CN112437998B - 具有宽带辐射元件的多波束基站天线 - Google Patents

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Abstract

一种双波束基站天线包括具有第一频带辐射元件的多个列的第一阵列，该第一阵列被配置为形成在三扇区基站的整个第一子扇区中提供覆盖的第一天线波束。第一阵列中的第一列中的辐射元件具有第一方位视轴指向方向，并且第一阵列中的第二列中的辐射元件具有第二方位视轴指向方向，该第二方位视轴指向方向从该第一方位视轴指向方向偏移至少10°。第一阵列中的第二列中的第二辐射元件电气地转向。

Description

具有宽带辐射元件的多波束基站天线
技术领域
本发明一般而言涉及无线电通信，并且更具体地，涉及在蜂窝和其它通信系统中利用的多波束基站天线。
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，地理区域被划分为地区，这些地区被称为“小区”，并且每个小区由基站服务。基站可以包括基带装备、无线电装置和基站天线，其被配置为向位于整个小区内的用户提供双向射频(“RF”)通信。在许多情况下，小区可以被划分为多个“扇区”，并且分开的基站天线为每个扇区提供覆盖。天线常常安装在塔或其它升高的结构上，其中由每个天线生成的辐射波束(“天线波束”)朝外指向，以服务于相应的扇区。通常，基站天线包括辐射元件的一个或多个相控阵列，当天线被安装以供使用时，辐射元件被布置在一个或多个竖直列中。在本文中，“竖直”是指相对于由水平线限定的平面垂直的方向。
常见的基站配置是“三扇区”配置，在该“三扇区”配置中，小区在方位平面中被划分为三个120°扇区，并且基站包括三个基站天线，这三个基站天线为三个相应扇区提供覆盖。方位平面是指将基站天线一分为二并且与由水平线限定的平面平行的水平面。在三扇区配置中，由每个基站天线生成的天线波束通常在方位平面中具有大约65°的半功率波束宽度(“HPBW”)，从而天线波束在整个120°扇区中提供良好的覆盖。通常，每个基站天线将包括辐射元件的通常被称为“线性阵列”的竖直延伸的列。线性阵列中的每个辐射元件可以具有大致65°的HPBW，从而由线性阵列生成的天线波束将在方位平面中提供对120°扇区的覆盖。在许多情况下，基站天线可以是所谓的“多频带”天线，其包括辐射元件的在不同频带中操作的不同阵列。
扇区拆分是指一种技术，其中将针对基站的覆盖区域在方位平面中划分为多于三个扇区，诸如六个、九个或甚至十二个扇区。六扇区基站在方位平面中将有六个60°扇区。将每个120°扇区拆分为两个子扇区增加了系统容量，因为每个天线波束都对更小的区域提供覆盖，并且因此可以提供更高的天线增益和/或允许120°扇区内的频率重用。在六扇区的扇区拆分应用中，单个双波束天线通常被用于每个120°扇区。双波束天线生成分开的天线波束，这些分开的波束各自在方位平面中具有减小的尺寸(通常是正常扇区天线波束尺寸的大约一半)并且各自对于至少一个频带在方位平面中不同的方向(通常为从天线的视轴指向方向的大约-30°和30°)中指向，从而将扇区拆分成两个较小的子扇区。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了被配置为将三扇区基站的扇区拆分为第一子扇区和第二子扇区的双波束基站天线。这些天线包括第一阵列，该第一阵列具有第一频带辐射元件的多个列。第一阵列被配置为形成在整个第一子扇区中提供覆盖的第一天线波束。第一阵列中的第一列中的辐射元件具有第一方位视轴指向方向，并且第一阵列中的第二列中的辐射元件具有第二方位视轴指向方向，该第二方位视轴指向方向从该第一方位视轴指向方向偏移至少10°。第一阵列的第二列中的第二辐射元件电气地转向。
在一些实施例中，天线还可以包括第二阵列，该第二阵列具有第一频带辐射元件的多个列，第二阵列被配置为形成在整个第二子扇区中提供覆盖的第二天线波束。在此类实施例中，天线还可以包括第二频带辐射元件的列，该列被配置为生成具有大约为第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第三天线波束。
在一些实施例中，天线还可以包括第一频带辐射元件的附加列，该附加列被配置为生成具有大约为第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第四天线波束。
在一些实施例中，天线还可以包括包含反射器的背板，其中第一阵列中的第一列在反射器的第一区段上，该第一区段垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，并且第一阵列中的第二列在反射器的第二区段上，该第二区段与该第一区段至少成15°的角度。
在一些实施例中，第二阵列中的第一列在反射器的第三区段上，该第三区段垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，并且第二阵列中的第二列在反射器的第四区段上，该第四区段与该第三区段至少成15°的角度。
在一些实施例中，第一天线波束的峰值增益可以在从第二天线波束的峰值增益发生处的方位角偏移至少30°的方位角处发生。
在一些实施例中，第一阵列中的第二列中的辐射元件可以朝着第一方位视轴指向方向电气地转向。
在一些实施例中，在第一阵列中的第二列中的辐射元件可以在方位方向中电气地转向固定的量。
在一些实施例中，天线还可以包括辐射元件的共享列，该共享列是第一阵列和第二阵列的一部分。
在一些实施例中，天线还可以包括第二频带辐射元件的第一列和第二列。第二频带辐射元件的第一列可以在反射器的第一部分上，该第一部分垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，并且第二频带辐射元件的第二列可以在反射器的第二部分上，该第二部分垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向。在一些实施例中，反射器的第一部分和反射器的第二部分可以各自定位在反射器的最前部分的后方。
在一些实施例中，天线还可以包括包含反射器的背板，其中反射器包括第一纵向延伸区段、第二纵向延伸区段和第三纵向延伸区段，该第一纵向延伸区段垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，该第二纵向延伸区段直接连接到该第一纵向延伸区段的左侧，该第二纵向延伸区段相对于该第一纵向延伸区段以第一倾斜角定向，该第三纵向延伸区段直接连接到该第一纵向延伸区段的右侧，该第三纵向延伸区段相对于该第一纵向延伸区段以第二倾斜角定向。在一些此类实施例中，第一角度可以在第二角度的5°以内。
在一些实施例中，第一阵列可以在双波束基站天线的右侧，并且第一子扇区可以在扇区的左侧。
根据本发明的进一步的实施例，提供了基站天线，该基站天线包括第一RF端口、包括均耦合到第一RF端口的辐射元件的第一列和第二列的第一阵列以及包括反射器的背板。该反射器具有第一纵向延伸区段和第二纵向延伸区段，该第一纵向延伸区段垂直于基站天线的方位视轴指向方向，该第二纵向延伸区段在方位平面中与反射器的第一纵向延伸区段成至少15°的角度。第一列中的辐射元件被安装为从反射器的第一纵向延伸区段向前延伸，并且第二列中的辐射元件被安装为从反射器的第二纵向延伸区段向前延伸。辐射元件的第一列和第二列被配置为生成相应的第一辐射图案和第二辐射图案，该第一辐射图案和该第二辐射图案在方位平面中具有在彼此的大约10°之内的指向方向。
在一些实施例中，第一辐射图案和第二辐射图案可以形成第一天线波束的至少一部分，该第一天线波束提供对三扇区基站的扇区的一半的覆盖。
在一些实施例中，天线还可以包括第二RF端口和第二阵列，该第二阵列包括耦合到第二RF端口的辐射元件的第三列和第四列。在此类实施例中，反射器还可以包括第三纵向延伸区段以及第四纵向延伸区段，该第三纵向延伸区段与第一纵向延伸区段间隔开，并且垂直于基站天线的方位视轴指向方向，该第四纵向延伸区段在方位平面中与反射器的第三条纵向延伸区段成至少15°的角度。第三列中的辐射元件可以被安装为从反射器的第三纵向延伸区段向前延伸，并且第四列的辐射元件可以被安装为从反射器的第四纵向延伸区段向前延伸。
在一些实施例中，在辐射元件的第一列和第二列中的辐射元件可以是第一频带辐射元件，并且基站天线还可以包括第二频带辐射元件的列，第二频率列频带辐射元件的该列被配置为生成具有大约为第一阵列的第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第三天线波束。
在一些实施例中，天线还可以包括第一频带辐射元件的附加列，第一频带辐射元件的该附加列被配置为生成具有大约为第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第四天线波束。
在一些实施例中，在辐射元件的第二列中的辐射元件可以在方位方向中电气地转向，并且在辐射元件的第一列中的辐射元件可以没有在方位方向中电气地转向。
在一些实施例中，天线还可以包括耦合到第一RF端口和第二RF端口的辐射元件的共享列，辐射元件的该共享列是第一阵列的一部分和第二阵列的一部分。
在一些实施例中，第一阵列可以在基站天线的右侧，并且第一子扇区可以是所述扇区的左侧。
根据本发明的附加实施例，提供基站天线，该基站天线包括反射器以及第一频带辐射元件的第一列至第五列，该反射器具有第一纵向延伸区段至第五纵向延伸区段，第一频带辐射元件的该第一列至该第五列被安装为从反射器的相应的第一纵向延伸区段至第五纵向延伸区段向前延伸。反射器的第一纵向延伸区段以至少5°的第一角度直接连接到反射器的第二纵向延伸区段，反射器的第二纵向延伸区段以至少5°的第二角度直接连接到反射器的第三纵向延伸区段，反射器的第三纵向延伸区段以至少5°的第三角度直接连接到反射器的第四纵向延伸区段，并且反射器的第四纵向延伸区段以至少5°的第四角度直接连接到反射器的第五纵向延伸区段。反射器的第一纵向延伸区段至第五纵向延伸区段中的每一个限定了相应的平面，并且垂直于每个相应平面的轴各自在方位平面中相对于基站天线的视轴指向方向成小于45°的角度。
在一些实施例中，天线还可以包括第一RF端口和第二RF端口，并且辐射元件的第一列至第三列可以耦合到第一RF端口，并且辐射元件的第四列和第五列耦合到第二RF端口。在一些实施例中，辐射元件的第三列还可以耦合到第二RF端口。
在一些实施例中，辐射元件的第一列至第三列可以是第一阵列的一部分，该第一阵列被配置为形成第一天线波束，该第一天线波束在三扇区基站的扇区的整个第一子扇区中提供覆盖，并且辐射元件的第四列和第五列可以是第二阵列的一部分，该第二阵列被配置为形成第二天线波束，该第二天线波束在扇区的整个第二子扇区中提供覆盖。
在一些实施例中，第一天线波束的峰值增益可以在从第二天线波束的峰值增益发生处的方位角偏移至少30°的方位角处发生。
在一些实施例中，在辐射元件的第二列中的辐射元件可以在方位方向中电气地转向，并且在辐射元件的第一列中的辐射元件可以没有在方位方向中电气地转向。
