CN109075454B - 用在无线通信系统中的带透镜的天线 - Google Patents

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Abstract

阵列天线包括多个带透镜的多波束子阵列，其中每个带透镜的多波束子阵列包括RF透镜和与该RF透镜相关联并且围绕该RF透镜轨道地布置的多个辐射元件。

Description

用在无线通信系统中的带透镜的天线
技术领域
本发明一般而言涉及通信系统，并且更具体地，涉及用在无线通信系统中的天线。
背景技术
当前使用各种的无线通信系统，包括例如卫星通信系统、雷达系统、微波通信系统、航空通信系统和蜂窝通信系统。所有这些系统都使用天线来发射和接收无线信号。
天线可以被设计为呈现方向性，这意味着天线可以被设计为将发射的信号能量聚焦在某个区域/方向上，并且同样地可以被设计为聚焦接收到的从某个区域/方向入射在天线上的信号能量。天线越具有方向性，其“增益”越高，这是天线将发射的信号能量聚焦在具体方向上的能力的度量。天线的增益越高，实现指定的链路性能水平的发射功率要求越低。通常通过在方位角(水平)和仰角(垂直)方向上指定天线的半功率波束宽度来量化天线所提供的聚焦量。具体而言，天线波束越被聚焦，其方位角和仰角波束宽度将越小，并且其增益越高。
遗憾的是，提供更聚焦、更高增益的天线波束通常需要使用更大的天线。例如，微波通信系统通常使用抛物面反射器天线，其使用抛物面碟来聚焦发射(和接收)的信号。这种天线的增益随着抛物面碟的大小而增加。同样，相控阵列天线的增益将是相控阵的孔径大小等的函数。增加天线的大小可能存在各种问题，包括增加的成本、重量和风载荷，并且在许多情况下，当地法令可能对某些类型的天线的大小施加限制。
另外，由天线产生的波束越被聚焦(即，更小的方位角和仰角波束宽度)，天线产生的波束在任何给定时间将覆盖的区域越小。这可能在具有移动用户的无线通信系统中引起问题，因为这样的通信系统通常必须向移动用户可能位于的任何位置提供覆盖。在一些无线通信系统中，使用相控阵列天线，其可以通过操纵提供给天线的各个辐射元件的信号的相位来电子地移动或“扫描”天线波束指向的方向。当使用这种相控阵列天线时，可以在移动用户移动时扫描天线波束，以便保持天线波束指向移动用户。然而，遗憾的是，由于天线波束被电子地扫描，天线波束的最大增益可能会减小，并且天线波束可能变得不对称，这通常是不希望的。另外，当以相对大的量扫描天线波束时，可能生成被称为栅瓣(gratinglobes)的不希望的辐射波束，其看起来远离天线波束的预期方向。这些栅瓣的生成可能降低天线在期望方向上的增益，并且还可能导致与通信系统中使用的其它天线波束的干扰。
因此，提供具有可在宽覆盖区域上被转向的良好波束特性的高增益天线波束可能是具有挑战性的。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了包括多个带透镜的多波束子阵列的阵列天线，其中每个带透镜的多波束子阵列包括RF透镜和与RF透镜相关联并且围绕RF透镜轨道地(orbitally)布置的多个辐射元件。
在一些实施例中，RF透镜可以以具有M个行和N个列的M×N阵列来布置。
在一些实施例中，每个带透镜的多波束子阵列的辐射元件可以位于相同的轨道位置中。
在一些实施例中，每个RF透镜可以包括球形RF透镜。
在一些实施例中，每个辐射元件可以包括有源辐射元件。
在一些实施例中，可以围绕每个RF透镜轨道地布置五个辐射元件。
在一些实施例中，围绕每个RF透镜轨道地布置的多个辐射元件可以包括中心辐射元件和多个外部辐射元件。
在一些实施例中，每个辐射元件可以距与其所关联的RF透镜以相同的距离定位。
在一些实施例中，RF透镜可以包括介电材料，该介电材料包括泡沫基底介电材料，该泡沫基底介电材料具有嵌入其中的高介电常数材料的颗粒，该高介电常数材料具有是泡沫基底介电材料的介电常数的至少三倍的介电常数。
在一些实施例中，每个RF透镜可以包括介电材料，该介电材料包括具有嵌入其中的导电纤维的泡沫基底介电材料。
在一些实施例中，阵列天线还可以包括多个共同馈送网络(corporate feednetwork)。共同馈送网络的数量可以等于每个带透镜的多波束子阵列中包括的辐射元件的数量。在一些实施例中，阵列天线还可以包括切换网络，该切换网络可以在逐个时隙的基础上选择性地将无线电装置连接到共同馈送网络中的各个共同馈送网络。在其它实施例中，每个共同馈送网络可以连接到多个无线电装置中的相应一个无线电装置。
在一些实施例中，阵列天线还可以包括多个电子移相器，其中每个移相器耦合到辐射元件中的相应一个辐射元件。
在一些实施例中，辐射元件可以实现为封装模块中的射频集成电路系统。在一些实施例中，封装模块中的射频集成电路系统中的至少一些可以包括多个辐射元件。在一些实施例中，封装模块中的射频集成电路系统中的至少一个可以包括其表面中的凹口，并且其中作为带透镜的多波束子阵列中的第一带透镜的多波束子阵列的一部分的第一RF透镜至少部分地安装在该凹口内。在一些实施例中，带透镜的多波束子阵列中的第一带透镜的多波束子阵列的辐射元件可以被安装在该凹口内。
根据本发明还有的实施例，提供了阵列天线，其包括多个带透镜的多波束子阵列，每个带透镜的多波束子阵列包括射频(“RF”)透镜和多个辐射元件，该多个辐射元件与RF透镜相关联并且安装在RF透镜和安装结构之间。每个辐射元件相对于其所关联的RF透镜安装在不同的位置中，并且每个RF透镜使得其所关联辐射元件安装在与其它RF透镜相同的位置中。这些阵列天线还包括多个共同馈送网络。每个共同馈送网络耦合到每个带透镜的多波束子阵列的辐射元件之一。
在一些实施例中，共同馈送网络的数量可以等于每个带透镜的多波束子阵列中包括的辐射元件的数量。
在一些实施例中，共同馈送网络中的第一共同馈送网络可以耦合到每个带透镜的多波束子阵列的辐射元件，这些辐射元件相对于其所关联的RF透镜安装在相同的位置中。
在一些实施例中，阵列天线还可以包括切换网络，该切换网络在逐时隙的基础上选择性地将无线电装置连接到共同馈送网络中的各个共同馈送网络。在其它实施例中，每个共同馈送网络可以连接到多个无线电装置中的相应一个无线电装置。
在一些实施例中，阵列天线还可以包括多个电子移相器，其中每个移相器耦合到辐射元件中的相应一个。
在一些实施例中，每个辐射元件可以相对于其所关联的RF透镜进行轨道地布置。
在一些实施例中，每个RF透镜可以是球形RF透镜。在一些实施例中，每个透镜可以处于阵列天线的工作频带的中心频率的1个波长到5个波长之间。
在一些实施例中，每个RF透镜可以包括填充有介电材料的透镜容器，该介电材料具有基本上均匀的介电常数。
根据本发明还有的实施例，提供了包括多个带透镜的多波束子阵列的阵列天线，其中每个带透镜的多波束子阵列包括射频(“RF”)透镜和与RF透镜相关联的多个辐射元件。RF透镜以三维布置进行布置。
在一些实施例中，RF透镜中的至少一些可以以阶梯图案布置。
在一些实施例中，RF透镜中的至少一些可以沿曲线布置。
在一些实施例中，RF透镜的第一子集可以布置成限定第一圆。在一些实施例中，RF透镜的第二子集可以布置成限定第二圆。在一些实施例中，第二圆可以部署在第一圆上方。在一些实施例中，RF透镜的第二子集可以包括比RF透镜的第一子集更少的RF透镜。
根据本发明的又一些实施例，提供了封装模块中的射频集成电路系统，其包括射频集成电路，该射频集成电路包括多个辐射元件和多个RF收发器，其中每个辐射元件耦合到RF收发器和至少部分地安装在射频集成电路的表面中的凹口中的RF透镜中的相应一个。
在一些实施例中，RF透镜可以是球形RF透镜。
在一些实施例中，辐射元件可以相对于球形RF透镜进行轨道地安装。
在一些实施例中，辐射元件中的至少一些可以安装在凹口的侧壁上。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的宽扫描相控阵列天线的示意性透视图。
图2A是图1的宽扫描天线的带透镜的多波束子阵列的示意性前视图。
图2B是图2A的带透镜的多波束子阵列的示意性侧视图。
图3A是可以在图1的宽扫描天线中使用的示例双极化辐射元件的平面图。
图3B是图3A的示例双极化辐射元件的侧视图。
图4A是图示当通过示例常规相控阵列天线发射的RF信号在方位角方向上偏离视轴时该RF信号的归一化功率的图。
图4B是图示当通过常规相控阵列天线的另一个示例发射的RF信号在方位角方向上偏离视轴时该RF信号的归一化功率的图。
