TWI727136B - 多波束多重輸入多重輸出天線系統和方法 - Google Patents

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伊格爾 季莫費耶夫
里奧尼德 麥堤辛
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Abstract

本案提出一種使用球面透鏡的多波束天線系統，天線端口具有高隔離度且與2x2、4x4、8x8 MIMO收發器兼容。通過圍繞一或多個球面透鏡的軌道上移動的雙波段輻射器及在球面透鏡之間放置低波段輻射器，可實現幾種緊湊的多波段多波束解決方案(每個波段帶寬為40%+)。藉由對高頻輻射器使用次級透鏡，可減少低頻和高頻輻射器之間的耦合。波束傾斜範圍和旁瓣抑制可通過相移和/或輻射器的旋轉角度來改善。通過本案多波束天線系統可以實現寬波束傾斜範圍(0-40度)。每個波束可以獨立傾斜。基於所提出的單透鏡和多透鏡天線解決方案，可實現細胞覆蓋和體育場講壇覆蓋優化、同時減少干擾。

Description

多波束多重輸入多重輸出天線系統和方法 【相關申請的交叉引用】
本申請主張於2017年1月13日提交的標題為「MULTI-BEAM MIMO ANTENNA SYSTEMS AND METHODS」的第62/445,874號美國臨時申請及2017年7月28日提交的標題為「Multi-Beam MIMO Antenna Systems and Methods」的第62/538615號美國臨時申請之優先權。本文引用的這些和所有其他外在參考文獻的全部內容通過引用併入本文。在併入的參考文獻中的術語的定義或使用與本文提供的術語的定義不一致或相反時，本文中提供的術語的定義適用，並且該參考文獻中對該術語的定義不適用。
本發明係關於通信設備。
以下描述包括可能有助於理解本發明的信息。並不是承認本文提供的任何信息是現有技術或與當前要求保護的發明相關，或者明確或暗示引用的任何出版物是現行技術。
目前和未來的無線通信系統都著眼於更高的容量。現代蜂巢系統中，增加容量的兩種主要方法是提供多輸入多輸出(MIMO、Multi-input multi-output)信號以及提供細胞分離能力(cell splitting capabilities)。
MIMO是通過使用多個天線(或多個端口)來增加無線電鏈路容量的方法。然而，天線端口之間沒有高度隔離時，MIMO天線產生的信號可能會相互干擾(參見Francisco A.Monteiro的CRC出版社2014年出版的「MIMO Processing for 4G and Beyond：Fundamentals and Evolution」，作者：MárioMarques da Silva)。在Hartenstein的名稱為「MIMO Antenna System」 的美國專利第8,482,478號公告的MIMO天線中，使用吸收體材料來改善天線端口之間的隔離。但是，Hartenstein的吸波材料會導致信號衰減和被動式交互調變(PIM、passive inter-modulation)問題，這對於3G、4G/LTE蜂巢系統是不可接受的。其他MIMO天線，例如Tarlazzi等人的美國專利第US2011/0135308號公開案中的MIMO天線係相當笨重且不是多波束的。
提供細胞分裂能力的更有效的方法之一是使用多波束天線(例如Timofeev的美國專利第2016/0013563號公開案「Wideband Twin Beam Antenna Array」、Timofeev等人的美國專利第2011/0205119號公開案「Dual-Beam Sector Antenna and Array」、Johannisson的美國專利第6,081,233號公告案「Butler Beam Port Combining For Hexagonal Cell Coverage」及Ebling等人的美國專利第7,605,768號公告案「Multi-beam Antenna」)。然而，由於天線端口之間的隔離不好，現有的多波束天線不能有效地應用於MIMO系統。其他嘗試解決方案中的天線端口通常具有13-15dB的隔離度，這對於寬的工作頻帶是不夠的。
因此，現有的多波束天線不能提供當前和未來蜂巢通信所需的寬帶MIMO性能，且現有的MIMO天線不適合多波束操作。
本文確定的所有出版物均以相同程度引用作為參考，就好像每個單獨的出版物或專利申請被具體地和單獨地指示，以通過引用併入。當併入的參考文獻中的術語的定義或使用與本文提供的術語的定義不一致或相反時，本文提供的術語的定義適用，並且該參考文獻中對該術語的定義不適用。
因此，仍然需要改進的天線可以增加無線通信系統中的容量。
本發明之目的主要係提供多輸入多輸出(MIMO)功能的設備、系統和方法。所揭露的系統可用於創建具有MIMO能力和每個波束具有寬傾斜範圍的緊湊之多波束寬帶/多波段基站天線。
使用球面射頻透鏡，允許MIMO和多波束技術的 結合，以大幅提高通信系統容量，這在其他嘗試的解決方案中是無法實現的。球面透鏡是超寬帶，自然是多波束和MIMO友好的(亦即與MIMO收發器兼容)。基於球面透鏡的多波束天線的獨特功能之一是端口之間的高隔離度，這對MIMO性能有很大的好處。例如，基於3波束球面透鏡的天線，其可以在50%+頻率範圍內實現超過27dB的隔離。球面透鏡天線也可以用作具有高階MIMO(4x4和8x8)的多波束天線的構件。
針對2x2、4x4、8x8和NxN多輸入多輸出(其中N>2)的3波束天線解決方案也可以有效實現以下目標：諸如高頻段(HB)或低頻段(LB)天線之類的單頻帶；細胞覆蓋優化；用於體育場覆蓋的2波段天線(工作頻帶不同於一組波束到另一波束)；具有三個高頻段波束和一個低頻段波束的組合的2波段解決方案；具有三個高頻段波束和兩個低頻段波束的組合的2波段解決方案；具有三個或更多個高頻段波束、兩個或更多個中頻段波束、以及一個或更多個低頻段波束的組合的3波段解決方案；對具有>HB的U量(例如，UHB等)、三個或更多高頻段(HB)波束，兩個或更多中頻段(MB)波束以及一個或更多個低頻段(LB)波束的組合的M(其中M>3)波段解析度的可擴展性；以及在寬工作頻帶內的天線之間>25dB的隔離，40%+(用於多波束天線系統的兩個天線端口的任意組合)。
其結果是所揭露系統的一通信系統容量可以是標準單端口天線的10倍以上。例如，與具有單個天線端口的 單波束天線相比，具有4×4的MIMO之3波束天線增加了約12倍的容量。此外，可以通過增加高頻段天線的數量來增加容量整形，以在給定的六邊形細胞的方位平面中產生更多的波束。
不對稱的左外側波束和右外側波束也可以由天線組件中的雙極化(例如交叉偶極子)輻射器產生。在一些實施例中，可以通過使與一給定透鏡相關聯的一個或多個輻射元件以不同的傾斜量(例如，比中心輻射元件多的傾斜量以傾斜外側輻射元件)來形成不對稱的波束。在其他實施例中，可以通過從球面透鏡的中心(點)偏移輻射元件(例如，左輻射元件或右輻射元件)來形成不對稱的波束。在其他實施例中，不對稱的波束可以通過相移左和/或右輻射元件(並且可以與偏移的輻射元件組合)而形成。在其他實施例中，可以通過偏置(調整或選擇)耦合的一對輻射器(例如，高頻段交叉偶極子)之間的功率、振幅、相位、劃分係數的劃分來形成不對稱的波束。
具有其他數量/波束組合的多波束MIMO天線(例如，2-波束天線、4-波束天線、5-波束天線)也可以通過增加球面透鏡和/或元件的數量和組合來實現，如詳述的下面。
本發明主題的各種目的、特徵、面向和優點將從以下對優選實施例的詳細描述以及附圖中變得更加明顯，附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。
所示實施例在附圖中以示例，而非限制的方式示出，其中相同的參考標號表示相似的元件。
100:天線系統
101、102:球面透鏡天線
111:球面透鏡
112:雙極化輻射器
112-1、112-2:左邊雙極化輻射器
112-3、112-4:中央輻射器
112-5、112-6:右雙極化輻射器
112-A，112-B、112-C:輻射器
121:射頻電纜
131:天線連接器
141:軌道
151、152、153:控制機構
157-1、157-2:子組
159:MIMO收發器
161:機械聯動
201、202、203:共極化天線樣型
201:共極化(複合信號)天線樣型
203:共極化天線圖案
203-A~203-D:波束
204:同極化仰角波束樣型
205:低交叉極化
207:軸線
221:波束傾斜角度
222:旋轉角度
302:細胞覆蓋
311:六邊形細胞、細胞邊界
311a、311b、311c:細胞間
312:中心波束
312、313:細胞內
313、314、315、316:外側波束
400:3波束球面透鏡天線
410、411、412:控制機構
500:垂直設置
501:水平配置
502:正方形配置
503:鑽石佈置
510:垂直中心線
600、600-A、600-B:3波束天線系統
600-A、600-B:天線組件
601、602、603:透鏡天線
604、604-A、604-B、604-C:三角形波束共同位置
604-A:給定目標
605:倒三角形波束共同位置
605-A、605-B、605-C:波束
606:體育場論壇樣型(樣型圖案)
607:梯形形狀或楔石形狀
617:等邊三角形
618、619:三角形佈局
619-A、619-B、619-C:輻射器
619:三角形
620:坐標
621:子組
622:波束輪廓
623:軸線
624:橫坐標
625:目標軸線
700:2波段天線系統、緊緻組件
701:交叉偶極子、半波交叉偶極子
701-A、701-B:低頻段元件
702:球面透鏡天線、天線陣列、透鏡
703:移相器
704:射頻電纜
705:控制機構
706-A:端部、偶極子
706-B:偶極子
707:透鏡
708:連接器
709:機械聯動裝置
710:子組
712:2×2 MIMO收發器
714:子組
800:六邊形細胞覆蓋範圍
801(801-A、801-B、801-C):高頻段波束
802:低頻段波束
900:2波段透鏡天線
901:輻射器
902:輻射器組件
905:球面透鏡
904:控制機構
911:高頻段(HB)元件
912:次級透鏡
913:低頻段(LB)元件
914:公共反射器
915:電磁波
916:消散波
1000:雙波段透鏡天線
1001:元件組件
1002:雙極化輻射器
1003:低頻段元件
1004:高頻段元件
1005:次級透鏡
1006:反射器
1007:軌道
1008:球形透鏡
1009:控制機構
1010:介電質填充物
1011:不反射器
1100:天線系統
1101:RF電纜
1102:移相器
1103:端口
1104:子組
1105:天線系統
1106:端口
1108:4×4 MIMO收發器
1200:雙波段透鏡天線
1200-A、1200-B、1200-C、1200-D:透鏡
1201、1202:高頻段元件組件
1203:2波段元件組件
1204:高頻段元件
1205:低頻段元件
1206:軌道
1207:球形透鏡
1208:交叉偶極子
1209:反射器
1210:功率分配器
1211、1212:端口、輸出
1214、1215:外側波束
1216:中心波束
1217:低頻段波束
1217:覆蓋
1220:接口
1230、1232:軸線
1300:14端口天線系統
1301:低頻段移相器單元
1302:低頻段端口
1303:控制機構
1304:低頻段機械聯動裝置
1305:低頻段電纜
1306:高頻段移相器單元
1307:線纜
1308:高頻段移相器單元
1309:電纜
1310:控制機構
1311:機械聯動裝置
1312:高頻段端口、高頻段輸出
1314:4×4 MIMO收發器
1316:2x2 MIMO收發器
1400:雙頻帶天線系統
1401:移相器單元
1402:電纜
1403:低頻段元件
1404:端口
1405:控制機構
1406:機械聯動裝置
1407:移相器單元
1408:電纜
1410:控制機構
1411:機械聯動裝置
1412:端口
1416、1417:2x2 MIMO收發器
1501:半功率波束寬度
1502:上旁瓣
1503:低旁瓣
1600:雙波段透鏡天線
1601、602、1603、1604、1605:波束
1607:透鏡
1700:三頻帶透鏡天線系統
1701、1702:輻射元件
1703-A、1703-B:第二頻帶
1704:第三頻帶
1705、1706、1707:波束
1711:移相器單元
1712:端口
1714:電纜
1716:控制機構
1718:機械聯動裝置
1720:元件組件
1722:2x2 MIMO收發機
1800:程序
1808:操作
1814:條件
1814-A:透鏡
1814-B:輻射器
1816:數據信號
1816-A:反饋度量
1820:操作
P11-P34:端口
P11、P12、P13、P14:第一波束、端口
圖1A是依據一實施例中用於每個波束的具有4×4 MIMO的3波束天線的斜視圖。
圖1B是依據一實施例中用於每個波束的具有4×4 MIMO的3波束天線系統的後視圖。