在一些实施例中，天线还可以包括第二频带辐射元件的列，该列被配置为生成具有大约为第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第三天线波束。
在一些实施例中，天线还可以包括第二频带辐射元件的第一列和第二列，并且第二频带辐射元件的第一列可以在反射器的第一部分上，该第一部分垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，并且第二频带辐射元件的第二列可以在反射器的第二部分上，该第二部分垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向。
在一些实施例中，在辐射元件的第一列至第五列中的至少一些中的辐射元件可以在方位方向中既机械地又电气地转向。
根据本发明的另外的实施例，提供了双波束基站天线，该双波束基站天线包括第一RF端口和第二RF端口、阵列以及波束成形网络，该阵列包括第一频带辐射元件的多个列，第一频带辐射元件的该多个列被配置为形成向预定义区域提供覆盖的天线波束，该波束成形网络耦合在第一RF端口和第二RF端口与阵列之间，该波束成形网络包括第一频率相关的功率分配器。
在一些实施例中，波束成形网络包括90°混合耦合器，该90°混合耦合器具有耦合到第一RF端口的第一输入端、耦合到第二RF端口的第二输入端、耦合到第一频率相关的功率分配器的第一输出端和耦合到第二频率相关的功率分配器的第二输出端。
在一些实施例中，第一频率相关的功率分配器的第一输出端通过180°移相器耦合到第一频带辐射元件中的第一个，并且第一频率相关的功率分配器的第二输出端耦合到第一频带辐射元件中的第二个。
在一些实施例中，第二频率相关的功率分配器的第一输出端通过180°移相器耦合到第一频带辐射元件中的第三个，并且第二频率相关的功率分配器的第二输出端耦合到第一频带辐射元件中的第四个。
在一些实施例中，第一频率相关的功率分配器可以包括在功率分配器的第一输出端上具有滤波器的功率分配器。
在一些实施例中，第一频率相关的功率分配器可以包括功率分配器，该功率分配器具有耦合到90°混合耦合器的第一输入端的第一输出端和经由延迟线耦合到90°混合耦合器的第二输入端的第二输出端。
在一些实施例中，阵列可以包括第一频带辐射元件的总共四个列或总共五个列。
根据本发明的另外的附加实施例，提供了双波束基站天线，该双波束基站天线被配置为向三扇区基站的扇区提供覆盖。这些天线包括第一RF端口和第二RF端口、第一阵列、第二阵列以及辐射元件的共享列，该第一阵列包括经由第一馈送网络耦合到第一RF端口的辐射元件的至少两个列，该第二阵列包括经由第二馈送网络耦合到第二RF端口的辐射元件的至少两个列，该共享列经由第一馈送网络耦合到第一RF端口，并且经由第二馈送网络耦合到第二RF端口。第一阵列被配置为生成在扇区的整个第一子扇区中提供覆盖的第一天线波束，并且第二阵列被配置为生成在扇区的整个第二子扇区中提供覆盖的第二天线波束。
在一些实施例中，辐射元件的共享列可以在第一阵列的辐射元件的该至少两个列与第二阵列的辐射元件的该至少两个列之间。
在一些实施例中，第一馈送网络可以包括多个可变功率分配器，该多个可变功率分配器被配置为在方位平面中在20°和40°之间扫描由第一阵列生成的第一天线波束。
根据本发明的还有附加的实施例，提供了双波束基站天线，该双波束基站天线被配置为向三扇区基站的扇区提供覆盖。这些天线包括第一低频带RF端口、第二高频带RF端口和第三高频带RF端口、包括反射器的背板、低频带辐射元件的第一列、第二阵列以及第三阵列，该反射器具有垂直于基站天线的方位视轴指向方向的第一纵向延伸区段、与第一区段至少成15°的角度的第二纵向延伸区段和与第一区段至少成15°的角度的第三纵向延伸区段，第一纵向延伸区段位于第二纵向延伸区段和第三纵向延伸区段之间，低频带辐射元件的该第一列经由第三馈送网络耦合到第三RF端口，该第二阵列包括经由第二馈送网络耦合到第一RF端口的高频带辐射元件的至少三个列，该第二阵列被安装为从反射器的第二纵向延伸区段向前延伸，该第三阵列包括经由第二馈送网络耦合到第二RF端口的高频带辐射元件的至少三个列，该第三阵列被安装为从反射器的第三纵向延伸区段向前延伸。
在一些实施例中，第一阵列的低频带辐射元件的第一线性阵列可以被安装为从反射器的第一纵向延伸区段向前延伸。
在一些实施例中，反射器可以是大致V形的反射器。
在一些实施例中，反射器的第二纵向延伸区段和第三纵向延伸区段可以从反射器的第一纵向延伸区段向前延伸。
在一些实施例中，反射器的第二纵向延伸区段和第三纵向延伸区段可以从反射器的第一纵向延伸区段向后延伸。
在一些实施例中，辐射元件的第一阵列可以被配置为形成第一天线波束，该第一天线波束在整个子扇区中提供覆盖，具有第一方位半功率波束宽度，并且基站天线还可以包括高频带辐射元件的附加列，该附加列被配置为生成具有大约为第一方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第四天线波束。
根据本发明的另外的实施例，提供了基站天线，该基站天线包括第一RF端口和第二RF端口、辐射元件的第一列至第五列以及波束成形网络。辐射元件的第一列至第五列中的三个列通过波束成形网络耦合到第一RF端口和第二RF端口二者，辐射元件的第一列至第五列中的另一列耦合到第一RF端口，并且不耦合到第二RF端口，并且辐射元件的第一列到第五列中的最后一列耦合到第二RF端口，并且不耦合到第一RF端口。
在一些实施例中，辐射元件的第一列至第五列可以以数字次序布置在反射器上，并且辐射元件的第一列至第五列中通过波束成形网络耦合到第一RF端口和第二RF端口二者的三个列是辐射元件的第二列、第三列和第四列。
在一些实施例中，波束成形网络可以包括90°混合耦合器。
在一些实施例中，辐射元件的第二列和第四列可以耦合到波束成形网络的第一输出端，并且辐射元件的第三列可以耦合到波束成形网络的第二输出端。
在一些实施例中，频率相关的功率分配器可以耦合在第一RF端口与辐射元件的第一列之间。
在一些实施例中，反射器可以包括第一纵向延伸区段至第三纵向延伸区段，并且反射器的第一纵向延伸区段和第三纵向延伸区段各自相对于反射器的第二纵向延伸区段成角度。辐射元件的第一列可以被安装为从反射器的第一纵向延伸区段向前延伸，并且辐射元件的第五列可以被安装为从反射器的第三纵向延伸区段向前延伸。
在一些实施例中，辐射元件的第二列至第四列可以被安装为从反射器的第二纵向延伸区段向前延伸。
在一些实施例中，反射器的第二纵向延伸区段可以在反射器的第一纵向延伸区段和第三纵向延伸区段的前方。
在一些实施例中，反射器的第二纵向延伸区段可以在反射器的第一纵向延伸区段和第三纵向延伸区段的后方。
根据本发明的还有附加的实施例，提供了双波束基站天线，该双波束基站天线被配置为将三扇区基站的扇区拆分为第一子扇区和第二子扇区。这些天线包括第一阵列，该第一阵列包括第一频带辐射元件的多个列，该多个列从天线的方位视轴指向方向在第一方向中机械地转向，并且在第一方向中进一步电气地转向。第一阵列被配置为形成在整个第一子扇区中提供覆盖的第一天线波束。
在一些实施例中，天线还可以包括第二阵列，该第二阵列包括第一频带辐射元件的多个列，该多个列从天线的方位视轴指向方向在第二方向中机械地转向，并且在第二方向中进一步电气地转向。在此类实施例中，第二阵列可以被配置为形成在整个第二子扇区中提供覆盖的第二天线波束。
在一些实施例中，天线还可以包括反射器，该反射器包括第一纵向延伸区段，该第一纵向延伸区段与垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向的平面在方位平面中成5°和20°之间的角度。
在一些实施例中，第一阵列可以包括辐射元件的第一列至第三列，其中每一列被安装为从反射器的第一纵向延伸区段向前延伸。
附图说明
图1是图示由包括Butler矩阵式波束成形网络的常规双波束基站天线形成的天线波束的方位指向方向和方位HPBW如何随频率增加而改变的方位图案。
图2是常规的多列机械地转向的双波束基站天线的示意性横截面图。
图3A是根据本发明的实施例的双波束基站天线的透视图，该双波束基站天线包括具有频率相关的功率分配器的波束成形网络。
图3B是图示图3A的双波束基站天线的辐射元件的列和馈送网络的示意框图。
图3C是图示包括在图3A-图3B的双波束基站天线中的辐射元件的行的截面图。
图3D是图3B中所示的波束成形网络之一的框图。
图4A是常规的Butler矩阵式波束成形网络的框图。
图4B是另一个常规的波束成形网络的框图。
图5A是可以用于实现图3D的波束成形网络的基于印刷电路板的频率相关的可变功率分配器的平面图。
图5B是示出图5A的频率相关的可变功率分配器电路的所模拟的响应的曲线图。
图5C是可以用于实现图3D的波束成形网络的另一个频率相关的可变功率分配器的框图。
图6A是根据本发明的另外的实施例的基站天线的横截面图。
图6B是根据本发明的实施例的可以在图6A的基站天线中使用的波束成形网络的框图。
图7A是根据本发明的实施例的电气地转向的双波束基站天线的横截面图。
图7B是根据本发明的另外的实施例的电气地转向的双波束基站天线的横截面图，该双波束基站天线包括辐射元件的共享列。
图8A是根据本发明的实施例的机械地转向的双频带双波束基站天线的横截面图，该双频带双波束基站天线还包括低频带辐射元件的单个线性阵列。
图8B是根据本发明的替代实施例的另一个机械地转向的双频带双波束基站天线的横截面图，该双频带双波束基站天线还包括低频带辐射元件的单个线性阵列。
图8C是根据本发明的实施例的机械地转向的双频带双波束基站天线的横截面图，该双频带双波束基站天线还包括低频带辐射元件的两个线性阵列。
图8D是根据本发明的替代实施例的另一个机械地转向的双频带双波束基站天线的横截面图，该双频带双波束基站天线包括低频带辐射元件的两个线性阵列。
图9A-图9I是根据本发明的实施例的双频带双波束基站天线的一系列横截面图，该双频带双波束基站天线包括既电气地转向又机械地转向的扇区拆分阵列。
图10A-图10B是根据本发明的另外的实施例的双频带双波束基站天线的横截面图，该双频带双波束基站天线包括既电气地转向又机械地转向的辐射元件的列。
图11A是根据本发明的实施例的双波束基站天线的横截面图，该双波束基站天线仅在用于生成双波束的辐射元件的一些列上使用Butler矩阵式波束成形网络。
图11B是图11A的基站天线的框图。
图12A是图11A-图11B的基站天线的经修改的版本的横截面图，其包括用于辐射元件的两个列的机械转向。
图12B是图11A-图11B的基站天线的另一个经修改的形式的横截面图，其包括用于辐射元件的两个列的机械转向。
图13是根据本发明的实施例的三波束基站天线的横截面图。
图14A是根据本发明的又一个实施例的双频带双波束基站天线的示意性透视图，其包括机械地转向并且还可以可选地电气地转向的高频带辐射元件的两个交错的列，其中省略了辐射元件的可选的两个低频带列。
图14B是图14A的基站天线的示意性横截面。
图14C是图14A-图14B的基站的等距截面图，其中该图中包括来自每一列的低频带辐射元件。
具体实施方式
