具有部分共享的宽带波束成形阵列的基站天线的制作方法

1.本发明一般地涉及蜂窝通信，并且更具体地，涉及用于具有波束成形阵列的蜂窝通信系统的基站天线。


背景技术：

2.蜂窝通信系统是本领域中众所周知的。在典型的蜂窝通信系统中，地理区域被划分成被称为“小区”的一系列区域，并且每个小区都被基站服务。基站可以包括被配置为提供与位于遍布小区的订户的双向射频(“rf”)通信的基站天线、无线电设备(radio)和基带装备。通常，基站天线包括辐射元件的多个相位受控制的阵列，其中当安装好天线以供使用时，这些辐射元件被布置成一个或多个垂直延伸的列。这些垂直延伸的列经常被称为线性阵列。每个线性阵列产生天线波束，或者，如果线性阵列是使用双极化辐射元件形成的，则形成在两个正交极化中的每个极化处的天线波束。
3.由线性阵列(或者由用于传输公共rf信号的多个线性阵列)形成的天线波束经常由这些天线波束的在所谓的方位面和仰角面(elevation plane)中的半功率波束宽度(“hpbw”)表征。方位面是指将基站天线二等分并与由水平线限定的平面平行的水平面。仰角面是指将基站天线二等分并与方位面垂直的垂直面。本文中，“水平”是指与由水平线限定的平面大体上平行的方向，并且“垂直”是指相对于由水平线限定的平面大体上垂直的方向。
4.随着对蜂窝服务的需求已增长，蜂窝运营商已升级它们的网络以增加容量并支持新一代的服务。当引入这些新服务时，通常必须维持现有的“旧有”服务以支持旧有的移动设备。因此，随着新服务的引入，必须部署新的蜂窝基站，或是必须升级现有的蜂窝基站以支持新服务。为了降低成本，许多蜂窝基站支持两种、三种、四种或更多种不同类型或代的蜂窝服务。然而，由于地方分区条例和/或重量和风荷载约束，经常存在对可以部署在给定基站处的基站天线的数量的限制。为了减少天线的数量，许多运营商部署了所谓的“多频带”天线，该“多频带”天线在多种频带中进行通信以支持多种不同的蜂窝服务。
5.蜂窝运营商当前正在部署将支持所谓的第五代蜂窝服务的装备，该第五代蜂窝服务通常被称为“5g”服务。5g服务的一个方面是部署包括一个或多个波束成形阵列的基站天线。波束成形阵列是指能够产生可以在所期望的方向上被电子地操纵的窄化的天线波束的辐射元件的多列阵列。在大多数5g实现方式中，波束成形阵列中的辐射元件的每列都连接到波束成形无线电设备的单独端口(或者，如果使用双极化辐射元件，则连接到波束成形无线电设备的两个端口)。波束成形无线电设备可以基于基带数据流来产生rf信号，并且然后可以将这个rf信号划分成多个子分量(即，与特定极化相关联的每个无线电设备端口的子分量)。rf信号的每个子分量被馈送到波束成形阵列中的辐射元件的列中的相应一列。可以在无线电设备中设置每个子分量的幅度和/或相位，使得由辐射元件的每列形成的单独的天线波束建设性地组合，以在方位面中产生具有较高增益和窄化的波束宽度的更聚焦的复合天线波束。子分量的幅度和/或相位也可以被控制，使得复合天线波束的主瓣(即，天线波
束的具有最高增益的部分)将指向方位面中的所期望方向。换句话说，波束成形阵列能够产生更高聚焦、更高增益的天线波束，以及可以电子地扫描这些天线波束以指向方位面中的不同方向。此外，可以按时分双工传输方案以逐个时隙为基础改变天线波束的形状和/或指向方向，以便在每个时隙期间增加沿所选择的用户的方向上的天线增益。与传统的第四代基站天线相比，包括波束成形阵列的基站天线可以支持显著更高的吞吐量。


技术实现要素：

6.按照本发明的实施例，提供了包括多列、多频带、纵向延伸的波束成形阵列的基站天线。这些波束成形阵列包括第一辐射元件的第一子阵列、第二辐射元件的第二子阵列以及第三辐射元件的第三子阵列。第一辐射元件被配置为在第一频带中操作，第二辐射元件被配置为在与第一频带不同的第二频带中操作，以及第三辐射元件被配置为在第一频带和第二频带二者中操作。第一子阵列至第三子阵列中的每一个具有相同数量的列。第一子阵列的宽度超过第三子阵列的宽度，以及第三子阵列的宽度超过第二子阵列的宽度。
7.在一些实施例中，所述第三子阵列位于所述第一子阵列和所述第二子阵列之间。
8.在一些实施例中，所述第一子阵列的第一列中的第一辐射元件之间的纵向方向上的平均间距超过所述第三子阵列的第一列中的第三辐射元件之间的纵向方向上的平均间距。在一些实施例中，所述第三子阵列的第一列中的第三辐射元件之间的纵向方向上的平均间距超过所述第二子阵列的第一列中的第二辐射元件之间的纵向方向上的平均间距。
9.在一些实施例中，第二辐射元件具有与第三辐射元件相同的设计，但具有与第一辐射元件不同的设计。在其它实施例中，第一辐射元件具有与第二辐射元件和第三辐射元件不同的设计，以及第二辐射元件具有与第三辐射元件不同的设计。
10.在一些实施例中，所述第一频带处于低于所述第二频带的频率处。
11.在一些实施例中，第一辐射元件中的至少一些第一辐射元件被配置为接收第一频带rf信号的比第三辐射元件中的至少一些第三辐射元件接收到的子分量更高功率的子分量。在一些实施例中，第二辐射元件中的至少一些第二辐射元件被配置为接收第二频带rf信号的比第三辐射元件中的至少一些第三辐射元件接收到的子分量更高功率的子分量。
12.按照本发明的实施例，提供了包括多列、多频带波束成形阵列的基站天线，该多列、多频带波束成形阵列包括第一辐射元件的第一子阵列、第二辐射元件的第二子阵列以及第三辐射元件的第三子阵列。第一子阵列中的列之间的第一平均距离不同于第二子阵列中的列之间的第二平均距离，或者第一子阵列的第一列中的相邻第一辐射元件之间的第一平均垂直间距不同于第二子阵列的第一列中的相邻第二辐射元件之间的第二平均垂直间距。
13.在一些实施例中，所述第一平均距离不同于所述第二平均距离。
14.在一些实施例中，所述第一平均距离不同于所述第三子阵列中的列之间的第三平均距离。
