CN109643839A - 适合用于蜂窝和其它通信系统的多频带多波束透镜式天线 - Google Patents

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Abstract

多频带相控阵天线包括背板、形成第一天线波束的低频带辐射元件的垂直阵列，形成相应的第二天线波束和第三天线波束的高频带辐射元件的第一垂直阵列和第二垂直阵列，以及RF透镜的垂直阵列。第一天线波束、第二天线波束和第三天线波束指向不同的方向。第二辐射元件中的相应一个和第三辐射元件中的相应一个位于背板和每个RF透镜之间，并且第一辐射元件中的至少一些位于RF透镜之间。

Description

适合用于蜂窝和其它通信系统的多频带多波束透镜式天线
相关申请的交叉引用
本申请援引35 U.S.C.§119要求于2016年9月7日提交的美国临时专利申请序列No.62/384,280的优先权，其全部内容如其整体被阐述那样通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及无线电通信，并且更具体地，涉及适合在蜂窝通信系统和各种其它类型通信系统中使用的透镜式天线(lensed antennas)。
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，地理区域被划分为一系列称为“小区”的区域，并且每个小区由基站服务。基站可以包括基带装备、无线电装置和天线，天线被配置为提供与地理上位于小区内的移动订户的双向射频(“RF”)通信。在许多情况下，可以将小区划分为多个“扇区”，并且为每个扇区提供单独的天线。这些天线常常安装在塔架或其它凸起的结构上，由每个天线生成的辐射波束(“天线波束”)向外指向，以服务于相应的扇区。通常，基站天线被实现为辐射元件的相控阵列，其中辐射元件布置在一个或多个垂直列中。在本文中，“垂直”是指相对于由地平线定义的平面垂直的方向。
常见的蜂窝通信系统网络计划涉及使用三个基站天线来服务小区的基站。这常常被称为三扇区配置。在三扇区配置中，每个基站天线服务于小区的120度扇区。通常，65度方位角半功率波束宽度(HPBW)天线为120度扇区提供覆盖。三个这样的天线提供360度覆盖。也可以采用其它扇区化方案。例如，也使用六、九和十二扇区配置。六个扇区站点可以使用六个基站天线，每个天线具有服务60度扇区的33度方位角HPBW天线。在其它提出的解决方案中，多列相控阵天线(即，具有多列辐射元件的天线)可以由馈送网络驱动，以从单个相控阵天线产生两个或更多个天线波束。每个波束可以为扇区提供覆盖。例如，如果使用多列相控阵天线，每个天线生成两个33度方位角HPBW波束，那么六扇区配置可以仅需要三个天线。例如，在美国专利公开No.2011/0205119和美国专利公开No.2015/0091767中公开了生成多个波束的天线，其中每个专利公开的全部内容通过引用并入本文。
增加扇区的数量增加了系统容量，因为每个天线可以服务于更小的区域，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(reuse)。但是，将小区划分为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的比覆盖更宽扇区的天线的辐射元件间隔更宽的辐射元件。例如，典型的33度方位角HPBW天线一般是典型的65度方位角HPBW天线的两倍宽。因此，随着小区被划分为更多数量的扇区，成本、空间和塔架负载要求会增加。
另一个复杂因素在于，随着蜂窝系统用于支持增加的容量并提供增强的能力的需求的增长，已经引入了各种新的蜂窝服务。所添加的新服务通常在与现有服务不同的频带中操作，以避免干扰。当引入这些新服务时，通常必须维持现有的“老旧”服务，以支持老旧的移动设备数年甚至数十年。因此，随着引入新服务，必须部署新的蜂窝基站或者必须升级现有的蜂窝基站以支持新服务。为了降低成本，现在可以使用包括至少两个不同的辐射元件阵列的基站天线，其中每个辐射元件阵列支持不同类型的蜂窝服务。但是，支持多种蜂窝服务会进一步增加典型蜂窝基站天线的复杂性。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了多频带相控阵天线，其包括背板以及安装在背板的前表面前面的相应第一、第二和第三辐射元件的第一、第二和第三阵列。第一辐射元件部署在第一垂直部署的列中并且被配置为形成指向第一方向的第一天线波束，第二辐射元件部署在第二垂直部署的列中并且被配置为形成指向不同于第一方向的第二方向的第二天线波束，并且第三辐射元件部署在第三垂直部署的列中并且被配置为形成指向不同于第一方向和第二方向的第三方向的第三天线波束。天线还包括多个射频(“RF”)透镜，它们位于背板的前表面前面的垂直部署的列中。第二辐射元件中的相应一个和第三辐射元件中的相应一个位于背板和每个RF透镜之间。第一辐射元件中的至少一些位于RF透镜之间。
在一些实施例中，第一辐射元件可以是被配置为在第一频带中操作的低频带辐射元件，并且第二辐射元件和第三辐射元件可以是被配置为在第二频带中操作的高频带辐射元件，第二频带比第一频带的频率高。
在一些实施例中，每个第一辐射元件可以包括一对三极(tri-pol)辐射器。
在一些实施例中，每个第一辐射元件可以包括以三角形布置的三个三极辐射器。在这种实施例中，RF透镜中的第一RF透镜可以部署在由一个第一辐射元件的三个三极辐射器定义的三角形内。
在一些实施例中，每个第一辐射元件可以包括交叉偶极子辐射元件。
在一些实施例中，第一垂直部署的列可以在第二垂直部署的列和第三垂直部署的列之间。
在一些实施例中，相控阵天线还可以包括安装在背板的前表面前面的第四辐射元件的第四阵列，第四辐射元件部署在第四垂直部署的列中并且被配置为形成指向第四方向的第四天线波束。在一些实施例中，第四方向可以与第一方向基本上相同。
在一些实施例中，第一辐射元件的第一阵列的半功率方位角波束宽度可以与第二辐射元件的第二阵列、第三辐射元件的第三阵列和第四辐射元件的第四阵列的组合的半功率方位角波束宽度基本相同。
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RF透镜可以是椭圆形RF透镜。
在一些实施例中，RF透镜中的至少一些可以包括频率选择结构，该频率选择结构被配置为基本上反射第一频带中的RF能量并且基本上使第二频带中的RF能量通过。
在一些实施例中，第一辐射元件的第一阵列的半功率方位角波束宽度可以与第二辐射元件的第二阵列和第三辐射元件的第三阵列的组合的半功率方位角波束宽度基本相同。
在一些实施例中，RF透镜可以各自包括介电材料，该介电材料包括与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材料的片混合的可膨胀微球。
在一些实施例中，RF透镜可以各自包括介电材料，该介电材料包括其中嵌入有至少一片导电材料的小片泡沫介电材料。
根据本发明的其它实施例，提供了多频带相控阵天线，其包括背板、安装在背板前面的被配置为形成指向第一方向的第一天线波束的低频带辐射元件的第一垂直部署的列、安装在背板前面的被配置为形成指向不同于第一方向的第二方向的第二天线波束的高频带辐射元件的第二垂直部署的列、安装在背板前面的被配置为形成指向不同于第一方向和第二方向的第三方向的第三天线波束的高频带辐射元件的第三垂直部署的列，以及部署在低频带辐射元件的第一垂直部署的列、高频带辐射元件的第二垂直部署的列和高频带辐射元件的第三垂直部署的列的前面的至少一个射频(“RF”)透镜。相应的人造磁导体部署在每个低频带辐射元件的辐射器与背板之间。
在一些实施例中，相控阵天线还可以包括可以位于第二垂直部署的列中的高频带辐射元件中的至少一个与至少一个RF透镜之间的第一辅助RF透镜，以及可以位于第三垂直部署的列中的高频带辐射元件中的至少一个与至少一个RF透镜之间的第二辅助RF透镜。
在一些实施例中，至少一个RF透镜可以是圆柱形RF透镜。
在一些实施例中，至少一个RF透镜可以是一列球形RF透镜。
在一些实施例中，至少一个RF透镜可以是一列椭圆形RF透镜。
在一些实施例中，至少一个RF透镜可以是一对圆柱形RF透镜。
在一些实施例中，第一天线波束的半功率方位角波束宽度可以与第二天线波束和第三天线波束的组合的半功率方位角波束宽度基本相同。
在一些实施例中，相控阵天线还可以包括安装在背板前面的被配置为形成第四天线波束的高频带辐射元件的第四垂直部署的列。第四天线波束可以指向与第一方向基本相同的方向。