已经使用几种方法来实现生成第一天线波束和第二天线波束的双波束天线，该第一天线波束和该第二天线波束向方位平面中的120°扇区的相应的第一子扇区和第二子扇区提供覆盖。在第一种方法中，辐射元件的第一线性阵列和第二线性阵列被安装在天线内。通常通过弯曲天线的其上安装有线性阵列的反射器，线性阵列机械地定位或“转向”为具有不同的方位指向角。第一线性阵列机械地转向，使得来自其的峰值辐射将在第一子扇区的中间处，并且第二线性阵列机械地转向，使得来自其的峰值辐射将在第二子扇区的中间处。因为典型辐射元件的方位波束宽度通常适合覆盖完整的120°扇区，所以RF透镜被安装在辐射元件的两个线性阵列的前面，该RF透镜使每个天线波束的方位波束宽度缩窄适当的量，以向60°子扇区提供服务。但是，遗憾的是，使用RF透镜会增加基站天线的尺寸、重量和成本，并且RF透镜使波束宽度缩窄的量是根据频率的，从而使得在使用在宽频率范围上操作的宽带辐射元件(例如，在完整的1.7-2.7GHz蜂窝频率范围上操作的辐射元件)时难以获得合适的覆盖范围。
在第二种方法中，辐射元件的两个或更多个线性阵列(通常为2-4个线性阵列)被安装在天线内，其中每个线性阵列指向针对天线的视轴指向方向。两个RF端口(每极化(perpolarization))通过诸如Butler矩阵之类的波束成形网络耦合到两个或更多个线性阵列。波束成形网络基于在两个RF端口处输入的RF信号生成两个分开的天线波束(每极化)，并且天线波束以离视轴大约-30°和30°的角度电气地转向，以提供对两个子扇区的覆盖。利用基于波束成形网络的双波束天线，每个天线波束的方位平面中的指向角和每个天线波束的HPBW可以根据在两个RF端口处输入的RF信号的频率而变化。尤其是，天线波束的方位指向方向(即，其中峰值增益发生的方位角)趋于朝天线的视轴指向方向移动，并且方位HPBW随频率增加而趋于变得更小，如图1中所示。这会导致天线波束的功率水平在子扇区的外边缘处根据频率而产生大的变化，这是不期望的。
在第三种方法中，辐射元件的若干线性阵列被安装在V形反射器的每个面板上，以提供扇区拆分的双波束天线。在图2中提供了使用这种技术的常规天线1的示意性横截面图。如图2中所示，天线1包括辐射元件22的六个线性阵列20-1至20-6(在图2的截面图中仅可见每个阵列的一个辐射元件)，该六个线性阵列20-1至20-6被安装成在V形反射器10的前方延伸。虽然与上面讨论的有透镜的和基于波束成形的双波束天线相比，由图2的天线1生成的天线波束可能根据频率变化更少，但是包括辐射元件22的六个列会显著增加天线1所需的宽度，这是不期望的，并且V形反射器10可能没有为网络运营商常常需要的辐射元件的一个或多个低频带线性阵列提供合适的安装位置和/或空间。
一般而言，蜂窝运营商期望具有在30°-38°之间的任何位置的方位HPBW值的双波束天线，只要方位HPBW在生成双波束的线性阵列的操作频带上不发生明显变化(例如，大于12°)即可。同样，天线波束峰值的方位指向角可以在+/-26°至+/-33°之间的任何位置变化，只要方位指向角在生成双波束的线性阵列的操作频带上不发生明显变化(例如，大于4°)即可。两个天线波束在天线的视轴指向方向(0°)处的交叉点可以比峰值增益低大约9-12dB。在两个60°子扇区的外边缘处的方位滚降(roll off)优选地比峰值增益低大约10-15dB。峰值方位旁瓣水平应当比峰值增益值低至少15dB。
根据本发明的实施例，提供了改进的双波束(和其它多波束)基站天线，其克服或减轻了上述常规双波束天线的各种困难。在本文中公开的改进的双波束设计中可以使用多种不同的技术。如下面将讨论的，可以混合并匹配这些方法，以满足针对双波束基站天线的期望的性能、成本和/或尺寸要求。
根据本发明的一些实施例，提供了具有安装在背板上的辐射元件的多个列的双波束基站天线。辐射元件的列通过波束成形网络连接到两个RF端口(每极化)。波束成形网络使用频率相关的功率分配器来实现，以便减少双天线波束的方位指向和方位HPBW的变化。
根据另外的实施例，提供了具有安装在背板上的辐射元件的多个列的双波束天线，其被用于形成两个每极化天线波束。在一些实施例中，多个列可以被划分为列的两个集合，其中列的每个集合被用于生成独立的天线波束。在一些实施方式中，辐射元件的列可以被安装在平坦的背板上，并且由辐射元件的列形成的两个天线波束可以电气地转向以在方位平面中在期望的方向(例如，-30°和30°)中指向。在其它实施方式中，辐射元件的列可以被安装在机械地使天线波束转向的V形(或大致V形)的背板上，从而不要求天线波束的电气扫描。在其它实施例中，辐射元件的多个列可以被划分为列的两个集合，其中列的每个集合被用于生成独立的天线波束，其中列中的至少一个但少于所有是阵列的两个集合的一部分。在一些实施例中，低频带辐射元件的一个或多个列也可以被包括在天线中。在还有其它的实施例中，天线可以包括具有复杂形状的背板，其使用机械转向和电气扫描的组合来形成一对每极化扇区拆分天线波束。
根据另外的实施例，提供了具有安装在平坦背板上的辐射元件的多个列的双波束基站天线。辐射元件的列被划分为列的两个集合，其生成相应的天线波束(每极化)，其中辐射元件的列中的至少一个但少于所有是阵列的两个集合的一部分。波束成形网络包括90°混合耦合器以及插入在RF端口和90°混合耦合器之间的可变功率分配器。在又一些实施例中，平坦的背板可以用成形(shaped)的背板来代替，从而机械转向和电气转向的组合被用于使天线波束在其期望的方位指向方向中指向。
现在将参考图3A-图13更详细地讨论本发明的实施例，其中示出了示例实施例。
现在参考图3A-图3D，其图示了根据本发明示例实施例的双波束Butler矩阵式基站天线100，其在生成两个天线波束时充分共享辐射元件的所有列。图3A是双波束基站天线100的透视图，而图3B是基站天线100的框图，其图示了被用于将一对RF端口耦合到天线100中包括的辐射元件的四个列的馈送网络。图3C是双波束基站天线100的横截面图，其图示了包括在该双波束基站天线100中的辐射元件的行之一。图3D是包括在双波束基站天线100中的波束成形网络之一的框图。
如图3A中所示，双波束Butler矩阵式基站天线100包括壳体110。在所描绘的实施例中，壳体110是多件式壳体，其包括天线罩112、顶端盖114和底端盖116。多个RF端口120和控制端口安装在底端盖116中。RF端口120可以包括RF连接器，该RF连接器可以接纳同轴电缆，该同轴电缆在基站天线100与一个或多个无线电装置(未示出)之间提供RF连接。
基站天线100是沿着纵轴A1延伸的细长结构。基站天线100的方位视轴指向方向是指水平轴，该水平轴从基站天线100延伸到由基站天线100服务的120°扇区的在方位平面中的中心。当基站天线100被安装用于正常使用时，纵轴A1通常将沿着竖直轴延伸，但是在一些情况下，基站天线100可以从竖直方向倾斜几度，以向由基站天线100形成的天线波束施加机械下倾角。如图3A中进一步所示，波束成形天线100具有长度、深度和宽度。长度L是指天线100沿着纵轴A1延伸的距离。深度D是指天线100沿着轴A2延伸的距离，该轴A2垂直于纵向维度A1并且与天线100的方位视轴指向方向共线。宽度维度W是指天线100沿着轴A3延伸的距离，该轴A3垂直于轴A1和轴A2二者。
参考图3B和图3C，基站天线100还包括辐射元件132的四个列130-1至130-4。在本文中，当天线中包括多个相同的元件时，这些元件可以用它们的完整附图标记(例如，列130-3)单独地指代，并且可以用它们的附图标记的第一部分(例如，列130)集体地指代。每一列130包括多个辐射元件132。虽然每一列130中包括的辐射元件132在图3B和图3C中被图示为倾斜-45°/+45°交叉极化偶极子辐射元件132，其具有被安装在一对馈送杆印刷电路板135上的包括四个偶极子臂(未示出)的偶极子臂印刷电路板133，但是将认识到的是，可以使用任何适当的辐射元件132。例如，在其它实施例中可以使用贴片辐射元件。每个线性阵列130中的辐射元件132被安装为从背板140向前延伸。背板140可以包括金属片，该金属片用作辐射元件132的接地平面，并且还用作使由辐射元件132发射的许多向后定向的辐射向前重定向的反射器。背板140还可以包括侧壁(未示出)，并且可以用作天线100的结构构件。
还如图3B中所示，天线100包括一对馈送网络150-1、150-2，该对馈送网络150-1、150-2各自包括移相器/功率分配器160和多个波束成形网络170。将认识到的是，图3B仅示出了用于每个交叉极化偶极子辐射元件132的-45°辐射器的馈送网络150-1。除了馈送网络150-2在+45°RF端口120-3、120-4与每个交叉极化偶极子辐射元件132的+45°辐射器之间延伸之外，用于每个交叉极化偶极子辐射元件132的+45°辐射器的馈送网络150-2可以与馈送网络150-1相同。
如图3B中所示，在RF端口120-1处输入的RF信号被传递到第一移相器/功率分配器160-1。第一移相器/功率分配器160-1被配置为将输入到其的RF信号拆分为五个子分量(该五个子分量可以具有相同的功率水平，或更通常地具有不同的功率水平)，并在RF信号的五个子分量上注入相位锥度，以便以期望的方式电气地改变由在RF端口120-1处输入的RF信号形成的天线波束的仰角。类似地，在RF端口120-2处输入的RF信号被传递到第二移相器/功率分配器160-2。第二移相器/功率分配器160-2被配置为将输入到其的RF信号拆分为五个子分量(该五个子分量可以具有相同的功率水平，或更通常地具有不同的功率水平)，并在RF信号的五个子分量上注入相位锥度，以便以期望的方式电气地改变由在RF端口120-2处输入的RF信号形成的天线波束的仰角。由于移相器/功率分配器电路的操作在本领域中是众所周知的，因此这里将省略对其的进一步描述。
第一移相器/功率分配器160-1的五个输出端耦合到五个Butler矩阵式波束成形网络170-1至170-5的相应的第一输入端，并且第二移相器/功率分配器160-2的五个输出端类似地耦合到五个Butler矩阵式波束成形网络170-1至170-5的相应的第二输入端。每个Butler矩阵式波束成形网络170包括四个输出端，并且每个输出端耦合到由所讨论的Butler矩阵式波束成形网络170馈送的在辐射元件的行中的四个辐射元件132中的相应的一个。
图3D是图3B中所示的波束成形网络170之一的框图。如图3D中所示，第一移相器/功率分配器160-1和第二移相器/功率分配器160-2的输出端耦合到90°混合耦合器172的两个输入端口。90°混合耦合器172的两个输出端口耦合到相应的第一可变功率分配器和第二可变功率分配器174的输入端。第一可变功率分配器和第二可变功率分配器174是频率相关的功率分配器，如将在下面更详细地讨论的。第一可变功率分配器174-1的第一输出端耦合到第一180°移相器176-1(该第一180°移相器176-1可以例如被实现为延迟线，或通过偶极子馈送点的180°旋转来实现)，并且第一180°移相器176-1的输出端耦合到波束成形网络170的第一输出端178-1。第一可变功率分配器174-1的第二输出端耦合到波束成形网络170的第三输出端178-3。类似地，第二可变功率分配器174-2的第一输出端耦合到第二180°移相器176-2(例如，该第二可变功率分配器174-2可以被实现为延迟线，或通过偶极子馈送点的180°旋转来实现)，并且第二180°移相器176-2的输出端耦合到波束成形网络170的第四输出端178-4。第二可变功率分配器174-2的第二输出端耦合到波束成形网络170的第二输出端178-2。