15.在一些实施例中，第一辐射元件被配置为在第一频带中操作，第二辐射元件被配置为在与所述第一频带不同的第二频带中操作，以及第三辐射元件被配置为在所述第一频带和所述第二频带二者中操作。
16.在一些实施例中，所述第三平均距离不同于所述第二平均距离。
17.在一些实施例中，所述第一平均距离超过所述第二平均距离。
18.在一些实施例中，所述第三平均距离超过所述第二平均距离。
19.在一些实施例中，所述第一平均垂直间距不同于所述第二平均垂直间距。
20.在一些实施例中，所述第一平均垂直间距不同于所述第三子阵列的第一列中的相邻第三辐射元件之间的第三平均垂直间距。
21.在一些实施例中，第一辐射元件被配置为在第一频带中操作，第二辐射元件被配置为在与所述第一频带不同的第二频带中操作，以及第三辐射元件被配置为在所述第一频带和所述第二频带二者中操作。
22.在一些实施例中，所述第三平均垂直间距不同于所述第二平均垂直间距。
23.在一些实施例中，所述第一平均垂直间距超过所述第三平均垂直间距。
24.在一些实施例中，所述第三平均垂直间距超过所述第二平均垂直间距。
25.在一些实施例中，第一辐射元件具有与第二辐射元件相同的设计，但具有与第三辐射元件不同的设计。
26.在一些实施例中，第三辐射元件具有与第二辐射元件相同的设计，但具有与第一辐射元件不同的设计。
27.在一些实施例中，第一辐射元件具有与第二辐射元件和第三辐射元件不同的设计，以及其中，第二辐射元件具有与第三辐射元件不同的设计。
附图说明
28.图1a-图1c是各自支持两个不同频带中的波束成形的若干个传统基站天线的示意性前视图(其中天线罩被移除)。
29.图2a是根据本发明的实施例的基站天线的立体图。
30.图2b是图2a的基站天线的天线组件的示意性前视图。
31.图2c是被包括在图2a-图2b的基站天线中的部分共享的、多频带、多列波束成形阵列的放大示意性前视图。
32.图2d是被包括在图2a-图2b的基站天线中的部分共享的、多频带、多列波束成形阵列的另一放大示意性前视图，其图示了该波束成形阵列的不同子阵列中的辐射元件的水平和垂直间距。
33.图2e是图2c的部分共享的波束成形阵列的馈送网络的框图。
34.图3是可以被用于取代图2a-图2e的基站天线的多频带波束成形阵列的根据本发明的进一步实施例的多频带波束成形阵列的示意性前视图。
35.图4是根据本发明的又进一步实施例的包括两个不同子阵列的多频带波束成形阵列的示意性前视图。
36.图5是根据本发明的又进一步实施例的具有包括仅两个子阵列的多频带波束成形阵列的基站天线的示意性前视图。
具体实施方式
37.蜂窝运营商正在部署越来越多的包括波束成形阵列的基站天线，以便支持5g蜂窝服务。许多蜂窝运营商正在部署包括在2.3-2.69ghz频带(本文中的“t-频带”)或其一部分
中操作的多列波束成形阵列以及在3.3-4.2ghz频带(本文中的“s-频带”)或其一部分中操作的多列波束成形阵列的基站天线。通常，这些波束成形阵列各自包括四列辐射元件，尽管可以使用更多的列(例如，八列、十六列或甚至三十二列的辐射元件)。
38.在单个基站天线中包括t-频带和s-频带波束成形阵列二者同时还满足蜂窝运营商对基站天线的最大宽度和长度的要求可以是有挑战性的。尽管这些要求可以基于蜂窝运营商、管辖范围和天线将被部署的位置而不同，但存在其中基站天线的宽度必须不超过498mm或不超过430mm的许多情形，以及还存在其中天线的长度必须为1500mm或更小的情形。另外，在某些情形下，基站天线还必须包括在617-960mhz频带的部分或全部中操作的“低频带”辐射元件的线性阵列和/或在1427-2690mhz频带的部分或全部中操作的“中频带”辐射元件的线性阵列。
39.已提出了用于提供包括t-频带和s-频带波束成形阵列二者的基站天线的若干个解决方案。图1a-图1c分别是图示了这些传统解决方案的基站天线100a-100c的示意性前视图(其中天线罩被省略)。
40.如图1a中所示，在第一解决方案中，通常将t-频带和s-频带波束成形阵列垂直地堆叠在基站天线100a的反射器114的中央区域中。基站天线100a包括被配置为在617-960mhz频带或其一部分中操作的低频带辐射元件124的低频带线性阵列120-1、120-2对。在本文中，当多个相同的元件被包括在天线中时，这些元件可以通过它们的完整参考标号(例如，线性阵列120-2)被独立地指代，以及通过它们的参考标号的第一部分(例如，线性阵列120)被集体地指代。基站天线100a还包括被配置为在1427-2690mhz频带的全部或部分中操作的中频带辐射元件134的中频带线性阵列130-1、130-2对。第一中频带线性阵列130-1位于第一低频带线性阵列120-1和反射器114的第一侧边缘之间，以及第二中频带线性阵列130-2位于第二低频带线性阵列120-2和反射器114的第二侧边缘之间。t-频带波束成形阵列140包括被配置为在2300-2690mhz频带中的一些或全部中操作的t-频带辐射元件144的四列142-1至142-4，以及位于低频带辐射元件的第一线性阵列120-1的下部部分和第二线性阵列120-2的下部部分之间。s-频带波束成形阵列150包括被配置为在3300-4200mhz频带中的一些或全部中操作的s-频带辐射元件154的四列152-1至152-4，以及位于低频带辐射元件的第一线性阵列120-1的上部部分和第二线性阵列120-2的上部部分之间。图1a的基站天线100a可以容易地被实现为具有小于498mm的宽度，并且甚至可以满足430mm的宽度要求。然而，除非非常少量的辐射元件被包括在波束成形阵列140、150的列142、152中的每列中，否则图1a的基站天线100a将具有超过1500mm限制的长度，这通常是不可接受的，因为这样的波束成形阵列140、150的仰角波束宽度将太大。
