CN109923736B - 具有方位角波束宽度稳定化的透镜基站天线 - Google Patents

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Abstract

提供了一种透镜天线。该透镜天线包含在纵向方向上彼此间隔开的辐射单元的线性阵列。每个辐射单元包含第一辐射元件和布置在第一辐射元件附近的第二辐射元件。第一辐射元件或第二辐射元件中的任一个可操作以在第一频率处谐振，并且第一辐射元件和第二辐射元件的组合可操作以在与第一频率不同的第二频率处谐振。透镜被定位成接收来自辐射单元中的至少一个的电磁辐射。

Description

具有方位角波束宽度稳定化的透镜基站天线
对相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月10日提交的美国临时专利申请序列号62/420,140的优先权，其全部内容以引用方式并入本文中，如同其全部被阐述一样。
技术领域
本发明一般涉及无线电通信，并且更具体地，涉及在蜂窝和其他通信系统中利用的透镜天线。
背景技术
蜂窝通信系统在本领域中是公知的。在蜂窝通信系统中，地理区域被划分为被称为“小区”的一系列区域，并且每个小区由基站服务。基站可以包含被配置为提供与移动订户的双向射频(“RF”)通信的一个或多个天线，这些移动订户在地理上位于由基站服务的小区内。在许多情况下，每个基站向多个“扇区”提供服务，并且多个天线中的每一个将为扇区中的相应一个扇区提供覆盖。通常，扇区天线安装在塔或其他升起结构上，每个天线生成的(一个或多个)辐射波束向外指向以服务相应的扇区。
常见的无线通信网络计划包含多列阵列，该多列阵列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。例如，如果使用每个天线生成两个波束的多列阵列天线，则对于六扇区配置可能仅需要三个天线。例如，在美国专利公开号2011/0205119中公开了生成多个波束的天线，该专利公开通过引并入本文。
多波束天线的应用可能需要最小的图案交叉(cross-over)以覆盖扇区，同时降低干扰。不同类型的传统多波束阵列包含(1)由Butler矩阵驱动的相控阵列和(2)与柱状透镜或特殊透镜阵列组合的多列相控阵列。然而，这些方法中的每一种都可能无法提供足够的交叉，特别是在宽带天线的情况下。例如，对于在1.69-2.69GHz的频带中操作的天线，可能难以实现期望的10dB的交叉。简要参考图1，图1示出了传统多波束透镜基站天线中约3dB的交叉。期望宽带多波束基站天线中的10dB或更大的交叉。
发明内容
本发明构思的一些实施例涉及一种透镜天线，该透镜天线包括多个辐射单元的线性阵列，该多个辐射单元在纵向方向上彼此间隔开并且各自包含第一辐射元件和布置在第一辐射元件附近的第二辐射元件。第一辐射元件或第二辐射元件中的任一个可操作以在第一频率处谐振，并且第一辐射元件和第二辐射元件的组合可操作以在不同于第一频率的第二频率处谐振。透镜被定位成接收来自多个辐射单元中的至少一个的电磁辐射。离开与第一频率对应的透镜的第一电磁辐射包括第一电场口径，并且离开与第二频率对应的透镜的第二电磁辐射包括不同于第一电场口径的第二电场口径。
在其他实施例中，第一电场口径相对于第二电场口径的口径比与第二频率相对于第一频率的频率比成比例地相关。
在还有的其他实施例中，口径比通过在0.9和1.1之间的比例常数与频率比相关。
在还有的其他实施例中，透镜包括具有透镜纵向轴线的柱状透镜。第一辐射元件包括交叉偶极子，并且第二辐射元件包括与第一辐射元件径向间隔开的交叉偶极子。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件和第二辐射元件之间的中心到中心的距离在约50mm至约90mm的范围内。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件和第二辐射元件之间的中心到中心的距离在对应于第二频率的波长的约0.3倍至对应于第二频率的波长的约0.7倍的范围内。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件和第二辐射元件之间的中心到中心的距离在对应于第二频率的波长的约0.5倍至对应于第二频率的波长的约0.6倍的范围内。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件和第二辐射元件之间的中心到中心的距离在约80mm至约90mm的范围内。
在还有的其他实施例中，在1.7GHz至2.7GHz的频率范围内的天线的-12dB方位角波束宽度变化大于约2度且小于约5度。
在还有的其他实施例中，在1.7GHz至2.7GHz的频率范围内的天线的-12dB方位角波束宽度变化小于12db方位角波束宽度的约8％。
在还有的其他实施例中，第一电磁辐射和第二电磁辐射具有相同的相位和相同的极性。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件包括交叉偶极子，并且第二辐射元件包括与第一辐射元件径向间隔开的水平-垂直混合偶极子。
