CN110098490A - 由轻质介电材料和相关介电材料形成的有透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供由轻质介电材料和相关介电材料形成的有透镜天线，其包括多个辐射元件和定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射的透镜，该透镜包括复合介电材料。该复合介电材料包括与惰性粘合剂混合的可膨胀充气微球、诸如泡沫微球之类的电介质支撑材料和混合在一起的导电材料的颗粒。

Description

由轻质介电材料和相关介电材料形成的有透镜天线
相关申请的交叉引用
本申请作为于2017年3月21日提交的美国专利申请序列号15/464,442的部分继续申请，要求其根据35U.S.C§120的优先权，而美国专利申请序列号15/464,442又要求于2016年3月25日提交的美国临时专利申请序列号62/313,406根据35U.S.C§119的优先权，这些专利申请其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明总体涉及无线电通信，更具体地说，涉及在蜂窝和其他通信系统中使用的有透镜天线。
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，地理区域被划分为一系列被称为“小区”的区域，并且每个小区由一个基站服务。基站可以包括一根或多根天线，其被配置为提供与在地理上位于由基站服务的小区内的移动用户的双向射频(“RF”)通信。在许多情况下，每个基站向多个“扇区”提供服务，并且多根天线中的每一根提供对相应的一个扇区的覆盖。通常，扇形天线安装在塔架或其他凸起结构上，每根天线产生的辐波束向外指向以服务于相应的扇区。
一个常见的无线通信网络计划包括使用三根基站天线服务三个六边形小区的基站。这通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120°扇区。通常，65°方位角半功率波束宽度(HPBW)天线可提供对120°扇区的覆盖。这三个120°扇区提供360°覆盖。也可以采用其他扇区化方案。例如，也使用六个、九个和十二个扇区配置。六个扇区站点可以包括六个定向基站天线，每根天线具有33°方位角HPBW天线，用于60°扇区。在其他已提出的解决方案中，单个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，如果使用每根产生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根天线。例如，在美国专利公开No.2011/0205119中公开了产生多个波束的天线，该专利公开通过引用结合于此。
增加扇区数增加了系统的容量，因为每根天线可以服务一个较小的区域因而在整个扇区提供更高的天线增益，并且每个扇区可以重新使用频带。然而，将覆盖区域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比覆盖更宽扇区的天线的辐射元件更多的间隔更宽的辐射元件。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。因此，成本、空间和塔架负载需求随着小区被划分成更多数量的扇区而增加。
可以在蜂窝和其他通信系统中使用透镜来聚焦天线波束，这可以有利于增加由一个蜂窝基站所服务的扇区数，并且可能有利于将天线波束聚焦在目标区域上的其他通信系统。然而，透镜可能增加天线的成本、重量和/或复杂性，因此在许多天线应用中可能不是商业上实用的解决方案。
发明内容
根据本发明的一些实施例，提供了一种天线，其包括：多个辐射元件；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射。所述透镜包括多个复合介电材料块，其中至少一些复合介电材料块包括第一和第二基础介电材料片材，其间具有第一金属片材，其中第一金属片材的厚度小于第一片厚度的10％。
在一些实施例中，至少一些第一金属片材可以具有小于50微米的厚度。在一些实施例中，至少一些第一金属片材可以包括铝箔。在一些实施例中，至少一些第一金属片材的长度可以在相应的第一金属片材的宽度的50％之内。
在一些实施例中，至少一些第一介电材料片材可以包括在加热时体积膨胀的泡沫材料。
在一些实施例中，至少一些复合介电材料块都还可以包括在第二介电材料片材上的第三介电材料片材和在第二和第三介电材料片材之间的第二金属片材。
在一些实施例中，透镜可以包括球形透镜，并且所述天线可以包括用于一个蜂窝通信系统的一个基站天线。
根据本发明的另一些实施例，提供了一种有透镜天线，其包括：多个辐射元件；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射，所述透镜包括复合介电材料。所述复合介电材料包括多个可膨胀充气微球和分散在所述可膨胀充气微球之间的多个导电材料的颗粒。
在一些实施例中，所述有透镜天线还可以包括粘合剂，例如油。
在一些实施例中，所述导电材料的颗粒可以至少一个维度上比可膨胀充气微球更大。
在一些实施例中，所述导电材料的颗粒可以包含闪光片和/或絮状片。
在一些实施例中，所述导电材料的颗粒都可以包括具有小于金属薄片长度及宽度的总和的至少10倍的厚度，所述金属薄片在其任一主面上具有绝缘材料。
在一些实施例中，所述可膨胀充气微球可以在一旦膨胀时具有基本上中空的中心。
在一些实施例中，所述透镜可以包括球形透镜。
根据本发明的再另一些实施例，提供了一种有透镜天线，其包括：多个辐射元件；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射，所述透镜包括透镜容器和复合介电材料。复合介电材料可以包括填充透镜容器的一根或多根弯曲金属线。
在一些实施例中，所述一根或多根弯曲金属线中的每一根包括绝缘外层。
在一些实施例中，所述一根或多根弯曲金属线中的每一根包括保持其形状的刚性金属丝。
根据本发明的再另一些实施例，提供了一种有透镜天线，其包括：多个辐射元件；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射，所述透镜包括复合介电材料。复合介电材料包括与低介电常数材料结合的高介电常数材料片材。
在一些实施例中，所述片材可以包括与透镜容器中的气体填充物(例如空气)组合的高介电常数塑料的褶皱片材。
在一些实施例中，所述片材可以包括与透镜容器中的空气组合的高介电常数塑料的褶皱细长条。
在一些实施方式中，高介电常数材料片材可以与低介电常数材料一起卷起。
在一些实施例中，所述天线可以是阵列天线，其包括至少一列辐射元件。在其他实施例中，所述天线可以是抛物面反射器天线。
在一些实施例中，通过每个辐射元件所产生的天线波束的波束宽度可以按照频率的函数增加。
在一些实施例中，通过每个辐射元件产生的天线波束的波束宽度可以以大约所述透镜按照频率的函数减小天线波束的波束宽度的相同速率来增加。
根据本发明的再另一些实施例，提供了一种有透镜天线，其包括：辐射元件阵列；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射。该透镜包括复合介电材料，该复合介电材料包括网状泡沫材料、粘合剂和第二常数材料的颗粒，该第二常数材料的颗粒其介电常数高于网状泡沫材料的介电常数，第二介电材料的颗粒分散在网状泡沫材料的整个内部。
在一些实施例中，所述第二介电常数材料的颗粒可以包括炭黑颗粒、陶瓷电介质颗粒和非导电性金属氧化物颗粒中的至少一种。
在一些实施例中，所述粘合剂可以是一种油。
在一些实施例中，所述网状泡沫材料可以具有开孔结构并且所述粘合剂材料可以将第二介电常数材料的颗粒粘合到所述网状泡沫材料。
根据本发明的其他一些实施例，提供了一种有透镜天线，其包括：辐射元件阵列；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射。该透镜包括复合介电材料，该复合介电材料包括网状泡沫材料、粘合剂和分散在网状泡沫材料的整个内部的导电颗粒。
在一些实施例中，所述导电颗粒可以包括例如闪光薄片、金属薄片、金属颗粒和/或切碎的绝缘线段，并且该粘合剂可以是一种油。
在一些实施例中，所述网状泡沫材料可以具有开孔结构并且所述粘合剂材料可以将所述导电颗粒粘合到所述网状泡沫材料。
根据本发明的其他一些实施例，提供了一种有透镜天线，其包括：多个辐射元件；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射。该透镜包括复合介电材料，其包括多个第一介电材料的颗粒，所述第一介电材料的颗粒分散在多个泡沫电介质颗粒之间，其中所述第一介电材料具有比所述泡沫介电材料更高的介电常数。
在一些实施例中，所述泡沫电介质颗粒可以是等轴泡沫电介质颗粒。
在一些实施例中，所述第一介电材料可以是例如炭黑和/或介电陶瓷粉末。
根据本发明的其他一些实施例中，提供了一种天线，其包括：多个辐射元件；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射。所述透镜包括多个复合介电材料块。至少一些复合介电材料块包括第一介电材料片材和第二介电材料片材，其间具有第三介电材料片材，其中所述第三介电材料片材厚度小于所述第一介电材料片材厚度的10％并且小于介电材料片材厚度的10％。
在一些实施例中，所述第三介电材料片材的第三介电常数比所述第一介电材料片材的第一介电常数高，并且比所述第二介电材料片材的第二介电常数高。在一些实施例中，所述第一和第二介电材料片材可以是泡沫介电材料片材。
根据本发明的其他一些实施例，提供了一种有透镜天线，其包括：多个辐射元件；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射。该透镜包括复合介电材料，其包括多个可膨胀充气微球、粘合剂和多个第一介电材料的颗粒，所述第一介电材料的颗粒分散在所述可膨胀充气微球之间。第一介电材料可以包括例如炭黑粉末或陶瓷电介质粉末。