波束成形网络170可以比可比的常规Butler矩阵波束成形网络明显更简单。图4A是这种常规Butler矩阵波束成形网络180的示意性框图。如图4A中所示，常规Butler矩阵波束成形网络180的第一输入端和第二输入端耦合到相应的第一90°混合耦合器182-1和第二90°混合耦合器182-2的第一输入端口。第一90°混合耦合器182-1和第二90°混合耦合器182-2的第二输入端耦合到地。第一90°混合耦合器182-1和第二90°混合耦合器182-2中的每一个的第一输出端耦合到相应的第一90°移相器186-1和第二90°移相器186-2，并且第一90°混合耦合器182-1和第二90°混合耦合器182-2中的每一个的第二输出端耦合到相应的第三90°混合耦合器182-3和第四90°混合耦合器182-4的第一输入端。第一90°移相器186-1和第二90°移相器186-2的输出端耦合到相应的第三90°混合耦合器182-3和第四90°混合耦合器182-4的第二输入端。第三90°混合耦合器182-3和第四90°混合耦合器182-4中的每一个的第一输出端耦合到第三45°移相器186-3和第四45°移相器186-4中的相应的一个，并且第三90°混合耦合器182-3和第四90°混合耦合器182-4中的每一个的第二输出端耦合到相应的第五90°混合耦合器182-5和第六90°混合耦合器182-6的第一输入端。第三45°移相器186-3和第四45°移相器186-4的输出端耦合到相应的第五90°混合耦合器182-5和第六90°混合耦合器182-6的第二输入端。第五90°混合耦合器182-5和第六90°混合耦合器182-6的四个输出端耦合到波束成形网络180的相应的四个输出端188-1至188-4。
如通过比较图3D与图4A可以看出的，波束成形网络170比常规的波束成形网络180明显更简单。尤其是，常规的波束成形网络180包括总共六个90°混合耦合器182，而波束成形网络170仅包括单个90°混合耦合器172和两个频率相关的可变功率分配器174。此外，与常规的波束成形网络180相比，频率相关的可变功率分配器174减小了根据频率的方位HPBW的变化。因此，波束成形基站天线100可以比可比的常规波束成形基站天线更简单，并且还可以表现出改进的性能。
图4B是另一个已知的波束成形网络190的框图。如图4B中所示，波束成形网络190具有耦合到90°混合耦合器192的两个输入端口的第一输入端和第二输入端。90°混合耦合器192的两个输出端口耦合到相应的第一可变功率分配器194-1和第二可变功率分配器194-2的输入端。第一可变功率分配器194-1的第一输出端耦合到第一180°移相器196-1，并且第一180°移相器196-1的输出端耦合到波束成形网络190的第一输出端198-1。第一可变功率分配器194-1的第二输出端耦合到波束成形网络190的第三输出端198-3。类似地，第二可变功率分配器194-2的第一输出端耦合到第二180°移相器196-2，并且第二180°移相器196-2的输出端耦合到波束成形网络190的第四输出端198-4。最后，第二可变功率分配器194-2的第二输出端耦合到波束成形网络190的第二输出端198-2。
在一些实施例中，频率相关的可变功率分配器174可以使用图5A中所示的电路来实现，图5A描绘了基于印刷电路板的功率分配器200，在其一个输出端处具有低通滤波器。如图5A中所示，功率分配器/低通滤波器电路200在微带印刷电路板210上实现。功率分配器/低通滤波器电路200包括功率分配器222和低通滤波器224。微带印刷电路板210可以包括电介质基板，该电介质基板具有覆盖基板的背面的接地平面金属化层(未示出)以及在基板的正面上的金属“迹线”图案。迹线图案的迹线形成微带传输线片段和谐振截线(stub)216。谐振截线216形成低通滤波器224。一对镀通孔218设在中央谐振截线216的远端处，该对镀通孔218连接到微带印刷电路板210的接地层。
图5B是示出图5A的频率相关的可变功率分配器电路200的所模拟的响应的曲线图。图5B中的曲线230-1和230-2示出了响应于输入RF信号在频率相关的可变功率分配器电路200的第一输出端口和第二输出端口处输出的信号的根据频率的相应幅度。如图5B中所示，输出信号的相对幅度根据频率而变化。图5B中的曲线230-1、230-2的形状可以通过增加或减少低通滤波器224中包括的谐振截线216的数量来改变。如果添加了附加的谐振截线216，那么包括低通滤波器224的输出端口处的功率随着频率的增加而更快地减小，而如果包括更少的谐振截线216，那么该端口处的功率随着频率的增加而更慢地减小。
在其它实施例中，频率相关的可变功率分配器174可以使用图5C中所图示的在PCT公开No.2015/006676中公开的电路250来实现。如图5C中所示，PCT公开No.2015/006676中公开的频率相关的可变功率分配器250包括第一功率分配器252、延迟线254和90°混合耦合器256。功率分配器252将输入信号拆分为两个子分量。功率分配器252可以是相等或不相等的功率分配器。功率分配器252的第一输出端耦合到90°混合耦合器256的第一输入端。功率分配器252的第二输出端耦合到延迟线254。延迟线254的输出端耦合到90°混合耦合器256的第二输入端。
频率相关的分配器250可以如下操作。延迟线254对耦合到90°混合耦合器256的第二输入端的RF信号施加相位延迟。但是，如果延迟线254是固定长度，那么RF信号将经历的相位延迟随输入到延迟线254的RF信号的频率而变化。因此，对于固定长度的延迟线254，较高频率的RF信号与较低频率的RF信号相比经历相对更多的相位延迟。因此，90°混合耦合器256接收等振幅信号，其中到达90°混合耦合器256的第二输入端的信号经历随频率的增加而增加的相位延迟。90°混合耦合器256输出相等相位、可变振幅的信号，其中振幅差的量随频率的增加而增加。通过适当选择延迟线254的长度，方位HPBW可以稳定在期望的频带上，如在通过引用并入本文的PCT公开No.2015/006676中进一步详细解释的。
应当注意的是，虽然双波束天线100被示为包括辐射元件132的四个列130-1至130-4，但是在其它实施例中可以包括不同数量的列。例如，图6A和图6B图示了根据本发明另一个实施例的包括用于形成第一天线波束和第二天线波束的高频带辐射元件132的三个共享的列130-1至130-3的基站天线260。图6A示意性地图示了包括在基站天线260中的高频带辐射元件132的行之一，而图6B图示了可以用于将基站天线260的第一RF端口和第二RF端口连接到辐射元件132的每一列130中的至少一个辐射元件132的波束成形网络270。
如图6B中所示，波束成形网络270包括可以耦合到天线260的第一RF端口和第二RF端口的第一输入端271-1和第二输入端271-2。输入端271-1、271-2耦合到90°混合耦合器272的输入端。90°混合耦合器272的第一输出端耦合到高频带辐射元件的第二(中间)列130-2中的一个或多个辐射元件，而90°混合耦合器272的第二输出端耦合到频率相关的可变功率分配器274。频率相关的可变功率分配器274的第一输出端耦合到高频带辐射元件的第一列130-1中的一个或多个辐射元件，并且频率相关的可变功率分配器274的第二输出端经由180°移相器276耦合到高频带辐射元件的第三列130-3中的一个或多个辐射元件。
在还有其它的实施例(本文未描绘)中，基站天线可以包括辐射元件132的五个共享列130，并且图3B中所示的2×4波束成形网络(即，2个输入端，4个输出端)可以用2×5波束成形网络代替。
根据本发明的另外的实施例，提供了双波束基站天线，其使用辐射元件的第一多列阵列和第二多列阵列来形成双波束。在一些实施例中，辐射元件的第一多列阵列和第二多列阵列可以彼此独立，而在其它实施例中，辐射元件的第一多列阵列和第二多列阵列可以共享辐射元件的一个或多个列。在一些实施例中，第一多列阵列和第二多列阵列中的辐射元件可以全部在天线的方位视轴指向方向中“指向”(即，辐射元件被定位成使得它们的峰值辐射将沿着天线的方位视轴指向方向)，并且电气转向可以被用于使第一天线波束和第二天线波束在方位平面中转向。在其它实施例中，可以使用机械转向，使得用于第一多列阵列的辐射元件在方位平面中都具有与第一天线波束的峰值增益对应的方位指向方向，并且用于第二多列阵列的辐射元件类似地在方位平面中都具有与第二天线波束的峰值增益对应的方位指向方向。在还有其它的实施例中，可以使用电气和机械转向的组合。在图7A-图13中图示了根据本发明这些方面的双波束基站天线的示例实施例。图7A-图7B、图8A-图8D、图9A-图9I、图10A-图10B、图11A、图12A-图12B和图13是图示用于天线的背板以及来自辐射元件的每一列的一个辐射元件的横截面图。因此，将认识到的是，这些图中所示的每个辐射元件表示图中的延伸到页面中的辐射元件的线性阵列或“列”。
在图7A中图示了根据本发明的实施例的第一纯电气地转向的双波束基站天线300。如图7A中所示，双波束基站天线300包括被安装为从平坦背板140A向前延伸的高频带辐射元件132的六个列130-1至130-6。高频带辐射元件132的最左边的三个列130-1至130-3经由第一公共馈送网络(未示出)耦合到第一RF端口和第二RF端口(未示出)，并且被用于生成具有大约-30°(例如，在-26°和-33°之间)的方位指向方向的第一天线波束302(即，两个极化中的每个极化有一个)。高频带辐射元件132的最右边的三个列130-4至130-6经由第二公共馈送网络(未示出)耦合到第三RF端口和第四RF端口(未示出)，并且被用于生成具有大约30°的方位指向方向的第二天线波束304(即，两个极化中的每个极化有一个)。第一公共馈送网络和第二公共馈送网络各自包括被用于在方位平面中对天线波束302、304进行扫描的频率相关的可变功率分配器。
图7B图示了根据本发明的实施例的双波束基站天线310，该双波束基站天线310是图7A中所示的双波束基站天线300的经修改的版本。双波束基站天线310仅具有被安装在背板140B上的高频带辐射元件132的五个列130-1至130-5，并且中间列130-3连接到两个馈送网络。对辐射元件132的中间列130-3的共享导致了功率损失，从而使天线310的性能与天线300相比退化，但是消除了六分之一的辐射元件132，并且还导致天线可能在宽度上缩窄15％。列130-1至130-3耦合到第一RF端口和第二RF端口(未示出)，并且被用于生成具有大约-30°的方位指向方向的第一倾斜-45°和倾斜+45°极化天线波束312，并且列130-3至130-5耦合到第三RF端口和第四RF端口(未示出)，并且被用于生成具有大约30°的方位指向方向的第二倾斜-45°和倾斜+45°极化天线波束314。