41.参照图1b，在第二解决方案中，提供了基站天线100b，该基站天线100b包括以并排方式布置的t-频带波束成形阵列140和s-频带波束成形阵列150。t-频带波束成形阵列140和s-频带波束成形阵列150可以与图1a的带类似标号的波束成形阵列相同，并且因此将省略对其进一步的描述。如图1b中所示，这个解决方案通常允许基站天线100b满足天线长度的1500mm限制，但如果要满足天线宽度的498mm限制，则没有为低频带线性阵列120和中频带线性阵列130留出空间。
42.如图1c中所示，在第三解决方案中，提供了基站天线100c，该基站天线100c包括既充当t-频带波束成形阵列又充当s-频带波束成形阵列的单个、多频带、多列波束成形阵列
160。使用跨整个2300-4200mhz频带(本文中的“q-频带”)操作的宽带辐射元件164来实现波束成形阵列160。在基站天线100c中提供双工器(未示出)，该双工器允许t-频带和s-频带无线电设备二者耦合到共享的波束成形阵列160。基站天线100c还包括可以使用相同元件实现的、并且可以位于反射器114上的相同位置中的低频带线性阵列120-1、120-2对和中频带线性阵列130-1、130-2对，如同基站天线100a的带类似标号的线性阵列一样(尽管与基站天线100a中的对应阵列相比，这些阵列120、130被示出为具有更少的辐射元件124、134)。使用共享的波束成形阵列160允许基站天线100c满足498mm宽度要求和1500mm长度要求二者。然而，双工器的使用增加了基站天线100c的插入损耗，这降低了天线增益，并且因此降低了t-频带和s-频带二者处的可支持的吞吐量。另外，波束成形阵列中的列之间的间隔(即，辐射元件的相邻垂直定向的线性阵列之间的水平距离)通常被设置为该阵列的操作频带的中心频率的波长的约一半。共享的波束成形阵列160在两个相对宽的不同的频带处操作，并且因此共享的波束成形阵列160中的辐射元件164的相邻列162之间的间隔不能被设置在两个频带的优化距离处，其导致了劣化的性能。
43.按照本发明的实施例，提供了包括多频带、多列波束成形阵列的基站天线，该多频带、多列波束成形阵列具有至少三个不同的多列子阵列。第一子阵列可以包括被配置为在第一频带中操作的多列第一辐射元件，第二子阵列可以包括被配置为在与第一频带不同的第二频带中操作的多列第二辐射元件，以及第三子阵列可以包括被配置为在第一频带和第二频带二者中操作的多列第三辐射元件。第一子阵列和第三子阵列可以一起形成在第一频带中操作的第一波束成形阵列，以及第二子阵列和第三子阵列可以一起形成在第二频带中操作的第二波束成形阵列。基站天线还包括允许用于第一频带和第二频带中的每一个的波束成形无线电设备共享第三辐射元件的多个双工器。在示例实施例中，第一子阵列和第三子阵列可以一起形成t-频带波束成形阵列，以及第二子阵列和第三子阵列可以一起形成s-频带波束成形阵列。
44.在其中多频带波束成形阵列支持t-频带处和s-频带处的波束成形的示例实施例中，第一子阵列中的第一辐射元件可以在水平和/或垂直方向上彼此间隔开可以被选择为允许优化t-频带通信的天线波束旁瓣性能和波束成形的量。同样地，第二子阵列中的第二辐射元件可以在水平和/或垂直方向上彼此间隔开可以被选择为允许优化s-频带通信的天线波束旁瓣性能和波束成形的量。第三子阵列中的第三辐射元件可以在水平和/或垂直方向上彼此间隔开可以被选择为在t-频带和s-频带性能之间折衷的量。
45.由于辐射元件的列之间的水平间距的差异，第一子阵列至第三子阵列的宽度可以不同。例如，第一子阵列可以比第三子阵列更宽，以及第三子阵列可以比第二子阵列更宽。
46.根据本发明的实施例的多频带波束成形阵列可以适合在许多蜂窝运营商设置的宽度和长度约束内。可以基于例如天线的反射器上的多频带波束成形阵列可用的面积来设置被包括在第三子阵列中的辐射元件的数量，其中被包括在第三子阵列中的辐射元件越多，可用的面积的量越小。由于第一辐射元件可以在水平和垂直方向上彼此间隔开被设计为优化t-频带处的性能的量，以及第二辐射元件可以在水平和垂直方向上彼此间隔开被设计为优化s-频带处的性能的量，因此多频带阵列可以表现出良好的波束成形和旁瓣抑制性能。此外，由于仅在第三辐射元件上需要双工器，因此与(具有连接到所有辐射元件的双工器以及因此遭受更高损耗的)图1c的基站天线100c的插入损耗相比，该天线的插入损耗可
以减小。
47.在一些实施例中，第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列中的辐射元件可以在水平方向和垂直方向中的任一者或二者上间隔开不同的量。例如，在一些实施例中，第一子阵列中的列可以彼此间隔开第一平均距离，第二子阵列中的列可以彼此间隔开第二平均距离，以及第三子阵列中的列可以彼此间隔开第三平均距离。第一平均距离可以超过第三平均距离，以及第三平均距离可以超过第二平均距离。作为另一示例，第一子阵列的列中的垂直相邻的第一辐射元件可以具有第一平均垂直间距，第二子阵列的列中的垂直相邻的第二辐射元件可以具有第二平均垂直间距，以及第三子阵列的列中的垂直相邻的第三辐射元件可以具有第三平均垂直间距。在一些实施例中，第一平均垂直间距可以超过第三平均垂直间距，以及第三平均垂直间距可以超过第二平均垂直间距。
48.现在，将参照图2a-图5更详细地讨论根据本发明的实施例的具有多频带波束成形阵列的示例基站天线。
49.图2a是根据本发明的某些实施例的基站天线200的立体图。图2b是图2a的基站天线200的天线组件210的示意性前视图。图2c和图2d是被包括在图2a-图2b的基站天线200中的部分共享的多频带、多列波束成形阵列260的放大示意性前视图。图2e是图2c-图2d的部分共享的波束成形阵列260的馈送网络的框图。