根据本发明的其他一些实施例，提供了一种有透镜天线，其包括：辐射元件阵列；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射。该透镜包括复合介电材料，其包括固化泡沫聚合物材料，该固化泡沫聚合物材料具有蜂窝结构以及高介电常数材料的颗粒或导电颗粒之一或两者，这些颗粒分散在固化泡沫聚合物材料的整个内部。
附图说明
图1A是用于天线的RF透镜的示意性透视图，该RF透镜包括根据本发明的一些实施例的复合介电材料。
图1B是图1A的一部分的放大视图，其更详细地图示了复合介电材料的结构。
图2A是根据本发明的另一些实施例的适用于制造用于天线的透镜的复合介电材料的示意性透视图。
图2B是图示包括在图2A的复合介电材料中的泡沫的泡孔结构的示意性透视图。
图3A是根据本发明的再另一些实施例的适用于制造用于天线的透镜的复合介电材料的示意性侧视图。
图3B是图示图3A的多个复合介电材料块的示意性透视图。
图4是根据本发明的再另一些实施例的适用于制造用于天线的透镜的复合介电材料的示意性透视图。
图5是根据本发明的再另一些实施例的适用于制造用于天线的透镜的复合介电材料的示意性透视图。
图6A和图6B是根据本发明的另一些实施例的复合介电材料的示意性透视图，所述复合介电材料分别使用轻质塑料介电材料的褶皱和切薄片材形成。
图7A是根据本发明的一些实施例的有透镜多波束天线的透视图。
图7B是图3A的有透镜多波束天线的横截面图。
图8是包括在图7A的有透镜多波束天线中的线性阵列的透视图。
图9A是包括在图8的线性阵列中的盒式双极化辐射元件之一的平面图。
图9B是图9A的盒式双极化辐射元件的侧视图。
图10是可以与根据本发明的实施例的RF透镜结合使用的双频带天线的示意性平面图。
图11是根据本发明的另一些实施例的包括多个球面透镜的基站天线的示意性侧视图。
图12是图示具有频率相关波束宽度的辐射元件如何用于抵消波束宽度随可能与RF透镜一起出现的频率变窄的曲线图。
图13是根据本发明的一些实施例的有透镜反射器天线的示意图。
图14是可以用于形成根据本发明的一些实施例的RF透镜的另一种复合介电材料的示意性透视图。
图15-19是根据本发明的另一些实施例的复合介电材料的示意图。
具体实施方式
已经开发了具有多波束波束成形网络的天线，这种多波束波束成形网络驱动辐射元件平面阵列，诸如巴特勒(Butler)基体。然而，多波束波束形成网络具有若干潜在缺点(包括非对称波束)和与端口到端口隔离、增益损失和/或窄带宽相关联的问题。也已经提出了使用Luneburg透镜的多波束天线，Luneburg透镜是多层透镜，其通常是球形的，具有在每层中有不同介电常数的介电材料。不幸的是，对于许多应用来说，Luneburg透镜的成本非常高，而使用Luneburg透镜的天线系统在宽频带上在波束宽度稳定性方面仍然存在问题。
美国专利公开号2015/0091767(“所述’767公开”)提出了一种多波束天线，其具有：辐射元件线性阵列；以及圆柱形RF透镜，其由复合介电材料形成。RF透镜用于将线性阵列的天线波束聚焦在方位角平面上。在一些示例性实施例中，线性阵列的3dB方位角波束宽度可以从没有透镜的65°减小到具有透镜的23°。'767公开的全部内容通过引用结合于此。然而，'767公开的圆柱形RF透镜可能非常大，增加了使用这种透镜天线系统的尺寸、重量和成本。另外，圆柱形透镜可以表现出降低了的交叉极化性能，这在天线发射和接收具有两个正交极化(例如倾斜+45°/-45°极化)的信号的应用中可能是不希望的。
与提供每一层都具有不同的介电常数的多个介电材料层的Luneburg透镜设计对照，在’767公开中公开的透镜不同于Luneburg(伦伯)透镜之处在于，用于形成该透镜的材料的介电常数可以在整个透镜中是相同。具有这种均匀介电常数的圆柱形透镜可以更容易制造并且制造成本更低，并且还可以更紧凑，具有小于20-30％的直径。'767公开的透镜可以由小复合介电材料块制成。介电材料聚焦从线性阵列辐射并由线性阵列接收到的RF能量。'767公开教导了介电材料可以是美国专利No.8,518,537(“'537专利”)中描述的复合介电材料类型，'537专利的全部内容通过引用结合在此。在一个示例性实施例中，提供小复合介电材料块，每个块包括嵌入其中的至少一根针状导电纤维。可以使用将块粘合在一起的黏合剂将小块形成为更大的结构。块可以在较大结构内具有随机取向。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部的导电纤维的数量和/或取向，该材料的介电常数可以在1到3之间变化。
遗憾的是，在'767公开的透镜中使用的复合介电材料可能制造成本很昂贵。此外，因为复合介电材料包括导电纤维，所以它可能是无源互调(“PIM”)失真的来源，而这种无源互调失真在不同导电纤维之间形成金属-金属接触的情况下，会降低通信质量。另外，包括在相邻的小材料块中的导电纤维可能变成彼此电连接，导致较大的颗粒尺寸，这会对透镜的性能产生负面影响。
根据本发明的一些实施例，提供了一种适合于用作基站天线的天线，其包括由各种轻量、低损失复合介电材料形成的透镜。介电材料的介电常数的复数表示的虚部与材料吸收能量的速率有关。所吸收的能量反映了介电材料的“损耗”，因为所吸收的能量不会被辐射。低损耗介电材料适用于天线透镜，因为有希望减少或最小化在通过透镜发射信号时损失的RF能量。
许多的低损耗介电材料在本领域中是熟知的，例如，聚苯乙烯、泡沫聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、泡沫聚丙烯等的固体块。遗憾的是，这些材料的重量可能相对较重和/或可能不具有适当的介电常数。对于某些应用，例如用于基站天线的透镜，重要的是介电材料是非常轻的材料。
很多竞争的担忧可能需要在设计用于有透镜基站天线的RF透镜时权衡。塔架负载就是这样一个担忧，因为较重的天线需要更坚固的支撑结构(这会增加成本)并且可能更难以安装。因此，在所有其他条件相同的情况下，通常优选较轻的RF透镜材料。另外，RF损耗优选保持为最小值，这意味着在天线被设计来工作的整个频率范围内，透镜材料应该具有相对低的损耗。透镜材料还优选相对不含PIM，因为在RF透镜中产生的任何PIM可能显著劣化整个RF系统的性能。RF透镜材料也优选相对低成本，并且应该具有可以用于将RF能量聚焦在天线的工作频率范围内的介电常数。RF透镜的介电常数还优选在整个RF透镜中保持适当的均匀性，以提供RF能量的一致聚焦。
根据本发明的一些实施例，已经开发了一种RF透镜，其中将介电基体材料与介电常数增加材料结合起来使用，以提供具有低RF损耗并表现出良好的PIM性能的相对轻质和低成本RF透镜。
根据本发明的一些实施例的RF透镜可以使用许多低密度介电基础材料中的一种来形成用于在整个RF透镜上分布介电常数增加材料的基体，例如包括网状泡沫材料块、泡沫球体、泡沫微球、固化泡沫聚合物等。
根据本发明的一些实施例的RF透镜可以采用许多不同的材料，这些材料可以被用来提供用于透镜的合适介电常数(即介电常数增加材料)。这些材料可以包括高介电常数材料的颗粒(例如陶瓷和非导电氧化物)、炭黑颗粒以及导电材料的颗粒(诸如金属颗粒(例如金属粉末、切碎的金属纤维等)或含金属片材(例如金属箔、闪光或金属薄片等))。在一些实施例中，可以使用诸如油或黏合剂的粘合剂材料来将提供增加了的介电常数的材料粘附到低密度介电基础材料上。根据本发明的实施例的复合介电材料可以实现用于RF透镜的整体介电常数，该RF透镜适合于将RF能量聚焦在天线的工作频率范围内。
在本发明的一些实施例中，提供了一种天线，其具有由泡沫块形成的透镜，所述泡沫块具有使用诸如胶水或环氧树脂之类的粘合剂粘附到泡沫块外部的导电材料和/或高介电常数的介电材料。当使用导电材料时，导电材料可以用绝缘材料覆盖，以减少或消除可能导致PIM失真的金属-金属接触。泡沫块可以非常轻，并且可以用作支撑导电或高介电常数的介电材料并用于在整个体积中分布导电或高介电常数的介电材料的基质。泡沫块可以具有相对低的介电常数。在包括导电材料的实施例中，导电材料可以包括例如闪光片、絮状片、细金属线或包括非常薄(例如10-2000nm)导电箔的其他材料，所述导电箔上涂覆有绝缘材料。使用高介电常数材料的一些实施例可以使用陶瓷、非导电氧化物、炭黑等。复合介电材料块可以使用具有低介电损耗的粘合剂(例如聚氨酯、环氧树脂、油等)保持在一起，也可以简单地填充到具有RF透镜所需形状的容器中来形成RF透镜。
在其他实施例中，提供了一种天线，其具有由网状泡沫材料形成的透镜，所述网状泡沫材料具有使用粘合剂嵌入整个网状泡沫材料的内部和/或在网状泡沫材料的外部表面上的导电颗粒和/或高介电常数材料的颗粒。在这样的实施例中，可以形成多个这种复合介电材料的小块并将其放置在容器中以形成RF透镜，或者RF透镜可以包括这种材料的单一块，其可以被成形为透镜的所需形状(例如球形、圆柱形等)。网状泡沫材料可以具有非常开放的泡孔结构以减轻其重量，并且导电和/或高介电常数颗粒可以通过粘合剂材料结合在由泡沫形成的基质内。合适的颗粒包括轻质导体、陶瓷材料、导电氧化物和/或炭黑的颗粒。在使用这种复合介电材料的小块的实施例中，可以使用低介电损耗粘合剂或黏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。
在其他实施例中，提供了一种天线，其具有使用在其间具有导电片材(例如铝箔)的泡沫片材形成的RF透镜。然后可将该复合泡沫/箔材料切割成小块，用于形成用于天线的RF透镜。泡沫片材可以包括高度泡沫的非常轻质的低介电常数材料。可以连同一片或多片金属箔使用一片或多片这样的泡沫片材。如果在外层上提供金属箔，则可以用绝缘材料涂覆金属箔以减少或防止金属-金属接触。在一些实施例中，泡沫片材可由可膨胀材料(例如在加热时膨胀的材料)形成。在将复合介电材料切割成块之后，可以加热复合介电材料，使得泡沫片材膨胀，从而将金属箔封装在复合介电材料的内部。按照这种方式，可以减少或防止相邻块中的金属箔之间的金属-金属接触。以这种方式形成的材料块可以使用低介电损耗粘合剂或黏合剂保持在一起，或者可以简单地被填充到容器中以形成透镜。