圖2A是依據一實施例中具有用於每個波束的4×4 MIMO的3波束天線系統的極坐標圖，其示出了在1.7-2.7GHz的天線原型的共極化測量的方位樣型。
圖2B是依據一實施例中具有用於每個波束的4×4 MIMO的3波束天線系統的測量的仰角同極化和交叉極化模式的側視圖。
圖3A是依據一個實施例中提供360°覆蓋的三個六邊形細胞覆蓋圖，其中當所有波束具有相同的向下傾斜時，每個六邊形細胞覆蓋由具有4x4 MIMO的3波束天線系統提供。
圖3B是依據一個實施例中提供360°覆蓋的三六邊形細胞圖示，其中每個波束由具有4×4 MIMO的3波束天線系統提供每個六邊形細胞覆蓋，其中一些波束具有不同的傾斜以減少與其他細胞的干擾。
圖3C是依據一個實施例中提供360°覆蓋的三六邊形細胞圖示，其中當非對稱波束用於外側波束時，每個六邊形細胞覆蓋由具有4x4 MIMO的3波束天線系統提供，用於較少干擾其他細胞。
圖4是依據一實施例中用於每個波束的具有2×2 MIMO的3波束球面透鏡天線。
圖5A是依據一實施例中用於每個波束(垂直設置)的具有8×8 MIMO的3波束天線系統的後視圖。
圖5B闡明依據一實施例的用於每個波束(水平設置)的具有8×8 MIMO的3波束天線系統。
圖5C闡明依據一實施例的用於每個波束(正方形排列)的具有8×8 MIMO的3波束天線系統。
圖5D闡明依據一實施例的用於每個波束(菱形設置) 的具有8×8 MIMO的3波束天線系統。
圖6A闡明依據一實施例的3波束2波段天線系統(針對高頻段的4×4 MIMO和針對低頻段的2×2 MIMO)。
圖6B示意性地顯示依據圖6A一實施例的3波束天線的體育場論壇覆蓋的例子。
圖6C示意性地顯示依據圖6A一實施例的3波束天線的體育場梯形覆蓋的例子。
圖6D是依據一實施例中用於提供體育場論壇覆蓋的三個雙極化輻射器的波束中心和-10dB波束輪廓的曲線圖。
圖7A闡明依據一實施例的2波段天線系統，其具有用於每個高頻段(HB)波束的8×8 MIMO的三個高頻段(HB)波束和具有2x2 MIMO的一個低頻段(LB)波束，其中低頻段(LB)交叉偶極的元件位於球形透鏡之間。
圖7B和圖7C分別顯示依據圖7A一實施例的天線系統的一部分之後視圖和側視圖，其中低頻段(LB)交叉偶極子的末端部分地穿透到球面透鏡中。
圖7D和7E分別顯示依據圖7A一實施例的天線系統的一部分的後視圖和側視圖，其中低頻段(LB)交叉偶極子的端部彎曲以符合球形透鏡。
圖8是依據一實施例以提供360°覆蓋的三個六邊形細胞之圖示，其中每個六邊形細胞覆蓋由具有三個高頻段(HB)波束和一個低頻段(LB)波束的2波段天線系統提供。
圖9A是依據一實施例之使用雙波段雙極化輻射器的具有三個高頻段波束及一個低頻段波束作的雙波段透鏡天線，其作為用於雙波段MIMO天線系統的構建模塊。
圖9B是依據一實施例的2波段雙極化輻射器(俯視圖)。
圖9C是根據一實施例的2波段雙極化輻射元件的側視 圖。
圖9D是依據一實施例的不具有次級透鏡之2波段雙極化的輻射元件的側視圖，其疊加有電磁場分佈。
圖9E是依據一實施例的具有次級透鏡的2波段雙極化輻射元件的側視圖，其疊加有電磁場分佈。
圖9F是依據一個實施例的具有次級透鏡之2波段雙極化輻射元件的等距視圖。
圖10A是依據一實施例的具有三個高頻段(HB)波束和一個具有用於每個波束的2x2 MIMO的低頻段(LB)波束的球面透鏡天線，其中高頻段元件與低頻段元件並排位於同一中心可移動反射器處。
圖10B是依據圖10A中一實施例所示的用於透鏡天線的高頻段/低頻段元件組件的側視圖。
圖11A是依據一實施例的具有用於每個高頻段波束的4×4 MIMO的三個高頻段波束和具有2×2 MIMO的一個低頻段波束(僅示出低頻段端口)的天線系統。
圖11B是依據一實施例的具有用於每個高頻段波束的8×8 MIMO的三個高頻段波束和具有4×4 MIMO的一個低頻段波束(僅示出低頻段端口)的天線系統。
圖12A是依據一實施例的用於具有變窄的仰角樣型的2波段3波束天線系統的構建模塊之2波段球面透鏡天線。
圖12B闡明依據圖12A的一實施例的天線的高頻段元件組件。
圖12C是依據一實施例的提供360°覆蓋的三個六邊形細胞圖示，其中每個六邊形細胞由來自圖12A的2波段球面透鏡天線所覆蓋。
圖13是依據一實施例的具有用於每個高頻段波束的4×4 MIMO的三個高頻段波束和具有2×2 MIMO的一個低 頻段波束的2波段天線，具有變窄的仰角波束且具有14個天線端口。
圖14是依據一實施例的具有用於每個高頻段波束的2×2 MIMO的三個高頻段波束和具有2×2 MIMO的一個低頻段波束的2波段天線，具有變窄的仰角樣型(總共8個天線端口)。
圖15是依據一實施例中針對2.7GHz和28°波束傾斜所計算的圖16A中所示的高頻段天線的正規化幅度提升樣型。
圖16A是依據一實施例的具有用於每個高頻段波束的2×2 MIMO的三個高頻段波束以及具有用於每個低頻段波束的2×2 MIMO的兩個低頻段波束的2波段透鏡天線。
圖16B是依據一實施例的提供360°覆蓋的三個六邊形細胞圖示，其中由具有三個高頻段波束和兩個低頻段波束的2波段天線提供每個六邊形細胞覆蓋。
圖17A是依據一實施例的3波段天線陣列，其中一個波束用於第一波段，兩個波束用於第二波段，並且三個波束用於第三波段。
圖17B是依據一實施例的一3頻帶天線的一六邊形細胞覆蓋。
圖17C是依據一實施例的單一3頻帶天線，其具有用於第一頻帶的一個波束，用於第二頻帶的兩個波束以及用於第三頻帶的三個波束。
圖18是依據一個實施例的用於調整細胞覆蓋範圍、成形容量、減少干擾和/或使波束成形以及適合樣型的流程圖。
在一些實施例中，用於描述和要求保護本發明的某些實施方案的表示成分的量、性質例如濃度、反應條件等的數字應被理解為在一些情況下被術語“約”所修飾。因此，在一些實施例中，書面描述和所附權利要求書中提出的數字參數是近似值，其可以根據特定實施例所試圖獲得的期望性質而變化。在一些實施例中，應該根據所報告的有效數字的數量、並通過應用普通捨入技術來解釋數字參數。儘管闡述本發明的一些實施例的廣泛範圍的數值範圍和參數是近似值，但是在具體示例中闡述的數值被精確地報告為實際可行。在本發明的一些實施例中呈現的數值可能包含必然由其各自測試測量中發現的標準偏差導致的某些誤差。
如本文中以及隨後的權利要求書中所使用的，除非上下文另外明確指出，否則“一”，“一個”和“該”的含義包括包括複數參考。另外，如本文描述中所使用的，除非上下文另外明確指出，否則“在...中”的含義包括“在...中”和“在...上”。
除非上下文指示相反，否則本文闡述的所有範圍應被解釋為包括它們的端點，並且開放式範圍應被解釋為僅包括商業上可行的值。同樣，除非上下文中指示相反，否則所有值的列表都應被視為包含中間值。
這裡對數值範圍的描述僅僅意圖用作分別參考落入該範圍內的每個單獨數值的速記方法。除非本文另有說明，否則具有一定範圍的每個單獨值都併入說明書中，就如同其在本文中單獨列舉一樣。在此描述的所有方法可以以任何合適的順序執行，除非在此另有指示或者與上下文明顯矛盾。關於本文中的某些實施例所提供的任何和所有示例或示例性語言(例如“諸如”)的使用僅旨在更好地說明本發明，而不是對本發明所要求保護的範圍進行限制。說明書中的任何語言都不應該被解釋為表示對本發明的實踐來說，為必不 可少的任何非要求保護的要素。
本文揭露的本發明的替代元件或實施例的分組不應被解釋為限制。每個組(或小組)成員可以被單獨地或與該組(或小組)的其他成員或本文中發現的其他元素一起提及和要求保護。出於便利性和/或可專利性的原因，一個組(或子組)中的一個或多個成員可以被包括在組中或從其中刪除。當發生任何這樣的包含或刪除時，說明書在本文中被認為包含被修改的組(或小組)，從而實現所附權利要求中使用的所有馬庫什組的書面描述。
貫穿以下討論，將對由計算設備形成的服務器、服務、接口、門戶、平台或其他系統進行大量參考。應該理解的是，這些術語的使用被認為代表具有至少一個處理器的一個或多個計算設備，該處理器被配置為執行存儲在計算機可讀有形非暫時性的介質上的軟件指令。例如，服務器可以包括一個或多個作為網絡服務器，數據庫服務器或其他類型的計算機服務器運行的計算機，以實現所描述的角色、職責或功能。應該理解的是，本發明的主題允許透鏡球體彼此非常接近地定位，幾乎接觸，並且允許多個頻帶經過相同的透鏡朝向相同的地理區域聚焦而彼此不干擾(非實質干擾)(例如，隔離度至少25dB)。
以下討論提供了本發明主題的許多示例實施例。儘管每個實施例表示發明元件的單個組合，但是本發明主題被認為包括所公開元件的所有可能的組合。因此，如果一個實施例包括元件A、B和C，並且第二實施例包括元件B和D，則本發明主題也被認為包括A、B、C或D的其他剩餘組合，即使沒有明確披露。
如本文中所使用的，除非上下文另外指出，否則術語“耦合到”旨在包括直接耦合(其中彼此耦合的兩個元件彼此接觸)和間接耦合(其中至少一個額外的元素位於 這兩個元素之間)。因此，術語“耦合到”和“耦合”被同義使用。
儘管以下所有實施例都被顯示使用於3波束天線系統(在方位面中形成三個波束，每個波束具有單獨的傾斜，並且每個波束具有MIMO能力)，但是任何其他數量的波束都是可能的。
圖1A和圖1B顯示天線系統100，其顯示了基於兩個球面透鏡天線101、102的三波束4×4多輸入多輸出(MIMO)12端口天線系統的實施例，其中一個天線系統垂直地位於另一個之上同一個垂直平面)。如本文所使用的“球形”透鏡包括一透鏡，該透鏡在沿著三個垂直軸(例如x-y-z平面)的5%、2%或甚至1%容差內具有基本上相同的直徑。預期可使用橢圓形或者甚至圓柱形透鏡來代替本公開的球面透鏡中的任何一個，然而球面透鏡是較佳選擇的。多波束球面透鏡天線101、102可以用作較高階(較大)MIMO系統(例如，4x4、8x8、12x12、16x16、32x32等MIMO)的構建方塊，以在廣泛的範圍內提供緊湊且高性能的MIMO超寬頻帶。在其他實施例中，密集排列(例如圖5A至圖5D)示出了於全部24個端口之間在50%+頻帶中大於27dB(>27dB)的隔離，從而支持MIMO信道之間的低相關性。在圖1A中，其顯示一斜視圖，並且圖1B顯示該天線系統100的代表性示意圖。
每個透鏡天線101、102具有一球面透鏡111和三個也被稱為雙極化天線的雙極化輻射器112。可以使用更多或更少的輻射器來提供不同的幾何覆蓋樣型，例如一個輻射器、兩個輻射器、四個輻射器等。為了緊湊，球面透鏡111可以包括介電常數為1.7-2.5、1.5-2.0、或2.0至4.0的一個同質的球體，並且具有從所使用的輻射器(例如雙極化輻射器112)觀察到的輻射的2至2.5、1.5至2、或2至3個波長的直徑。在一些實施例中，每個球面透鏡111可以包括具有從球體中心輻 射的不同介電常數的一異質球體。在一些實施例中，異質球可以具有從每個內層到外層不斷增加的介電常數，並且在其他實施例中，異質球從中心到表面可以具有不斷降低的介電常數。對於一些應用，使用多層透鏡(Luneburg樣式)，並且透鏡的形狀從完美的球形變化(例如，它可以沿任何軸以超過10%或20%的圓度以呈現卵形形狀、或者可以在二維中的非圓形以呈現卵形形狀)。在一些實施例中，可以在透鏡頂部和/或底部增加-10%至20%使透鏡更平坦、和/或在透鏡中心加寬10%至20%，或可以在頂部和/或底部使其更加尖銳10%至20%，和/或中心寬度減少-10%至20%。
如本文所使用的，一球面透鏡聚焦電磁波(electromagnetic waves、EM wavws)或者將波束「與」或「形成」到輻射器，其大小和尺寸被設定為完成兩個任務。首先，其大小和尺寸被設定為將來自遠處的電磁波聚焦到輻射器(亦即，天線組件用作為一接收器，以接收從每個單獨的輻射器/球面透鏡組合所看到的從遠處的源所發射之波束)。其次，其大小和尺寸被設計成將由EM輻射器產生的EM波，通過透鏡聚焦到遠處的地理區域目標(亦即，天線組件用作為一發射器，以形成來自每個輻射器/球面透鏡組合的波束)。輻射器112因此用作接收器(Rx)和/或作為發射器(Tx)，並且典型地提供Tx和Rx的兩個功能作為收發器(TxRx)。關於介電球面透鏡和材料的更多信息可以在2013年8月27日被授權的美國專利第8518537B2號公告中找到，其發明名稱為「球形介電透鏡」，其通過引用整體併入本文。
雙極化輻射器112較佳具有兩個正交極化。較佳地，雙極化輻射器112具有軸對稱輻射樣型(即，仰角和方位波束寬度應該相同)。在一些實施例中，雙極化輻射器112包括傾斜的+/-45°線性極化，但也可以使用其他正交極化基礎，例如水平和垂直(H-V基準)，或者左手和右手圓形(R-L 基準)。在2016年11月3日授權的新加坡專利10201405345V中公開了一種適用於球面透鏡111的雙極化輻射器112的範例，該專利可通過引用而整體併入本文。可以在天線系統100中使用不同雙極化輻射器的實施例，包括貼片、八木(Yagi)、波導、喇叭、螺旋和螺旋型雙極化輻射器。
