的关键问题，并且是运营商的痛点。


技术实现要素：

5.提供本部分是为了以简化的形式介绍下面在具体实施方式部分进一步描述的那些概念的选集。本部分并非旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也并非旨在限制所要求保护的主题的范围。
6.本实用新型的目的之一是提供一种改进的有源天线系统。特别地，本实用新型所要解决的一个技术问题是现有的有源天线系统的天线阵列的配置不灵活。本实用新型所要解决的另一技术问题是现有的部分rf通道静默方法由于天线单元的减少而导致天线增益的降低。
7.根据本实用新型的第一方面，提供了一种有源天线系统。所述有源天线系统包括射频单元和天线阵列。所述射频单元被配置为生成将要通过所述天线阵列发送的射频信号。所述天线阵列被划分为多个天线子阵列。每个天线子阵列包括至少一个天线单元、以及向所述至少一个天线单元馈送相应的射频信号的馈送电路。所述多个天线子阵列包括第一天线子阵列和第二天线子阵列。所述有源天线系统还包括第一开关单元、第二开关单元和控制单元。所述第一开关单元被配置为选择性地将所述第一天线子阵列的馈送电路与所述第二天线子阵列的馈送电路连接或断开。所述第二开关单元被配置为选择性地将所述射频单元与所述第一天线子阵列的馈送电路连接或断开。所述控制单元被配置为对所述第一开关单元和所述第二开关单元进行控制。
8.根据上述第一方面，由于控制单元对第一开关单元和第二开关单元的开关操作进行控制，使得可以利用该有源天线系统固定的硬件实现天线阵列的不同工作模式，从而对天线阵列进行灵活配置。
9.在本实用新型的实施例中，所述控制单元能够通过对所述第一开关单元和所述第二开关单元进行控制，而使所述第一天线子阵列和所述第二天线子阵列在第一工作模式和第二工作模式之间切换。在所述第一工作模式中，所述第一天线子阵列和所述第二天线子阵列接收相同的射频信号。在所述第二工作模式中，在所述第一天线子阵列和所述第二天
线子阵列中只有所述第二天线子阵列接收相应的射频信号。
10.在本实用新型的实施例中，所述第一开关单元能够被控制以将所述第一天线子阵列的馈送电路与所述第二天线子阵列的馈送电路连接，并且所述第二开关单元能够被控制以将所述射频单元与所述第一天线子阵列的馈送电路断开，从而使得所述第一天线子阵列和所述第二天线子阵列接收相同的射频信号。
11.在本实用新型的实施例中，所述第一开关单元能够被控制以将所述第一天线子阵列的馈送电路与所述第二天线子阵列的馈送电路断开，并且所述第二开关单元能够被控制以将所述射频单元与所述第一天线子阵列的馈送电路断开，从而使得在所述第一天线子阵列和所述第二天线子阵列中只有所述第二天线子阵列接收相应的射频信号。
12.在本实用新型的实施例中，所述第一开关单元和所述第二开关单元中的每一者可以包括下述之一：二极管；三极管；金属氧化物半导体场效应晶体管；以及微机电系统开关。
13.在本实用新型的实施例中，所述二极管可以是pin型二极管。
14.在本实用新型的实施例中，所述第一开关单元和所述第二开关单元可以均为二极管。
15.在本实用新型的实施例中，所述控制单元可以通过分别向所述第一天线子阵列的馈送电路和所述第二天线子阵列的馈送电路施加相应的直流电压，来对所述第一开关单元和所述第二开关单元进行控制。
16.在本实用新型的实施例中，所述第一开关单元的一端可以通过四分之一波长线接地。
17.在本实用新型的实施例中，所述第一天线子阵列和所述第二天线子阵列可以沿所述天线阵列的列方向或行方向排列。
18.在本实用新型的实施例中，所述第一天线子阵列和所述第二天线子阵列的数量可以均为多个。
19.根据本实用新型的第二方面，提供了一种基站。所述基站包括根据上述第一方面所述的有源天线系统。
附图说明
20.根据将结合附图阅读的本实用新型的说明性实施例的下面的详细描述，本实用新型的这些和其它目的、特征和优点将变得明显。明显地，以下附图中的结构示意图不一定按比例绘制，而是以简化形式呈现各特征。而且，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而并非对本实用新型进行限制。
21.图1是示出有源天线系统的典型应用场景的示意图；
22.图2是示出现有的有源天线系统的天线阵列的结构的示意图；
