CN110402521B - 多波束多输入多输出天线***和方法 - Google Patents

多波束多输入多输出天线***和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110402521B
CN110402521B CN201880017747.4A CN201880017747A CN110402521B CN 110402521 B CN110402521 B CN 110402521B CN 201880017747 A CN201880017747 A CN 201880017747A CN 110402521 B CN110402521 B CN 110402521B
Authority
CN
China
Prior art keywords
radiators
radiator
antenna
lens
antenna assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880017747.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110402521A (zh
Inventor
S·马蒂斯廷
伊格尔·季莫费耶夫
L·马蒂斯廷
A·德玛克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Matsing Inc
Original Assignee
Matsing Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsing Inc filed Critical Matsing Inc
Priority to CN202310539956.8A priority Critical patent/CN116826399A/zh
Publication of CN110402521A publication Critical patent/CN110402521A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110402521B publication Critical patent/CN110402521B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/26—Systems using multi-frequency codes
    • H04L27/2601—Multicarrier modulation systems
    • H04L27/2647—Arrangements specific to the receiver only
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2291—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in bluetooth or WI-FI devices of Wireless Local Area Networks [WLAN]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/246—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for base stations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
    • H01Q15/08—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism formed of solid dielectric material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/062—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/001—Crossed polarisation dual antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/12—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems
    • H01Q3/14—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems for varying the relative position of primary active element and a refracting or diffracting device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0408—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas using two or more beams, i.e. beam diversity
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本申请提出一种使用球形透镜的多波束天线***，具有天线端口之间的高隔离度且与2×2、4×4、8×8MIMO收发器兼容。通过创建在围绕一个或多个球形透镜的轨道上可移动的双频段辐射器及在球形透镜之间放置低频段辐射器，可实现几种紧凑型多频段多波束解决方案(在每个频段中具有宽带操作，40％+)。通过将次级透镜用于高频段辐射器，减少低频段辐射器和高频段辐射器之间的耦合。波束倾斜范围和旁瓣抑制通过相移和/或辐射器的旋转角来改善。因此在所提出的多波束天线***中可实现宽波束倾斜范围(0‑40度)。每个波束可以单独地倾斜。基于所提出的单透镜和多透镜天线解决方案，还实现了小区覆盖改善和体育场讲坛覆盖优化连同减少干扰。