多种不同技术可以被用于共享列130-3的辐射元件，以便将该列用于生成天线波束312和天线波束314两者。例如，2019年2月27日提交的美国专利申请序列No.16/287,114(“'114申请”)公开了用于共享辐射元件从而该辐射元件被用于生成两个不同的天线波束的多种技术。'114申请的全部内容通过引用并入本文。
如以上参考图2所讨论的，双波束天线在本领域中是已知的，该双波束天线具有安装在V形背板的两个平面面板上的辐射元件的多个列，以生成拆分扇区的相应的第一天线和第二天线的波束。V形背板“机械地”使天线波束转向，因为它以与辐射元件被用于生成的天线波束对应的方位角指向每个辐射元件。但是，图2天线的一个缺点是背板不包括用于低频带辐射元件的阵列的合适位置，并且因此，图2的天线仅适于用作单频带(高频带)天线。
根据本发明的另外的实施例，提供了被配置为双频带天线的双波束机械转向基站天线。图8A-图8D图示了此类天线的四个示例实施例。
首先参考图8A，描绘了双频带基站天线320，其包括高频带辐射元件132的六个线性阵列130-1至130-6以及低频带辐射元件136的单个线性阵列134-1。高频带辐射元件132的三个最左边的列130-1至130-3被安装为从大致V形的背板140C的第一面142-1向前延伸，并且经由第一公共馈送网络(未示出)耦合到第一RF端口和第二RF端口(未示出)，以生成具有大约-30°的方位指向方向的第一倾斜-45°和倾斜+45°极化天线波束322。高频带辐射元件132的三个最右边的列130-4至130-6被安装为从大致V形的背板140C的第三面142-3向前延伸，并且经由第二公共馈送网络(未示出)耦合到第三RF端口和第四RF端口(未示出)，以生成具有大约30°的方位指向方向的第二倾斜-45°和倾斜+45°极化天线波束324。因为背板140C的第一面142-1和第三面142-3垂直于相应的第一天线波束322和第二天线波束324的方位指向方向，所以辐射图案的电气转向不是必要的。如图8A中进一步所示，当“V”的尖端变平以形成狭窄的第二面142-2时，背板140C仅大致为V形。低频带辐射元件136的线性阵列(列)134被安装为从该第二面142-2向前延伸。低频带辐射元件136的线性阵列134可以是具有大约65°方位的HPBW的常规线性阵列，从而低频带辐射元件136的线性阵列134服务于整个扇区(即，低频带中没有扇区拆分)。
图8B图示了除了基站天线320的大致V形的背板140C被倒置(翻转)以提供背板140D之外与图8A的双频带基站天线320相同的双频带基站天线330。因此，高频带辐射元件132的三个最左边的列130-1至130-3被用于生成以大约30°的方位角指向的天线波束，并且高频带辐射元件132的三个最右边的列130-4至130-6被用于生成以大约-30°的方位角指向的天线波束。与图3A的双频带基站天线320相比，双频带基站天线330的一个潜在优点是，由于倒置的背板140D，低频带辐射元件136的线性阵列134-1被相对地进一步向后地安装，与天线320相比，这可以减小天线330的整体深度。
图8C图示了双频带基站天线340，其可以被用于例如(1)支持两种不同的低频带服务(例如，700MHz和800MHz)，(2)在高频带中执行扇区拆分，以及(3)支持在高频带频率范围内的另一个频带中的服务。基站天线340包括高频带辐射元件132的总共七个线性阵列130-1至130-7和低频带辐射元件136的两个线性阵列134-1、134-2。高频带辐射元件132的三个最左边的列130-1至130-3和高频带辐射元件132的三个最右边的列130-5至130-7可以分别地以与基站天线320的列130-1至130-3和130-4至130-6精确相同的方式操作，并且因此将省略对其的进一步描述。背板140E可以具有与天线320的背板140C相似的形状。
天线340还包括低频带辐射元件136的两个线性阵列134-1、134-2。低频带阵列134-1可以与高频带阵列130-2大致共线，并且低频带阵列134-2可以与高频带阵列130-6大致共线，其中当天线340被安装供使用时，每对共线的阵列134-1、130-2；134-2、130-6的辐射元件沿着竖直方向交替(interleaved)。两个低频带线性阵列134-1、134-2可以作为在不同频带中提供服务或者在相同频带中作为4×MIMO天线操作的扇区(与扇区拆分相反)阵列操作。高频带辐射元件132的线性阵列130-4可以被用于支持高频带的不同部分中的服务。例如，线性阵列130-1至130-3和130-5至130-7可以包括双工线性阵列，其支持在1695-2180MHz频率范围内的两个频带中的服务，而线性阵列130-4可以在示例实施例中被用于支持在2400-2690MHz频带中的服务。
图8D图示了除了将低频带辐射元件的线性阵列134-1、134-2移动到天线的每一侧上的外部位置之外与图8C的双频带基站天线340相同的双频带基站天线350。
图7A-图7B的基站天线300和310包括垂直于相应的天线的视轴指向方向的相应的平坦背板140A、140B，并且在方位平面中在适当的方向中使扇区拆分天线波束电气地转向。相反，图8A-图8D的基站天线320、330、340、350反而各自使用成形的背板在方位平面中在适当方向中使扇区拆分天线波束机械地转向，从而避免对使天线波束从视轴电气地转向的任何需要。根据本发明的还有其它的实施例，提供了双频带双波束基站天线，其使用机械转向和电气转向的组合来潜在地实现改善的性能。图9A-图9I是根据本发明的实施例的双频带双波束基站天线的一系列横截面图，其包括既电气地转向又机械地转向的扇区拆分阵列。
参考图9A，描绘了双频带基站天线400，其包括高频带辐射元件132的七个列130-1至130-7以及低频带辐射元件136的两个列134-1、134-2。辐射元件的所有列被安装为从成形的反射器140G向前延伸，该成形的反射器140G包括相对于相邻的纵向延伸区段成角度的多个纵向延伸区段。辐射元件的一个或多个列可以被安装为从反射器140G的每个纵向延伸区段向前延伸。一些纵向延伸区段被安装为垂直于基站天线400的方位视轴指向方向延伸，而其它纵向延伸区段相对于基站天线400的方位视轴指向方向成角度，以使安装在其上的辐射元件的(一个或多个)列至少部分地朝着由辐射元件的(一个或多个)列形成的天线波束的期望方位指向方向转向。
在图9A的实施例中，反射器140G包括第一纵向延伸区段142-1到第七纵向延伸区段142-7，该第一纵向延伸区段142-1至该第七纵向延伸区段142-7以数字次序在基站天线400的宽度上布置。纵向延伸区段142-2、142-4和142-6垂直于基站天线400的方位视轴指向方向延伸，而纵向延伸区段142-1、142-3、142-5和142-7成角度，从而它们不垂直于基站天线400的方位视轴指向方向延伸。纵向延伸区段142-1和142-3在方位平面中从基站天线400的方位视轴指向方向向左成角度，而纵向延伸区段142-5和142-7在方位平面中从基站天线400的方位视轴指向方向向右成角度。在一些实施例中，纵向延伸区段142-1和142-3在方位平面中与垂直于基站天线400的方位视轴指向方向延伸的区段142-2、142-4、142-6成大约-30°的角度，从而高频带辐射元件132的第一列130-1和第三列130-3不需要在方位平面中电气地转向。类似地，纵向延伸区段142-5和142-7也在方位平面中与垂直于基站天线400的方位视轴指向方向延伸的区段142-2、142-4、142-6成大约30°的角度，从而高频带辐射元件132的第五列130-5和第七列130-7不需要在方位平面中电气地转向。
高频带辐射元件的三个最左边的列130-1至130-3经由第一公共馈送网络(未示出)耦合到第一RF端口和第二RF端口(未示出)。高频带辐射元件132的第二列130-2可以在方位平面中电气地转向大约-30°，从而由高频带辐射元件的三个最左边的列130-1至130-3中的每一列发射的辐射图案的视轴指向方向相对于基站天线400的方位视轴指向方向成约-30°的方位角。因此，高频带辐射元件132的三个最左边的列130-1至130-3将生成具有大约-30°的方位指向方向的第一倾斜-45°和倾斜+45°极化天线波束402。高频带辐射元件132的三个最右边的列130-5至130-7经由第二公共馈送网络(未示出)耦合到第三RF端口和第四RF端口(未示出)。高频带辐射元件132的第六列130-6可以在方位平面中电气地转向大约30°，从而由高频带辐射元件的三个最右边的列130-5至130-7中的每一列发射的辐射图案的视轴指向方向相对于基站天线400的方位视轴指向方向成大约30°的方位角。因此，高频带辐射元件的三个最右边的列130-5至130-7将生成具有大约30°的方位指向方向的第二倾斜-45°和倾斜+45°极化天线波束404。
高频带辐射元件132的线性阵列130-4可以被用于支持高频带的不同部分中的服务。由高频带辐射元件132的第四线性阵列130-4形成的天线波束的方位半功率波束宽度可以是由高频带辐射元件132的第一线性阵列130-1至第三线性阵列130-3形成的天线波束的方位半功率波束宽度的大约两倍。
天线400还包括低频带辐射元件136的两个线性阵列134-1、134-2。低频带阵列134-1可以与高频带阵列130-2大致共线，并且低频带阵列134-2可以与高频带阵列130-6大致共线，其中当天线400被安装供使用时，每对共线的阵列134-1、130-2；134-2、130-6的辐射元件沿着竖直方向交替。两个低频带线性阵列134-1、134-2可以作为在不同频带中提供服务或者在相同频带中作为4×MIMO天线操作的扇区(与扇区拆分相反)阵列操作。
图9B描绘了双频带基站天线410，该双频带基站天线410是图9A的基站天线400的经修改的版本。但是，基站天线410仅包括高频带辐射元件132的五个列130-1至130-5以及低频带辐射元件136的两个列134-1、134-2。在图9B的实施例中，反射器140H包括以数字次序布置的第一纵向延伸区段142-1至第五纵向延伸区段142-5，其中纵向延伸区段142-1、142-3和142-5垂直于基站天线410的方位视轴指向方向延伸，而纵向延伸区段142-2在方位平面中向左与纵向延伸区段142-3成角度(例如，成大约-30°的角度)，并且纵向延伸区段142-4在方位平面中向右与纵向延伸区段142-3成角度(例如，成大约30°的角度)。因此，高频带辐射元件132的第二列130-2和第四列130-4不需要在方位平面中电气地转向。
高频带辐射元件的列130-1至130-3经由第一公共馈送网络耦合到第一RF端口和第二RF端口，其中高频带辐射元件132的列130-1和130-3在方位平面中电气地转向大约-30°。类似地，高频带辐射元件的列130-3至130-5经由第二公共馈送网络耦合到第三RF端口和第四RF端口，其中高频带辐射元件132的列130-3和130-5在方位平面中电气地转向大约30°。高频带辐射元件132的列130-3是共享列，其耦合到所有的第一RF端口至第四RF端口。
天线410又包括低频带辐射元件136的两个列134-1、134-2。由于上面已经参考图9A描述了低频带辐射元件136的列134-1、134-2，因此将省略对其的进一步描述。