23.图3是用于说明根据本实用新型的实施例的有源天线系统的结构的示意图；
24.图4是用于说明根据本实用新型的实施例的有源天线系统的第一工作模式的示意图；
25.图5是用于说明根据本实用新型的实施例的有源天线系统的第二工作模式的示意图；
26.图6是用于说明根据本实用新型的实施例的有源天线系统的第三工作模式的示意
图；
27.图7是用于说明根据本实用新型的另一实施例的有源天线系统的结构的示意图；
28.图8是示出根据本实用新型的实施例的有源天线系统的框图；以及
29.图9a至9d是示出利用根据本实用新型的实施例的有源天线系统能够获得的不同配置的示意图。
具体实施方式
30.为了说明的目的，在下面的描述中阐述了一些细节以便提供所公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者利用等效配置来实现所述实施例。
31.目前，随着大规模多输入多输出(mimo)天线被引入5g无线电，高功耗是大规模mimo系统中的关键问题，并且是运营商的痛点，因为其会导致高成本和能量浪费。
32.已经引入了不同的方法来改善无线电功耗，例如使部分射频(rf)通道(或端口)静默、采用能够获得更高效率的新功率放大器(pa)算法、在空闲时间期间降低输出功率、等等，其中使部分rf通道静默是用于5g无线电的常用方法。
33.然而，使部分rf通道静默会由于天线单元的较少而导致天线增益的降低，从而使基站的覆盖范围收缩。因此，对于运营商而言，不造成天线增益降低的rf通道静默成为迫切需求。另外，在现有的天线方案中，天线阵列的配置不灵活，从而对其应用造成了限制。
34.本实用新型的实施例提出了一种改进的有源天线系统和基站。在下文中，将参考附图详细描述本实用新型的实施例。
35.图1是示出有源天线系统(aas)的典型应用场景的示意图。如图所示，有源天线系统11可以安装在塔架上，并且与室内基带处理单元(bbu)12相连接从而构成基站(例如下一代节点b(gnb))。例如，有源天线系统11可以生成具有高天线增益的窄波束来跟踪终端设备以获得更好的吞吐量，也可以实现其它服务模式，例如生成宏波束(或宽波束)以获得传统的广播覆盖。
36.图2是示出现有的有源天线系统的天线阵列的结构的示意图。如图所示，天线阵列22被划分为多个天线子阵列221。每个天线子阵列221包括多个天线单元2211、以及向这多个天线单元2211馈送相应的射频信号的馈送电路2212。应注意的是，为了简洁起见，图2仅示出了该有源天线系统的天线阵列的一列，并且该列所包含的天线子阵列的数量(即4个)以及每个天线子阵列所包含的天线单元的数量(即3个)仅是示例性的。
37.图3是用于说明根据本实用新型的实施例的有源天线系统的结构的示意图。为了便于对比，图3也仅示出了该实施例的有源天线系统的天线阵列的一列，并且该列也包含4个天线子阵列、每个天线子阵列包含3个天线单元。另外，为了简洁起见，图3中省略了该有源天线系统包含的射频单元，其被配置为生成将要通过天线阵列32发送的射频信号。如图所示，天线阵列32被划分为多个天线子阵列。这多个天线子阵列包括多个第一天线子阵列321和多个第二天线子阵列322。每个第一天线子阵列321包括多个天线单元3211、以及向这多个天线单元3211馈送相应的射频信号的馈送电路3212。每个第二天线子阵列322包括多个天线单元3221、以及向这多个天线单元3221馈送相应的射频信号的馈送电路3222。
38.如图所示，该有源天线系统还包括第一二极管(例如pin型二极管)33，其被连接在
第一天线子阵列321的馈送电路3212与第二天线子阵列322的馈送电路3222之间。通过向第一二极管33的两端施加导通电压或关断电压，第一二极管33能够相应地将第一天线子阵列321的馈送电路3212与第二天线子阵列322的馈送电路3222连接或断开。
39.如图所示，该有源天线系统还包括第二二极管(例如pin型二极管)34，其被连接在射频单元与第一天线子阵列321的馈送电路3212之间(例如被连接在相应的天线端口与第一天线子阵列321的馈送电路3212之间)。通过向第二二极管34的两端施加导通电压或关断电压，第二二极管34能够相应地将射频单元与第一天线子阵列321的馈送电路3212连接或断开。
