CN111834756A - 天线阵列及无线设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种天线阵列和使用该天线阵列的无线设备。该天线阵列包括第一天线集合和第一射频透镜集合。其中，第一天线集合包括多个天线，所述第一射频透镜集合包括多个射频透镜。所述多个天线和所述多个射频透镜按照规则布置。该规则使得第一射频透镜集合能够增加天线之间的无线信号的相位差。

Description

天线阵列及无线设备
技术领域
本申请涉及通信领域，尤其涉及一种天线阵列及无线设备。
背景技术
多输入多输出(英文：multiple-input and multiple-output，MIMO)使用天线阵列收发信号来提升无线通信容量，是蜂窝移动通信系统、无线局域网(英文：wirelesslocal area network，WLAN)等无线通信系统中广泛使用的无线传输技术。例如被称为长期演进(英文：Long-Term Evolution，LTE)的第4代(英文：4th Generation，4G)移动通信系统、第五代(英文：5th Generation，5G)移动通信系统的新无线(英文：New Radio，NR)，以及WLAN，都通过增加天线数来提升系统容量。例如，在LTE和NR中天线数可以超过64个，WLAN中的天线数可以达到16个。根据MIMO原理，MIMO天线阵列中相邻天线之间的间隔至少需要0.5λ，否则会导致天线的辐射效率降低，从而恶化MIMO的性能。其中λ为射频载波自由空间波长。为了获得好的MIMO性能，实际中往往选取天线阵列中相邻天线之间的间隔为0.7λ。除了MIMO通信，阵列天线还广泛应用于波束成型、波束到达方向估计、波束跟踪、微波成像等领域。这些应用都要求相邻天线之间的间隔至少达到0.5λ。另一方面，受外观、风阻、承重、成本等工程方面的限制，天线阵列尺寸不能太大，这就与大天线数的需求相矛盾。
发明内容
本申请提供一种天线阵列及无线设备，以提高单位尺寸的MIMO性能。
第一方面，提供了一种天线阵列。该天线阵列包括第一天线集合和第一射频透镜集合。所述第一天线集合包括多个天线。所述第一射频透镜集合包括多个射频透镜。所述第一天线集合中的所述多个天线和所述第一射频透镜集合中的所述多个射频透镜按照规则布置。所述规则包括：
1)所述多个射频透镜与所述多个天线一一对应，各射频透镜被安排在对应的天线上。
2)所述多个射频透镜中的任意一个射频透镜包括波前相位调整量不同的两个或更多部分，所述多个射频透镜在任意的到达方向(英文：direction ofarrival，DOA)上的波前相位调整量满足：在一个到达方向上，所述多个射频透镜的多个波前相位调整量沿所述方向单调递增，并且，所述多个射频透镜在所述到达方向上的多个波前相位调整量中至少两个波前相位调整量不同。
由于天线阵列中的天线和射频透镜按照上述规则排布，射频透镜扩大或至少不缩小到达较远的天线的电磁波相对于到达较近的天线的电磁波之间的等效波程差，从而增加了天线之间的无线信号的相位差。MIMO性能与天线之间的无线信号的耦合相关。天线之间的无线信号的相位差越大，耦合越小。因此，上述天线阵列有更好的单位尺寸的MIMO性能。
其中，上述第一方面的规则2)中多个射频透镜与所述多个射频透镜在所述到达方向上的所述多个波前相位调整量一一对应。所述多个射频透镜中一个射频透镜在所述到达方向上的波前相位调整量的含义是所述射频透镜的所有部分中被对应路径直线经过的部分的波前相位调整量。对应路径直线是指沿所述到达方向且经过所述射频透镜对应的天线的直线。多个波前相位调整量沿所述到达方向的顺序是对应的多个天线在参考直线上的投影沿所述方向在所述参考直线上排列的顺序。所述参考直线可以为沿所述到达方向的任意直线。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现中，所述第一射频透镜集合中的所述多个射频透镜分别为多个介质透镜。所述多个介质透镜中的任意一个介质透镜包括材料不同的两个或更多部分，且不同材料的介电常数不同。厚度相同的两个部分的波前相位调整量与对应部分的材料的介电常数相关，介电常数越大则波前相位调整量越大。由于磁性材料在吉赫兹频段的相对磁导率通常接近1，在吉赫兹及以上频段采用高介电常数材料制作射频透镜是简单的选择。
结合第一方面或第一方面的第一种实现，在第一方面的第二种实现中，所述多个射频透镜分别为多个介质半球。所述第一天线集合中的所述多个天线的分别位于所述第一射频透镜集合中对应介质半球的球心。半球状介质透镜使得入射的电磁波正好与射频透镜的表面垂直，从而不会因折射而改变传播方向。