雙極化輻射器112還可以包括其他部件(例如用於波束寬度穩定和/或用於端口到端口隔離和交叉極化改進等的次級透鏡、導向器、寄生元件)。在一個實施例中，對於MIMO性能來說，雙極化輻射器112的良好端口到端口隔離(典型地>30dB)和交叉極化(典型<-18dB)是重要的。為了獲得透鏡天線101、102的對稱樣型，每個雙極化輻射器112的中心或橫截面面積指向球面透鏡111的中心。換句話說，對於圓形輻射器，輻射器與球面透鏡的中心距離相同，對於帶有邊角的多邊形輻射器，輻射器的每個邊角與球面透鏡中心的距離相同。在其他實施例中，為了獲得不對稱樣型的覆蓋區域，雙極化輻射器112可以被指向或指引，以偏移球面透鏡111的中心(即中心點)。這可以通過靜態地調整左邊雙極化輻射器112-1和112-2，和/或右邊雙極化輻射器112-5和112-6，以在天線系統100的製造或安裝期間偏離中心，和/或通過可調整的安裝在操作期間允許該偏移的硬件(圖未示)。在隨後的圖3C中，會顯示由於偏移的雙極化輻射器112所得到的不對稱樣型。
所有輻射器112在本實施例中在單一RF頻帶中操作，並且因此對於一給定的RF頻帶(例如，高頻帶)形成單一個組。兩個左邊的輻射器112-1和112-2被設置在天線系統100的左側上子組157-1中，天線系統100耦合到MIMO收發器159。中心子組(虛線未示出，以便清楚)的兩個中央輻射器112-3和112-4之間存在類似的耦合，中心子組耦合到另一個MIMO收發器(圖未示)。最後，兩個右邊的輻射器112-5 和112-6形成耦合到另一個MIMO收發器(圖未示)的子組157-2。對於至少高頻段(HB)波段，每個相應子組內的輻射器大致設置在垂直平面內。例如，子組157-1的輻射器112-1和112-2設置在兩個球面透鏡101和102的垂直中心線左側的垂直平面內。同樣地，輻射器112-5和112-6被設置在由兩個球面透鏡101和102形成的垂直中心線的右側的垂直平面內。在一些實施例中，利用了位於一給定垂直平面之外(即，在一個或多個平面中不對稱)的輻射體定位的一些變化，可用於自定義波束成形。
在接收模式中，雙極化輻射器將在介質(自由空間、球面透鏡、次級透鏡)中傳播的電磁(EM)波轉換成在同軸電纜(或其他傳輸線)中傳播的電磁波(EM波)。在發送模式下，雙極化輻射器將在同軸電纜中傳播的電磁波轉換成在極化度為+45度的介質中傳播的電磁波，並且將在第二根同軸電纜中傳播的電磁波轉換成在極化度為-45度的介質中傳播的電磁波。電磁波(EM波)不僅通過極化來定義，而且通過幅度、頻率、相位以及通過在傳輸信號時改變(調變)這些特性來定義。
如前所述，天線系統100的示意圖在圖1B中顯示(後視圖，為清楚起見，球面透鏡被顯示為透明的)。
如圖1B所示，每個雙極化輻射器112具有兩個射頻電纜121(較佳為柔性的，每個都與兩個正交極化中的一個相關)與天線連接器131，對於三個波束的每一個包括四個連接器，總共十二個連接器131在圖1B中所示。每個波束的四個連接器連接到相關的4x4 MIMO收發器159。如圖1B所示，第一波束P11、P12、P13和P14的天線連接器131連接到第一波束MIMO收發器159。每個波束的MIMO處理由以下方式實現：結合極化分集(2正交極化)和空間分集(天線101、102之間的2~2.5波長間隔)。
如圖1A和圖1B所示，雙極化輻射器112在球面透鏡111周圍的軌道141上移動，並通過使用控制機構151、152、153和機械聯動161以提供期望的波束傾斜(例如，0到40度)。在不同的實施例中，軌道141可設置在大致豎直的平面中、或者設置在斜面中。然而，從球面透鏡111的表面保持近似恆定間隙距離的雙極化輻射器的實際路徑可導致在二維或三維中為曲線的路徑，當從側面、頂部或前面觀察時，後者用於傾斜路徑。在一個實施例中，為了最好的傳輸，間隙距離被最小化。不同的實施例提供的間隙範圍如下：2-10mm之間、2-50mm之間、以及超過50mm。軌跡跟隨球體的輪廓，無論球體是否基本上是球形、略微不圓、或者故意不圓，與完美的球體相比，它們在中心是長圓形或短而肥胖的。因此，為了與球面透鏡的表面保持恆定的間隙，球體上不同位置處的不同軌道可以具有不同的輪廓。
垂直弧可以對稱於一中心雙極化輻射器112，但是這不是必需的，並且為了補償反射、衰落和干擾，可能需要不對稱的，又名不對稱的路徑，以便填充一個細胞所需的幾何覆蓋區。控制機構151、152、153通常具有遙控電動馬達。但是，對於某些應用，如果在工廠或現場手動預置波束的傾斜度，則不需要馬達。在天線系統100中，透鏡天線101、102共用相同的控制機構151、152、153。在圖1B中，從P11到P34(其中，第一索引是波束號，第二索引是MIMO收發器端口號)顯示了全部12天線連接器131。天線系統100的三個波束中的每一個可以獨立地傾斜，即，傾斜不同的角度。為了提供最佳的MIMO性能，頂部和底部透鏡天線101、102的波束以相同的方向傾斜。然而，對於一些應用，如果需要的話，頂部和底部透鏡天線101、102的波束可以在不同的方向上傾斜。例如，在不同的實施例中，這種傾斜的差異可以是垂直的，水平的或傾斜的，其傾斜角度範圍為1-5、1-10、5-20度 並超過20度，以補償干涉、反射、衰落、相互耦合/相互樣型失真等。雖然圖1A和圖1B示出了三個高頻段(HB)波束(由左側157-1、右側157-2和中央子組的三個子組中的每個子組中的輻射器形成)，但是其它實施例可以使用單個高頻段波束或更多的波束，例如20到30個波束或更多波束，以在例如擁擠的體育場事件的小地理區域中進行非常高密度的通信。類似地，雖然稍後的圖示顯示了單一個低頻帶(LB)波束，但是本公開適用於具有多個低頻段波束的天線。因此，通常，低頻段與中頻段(MB)之間和/或中頻段與高頻段之間的頻率比通常為1：2或1：3，而其他實施例可以使用低頻段與中頻段或低頻段)與高頻段之間的比率1：4或更高比例，例如1：10或更高。在不同實施例中，低頻段與中頻段的比例可以與中頻段與高頻段的比率相同或不同。結果，一給定細胞的容量整形是通過縮放一給定射頻(RF)頻帶的多個子組的有效數量來完成的。一個實施例通過靜態或動態地改變一給定的射頻波段的輻射器的一給定量的有效子組來實現這一點，每個輻射器具有一給定的波束寬度以一起覆蓋該細胞。對於細胞的數據容量需求或控制，可以增加或減少活動子組的數量。例如，對於低業務量時間和/或地理位置，如果對一些子群通過關閉或者降低待機功率來減少活動子群的數量，然後剩餘的活動子群可以改變波束傾斜，以增加波束寬度、而波束到仍然覆蓋細胞，但功耗降低。
為了說明單一個天線系統100的性能，在圖2A和圖2B系列中示出了實驗數據。從圖2A中的極坐標圖可以看出，三個波束中的每一個都指向-40、0、+40°方位角以覆蓋所需的120°扇區。圖1A、1B的所有天線連接器131(總共12個)之間的隔離在1.7-2.7GHz的寬頻帶中對於波束傾斜的任何組合被測得大於27dB(>27dB)，從而提供所有天線連接器131(即端口P11-P34)之間的低相關性，其係MIMO處理所 需的。在圖2A中示出了在1.7至2.7GHz的方位測量的共極化天線樣型201、202、203。它們具有波束寬度穩定(在23±2°為-3dB水平)、波束位置和方位角旁瓣的低水平(典型值<-20dB)、及傾斜範圍為0-40°，以覆蓋了120°的扇區。低的方位角旁瓣、穩定的波束寬度以及波束之間的低重疊(<10%)有益於一個或多個細胞(細胞間，例如311a、311b、311c等)扇區(細胞內，例如312、313)，這對於LTE是重要的。在所有12個天線連接器131處測得的1.7-2.7GHz的增益為18±1dBi且所有的波束傾斜(例如0-40°)，其對於該小尺寸(總高度為0.7m的高度的天線系統100)而言，是很好的度量。因此，本實施例在天線組件100中的所有天線連接器處即使在高的波束傾斜的情況下也實現了大致相同的增益。在圖2B中，其顯示出了同極化仰角波束樣型204(傾斜35°)，也具有低旁瓣水平(典型值<-20dB)。低的上部旁瓣水平對於相鄰站點之間的干擾減少是重要的。低交叉極化205水平(<-18dB)有利於極化分集，即MIMO性能。在另一個實施例中，1.4-2.7GHz的擴展頻率範圍也表現出正模式和端口到端口的隔離結果。來自三個高頻段雙極化輻射器112(如果從透鏡的背面看，在圖1B的每個透鏡天線111的左側)中的一個的高頻段分量波束組合，以在圖2A中圖示右側形成的共極化(複合信號)天線圖案203，其由至少部分地且基本上彼此重疊的波束203-A至203-D組成。也就是說，四個波束203-A至203-D是由在四個端口P11、P12、P13和P14上傳輸的四個數據通道形成的，且分別到達每個透鏡101和102上的兩個極化輻射器112-1和112-2中的每一個。類似地，來自圖2A的每個透鏡天線111的中心的高頻段雙極化輻射器112的高頻段分量波束組合，以在圖2B中的圖示的中心上形成共同極化(複合信號)仰角波束樣型204。最後，來自圖2A的每個透鏡天線111的右側上的高頻段雙極化輻射器112的高頻段分量波束組合，以在圖2B的 圖示左側形成共極化(複合信號)天線樣型201。類似地，如圖3A-圖3C、圖8、圖12C、圖16B和圖17B所示，來自中頻段和低頻段的分量波束組合成一定量的波束和形狀的共極化(合成信號)。
圖2B還示意性地示出球面透鏡天線101的波束傾斜定位。如圖2B所示，波束傾斜角度221等於指向球面透鏡111中心的雙極化輻射器112的旋轉角度222。在巴特勒(Butler)矩陣技術中，由於天線是平坦的，高波束傾斜會降低天線性能(例如，具有上側波瓣較大、增益損失和主波束失真)，傾斜範圍受到限制。在本實施例中，因為透鏡是球形的並且波束不隨著傾斜而改變其形狀，傾斜40°的波束特性大致相同。在本實施例中，波束204具有軸對稱的輻射樣型，類似於理想的雨滴形狀，其對於沿著軸線207的任何橫截面是對稱的。
圖3A至圖3C呈現了由配置在高頻段3波束實施例中的天線系統100的一個實施例所產生的一細胞規劃和扇區化。儘管本公開可與許多其他配置一起工作，但是六邊形細胞311是蜂巢通信中最常見的。天線系統100的三個3波束天線需要覆蓋360°。圖3A是三個六邊形細胞的示意圖，當所有九個波束(包括中心波束312和外側波束313)具有相同的向下傾斜時，對三個六邊形細胞提供由三個天線所產生的360°覆蓋。因此，所有九個波束都是彼此近似相同的波束形狀，亦即對稱於每個波束自己的中心線。對於一給定的六邊形細胞，外側波束313對稱於中心波束312的中心線；即左邊外側波束和右邊外側波束對稱於一給定六邊形細胞的中心波束的中心線。為了產生這種完全對稱的樣型，高頻段(HB)輻射器通常圍繞同一方位平面內的球面透鏡對齊(未在圖中示出)，例如，對於每個相應的透鏡天線101、102，中心輻射器112將處於與左右輻射器112相同的垂直高度。當特殊事件和 熱點需要統一覆蓋時，該實施例是好的，但是在多細胞環境中，如從圖3A中可以看到的，一些波束313與相鄰細胞重疊，且延伸越過六邊形細胞311的邊界，這可能在一些情況下產生干擾。在一個實施例中，圖3A的左外側、中央和右外側的波束一起覆蓋至少80%或更多的常見幾何覆蓋區域，即六邊形細胞。
現在參照圖3B，其示出了提供360°覆蓋的三個六邊形細胞的圖示，其中每個六邊形細胞覆蓋來自具有4x4 MIMO的3波束天線系統，一些波束具有不同的傾斜度以減少對其他細胞的干擾。對於LTE網絡來說，減少細胞之間的干擾尤為重要。如圖3B所示，為了更好的細胞覆蓋和較小的相鄰扇區/細胞的干擾，每個3波束天線的外側波束314可以比中心波束312更傾斜，以將所有波束放置在細胞邊界311內。在一個實施例中，兩個外側波束314均由具有相同向下傾斜的輻射器所形成，其係比用於產生一中心束的輻射器之傾斜更大，例如如圖3B(圖1B)所示。例如，如果中心波束312具有20°波束傾斜，則為了細胞覆蓋優化，外側波束313需要設置大約30°波束傾斜。圖1B所示的雙極化輻射器112抵靠球面透鏡111的位置，對於圖1B中的細胞覆蓋302是必需的。在一個實施例中，圖3B的左外側、中央和右外側波束一起覆蓋共同的幾何覆蓋區域(即六邊形細胞)的80%或更多。在圖3B中，用於六邊形細胞的三個波束彼此不同，但是尺寸不同，其中左右外側波束的尺寸大致相同，並且對稱於中心波束的中心線，並且對稱於自身波束的中心線，但是具有與中心波束不同的尺寸。隨後的實施例將示出左外波束和右外波束具有不對稱的波束形狀(相對於波束本身的中心線，如圖3C和圖12C所示)。因此，圖3B顯示了對稱但不同大小的波束的足跡；也就是說，左外波束和右外波束相對於彼此係為對稱。對於所示的三個六邊形細胞，存在九個從細胞到細胞對稱的 波束(中心波束的尺寸和形狀彼此一致，右外波束的尺寸和形狀一致，並且左外波束是一致的大小和形狀)。
來自圖3A和圖3B的實施例的不同組合可以用於不同的六邊形細胞，這取決於應用，以形成用於不同六邊形細胞的混合不對稱的傳輸組合。例如，在一個六邊形細胞中需要更多的功率，而較少考慮突出到六邊形細胞的邊界之外的波束之干擾，則可以將如圖3A所示的樣型用於一給定的六邊形細胞，而三個細胞排列中的另外兩個所示的六邊形細胞可以利用圖3B所示的樣型。在另一個實施例中，圖1B的多個雙極化輻射器112中的每一個可以獨立地傾斜，以提供由地理或干擾條件所需的一獨特的細胞覆蓋。在這一個較後實施例中，每個3波束天線的外側波束314可以彼此獨立地並且從中心波束312傾斜，導致波束形狀在尺寸、形狀和對稱性上與其本身(例如，關於其自身軸)以及細胞中的每個其他波束不一致。也就是說，每個外側雙極化輻射器112位於彼此不同的方位平面中，對於一給定球形透鏡的全部三個輻射器相對於彼此係處於不同的方位角位置，以便產生全部具有彼此不同形狀的波束312、313和314(例如，圖3B中的左側波束314的傾斜波束使其小於右側波束314)。受益於這種波束形成的應用可包括自然地形變化(山丘、山谷等)、人造障礙物(建築物、其他射頻源、反射、深瑞利衰落等)，人造應用(體育場館、摩天大樓等)等需要特殊的波束獨立成形。分開的和獨立的控制機構151、152、153和機械聯動161使圖1B的雙極化輻射器112(左、中、右)中的每一個能夠沿軌道141移動，可為兩個或更多個雙極化輻射器112致能匹配的或不匹配的傾斜角度(允許任何組合)。