在再另一些实施例中，提供了一种天线，其具有使用用粘合剂/黏合剂混合的膨胀性微球(或其他形状的膨胀材料)连同被封装在绝缘材料中的导电材料形成的透镜。在一些实施例中，导电材料可以包括切割成非常小的颗粒的闪光片或絮状片。可膨胀微球可以包括非常小(例如直径为1微米)的球体，其响应于催化剂(例如加热)而膨胀至更大(例如40微米直径)的充气球体。这些球体可以具有非常小的壁厚，因此可以非常轻。膨胀后的微球连同粘合剂一起可以形成基质，该基质将导电材料保持在适当位置以形成复合介电材料。在一些实施例中，膨胀后的球体可以显著小于导电材料(例如闪光片或絮状片的小方块)。在其他实施例中，导电材料可以用高介电常数材料(例如陶瓷颗粒、非导电氧化物颗粒或炭黑)代替。
在其他实施例中，提供了一种有透镜天线，其包括：多个辐射元件；以及透镜，其定位成从至少一个辐射元件接收电磁辐射。RF透镜可以包括半固体、可流动的复合介电材料，其被浇注或泵送到透镜壳中。复合介电材料可以包括与惰性粘合剂混合的可膨胀充气微球、诸如泡沫微球之类的电介质支撑材料以及导电材料的颗粒。导电材料可以包括例如闪光薄片、金属薄片或绝缘金属纤维。电介质支撑材料可以显著大于导电材料，并且可以帮助随机化导电材料的取向。可膨胀微球和粘合剂(例如油)可以将材料保持在一起并且还可以帮助分离导电材料以减少复合介电材料内金属-金属接触的可能性。在其他实施例中，导电材料可以用高介电常数材料(例如陶瓷颗粒、非导电氧化物颗粒或炭黑)代替。
根据再另一些实施例，提供了一种天线，其具有使用一根或多根细金属线形成的RF透镜，所述细金属线被涂覆有绝缘材料和松散地粉碎成块状形状。由于金属线是刚性的，它们可以用于形成复合介电材料，而不需要单独的材料(除了空气)，例如形成用于将导电材料保持在适当位置的基质的泡沫。在一些实施例中，碎金属线可以形成为透镜的形状。在其他实施例中，可以组合多个碎金属线块以形成透镜。
在其他实施例中，提供了一种天线，其具有使用介电材料薄片材或金属箔形成的透镜，所述介电材料薄片材或金属箔被褶皱或切碎，并放置在具有用于透镜的期望形状的容器中。与上面讨论的绝缘线实施例一样，被褶皱/切碎的介电材料片材或金属箔可以表现出刚性，因此可以在没有附加基质材料的情况下保持就位。
现在将进一步详细地参照示出示例性实施例的附图讨论本发明的实施例。
图1A是根据本发明的一些实施例的RF透镜150的示意性透视图，该RF透镜150使用复合介电材料100形成。RF透镜150可以适合用作基站天线的透镜。图1B是图1A的一部分的放大视图，其更详细地图示了复合介电材料100的结构。
如图1A-1B所示，复合介电材料100包括轻质基础介电材料块(这里是球形块)110，其具有粘附到其外部的第二材料的颗粒120，这些颗粒一起形成复合介电材料100的块130。轻质基础介电材料可以包括例如泡沫塑料材料，例如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚氨酯硅树脂等。该泡沫塑料材料可以具有非常低的密度并且可以具有相对低的介电常数。在一些实施例中，每个泡沫轻质基础介电材料块110可以按体积超过50％是空气(即发泡百分比超过50％)。在一些实施例中，基础介电材料的发泡百分比可超过70％或甚至可超过80％。这种高发泡百分比可以有助于减轻复合介电材料100的重量，并因此减少由其形成的透镜150的重量。
在所描述的实施例中，第二材料的颗粒120可以包括例如包含导电材料的小颗粒120-1。在一些实施例中，导电材料可以在至少一侧上覆盖有绝缘材料，以减少或消除可能导致PIM失真的金属-金属接触。在一个示例性实施例中，包括导电材料的小颗粒120-1可以包括细切的薄方形或闪光“薄片”。商业上容易获得的闪光片通常包括塑料基材片材，其上沉积有非常薄的金属片材。然后，可以将绝缘涂层(例如聚氨酯涂层)涂覆到金属薄片的暴露表面上以在两面上包封金属。在一个示例性实施例中，塑料基材可以具有0.5至50微米的厚度，并且绝缘材料的薄涂层可以具有0.5至15微米之间的厚度。金属薄片可以包括例如厚度在1和50纳米之间的铝片。在典型的市售闪光片中，材料的总厚度可为约20-30微米，铝片的厚度可为10-100纳米。塑料基材可以包括任何合适的塑料基材，例如聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。金属可以包括按体积计小于1％的闪光片。
在其他实施例中，包括导电材料的小颗粒120-1可以包括细切金属薄片。商业上容易获得的絮状片通常包括较厚的金属片材，在其一个或两个主表面上具有绝缘涂层(例如聚氨酯涂层)。在一个示例性实施例中，金属片材可以包括厚度为6至50微米的铝板，并且绝缘材料的薄涂层可以具有0.5至15微米之间的厚度。
在上述各实施方式中，闪光片或絮状片可被切割成细小的颗粒。在一个示例性实施例中，闪光片/絮状片颗粒120-1可以是相对方形的，其长度和/或宽度约为50至1500微米的量级。在这样的实施例中，颗粒120-1本质上可以是片状的，因为它们可以具有显著小于其长度和宽度的厚度(例如25微米)。然而，应当理解，在其他实施例中可以使用其他形状(例如六边形)、长度和宽度。也可以使用除闪光片和絮状片之外的材料。例如，在其他实施例中，颗粒120-1可以包括小金属颗粒，例如铝或铜粉末或小金属纤维120-1。这些小金属颗粒/纤维120-1可以具有或不具有绝缘涂层。
在其他实施例(未示出)中，第二材料的颗粒120可以包括例如高介电常数材料的小颗粒120-2。高介电常数材料可以优选具有相对高的介电常数与重量比，并且还优选相对便宜。在一些实施例中，高介电常数材料可以包括陶瓷材料(例如Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、氮化硼等)的薄盘(或其他形状的颗粒)或非导电氧化物(例如氧化钛、氧化铝等)。在其他实施例中，高介电常数材料的小颗粒120-2可以包括炭黑颗粒。
如图1B所示，颗粒120可以粘附到轻质基础介电材料块110的外表面上，以形成复合介电材料100的多个块130。诸如胶之类的黏合剂可以用于将小颗粒120粘附到轻质基础介电材料块110上。因此，轻质基础介电材料块110可以用作用于支撑第二材料的颗粒120并用于相对均匀地分布在整个RF透镜150中的第二材料的颗粒120的基质。
复合介电材料100的块130可以使用诸如聚氨酯、环氧树脂之类的单独粘合剂(未示出)保持在一起，这种粘合剂具有低介电损耗，或者可选地，可以简单地填充到容器140以形成透镜150。虽然在图1A-1B中图示了球形块130，但应当理解，可以使用其他形状或各种不同形状的块。
在一些实施例中，复合介电材料100的密度可以是例如介于0.005至0.2g/cm3之间。可以选择包括在复合介电材料100中的颗粒120的数量，使得复合介电材料100具有在期望范围内的介电常数。在一些实施例中，复合介电材料100的介电常数可以在例如1至3的范围内。
如上所指出，在一些实施例中，复合介电材料100的块130可以被包含在容器140内，该容器140作为由成形为用于基站天线的RF透镜的期望形状的介电材料形成的壳。由于风、雨、地震和其他环境因素，基站天线可能会经受振动或其他运动。这种移动可导致块130的沉降，特别是在不使用粘合剂和/或一些块130未充分粘附到其他块130和/或粘合剂随时间和/或由于温度循环而失去粘合强度的情况下。在一些实施例中，容器140可以包括多个单独的隔室(未示出)，并且小块130可被填充到这些单独的隔室中以减少块130的沉降效果。使用这种隔室可以增加RF透镜150的长期物理稳定性和性能。还应当理解，块130还可以和/或替代地通过轻微压缩和/或回填材料来稳定。可以将不同技术应用于不同隔室，或者可以使用相同的技术稳定所有隔室。
图2A是根据本发明的一些实施例的复合介电材料200的示意性透视图，该复合介电材料200适用于制造用于基站天线的透镜。如图2所示，复合介电材料200包括一个或多个轻质基础介电材料块210，其具有整个嵌入的第二材料的颗粒220。图2B是图示轻质基础介电材料块210之一的一小部分的单元结构的示意性透视图。
基础介电材料可以包括具有非常低密度的高泡沫材料，其具有网状(即网格一样)单元结构。这在图2B中以图形方式描绘，其示出了基础介电材料可以包括形成基体的细长材料股线。
在一些实施例中，第二材料的颗粒220可以包括高介电常数材料(诸如陶瓷材料(例如Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、BaTiO3、氮化硼等)、炭黑或非导电氧化物(例如氧化钛、氧化铝等))颗粒220-1。在其他实施例中，第二材料的颗粒220可以包括导电材料的颗粒220-2。在任一情况下，基础介电材料块210被嵌入有第二材料的颗粒220，或者基础介电材料块210被涂覆有包含第二材料的颗粒220的浆料。第二种材料可以优选相对便宜。可以使用诸如聚氨酯或聚乙烯醇缩丁醛之类的粘合剂(未示出)，将第二材料的颗粒220粘附在整个基础介电材料基质中，以形成复合介电材料200的块230。基础介电材料可以以液体形式提供并与第二材料的颗粒220和粘合剂混合，然后可以将所得混合物发泡，以形成复合介电材料200。在一些实施例中，具体在包括其中第二材料220的浆料涂覆在基础介电材料上的一些实施例中，基础介电材料可以以如上所述的小块210(例如立方体、球体或其他形状结构)的形式提供。在一些示例性实施例中，块210的每边可以是5mm或更小。然后，可以使用另一种粘合剂将复合介电材料200的块230粘附在一起以形成RF透镜，或者可以用于填充诸如上述容器140之类的壳体，其具有用于RF透镜的所需形状。在其他实施例中，复合介电材料200可以发泡成RF透镜的所需形状。
在颗粒220是导电材料的颗粒220-2的一些实施例中，所述导电材料可以包括导电粉末，如铝、铜或碳黑粉。在其他实施例中，导电材料的颗粒220-2可以包括切碎的绝缘金属纤维。例如，绝缘电磁线是可商购的金属纤维，并且具有非常精细的规格，例如20或更大的AWG规格。20AWG的电磁线具有约0.032英寸的标称裸线直径，而50AWG的电磁线具有约0.0099英寸的标称裸线直径。裸磁线涂覆有绝缘材料薄膜(例如绝缘树脂)，其可以将磁线的总直径增加少于例如10％。铝线可以用于减轻重量。可以将绝缘磁线切碎成细小片(例如长度在0.1mm和10mm之间)以提供切碎的金属纤维的颗粒220-2。切碎的金属纤维的颗粒220-2可以分布在整个基础介电材料的每个块210中。在一些实施例中，切碎的金属纤维的颗粒220-2可以嵌入基础介电材料块210内。可以使用粘合剂(例如聚氨酯或聚乙烯醇缩丁醛或油(未示出))来将切碎的金属纤维的颗粒220-2粘附到轻质基础介电材料上。