图5A是图1的宽扫描天线的带透镜的多波束子阵列之一的示意性后视图，其图示了当天线波束没有被电子地转向时可以由子阵列生成的五个正交天线波束。
图5B是包括在图1的宽扫描天线的带透镜的多波束子阵列之一中的五个辐射元件中的每一个的主要覆盖区域的示意性平面图。
图6A-6F是根据本发明还有的实施例的带透镜的多波束子阵列的示意性前视图。
图7A-7C是根据本发明还有的实施例的宽扫描相控阵列天线的示意性前视图。
图8A是根据本发明还有的实施例的三维宽扫描天线的侧视图。
图8B是根据本发明另外的实施例的三维宽扫描天线的侧视图。
图9A是根据本发明还有的实施例的提供360度覆盖的宽扫描天线的示意性顶视图。
图9B是图9A的宽扫描天线的示意性侧视图。
图9C是根据本发明另外的实施例的提供360度覆盖的宽扫描天线的示意性顶视图。
图10A是根据本发明的实施例的使用RF集成电路技术实现的宽扫描天线的示意性侧视图。
图10B是根据本发明的实施例的RFIC SiP模块的示意性侧视图。
图11A是根据本发明还有的实施例的宽扫描天线的示意性框图。
图11B是图11A的宽扫描天线的修改版本的示意性框图。
图11C是根据本发明还有的又一些实施例的宽扫描天线的示意性框图。
具体实施方式
如上所述，提供具有可以在宽覆盖区域上转向的良好波束特性的、尤其同时满足天线的大小和成本限制的高增益天线波束可能是具有挑战性的。已经建议用于缩窄相控阵列天线的波束宽度而不需要附加的辐射元件的一种技术是使用RF透镜。例如，美国专利公开No.2015/0070230(“'230公开”)公开了使用柱形RF透镜来缩窄蜂窝通信系统的基站天线的方位角波束宽度。具体而言，'230公开公开了一种基站天线，其包括安装在柱形RF透镜后面的三列辐射元件。每列辐射元件相对于其相邻的(一个或多个)列成角度，使得每个辐射元件指向柱形RF透镜的中心纵向轴线。虽然每个辐射元件被设计成具有大约六十五度的常规半功率波束宽度，但是柱形RF透镜将方位角波束宽度缩窄到大约二十二度。因此，每列辐射元件可以在方位角方向上服务大约四十度的覆盖区域。以这种方式，'230专利的基站天线可以提供三个独立的波束，每个波束服务基站的120度扇区的三分之一。
虽然'230公开的带透镜的天线具有某些优点，但它可能不适用于许多应用。例如，柱形RF透镜可能产生交叉极化失真。如本领域技术人员所知，交叉极化失真指的是由交叉极化天线发出的以正交极化发射的能量。如果交叉极化失真的量很大，则柱形RF透镜可能不适用于以正交极化发射信号的应用。作为另一个示例，柱形RF透镜仅在一个方向(通常是方位角方向)上缩窄波束宽度，并且因此可能不适用于需要在方位角和仰角两者方向上都缩窄波束的应用。另外，'230公开的天线仅产生小扇区天线波束，并且因此不适用于在其中非常窄的“笔形”天线波束直接指向具体用户的应用。
根据本发明的实施例，提供了包括多个带透镜的多波束子阵列的宽扫描天线。在一些实施例中，带透镜的多波束子阵列可以布置成阵列，诸如例如具有M个行和N个列的M×N阵列。每个带透镜的多波束子阵列可以包括安装在RF透镜的一侧周围的多个辐射元件。RF透镜可以是球形RF透镜，并且可以具有例如在要通过其发射的RF信号的1-5个波长的量级的直径。每个球形RF透镜可以由展现出相对均匀的介电常数的介电材料形成。具有其它形状的RF透镜也可以用在其它实施例中，因为RF透镜可以由具有非均匀介电常数的介电材料形成。球形RF透镜可以在方位角和仰角方向二者上聚焦由其所关联的辐射元件发出的RF信号。通过球形RF透镜可实现的聚焦与通过辐射元件的不同组合发射的信号的振幅和/或相位加权可实现的聚焦相结合，允许宽扫描阵列形成多个窄“笔形”天线波束，其可以直接指向整个覆盖区域内的用户(或其它目标)。在一些实施例中，辐射元件可以是交叉极化辐射元件。
带透镜的多波束子阵列中的每个辐射元件可以相对于其所关联的球形RF透镜“轨道地”布置，因为每个辐射元件可以与其所关联的RF透镜间隔开相同的距离并且可以指向其所关联的球形RF透镜的中心。每个子阵列中的辐射元件可以彼此间隔开预先选择的量，使得特定透镜多束子阵列中的每个辐射元件指向不同的方向。在一个示例实施例中，“中心”辐射元件可以定位在穿过球形RF透镜的中心延伸平行于地平线的平面上，并且四个“外部”辐射元件可以在方位角和仰角方向两者上从中心辐射元件偏移大约25-50度。因此，这些外部辐射元件部署在围绕中心辐射元件的四个象限中。在具体的示例实施例中，四个外部辐射元件中的每一个可以在方位角和仰角方向两者上从中心辐射元件偏移40度。在上述示例实施例中，将球体上的熟悉的经度和纬度线应用到球形RF透镜，五个辐射元件在球形RF透镜上将被定位在球形RF透镜上的以下经度和纬度坐标上方(其中，辐射元件5是中心辐射元件)，其中五个辐射元件中的每一个指向球形RF透镜的中心并且与球形RF透镜相距相同的距离：
辐射元件1：经度-40°，纬度40°；
辐射元件2：经度40°，纬度40°；
辐射元件3：经度40°，纬度-40°；
辐射元件4：经度-40°，纬度-40°；以及
辐射元件5：经度0°，纬度0°。
每个带透镜的多波束子阵列可以具有相同的设计。因此，上述实施例的宽扫描天线可以被视为五个单独的相控阵列天线，其具有指向五个不同方向或“覆盖区域”中的每一个的M×N个辐射元件。例如，如果天线包括带透镜的多波束子阵列的4×3阵列，则该天线将包括被分成五组、每组十二个辐射元件的六十个辐射元件，其中每个组中的十二个辐射元件都指向五个不同方向中的相应一个方向。每个组的M×N个辐射元件(即，每带透镜的多波束子阵列一个辐射元件)可以用于在其相应的覆盖区域中生成一个或多个天线波束。
在一些实施例中，辐射元件中的每一个可以包括有源辐射元件，该有源辐射元件具有直接连接到其的相关联收发器。根据本发明实施例的宽扫描天线可以用于生成多个窄“笔形”波束，其可以直接指向天线的覆盖区域内的用户，从而提供高增益并允许高效使用频谱。另外，由于辐射元件被分成五组辐射元件，这些辐射元件由于它们围绕其所关联的球形RF透镜的轨道地布置而在宽扫描天线的整个覆盖区域内物理地指向多个不同方向，所以，当被扫描以覆盖天线的整个覆盖区域的不同地区时，与常规的相控阵列天线相比，宽扫描天线将展现出明显更少的增益损失、波束失真和栅瓣生成。
具体而言，当RF信号被分发到子组的辐射元件(每个辐射元件在带透镜的多波束子阵列的M×N集合上具有相同的朝向)，并且被提供给这些辐射元件的RF信号是同相时，辐射元件将形成相干天线波束。该天线波束将是阵列因子和带透镜的辐射元件图案的乘积，并且将具有重合的峰值方向，并且因此其峰值增益是在该方向上。在具有带透镜的多波束子阵列(每个子阵列包括五个辐射元件)的宽扫描天线的情况下，天线将生成指向不同方向的五个正交天线波束，因此每个天线波束将在不同的方向上具有其峰值增益。可以使用施加到天线的信号的每个分量的标准振幅和相位变化来扫描和整形这些天线波束。
在其它实施例中，可以提供切换网络，并且宽扫描天线可以通过针对其每个时隙形成不同的天线波束来实现时分复用方案。在仍然还有的其它实施例中，辐射元件可以由切换的共同馈送网络馈送，该切换的共同馈送网络在时分复用通信方案的时隙期间选择性地将来自无线电装置的信号提供给辐射元件中的一个或多个的组。可以高速切换切换的共同馈送网络，以便将要在任何特定时隙期间发射的信号引导到向包括在该特定时隙期间发射/接收信号的用户的覆盖区域的部分提供覆盖的辐射元件。在下一个时隙期间，可以重新配置切换网络以选择性地将来自无线电装置的信号提供给辐射元件的不同子集，这些子集向包括在该后续时隙期间发射/接收信号的用户的覆盖区域的部分提供覆盖。仅当用户在覆盖区域内时才激活天线波束。在仍然还有的实施例中，辐射元件可以由切换的共同馈送网络馈送，而不使用时分复用方案。
现在将参考各图更详细地讨论本发明的实施例，各图中示出了本发明的示例实施例。
图1是根据本发明的某些实施例的宽扫描天线100的示意性透视图。
如图1所示，宽扫描天线100包括安装结构110，安装结构110具有安装在其上的多个带透镜的多波束子阵列120。安装结构110可以包括单体结构或可以包括附连在一起的多个结构。安装结构110可以容纳宽扫描天线100的各种部件，诸如例如收发器、双工器、连接器、线缆等。在一些实施例中，带透镜的多波束子阵列120可以以M×N阵列布置，其中M是行数并且N是列数。在其它实施例中，带透镜的多波束子阵列120可以以其它图案布置，诸如例如“X”形。