在一些实施例中，第一天线波束的半功率方位角波束宽度可以与第二天线波束、第三天线波束和第四天线波束的组合的半功率方位角波束宽度基本相同。
在一些实施例中，至少一个RF透镜可以包括介电材料，该介电材料包括与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材料的片混合的可膨胀微球。
在一些实施例中，至少一个RF透镜可以包括介电材料，该介电材料包括其中嵌入有至少一片导电材料的小片泡沫介电材料。
附图说明
图1是由根据本发明某些实施例的基站天线生成的天线图案(antenna pattern)的示意性俯视图。
图2是根据本发明某些实施例的基站天线的示意性俯视图。
图3A是根据本发明实施例的、包括圆柱形透镜(cylindricallens)的多波束天线的透视图。
图3B是图3A的多波束天线的横截面图。
图3C是包括在图3A的多波束天线中的高频带线性阵列的示意性透视图。
图3D是包括在图3C的线性阵列中的双极化高频带辐射元件中的一个的平面图。
图3E是图3D的双极化高频带辐射元件的侧视图。
图3F是包括在图3A的多波束天线中的低频带辐射元件中的一个的透视图。
图4是根据本发明其他实施例的、包括辅助透镜(secondary lens)的基站天线的示意性俯视图。
图5是根据本发明另外其他实施例的、包括一对圆柱形RF透镜的基站天线的示意性俯视图。
图6A和图6B分别是根据本发明又一个实施例的基站天线的示意性正视图和侧视图。
图7A是根据本发明实施例的透镜式多波束天线的正视图。
图7B是包括在图7A的透镜式多波束天线中的球形RF透镜中的一个的透视图。
图7C是包括在图7A的透镜式多波束天线中的球形RF透镜中的一个的侧视图，其例示了透镜如何保持就位在辐射元件前面。
图7D是包括在图7A的透镜式多波束天线中的低频带辐射元件的透视图。
图7E是包括安装在上面的三个高频带辐射元件的、图7A的透镜式多波束天线的弯曲反射器的放大透视图。
图8A是根据本发明另外其他实施例的透镜式多波束天线的局部透视图。
图8B是图8A的透镜式多波束天线的一部分的放大透视图，其例示了该透镜式多波束天线的高频带辐射元件中的两个。
图9是根据本发明另外其他实施例的、包括交叉偶极子低频带辐射元件的透镜式多波束天线的局部透视图。
图10A是例示图7A-图7E、图8A-图8B和图9的天线的低频带辐射图案的曲线图。
图10B是例示当天线具有两个高频带阵列时图7A-图7E、图8A-图8B和图9的天线的高频带辐射图案的曲线图。
图10C是例示当天线具有三个高频带阵列时图7A-图7E、图8A-图8B和图9的天线的高频带辐射图案的曲线图。
图11是可以用于形成根据本发明实施例的天线中包括的RF透镜的复合介电材料的示意性透视图。
图12A是可以用于形成根据本发明实施例的天线中包括的RF透镜的另一种复合介电材料的一个块的横截面图。
图12B是填充到容器中以形成RF透镜的图12A的复合介电材料的多个块的示意性透视图。
具体实施方式
现在，许多现有技术的基站天线包括多个垂直列的辐射元件，以便支持多种不同类型的蜂窝服务。非常常见的基站天线配置包括在第一频带(“低频带”)中发送和接收信号的辐射元件的第一线性阵列和在第二频带(“高频带”)中发送和接收信号的辐射元件的一个或多个线性阵列，其中第二频带的频率高于第一频带。这种天线被称为“双频带”天线，因为它使用两个不同的辐射元件集合支持两个不同频带中的服务。通常，低频带包括低于大约1GHz的一个或多个具体频带，并且高频带包括高于1GHz(并且通常高于1.6GHz)的一个或多个具体频带，但是可以使用低频带和高频带的其它定义。具体频带可以与具体类型的蜂窝服务对应，诸如例如全球移动通信系统(“GSM”)服务、通用移动电信系统(“UTMS”)服务、长期演进(“LTE”)服务、CDMA服务等。
将认识到的是，低频带辐射元件可以是“宽带”辐射元件，其支持在低频带频率范围内的多种不同类型的蜂窝服务。同样，高频带辐射元件可以是“宽带”辐射元件，其支持在高频带频率范围内的多种不同类型的蜂窝服务。因此，双频带天线可以通过使用这种宽带辐射元件并使用双工器拆分由宽带辐射元件接收的两种不同蜂窝服务中的信号并将馈送到宽带辐射元件的两种不同蜂窝服务中的信号组合来支持多于两种不同类型的蜂窝服务。同样将认识到的是，虽然本公开主要关注于使用两个不同的辐射元件集合来支持两个不同频带中的服务的双频带天线，但是本文公开的技术可以应用于任何多频带天线，包括例如三频带天线。
为了增加通信容量，运营商常常通过采用在给定频带内生成多于一个天线波束的多波束天线来使用扇区拆分技术。例如，已知包括低频带辐射元件的第一线性阵列以及高频带辐射元件的第二线性阵列和第三线性阵列的多频带、多波束基站天线。在这些天线中，低频带阵列中的辐射元件可以被设计为在方位角方向上具有大约65度的HPBW波束宽度，因此具有三个这种天线的基站可以为低频带提供全360度覆盖。高频带辐射元件的第二线性阵列和第三线性阵列可以由包括Butler矩阵的馈送网络馈送，以产生高频带中的一对相邻天线波束，其在方位角方向上具有大约33度的HPBW波束宽度。因此，具有三个这种天线的基站也可以使用六个高频带天线波束为高频带提供全360度覆盖，每个天线波束在方位角方向上具有大约33度的HPBW波束宽度。
最典型地，无线运营商需要比低频带天线波束更多的高频带天线波束。由于这种情况是最常见的，因此本文讨论的本发明的示例实施例具有比低频带阵列更多的高频带阵列。在多频带多波束基站天线应用中，当前与两个或更多个高频带阵列耦合的单个低频带阵列可能是最常用的天线设计，但是也使用其它设计。在诸如用于大型场地的天线之类的专门应用中，可以提供更大数量的低频带和高频带天线波束。
为了扇区拆分的目的，目前使用几种不同的方法在同一频带内生成多个波束。如上所述，在一种方法中，使用Butler矩阵生成多个天线波束。遗憾的是，Butler矩阵方法具有几个潜在的缺点，包括相对窄的带宽、不太对称的天线波束、劣化的旁瓣抑制、高成本等。扇区拆分的另一种潜在方法是在包括多个线性阵列的基站天线上包括RF透镜。例如，基站天线可以具有指向不同方向的多个高频带线性阵列，以提供多个相邻的高频带天线波束，并且RF透镜可以用于将这些高频带天线波束中的每一个缩窄到例如合适的方位角波束宽度。
作为示例，圆柱形RF透镜已经在基站天线应用中与垂直线性阵列组合。在其全部内容通过引用并入本文的美国专利公开No.2015/0070230中公开了一种这样的天线。在包括圆柱形RF透镜的基站天线中，透镜的纵向轴线被定向为大致平行于线性阵列的纵向轴线(即，透镜和线性阵列都相对于由地平线定义的平面垂直延伸)。线性阵列的特点定义了结果所得的波束图案的仰角波束宽度(即，圆柱形透镜一般不会修改仰角波束宽度)。因此，每个线性阵列中辐射元件的数量以及这些辐射元件之间的间隔，连同辐射元件的设计和操作的频率，可以是影响线性阵列的仰角波束宽度的主要因素。但是，圆柱形RF透镜用于缩小每个线性阵列的方位角图案的波束宽度。在上述美国专利公开No.2015/0070230中提供的一个示例中，使用圆柱形RF透镜将垂直线性阵列的方位角HPBW从大约65度缩窄到大约33度。因此，具有圆柱形透镜的线性阵列的优点在于它可以仅利用单列辐射元件实现多列相控阵天线的性能(就方位角平面中的天线波束缩窄而言)。在上面引用的美国专利公开No.2015/0070230中，指向不同方向的两个线性阵列位于圆柱形RF透镜后面，以形成一对相邻的天线波束，每个天线波束具有大约33度的方位角HPBW。
虽然一般而言是有益的，但圆柱形RF透镜可以表现出某些缺点。例如，在一些情况下，圆柱形RF透镜可以生成交叉极化失真。如本领域技术人员所知的，交叉极化失真是指由具有被设计为以第一极化(例如，水平极化)发射能量的元件的交叉极化天线以正交极化(例如，垂直极化)发射的能量的量。圆柱形RF透镜还具有相对高的体积，这会增加天线的尺寸、重量和成本，特别是因为用于形成透镜的材料可能是昂贵的。此外，如上面所讨论的，圆柱形透镜不会使仰角波束宽度缩窄，因此线性阵列的长度可以是用于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常常不能间隔大于大约通过其被发送和接收的RF信号的0.6-0.9波长而不产生明显的栅格波瓣，因此减小仰角波束宽度所要求的增加的长度导致包括在线性阵列中的辐射元件的数量的对应增加。使用圆柱形RF透镜没有解决这个问题。