50.如图2a中所示，基站天线200是沿着纵轴l延伸的细长结构。基站天线200可以具有大体上矩形截面的管状形状。天线200包括天线罩202和顶部端盖204。可以在天线200的后侧上设置一个或多个安装支架(未示出)，该一个或多个安装支架可以用于将天线200安装到例如天线塔架上的天线座架(未示出)上。天线200还包括底部端盖206，该底部端盖206包括被安装在其中的多个rf连接器端口208。rf连接器端口208可以经由线缆连接(未示出)连接到一个或多个无线电设备的对应端口。当天线200被安装用于正常操作时，天线200通常是以垂直配置安装的(即，纵轴l可以大体上垂直于由水平线限定的平面)。天线罩202、顶部盖204和底部盖206可以形成天线200的外部壳体。天线组件210(图2b)被包含在壳体内。天线组件210可以通常在底部盖206被附接到天线罩202之前被从底部可滑动地插入天线罩202中。
51.如图2b中所示，天线组件210包括背板212，该背板212包括反射器214。反射器214可以包括金属片材，该金属片材用作安装在其上的辐射元件(下面讨论)的接地平面，以及还起到使由这些辐射元件发射的大量向后定向的辐射重新向前定向的作用。
52.还如图2b中所示，基站天线200包括低频带辐射元件224的两个低频带线性阵列220-1、220-2和中频带辐射元件234的两个中频带线性阵列230-1、230-2。每个低频带辐射元件224被安装为从反射器214向前延伸，并且可以被配置为发送和接收在617-960mhz频带或其一部分中的rf信号。类似地，每个中频带辐射元件234被安装为从反射器214向前延伸，并且可以被配置为发送和接收在1427-2690mhz频带或其一部分中的rf信号。第一中频带线性阵列230-1位于第一低频带线性阵列220-1和反射器214的第一侧边缘之间，以及第二中频带线性阵列230-2位于第二低频带线性阵列220-2和反射器214的第二侧边缘之间。
53.基站天线200还包括包含辐射元件的四列262-1至262-4的部分共享的、多频带、多列波束成形阵列260。相邻列262在垂直方向上相对于彼此交错，以便减少相邻列262中的辐射元件之间的耦合。部分共享的波束成形阵列260位于低频带辐射元件的第一线性阵列
220-1和低频带辐射元件的第二线性阵列220-2的下部和中间部分之间。部分共享的波束成形阵列260包括各自被配置为在相应的不同(尽管在一些情况下是重叠的)频带中操作的至少三个子阵列270、280、290。这些子阵列270、280、290可以各自具有在例如辐射元件的列之间的水平间距、列中的辐射元件之间的垂直间距和/或被包括在子阵列中的辐射元件的类型方面的不同的配置。图2c是图2b的部分共享的波束成形阵列260的放大视图。
54.如图2c中所示，第一子阵列270包括t-频带辐射元件274的四列272-1至272-4。在所描绘的实施例中，每列272包括两个t-频带辐射元件274，但将理解的是，在其他实施例中，取决于例如基站天线200的期望的仰角波束宽度和长度，在每列272中可以包括多于两个t-频带辐射元件274。每个t-频带辐射元件274可以被配置为在2300-2690mhz频带中的一些或全部中操作。
55.第二子阵列280包括s-频带辐射元件284的四列282-1至282-4。在所描绘的实施例中，每列282包括两个s-频带辐射元件284，但将理解的是，在其他实施例中，在每列282中可以包括多于两个s-频带辐射元件284。每个s-频带辐射元件284可以被配置为在3300-4200mhz频带中的一些或全部中操作。
56.第三子阵列290包括q-频带辐射元件294的四列292-1至292-4。在所描绘的实施例中，每列292包括四个q-频带辐射元件294，但将理解的是，在其他实施例中，在每列292中可以包括多于或少于四个q-频带辐射元件294。每个q-频带辐射元件294可以被配置为在2300-4200mhz频带中的一些或全部中操作。每个q-频带辐射元件294可以连接到双工器，使得可以向其馈送t-频带和s-频带rf信号二者，如将在下面参照图2e更详细解释的。
57.第一子阵列270和第三子阵列290一起形成t-频带波束成形阵列240。第二子阵列280和第三子阵列290一起形成s-频带波束成形阵列250。因而，多频带波束成形阵列260通过共享跨两个单频带波束成形阵列的第三子阵列290的辐射元件，实现了两个单频带波束成形阵列，即，t-频带波束成形阵列240和s-频带波束成形阵列250。
58.辐射元件274、284、294被分别成对地安装在馈送板276、286、296上。如本领域中已知的，馈送板是上面可以安装有一个或多个辐射元件的印刷电路板或等同结构。每个馈送板276、286、296被配置为从用于阵列260的馈送网络的其他元件接收rf信号，以将每个接收到的rf信号分成子分量，以及将每个子分量传递到安装在馈送板276、286、296上的辐射元件274、284、294中的相应的一个。
59.第一子阵列至第三子阵列270、280和290可以大体上沿着垂直轴l排列，其中第三子阵列290位于第一子阵列270和第二子阵列280之间。尽管t-频带辐射元件274的第一子阵列270被图示为在q-频带辐射元件294的第三子阵列290的下方并且s-频带辐射元件284的第二子阵列280被图示为在q-频带辐射元件294的第三子阵列290的上方，但将理解的是，在其他实施例中，第一子阵列270和第二子阵列280的位置可以被颠倒。
60.如图2c中所示，在一些实施例中，可以使用不同类型的辐射元件来实现每个子阵列270、280、290。例如，可以使用被配置为发送和接收在2300-2690mhz频带中的rf信号的t-频带辐射元件274来实现第一子阵列270，可以使用被配置为发送和接收在3300-4200mhz频带中的rf信号的s-频带辐射元件284来实现第二子阵列280，以及可以使用被配置为发送和接收在2300-4200mhz频带中的rf信号的q-频带辐射元件294来实现第三子阵列290。
