CN107949955B - 用于蜂窝和其它通信系统的带透镜的天线 - Google Patents

用于蜂窝和其它通信系统的带透镜的天线 Download PDF

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Abstract

相控阵天线，包括多个辐射元件以及大致沿着第一竖直轴线对准的多个RF透镜。每个辐射元件与所述RF透镜中的相应一个相关联，并且每个辐射元件相对于所述第一竖直轴线倾斜。

Description

用于蜂窝和其它通信系统的带透镜的天线
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求于2015年8月27日提交的美国临时专利申请序列号62/210,813和于2016年3月31日提交的美国临时专利申请序列号62/315,811的优先权，它们中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明总体涉及无线电通信，并且更具体地涉及适用于蜂窝和各种其它类型的通信系统的带透镜的天线。
背景技术
蜂窝通信系统在本领域中是众所周知的。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，并且每个小区由基站服务。基站可以包括被配置为提供与移动用户进行双向射频(“RF”)通信的基带设备、无线电设备和天线，所述移动用户在地理上定位在由基站服务的“覆盖区域”内。在许多情况下，覆盖区域可以被划分成多个“扇区”，并且为扇区中的每一个提供单独的天线。通常，这些天线安装在塔或其它提升的结构上，其中由每个天线产生的辐射束向外指向以服务相应的扇区。
常见的无线通信网络规划涉及使用三个基站天线来服务覆盖区域的基站。这通常被称为三扇区构型。在三扇区构型中，每个基站天线服务覆盖区域的120°扇区。通常，65°方位角半功率波束宽度(HPBW)天线提供120°扇区的覆盖。这些天线中的三个提供360°覆盖。通常，每个天线包括线性相控阵天线，所述线性相控阵天线包括布置为单列辐射元件的多个辐射元件。也可以采用其它扇区化方案。例如，也使用六、九和十二扇区构型。六个扇区站点可以涉及六个定向基站天线，每个天线具有服务60°扇区的33°方位角HPBW天线。在所提出的其它解决方案中，单个、多列相控阵天线可以由馈电网络驱动以从单个相控阵天线产生两个或更多个波束。每个波束可以提供对一个扇区的覆盖。例如，如果使用各自产生两个波束的多列相控阵天线，则对于六扇区构型可以仅需要三个天线。产生多个波束的天线例如在美国专利公开号2011/0205119和美国专利公开号2015/0091767中公开，它们中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文中。
增加扇区的数量增加了系统容量，因为每个天线可以服务更小的区域并因此在整个扇区中提供更高的天线增益和/或允许频率重用。然而，将覆盖区域划分成更小的扇区具有缺点，因为覆盖窄扇区的天线通常具有更多辐射元件，所述更多辐射元件比覆盖更宽扇区的天线的辐射元件间隔得更宽。例如，典型的33°方位角HPBW天线通常是典型的65°方位角HPBW天线的两倍宽度。因此，随着小区被划分成更多数量的扇区，成本、空间和塔负载要求可能增加。
发明内容
根据本发明的实施方案，提供了相控阵天线，所述相控阵天线包括多个辐射元件以及大致沿着第一竖直轴线对准的多个RF透镜。每个辐射元件与所述RF透镜中的相应一个相关联，并且每个辐射元件相对于所述第一竖直轴线倾斜。
在一些实施方案中，所述辐射元件可以沿着平行于所述第一竖直轴线的第二竖直轴线对准。
在一些实施方案中，当所述相控阵天线被安装以供使用时，每个辐射元件的中心可以沿着所述第二竖直轴线在竖向上定位在高于沿着所述第一竖直轴线的其相关联的RF透镜的中心的点处。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以被定位成使得由所述辐射元件在被激励时发射的辐射图案的中心对准其相关联的RF透镜的中心点。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以相对于所述第一竖直轴线在2和10度之间倾斜。每个辐射元件可以相对于所述第一竖直轴线倾斜相同量。
在一些实施方案中，每个RF透镜可以包括球面RF透镜。在一些实施方案中，每个RF透镜可以是椭圆RF透镜。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以被定位在距其相关联的RF透镜的相同距离处。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以安装在相应的接地平面上，并且每个接地平面可以沿着第三竖直轴线在竖向上对准。每个接地平面可以限定相对于所述第三竖直轴线倾斜至少2度的相应平面。
在一些实施方案中，所述RF透镜可以包括介电材料，所述介电材料包括发泡基底介电材料，所述发泡基底介电材料具有嵌入其中的高介电常数材料的颗粒，所述高介电常数材料的介电常数是所述发泡基底介电材料的介电常数的至少三倍。在一些实施方案中，高介电常数材料可以具有至少10的介电常数。高介电常数材料可以包括例如金属氧化物或陶瓷材料。发泡介电材料可以具有至少50％的发泡百分比。在一些实施方案中，所述RF透镜可以包括介电材料，所述介电材料包括发泡基底介电材料，所述发泡基底介电材料具有嵌入其中的导电纤维。
在其它实施方案中，所述RF透镜可以包括介电材料，所述介电材料包括可膨胀微球体，所述可膨胀微球体与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的片混合。这种介电材料还可以包括粘结剂，诸如惰性油。在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的小片可以包括例如闪光材料(flitter)或闪光体(glitter)。在一些实施方案中，在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的小片的平均表面积可以超过膨胀后的所述可膨胀微球体的平均表面积。在其它实施方案中，所述RF透镜可以包括介电材料，所述介电材料包括发泡介电材料的小片，所述发泡介电材料的小片具有嵌入其中的至少一片导电材料。
根据本发明的另外的实施方案，提供了多波束天线，所述多波束天线包括多个辐射元件以及定位在所述辐射元件前方的RF透镜。所述辐射元件被定位在围绕所述RF透镜的侧部的至少一部分处，并且所述辐射元件被布置成多行和多列，其中每行在多个水平平面中的相应一个中的相应弧中延伸，并且每列在多个竖直平面中的相应一个中的相应弧中延伸。
在一些实施方案中，所述辐射元件可以是有源天线元件。
在一些实施方案中，所述RF透镜可以是球面RF透镜，并且所述辐射元件可以轨道地布置在围绕所述球面RF透镜的侧部的一部分处。
在一些实施方案中，所述水平平面可以是基本上平行的平面。在一些实施方案中，所述竖直平面也可以是多个基本上平行的平面。在其它实施方案中，所述竖直平面可以彼此相交。
在一些实施方案中，所述天线还可以包括RF切换网络，所述RF切换网络能够被配置为将无线电设备连接到所述辐射元件中的所选择的一个或多个。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以被定位成使得由所述辐射元件在被激励时发射的辐射图案的中心基本上对准所述RF透镜的中心点。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以被定位在距所述RF透镜的相同距离处。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以安装在相应的接地平面上，并且每个接地平面可以相对于所述球面RF透镜轨道地布置。