通常，共同馈送网络与上述相控阵基站天线一起使用。为了降低成本，这些共同馈送网络常常具有1:4或1:5几何结构(意味着馈送网络对于沿着发送方向行进的RF信号具有单个输入以及4个或5个输出)。由于线性阵列通常具有8-15个辐射元件，因此辐射元件被分组为辐射元件的子阵列，其中每个子阵列由共同馈送网络的单个输出馈送(因此包括在特定子阵列中的每个辐射元件接收具有相似相位和振幅的相同信号)。例如，1:5共同馈送网络可以耦合到五个子阵列，其中每个子阵列包括一个到三个辐射元件。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。此外，如果元件间隔增加到接近一个波长，用于在使用较少数量的辐射元件的同时加宽孔并缩窄仰角波束宽度，那么当辐射波束电子转向远离机械视轴(boresight)时，栅格波瓣开始出现，如当使用远程电子倾斜以电子方式向下倾斜天线的仰角图案时的情况那样。因此，当使用圆柱形RF透镜时，可能难以在减小天线的尺寸和成本的同时实现高性能基站天线。
根据本发明的实施例，提供了可以支持低频带服务和高频带服务二者的紧凑型基站天线，其中天线形成支持低频带服务的一个天线波束以及支持高频带服务的两个或更多个天线波束。对于低频带服务和高频带服务，这些天线可以具有大致相同的方位角波束宽度，其中对于高频带服务的方位角波束宽度是两个或更多个高频带天线波束的组合的方位角波束宽度。低频带天线波束和高频带天线波束可以具有相同或不同的仰角波束宽度。低频带和高频带都可以表现出超宽带性能，因此基站天线可以用于支持多种不同类型的低频带服务和多种不同类型的高频带服务。
可以使用用于缩窄高频带辐射元件的阵列的波束宽度的一个或多个RF透镜来形成根据本发明实施例的基站和其它天线。在一些实施例中，可以提供单个圆柱形RF透镜，它与高频带辐射元件的两个或更多个垂直阵列以及低频带辐射元件的一个或多个垂直阵列一起操作。在其它实施例中，可以使用多个圆柱形RF透镜。在另外其它实施例中，可以使用球形或椭圆形RF透镜的线性阵列。
在一些实施例中可以设计天线，使得RF透镜对低频带信号几乎没有影响。例如，在一些实施例中，低频带辐射元件可以位于RF透镜和天线的背板之间，并且RF透镜可以被设计为对低频带辐射元件基本透明。在其它实施例中，低频带辐射元件可以位于RF透镜之间而不是后面，以减小RF透镜对低频带信号的影响。在一些实施例中，可以使用人造磁导体(“AMC”)材料来允许低频带辐射元件更靠近背板放置，以增加天线的紧凑性。在一些实施例中，低频带和高频带辐射元件可以包括超宽带辐射元件。
现在将参考附图更详细地讨论本发明的实施例，其中示出了本发明的示例实施例。
图1是例示根据本发明实施例的、由双频带基站天线10形成的天线波束的示意性俯视图。如图1中所示，基站天线10生成一个低频带天线波束20和两个高频带天线波束30、40。在一些实施例中，低频带天线波束20可以具有大约65度的半功率方位角波束宽度，并且两个高频带天线波束30、40的组合可以一起具有大约65度的半功率方位角波束宽度。因此，三个基站天线10可以为低频带和高频带二者都提供全360度覆盖。
图2是可以用于生成图1中所示的天线波束20、30、40的基站天线100的示意性俯视图。如图2中所示，基站天线100包括辐射元件的三个垂直朝向的线性阵列，即，包括多个低频带辐射元件122的低频带阵列120以及各自包括多个高频带辐射元件132的第一高频带阵列和第二高频带阵列130-1、130-2。在本文中，当提供多个相似的元件时，它们可以用两部分的附图标记编号并且可以由完整的附图标记(例如，高频带阵列130-2)单独引用，并通过附图标记的第一部分(例如，高频带阵列130)共同引用。由于图2是示意性俯视图，因此在图2中仅可见每个线性阵列120、130中最上面的辐射元件122、132，但是将认识到的是，在相应的线性阵列120、130中提供了多个辐射元件122、132，其中每个线性阵列120、130提供常常在大约8个到15个之间的辐射元件122、132。圆柱形RF透镜140安装在辐射元件122、132的前面。圆柱形透镜140的纵向轴线可以在垂直方向上延伸。辐射元件122、132安装在背板110上。背板110可以包括整体结构或者可以包括附连在一起的多个结构。背板110可以包括例如用作辐射元件122、132的接地平面的反射器。背板110可以是非平面的，如图所示。
每个低频带辐射元件122可以包括柄(stalk)124和辐射器126。辐射器126可以包括例如偶极子或贴片辐射器。如果基站天线100是双极化天线，那么每个辐射器126可以包括例如交叉偶极子结构。每个辐射器126可以部署在与辐射元件122的对应柄124的纵向轴线基本垂直的平面中。每个柄124的纵向轴线可以指向圆柱形透镜140的纵向轴线。
类似地，每个高频带辐射元件132可以包括柄134和辐射器136。辐射器136可以包括例如偶极子或贴片辐射器。如果基站天线100是双极化天线，那么每个辐射器136可以包括例如交叉偶极子结构。每个辐射器136可以部署在与辐射元件132的对应柄134的纵向轴线基本垂直的平面中。每个柄134的纵向轴线可以指向圆柱形透镜140的纵向轴线。
通常，基站天线的辐射元件在下面的反射器上方间隔开大约四分之一波长，其中波长是与经由辐射元件发送/接收的RF信号的中心频率对应的波长。对于通常在690-960MHz范围内的低频带信号，四分之一波长是相对大的距离，因此可能难以提供紧凑的基站天线。例如，参考图2，可以看出圆柱形透镜140位于低频带阵列120的前面。由于高频带的中心频率通常比低频带的中心频率大两倍或者甚至三倍，因此，如果使用常规的低频带辐射元件(图2中未示出)，那么这些常规的低频带辐射元件将比高频带辐射元件在背板110前面延伸更远2-3倍。由于RF透镜140也可以相对大，因此，如果使用常规的低频带辐射元件，那么基站天线100的深度将相当大。此外，高频带辐射元件132通常应当定位成紧邻圆柱形RF透镜140。为了实现这一点，高频带辐射元件132将需要比图2中所示的更向前定位。但是，如果以这种方式移动高频带辐射元件，那么高频带辐射元件132会至少部分地阻挡低频带辐射元件122，这会劣化低频带和高频带两者中的性能。
为了改善这个问题，如图2中所示，基站天线100还可以包括具有人造磁导体或“AMC”表面的材料150。AMC材料表面也称为超表面(meta-surfaces)、反应阻抗表面和超材料表面。AMC材料150的使用可以允许低频带辐射元件122更靠近下面的背板110定位。因此，可以使天线100更紧凑，并且可以减少高频带辐射元件132阻挡和/或干扰低频带辐射元件122的问题。
在一些实施例中，AMC材料可以包括金属接地层、金属接地层上的接地介电基板，以及接地介电基板上的周期性贴片，其中贴片的周期性远小于波长。包括AMC材料150可以允许低频带辐射元件122具有更短的柄124，因此低频带辐射元件122的辐射器126可以定位得更靠近天线100的背板110。
虽然RF透镜140被描述为例如延伸低频带阵列120和/或高频带阵列130-1、130-2的长度的圆柱形RF透镜140，但是将认识到的是，在其它实施例中，RF透镜140可以包括布置在垂直列中的多个球形RF透镜140。在这种实施例中，一个低频带辐射元件122和两个高频带辐射元件132可以定位在每个这种球形RF透镜140与背板110之间。可以在其它实施例中使用椭圆形RF透镜。
图3A-图3E例示了具有图2的基站天线100的一般结构的透镜式双频带多波束基站天线200的一个示例。特别地，图3A是透镜式双频带多波束基站天线200的透镜图，并且图3B是沿着图3A中的线3B-3B截取的天线200的横截面图。图3C是包括在天线200中的线性阵列的透视图，并且图3D和图3E分别是包括在图3C的线性阵列中的高频带双极化辐射元件中的一个的平面图和侧视图。图3F是低频带双极化辐射元件中的一个的透视图。透镜式双极化多波束基站天线200生成一个低频带天线波束和两个高频带天线波束。当安装天线200以供使用时，方位角平面垂直于天线200的纵向轴线，并且仰角平面与天线200的纵向轴线平行。
参考图3A和图3B，基站天线200包括低频带辐射元件222的线性阵列220以及高频带辐射元件232的第一线性阵列和第二线性阵列230-1、230-2。辐射元件222、232安装在背板210上。背板210可以包括例如既用作天线的反射器又用作辐射元件222、232的接地平面的一个或多个金属片。天线200还包括圆柱形RF透镜240。在一些实施例中，每个高频带线性阵列230可以具有与圆柱形RF透镜240大致相同的长度。多波束基站天线200还可以包括天线罩260、端盖270、托盘280和输入/输出端口290中的一个或多个。
