CN117461215A - 透镜型多频段多波束多列双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明主题提供的装置、系统和方法中，高端口数基站天线使用球面透镜阵列，每个频段多个端口，包含多个频段，能够进行多波束操作。优选实施例中，天线系统包括多个垂直叠置的介电球面透镜，其中每个透镜围绕有四个以上低频辐射元件或一个圆形元件。圆形元件可以具有多个子元件以及馈电间隙。

Description

透镜型多频段多波束多列双极化天线

优先权文件

技术领域

本发明技术领域涉及无线通信。

背景技术

该背景技术部分包括可能有助于理解本发明的信息，既非承认本文提供的任何信息作为现有技术或有关本文要求保护的发明，也非明示或暗示引用的任何文献作为现有技术。

随着数据和第五代(5G)服务呈指数级增长，无线网络数据吞吐量、服务质量、容量和整体可靠性持续面临挑战，网络设计方和运营商目前使用更多的无线电收发器来扩增带宽和端口，提供了4x4 MIMO(多输入多输出)、256QAM(正交幅度调制)和CA(载波聚合)。通过使用来自公共天线孔径的多波束将小区从传统的三扇区分成六扇区和九扇区，进一步提高了容量。这就需要基站天线能够提供多频段的超宽高性能扇区覆盖以及尽可能多的端口，同时保持数十年来塔上使用的传统基站天线(BSA)孔径。多端口BSA的示例可以参阅https://www.commscope.com/catalog/antennas/product_details.aspx？id＝69751，具有12个LB和HB端口，但不能提供拆分的小区(用于提高容量)，也不能覆盖新的5G频段(600Mhz和3.3–4.2GHz)。

与常见的巴特勒矩阵法(Butler Matrix)相比，基于透镜的多波束天线因其性能卓越而日益应用广泛，特别是在关键的端口间隔离方面。提出轻质低损耗人造介电材料(请参阅美国专利US8,518,537)为宽带多频段多波束天线开辟了新的机会。此外，美国专利US8199063教导了4个LB偶极子，它们的曲臂之间具有嵌套的HB元件。然而，文献US8199063的缺点是LB频段较窄(<15％)，只有一束波束可用于HB操作。

上述所有参考文献均通过引用归并本文，引用程度如同每件参考文献或专利申请均可单独具体引用归并。归并的参考文献中术语的定义或使用与本文提供的该术语定义不一致或相悖时，本文提供的该术语定义适用而参考文献中该术语定义不适用。

发明内容

本发明主题提供的装置、系统和方法中，高端口数基站天线使用球面透镜阵列，每个频段多个端口，包含多个频段，能够进行多波束操作。

优选实施例中，天线系统包括多个垂直叠置的介电球面透镜，其中每个透镜围绕有四个以上低频辐射元件或一个圆形元件。本发明实施例中，每个透镜围绕有四个低频偶极辐射器，每个辐射器由圆弧形状的偶极臂组成，圆弧的曲率半径与透镜的半径相似。这种多频段阵列元件结构可用作一个或多个阵列的多列结构块，以形成高增益窄垂直波束天线端口。

球面透镜为表面呈球形(或大致呈球形)的透镜。如本文所定义，表面基本上符合球形的透镜是指至少50％(优选为至少80％，更优选为至少90％)的表面区域符合球形。球面透镜的示例包括球壳透镜、龙勃(Luneburg)透镜等。球面透镜可以仅含一层介电材料，也可以含多层介电材料。传统的龙勃透镜是一种球面对称透镜，球体内多层的折射率互不相同。

使用具有远程电倾斜功能的移变馈电网络将低频元件组合成一个或多个垂直阵列。高频段使用辐射器照射一次介电透镜来创建平面波前相位，并使用具有远程电倾斜功能的移变馈电网络组合到垂直阵列中。一个或多个高频垂直阵列可以与单列透镜配合使用，以在方位角平面内产生多束波束。

优选实施例中，高频元件在一次透镜表面附近的圆弧上运动。该运动可以与其他列中的高频元件或四个低频元件结构中的运动相一致或互独立。本领域技术人员应当清楚，可能有使用多列高频阵列来形成多波束的多个实施例。

本文公开了宽带多频段双极化透镜型多波束基站相控阵天线以及用于这种天线的低频段辐射器。双极化低频段元件的形状接近圆形。一种低频段元件版本包括具有4个对称定位馈电间隙的导电环。