图9C描绘了双频带基站天线420，该双频带基站天线420是图9A的基站天线400的另一个经修改的版本。除了基站天线420的反射器140I与基站天线400的反射器140G不同地成形之外，基站天线420与基站天线400相同。尤其是，在基站天线420中，反射器140I的纵向延伸区段移动到天线的外侧边缘(这里是纵向延伸区段142-7)，而不是像基站天线400中的情况那样定位在天线的中间，该反射器140I的纵向延伸区段包括生成对完整的扇区提供覆盖的天线波束的高频带辐射元件132的列。此外，在图9C的天线中，低频带辐射元件136的两个列134-1、134-2与高频带辐射元件132的列130-2、130-5不太共线，以便出于隔离目的而维持辐射元件136的两个低频带列134-1、134-2之间的适当间隔。
图9D描绘了双频带基站天线430，该双频带基站天线430是图9A的基站天线400的另一个经修改的版本。除了基站天线430的反射器140J又与基站天线400的反射器140G不同地成形之外，基站天线430与基站天线400相同。尤其是，基站天线430的反射器140J仅包括五个纵向延伸区段142-1至142-5，并且仅纵向延伸区段142-2和142-4成角度以使得它们不垂直于天线430的方位视轴指向方向。此外，纵向延伸区段142-3被加宽并且其上安装有高频带辐射元件132的三个列130-3至130-5和低频带辐射元件136的两个列134-1、134-2。因此，基站天线430仅使高频带辐射元件132的两个列130-2、130-6机械地转向并且使高频带辐射元件132的四个列130-1、130-3、130-5、130-7电气地转向，以生成拆分扇区的双天线波束432、434，而基站天线400使高频带辐射元件132的四个列130-1、130-3、130-4、130-7机械地转向，并且仅使高频带辐射元件132的两个列130-2、130-6电气地转向，以生成拆分扇区的双天线波束。一般而言，基站天线400将预期提供比基站天线430更好的性能，但是基站天线400在深度方向中也可以具有更大的覆盖面积(footprint)。
图9E描绘了双频带基站天线440，该双频带基站天线440是图9D的基站天线430的经修改的版本。除了基站天线430的反射器140J被倒置(如上面讨论的针对图8B的基站天线330的情况)以提供反射器140K以外，基站天线440与基站天线430相同，从而在天线440的左侧的高频带辐射元件132的三个列130-1至130-3被用于形成覆盖扇区的右侧的天线波束444，并且在天线440的右侧的高频带辐射元件132的三个列130-5至130-7被用于形成覆盖扇区的左侧的天线波束442。
图9F描绘了双频带基站天线450，该双频带基站天线450是图9B的基站天线410的经修改的版本。尤其是，除了基站天线450的反射器140L被倒置之外，基站天线450与基站天线410相同，从而在天线450的左侧的高频带辐射元件132的三个列130-1至130-3被用于形成覆盖扇区的右侧的天线波束454，并且在天线450的右侧的高频带辐射元件132的三个列130-3至130-5被用于形成覆盖扇区的左侧的天线波束452。高频带辐射元件132的列130-3是辐射元件的共享列，其耦合到所有的第一RF端口至第四RF端口(未示出)。
图9G描绘了双频带基站天线460，该双频带基站天线460是图9F的基站天线450的经修改的版本。尤其是，基站天线460仅包括低频带辐射元件136的单列134-1，其安装在反射器140M的中间纵向延伸区段142-3上。因此，基站天线460可以仅支持低频带中的单个频带中的服务。但是，因为低频带辐射元件136的列134-1被安装在反射器的更向后地定位的区段上，所以基站天线460在深度方向中可以比基站天线450更薄。
图9H描绘了双频带基站天线470，该双频带基站天线470是图9G的基站天线460的经修改的版本。尤其是，通过将高频带辐射元件132的两个列130-3、130-4安装在反射器140N的第三纵向延伸区段142-3上，基站天线470包括高频带辐射元件132的第六列130-6。因此，基站天线470不需要共享高频带辐射元件132的列130，反而使用列130-1至130-3来形成第一扇区拆分高频带天线波束474，并且使用列130-4至130-6来形成第二扇区拆分高频带天线波束472。
图9I描绘了双频带基站天线480，该双频带基站天线480是图9H的基站天线470的经修改的版本。尤其是，除了基站天线480的反射器140O不像基站天线470的反射器140N那样倒置之外，基站天线480与基站天线470相同。因此，在基站天线480中，高频带辐射元件132的三个最左边的列130-1至130-3形成覆盖扇区的左侧的天线波束482，并且高频带辐射元件132的三个最右边的列130-4至130-6形成覆盖扇区的右侧的天线波束484。
因此，图9A-图9I图示了被配置为将三扇区基站的扇区拆分为第一子扇区和第二子扇区的双波束基站天线。这些天线各自包括第一阵列，该第一阵列包括第一频带辐射元件的多个列，第一阵列被配置为形成在整个第一子扇区中提供覆盖的第一天线波束。这些天线还可以包括第二阵列，该第二阵列包括第一频带辐射元件的多个列，第二阵列被配置为形成在整个第二子扇区中提供覆盖的第二天线波束。作为示例，在图9A的基站天线400中，第一阵列包括被用于生成“左”天线波束402的列130-1至130-3，并且第二阵列包括被用于生成“右”天线波束404的列130-4至130-6。作为另一个示例，在图9B的基站天线410中，第一阵列包括被用于生成“左”天线波束412的列130-1至130-3，并且第二阵列包括被用于生成“右”天线波束414的列130-3至130-5。第一天线波束(例如，图9A中的天线波束402)的峰值增益可以在从第二天线波束(例如，图9A中的天线波束404)的峰值增益发生处的方位角偏移至少30°的方位角处发生。
第一阵列中的第一列中的辐射元件具有第一方位视轴指向方向，并且第一阵列中的第二列中的辐射元件具有第二方位视轴指向方向，该第二方位视轴指向方向从第一方位视轴指向方向偏移至少10°。而且，第一阵列中的第二列中的辐射元件电气地转向。例如，如图9A中所示，列130-3中的辐射元件具有如由箭头Az1示出的第一方位视轴指向方向，并且列130-2中的辐射元件具有如由箭头Az2示出的第二方位视轴指向方向。第一方位视轴指向方向Az1和第二方位视轴指向方向Az2相差大约30°。此外，列130-2中的辐射元件电气地转向。
第一阵列和第二阵列中的辐射元件的列可以被安装在包括具有多个纵向延伸区段的反射器的背板上。这些区段中的一些(诸如图9A的基站天线400中的区段142-2、142-4和142-6)可以垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向。第一阵列和第二阵列中的其它列可以在反射器的在方位平面中相对于与天线的方位视轴指向方向垂直的区段成角度的区段上，诸如图9A的基站天线400中的区段142-1、142-3、142-5和142-7。在一些实施例中，这些区段可以与垂直于天线的方位视轴指向方向的区段至少成15°的角度。
基站天线还可以包括第二频带辐射元件的一个或多个列。通常，第一频带辐射元件可以包括例如在1.7-2.7GHz频带(或更高的频带)的全部或一部分中操作的“高频带”辐射元件，并且第二频带辐射元件可以包括在617-960MHz频带的全部或一部分中操作的低频带辐射元件。但是，本发明的实施例不限于此。在其中第二频带辐射元件是低频带辐射元件的实施例中，将这些辐射元件安装在反射器的比反射器的其它部分更向后地定位的部分上可以是有利的，以便减小天线的总深度。
图9A-图9I还图示了包括第一RF端口、第一阵列以及背板的双波束基站天线，该第一阵列包括均耦合到第一RF端口的辐射元件的第一列和第二列，该背板包括反射器，该反射器具有垂直于基站天线的方位视轴指向方向的第一纵向延伸区段和在方位平面中与反射器的第一纵向延伸区段成至少15°的角度的第二纵向延伸区段。第一列中的辐射元件被安装为从反射器的第一纵向延伸区段向前延伸，并且第二列中的辐射元件被安装为从反射器的第二纵向延伸区段向前延伸。辐射元件的第一列和第二列被配置为生成在方位平面中具有在彼此的大约10°之内的指向方向的相应的第一辐射图案和第二辐射图案。参考图9A的基站天线400，辐射元件的第一列可以是列130-2，并且辐射元件的第二列可以是列130-1(或列130-3)。通常，列130-1至130-3将各自生成在方位平面中在同一方向中指向的相应的辐射图案，但是在一些情况下一些变化(但是小于10°)可能是期望的。
图9A-图9I的基站天线还各自具有反射器，该反射器包括至少第一纵向延伸区段至第五纵向延伸区段以及第一频带辐射元件的第一列至第五列，第一频带辐射元件的第一列至第五列被安装为从反射器的相应的第一纵向延伸区段至第五纵向延伸区段向前延伸。反射器的第一纵向延伸区段至第五纵向延伸区段中的每一个在方位平面中以至少5°的角度直接连接到反射器的第一纵向延伸区段至第五纵向延伸区段中的另外的一个或两个。此外，反射器的第一纵向延伸区段至第五纵向延伸区段中的每一个限定了相应的平面，并且垂直于每个相应的平面的轴在方位平面中相对于基站天线的视轴指向方向各自成小于45°的角度。
根据本发明的还有另外的实施例，提供了双波束扇区拆分基站天线，该双波束扇区拆分基站天线使用机械转向和电气转向的组合来创建双波束，但是少于完全的机械转向。换句话说，反射器的形状可以被成形为使辐射元件的一些或全部列在方位角方向中朝着子扇区的中间机械地转向，并且电气转向可以被用于以剩余方式在方位平面中使天线波束转向。这种方法可以有利地在不显著增加天线的深度的情况下允许高频带辐射元件132的所有列130机械地转向。而且，虽然高频带辐射元件的所有列130也可以需要电气地转向，但是电气转向的量可以显著减少(例如，在示例实施例中减少到小于20°)。因为天线波束中最显著的失真趋于在大量的电气转向被施加时发生，所以使高频带辐射元件132的一些或所有列130既机械地又电气地转向的方法可以提供优异的性能而不会显著增加基站天线在深度方向中的尺寸。图10A和图10B图示了根据本发明的实施例的基站天线的两个示例实施例，其具有既机械地又电气地转向的高频带辐射元件的列。
如图10A中所示，基站天线500包括高频带辐射元件132的七个列130-1至130-7以及低频带辐射元件136的两个列134-1、134-2。辐射元件的所有列被安装为从包括三个纵向延伸区段的成形的反射器140P向前延伸。中间纵向延伸区段142-2垂直于基站天线500的方位视轴指向方向延伸。中间纵向延伸区段142-2的任一侧上的纵向延伸区段142-1、142-3各自从纵向延伸区段142-2以显著小于30°的角度(即，该角度小于使安装在纵向延伸区段142-1、142-3上的辐射元件的列130机械地转向从而不需要电气转向所需的角度)向后延伸。在所描绘的实施例中，每个纵向延伸区段142-1、142-3以大约12.5°的角度向后延伸，但是可以使用任何适当的角度。在一些应用中，大约5°和大约20°之间的角度可以是优选的。