结合第一方面的第一种实现或第一方面的第二种实现，在第一方面的第三种实现中，所述第一天线集合中的至少一个介质透镜的至少一个部分包括抗反射结构。所述抗反射结构在所述部分的表面。所述抗反射结构的材料的介电常数小于所述部分的介电常数。所述抗反射结构的厚度为电磁波在所述抗反射结构的材料中的波长的四分之一。由于电磁波穿过折射率不同的材料之间的分界面时会发生反射。为降低介质透镜表面对电磁波的反射，可以在介质透镜中增加抗反射结构。抗反射结构的原理与光学玻璃表面涂增透层以提高光线透过率的原理相同。进一步的，为了使电磁波的反射最小，抗反射结构的的材料的折射率为其两侧的两种材料的折射率的几何平均值。
结合第一方面的第一种实现至第一方面的第三种实现中的任意一种，在第一方面的第四种实现中，所述第一天线集合中的至少一个介质透镜包括融合结构。所述融合结构在所述介质透镜的各个部分的分界面与介质透镜对应的天线之间。所述融合结构的材料的介电常数小于所述介质透镜的各个部分的材料中最小的介电常数。电磁波穿过折射率不同的材料之间的分界面时会发生反射为降低介质透镜内不同材料之间的分界面对电磁波的反射，可以在介质透镜中增加融合结构。融合结构的表面弯曲，例如为弧形，使电磁波以大角度通过该表面，以减小电磁波的反射。
结合第一方面，第一方面的第一种实现至第一方面的第四种实现中的任意一种，在第一方面的第五种实现中，所述第一天线集合中的所述多个天线为贴片天线或片上天线。
结合第一方面的第一种实现至第一方面的第五种实现中的任意一种，在第一方面的第六种实现中，所述第一天线集合中的所述多个天线沿直线排布成一列，每个介质透镜包括材料不同、大小相等的两个部分。所述两个部分的分界面与所述直线垂直。所述第一射频透镜集合中的所述多个介质透镜的所述两个部分中所有左边的部分的材料的介电常数沿所述直线从左到右严格单调递增。所述第一射频透镜集合中的所述多个介质透镜的两个部分中所有右边的部分的材料的介电常数沿所述直线从左到右严格单调递减。
结合第一方面，第一方面的第一种实现至第一方面的第六种实现中的任意一种，在第一方面的第七种实现中，所述天线阵列还包括第二天线集合和第二射频透镜集合。其中，所述第二天线集合包括多个天线。所述第二射频透镜集合包括多个射频透镜。所述第二天线集合中的所述多个天线和所述第二射频透镜集合中的所述多个射频透镜按照所述规则布置。所述第一天线集合中的所述多个天线的极化方向相同。所述第二天线集合中的所述多个天线的极化方向相同。所述第一天线集合中的任一天线的极化方向与所述第二天线集合中的任一天线的极化方向正交。
第二方面，提供了一种天线阵列。该天线阵列包括排布在平面上的八个天线和八个射频透镜。其中，所述八个天线排列为正八边形。所述八个射频透镜与所述八个天线一一对应。各射频透镜被安排在对应的天线上。所述八个射频透镜中的任意一个射频透镜包括大小相等的四个区域。任意一个射频透镜中所述四个区域的分界面与沿前后方向的第一直线成45度，且与沿左右方向的第二直线成45度。所述八个射频透镜中的各个射频透镜的四个区域中所有前边的区域的波前相位调整量沿所述第一直线从前到后严格单调递增。所述八个射频透镜中的各个射频透镜的四个区域中所有后边的区域的波前相位调整量沿所述第一直线从前到后严格单调递减。所述八个射频透镜中的各个射频透镜的四个区域中所有左边的区域的波前相位调整量沿所述第二直线从左到右严格单调递增。所述八个射频透镜中的各个射频透镜的四个区域中所有右边的区域的波前相位调整量沿所述第二直线从左到右严格单调递减。
结合第二方面，在第二方面的第一种实现中，所述八个射频透镜分别为八个介质透镜。所述区域中波前相位调整量不同的相邻区域属于不同部分，不同部分的材料不同，且不同材料的介电常数不同。厚度相同的两个部分的波前相位调整量与对应部分的材料的介电常数相关，介电常数越大则波前相位调整量越大。
结合第二方面或第二方面的第一种实现，在第二方面的第二种实现中，所述八个射频透镜分别为八个介质半球。所述八个天线位于对应介质半球的球心。
结合第二方面的第一种实现或第二方面的第二种实现，在第二方面的第三种实现中，所述八个射频透镜中的至少一个射频透镜的至少一个部分包括抗反射结构。所述抗反射结构在所述部分的表面。所述抗反射结构的材料的介电常数小于所述部分的介电常数。所述抗反射结构的厚度为电磁波在所述抗反射结构的材料中的波长的四分之一。
结合第二方面的第一种实现至第二方面的第三种实现中的任意一种，在第二方面的第四种实现中，所述八个射频透镜中的至少一个射频透镜包括融合结构。所述融合结构在所述射频透镜的各个部分的分界面与射频透镜对应的天线之间。所述融合结构的材料的介电常数小于所述射频透镜的各个部分的材料中最小的介电常数。
结合第二方面，第二方面的第一种实现至第二方面的第四种实现中的任意一种，在第二方面的第五种实现中，所述八个天线为贴片天线或片上天线。