現在參考圖3C，其示出了可提供360°覆蓋的三個六邊形細胞的示例，每個六邊形細胞的覆蓋範圍是由一個3波束天線系統所提供，每個波束有4x4 MIMO，而且非對稱波 束用於外側波束，以減少與其他細胞的干擾。該實施例中，外側波束315、316，使用不對稱樣型(在方位平面中)及中心波束312，使用對稱樣型(在方位平面中)，其允許利用天線系統100的3波束實施例以進一步改善細胞覆蓋，在波束之間具有更少的間隙(為了更好地覆蓋所分配的細胞)並且與相鄰細胞重疊較少(為了更少的干擾)。在一個實施例中，如圖3C所示，兩個外側非對稱波束315、316是每個中心波束312的中心線(即細胞的中心線)彼此對稱或彼此互為鏡像。然而，不對稱的波束315和316對於它們自己的波束中心線是不對稱的。不對稱的波束315、316可以藉由指向偏離球面透鏡111的中心點(在方位平面中)的雙極化輻射器112來實現，即，以不同於通過透鏡111的中心的方式，將一輻射器112對準一給定的球面透鏡。與中心波束相比，外側波束的不同傾斜(如上所述)及從該球形透鏡的中心偏移的雙極化輻射器的組合可以在另一個實施例中使用。下面討論其他創建不對稱波束的方法。
與其他嘗試的解決方案相比，天線系統100的3波束實施例(與現有最好的基站天線相比，其傾角範圍擴大了2倍)允許更好的細胞覆蓋優化。實際上，對於其他嘗試解決方案(基於巴特勒矩陣)的天線，由於內部耦合較大，每個波束的獨立波束傾斜是不可實現的。因此，圖3B和圖3C中所示的有效的細胞規劃對於其他嘗試的解決方案是不可能的。與其他嘗試的解決方案相比，天線系統100允許每個波束真正獨立的傾斜，並且可以實現波束之間的高傾斜差(高達40°)，這有利於細胞覆蓋優化和細胞規劃的靈活性。即使其他嘗試的解決方案使用三個單獨的現有面板型天線且取向為-40、0、+40°，因為與天線系統100相比，最佳習知天線具有2-4倍的傾斜範圍，故實現圖3B和圖3C的細胞規劃將是非常困難的。另外，通過替換三個單獨的4×4 MIMO天線且每個天 線朝向360°覆蓋的三個不同方向之一，天線系統100大約是其他嘗試解決方案的大小的三分之一。
在圖4中，在一個實施例中示意性地顯示一3波束球面透鏡天線400。它類似於圖1B的天線系統100中的球面透鏡天線101、102，但是具有其自己的控制機構410、411、412，與天線系統100所示的其他透鏡天線不共享。當兩個外部波束比中心波束傾斜更多時，其顯示輻射器112的位置，這有利於前述的細胞覆蓋。單一3波束球面透鏡天線400可以用作獨立的2×2 MIMO天線、或者用作更複雜的天線系統的構建模塊，特別是用於更高階的MIMO實施例。在其他實施例中，可以將3波束球面透鏡天線400放置得彼此非常接近或近接。在一個實施例中，一些或全部透鏡可以彼此接觸，或者可以在彼此的零到約0.25的低頻段或者高頻段波長的間隙內，並且在另一個實施例中可以大於0.25個波長，或者當從側面看時可以在彼此的前方略微重疊，重疊範圍為大球面透鏡直徑的0-25%，並且在所有端口之間仍然具有良好的輻射樣型和良好的端口到端口隔離(>25dB)透鏡之間的間隙可以提供用於放置不同頻帶的偶極子元件或用於輻射器的軌道的空間。在相同的實施例中，透鏡的緊密空間位置以降低旁瓣電平。
在圖5A-圖5D中，其顯示了依據用作構建模塊的3波束球面透鏡天線400的8×8 MIMO天線系統(每個具有24個天線連接器131)的幾個實施例(為了簡單起見，未在圖5A-圖5D中顯示控制機構)。圖5A中所示的垂直設置500是用於塔式安裝的基站天線的傳統實施例(所有球形透鏡都設置在同一垂直平面上的同一垂直中心線510上)。然而，如圖5B所示，當天線安裝在屋頂邊緣上時，有時水平配置501(球面透鏡沿同一水平面中的一條線設置)可以是更合適的實施例。另一個實施例也可以通過分區要求來定義(例如，將天線放 置在方形窗口中，使得四個球形透鏡天線以正方形配置502而設置在同一平面內，如圖5C所示，或者以相同的矩形配置平面)，或者依賴於多路徑信號傳播條件的最佳MIMO性能。也可以使用其他實施例，例如也可以使用對稱或不對稱的鑽石佈置503(在與圖5D中示出的前者相同的平面中)。用於8×8 MIMO天線系統的3波束球面透鏡天線400的任意設置是可能的，因為即使“構件”緊密的協同定位，所有端口(總共24個端口)之間的隔離也是良好的(>25dB)，這在網站部署時允許有極大的靈活性。因此，3波束球面透鏡天線400的任意設置可以是不對稱的多邊形形狀、非線性等，以針對具有對於細胞或波束形狀等的特殊需要的一給定目標區域以定制波束形成。組合這些不同的幾何形狀可以產生如圖6A中所示的三角形實施例、曲線陣列等。需注意，通過圖5A和圖5B所示的設置之一，放下三個3波束球面透鏡天線400中的一個，以創建6×6 MIMO天線系統實施例(圖未示)。圖5B、圖5C和圖5D都可以用多個RF頻帶來實現，也可以通過將以下描述的多頻帶透鏡天線適應性地配置到當前獨特的幾何形狀中來實現。
在圖6A至圖16B中，其顯示了基於球形天線技術的幾個高頻段(HB)+低頻段(LB)的雙頻帶實施例。
現在參考圖6A，依據一個或多個實施例，其顯示了用於4×4高頻段MIMO和2×2低頻段(LB)MIMO的3波束天線系統600。天線連接器的總數是18(圖6A中未示出)，由6個低頻段和12個高頻段連接器實現。為了緊湊設置，在本實施例中，低頻段透鏡天線601和高頻段透鏡天線602、603彼此靠近放置(在不同的實施例中，可以與前視圖或後視圖接觸或甚至稍微重疊)。從側視圖(現在顯示)，高頻段透鏡天線602、603被偏移，或者位於低頻段透鏡天線601後面，用於具有向下的波束傾斜的一個實施例，以避免高頻段透鏡天線 602、603處於來自一低頻段天線波束的路徑中。在該實施例中，高頻段和低頻段透鏡天線的透鏡的中心點不需要處於相同的垂直平面中，而是可以處於成角度的平面中。對於所示出的實施例，在向上的波束傾斜的情況下(從天線系統投影到升高的體育場/論壇區段)，高頻段透鏡天線602、603可以交替地偏移在低頻段透鏡天線601的前方，亦即，在波束指向的方向上，類似的目的，其係為了避免低頻段透鏡天線601阻礙來自高頻段透鏡天線602、603的波束傳輸，特別是對於高頻段傾斜。高頻段透鏡天線602、603位於一個軸上(在本實施例中是水平的，而在另一個實施例中是不同於水平軸的)。為了進一步壓縮天線系統，一個或多個球面透鏡可以從其球面形狀改變，以促進更緊湊和更小的組裝，例如，一個或多個透鏡的頂部或底部可以變平，或者透鏡可以具有例如具有球形凹穴的透鏡天線601，較小的小球形透鏡602和/或603可以安裝在其中。鏡頭組件的壓實也保留了良好的輻射模式的個體優點和性能，並且在所有端口之間具有良好的端口到端口隔離(>25dB)。在本實施例中，低頻段透鏡天線601和高頻段透鏡天線602、603被配置為具有近似的相同的波束寬度，以提供相同的覆蓋範圍。在本實施例中，低頻段透鏡天線601和高頻段透鏡天線602和603中的球面透鏡排列成三角形結構(球體的中心)。如圖3A至圖3C所示的不同方案，3波束天線系統600可以用於六邊形細胞覆蓋。在不同的實施例中，2個高頻段透鏡天線602和603設置在一條直線上，而低頻段透鏡天線601設置為靠近、相鄰、接觸或重疊。
來自兩個高頻段透鏡天線602和603中的每一個的高頻段輻射器112-A，112-B和112-C的波束投影分別形成604-A、604-B、604-C的相應三角形波束共同位置中的每一個。如圖6A中虛線所示，從透鏡天線602和603的輻射器112-A的一給定位置(即，高頻段輻射器的子組621)投射的波束在 該給定的目標604-A上重疊。類似地，用於單一低頻段透鏡天線601的低頻段輻射器619-A、619-B和619-C的波束投影也分別形成604-A、604-B和604-C的相應三角形束共同位置。以低頻段透鏡天線601和高頻段透鏡天線602和603的反向設置來複製的3波束天線系統600-B(為了清楚起見以縮小比例示出)，以提供下一個倒三角形波束共同位置605等等，俾形成天線的二維矩陣。在其他實施例中，對於沿著軸線623對齊的交錯圖案天線組件600-A、600-B等，該樣型圖案在一個或多個維度上重複，其中每個天線組件具有高頻段和低頻段透鏡天線，以產生期望覆蓋區域的波束，例如具有目標軸線625的樣型圖案606。
在一個實施例中，具有三角波束共位置(分組)的3波束天線系統600-A是體育場或論壇覆蓋的有效解決方案。圖6B示出了具有多個3波束實施例的3波束天線系統600的體育場覆蓋範例。在該實施例中，如圖6B中所示，具有三角形波束共同位置604(用線樣型示出)的三波束天線系統600中，相對於外側波束，其中心波束具有較大的波束傾斜，並且具有三角形波束共同位置605的中央波束的傾斜度小於外側波束的傾斜度。總之，如圖6B中示意性的顯示，不同的三角形波束共同位置604和605為體育場論壇樣型606提供連續的覆蓋。在本實施例中，體育場論壇覆蓋被顯示為平行四邊形。此外，如當一競技場或體育場的上層和下層中密集地充滿使用其移動設備的用戶時，該樣型表示一足跡，例如三個圓形幾何足跡，其係投影在至少部分位於垂直軸線的第三維上的一表面上。這與將用戶和移動設備限制在二維平面地面位置相反。另一個實施例可以將平行四邊形樣型606側向旋轉，以用於垂直分佈覆蓋，例如對於人口稠密的摩天大樓。
具有不同三角形波束共同位置604和605的天線的數量大致相同，如圖6B所示(相同的量是兩個604三角形 波束共同位置和兩個605三角形波束共同位置)。對於最佳的覆蓋範圍實例(在波束之間具有最小間隙)，使用以下條件：a)-10dB波束寬度是60°；b)低頻段(LB)透鏡天線601和高頻段(HB)透鏡天線602、603中的每一個中的雙極化輻射器的中心位於等邊三角形617中；c)波束的方位角位置是-30、0、+30°；d)中心波束和外側波束之間的波束傾斜差異是52°，如圖6A所示。其他嘗試解決方案無法實現此種較大的傾斜角度差異。換言之，對於體育場論壇樣型606覆蓋，形成三角形佈局618的一半天線具有頂點朝下的波束三角形，而形成三角形佈局619的另一半天線具有頂點朝上的波束三角形，以及交錯在一起形成平行四邊形區域覆蓋606。天線601與602和603中不同尺寸的透鏡允許硬件和更高密度天線系統的更緊湊設置。
在另一個實施例中，如圖6C所示，可以覆蓋多種形狀，例如梯形形狀或楔石形狀607。因此，可以通過波束共位來形成樣型，以便滿足三維彎曲或線性競技場、體育場或看台座位設置中的一給定的座位佈局。在楔石形狀607中，使用不同數量的天線樣型，兩個604三角形波束共同位置和僅一個605三角形波束共位置。這些不同的期望樣型取決於3波束天線系統相對於期望覆蓋的體育場地板、下碗和/或上碗的部分的角度和位置。利用本系統，對於不同的時間、不同的條件以及不同的期望形狀的波束樣型，輻射器可以被選擇性地供電。
現在參考圖6D，依據一個實施例，其示出了用於提供體育場論壇覆蓋的圖6A的該三個雙極化輻射器112的波束中心和-10dB波束輪廓622的曲線圖。波束605-A、605-B和605-C對應於圖6B和圖6C中的三角形波束共位置605。坐標620是以度數表示的高度，而橫坐標624是以度數表示的方位。三角形619是等邊的，以便允許這個三波束樣型的拷貝被 反轉和橫向偏移，以便為體育場或其它特定應用提供連續的覆蓋，其覆蓋範圍如圖6B和圖6C所示。這種設置是提供天線系統的體育場應用(在波束之間具有最小間隙)的有效覆蓋的一個實施例。
在圖7A中，在一個實施例中，其示出了2波段天線系統700，其中針對三個高頻段波束中的每一個使用8×8高頻段MIMO，對於一個低頻段波束使用2x2低頻段MIMO。低頻段元件701是交叉偶極子，是固定的(不可移動的)，並且在本實施例中位於高頻段球面透鏡天線702(702類似於400)之間。然而，在另一個實施例中，低頻段元件701是半波交叉偶極子。因為低頻段元件701都在低頻段中傳輸，所以低頻段元件701在輻射器超集之外的子組710中被組合在一起。各個低頻段元件被顯示在不同的實施例：i)與相鄰透鏡111偏移的低頻段元件701-A；ii)與相鄰透鏡物理接觸(觸碰)的低頻段元件701-B；以及iii)插入相鄰透鏡的低頻段元件。對於系統700的低頻段元件701-A可全部以相同的量對稱地嵌入透鏡111中，或者可以單獨配置為上述三個間隙/接觸/插入實施例的任何不對稱組合。低頻段元件設置的這些不同實施例提供了一個或多個益處：i)緊緻組件700的；ii)在地理區域上創建所需的波束/多波束的形狀圖案；以及iii)將來自不同頻段的其他輻射器的干擾降至最低。低頻段(LB)波束傾斜由低頻段移相器703提供，其為來自多個輻射器的子組710的組合低頻段波束提供波束傾斜。低頻段移相器703通過射頻(RF)電纜704連接到子組710中的所有低頻段元件701。弧形移相器(例如參見名稱為「移相器和包括移相器的天線」的美國專利第7907096號公告)或線性移相器(例如參見名稱為「具有集成移相器的可調天線饋電網絡」的美國專利第7026889號公告)可以用於低頻段移相器703。一個實施例使用機械移相器，其中最常見的是線性(具有介電體的線性移 動，範例可見於美國專利第6906666號公告，美國專利7196674號公告)和旋轉(實例是美國專利第6850130號公告和美國專利第7463190號公告)。低頻段移相器703由控制機構705(其可以具有帶有電子控制電路的馬達)通過機械聯動裝置709控制。天線系統700總共具有26個天線連接器，具有24個高頻段和2個低頻段連接器(為了簡單起見，圖7A中示出了2個低頻段(連接器708)。低頻段的波束傾斜獨立於高頻段的波束傾斜。