在其他实施例中，在其任一面上具有绝缘层的金属片材可被切碎成小片并代替切碎的绝缘电磁线用作导电材料的颗粒220-2。金属电介质片材可以包括例如在其每个主表面上具有聚对苯二甲酸乙二醇酯薄绝缘膜的金属箔。当将这种片材切碎成小片时，通常将其称为闪光片或絮状片，这取决于金属箔和沉积在其上的绝缘层的厚度。应当理解，在上述每个实施例中，可以使用絮状片和/或闪光片来代替切碎的绝缘电磁线。
复合介电材料200可以通过例如包括基础介电材料和第二材料的颗粒220的制造粒料来形成。如上所述，第二材料可以是各种介电常数增加材料中的任何一种，例如金属颗粒(例如絮状或闪光薄片、金属粉末、金属箔、切碎的绝缘电磁线等)、碳黑颗粒、非导电氧化物颗粒(如氧化钛、氧化铝等)或高介电常数陶瓷材料的颗粒(如Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、BaTiO3、氮化硼等)。例如，可以通过加热基础介电材料以熔化基础介电材料、将第二材料的颗粒220添加到熔融的基础介电材料、剪切混合复合材料然后使混合物冷却并切割所得材料为粒料，来形成这些粒料。然后可将粒料进给到挤出机中，该挤出机剪切粒料并熔化材料。然后可以在高压下将固态、液态或气态发泡剂注入熔体中。挤出材料可以快速冷却，其用于将发泡剂以液体(或高度压缩)的形式捕获在冷却的材料内。此后，可以执行受控的加热工艺，其软化基础介电材料，从而允许发泡剂膨胀并使材料发泡以形成泡沫复合介电材料200。
在一些实施例中，含有第二材料的颗粒200的轻质基础介电材料可以被发泡成用于RF透镜的期望形状，以提供一个整体RF透镜结构，而不是由其中嵌入有第二材料的颗粒220的轻质基础介电材料的较小离散块210形成的透镜。在其他实施例中，可以使轻质基础介电材料发泡以形成轻质基础介电材料块210，并且可以将第二材料的颗粒220单独地与粘合剂混合以形成浆料。然后可以将粘合剂中颗粒220的浆料，涂覆在基础介电材料块210的外表面上。如上所述，第二材料的颗粒220可以包括增加复合材料的介电常数的材料的颗粒，例如高介电常数材料的颗粒220-1或导电材料的颗粒220-2。
在一些实施例中，复合介电材料200的密度可以是例如介于0.005至0.2g/cm3之间。可以选择包括在复合介电材料200中的第二材料的颗粒220的数量，使得复合介电材料200具有在期望范围内的介电常数。在一些实施例中，复合介电材料200的介电常数可以在例如1至3的范围内。
图3A是根据本发明的再另一些实施例的复合介电材料300的示意性侧视图，复合介电材料300适用于制造用于天线的RF透镜。图3B是示出图3A的复合介电材料300的多个块340的示意性透视图。
如图3A所示，复合介电材料300可以包括一片或多片泡沫材料(例如泡沫聚乙烯)片材310。在所描绘的实施例中，提供了三片泡沫片材310-1、310-2、310-3，但是在其他实施例中可以使用更多或更少的片材310。一片或多片金属薄片320(例如铝薄片(例如铝箔))夹在相邻的一片泡沫片材310之间。附加的金属薄片320可以被设置在最上面的泡沫片材310-3的顶部上和/或在最下面的泡沫片材310-1的底表面上。在所描绘的实施例中，提供了总共四片金属片材320-1、320-2、320-3、320-4。还可以提供顶部和底部绝缘覆盖片材或涂层330。片材/涂层330可以包括例如聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氨酯。
在一些实施例中，金属片材320可以比泡沫片材310薄得多。例如，每个泡沫片材310的厚度可以大于1000微米，而金属片材320的厚度可以是大约1-50微米。绝缘片材/涂层330可以是例如约30微米厚。在一些实施例中，每片金属片材320的厚度可小于每个泡沫片材310的厚度的10％。
复合介电材料300可以通过交替地层叠泡沫片材310和金属片材320来形成。在一些实施例中可以使用粘合剂将金属片材320粘合到泡沫片材310。如果使用绝缘片330，则可以使用粘合剂将它们粘附到相应的最上和最下金属片材320。如果替代地使用绝缘涂层330，则它们可以直接施加在金属片材320上并且可以在没有任何单独的粘合剂的情况下粘附到金属片材320上。一旦片材/涂层310、320、330已经以上述方式或使用一些其他方法粘合在一起，就可以将所得复合介电材料300切割成较小的片。例如，在一些实施例中，复合介电材料300的片材可以被切割成矩形、正方形或六边形块340，其长度、宽度和高度例如介于1毫米和6毫米之间。可以使用其他尺寸，也可以使用其他形状。然后，块340可以用于以与上面关于块130所讨论的相同方式形成RF透镜。图3B图示了块340的一个集合。
在一些实施例中，泡沫片材310可以包括在加热时会膨胀的材料。在将轻质介电材料300切割成块340之后，可以加热块340以使每个块340的泡沫层310膨胀。当这发生时，泡沫可以向外膨胀，使得金属片材320被封装在块340的内部。以这种方式，可以减少或消除在相邻块340中的金属片材层320之间出现的金属-金属接触的可能性。
例如，在一些实施例中，泡沫片材310可以包括膨胀材料片材。膨胀材料是指由可膨胀微结构(例如可膨胀微球)形成的材料。一系列膨胀泡沫片材310和金属片材层320可以与例如分隔大约四片膨胀泡沫片材310的约三个金属片材层320交替堆叠。黏合剂/粘合剂可以被施加在膨胀泡沫片材310和相邻金属片材层320之间的所有界面中的一些之间。以这种方式形成的复合轻质介电材料300可以通过施加热量而膨胀并被切碎成适当尺寸的块340。可以在用于使泡沫片材310膨胀的加热步骤之前或之后执行切碎操作。如上所述，如果在将片材切碎成块340之后施加热处理，则泡沫层可能倾向于覆盖金属片材320的暴露边缘，从而减少在相邻块340中的金属片材层320之间出现的金属-金属接触的可能性。
应当理解的是，可以对上述实施例进行许多修改。例如，每片金属片材320可以用多个金属薄片材料细条(例如铝箔细条而不是铝箔片材)代替，这些金属片材细条彼此平行地延伸并且彼此间隔开。在这样的实施例中，可以消除对任何黏合剂/粘合剂的需要，因为相邻泡沫层310将在金属片材320的相邻条之间的空间中彼此间接接触，并且泡沫片材310可以被设计成使它们彼此粘附(例如通过施加热量)。在其他实施例中，金属片材320可以用闪光片或金属薄片322代替，所述闪光片材或金属薄片322使用黏合剂/粘合剂粘附到泡沫片材310上，或者如图15中示意性所示那样简单地放置在泡沫片材310上，这是复合介电材料300'的透视图，所述复合介电材料300'除了在复合介电材料300'中使用金属薄片322代替复合介电材料300中使用的金属箔320之外，等同于图3A中的复合介电材料300。在图15中，省略了上绝缘涂层330以更清楚地示出金属薄片322。可以以上述方式将复合介电材料300'切割成矩形、正方形、六边形或其他形状的块340，然后可以以与上面关于块130所讨论的相同方式将这些块340用于形成RF透镜。
使用闪光片或金属薄片322或金属片材小薄片322(即，没有绝缘涂层的闪光片/金属薄片)可能在通过扩大可膨胀介电材料而形成泡沫片材310的实施例是特别有利的。在这样的实施例中，可以将黏合剂/粘合剂涂覆到每个薄片322的中心部分，而薄片322可以被放置在每一层可膨胀介电材料上。然后可以在可膨胀介电材料膨胀之前将所得材料切割成块342。可以通过沿着薄片322的行和列之间延伸的划线S切割而将所述材料切割成块342。当块342经受加热时，可膨胀介电材料可以膨胀以形成泡沫片材310。当可膨胀介电材料310膨胀时，黏合剂/粘合剂可能倾向于将每个薄片322保持在适当位置。因此，薄片322可以被介电材料310更一致地封装，从而进一步降低相邻块342中的金属片材层320之间出现的金属-金属接触的可能性，所述金属-金属接触可能引起PIM失真。
在另一些实施例中，上述块342可以通过用高介电常数陶瓷材料(例如Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、氮化硼等)替换薄片322而改性。按照上述可以将该金属箔320设置为片材、片材条带或片材薄片那样的方式，高介电常数陶瓷片材可以是连续片材、间隔开的片材条带或片材小薄片。在这样的实施例中，泡沫层310可以是泡沫片材或膨胀层，其随后以上述方式膨胀以形成泡沫片材310。
图4是根据本发明的再另一些实施例的复合介电材料400的示意性透视图，所述复合介电材料400适用于制造用于天线的RF透镜。参照图4，复合介电材料400可以包括多个微球410，其与小金属盘420(例如方形、圆形或矩形闪光片或絮状片)混合。在一些实施例中，所述微球410可以包括由介电材料(如丙烯腈丁二烯苯乙烯)形成的小球(例如直径1微米)。这些小球410可以通过例如加热而膨胀。当膨胀时，形成微球410，这些微球410可以具有例如15-75微米的直径和可能0.25微米的非常薄的壁厚。微球410的内部可以主要包含空气或发泡剂，例如戊烷或异丁烷。这些微球410可以非常轻。
在一些实施例中，小金属盘420可以比微球410大。例如，在一些示例性实施例中，金属盘420可以包括闪光片或絮状片颗粒，其长度和宽度介于50和1500微米之间，厚度可能为25微米(其中闪光片/絮状片中的金属片材的厚度小于25微米)。在一些实施例中，所述金属片材的厚度可以比金属片材的长度和宽度之和小至少十倍。例如，在一个实施例中，每个金属薄片中的金属片材可以是200微米×200微米×15微米。这里，15微米的厚度比所述宽度和长度之和(200微米+200微米＝400微米)小十倍以上。金属盘420可以与大量已膨胀微球410混合，并且可以添加诸如油之类的粘合剂(未示出)并且可以将所得材料混合物充分混合以在整个材料体积上分布金属盘420。可以加热所得混合物并将其变成复合介电材料400的固体块。该块复合介电材料400可以被形成、切割或成形为用于RF透镜的所需形状，或者可以被切割成较小块，这些较小块以后将以与上述关于前述实施例所讨论的那种方式用于形成RF透镜。在其他实施例中，介电材料400可以是例如可以填充透镜容器的半固体材料的可流动块。