第三方面，提供了一种天线阵列。该天线阵列包括排布在平面上的多个天线和多个射频透镜。其中，所述多个天线排列为矩形。所述多个射频透镜与所述多个天线一一对应。各射频透镜被安排在对应的天线上。所述多个射频透镜中的任意一个射频透镜包括大小相等的四个区域。任意一个射频透镜中所述四个区域的分界面垂直于所述平面。任意一个射频透镜中所述四个区域的分界面至少平行于所述矩形的一条边。所述多个射频透镜中任意一行射频透镜的所有左前方区域的波前相位调整量从左到右严格单调递增。所述多个射频透镜中任意一行射频透镜的所有左后方区域的波前相位调整量从左到右严格单调递增。所述多个射频透镜中任意一行射频透镜的所有右前方区域的波前相位调整量从左到右严格单调递减。所述多个射频透镜中任意一行射频透镜的所有右后方区域的波前相位调整量从左到右严格单调递减。所述多个射频透镜中任意一列射频透镜的所有左前方区域的波前相位调整量从前到后严格单调递增。所述多个射频透镜中任意一列射频透镜的所有左后方区域的波前相位调整量从前到后严格单调递减。所述多个射频透镜中任意一列射频透镜的所有右前方区域的波前相位调整量从前到后严格单调递增。所述多个射频透镜中任意一列射频透镜的所有右后方区域的波前相位调整量从前到后严格单调递减。
结合第三方面，在第三方面的第一种实现中，所述多个射频透镜分别为多个介质透镜。所述区域中波前相位调整量不同的相邻区域属于不同部分，不同部分的材料不同，且不同材料的介电常数不同。厚度相同的两个部分的波前相位调整量与对应部分的材料的介电常数相关，介电常数越大则波前相位调整量越大。
结合第三方面或第三方面的第一种实现，在第三方面的第二种实现中，所述多个射频透镜分别为多个介质半球。所述多个天线位于对应介质半球的球心。
结合第三方面的第一种实现或第三方面的第二种实现，在第三方面的第三种实现中，所述多个射频透镜中的至少一个射频透镜的至少一个部分包括抗反射结构。所述抗反射结构在所述部分的表面。所述抗反射结构的材料的介电常数小于所述部分的介电常数。所述抗反射结构的厚度为电磁波在所述抗反射结构的材料中的波长的四分之一。
结合第三方面的第一种实现至第三方面的第三种实现中的任意一种，在第三方面的第四种实现中，所述多个射频透镜中的至少一个射频透镜包括融合结构。所述融合结构在所述射频透镜的各个部分的分界面与射频透镜对应的天线之间。所述融合结构的材料的介电常数小于所述射频透镜的各个部分的材料中最小的介电常数。
结合第三方面，第三方面的第一种实现至第三方面的第四种实现中的任意一种，在第三方面的第五种实现中，所述多个天线为贴片天线或片上天线。
第四方面，提供了一种无线设备。该无线设备包括连接到第一方面，第二方面，第三方面或上述任意方面的任意实现中的天线阵列。该无线设备还包括连接到所述天线阵列的射频电路。所述射频电路，用于使用所述天线阵列收发信号。
结合第四方面，在第四方面的第一种实现中，所述射频电路，用于使用所述天线阵列以多输入多输出方式收发信号。
附图说明
图1为本发明实施例的天线阵列的一个例子的结构图；
图2为本发明实施例的原理图；
图3为本发明实施例将多个天线投影在无线信号的到达方向上的形象的示意图；
图4为本发明实施例的天线阵列的另一个例子；
图5为本发明实施例的包括抗反射结构的介质透镜的结构图；
图6为本发明实施例的电磁波穿过折射率不同的材料之间的分界面时发生反射的示意图；
图7为本发明实施例的增加融合结构后的介质透镜的结构图；
图8为本发明实施例中矩形排布的天线阵列的例子一；
图9为本发明实施例中矩形排布的天线阵列的例子二；
图10为本发明实施例中矩形排布的天线阵列的例子三；
图11为本发明实施例中矩形排布的天线阵列的例子四；
图12为本发明实施例中菱形排布的天线阵列的例子一；
图13为本发明实施例中菱形排布的天线阵列的例子二；
图14为本发明实施例中三角形排布的天线阵列；
图15为本发明实施例中六边形排布的天线阵列；
图16为本发明实施例中包括多个独立的天线集合的天线阵列；
图17为本发明实施例的圆形排布的天线阵列的一个例子；
图18为本发明实施例的无线设备的示意图。
具体实施方式
以下参考图1-18说明本发明实施例。
图1为本发明实施例的天线阵列的一个例子的结构图。图2为本发明实施例的原理图。
MIMO性能受MIMO信道相关性影响大。MIMO信道相关性越强则MIMO性能越差。在相同的无线信道条件下，MIMO信道相关性与天线之间的无线信号相位差有关。一般来说，相邻天线的间距越小，则天线之间的无线信号的相位差越小，MIMO信道的相关性就越强。为了提高天线阵列的单位尺寸的MIMO性能，本发明实施例采用射频透镜来增大天线之间的无线信号的相位差。每个射频透镜覆盖或包裹对应的天线。
本发明实施例的天线阵列中的天线可以为印制电路板上或其它载体上的贴片天线。例如，采用半导体工艺的芯片上的贴片天线，即片上天线(英文：on-chip antenna)作为天线阵列中的天线。天线阵列中的天线也可以是其它扁平状的天线。
本发明实施例的天线阵列可以都排布在一个平面上。天线阵列也可以排布在非平面上。例如，天线阵列布置在曲面上，或布置在阶梯状底板上。天线阵列的布置可以中间高，四周低。