被配置為不可移動的低頻段交叉偶極子的低頻段元件701可以被機械地預先傾斜，以獲得更好的傾斜範圍。配置為交叉偶極子的低頻段元件701通常以垂直陣列放置在球面透鏡之間，但位於球面透鏡的垂直中心線稍微後方，以允許兩個球面透鏡的至少一部分聚焦係源自該低頻段元件701。如本文所使用的，不可移動的或固定的元件是使用粘合劑或固定的機械連接器(即，釘子或螺釘)固定到位的元件，並且在沒有工具的情況下不能移動。換句話說，固定元件非安裝在軌道或鉸鏈上。移相器703係耦合到2×2 MIMO收發器712。另外，排列在天線陣列702的中心線左側的高頻段(HB)元件112被分組到子組714中，因為它們全部屬於高頻段頻帶。
在圖7B中所示的另一個雙天線實施例中，從後面所示，低頻段偶極子701的端部706-A部分地穿透到球面透鏡707。對於圖7A(後視圖)和圖7B所示的兩種情況，透鏡702和707使低頻段波束在方位面(至50-60°，相較於沒有透鏡的偶極子的約75°)約窄1.4倍，其係有利於扇區覆蓋且減少對其他部門的射頻干擾。方位角和仰角樣型(為了清楚起見，圖7B-圖7C中省略了高頻段)係類似於圖2A-圖2B中所示的。為了提供具有三個高頻段波束的類似的細胞覆蓋，在一個實施例中，低頻段高度波束寬度可以選擇為接近高頻段波束寬度(通過選擇低頻段移相器703中的低頻段振幅錐度和低 頻段元件701的數量)。圖7C是圖7B的略微傾斜的側視圖，以顯示至少部分穿透到透鏡中。圖7B和圖7C中的兩個偶極子706-A的兩端都是虛線，以顯示偶極子706-A的至少一部分設置在透鏡707內部。在不同的實施例中，為了波束整形的目的，偶極子706-A的不同數量的端部被對稱地或不對稱地佈置在透鏡707內部。
現在參考圖7D和圖7E，其分別示出了圖7A的天線系統的一部分的後視圖和側視圖，依據一實施例，其中低頻段交叉偶極子706-B的端部被彎曲以符合球形透鏡707的周圍(而不是穿透到透鏡707中)。也就是說，低頻段元件706-B係被配置為與球形透鏡的形狀一致的偶極子，即，臂係被彎曲以圍繞透鏡的外表面，以避免與球形透鏡707的機械干涉並且適合球形透鏡707的形狀，同時在球形透鏡707之間提供緊湊的間隔。儘管偶極子706-B的這種應用不像高頻段輻射器的應用那樣排列以輻射通過球面透鏡的中心，偶極到球面透鏡的接近程度，足以從波束的透鏡成形中受益，例如，將來自共形偶極子的波束從90度的基線成形為方位波束寬度中的60度的透鏡應用。因此，與透鏡共形的偶極子提供與對準一專用球面透鏡的偶極子(例如，高頻段偶極子)大約50-70%的相同性能。在本實施例中，由共形偶極子對波束的垂直壓縮係由移相器提供。
圖8示出了三個天線系統700(每個六邊形細胞一個)的六邊形細胞覆蓋範圍800，其中三個高頻段波束801(801-A、801-B、801-C)和一個低頻段波束802覆蓋相同的六邊形細胞311。圖8中所示的覆蓋範圍是對三個細胞311提供360°的覆蓋範圍。這是通過使用安裝在同一塔上的圖7的三個天線系統來實現的，如圖8所示，細胞311之間的波束具有低的重疊干擾。在本實施例中，每個高頻段波束801-A、801-B和801-C具有彼此相似的樣型。但是高頻段波束801-A、801-B 和801-C中的至少一個與低頻段波束802不同並且至少部分地重疊。所有高頻段(HB)波束801被示出為具有相同的傾斜，而低頻段波束802的傾斜被調整以覆蓋細胞311。即使高頻段波束801中的至少一個和低頻段波束802之間存在至少一些重疊，高頻段波束801也具有與低頻段波束802不同的模式。高頻段波束801和低頻段波束基本上在六邊形細胞311內彼此重疊，以提供六邊形細胞311中的兩個波段的有效通信。在該實施例中，使用更多數量的高頻段波束801(多個三個波束)來提供覆蓋對於六邊形細胞311，與低頻段波束802的數量相比，在本實施例中是一個。在其他實施例中可以使用不同數量的高頻段波束801和低頻段波束802。
圖9A顯示了具有類似於800的蜂巢覆蓋的2波段透鏡天線900，其具有兩個高頻段雙極化輻射器901和一個(中央)2波段雙極化輻射器組件902，所有這些都位於軌道上並且可以通過球面透鏡905周圍的控制機構904來移動。2波段透鏡天線900類似於3波束球面透鏡天線400，不同之處在於中央2波段雙極化輻射器組件902。一個實施例中，高頻段係在1.4-3.8GHz內，而低頻段係在500-1000MHz內。
在圖9B至圖9E中，其示出了2波段雙極化輻射器902的一個實施例。它包括四個主要部件：高頻段元件911，次級透鏡912，低頻段元件913和可移動的公共反射器914。低頻段輻射器主要由低頻段元件913構成，其具有支撐設備與其耦合。高頻段元件911和低頻段元件913同軸地位於可移動的公共反射器914上，該公共反射器914在一個實施例中具有基本上圓形的形狀。如圖9B和圖9C所示，高頻段元件911和/或次級透鏡912彼此靠近設置，並且具體地“嵌套”，同心配置或“裝入”低頻段元件913。低頻段元件913是盒裝偶極子，如圖9B所示，在一個實施例中，盒裝偶極子包括4個低頻段偶極子，彎曲以提供圍繞高頻段元件911的一基本上圓形的分 段設置或形狀。低頻段元件913的替代實施例包括成形元件以形成一正方形樣型，俾代替大致圓形。剖面線9E-9E如圖9B所示，其係用於次級透鏡(並且類似地在圖9D中示出，但沒有次級透鏡)。
次級透鏡912由介電常數為1.5-2.7的介電質材料製成，在一個實施例中介電常數為1.1至2.2，並且在其他實施例中為1.9至3.0，並且具有3個主要功能：a)用於高頻段的2波段透鏡900的波束寬度穩定；b)減小高頻段元件911和低頻段元件913之間的互耦/互模式失真；c)所有天線端口之間的端口到端口的隔離度提高(這有利於MIMO處理)。圖9C中示出了次級透鏡的“咖啡杯”形狀實施例(截頭圓錐體)，而圖9E示出了圓柱形形狀的實施例，但是在其他實施例中也可以使用其他形狀，例如球形或金字塔形。高頻段元件911加上次級透鏡912具有：a)軸對稱樣型，即仰角和方位角波束寬度應該相同；以及b)波束寬度對頻率的顯著線性頻率依賴性。(例如，3dB波束寬度係從1.7GHz的65°變化到2.7GHz的45°)。而且，如圖9D和圖9E中示意性地顯示，次級透鏡912藉由減少消散波916來幫助減少高頻段電磁波915(由高頻段元件911輻射)與附近低頻段元件913的干擾。(圖9D和圖9E中的箭頭示出電磁波915和消散波916的傳播方向)。在沒有次級透鏡912的情況下，輻射波915的重要部分在不想要的方向上被重新輻射/耗散(如圖9D中的波916所示)。二次透鏡912將高頻段電磁波915集中在其內部(見圖9E)，所以低頻段元件913不明顯地干擾高頻段元件的輻射樣型，並且所得到的天線900的高頻段輻射樣型與沒有低頻段元件913的情況大致相同，接近圖2A-圖2B的樣型。次級透鏡912也有助於使低頻段元件913更緊湊，減小其直徑。從圖9A可以看出，低頻段元件913的緊湊性係需要，以避免可移動的2頻帶元件902與另外兩個可移動元件901的機械干涉。圖9F是根據一個實施例的具 有次級透鏡的2波段雙極化輻射元件之等距視圖。
低頻段元件913最初(沒有球面透鏡905)具有70°的半功率波束寬度的軸對稱輻射樣型。具有球面透鏡905，低頻段半功率波束寬度為40-45°，如在0.69-0.96GHz頻帶中測量的那樣。2頻帶透鏡天線900的細胞覆蓋範圍與圖8所示的細胞覆蓋範圍相似。
在圖10A、圖10B中示出了具有類似於800的細胞覆蓋的雙波段透鏡天線1000的實施例。它具有一個(中央)高頻段/低頻段元件組件1001和兩個高頻段雙極化輻射器1002。該高頻段/低頻段元件組件1001包括一高頻段輻射器，其主要是具有次級透鏡1005的高頻段元件1004，並且包括附近的(鄰近、接近、接觸或鄰近，接近，接觸或在次級透鏡1005的幾個主體寬度內)低頻段輻射器，在本實施例中低頻段輻射器其主要是交叉偶極子的低頻段元件1003，全部位於共同的反射器1006上，在一個實施例中它是可移動的。在一個實施例中，高頻段/低頻段元件組件1001和兩個高頻段雙極化輻射器1002位於軌道1007上，並且可以通過控制機構1009獨立地圍繞球形透鏡1008移動。例如，在美國專利第6747606號公告、第7053852號公告中可以找到具有軸對稱輻射樣型的交叉偶極子的示例(在方位角和仰角平面中具有相同的波束寬度)。為了減小配置交叉偶極子的低頻段元件1003的高度和占有面積，如圖10B所示，可以使用介電質填充物1010(介電常數Dk=1.7-4)。最初被配置為交叉偶極子(沒有球面透鏡)的低頻段元件1003具有約90°的半功率波束寬度的軸對稱輻射樣型。但是在球面透鏡的情況下，半功率波束寬度如在0.69-0.96GHz頻帶中所測量的那樣被轉換為大約50-60°，類似於圖8中所示的一個低頻段波束802，這為六角形細胞提供了良好的覆蓋。高頻段方位角和仰角樣型與圖2B中所示的非常相似。次級透鏡1005將高頻段射頻場集中在其內部(類似於 圖9E所示)，並且有助於減少對附近低頻段元件的干擾，即高頻段輻射樣型大約就像沒有低頻段元素一樣。
從圖9A和圖10A中可以看出，可移動公共反射器914、1006應當足夠小以避免分別對兩個可移動的高頻段雙極化輻射器901、1002的機械產生干擾。在一個實施例中，公共反射器914、1006的面積可能不足以提供低頻段輻射樣型提供所需的前後比(front-to-back ratio)，並且附加的不可移動反射器1011可以放置在後面(例如，半球形如圖10B所示)，其足夠大以提供低頻段輻射樣型所需的前後比。
在另一個實施例中，被配置為交叉偶極子的低頻段元件1003和高頻段元件1004可以被放置在類似於1006的單獨的反射器上。在這種情況下，可以使用附加的控制機制來獨立旋轉配置為交叉偶極子的低頻段元件1003，以圍繞球面透鏡1008。
2波段雙極化元件的另一個實施例可以針對高頻段元件和低頻段元件的共位置，而使用不同的可能的解決方案，其中高頻段元件被放置在低頻段元件的頂部上。在這種情況下，低頻段元件對高頻段元件起到反射器的作用。
如圖11A-圖11B所示，2波段的透鏡天線900、1000可以用作獨立天線(例如，用於每個低頻段和高頻段輻射器的2×2 MIMO)，或者用作更複雜天線系統的構建模塊。在這些圖式中，提出了兩個雙波段天線的例子，它們都具有三個高頻段)波束和一個具有相似的波束寬度的低頻段波束。細胞覆蓋類似於圖8所示。
圖11A中所示的天線系統1100具有兩個2頻段透鏡天線1000。如上所述，高頻段功能與圖1A和圖1B中所示的天線100相同(圖未示，具有4×4 MIMO的高頻段3波束，對於每個波束總共使用12個連接器來連接三個高頻段4×4 MIMO收發器，在一個實施例中，每三個子組的波束的每一個具有 一個高頻段4×4 MIMO收發器)。對於低頻段操作，來自子組1104中的頂部和底部低頻段元件1003，經由射頻(RF)電纜1101的+45°和-45°極化信號在低頻段移相器1102中被組合/相移，這允許低頻段波束獨立於高頻段波束而被傾斜。低頻段高度波束與高頻段高度波束具有大致相同的高度波束寬度。在本實施例中，天線系統1100的全部四個波束(三個高頻段和一個低頻段)可以獨立地傾斜。天線系統1100具有12個高頻段端口(圖未示)和2個低頻段端口1103，一個用於+45°極化信號、另一個用於-45°極化信號。
圖11B中所示的天線系統1105具有24個高頻段端口(圖未示)和四個低頻段端口1106，並且由兩個彼此並排放置的天線系統1100(如圖11A所示)組成。其配置以為其子組中的三個高頻段波束中的每一個提供8×8 MIMO，並且為一個低頻段組波束提供4×4 MIMO(通過連接四個低頻段端口1106到低頻段4×4 MIMO收發器1108)。在低頻段和高頻段波段，所有28個端口之間的隔離度大於25dB。細胞覆蓋類似於圖8所示。
在上面公開的所有3波束MIMO實施例中，高頻段仰角波束由一個球面透鏡定義，並且具有穩定的23±2°半功率束寬度(參見圖2B，在1.7-2.7GHz的寬頻帶上以及在寬範圍的傾斜角度0-40°上)的方位角和仰角。某些應用(例如，巨集細胞)需要縮小高頻段和低頻段的仰角。在該實施例中，使用不同的透鏡天線(參見圖12A)，並且這些透鏡天線被配置成垂直陣列(參見圖13-圖14)。或者，對於圖11A的天線系統1100或圖11B的天線系統1105，為代替天線組件1000，在另一個實施例中可以使用不同的天線組件900。