在还有的其他实施例中，水平-垂直混合偶极子包括彼此径向间隔开并且在平行于透镜纵向轴线的方向上彼此间隔开的两个垂直辐射元件，以及在这两个垂直辐射元件之间的水平辐射元件。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件和第二辐射元件之间的中心到中心的距离在约90mm至约110mm的范围内。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件和第二辐射元件之间的中心到中心的距离在对应于第二频率的波长的约0.6倍至对应于第二频率的波长的约0.8倍的范围内。
在还有的其他实施例中，透镜包括球面透镜阵列，该球面透镜阵列包含在第一方向上彼此相邻布置的多个球面透镜。第一辐射元件包括第一交叉偶极子，并且第二辐射元件包括第二交叉偶极子，第二交叉偶极子在与第一方向垂直的方向上与第一交叉偶极子径向间隔开。第一交叉偶极子和第二交叉偶极子与多个球面透镜中的对应一个球面透镜相邻。
在还有的其他实施例中，天线还包括多个单个交叉偶极子(single crosseddipole)，其中多个单个交叉偶极子中的一个单个交叉偶极子与多个球面透镜中的第二球面透镜相邻。
在还有的其他实施例中，多个辐射单元中的一些辐射单元在第一方向上与单个交叉偶极子中的一些单个交叉偶极子交替地布置。多个球面透镜包括与多个单偶极子和多个辐射单元中的每一个对应的球面透镜。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件与第二辐射元件以在约300mm至约360mm的范围内的距离间隔开。
在还有的其他实施例中，透镜包括柱状透镜，该柱状透镜具有在第一方向上延伸的透镜纵向轴线。第一辐射元件包括第一交叉偶极子并且第二辐射元件包括第二交叉偶极子，该第二交叉偶极子在与第一方向垂直的方向上与第一交叉偶极子径向间隔开。
在还有的其他实施例中，第一辐射元件包括盒式辐射器，该盒式辐射器包含以方形布置的四个偶极子。第二辐射元件包括寄生辐射器，寄生辐射器包含与盒式辐射器的周边相邻的寄生元件。
在还有的其他实施例中，盒式辐射器被配置为在宽带频率范围的低端处谐振。寄生辐射器和盒式辐射器的组合被配置为在宽带频率范围的高端处谐振。
在还有的其他实施例中，宽带频率范围的低端约为1.7GHz，并且宽带频率范围的高端约为2.7GHz。
本发明构思的一些实施例涉及一种透镜天线，该透镜天线包括以线性阵列布置的多个辐射单元，该多个辐射单元中的每一个包括第一辐射元件和布置在第二辐射元件附近的第二辐射元件。第一辐射元件包括偶极子，并且第二辐射元件包括寄生辐射元件。第一辐射元件可操作以在第一频率处谐振，并且第一辐射元件和第二辐射元件的组合可操作以在不同于第一频率的第二频率处谐振。透镜被定位成接收来自多个辐射单元的电磁辐射。
在另外的实施例中，离开与第一频率对应的透镜的第一电磁辐射包括第一电场口径，并且离开与第二频率对应的透镜的第二电磁辐射包括不同于第一电场口径的第二电场口径。
在另外的实施例中，第一电场口径相对于第二电场口径的口径比通过在0.8和1.2之间的比例常数与第二频率和第一频率的频率比相关。
应当注意，关于一个实施例描述的本发明的各方面可以结合在不同的实施例中，尽管没有相对于其具体描述。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合进行组合。在下面阐述的说明书中详细解释了本发明的这些和其他目的和/或方面。
附图说明
图1是示出了传统多波束基站天线的辐射图案中的交叉的图。
图2A和2B是示出了根据本发明的一些实施例的透镜天线中的方位角波束宽度稳定性的示意性侧视图。
图3是示出了根据本发明的一些实施例的示例多波束基站天线系统的分解视图的图。
图4是示出了图3的多波束天线基站天线系统的组装视图的图。
图5是根据本发明的一些实施例的用于在多波束基站天线系统使用的示例线性天线阵列的示意图。
图6是根据本发明的一些实施例的可以展示出提高的方位角波束宽度稳定化的辐射单元的示意性示例。
图7是图6的辐射单元的侧视图。
图8A是示出了对于参考图6描述的辐射单元中的辐射元件之一在宽带频谱中的不同的相应频率处的方位角辐射图案的绘图的曲线图。
图8B是包含对应于图8A的曲线图的数据的表。
图9是具有对于如以上关于图6描述的辐射单元的两个辐射元件的方位角波束宽度与频率的关系的绘图的曲线图，以及具有对于传统辐射元件的波束宽度与频率的关系的绘图的第二曲线图。
图10是根据本发明的一些实施例的包含辐射元件对的透镜天线的局部示意性透视图。
图11是绘制了图10的透镜天线的在从峰值发射向下12dB处测量的方位角波束宽度与频率的关系的曲线图。
图12是根据本发明的一些其他实施例的包含辐射元件对的透镜天线的局部示意性透视图。
图13是绘制了图12的透镜天线的在从峰值发射向下12dB处测量的方位角波束宽度与频率的关系的曲线图。