40.另外，该有源天线系统还包括通过对第一二极管33的两端和第二二极管34的两端施加相应的导通电压或关断电压，来对其进行控制的控制单元，尽管出于简洁的目的在图3中并未示出该控制单元。例如，可以通过分别向第一天线子阵列321的馈送电路3212和第二天线子阵列322的馈送电路3222施加相应的直流电压，来实现该控制。作为最简单的示例，所施加的直流电压可以从该有源天线系统的射频单元中引出。该控制单元可以利用硬件(例如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)等)、软件(例如，在处理器上运行的软件)、或者硬件和软件的组合来实现。作为示例性的示例，该控制单元可以通过在该有源天线系统的射频单元的控制模块中添加相应的控制逻辑来实现。
41.根据上述实施例，由于控制单元对第一开关单元和第二开关单元的开关操作进行控制，使得可以利用该有源天线系统固定的硬件实现天线阵列的不同工作模式，从而对天线阵列进行灵活配置。
42.可选地，在该有源天线系统中，第一二极管33的一端可以通过四分之一波长线36接地。这样，一方面，为第一二极管33的一侧(同时也为第二二极管34的一侧)提供了固定的接地电压，通过改变其另一侧的电压即可实现其导通或关断。另一方面，由于采用了四分之一波长线，在射频上等效于一个开路点，从而不会影响射频信号的馈送。如图所示，为了尽量减小对主路的阻抗的影响，四分之一波长线36与第一天线子阵列321的馈送电路3212之间的距离d1可以设置得尽量短，并且第一二极管33靠近第二天线子阵列322的馈送电路3222的一端与馈送电路3222之间的距离d2可以设置得尽量短。
43.取决于第一二极管33和第二二极管34的导通或关断状态，该实施例的有源天线系统可以具有三种工作模式。
44.图4是用于说明该实施例的有源天线系统的第一工作模式的示意图。如图4的左半部分所示，通过向第二天线子阵列322的馈送电路3222施加 5伏的直流电压，第一二极管33导通，从而将第一天线子阵列321的馈送电路3212与第二天线子阵列322的馈送电路3222连接。通过向第一天线子阵列321的馈送电路3212施加0伏的直流电压，第二二极管34关断，从而将射频单元与第一天线子阵列321的馈送电路3212断开。该断开可以避免来自馈送电路3222的射频信号经由相应的天线端口被反射回射频单元，从而使天线阵列能够保持正常工作。结果，能够得到如图4的右半部分所示的等效电路。由此可见，在该第一工作模式中，馈送给第二天线子阵列322的射频信号也被馈送给第一天线子阵列321，从而使第一天线子阵列321和第二天线子阵列322接收相同的射频信号。
45.由于第一天线子阵列321和第二天线子阵列322接收相同的射频信号，这相当于第一天线子阵列321和第二天线子阵列322作为整体形成一个较大的天线子阵列，因此与使第
一天线子阵列321和第二天线子阵列322中的一者静默的现有方案相比，该有源天线系统能够实现相同的静默比例。同时，由于在该有源天线系统中第一天线子阵列321和第二天线子阵列322都工作(从而在静默情况下也不造成处于工作状态的天线单元数量的变化)，所以能够避免由于天线单元的减少而导致的天线增益降低。也就是说，在天线阵列所包含的天线单元的数量相同的情况下，与现有的静默方案相比，该实施例的有源天线系统能够在实现相同静默比例的同时获得更好的基站覆盖范围。换一种方式表述，在保持相同的天线增益的情况下，该实施例的有源天线系统在相同的基站覆盖下能够节省或降低无线电功率消耗。
46.图5是用于说明该实施例的有源天线系统的第二工作模式的示意图。如图5的左半部分所示，通过向第二天线子阵列322的馈送电路3222施加0伏的直流电压，第一二极管33关断，从而将第一天线子阵列321的馈送电路3212与第二天线子阵列322的馈送电路3222断开。通过向第一天线子阵列321的馈送电路3212施加0伏的直流电压，第二二极管34关断，从而将射频单元与第一天线子阵列321的馈送电路3212断开。该断开使得第一天线子阵列321不会接收到射频信号。结果，能够得到如图5的右半部分所示的等效电路。由此可见，在该第二工作模式中，在第一天线子阵列321和第二天线子阵列322中只有第二天线子阵列322接收相应的射频信号。因此，取决于具体需求，控制单元可以被配置为通过对第一开关单元和第二开关单元进行控制，而使第一天线子阵列和第二天线子阵列在第一工作模式和第二工作模式之间切换。应注意的是，在第一天线子阵列和第二天线子阵列沿天线阵列的列方向排列的情况下，利用该第二工作模式，由于垂直面的天线单元的数量被减少，导致垂直面的口径减小，所以能够生成更宽的垂直面的合成波束。