在一些实施例中，微球410可与金属盘420和粘合剂混合而微球410处于其未膨胀状态。可以为每个金属盘420提供数十或数百(或更多)个微球410，因此未膨胀微球410将倾向于在相邻金属盘420之间。在微球410之后，金属盘420和粘合剂充分混合，可以施加热量以使微球410膨胀。当微球410膨胀时，它们将倾向于将相邻金属盘420推离彼此，从而减少或消除相邻金属盘420之间的金属-金属连接。此外，在一些实施例中，金属盘420可以包括闪光片或絮状片(具有例如上述尺寸和特性)，其包括封装金属，从而甚至进一步降低可能引起PIM失真的金属-金属接触的可能性。在其他实施例中，可以使用纯金属盘420，例如铝箔小方块。
在一些实施例中，微球410可以在至少两个维度上小于金属盘420。例如，金属盘420的长度和宽度可以超过微球410的直径。金属盘的相对主表面可以具有任何形状(例如正方形、圆形、矩形、六边形、任意形状等)。
在另一些实施例中，例如上面讨论的那种切碎的绝缘电磁线422可以代替金属盘420被用于提供复合介电材料401，如在图16中示意性示出那样。在其他实施例中，金属盘420可以用其他高介电常数材料的颗粒424(诸如金属(例如铝、铜)薄片、炭黑薄片、非导电氧化物薄片(例如氧化钛、氧化铝等))或高介电常数陶瓷材料的颗粒(诸如Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、BaTiO3、氮化硼等)代替，以提供复合介电材料402，如图17中示意性所示那样。
图5是根据本发明的再另一些实施例的轻质介电材料500的示意性透视图，该轻质介电材料500适用于制造用于天线的RF透镜。如图5所示，轻质介电材料500可以包括细金属线510，细金属线510包括被薄绝缘涂层覆盖的金属芯(例如铜芯)。金属线510可以被弯曲，使得它松散地充满预定体积的空间。由于金属芯可以包括刚性材料，所以金属线510可以保持其形状并且在不使用基质材料(例如复合介电材料100的基础介电材料110)的情况下保持其形状。在一些实施例中，可以将单条金属线510用于形成RF透镜。在其他实施例中，可以将多条金属线510用于形成轻质介电材料500的多个相应“块”540，然后可以将这些块540粘附或紧固在一起或填充到具有用于RF透镜的所需形状的容器中。在其他实施例中，每个块540可以包括多条金属线510。
图6A和6B分别是根据本发明其他一些实施例的轻质介电材料600和600'的示意性透视图，所述轻质介电材料600和600'分别使用轻质塑料介电材料的褶皱和切薄片形成。
首先参照图6A，轻质介电材料600可以包括多个褶皱的介电材料片材610。介电材料片材610可以包括例如塑料材料或与一种或多种附加材料结合的塑料材料。在一些实施例中，介电材料片材610可以包括例如 TP20555薄膜和/或TP20556薄膜，其可从(www.premixgroup.com)商购获得。各种不同的塑料介电材料610具有片材形式，包括具有介于例如从4( TP20555薄膜)至11( TP20556薄膜)的范围内的介电常数的介电材料。这些材料的厚度可以为例如100至1000微米。也可以制造表现出小于4和/或大于11的介电常数的类似材料。通常，介电材料将基于根据具有片材形式的塑料介电材料的其重量(通常优选低)和/或介电常数(通常优选高)从可用介电材料中选择。这些塑料介电材料的厚度可以与厚纸(例如卡片纸)的厚度相当，并且可以像卡片纸一样容易弄皱。褶皱的介电材料片材610可以用于填充容器以形成RF透镜。可以选择起皱量以实现用于透镜的所需介电常数，因为透镜的介电常数将基于透镜容器、褶皱的介电材料610和填充容器内的剩余空间的空气的相对厚度、数量和介电常数。
参照图6B，在替代实施例中，可以使用例如碎纸机将介电材料片材610切碎成长条，然后可以将介电材料条610'弄皱并用于填充容器以形成RF透镜。在其他实施例中，上述介电材料片材可以与用作填充物的非常轻质的低成本低介电常数材料(例如介电常数在1-1.5之间的材料)卷成螺旋形，以提供一种复合介电材料，其具有在RF透镜的所需范围内的有效介电常数和密度。同样应当理解，介电材料片材也可以以其他方式形成RF透镜。还应当理解，可以使用诸如金属箔的金属片材来代替图6A和6B的实施例中的介电材料片材610。金属片材可以在两面用绝缘材料覆盖，以减少和/或防止相邻的褶皱片材之间的金属-金属接触。这里，术语“褶皱”广义地用于指已经弯曲、吹胀、碾碎、皱折或以其他方式形成非平面形状的片材。
图14是根据本发明另一些实施例的复合介电材料1000的示意性透视图。复合介电材料1000包括可膨胀微球1010(或其他形状的可膨胀材料)、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)、电介质结构化材料1030(例如泡沫聚苯乙烯微球或其他形状的泡沫颗粒)和粘合剂1040(例如惰性油)。
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(例如热)膨胀成较大(例如12-100微米直径)的空气填充球体。这些膨胀微球1010可以具有非常小的壁厚，因此可以非常轻。它们可以与上面参照图4所讨论的可膨胀微球410相同。在每个主表面上具有绝缘材料的小片导电片材1020可以包括例如絮状片。所述絮状片可以包括例如金属薄片(例如1-25微米厚)，其在其一面或两面上具有薄绝缘涂层(例如0.5-25微米)，其被切割成小块(例如200-800微米的小正方形或具有类似主表面积的其他形状)。在一些示例性实施例中，絮状片1020可以包括1-10微米厚的金属层(例如铝或铜)，其沉积在厚度为5-20微米的一片基础绝缘材料(例如一片聚对苯二甲酸乙二醇酯)的顶部。较薄的绝缘层可以沉积在金属层(例如1-2微米厚的聚乙烯或环氧树脂涂层)的顶部。可以形成大片的上述金属薄片，然后可以将这些片材切割成小方形或其他形状的片材。在一个示例性实施例中，金属薄片可以是375×375微米的薄片，其厚度例如小于25微米。可以使用其他尺寸的金属薄片1020(例如薄片的侧面可以处于100微米至1500微米的范围内，并且金属薄片1020不需要是方形的)。
电介质结构化材料1030可以包括例如泡沫聚苯乙烯等轴颗粒或其他轻质介电材料(例如已膨胀聚丙烯)。可以使用各种低损耗轻质聚合物材料。“等轴”颗粒是指具有大致相同量级的轴长的颗粒。球体、方形立方体、六边形立方体等都是等轴颗粒，几乎是那些形状(例如在相差25％以内)的颗粒或大致为具有非光滑表面的方形立方体、球体等的颗粒也是等轴颗粒。电介质结构化材料1030可以比在一些实施例中的已膨胀微球1010(例如具有0.5至3mm的直径)大。电介质结构化材料1030可以用于控制导电片材1020的分布，使得导电片材在一些实施例中具有例如适当的随机取向。
可以将微球1010、导电片材(例如金属薄片)1020、电介质结构化材料1030和粘合剂1040混合在一起并加热以使微球1010膨胀。所得混合物可以包括可流动糊剂形式的轻质半固体半液体材料，其可以具有类似于例如温热黄油的稠度。可以将材料泵送或倒入壳体中以形成用于基站天线的RF透镜。RF透镜中的复合介电材料1000聚焦从任何适当的基站或包括本文公开的每根天线的其他天线的线性阵列辐射并由其接收的RF能量。
使用具有相对薄金属层(例介于1-10微米之间的厚度)的金属薄片1020可以有助于改善复合介电材料1000的PIM失真性能。虽然金属薄片1020在其每个主表面上具有绝缘层，但由于金属薄片1020可以通过切割片材形成，金属边缘可以沿着金属薄片边缘暴露。这导致相邻金属薄片1020具有金属-金属接触的可能性，这是PIM失真的潜在来源。当使用较厚的金属层时，两个相邻金属薄片1020可能经历这种金属-金属接触的可能性增加。在复合介电材料1000中，使用非常薄的金属片材，这降低了这种金属-金属接触的可能性，因此可以导致改善的PIM失真性能。然而，如果金属厚度太小，则可能变得更有损耗，因此在PIM失真性能和RF能量损失之间可能存在折衷。在一些情况下，金属厚度在1-10微米范围内的金属薄片1020可以表现出优异的PIM失真性能而不会非常有损耗。此外，较薄的金属层还可有利地减少复合介电材料1000的重量。
等轴电介质颗粒可以全部是相同尺寸的，也可以具有不同的尺寸。在一些实施例中，所述等轴电介质颗粒的平均体积(其可以通过在复合介电材料的代表性样品中添加每个单独的等轴电介质颗粒的体积然后除以在平均过程中使用的颗粒的数量来计算)可以比导电材料的颗粒的平均体积大至少20倍(以相同方式计算而得)。在其他实施例中，等轴电介质颗粒的平均体积可以是导电材料的颗粒的平均体积的至少十倍。
如上所述，在一些实施例中，当导电材料在材料内具有随机取向时，可以改善复合介电材料的性能。当使用可流动复合介电材料(例如复合介电材料1000)时，可能存在金属薄片1020沿流动方向稍微对齐的自然趋势，使得金属薄片1020可能不是在RF透镜内随机取向的。添加电介质结构化材料1030可以帮助随机化金属薄片1020的取向。如上所述，电介质结构化材料1030可以明显大于金属薄片1020。电介质结构化材料1030可倾向于组织在复合材料中，使得金属薄片1020落入电介质结构化材料1030之间的自然开口中。例如，当泡沫球体1030用作电介质结构化材料1030时，金属薄片1020可倾向于将它们自身布置在堆叠的泡沫球体1030组之间的自然开口中。这倾向于使金属薄片1020在每组泡沫球体1030中取向成特别方向。此外，泡沫球体1030的所述分组可以倾向于具有不同的取向，使得泡沫球体1030的所述分组可以随机分布在整个复合介电材料1000中。最终结果是这种布置倾向于使金属薄片1020的取向随机化。
