CN110611173A - 带透镜基站天线 - Google Patents

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Abstract

一种带透镜天线系统(10)包括具有第一纵向轴线和第一方位角的第一列辐射元件(20a)，可选的具有第二纵向轴线和第二方位角的第二列辐射元件(20b)，和射频透镜(30)。射频透镜具有第三纵向轴线。射频透镜(30)被设置为使得第一列辐射元件和第二列辐射元件(20a，20b)的纵向轴线与射频透镜(30)的纵向轴线对齐并且由这些辐射元件列产生的波束的方位角被指向射频透镜。多波束天线系统还包容置着这些辐射元件列和射频透镜的天线罩(60)。可以具有多于或少于两列的辐射元件。透镜使天线阵列的HPBW变窄同时增加它们的增益因此增大系统容量。

Description

带透镜基站天线
本申请是2014年9月9日提交的申请号为“201480057832.5”发明名称为“带透镜基站天线”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年4月3日提交的美国申请No.14/244,369和于2013年9月9日提交美国临时申请No.61/875,491的优先权，它们被整体以引用方式并入本文。
背景技术
本发明总体上涉及无线电通信，并且更具体涉及在蜂窝通信系统中使用的多波束天线。
蜂窝通信系统的名字起源于这样一个事实：通信覆盖的区域在地图上分为小区。每个这种小区配置有一个或多个天线，天线被构造用于提供与在地理位置上位于该给定小区内的手机用户的双路无线/RF通信。一个或多个天线可服务该小区，其中通常使用的多个天线分别被构造用于服务小区的扇区。典型的，多个这些扇区天线被配置在塔上，辐射波束通过每个向外指向的天线产生，以服务相应小区。
常见的无线通信网络规划包括服务三个六边形形状的小区或扇区的基站。这通常已知为三扇区配置。在三扇区配置中，给定的基站天线服务120°扇区。典型地，65°半功率波宽(HPBW)天线为120°扇区提供覆盖。三个120°扇区提供360°覆盖。其它分区方案也可采用。例如，六个、九个、和十二个扇区位置已经建议了。六个扇区部位可包括六个指向的基站天线，每一个具有服务60°扇区的33°HPBW天线。在其它提议的解决方案中，单一列、多列阵列可通过馈送网络驱动，以从单一孔隙产生两个或更多个波束。例如，参考美国文献No.20110205119，该文献被以引用方式并入本文。
增加扇区的数量会增大系统的容量，因为每个天线能够服务更小的区域。然而，将覆盖区域分成更小的扇区也有缺点，因为覆盖窄扇区的天线通常比覆盖较宽扇区的天线具有更多的、间隔更宽的辐射元件。例如，典型的33°HPBW天线通常是常见的65°HPBW天线的两倍宽度。因此，成本和空间需求增加了，因为小区被分成更大数量的扇区。
为了解决这些问题，已经研发出利用多波束形成网络(BFN)驱动辐射元件的平面阵列、比如巴特勒矩阵的天线。然而，BFN具有很多固有的缺陷，包括不对称波束以及与端口隔离度、增益损失和狭窄频带有关的问题。基于传统椤勃柱面透镜的多波束天线的类别(Henry Jasik:"Antenna Engineering Handbook",McGraw-Hill,New York,1961,p.15-4)已经尝试着解决这些问题。虽然这些透镜可能具有更好的性能，但经典椤勃透镜(每一层中具有不同电介质的多层柱面透镜)成本高并且制造过程极其复杂。另外，这些天线系统存在很多问题，包括在宽频带上的波宽稳定性和高交叉-极化水平。因此，需要一种以可接受的成本解决这些问题用于提供高性能多波束基站天线的天线系统。
发明内容
在本发明的一个例子中，提供了一种多波束天线系统。多波束天线系统包括具有第一纵向轴线和第一方位角的第一列辐射元件，具有第二纵向轴线和第二方位角的第二列辐射元件，和射频透镜。射频透镜具有第三纵向轴线。射频透镜被设置为使得第一列辐射元件和第二列辐射元件的纵向轴线与射频透镜的纵向轴线对齐并且使得由这些辐射元件列产生的波束的方位角被指向射频透镜。一个或多个辐射元件列可被在俯仰平面中相对于射频透镜的轴线稍稍倾斜。多波束天线系统还包括容置着这些辐射元件列和射频透镜的天线罩。
可以具有多于或少于两列辐射元件。在一个例子中，多波束天线系统包括三列辐射元件。每一列辐射元件产生的波束在经过射频透镜后具有大约40°的-10dB波宽。这些辐射元件列被布置为使得这些波束相对于天线系统的视轴分别具有-40°，0°，40°的方位角。
在一个例子中，射频透镜是圆柱，其直径在这些辐射元件列的额定操作频率波长的大约1.5-5倍范围内。射频透镜可比辐射元件的列长。
在本发明的另一方面中，射频透镜包括具有基本上一致的介电常数的介电材料，该介电常数可在1.5至2.3的范围内。射频透镜可包括多种介电颗粒。在本发明的另一发明中，辐射元件是双极化辐射元件，具有双线性+/-45°极化。
在本发明的另一方面中，辐射元件被配置为具有随频率的增加而单调减小的方位波宽。例如，辐射元件可包括盒形偶极子阵列。辐射元件可还包括一个或多个用于稳定由带透镜天线形成的波束的导向偶极子。