在一些实施方案中，所述RF透镜可以包括介电材料，所述介电材料包括发泡基底介电材料，所述发泡基底介电材料具有嵌入其中的高介电常数材料的颗粒，所述高介电常数材料的介电常数是所述发泡基底介电材料的介电常数的至少三倍。高介电常数材料可以是金属氧化物或陶瓷材料。在其它实施方案中，介电材料可以是具有嵌入其中的一个或多个导电片或导电纤维的发泡基底介电材料。在其它实施方案中，所述RF透镜可以包括介电材料，所述介电材料包括可膨胀微球体，所述可膨胀微球体与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的片混合。这种介电材料还可以包括粘结剂，诸如惰性油。在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的小片可以包括例如闪光材料或闪光体。在一些实施方案中，在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的小片的平均表面积可以超过膨胀后的所述可膨胀微球体的平均表面积。
根据本发明的另外的实施方案，提供了多波束天线，所述多波束天线包括多个辐射元件；定位在所述辐射元件前方的球面RF透镜；以及被配置为将无线电设备连接到所述辐射元件的相应子集的切换网络。
在一些实施方案中，每个辐射元件被定位成使得由所述辐射元件在被激励时发射的辐射图案的中心基本上对准所述RF透镜的中心点。
在一些实施方案中，所述辐射元件的所述子集可以包括所述辐射元件中的单独一个。在其它实施方案中，所述辐射元件的所述子集可以包括多个辐射元件，所述多个辐射元件经由共同馈电网络连接到所述切换网络。
在一些实施方案中，所述辐射元件可以轨道地布置在围绕所述球面RF透镜的侧部的一部分处。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以被定位在距所述球面RF透镜的相同距离处。
在一些实施方案中，每个辐射元件可以安装在相应的接地平面上，并且每个接地平面相对于所述球面RF透镜轨道地布置。
在一些实施方案中，所述球面RF透镜可以包括介电材料，所述介电材料包括发泡基底介电材料，所述发泡基底介电材料具有嵌入其中的高介电常数材料的颗粒，所述高介电常数材料的介电常数是所述发泡基底介电材料的介电常数的至少三倍。
在一些实施方案中，所述球面RF透镜可以包括介电材料，所述介电材料包括发泡基底介电材料，所述发泡基底介电材料具有嵌入其中的一个或多个导电片或导电纤维。
在一些实施方案中，所述辐射元件可以被布置为限定在水平面中延伸的多个第一弧和在竖直面中延伸的至少一个附加弧。
应注意，关于一个实施方案描述的各方面可以结合到不同的实施方案中，虽然相对于其没有具体描述。即，所有实施方案和/或任何实施方案的特征可以以任何方式和/或组合来组合。此外，根据本发明的实施方案的其它设备、方法和/或系统在阅读了以下附图和详细描述后对于本领域的技术人员将变得显而易见。意图是所有此类附加的设备、系统和方法被包括在本说明书内并由所附权利要求保护。进一步意图是，本文所公开的所有实施方案可以单独实现或以任何方式和/或组合来组合实现。
附图说明
图1是包括用于每个辐射元件的球面RF透镜的单列相控阵天线的示意性侧视图。
图2是包括用于每个辐射元件的椭圆RF透镜的单列相控阵天线的示意性侧视图。
图3是具有多列辐射元件并且包括用于每个辐射元件的球面RF透镜的多列相控阵天线的示意性透视图。
图4A是包括用于多个球面RF透镜中的每一个的两个辐射元件的多波束单列相控阵天线的示意性顶视图。
图4B是图4A的多波束单列相控阵天线的示意性侧视图。
图5是包括用于多个球面RF透镜中的每一个的三个辐射元件的多波束单列相控阵天线的示意性顶视图。
图6A是可以在图1-5的多波束天线中使用的示例性双极化辐射元件的平面图。
图6B是图6A的示例性双极化辐射元件的侧视图。
图7是适用于大规模多输入多输出(“MIMO”)应用的多波束天线的示意性透视图。
图8是可以由图7的多波束天线形成的波束的示意图。
图9是适用于大规模多输入多输出(“MIMO”)应用的多波束天线的示意性透视图。
图10是根据本发明的另外的实施方案的可以用在天线中的双曲面形RF透镜的示意性透视图。
具体实施方式
RF透镜可以用来使天线波束的方位角波束宽度和/或仰角波束宽度变窄。例如，已知球面RF透镜可以用来聚焦RF能量，并且使方位角方向上的波束宽度和仰角方向上的波束宽度变窄大约相等的量。然而，单个球面透镜可能不是很适合于许多基站天线，由于基站天线在方位角和仰角波束宽度方面通常具有实质上不同的要求(例如，方位角波束宽度为30-90度，并且仰角波束宽度为5-15度)。另外，球面RF透镜在方位角平面和仰角平面两者上都产生对称的图案。在许多情况下，基站天线在仰角平面中需要不对称的图案，其中上部旁瓣(即，指向水平线之上的旁瓣)相对于仰角平面中的下部旁瓣被抑制了额外的5-15dB。
通常，基站天线被实现为辐射元件的相位控制线性阵列，其中辐射元件布置在单个竖直列中。在本文中，“竖直”是指相对于由水平线限定的平面垂直的方向。柱面RF透镜已经与此类竖直线性阵列结合。这种天线的示例在美国专利公开号2015/0070230中公开，其全部内容以引用的方式并入本文中。在包括柱面RF透镜的基站天线中，透镜的纵向轴线可以被取向为大致平行于线性阵列的纵向轴线(即，透镜和线性阵列两者都相对于由水平线限定的平面在竖向上延伸)。线性阵列的特性限定所得到的波束图案的仰角波束宽度(即，柱面透镜通常不改变仰角波束宽度)。因此，线性阵列中的辐射元件的数量和这些元件之间的间隔以及辐射元件的设计和操作的频率可以是影响天线的仰角波束宽度的主要因素。然而，柱面RF透镜起到使方位角图案的波束宽度变窄的作用。在上面引用的美国专利公开号2015/0070230中提供的一个示例中，柱面RF透镜用来使竖直线性阵列的HPBW从约65度变窄到约33度。因此，具有柱面透镜的线性阵列的优点在于其可以仅使用单列辐射元件来实现多列相控阵天线的性能。
虽然通常有益，但是柱面RF透镜可以表现出某些缺点。例如，在一些情况下，柱面透镜可以产生交叉极化失真。如本领域的技术人员所知，交叉极化失真是指由交叉极化天线发射的能量的在正交极化处传送的量。柱面RF透镜也具有相对高的体积(例如，体积＝π*r2*L)，其中“r”是柱面透镜的半径，并且“L”是柱面透镜的长度。这样的大体积可能增加天线的大小、重量和成本，具体是因为用来形成透镜的材料可能是昂贵的。另外，如上所讨论，柱面透镜不使仰角波束宽度变窄，并且因此线性阵列的长度可以是用来减小仰角波束宽度的主要因素。由于线性阵列中的辐射元件通常不能被间隔开超过通过其传送和接收而不产生显著的栅瓣(grating lobe)的信号的约0.6-0.9个波长，所以用于减小仰角波束宽度的增加的长度要求导致包括在线性阵列中的辐射元件的数量的对应的增加。使用柱面RF透镜不能解决这个问题。
通常，共同馈电网络与上述相控阵基站天线一起使用。为了降低成本，这些共同馈电网络通常具有1：4或1：5的几何结构(意味着对于在传送方向上行进的RF信号的单个输入和4或5个输出)。由于线性阵列通常具有8-15个辐射元件，所以辐射元件被分组成辐射元件的子阵列，其中每个子阵列由共同馈电网络的单个输出馈电(并且因此包括在特定的子阵列中的每个辐射元件接收具有类似相位和幅度的相同信号)。例如，1：5共同馈电网络可以联接到五个子阵列，其中每个子阵列包括一至三个辐射元件。增加辐射元件和/或子阵列组件的数量增加了天线的成本和复杂性。另外，如果元件间隔增加到接近一个波长，以便在使用较小数量的辐射元件的同时加宽孔径并使仰角波束宽度变窄，则当辐射波束被电子地引导离开机械视轴时，开始出现栅瓣，就如在远程电子倾斜用来电子地下倾天线的仰角图案时的情况。
根据本发明的实施方案，提供了包括多个球面RF透镜的单列和多列相控阵天线。在一些实施方案中，天线可以包括单列相控阵天线，所述单列相控阵天线包括用于阵列的每个辐射元件的球面RF透镜。使用单独的球面RF透镜而不是与所有辐射元件相关联的单个柱面RF透镜可以减小天线的重量和成本。此外，球面RF透镜可以使辐射元件图案的仰角和方位角的截线(cut)两者变窄。因此，可以获得与常规天线相同的仰角波束宽度，同时在列中使用较少数量的辐射元件(所述辐射元件比常规天线中的辐射元件间隔得更远)。另外，在一些实施方案中，辐射元件可以相对于水平线下倾，并相对于它们相关联的球面RF透镜轨道地布置，以便当天线电子地下倾时展现改善的性能。
在本发明的另外的实施方案中，上面所讨论的实施方案中的球面RF透镜中的一些或全部可以用椭圆RF透镜代替。
在本发明的又一些实施方案中，天线可以以辐射元件的多列相控阵的形式提供，其中阵列中的每个辐射元件包括相关联的球面(或椭圆)RF透镜。通过提供多列辐射元件和相关联的RF透镜，天线的波束宽度可以在方位角方向上进一步减小。