61.被包括在基站天线200中的每个辐射元件224、234、274、284、294可以是包括第一
极化辐射器和第二极化辐射器的双极化辐射元件。例如，每个辐射元件224、234、274、284、294可以是交叉偶极辐射元件，该交叉偶极辐射元件包括倾斜-45
°
的偶极辐射器和倾斜 45
°
度的偶极辐射器。然而，将理解的是，在其他实施例中，可以使用不同类型的辐射元件来实现阵列220、230、260中的任一个(以及关于本文所公开的所有实施例都是这样)。因而，例如，在其他实施例中，辐射元件224、234、274、284、294可以被实现为贴片辐射元件、缝隙辐射元件、喇叭辐射元件或任何其它合适的辐射元件，并且这些辐射元件可以是单极化或双极化的辐射元件。
62.图2d是部分共享的波束成形阵列260的另一放大示意性前视图，其图示了不同子阵列中的辐射元件可以如何在水平和/或垂直方向上彼此间隔开可以被选择为更好地优化t-频带和s-频带通信二者的天线波束旁瓣性能和波束成形的量。
63.如图2d中所示，第一(t-频带)子阵列270的相邻列272之间的距离被定义为图2d中的距离hs1，并且第一子阵列270的每列272中的相邻t-频带辐射元件274之间的垂直间距被定义为图2d中的距离vs1。类似地，第二(s-频带)子阵列280的相邻列282之间的距离被定义为距离hs2，并且第二子阵列280的每列282中的相邻s-频带辐射元件284之间的垂直间距被定义为vs2，以及第三(q-频带)子阵列290的相邻列292之间的距离被定义为距离hs3，并且第三子阵列290的每列292中的相邻q-频带辐射元件294之间的垂直间距被定义为距离vs3。按照本发明的实施例，距离/间距hs1、vs1、hs2、vs2、hs3、vs3可以被设置为使得与被包括在图1c的常规基站电线中的共享的波束成形阵列160相比，部分共享的波束成形阵列260可以提供改善的性能。
64.尤其是，如以上讨论的，当波束成形阵列的列被分开与通过波束成形阵列发送和接收的rf信号的中心频率的波长的约一半对应的距离时，优化的波束成形性能通常被实现。将列间隔开约一半波长还有助于抑制旁瓣，以及尤其是当天线波束以大扫描角度被电子地扫描时，有助于抑制栅瓣。因为需要更小的倾斜角，所以波束成形阵列的每列中的辐射元件通常间隔开小于通过波束成形阵列发送和接收的rf信号的中心频率的0.9个波长。然而，在一些应用中，波束成形阵列的每列中的辐射元件可以更紧密地间隔开(小于0.9个波长)，诸如其中需要三维波束成形的大规模mimo应用之类。由于波束成形阵列260包括三个不同的子阵列270、280、290，其中仅一个跨t-频带和s-频带二者被共享，因此第一子阵列270中的辐射元件274可以按对于t-频带通信理想的方式在水平和垂直方向上彼此间隔开，以及第二子阵列280中的辐射元件284可以按对于s-频带通信理想的方式在水平和垂直方向上彼此间隔开。如此，与被包括在图1c的常规基站天线中的共享的波束成形阵列160相比，波束成形阵列260可以表现出改善的性能。
65.在一个示例实施例中，第一(t-频带)子阵列270的相邻列272之间的距离hs1可以为60mm，并且第一子阵列270的每列272中的相邻t-频带辐射元件274之间的垂直间距vs1可以为95mm。在这个实施例中，第二(s-频带)子阵列280的相邻列282之间的距离hs2可以为40mm，并且第二子阵列280的每列282中的相邻s-频带辐射元件284之间的垂直间距vs2可以为70mm，以及第三(q-频带)子阵列290的相邻列292之间的距离hs3可以为46mm，并且第三子阵列290的每列292中的相邻q-频带辐射元件294之间的垂直间距vs3可以为75mm。
66.在图2d中示出了两个附加的垂直间距，即，作为每列262中的最高t-频带辐射元件274与该列262中的最低q-频带辐射元件294之间的中心到中心垂直间距的垂直间距vs4，以
及作为每列262中的最低s-频带辐射元件284与该列262中的最高q-频带辐射元件294之间的中心到中心垂直间距的垂直间距vs5。通常，垂直间距vs4被设置为与vs1近似或相等，以及垂直间距vs5被设置为与vs2近似或相等，尽管也可以使用其他值。将垂直间距vs4和vs5设置为这些值可以帮助平衡t-频带和s-频带二者处的仰角图。
67.将理解的是，在其它实施例中，上述距离可以不同。下面的表1示出了在本发明的其它实施例中可以用于实现部分共享的波束成形阵列260的各种水平和垂直距离hs1、vs1、hs2、vs2、hs3、vs3的范围。
68.表1
69.参数范围(mm)hs157-63vs190-100hs237-43vs265-75hs343-49vs370-80
70.还将理解的是，对于相应子阵列270、280、290上的每对列，每个子阵列270、280、290中的相邻列之间的距离hs1、hs2、hs3不一定需要完全相同。例如，第一子阵列270的第一列272-1和第二列272-2可以分开第一水平距离(例如，57mm)，第一子阵列270的第二列272-2和第三列272-3可以分开第二水平距离(例如，58mm)，以及第一子阵列270的第三列272-3和第四列272-4可以分开第一水平距离(在这个示例中，57mm)。因而，本文参照的是子阵列中的相邻列之间的平均距离。在以上示例中，第一子阵列270中的相邻列之间的平均距离将为57.33mm。同样将理解的是，各个子阵列270、280、290的列中的相邻辐射元件之间的垂直间距vs1、vs2、vs3也不一定需要完全相同。尤其是，特定子阵列的特定列中的相邻辐射元件之间的垂直间距不需要完全相同，特定子阵列的不同列中的相邻辐射元件之间的垂直间距也不必须完全相同。因而，本文中也参照子阵列的相应列中的相邻辐射元件之间的平均垂直间距。通过计算子阵列的每列中的相邻辐射元件之间的平均垂直间距并然后取这些平均垂直间距的平均值来确定这个平均垂直间距(假设讨论中的子阵列中的所有列都具有相同数量的辐射元件)。