另一种低频段元件版本包括四个耦合对称偶极定位于圆形LB元件中。在圆形LB元件内部放置介电球面质透镜，透镜结构优选人造介电质。透镜型低频段辐射器适用于600–960MHz频段，并提供大约60度的水平波束宽度。一些实施例中，低频段元件定位于双列中以支持4x4 MIMO操作。多频段基站天线包括适用于1.69–2.69GHz的高频段辐射器，其中成对HB辐射器放置在一些低频段元件内部，形成两束水平波束宽度约35度的输出波束。相关实施例中，多频段基站天线包括适用于3.3–4.2GHz的高频段FB辐射器，其中成对HB辐射器放置在一些圆形LB元件内部，形成两束水平波束宽度约24度的输出波束。

一些实施例中，圆形低频段元件与十字形低频段元件组合在同一阵列中，它们的水平臂和垂直臂散布在高频段辐射器之间。另一实施例中，通过组合不同直径和/或截断的透镜来实现辐射图案优化。

LB元件是宽带多频段双极化透镜多波束基站相控阵天线的关键部件。圆形双极化元件配置为与球面透镜配合，可用于多频段多波束天线。

根据下面关于优选实施例的详细描述以及附图，本发明主题的各种目的、特征、方面和优点将更加清楚明了，附图中相同的附图标记表示相同的部件。

附图说明

图1A示出了圆形双极化辐射元件的示意图。

图1B示出了具有巴伦和功分器的圆形双极化辐射元件的示意图。

图2A示出了具有圆形辐射元件和巴伦的天线阵列。

图2B示出了具有圆形辐射元件和三个FB元件的天线阵列。

图2C示出了具有圆形辐射元件和两个HB元件的天线阵列。

图3A示出了具有圆形辐射子元件和滤波器的圆形辐射元件的示意图。

图3B示出了具有透镜上方的圆形辐射元件、选频表面(FSS)和两个HB元件的天线。

图3C示出了另一种具有透镜上方的圆形辐射元件、选频表面(FSS)和两个HB元件的天线。

图3D示出了具有透镜上方的圆形辐射元件、选频表面(FSS)和两个HB元件的替代天线系统。

图4示出了具有透镜上方的圆形辐射元件、反射器和馈线的天线。

图5A示出了具有多个圆形辐射元件和嵌套HB元件的天线阵列。

图5B示出了具有多个圆形辐射元件和嵌套HB元件的天线阵列的侧视图。

图5C示出了具有多个圆形辐射元件和嵌套HB元件的天线阵列的等距视图。

图5D示出了具有非球形透镜的天线。

图6示出了具有多个圆形辐射元件的多波束多频段天线阵列。

图7示出了具有多个圆形辐射元件和LB十字的多波束多频段天线阵列。

图8示出了另一种具有多个圆形辐射元件、LB十字和HB元件的多波束多频段天线阵列。

图9示出了具有多个圆形辐射元件、LB十字和平面反射器的多波束多频段天线阵列。

图10示出了具有多个圆形辐射元件、LB十字和非平面反射器的多波束多频段天线阵列。

具体实施方式

示例性实施例

图1A描绘了具有圆形导体的圆形双极化辐射元件100的示例性实施例，该圆形导体具有4个子元件101、102、103、104以及4个馈电间隙。圆形辐射元件可以例如具有带状。而且，圆形辐射元件可以具有圆形、矩形或其他形状的横截面，或者可以印刷在电路板上。优选实施例中，馈电间隙互成90°角定位(如图1A所示)。一些实施例中，如图1B示意性示出，四个子元件101、102、103、104之间的四个馈电间隙中安装有巴伦(Balun，平衡非平衡转换器)105、106、107、108以提供平衡激励。对于+45°极化，巴伦105、107经由功分器110同相连接；对于-45°极化，巴伦108、106经由功分器109同相连接。某些实施例中，元件100的直径约为λ/2，其中λ是中心频率的波长。优选实施例中，元件100的形状非圆形(例如，多边形)。为了提供一侧辐射，可以将圆形元件部署在反射器平面上。

一些实施例中，为了更好的波束整形，圆形元件可以具有球面透镜103，如图2A示意性所示。一些实施例中，球面透镜103的直径与圆形元件的直径基本相同。

图2A描绘了具有透镜209的双频段多波束天线200，其中巴伦205、206、207、208部署在圆形辐射子元件201、202、203、204之间。为了简明起见，图2A至图2C中未示出馈线。