根据本发明的附加的实施方案，提供了相控阵天线，所述相控阵天线包括沿着第一竖直轴线对准的一组球面或椭圆RF透镜以及沿着相应的第二竖直轴线和第三竖直轴线对准的至少第一组辐射元件和第二组辐射元件。来自第一组的相应的辐射元件、来自第二组的相应的辐射元件可以与每个RF透镜相关联。辐射元件中的每一个可以产生独立的天线波束，并且可以由单独的无线电设备馈电。RF透镜可以使波束在方位角方向和仰角方向两者上变窄，并且因此可以允许减少辐射元件的数量。
根据本发明的其它实施方案，提供了多波束天线，所述多波束天线包括RF透镜和围绕RF透镜的侧部的至少一部分轨道地布置的多个辐射元件。RF透镜可以包括球面RF透镜，并且辐射元件可以布置在沿着两个不同的方向的弧中。在一些实施方案中，每个辐射元件可以是有源辐射元件，并且这些有源辐射元件可以被配置为形成在天线的整个覆盖区域内向用户提供覆盖的笔形波束。在其它实施方案中，辐射元件可以由切换共同馈电网络馈电，所述切换共同馈电网络在频分和时分多路复用通信方案的时隙期间选择性地将信号从无线电设备供应到辐射元件中的一个或多个的组。切换共同馈电网络可以高速切换，以便在任何特定时隙期间将待传送的信号引导到辐射元件，所述辐射元件向覆盖区域的包括在该特定时隙期间传送/接收信号的用户的部分提供覆盖。在下一个时隙期间，切换网络可以被重新配置为选择性地将另一个信号供应到不同子集的辐射元件，所述辐射元件向覆盖区域的包括在该随后时隙期间传送/接收信号的用户的部分提供覆盖。
现在将参考附图进一步详细地讨论本发明的实施方案，其中示出了本发明的示例性实施方案。
图1是包括用于每个辐射元件的球面RF透镜的单列相控阵天线100的示意性侧视图。参考图1，天线100包括安装在安装结构110上的多个辐射元件120。安装结构110可以包括单个结构或者可以包括附接在一起的多个结构。安装结构110可以包括例如充当用于辐射元件120的接地平面的平面反射器。天线100还包括多个球面RF透镜130。球面RF透镜130可以安装在第一列中。第一列可以在基本上垂直于由水平线限定的平面的方向上延伸，以使得RF透镜130大致沿着第一竖直轴线V1对准。辐射元件120可以安装在第二列中。第二列同样可以在竖直方向上延伸，以使得辐射元件120大致沿着第二竖直轴线V2对准。第一竖直轴线V1平行于第二竖直轴线V2延伸。当天线100被安装以供使用时，方位角平面垂直于天线100的纵向轴线(以及垂直于竖直轴线V1和V2)，并且仰角平面平行于天线100的纵向轴线。
辐射元件120在图1中示意性地示出为矩形立方体来简化绘图。每个辐射元件120可以包括例如偶极子、贴片或任何其它合适的辐射元件。图6A-6B示出辐射元件120的示例性实施方式。具体地，图6A是示例性辐射元件120的平面图，并且图6B是其侧视图。在所示的示例性实施方案中，辐射元件120包括一对交叉极化的辐射元件，其中辐射元件对中的一个辐射元件以+45°极化辐射RF能量，并且辐射元件对中的另一个辐射元件以-45°极化辐射RF能量。
如图6A所示，示例性辐射元件120包括以正方形或“盒式(box)”布置方式布置的四个偶极子122。如图6B所示，四个偶极子122由馈电杆124支撑。每个辐射元件120包括两个线性正交极化(倾斜+45°/-45°)。每个辐射元件120还可以包括定位在偶极子122后方的接地平面126，以使得例如偶极子122邻近馈电杆124的一端，并且接地平面126邻近馈电杆124的另一端。如上所述，安装结构110可以包括接地平面。
在其它实施方案中，单列相控阵天线100可以具有盒式辐射元件，所述盒式辐射元件被配置为在不同频带中彼此交错地辐射，如美国专利号7,405,710(“'710专利”)所示，其全部内容以引用的方式并入本文中。如'710专利所示，双频盒式辐射元件可以包括第一阵列的盒式偶极子辐射元件，所述第一阵列的盒式偶极子辐射元件同轴地布置在第二盒式偶极子组件内。此类辐射元件的使用可以允许带透镜的天线在两个频带(例如，0.79-0.96GHz和1.7-2.7GHz)中工作。为了天线在两个频带中提供类似的波束宽度，高频带辐射元件可以具有导向器。在这种情况下，例如，低频带辐射元件可以在方位角方向上具有65-50°的HPBW，并且高频带辐射元件可以在方位角方向上具有45-35°的HPBW，并且当这些辐射元件与一个或多个透镜结合使用时，天线在两个频带中都将在方位角方向上具有稳定的约23°的HPBW。在上面引用的美国专利公开号2015/0091767中公开了合适的双频带辐射元件和导向器的示例。
再次参考图1，单列相控阵天线100还包括多个球面RF透镜130。每个辐射元件120与球面RF透镜130中的相应一个相关联。辐射元件120与其相关联的球面RF透镜130的组合可以提供在方位角方向和仰角方向两者上都变窄的辐射图案。对于以约2GHz操作的天线，220mm的球面RF透镜130可以用来产生约35度的方位角半功率波束宽度。在一些实施方案中，球面RF透镜130可以包括(例如，填充有或具有)介电常数为约1至约3的材料。在其它实施方案中，球面RF透镜130可以包括介电常数为约1.8至约2.2的材料。球面RF透镜130的介电材料聚焦从相关联的辐射元件120辐射并被其接收的RF能量。
在一些实施方案中，填充有美国专利号8,518,537(以引用的方式并入本文中)中所描述的人造介电材料的颗粒的球壳可以用来形成球面RF透镜130。在此类实施方案中，每个颗粒可以包括介电材料的小块，所述小块包括嵌入其中的至少一个针状(或其它形状)的导电纤维。小块可以使用将块粘合在一起的粘合剂形成为较大的结构。块可以在较大的结构内具有随机取向。用来形成块的基底介电材料可以是密度在例如0.005至0.1g/cm3的范围内的轻质材料。通过改变包括在小块内部的导电纤维的数量和/或取向，材料的介电常数可以从例如约1变化到约3。
在其它实施方案中，球面RF透镜130可以是填充有复合介电材料的壳体，所述复合介电材料包括高介电常数材料和轻质低介电常数基底介电材料的混合物。例如，复合介电材料可以包括发泡基底介电材料的大块，所述大块包括嵌入其中的高介电常数材料的颗粒(例如，粉末)。轻质、低介电常数基底介电材料可以包括例如具有嵌入其中的高介电常数材料的多个颗粒的发泡塑料材料，诸如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯(PTEF)、聚丙烯、聚氨酯硅等。在一些实施方案中，发泡轻质低介电常数基底介电材料可以具有至少50％的发泡百分比。
高介电常数材料可以包括例如非导电材料(诸如，例如陶瓷(例如，Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、氮化硼等)或非导电(或低导电率)金属氧化物(例如，氧化钛、氧化铝等))的小颗粒。在一些实施方案中，高介电常数材料可以具有至少10的介电常数。在一些实施方案中，高介电常数材料可以包括具有非常细的颗粒的粉末。高介电常数材料的颗粒可以大致均匀地分布在整个基底介电材料中，并且可以在基底介电材料内随机取向。在其它实施方案中，复合介电材料可以包括基底介电材料的多个小块，其中每个块具有嵌入其中和/或其上的高介电常数介电材料的颗粒。在一些实施方案中，小块可以使用例如诸如橡胶粘合剂的粘合剂或由聚氨酯、环氧树脂等组成的粘合剂来粘合在一起，所述粘合剂相对轻质并且展现低介电损耗。
在一些实施方案中，球面RF透镜130可以包括容纳在具有用于RF透镜的所期望形状(例如，对于图1的天线100为球面形状)的外壳内的介电材料的块或其它小颗粒(例如，上述块)。在此类实施方案中，可以用或可以不用粘合剂来将块粘合在一起。基站天线可能由于风、雨、地震和其它环境因素而经受振动或其它移动。这种移动可能导致介电材料的上述的块的沉降，特别是如果不使用粘合剂的话。在一些实施方案中，壳体可以包括多个单独的隔室，并且块可以被填充到这些单独的隔室中以减少沉降的影响。此类隔室的使用可以增加透镜的长期物理稳定性和性能。还应了解，块也可以和/或可替代地通过轻微压缩和/或回填材料来稳定。不同的技术可以应用于不同的隔室，或者所有隔室可以使用相同的技术来稳定。