在本发明的另一方面中，每一列元件可包括适于在不同频带下操作的两个或更多个辐射元件阵列。例如，辐射元件的列可包括高频带元件和低频带元件。在一个例子中，高频带辐射元件的数量是低频带元件数量的大约两倍。高频带辐射元件可产生波束，该波束在经过射频透镜之前的方位波宽比所述多个低频带元件产生的波束的波宽窄。这允许这些波束在经过射频透镜之后具有大约相等的波宽。
在一个例子中，高频带辐射元件包括使波宽变窄的导向偶极子。在另一例子中，高频带元件布置于与布置低频带元件的线平行的两条线上以变窄所述高频带元件产生的波宽。
在本发明的另一方面中，多波束天线系统可还包括设置于射频透镜和一个或多个辐射元件列之间的介电材料片。该介电材料片可还包括设置于所述介电材料片上的线。该介电材料片可还包括设置于所述介电材料片上的槽。第二介电材料片可被包括用于改进多波束天线的端口隔离度。
在本发明的另一方面中，多波束天线系统可还包括设置于辐射元件列和所述射频透镜之间的二次射频透镜。该二次透镜可包括介电杆。可选地，二次透镜可包括设置于每个辐射元件处的介电块。
本发明不必限制于多波束天线。在本发明的另一例子中，天线系统可包括至少一个具有第一纵向轴线和方位角的辐射元件列；包括多种介电颗粒并且具有第二纵向轴线的射频透镜，所述射频透镜被设置为使得第二纵向轴线与第一纵向轴线基本上对齐并且所述方位角被指向第二纵向轴线；和容置着所述辐射元件列和所述射频透镜的天线罩。
所述多种介电颗粒可引入线。在另一例子中，介电颗粒可包括在射频透镜的体积中均匀分布的至少两种类型的颗粒。在另一例子中，其中一些介电颗粒包含左手材料。
在本发明的另一方面中，射频透镜(或者用于单一波束或者用于多波束天线)可包括具有不同的各向异性的两种不同类型的介电材料。例如，其中一种介电材料具有各向异性。在另一例子中，两种不同类型的介电材料包括两种不同的各向异性材料。在另一例子中，该两种各向异性材料以不等比例混合。在另一例子中，该两种各向异性材料在第二纵向轴线的方向上以及在垂直于第二纵向轴线的轴线的方向上具有不同值的介电常数。
在本发明的另一方面中，射频透镜(或者用于单一波束或者用于多波束天线)可包括覆盖天线系统的后面区域的反射器。天线可还包括布置于所述辐射元件列和所述反射器之间的吸收器。
附图说明
图1a是示出了示例性的带透镜多波束基站天线系统的分解图的简图；
图1b是示出了示例性的装配的带透镜多波束基站天线系统的断面图的简图；
图2是示出了在带透镜的多波束基站天线系统中使用的示例性线性阵列的简图；
图3a是示出了示例性的盒形式双极化天线辐射元件的俯视图的简图；
图3b是示出了示例性的盒形式双极化天线辐射元件的侧视图的简图；
图3c是示例性的盒形式双极化天线辐射元件的等效偶极子的简图；
图4是示出了所测量的用于示例性的装配的带透镜多波束基站天线系统的天线方位波宽与频率的曲线的简图；
图5是示出了在带透镜多波束基站天线系统中用于方位波束稳定性的示例性二次透镜的简图；
图6是示出了在带透镜多波束基站天线系统中使用的交叉导向偶极子(director)的示例性系统的简图；
图7是示出了在带透镜多波束基站天线系统中使用的示例性天线补偿器的简图；
图8是示出了用于带有和不带有透镜的示例性多波束基站天线系统的、所测量到的俯仰图样的简图；
图9是示出了用于示例性三-波束带透镜基站天线系统的中心天线波束的、所测量到的方位同极化和交叉极化的辐射图样的简图。
图10是示出了在方位面中测量到的、用于示例性三-波束带透镜基站天线系统的所有三个波束的辐射图样的简图；
图11是示出了通过三个示例性三-波束带透镜基站天线系统进行九个扇区小区覆盖的简图。
图12是示出了柱面透镜具有半球形端部的另一示例性带透镜基站天线的侧视图的简图；
图13是示出了在双频带带透镜多波束基站天线系统中使用的、两个不同频带的辐射元件列的简图；
图14是示出了在双频带带透镜多波束基站天线系统中使用的、两个不同频带的另一示例性辐射元件列的简图；和
图15是示出了在双频带带透镜多波束基站天线系统中使用的、两个不同频带的另一示例性辐射元件列的简图。
具体实施方式
参考附图，开始参考图1a，1b，图1a中示出了多波束基站天线系统10的一个实施例的分解图，其截面图在图1b中示出了。在最简单的形式中，多波束基站天线系统10包括一个或多个辐射元件的线性阵列20a，20b和20c(在这里也称为“天线阵列”或“阵列”)和射频透镜30。各阵列20可具有与透镜30近似相同的长度。多波束基站天线系统10可还包括第一补偿器40，第二补偿器42，二次透镜43(在图1b中示出了)，反射器52，天线罩60，端盖64a和64b，吸收器66和端口(RF连接器)70。在下面的说明中，方位面正交于射频透镜30的轴线，俯仰平面平行于透镜30的轴线。
在图1a，1b示出的实施例中，射频透镜30聚焦阵列20a，20b和20c的方位波束，例如，将它们的3dB波宽从65°改变为23°。在图1a，1b示出的实施例中，示出了三个线性的天线阵列20a，20b，和20c，但可使用任何数目和/或形状的阵列20。多波束基站天线系统10的波束的数目与阵列20a，20b和20c的端口70的数目相同。在图1a，1b中，阵列20中的每一个阵列具有2个端口，一个用于+45°极化和另一个用于-45°极化。