图2B示出了双频段多波束天线200，其具有圆形LB子元件201、202、203、204以及部署在透镜209后面的FB元件210、220、230。该双频天线200配置为形成一束宽LB波束和3束窄FB波束(未示出)。优选实施例中，透镜209整形LB波束并聚焦FB波束。

图2C描绘了双频段多波束天线200，其具有圆形LB子元件201、202、203、204以及部署在透镜209后面的HB元件240、245。优选实施例中，透镜209配置为整形经由圆形LB子元件201、202、203、204产生的一束宽LB波束并聚焦经由HB元件240、245产生的两束窄HB波束。某一实施例中，透镜209整形LB波束并聚焦HB波束。

图3A描绘了具有圆形辐射子元件301、302、303、304以及滤波器305的圆形辐射元件300。滤波器可以是扼流圈、带阻滤波器或低通滤波器。优选实施例中，滤波器305配置为减少嵌套在LB元件内的多个LB和HB元件之间的耦合。某些实施例中，滤波器305阻停HB电流，使LB元件“隐身”于HB波。此外，一些实施例中，滤波器305不抑制LB元件的传输。

图3B描绘了选频表面(FSS)305部署在透镜320内部的透镜320，其中分别由HB元件310、315产生2束输出波束(330和335)。在图3B至图3D中，透镜320“卡扣”到反射器304中。优选实施例中，FSS 305对于HB元件315、310透明，但用作圆形辐射元件300的反射表面，为反射器304提供延续。优选实施例中，圆形辐射元件300为LB元件。一些实施例中，FSS 305定位于透镜320的中心(如图3B所示)，但在其他情形下，FSS 305可以放置得更靠近HB元件315、310(如图3C所示)。一些实施例中，FSS 305可以延伸出透镜(未示出)。有利地，当圆形辐射元件300定位于透镜320上方或赤道处时(如图3D所示)，HB元件315、310产生的输出波束遭受的畸变最小。

一些实施例中，HB(FB)元件可以放置在公共反射器304上方(图5A至图5C)。

另一双频段实施例中，透镜320可用于形成不同数目(例如，2束以上)波束(例如，3束、4束或5束FB波束)，这可得益于5G大规模MIMO波束赋形。

图4示出了天线系统400，其中LB圆形元件405在球面透镜401周围部署于反射器403上方。该实施例中，LB圆形元件405包括四个紧密耦合的辐射子元件。每个辐射子元件具有微带馈线404和开槽巴伦402。通过调整耦合量，可以实现LB圆形元件405的宽带性能。优选实施例中，LB圆形元件405的宽带性能配置为超过60％带宽。例如，对于图4所示的配置，元件直径为204mm，HFSS仿真显示在600–900MHz频段内回波损耗>16dB，端口间隔离>35DB。

示例性实施例中，LB圆形元件405的辐射子元件经由电容耦合或电感耦合来耦合。相关实施例中，可以使用平面电容器或叠加电容器来提供电容耦合。优选实施例中，辐射子元件的臂可以包括与上述类似的阻带滤波器或扼流圈。

尽管透镜总体上改善了LB元件的性能(图2至图4)，但一些实施例中，本公开提出的LB元件不带透镜。上述双极化方案可用作独立天线或用作天线阵列的元件，包括多波束多频段阵列。

带透镜的圆形LB元件允许配置极其紧凑，这特别适合作为具有多列(和/或多行)的多频段/多波束天线的基本元件。

图5A至图5C示出了具有2列8个LB圆形元件的天线500。图5A为天线500的正视图，图5B为天线500的仰视图，图5C为天线500的等距视图。某一实施例中，从背板501向前，透镜502部署在LB圆形元件503内部，改善了LB列之间的隔离(>25DB)。优选实施例中，前五行RF元件是天线500的LB圆形元件，每列包含两个HB元件以及LB元件围绕的透镜502。诸如HB元件504等HB元件经由相控阵列中的HB移相器(未示出)连接，以允许辐射元件产生的各波束独立倾斜。有利地，由于均质球面透镜的准超指向性，有效抑制了HB栅瓣。为了更好地抑制上旁瓣，部分(或全部)HB元件可以与波束倾斜同步地围绕透镜507旋转(绕轨环绕)。诸如FB元件506等FB元件经由相控阵列中的FB移相器(未示出)连接，以允许辐射元件产生的各波束独立倾斜。