在其它实施方案中，用来形成RF透镜的介电材料可以是2016年3月25日提交的美国临时专利申请序列号62/313,406(“'406申请”)(其全部内容以引用的方式并入本文中)中所公开的介电材料中的任一种。具体地，如在'406申请中所公开的，在一些实施方案中，用来形成RF透镜的介电材料可以包括与粘结剂/粘合剂(例如，油质粘结剂)混合的可膨胀微球体(或其它形状的可膨胀材料)以及封装在绝缘材料中的导电材料的片(例如，导电片材)。在一些实施方案中，导电材料可以包括闪光体或闪光材料。例如可以通过提供在其一侧或两侧上具有薄绝缘涂层(例如，0.5-15微米)的薄金属片(例如，6-50微米厚)来形成闪光材料。这种片材随后被切成小片(例如，200-800微米的小正方形或具有类似主表面积的其它形状)。在一些实施方案中，可膨胀微球体可以包括响应于催化(例如，热)而膨胀成较大(例如，直径12-100微米)充气球体的非常小(例如，直径1-10微米)的球体。这些膨胀的微球体可以具有非常小的壁厚，并且因此可以非常轻质。膨胀的微球体与粘结剂一起可以形成将导电材料保持在适当位置以形成复合介电材料的基体。在一些实施方案中，其它发泡颗粒也可以添加到混合物，诸如可以比膨胀的微球体大的发泡微球体。在一些实施方案中，膨胀的球体可以比导电材料(例如，闪光体或闪光材料的小正方形)小得多。例如，在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的小片的平均表面积可以超过膨胀后的可膨胀微球体的平均表面积。
在'406申请中所公开的另一个示例性实施方案中，用来形成RF透镜的介电材料可以通过将薄导电片(例如，5-40微米厚)(诸如，铝箔)粘合在发泡材料的两个较厚的片(例如，发泡材料的500-1500微米厚的片)之间。这种复合发泡/箔片材成为用来形成用于天线的透镜的小块。发泡片材可以包括高度发泡、轻质、低介电常数的材料。一片或多片这种泡沫可以与一片或多片金属箔一起使用。以这种方式形成的材料的块可以使用低介电损耗的粘结剂或粘合剂保持在一起，或者可以简单地填充到容器中以形成透镜。在其它实施方案中，可以使用卢纳堡透镜(Luneburg lens)。
每个球面RF透镜130被用来在方位角方向和仰角方向两者上聚焦由其相关联的辐射元件120发射的覆盖图案或“波束”。在一个示例性实施方案中，球面RF透镜130的阵列可以在方位平面中将由单列相控阵天线100输出的合成波束的3dB波束宽度从约65°收缩到约23°。在示例性实施方案中，通过使单列相控阵天线100的半功率波束宽度变窄，天线110的增益可以增加例如约4-5dB。
如上所讨论，RF透镜130可以被安装成使得它们大致沿着第一竖直轴线V1对准，并且辐射元件120可以被安装成使得它们大致沿着第二竖直轴线V2对准。如图1所示，每个辐射元件120的中心沿着第二竖直轴线V2在竖向上定位在高于沿着第一竖直轴线V1定位的其相关联的球面RF透镜130的中心的点处。每个辐射元件120可以相对于其相关联的球面RF透镜130定位成使得由辐射元件120在被激励时发射的辐射图案的中心对准其相关联的球面RF透镜130的中心点。每个辐射元件120可以定位在距其相关联的球面RF透镜130的与其它辐射元件120相对于它们相关联的球面RF透镜130相同的距离处。
在一些实施方案中，每个辐射元件120可以相对于第二竖直轴线单独成角度。如上所讨论，每个辐射元件120通常将包括辐射器122(例如，一个或多个偶极子)、馈电杆124以及接地平面126。馈电杆124被用来将辐射器122安装在接地平面126前方的所期望距离(例如，对应于待通过天线100传送的信号的波长的四分之一的距离)处。在常规相控阵天线中，接地平面通常是平坦的，并且馈电杆以90度的角度从接地平面延伸。在大多数常规基站相控阵天线中，辐射元件被布置成使得接地平面竖直取向并且馈电杆从接地平面(其可以是多个单独的接地平面或单个公共的接地平面)水平延伸。
如图1所示，在单列相控阵天线100中，每个辐射元件120可以相对于第二竖直轴线V2机械地向下成角度或“下倾”。例如，每个辐射元件120可以从水平面机械地向下成角度α。在示例性实施方案中，α可以是约5度，但是也可以使用其它角度。可以理解的是，对于典型的辐射元件，诸如图6A和6B所示的辐射元件120，电磁辐射主要在与由偶极子122限定的平面(和/或由接地平面126限定的平面)垂直的方向上发射。如果图6A和6B的辐射元件120在没有下倾的情况下安装在图1的天线100中，则由偶极子122和接地平面126限定的平面将是竖直取向的。当应用例如5°的上述下倾时，由偶极子122和接地平面126限定的平面将从竖直轴线倾斜5°。这种机械下倾在圆柱形RF透镜构型的情况下不可实现。另外，每个辐射元件120可以相对于其相关联的球面RF透镜130轨道地布置。在此，当辐射元件120指向球面RF透镜130的中心时，辐射元件120相对于球面RF透镜130“轨道地”布置。如图1所示，通过将与特定辐射元件120相关联的球面RF透镜130定位在辐射元件120的前方并低于辐射元件120以使得由辐射元件120发射的波束对准其相关联的球面RF透镜130的中心，可以实现轨道布置。
在图1的其中每个辐射元件下倾了角度α＝5°的示例性实施方案中，如果仰角波束形成网络通过使用移相器(其将线性相移施加到馈电到辐射元件120的组的RF信号)来提供+/-5度的电下倾调整，则根据每个辐射元件120上的5度的机械下倾，单列相控阵天线100将整体具有从0到10度的电下倾范围。使用其中辐射元件120不被机械地下倾的常规线性阵列天线，与10度的下倾(其中图案劣化)相比，整个波束图案在0度的下倾时将具有更好的特性(即，更高的增益、减少的栅瓣等)，这是由于辐射元件120都瞄准水平线。如果每个辐射元件120如上所述地机械地下倾5度，则当使用电下倾来提供0和10度之间的整体下倾时，仰角图案将偏移不超过5度。在最大增益、波束对称性和栅瓣抑制的方面，线性阵列的性能可能随着波束被电扫描而劣化，就像线性阵列被电下倾时那样。因此，与常规天线相比，天线100可以提供改善的性能，这是由于其不需要电下倾超过5度，其中常规天线必须倾斜满10度以便实现10度的电下倾。每个辐射元件120可以机械地下倾相同的量。机械下倾的量(例如，5度)是指辐射元件从垂直于由水平线限定的平面的平面向下成角度的量(图1中的角度α)。通常，当实现机械下倾时，每个辐射元件120的接地平面126将与辐射元件120的其余部分一起倾斜。因此，参考图1和6A-6B，每个辐射元件120的接地平面126将相对于安装结构110倾斜，这是由于安装结构110通常安装在竖直取向上。因此，在一些实施方案中，接地平面126与安装结构110一起可以具有锯齿构型。
虽然为了简化附图在图1中未示出，但是将会理解，天线100可以包括各种其它常规元件(未示出)，诸如天线罩、端盖、移相器、托盘、输入/输出端口等。对下面讨论的本发明的其它示例性实施方案也是如此。
在包括辐射元件阵列和与每个辐射元件相关联的单独球面RF透镜的天线中可以实现数个优点。例如，如上所讨论，可以用较少的辐射元件在方位角方向和仰角方向两者上实现变窄的半功率波束宽度。例如，在一些实施方案中，单列五个辐射元件和相关联的球面RF透镜可以产生30-40度的方位角HPBW和小于10度的仰角HPBW。因此，天线可以得益于降低的成本、复杂性和大小。另外，与由所有辐射元件120共享的单个柱面透镜相比，形成球面RF透镜130的线性阵列需要较少的介电材料。用于每个球面RF透镜130的透镜体积＝(4/3)*π*r3，其中“r”是球体的半径。例如，对于包括四个辐射元件和球面透镜的天线(具有长度L＝8r)，球面RF透镜的总体积将是(16/3)*π*r3，而等效柱面透镜的体积将是8*π*r3，或1.33倍以上。球面RF透镜130还提供改善的交叉极化性能的额外的益处。
在上面的示例中，每个球面RF透镜130及其相关联的辐射元件120可以代替可比较的常规线性相控阵天线的多个辐射元件的子阵列。天线100可以用作例如具有所期望的方位角和仰角HPBW的基站天线。
图2是单列相控阵天线200的示意性侧视图，所述单列相控阵天线包括用于其每个辐射元件的椭圆RF透镜。通过比较图1和2可以看出，除了包括在天线100中的球面RF透镜130在天线200中被椭圆RF透镜230替换之外，单列相控阵天线200可以与单列相控阵天线100相同。由于天线100和200的其余部件可以是相同的，所以图1和2对于其元件使用类似的附图标记，并且为了简洁起见，将省略其重复的说明。