因为被用于形成覆盖扇区左半部分的天线波束502的高频带辐射元件132的每一列130-1至130-3仅机械地转向了12.5°，所以这些列在方位平面中电气地转向了例如大约15.5°-17.5°，以便在方位平面中具有大约27°-30°的总扫描。值得注意的是，被用于形成覆盖扇区左半部分的天线波束502的高频带辐射元件132的所有三个列130-1至130-3被安装在反射器140P的同一纵向延伸区段142-1上。在天线500的右侧的天线列130-5至130-7具有镜像设计，并且以相同的方式操作，以形成第二扇区拆分高频带天线波束504，并且因此将省略对其的进一步描述。高频带辐射元件132的线性阵列130-4可以被用于支持高频带的不同部分中的服务，如上面例如关于图9A的基站天线400所讨论的。
基站天线500还包括低频带辐射元件136的第一列134-1和第二列134-2。基站天线500的设计中的一种潜在的复杂性是低频带列134-1、134-2被安装为从反射器140P的成角度的区段142-1、142-3向前延伸，并且因此低频带辐射元件136的馈送杆将不垂直于它们从其延伸的反射器140P的底层区段。塑料夹可以被用于支撑低频带辐射元件136，从而它们从反射器140P以正确的角度(根据反射器140P成12.5°的角度来看，此处将以大约77.5°的角度)向前延伸。
图10B描绘了双频带基站天线510，该双频带基站天线510是图10A的基站天线500的经修改的版本。基站天线510与基站天线500的不同之处在于(1)省略了反射器140P的中间纵向延伸区段142-2，(2)天线510仅包括安装在天线的中间的低频带辐射元件136的单个列134-1，以及(3)天线510不包括在天线500中被用于在高频带频率范围的不同部分中形成扇区天线波束的高频带辐射元件132的额外列130。基站天线510与基站天线500相比的主要优点是，虽然它支持在较少的频带中的服务，但其宽度减小。
根据本发明的还有另外的实施例，提供了双波束基站天线，该双波束基站天线使用具有辐射元件的一些但不是所有列的波束成形网络，其被用于形成两个扇区拆分天线波束。已经发现的是，对于一些应用，包括未连接到波束成形网络的辐射元件的一个或多个附加列可以改善天线的整体性能。图11A和图11B示意性地图示了具有这种设计的基站天线600。
如图11A中所示，基站天线600包括安装在平面反射器140R上的高频带辐射元件132的五个列。列130-1至130-4可以被用于生成第一扇区拆分天线波束602，而列130-2至130-5可以被用于生成第二扇区拆分天线波束604。图11B示意性地图示了由基站天线600支持的两个极化之一的馈送网络。如图11B中所示，天线600包括第一RF端口610-1和第二RF端口610-2。RF端口610-1耦合到第一功率分配器612-1，并且RF端口610-2耦合到第二功率分配器612-2。在一些实施例中，功率分配器612-1、612-2可以是不相等的功率分配器。例如，功率分配器612可以向其输出端614-2、614-4(该输出端614-2、614-4对列130-2至130-4馈送)比向其输出端614-1、614-3(该输出端614-1、614-3分别对列130-1和130-5馈送)提供更多的功率。
功率分配器612-1的输出端614-2和功率分配器612-2的输出端614-4耦合到波束成形网络620的相应的输入端622-1、622-2。在一些实施例中，波束成形网络620可以包括例如90°混合耦合器。波束成形网络620的第一输出端624-1耦合到功率分配器612-3。功率分配器612-3的第一输出端614-5耦合到高频带辐射元件132的列130-2，并且功率分配器612-3的第二输出端614-6通过180°移相器630耦合到高频带辐射元件132的列130-4。波束成形网络620的第二输出端624-2耦合到高频带辐射元件132的列130-3。功率分配器612-1的第一输出端614-1耦合到高频带辐射元件132的列130-1，并且功率分配器612-2的第一输出端614-3耦合到高频带辐射元件132的列130-5。传递到列130-1的在RF端口610-1处输入的RF信号的子分量的功率和相位可以被调整为使第一天线波束与第二天线波束无关地成形，而传递到列130-5的在RF端口610-2处输入的RF信号的子分量的功率和相位可以被调整为使第二天线波束604与第一天线波束602无关地成形。这可以在方位波束宽度、方位指向角和方位旁瓣方面提供改进的性能。虽然未在图11B中示出，但是移相器/功率分配器可以耦合在波束成形网络620与辐射元件132的每一列130之间。每个移相器/功率分配器将馈送到辐射元件132的列130的RF信号拆分，以便将RF信号的子分量馈送到各个辐射元件132(或辐射元件132的子阵列)并在仰角平面中施加电气下倾(如果期望的话)。
接下来参考图12A和图12B，分别提供了基站天线600的经修改的版本700和710，其向未耦合到波束成形网络620的辐射元件132的列130-1、130-5添加机械转向。尤其是，如图12A中所示，基站天线700包括反射器140S，该反射器140S具有五个纵向延伸区段142-1至142-5。纵向延伸区段142-3垂直于天线700的方位视轴指向方向，并且具有耦合到安装在其上的波束成形网络620的辐射元件的三个列130-2至130-4。纵向延伸区段142-2从纵向延伸区段142-3的左侧向后成角度(例如，在方位平面中成大约27°-30°的角度)，并且纵向延伸区段142-4从纵向延伸区段142-3的右侧向后成角度(例如，在方位平面中成大约27°-30°的角度)。这种设计可以被用于消除对使列130-1和130-5电气地转向的需要(或被用于减少所需的电气转向的量)，这可以导致改善的天线方向图。
使用Butler矩阵式波束成形网络来实现双波束扇区拆分天线的一个问题是，方位指向角(即，其中发生峰值增益的方位角)可能根据频率而发生相当大的变化。例如，对于6.8°的方位指向方向的扩展，包括在1.7-2.7GHz频带中操作的高频带辐射元件的四个列的一个常规的Butler矩阵式双波束基站天线可以生成在1.7GHz处具有29.5°的方位指向方向、在2.2GHz处具有26.1°的方位指向方向并且在2.7GHz处具有22.7°的方位指向方向的天线波束。对于这种天线，对于10.8°的扩展，方位HPBW在1.7GHz处为38.8°，在2.2GHz处为33.2°，并且在2.7GHz处为28.0°。根据本发明的实施例的图7A的天线300的使用可以对方位指向角的变化提供一些改善(减小)，但是以方位HPBW的对应增加为代价。尤其是，对于方位指向方向的5.3°的扩展，图7A的天线300生成在1.7GHz处具有21.3°的方位指向方向、在2.2GHz处具有24.5°的方位指向方向并且在2.7GHz处具有26.6°的方位指向方向的天线波束。对于这种天线，对于11.3°的扩展，方位HPBW在1.7GHz处为43.2°，在2.2GHz处为36.7°，并且在2.7GHz处为31.9°。
根据本发明的另外的实施例，可以使用Shiffman移相器、相位平衡线等来调整功率分配器输出传输线的相位斜率，以改善(减小)根据频率的方位指向方向和方位HPBW。例如，可以在波束成形网络的输出端处添加Shiffman移相器。利用这种改变，对于方位指向方向的仅2.7°的扩展，天线可以生成在1.7GHz处具有26.9°的方位指向方向、在2.2GHz处具有25.7°的方位指向方向并且在2.7GHz处具有24.2°的方位指向方向的天线波束。对于这种天线，对于10.2°的扩展，方位HPBW在1.7GHz处为42.0°，在2.2GHz处为36.6°，并且在2.7GHz处为31.8°。
还将认识到的是，本文描述的技术可以被用在三波束天线(或四波束天线)以及双波束天线中。例如，图13是图示根据本发明的实施例的三波束天线800的示意图，其可以被视为图9B的双波束基站天线410的三波束实现。基站天线800包括安装在反射器140U上的高频带辐射元件132的七个列130-1至130-7，该反射器140U包括五个纵向延伸区段142-1至142-5。列130-3和列130-5是辐射元件的共享列。因此，列130-1至130-3可以被用于生成对120°扇区的三分之一提供覆盖的第一天线波束802，列130-3至130-5可以被用于生成对120°扇区的另外的三分之一提供覆盖的第二天线波束804，并且列130-5至130-7可以被用于生成对120°扇区的其余三分之一提供覆盖的第三天线波束806。列130-2和130-6机械地转向(大约35°-40°)，这可以帮助改善第一天线波束802和第三天线波束806的形状。三波束天线800还包括低频带辐射元件136的一对列134-1、134-2。将认识到的是，本文公开的其它双波束天线可以类似地被修改以提供各种不同的三波束基站天线。
上述基站天线包括辐射元件的“列”。最通常地，每个“列”可以包括辐射元件的竖直地定向的线性阵列，其中辐射元件沿着竖直轴延伸。但是，将认识到的是，在一些情况下，列可以是辐射元件的所谓“交错的”线性阵列，其中一些辐射元件相对于其它辐射元件水平地偏移少量。如2018年8月24日提交的美国临时专利申请序列No.62/722,238中所解释的，其全部内容通过引用并入本文，这种交错的线性阵列可以被包括在基站天线中，以例如提高方位波束宽度在整个操作频带上的稳定性。
图14A-图14C图示了根据本发明的另外的实施例的双频带双波束基站天线900，其包括辐射元件的这样的交错的列。尤其是，图14A是双频带双波束基站天线900的示意性透视图(其中省略了低频带辐射元件的列)，图14B是图14A的示意性横截面，并且图14C是基站900的等距截面图，该基站900具有来自该视图中包括的每一列的低频带辐射元件。
如图14A中最佳地示出的，基站天线900包括高频带辐射元件132的五个列130-1至130-5。高频带辐射元件132的列130被安装成从成形的反射器140U向前延伸。形成列130-1、130-2、130-4和130-5的高频带辐射元件132各自是辐射元件132的交错的列，其中每一列130中每隔一个辐射元件132在水平方向中从列130中相邻的辐射元件132偏移少量。列130-1和130-2经由第一公共馈送网络(未示出)耦合到第一RF端口和第二RF端口(未示出)，并且一起形成生成第一倾斜-45°和倾斜+45°极化天线波束的高频带辐射元件132的第一阵列。列130-4和130-5经由第二公共馈送网络(未示出)耦合到第三RF端口和第四RF端口(未示出)，并且一起形成生成第二倾斜-45°和倾斜+45°极化天线波束的高频带辐射元件132的第二阵列。列130-3通过第三馈送网络(未示出)耦合到第五RF端口和第六RF端口(未示出)，并生成第三-45°倾斜和倾斜+45°极化天线波束。列130-1和130-2的交错用于使第一阵列的方位波束宽度缩窄，从而由第一阵列生成的第一天线波束各自具有大约33°的方位HPBW。类似地，列130-4和130-5的交错用于使第一阵列的方位角波束宽度缩窄，从而由第一阵列生成的第一天线波束各自具有大约33°的方位HPBW。因此，第一天线波束和第二天线波束各自被确定尺寸以覆盖120°扇区的子扇区。第三天线波束可以具有大约65°的方位HPBW，并且可以覆盖完整的扇区。