示例性实施例中，对于F频段(FB)天线配置，每列使用3透镜3波束天线阵列。如图5B和图5C所示，使用不同直径的透镜，两个较小透镜505、508以及位于中心的较大透镜507，其中透镜507嵌套进LB元件(未示出)。选择不同直径的FB透镜是为了优化FB波束宽度/旁瓣，同时减小相邻LB元件之间的间距。而且，某些实施例中，透镜508可以自顶部和底部截短以允许进一步减小相邻LB元件之间的间距。FB元件506连接到FB移相器(未示出)以形成相控阵列，从而允许各输出波束独立倾斜。

某些实施例中，HB元件和FB元件使用二次透镜。二次透镜对于优化HB和FB天线阵列的辐射图案发挥着重要作用。优选实施例中，如图5D所示，二次透镜510放置在辐射元件530上方并具有非球面形状，这有益于图案优化。某些实施例中，二级透镜一侧具有圆形，另一侧具有卵形/椭圆形，这二者之间呈平滑过渡。这种形状非常有利于波束紧密排列的天线。可以使用其他形状(圆锥台、圆柱、平行六面体、棱锥、分段棱锥、棱锥台、椭圆柱)。同一阵列中可以使用不同形状和/或尺寸的二次透镜来提高性能。例如，如果天线阵列的球面透镜尺寸不同(如图5A至图5C所示的F频段)，对于较小的一次透镜，可以使用较长的二次透镜。二次透镜可以具有均匀的介电质或介电常数不同的层。这样就能提供更好的仰角阵列旁瓣抑制以及稳定的方位角波束宽度。如图5D所示，人造介电材料520用作二次透镜510的填充物(参阅美国专利US8,518,537)。一些实施例中，主透镜(未示出)可以优选地填充有人造介电材料，以显著降低天线重量、成本、插损。某些实施例中，二次透镜510可以是各向同性透镜。其他实施例中，二次透镜510可以是各向异性透镜。

图6是描绘多波束多频段天线阵列600的示意图。阵列600在两列的每一列中各有8个LB元件(按等距阵列排列)。与图5A至图5C所示的阵列相比，这能实现更好的LB上旁瓣抑制、稍高的增益和扩展的倾斜范围。优选实施例中，透镜601、602、603、604、605配置为与两个HB元件一起操作。对于F频段，示出具有不同直径的透镜，其中透镜609大于透镜608和透镜610。而且，示例性实施例中，透镜609的直径与LB元件607的直径大致相同。有利地，透镜609与LB元件607直径相似可以配合4束FB波束用来改进5G波束赋形。

图7是描绘多波束多频段天线阵列700的示意图，阵列700在两列透镜701的每一列中各有7个LB元件702。优选实施例中，阵列700具有6英尺的长度。对于FB，使用2个较大透镜(704和705)和1个较小透镜(703)。

为了进一步减小天线总宽度，可能有利的是LB圆形元件与其他类型的LB元件组合。如图8所示，除了圆形LB元件外，还使用了LB十字。LB十字802具有+/-45°极化，臂沿垂直方向和水平方向定向。LB十字802的臂可以装配在HB元件801与HB二次透镜(未示出)之间。某一实施例中，圆形LB元件803可以与LB十字元件802组合，改善LB列之间的隔离并且减少栅瓣。可以包括不同直径的镜片。优选实施例中，透镜805是由LB元件围绕的较大透镜，透镜806是用于高频(例如FB)的较小透镜，甚至可以集成更小的透镜，如透镜807。有利地，该天线配置改善了所有4个LB端口之间的的隔离。而且，HB元件801之间垂直间距较短可以有利于减少HB旁瓣。此外，与图5至图7所示的阵列相比，图8所示的天线配置能够使天线宽度减少约10％–15％。图9描绘了HB透镜阵列900，其中HB元件901和LB十字902布置成两列，反射器903呈平坦状。一些其他实施例中，如图10所示，反射器1030可以呈非平坦状，以允许HB元件1010围绕透镜1020移动(旋转)来进行波束倾斜，同时LB元件1040集成到该布置中。优选实施例中，反射器1030具有曲率。相关实施例中，反射器1030的形状呈多边形。

本文内容提供了本发明主题的许多示例实施例。尽管每个实施例代表发明要素的单个组合，但本发明主题应视为包括本公开要素的所有可能组合。因此，如果第一实施例包括要素A、B和C，第二实施例包括要素B和D，则虽未明确披露，本发明主题也应视为包括A、B、C或D的其余组合。