类似于球面RF透镜130，椭圆RF透镜230在方位角方向和仰角方向两者上使由相应的辐射元件120发射的辐射图案的波束宽度成形。椭圆RF透镜230可以稍微大于球面RF透镜130，但与常规的柱面RF透镜设计相比，可以仍然具有较少(或类似)的体积。椭圆RF透镜230具有类似于球面RF透镜130的优点，包括改善的交叉极化性能、以及每个辐射元件120在以上述方式相对于其相关联的椭圆RF透镜230保持轨道关系的同时机械地下倾的能力。另外，椭圆RF透镜230允许进一步灵活地在不同数量的RF透镜的情况下获得所期望的仰角半功率波束宽度。这可以帮助优化将RF信号供应到辐射元件120和从辐射元件供应RF信号的共同馈电网络。此外，透镜230的椭圆形状可以允许在方位角方向上更好地控制辐射波束中的旁瓣。
如图2所示，在一些实施方案中，每个椭圆RF透镜230可以被定位成使得由其相关联的辐射元件120发射的辐射波束沿着椭圆透镜230的长轴行进通过椭圆透镜230的中心。因此，当使用椭圆透镜230时，可以期望每个椭圆透镜230倾斜与其对应的辐射元件120倾斜相同的量。
在其中所需要的方位角和仰角波束宽度之间的差别特别显著的应用中，使用诸如透镜230的椭圆RF透镜可以特别有利。如上所述，当使用球面RF透镜130时，单列线性相控阵中的辐射元件120的数量和布局可以用来控制仰角波束宽度，而每个球面RF透镜130的大小和每个球面RF透镜130距其相关联的辐射元件120的距离可以用来除了其它方面还控制方位角波束宽度。当使用椭圆RF透镜230代替球面RF透镜130时，可以调整椭圆RF透镜230的长轴和短轴的比率，以实现方位角和仰角波束宽度的所期望组合。这可以允许每个辐射元件120位于距其对应的RF透镜的所期望的距离处，并且还可以允许减小包括在阵列中的辐射元件的总数，这是由于可以选择使得仰角波束宽度变窄得比方位角波束宽度变窄多的椭圆RF透镜230。这可以通过使用具有在水平方向上延伸的长轴和在竖直方向上延伸的短轴的椭圆RF透镜230来实现。当然，如果辐射元件120以上述方式机械地下倾小量(例如，5°)以便提供改善的远程电子倾斜性能，则每个椭圆透镜230的主轴也将从水平面以相同的量偏移(即，下倾)。
虽然图2示出了本发明的其中天线100的球面RF透镜130被椭圆RF透镜230代替的实施方案，但是将会理解，本发明的实施方案不限于用于RF透镜的这两种形状。具体地，在本发明的另外实施方案中，可以使用不同形状的RF透镜，诸如，例如双曲面形RF透镜，诸如图10所示的透镜330。双曲面形RF透镜330可以填充有例如上面讨论的介电材料中的任一种。辐射元件120相对于其相关联的双曲面透镜330的位置也在图10中示意性地描绘出。
还应了解，上述概念可以扩展到包括多列辐射元件的天线。例如，如图3所示，根据本发明的另外实施方案，可以提供包括两列(或多列)辐射元件120的多列相控阵天线，其中每个辐射元件具有相关联的RF透镜130。具体地，如图3所示，根据本发明的实施方案的多列相控阵天线300包括两个竖直布置的列，其中每列具有五个辐射元件120，所述辐射元件并排安装在安装结构110上。RF透镜130与其每个辐射元件120相关联。在所描绘的实施方案中，每个RF透镜130包括球面RF透镜130，但是应了解，在其它实施方案中可以使用其它透镜形状(例如，作为替代可以使用图2所示的椭圆透镜230)。通过比较图1和3可以看出，多列相控阵天线300可以与单列相控阵天线100相同，除了多列相控阵天线300包括沿着第三竖直轴线V3对准的第二列相关联的球面RF透镜130和沿着第四竖直轴线V4对准的第二列辐射元件120。因此，下面的描述将集中于两个天线100和300之间的这种差异。
在天线300中，两列辐射元件120可以由共同馈电网络(未示出)馈电。天线300可以被设计成使得辐射元件120和相关联的透镜130产生单个波束，诸如，例如被设计为覆盖蜂窝基站的扇区的波束。在此类实施方案中，附加列的辐射元件120可以使所得到的波束在方位角方向上进一步变窄。可替代地，两列辐射元件120可以通过两个源和巴特勒矩阵波束形成网络来馈电以生成一对波束，其中每个波束被电引导离开用于天线300的机械视轴。如上所述，球面RF透镜130可以被椭圆RF透镜230或被其它形状的RF透镜代替。RF透镜130、230可以用来在方位角方向和仰角方向两者上使每个辐射元件120的波束图案成形，并且因此影响方位角方向和仰角方向上的总体波束图案。上面提到的关于栅瓣的优点在该示例中适用于两列辐射元件120之间的间隔以及每列内的辐射元件120的间隔。例如，两列辐射元件120可以进一步间隔开(即，辐射元件120之间的较大的水平间距)以使方位角波束宽度变窄，并且每个辐射元件120的由其相关联的球面RF透镜130修改的波束图案可以在阵列因子中以高角度抑制任何旁瓣或栅瓣。
还应了解，虽然图3的示例性天线300包括两列辐射元件，其中每列具有五个辐射元件120，但是辐射元件120的列数和包括在每列中的辐射元件120的数量可以适当地改变。
还应了解，根据本发明的其它实施方案，可以提供多列相控阵天线，所述多列相控阵天线包括两个或更多个竖直列的辐射元件和至少一个竖直列的RF透镜。在这些天线中，每个RF透镜可以与在方位角(水平)方向上偏移的辐射元件中的两个或更多个相关联。图4A-4B和5示出此类天线的示例性实施方案。
例如，首先参考图4A-4B，图4A是包括用于多个球面RF透镜中的每一个的两个辐射元件的多波束单列相控阵天线400的示意性顶视图。图4B是图4A的多波束单列相控阵天线400的示意性侧视图。多波束单列相控阵天线400包括两列辐射元件120和单列球面RF透镜130。球面RF透镜130定位在两列辐射元件120的前方和中间。提供总共十个辐射元件120(每列5个)，并且提供总共五个球面RF透镜130。每列辐射元件120可以包括其自身的源。例如，第一列辐射元件120可以由连接到相应的第一无线电设备和第二无线电设备的相应的第一共同馈电网络和第二共同馈电网络馈电，所述第一共同馈电网络和所述第二共同馈电网络在两个正交极化中的每一个处将RF信号供应到第一列中的辐射元件120，并且第二列辐射元件120可以由连接到第三无线电设备和第四无线电设备的第三共同馈电网络和第四共同馈电网络馈电，所述第三共同馈电网络和所述第四共同馈电网络在两个正交极化中的每一个处将RF信号供应到第二列中的辐射元件120。天线400可以生成一组两个独立波束(其中每个波束支持两个极化)，所述两个独立波束瞄准不同的方位角，如图4A中的粗箭头所示。因此，天线400可以用来使蜂窝基站进一步扇区化。例如，天线400可以被设计为产生两个并排波束，每个波束具有约33度的半功率方位角波束宽度。三个此类天线400可以用来形成六扇区小区。
同样应了解，在另外实施方案中，多于两个辐射元件120可以共享每个球面RF透镜130。例如，图5是包括用于多个球面RF透镜130中的每一个的三个辐射元件120的多波束单列相控阵天线500的示意性顶视图。第三列辐射元件120可以由连接到第五无线电设备和第六无线电设备的第五共同馈电网络和第六共同馈电网络馈电，所述第五共同馈电网络和所述第六共同馈电网络在两个正交极化中的每一个处将RF信号供应到第三列中的辐射元件120。天线500因此可以生成三个独立波束。在示例性实施方案中，这些波束中的每一个可以具有约40°的波束宽度，以使得天线500可以使用三个独立波束来提供对扇区化蜂窝基站的120°扇区的覆盖以覆盖该扇区。这展现出用多波束巴特勒矩阵馈电天线观察到的相同的功能，但没有巴特勒矩阵的复杂性、插入损耗和频带宽度限制。由于天线500在其它方面可以与天线400相同，所以将省略对其的进一步描述。
同样应了解，在另外实施方案中，图4A-4B和5所示的透镜130可以被其它形状的透镜(诸如椭圆透镜)代替。此外，根据本发明的另外实施方案，上述的单列相控阵天线400和500可以通过增加一个或多个附加列的辐射元件和相关联的RF透镜而扩展到多列相控阵天线。
由根据本发明的实施方案的上述单列和多列相控阵天线产生的波束图案在每种情况下将是辐射元件因子和阵列因子的乘积。由于相邻辐射元件(例如，相同列中的辐射元件)之间的间距增大，以便使波束宽度变窄，同时维持相同数量的辐射元件或减少辐射元件的数量，所以可能在阵列因子中以高角度(例如，以+/-85°)引入栅瓣。然而，由于RF透镜修改各个辐射元件的波束图案，所以辐射元件的波束图案可以转降(roll off)以在+/-85°下有效地为零，从而抑制任何栅瓣。在多列阵列中的仰角图案和方位角图案两者中都是如此。这在设计天线中提供了额外的灵活性。例如，通过增大辐射元件之间的间隔，可以减少填充具有相关的联指向性和扫描性能的特定孔径大小所需的辐射元件的数量。对于有源天线，这意味着也可以减少收发器的数量(通常每个辐射元件一个收发器)，从而导致显著的成本、大小和重量减少。对于多列有源阵列，所提出的该解决方案可以导致显著的成本降低：例如，在辐射元件之间具有半波长间隔的10×10阵列的辐射元件可以变成在辐射元件之间具有波长间隔的5×5阵列的辐射元件。在该示例中，所需的收发器的数量(对于具有有源辐射元件的天线)将从100减少到25。