71.第一子阵列至第三子阵列270、280、290中的每一个可以具有相应的宽度w1、w2、w3，其中，宽度w1、w2、w3对应于子阵列的最左列中的辐射元件的最左侧部分与子阵列的最右列中的辐射元件的最右侧部分之间的水平距离。这些宽度w1、w2、w3在图2d中被图形地示出。如图2d中所示，在一些实施例中，w1》w3》w2。
72.图2e是用于基站天线200的部分共享的波束成形阵列260的馈送网络263的框图。如以上讨论的，波束成形阵列260包括双极化辐射元件。为了简化附图，图2e仅图示了用于一个极化的馈送网络263的部件。将理解的是，将针对第二极化重复图2e中示出的所有元件(除了双极化辐射元件和馈送板之外)。
73.如图2e中所示，波束成形阵列260中的辐射元件的每列262可以被视为包括t-频带阵列240的辐射元件的列242和s-频带阵列250的辐射元件的列252。t-频带阵列240的辐射元件的每列242包括第一子阵列270的对应列272中包括的t-频带辐射元件274以及第三子
阵列290的对应列292中包括的q-频带辐射元件294。类似地，s-频带阵列250的辐射元件的每列252包括第二子阵列280的对应列282中包括的s-频带辐射元件284以及第三子阵列290的对应列292中包括的q-频带辐射元件294。
74.馈送网络263的馈送波束成形阵列260的每列262的部件可以是相同的。因而，将仅描述馈送网络263的馈送阵列260的第一列262-1的部件。如图2e中所示，波束成形阵列260的第一列262-1由基站天线200的t-频带rf连接器端口和s-频带rf连接器端口二者(这些rf连接器端口是图2a中示出的rf连接器端口208中的两个)馈送。
75.t-频带rf连接器端口与第一t-频带移相器组件264-1耦合，该第一t-频带移相器组件264-1可以将通过t-频带rf端口输入的t-频带rf信号划分成在第一t-频带移相器组件264-1的三个输出处输出的三个子分量。第一t-频带移相器组件264-1的第一输出(经由馈送板276)耦合到被包括在第一列262-1中的两个t-频带辐射元件274。第一t-频带移相器组件264-1的第二输出(经由下部馈送板296-1)耦合到被包括在第一列262-1中的下部两个q-频带辐射元件294。第一t-频带移相器组件264-1的第三输出(经由上部馈送板296-2)耦合到被包括在第一列262-1中的上部两个q-频带辐射元件294。第一双工器(“d”)268被插入在第一t-频带移相器组件264-1的第二输出和下部馈送板296-1之间，以及第二双工器268被插入在第一t-频带移相器组件264-1的第三输出和上部馈送板296-2之间。除了将t-频带rf信号细分为三个子分量之外，第一t-频带移相器组件264-1还以本领域技术人员很好理解的方式赋予跨三个子分量的相位锥度，以便向由列262-1响应于t-频带rf信号而生成的t-频带天线波束赋予所期望的电子下倾的量。移相器组件264-1可以是可调移相器组件，使得可以通过改变移相器组件264-1的设置来改变电子下倾的量。
76.s-频带rf连接器端口耦合到第一s-频带移相器组件266-1，该第一s-频带移相器组件266-1可以将通过s-频带rf端口输入的s-频带rf信号划分成在第一s-频带移相器组件266-1的三个输出处输出的三个子分量。第一s-频带移相器组件266-1的第一输出(经由馈送板286)耦合到被包括在第一列262-1中的两个s-频带辐射元件284。第一s-频带移相器组件266-1的第二输出(经由上部馈送板296-2)耦合到被包括在第一列262-1中的上部两个q-频带辐射元件294。第一s-频带移相器组件266-1的第三输出(经由下部馈送板296-1)耦合到被包括在第一列262-1中的下部两个q-频带辐射元件294。双工器268允许在t-频带rf端口和s-频带rf端口二者处输入的rf信号被馈送到q-频带辐射元件294，并分开在q-频带辐射元件294处接收到的rf信号，使得t-频带rf信号被传递到t-频带rf端口以及使得s-频带rf信号被传递到s-频带rf端口，如本领域中很好理解的。除了将s-频带rf信号细分为三个子分量之外，第一s-频带移相器组件266-1可以是可以赋予跨三个子分量的相位锥度的可调移相器组件，以便向由列262-1响应于s-频带rf信号而生成的s-频带天线波束赋予所期望的电子下倾的量。
77.通常，rf信号的被馈送到波束成形阵列的每列中间的辐射元件的子分量具有比rf信号的被馈送到每列的顶部和底部附近的辐射元件的子分量更大的幅度。配置每列的中间附近的辐射元件以接收rf信号的较高幅度的子分量可以有利地提供更好的旁瓣抑制，而方向性和增益没有劣化。可以通过在图2e中示出的移相器组件264、266中使用不相等的功分器来完成这种不相等的功率分流。然而，在根据本发明的一些实施例的部分共享的波束成形阵列中，共享的辐射元件可以被馈送有相对较低功率的子分量，以便最小化归因于被包
括在到共享的辐射元件294的馈送路径上的双工器268的插入损耗。在一些实施例中，rf信号的传递到波束成形阵列的非共享的辐射元件274、284的至少一些子分量可以具有比rf信号的传递到波束成形阵列的共享的辐射元件294的至少一些子分量更大的幅度。这可以通过减少插入损耗来改善波束成形阵列的性能。
