[发明专利]减轻多波束形成网络中的波束偏斜

说明书

提供了涉及使用天线阵列的多波束形成网络的系统和方法。提供了一种矩阵电路，用于馈入天线阵列的元件以产生多个波束。为了解决波束偏斜问题，通过在矩阵电路和天线阵列元件之间使用一系列具有特定相位延迟性能的移相器来减轻波束偏斜。馈入整个天线阵列上相邻天线阵列元件的信号的线性增加或减小的相位差减轻或消除了所得多波束中的波束偏斜。所述移相器被编程，以提供这种增加或减少的相位差。

相关申请

本申请要求2019年10月18日提交的美国临时专利申请62/923,352的权益，该申请的全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及天线相关电路。更具体地，本发明涉及用于减少多波束形成网络中的波束偏斜的电路。

背景技术

为了增加基站的通信容量，需要多波束基站天线阵列将基站的覆盖范围从整个区域划分为几个较小的小区。此外，希望在整个工作频带内保持每个波束的覆盖范围相同。

这种波束覆盖可能成为一个问题，尤其是多波束天线阵列。

多波束天线阵列可分为两类：基于透镜原理构建的多波束天线和由多波束形成网络(MBFN)馈入的普通天线阵列形成的多波束天线。

对于基于透镜的天线，可由位于不同位置的多个馈电器生成多个波束，例如，龙伯透镜天线，可使用透镜或抛物面聚焦等原理计算这些位置。这种多波束天线通常在宽带匹配和波束隔离方面具有令人满意的性能。此外，理论上，这种天线没有波束偏斜的问题。

简单地说，这种基于透镜的天线的主要问题是天线的尺寸。这种天线需要体积相对较大的透镜/反射器，这些透镜/反射器笨重、昂贵并且很难/难以制造。透镜/反射器的大尺寸源于透镜的尺寸必须大于多个电波长这一要求。理论上很难减小这种反射器的尺寸，尤其是对于较低的频率，例如，1GHz-3GHz。

对于由多波束形成网络(MBFN)馈入/生成的天线，有两种子类型的MBFN。第一种子类型基于主透镜，例如，罗特曼透镜。由于工作原理的相似性，这种子类型的MBFN具有与基于透镜的多波束天线相同的优点和缺点，即这些天线提供了令人满意的性能，但物理尺寸相当大。

第二种子类型的MBFN通常是基于定向耦合器、移相器和分频器构建的。组件的特征仅取决于构建组件的传输线的电长度。由于可以使用平面电路来实现组件，并且由于可以通过使用弯折线或高介电叠层来减小组件的尺寸，所以网络的体积通常比基于透镜的多波束天线小得多。然而，由MBFN生成的几乎所有的天线系统(包括使用Butler矩阵、Blass矩阵、Nolen矩阵等的天线系统)具有波束偏斜的问题。

大多数基于多波束形成网络的多波束天线阵列的问题在于，波束方向会不希望但不可避免地随频率变化而扫描。当频率改变时，波束方向会改变，但是期望或希望波束指向相同的方向。对于一些通信系统，例如，3G、4G和5G移动通信，上行链路和下行链路在不同的频带下工作，这尤其成问题。由于波束方向的这种变化(称为波束偏斜)，波束覆盖的区域在各种频率下将是不同的，因此，天线阵列不能实现闭环通信。随着分数带宽的增加，例如，带宽超过30％，这个问题会加剧。

因此，需要解决此类MBFN生成的天线系统中的波束偏斜问题的方法和系统。

发明内容

本发明提供了涉及使用天线阵列的多波束形成网络的系统和方法。提供了一种矩阵电路，用于馈入天线阵列的元件以产生多个波束。为了解决波束偏斜问题，通过在矩阵电路和天线阵列元件之间使用一系列具有特定相位延迟性能的移相器来减轻波束偏斜。馈入整个天线阵列上相邻天线阵列元件的信号的线性增加或减小的相位差减轻或消除了所得多波束中的波束偏斜。所述移相器被编程为提供这种增加或减少的相位差。

在第一方面，本发明提供了一种使用具有多个天线阵列元件的天线阵列同时生成多个波束的电路，所述电路包括：