在上述实施方案中的每一个中，辐射元件可以构造为与典型的视轴角度成固定机械偏移角(例如，成相对于水平线的在2°和10°之间的固定机械下倾)，如图1-3的示例所示的那样。然而，应了解，在其它实施方案中，辐射元件可以是可移动的。例如，在其中使用球面RF透镜的实施方案中，每个辐射元件可以被设计成使得其可以围绕其相关联的球面RF透镜的一些部分轨道地移动。在一些实施方案中，辐射元件可以被设计成使得它们可以在这种轨道移动期间在二维中移动。例如，天线可以被设计成使得在安装之后，其可以通过引起辐射元件沿着竖直轴线(仰角方向)和沿着垂直于竖直轴线和水平轴线(方位角方向)的轴线移动而从远程位置机械地下倾，以经由轨道移动实现下倾。在其它实施方案中，辐射元件可以在所有三个维度中移动，从而允许天线在方位角方向和仰角方向两者上偏离原始视轴进行扫描。由于辐射元件围绕球面RF透镜轨道地物理移动以执行对波束的“扫描”，所以可以避免与电子扫描相关联的问题，即，减小的增益、不对称的图案形成和栅瓣。
如图1-3所示，当例如辐射元件被设计成实现机械下倾时，每个辐射元件相对于其相关联的RF透镜以与其它辐射元件相对于它们相关联的RF透镜定位相同的方式定位。然而，在另外实施方案中，辐射元件及其相关联的透镜的每个组合可以独立于其它辐射元件/透镜组合移动或瞄准，以实现天线的辐射特性。此外，并且串联或独立地，辐射元件相对于透镜的取向可以位移、倾斜或轨道运动，以实现天线的辐射特性。应当注意的是，对于根据本发明的实施方案的单列相控阵天线和多列相控阵天线两者，如果每个辐射元件围绕其球面透镜机械地轨道运动以机械地扫描其波束，并且由天线元件的电相位产生的电波束扫描是同步且相同的，则当扫描波束时将不存在扫描增益损失。
应了解，如果每个辐射元件可以围绕其球面RF透镜独立地机械地轨道运动以机械地扫描波束，则除了提供给每个辐射元件的信号的相位和幅度的调整之外，该能力还提供波束图案成形的附加自由度。因为球面RF透镜的直径在通过天线传送(或由天线接收)的RF信号的波长方面是小的，即，球面RF透镜的直径通常在RF信号的一至三个波长之间，所以不需要卢纳堡透镜而利用具有均匀介电常数的RF透镜。此外，与上面讨论的其它实施方案一样，RF透镜的形状不一定需要是球面的，并且其它形状(例如，椭圆)可以用来实现每个辐射元件及其相关联的RF透镜的组合的辐射特性以及整个阵列的辐射特性。此外，可以改变RF透镜阵列中的每个RF透镜的介电常数，以实现辐射元件及其相关联的RF透镜的每个组合的辐射特性以及整个阵列的辐射特性。除了针对每个辐射元件的相位和幅度调整之外，这种能力还提供光束图案扫描和成形中的附加自由度。
同样应了解，可以改变所使用的辐射元件的类型和各个RF透镜的特性，以实现辐射元件和相关联的RF透镜的组合的辐射特性和/或整个阵列的辐射特性。在一些实施方案中，RF透镜也可以相对于辐射元件中的一些被省略。
同样在RF透镜阵列中，可以改变每个透镜的极化特性，以实现辐射元件和相关联的透镜的组合的极化和辐射特性以及整个阵列的极化和辐射特性。
根据本发明的另外实施方案，带透镜的天线的平面阵列可以用于大规模多输入多输出(“MIMO”)天线应用。MIMO是指使用用于无线电链路的多个发射和接收天线以增加容量。独立的数据流被分离出来并通过多个天线传送，并且所接收的信号通过多个天线接收并随后在接收器处组合。多个发射天线和/或多个接收天线可以是分开的天线，或者可以包括具有单独波束形成能力的一个(或多个)多波束天线。
已经提出使用大平面阵列天线(诸如具有100个辐射元件的10×10阵列或具有256个辐射元件的16×16阵列)用于大规模MIMO应用。每个辐射元件将是“有源”元件，即，它将具有其自身的无线电。通过使用数字引入的幅度和/或相位加权，这些天线可以被配置为生成可以被主动引导到用户所在的位置的多个窄波束。这些天线可以提供更有效的频谱使用，这是由于窄波束允许在天线的波束区域内进行频率复用并且获得高得多的天线增益(降低发射功率要求)。
图7是根据本发明的实施方案的多波束天线600的示意性透视图，所述多波束天线可以适用于大规模MIMO和各种其它应用。如图7所示，天线600包括辐射元件620的阵列610。阵列610可以包括多行和多列(即，至少两行和两列)辐射元件620。在典型示例中，天线600可以包括四至八行和四至八列辐射元件620，但是可以使用其它数量的行和/或列。在所描绘的实施方案中，提供了五列辐射元件620(图7中仅可见其中的三列；第四列和第五列分别在球面RF透镜630的背面上、在与第二列和第一列相同的位置处)，其中对于总共三十五个辐射元件620，每列包括七个辐射元件620。行数不需要等于列数。此外，如从下面的讨论中可以变得清楚，并且如图7中可以看到，在一些实施方案中，这些“行”和“列”可以不指代线性布置，而作为替代可以指代由于辐射元件620相对于RF透镜结构的轨道布置而产生的辐射元件620的弧。
仍然参考图7，RF透镜630(诸如球面RF透镜或椭圆RF透镜)定位在辐射元件620的阵列610的前方。在图7的实施方案中，辐射元件620中的每一个可以包括有源天线元件。如本领域的技术人员所知，有源天线元件是指由专用收发器(无线电设备)直接馈电的辐射元件。有源天线元件620的使用提供了增加的灵活性和能力，这是由于待通过每个辐射元件620传送的信号可以在传送之前被数字地操纵。因此，例如，为了天线波束成形的目的，可以预先设置通过每个有源辐射元件620传送的信号的幅度和/或相位。
如图7所示，RF透镜630包括球面RF透镜。球面RF透镜630可以具有上面讨论的任何RF透镜的结构。例如，在一些实施方案中，球面RF透镜630可以由具有例如1至3范围内的介电常数的非常轻质的人造介电材料形成。在该实施方案中的球面RF透镜630可以是较大的结构并且其可以由三十五个有源辐射元件620中的每一个共享。有源辐射元件620中的每一个围绕球面透镜630的一侧轨道地布置。因此，每个辐射元件620可以定位在距球面RF透镜630的相同的距离处，并且每个辐射元件620可以被定位成使得由辐射元件620在被激励时发射的辐射图案的中心基本上对准球面RF透镜630的中心点。如上所述，有源辐射元件620可以被布置成可以被笼统地称为“列”和“行”，但是应了解，实际上，有源辐射元件620由于它们围绕球面RF透镜630的轨道位置而被布置成弧形的行和列。
如在图7中可以看到，每行辐射元件620在多个水平平面HP1-HP7中的相应一个中的相应弧中延伸，并且每列辐射元件620在多个竖直平面VP1-VP3中的相应一个中的相应弧中延伸(应注意，在图7中不可见的辐射元件在图中不可见的两个附加竖直平面VP4-VP5中的两个弧中延伸)。水平平面HP1-HP7基本上彼此平行，并且因此不彼此相交。在一些实施方案中，竖直平面VP1-VP5可以沿着与球体上的纵向线类似的通过球体的纵向截线延伸。在此类实施方案中，随着“行”距离赤道越远，“行”中的辐射元件620彼此之间具有的间距减小。在其它实施方案中，对于所有水平平面HP1-HP7中的辐射元件620，“行”中的相邻辐射元件620之间可以维持相同的水平间距。这种布置可以通过笔形波束提供更均匀覆盖。在每种情况下，辐射元件620可以被轨道式布置，即，每个辐射可以位于距球面透镜630的相同距离处并且指向球面透镜630的中心。