圆柱形RF透镜240被用于在方位角方向上聚焦相应高频带线性阵列230的辐射覆盖图案或“天线波束”。例如，圆柱形RF透镜240可以将由高频带线性阵列230输出的相应天线波束的3dB波束宽度在方位角平面中从大约65度缩到大约33度。虽然天线200包括两个高频带线性阵列230，但是将认识到的是，在其它实施例中可以使用不同数量的高频带线性阵列230。
可以设计天线200，使得圆柱形RF透镜240不会显著缩窄低频带线性阵列220的波束宽度。实现此目的的一种方式是选择圆柱形RF透镜240的直径，该直径足以提供高频带线性阵列230的方位角波束宽度的必要缩窄，但是足够小以使圆柱形RF透镜240不会显著缩窄低频带线性阵列220的方位角波束宽度。在一些实施例中，可以例如选择低频带线性阵列220中各个辐射元件222的方位角波束宽度，使得低频带阵列220将具有大约65度的半功率波束宽度。在其它实施例中，圆柱形RF透镜240将执行低频带线性阵列220的方位角波束宽度的至少一些缩窄。在这种实施例中，低频带阵列220可以被设计为具有例如大约90度的半功率方位角波束宽度，圆柱形RF透镜240将其缩窄到大约65度。
形成低频带线性阵列220的低频带辐射元件222可以包括例如偶极子、贴片或任何其它适当的辐射元件。在一些实施例中，低频带辐射元件222可以包括贴片辐射元件，因为这些辐射元件可以具有相对低的轮廓。如图3F中最佳所示，在所描绘的实施例中，每个低频带辐射元件222被实现为交叉极化辐射元件222，其包括一对柄224和一对辐射器226。在所描绘的实施例中，该对中的一个辐射器226辐射具有+45度极化的RF能量，并且该对中的另一个辐射器226辐射具有-45度极化的RF能量。
形成高频带线性阵列230-1、230-2的高频带辐射元件232也可以包括例如偶极子、贴片或任何其它适当的高频带辐射元件。如图3D-图3E中所示，每个高频带辐射元件232可以被实现为包括一对柄234和一对辐射器236的交叉极化辐射元件。
圆柱形RF透镜240缩窄由每个高频带线性阵列230形成的天线波束的半功率波束宽度，同时将高频带天线波束的增益增加例如大约2-2.5dB。两个高频带线性阵列230共享相同的圆柱形RF透镜240，因此每个高频带线性阵列230的HPBW以相同的方式更改。
高频带辐射元件232可以安装成紧邻圆柱形RF透镜240。但是，如上面参考图2所讨论的，低频带辐射元件222通常大于高频带辐射元件232，因为低频带辐射元件222被设计为以较低频率发送和接收。因此，可能没有足够的空间将低频带辐射元件222安装在背板210与圆柱形RF透镜240之间。为了增加可用的空间量，可以在低频带辐射元件222的辐射器226与反射器210之间安装AMC材料250。
如上所述，用于基站天线的辐射元件通常安装在距下面的背板/反射器大约四分之一波长处，使得由辐射元件向后发射的辐射将被向前反射，以有益地添加由辐射元件在向前方向上发射的辐射。通过将低频带辐射元件222安装在AMC材料250上，可以有可能将低频带辐射元件222安装得更靠近背板210，如上面所讨论的。这可以显著减小天线200的尺寸，并且可以帮助确保低频带和高频带辐射元件222、232在适当方向上通过圆柱形RF透镜240指向而不彼此重叠。
透镜式双频带多波束基站天线200可以用于增加系统容量。例如，常规的双频带65度方位角HPBW天线能够用如上所述的透镜式多波束基站天线200代替。这将增加针对高频带的流量处理能力，因为每个高频带天线波束的增益会高2-2.5dB，因此能够以相同的服务质量支持更高的数据速率。由高频带线性阵列230生成的两个天线波束的方位角可以近似垂直于背板的上面安装有每个高频带线性阵列230的相应部分。高频带天线波束可以彼此相邻定位，并且可以各自被设计为具有大约33度的半功率方位角波束宽度，使得天线200可以为120度扇区提供覆盖。
在一些实施例中，圆柱形RF透镜240可以由复合介电材料242形成，复合介电材料242在整个透镜结构中具有大致均匀的介电常数。在一些实施例中，圆柱形RF透镜240还可以包括保持介电材料242的壳体，诸如中空的轻质结构。这与由具有不同介电常数的多层介电材料形成的常规伦伯(Luneburg)透镜形成对比。与伦伯透镜相比，圆柱形RF透镜240能够更容易并且更便宜地制造，并且还能够更紧凑。在一个实施例中，圆柱形RF透镜240可以由复合介电材料形成，该复合介电材料具有大约1.5至3.0的大致均匀的介电常数和将要通过高频带辐射元件232发送的信号的中心频率的大约2个波长(λ)的直径。
图3A-图3B的天线200具有圆柱形RF透镜240，其具有平顶和平底，这对于制造和/或组装会是方便的。但是，将认识到的是，在其它实施例中，可以替代地使用具有圆形(半球形)端部的RF透镜。半球形端部可以在高频带线性阵列230的相应端部处的辐射元件232的仰角平面中提供附加的聚焦和/或减小中心波束的旁瓣。这能够改善高频带线性阵列230的总增益。也可以使用其它形状。
可以使用各种复合介电材料中的任何一种来形成圆柱形RF透镜240。下面将更详细地讨论适于形成在根据本发明实施例的基站天线中使用的RF透镜的示例复合介电材料。下面讨论的任何复合介电材料都可以用于形成圆柱形RF透镜240，任何其它合适的介电材料也可如此。
图3C是包括在图3A-图3B的透镜式双频带多波束基站天线200中的高频带线性阵列230中的一个的示意性透视图。线性阵列230包括多个辐射元件232、反射器210-1以及两个输入连接器290。线性阵列230还可以包括用于在仰角平面中进行波束扫描(波束倾斜)的移相器(未示出)。
图3D-图3E更详细地例示了高频带辐射元件232中的一个。特别地，图3D是双极化辐射元件232中的一个的平面图，并且图3E是双极化辐射元件232的侧视图。如图3D中所示，每个辐射元件232包括四个偶极子片段，这四个偶极子片段以方形或“盒子”布置方式来布置，以形成一对辐射器236。这四个偶极子片段由馈送柄234支撑，如图3E中所示。每个辐射元件232可以包括两个线性正交极化(倾斜+45°/-45度)。将认识到的是，可以使用任何适当的辐射元件232。
使用诸如透镜240之类的圆柱形RF透镜可以减小仰角平面中的栅格波瓣(和其它远旁瓣)。因为圆柱形RF透镜240仅聚焦主波束并使远旁瓣散焦，所以发生栅格波瓣尺寸的减小。这允许增加高频带线性阵列230中天线元件232之间的间隔，因此与非透镜式天线相比，每个高频带线性阵列230可以利用更少的辐射元件232实现期望的仰角波束宽度。在非透镜式天线中，可以选择阵列中辐射元件之间的间隔，以使用dmax/λ<1/(sinθ0+1)的标准来控制栅格波瓣，其中dmax是最大允许间隔，λ是波长并且θ0是扫描角度。在透镜式天线200中，可以增加间隔dmax：dmax/λ＝1.2～1.3[1/(sinθ0+1)]。因此，圆柱形RF透镜240允许对于多波束基站天线200增加高频带辐射元件232之间的间隔，同时将辐射元件的数量减少20-30％。这为透镜式多波束基站天线200带来了附加的成本优势。
再次参见图3A和图3B，天线罩260、端盖270和托盘280保护天线200。天线罩260和托盘280可以由例如挤压(extruded)塑料形成，并且可以是多个部分或者被实现为一个整体结构。在其它实施例中，托盘280可以由金属制成并且可以用作附加反射器以改善天线200的前后比(front-to-back ratio)。在一些实施例中，可以在托盘280与线性阵列220、230之间放置RF吸收器(未示出)，用于附加的后波瓣性能改善。圆柱形RF透镜240被间隔开，使得高频带线性阵列230的孔指向圆柱形RF透镜240的中心(纵向)轴线。
因此，透镜式多波束天线200是双频带天线，其提供高频带中的双天线波束和低频带中的单个天线波束。天线200可以非常紧凑，因为圆柱形RF透镜240的直径基于高频带线性阵列230的频率，并且因此可以使用更小的圆柱形RF透镜240。在示例实施例中，圆柱形RF透镜的直径D可以是大约D＝1.5-6λ(其中λ是所发送信号的中心频率在自由空间中的波长)。此外，因为AMC材料250允许低频带辐射元件222定位成非常靠近背板210，所以低频带辐射元件222可以定位在圆柱形RF透镜240与背板210之间，并且因此可以需要很少或者不需要额外的空间。AMC材料250还允许低频带辐射元件222与高频带辐射元件232间隔更远，这可以减少低频带辐射元件222散射所发送或接收的高频带RF能量的量。
图4是根据本发明其他实施例的基站天线300的示意性俯视图。如图4中所示，基站天线300可以与上面描述的基站天线100、200非常相似。因而，在图4中，已经用相似的附图标记标识与基站天线100相似的元件，并且将省略对这些元件的进一步描述。