Description

多波束多输入多输出天线***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年1月13日提交的申请号为第62/445,874，标题为“多波束多输入多输出天线***和方法”的美国临时专利申请以及于2017年7月28日提交的申请号为62/538615，标题为“多波束多输入多输出天线***和方法”的美国临时专利申请的优先权。本文引用的这些和所有其他外在参考文献的全部内容均结合于此作为参考。在结合的参考文献中的术语的定义或使用与本文提供的术语的定义不一致或相反时，本文中提供的术语的定义适用，该参考文献中对该术语的定义不适用。
技术领域
本发明涉及通信设备领域。
背景技术
以下描述包括可能有助于理解本发明的信息。但并不是承认本文提供的任何信息是现有技术或与当前要求保护的发明相关，或者明确或暗示引用的任何出版物是现有技术。
当前的和未来的无线通信***都着眼于更高的容量。现代蜂窝***中，增加容量的两种主要方法是提供多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)信号以及提供小区***能力(cell splitting capabilities)。
MIMO是通过使用多个天线(或多个端口)来增加无线电链路容量的方法。然而，天线端口之间没有高度隔离时，MIMO天线产生的信号可能会相互干扰(参见“MIMOProcessing for 4G and Beyond:Fundamentals and Evolution”by Mario Marques daSilva,Francisco A.Monteiro,CRC Press,2014)。在U.S.patent 8,482,478toHartenstein标题为“MIMO Antenna System”公开的MIMO天线中，使用吸收材料来改善天线端口之间的隔离。但是，Hartenstein的吸收材料会导致信号衰减和无源互调(passiveinter-modulation，PIM)问题，这对于3G、4G/LTE蜂窝***来说是不可接受的。其他MIMO天线，例如在US 2011/0135308to Tarlazzi et.al.公开的MIMO天线相当笨重且不是多波束的。
提供小区***能力的更有效的方法之一是使用多波束天线(例如U.S.publication2016/0013563 to Timofeev标题为“Wideband Twin Beam AntennaArray,”U.S.publication2011/0205119 to Timofeev et al.标题为“Dual-Beam SectorAntenna and Array”,U.S.patent6,081,233 to Johannisson标题为“Butler Beam PortCombining For Hexagonal Cell Coverage,”and U.S.patent 7,605,768 to Ebling etal.标题为“Multi-beam Antenna”)。然而，由于天线端口之间的隔离不好，现有的多波束天线不能有效地应用于MIMO***。其他尝试解决方案中的天线端口通常具有13-15dB的隔离，这对于宽的工作频段是不够的。
因此，其他人尝试的现有的多波束天线不能提供当前的和未来的蜂窝通信所需的宽带MIMO性能，且现有的MIMO天线不适合多波束操作。
本文确定的所有出版物均结合于此作为参考，其结合的程度与每个单独的出版物或专利申请具体地和单独地结合于此的程度相同。当结合的参考文献中的术语的定义或使用与本文提供的术语的定义不一致或相反时，本文提供的术语的定义适用，并且该参考文献中对该术语的定义不适用。
因此，仍然需要改进的天线，以增加无线通信***中的容量。
发明内容
本发明主题提供具有多波束天线***的MIMO功能的装置、***、和方法。所公开的***可用于创建具有MIMO能力且每个波束具有宽倾斜范围的紧凑的、多波束的、宽带/多频段的基站天线。
球形RF透镜的使用，允许MIMO和多波束技术的结合，以大幅度增加通信***容量，这在其他尝试的解决方案中是无法实现的。球形透镜是超宽带，自然多波束、及是MIMO友好的(亦即与MIMO收发器兼容)。基于球形透镜的多波束天线的一个独特特点是端口之间的高隔离性，这大大提高了MIMO性能。例如，基于3波束球形透镜的天线，其可以在50％以上(50％+)的频率范围内实现27dB以上的隔离。球形透镜天线也可以用作具有高阶MIMO(4×4和8×8)的多波束天线的构造块。
针对2×2、4×4、8×8、及N×N(其中N>2)MIMO的3波束天线解决方案也可以有效实现以下目标：
单频段，如高频段(HB)或低频段(LB)天线；
小区覆盖优化；
用于体育场覆盖的双频段天线(一组波束与另一组波束之间的工作频段是不同的)；
三个HB波束和一个LB波束组合的双频段解决方案；
三个HB波束和两个LB波束组合的双频段解决方案；
三个或更多个HB波束、两个或更多个MB波束、以及一个或更多个LB波束组合的3频段解决方案；
U数量大于HB(例如，UHB等)、三个或更多个HB波束，两个或更多个MB波束、以及一个或更多个LB波束组合的M频段(其中M>3)的可缩放性解决方案；以及
宽工作频段(40％+)内的天线之间的隔离>25dB(用于多波束天线***的两个天线端口的任意组合)。
其结果是所公开***的通信***容量可以是标准单端口天线容量的10倍以上。例如，与具有单个天线端口的单波束天线相比，具有4×4MIMO的3波束天线将容量增加了约12倍。此外，可以通过增加HB天线的数量来增加容量整形，以在给定的六边形小区的方位平面中创建更多的波束。