圖12A中所示的一雙波段透鏡天線1200類似於雙波段透鏡天線1000，但是在雙波段透鏡天線1200中，對於每一的外側高頻段波束和一中心波束，高頻段元件組件 1201、1202使用一對高頻段元件，2波段元件組件1203使用與低頻段元件1205共同定位置的一對高頻段元件1204。低頻段元件1205類似於圖11A的低頻段元件1003。高頻段元件組件1201、1202和2波段元件組件1203位於軌道1206上，並且可以通過本實施例中的球形透鏡1207周圍的控制機構(圖未示)獨立地移動。
在圖12B中的一個實施例中，更詳細地示出了高頻段元件組件1201、1202和高頻段1204(圖12A的中心波束的部分，2頻段元件組件1203)。每個高頻段元件組件1201、1202和1204具有兩個(即，一對)空間分離的高頻段交叉偶極子1208(即，偶極對)，其具有放置在反射器1209的平面中的交叉點、並且通過兩個高頻段功率分配器1210(每個極化一個)耦合到端口1211、1212。高頻段功率分配器1210係為可以調節，以提供除了3dB分頻器以外的其他功能(例如，在功率或幅度分配器中的期望不相等或偏置、或相對於該對中的每個高頻段交叉偶極子的分割係數)以及異於於同相為分相器(一對高頻段中每個交叉偶極子的不等或偏置分相器)以定制波束形成並在方位平面中為外側波束1214、1215產生不對稱樣型(見圖12C)。為了動態地優化細胞覆蓋和/或為了減少干擾，功率分配器1210可以具有通過天線系統的接口1220所傳送的輻射器1208的遠程控制的振幅和/或相位調整，以拋出用於可調功率分配器1210的控制端口(圖未示)。
現在參照圖12C，類似於圖3所示，其顯示一六角形細胞的覆蓋，其係每個六角形細胞使用圖12A的2波段球形透鏡天線，或者三個這種2波段球形透鏡天線以覆蓋全部三個六角形細胞的360°。例如，高頻段交叉偶極子1208的振幅較高，其更接近於中心軌道(即，如圖12A和圖12B所示，高頻段元件組件1202的左側高頻段交叉偶極子1208和高頻段元件組件1201的右側高頻段交叉偶極子1208)。因此，高頻段元 件組件1201、1202可以具有彼此不同的振幅(振幅調節)和相位分佈(彼此相位偏移)，以分別提供不對稱的右外側波束和左外側波束。頻段元件1204中的偶極子(位於2頻帶元件組件1203中)具有相同的相位和相同的幅度，以實現圖12C的對稱中心束1216，即高頻段元件1204中的一對偶極子具有3dB功率分配器，其具有相同的相位。因為外側和中心波束1214、1215、1216(參見圖12C)的樣型中的高頻段波束、且其全部被配置為對細胞311進行最佳覆蓋，在不同實施例中，低頻段波束1217覆蓋基本上相同的地理區域或占地面積，例如，細胞面積的+/- 10、15、20或25%。在本實施例中，高頻段中心波束1216和低頻段波束1217分別對稱於它們自己的軸線1230。相反地，高頻段外側波束1214、1215係不對稱於它們的軸線1232。更具體地，左外側波束1214依據中心波束的軸線1230(形成近似鏡像)，而與右外側波束1215對稱。高頻段外側波束的不對稱波束形狀也有助於減少高頻段(HB)波束之間的重疊，從而在提高容量的同時最小化對其他扇區的干擾。
雙波段透鏡天線1200具有從1.7GHz的25°到2.7GHz的15°的高頻段仰角半功率波束寬度(相比於2波段透鏡天線900、1000在2.7GHz時為21°，窄得多)，方位波束寬度約為23+/-2°。如圖13、圖14和圖17A所示，對於較高頻率的雙波段天線1200，仰角波束寬度的縮小允許當多個雙波段透鏡天線1200以垂直陣列放置並通過移相器連接時的仰角光柵瓣減小。雙波段透鏡天線1200的一個目標是成為具有變窄的高頻段和低頻段仰角波束的2波段透鏡陣列的構建模塊。如隨後的圖13所示，可以在垂直堆疊中的每個天線組件處執行如圖12A至圖12C中的定制的方位波束形狀，其中天線組件與天線組件之間存在差異。例如，對於跨越高頻段功率分配器(或者相位、振幅、分頻係數除法器)上的右外側、左外側或中 心波束中的每一個，最低的天線1200-D可以具有與相鄰或其他天線組件(即，垂直透鏡陣列中的1200-C、1200-B、1200-A根據需要或需要對左外側，右外側或中心波束進行成形，以減少干擾和/或隔離)相比的不同偏置分佈(更強/更不平均的偏置、或者更弱/更平均的偏置)。然後，這導致在天線陣列中的多個輻射器之間的三維功率、振幅、劃分係數、相位分佈映射。
圖13中示意性地顯示14端口天線系統1300，其基於四個垂直放置的2波段透鏡天線1200。天線系統1300具有低頻段移相器單元1301，其具有兩個低頻段端口1302並由具有低頻段機械聯動裝置1304的控制機構1303所控制，以為低頻段波束傾斜提供所需的相移。通過同時移動相位並調整輻射器的旋轉角度/位置(經由機械聯動裝置1304耦合到兩個移相器1306、1308和高頻段輻射器1201)，減少和/或基本上消除了光柵瓣。低頻段移相器單元1301通過低頻段電纜1305與四個2頻帶透鏡天線1200中的每一個中的全部低頻段元件1205連接。兩個低頻段天線端口1302連接到低頻段2x2 MIMO收發器1316。在圖13中，高頻段電路和高頻段傾斜機構僅示出用於高頻段波束的第一子組；所有三個子組的波束總數是高頻段波束單個子組所描述的三倍。具有兩個高頻段端口1312的頂部高頻段移相器單元1306經由用於一對頂部兩個2頻帶透鏡天線1200的兩個高頻段線纜1307耦合到高頻段元件組件1201(在圖12A中描述)，並且具有兩個高頻段端口1312的底部高頻段移相器單元1308經由兩對高頻段電纜1309耦合到用於一對底部兩個2頻帶透鏡天線1200的高頻段元件組件1201。高頻段傾斜機構包括一高頻段控制機構1310，其為所需的高頻段波束傾斜提供輸入，以及連接高頻段機械聯動裝置1311到高頻段移相器單元1306、1308和每個高頻段元件組件1201，由此在高頻段元件組件1201之間提供(通過相同的 運動)相移，並且同時提供圍繞球形透鏡1207的軌道1206(在圖12A中描述)上的高頻段元件組件1201的機械運動。當用完整的硬件外推時，對於佈置在四個透鏡天線1200周圍的每個子組，提供總共12個高頻段輸出1312用於三個高頻段元件組件1201。四個高頻段電纜組係耦合到六個高頻段移相器單元(例如，1306或1308)中的一個，然後成對地耦合到三個高頻段4×4 MIMO收發器(例如1314)中的一個，在公共頻帶(高頻段)中，經由端口1312，高頻段元件的三個子群組中的每一個(跨越所有四個透鏡天線1200)具有一個高頻段4x4 MIMO收發器1314。天線系統1300在高頻段功能上類似於天線系統100，即為三個子組的波束中的每一個提供4×4 MIMO，其中波束傾斜範圍為0-40°，並且在方位平面中具有相似形狀的波束。這個差異大約是高頻段仰角高度的一半(在1.7-2.7GHz頻帶內半功率寬度約為11-+/-2°)，增益約為3dB。另外，圖12C所示的非對稱外側波束成形具有更大的靈活性。天線系統1300的低頻段波束在方位平面上具有大約50°的半功率波束寬度，在仰角平面中具有大約15°的半功率波束寬度，並提供覆蓋1217(如圖12C所示)。每個波束子組的移相器(例如移相器1306和1308)通常具有大致相同的相移，或者如果需要最佳的MIMO性能，移相器具有不同的相移。用於頂部兩個透鏡1200-A和1200-B的右外側雙極高頻段輻射器的右列以及底部兩個透鏡1200-C和1200-D的移相器可以單獨偏置，以分別使右外側的外部波束和左外側的外部波束變形，以產生更接近六邊形細胞邊界的基本上不對稱的右外側波束和左外側波束，和/或減少與其它波束和/或與相鄰六邊形細胞的干擾(並且增加隔離)。性能可以包括覆蓋80%和更多所需的幾何覆蓋區(例如，圖12C的六邊形細胞，或者諸如三角形、矩形、平行四邊形等的任何其他細胞形狀)。為了在一個實施例中進一步改進天線系統1300，附加之不可移動 的高頻段和/或低頻段或雙頻帶(HB+LB)元件可以放置在天線1200的組件和/或天線1200的組件的外部頂端和底端之間(類似於圖17A所示的低頻段元件)。
在圖14中，其示意性地顯示雙頻帶天線系統1400的另一個實施例，其係基於在垂直陣列中放置彼此靠近的三個2頻帶透鏡天線1200。天線系統1400具有經由低頻段電纜1402與2頻帶透鏡天線1200的所有3個低頻段元件連接的低頻段移相器單元1401和另外的低頻段元件1403(可選)。天線系統1400的兩個低頻段端口1404(同時它們是低頻段移相器單元1401的輸出端)連接到低頻段2x2 MIMO收發器1416。低頻段波束傾斜由具有低頻段機械聯動裝置1406的控制機構1405所控制，該低頻段機械聯動裝置1406連接到低頻段移相器單元1401。為了簡單起見，其僅顯示了天線系統1400用於第一(左外側)波束的高頻段電路。高頻段移相器單元1407經由高頻電纜1408連接到用於2波段透鏡天線1200的高頻段元件組件1201。高頻段控制機構1410係提供所需的高頻段波束傾斜，它經由高頻段機械聯動裝置1411連接到高頻段移相器單元1407和每個2頻帶透鏡天線1200的高頻段元件組件1201，在高頻段元件組件1201之間提供相移(通過相同的動作)，並且同時提供高頻段元件組件1201在球面透鏡1207周圍的軌道1206上的機械運動。總共需要四個控制機構：三個高頻段控制機構1410(用於元件/移相器移動)和一個低頻段控制機構1405(用於相移)。每個高頻段移相器單元1407耦合到其自己的2x2 MIMO收發器1417，以用於其之高頻段組件1201的相應子組。
在一個實施例中，可以使用弧形移相器(參見例如美國專利第7907096號公告)或線性移相器(參見例如美國專利第7026889號公告)作為低頻段移相器單元1401和高頻段移相器單元1407，而相同的控制機構1410可以用於相移以 及高頻段球形透鏡1207周圍的高頻段輻射元件的旋轉。本公開包括大範圍的移相器實施例，包括但不限於機械移相器，諸如美國專利第6906666號公告，其具有線性電介質體的移動，諸如美國專利第7196674號公告的旋轉移相器，和電子移相器。在本公開中，移相器的不同組合也是可行的，諸如用電子移相器增強具有線性移動的機械移相器以進行微調增強具有用於精細調整的電子移相器的線性移動的機械移相器(如圖13和圖14所示的實施例所提供的一種可能優雅的解決方案，其中用相同的線性移動以提供RF元件的軌道移動和相移，即基於單一輸入)。所需的相移是：φ=(2π d sinθ)/λ
其中，θ是所需的傾斜角度，並且如果θ<35度，則φ
Figure 107101283-A0305-02-0042-45
(2πdθ)/λ，亦即其相移與傾角成正比。在弧形移相器中，相移θ也直接與弧形上的擦拭器的旋轉角度成比例，並且如圖2B所示，球體周圍的元件的旋轉角度222近似等於波束傾斜角度221。因此，相同的移動可以用於球體周圍的輻射元件的相移和旋轉。
圖14中的三個雙波段透鏡天線1200用於雙波段天線系統1400，用於對高頻段和低頻段兩者的仰角波束寬度減小。為了進一步減小低頻段波束寬度，還使用額外的低頻段元件1403(1403是可選的)。在一個具有四個透鏡的實施例中，總天線長度約為1.2m下，對於高頻段，天線系統1400的仰角半功率波束寬度在1.7-2.7GHz處為5-8°(對於天線系統100而言為21-25°)，對於低頻段，仰角半功率波束寬度在0.69-0.96處為14-19°。對於一些巨集細胞應用來說，天線系統1400的較窄仰角波束寬度是受歡迎的。當針對圖14的實施例推斷出完整的硬件時，對於(圖12A的)高頻段分隔器1201、1202、1204中的每一個的總共18個高頻段輸出1211、1212(圖12B)係被連接到三個高頻段相移位器單元1407(圖 14)中的一個，其然後連接到三個高頻段4×4 MIMO收發器中的一個，每個波束的三個子組中都有一個高頻段2×2 MIMO收發器。在一個實施例中，移相器1401具有多弧特性。
在圖15中示出了用於2.7GHz和28°波束傾斜的雙波段天線系統1400的仰角樣型，其具有窄的半功率波束寬度1501(5°)。其改善了(例如，~
Figure 107101283-A0305-02-0043-46
-20dB)上旁瓣1502抑制(對於其他細胞的干擾較小)和增加(~
Figure 107101283-A0305-02-0043-47
-15dB)低旁瓣1503水平(為了更好的細胞覆蓋)。為此，球體周圍元件的旋轉角度222增加了2.0-30°。因此，球體周圍的輻射元件的旋轉角度222推薦略微大於θ，接近θ+ε/2，其中ε是仰角平面中的一半功率波束寬度1501。
雙波段天線系統1400的高頻段方位輻射樣型與圖2A所示的樣型相似，並具有穩定的23±2°半功率波束寬度(在1.7-2.7GHz的寬頻帶上)。天線系統1400的低頻段樣型在方位面中具有大約50°的半功率波束寬度。兩個頻段的傾斜範圍是0-40°。