操作中，透镜30使天线阵列20a，20b和20c的HPBW变窄，但增大它们的增益(对于图1中示出的3-波束天线来说增大4-5dB)。例如，天线阵列20a，20b和20c的辐射元件列的纵向轴线可平行于透镜30的纵向轴线。在其它实施例中，天线阵列20的轴线可相对于透镜30的轴线被稍稍倾斜(2-10°)(例如，用于更好地回波损耗或端口隔离度调谐)，但阵列的轴线和透镜的轴线仍位于同一平面内。所有天线阵列20共用单一透镜30，所以每个天线阵列20a，20b和20c使它们的HPBW以相同的方式变化。
如上所述的多波束基站天线系统10可用于增大系统容量。例如，常规的65°HPBW天线可用如上所述的多波束基站天线系统10代替。这将增大基站的通信处理容量。在另一例子中，多波束基站天线系统10可被用来减少塔或其它安装位置的天线数量。
图1b中示出了装配的多波束基站天线系统10的断面图。图1b还示出了如何形成3个波束(波束1，波束2，波束3)。由天线阵列20a，20b和20c提供的波束的方位角在图1b中用虚线示出了。优选地，每个波束的方位角近似垂直于阵列20的反射器。例如，在图1b示出的实施例中，每个波束的-10dB波宽接近40°并且各波束的方向分别是-40°，0°，40°。
透镜30与已知的椤勃透镜相比一个区别是其内部结构。如图1b中所示，与具有多个不同Dk的层的已知椤勃透镜相比，透镜30的介电常数(“Dk”)是一致的(homogeneous)。具有一致的Dk的透镜30通常制造更容易且更便宜。而且，它更紧凑，直径小20-30％。在一个实施例中，Dk约为1.8且直径约为2倍波长λ的透镜使各波束聚焦并且提供具有低侧瓣(小于-17dB)的方位图，如图10和11中所示。在天线系统10具有三个波束的示例中，直径约为2倍波长且Dk＝1.9的透镜30提供比等效的现有技术天线系统小约30％的波宽，其中该现有技术的天线系统包括基于巴特勒矩阵类型BFN的平面阵列，这可以从所测量的HPBW得出：
还确认，均质的柱面透镜(当透镜的直径是1.5-5倍其在自由空间中的波长时)，与具有相同直径的多层椤勃透镜相比并且与通过几何光学预测的相比，具有大近似1dB的方向性。在这种情况下，介电柱面的特性可被解释为介电行进波天线(端射模式)与透镜操作模式(聚焦模式)的组合。该1.5-5倍波长的直径实施例可适用于形成2至10个波束，包括用于当前基站天线的多波束应用中的大部分应用。紧凑性是所建议的多波束基站天线系统的一个关键优势；与已知的多波束方案(基于椤勃透镜或巴特勒矩阵)相比天线更窄。
常规的椤勃透镜是在内部具有变化的折射率的球形对称透镜。在这里，透镜30优选地被成形为圆柱(例如，如果每个波束需要相同的形状)并且是均质的(不是多层)，如图1a和1b中所示。可选地或附加地，透镜30可包括椭圆柱，其可以提供附加的性能改进(例如，中心波束的侧瓣的减小)。也可使用其它形状。
在一些实施例中，透镜30可包括比如在2014年4月3日提交的美国专利申请No.14/244,369中公开的结构，该专利申请被整体以引用方式并入本文。如在该申请中公开的，透镜30可包括各种分段的腔室，以提供附加的机械强度。
透镜30可由介电材料的颗粒或块制成。该介电材料颗粒使从线性天线阵列20a，20b和20c辐射的、以及被线性天线阵列20a，20b和20c接收的射频能聚焦。该介电材料可以是在被以引用方式并入本文的美国专利No.8,518,537中公开的那种类型的人造电介质。在一个例子中，该介电材料颗粒包括多种随机分布的颗粒。该多种随机分布的颗粒由轻质介电材料制成。该轻质介电材料的密度范围可以，例如，是0.005至0.1g/cm3。至少一个针状导电纤维被嵌入每个颗粒内。通过改变颗粒内导电纤维的数量/定向，Dk可从1变化到3。在每个颗粒内嵌入至少两个导电纤维的情况下，所述至少两个导电纤维成阵列状布置，即具有包括这些导电纤维的一个或多个行。优选地，在每个颗粒内嵌入的这些导电纤维彼此不接触。
基站天线受振动和其它环境因素影响。使用腔室有助于减少介电材料颗粒的沉淀，增大透镜30的长期物理稳定性和性能。另外，介电材料颗粒可用轻微压缩和/或充填材料进行稳定。不同的技术可应用于不同的腔室，或所有腔室可使用相同的技术进行稳定。
具有常规椤勃柱面透镜的天线可以具有高交叉-极化水平。使用各向同性的(均质的)介电柱体还可以基于其几何形状(电场的竖直(V)和水平(H)分量的非对称性)提供入射EM波的去极化。当EM波横过柱体时，沿着柱体轴线(“VV”)的极化比垂直于柱体轴线(“HH”)的极化具有更大的相位延迟，实现去极化。
通过用在VV和HH方向上具有不同DK的介电材料构造射频透镜30，能够实现此去极化。为了补偿去极化，用于VV极化的DK必须小于用于HH极化的DK。DK差可能取决于各种各样的因素，包括柱体的大小以及波束波长和柱体直径之间的关系。换句话说，由柱体形状成形的透镜30导致的、自然发生的去极化的减小可使用各向异性的介电材料来实现。类似地，另一方面如果需要的话，可以通过使用各向异性材料形成90°的相位差来制造圆极化。