射频透镜是能够改变无线信号到达天线时的波前相位的器件。例如，可以用介质制作射频透镜或射频透镜的一部分，介质的折射率高于空气的折射率。即可以采用介电常数或磁导率不同于空气的材料制作射频透镜。由于不同材料的介电常数或磁导率随无线信号的频率可能有变化，可以针对天线阵列的适用频率选择构成射频透镜的材料。例如，由于磁性材料在吉赫兹(GHz)频段的相对磁导率通常接近1，在GHz及以上频段采用高介电常数材料制作射频透镜是较好的选择。
由于电磁波在介质中的波长小于其在自由空间中的波长，经过相同距离后，电磁波在介质中比在自由空间中的波前相位改变更大。除介质透镜外，任何可以改变电磁波波前相位的器件都可以充当射频透镜。例如，可以采用人工电介质(英文：artificialdielectric)材料或其它超材料制作射频透镜或射频透镜的一部分，以提供可变的波前相位调整量。人工电介质是在电介质中人为掺入亚波长尺寸的规则排列的其它材料(例如金属)颗粒、线或片等结构,改变其电磁特性,进而形成满足特定需要的一类人工介质。例如，可以增加人工电介质的有效介电常数。
厚度相同而介电常数或磁导率不同的材料的波前相位调整量不同。如图1所示，天线阵列中各天线对应的射频透镜有波前相位调整量不同的部分。来自某个方向的无线信号到达不同天线之前经过的材料不同，从而使得该无线信号到达不同天线时的波前相位不同，从而能够增加天线之间无线信号的相位差。图1为本发明实施例的天线阵列的一个简单例子，包括两个天线和两个对应的射频透镜。两个射频透镜都为半球形，且半径相同。射频透镜的半径为r。天线1对应射频透镜1。天线2对应射频透镜2。每个射频透镜分为两个部分。两个部分的分界面垂直于经过两个天线的直线。每个射频透镜位于天线阵列外侧的部分都采用材料1制作，位于天线阵列内侧的部分都采用材料2制作。材料1的介电常数(即相对电容率)为εr1，材料2的介电常数为εr2。其中，εr1<εr2。
图2为图1所示天线阵列的剖面图，以展示本发明实施例的原理。如图2所示，入射角为θ的电磁波用两条平行的射线表示。到达天线1的电磁波在P1点射入射频透镜1的材料2部分。到达天线2的电磁波在P2点射入射频透镜2的材料1部分。在自由空间(空气)中，到达天线1的电磁波和到达天线2的电磁波间的波程差为P1F的长度。P1F指点P1和点F之间的线段。点F是从P2起引C1P1的垂线的垂足。C1P1指点C1和点P1之间的线段。无论是否在天线阵列中引入射频透镜，到达天线1的电磁波和到达天线2的电磁波间都至少有P1F的波程差。引入本发明实施例中的射频透镜后，由于到达天线1的电磁波从P1开始经由C1P1到达C1，该电磁波经过长度为r的材料2。经过长度为r的材料2的电磁波的等效波程为n2r。电磁波的等效波程是指如果该电磁波在自由空间中传播，其波前相位改变量与其在介质中传播时的波前相位改变量相同时，该电磁波在自由空间中经过的波程。其中，n2为材料2对该电磁波的折射率。n2＝(εr2μr2)1/2。其中，μr2为材料2对该电磁波的相对磁导率。如果μr2为1，n2＝εr2 1/2。经过长度为r的材料2的电磁波的等效波程为εr2 1/2r。类似的，到达天线2的电磁波从P2开始经由C2P2到达C2，该电磁波经过长度为r的材料1。经过长度为r的材料1的电磁波的等效波程为n1r，其中，n1为材料1对该电磁波的折射率。n1＝(εr1μr1)1/2，其中，μr1为材料1对该电磁波的相对磁导率。如果μr1为1，n1＝εr1 1/2。经过长度为r的材料1的电磁波的等效波程为εr1 1/2r。到达天线1的电磁波和到达天线2的电磁波间的波程差δ为P1F+(εr2 1/2-εr1 1/2)r。由于εr1<εr2，P1F+(εr2 1/2-εr1 1/2)r>P1F。可见，引入本发明实施例中的射频透镜后，到达天线1的电磁波的等效波程与到达天线2的电磁波的等效波程的波程差增加了。相应地，天线之间的无线信号的相位差增大了。
由于引入本发明实施例中的射频透镜可以增大天线之间的无线信号的相位差，在不改变天线阵列尺寸的前提下，可以提高天线阵列的MIMO性能。另一方面，在不降低天线阵列的MIMO性能的前提下，引入本发明实施例中的射频透镜可以减小天线阵列的尺寸。
以图1和图2所示天线阵列为例，如果射频透镜1紧靠着射频透镜2，θ＝π/6，则P1F的长度为2r*sin(π/6)＝r。δ＝P1F+(εr2 1/2-εr1 1/2)r＝(1+εr2 1/2-εr1 1/2)r。如果要让该天线阵列达到无射频透镜的天线间距离为0.5λ的天线阵列相当的MIMO性能，则δ应大于等于δ0，其中δ0为无射频透镜的天线间距离为0.5λ的天线阵列θ＝π/6的无线信号的天线间的等效波程差。δ0＝0.5λ*sin(π/6)＝0.25λ。因此，r＝λ/4(1+εr2 1/2-εr1 1/2)。如果εr1＝4，εr2＝9，r＝λ/8。则引入本发明实施例中的射频透镜后，天线间的距离可以缩小到0.25λ，是无射频透镜的天线间距离的一半。
图1和图2所示仅为本发明实施例的一种简单实现。依据本发明实施例的原理可以实现更复杂的天线阵列。