不对称的左外侧波束和右外侧波束也可由天线组件中的双极化(例如交叉偶极天线)辐射器生成。在一些实施例中，不对称的波束可通过以不同的倾斜量倾斜与给定透镜相关联的一个或多个辐射元件(例如，外侧辐射元件的倾斜比中心辐射元件多)来形成。在其他实施例中，不对称的波束可通过从球形透镜的中心(点)偏移辐射元件(例如，左辐射元件或右辐射元件)来形成。在其他实施例中，不对称的波束可通过相移左辐射元件和/或右辐射元件(并可与偏移辐射元件结合)而形成。在其他实施例中，不对称的波束可通过偏置(调整或选择)耦合的一对辐射器(例如，HB交叉偶极天线)之间的功率、振幅、相位、分配系数的划分来形成。
具有其他数量/波束组合(例如，2-波束天线、4-波束天线、5-波束天线)的多波束MIMO天线也可通过增加球形透镜和/或元件的数量和组合来实现，下面将详细描述。
参照以下对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、和优点是显而易见的，附图中相同的附图标记表示相同的部件。
附图说明
在附图中以示例而非限制的方式示出示例性实施例，其中相同的参考标号表示相似的元件，在附图中：
图1A是根据一实施例的每个波束具有4×4MIMO的3波束天线的斜视图。
图1B是根据一实施例的每个波束具有4×4MIMO的3波束天线***的后视图。
图2A是根据一实施例的示出在1.7-2.7GHz的天线原型的共极化测量的方位模式下的每个波束具有4×4MIMO的3波束天线***的极坐标图。
图2B是根据一实施例的每个波束具有4×4MIMO的3波束天线***的测量的仰角同极化和交叉极化模式的侧视图。
图3A是根据一个实施例的当所有波束具有相同的向下倾斜时提供360°覆盖的三个六边形小区覆盖图，其中，每个六边形小区覆盖由每个波束具有4×4MIMO的3波束天线***提供。
图3B是根据一个实施例的一些波束具有不同的倾斜以减少与其他小区的干扰时提供的360°覆盖的三个六边形小区图，其中，每个六边形小区覆盖由每个波束具有4×4MIMO的3波束天线***提供。
图3C是根据一个实施例的当不对称的波束用于外侧波束以减少与其他小区的干扰时提供的360°覆盖的三个六边形小区图，其中，每个六边形小区覆盖由每个波束具有4×4MIMO的3波束天线***提供。
图4是根据一实施例的每个波束具有2×2MIMO的3波束球形透镜天线。
图5A是根据一实施例的每个波束(垂直排列)具有8×8MIMO的3波束天线***的后视图。
图5B是根据一实施例的示出每个波束(水平排列)具有8×8MIMO的3波束天线***。
图5C是根据一实施例的示出每个波束(正方形排列)具有8×8MIMO的3波束天线***。
图5D是根据一实施例的示出每个波束(菱形排列)具有8×8MIMO的3波束天线***。
图6A是根据一实施例的示出3波束双频段天线***(4×4MIMO用于HB和2×2MIMO用于LB)。
图6B是根据一实施例的示意性地示出图6A的3波束天线的体育场讲坛覆盖的示例。
图6C是根据一实施例的示意性地示出图6A的3波束天线的体育场梯形覆盖的示例。
图6D是根据一实施例的用于提供体育场讲坛覆盖的三个双极化辐射器的波束中心和-10dB波束轮廓图。
图7A是依据一实施例的所提出的具有三个HB波束(每个HB波束具有8×8MIMO)和一个LB波束(具有2×2MIMO)的双频段天线***，其中，LB交叉偶极天线的元件位于球形透镜之间。
图7B和图7C是根据一实施例的分别示出图7A的一部分天线***的后视图和侧视图，其中，LB交叉偶极天线的末端部分地穿透至球形透镜中。
图7D和7E是根据一实施例的分别示出图7A的一部分天线***的后视图和侧视图，其中，LB交叉偶极天线的末端弯折以与球形透镜一致。
图8是根据一实施例的提供360°覆盖的三个六边形小区图，其中，每个六边形小区覆盖由具有三个HB波束和一个LB波束的双频段天线***提供。
图9A是根据一实施例的使用双频段双极化辐射器的具有三个HB波束及一个LB波束的双频段透镜天线，作为用于双频段MIMO天线***的构造块。
图9B是根据一实施例的2频段双极化辐射器(俯视图)。
图9C是根据一实施例的2频段双极化辐射元件的侧视图。
图9D是根据一实施例的不具有次级透镜的叠加有电磁场分布的双频段双极化辐射元件的侧视图。
图9E是根据一实施例的具有次级透镜且叠加有电磁场分布的双频段双极化辐射元件的侧视图。
图9F是根据一实施例的具有次级透镜的双频段双极化辐射元件的等距视图。
图10A是根据一实施例的球形透镜天线(具有三个HB波束和一个LB波束，每个波束具有2×2MIMO)，其中HB元件与LB元件并排位于同一中心可移动反射器上。
图10B是根据一实施例的图10A所示出的透镜天线的HB/LB元件组件的侧视图。
图11A是根据一实施例的具有用于每个HB波束具有4×4MIMO的三个HB波束和具有2×2MIMO的一个LB波束(仅示出LB端口)的天线***。
图11B是根据一实施例的具有三个HB波束(每个HB波束具有8×8MIMO)及具有4×4MIMO(仅示出LB端口)的一个LB波束的天线***。
图12A是根据一实施例的用作具有变窄的仰角模式的双频段3波束天线***构造块的双频段球形透镜天线。
图12B示出根据一实施例的图12A的天线的HB元件组件。
图12C是根据一实施例的提供360°覆盖的三个六边形小区图，其中，每个六边形小区由来自图12A的双频段球形透镜天线所覆盖。
图13是根据一实施例的具有三个HB波束(每个HB波束具有4×4MIMO)和一个LB波束(具有2×2MIMO)的双频段天线(具有变窄的仰角波束及14个天线端口)。
图14是根据一实施例的具有三个HB波束(每个HB波束具有2×2MIMO)和一个LB波束(具有2×2MIMO)的双频段天线(具有变窄的仰角模式，总共有8个天线端口)。
图15是根据一实施例的针对2.7GHz和28°波束倾斜所计算的图16A中所示出的HB天线的归一化的幅度仰角模式。
图16A是根据一实施例的具有三个HB波束(每个HB波束具有2×2MIMO)以及两个LB波束(每个LB波束具有2×2MIMO)的双频段透镜天线。