图14是根据本发明的一些实施例的包含辐射元件对的透镜天线的局部示意性透视图。
图15A是示出了参考图14描述的辐射元件对之一在宽带频谱中的不同的相应频率处的方位角辐射图案的绘图的曲线图。
图15B是包含对应于图15A的曲线图的数据的相应表。
图16和17分别是根据本发明的一些实施例的辐射元件的线性阵列的部分示意图和透镜基站天线的示意性侧视图。
图18A是示出了参考图16和17描述的辐射元件对在宽带频谱中的不同的相应频率处的方位角辐射图案的绘图的曲线图。
图18B是包含对应于图18A的曲线图的数据的表。
图19是示出了参考图16和17描述的辐射元件对在宽带频谱中的不同的相应频率处的方位角辐射图案的绘图的曲线图。
具体实施方式
已经开发出具有驱动辐射元件的平面阵列的多波束波束成形网络(诸如Butler矩阵)的天线。然而，多波束波束成形网络具有若干潜在的缺点，包含非对称波束和与端口到端口隔离、增益损失和/或窄带宽相关联的问题。还提出了使用Luneburg透镜的多波束天线，该透镜是多层透镜(通常是球形的)，这些多层透镜在每个层中带有具有不同介电常数的介电材料。
美国专利公开号2015/0091767(“'767公开”)，其全部内容通过引用并入本文，提出了一种多波束天线，该天线具有辐射元件的线性阵列和由复合介电材料形成的柱状RF透镜。
现将参考附图更详细地讨论本发明的实施例，附图中示出了示例实施例。
现在参考图2A和2B，图2A和2B是示出了根据本发明的一些实施例的透镜天线中的方位角波束宽度稳定性的示意性侧视图。在所示实施例中，天线包含可操作以将电磁波束辐射到柱状透镜21的辐射元件23。柱状透镜21可用于聚焦电磁波束。辐射元件23可以是宽带或超宽带辐射元件。辐射元件23可以被设计成发送和接收1.7-2.7GHz频率范围内的信号。为了当辐射元件23与透镜一起使用时实现方位角波束稳定性，电场口径S1与电场口径S2的比率约等于在频率范围的较低端处的频率f1(例如，1.7GHz)的波长λ1与在频率范围的较高端处的频率f2(例如，2.7GHz)的波长λ2的比率。对于任何给定的电磁波束，波长和频率彼此成反比。由于波长和频率成反比，由此可知当f1大于f2时，则S2大于S1。照此，如果辐射元件23被设计使得电场口径S1与电场口径S2的比率等于波长λ1与波长λ2的比率，则方位角波束宽度基本恒定。如本文所述，辐射单元各自包括一对辐射元件，这一对辐射元件彼此邻近以在不同频率处提供不同电场口径。例如，在频率范围的一端，该辐射元件对可以电容耦合并且用作具有-12dB方位角波束宽度的单个辐射器，其中该-12dB方位角波束宽度对应于与该辐射元件对对应的电场口径大小。在频率范围的另一端，该辐射元件对可以用作具有-12dB方位角波束宽度的多个单独的辐射器，该-12dB方位角波束宽度对应于与该辐射元件对的多个单独的辐射器对应的电场口径大小。这可以提供透镜天线中的方位角波束宽度稳定性。
为了最佳的宽带/超宽带性能，对于带宽中的最低频率应当照射整个透镜，并且对于最高频率应当照射中心区域。
柱状透镜的使用可以减小仰角平面中的栅瓣(和其他远旁瓣)。该减少是由于镜头仅聚焦主波束并使远旁瓣散焦。这允许增加辐射元件之间的间隔。在非透镜天线中，可以使用dmax/λ<1/(sinθ0+1)的标准来选择阵列中辐射元件之间的间隔以控制栅瓣，其中dmax是最大允许间隔，λ是波长并且θ0是扫描角度。在透镜天线中，间隔dmax可以增加：dmax/λ＝1.2～1.3[1/(sinθ0+1)]。因此，透镜允许为基站天线增加辐射元件之间的间隔，从而将辐射元件的数量减少20-30％或更多。
现在参考图3，图3以分解透视图示出了根据本发明的一些实施例的多波束基站天线系统100。多波束天线系统100包含第一天线110、第二天线112、透镜120、顶部和底部透镜支撑件118a和118b、护罩130、护罩锁定装置132、顶端盖134、底端盖136以及伸缩安装结构150。在图4中示出了多波束天线的组装视图。应当理解，虽然图3-4示出了使用两个单独的天线110、112形成的多波束基站天线系统，但是在其他实施例中，两个天线110、112可以用具有辐射元件的多个线性阵列的单个基站天线来代替。
在操作中，透镜120缩窄天线110和112的半功率波束宽度(HPBW)并增加天线110和112的增益。例如，第一和第二天线110和112的辐射元件的列的纵向轴线可以与透镜120对准。天线110和112两者都可以共享单个透镜120，因此天线110和112两者都以相同的方式使它们的HPBW改变。在一个示例中，65°HPBW天线的HPBW被透镜120缩窄到大约33°。
透镜120可以包括Luneberg(龙伯)透镜的变型。传统Luneberg透镜是球形对称透镜，其内部具有变化的折射率。在一些实施例中，透镜成形为圆柱体。透镜120可以包含或可以不包含具有不同介电常数的介电材料的层。
在一些实施例中，透镜120在圆柱体的纵向轴线的方向上是模块化的。例如，包含芯和介电板的透镜段可以被制成一英尺长，并且适当数量的透镜段可以串联耦合以制造长度为四到八英尺的透镜120。