仍然參照圖14，其顯示雙波段天線系統1400具有8個端口(6HB+2LB)，其中示出了全部兩個低頻段端口1404，但是在總共六個高頻段端口1412中，對於一個高頻段波束僅示出了2個高頻段端口1412(為了簡單起見)。
在另一個2頻帶天線實施例中(圖未示)，其中低頻段元件和一對高頻段元件位於不同的反射器上，低頻段控制機構1405不僅可以提供低頻段相移，而且可以提供低頻段元件的移動，以更獨立的傾斜低頻段波束。
在3頻帶天線實施例中(圖未示)，第三頻帶(例如，在400-600MHz交叉偶極子實施例中)的雙極化輻射器可以被放置在2頻帶天線1200之間，並且第三頻帶的波束傾斜可以通過第三頻帶移相器來實現。
在圖16A中，其顯示了另一個雙波段透鏡天線 1600的實施例。它有三個高頻段波束和兩個低頻段波束以覆蓋120°扇區，共有10個端口。它類似於(圖10A的)雙波段透鏡天線1000，但是它具有位於外側軌道1007上的兩個高頻段)/低頻段元件組件1001和位於透鏡1607的中心軌道1007上的一個(中央)高頻段雙極化輻射器1002。當雙波段透鏡天線1000在軌道1007上下被調節時，低頻段元件1003和高頻段元件1004兩者作為單一個單元一起選擇性地傾斜，以產生一給定細胞和環境所需的波束形成。
在圖16B中，用兩個低頻段波束1601、1602和三個高頻段波束1603、1604、1605以顯示全部覆蓋相同六邊形細胞311的細胞覆蓋。對於所有三個六角形細胞311，重複該樣型以提供360°覆蓋，每個六角形細胞具有一個天線1600，對於所有三個六角形單元總共三個天線1600。圖16B示出了低頻段波束1601如何在六邊形細胞311之內具有低干擾的情況下(在一給定細胞內)彼此重疊以及在細胞之間(在兩個或更多個細胞之間)重疊。圖16B中，其顯示外側高頻段波束1603、1605與中心高頻段波束1604，以獲得更好的細胞覆蓋(類似於圖3B)。類似於圖5A-圖5C和圖11A-圖11B所示，透鏡天線1600可以用作於2波段MIMO天線系統的構件模塊。在圖17A中，其顯示了三頻帶透鏡天線系統1700，對於每個頻帶具有獨立的波束傾斜。例如，這三個頻帶可以是550-960MHz(第一頻帶，低頻段)、1.43-2.17GHz(第二頻帶，中頻段(middle band)或中頻段(mid-band)或中頻段(intermediate band))、和2.49-3.7GHz(第三頻帶，高頻段)。這個3頻帶天線系統1700實施例可以覆蓋一個單位中的所有當前和預期的蜂巢通信頻帶。如圖17A所示，3波段天線系統1700包括多個2波段透鏡天線1600(類似於圖16A中所示的)，其中第一波段輻射元件1701(不可移動)佈置在透鏡1607之間，並且可選的第一波段輻射元件1702佈置在3波段天線系 統1700中的外透鏡天線1600的頂端和底端之外。不可移動的第一頻帶輻射元件1701、1702可以被機械式地預先傾斜以獲得更好的傾斜範圍。每個透鏡天線1600具有第二頻帶1703-A和1703-B的兩個雙極化中頻段輻射器，並具有第三頻帶1704的三個雙極化高頻段輻射器，後者中的每一個包括可選的次級透鏡。(外側)高頻段/中頻段元件組件1720係位於外軌道上，一個(中央)高頻段雙極化輻射器1704位於中心軌道上。另一個頻帶分配實施例包括在500-1000MHz內的一低頻段，在1.4-2.7GHz內的中頻段、和在2.2-3.8GHz內的高頻段。通過可選地將第一頻帶輻射元件1701和1702嵌入到透鏡1607中，三頻段天線系統1700具有與雙頻段天線系統大致相同的尺寸和佈局。
在每個頻帶中，3頻帶天線系統1700可以提供寬的傾斜範圍，例如0-40°。對於第一頻帶，僅通過相移來提供波束傾斜，類似於圖7A所示。對於第二和第三頻帶，類似於圖14，其係通過相移和輻射器旋轉的組合來提供波束傾斜。波束傾斜部件(移相器、控制機構)與上述類似，為了簡單起見，並且僅在圖17A中顯示用於中頻段之元素1703。天線系統1700具有由中頻段電纜1714與3頻帶透鏡天線1200的所有四個中頻段元件1703連接的中頻段移相器單元1711以及兩個端口1712至2x2 MIMO收發器1722的輸出。中頻段波束傾斜由具有連接到中頻段移相器單元1711的中頻段機械聯動裝置1718之控制機構1716所控制。
現在參考圖17B，針對單一個六邊形細胞311其顯示了用於3頻帶天線系統1700的細胞覆蓋。3頻帶天線系統1700在第一頻帶(低頻段)中形成一個波束1705，兩個波束1706在第二頻帶(中頻段)的左右版本，和三個波束1707在第三頻帶(高頻段)中，並覆蓋相同的細胞311，即基本上相同的地理區域。在一個實施例中，圖17B的左右中頻段波束 1706一起覆蓋公共幾何覆蓋區域即六邊形細胞311的80%或更多。針對與第一透鏡天線1600相鄰設置的另一個透鏡天線1600，其重複相同的結果，其中第二透鏡天線1600的左右頻段波束1706一起覆蓋公共幾何覆蓋區域的80%或更多。
現在參照圖18，依據一實施例，其顯示了針對每個操作1808的天線系統調整細胞覆蓋範圍、成形容量、減少干擾和/或成形波束的流程圖1800。這經由使用以下的一個或多個後續操作來實現：i)如上面圖1A-圖1B和圖3C中所示/所示，將透鏡1814-A的一個或多個輻射器的偏離中心對準；ii)例如如圖3B、圖3C、圖12C、圖16B和圖17B所描述/所示，基於扇區位置、子組或RF頻帶獨立地調整一個或多個輻射器1814-B的一旋轉角度；和/或iii)如上面圖12A-圖12C所描述/所示，在一分離偶極天線之間，獨立地或非獨立地偏置電源和/或相位。
使用1814的條件的靜態設置的默認出廠設置，在天線系統上傳送數據信號1816。然後天線性能設置可以隨後且選擇性通過自動或遠程地靜態或動態調整，使用反饋或預編程模式來改變一個或多個天線以改變或已知數據業務量、干擾環境以及其他條件和模式。操作1820詢問信號性能是否可接受，如通過諸如一個或多個反饋度量1816-A所測量的掉話、呼叫信號完整性、測量的錯誤率、來自相鄰細胞或扇區的干擾、功率消耗等的直接性能、或通過並行績效指標干擾指標等。如果信號性能可接受，則程序1800繼續傳送信號1816並測量性能。如果信號性能不可接受，那麼程序返回到操作1808。
所有建議的解決方案都是模塊化的，基於構建模塊，這對於現場部署(網站建設的靈活性)非常實用且有益生產(少量庫存)。
優於其他嘗試解決方案(用Butler矩陣的多波束 天線)的優勢包括以下性能指標。
較高的增益效率(較少的插入損耗)。
更寬的頻帶(50%+)。
雙頻帶和多頻帶寬帶操作。
異常的端口到端口隔離(典型地，10-15dB更好)，其允許良好的MIMO性能。
外側波束沒有樣型失真或掃描增益損失。
在機械上，25-30%較窄(具有相同的方位角)波束寬度。
顯著的(2~3倍)較低的正面和背面風負載(歸功於圓形和更好的孔徑效率)。
優異的獨立波束傾斜性能。
擴展波束傾斜，0-40°(3-4倍以上)
波束的更好的穩定性(寬度、交叉程度、指向位置和滾降)。
寬頻帶內的優異的方位角和仰角旁瓣抑制。
傑出的模塊化，便於現場部署。
圓形，美觀宜人的形狀。
適應和優化不同地理區域的覆蓋範圍的靈活性。
通過最小化扇區之間和細胞之間的波束的重疊來減少干擾。
用於2×2、4×4和8×8MIMO的建議多波束天線解決方案可以用於微細胞、熱點、城域細胞、巨集細胞，並且還可以用於體育場和特殊事件的覆蓋。
回顧本案所呈現的實施例，在大多數實施例中，如圖所示(例如，圖7A、圖11A、圖13、圖14、圖17A和圖17C)，形成波束的低頻段輻射器設置在單個垂直平面中。圖11B和圖16A提供了這種對齊的變化，其中低頻段輻射器不僅僅在一個垂直平面上對齊。類似地，在大多數實施例中，其他RF頻帶(及其軌道)的每個輻射器子組的輻射器位於相同的垂直平面內以形成波束。在另一個實施例中，例如 圖11B所示，一給定頻帶的一輻射器可以排列成矩陣，其中對於一給定細胞的輻射器具有由垂直陣列(頂部和底部天線)和水平陣列(並排天線)形成的波束。
在一個實施例中，透鏡的形狀不是圓柱形的。柱面透鏡的性能受到限制，因為它不允許利用球面透鏡實現有益的波束形成和可變仰角定位。此外，單一個柱面透鏡不提供堆疊球形透鏡的性能，無論是接觸、交錯(如圖6A所示)還是彼此靠近設置，其中每個球面透鏡具有僅與其相關聯的其自己的輻射器。
對於本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本案的發明構思的情況下，除了已經描述的那些以外，還可以進行更多的修改。因此，除了所附上的權利要求的精神之外，本發明的主題不受限制。而且，在解釋說明書和權利要求時，所有的術語應該以與上下文一致的最寬泛的方式來解釋。特別地，術語「包括」和「包含」應該被解釋為以非排他性方式引用元件、組件或步驟、指示所引用的元件、組件或步驟可以存在、或被利用、或被組合與未明確引用的其他元素、組件或步驟。其中，說明書權利要求是指選自由a、b、c...、和n組成的群組中的至少一種，文本應該被解釋為僅需要來自群的一個元素，而不是加n或b加n等等。雖然本說明書描述了常見的六邊形幾何(又稱地理)覆蓋區(hex cell)，通過對稱或不對稱地調整單個或多個頻帶信號的相移和幅度，本說明書可容易地適應於任何期望的幾何或地理覆蓋區，諸如具有三至八邊或更多的多邊形，以及對稱或不對稱地調整球面透鏡周圍的輻射器的傾斜度、圓周位置和數量，以及通過使用如本文所述的球面透鏡和高頻段和低頻段天線的任何組合。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍該為準，而非僅 限於上述實施例。
100‧‧‧天線系統
101、102‧‧‧球面透鏡天線
111‧‧‧球面透鏡
112‧‧‧雙極化輻射器
121‧‧‧射頻電纜
131‧‧‧天線連接器
141‧‧‧軌道

Claims (42)

  1. 一種多波束天線系統，包括：第一天線組件和第二天線組件，該第一天線組件及該第二天線組件均包括：第一輻射器和第二輻射器，該第一輻射器和該第二輻射器用於在多個不同的射頻頻帶上同時進行通信；其中，該第一天線組件的第一輻射器與該第二天線組件的第一輻射器在功能上分組為第一輻射器子組，該第一輻射器子組在第一射頻頻帶內操作，且使用第一多輸入多輸出(MIMO)收發器；該第一天線組件的第二輻射器與該第二天線組件的第二輻射器在功能上分組為第二輻射器子組，該第二輻射器子組在第二射頻頻帶內操作，且使用第二MIMO收發器；以及該第一輻射器子組和該第二輻射器子組在功能上一起形成多波束樣型。
  2. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：該第一射頻頻帶和該第二射頻頻帶中的至少一個包括一第一頻帶的至少兩個頻帶；第二頻帶的頻率高於該第一頻帶的頻率，第三頻帶的頻率高於該第二頻帶的頻率；以及該第一射頻頻帶和該第二射頻頻帶中的至少一個在該第一天線組件和該第二天線組件上傳輸，且用於覆蓋大致相同的地理區域。
  3. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其更包含：至少兩個透鏡，以具有垂直軸的垂直陣列耦合；至少三個高頻段輻射器子組，其中三個子組中的每一個包括至少兩個輻射器，並且至少一個高頻段輻射器設置在該兩個透鏡中的每一個上；以及至少一個低頻段輻射器的子組，其包括與該至少兩個透鏡中的每一個相關聯的至少一個低頻段輻射器；並且其中： 在相應的至少三個高頻段輻射器子組中的每一個內，該至少兩個高頻段輻射器分別設置在圍繞該兩個透鏡的一第一垂直平面中，以在幾何覆蓋區內提供相應的輻射波束；多波束樣型包括波束的一中心子組和至少兩個波束的外側子組，該至少兩個外側子組設置在波束的該中心子組的任一側，偏離該透鏡的中心；以及低頻段輻射器的子組被設置在相對於該兩個透鏡的位置處，以提供填充幾何覆蓋區的輻射樣型。
  4. 如申請專利範圍第3項之該多波束天線系統，其更包含：至少兩個中頻段輻射器子組；並且其中：該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個包括用於該兩個透鏡中的每一個的至少一個中頻段輻射器；和該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個被設置在圍繞該兩個透鏡的第二垂直平面中，以提供兩個輻射波束，以填充該幾何覆蓋區。
  5. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，該第一個輻射器和該第二輻射器中的至少一個包括雙極化輻射器設計。
  6. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個在該第一射頻頻帶和該第二射頻頻帶中的至少一個上進行通信；和該第一輻射器子組具有第一波束形狀和第一波束數量；和該第二輻射器子組具有不同於該第一波束形狀的第二波束形狀和不同於該第一波束數量的第二波束數量。
  7. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：將該第一射頻頻帶上的信號係被傳送到該第一子輻射器組，以生成一目標區域的一第一波束；和將該第二射頻頻帶上的信號係被傳送到該第二子輻射器組，以生成該目標區域的一第二波束；該第一射頻頻帶的頻率與該第二射頻頻帶的頻率不同；和該第一波束與該第二波束是不同的樣型，並且至少部分地與該第二波 束重疊。