例如，各向异性材料可以是在被以引用方式并入本文的美国专利8,518,537中公开的具有导电纤维的介电颗粒。通过混合或排列具有不同成分和/或形状的不同颗粒能够实现在平行和垂直于柱体轴线的方向上的DK的不同值。例如，用极化+/-45°线性极化的入射波，在经过DK为2且直径大约两倍波长的介电柱体之后，具有约-8dB的交叉极化水平，此水平对于希望交叉-极化水平大约-15dB的某些商业应用可能是不可接受的。此增大的交叉-极化发生了，因为电场的VV分量与HH分量相比具有约-30°的相位差，并且椭圆极化被制造成轴向比约8dB。基于导电纤维的人造介电颗粒，比如在被整体以引用方式并入本文的美国专利No.8,518,537中公开的那些，在H和V场分量之间具有+20°的相位差(即，在相反方向上的相位差)。通过混合常规(regular)电介质与人造电介质，在VV和HH分量之间可以获得接近0°的相位差，并且天线的交叉-极化可被最小化(参考图10)，并且特别地在宽频带中可满足<-15dB，比如说1.7-2.7GHz。在一个实施例中，大约40％的常规电介质和60％的人造电介质的混合物(在文献中由于其异常特性也称为左手材料)被使用。还可以使用其它比值。
参考图2，更详细示出了在多波束基站天线系统10中使用的示例性线性天线阵列200。阵列200包括多个辐射元件210，反射器220，移相器/相位分隔器230，和两个输入连接器70。移相器/相位分隔器230可被用于在俯仰平面(elevation plane)中的波束扫描(波束倾斜)。每个辐射元件210包括两个线性正交极化(倾斜+/-45°，311，312)，如图3c中更详细示出的，其中4个等效偶极子313-316被示出，形成两个正交极化向量311，312。四个偶极子310排列成正方形，或成“盒”形，如图3a中所示，并且通过馈送杆(feed stalk)支撑，如图3b中所示。辐射元件210和反射器220的配置提供在方位面中的特殊形状的天线排列，方位波宽与频率接近线性相关。例如，对于图1中示出的三个波束的天线来说，所测量的辐射元件210的-3dB波宽与频率的关系曲线在图4中绘出了(曲线10)并且从62°(1.7GHz)变化到46°(2.7GHz)。利用透镜30的结果，整个天线的方位波宽在该频带中得以稳定(对于3dB的波宽参考曲线430，对于-10dB的波宽参考曲线420)。如从曲线420中看到的，-10dB的波宽非常接近可预期的40°：在45％的频带宽度上测量为40+/-3°)。波宽和波束位置稳定性对于多波束天线来说很重要，用于提供适当的小区覆盖。如果使用没有此特殊频率依附关系的辐射元件，整个天线的波束变化就会太大，即，-10dB的波宽作为频率的函数可能从30°变化到50°，并且被指定部分的照度非常低。例如，这些部分之间可能具有大缝隙(最高频率时高达30dB)(下降信号)或在较低频率时这些部分之间可能具有较大重叠，因为干扰原因这也是不可接受的。
方位波束稳定性对频率的影响可以通过图1b解释，其中，用于天线阵列20的方位波宽写作用于透镜30的方位波宽写作Θ。射频透镜提供聚焦效应，因此Θ与频率f成反比，而且与所照亮的透镜缝隙S也成反比：Θ＝k1/fS，其中，k1系数取决于振幅和相位分布(参考J.D.Kraus,Antennas,McGraw-Hill,1988,p.846)，并且
对于波束稳定性来说，应满足条件Θ(f1)＝Θ(f2)，或者：
如从方程(1)可看到的，对于带透镜天线10的波束的稳定性来说，线性天线20a，20b，20c应具有随频率单调地减小的方位波宽。对于较小的来说，即，天线元件210的方位波宽与频率成反比。此简化分析示出了线性天线20的方位波宽的频率依附关系的重要性。例如，对于最低的频率来说为了获得最大增益，应该使用整个聚焦面积，或S＝D，其中D是透镜的直径。这意味着为了获得最优的宽频带/超宽频带性能，在频带宽度的最低频率下应照亮整个透镜，并且在最高频率下应照亮中心区域。
使用“盒”形或方形辐射元件的另一例子在美国专利No.6,333,720中示出了，该专利被整体以引用方式并入本文。盒形阵列的四个偶极子辐射元件具有随频率单调减小的波宽，因为阵列因子与频率线性相反。当使用没有透镜的盒形辐射元件时，阵列因子主要帮助其实现大程度的频率依附(参考图4中的曲线410)。如图4所示，通过正确选择天线元件(4个偶极子排列成正方形或盒形元件)，带透镜天线的方位波宽能够被稳定(曲线420，430)。
此外，线性天线阵列可具有相互交叉的、具有不同频带的“盒形”元件，如美国专利7,405,710(其被以引用方式并入本文)中公开的，其中第一盒形偶极子组件被共轴地设置于第二盒形偶极子组件内并且布置在一直线上。这允许带透镜天线在两个频带(例如，0.79-0.96和1.7-2.7GHz)中操作。为了使带透镜天线在这两个频带中具有类似波宽，中心盒形元件(高频带元件)应具有导向偶极子(图6)。在这种情况下，低频带元件可具有，例如，65-50°的HPBW，高频带元件可具有45-35°的HPBW，因此，带透镜天线将具有跨越这两个频带的、约23°的稳定、的HPBW(并且波宽约40°，-10dB水平)。