78.将理解的是，基站天线200图示了本发明的实施例的一个具体示例，并且可以以许多方式修改。例如，在图2b-图2e中，波束成形阵列260被示出为包括辐射元件的四列262，将理解的是，可以使用其他数量的列。例如，在其他实施例中，波束成形阵列可以包括八列、十二列、十六列或三十二列。作为另一示例，在图2b-图2e中，每个t-频带子阵列270包括每列两个辐射元件274，每个s-频带子阵列280包括每列两个辐射元件284，以及每个q-频带子阵列290包括每列四个辐射元件294。将理解的是，每列262的每种类型的辐射元件274、284、294的数量可以基于除了别的之外，还有t-频带和s-频带天线波束的仰角波束宽度的要求以及反射器214上的用于波束成形阵列260的可用空间的量而变化。例如，如果需要较窄的仰角波束宽度，那么可以增加每列辐射元件的数量。就反射器214上的空间可用而言，可以添加附加的辐射元件作为附加的t-频带和s-频带辐射元件，以便(1)减少双工器损耗以及(2)具有在水平和垂直方向上以优化距离与其它辐射元件间隔开的尽可能多的辐射元件。也将理解的是，移相器组件264、266可以具有不同数量的输出，并且移相器组件264、266的每个输出可以馈送任何数量的辐射元件(例如，一个、两个、三个等)。
79.还将理解的是，根据本发明的实施例的波束成形阵列可以在除了t-频带和s-频带之外的其他频带中操作。可以使用任何两个频带。作为示例，可以用在2.1-2.3ghz频带中操作的辐射元件来取代基站天线200中的t-频带辐射元件274，s-频带辐射元件284可以被设计为在3.3-3.8ghz频带中操作，以及可以用在2.1-3.8ghz频带中操作的辐射元件来取代q-频带辐射元件294，以提供具有在2.1-2.3ghz频带中操作的第一波束成形阵列和在3.3-3.8ghz频带中操作的第二波束成形阵列的基站天线。可以使用频带的许多其他组合。
80.图3是可以被用于取代图2a-图2b的基站天线200的多频带波束成形阵列260的根据本发明的进一步实施例的多频带波束成形阵列360的示意性前视图。
81.如通过比较图2c和图3可以看出的，波束成形阵列360可以与波束成形阵列260非常类似。这两个波束成形阵列260、360之间的主要区别在于，在波束成形阵列360中，与使用s-频带辐射元件284不同，第二子阵列380是使用q-频带辐射元件294形成的。各种距离/间距hs1、vs1、hs2、vs2、hs3、vs3、vs4、vs5可以与以上参照波束成形阵列260所讨论的相同。在波束成形阵列260中使用三种不同类型的辐射元件274、284、294可以具有某些优点，因为其允许针对辐射元件的预期的操作频带来优化每个辐射元件。因而，例如，如在波束成形阵列260中所做的，使用s-频带辐射元件284来实现第二子阵列280可以帮助最小化s-频带波束成形阵列260的回波损耗。然而，另一考虑是，每种不同类型的辐射元件具有不同的相位中心。当执行波束成形时，所得的辐射图是个体辐射元件的图与阵列因子的组合。为了提供最佳的波束成形性能，尤其是当以上讨论的移相器组件264、266被用于对天线波束施加电子下倾时，期望的是具有相同的每列辐射元件的相位中心(在垂直平面上)。然而，当不同的辐射元件被激发从而发送或接收rf信号时，它们可以具有不同的相位中心。如此，不同辐射元件的使用对整体波束成形性能具有影响。可以在用于波束成形阵列的馈送网络中至少部分地补偿这种影响(例如，通过针对不同类型的辐射元件使用具有不同长度的相位线缆)，但
这可能复杂化馈送网络的设计以及可能未完全地补偿相位中心的差异。因而，在一些应用中，使用仅两种不同类型的辐射元件来实现波束成形阵列可以是有利的。
82.在一些实施例中，对于每个子阵列270、280、290，列hs1、hs2、hs3之间的各种平均距离以及列vs1、vs2、vs3内的相邻辐射元件的平均垂直间距可以不同(即，hs1≠hs2≠hs3和vs1≠vs2≠vs3)。这可以允许针对特定子阵列内的辐射元件的操作的频带优化每个参数。然而，将理解的是，根据本发明的实施例的技术的至少一些益处可以通过使hs1、hs2、hs3中的一个与其它两个不同、和/或通过使vs1、vs2、vs3中的一个与其它两个不同来实现。因而，本发明的实施例涵盖了其中hs1、hs2、hs3中的至少一个与hs1、hs2、hs3中的其他两个不同、和/或vs1、vs2、vs3中的至少一个与vs1、vs2、vs3中的其他两个不同的所有变体。
83.尽管以上讨论的根据本发明的实施例的部分共享的波束成形阵列包括三个不同的子阵列，但本发明的实施例不限于此。例如，在一些应用中，可以提供仅包括两个不同子阵列的部分共享的波束成形阵列。图4是根据本发明的又进一步实施例的仅包括两个不同子阵列的多频带波束成形阵列460的示意性前视图。波束成形阵列460可以尤其可用于其中被包括在多频带波束成形阵列460中的两个单频带波束成形阵列的仰角波束宽度要求明显不同的应用中。
84.尤其是，蜂窝运营商可以具有对于在宏小区基站处的多频带天线的不同频带中生成的天线波束的仰角波束宽度的不同要求。例如，因为邻近宏小区基站可能不支持所有频带中的服务和/或因为位于宏小区基站的覆盖区域内的小小区基站，所以可以引起这种不同的要求。在图4的示例中，假设为了满足t-频带处的相对较窄的仰角波束宽度要求，需要每列总共十个辐射元件，而为了满足s-频带处的相对较宽的仰角波束宽度要求，需要每列总共六个辐射元件。如果例如基站天线的反射器上存在用于每列十二个辐射要求的空间，则可以使用具有图2c的波束成形阵列260的总体设计的部分共享的波束成形阵列，其中，第一t-频带子阵列270中的每列272包括每列272六个辐射元件274，第二s-频带子阵列280中的每列282包括每列282两个辐射元件284，以及第三q-频带子阵列290中的每列292包括每列292四个辐射元件294。然而，如果在基站天线的反射器上仅存在用于每列十个辐射要求的空间，那么不可以使用这种设计，因为列中的所有辐射元件都将需要支持t-频带通信。