  8. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：該第一子組包括至少一個高頻輻射器；和該第二子組包括至少一個低頻帶輻射器；並且其中：該低頻段輻射器以同心配置在該高頻段輻射器附近，及並排配置；和靠近位置的該低頻段輻射器和該高頻段輻射器被選擇性地作為一個單元移動。
  9. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：該第一輻射器子組和該第二輻射器子组中的至少一個是i)設置在該第一天線組件和該第二天線組件之間，並且ii)其位於該第一天線組件和該第二天線組件中的至少一個的偏移、物理接觸以及插入位置中的至少一個中。
  10. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其更包含：第三天線組件，設置在該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個與該第一天線組件和該第二天線組件中的至少一個之間。
  11. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個包括第一偶極子和第二偶極子，該第一偶極子和該第二偶極子係安置為i)交叉偶極子樣型；和ii)盒裝偶極子樣型。
  12. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其更包含：至少一個公共反射器，其中該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個係設置在該至少一個公共反射器上。
  13. 如申請專利範圍第12項之該多波束天線系統，其更包含：一介電填充物，其設置在該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個和該至少一個公共反射器之間。
  14. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其更包含：一移相器，其耦合到該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個，以為該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個提供波束傾斜。
  15. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其更包含：多個移相器單元，其具有至少一個移相器單元，以指定為該第一射頻頻帶和該第二射頻頻帶中的至少一個。
  16. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：由該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個形成的波束產生第一圓形幾何軌跡和第二圓形幾何軌跡中的至少一個；以及該第一圓形幾何軌跡和該第二圓形幾何軌跡形成大致呈三角形的幾何樣型。
  17. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，該第一天線組件和該第二天線組件中的至少一個設置成彼此極為靠近一不同的天線組件，重疊於相鄰天線組件之間的間隙等於近似在該多波束天線系統通信的任何射頻頻帶內的一個波長。
  18. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其更包含：至少一第一軌道和至少一第二軌道，該至少一第一軌道和該至少一第二軌道用於允許該第一輻射器和該第二輻射器中的至少一個圍繞與其關聯的一透鏡對於該第一射頻頻帶和該第二射頻頻帶中的至少一個的選擇性移動，以便提供波束傾斜。
  19. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：在該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個中的至少一個輻射器是一對高頻段交叉偶極子；以及該高頻段交叉偶極子對中的每個高頻段交叉偶極子可以在幅度、相位和位置中的至少一個因子中相對於彼此進行調整，以便控制方位波束形狀並且用於減小高度格柵瓣。
  20. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，該第一射頻頻帶和該第二射頻頻帶中的至少一個經由圍繞單個透鏡設置的該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個傳送。
  21. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，該第一射頻頻帶和該第二射頻頻帶中的至少一個經由圍繞至少一第一透鏡和至少一第二透鏡中的至少一個設置的該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至 少一個傳送。
  22. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，針對至少一個的一低頻段天線和一高頻段天線中的第一輻射器和第二輻射器中的每一個的波束的中心具有-30°、0°、+30°的方位角位置且具有約60°的-10dB波束寬度。
  23. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，該第一天線組件和該第二天線組件中的至少一個包括：至少兩個外側輻射器，每個外側輻射器包括雙極化高頻段元件；和一中央輻射器，包括：一個雙極化的高頻段元件；一次級透鏡，設置在該雙極化元件和一給定透鏡之間；以及一個雙極化的低頻段元素。
  24. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其更包含：一低頻段移相器；以及一低頻段控制機構，功能上耦合到該低頻段移相器；並且其中：該低頻段控制機構用於移動該第一輻射器子組中的該第一輻射器和移動該第二輻射器子組中的第二輻射器中的至少一個。
  25. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：用於該第一射頻頻帶的該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個的一第一部分是不可移動的；以及用於該第二射頻頻帶的該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個的一第二部分是可移動的。
  26. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，來自在相同射頻頻帶中操作的該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個的信號，通過單個透鏡聚焦到一給定的地理區域，而在它們的波束之間沒有顯著的干擾。
  27. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中，自該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個的信號，針對該第一射頻頻帶和該第二射頻頻帶中的至少一個、通過單個球面透鏡朝向具有不同數量的 波束的相同地理區域聚焦。
  28. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個設置在至少一第一棱鏡和至少一第二棱鏡之間。
  29. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個至少部分地穿透到第一透鏡和第二透鏡中的至少一個中。
  30. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個是具有多個臂的交叉偶極子；以及該交叉偶極子的臂符合透鏡的外形。
  31. 如申請專利範圍第1項之該多波束天線系統，其中：在該多波束天線系統中的至少一第一透鏡和至少一第二透鏡係設置在彼此靠近的位置；以及該第一天線組件和該第二天線組件中的至少一個係形成一垂直陣列、一水平陣列、一矩形矩陣、一三角形形狀、和一菱形形狀。
  32. 一種通訊系統，其包含：一多波束天線系統，具有至少一第一天線組件和至少一第二天線組件；以及多個多輸入多輸出收發器，每一該多輸入多輸出收發器接收產生于多個不同的射頻頻帶之一中的信號；並且其中：該第一天線組件和該第二天線系統均包括：第一輻射器和第二輻射器，該第一輻射器和該第二輻射器用於在該多個不同的射頻頻帶上同時進行通信；以及一透鏡，將電磁波聚焦至該多個輻射器；其中，該第一天線組件的第一輻射器與該第二天線組件的第一輻射器在功能上分組為第一輻射器子組，該第一輻射器子組在第一射頻頻帶內操作，且使用第一多輸入多輸出(MIMO)收發器；該第一天線組件的第二輻射器與該第二天線組件的第二輻射器在功能 上分組為第二輻射器子組，該第二輻射器子組在第二射頻頻帶內操作，且使用第二MIMO收發器；該第一輻射器子組的該第一輻射器和該第二輻射器一起形成第一幾何覆蓋區。
  33. 如申請專利範圍第32項之該通訊系統，其更包含：沿著一給定軸設置的該多波束天線系統；並且其中：該第一輻射器子組的該第一輻射器和該第二輻射器圍繞該給定軸線以不對稱的樣型設置，因此該第一幾何覆蓋區相對一目標軸線不對稱；該第二輻射器子組的該第一輻射器和該第二輻射器配置成一圖案，該圖案用於形成與該第一幾何覆蓋區匹配的一互補覆蓋區；以及該第一幾何覆蓋區和該互補覆蓋區一起為覆蓋提供基本呈矩形、梯形或平行四邊形的幾何覆蓋區。
  34. 一種經由多波束天線系統向一細胞傳送信號的方法，該方法包括：經由至少一第一輻射器子組和至少一第二輻射器子組同時傳送射頻信號，其中每個該第一輻射器子組和該第二輻射器子組在多個射頻頻帶上操作，且包括使用設置有一第一透鏡的至少一第一輻射器的至少一第一多輸入多輸出收發器、及使用設置有一第二透鏡的至少一第二輻射器的至少一第二多輸入多輸出收發器。
  35. 如申請專利範圍第34項之該方法，其更包含：通過該第一輻射器子組產生用於該細胞的多個扇區中的每一個的一波束。
  36. 如申請專利範圍第34項之該方法，其更包含：通過該第一輻射器子組產生用於覆蓋一六邊形細胞的至少三個波束，並且其中該三個波束包括：一個中心波束，該中心波束自其中心線是對稱的；以及兩個外側波束，每一該外側波束自其中心線不對稱，但該兩個外側波束關於該細胞的中心線鏡像對稱。
  37. 如申請專利範圍第35項之該方法，其更包含：通過以下步驟中的至少一個選擇性地調整一給定射頻頻帶中的一波束 的一波束傾斜：改變至少一個該第一輻射器子組中的該第一輻射器的旋轉角度；以及調整在該第一輻射器子組內的該第一輻射器和該第二輻射器中的至少一個傳送的信號的相位。
  38. 如申請專利範圍第34項之該方法，其更包含：通過使用以下一種或多種方法為一細胞中的至少一個外側波束形成不對稱的波束形狀以符合該細胞的給定形狀：(a)除了通過一給定透鏡的一中心之外，對准一給定的輻射器；(b)對於一給定射頻頻帶的一給定輻射器子組中，改變至少一個輻射器的旋轉角度的量，其與該給定輻射器子組中的至少一個其他輻射器的旋轉角度不同；(c)調整一對耦合輻射器之間的一振幅；以及(d)調整一對耦合輻射器之間的一相位。
  39. 如申請專利範圍第34項之該方法，其更包含：縮放針對一給定射頻頻帶的該第一輻射器子組內的至少一該第一輻射器的功率，以縮放該細胞的容量。
  40. 如申請專利範圍第36項之該方法，其中：調節在至少一個該射頻頻帶內的該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個的旋轉角度，以產生增加的波束傾斜；以及在至少一個該射頻頻帶的所有天線連接器處，提供近似相同的增益，以匹配該六邊形細胞的容量目標。
  41. 如申請專利範圍第34項之該方法，其更包含：通過一移相器使該第一輻射器子組產生的波束傾斜；以及通過調整產生該波束的該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的至少一個的旋轉角度，來傾斜該波束傾斜；並且其中：來自該移相器的波束傾斜比來自該輻射器的旋轉角度的波束傾斜略大，以抑制波束的上側旁瓣。
  42. 如申請專利範圍第35項之該方法，其更包含：調整在一給定射頻頻帶中操作的該第一輻射器子組和該第二輻射器子 組中的至少一個的數量，以匹該細胞的一容量需求；以及調整針對在該給定射頻頻帶中操作的每一該第一輻射器子組和該第二輻射器子組中的每一第一輻射器的傾斜度，以提供該細胞的完全覆蓋。
TW107101283A 2017-01-13 2018-01-12 多波束多重輸入多重輸出天線系統和方法 TWI727136B (zh)

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