反射器140U包括第一纵向延伸区段142-1至第三纵向延伸区段142-3。纵向延伸区段142-2被安装为垂直于基站天线900的方位视轴指向方向延伸，而纵向延伸区段142-1和142-2相对于纵向延伸区段142-2成角度。因此，由高频带辐射元件132的列130-1、130-2生成的第一天线波束在方位平面中机械地向左转向，以覆盖左子扇区，并且由高频带辐射元件132的列130-4、130-5生成的第二天线波束在方位平面中机械地向右转向，以覆盖右子扇区。在一些实施例中，形成第一阵列和第二阵列的高频带辐射元件132的交错的列130-1、130-2；130-4、130-5可以机械地转向大约27°(通过使反射器区段142-1、142-3相对于反射器区段142-2成角度)，从而不要求第一天线波束和第二天线波束的电气转向。在其它实施例中，形成第一阵列和第二阵列的高频带辐射元件132的交错的列130-1、130-2；130-4、130-5可以机械地转向小于例如27°(例如，在10°-25°之间)，并且第一天线波束和第二天线波束可以在方位平面中电气地转向剩余距离，以便指向其相应的子扇区的中间。
天线900还包括低频带辐射元件136的两个线性阵列134-1、134-2，如图14C中所示。低频带阵列134-1可以与交错的高频带阵列130-2大致对准，并且低频带阵列134-2可以与交错的高频带阵列130-4大致对准。两个低频带线性阵列134-1、134-2可以作为在不同频带中提供服务或者在相同频带中作为4×MIMO天线操作的扇区(与扇区拆分相反)阵列操作。
将认识到的是，本说明书仅描述了本发明的一些示例实施例，并且本文描述的技术具有超出上述示例实施例的适用性。还应当注意的是，根据本发明的实施例的天线可以被用在除扇区拆分之外的应用中，诸如例如在诸如体育场、体育馆、会议中心等场所。在此类应用中，更通常将多个波束配置为覆盖60°-90°扇区。
上面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，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。确切地说，这些实施例被提供为使得本公开将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。贯穿全文，相同的标号表示相同的元件。
将理解的是，虽然术语第一、第二可以在本文用于描述各种元件，但是这些元件不应受当到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，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。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列出的项的任何和所有组合。
将理解的是，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，那么不存在中间元件。还将理解的是，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”至另一个元件时，那么不存在中间元件。应当以类似的方式解释用于描述元件之间的关系的其它词语(即，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”指定所述特征、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。
可以以任何方式和/或与其它实施例的方面或元件的组合来对以上公开的所有实施例的方面和元件进行组合，以提供多个附加实施例。

Claims (22)

1.一种双波束基站天线，所述双波束基站天线被配置为将三扇区基站的扇区拆分为第一子扇区和第二子扇区，所述双波束基站天线包括：
第一射频(“RF”)端口；
第一阵列，所述第一阵列包括第一频带辐射元件的第一多个列，其中第一频带辐射元件的所述第一多个列中的每个列耦合到第一RF端口，所述第一阵列被配置为形成提供遍及整个所述第一子扇区的覆盖的第一天线波束；以及
第二RF端口和第二阵列，所述第二阵列包括第一频带辐射元件的第二多个列，其中第一频带辐射元件的所述第二多个列中的每个列耦合到所述第二RF端口，所述第二阵列被配置为形成提供遍及整个所述第二子扇区的覆盖的第二天线波束，
其中，所述第一阵列中的第一列中的辐射元件具有第一方位视轴指向方向，并且所述第一阵列中的第二列中的辐射元件具有第二方位视轴指向方向，所述第二方位视轴指向方向从所述第一方位视轴指向方向偏移至少10°，以及
其中，所述第一阵列中的第二列中的辐射元件被电气地转向。
2.如权利要求1所述的双波束基站天线，还包括第二频带辐射元件的列，第二频带辐射元件的所述列被配置为生成具有为所述第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第三天线波束。
3.如权利要求2所述的双波束基站天线，还包括第一频带辐射元件的附加列，第一频带辐射元件的所述附加列被配置为生成具有为所述第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第四天线波束。
4.如权利要求1所述的双波束基站天线，还包括包含反射器的背板，其中，所述第一阵列中的第一列在反射器的第一区段上，所述第一区段垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，并且所述第一阵列中的第二列在反射器的第二区段上，所述第二区段与所述第一区段至少成15°的角度。
5.如权利要求4所述的双波束基站天线，其中，所述第二阵列中的第一列在反射器的第三区段上，所述第三区段垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，并且所述第二阵列中的第二列在反射器的第四区段上，所述第四区段与所述第三区段至少成15°的角度。
6.如权利要求5所述的双波束基站天线，其中，所述第一天线波束的峰值增益在从所述第二天线波束的峰值增益发生处的方位角偏移至少30°的方位角处发生。
7.如权利要求1所述的双波束基站天线，其中，所述第一阵列中的第二列中的辐射元件朝着所述第一方位视轴指向方向被电气地转向。
8.如权利要求1所述的双波束基站天线，其中，所述第一阵列中的第二列中的辐射元件在方位方向中被电气地转向固定的量。
9.如权利要求1所述的双波束基站天线，还包括辐射元件的共享列，所述共享列是所述第一阵列和所述第二阵列的一部分。
10.如权利要求4所述的双波束基站天线，还包括：
第二频带辐射元件的第一列；
第二频带辐射元件的第二列；以及
其中，第二频带辐射元件的第一列在反射器的第一部分上，所述第一部分垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，并且第二频带辐射元件的第二列在反射器的第二部分上，所述第二部分垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向。
11.如权利要求10所述的双波束基站天线，其中，反射器的所述第一部分和反射器的所述第二部分各自定位在反射器的最前部分的后方。
12.如权利要求1所述的双波束基站天线，还包括包含反射器的背板，其中，反射器包括第一纵向延伸区段、第二纵向延伸区段和第三纵向延伸区段，所述第一纵向延伸区段垂直于双波束基站天线的方位视轴指向方向，所述第二纵向延伸区段直接连接到所述第一纵向延伸区段的左侧，所述第二纵向延伸区段相对于所述第一纵向延伸区段以第一倾斜角定向，所述第三纵向延伸区段直接连接到所述第一纵向延伸区段的右侧，所述第三纵向延伸区段相对于所述第一纵向延伸区段以第二倾斜角定向。
13.如权利要求12所述的双波束基站天线，其中，所述第一倾斜角在所述第二倾斜角的5°之内。
14.如权利要求1所述的双波束基站天线，其中，所述第一阵列在双波束基站天线的右侧，并且所述第一子扇区在所述扇区的左侧。
15.一种基站天线，所述基站天线包括：
第一射频(“RF”)端口；
第一阵列，所述第一阵列包括均耦合到第一RF端口的辐射元件的第一列和辐射元件的第二列；以及
包括反射器的背板，所述反射器具有第一纵向延伸区段和第二纵向延伸区段，所述第一纵向延伸区段垂直于基站天线的方位视轴指向方向，所述第二纵向延伸区段在方位平面中与反射器的所述第一纵向延伸区段成至少15°的角度，
其中，所述第一列中的辐射元件被安装为从反射器的所述第一纵向延伸区段向前延伸，并且所述第二列中的辐射元件被安装为从反射器的所述第二纵向延伸区段向前延伸，以及
其中，辐射元件的所述第一列和所述第二列被配置为生成相应的第一辐射图案和第二辐射图案，所述第一辐射图案和所述第二辐射图案在方位平面中具有在彼此的10°之内的指向方向。
16.如权利要求15所述的基站天线，其中，所述第一辐射图案和所述第二辐射图案形成第一天线波束的至少一部分，所述第一天线波束提供对三扇区基站的扇区的一半的覆盖。
17.如权利要求15所述的基站天线，还包括：
第二RF端口；
第二阵列，所述第二阵列包括均耦合到所述第二RF端口的辐射元件的第三列和辐射元件的第四列，
其中，反射器还包括第三纵向延伸区段和第四纵向延伸区段，所述第三纵向延伸区段与所述第一纵向延伸区段间隔开并且垂直于基站天线的方位视轴指向方向，所述第四纵向延伸区段在方位平面中与反射器的所述第三纵向延伸区段成至少15°的角度，
其中，所述第三列中的辐射元件被安装为从反射器的所述第三纵向延伸区段向前延伸，并且所述第四列的辐射元件被安装为从反射器的所述第四纵向延伸区段向前延伸。
18.如权利要求15所述的基站天线，其中，辐射元件的所述第一列和所述第二列中的辐射元件是第一频带辐射元件，基站天线还包括第二频带辐射元件的列，第二频带辐射元件的列被配置为生成具有为由所述第一阵列生成的第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第三天线波束。
19.如权利要求18所述的基站天线，还包括第一频带辐射元件的附加列，第一频带辐射元件的所述附加列被配置为生成具有为所述第一天线波束的方位半功率波束宽度的两倍的方位半功率波束宽度的第四天线波束。
20.如权利要求15所述的基站天线，其中，辐射元件的所述第二列中的辐射元件在方位方向中被电气地转向，并且辐射元件的所述第一列中的辐射元件在方位方向中不被电气地转向。
21.如权利要求17所述的基站天线，还包括耦合到所述第一RF端口和所述第二RF端口的辐射元件的共享列，辐射元件的所述共享列是所述第一阵列的一部分和所述第二阵列的一部分。
22.如权利要求17所述的基站天线，其中，所述基站天线被配置为将三扇区基站的扇区拆分为第一子扇区和第二子扇区，并且所述第一阵列在基站天线的右侧，并且所述第一子扇区在所述扇区的左侧。
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