一些实施例中，用于描述和要求保护本发明某些实施例的、表达组件数量、诸如定向、定位等性质的数字应理解为在某些情况下受术语“约”修饰。据此，某些实施例中，说明书和所附权利要求书中陈述的数值参数为近似值，可能随具体实施例所要获取的预期性质而有所不同。某些实施例中，每个数值参数均应根据有效位数和应用普通四舍五入惯例来解释。尽管说明本发明某些实施例宽泛范围的数值范围和参数为近似值，但具体实施例中陈述的数值尽量精确。本发明某些实施例中列出的数值可能包含它们各自测试测量中标准偏差必然引起的某些误差。

本说明书及所附权利要求中，单数含义包括复数，除非上下文另作明确规定。此外，本说明书中，“在……中”含义包括“在……中”和“在……上”，除非上下文另作明确规定。

本文表述取值范围仅旨在用作个别指代属于该范围内的每个单独值的简写法。每个单独值均纳入说明书，正如本文个别叙述一样，除非本文另作说明。本文描述的所有方法能够以任何适当的顺序执行，除非本文另作注明或上下文明显矛盾。本文使用任何及所有示例或示例性语言(“诸如”)来描述某些实施例仅旨在更好地阐明本发明，而不对本公开保护范围构成限制。说明书中的任何语言不应解释为表明任何未要求保护的要素作为本发明实施方案的必要特征。

本文公开的本发明替代要素或实施例的分组不应解释为构成局限性。每个组员可以单独地或与其他组员或本文其他要素任意组合地引用和要求保护。出于便利和/或可专利性因素，可以将一个或多个组员纳入组中或从组中删除。发生任何此类纳入或删除时，本说明书视为包含修改组，从而满足关于所附马库什(Markush)权利要求的书面描述。

本领域技术人员应当清楚的是，在不背离本发明构思的前提下，除了上述内容之外还有更多可能修改。因此，本发明主题不受所附权利要求精神以外的其他限制。此外，解读说明书和权利要求书时，所有术语皆应采取与上下文一致的最广义解释。特别是，术语“包括”和“包含”应解释为非排他式指代要素、组件或步骤，表明所引用的要素、组件或步骤可以存在或利用或组合其他未明确引用的要素、组件或步骤。若说明书及权利要求书提及选自A、B、C……和N的组中至少一项，则应解释为仅需该组中一个要素，而非A加N或B加N等。

Claims (16)

1.一种RF元件功能性耦合至透镜的布置，包括：

第一RF元件，配置为发送或接收第一RF频段信号；

其中，所述第一RF元件成形为围绕所述透镜的周边；

与所述第一RF元件不同的第二RF元件，配置为发送或接收与所述第一RF频段信号不同的第二RF频段信号。

2.根据权利要求1所述的布置，其中，

所述第一RF元件还至少包括第一子元件和第二子元件。

3.根据权利要求1所述的布置，其中，

所述布置还包括反射器，配置为调制所述第一RF频段信号和所述第二RF频段信号中至少一者，其中，所述反射器围绕所述第二RF元件部署。

4.根据权利要求1所述的布置，其中，

所述第二RF元件功能性耦合至二次透镜。

5.根据权利要求2所述的布置，其中，

所述第一子元件与所述第二子元件经由巴伦相互耦合。

6.根据权利要求5所述的布置，其中，

所述巴伦为电容器。

7.根据权利要求5所述的布置，其中，

所述巴伦为电阻器。

8.根据权利要求5所述的布置，其中，

所述巴伦为电感器。

9.根据权利要求2所述的布置，其中，

至少所述第一子元件和所述第二子元件布置成形成选自圆形和多边形的形状。

10.根据权利要求1所述的布置，其中，

所述第一RF元件包括频带滤波器。

11.根据权利要求10所述的布置，其中，

所述频带滤波器为带阻滤波器。

12.根据权利要求10所述的布置，其中，

所述频带滤波器为低通滤波器。

13.根据权利要求1所述的布置，其中，

所述第一RF频段信号为低频段LB信号。

14.根据权利要求1所述的布置，其中，

所述第二RF频段信号为F频段FB信号。

15.根据权利要求1所述的布置，其中，

所述第二RF频段为H频段HB信号。

16.根据权利要求1所述的布置，其中，

所述第一RF频段信号和所述第二RF频段信号覆盖相同的地理区域。