47.图6是用于说明该实施例的有源天线系统的第三工作模式的示意图。如图6的左半部分所示，通过向第二天线子阵列322的馈送电路3222施加0伏的直流电压，第一二极管33关断，从而将第一天线子阵列321的馈送电路3212与第二天线子阵列322的馈送电路3222断开。通过向第一天线子阵列321的馈送电路3212施加 5伏的直流电压，第二二极管34导通，从而将射频单元与第一天线子阵列321的馈送电路3212连接。结果，能够得到如图5的右半部分所示的等效电路。由此可见，在该第三工作模式中，第一天线子阵列321和第二天线子阵列322分别接收相应的射频信号。因此，取决于具体需求，控制单元也可以配置为通过对第一开关单元和第二开关单元进行控制，而使第一天线子阵列和第二天线子阵列在第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式之间切换。应注意的是，图4至图6中所示的 5v和0v的电压值仅是示例性的，其并非是对本实用新型进行限制。
48.图7是用于说明根据本实用新型的另一实施例的有源天线系统的结构的示意图。图7的实施例与图3的实施例的区别在于，在图7的实施例中第一天线子阵列和第二天线子阵列沿天线阵列的行方向排列，而在图3的实施例中第一天线子阵列和第二天线子阵列沿天线阵列的列方向排列。与图3类似，图7中也省略了该有源天线系统包含的射频单元，其被配置为生成将要通过天线阵列72发送的射频信号。如图所示，天线阵列72被划分为多个天线子阵列。这多个天线子阵列包括第一天线子阵列721和第二天线子阵列722。第一天线子阵列721包括多个天线单元7211、以及向这多个天线单元7211馈送相应的射频信号的馈送电路7212。第二天线子阵列722包括多个天线单元7221、以及向这多个天线单元7221馈送相应的射频信号的馈送电路7222。
49.如图所示，该有源天线系统还包括第一二极管(例如pin型二极管)73，其被连接在第一天线子阵列721的馈送电路7212与第二天线子阵列722的馈送电路7222之间。通过向第一二极管73的两端施加导通电压或关断电压，第一二极管73能够相应地将第一天线子阵列721的馈送电路7212与第二天线子阵列722的馈送电路7222连接或断开。
50.如图所示，该有源天线系统还包括第二二极管(例如pin型二极管)74，其被连接在射频单元与第一天线子阵列721的馈送电路7212之间。通过向第二二极管74的两端施加导通电压或关断电压，第二二极管74能够相应地将射频单元与第一天线子阵列721的馈送电路7212连接或断开。
51.另外，该有源天线系统还包括通过对第一二极管73的两端和第二二极管74的两端施加相应的导通电压或关断电压，来对其进行控制的控制单元，尽管出于简洁的目的在图7中并未示出该控制单元。可选地，在该有源天线系统中，第一二极管73的一端可以通过四分之一波长线76接地。该控制单元和四分之一波长线76可以与图3的实施例类似地实现，在此不再赘述。
52.应注意的是，本实用新型并不限于上面描述的示例。作为另一示例，每个天线子阵列所包含的天线单元的数量并不限于多个，而是每个天线子阵列包含至少一个天线单元即可。类似地，第一天线子阵列和第二天线子阵列的数量也可以为至少一个。作为又一示例，第一开关单元和第二开关单元并不限于二极管，而是二者中的每一者可以包括下述之一或其组合：二极管，三极管，金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，微机电系统(mems)开关，等等。相应地，控制单元可以通过对其施加相应的控制信号来对其导通或关断操作进行控制。与采用其它开关元件例如(需要偏置电压和控制信号的)三极管的方案相比，采用二极管的方案的设计更简单且更易于进行开关控制。