如图14所示，已膨胀微球1010连同粘合剂1040可以形成基质，该基质将金属薄片1020和电介质结构化材料1030保持在适当位置以形成复合介电材料1000。粘合剂1040通常可以填充已膨胀微球1010、金属薄片1020和电介质结构化材料1030之间的开放区域，因此在图14中未为了便于说明而单独示出。已膨胀微球1010可能趋向于分离相邻金属薄片1020，使得金属薄片1020的可能具有暴露的金属的侧面将不太可能接触其他金属薄片1020的侧面，因为这种金属对金属接触可能是PIM失真的来源。如果使用铜来形成金属薄片1020，则可以加热金属薄片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金属薄片1020变成相互电连接，这在一些实施例中，可以进一步改善PIM失真性能。
在一些示例性实施例中，电介质结构化材料1030可以包括占复合介电材料1000的体积的至少40％。在一些实施例中，电介质结构化材料1030可以包括大于占体积的50％。在一些实施例中，可膨胀微球1010和粘合剂的组合可以包括占复合介电材料1000的体积的20-40％之间。在一个示例性实施例中，电介质结构化材料1030可以是等轴电介质颗粒并且可以包括占复合介电材料1000的体积的至少40％，并且可膨胀充气微球1010和粘合剂1040的组合占复合介电材料1000的体积的20-40％。
使用半固体可流动复合介电材料(例如上述材料)可以具有许多优点。可流动介电材料可以倒入或泵入透镜外壳中，并且可以非常均匀地分布在整个透镜外壳中。
虽然在图14的实施例中将金属薄片(或闪光片)1020用作导电材料，但应当理解，在其他实施例中，可以使用其他导电材料代替金属薄片1020。例如，在另一些实施例中，可以使用切碎的绝缘电磁线1022代替金属薄片1020以提供复合介电材料1001，如图18中示意性地所示那样。在其他实施例中，可以用高介电常数材料的颗粒1024(例如金属(例如铝、铜)颗粒、炭黑颗粒、非导电氧化物颗粒(例如氧化钛、氧化铝等))或高介电常数陶瓷材料的颗粒(例如Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、BaTiO3、氮化硼等)替换金属薄片1020。
参照图19，根据本发明的其他一些实施例，诸如可固化液体树脂的可固化液体可以用于形成复合介电材料1100，其适用于诸如基站天线之类的天线的RF透镜。在这些实施例中，可固化液体聚合物(例如环氧树脂、硅树脂、丙烯酸酯、氨基甲酸酯等)可以与任何各种介电常数增加材料1120(诸如金属颗粒(例如絮状或闪光薄片、金属粉末、金属箔、切碎的绝缘电磁线等)、炭黑颗粒、非导电氧化物颗粒(如氧化钛、氧化铝等)或高介电常数陶瓷材料的颗粒(如Mg2TiO4、MgTiO3、CaTiO3、BaTi4O9、BaTiO3、氮化硼等))混合，所述介电常数增加材料1120的介电常数高于可充气微球1010和电介质结构化材料1030。在一些实施例中，还可以将低密度可发泡热塑性材料和/或电介质结构化材料1030添加到混合物中。也可在压力下将发泡剂添加到混合物中。然后可以通过例如加热、加压、暴露于紫外或可见光或用于所选择的可固化液体聚合物的任何其他合适的热固化方法使复合混合材料发泡并热固化。所得复合介电材料1100可以包括固化树脂1110，其具有闭孔泡沫结构，这种结构包括封装在固化聚合物1110的泡孔1112内的介电常数增加材料1120。因此，通常可能不需要额外的粘合剂。
可以使用上述复合介电材料形成用于基站天线的RF透镜。根据本发明的实施例的上述复合介电材料可以表现出优于传统透镜材料(例如在上面引用的'537专利中讨论的复合介电材料)的许多优点。例如，根据本发明的至少一些实施例的介电材料可以非常轻，并且制造起来可以相对便宜。另外，根据本发明的实施例的介电材料可以表现出改善的PIM失真性能。如上所述，在上述'537专利中公开的复合介电材料中包括的导电纤维可以包括用于PIM失真的来源，因为导电纤维的端部可以暴露并且因此相邻颗粒中的导电纤维可以相互直接接触，从而提供不一致的金属-金属接触，这些接触是PIM失真的来源。另外，导电材料对通过天线发射的辐射的响应可取决于导电纤维的尺寸和/或形状以及发射的辐射的频率。因此，可以有效地形成具有例如更长的有效长度的颗粒的颗粒聚集可能潜在地负面影响天线的性能。本发明人认识到，与'537专利的复合介电材料相比，使用非导电高介电常数材料或封装导电材料可潜在地提供改进的性能。
图7A是根据本发明的实施例的有透镜基站天线700的透视图。图7B是有透镜基站天线700的截面图。有透镜基站天线700是多波束天线，其通过单个RF透镜产生三个单独的天线波束。
参照图7A和7B，多波束基站天线700包括辐射元件710A、710B和710C的一个或多个线性阵列(这里共同使用附图标记710表示)。天线700还包括RF透镜730。在一些实施例中，每个线性阵列710可以具有与透镜730大致相同的长度。多波束基站天线700还可以包括辅助透镜740(参照图7B)、反射器750、天线罩760、端盖770、托盘780(参照图7B)和输入/输出端口790中的一个或多个。在下面的描述中，方位平面垂直于RF透镜730的纵轴，并且仰角平面与RF透镜730的纵轴平行。
该RF透镜730被用于将线性阵列710的辐射覆盖模式或“波束”710聚焦在方位方向上。例如，RF透镜730可以将每个线性阵列710输出的波束(图7B中标记为“波束1”、“波束2”和“波束3”)的3dB波束宽度在方位平面中从约65°收缩到约23°。虽然天线700包括三个线性阵列710，但是应当理解，可以使用不同数量的线性阵列710。
每个线性阵列710包括多个辐射元件712(参照图8、图9A和9B)。每个辐射元件712可以包括例如偶极子、贴片或任何其他适当的辐射元件。每个辐射元件712可以实现为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。
RF透镜730缩窄每个线性阵列710的半功率波束宽度(“HPBW”)，同时增加例如在图7A和7B中描绘的3波束多波束天线700的约4-5dB的波束增益。所有三个线性阵列710共享相同的RF透镜730，因此每个线性阵列710以相同的方式改变其HPBW。辐射元件712的线性阵列710的纵轴可以与透镜730的纵轴平行。在其他实施例中，线性阵列710的轴可以向透镜730的轴稍微倾斜(2-10°)(例如为了更好的回波损耗或端口到端口的隔离调谐)。
如上所述的多波束基站天线700可用于增加系统能力。例如，传统的65°方位角HPBW天线可以用如上所述的多波束基站天线700代替。这将增加基站的业务处理能力，因为每个波束将具有4-5dB的更高增益，因此可以在相同的服务质量下支持更高的数据速率。在另一示例中，可以采用多波束基站天线700来减少塔架或其他安装位置处的天线计数。由天线700产生的三个波束(“波束1”、“波束2”、“波束3”)示意性地示出图在7B中。用于每个波束的方位角可以近似地垂直于每个线性阵列710的反射器750。在所描绘的实施例中，三个波束中的每个的-10dB波束宽度约为40°，并且每个波束的中心分别指向-40°、0°和40°的方位角。因此，三个波束一起提供120°的覆盖范围。
在一些实施例中，RF透镜730可以由在整个透镜结构上具有大致均匀的介电常数的介电材料732形成。在一些实施例中，RF透镜730还可以包括壳体，例如中空的轻质结构，其保持介电材料732。这与由具有不同介电常数的多层介电材料形成的传统Luneburg透镜形成对比。与Luneburg透镜相比，透镜730可以更容易制造且制造成本更低，并且还可以更紧凑。在一个实施例中，RF透镜730可以由这样一种复合介电材料732形成，该复合介电材料732具有为大约1.8的大致均匀的介电常数和为将要通过辐射元件712发射的信号的中心频率的大约2个波长(λ)的直径。
在一些实施例中，RF透镜730可以具有圆柱形状。在其他实施例中，RF透镜730可以包括椭圆柱，其可以提供额外的性能改进(例如减小中心波束的旁瓣)。也可以使用其他形状。
该RF透镜730可以使用上面参照图1-6B和14-19所讨论过的根据本发明的一些实施例(及其上述变型)的任何复合介电材料作为复合介电材料732而形成。复合介电材料732聚焦从线性阵列710辐射并由线性阵列710接收的RF能量。
图8是包括在图7A-7B的多波束基站天线700中的线性阵列710之一的透视图。线性阵列710包括多个辐射元件712、反射器750、移相器/分频器718和两个输入连接器790。移相器/分频器718可以用于仰角平面中的波束扫描(波束倾斜)。可以为每个线性阵列710提供一个或多个移相器/分频器718。
图9A-9B更详细地示出了辐射元件712。特别是，图9A是双极化辐射元件712之一的平面图，而图9B是双极化辐射元件712的侧视图。如图9A所示，每个辐射元件712包括四个偶极子714，它们以正方形或“盒式”排列布置。四个偶极子714由进给杆716支撑，如图9B所示。每个辐射元件712可以包括两个线性正交极化(倾斜+45°/-45°)。
应当理解的是，可以使用任何适当的辐射元件712。例如，在其他实施例中，线性阵列710可以包括盒式辐射元件，其配置成以如美国专利No.7,405,710(该专利通过引用结合于此)所示的彼此交错的不同频带辐射。在这些线性阵列中，第一盒式偶极子辐射元件阵列同轴地设置在第二盒式偶极子组件内并位于一条线上。这允许有透镜天线在两个频带(例如0.79-0.96和1.7-2.7GHz)下操作。为了使天线在两个频带下提供类似的波束宽度，高频带辐射元件应该具有导向器。在这种情况下，低频带辐射元件可以具有例如65-50°的HPBW，并且高频带辐射元件可以具有45-35°的HPBW，结果，有透镜天线将在跨越两个频带上具有为大约23°的稳定HPBW(以及约为40°×-10dB电平的波束宽度)。下面的图10提供了可以与根据本发明的实施例的透镜一起使用的双频带天线的示例。
如图7B中进一步所示，多波束基站天线700还可以包括一个或多个辅助透镜740。辅助透镜740可以放置在每个线性阵列710A、710B和710C与RF透镜730之间。辅助透镜740可以有利于方位角波束宽度稳定。辅助透镜740可以由介电材料形成，并且可以成形为例如杆、圆柱或立方体。也可以使用其他形状。