顶部和底部透镜支撑件118和118a将透镜120与第一和第二天线110和112间隔开期望的距离。透镜120被间隔开使得天线110、112的口径指向透镜120的中心轴线。一些实施例规定单列相控阵列天线包含多个球面和/或椭圆形RF透镜而不是柱状透镜120。伸缩安装结构150包含伸缩以适应不同长度的天线的安装结构。
一些实施例规定，第一和第二天线110和112包含可以平行于透镜120的长度布置的辐射元件的线性天线阵列200。例如，现在简要参考图5，图5是根据本发明的一些实施例的用于在多波束基站天线系统中使用的示例线性天线阵列的示意图。用于在多波束基站天线系统中使用的线性天线阵列200包含多个辐射元件204、反射器202、一个或多个移相器/分相器203和输入连接器207。移相器/分相器203可以用于仰角平面中的波束扫描(波束倾斜)。本文提供了辐射元件204的其不同组合和/类型。
现在参考图6和7，它们分别是根据本发明的一些实施例的用于方位角波束宽度稳定化的辐射单元300的示意性平面视图和侧视图。根据一些实施例，辐射单元300包含盒辐射元件310，盒辐射元件310可以是双极化辐射元件。盒辐射元件310包含四个偶极子312，这四个偶极子312以方形或“盒”布置被布置。每对偶极子312被安装在馈电杆332上。馈电杆332和与其电连接的两个偶极子312包括辐射元件。因此，每个盒元件310可以包括以线性正交极化(倾斜+45°/-45°)进行辐射的两个辐射元件310a、310b。
辐射单元300还可以包含寄生辐射元件320，寄生辐射元件320可以包含辐射器，辐射器可以定位成与相对的偶极子312中的相对偶极子相邻。寄生辐射元件320可以与偶极子312共享相同的平面并且可以相对于盒元件310的周边以间隔开的方式布置。在一些实施例中，盒元件310的偶极子312中的相对偶极子对可以以第一距离314彼此间隔开，并且寄生辐射元件320中的相对寄生辐射元件可以以大于第一距离314的第二距离324彼此间隔开。如图6所示，寄生辐射元件中的两个是辐射元件310a的一部分，并且寄生辐射元件中的另外两个是辐射元件310b的一部分。
一些实施例规定，寄生辐射元件320之间的第二距离324大于第一距离314。一些实施例规定，寄生辐射元件320可以与盒元件310电容耦合，以在与盒元件310单独地谐振的频率相比更高的频率处谐振。在较低频率处，盒元件310可以谐振而不与寄生辐射元件320电容耦合。通过使用寄生辐射元件320提供在较高频率处的谐振和使用盒元件310提供在较低频率处的谐振，可以提高方位角波束宽度稳定性。
例如，盒元件310可以在大约1.7GHz(它可以是宽带频率范围的低端)处更有效地谐振。与之相比，寄生辐射元件320可以在约2.7GHz(它可以是宽带频率范围的高端)处更有效地谐振。照此，可以提高透镜天线中的方位角波束宽度稳定性。
应当理解，可以使用任何适当的辐射元件。例如，在其他实施例中，线性阵列200可以包含被配置为在不同频带中进行辐射的辐射元件。每个辐射元件对300还可以包含位于元件310、320后面的接地平面330，使得例如偶极子312与馈电杆332的一端相邻并且接地平面330与该馈电杆332的另一端相邻。如以上所述，接地平面330可以包括安装结构。
现在参考图8A和8B，图8A和8B是示出了参考图6描述的辐射元件310a、310b之一的对于10个不同传输频率的方位角天线图案的绘图的曲线图以及包含对应于该曲线图的数据的相应表。如图8A和8B所示，跨1.7GHz至2.7GHz的频率的3dB方位角波束宽度的范围是从大约25.4361度至大约36.6086度，这是大约11.1725度的范围。另外，跨1.7GHz至2.7GHz的频率的12dB方位角波束宽度的范围是从大约50.3360度至大约66.4336度，这是大约16.0976度的范围。
现在简要参考图9，图9示出了如以上关于图6所述的辐射单元300的辐射元件310a之一(其包含寄生元件320)以及不包含寄生元件320的传统辐射元件的方位角波束宽度与频率的关系的绘图。第一绘图350示出了包含寄生元件320的辐射元件310a的方位角波束宽度与频率的关系。如第一绘图350下面所示的表中所提供的，跨1.0GHz频率范围的方位角波束宽度的整体标准偏差(其与方位角波束宽度稳定性成反比)约为3.17。第二绘图352示出了不包含任何寄生元件的传统辐射元件的方位角波束宽度与频率的关系。如第二绘图352下面所示的表中所提供的，跨1.0GHz频率范围的方位角波束宽度的整体标准偏差(其与方位角波束宽度稳定性成反比)约为7.28。因此，如通过辐射元件310a的显著更低的标准偏差值所证明的，相对于传统辐射元件的方位角波束宽度稳定性，辐射元件310a的方位角波束宽度稳定性被提高了。