图16B是根据一实施例的提供360°覆盖的三个六边形小区图，其中每个六边形小区覆盖由具有三个HB波束和两个LB波束的双频段天线所提供。
图17A是根据一实施例的3频段天线阵列(其中一个波束用于第一频段、两个波束用于第二频段、以及三个波束用于第三频段)。
图17B是根据一实施例的3频段天线的六边形小区覆盖。
图17C是根据一实施例的单个3频段天线(其中一个波束用于第一频段、两个波束用于第二频段、以及三个波束用于第三频段)。
图18是根据一个实施例的调整小区覆盖、整形容量、减少干扰、和/或使波束整形以适合模式的流程图。
具体实施方式
在一些实施例中，用于描述和要求保护本发明的某些实施例的表示成分的量、性质例如浓度、反应条件等的数字应被理解为在一些情况下被术语“约”所修饰。因此，在一些实施例中，说明书和所附权利要求书中提出的数字参数是近似值，其可以根据特定实施例所试图获得的期望性质而变化。在一些实施例中，应该根据所报告的有效数字的数量、并通过应用普通舍入技术来解释数字参数。尽管阐述本发明的一些实施例的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体示例中阐述的数值被精确地报告为实际可行。在本发明的一些实施例中呈现的数值可能包含必然由其各自测试测量中发现的标准偏差导致的某些误差。
如本文说明书中以及随后的权利要求书中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则“一”，“一个”和“所述”的含义包括复数含义。另外，如本文描述中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则“在...中”的含义包括“在...中”和“在...上”。
除非与上下文规定矛盾，否则本文阐述的所有范围应被解释为包括它们的端点，且开放式范围应被解释为仅包括商业上可行的值。同样，除非与上下文中规定矛盾，否则所有值的列表都应被视为包含中间值。
这里对数值范围的描述仅仅意图用作分别参考落入该范围内的每个单独数值的速记方法。除非本文另有说明，否则具有一定范围的每个单独值结合在说明书中，就如同其在本文中单独列举一样。在此描述的所有方法可以任何合适的顺序执行，除非在此另有规定或与上下文明显矛盾。关于本文中的某些实施例所提供的任何和所有示例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不是对本发明所要求保护的范围进行限制。说明书中的任何语言都不应该被解释为表示对本发明的实践来说，为必不可少的任何非要求保护的要素。
本文公开的本发明的替代元件或实施例的分组不应被解释为限制。每个组(或子组)成员可被单独地或与该组(或子组)的其他成员或本文中发现的其他元件一起提及和要求保护。出于便利性和/或可专利性的原因，一个组(或子组)中的一个或多个成员可以被包括在组中或从其中删除。当发生任何这样的包含或删除时，说明书在本文中被认为包含被修改的组(或子组)，从而实现所附权利要求中使用的所有马库什组的说明书。
贯穿以下讨论，将对由计算设备形成的服务器、服务、接口、门户、平台、或其他***进行大量参考。应该理解的是，这些术语的使用被认为表示具有至少一个处理器的一个或多个计算设备，该处理器用于执行存储在计算器可读有形非暂时性的介质上的软件指令。例如，服务器可包括作为网络服务器，数据库服务器、或其他类型的计算器服务器运行的一个或多个计算器，以实现所描述的角色、职责、或功能。应该理解的是，本发明的主题允许透镜球体彼此非常接近地，几乎接触地设置，并且允许多个频段通过相同的透镜朝相同的地理区域聚焦而彼此互不干扰(非实质性干扰，例如，至少25dB的隔离度)。
以下讨论提供了本发明主题的许多示例性实施例。尽管每个实施例表示发明元件的单个组合，但是本发明主题被认为包括所公开元件的所有可能的组合。因此，如果一个实施例包括元件A、B、和C，并且第二实施例包括元件B和D，则即使没有明确披露，本发明主题也被认为包括A、B、C、或D的其他剩余组合。
在本文中，除非上下文另有指出，否则术语“耦合至”旨在包括直接耦合(其中彼此耦合的两个元件彼此接触)和间接耦合(其中至少一个附加元件位于这两个元件之间)。因此，术语“耦合至”和“耦合”同义使用。
尽管以下所有实施例都针对3波束天线***示出(在方位平面中形成三个波束，每个波束具有单独的倾斜且每个波束具有MIMO能力)，但是任何其他数量的波束都是有可能的。
图1A和图1B示出天线***100，其图示了基于两个球形透镜天线101、102的3波束4×4多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)12端口天线***的实施例，其中一个球形透镜天线位于另一个球形透镜天线垂直上方(沿着同一个垂直平面设置)。在本文中，“球形”透镜包括一透镜，该透镜沿三个垂直轴(例如x-y-z平面)在5％、2％、或者甚至1％的容差内具有基本相同的直径。预期可使用椭圆形透镜或者甚至圆柱形透镜来代替本公开的任意球形透镜，但球形透镜是优选的。多波束球形透镜天线101、102可用作更高阶(更大)MIMO***(例如，4×4、8×8、12×12、16×16、32×32等MIMO)的构造块，以在宽频段或超宽频段上提供紧凑的且高性能的MIMO。在其他实施例中，密集排列(例如图5A至图5D)图示了所有24个端口之间在50％以上(50％+)频段中的超过27dB(>27dB)的隔离，从而支持MIMO信道之间的低相关性。图1A示出了一斜视图，以及图1B示出天线***100的代表性示意图。