例如，上述实施例中，由于射频透镜的表面为球面，且天线位于球心处，入射的电磁波正好与射频透镜的表面垂直，从而不会因折射而改变传播方向。本发明实施例的一些具体实现中，可以不采用球状表面的射频透镜。例如，采用近似球面的多面体表面，以降低射频透镜的加工难度。又如，由于接近水平方向入射的电磁波会被其它射频透镜遮挡，可以根据这部分的电磁波传播特性设计贴近水平面部分的射频透镜形状，例如为柱状表面，从而得到上部为半球面，下部为其它形状表面的射频透镜。又例如，可为定向天线设计符合其方向图特点的射频透镜，例如椭球形表面射频透镜。
又如，上述实施例中，由于天线阵列只收发地板之上的无线信号，射频透镜为半球状。如果天线阵列工作的方向不是空间的上半部分，则可采用对应完整度的射频透镜，例如球状，四分之一球状，八分之一球状等。
又如，该天线阵列可以包括比两个更多的天线和射频透镜。本发明实施例将数量为两个或更多都统称为“多个”。因此，将两个天线和射频透镜的情况也算在内，则本发明实施例的天线阵列包括多个天线和多个对应的射频透镜。这些天线和射频透镜按照本发明实施例的规则布置。又例如，该天线阵列可以包括两个或更多独立的天线集合，每个天线集合有对应的射频透镜集合。每个射频透镜集合按照上述规则布置。不同天线集合各自包括不同极化方向的多个天线。每个天线集合内的所有天线的极化方向一致。不同天线集合间的极化方向正交。由于不同天线集合间的极化方向正交，不同天线集合间不存在无线信号的耦合，因此不同天线集合可以独立的按照上述规则布置。
为了提高天线阵列单位尺寸的MIMO性能，本发明实施例的规则至少应该满足：
1)每个天线都要有一个对应的射频透镜。对应的射频透镜安排在对应的天线上。
2)从一个方向射入的无线信号中，到达较远的天线相对于到达较近的天线的电磁波的等效波程较长。为了扩大或至少不缩小等效波程差，每个射频透镜包括波前相位调整量不同的两个或更多部分，从而使得从一个方向射入的无线信号中，到达较远的天线的电磁波相对于到达较近的天线的电磁波应当被对应的射频透镜增加更多的等效波程，或者至少不被增加更少的等效波程。较远或较近的天线是指离该入射方向的无线信号的信号源远或近的天线。上述描述中以电磁波到达天线的方向说明电磁波的等效波程间的关系，基于对称性，如果从电磁波离开天线的方向观察，电磁波的等效波程间有相同的关系。为达到上述目的，射频透镜各部分的波前相位调整量按以下办法布置：
多个射频透镜在任意一个方向上的多个波前相位调整量都沿对应方向单调递增。每个射频透镜在该方向上的波前相位调整量是指这个射频透镜的所有部分中被到达对应天线(即该射频透镜所覆盖的天线)的电磁波经过的部分的波前相位调整量。
波前相位调整量沿对应方向单调递增是指沿从无线信号的信号源指向天线的方向单调递增。也就是说，将多个天线投影在无线信号的到达方向(即投影在参考直线上，参考直线为与到达方向平行的任意一条直线)上，则按照投影从无线信号的信号源指向天线的方向的排列顺序，对应的射频透镜在该方向上的波前相位调整量单调递增。
3)如果所有天线间电磁波的等效波程差仅是不缩小，则不能提高天线阵列单位尺寸的MIMO性能。要提高天线阵列单位尺寸的MIMO性能，至少两个天线间电磁波的波程差要被扩大。因此，一个方向上至少有两个天线对应的射频透镜在该方向上的波前相位调整量不同。由于条件2)已经要求这两个射频透镜在该方向上的波前相位调整量都沿该方向单调递增，因此波前相位调整量不同就表明这两个射频透镜在该方向上的波前相位调整量都沿该方向严格递增。
图3为说明将多个天线投影在无线信号的到达方向上的形象的示意图。图3中的天线阵列包括4个天线和对应的射频透镜。图3中的天线阵列按照线形排布。天线的投影可以用其中心的投影代表。天线1至天线4的中心依次为C1至C4。C1至C4在无线信号的到达方向上投影依次为F1至F4。图3中示出的参考直线为平行于到达方向的一条虚线L。投影从无线信号的信号源指向天线的方向的排列顺序为天线4、天线3、天线2、天线1。对应的射频透镜在该方向上的波前相位调整量依次为材料1的波前相位调整量、材料2的波前相位调整量、材料3的波前相位调整量、材料4的波前相位调整量。如果材料1的波前相位调整量、材料2的波前相位调整量、材料3的波前相位调整量、材料4的波前相位调整量分别为M1、M2、M3、M4，则应满足M1<＝M2<＝M3<＝M4，并且M1、M2、M3、M4中至少两个的值不相等。例如，M1<M2<M3<M4。
匀质材料中，波前相位的改变与折射率乘以波程再除以波长成正比。介质透镜在某个方向上的波前相位调整量可以看作沿该方向入射的电磁波所经过的路径上的材料的波前相位调整量的总和。介质透镜在该方向上可以有多层材料，材料可以是匀质的也可以是介电常数和/或磁导率渐变的。(如果介电常数和/或磁导率突变则可将突变处作为两侧不同材料的分界。)不考虑电磁波在材料中传播的复杂特性，可以近似的将某个方向上的波前相位调整量当作基于折射率的一个度量M。M按如下公式计算：
Figure BDA0002028335260000091