53.根据上面的描述，本实用新型的第一方面提供了一种如图8所示的有源天线系统80。该有源天线系统80包括射频单元81和天线阵列82。射频单元81被配置为生成将要通过天线阵列82发送的射频信号。天线阵列82被划分为多个天线子阵列。每个天线子阵列包括至少一个天线单元(对于第一天线子阵列821而言，为至少一个天线单元8211；对于第二天线子阵列822而言，为至少一个天线单元8221)，以及向该至少一个天线单元馈送相应的射频信号的馈送电路(对于第一天线子阵列821而言，为馈送电路8212；对于第二天线子阵列822而言，为馈送电路8222)。多个天线子阵列包括第一天线子阵列821和第二天线子阵列822。有源天线系统80还包括第一开关单元83、第二开关单元84和控制单元85。第一开关单元83被配置为选择性地将第一天线子阵列821的馈送电路8212与第二天线子阵列822的馈送电路8222连接或断开。第二开关单元84被配置为选择性地将射频单元81与第一天线子阵列821的馈送电路8212连接或断开。控制单元85被配置为对第一开关单元83和第二开关单元84进行控制。
54.另外，本实用新型的第二方面提供了一种基站，其包括根据上述第一方面所述的有源天线系统。作为示例性的示例，该基站可以是下一代节点b(gnb)。关于该基站的除了有源天线系统以外的其它构成部件，其实现细节对本领域技术人员来说是熟知的，所以在此不再赘述。
55.图9a至9d是示出利用根据本实用新型的实施例的有源天线系统能够获得的不同配置的示意图。如图9a所示，该有源天线系统的天线阵列具有96个天线单元。每个天线单元
具有 /-45
°
极化，因此是双极化的并且具有两个输出。这96个天线单元被划分为32个天线子阵列，每个天线子阵列具有3个天线单元。因此，图9a所示的配置可以被表示为192ae、64tr，其中“ae”的数量是指双极化天线单元的数量的两倍，“tr”表示“发送器/接收器”。由于每个双极化天线单元具有两个输出，因此“tr”的数量为天线子阵列的数量的两倍。
56.图9b示出图9a的天线阵列采用上述第一工作模式时的状态。在该状态下，原先图9a中的32个天线子阵列被合并为16个较大的天线子阵列。因此，图9b所示的配置为192ae、32tr。图9c示出图9a的天线阵列采用上述第二工作模式时的状态。在该状态下，原先图9a中的32个天线子阵列只有一半处于工作状态。因此，图9c所示的配置为96ae、32tr。
57.图9d示出图9a的天线阵列在静默比例为四分之一时的状态。这可以通过使图9c中配置的天线阵列的一半静默来实现。因此，图9d所示的配置为48ae、16tr。由此可见，该实施例的有源天线系统能够针对不同的基站覆盖场景实现不同的天线阵列配置，从而能够适合于不同的基站部署情况。应注意的是，图9a至图9d仅示出了一些示例性的天线阵列配置，因此取决于具体的无线电要求，其它的天线阵列配置也是可能的。
58.除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本实用新型主题所属领域的技术人员所通常理解的相同含义。进一步应理解的是，在通常使用的词典中定义的那些术语应解释为具有与说明书上下文和相关技术中它们的含义一致的含义，并且将不以过于理想化的形式来解释，除非在此另外明确定义。如在此所使用的，将两个或更多部分“耦接”、“连接”或“级联”到一起的陈述应指将这些部分直接结合到一起或通过一个或多个中间部件结合。
59.应理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅仅是为了便于和简化本实用新型的描述，而并非指示或暗示所指的元件、组成部分、或装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
60.应注意的是，在本文中使用术语“说明性”之处，特别是当其位于一组术语之后时，所述“说明性”仅仅是示例性的和阐述性的，而不应当被认为是独占性的。本实用新型的各个方面可以单独或者与一个或多个其它方面组合实施。另外，本文中描述的实施例旨在仅用于说明的目的，而并非旨在限制本实用新型的范围。
61.本公开包括本文中明确地或者以其任何一般化形式公开的任何新颖特征或特征组合。当结合附图阅读时，鉴于上述描述，对本公开的上述实施例的各种修改和适配对于相关领域中的技术人员来说会变得明显。然而，任何和所有修改仍将落入本公开的非限制性和示例性实施例的范围内。