每个带透镜的多波束子阵列120可以包括多个辐射元件130和相关联的RF透镜140。辐射元件130和/或RF透镜140可以安装在安装结构110上。辐射元件130通常可以定位在安装结构110和RF透镜140之间。RF透镜140可以用于缩窄各个辐射元件130的天线波束的波束宽度。如图1中示意性地示出的，宽扫描天线100可以被配置为生成多个“笔形波束”天线波束152，其为宽扫描天线100的视场内的所选位置提供高方向性。这些笔形波束152可以具有高增益、很少或没有波束失真，并且可以不生成栅瓣。宽扫描天线100可以被配置为使得笔形波束152可以直接指向各个用户20(图1中示意性地示出了四个这样的用户20-1至20-4)。
在一些实施例中，宽扫描天线100可以安装在塔架10或其它凸起结构上。当宽扫描天线100被安装以供使用时，方位角平面可以垂直于宽扫描天线100的纵轴，并且仰角平面可以平行于宽扫描天线100的纵轴。
在图1所示的特定实施例中，宽扫描天线100包括总共十二个带透镜的多波束子阵列120(仅其中两个带透镜的多波束子阵列120，即子阵列120-1和120-3，在图1中被编号)。每个带透镜的多波束子阵列120包括RF透镜140和被配置为通过RF透镜140发射和接收信号的多个辐射元件130中的一个。不同数量的带透镜的多波束子阵列120可以用在不同的实施例中。在所描绘的实施例中，每个带透镜的多波束子阵列120包括一个RF透镜140和五个辐射元件130，但是在不同的实施例中可以使用不同数量的辐射元件130。还将清楚的是，所有带透镜的多波束子阵列120都不需要具有相同数量的相关联辐射元件130。
图2A和图2B示意性地图示了图1的宽扫描天线100的带透镜的多波束子阵列120之一(120-1)。具体而言，图2A是带透镜的多波束子阵列120-1的示意性前视图并且图2B是带透镜的多波束子阵列120-1的示意性侧视图。注意的是，在图2A中，五个辐射元件130定位在RF透镜140的后面，并且因此将认识到的是，该RF透镜在图2A中以“透明”视图示出，使得定位在RF透镜140后面的辐射元件130可以在附图中看到。同样，将认识到的是，在图2B中，没有画出辐射元件130-1和130-4，因为它们分别位于辐射元件130-2和130-3的正后方，并且因此在图2B的侧视图中不可见。
如图2A和2B所示，每个带透镜的多波束子阵列120包括五个辐射元件130，其安装在包括在子阵列120中的RF透镜140的一侧周围。RF透镜140是球形的形状或“球形”RF透镜140。下面提供关于球形RF透镜140的组成、制造和性能属性的附加细节。每个辐射元件130可以相对于其所关联的球形RF透镜140定位，使得由辐射元件130发出的辐射图案的中心和/或峰值振幅在被激发时被引导到其所关联的球形RF透镜140的中心点。与和球形RF透镜140相关联的其它四个辐射元件130一样，每个辐射元件130可以定位在与其所关联的球形RF透镜140相同的距离处。此外，每个子阵列120可以是相同的，使得所有辐射元件130都指向其所关联的球形RF透镜140的中心并且与其所关联的球形RF透镜140的距离相同。其中辐射元件130定位成指向其相应RF透镜的中心的上述布置在本文中被称为“轨道”布置。具体地，在本文中，当辐射元件130指向球形RF透镜140的中心时，辐射元件130相对于球形RF透镜140是“轨道地”布置的。当辐射元件130被其工作频带中的信号激发时，辐射元件130被认为指向发出最大量的RF能量的方向。
如图2A-2B所示，在一个实施例中，四个辐射元件130可以在“盒子”配置中进行轨道地布置，并且第五辐射元件130可以轨道地布置在盒子的中心。在本文中，形成盒子的四个辐射元件130可以被称为外部辐射元件130，并且布置在盒子中心的第五辐射元件130可以被称为中心辐射元件130。如可以在图2B的侧视图中看到的，在该布置中，四个外部辐射元件130可以位于中心辐射元件130的前方(即，更远离安装结构110)，使得每个辐射元件130可以围绕球形RF透镜140轨道地布置。在所描绘的实施例中，每个外部辐射元件130位于从中心辐射元件130的位置在方位角和仰角方向二者上都偏移大约40度的位置。例如，如果中心辐射元件130指向在具有(0,0)的方位角和仰角的球形RF透镜上的位置处，则四个外部辐射元件130将具有(40，40)，(-40，40)，(40，-40)和(-40，-40)的方位角和仰角。在其它实施例中，每个外部辐射元件130可以位于从中心辐射元件130的位置在方位角和仰角方向上偏移大约20度和大约60度之间的位置。在一些实施例中，方位角和仰角方向的偏移可以是不同的(例如，在仰角方向上偏移25度和在方位角方向上偏移40度)。
如图2A-2B所示，该轨道地布置可以通过将辐射元件130中的至少一些定位在球形RF透镜140的中心水平或“赤道”平面142的前方和/或上方或下方来实现。因此，辐射元件130不像常规的那样以平面方式布置，而是围绕它们相应的RF球面透镜140布置成弧形。这种布置可以提供各种性能改进，如下面将更详细地描述的。
为了轨道地安装辐射元件130，可能需要使辐射元件130中的至少一些相对于垂直轴成角度。如下面将参考图3A-3B更详细地讨论的，当使用偶极子、交叉偶极子或贴片辐射元件130时，每个辐射元件130通常将包括辐射器132(例如，一个或多个偶极子)、馈电杆134和接地平面136。馈电杆134用于将辐射器132安装在接地平面136前面的期望距离处(例如，对应于要通过宽扫描天线100发射的信号的波长的四分之一的距离)。在常规的相控阵列天线中，接地平面通常是平面的垂直朝向的金属片，其用作所有辐射元件的接地平面，并且馈电杆从接地平面以90度角(即，水平地)延伸。在宽扫描天线100中，辐射元件130中的一些可以由于它们围绕其相应球形RF透镜140的轨道地布置而向上或向下和/或向左或向右成角度。因此，在一些实施例中，每个辐射元件130可以具有其自己的单独接地平面136，并且每个辐射元件130的馈电杆134可以从接地平面136向外以大致90度的角度朝与该辐射元件130相关联的球形RF透镜140延伸。
辐射元件130在图1和图2A-2B中示意性地示出。每个辐射元件130可以包括例如偶极子、贴片、喇叭(horn)、开放式波导或任何其它适当的辐射元件。图3A-3B图示了辐射元件130的示例实现方案。具体地，图3A是示例辐射元件130的平面图，并且图3B是其侧视图。在所示的示例实施例中，辐射元件130包括一对交叉极化辐射元件，其中该对中的一个辐射元件辐射具有+45°极化的RF能量，并且该对中的另一个辐射元件辐射具有-45°极化的RF能量。
如图3A所示，示例辐射元件130包括以正方形或“盒子”布置进行布置的四个偶极子132。四个偶极子132由馈电杆134支撑，如图3B所示。每个辐射元件130包括两个线性正交极化(倾斜+45°/-45°)。每个辐射元件130还可以包括定位在偶极子132后面的接地平面136，使得例如偶极子132与馈电杆134的一端相邻，并且接地平面136与馈电杆134的另一端相邻。
将认识到的是，上面讨论的辐射元件130仅代表用于宽扫描天线100的合适辐射元件的一个示例，并且可以使用许多其它类型的辐射元件130。例如，在其它实施例中，可以使用贴片辐射元件、单偶极子(与交叉极化的偶极子对相反)辐射元件或喇叭辐射元件。各种偶极子、交叉偶极子、喇叭和贴片辐射元件在本领域中是已知的，并且可以基于应用、成本和各种其它因素来选择所使用的特定类型的辐射元件。还将认识到的是，在其它实施例中，可以使用除偶极子、交叉偶极子、喇叭和贴片辐射元件之外的辐射元件。
还将认识到的是，在一些实施例中可以使用多种不同类型的辐射元件130。例如，在某些应用(诸如蜂窝通信)中，如果宽扫描天线100可以在多个不同的频带中通信(例如，以支持多种不同类型的蜂窝服务，诸如GSM900和GSM1800服务或蜂窝服务的任何其它组合)，它可能是有利的。在特定实施例中，辐射元件130可以实现为盒辐射元件，其被配置为在不同的频带中辐射，彼此交错，如美国专利No.7,405,710(“'710专利”)中所示，该专利的整个内容通过引用并入本文。如'710专利中所示，双频盒辐射元件可以包括第一阵列盒式偶极子辐射元件，它们同轴地设置在第二盒式偶极子组件内。使用这种辐射元件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)中操作。为了使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，低频带辐射元件可以具有方位角方向的例如65-50°的HPBW，并且高频带辐射元件可以具有方位角方向的45-35°的HPBW。与这些辐射元件130结合使用的球形RF透镜140可以用于将这些波束宽度减小到期望的量以获得图1所示的笔形波束152。球形RF透镜140将把高频带辐射元件的波束宽度比低频带辐射元件缩小更多，使得辐射元件可以被设计成在方位角和仰角方向两者上具有相似的波束宽度。