该公式中，P为电磁波在介质透镜表面的入射点，C为电磁波到达天线的点。x为电磁波在介质透镜中经过的路径上的点。n(x)为介质透镜在x点的折射率。
以匀质材料为例，M＝2πnr/λ。n是介质透镜在某个方向上的材料的折射率。r是介质透镜的半径。
例如，参见图4。图4为本发明实施例的天线阵列的另一个例子。如图4所示，该天线阵列包括两个天线和两个对应的介质透镜。两个介质透镜都为半球形，且半径不同。介质透镜1的半径为r1。介质透镜2的半径为r2。r1>r2。每个介质透镜分为两个部分。两个部分的分界面垂直于经过两个天线的直线。介质透镜1的左半部分采用材料1制作。介质透镜2的左半部分采用材料3制作。介质透镜1和介质透镜2的右半部分采用材料2制作。材料1的介电常数为εr1。材料2的介电常数为εr2。材料3的介电常数为εr3。其中，
εr1<εr2<εr3。
并且，介质透镜1的左半部分的波前相位调整量M1L＝n1r1。介质透镜1的右半部分的波前相位调整量M1R＝n2r1。介质透镜2的左半部分的波前相位调整量M2L＝n3r2。介质透镜2的右半部分的波前相位调整量M2R＝n1r2。其中，n1＝εr1 1/2。n2＝εr2 1/2。n3＝εr3 1/2。由于r1>r2，M1R>M2R。此外，材料3的介电常数要足够大，使得M1L<M2L，即εr1 1/2r1<εr3 1/2r2。
由于射频透镜在某个方向上的波前相位调整量与其结构、材料和大小都有关，可以采用多种不同的射频透镜设计。就射频透镜的尺寸来说，相邻射频透镜可以紧贴在一起，相邻射频透镜之间也可以有或大或小的空隙。
电磁波穿过折射率不同的材料之间的分界面时会发生反射。为降低介质透镜表面对电磁波的反射，可以在介质透镜中增加抗反射结构。抗反射结构在介质透镜各部分的表面。抗反射结构的材料的折射率小于对应部分的折射率。抗反射结构的厚度为电磁波在抗反射结构中的波长的四分之一。抗反射结构的原理与光学玻璃表面涂增透层(英文：anti-reflection coating)以提高光线透过率的原理相同。参见图5，图5为包括抗反射结构的介质透镜的结构图。其中，材料3的折射率n3小于材料1的折射率n1，材料4的折射率n4小于材料2的折射率n2。用材料3制作的抗反射结构的厚度为电磁波在该抗反射结构中的波长的四分之一。用材料4制作的抗反射结构的厚度为电磁波在该抗反射结构中的波长的四分之一。为了使电磁波的反射最小，抗反射结构的的材料的折射率应为其两侧的两种材料的折射率的几何平均值。由于抗反射结构在介质透镜表面，其之外为自由空间，折射率约为1，因此，抗反射结构的的材料的折射率应为其内侧材料的折射率的平方根。例如，为了使图5中的介质透镜左半部分的电磁波的反射最小，可以使得n3＝(n1)1/2。为了使图5中的介质透镜右半部分的电磁波的反射最小，可以使得n4＝(n2)1/2。
电磁波穿过折射率不同的材料之间的分界面时会发生反射。为降低介质透镜内不同材料之间的分界面对电磁波的反射，可以在介质透镜中增加融合结构。如图6所示，有一部分电磁波可能被材料之间的分界面反射。增加融合结构后的介质透镜如图7所示，可以降低材料之间的分界面对电磁波的反射。如图7所示，融合结构在介质透镜的各个部分的分界面与天线之间。融合结构的材料的折射率小于其连接的各部分的折射率。例如，融合结构可以为空腔，即，其折射率大约为1。融合结构的表面弯曲，例如为弧形，使电磁波以大角度通过该表面，以减小电磁波的反射。
前面展示了本发明实施例中线形天线阵列的例子，但本发明实施例中的天线阵列的排布可以多种多样。例如，天线阵列可以按照线形、平行四边形、菱形、矩形、圆形、三角形、六边形、梯形或其它任意类型的镶嵌(英文：tessellation)模式。以下给出一些天线阵列的排布的例子。这些例子以俯视图展示天线阵列的排布和射频透镜各部分的波前相位调整量。其中，数值越大的部分的波前相位调整量越大。无论天线阵列如何排布，其中的天线和射频透镜都按照前述的规则布置。
图8为本发明实施例中矩形排布的天线阵列的例子一。该天线阵列包括4个天线和4个射频透镜。每个射频透镜被分为4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。
图9为本发明实施例中矩形排布的天线阵列的例子二。该天线阵列包括8个天线和8个射频透镜。每个射频透镜被分为4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。
图10为本发明实施例中矩形排布的天线阵列的例子三。该天线阵列包括16个天线和16个射频透镜。每个射频透镜被分为4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。
图11为本发明实施例中矩形排布的天线阵列的例子四。该天线阵列包括64个天线和64个射频透镜。每个射频透镜被分为4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。