使用诸如透镜730之类的圆柱形透镜可以减少在仰角平面中的栅瓣(以及其他远旁瓣)。这种减少是由于透镜730仅聚焦主波束并使远旁瓣散焦。这允许增加天线元件712之间的间隔。在非透镜型天线中，阵列中的辐射元件之间的间隔可以被选择成使用dmax/λ<1/(sinθ0+1)的标准来控制栅瓣，其中dmax是最大允许间隔，λ是波长，而θ0是扫描角度。在有透镜天线700中，间隔dmax可以增加：dmax/λ＝1.2～1.3[1/(sinθ0+1)]。因此，透镜730允许对于多波束基站天线300增加辐射元件712之间的间隔，同时将辐射元件的数量减少20-30％。这导致多波束基站天线700的额外成本优势。
再参照图7A和7B，天线罩760、端盖770和托盘780保护天线700。天线罩760和托盘780可以由例如挤压型塑料形成，并且可以是多个部件或实施为单件。在其他实施例中，托盘780可以由金属制成，并且可以用作附加反射器以改善天线700的前后比。在一些实施例中，RF吸收器(未示出)可放置在托盘780与线性阵列710之间，用于额外的后瓣性能改善。透镜730间隔开，使得线性阵列710的孔指向透镜730的中心轴。
图7A-7B的天线700具有这样一种RF透镜730，其具有平坦的顶部和平坦的底部，这可以便于制造和/或组装。然而，应当理解，在其他实施例中，可以使用具有圆形(半球形)端部的RF透镜。半球形端部可以对在线性阵列710的相应端部处的辐射元件712在仰角平面中提供额外的聚焦。这可以改善天线的整体增益。
将同样可以理解的是，根据本发明的实施例的透镜可以用于双和/或多频带基站天线。这种天线可以包括例如提供用于以698-960MHz频带以及1.7-2.7GHz频带发射和接收的端口(或者作为另一示例，提供用于以1.7-2.7GHz频带和3.4-3.8GHz频带发射和接收的端口)的天线。当直径D＝1.5-6λ(其中λ是发射信号的中心频率在自由空间中的波长)时，均匀圆柱形RF透镜工作良好。因此，可以相对于上述示例性频带使用这种透镜，因为可以将透镜的直径选择为使得透镜相对于两个频带都表现良好。为了为两个频带提供相同的方位角波束宽度(如果在特定应用中需要)，可以使低频带线性阵列的方位角波束宽度(在通过RF透镜之前)大致与两个频带的中心频率之比成比例地宽于高频带线性阵列的方位角波束宽度。
图10示意性地示出了用于低频带和高频带阵列的辐射元件的示例性配置，这些辐射元件可以用于根据本发明另一些实施例的示例性双频带多波束有透镜天线。图10中所示的线性阵列800例如可以被用于代替图7A-7B的天线700中的线性阵列710。
如图10所示，在一种配置中，形成第一线性阵列810的低频带辐射元件820和形成第二线性阵列830的高频带辐射元件840可以安装在反射器850上。辐射元件820、840可以一起布置在单一列中，使得线性阵列810、830共线并分散。在所描绘的实施例中，低频带辐射元件820和高频带辐射元件840都实现为盒式偶极子元件。在所描绘的实施例中，每个高频带元件840包括导向器842，其使高频带辐射元件的方位角波束宽度变窄。例如，在一个实施例中，低频带线性阵列810具有约65°-75°的方位角HPBW，并且高频带线性阵列830具有约40°的方位角HPBW，并且多波束有透镜天线的所得HPBW在两个频带中为约23°。
图11是根据本发明另一些实施例的有透镜基站天线900的示意性侧视图。如图11所示，基站天线900包括单列相控阵天线900，其包括用于每个辐射元件的球面透镜RF。参照图11，天线900包括安装在安装结构910上的多个辐射元件912。天线900还包括多个RF透镜930。RF透镜930可以安装在第一列中。第一列可以沿基本垂直于由第一列限定的平面的方向上延伸。辐射元件912可以安装在第二列中。当安装天线900以供使用时，方位平面垂直于天线900的纵轴，并且仰角平面与天线900的纵轴平行。辐射元件912可以包括任何合适的辐射元件，包括例如上述任何辐射元件。
如图11所示，每个辐射元件912可以与球形RF透镜930中的相应一个相关联，其中每个辐射元件912被配置为通过其相关的RF透镜930发射辐波束。辐射元件912及其相关的球形RF透镜930的组合可以提供在方位角和仰角方向上变窄的辐射模式。对于工作在约2GHz的天线，220mm球形RF透镜930可以用于产生约35度的方位半功率波束宽度。球形RF透镜930可以包括(例如填充有或由其组成)例如本文所述的任何复合介电材料。球形RF透镜930的介电材料聚焦从相关辐射元件912辐射并由相关辐射元件912接收的RF能量。
将每个球形RF透镜930用于将由其相关辐射元件912发射的覆盖模式或“波束”以期望的量聚焦在这两个方位角和仰角方向上。在一个示例性实施例中，球形RF透镜930的阵列可以在方位平面上将单列相控阵天线900输出的合成波束的3dB波束宽度从约65°收缩到约23°。通过缩窄单列相控阵天线900的半功率波束宽度，在一些示例性实施例中，天线的增益可以增加例如大约4-5dB。在其他实施例中，可以改变RF透镜的直径以实现天线波束的变宽或变窄，较大直径的透镜比较小直径的透镜更多地收缩天线波束。作为另一示例，根据本发明的实施例的RF透镜可以用于在方位平面上将相控阵天线输出的合成波束的3dB波束宽度从约65°收缩到约33°。
也应该理解的是，RF透镜收缩穿过其中的天线波束宽度的量随正在由天线发射和接收的信号的频率而变化。特别地，RF信号在通过透镜时循环的波长数量越大，相对于天线波束将发生的聚焦越多。例如，与收缩1.7GHz波束相比，特定的RF透镜将收缩2.7GHz波束更多。
有许多这样的天线应用，其中多个不同频率范围的信号通过同一天线发射。一个常见的例子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业务，例如，使用900MHz(即990-960MHz)和1800MHz(即1710-1880MHz)频带的GSM业务，使用1920-2170MHz频带的UTMS业务，以及使用2.5-2.7GHz频带的LTE业务。单根基站天线可以具有多个不同类型的辐射元件阵列，其支持两种或更多种不同类型的蜂窝业务，和/或可以具有发射和接收用于多种不同类型的业务的信号的宽带辐射元件。
当RF透镜与这样的天线一起使用时(以及在不可能或不实际使用用于不同类型的辐射元件的不同RF透镜的情况下)，可以使用Luneburg透镜部分抵消频率之差对不同频带的天线波束的波束宽度的效应。然而，在某些情况下，即使当使用Luneburg透镜，用于高频带的波束可能比用于较低频带的波束更紧密地聚焦。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(或者至少对于由特定列的辐射元件服务的所有频率)是相同的。
根据本发明的另一些实施例，提供一种天线，其具有这样一些辐射元件，这些辐射元件具有随着可以用于抵消RF透镜可能对作为频率的函数的波束宽度的变窄效应的频率而增加的波束宽度。图12是图示具有随着频率增加而增加的波束宽度的这种辐射元件可以如何用于抵消可能在RF透镜中发生的波束宽度的变窄的曲线图。在图12中，曲线950图示了作为频率的函数的天线的辐射元件的波束宽度，而曲线952图示了RF透镜对作为频率的函数的波束宽度的影响。曲线954表示曲线950和952的组合，示出了可以将具有随频率的函数而变化的波束宽度的辐射元件与RF透镜结合起来使用以提供在宽频率范围上相对恒定的天线波束。
基于上述描述，应该理解的是，根据本发明的实施例的天线可以是：多频带天线，其包括多列不同类型/大小的辐射元件，这些辐射元件被设计为发射/接收不同频带下的信号；和/或具有宽带辐射元件的天线，其被设计用于发射和接收多个不同频带下的信号。在一些实施例中，这些天线可以包括被设计成具有以上述方式随频率变化的波束宽度的辐射元件。在一些实施例中，所述变型在整个目标频带上可以是相对线性的。根据本发明的实施例的这些天线可以使用本文描述的任何RF透镜。
RF透镜930可以被安装成使得它们沿第一垂直轴大致对齐，而辐射元件912可以被安装成使得它们沿着平行于第一垂直轴线延伸的第二垂直轴线大致对齐。如图11所示，每个辐射元件912的中心可以沿着第二垂直轴线垂直地定位在高于其相关球形RF透镜930的中心沿着第一垂直轴线定位的点处。每个辐射元件912可以相对于其相关球形RF透镜930定位，以便当被激发时，由辐射元件912发射的辐射模式的中心指向其相关球形RF透镜930的中心点。每个辐射元件912可以定位在离其相关球形RF透镜930相同的一距离处，该距离与其他辐射元件912相对于它们的相关球形RF透镜930的距离相同。
在一些实施例中，每个辐射元件912可以相对于第二垂直轴线成一定角度。特别地，每个辐射元件912可以相对于第二垂直轴线机械地向下成角度或“下倾”。例如，每个辐射元件912可以从水平方向向下机械地倾斜5度。另外，每个辐射元件912可以相对于其相关球形RF透镜930布置成轨道(即指向球形RF透镜930的中心)。
一些优点可以在包括辐射元件和与每个辐射元件相关联的单独球形RF透镜的阵列的天线来实现。例如，如上所述，可以在方位角和仰角方向上利用更少的辐射元件实现变窄的半功率波束宽度。例如，单列的五个辐射元件和相关球形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，天线可受益于降低的成本、复杂性和尺寸。而且，与所有辐射元件912共用的单个圆柱形透镜相比，需要较少介电材料来形成球形RF透镜930的线性阵列。对于每个球面RF透镜930，透镜体积＝4/3*π*r3，其中“r”是球体的半径。例如，对于具有长度L＝8r、包括四个辐射元件和球面透镜的天线，球形RF透镜的总体积将是16/3*π*r3，而等效圆柱形透镜的体积将是8*π*r3，或1.33倍多。球形RF透镜930还提供改进的交叉极化性能的额外益处。