如上所述，在一些实施例中，每个辐射元件130可以包括有源辐射元件，因为辐射元件130由专用收发器(无线电装置)直接馈送，而不是使在其相应带透镜的多波束子阵列120上具有相同朝向的辐射元件130的每个子组由无源的共同馈送网络馈送。这种有源辐射元件在图3B中示意性地示出。有源辐射元件的使用允许通过每个辐射元件130发射的RF信号的振幅和相位在发射之前被数字地操纵。通过使用数字地引入的振幅和/或相位加权，每个有源辐射元件可以被配置为通过自身或者与其它有源辐射元件结合地生成可以被有源地引导到用户所在位置的相干的窄波束。如本文将进一步详细解释的，使用有源地指向用户的窄波束可以提供高天线增益(降低发射功率要求)和更高效的频谱使用，因为窄波束允许在天线的覆盖区域内的频率重用。替代地，馈送每个辐射元件的有源电子器件可以响应于信道条件而将振幅和相位加权施加到通过辐射元件辐射的信号，以便最大化可能不会导致一组相干的窄波束的特定用户的信号或信噪比水平。在这两种情况下，由于这是基带中的数字波束形成，因此可以针对基带频谱的各个区段改变权重。在其它实施例中，每个辐射元件130可以替代地由共同馈送网络馈送，该共同馈送网络例如将多个不同的辐射元件130连接到相同的无线电装置。
再次参考图1和图2A-2B，宽扫描天线100还包括多个球形RF透镜140。在图1和图2A-2B所绘出的特定实施例中，辐射元件130中的五个与每个球形RF透镜140相关联。球形RF透镜140可以在方位角和仰角方向上缩窄由其所关联的辐射元件130中的每一个辐射的RF能量的波束宽度。发生的缩窄量是若干因子的函数，包括RF信号的频率、球形(或其它形状)RF透镜140的直径和用于形成透镜140的材料的介电常数。在示例实施例中。每个球形RF透镜140的直径可以是通过RF透镜140发射的RF信号的1-5个波长的量级。这样的透镜可以展现出Luneburg透镜(这是用具有不同介电常数的同心介电材料层填充的透镜)的功能，但可以使用单个介电材料实现该功能。在一些示例实施例中，球形RF透镜140可以包括(例如，填充有)具有大约1至大约3的介电常数的材料(或由这种材料组成)。球形RF透镜140的介电材料聚焦从辐射元件130辐射的和由辐射元件130接收到的RF能量。虽然上面的示例实施例中图示了具有均匀介电常数的球形RF透镜140，但是将认识到的是，在其它实施例中，可以使用非球面透镜和/或具有非均匀介电常数的透镜。
在一些实施例中，可以使用填充有在美国专利No.8,518,537(通过引用并入本文)中描述的人造介电材料的颗粒的球壳来形成球形RF透镜140。在这样的实施例中，每个颗粒可以包括小块的介电材料，其包括嵌入在其中的至少一个针状(或其它形状)导电纤维。可以使用将块粘合在一起的粘合剂将这些小块形成为更大的结构。块可以在较大结构内具有随机朝向。用于形成块的基底介电材料可以是密度在例如0.005g/cm3至0.1g/cm3范围内的轻质材料。通过改变包括在小块内部的(一个或多个)导电纤维的数量和/或朝向，材料的介电常数可以从例如大约1到大约3变化。
在其它实施例中，球形RF透镜140可以是填充有复合介电材料的壳，该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大块泡沫基底介电材料，其包括嵌入在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泡沫塑料材料，诸如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯(PTEF)、聚丙烯、聚氨酯硅等，其具有嵌入在其中的高介电常数材料的多个颗粒。在一些实施例中，泡沫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的小颗粒，诸如，例如陶瓷(例如，Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、氮化硼等)或非导电(或低导电性)金属氧化物(例如，氧化钛、氧化铝等)。在一些实施例中，高介电常数材料可以具有至少10的介电常数。在一些实施例中，高介电常数材料可以包括非常细的颗粒的粉末。高介电常数材料的颗粒通常可以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朝向。在其它实施例中，复合介电材料可以包括多个小块的基底介电材料，其中每个块具有嵌入在其中和/或其上的高介电常数介电材料的颗粒。在一些实施例中，可以使用例如粘合剂(诸如橡胶粘合剂或由聚氨酯、环氧树脂等组成的粘合剂)将小块粘合在一起，这些粘合剂是相对轻质的并且展现出低介电损耗。
在一些实施例中，球形RF透镜140可以包括包含在具有RF透镜的期望形状(例如，球形形状)的壳内的介电材料的块或其它小颗粒。在这样的实施例中，可以使用或不使用粘合剂将这些块粘合在一起。由于风、雨、地震和其它环境因素，天线可能会受到振动或其它移动。这种移动可导致上述介电材料块的沉降，特别是在不使用粘合剂的情况下。在一些实施例中，该壳可以包括多个单独的隔室，并且可以将块填充到这些单独的隔室中以减少沉降的影响。使用这种隔室可以增加透镜的长期物理稳定性和性能。还将认识到的是，块也可以和/或替代地通过轻微压缩和/或回填材料来稳定。可以将不同的技术应用于不同的隔室，或者可以使用相同的技术来稳定所有隔室。
在还有的其它实施例中，介电材料可以是于2016年3月25日提交的美国临时专利申请序列No.62/313,406和/或于2017年3月21日提交的美国专利申请序列No.15/464,442中公开的任何介电材料，这些专利中的每一个的全部内容通过引用并入本文。
包括辐射元件阵列的相控阵列天线的一个优点是通过调节提供给各个辐射元件的信号的相位，可以偏离视轴扫描阵列。在本文中，视轴方向指的是当辐射元件全部被馈送具有相同相位的信号时，相控阵列天线的波束达到峰值振幅的方向。通常，视轴方向与从由辐射元件阵列限定的平面的中心和/或从由球形RF透镜阵列限定的平面的中心垂直延伸的向量重合。
虽然偏离视轴扫描相控阵列天线的能力可能是明显的优点，但是越偏离视轴扫描波束，天线波束倾向于恶化。这参考图4A和图4B以图片的方式示出，图4A和图4B是图示当天线在方位角方向上电子地转向偏离视轴时通过两个示例常规相控阵列天线发射的RF信号的归一化功率的曲线图。在图4A中，曲线30图示了当没有执行波束转向时作为方位角的函数的RF信号的归一化功率(以dB为单位，相对于峰值功率归一化)，而曲线32和34图示了当波束在方位角方向上分别转向20度和40度时作为方位角的函数的RF信号的归一化功率。如从图4A可以看到的，当波束未被转向时(曲线30)，天线具有0dB的归一化功率并且图案展现出良好的对称性(即，增益在方位角方向上的x和-x度处近似相同)。然而，当波束被转向时(曲线32和34)，归一化功率开始下降(例如，在40度下约2dB，这是显著的)，并且波束图案的对称性降低。波束转向越多，这些效果变得越大。在图4B的曲线图中可以看到这些相同的效果。在图4B中，天线波束从0度电子地转向到60度，图4B清楚地图示了增益的下降如何在高转向角下变得显著。此外，如图4B中还可以看到的，当天线被转向超过例如偏离视轴30-40度时，栅瓣开始出现在远离天线波束的预期方向的方向上(即，在大约-90度的方位角处)。因此，虽然相控阵列天线具有波束扫描能力，但遗憾的是，当使用这种视轴外扫描能力时，阵列的性能恶化。