多波束基站天线系统可包括一个或多个二次透镜。该二次透镜43可布置于阵列20a，20b和20c与透镜30之间用于更好的方位波宽稳定性，如图1B中所示。二次透镜可包括介电物体，比如图5中所示的杆510和520或六面体530。其它形状也可以使用。
如图6中所示，导向偶极子610也可以设置于辐射器上面，用于在宽频带中更好的波宽稳定性。导向偶极子610长度可以变化，例如，其可被选择用以缩窄较高频带的辐射图样，同时保留较低频带部分中的辐射图样不变。这种配置可导致阵列20a，20b和20c的方位图样与频率之间更明显的依附关系。
通过利用特别选择的元件210形状，介电部件/二次透镜510，520，530，和/或阵列元件210上面的导向偶极子610的组合，能够提供在非常宽频带中的稳定图样(例如，大于50％)。例如，如图4中所示，对于三-波束天线420来说，-10dB的波宽在1.7-2.7GHz频带中是40+/-4°(对于扇形覆盖区来说40°是最佳的)。现有技术中，此波宽可从28-45°变化，这对于小区扇区来说是不可接受的，因为太窄的波束可能导致在波束交叉方向上下降信号，并且宽波束(>45°)由于重叠可能导致扇区之间出现不希望的干涉。
如图8中所示，使用柱面透镜大大减少了俯仰平面中的栅瓣(和其它远旁瓣)(比较用于不带透镜的天线的曲线810，和用于带透镜的相同天线的曲线820)。典型地，对于图1中示出的3-波束天线，观察到5dB的栅瓣减少。该5dB的栅瓣减少与图1的带透镜天线相对于原始线性阵列20的5dB增益优势相关联。栅瓣的改进是由于透镜只聚焦主波束并且不聚焦远旁瓣。这允许增大天线元件之间的间距。对于现有技术来说，阵列元件之间的间距取决于栅瓣并且按照标准选择：dmax/λ<1/(sinθ0+1)，其中dmax是最大允许间距，λ是波长，θ0是扫描角(参考Eli Brookner,Practical Phased Array Antenna Systems,Artech House,1991,p.4-5)。在带透镜天线中，间距dmax可被增大：dmax/λ＝1.2～1.3[1/(sinθ0+1)]。因此，对于多波束基站天线系统10来说，透镜30允许辐射元件210之间的间距被增大，同时相对于相当的现有技术的系统来说将辐射元件的数目减少20-30％。这对于多波束基站天线系统10来说具有额外的成本优势。
如图7中所示，在最简单的情况下，补偿器40和42是具有特定介电常数和厚度的介电板。补偿器40和42的Dk和厚度可被选择成用于宽带回波损耗调节(在端口70处，>15dB)并且在所有端口70之间提供预期的端口隔离度(通常需要>30dB)。而且，第二补偿器42还可以补偿从透镜30外边界的反射，以进一步提高端口隔离度。补偿器40和42可具有各种形状，比如图7a，7b中示出的形状710，720，730，740，750和760。其它形状也可使用。
可选地，或附加地，短导电偶极子(长度＜＜λ)还可在补偿器40和42的表面上使用用于补偿各向同性的介电柱体的去极化。当EM波跨过偶极子时，当向量E平行于偶极子时将发生最大相位延迟并且当垂直时发生最小相位延迟。因此，去极化的过程可通过在补偿器40和42上设置不同定向的线进行控制。例如，线性极化的去极化可被减小(轴向比>20dB)，或者如果需要可被转换成圆形(轴向比接近0dB)。例如，补偿器720和740包括印刷在介电板上的短线，如图7a中所示：720具有横向线，740具有纵向线。用于极化调节的类似功能可利用在电介质上有槽(见720，730)以及由细介电杆(760)构成的补偿器实现，如图7中所示。因此，补偿器42，40被用于回波损耗和端口隔离度的提高以及(或)天线极化控制。可选地或附加地，这些线可设置于表面或透镜30上用于提供类似好处。
端盖64a和64b，天线罩60和托盘66提供天线保护。天线罩60和托盘66可被制成为一个挤出塑料件。其它材料和制造工艺也可以被使用。在一些实施例中，托盘66由金属制成并且用作附加反射器用于提高天线后瓣和前后比。在一些实施例中，RF吸收器(未示出)可被设置于托盘66和阵列20a，20b和20c之间用于附加的后瓣改进。透镜30被间隔开使得天线阵列20a，20b和20c的缝隙指向透镜30的中心轴线。安装支架53被用于将天线放置于塔上。
在图8中，示出了图1的多波束基站天线系统10的辐射图样，在波束的俯仰平面中测量(曲线820)，倾斜10°而d/λ＝0.92。为了进行比较，示出了不带射频透镜30的辐射图样(曲线810)，其具有5dB的更高栅瓣。在图9，10和11中，示出了在方位面中测量的、图1的多波束基站天线系统10的辐射图样。在图9中，示出了用于中心波束的同极化(910)和交叉极化(920)的方位图样。如能够从图9中看出的，好的天线性能得以实现，包括低交叉极化水平(<-20dB)，低旁瓣(<-18dB)和低后瓣。相比之下，现有技术的、基于经典椤勃的类似天线具有高10-12dB的交叉极化水平。在无线通信中，天线的低交叉极化有助于多样化增益和MIMO性能，并且减少侧瓣和后瓣降低了干扰。在图10中，所有这三个波束被示出在一起(1010，1020，1030)。请注意所有三个波束具体相同的形状，这与现有技术的巴特勒矩阵多波束方案相比时是具有优势的，其中外波束与中心波束相比不是对称的并且具有不同形状和增益。图11示出了三个图1示出的多波束基站天线系统的配置，提供均匀的360°小区覆盖，波束之间重叠少，对于LTE来说这正是所希望的。