球形透镜天线101、102中的每个球形透镜天线具有球形透镜111和三个也被称为双极化天线的双极化辐射器112。可使用更多或更少的辐射器，例如一个辐射器、两个辐射器、四个辐射器等来提供不同的几何覆盖模式。为了紧凑性，球形透镜111可包括介电常数为1.7至2.5、1.5至2.0、或2.0至4.0的同质球体，并且具有从所使用的辐射器(例如双极化辐射器112)观察到辐射的2至2.5、1.5至2、或2至3个波长的直径。在一些实施例中，每个球形透镜111可包括具有从球体中心的不同介电常数辐射的异质球体。在一些实施例中，异质球体可具有从每个内层至外层不断增加的介电常数，并且在其他实施例中，异质球体可具有从中心至表面不断减少的介电常数。在一些应用中，使用多层透镜(Luneburg样式)，并且透镜的形状与完美的球形形状不同(例如，透镜可沿任何轴失圆10％或20％以呈现卵圆形形状、或者可以在两个维度上失圆以呈现鸡蛋形形状)。在一些实施例中，可使透镜在顶部和/或底部更平坦10％至20％和/或在中心加宽10％至20％，或可使其在顶部和/或底部更尖锐10％至20％和/或在中心宽度减少10％至20％。
在本文中，可聚焦EM波、或“与”辐射器形成波束、或形成波束“至”辐射器的球形透镜被确定尺寸和维度以完成两个任务。首先，球形透镜被确定尺寸和维度为将来自远源的EM波朝辐射器(亦即，天线组件用作从每个单独的辐射器/球形透镜的组合都可以看到的来自远源的波束的接收器)聚焦。其次，球形透镜被确定尺寸和维度以将由EM辐射器生成的EM波通过透镜朝远处的地理区目标(亦即，天线组件用作发射器，其形成来自每个辐射器/球形透镜的组合的波束)聚焦。辐射器112因此用作接收器(“Rx”)和/或作为发射器(“Tx”)，以及用作收发器(“TxRx”)常用来提供Tx和Rx两个功能。关于介电球形透镜和材料的更多信息可在U.S.patent 8518537B2，于2013年8月27授权的标题为“Spherical Dielectric Lens”中找到，其全部内容均结合于此作为参考。
双极化辐射器112优选地具有两个正交极化。优选地，双极化辐射器112具有轴对称辐射模式(即，仰角和方位波束宽度应当相同)。在一些实施例中，双极化辐射器112包括倾斜+/-45°的线性极化，但也可使用其他正交极化基，例如水平极化和垂直极化(H-V基)，或左旋圆极化和右旋圆极化(R-L基)。适用于球形透镜111的双极化辐射器112的示例在2016年11月3日授权的新加坡专利10201405345V中公开，其内容均结合于此以作为参考。可在天线***100中使用不同双极化辐射器的实施例，包括贴片型双极化辐射器、八木(Yagi)型双极化辐射器、波导型双极化辐射器、喇叭型双极化辐射器、螺旋式双极化辐射器、和螺旋型双极化辐射器。
双极化辐射器112还可包括其他部件(例如次级透镜、导向器、用于波束宽度稳定和/或用于端口到端口隔离和交叉极化改进的寄生元件等)。在一个实施例中，对于MIMO性能来说，双极化辐射器112的良好端口到端口隔离(一般>30dB)和交叉极化(一般<-18dB)是重要的。为了获得透镜天线101、102的对称模式，每个双极化辐射器112的中心或横截面区域都对准球形透镜111的中心。换句话说，对于圆形辐射器，辐射器的外周长与辐射器至球形透镜的中心的距离相同，对于带有角的多边形辐射器，辐射器的每个角与球形透镜中心的距离相同。在其他实施例中，为了获得不对称模式的覆盖区，双极化辐射器112可被指向或对准球形透镜111的中心(即中心点)的偏移处。这可在天线***100的制造或安装期间通过静态地调整左双极化辐射器112-1和112-2，和/或右双极化辐射器112-5和112-6以偏离中心，和/或在操作过程中经由可偏移的可调安装硬件(未示出)动态地调整来实现。通过偏移的极化辐射器112所产生的不对称模式在随后的图3C中示出。
在本实施例中，所有辐射器112工作在单个RF频段，因此对于给定RF频段(例如，高频段)形成单个组。两个左辐射器112-1和112-2被排列在子组157-1中，子组157-1设置在耦合至MIMO收发器159的天线***100的左侧。中心子组(为清晰起见，虚线未示出)的两个中心辐射器112-3和112-4之间存在类似的耦合，其耦合至另一个MIMO收发器(未示出)。最后，右两个辐射器112-5和112-6形成耦合至另一个MIMO收发器(未示出)的子组157-2。对于至少HB频段而言，每个相应子组内的辐射器大致设置在垂直平面中。例如，子组157-1的辐射器112-1和112-2设置在两个球形透镜101和102的垂直中心线左侧的垂直平面内。同样地，辐射器112-5和112-6被设置在由两个球形透镜101和102形成的垂直中心线的右侧的垂直平面中。在一些实施例中，利用位于给定垂直平面之外(即，在一个或多个平面中不对称)的辐射器位置的一些变化，可自定义波束成形。
在接收方式下，双极化辐射器将在介质(自由空间、球形透镜、次级透镜)中传播的电磁(electromagnetic，EM)波转换成在同轴电缆(或其他传输线)中传播的EM波。在发送方式下，双极化辐射器将在一根同轴电缆中传播的EM波转换成在极化度为+45度的介质中传播的EM波，且将在第二根同轴电缆中传播的EM波转换成在极化度为-45度的介质中传播的EM波。EM波不仅可通过极化来定义，还可通过振幅、频率、相位、以及在传输信号时通过改变(调制)这些特性来定义。
如前所述，天线***100的示意图在图1B中示出(后视图，为清楚起见，球形透镜被示出为透明的)。
如图1B所示，每个双极化辐射器112具有两个RF电缆121(优选柔性的，每个RF电缆121都与两个正交极化中的一个正交极化相关)，及天线连接器131，三个波束中的每个波束包括四个连接器，因此图1B总共示出十二个连接器131。每个波束的四个连接器连接至相关的4×4MIMO收发器159。如图1B所示出，第一波束P11、P12、P13、和P14的天线连接器131连接至第一波束MIMO收发器159。每个波束的MIMO处理能力通过结合极化分集(两个正交极化)和空间分集(天线101、102之间的2～2.5波长间隔)实现。