根据本发明的实施例的宽扫描天线可以显著减少常规相控阵列天线的上述限制。具体地，本文公开的宽扫描天线可以具有指向固定数量的不同方向中的每一个方向的辐射元件130。例如，利用图1-图2B的宽扫描天线100，辐射元件130被有效地分成五个子组，每个子组包括指向特定方向的辐射元件130。具体地，参考图2A，每个带透镜的多波束子阵列120中的辐射元件130-1属于第一子组，每个带透镜的多波束子阵列120中的辐射元件130-2属于第二子组，等等。因此，每个子组包括十二个辐射元件130，并且每个子组中的辐射元件130都指向相同的方向。换句话说，宽扫描天线100具有五个子组，每个子组具有十二个辐射元件130，其中每个子组的辐射元件130指向五个不同方向中的相应一个方向。在该特定实施例中，第五子组中的十二个辐射元件130沿着宽扫描天线100的机械视轴方向指向，并且可以用于向位于例如视轴的大约+/-20度方位角和+/-20度仰角内的中心地区内的用户(或其它目标)提供覆盖。辐射元件130的剩余四个子组用于服务位于围绕中心地区的四个相应地区中的用户(或其它目标)。
图5A和5B图示了可以由宽扫描天线100生成的天线波束152，以及这些天线波束152可以在其上被电子地转向以向用户20提供服务的地区或“覆盖区域”。
具体地，图5A是图1的宽扫描天线100的带透镜的多波束子阵列120之一的示意性后视图。如图5A所示，可以使用子阵列120生成五个正交天线波束150-1至150-5。如从图5A中可以看到的，每个天线波束150将指向与用于生成天线波束150的辐射元件130相同的方向。因此，对于宽扫描天线100，波束150-5将指向天线100的机械视轴方向并且剩余的波束150-1至150-4将指向以下四个(方位角，仰角)方向：
波束150-4--(40°，40°)
波束150-1--(40°，-40°)
波束150-2--(-40°，-40°)
波束150-3--(-40°，40°)
由于图5A图示了由单个带透镜的多波束子阵列120生成的波束图案，所以所生成的波束150相对较宽。当指向特定方向的十二个辐射元件130一起使用以形成天线波束152时，波束由于阵列因子而显著变窄。此外，还可以通过在辐射元件130上施加线性相位偏移来电子地使波束152转向。因此，虽然每个天线波束152在方位角和仰角波束宽度量方面都可以是窄的，但是波束152可以被转向到直接指向用户20。
关于示例宽扫描天线100，当波束152-1至152-5没有被电子扫描时，由辐射元件130的五个子组形成的波束152-1至152-5指向五个位置，每个位置在方位角和仰角上与下一个最接近的位置分开40度。因此，如果允许每个波束152在方位角和仰角上被电子地扫描到大约25度，则可以定义大的“覆盖区域”，其中可以扫描五个波束152中的一个以向用户提供覆盖而不必在方位角和仰角上对波束电子扫描超过大约25度。这在图5B中示意性地示出，其图示了由辐射元件130的五个相应子组服务的宽扫描天线100的整个覆盖区域的五个地区160-1至160-5。具体地，图5B是宽扫描天线100的示意性平面图。在图5B的示例中，每个带透镜的多波束子阵列120的左上辐射元件130-1用于服务地区160-1，每个带透镜的多波束子阵列120的右上辐射元件130-2用于服务地区160-2，每个带透镜的多波束子阵列120的右下辐射元件130-3用于服务地区160-3，每个带透镜的多波束子阵列120的左下辐射元件130-4用于服务地区160-4，并且每个带透镜的多波束子阵列120的中心辐射元件130-5用于服务地区160-5。对于其它十一个带透镜的多波束子阵列120也是如此。应当注意的是，虽然上面基于每个天线波束的扫描量定义了天线100的“覆盖区域”，但是实际上，天线波束152可以被扫描得多得多，并且因此提供扩展的覆盖区域，尽管由于增益损耗、波束不对称和/或栅瓣生成可能会发生一些性能损失。可以预期的是，至少在许多实施例中，根据本发明的实施例的宽扫描天线可以从机械视轴扫描+/-80度并且仍然提供高性能水平。
换句话说，当移动用户20位于服务地区160-1中时，宽扫描天线100的十二个辐射元件130-1(即，位于十二个带透镜的多波束子阵列120中的每一个的左上角的辐射元件130)可以作为相控阵列天线操作，以生成指向移动用户20的天线波束152-1。这十二个辐射元件130-1可以用于生成窄的笔形波束152-1，因为阵列的相对大的孔径大小和RF球面透镜140缩窄了所生成的天线波束152-1的波束宽度。在移动用户20不位于服务地区160-1的中心的情况下，十二个辐射元件130-1可以进行振幅和/或相位加权，以将笔形波束152-1扫描到用户20在服务地区160-1内的位置。
值得注意的是，由于用于生成笔形波束152-1的十二个辐射元件130-1已经在物理上指向服务地区160-1的方向，因此仅需要相对少量的扫描(例如，在方位角和高度两者上20度或更小)来生成指向服务地区160-1的任何特定子区域的笔形波束152-1。对于剩余的四个服务地区160-2至160-5也是如此。由于笔形波束152仅需要围绕相对小的地区(即，服务地区160中的特定一个)进行扫描，因此它们将仅被扫描相对小的量(例如，在方位角和仰角上小于20度)。因此，可以在很大程度上避免上述波束扫描的负面影响(即，减小的增益、失真的波束图案和栅瓣的生成)。与常规相控阵列天线相比，这提供了显著的性能改进。
在一些实施例中，宽扫描天线可以用于使用五个上述子组的十二个辐射元件130的每个同时生成五个正交笔形波束152。每个笔形波束152可以处于服务地区160中的不同的一个中，并且可以展现出由于扫描造成的最小的恶化，因为笔形波束152仅需要被扫描相对小的量以使笔形波束152在其相应的服务地区160中移动。而且，每个笔形波束152可以用于在相同的频带内发射和接收信号，因为笔形波束152相对于彼此是正交的并且因此将产生可忽略不计的干扰。因此，宽扫描天线100可以(1)提供高增益(由于笔形波束152的窄波束宽度)，(2)允许频率重用并因此提高频谱效率，(3)与常规相控阵列天线相比，减少或最小化扫描损耗，以及(4)提供宽得多的扫描能力(如上所述，+/-80度或更多的扫描是可能的)。这些能力可以转化为显著增强的性能。
同样将认识到的是，宽扫描天线100可以用于同时生成五个以上的天线波束，并且宽扫描天线100可以服务五个以上的用户20。例如，在一些应用中，在任何给定时间，在特定服务地区160中可能存在大量用户20。在一些实施例中，可以使用时分复用方案，其中每个用户20被分配特定时隙，并且在该时隙期间，宽扫描天线100被配置为生成向特定用户20提供覆盖的笔形波束152。该笔形波束152可以在每个不同的时隙期间指向服务地区160内的不同位置，以便服务服务地区160内的不同用户20。在其它实施例中，十二个辐射元件130可以被细分为在给定服务地区160内同时生成多个波束的更小的组。还将认识到的是，如果需要，与第一服务地区(例如，服务地区160-1)相关联的辐射元件(例如，辐射元件130-1)可以被进一步扫描以在第二服务地区(例如，服务地区160-2)中形成笔形波束152。当执行这样的扫描时，可能发生上述波束扫描的负面影响(即，增益损失、波束失真、栅瓣生成)。当大量用户20同时聚集在特定服务地区160内时，这种扫描可能是必要的。
虽然宽扫描天线100可以用于形成多个笔形波束152，但是还将认识到的是，辐射元件130可以被相位调整或带透镜的多波束子阵列波束被组合，以生成更大的波束，包括例如单个半球形波束。因此，取决于特定应用，宽扫描天线100可以用在各种不同的模式中。
根据本发明的一些实施例，本文公开的宽扫描天线可以用于大规模多输入多输出(“MIMO”)天线应用。
图1-图2B的宽扫描天线100表示根据本发明的实施例的宽扫描天线的一个示例实施例。将认识到的是，在本公开的启发下，可以对其进行许多修改，同时仍然实现由本文公开的概念提供的独特益处。
作为示例，在宽扫描天线100中，在每个带透镜的多波束子阵列120中包括总共五个辐射元件130。然而，将认识到的是，辐射元件130的数量和辐射元件130围绕球形RF透镜140的定位在其它实施例中都可以被改变。仅作为示例，图6A-6F是根据本发明还有的实施例的可以用于代替带透镜的多波束子阵列120的带透镜的多波束子阵列120A至120F的示意性前视图。
如图6A所示，带透镜的多波束子阵列120A与带透镜的多波束子阵列120非常相似，唯一的区别是每个外部辐射元件130与中心辐射元件130的偏移。具体地，如以上所讨论的，带透镜的多波束子阵列120的外部辐射元件130在方位角和仰角上从中心辐射元件130偏移40度。作为对照，带透镜的多波束子阵列120A的外部辐射元件130从中心辐射元件130在方位角上偏移40度但在仰角上仅偏移20度。因此，与带透镜的多波束子阵列120相比，带透镜的多波束子阵列120A的覆盖区域将在仰角方向上被压缩。虽然在图6A所示的特定实施例中α＝40度并且β＝20度，但是将认识到的是，基于期望的应用和覆盖区域，可以选择任何合适的α和β值。