如图4中所示，透镜式双频带多波束基站天线300与基站天线100的不同之处在于它还包括一对辅助透镜338。辅助透镜338可以放置在每个高频带线性阵列130-1、130-2与RF透镜140之间。辅助透镜338还可以聚焦高频带RF能量。辅助透镜338还可以帮助稳定方位角平面中高频带天线图案的波束宽度。辅助透镜338还可以补偿主RF透镜140对低频带线性阵列120的图案的影响。辅助透镜338可以由介电材料形成，并且可以被成形为例如杆、圆柱体或立方体。也可以使用其它形状。每个辅助透镜338的横向横截面宽度或直径可以基本上小于主RF透镜140的直径。
当辅助透镜338包括在天线中时，主圆柱形RF透镜140可以定位在距背板110更远的距离处。因此，可以为低频带辐射元件122提供更多空间。因此，在一些情况下，可以省略AMC材料150。
由辅助透镜338执行的聚焦量可以高度依赖于RF信号的频率。例如，在一个实施例中，由每个辅助透镜338输出的天线波束可以具有例如在1.7GHz处为60度的半功率波束宽度以及在2.7GHz处为40度的半功率波束宽度。值得注意的是，主圆柱形RF透镜140可以被设计为以相对的方式操作。特别地，可以选择主圆柱形RF透镜140的直径、介电常数和其它参数，使得1.7GHz的信号通过主圆柱形RF透镜140的大部分或全部，而2.7GHz RF信号将仅通过主圆柱形RF透镜140的中心部分。因此，主圆柱形RF透镜140将聚焦比2.7GHz RF信号更多的1.7GHz RF信号。因此，主圆柱形RF透镜140和辅助RF透镜338的组合可以用于形成在高频带的整个1GHz频率范围内(即，从1.7GHz到2.7GHz)具有例如33度的波束宽度的高频带天线波束。
图5是根据本发明的另外其他实施例的基站天线400的示意性俯视图。如图5中所示，基站天线400类似于上面描述的基站天线100、200。因此，在图5中，已经用相似的附图标记标识与基站天线100相似的元件，并且将省略对这些元件的进一步描述。
如图5中所示，透镜式双频带多波束基站天线400与基站天线100的不同之处在于，与基站天线100中包括的单个圆柱形RF透镜140相对地，基站天线400包括一对主圆柱形RF透镜140-1、140-2。这种布置的一个潜在优点是可以有可能将每个圆柱形透镜140-1、140-2定位成更靠近相应的高频带线性阵列130-1、130-2的辐射元件132。基站天线400还可以具有用于低频带辐射元件122的更多空间，这可以允许使用更宽范围的低频带辐射元件122和/或可以减少低频带与高频带信号之间的相互作用量。由于提供第二圆柱形RF透镜140，基站天线400可能比上述基站天线100、200、300更昂贵，并且还可能需要更宽并且可能更深，这一般是不期望的。将认识到的是，在其他实施例中，基站天线300的辅助透镜338可以添加到基站天线400。
图6A和图6B分别是根据本发明又一个实施例的基站天线500的示意性正视图和侧视图。如图6A-图6B中所示，基站天线500包括背板510、包括多个低频带辐射元件522的低频带线性阵列520、各自包括多个高频带辐射元件532的第一和第二高频带线性阵列530-1、530-2，以及安装在背板510前面的垂直列中的多个球形RF透镜540。背板510能够以垂直朝向安装。背板510可以充当低频带辐射元件522的反射器。在一些实施例中，可以为高频带辐射元件532提供单独的反射器(未示出)。
如图6A-图6B中所示，双频带多波束天线500包括对于每个球形RF透镜540的两个高频带辐射元件532。球形RF透镜540位于两列高频带辐射元件532前面以及中间。在图6A-图6B所示的示例实施例中，提供总共八个高频带辐射元件532(每列四个)并且提供总共四个球形RF透镜540。每个高频带线性阵列530可以包括其自己的源(无线电装置)。例如，第一高频带线性阵列530-1可以由相应的第一共同馈送网络和第二共同馈送网络(未示出)馈送，第一共同馈送网络和第二共同馈送网络在第一高频带线性阵列530-1中的辐射元件532的两个正交极化中的每一个处连接到供给RF信号的第一无线电装置的相应第一端口和第二端口，并且第二高频带线性阵列530-2可以由第三共同馈送网络和第四共同馈送网络(未示出)馈送，第三共同馈送网络和第四共同馈送网络在第二高频带线性阵列530-2中的辐射元件532的两个正交极化中的每一个处连接到供给RF信号的第二无线电装置的第三端口和第四端口。如果高频带辐射元件532是支持高频带内的多种蜂窝服务的宽带辐射元件，那么可以提供附加的无线电装置。如果提供此类附加的无线电装置，那么还可以提供双工器以将多个无线电装置连接到每个辐射元件532。
天线500可以产生针对不同的方位角的两个独立的高频带天线波束(每个波束支持两个极化)。因此，天线500可以用于进一步将蜂窝基站扇区化。例如，天线500可以被设计为在方位角平面中生成两个并排(side-by-side)的波束，每个波束具有大约33度的半功率方位角波束宽度。三个这种天线500可以用于形成六扇区小区。
低频带线性阵列520包括四个低频带辐射元件522。每个低频带辐射元件522被实现为一对“三极(tri-pol)”元件524，“三极”元件524被用于例如产生具有40-50度的方位角半功率波束宽度的低频带天线波束。三极元件524沿着背板510的每一侧布置在垂直列中。每对三极元件524布置在相邻的球形RF透镜540之间。三极元件524可以安装在距背板510相对大距离的位置处，使得三极元件524的辐射器布置在背板510上方类似于球形RF透镜540的高度的高度处。由于三极元件524的高度和放置，由低频带辐射元件522发射的向前指向的RF能量将很少或没有通过球形RF透镜540，但是向后发射的低频带RF信号的某个部分可以通过球形RF透镜540。因此，球形RF透镜540将对低频带天线图案仅具有相对较小的影响，而球形RF透镜540可以用于显著缩窄高频带天线图案。
第一和第二高频带线性阵列530-1、530-2可以在相应的第一和第二垂直列中延伸，当安装基站天线500以供使用时，第一和第二垂直列可以大致垂直于由地平线定义的水平面。球形RF透镜540可以同样安装在垂直列中。高频带辐射元件532可以安装在背板510与球形RF透镜540的列之间。如图6A中最佳所示，来自每个高频带线性阵列530的一个高频带辐射元件532可以定位在每个球形RF透镜540后面，使得总共两个高频带辐射元件532定位在每个球形RF透镜540后面。每个辐射元件532可以定位在距其相关联的球形RF透镜540与其它辐射元件532相对于它们相关联的球形RF透镜540相同的距离处。每个辐射元件532可以沿着其相关联的球形RF透镜540(即，辐射元件532位于后面的透镜540)的“赤道(equator)”定位，其中“赤道”是指球形RF透镜540的具有最大直径的水平横截面。
在图6A-图6B中示意性地示出高频带辐射元件532。每个高频带辐射元件532可以包括例如偶极子、贴片或任何其它适当的辐射元件。在示例实施例中，辐射元件532可以被实现为图3D-图3E中描绘的辐射元件232。
每个球形RF透镜540被用于在方位角平面和仰角平面中都聚焦(缩窄)由其相关联的高频带辐射元件532形成的天线波束。在一些实施例中，球形RF透镜540可以包括介电常数为大约1至大约3的介电材料(例如，用其填充或由其组成)。球形RF透镜540的介电材料聚焦从相关联的高频带辐射元件532辐射和由相关联的高频带辐射元件532接收的RF能量。下面讨论可以用于形成球形RF透镜540的各种合适的复合介电材料。
与在上面描述的天线100、200、300、400中使用的圆柱形RF透镜相比，包括在天线500中的球形RF透镜540的使用可以提供若干优点。首先，球形RF透镜540的阵列可以显著小于等效的圆柱形RF透镜。因而，球形RF透镜540的使用可以减小天线500的尺寸、成本和重量。第二，球形RF透镜540可以用于在方位角方向和仰角方向上都缩窄波束，这在很多应用中会是期望的。第三，球形RF透镜540能够在为了改变天线500的覆盖区域而电子倾斜时维持波束图案形状。第四，球形RF透镜540相比圆柱形RF透镜对低频带辐射元件522的影响可能更小，因为每个球形RF透镜540可以相对于单个低频带辐射元件522进行调谐(假设存在一个低频带阵列520)。
图7A-图7E例示了根据本发明实施例的透镜式双频带多波束天线600。特别地，图7A是天线600的正视图，图7B是包括在天线600中的球形RF透镜中的一个的透视图，并且图7C是球形RF透镜中的一个的透视图，例示了球形RF透镜如何保持就位。图7D是包括在天线600中的低频带辐射元件的透视图，并且图7E是包括安装在上面的三个高频带辐射元件的天线600的弯曲反射器的放大透视图。