如图1A和1B所示出，双极化辐射器112在围绕球形透镜111的轨道141上移动，并通过使用控制机构151、152、153和机械联动装置161以提供所需的波束倾斜(例如，0至40度)。在不同的实施例中，轨道141可设置在大致垂直的平面中、或设置在斜面中。然而，双极化辐射器的实际路径与球形透镜111的表面保持近似恒定的间隙距离，从而形成二维或三维的弯曲弧路径，当从侧面、顶部、或前部观看时，后者即是一个倾斜路径。在一个实施例中，间隙距离被最小化以获得最佳传输。不同的实施例提供的间隙范围如下：2-10mm之间、2-50mm之间、以及50mm以上。轨道沿着球体的轮廓，无论球体是否大体上是球形的、或是略微不圆的、或是特别不圆的，或与完美的球体相比，在中心是椭圆形的或是短而肥胖的。因此，球体上不同位置处的不同轨道可具有不同的轮廓，以便与球形透镜的表面保持恒定的间隙。
垂直弧关于中心双极化辐射器112对称，但这不是必需的，且可能需要不对称(即非对称)的路径来补偿反射、衰落、和干扰，以便填充小区所需的几何覆盖区。控制机构151、152、153通常具有遥控电动马达。但是，对于某些应用，如果在工厂或现场手动预置波束的倾斜，则不需要马达。在天线***100中，透镜天线101、102共享相同的控制机构151、152、153。图1B示出从P11至P34(其中，第一索引是波束号，第二索引是MIMO收发器端口号)的所有12个天线连接器131。天线***100的三个波束中的每个波束可独立地倾斜，即，倾斜不同的角度。为提供最佳的MIMO性能，顶部和底部透镜天线101、102的波束在相同的方向上倾斜。然而，在某些应用中，如果需要的话，顶部和底部透镜天线101、102的波束可在不同的方向上倾斜。例如，该倾斜差异可以是垂直的、水平的、或倾斜的，在不同的实施例中，倾斜角范围为1至5度、1至10度、5至20度、以及超过20度，以补偿干扰、反射、衰落、互耦/相互模式失真等。虽然图1A和1B示出了本实施例的三个HB波束(由左侧子组157-1、右侧子组157-2、和中心子组的三个子组中的每个子组中的辐射器形成)，但是其它实施例可使用单个HB波束或更多的波束，例如20至30个或更多个波束，以在例如拥挤的体育场事件的小地理区中进行高密度的通信。类似地，虽然稍后的图示出了单个低频段(LB)波束，但是本公开适用于具有多个LB波束的天线。因此，一般地，LB与MB之间和/或MB与HB之间的频率比通常为1：2或1：3，而在其他实施例中LB与MB之间或LB与HB之间的比率可为1：4或更高比例，例如1：10或更高。在不同实施例中，LB与MB之间的比率可以和MB与HB之间的比率相同或不同。因此，给定小区的容量整形是通过缩放给定RF频段的多个子组的有效数量来完成的。一个实施例中，通过静态或动态地改变辐射器的给定的RF频段的活动子组的给定数量来实现这一点，每个辐射器具有给定波束宽度以一起覆盖该小区。对于小区要求或控制的数据容量，可以增加或减少活动子组的数量。例如，对于低业务量次数和/或地理位置，如果对一些子组通过关闭或者减少待机功率来减少活动子组的数量，则剩余的活动子组可以改变波束倾斜，以增加波束宽度至波束仍然覆盖小区，但功耗降低。
为了说明单个天线***100的性能，在图2系列中示出了实验数据。从图2A的极坐标图可以看出，三个波束中的每个波束都指向-40°、0°、+40°方位角方向以覆盖所需的120°扇区。对于任何波束倾斜的组合，图1A、1B的所有天线连接器131(总共12个)之间的隔离在1.7至2.7GHz的宽频段中被测得大于27dB(>27dB)，从而提供MIMO处理所需的所有天线连接器131(即端口P11至P34)之间的低相关性。在图2A中示出了在方位角测量的1.7至2.7GHz的共极化天线模式201、202、203。这些天线模式在0-40°非常宽的倾斜范围内具有稳定的波束宽度(在-3dB级别下为23±2°)、波束位置、以及低级别的方位角旁瓣(一般<-20dB)，以覆盖120°的扇区。低的方位角旁瓣、稳定的波束宽度、以及波束之间的低重迭(<10％)有益于减少一个或多个小区(小区间，例如311a、311b、311c等)扇区(小区内，例如312、313)之间的干扰，这对于LTE具有重要意义。在所有12个天线连接器131处且所有的波束的倾斜例如为0-40°时以1.7-2.7GHz测量的增益为18±1dBi，这对于该紧凑尺寸(天线***100的总高度为0.7m)而言，是很好的度量。因此，本实施例即使在高的波束倾斜的情况下，在天线组件100中的所有天线连接器处也实现了大致相同的增益。图2B示出了共极化仰角波束204(倾斜35°)，也具有低旁瓣级别(一般<-20dB)。低的上仰角旁瓣级别对于减少相邻站点之间的干扰具有重要意义。低交叉极化205级别(<-18dB)有利于极化分集，即MIMO性能。在另一个实施例中，1.4至2.7GHz的扩展频率范围也表现出正模式及端口至端口的隔离结果。来自三个HB双极化辐射器112(如果从透镜的背面看，在图1B的每个透镜天线111的左侧)中的一个HB双极化辐射器112的分量HB波束组合，以在图2A中的曲线右侧形成共极化(合成信号)天线模式203，其包括至少部分地且大体上彼此重迭的波束203-A至203-D。也就是说，四个波束203-A至203-D是由从四个端口P11、P12、P13、和P14分别发送至透镜101和102中的每个透镜上的两个极化辐射器112-1和112-2中的每个极化辐射器的的数据的四个信道形成。类似地，来自图2A的每个透镜天线111的中心上的HB双极化辐射器112的分量HB波束组合，以在图2B中的曲线图的中心上形成共极化(合成信号)天线模式204。最后，来自图2A的每个透镜天线111的右侧的HB双极化辐射器112的分量HB波束组合，以在图2B的曲线图的左侧形成共极化(合成信号)天线模式201。类似地，如下图3A-3C、图8、图12C、图16B、和图17B所示出，来自MB和LB的分量波束组合以形成一定数量的波束和形状的共极化(合成信号)。