图6B图示了另一个带透镜的多波束子阵列120B。带透镜的多波束子阵列120B也类似于带透镜的多波束子阵列120，主要区别在于带透镜的多波束子阵列120B中省略了中心辐射元件130-5。图6C-6F图示了带透镜的多波束子阵列120的其它示例配置，这些配置进一步改变了辐射元件130的数量和辐射元件130围绕球形RF透镜140进行轨道安装的位置。将认识到的是，可以为这些实施例中的每一个选择任何适当的方位角和仰角偏移(α，β)。
图7A-7C是根据本发明还有的实施例的宽扫描相控阵列天线的示意性前视图。
参考图7A，图示了宽扫描天线200，其包括以1×3阵列布置的总共三个带透镜的多波束子阵列120。对于许多应用来说，这个较小的阵列是可接受的。参考图7B，图示了宽扫描天线300，其包括以2×3阵列布置的总共六个带透镜的多波束子阵列120。参考图7C，图示了宽扫描天线400，其包括以“X”形图案布置的总共五个带透镜的多波束子阵列120。该布置图示了子阵列120不一定需要设置成行和列。图7C的布置还可以导致较少的阴影，如下面进一步详细讨论的。
如图7A-7B进一步所示，在一些实施例中，每个球形RF透镜140的半径可以是r，同一行中相邻球形RF透镜140之间的距离可以是d1，并且同一列中相邻球形RF透镜140之间的距离可以是d2。在示例实施例中，r可以等于d1和/或r可以等于d2。在图7C的示例中，在一些实施例中d1可以等于2r，并且d2可以等于r。
将认识到的是，根据本发明的实施例的宽扫描天线可以以各种不同的方式操作。例如，在一些实施例中，有源辐射元件130可以与切换网络结合使用，使得为时分复用通信(TDMA)方案的每个时隙形成不同的天线波束。例如，可以通过每个有源辐射元件130的无线电部分来执行这种切换，使得旨在针对不同用户20的信号在TDMA方案的不同时隙期间发射。当多个用户20可能同时存在于覆盖区域中时，可以使用这种方法。在每个时隙中的发射期间，有源辐射元件130可以对发射的信号进行适当的振幅和/或相位加权，使得天线波束指向在特定时隙期间正被服务的特定用户20。
虽然根据本发明的实施例的上述宽扫描天线使用有源辐射元件130，但是将认识到的是，在其它实施例中，可以使用连接到共同馈送网络的无源辐射元件。使用这种共同馈送网络的各种不同实施例是可能的。
在一些实施例中，辐射元件130可以由切换的共同馈送网络馈送，该切换的共同馈送网络在时分复用通信方案的时隙期间选择性地将来自无线电装置的信号提供给辐射元件130中的一个或多个的组。切换的共同馈送网络可以被高速切换，以便将要在任何特定时隙期间发射的信号引导到向包括在该特定时隙期间发射/接收信号的用户的覆盖区域的部分提供覆盖的辐射元件130。在下一个时隙期间，可以重新配置切换网络以选择性地将来自无线电装置的信号提供给辐射元件130的不同子集，辐射元件130的这些不同子集向包括在后续时隙期间发射/接收信号的用户的覆盖区域的部分提供覆盖。
例如，参考图11A，描绘了根据本发明的实施例的宽扫描天线1100，其包括无线电装置1102和高速切换网络1104。宽扫描天线1100包括三个带透镜的多波束子阵列1120，其中每个具有轨道地布置的三个相关联的辐射元件1130。注意的是，辐射元件1130的轨道地布置在图11A中未示出以简化附图，但是辐射元件可以以例如上述图6A-6F的轨道地布置进行布置。还将认识到的是，可以使用本文描述的任何带透镜的多波束子阵列设计来代替图11A中描绘的带透镜的多波束子阵列1140，其中切换网络1104和共同馈送网络的数量(如下所述)相应地被修改。还将认识到的是，可以在天线1100中包括更多或更少的带透镜的多波束子阵列1140。
如图11A所示，切换网络1104将无线电装置1102的输出递送到三个共同馈送网络1106-1至1106-3中的一个。共同馈送网络1106-1分离由切换网络1104递送到其的任何信号，并将经分离的信号馈送到指向第一方向的三个辐射元件1130-1。共同馈送网络1106-2分离由切换网络1104递送到其的任何信号，并将经分离的信号馈送到指向第二方向的三个辐射元件1130-2。共同馈送网络1106-3分离由切换网络1104递送到其的任何信号，并将经分离的信号馈送到指向第三方向的三个辐射元件1130-3。切换网络1104可以用于选择在任何给定时间三个子组的辐射元件1130中的哪一个用于发射信号。可以选择辐射元件1130和球形RF透镜1140，使得辐射元件的每个子组将为期望的覆盖区域提供合适的覆盖，因为图11A的实施例中的天线波束可以不被设计为可电子地转向的。
图11B图示了根据本发明还有的实施例的宽扫描天线1200，其类似于宽扫描天线1100。然而，宽扫描天线1200包括三个单独的无线电装置，从而消除了对高速切换网络1104的任何需要。每个无线电装置1102可以向辐射元件1130的三个子组中的一个提供RF信号。因此，天线1200将以与上述天线1100类似的方式工作，但是可以同时在三个不同覆盖区域中的每一个中提供天线波束。还将认识到的是，无线电装置1102可以以时分复用方式操作，以在不同时隙期间发射不同信号，以便服务可能存在于给定覆盖区域中的多个用户。
图11C是根据本发明又一些实施例的宽扫描天线1300的示意性框图。宽扫描天线1300类似于上面讨论的宽扫描天线1200，但是宽扫描天线1300还包括用于每个辐射元件1130的电子RF移相器1302。电子RF移相器1302可以用于修改递送到每个辐射元件1130的信号的相位，以便电子地使天线波束转向。因此，辐射元件1130和球形RF透镜1140可以以上面参考宽扫描天线100所讨论的方式设计，以生成笔形天线波束，并且RF移相器1302可以用于使这些笔形波束在整个覆盖区域内转向。还将认识到的是，在一些实施例中也可以使用无源移相器来代替图11C中所示的电子RF移相器1302。在一些实施例中，还可以或替代地施加基带波束转向。虽然图11C中未示出，但是也可以在每个RF移相器1302和其所关联的辐射元件1130之间包括功率放大器。在一些情况下，不同的天线可以用于发射和接收，特别是在其中部件小的非常高频的操作中，使得第二阵列可以提供优于被设计为支持发射和接收操作两者的天线的优点。在组合发射和接收功能的天线中，还可以提供附加的开关和/或双工器，使得辐射元件可以用于发射和接收二者。
还将认识到的是，根据本发明的实施例，可以使用各种各样的附加方法来馈送阵列天线的辐射元件。作为一个示例，在另一个实施例中，可以提供共同馈送网络，其将无线电装置连接到特定带透镜的多波束子阵列120中的所有辐射元件。可以提供多个这样的共同馈送网络，其中为每个带透镜的多波束子阵列120提供一个这种共同馈送网络。这些共同馈送网络可以经由切换网络耦合到单个无线电装置或耦合到多个无线电装置。作为另一个示例，可以修改图11A-11C的实施例，使得单个共同馈送网络馈送每个带透镜的多波束子阵列中的多个辐射元件。例如，可以修改图11A-11C的实施例，使得一个共同馈送网络馈送每个带透镜的多波束子阵列中的两个辐射元件，而单独的共同馈送网络馈送每个带透镜的多波束子阵列的第三辐射元件，从而需要两个共同馈送网络而不是三个。因此，将认识到的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以提供以任何方式馈送辐射元件的共同馈送网络。
再次参考图1，应该注意的是，如果外部辐射元件130以大的方位角和/或仰角偏离特定带透镜的多波束子阵列120的机械视轴，那么由外部辐射元件130中的一个或多个所生成的天线波束的一部分可能侵犯到相邻的带透镜的多波束子阵列120的球形RF透镜140上。这种效果在本文中被称为“阴影”，并且通常是非期望的效果。发生的阴影的量将是RF透镜140的直径、相邻RF透镜140之间的间隔以及辐射元件130相对于每个带透镜的多波束子阵列120的机械视轴的方位角和仰角偏移等的函数。可以调整这些因子以根据需要减少阴影。另外，带透镜的多波束子阵列120的布置也可以例如如图7C所示进行修改，以便进一步减少或消除这种阴影。