图8-11所示的矩形排布的天线阵列的排布规律可以概括如下：该天线阵列排布在平面上。多个射频透镜中的任意一个射频透镜包括大小相等的四个区域。四个区域的分界面垂直于排布的平面且至少平行于矩形的一条边。任意一行射频透镜的所有左前方区域的波前相位调整量从左到右严格单调递增。任意一行射频透镜的所有左后方区域的波前相位调整量从左到右严格单调递增。任意一行射频透镜的所有右前方区域的波前相位调整量从左到右严格单调递减。任意一行射频透镜的所有右后方区域的波前相位调整量从左到右严格单调递减。任意一列射频透镜的所有左前方区域的波前相位调整量从前到后严格单调递增。任意一列射频透镜的所有左后方区域的波前相位调整量从前到后严格单调递减。任意一列射频透镜的所有右前方区域的波前相位调整量从前到后严格单调递增。任意一列射频透镜的所有右后方区域的波前相位调整量从前到后严格单调递减。如果两个相邻区域的波前相位调整量不同，则它们分属两个部分。如果两个相邻区域的波前相位调整量相同，则属于一个部分。上述的前后左右方向为天线阵列的排布方向。前后左右方向对称，即方向命名可以互换。图11示出了一种前后左右方向关系。
图12为本发明实施例中菱形排布的天线阵列的例子一。该天线阵列包括8个天线和8个射频透镜。每个射频透镜被分为2个或4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。
图13为本发明实施例中菱形排布的天线阵列的例子二。该天线阵列包括16个天线和16个射频透镜。每个射频透镜被分为2个、3个或4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。
图14为本发明实施例中三角形排布的天线阵列。该天线阵列包括6个天线和6个射频透镜。每个射频透镜被分为4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。
图15为本发明实施例中六边形排布的天线阵列。该天线阵列包括一个天线集合和一个射频透镜集合，还包括1个单独的天线和一个单独的射频透镜。天线集合中包括5个天线，射频透镜集合中包括5个射频透镜。射频透镜集合中的每个射频透镜被分为6个部分。单独的射频透镜不分成多个部分。射频透镜和射频透镜的各部分的波前相位调整量如图示排列。
图16为本发明实施例中包括多个独立的天线集合的天线阵列。不同天线集合各自包括不同极化方向的多个天线。图中以不同方向(分别为45度方向和135度方向)的天线表示不同极化方向的天线。天线阵列中的第一天线集合包括8个天线，第一射频透镜集合中包括与第一天线集合中天线对应的8个射频透镜。天线阵列中的第二天线集合包括8个天线，第二射频透镜集合中包括与第二天线集合中天线对应的8个射频透镜。第一射频透镜集合中的每个射频透镜被分为2个或4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。第二射频透镜集合中的每个射频透镜被分为2个或4个部分。各部分的波前相位调整量如图示排列。
在图1-4和图8-16所示实施例中，每个天线集合中的天线都严格满足前述的3点规则。然而，对于圆形排布的天线阵列，要满足上述所有要求，需要复杂的天线结构。例如，对于圆形排布的八个天线组成的天线阵列，要满足上述所有要求，每个天线要分为16个区域。如果有更多天线，则设计更为复杂，导致天线阵列的制造复杂度高。为了不使用过于复杂的结构实现天线阵列的单位尺寸MIMO性能的提高，可以设计部分满足上述要求的天线阵列，只要该设计使得任意角度都有至少一对天线间的无线信号的相位差被增大了，就能够提高天线阵列的MIMO性能。例如，圆形排布的天线阵列包括正八边形排布的八个天线和对应的八个射频透镜。如图17所示这些射频透镜每个包括4个区域。材料和结构相同的相邻区域属于同一部分。
图17中，不同部分间用短虚线分开，属于同一部分的相邻区域用点虚线分开。图17中有两条长虚线，分别代表前-后方向，和左-右方向。每个射频透镜的四个区域的分界面与这两条长虚线成45度角。如图17所示，所有射频透镜的前边的区域的波前相位调整量从前到后严格单调递增。所有射频透镜的后边的区域的波前相位调整量从前到后严格单调递减。所有射频透镜的左边的区域的波前相位调整量从左到右严格单调递增。所有射频透镜的右边的区域的波前相位调整量从左到右严格单调递减。
图17所示是圆形排布的天线阵列的一个例子。如果圆形排布的天线阵列更大，则其至少包括图17所示的八个天线。