现在参考图10和11，图10和11是包含辐射元件对的透镜天线360的局部示意性透视图，以及绘制了根据本发明的一些实施例的与峰值发射相比减少12dB的方位角波束宽度(本文中是-12dB方位角波束宽度)与频率的关系的曲线图。透镜天线360包含柱状透镜120、反射器202和布置在反射器202和透镜120之间的辐射元件362、366的对。在一些实施例中，第一辐射元件362可以是交叉偶极子辐射元件。另外，一些实施例规定，第二辐射元件366是通过第二辐射元件366与第一辐射元件362之间的中心到中心的距离“D”与第一辐射元件362径向间隔开的交叉偶极子辐射元件。尽管仅示出了单对辐射元件362、366，但是透镜天线360包含在平行于柱状透镜120的纵向轴线的方向上彼此间隔开的辐射元件362、366的阵列。另外，透镜天线360可以包含至少两个这样的阵列以操作为多波束天线。
在一些实施例中，第一和第二辐射元件362、366之间的中心到中心的距离D在约50mm至约90mm的范围内。一些实施例规定该范围为约80mm至约90mm。在一些实施例中，在1.7GHz至2.7GHz的频率范围内-12dB方位角波束宽度的变化小于约五度。在一些实施例中，本文描述的辐射元件之间的中心到中心的距离可以根据第一或第二频率中的任一个来定义。例如，一些实施例规定，中心到中心的距离和/或其范围可以用与频率和/或其范围中的一者或多者对应的波长来表示。
可以激发第一和第二辐射元件362、366以发射相同相位并具有相同极性的电磁辐射。
参考图11，多个绘图示出了对于传统辐射元件以及对于根据本发明的一些实施例的以50mm、65mm、80mm和90mm的距离D布置的第一和第二辐射元件362、366跨1.7GHz至2.7GHz的频率范围的-12dB方位角波束宽度。如图所示，传统辐射元件具有-12dB方位角波束宽度，其范围从大约56度到大约39度，这是跨所引用的频率范围的大约17度的变化。间隔开50mm的第一和第二辐射元件362、366的绘图具有-12dB波束宽度，其范围从大约58度到大约46度，这是约12度的变化。较低的变化表明方位角波束宽度稳定性的提高。
间隔开65mm的第一和第二辐射元件362、366的绘图具有-12dB波束宽度，其范围从大约60度到大约50度，这是约10度的变化。与传统辐射元件和间隔开50mm的第一和第二辐射元件362、366两者相比，10度的变化表明方位角波束宽度稳定性的提高。
间隔开90mm的第一和第二辐射元件362、366的绘图具有-12dB波束宽度，其范围从大约65度到大约74度，这是约9度的变化。与传统辐射元件和间隔开50mm和65mm的第一和第二辐射元件362、366相比，9度的变化表明方位角波束宽度稳定性的提高。
间隔开80mm的第一和第二辐射元件362、366的绘图具有-12dB波束宽度，其范围从大约60度到大约63度，这是约3度的变化。3度的变化是所测试的这些中的最低变化，因此相对于传统辐射元件和其他示例提供了最佳的方位角波束宽度稳定性。
现在参考图12和13，图12和13是包含辐射元件对的透镜天线400的部分示意性透视图和绘制根据本发明的一些其他实施例的-12dB方位角波束宽度与频率的关系的曲线图。透镜天线400包含柱状透镜120、反射器202和布置在反射器202和透镜120之间的辐射元件402、404的多个对中的一个对。在一些实施例中，第一辐射元件402可以是水平-垂直偶极子结构，其可以被称为“树元件”。树元件402可包含一对间隔开的垂直辐射元件以及在这两个垂直辐射元件之间间隔的一个水平辐射元件。第二辐射元件404可以包含交叉偶极子辐射元件，该交叉偶极子辐射元件通过第二辐射元件404与第一辐射元件402之间的中心到中心的距离“D”与第一辐射元件402径向间隔开。第二辐射元件404可以类似于如以上关于图10所讨论的第二辐射元件366。
尽管仅示出了单对辐射元件402、404，但是透镜天线400包含在平行于柱状透镜120的纵向轴线的方向上彼此间隔开的辐射元件402、404的阵列。另外，透镜状天线400可以包含至少两个这样的阵列以操作为多波束天线。
在一些实施例中，第一和第二辐射元件402、404之间的中心到中心的距离D在大约90mm至大约110mm的范围中。在一些实施例中，在1.7GHz至2.7GHz的频率范围内-12dB方位角波束宽度的变化小于约7度。
第一辐射元件402的垂直和水平元件可以分别按照正45度极化和负45度极化来激发。
参考图13，多个绘图示出了对于传统辐射元件以及对于以90mm和110mm的距离D布置的第一和第二辐射元件402、404跨1.7GHz至2.7GHz的频率范围的-12dB方位角波束宽度。如图所示，传统辐射元件绘图示出了方位角波束宽度从大约55度到大约39度的变化，这是跨引用的频率范围的大约16度的变化。针对第一辐射元件402是树元件并且第二辐射元件404是间隔开90mm的交叉偶极子辐射元件的绘图示出了方位角波束宽度从大约60度到大约48度的变化，这是大约12度的变化。较低的变化表明，与传统辐射元件相比，通过第一和第二辐射元件402、404提高了方位角波束宽度稳定性。