根据本发明的其它实施例，带透镜的多波束子阵列120可以是三维布置的，而不是图1和图7A-7C所绘出的示例实施例中所示的二维布置。例如，图8A是根据本发明实施例的三维宽扫描天线500的示意性侧视图，该三维宽扫描天线500以阶梯方式安装带透镜的多波束子阵列120以便减小阴影的影响。图8A中绘出的天线500包括四行带透镜的多波束子阵列120，其中每个行可以包括一个或多个带透镜的多波束子阵列120。
图8B是根据本发明又一些实施例的三维宽扫描天线600的示意性侧视图，该三维宽扫描天线600沿着弯曲表面安装带透镜的多波束子阵列120以便减小阴影的影响。图8B中绘出的天线600包括四行带透镜的多波束子阵列120，其中每个行可以包括一个或多个带透镜的多波束子阵列120。
图9A-9C示意性地图示了根据本发明实施例的两个另外的宽扫描天线。图9A和9B中所示的天线可以用于在所有方向上提供覆盖。
具体地，图9A是宽扫描天线700的示意性顶视图，该宽扫描天线700包括以婚礼蛋糕结构安装的多个带透镜的多波束子阵列120。图9B是图9A的宽扫描天线700的示意性侧视图。如图9A-9B所示，宽扫描天线700包括总共十三个带透镜的多波束子阵列120，它们以三个级别垂直堆叠。每个带透镜的多波束子阵列120可以具有图2A-2B中所示的配置。辐射元件130未在图9A-9B中示出，以便简化附图。底层包括以圆形图案布置的八个带透镜的多波束子阵列120。中间层包括四个带透镜的多波束子阵列120，其也被布置成限定圆形。顶层包括单个带透镜的多波束子阵列120。由于提供了以全圆形布置的带透镜的多波束子阵列120，因此天线700可以提供完全360度覆盖。图9C示意性地图示了替代的宽扫描天线800，其同样提供完全360度覆盖。如图9C所示，宽扫描天线800包括多个带透镜的多波束子阵列120，它们安装在半球形安装结构(未示出)上。
当发射频率移动到高频带(诸如，例如，28GHz或60GHz频带)时，天线的所有部件(例如，辐射元件，球面透镜等)的大小变得小得多。在这些较高频率范围中，有可能使用RFIC SiP(封装中的射频集成电路系统)技术来实现根据本发明实施例的宽扫描天线。例如，美国专利No.8,706,049(“'049专利”)公开了将天线阵列与RF收发器集成在集成电路封装中的RFIC SiP模块。'049专利的全部内容通过引用并入本文。'049专利的RFIC SiP模块中使用的天线采用安装在封装的顶表面上的九个辐射元件的二维3×3阵列。
根据本发明的实施例，可以提供被修改为具有一维辐射元件阵列而不是二维阵列的具有'049专利设计的RFIC SiP模块。例如，RFIC SiP模块可以包括以4×1线性阵列布置的四个辐射元件。然后这些RFIC SiP模块中的三个可以以成角度的关系安装，并且四个球形RF透镜140可以被定位，使得每个球形RF透镜140具有来自相对其轨道地安装的每个阵列的一个辐射元件。这种布置在图10A中示出。
具体地，如图10A所示，提供包括三个RFIC SiP模块910的宽扫描天线900。每个RFIC SiP模块910包括4×1线性阵列的辐射元件930。如图所示，三个RFIC SiC模块910中的每一个被垂直地安装，并且这些模块相对于彼此成大约例如40度的角度。多个球形RF透镜940(其位置在图10A中由虚线圆圈示意性地示出)放置在RFIC SiC模块910的前面，使得来自每个RFIC SiC模块910的一个辐射元件930相对于每个球形RF透镜940轨道地布置。因此，每个球形RF透镜940及其三个相关联的辐射元件930形成带透镜的多波束子阵列920。这些带透镜的多波束子阵列920可以类似于以上图6F中所示的带透镜的多波束子阵列120F。
图10B是根据本发明实施例的适用于在根据本发明实施例的宽扫描天线中使用的RFIC SiP模块1000的示意性侧视图。RFIC SiP模块1000基于'049专利的RFIC SiC模块。然而，如图10B所示，集成电路芯片被形成为具有波状上表面，使得其辐射元件可以相对于球形RF透镜轨道地布置。具体地，集成电路芯片的上表面可以生长得更厚，并且可以在其中形成凹口1060。该凹口1060可以是例如半球形半圆形凹口。辐射元件1030可以布置在半球形凹口1060的表面上。球形RF透镜1040可以安装在凹口内，使得辐射元件1030相对于球形RF透镜1040轨道地布置。在示例实施例中，可以提供五个辐射元件1030，并且它们可以以上面图2A-2B所示的方式相对于球形RF透镜1040安装。
还将认识到的是，根据本发明实施例的宽扫描天线可以用于大规模MIMO应用，其中天线阵列测量在阵列的每个元件处的接收波前(wavefront)的振幅和相位，并且然后使用该信息使通过天线发射的RF信号预失真。这种方法在建筑物和其它结构的反射导致受到多径衰落的接收波前的情况下是有用的，因为发射信号的不同反射在不同时间在天线处被接收到。通过使通过天线发射的信号预失真，有可能可以预先校正多径衰落效应以改善信号性能。在Clayton W.Shepard向莱斯大学提交的标题为Argos:Practical Base Stationsfor Large-scale Beamforming的硕士论文中更详细地讨论了这种方法。该论文的全部内容通过引用并入本文。在这些系统中可以使用各种算法来优化接收器处的信噪比或信(噪+干扰)比。因为根据本发明实施例的宽扫描天线在非常宽的方位角和仰角范围内接收信号能量，因此根据本发明实施例的天线可以更精确地测量信道特性，并且因此可以更好地使发射信号预失真，以校正多径衰落效应。
根据本发明实施例的宽扫描天线可以使用各种不同技术来实现，包括蜂窝基站天线技术、陶瓷SoC、硅等。
与常规平面阵列相控阵列天线相比，本文公开的宽扫描天线可以具有许多优点。球形RF透镜140用于在方位角和仰角方向上使辐射元件130的波束变窄。因此，与如果没有提供RF透镜140时所需的辐射元件130的数量相比，宽扫描天线可以具有显著更少数量的辐射元件130。这可以降低天线的成本和重量。另外，因为辐射元件130围绕球形RF透镜140轨道地布置，因此不同的辐射元件130指向不同的方向，并且因此天线波束152几乎不需要被扫描到常规相控阵列天线所需的程度。根据本发明实施例的天线还展现出高天线增益并允许频率重用。因此，预期根据本发明实施例的天线可以比可比较的平面阵列天线便宜和/或提供改进的性能。
虽然上面的描述主要使用用于大规模MIMO应用的宽扫描天线作为示例，但是将认识到的是，本文公开的宽扫描天线在各种各样不同的应用中可以是有用的，包括例如用于蜂窝通信系统的基站天线、雷达系统、航空应用、无线回程、固定无线接入等。
同样将认识到的是，可以改变所使用的辐射元件的类型和各个RF透镜的属性，以实现辐射元件和相关联RF透镜的组合的辐射属性和/或整个阵列的辐射属性。在一些实施例中，相对于一些辐射元件也可以省略RF透镜。
以上已经参考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，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本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。相同的数字通篇指代相同的元件。
应该理解的是，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。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，而不偏离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
应该理解的是，当元件被称为“在”另一元件“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。作为对照，当元件被称为“直接”在另一个元件“上”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”到另一个元件时，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。作为对照，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应该以类似的方式进行解释(即，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