如图7A-图7E中所示，天线600包括背板610、低频带辐射元件622的低频带阵列620、高频带辐射元件的第一至第三高频带阵列630-1、630-2、630-3(阵列630-2在附图中不可见，但是其一个辐射元件632在图7E中可见)，以及5个球形RF透镜640。低频带辐射元件622包括成对的所谓“三极”辐射器624。如图7A中可以最佳看到的，每个低频带辐射元件622定位在两个相邻的球形RF透镜640之间。将低频带辐射元件622定位在球形RF透镜640之间可以减小球形RF透镜640可能对低频带天线波束造成的影响。此外，如图7B所示，在一些实施例中，球形RF透镜640可以包括金属丝网(wire mesh)或其它频率选择结构642。频率选择结构642可以被设计为一般反射低频带中的RF能量并且一般对高频带中的RF能量透明。低频带辐射元件622相对于球形RF透镜640的定位和/或在球形RF透镜640中或上包括频率选择结构642可以减少或消除球形RF透镜640对低频带RF信号的波束宽度的显著缩窄。因此，在一些实施例中，低频带辐射元件622可以具有例如大约40-50度的半功率方位角波束宽度。可以选择包括在低频带阵列620中的低频带辐射元件622的数量，以获得期望的半功率仰角波束宽度。但是，将认识到的是，在其它实施例中，天线600可以被设计为具有不同的半功率方位角波束宽度。
图7D更详细地例示了低频带辐射元件622中的一个。如图7D中所示，每个低频带辐射元件622包括一对所谓的“三极”辐射器624。例如在于2015年7月7日发布的美国专利No.9,077,070中描述了使用诸如辐射器624之类的三极辐射器形成的低频带辐射元件622，该专利的全部内容通过引用并入本文。因而，本文将不再详细讨论三极辐射器624的结构和操作。三极辐射器624的对可以安装在公共反射接地平面626上。如图7A中所示，公共反射接地平面626可以定位在两个球形RF透镜640之间。公共反射接地平面626可以将低频带辐射元件622相对于球形RF透镜640的高度提高，以进一步减小球形RF透镜640可能对低频带RF信号造成的影响。在一些实施例中，公共反射接地平面626可以电容耦合到相邻球形RF透镜640中的频率选择结构642。
如图7C和图7E中最佳所示，在一些实施例中，高频带辐射元件632可以被实现为交叉偶极子辐射元件。由于天线600包括三个高频带阵列630，因此可以为每个球形RF透镜640提供总共三个交叉偶极子高频带辐射元件632。与每个球形RF透镜640相关联的三个交叉偶极子高频带辐射元件632可以安装在公共反射器634上。公共反射器634可以是弯曲结构，使得由每个高频带辐射元件632发射的辐射(该辐射在垂直于由交叉偶极子定义的平面的方向上发射)指向与每个高频带辐射元件632相关联的球形RF透镜640的中心。虽然图7C和图7E中未示出，但是每个高频带辐射元件632将包括一对馈送柄，其将正交极化信号馈送到每个高频带辐射元件632中包括的相应偶极子辐射元件。
如图7C中所示，球形RF透镜640可以通过支撑结构644保持就位在高频带辐射元件632的前面。支撑结构644可以安装在背板610上。每个高频带辐射元件632可以位于距其相关联的球形RF透镜640相同的距离处。如图7C中所示，在一些实施例中，高频带辐射元件632与其相关联的球形RF透镜640之间的间隔距离可以非常小。
虽然图7A-图7E的实施例包括形成三个独立天线波束的三个高频带线性阵列630，但是将认识到的是，在其它实施例中，可以提供更多或更少的高频带阵列630。例如，在一些情况下，可以提供仅两个高频带阵列630，在这种情况下，每个反射器634将仅包括将位于图7E中所示的高频带辐射元件632之间的空间中两个高频带辐射元件632。在其它实施例中，可以在天线600中包括更大数量的高频带阵列630(例如，四个)。
图8A-图8B例示了根据本发明另外其他实施例的透镜式双频带多波束天线700。特别地，图8A是天线700的局部透视图，并且图8B是天线700的一部分的放大透视图，例示了天线700的高频带辐射元件中的两个。
如从图8A-图8B可以看出的，天线700类似于上面的天线600。特别地，天线700包括背板710、低频带辐射元件722的低频带阵列720、高频带辐射元件732的三个高频带阵列730(在图8B中仅两个高频带阵列730的高频带辐射元件732可见)以及多个球形RF透镜740。每个低频带辐射元件722包括沿着背板710的外边缘彼此相对安装的一对三极辐射器724，以及位于球形RF透镜740中的一个的相对侧并且沿着背板710的纵向轴线定位的第三三极辐射器726。在一些实施例中，第三三极辐射器726的中心臂可以接触或甚至穿透球形RF透镜740以减小天线700的尺寸。形成每个低频带辐射元件722的三个三极辐射器724、726可以形成三角形728，其中球形RF透镜740中的一个定位在该三角形的中间。
虽然未在图中示出，但是球形RF透镜740可以包括频率选择结构，诸如上面参考图7B讨论的频率选择结构642。添加第三三极辐射器726可以将低频带阵列720的半功率方位角波束宽度增加到例如大约50-60度。
如图8B中所示，在一些实施例中，高频带辐射元件732可以被实现为交叉偶极子辐射元件。由于天线700包括三个高频带阵列730，因此可以为每个球形RF透镜740提供总共三个交叉偶极子高频带辐射元件732(在图8B中仅两个可见)。与每个球形RF透镜740相关联的三个交叉偶极子高频带辐射元件732可以安装在类似于上面讨论的反射器634的公共反射器734上。
图9是根据本发明其他实施例的透镜式双频带多波束天线800的局部透视图。除了(1)与包括在天线600、700中的基于三极的辐射元件622、722相对地，包括在天线800中的低频带阵列820包括一列交叉偶极子低频带辐射元件822，以及(2)低频带阵列沿着天线800的中心纵向轴线延伸之外，天线800可以类似于上面讨论的天线600和700。应当注意的是，图9仅仅是天线800的局部视图，示出了低频带交叉偶极子辐射元件822中的一个和球形RF透镜840中的两个。将认识到的是，将包括附加的低频带辐射元件822和球形RF透镜840以沿着垂直方向重复图9中所示的结构多次。在一些实施例中，低频带交叉偶极子辐射元件822可以具有在美国专利公开No.2015/0214617中公开的设计，其中偶极子被形成为一系列偶极子片段和RF扼流圈(choke)。RF扼流圈可以减少来自低频带辐射元件822中的高频带信号的感应电流。交叉偶极子辐射元件822可以具有例如大约60-65度的半功率方位角波束宽度。因此，三个基站天线800可以为低频带提供全360度覆盖。除了使用低频带交叉偶极子辐射元件822之外，天线800可以与上面讨论的天线700相同，因此将省略对天线800的进一步描述。
图10A是例示图7A-图7E、图8A-图8B和图9的天线600、700、800的低频带辐射图案的曲线图。如图10A中所示，天线600、700、800中的每一个可以被设计为具有基本相同的仰角图案930。与下部旁瓣相比，仰角图案930对上部旁瓣具有更大的抑制，这对于基站天线是典型的。曲线900、910和920例示了相应天线600、700、800的方位角波束图案。如从图10A可以看出的，方位角图案在除波束宽度之外的方面是类似的，天线600具有最小的方位角波束宽度，而天线800具有最大的方位角波束宽度。
图10B和图10C是例示当天线具有两个高频带阵列(图10B)与三个高频带阵列(图10C)时图7A-图7E、图8A-图8B和图9的天线600、700、800的高频带辐射图案的曲线图。如这些图中所示，在每种情况下，两个或三个高频带天线波束的组合可以提供大约50-60度的半功率方位角波束宽度。
将认识到的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本文公开的双频带多波束天线进行多种修改。例如，虽然本文公开的各种天线使用球形RF透镜，但是将理解的是，在其它实施例中可以代替地使用椭圆形或其它RF透镜。同样将认识到的是，辐射元件的数量可以与所示的不同，每个RF透镜的低频带和/或高频带辐射元件的数量也可以与所示的不同。
作为另一个示例，虽然上述示例实施例中的每一个包括单个低频带阵列，但是将认识到的是，在其它实施例中可以包括两个或更多个低频带阵列。同样可以改变高频带阵列的数量。
作为另一个示例，可以设计上述天线中的低频带辐射元件，使得RF透镜将对低频带信号具有至多有限的影响。在其它实施例中，可以使用更宽的波束宽度低频带辐射元件(诸如贴片辐射元件或介电加载贴片辐射元件)，并且RF透镜可以用于缩窄低频带和高频带辐射元件的波束宽度。例如，低频带辐射元件可以被设计为具有大约90度的方位角波束宽度，并且RF透镜可以用于将波束宽度缩到大约65度。