针对第一和第二辐射元件402是树元件并且第二辐射元件404是间隔开110mm的交叉偶极子辐射元件的绘图示出了方位角波束宽度从大约65度到大约58度的变化，这是大约7度的变化。与间隔开90mm的第一和第二辐射元件402、404以及传统辐射元件两者相比，7度的变化表明方位角波束宽度稳定性的提高。7度变化是对于该树元件/交叉偶极子的最低变化，因此相对于其他示例提供了最佳的方位角波束宽度稳定性。
现在参考图14，图14是根据本发明的一些实施例的包含辐射元件对的透镜天线440的局部示意性透视图。透镜天线440包含柱状透镜120、反射器202以及布置在反射器202和透镜120之间的第一和第二辐射元件442、444。在一些实施例中，第一辐射元件442可包含通过中心到中心的距离“D”彼此径向间隔开的一对交叉偶极子辐射元件442A、442B。
附加地，一些实施例规定，第二辐射元件444是与第一辐射元件442纵向间隔开的单个交叉偶极子辐射元件。尽管仅示出了辐射元件442、444，但是透镜天线400包含在平行于柱状透镜120的纵向轴线的方向上彼此间隔开的辐射元件442、444的阵列。一些实施例规定，第一和第二辐射元件442、444沿阵列的长度交替。
在一些实施例中，交叉偶极子辐射元件对442A、442B之间的中心到中心的距离D在大约80mm至大约100mm的范围内。一些实施例规定，在1.7GHz至2.7GHz的频率范围内的-12dB方位角波束宽度的变化小于约5度。
在一些实施例中，透镜天线440包括双波束宽带天线。例如，透镜天线440可以包含辐射元件的多于一个的阵列，其被配置为以不同的角度通过透镜进行辐射。
现在参考图15A和15B，图15A和15B是示出了参考图14描述的辐射元件对在宽带频谱中的不同的相应频率处的方位角辐射图案的绘图的曲线图以及包含对应于该曲线图的数据的相应表。如图15A和15B所示，跨1.7GHz至2.7GHz的频率的-3dB方位角波束宽度范围是27.2016度到35.6791，这是8.4775度的范围。此外，跨1.7GHz至2.7GHz频率的-12dB方位角波束宽度范围是55.5437度至67.7975度，这是12.2538度的范围。
对应于图15A和15B的数据是针对透镜天线440的，其中交叉偶极子辐射元件对442A、442B之间的距离约为90mm，柱状透镜120的半径约为110mm，并且从透镜120的中心到反射器202的距离约为175mm。
现在参考图16和17，图16和17分别是根据本发明的一些实施例的辐射元件的线性阵列的部分示意图和透镜基站天线500的示意性侧视图。
如图16所示，在一种配置中，形成第一线性阵列的第一辐射元件502和形成第二线性阵列的第二辐射元件504可以安装在反射器202上。辐射元件502、504可以一起布置在单个列中，使得线性阵列502、504是共线的并且是散布的。在所描绘的实施例中，第一辐射元件502实现为一对相邻的交叉偶极子元件502A、502B。第二辐射元件可以实现为单个交叉偶极子元件504。
参考图17，基站天线500包括单列相控阵列天线500，其包含用于每个辐射元件502、504的球面RF透镜121。天线500包含安装在安装结构510上的多个辐射元件502、504。RF透镜121可以安装在第一列中。辐射元件502、504可以安装在第二列中。当安装天线500以供使用时，方位角平面垂直于天线500的纵向轴线，并且仰角平面与天线500的纵向轴线平行。辐射元件502、504在仰角平面中可以倾斜或可以不倾斜(在图17中它们被示出为倾斜)。
如图17所示，每个辐射元件502、504可以与球面RF透镜121中的相应一个相关联，因为每个辐射元件502、504被配置为通过其相关联的RF透镜121来发射辐射波束。辐射元件502、504及其相关联的球面RF透镜121的组合可以提供在方位角和仰角方向二者上都缩窄的辐射图案。
还应当理解，RF透镜收缩穿过其中的天线波束的波束宽度的量随着天线发送和接收的信号的频率而变化。具体而言，RF信号在穿过透镜时循环通过的波长数量越大，相对于天线波束将发生的聚焦越多。例如，如以上所述，特定的RF透镜将使2.7GHz波束比1.7GHz波束收缩更多。
现在参考图18A和18B，图18A和18B是示出了参考图16和17描述的辐射元件对在宽带频谱中的不同的相应频率处的方位角辐射图案的绘图的曲线图以及包含对应于该曲线图的数据的相应表。如图18A和18B所示，跨1.7GHz至2.7GHz频率的5.5dB交叉波束宽度范围是26.9767度至35.9679度，这是8.9912度的范围。
对应于图18A和18B的数据是针对透镜天线500的，其中第一和第二辐射元件502、504之间的距离约为330mm，球面透镜121的半径约为165mm，并且从透镜121的中心到反射器202的距离约为245mm。
现在简要参考图19，图19是示出了参考图16和17描述的辐射元件对在宽带频谱中的不同的相应频率处的方位角辐射图案的绘图的曲线图。除了至约20dB的稳定化的方位角波束宽度性能之外，图19示出了大约25dB的有益的旁瓣性能。