根据本发明的实施例，提供了各种复合介电材料，其可以被用于形成RF透镜，该RF透镜适合用于与基站天线和/或其他多波束和/或相控阵天线一起使用。本文公开的许多复合介电材料包括轻质基础介电材料，其与高介电常数介电材料或导电材料耦合。合适的轻质基础介电材料包括例如三聚氰胺泡沫、聚苯乙烯泡沫珠、层状泡沫、泡沫聚合物复合材料、泡沫糊和空气电介质(即在高介电常数材料或导体自支撑的实施例中基础介电材料可能只是空气)。合适的高介电常数介电材料或导电材料包括闪光片、金属薄片、金属箔、金属线、炭黑和/或高介电常数粉末(例如陶瓷或金属氧化物粉末)。应当理解的是，这些材料可以以任何方式组合以提供其他实施例，并且上面参照附图描述的实施例可以以任何方式类似地组合以提供其他实施例。
尽管上面的描述主要集中在蜂窝通信系统中与基站天线一起使用RF透镜，但应该容易理解的是，本文所公开的RF透镜和包含在这些公开的RF透镜中的复合介电材料可以被用在各种其他天线应用，特别是包括使用相控阵天线、多波束天线或反射器天线(如抛物面蝶形天线)的任何天线应用。举例来说，用于蜂窝网络和传统公共业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业务。这些点对点系统通常使用相对较大的抛物面碟形天线(例如直径在一到六英尺范围内的抛物面碟形天线)，并且可以与小于一英里到数十英里长的链路上的类似天线通信。通过提供更聚焦的天线波束，可以伴随着成本和天线塔架负载的减少而减小抛物面蝶形天线的尺寸，和/或可以增加天线增益，从而增加链路吞吐量。因此，应当理解的是，本发明的实施例远远超出基站天线，并且本文公开的RF透镜可以与任何合适的天线一起使用。作为一个例子，图13图示了有透镜天线960，其包括抛物面反射器天线962和球形RF透镜964，其中RF透镜964可以是本文公开的任何RF透镜。
也应该理解的是，用于微波回程系统的抛物面反射器天线只是这样一些应用的另一个例子：其中本文公开的RF透镜可以用于改善通信系统的性能。其他非限制性示例包括飞机、船舶、移动车辆等上的定向天线。RF透镜同样可以用在雷达系统天线、卫星通信天线(基于地面和基于卫星的天线)或使用碟形天线或多元件阵列天线的任何其他应用上。在这样的应用中，这里公开的RF透镜可以用于使天线更小和更轻和/或可以用于增加天线的增益。
应当理解的是，许多修改可以对上述实施例作出，而不脱离本发明的范围。例如，关于上面描述的轻质复合介电材料(其形成为用于构建透镜的小块)，应当理解的是，不同的高介电常数材料可以用于不同的块和/或相同的块。同样，不同的块可以包括不同的轻质基础介电材料。
虽然关于一个波束和三个波束天线描述了前述示例，但也应当想得到包括例如具有2个、4个、5个、6个或更多个波束的天线的额外实施例。还应当理解的是，透镜可以被用于使基站天线的至少方位角从第一值变窄到第二值。第一值可以包括例如大约90°、65°或各种其他方位角波束宽度。第二值可以包括大约65°、45°、33°、25°等。还应当理解的是，在根据本发明的实施例的多频带天线中，对于不同频带的线性阵列，窄化程度可以相同或不同。
本发明的实施例已经在上面参照示出本发明的一些实施例的附图进行了描述。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这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并且向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的附图标记始终指代相同的元件。
应当理解的是，尽管术语“第一”、“第二”等可在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语限制。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。如这里所使用的那样，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
应当理解的是，当一个元件被称为“在”另一元件上时，它可以直接在另一元件上或中间元件也可能存在。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。还应该理解的是，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。用于描述元件之间的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)。
本文可使用诸如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”之类的相对术语来描述一个元件、层或区域与如各附图中所示的另一个元件、层或区域的关系。应当理解的是，这些术语旨在除了各附图中所示的取向之外，还包括装置的不同取向。
本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不是意在限制本发明。如这里所使用的那样，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。应该进一步理解的是，术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“具有”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。
上面公开的所有实施例的各方面和元件可以以任何方式组合和/或与其他实施例的各个方面或元件组合，以提供多个额外的实施例。

Claims (29)

1.一种有透镜天线，包括：
辐射元件的阵列；以及
透镜，其定位成从至少一个所述辐射元件接收电磁辐射，该透镜包括复合介电材料，
其中所述复合介电材料包括：
第一网状泡沫材料；
粘合剂；和
第二材料的颗粒，其分散在所述第一网状泡沫材料的整个内部，
其中所述第二材料是导电材料或介电常数高于所述第一网状泡沫材料的介电常数的介电材料中的一者。
2.如权利要求1所述的有透镜天线，其中所述第二材料是介电常数高于所述第一网状泡沫材料的介电常数的介电材料。
3.如权利要求2所述的有透镜天线，其中所述第二材料的颗粒包括炭黑颗粒、陶瓷电介质颗粒和非导电金属氧化物颗粒中的至少一种。
4.如权利要求2所述的有透镜天线，其中所述粘合剂包括油。
5.如权利要求2所述的有透镜天线，其中所述第一网状泡沫材料具有开孔结构，并且所述粘合剂将所述第二材料的颗粒粘合至所述第一网状泡沫材料。
6.如权利要求1所述的有透镜天线，其中所述第二材料是导电材料。
7.如权利要求6所述的有透镜天线，其中所述导电材料的颗粒包括闪光薄片和/或金属薄片。
8.如权利要求6所述的有透镜天线，其中所述导电材料的颗粒包括金属颗粒。
9.如权利要求6所述的有透镜天线，其中所述导电材料的颗粒包括切碎的绝缘线段。
10.如权利要求6所述的有透镜天线，其中所述粘合剂包括油。
11.如权利要求6所述的有透镜天线，其中所述第一网状泡沫材料具有开孔结构，并且所述粘合剂将所述导电材料的颗粒粘合至所述第一网状泡沫材料。
12.一种有透镜天线，包括：
多个辐射元件；以及
透镜，其定位成从至少一个所述辐射元件接收电磁辐射，该透镜包括复合介电材料，
其中所述复合介电材料包括分散在多个泡沫电介质颗粒之间的多个第一介电材料的颗粒，并且
其中所述第一介电材料具有比所述泡沫电介质颗粒更高的介电常数。
13.如权利要求12所述的有透镜天线，其中所述泡沫电介质颗粒是等轴泡沫电介质颗粒。
14.如权利要求13所述的有透镜天线，其中所述第一介电材料包括炭黑。
15.如权利要求13所述的有透镜天线，其中所述第一介电材料包括陶瓷电介质粉末。
16.一种天线，包括：
多个辐射元件；以及
透镜，其定位成从至少一个所述辐射元件接收电磁辐射，该透镜包括多个复合介电材料块，
其中至少一些复合介电材料块包括第一介电材料片材和第二介电材料片材，在第一介电材料片材和第二介电材料片材之间具有第三介电材料片材，其中所述第三介电材料片材的厚度小于所述第一介电材料片材的厚度的10％并且小于介电材料片材厚度的10％。
17.如权利要求16所述的天线，其中所述第三介电材料片材的第三介电常数高于所述第一介电材料片材的第一介电常数，并且高于所述第二介电材料片材的第二介电常数。
18.如权利要求16所述的天线，其中所述第一介电材料片材包括第一泡沫介电材料片材，而所述第二介电材料片材包括第二泡沫介电材料片材。
19.如权利要求16所述的天线，其中所述第一介电材料片材包括第一膨胀介电材料片材，而所述第二介电材料片材包括第二膨胀介电材料片材。
20.一种有透镜天线，包括：
多个辐射元件；以及
透镜，其定位成从至少一个所述辐射元件接收电磁辐射，该透镜包括复合介电材料，
其中所述复合介电材料包括：
多个可膨胀充气微球；
粘合剂；以及
多个第一介电材料的颗粒，其分散在所述可膨胀充气微球之间。
21.如权利要求20所述的有透镜天线，其中所述第一介电材料包括炭黑粉末。
22.如权利要求20所述的有透镜天线，其中所述第一介电材料包括陶瓷电介质粉末。
23.一种有透镜天线，包括：
辐射元件的阵列；以及
透镜，其定位成从至少一个所述辐射元件接收电磁辐射，该透镜包括复合介电材料，
其中所述复合介电材料包括：
固化泡沫聚合物材料，其具有蜂窝结构；以及
颗粒，其分散在所述固化泡沫聚合物材料的整个内部。
24.如权利要求23所述的有透镜天线，其中所述颗粒是高介电常数材料的颗粒。
25.如权利要求24所述的有透镜天线，其中所述高介电常数材料的颗粒包括炭黑颗粒、陶瓷电介质颗粒和非导电金属氧化物颗粒中的至少一种。
26.如权利要求23所述的有透镜天线，其中所述颗粒是导电颗粒。
27.如权利要求26所述的有透镜天线，其中所述导电颗粒包括闪光薄片、金属薄片、切碎的绝缘金属纤维和金属粉末中的至少一种。
28.一种有透镜天线，包括：
多个辐射元件；以及
透镜，其定位成从至少一个所述辐射元件接收电磁辐射，该透镜包括透镜容器和复合介电材料，
其中所述复合介电材料包括填充透镜容器的一个或多个褶皱金属片材单元。
29.如权利要求28所述的有透镜天线，其中所述一个或多个褶皱金属片材单元中的每个包括绝缘外层。
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