诸如“在...下方”或“在...上方”或“上”或“下”或“水平”或“垂直”的相对术语可以在本文中用于描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图所示。应该理解的是，除了图中描绘的朝向之外，这些术语旨在包含设备的不同朝向。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。还将理解的是，当在本文使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。
以上公开的所有实施例的方面和元件可以以任何方式进行组合和/或与其它实施例的方面或元素组合以提供多个附加的实施例。

Claims (40)

1.一种阵列天线，包括：
多个带透镜的多波束子阵列，每个带透镜的多波束子阵列包括：
射频RF透镜；以及
多个辐射元件，所述多个辐射元件与所述RF透镜相关联并且围绕所述RF透镜轨道地布置；
其中，所述多个带透镜的多波束子阵列的辐射元件被划分为多个子组，每个带透镜的多波束子阵列的每个辐射元件在所述多个子组中的相应子组内，并且
其中，带透镜的多波束子阵列中的不同的带透镜的多波束子阵列的在相同子组内的辐射元件具有相同指向方向并且被配置为生成相应的天线波束。
2.如权利要求1所述的阵列天线，其中所述RF透镜以具有M个行和N个列的M×N阵列进行布置。
3.如权利要求1所述的阵列天线，其中每个带透镜的多波束子阵列的辐射元件位于相同的轨道位置中。
4.如权利要求1所述的阵列天线，其中每个RF透镜包括球形RF透镜。
5.如权利要求1所述的阵列天线，其中每个辐射元件包括有源辐射元件。
6.如权利要求1所述的阵列天线，其中围绕每个RF透镜轨道地布置的所述多个辐射元件是五个辐射元件。
7.如权利要求1所述的阵列天线，其中围绕每个RF透镜轨道地布置的所述多个辐射元件包括中心辐射元件和多个外部辐射元件。
8.如权利要求1所述的阵列天线，其中每个辐射元件距其所关联的RF透镜以相同的距离定位。
9.如权利要求1所述的阵列天线，其中所述RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括泡沫基底介电材料，所述泡沫基底介电材料具有嵌入在其中的高介电常数材料的颗粒，所述高介电常数材料具有至少是所述泡沫基底介电材料的介电常数的三倍的介电常数。
10.如权利要求1所述的阵列天线，其中每个RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括具有嵌入在其中的导电纤维的泡沫基底介电材料。
11.如权利要求3所述的阵列天线，还包括多个共同馈送网络。
12.如权利要求11所述的阵列天线，其中共同馈送网络的数量等于每个带透镜的多波束子阵列中包括的辐射元件的数量。
13.如权利要求12所述的阵列天线，还包括切换网络，所述切换网络在逐时隙的基础上选择性地将无线电装置连接到所述共同馈送网络中的各个共同馈送网络。
14.如权利要求12所述的阵列天线，其中每个共同馈送网络连接到多个无线电装置中的相应一个无线电装置。
15.如权利要求3所述的阵列天线，还包括多个电子移相器，其中每个移相器耦合到所述辐射元件中的相应一个辐射元件。
16.如权利要求1所述的阵列天线，其中所述辐射元件被实现为封装模块中的射频集成电路系统。
17.如权利要求16所述的阵列天线，其中封装模块中的所述射频集成电路系统中的至少一些射频集成电路系统包括多个辐射元件。
18.如权利要求16所述的阵列天线，其中封装模块中的所述射频集成电路系统中的至少一个射频集成电路系统包括其表面中的凹口，并且其中作为所述带透镜的多波束子阵列中的第一带透镜的多波束子阵列的一部分的所述RF透镜中的第一RF透镜至少部分地安装在所述凹口内。
19.如权利要求18所述的阵列天线，其中所述带透镜的多波束子阵列中的第一带透镜的多波束子阵列的辐射元件安装在所述凹口内。
20.一种阵列天线，包括：
多个带透镜的多波束子阵列，每个带透镜的多波束子阵列包括：
射频RF透镜；以及
多个辐射元件，所述多个辐射元件与所述RF透镜相关联，安装在所述RF透镜和安装结构之间，其中每个辐射元件相对于其所关联的RF透镜安装在不同的位置中，并且每个RF透镜使得其所关联的辐射元件相对于所述每个RF透镜安装在与其它RF透镜的辐射元件相对于所述其它RF透镜所安装的位置相同的位置；以及
多个共同馈送网络，
其中，所述多个带透镜的多波束子阵列的辐射元件被划分为多个子组，并且
其中，所述多个共同馈送网络中的每个共同馈送网络耦合到所述多个带透镜的多波束子阵列中的每个带透镜的多波束子阵列的辐射元件中的在所述多个子组中的相应子组内的一个辐射元件。
21.如权利要求20所述的阵列天线，其中共同馈送网络的数量等于每个带透镜的多波束子阵列中包括的辐射元件的数量。
22.如权利要求20所述的阵列天线，其中所述共同馈送网络中的第一共同馈送网络耦合到每个带透镜的多波束子阵列的、相对于其所关联的RF透镜安装在相同的位置的辐射元件。
23.如权利要求22所述的阵列天线，还包括切换网络，所述切换网络在逐时隙的基础上选择性地将无线电装置连接到所述共同馈送网络中的各个共同馈送网络。
24.如权利要求22所述的阵列天线，其中每个共同馈送网络连接到多个无线电装置中的相应一个无线电装置。
25.如权利要求20所述的阵列天线，还包括多个电子移相器，其中每个移相器耦合到所述辐射元件中的相应一个辐射元件。
26.如权利要求20所述的阵列天线，其中每个辐射元件相对于其所关联的RF透镜轨道地布置。
27.如权利要求20所述的阵列天线，其中每个RF透镜是球形RF透镜。
28.如权利要求20所述的阵列天线，其中每个RF透镜包括透镜容器，所述透镜容器填充有介电材料，所述介电材料具有基本上均匀的介电常数。
29.一种阵列天线，包括：
多个带透镜的多波束子阵列，每个带透镜的多波束子阵列包括：
射频RF透镜；以及
多个辐射元件，所述多个辐射元件与所述RF透镜相关联；
其中，所述RF透镜以三维布置进行布置，
其中，所述多个带透镜的多波束子阵列的辐射元件被划分为多个子组，每个带透镜的多波束子阵列的每个辐射元件在所述多个子组中的相应子组内，并且
其中，所述多个带透镜的多波束子阵列中的不同的带透镜的多波束子阵列的在相同子组内的辐射元件具有相同指向方向并且被配置为生成相应的天线波束。
30.如权利要求29所述的阵列天线，其中所述RF透镜中的至少一些以阶梯图案进行布置。
31.如权利要求30所述的阵列天线，其中，当安装所述阵列天线以供使用时，所述RF透镜也以水平的行进行布置，其中每个行包括至少两个RF透镜。
32.如权利要求29所述的阵列天线，其中所述RF透镜中的至少一些沿着曲线进行布置。
33.如权利要求29所述的阵列天线，其中所述RF透镜的第一子集被布置为限定第一圆。
34.如权利要求33所述的阵列天线，其中所述RF透镜的第二子集被布置为限定第二圆。
35.如权利要求34所述的阵列天线，其中所述第二圆部署在所述第一圆上方。
36.如权利要求34所述的阵列天线，其中所述RF透镜的所述第二子集包括比所述RF透镜的所述第一子集更少的RF透镜。
37.一种封装模块中的射频集成电路系统RFIC SiP，包括：
射频集成电路，所述射频集成电路包括多个带透镜的多波束子阵列，每个带透镜的多波束子阵列包括多个辐射元件和多个射频RF收发器，其中每个辐射元件耦合到所述RF收发器中的相应一个RF收发器；以及
RF透镜，所述RF透镜至少部分地安装在所述射频集成电路的表面中的凹口中；
其中，所述多个带透镜的多波束子阵列的辐射元件被划分为多个子组，每个带透镜的多波束子阵列的每个辐射元件在所述多个子组中的相应子组内，并且
其中，带透镜的多波束子阵列中的不同的带透镜的多波束子阵列的在相同子组内的辐射元件具有相同指向方向并且被配置为生成相应的天线波束。
38.如权利要求37所述的射频集成电路系统RFIC SiP，其中所述RF透镜是球形RF透镜。
39.如权利要求38所述的射频集成电路系统RFIC SiP，其中所述辐射元件相对于所述球形RF透镜轨道地安装。
40.如权利要求38所述的射频集成电路系统RFIC SiP，其中所述辐射元件中的至少一些安装在所述凹口的侧壁上。
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