85.如图4中所示，在这些情况下，可以提供仅包括t-频带辐射元件274的第一子阵列470和q-频带辐射元件294的第三子阵列490的波束成形阵列460。第一子阵列470可以包括每列四个t-频带辐射元件274，以及第三子阵列490可以包括每列六个q-频带辐射元件294。q-频带辐射元件294可以按以上参照图2e讨论的方式双工。这导致了包括每列十个辐射元件的t-频带波束成形阵列440和包括每列六个辐射元件的s-频带波束成形阵列450。s-频带波束成形阵列450是完全双工的阵列，以及因此可以具有与图1c的常规天线100c的波束成形阵列160的s-频带部分类似的插入损耗。然而，由于可以针对t-频带性能优化每列中的辐射元件中的四个辐射元件，因此t-频带波束成形阵列440可以表现出改善的性能。
86.本发明的以上示例实施例涉及包括两个单频带波束成形阵列的部分共享的波束成形阵列。将理解的是，可以扩展本发明的构思，以提供包括多于两个单频带波束成形阵列的部分共享的波束成形阵列。图5是根据本发明的进一步实施例的包括这样的多频带波束成形阵列560的基站天线500的示意性前视图。
87.如图5中所示，除了(1)基站天线500包括在低频带线性阵列220和中频带线性阵列
230的每一个中的比基站天线200更多的辐射元件以及(2)多频带波束成形阵列560包括总共四个子阵列，即第一子阵列270、第二子阵列580、第三子阵列290和第四子阵列600之外，基站天线500可以与图2a-图2e的基站天线200非常类似。波束成形阵列560的子阵列270和290可以与波束成形阵列260的带类似标号的子阵列相同，并且因此将省略其的进一步描述。在波束成形阵列260中不存在的第四子阵列600包括四列辐射元件，这四列辐射元件被配置为在5100-5800mhz频带(本文中的“p-频带”)的一些或全部中操作。
88.除了双工第二子阵列580中的辐射元件使得它们可以发送和接收s-频带和p-频带rf信号二者之外，波束成形阵列560的第二子阵列580可以与波束成形阵列260的子阵列280类似。因而，如图5中所示，多频带波束成形阵列560可以充当三个单频带波束成形阵列，其中，第一子阵列270和第三子阵列290充当t-频带波束成形阵列540，第二子阵列580和第三子阵列290充当s-频带波束成形阵列550，以及第二子阵列580和第四子阵列600充当p-频带波束成形阵列610。将理解的是，本发明的构思可以进一步扩展，以支持附加频带中的波束成形。
89.与可比较的常规基站天线相比，根据本发明的实施例的基站天线可以提供改善的性能。如以上讨论的，通过部分地共享跨两个单频带波束成形阵列的辐射元件，可能将蜂窝运营商所期望的所有阵列装配在满足天线的宽度和长度的蜂窝运营商要求的基站天线内。另外，通过仅共享多频带波束成形阵列中的跨单频带阵列的辐射元件中的一些辐射元件，可能改善单频带波束成形阵列中的一者或二者的性能。此外，根据本发明的实施例的技术是非常灵活的，因为可以基于天线内的可用空间来改变跨多个单频带波束成形阵列共享的辐射元件的数量，由此允许每个独立的天线设计基于可用空间的量实现可能进行的性能改善的量。
90.将理解的是，本说明书仅描述了本发明的几个示例实施例，并且本文描述的技术具有超出上述示例实施例的适用性。
91.以上已参照附图描述了本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。然而，这个发明可以按许多不同的形式来实施并且不应该被理解为限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得这个公开将是彻底和完全的，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。类似的标号始终是指类似的元件。
92.将理解的是，虽然在本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件区分于另一个。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，以及类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文中使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何和全部组合。
93.将理解的是，当元件被称为在另一个元件“上方”时，元件可以直接在其它元件上，或者也可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在”另一元件“上方”时，不存在中间元件。还将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”于另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词应以同样的样式来解释(即，“在
……
之间”对于“直接在
……
之间”、“相邻”对于“直接相邻”等)。
94.本文使用的术语仅出于描述具体实施例的目的，以及不旨在是本发明的限制。如
本文使用的，单数形式“一(a/an)”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。还将理解的是，术语“包括(comprises/comprising)”和/或“包含(includes/including)”当在本文中使用时，指明存在所述特征、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或附加一个或多个其它特征、操作、元件、部件和/或其组。
95.可以以任何方式和/或与其它实施例的方面或元件相结合地组合以上公开的所有实施例的方面和元件，以提供多个附加实施例。