在图1中，射频透镜30具有平坦的顶部和底部区域，因为从机械/组装角度来说比较方便(简单的平坦端杯64a，64b可被使用)。但在一些情况下，如图12中所示，带有圆形(半球形)端部1210，1220的射频透镜1200可被使用。为简单起见，只有一个线性阵列20在图12中示出了，其可类似于图2中呈现的线性阵列20。半球形透镜端部1210，1220为边缘辐射元件1230，1240提供俯仰平面中的额外聚焦，导致获得附加增益的优势ΔG≈10log(1+D/L)，[dB]，其中D是透镜直径。对于图1中示出的三波束天线来说，ΔG≈1dB。图12的配置可以是提高天线增益的经济有效方式，因为在不增加阵列20的长度和它们的辐射元件数量的情况下获得了附加增益ΔG。
除单一频带天线之外，还需要双频带和/或更多频带的天线。这种天线可包括，例如，提供在698-960MHz+1.7-2.7GHz频带中、或者例如在1.7-2.7GHz+3.4-3.8GHz频带中用于发射和接收的端口的天线。使用柱面透镜为制造双频带多波束BSA提供了良好机会。均质的柱面射频透镜当其直径D＝1.5-6λ(自由空间中的波长)时工作良好。这对于上面提及的BSA双频带情况可适用。挑战是为所有频带和所有波束提供相同的方位波宽。为此目的，低频带天线阵列(在经过射频透镜之前)的方位波宽与高频带天线阵列相比应该更宽，与这两个频带之间的中心频率近似成比例。
在图13-15中，示意性示出了用于双频带天线阵列(其是多波束带透镜天线的一部分)的方案。这些双频带阵列包含2个不同频带的辐射器并且这些阵列可以以与如在图1中对于单一频带阵列所示的类似方式围绕着透镜布置。
在图13中，较低频带(LB)辐射元件1300和较高频带(HB)辐射元件210被设置在反射器1310中心的同一直线上。LB和HB辐射元件都是盒型偶极子阵列，以提供随频率的增加而单调减小的方位波宽。而且，每个HB元件210具有帮助HB方位波宽与LB方位波宽相比变窄的导向偶极子610。因此，在经过射频透镜30之后，LB和HB辐射图样具有类似的波宽(如在上面详细讨论的)。例如，如果对于阵列1310来说LB方位HPBW是65°-75°，HB可以是约40°，并且在这两个频带中所生成的多波束带透镜天线的HPBW约23°。
在图14中，示出了另一双频带阵列，以及用于使HB方位波束变窄的另一方法。在LB元件1300内部，设置有单一HB元件210，但在LB元件之间设置有一对HB元件1400。这些HB元件1400例如可以是交叉偶极子，如图14中所示。通过改变在方位面内元件1400之间的间距，方位HB波束可被调整至所需的宽度，以便在经过射频透镜30之后的波宽是预期的HPBW。
在图15中，示出了又一双频带阵列。HB元件1400的对通过1：2功率分配器1500和馈线1510连接到移相器/相位分隔器230。通过改变在方位面内元件1400之间的间距，方位HB波束可被调整到所需的宽度，用于小区扇区的最佳覆盖。
虽然前述例子被关于三波束天线进行了描述，但还设想其它的实施例包括，例如，共用单一透镜的1-，2-，4-，5-，6-，N-波束天线。其它的配置也可以设想。
这样，所建议的多波束天线方案，与已知的椤勃透镜和巴特勒矩阵馈电网络方案相比具有降低的成本，更轻的重量，更紧凑并且具有更好的RF性能，包括固有对称波束和改进的交叉极化，端口隔离度和波束稳定性。
虽然本发明已经关于特殊优选实施例进行了描述，但在阅读了本申请之后对于本领域内的技术人员来说许多变化和修改是很显然的。例如，本发明可应用于雷达多波束天线。因此，本发明的权利要求应该在现有技术的基础上尽可能宽泛地进行解释以包括所有这些变化和修改。

Claims (59)

1.一种多波束天线系统，并且包括：
具有第一纵向轴线和第一方位角的第一列辐射元件；
具有第二纵向轴线和第二方位角的第二列辐射元件；
具有第三纵向轴线的射频透镜，所述射频透镜被设置为使得第一纵向轴线和第二纵向轴线与第三纵向轴线基本上对齐并且第一方位角和第二方位角被指向射频透镜；
容置着所述第一列辐射元件、所述第二列辐射元件和所述射频透镜的天线罩，
其中，所述射频透镜包括具有基本上一致的介电常数的介电材料。
2.根据权利要求1所述的多波束天线系统，还包括：
具有第四纵向轴线和第三方位角的第三列辐射元件，
其中，所述第二列辐射元件、所述第一列辐射元件和所述第三列辐射元件中每一者产生大约40°的-10dB波宽并且分别具有-40°，0°，40°的第二方位角、第一方位角和第三方位角。