在图7的实施方案中，每个有源辐射元件620可以用来形成覆盖由天线600服务的覆盖区域的一部分的波束。当球面RF透镜630在方位角方向和仰角方向两者上使这些波束变窄时，多个所谓的“笔形波束”可以由天线600形成，所述多个所谓的“笔形波束”一起覆盖由天线600服务的整个扇区。图8是更详细地示出可以由多波束天线600形成的波束640的示例性绘制的示意图。如图8所示，每个有源辐射元件620形成窄波束640。有源天线元件620可以使所传送的信号有幅度并对其进行相位加权，以使得每个波束640相对于水平线可以具有少量的下倾。由于这种下倾，每个波束640可以在距天线600的一定距离处指向地面。这种设计可以确保天线600不干扰在相同频带下运行的提供对相邻区域(例如，蜂窝通信系统的相邻小区)的覆盖的其它附近天线。如图8所示，由于这种设计，多个波束640可以在天线600的整个覆盖区域内一起形成类似于棋盘图案的图案，其中每个波束640提供对覆盖区域的不同部分的覆盖，如图8示意性地示出。每个波束640可以用来向位于由该波束640覆盖的覆盖区域的部分内的固定或移动用户传送信号以及从所述固定或移动用户接收信号。例如，如果三个用户在由特定波束640服务的覆盖区域的部分内，则可用带宽可以在这三个用户之间划分。如果仅一个用户在特定时间点在另一个波束640的覆盖区域内，则整个可用带宽可以专用于该用户，从而提供更高质量的信号。应理解，辐射元件620在图8中被示意性地描绘，并且可以实现为单极化或双极化辐射元件，并且可以使用任何适当类型的辐射元件(例如，偶极子、交叉偶极子、贴片、喇叭等)。
图9是根据本发明的另外实施方案的另一个多波束天线700的示意图，所述另一个多波束天线可以同样适用于大规模MIMO和各种其它应用。除了天线700包括标准(即，非有源)辐射元件720代替包括在天线600中的有源辐射元件620之外，天线700可以类似于天线600。辐射元件720可以形成多个笔形波束，所述多个笔形波束一起提供对天线700的覆盖区域的覆盖。无线电设备760可以经由例如高速RF切换770的网络连接到辐射元件720。切换网络770可以用来在频分和时分多路复用通信方案的时隙期间选择性地将信号从无线电设备760供应到辐射元件720中的一个或多个。切换网络770可以高速切换以便在任何特定时隙期间指导信号传送到辐射元件720，所述辐射元件提供对覆盖区域的包括在该特定时隙期间传送/接收信号的用户的部分的覆盖。在下一个时隙期间，切换网络770可以被重新配置为选择性地将信号从无线电设备760供应到不同子集的辐射元件720，所述辐射元件提供对覆盖区域的包括在该随后时隙期间传送/接收信号的用户的部分的覆盖。
与常规的平面阵列相控阵天线相比，多波束天线600和/或700可以具有许多优点。大的球面RF透镜630、730将在方位角方向和仰角方向两者上使辐射元件620、720的波束变窄。因此，与在不使用透镜630、730情况下所需的辐射元件的数量相比，阵列610、710可以具有实质上更少数量的辐射元件620、720。另外，因为辐射元件620、720围绕球面RF透镜630、730的侧部的大部分布置，所以天线600、700能够在方位角方向上以偏离视轴角度的相当大的角度形成波束，而不经历以这种方式偏离视轴扫描常规天线时出现的上述问题，诸如减小的增益、非对称天线图案和栅瓣的形成，这是由于辐射元件620、720的轨道布置意味着许多辐射元件将被引导离开天线600、700的“视轴”。因此，预期天线600、700可以比相当的平面阵列天线便宜，同时在诸如大规模MIMO应用的应用中使用时提供改善的性能。
应了解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对多波束天线600和/或700进行多种修改。例如，虽然天线600、700各自使用球面RF透镜630、730，但是应理解，在其它实施方案中作为替代可以使用椭圆RF透镜。还应了解，可以使用其它形状的RF透镜。同样应了解，辐射元件的数量可以与所示的不同，“行”和/或“列”的数量也可以不同。另外，在使用无源辐射元件的其它实施方案中，可以使用共同馈电网络，其中共同馈电网络中的每个输出联接到子阵列辐射元件。例如，共同馈电网络的每个输出可以联接到两个、三个或四个辐射元件，并向这些辐射元件中的每一个提供相同的信号。可以在通过在数字域中组合馈送到元件的子阵列的信号来使用有源辐射元件的实施方案上使用类似的方法。
虽然以上描述主要集中在将RF透镜与蜂窝通信系统中的基站天线一起使用，但将容易了解的是，本文所公开的RF透镜布置可以用于各种各样的其它天线应用中，具体包括使用相控阵天线、多波束天线或诸如抛物面碟形天线的反射器天线的任何天线应用。作为示例，用于蜂窝网络和传统公共服务电话网络两者的回程通信系统使用点对点微波天线来承载大量的回程通信量。这些点对点系统通常使用相对大的抛物面碟形天线(例如，具有可能在1至6英尺范围内的直径的抛物面碟形天线)，并且可以与在长度小于一英里到几十英里的链路上的类似天线进行通信。通过提供更集中的天线波束，可以减小抛物面碟形天线的大小，同时降低成本和天线塔的负载，和/或可以增加天线的增益，从而增加链路吞吐量。因此，应了解，本发明的实施方案扩展远远超出了基站天线，并且本文所公开的RF透镜可以与任何合适的天线一起使用。
上面已经参考附图描述了本发明的实施方案，在附图中示出了本发明的实施方案。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于在此阐述的实施方案。而是，这些实施方案被提供以使得本公开内容透彻且完整，并将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。相同的数字始终是指相同的元件。
应理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个区分开。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不背离本发明的范围。如本文所用，术语“和/或”包括相关联所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。
应理解，当元件被称为在另一个元件“上”时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接”在另一个元件“上”时，不存在中间元件。还应理解，当元件被称为“连接”或“联接”到另一个元件时，其可以直接连接或联接到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一个元件时，不存在中间元件。用来描述元件之间关系的其它词语应该以类似的方式解释(即，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
诸如“之下”或“之上”或“上部”或“下部”或“水平”或“竖直”的相对术语可以在本文中用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图所示。应理解，除了图中描绘的取向之外，这些术语旨在涵盖装置的不同取向。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。应进一步理解，当在本文中使用时，术语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包括(include)”和/或“包括(including)”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，而不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作，元件、部件和/或其组。
在以上详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的实施方案的透彻理解。然而，本领域的技术人员应理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些情况下，众所周知的方法、过程、部件和元件未被详细描述以免模糊本公开。意图是，本文所公开的所有实施方案可以单独实现或以任何方式和/或组合来组合。关于一个实施方案描述的方面可以并入不同的实施方案中，虽然相对于此没有具体描述。即，所有实施方案和/或任何实施方案的特征可以以任何方式和/或组合来组合。

Claims (38)

1.一种相控阵天线，其包括：
多个辐射元件；以及
大致沿着第一竖直轴线对准的多个射频(“RF”)透镜，
其中每个辐射元件与所述RF透镜中的相应一个相关联，
其中每个辐射元件相对于所述第一竖直轴线机械地下倾，
其中所述多个RF透镜构造成使由所述多个辐射元件输出的合成波束的3dB波束宽度收缩，并且