虽然在一些实施例中可以使用AMC材料来将低频带辐射元件定位成更靠近下面的接地平面/反射器，但是将认识到的是，在其它实施例中，可以使用介电材料代替AMC材料。RF能量的波长在介电材料中改变(有效地变小)，这允许低频带辐射元件被定位成更靠近反射器/接地平面。
上面讨论的根据本发明实施例的基站天线使用RF透镜来聚焦从至少一些线性阵列辐射并由其接收的RF能量，以减小由那些线性阵列形成的天线波束的波束宽度。在一些实施例中，可以使用复合介电材料形成这些RF透镜。
在一些实施例中，包括在本文公开的RF透镜中的复合介电材料可以是复合介电材料1000，其使用与在每个主表面上具有绝缘材料的导电材料1020(例如，导电片材料)混合的可膨胀介电微球1010(或其它形状的可膨胀材料)形成。这种复合介电材料1000还可以包括键合剂，诸如例如惰性油。在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材料1020的小片可以包括例如碎屑(flitter)或小片(glitter)。例如，碎屑可以包括被切成小块(例如，小的200-800微米正方形或具有类似主表面积的其它形状)、在一侧或两侧具有薄的可绝缘涂层(例如，0.5-15微米)的金属薄片(例如，6-50微米厚)。小片可以类似于碎屑，但是每片小片可以在金属片的一侧具有较厚的绝缘层而在另一个侧具有较薄的可绝缘涂层。
图11是上述复合介电材料1000的实施例的示意性透视图，其包括与键合剂(未显示)混合的可膨胀微球1010和碎屑薄片(flake)1020。可膨胀微球1010可以包括非常小(例如，直径1-10微米)的球体，其响应于催化剂(例如，加热)而膨胀成更大(例如，12-100微米直径)的充气球体。这些膨胀的微球1010可以具有非常小的壁厚度，因此可以非常轻。例如，可以通过用非常薄的可绝缘涂层(例如，2微米厚)涂覆薄(例如，18微米)的铝或铜片的每一侧、然后将复合片切割成例如375x375微米的薄片来形成碎屑薄片1020。可以使用其它尺寸的碎屑薄片1020(例如，薄片的边可以在100微米至1000微米的范围内，并且碎屑薄片1020不需要是方形的)。也可以使用由较薄金属片形成和/或具有较厚绝缘涂层的碎屑薄片1020。例如，在另一个实施例中，可以从具有6微米厚的铝箔片的基材片切割出碎屑薄片1020，其中6微米厚的聚乙烯片粘附到其任一侧。
在加热之后，微球1010、碎屑薄片1020和键合剂的混合物可以包括例如可流动糊状的轻质半固体半液体材料，其可以具有类似于例如温热的黄油的稠度。可以将材料泵入外壳中以形成用于基站天线的RF透镜。复合介电材料1000聚焦从线性阵列辐射并由线性阵列接收的RF能量。
如图11中所示，膨胀的微球1010连同键合剂可以形成基质，该基质将碎屑薄片1020保持就位以形成复合介电材料。膨胀的微球1010可以倾向于分离相邻的碎屑薄片1020，使得碎屑薄片1020的可能已暴露金属的侧面将不太可能接触其它碎屑薄片1020的侧面，因为这种金属-金属接触可能是无源互调(“PIM”)失真的来源。如果使用铜来形成碎屑薄片1020，那么可以加热碎屑薄片1020，使得暴露的铜边缘氧化成非导电材料，这可以减少或防止任何彼此接触的碎屑薄片1020变成彼此电连接，这可以进一步改善PIM失真性能。
虽然未在图11中示出，但是也可以向混合物中添加其它介电材料，诸如泡沫聚苯乙烯(polystyrene)微球或其它形状的泡沫颗粒。在一些实施例中，这些附加的介电材料可以比膨胀的微球1010大(例如，具有0.5至3mm之间的直径)。在一些实施例中，膨胀的微球1010可以显著小于碎屑薄片1020(或其它导电材料)。例如，碎屑薄片1020的平均表面积可以超过膨胀后的可膨胀微球1010的平均表面积。
在其它实施例中，复合介电材料可以是其全部内容通过引用并入本文的美国专利No.8,518,537(“'537专利”)中所述的类型。在一个示例实施例中，提供复合介电材料的小块，每个块包括嵌入其中的至少一个针状导电纤维。可以使用将块粘在一起的粘合剂将小块形成为更大的结构。块可以在更大的结构内具有随机朝向。用于形成块的复合介电材料可以是密度在例如0.005至0.1g/cm3范围内的轻质材料。通过改变包括在小块内的(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在1到3之间变化。
在还有其它实施例中，本文公开的RF透镜可以使用于2016年3月25日提交的美国临时专利申请序列No.62/313,406(“'406申请”)中公开的任何介电材料形成，该申请的全部内容通过引用并入本文。'406申请的复合介电材料中的一个在本申请的图12A和图12B中描绘。特别地，图12A是复合介电材料1050的一个块1080的横截面图，而图12B是填充到容器(未示出)中以形成RF透镜的复合介电材料1050的多个块1080的示意性透视图。
如图12A-图12B中所示，复合介电材料1050可以通过在两个较厚的泡沫材料片1070(例如，500-1500微米厚的泡沫材料片)之间粘合导电材料的薄片1060(例如，5-40微米厚)来形成。在图12A所示的具体示例中，导电片1060是18微米厚的铝片，泡沫片1070可以是每个约1000微米厚的聚乙烯介电泡沫片1070。在金属片1060的每个表面上喷涂或以其它方式沉积薄的粘合剂层，以将三层粘合在一起，成为人造介电材料的复合片。将这个复合泡沫/箔片材料切割成例如每侧在1-4mm之间的小块1080，并被用于填充外壳以形成用于天线的RF透镜。泡沫片1070可以包括高度发泡的、轻质低介电常数材料。以这种方式形成的材料的块1080可以使用低介电损耗键合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。可以在形成透镜之前加热块1080，以便氧化任何暴露的金属。
如在'406申请中也公开的，在其它实施例中，RF透镜可以是填充有复合介电材料的外壳，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的泡沫基底介电材料，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具有嵌入在其中的高介电常数材料的多个颗粒的泡沫塑料材料，诸如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯(PTEF)、聚丙烯、聚氨酯硅等。在一些实施例中，发泡的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，非导电材料诸如例如是陶瓷(例如，Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、氮化硼等)或不导电的(或低导电率)的金属氧化物(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。高介电常数材料的颗粒一般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。在一些实施例中，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在其中和/或其上的高介电常数介电材料的颗粒。
在其它实施例中，RF透镜可以由网状泡沫材料形成，该网状泡沫材料具有嵌入在整个泡沫材料内部的导电颗粒和/或高介电常数材料的颗粒。在这种实施例中，可以形成这种材料的多个小块，或者透镜可以包括这种材料的单个块，该块可以被成形为透镜的期望形状(例如，球体形状、圆柱体形状等)。发泡材料可以具有非常开放的蜂窝结构(cellstructure)以减轻其重量，并且导电和/或高介电常数颗粒可以使用键合剂材料键合在由泡沫形成的基质内。合适的高介电常数颗粒包括轻质导体、陶瓷材料、导电氧化物和/或炭黑的颗粒。在使用这种材料的小块的实施例中，可以使用低介电损耗键合剂或粘合剂将块保持在一起，或者可以简单地将块填充到容器中，以形成透镜。
在另外其它实施例中，RF透镜可以使用一根或多根细导线形成，所述细导线涂覆有绝缘材料并且松散地压碎成块状形状。由于细导线是刚性的，因此它们可以用于形成介电材料而不需要诸如泡沫之类的单独材料。在一些实施例中，(一根或多根)压碎的导线可以形成为透镜的形状。在其它实施例中，可以组合(一根或多根)压碎的导线的多个块，以形成透镜。在还有附加的实施例中，RF透镜可以使用薄的介电材料片形成，该介电材料片被弄皱或撕碎并放置在具有透镜的期望形状的容器中。与上面讨论的绝缘导线实施例一样，弄皱/撕碎的介电材料片可以表现出刚性，因此可以在没有附加基质材料的情况下保持就位。