图2B还示意性地示出球形透镜天线101的波束倾斜位置。如图2B所示出，波束倾斜角221等于指向球形透镜111中心的双极化辐射器112的旋转角222。在巴特勒(Butler)矩阵技术中，由于天线是平坦的，因此高波束倾斜会减少天线性能(例如，具有大的上旁瓣、增益损失、和主波束失真)，且倾斜范围受到限制。在本实施例中，因为透镜是球形的且波束的形状不随倾斜而改变，因此波束倾斜40°的特性与波束未倾斜的特性大致相同。在本实施例中，波束204具有轴对称的辐射模式，类似于理想的雨滴形状，其对于沿轴线207的任一横截面都是对称的。
图3示出了天线***100(配置在HB 3波束实施例中)的一个实施例所产生的小区规划和扇区化。尽管本公开可使用许多其他配置，但是六边形小区311是蜂窝通信中最常见的。天线***100的三个3波束天线需要覆盖360°。图3A是三个六边形小区的图示，对于三个六边形小区，当所有九个波束(包括中心波束312和外侧波束313)具有相同的向下倾斜时，三个六边形小区提供由三个天线所产生的360°覆盖。因此，所有九个波束都是彼此近似相同的波束形状，亦即关于每个波束自身的中心线对称。对于给定的六边形小区，外侧波束313关于中心波束312的中心线对称；即左外侧波束和右外侧波束关于给定六边形小区的中心波束的中心线对称。为了创建这种完全对称的模式，HB辐射器通常关于球形透镜在同一方位平面(未在图中示出)内对齐，例如，对于每个各自的透镜天线101、102，中心辐射器112会与左辐射器112和右辐射器112处于相同的垂直高度。当特殊事件和热点需要均匀覆盖时，该实施例是好的，但是在多小区环境中，如能够从图3A所看到的，一些波束313与邻近小区重迭，延伸越过六边形小区311的边界，这在某些情况下能够创建干扰。在一个实施例中，图3A的左外侧波束、中心波束、和右外侧波束一起覆盖至少80％或更多的公共几何覆盖区、即六边形小区。
现参考图3B，其示出了提供360°覆盖的三个六边形小区的图示，其中每个六边形小区覆盖来自3波束天线***，每个波束具有4×4MIMO，有些波束具有不同的倾斜以减少与其他小区的干扰。对于LTE网络来说，减少小区之间的干扰尤为重要。如图3B所示出的，为了更好的小区覆盖和邻近扇区/小区之间的较少的干扰，每3波束天线的外侧波束314可比中心波束312倾斜更多，以将所有波束放置在小区边界311内。如图1B所示出的，在一个实施例中，两个外侧波束314均由具有相同向下倾斜的辐射器所形成，其倾斜大于用于中心波束的辐射器的倾斜。例如，如果中心波束312具有20°的波束倾斜，则为了小区覆盖优化，外侧波束313需要设置大约30°的波束倾斜。图1B所示出的双极化辐射器112抵靠球形透镜111的位置，对于本图中的小区覆盖302是必需的。在一个实施例中，图3B的左外侧波束、中心波束、和右外侧波束一起覆盖80％或更多的公共几何覆盖区(即六边形小区)。在图3B中，六边形小区的三个波束彼此不同，尺寸不同，其中左外侧波束和右外侧波束具有大致相同的尺寸，且关于中心波束的中心线以及关于自身波束的中心线对称，但是具有与中心波束不同的尺寸。随后的实施例将示出左外侧波束和右外侧波束具有不对称的波束形状(相对于波束自身的中心线，如图3C和图12C所示出)。因此，图3B示出了对称但不同大小波束的覆盖区；也就是说，左外侧波束和右外侧波束关于彼此是对称的。对于示出的三个六边形小区，存在九个从小区到小区对称的波束(中心波束的尺寸和形状彼此一致，右外侧波束的尺寸和形状一致，且左外侧波束的尺寸和形状一致)。
取决于应用，图3A和3B的实施例的不同组合可用于不同的六边形小区，以形成不同六边形小区的混合不对称的传输组合。例如，在一个六边形小区中需要更多的功率，而不太关注投射至六边形小区的边界之外的波束的干扰，则可以将如图3A所示出的模式用于给定的六边形小区，而所示出的三个小区排列中的另外两个六边形小区可以利用图3B所示出的模式。在另一个实施例中，图1B中的多个双极化辐射器112中的每个双极化辐射器112可独立地倾斜，以提供地理或干扰条件所需的唯一的小区覆盖。在之后的实施例中，每3波束天线的外侧波束314可相对中心波束312彼此独立地倾斜，导致波束形状在尺寸、形状、和对称性上与其自身(例如，关于其自身轴)以及小区中的每个其他波束不一致。也就是说，每个外侧双极化辐射器112位于彼此不同的方位平面中，给定球形透镜的所有三个辐射器相对于彼此处于不同的方位角位置，以便创建彼此具有不同形状的波束312、313、和314(例如，图3B中的左侧波束314的倾斜使其小于右侧波束314的倾斜)。受益于这种波束整形，其他等需要特别的波束独立整形的应用可包括自然地形变化(山丘、山谷等)、人造障碍物(建筑物、其他RF源、反射、深瑞利衰落等)，人造应用(体育场馆、摩天大楼等)。分离的和独立的控制机构151、152、153和机械联动装置161使图1B的双极化辐射器112(左、中、右)中的每个双极化辐射器112能够沿轨道141移动，从而使两个或更多个双极化辐射器112(允许任何组合)倾斜角得以匹配或不匹配。
现参考图3C，其示出了可提供360°覆盖的三个六边形小区的图示，每个六边形小区覆盖由3波束天线***所提供，每个波束具有4×4MIMO，且不对称的波束用于外侧波束，以减少与其他小区的干扰。该实施例中，外侧波束315、316使用不对称模式(在方位平面中)及中心波束312使用对称模式(在方位平面中)，这允许利用天线***100的3波束实施例、波束之间的更小间隙(为了更好地覆盖所分配的小区)以及与相邻小区较少的重迭(为了更少的干扰)以进一步改善小区覆盖。在一个实施例中，如图3C所示出，两个外侧不对称的波束315、316关于每个中心波束312的中心线(即小区的中心线)彼此互为镜像或彼此对称。然而，不对称的波束315和316关于其自身的波束中心线是不对称的。不对称的波束315、316可通过指向偏移球形透镜111的中心点(在方位平面中)的双极化辐射器112来实现，即，通过透镜111的中心以外的方式将辐射器112对齐给定的球形透镜。在另一个实施例中，不对称的波束315、316可使用与中心波束相比外侧波束的不同倾斜(如上所述)及相对该球形透镜的中心偏移的双极化辐射器的组合来实现。下面讨论创建不对称的波束的其他方法。