3.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，所述透镜包括多种介电颗粒。
4.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，所述射频透镜是柱面透镜并且具有1.5-2.3之间的介电常数。
5.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，所述辐射元件包括双极化辐射元件。
6.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，每个辐射元件包括盒形偶极子阵列。
7.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，至少一列辐射元件包括一个或多个用于稳定由带透镜天线形成的波束的导向偶极子。
8.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，所述第一列辐射元件和所述第二列辐射元件中至少一者被在俯仰平面中相对于所述射频透镜的轴线稍稍倾斜。
9.根据权利要求2所述的多波束天线系统，其中，所述第一列辐射元件、所述第二列辐射元件和所述第三列辐射元件中每一者包括多个高频带辐射元件和多个低频带辐射元件。
10.根据权利要求9所述的多波束天线系统，其中，包含在所述多个高频带辐射元件中的高频带辐射元件的数量是包含在所述多个低频带辐射元件中的低频带辐射元件的数量的大约两倍。
11.根据权利要求9所述的多波束天线系统，其中，所述低频带辐射元件和所述高频带辐射元件分别包括盒形辐射器。
12.根据权利要求9所述的多波束天线系统，其中，所述多个高频带辐射元件产生的天线波束的方位波宽比所述多个低频带辐射元件产生的天线波束的方位波宽窄。
13.根据权利要求12所述的多波束天线系统，其中，所述高频带辐射元件还包括导向偶极子。
14.根据权利要求12所述的多波束天线系统，其中，所述高频带辐射元件布置于第一线和第二线上，所述第一线和第二线平行于由低频带辐射元件的列限定的第三线，所述第三线布置在所述第一线和第二线之间。
15.根据权利要求1所述的多波束天线系统，还包括设置于所述射频透镜和所述第一列辐射元件之间的介电材料片。
16.根据权利要求15所述的多波束天线系统，还包括设置于所述介电材料片上的线。
17.根据权利要求15所述的多波束天线系统，其中，所述介电材料片包括多个槽。
18.根据权利要求1所述的多波束天线系统，还包括设置于所述射频透镜上的线。
19.根据权利要求1所述的多波束天线系统，还包括设置于所述第一列辐射元件和所述射频透镜之间的二次射频透镜。
20.根据权利要求19所述的多波束天线系统，其中，所述二次射频透镜包括介电杆。
21.根据权利要求19所述的多波束天线系统，其中，所述二次射频透镜包括与每个辐射元件相邻定位的介电块。
22.一种多波束、多频带天线，包括：
低频带辐射元件的第一线性阵列，其被配置用于以第一频带辐射以产生第一天线波束；
高频带辐射元件的第二线性阵列，其被配置用于以频率比第一频带高的第二频带辐射以产生第二天线波束；
设置于所述第一线性阵列和所述第二线性阵列前面的柱面射频(“RF”)透镜，
其中所述低频带辐射元件和所述高频带辐射元件分别具有随着频率的增加而减小的方位波宽。
23.根据权利要求22所述的多波束、多频带天线，其中，所述低频带辐射元件和所述高频带辐射元件分别具有随频率的增加大致线性减小的方位波宽。
24.根据权利要求22所述的多波束、多频带天线，其中，所述高频带辐射元件中的至少一些高频带辐射元件被同轴地设置在所述低频带辐射元件中的相应低频带辐射元件中。
25.根据权利要求22所述的多波束、多频带天线，其中，所述柱面RF透镜包括在竖直方向上和水平方向上具有不同介电常数的介电材料。
26.根据权利要求22所述的多波束、多频带天线，其中，所述柱面RF透镜由具有基本上一致的介电常数的介电材料形成。
27.根据权利要求22所述的多波束、多频带天线，还包括天线罩，其中，所述第一线性阵列、所述第二线性阵列和所述柱面RF透镜都设置于所述天线罩内。
28.根据权利要求22所述的多波束、多频带天线，其中，所述低频带辐射元件和所述高频带辐射元件一起对齐在单一列中。
29.一种多波束、多频带天线，包括：
低频带辐射元件的第一线性阵列，其被配置用于以第一频带辐射以产生第一天线波束；
高频带辐射元件的第二线性阵列，其被配置用于以频率比第一频带高的第二频带辐射以产生第二天线波束；
设置于所述第一线性阵列和所述第二线性阵列前面的柱面射频(“RF”)透镜，
其中，所述低频带辐射元件具有横跨所述第一频带的第一范围的方位波宽，所述高频带辐射元件具有横跨所述第二频带的第二范围的方位波宽，其中所述第二范围中的最高方位波宽小于所述第一范围内的最低方位波宽。
30.根据权利要求29所述的多波束、多频带天线，其中，在经过所述柱面RF透镜后，所述第一天线波束和所述第二天线波束分别具有近似相同的方位波宽。
31.根据权利要求29所述的多波束、多频带天线，其中，所述低频带辐射元件包括盒形辐射元件。