有许多天线应用，其中多个不同频率范围的信号通过同一天线发送。一个常见的示例是用于蜂窝通信系统的多频带基站天线。在不同频带中支持不同类型的蜂窝服务，诸如，例如使用900MHz(即880-960MHz)和1800MHz(即1710-1880MHz)频带的GSM服务、使用1920-2170MHz频带的UTMS服务、以及使用2.5-2.7GHz频带的LTE服务。单个基站天线可以具有不同类型的辐射元件的多个阵列，其支持两种或更多种不同类型的蜂窝服务，和/或可以具有宽带辐射元件，宽带辐射元件发送和接收用于多种不同类型的服务的信号。
当RF透镜与这样的天线一起使用时(并且在对于不同类型的辐射元件使用不同的RF透镜是不可能或不实际的情况下)，可以使用Luneburg透镜来部分地抵消频率差异对用于不同频带的天线波束的波束宽度的影响。然而，在某些情况下，即使使用Luneburg透镜，用于高频带的波束也可能比用于较低频带的波束被更紧密地聚焦。这可能导致困难，因为RF规划者经常希望覆盖区域对于每个频带是相同的，或者至少对于由辐射元件的特定列服务的所有频率是相同的。
虽然本文未示出以简化附图，但是应当理解，本文公开的天线可以包含各种其他传统元件(未示出)，例如天线罩、端盖、移相器、托盘、输入/输出端口等。
以上已经参考示出了本发明的实施例的附图描述了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，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彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相似的数字始终指代相似的元件。
应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。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，而不脱离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包含一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
应当理解，当一个元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另一个元件上时，不存在中间元件。还应该理解，当一个元件被称为“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。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(即，“在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。
本文可以使用诸如“下面”或“以上”或“较高”或“较低”或“水平”或“垂直”的相对术语来描述如图所示一个元件、层或区域与另一个元件，层或区域的关系。应当理解，除了图中所描绘的方向之外，这些术语旨在涵盖装置的不同方向。
本文使用的专门用语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”旨在也包含复数形式，除非上下文另有明确说明。还应当理解，当术语“包括”和/或“包含”在本文中使用时，指定所述特征、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、操作、元件、组件和/或其组。如本文所使用的，术语“成比例地相关”可以描述包含正比例常数的比例关系和包含负比例常数的反比例关系。
以上公开的所有实施例的方面和元件可以以任何方式和/或以与其他实施例的方面或元件的组合来组合，以提供多个另外的实施例。

Claims (16)

1.一种透镜天线，包括：
多个辐射单元的线性阵列，所述多个辐射单元在纵向方向上彼此间隔开，并且各自包含第一辐射元件和布置在所述第一辐射元件附近的第二辐射元件，所述第一辐射元件包括彼此径向间隔开的交叉偶极子对，并且所述第二辐射元件包括交叉偶极子，其中所述第一辐射元件或所述第二辐射元件中的任一个能够操作以在第一频率处谐振，并且所述第一辐射元件和所述第二辐射元件的组合能够操作以在不同于所述第一频率的第二频率处谐振；以及
透镜，被定位成接收来自所述多个辐射单元中的至少一个辐射单元的电磁辐射，
其中，离开所述透镜的与所述第一频率对应的第一电磁辐射包括第一电场口径，并且离开所述透镜的与所述第二频率对应的第二电磁辐射包括不同于所述第一电场口径的第二电场口径；以及
其中，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件被设计为使得所述第一电场口径相对于所述第二电场口径的口径比与所述第二频率相对于所述第一频率的频率比成比例地相关，并且所述口径比通过在0.9和1.1之间的比例常数与所述频率比相关。
2.如权利要求1所述的天线，
其中，所述透镜包括具有透镜纵向轴线的柱状透镜。
3.如权利要求1所述的天线，其中，所述交叉偶极子对之间的中心到中心的距离在从80mm至100mm的范围内。