以上图1-3、8-17所示实施例中天线的任意部分都可以采用如图4-7中的结构或其任意组合。如图18所示，本发明实施例还包括采用上述天线阵列的无线设备。该无线设备还包括射频电路，用于使用天线阵列收发信号。射频电路也被称为射频模块，是收发射频信号的电子器件。射频电路可以是单独的芯片，也可以被集成在其它芯片当中。射频电路以射频线连接天线阵列。在以MIMO方式收发信号时，上述天线阵列能够为该无线设备提供足够的MIMO性能。例如，该无线设备可以是独立的设备，如蜂窝移动网络设备，无线局域网(英文：wireless local area network，WLAN)设备，蓝牙设备，紫蜂(ZigBee)设备，也可以是和其它设备配合工作的模块化硬件，例如有源天线单元(英文：active antenna unit，AAU)，远端射频单元(英文：remote radio unit，RRU)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种天线阵列，包括第一天线集合和第一射频透镜集合，其中，所述第一天线集合包括多个天线，所述第一射频透镜集合包括多个射频透镜，所述第一天线集合中的所述多个天线和所述第一射频透镜集合中的所述多个射频透镜按照规则布置，所述规则包括：
所述多个射频透镜与所述多个天线一一对应，各射频透镜被安排在对应的天线上；
所述多个射频透镜中的任意一个射频透镜包括波前相位调整量不同的两个或更多部分，所述多个射频透镜在任意的到达方向上的波前相位调整量满足：
所述多个射频透镜在一个到达方向上对应的多个波前相位调整量沿所述到达方向单调递增；以及
所述多个射频透镜在所述到达方向上的多个波前相位调整量中至少两个波前相位调整量不同。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述第一射频透镜集合中的所述多个射频透镜分别为多个介质透镜，所述多个介质透镜中的任意一个介质透镜包括材料不同的两个或更多部分，且不同材料的介电常数不同，厚度相同的两个部分的波前相位调整量与对应部分的材料的介电常数相关，介电常数越大则波前相位调整量越大。
3.根据权利要求2所述的天线阵列，其中，所述多个介质透镜分别为多个介质半球，所述第一天线集合中的所述多个天线分别位于所述第一射频透镜集合中对应介质半球的球心。
4.根据权利要求2或3所述的天线阵列，其中，所述第一天线集合中的至少一个介质透镜的至少一个部分包括抗反射结构，所述抗反射结构在所述部分的表面，所述抗反射结构的材料的介电常数小于所述部分的介电常数，所述抗反射结构的厚度为电磁波在所述抗反射结构的材料中的波长的四分之一。
5.根据权利要求2至4中任意一项所述的天线阵列，其中，所述第一天线集合中的至少一个介质透镜包括融合结构，所述融合结构在所述介质透镜的各个部分的分界面与介质透镜对应的天线之间，所述融合结构的材料的介电常数小于所述介质透镜的各个部分的材料中最小的介电常数。
6.根据权利要求2至5中任意一项所述的天线阵列，其中，所述第一天线集合中的所述多个天线沿直线排布成一列，每个介质透镜包括材料不同、大小相等的两个部分，所述两个部分的分界面与所述直线垂直，所述第一射频透镜集合中的所述多个介质透镜的所述两个部分中所有左边的部分的材料的介电常数沿所述直线从左到右严格单调递增，所述第一射频透镜集合中的所述多个介质透镜的两个部分中所有右边的部分的材料的介电常数沿所述直线从左到右严格单调递减。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的天线阵列，其中，所述天线阵列还包括第二天线集合和第二射频透镜集合，其中，所述第二天线集合包括多个天线，所述第二射频透镜集合包括多个射频透镜，所述第二天线集合中的所述多个天线和所述第二射频透镜集合中的所述多个射频透镜按照所述规则布置，所述第一天线集合中的所述多个天线的极化方向相同，所述第二天线集合中的所述多个天线的极化方向相同，所述第一天线集合中的任一天线的极化方向与所述第二天线集合中的任一天线的极化方向正交。
8.一种天线阵列，包括排布在平面上的八个天线，和八个射频透镜，其中，
所述八个天线排列为正八边形；
所述八个射频透镜与所述八个天线一一对应，各射频透镜被安排在对应的天线上；
所述八个射频透镜中的任意一个射频透镜包括大小相等的四个区域；
所述任意一个射频透镜中所述四个区域的分界面与沿前后方向的第一直线成45度，且与沿左右方向的第二直线成45度；
所述八个射频透镜中的各个射频透镜的四个区域中所有前边的区域的波前相位调整量沿所述第一直线从前到后严格单调递增，所述八个射频透镜中的各个射频透镜的四个区域中所有后边的区域的波前相位调整量沿所述第一直线从前到后严格单调递减，所述八个射频透镜中的各个射频透镜的四个区域中所有左边的区域的波前相位调整量沿所述第二直线从左到右严格单调递增，所述八个射频透镜中的各个射频透镜的四个区域中所有右边的区域的波前相位调整量沿所述第二直线从左到右严格单调递减。
9.一种无线设备，包括如权利要求1-8中任意一项所述的天线阵列和连接到所述天线阵列的射频电路，其中，
所述射频电路，用于使用所述天线阵列收发信号。
10.根据权利要求9所述的无线设备，其中，所述射频电路，用于使用所述天线阵列以多输入多输出方式收发信号。
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