其中所述相控阵天线是基站天线。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中所述辐射元件沿着平行于所述第一竖直轴线的第二竖直轴线对准。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线，其中当所述相控阵天线被安装以供使用时，每个辐射元件的中心沿着所述第二竖直轴线在竖向上定位在高于沿着所述第一竖直轴线的其相关联RF透镜的中心的点处。
4.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中每个辐射元件被定位成使得由所述辐射元件在被激励时发射的辐射图案的中心对准其相关联RF透镜的中心点。
5.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中每个辐射元件相对于所述第一竖直轴线在2和10度之间机械地下倾。
6.根据权利要求3所述的相控阵天线，其中每个辐射元件相对于所述第一竖直轴线机械地下倾相同量。
7.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中每个RF透镜包括球面RF透镜。
8.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中每个RF透镜包括椭圆RF透镜。
9.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中每个辐射元件被定位在距其相关联RF透镜的相同距离处。
10.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中每个辐射元件安装在相应的接地平面上，并且其中每个接地平面沿着第三竖直轴线在竖向上对准，并且其中每个接地平面限定相对于所述第三竖直轴线倾斜至少2度的相应平面。
11.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括可膨胀微球体，所述可膨胀微球体与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的片混合。
12.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中所述介电材料还包括粘结剂。
13.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的小片包括闪光材料或闪光体。
14.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的小片的平均表面积超过膨胀后的所述可膨胀微球体的平均表面积。
15.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括发泡介电材料的小片，所述发泡介电材料的小片具有嵌入其中的至少一片导电材料。
16.根据权利要求11所述的相控阵天线，其中所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括发泡基底介电材料，所述发泡基底介电材料具有嵌入其中的导电纤维。
17.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中所述多个辐射元件包括沿着第二竖直轴线对准的多个第一辐射元件，并且所述多个RF透镜包括多个第一RF透镜，所述相控阵天线还包括沿着第三竖直轴线对准的多个第二RF透镜以及沿着第四竖直轴线对准的多个第二辐射元件。
18.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中所述多个辐射元件包括多个第一辐射元件，所述相控阵天线还包括沿着第三竖直轴线对准的多个第二辐射元件，其中每个第二辐射元件与所述RF透镜中的相应一个相关联。
19.根据权利要求18所述的相控阵天线，其中所述多个第一辐射元件被配置为形成第一扇区波束，并且所述多个第二辐射元件被配置为形成第二扇区波束。
20.根据权利要求17所述的相控阵天线，其中所述多个第一辐射元件中的每个辐射元件的中心沿着所述第二竖直轴线在竖向上定位在高于沿着所述第一竖直轴线的其相关联RF透镜的中心的点处，并且其中所述多个第二辐射元件中的每个辐射元件的中心沿着所述第四竖直轴线在竖向上定位在高于沿着所述第一竖直轴线的其相关联RF透镜的中心的点处。
21.一种多波束天线，其包括：
多个辐射元件；以及
定位在所述辐射元件前方的射频(“RF”)透镜，
其中所述辐射元件被定位在围绕所述RF透镜的侧部的至少一部分处，并且
其中所述辐射元件被布置成多行和多列，其中每行在多个水平平面中的相应一个中的相应弧中延伸，并且每列在多个竖直平面中的相应一个中的相应弧中延伸，
其中所述多波束天线是基站天线，
其中所述多个水平平面包括多个基本上平行的平面，而所述多个竖直平面彼此相交。
22.根据权利要求21所述的多波束天线，其中所述辐射元件包括有源天线元件。
23.根据权利要求21或22所述的多波束天线，其中所述RF透镜包括球面RF透镜，并且其中所述辐射元件轨道地布置在围绕所述球面RF透镜的侧部的一部分处。
24.根据权利要求21所述的多波束天线，其还包括RF切换网络，所述RF切换网络能够被配置为将无线电设备连接到所述辐射元件中的所选择的一个或多个。
25.根据权利要求21所述的多波束天线，其中每个辐射元件被定位成使得由所述辐射元件在被激励时发射的辐射图案的中心基本上对准所述RF透镜的中心点。
26.根据权利要求21所述的多波束天线，其中每个辐射元件被定位在距所述RF透镜的相同距离处。
27.根据权利要求23所述的多波束天线，其中每个辐射元件安装在相应的接地平面上，并且其中每个接地平面相对于所述球面RF透镜轨道地布置。
28.根据权利要求21所述的多波束天线，其中所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括可膨胀微球体，所述可膨胀微球体与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的片混合。
29.根据权利要求21所述的多波束天线，其中所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括发泡介电材料的小片，所述发泡介电材料的小片具有嵌入其中的至少一片导电材料。
30.根据权利要求21所述的多波束天线，其中所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括发泡基底介电材料，所述发泡基底介电材料具有嵌入其中的导电纤维。
31.一种多波束天线，其包括：
多个辐射元件；
定位在所述辐射元件前方的球面射频(“RF”)透镜；以及
被配置为将无线电设备连接到所述辐射元件的相应子集的切换网络，
其中所述辐射元件轨道地布置在围绕所述球面RF透镜的侧部的一部分处，
其中所述辐射元件被布置为限定在水平面中延伸的多个第一弧和在竖直面中延伸的至少一个附加弧。
32.根据权利要求31所述的多波束天线，其中每个辐射元件被定位成使得由所述辐射元件在被激励时发射的辐射图案的中心基本上对准所述球面RF透镜的中心点。
33.根据权利要求31或32所述的多波束天线，其中所述辐射元件的子集包括所述辐射元件中的单独一个。
34.根据权利要求31或32所述的多波束天线，其中所述辐射元件的子集包括经由共同馈电网络连接到所述切换网络的多个辐射元件。
35.根据权利要求31或32所述的多波束天线，其中每个辐射元件被定位在距所述球面RF透镜的相同距离处。
36.根据权利要求31或32所述的多波束天线，其中每个辐射元件安装在相应的接地平面上，并且其中每个接地平面相对于所述球面RF透镜轨道地布置。
37.根据权利要求31或32所述的多波束天线，其中，所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括可膨胀微球体，所述可膨胀微球体与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材的片混合。
38.根据权利要求31或32所述的多波束天线，其中所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括发泡介电材料的小片，所述发泡介电材料的小片具有嵌入其中的至少一片导电材料。
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