4.如权利要求1所述的天线，其中，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件沿阵列的长度交替。
5.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线在从1.7GHz至2.7GHz的频率范围处的-12dB方位角波束宽度变化大于2度且小于5度。
6.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线在从1.7GHz至2.7GHz的频率范围处的-12dB方位角波束宽度变化小于12db方位角波束宽度的8％。
7.一种透镜天线，包括：
多个辐射单元的线性阵列，所述多个辐射单元在纵向方向上彼此间隔开，并且各自包含第一辐射元件和布置在所述第一辐射元件附近的第二辐射元件，其中，所述第一辐射元件或所述第二辐射元件中的任一个能够操作以在第一频率处谐振，并且所述第一辐射元件和所述第二辐射元件的组合能够操作以在不同于所述第一频率的第二频率处谐振；以及
透镜，被定位成接收来自所述多个辐射单元中的至少一个辐射单元的电磁辐射，
其中，离开所述透镜的与所述第一频率对应的第一电磁辐射包括第一电场口径，并且离开所述透镜的与所述第二频率对应的第二电磁辐射包括不同于所述第一电场口径的第二电场口径，
其中，所述第一辐射元件包括交叉偶极子，并且所述第二辐射元件包括与所述第一辐射元件径向间隔开的水平-垂直混合偶极子。
8.如权利要求7所述的天线，其中，所述水平-垂直混合偶极子包括：
两个垂直辐射元件，所述两个垂直辐射元件彼此径向间隔开并且在平行于透镜纵向轴线的方向上彼此间隔开；以及
水平辐射元件，位于所述两个垂直辐射元件之间。
9.如权利要求7所述的天线，其中，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件之间的中心到中心的距离在从对应于所述第二频率的波长的0.6倍至对应于所述第二频率的波长的0.8倍的范围内。
10.一种透镜天线，包括：
以线性阵列布置的多个辐射单元，所述多个辐射单元中的每一个辐射单元包括第一线性极化辐射元件和布置在所述第一线性极化辐射元件附近的第二线性极化辐射元件，其中，所述第一线性极化辐射元件包括偶极子并且所述第二线性极化辐射元件包括寄生辐射元件，其中，所述第一线性极化辐射元件能够操作以在第一频率处谐振，并且所述第一线性极化辐射元件和所述第二线性极化辐射元件的组合能够操作以在与所述第一频率不同的第二频率处谐振；以及
透镜，被定位成接收来自所述多个辐射单元的电磁辐射；
其中，离开所述透镜的与所述第一频率对应的第一电磁辐射包括第一电场口径，并且离开所述透镜的与所述第二频率对应的第二电磁辐射包括不同于所述第一电场口径的第二电场口径；以及
其中，所述第一线性极化辐射元件和所述第二线性极化辐射元件被设计为使得所述第一电场口径相对于所述第二电场口径的口径比与所述第二频率相对于所述第一频率的频率比成比例地相关，并且所述第一电场口径相对于所述第二电场口径的所述口径比通过在0.8和1.2之间的比例常数与所述第二频率相对于所述第一频率的频率比相关。
11.根据权利要求10所述的天线，
其中，所述透镜包括球面透镜阵列，所述球面透镜阵列包含在第一方向上彼此相邻布置的多个球面透镜，
其中，所述第一线性极化辐射元件包括第一交叉偶极子并且所述第二线性极化辐射元件包括第二交叉偶极子，所述第二交叉偶极子在与所述第一方向正交的方向上与所述第一交叉偶极子径向间隔开，并且
其中，所述第一交叉偶极子和所述第二交叉偶极子与所述多个球面透镜中的对应一个球面透镜相邻。
12.如权利要求11所述的天线，还包括多个单个交叉偶极子，其中所述多个单个交叉偶极子中的一个单个交叉偶极子与所述多个球面透镜中的第二球面透镜相邻。
13.如权利要求12所述的天线，
其中，所述多个辐射单元中的一些辐射单元在所述第一方向上与所述单个交叉偶极子中的一些单个交叉偶极子交替地布置，并且
其中，所述多个球面透镜包括与所述多个单个交叉偶极子和所述多个辐射单元中的每一个对应的球面透镜。
14.如权利要求10所述的天线，
其中，所述透镜包括柱状透镜，所述柱状透镜具有在第一方向上延伸的透镜纵向轴线，并且
其中，所述第一线性极化辐射元件包括第一交叉偶极子并且所述第二线性极化辐射元件包括第二交叉偶极子，所述第二交叉偶极子在与所述第一方向正交的方向上与所述第一交叉偶极子径向间隔开。
15.如权利要求10所述的天线，
其中，所述第一线性极化辐射元件包括盒式辐射器，所述盒式辐射器包含以方形布置的四个偶极子，并且
其中，所述第二线性极化辐射元件包括寄生辐射器，所述寄生辐射器包含与所述盒式辐射器的周边相邻的寄生元件。
16.如权利要求15所述的天线，其中，所述盒式辐射器被配置为在宽带频率范围的低端处谐振，并且
其中，所述寄生辐射器和所述盒式辐射器的组合被配置为在所述宽带频率范围的高端处谐振。
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