在一些实施例中，透镜材料的介电常数可以在整个RF透镜中保持相对恒定。在其它实施例中，介电常数可以变化。例如，在介电常数变化的一些实施例中，RF透镜可以包括伦伯透镜，它是多层透镜，通常是球体的形状，在每层中具有介电常数不同的介电材料。
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。但是，本发明能够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。相似的附图标记通篇指代相似的元件。
将理解的是，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。
将理解的是，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”相对于“直接在...之间”、“相邻”相对于“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如图中所示的一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系。应该理解的是，这些术语还旨在包含设备的除了图中描绘的朝向之外的不同朝向。
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，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。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素能够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 (28)

1.一种多频带相控阵天线，包括：
背板；
第一辐射元件的第一阵列，安装在背板的前表面前面，第一辐射元件部署在第一垂直部署的列中并且被配置为形成指向第一方向的第一天线波束；
第二辐射元件的第二阵列，安装在背板的前表面前面，第二辐射元件部署在第二垂直部署的列中并且被配置为形成指向不同于第一方向的第二方向的第二天线波束；
第三辐射元件的第三阵列，安装在背板的前表面前面，第三辐射元件部署在第三垂直部署的列中并且被配置为形成指向不同于第一方向和第二方向的第三方向的第三天线波束；以及
多个射频(“RF”)透镜，位于背板的前表面前面的垂直部署的列中，
其中第二辐射元件中的相应一个和第三辐射元件中的相应一个位于背板和每个RF透镜之间，并且其中第一辐射元件中的至少一些位于RF透镜之间。
2.如权利要求1所述的多频带相控阵天线，其中第一辐射元件是被配置为在第一频带中操作的低频带辐射元件，并且第二辐射元件和第三辐射元件是被配置为在第二频带中操作的高频带辐射元件，其中第二频带比第一频带的频率高。
3.如权利要求1或权利要求2所述的多频带相控阵天线，其中每个第一辐射元件包括一对三极辐射器。
4.如权利要求1或权利要求2所述的多频带相控阵天线，其中每个第一辐射元件包括以三角形布置的三个三极辐射器。
5.如权利要求4所述的多频带相控阵天线，其中RF透镜中的第一RF透镜部署在由一个第一辐射元件的三个三极辐射器定义的三角形内。
6.如权利要求1或权利要求2所述的多频带相控阵天线，其中每个第一辐射元件包括交叉偶极子辐射元件。
7.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，其中第一垂直部署的列在第二垂直部署的列和第三垂直部署的列之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，还包括：安装在背板的前表面前面的第四辐射元件的第四阵列，第四辐射元件部署在第四垂直部署的列中并且被配置为形成指向第四方向的第四天线波束。
9.如权利要求8所述的多频带相控阵天线，其中第四方向与第一方向基本相同。
10.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，其中第一辐射元件的第一阵列的半功率方位角波束宽度与第二辐射元件的第二阵列、第三辐射元件的第三阵列和第四辐射元件的第四阵列的组合的半功率方位角波束宽度基本相同。
11.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，其中每个RF透镜包括球形RF透镜。
12.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，其中每个RF透镜包括椭圆形RF透镜。
13.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，其中RF透镜中的至少一些包括频率选择结构，该频率选择结构被配置为基本上反射第一频带中的RF能量并且基本上使第二频带中的RF能量通过。
14.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，其中第一辐射元件的第一阵列的半功率方位角波束宽度与第二辐射元件的第二阵列和第三辐射元件的第三阵列的组合的半功率方位角波束宽度基本相同。
15.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，其中RF透镜各自包括介电材料，所述介电材料包括与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材料的片混合的可膨胀微球。
16.如前述权利要求中任一项所述的多频带相控阵天线，其中RF透镜各自包括介电材料，所述介电材料包括其中嵌入有至少一片导电材料的小片泡沫介电材料。
17.一种多频带相控阵天线，包括：
背板；
低频带辐射元件的第一垂直部署的列，安装在背板前面，被配置为形成指向第一方向的第一天线波束；
高频带辐射元件的第二垂直部署的列，安装在背板前面，被配置为形成指向不同于第一方向的第二方向的第二天线波束；
高频带辐射元件的第三垂直部署的列，安装在背板前面，被配置为形成指向不同于第一方向和第二方向的第三方向的第三天线波束；以及
至少一个射频(“RF”)透镜，部署在低频带辐射元件的第一垂直部署的列、高频带辐射元件的第二垂直部署的列和高频带辐射元件的第三垂直部署的列的前面，
其中相应的人造磁导体部署在低频带辐射元件中的每一个的辐射器与背板之间。
18.如权利要求17所述的多频带相控阵天线，还包括位于第二垂直部署的列中的高频带辐射元件中的至少一个与所述至少一个RF透镜之间的第一辅助RF透镜，以及位于第三垂直部署的列中的高频带辐射元件中的至少一个与所述至少一个RF透镜之间的第二辅助RF透镜。
19.如权利要求17或权利要求18所述的多频带相控阵天线，其中所述至少一个RF透镜包括圆柱形RF透镜。
20.如权利要求17或18所述的多频带相控阵天线，其中所述至少一个RF透镜包括一列球形RF透镜。
21.如权利要求17或权利要求18所述的多频带相控阵天线，其中所述至少一个RF透镜包括一列椭圆形RF透镜。
22.如权利要求17或权利要求18所述的多频带相控阵天线，其中所述至少一个RF透镜包括一对圆柱形RF透镜。
23.如权利要求17-22中任一项所述的多频带相控阵天线，其中第一天线波束的半功率方位角波束宽度与第二天线波束和第三天线波束的组合的半功率方位角波束宽度基本相同。
24.如权利要求17-23中任一项所述的多频带相控阵天线，还包括安装在背板前面的、被配置为形成第四天线波束的高频带辐射元件的第四垂直部署的列。
25.如权利要求24所述的多频带相控阵天线，其中第四天线波束指向与第一方向基本相同的方向。
26.如权利要求24所述的多频带相控阵天线，其中第一天线波束的半功率方位角波束宽度与第二天线波束、第三天线波束和第四天线波束的组合的半功率方位角波束宽度基本相同。
27.如权利要求17-26中任一项所述的多频带相控阵天线，其中所述至少一个RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括与在每个主表面上具有绝缘材料的导电片材料的片混合的可膨胀微球。
28.如权利要求17-26中任一项所述的多频带相控阵天线，其中所述至少一个RF透镜包括介电材料，所述介电材料包括其中嵌入有至少一片导电材料的小片泡沫介电材料。
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