32.根据权利要求29所述的多波束、多频带天线，其中，所述高频带辐射元件中的至少一些高频带辐射元件被同轴地设置在所述低频带辐射元件中的相应低频带辐射元件中。
33.根据权利要求29所述的多波束、多频带天线，其中，所述柱面RF透镜包括在竖直方向上和水平方向上具有不同介电常数的介电材料。
34.根据权利要求29所述的多波束、多频带天线，其中，所述柱面RF透镜由具有基本上一致的介电常数的介电材料形成。
35.根据权利要求29所述的多波束、多频带天线，还包括天线罩，其中，所述第一线性阵列、所述第二线性阵列和所述柱面RF透镜都设置于所述天线罩内。
36.根据权利要求29所述的多波束、多频带天线，其中，所述低频带辐射元件和所述高频带辐射元件一起对齐在单一列中。
37.一种多波束天线，包括：
辐射元件的第一线性阵列，其被配置用于产生第一天线波束；
辐射元件的第二线性阵列，其被配置用于产生第二天线波束；
设置于所述第一线性阵列和所述第二线性阵列前面的柱面射频(“RF”)透镜；和
设置于所述辐射元件的第一线性阵列和所述柱面RF透镜之间的第一二次透镜。
38.根据权利要求37所述的多波束天线，还包括设置于所述辐射元件的第二线性阵列和所述柱面RF透镜之间的第二二次透镜。
39.根据权利要求37所述的多波束天线，其中，所述第一二次透镜包括平行于所述柱面RF透镜的纵向轴线延伸的介电材料杆。
40.根据权利要求37所述的多波束天线，其中，所述第一二次透镜包括沿着平行于所述柱面RF透镜的纵向轴线的轴线延伸的多个介电材料块。
41.根据权利要求37所述的多波束天线，还包括被定位于所述辐射元件的第一线性阵列和所述柱面RF透镜之间的补偿器。
42.根据权利要求37所述的多波束天线，其中，所述柱面RF透镜包括在平行于所述柱面RF透镜的纵向轴线的第一方向和垂直于所述柱面RF透镜的纵向轴线的第二方向上具有不同介电常数的介电材料。
43.一种射频透镜，包括：
多个隔室，其被布置成形成包括一组同心同轴筒体的第一筒体，其中所述隔室至少部分地由多个介电板和多个径向延伸的肋形成，并且其中所述介电板被布置成形成所述第一筒体；和
填充所述多个隔室的多个随机分布的介电材料团块。
44.根据权利要求43所述的射频透镜，其中，所述随机分布的介电材料团块包括由具有不同介电特性的不同材料形成的团块。
45.根据权利要求43所述的射频透镜，还包括用于容纳所述多个隔室的膜袋。
46.根据权利要求45所述的射频透镜，其中，所述膜袋被真空密封在所述第一筒体周围。
47.根据权利要求43所述的射频透镜，其中，所述多个隔室包括第一组隔室，所述射频透镜还包括形成为环的第二组隔室，其中在所述第二组隔室中适于接收所述第一筒体，以形成直径大于所述第一筒体的第二筒体。
48.根据权利要求43所述的射频透镜，其中，所述多个隔室包括第一组隔室，所述射频透镜还包括形成为第二筒体的第二组隔室，其中所述第一筒体具有第一长度，其中第二筒体适于连接到第一筒体以形成长度大于第一长度的第三筒体。
49.根据权利要求43所述的射频透镜，还包括多个径向延伸的肋，其中所述肋和所述同心同轴的筒体限定出所述多个隔室中的至少一些。
50.根据权利要求43所述的射频透镜，其中，所述多个随机分布的介电材料团块通过压缩稳定。
51.根据权利要求43所述的射频透镜，其中，所述多个随机分布的介电材料团块通过回填材料稳定。
52.一种射频透镜，包括：
多个筒体，所述筒体彼此同心且同轴；
多个肋，其与所述多个筒体中的至少一些相交，以形成用于保持介电材料的多个隔室，所述肋向外延伸经过所述多个筒体中的最外侧筒体，以形成保持介电板的多个外部槽；和
膜袋，用于容纳所述多个筒体、所述多个肋、所述介电材料、和所述介电板，其中所述膜袋被真空密封在所述多个筒体、所述多个肋、所述介电材料和所述介电板周围。
53.一种射频透镜，包括：
分别具有纵向轴线的多个柱面透镜段，每个柱面透镜段包括用于保持介电材料的内隔室和用于保持介电板的至少两个外部槽，其中所述柱面透镜段沿着各柱面透镜段的纵向轴线堆叠；和
膜袋，用于容纳所述多个柱面透镜段、所述介电材料和所述介电板。
54.一种射频透镜，包括：
芯体，其包括多个同轴筒体和多个径向延伸的肋，所述肋将所述同轴筒体中的至少一些一分为二，以将所述芯体分成多个单独的隔室，其中所述肋向外延伸经过所述多个同轴筒体中的最外侧筒体并且形成保持介电板的多个外部槽；和
填充所述多个单独的隔室的介电材料。
55.根据权利要求54所述的射频透镜，还包括膜袋，其中所述芯体和所述介电材料被真空密封在所述膜袋内。
56.根据权利要求55所述的射频透镜，其中，所述膜袋包括聚酯袋。
57.根据权利要求54所述的射频透镜，其中，所述多个单独的隔室由多个随机分布的介电材料团块填充。
58.根据权利要求57所述的射频透镜，其中，所述多个随机分布的介电材料团块通过压缩稳定。
59.根据权利要求57所述的射频透镜，其中，所述多个随机分布的介电材料团块通过回填材料稳定。
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