与其他尝试的解决方案相比，天线***100的3波束实施例(与现有最佳的基站天线相比，其倾斜范围扩大了2倍)可实现更好的小区覆盖优化。实际上，对于其他尝试解决方案(基于巴特勒矩阵)的天线，由于内部耦合较大，每个波束的独立波束倾斜是不可实现的。因此，图3B和3C中所示出的有效的小区规划在其他尝试的解决方案是不可能实现的。与其他尝试的解决方案相比，天线***100允许每个波束真正独立的倾斜，且可以实现波束之间的高倾斜差异(高达40°)，这有利于小区覆盖优化和小区规划的灵活性。即使其他尝试的解决方案使用分别为-40°、0°、+40°三个方向的现有面板天线，也很难实现图3B和3C所示的小区规划，这是因为与天线***100相比，最佳传统天线的倾斜范围要小2-4倍。另外，通过替换三个分离的4×4MIMO天线，天线***100的尺寸大约是其他尝试解决方案的三分之一，且每个天线指向360°覆盖的三分之一个方向。
在一个实施例中，图4示意性地示出3波束球形透镜天线400。3波束球形透镜天线400类似于图1B的天线***100中的球形透镜天线101、102，但3波束球形透镜天线400具有其自己的控制机构410、411、412，且不与天线***100所示的其他透镜天线共享。当两个外侧波束具有比中心波束更多的倾斜时，辐射器112的位置被示出，这有利于如上所述的小区覆盖。单个3波束球形透镜天线400可用作独立的2×2MIMO天线、或者用作更复杂的天线***的构造块，特别是用于更高阶的MIMO实施例。在其他实施例中，3波束球形透镜天线400可彼此非常靠近或接近放置。部分或全部透镜可彼此接触，或者在一个实施例中彼此可在零至大约0.25的LB或者HB波长的间隙内，或者在另一个实施例中彼此的间隙可以大于0.25个波长，或者当从侧面看时在彼此的前方可略微重迭，重迭范围为较大的球形透镜直径的0-25％，且仍然具有良好的辐射模式以及在所有端口之间仍然具有良好的端口到端口的隔离(>25dB)。透镜之间的间隙可为不同频段的偶极天线元件的放置或辐射器的轨道提供空间。在相同的实施例中，透镜的近距离的空间位置降低了旁瓣级别。
图5A-5D示出了基于用作构造块(为简单起见，未在图5A-5D中示出控制机构)的3波束球形透镜天线400的8×8MIMO天线***(每个天线***具有24个天线连接器131)的几个实施例。图5A中所示出的垂直排列500是用于塔式安装的基站天线的传统实施例(所有球形透镜都设置在同一垂直平面上的同一垂直中心线510上)。然而，如图5B所示出的，当天线安装在屋顶边缘上时，有时水平配置501(球形透镜沿同一水平面中的一条线设置)可以是更合适的实施例。另一个实施例也可以通过分区要求来定义(例如，将天线放置在正方形窗口中，使得四个球形透镜天线以正方形配置502设置在同一平面内，如图5C所示出，或者可选地以矩形配置设置在同一平面内)，或者由取决于多径信号传播条件的最佳MIMO性能定义。也可以使用诸如对称或不对称的菱形排列503(图5D的同一平面中示出对称的菱形排列)的其他实施例。对于8×8MIMO天线***，3波束球形透镜天线400可任意排列，因为所有端口(总共24个端口)之间的隔离性很好(>25dB)，即使“构造块”协同定位紧密，也可以实现很大的现场部署的灵活性。因此，3波束球形透镜天线400的任意排列可以是不对称的多边形形状、非线性等，以根据小区或波束形状等的特殊需求为给定目标区定制波束成形。这些不同几何形状的组合可产生如图6A所示出的三角形实施例、曲线阵列等。需要注意的是，6×6MIMO天线***实施例(未示出)是通过将三个3波束球形透镜天线400中的一个3波束球形透镜天线400从所示出的一种排列(例如图5A和5B)中丢弃而创建的。图5B、图5C、和图5D均可以通过多个RF频段来实现，也可以通过将以下描述的多频段透镜天线适应性地配置到当前独特的几何形状中来实现。
图6至图16示出了几种基于球形天线技术的双频段(HB+LB)实施例。
现参考图6A，根据一个或多个实施例，其示出了用于4×4HB MIMO和2×2LB MIMO的3波束天线***600。天线连接器的总数为18(图6A中未示出)，包括6个LB连接器和12个HB连接器。为紧凑性，在本实施例中，LB透镜天线601和HB透镜天线602、603彼此靠近放置(在不同的实施例中，从前视图或后视图看可以是接触的或甚至稍微重迭)。从侧视图(未示出)看，HB透镜天线602、603被偏移，或者位于一个实施例中的具有向下的波束倾斜的LB透镜天线601后面，以避免HB透镜天线602、603处于来自LB天线波束的路径中。在该实施例中，HB透镜天线和LB透镜天线的透镜的中心点不需要在相同的垂直平面中，而是可以在成角度的平面中。对于所示出的实施例，在向上的波束倾斜的情况下(从天线***投射至高架体育场/讲坛区段)，HB透镜天线602、603可在LB透镜天线601的前方，亦即，在波束指向的方向上交替地偏移，同样是为了避免LB透镜天线601阻碍来自HB透镜天线602、603特别是对于高波束倾斜的波束传输。HB透镜天线602、603位于一个轴上(在本实施例中是水平的，而在另一个实施例中不是水平轴)。为了进一步压缩天线***，可以改变一个或多个球形透镜的球形形状，以形成更紧凑和更小的组件，例如，一个或多个透镜的顶部或底部可以变平，或者透镜可以具有保形袋例如透镜601具有较小的球形透镜602和/或603可装配在其中的球形袋。透镜组件的这种压缩也保留了个体优点以及良好的辐射模式且在所有端口之间具有良好的端口到端口隔离(>25dB)的性能。在本实施例中，LB透镜天线601和HB透镜天线602、603用于具有近似相同的波束宽度，以提供相同的覆盖。在本实施例中，LB透镜天线601和HB透镜天线602和603中的球形透镜排列成三角形配置(球体的中心)。与图3所示出的不同场景，3波束天线***600可用于六边形小区覆盖。在不同的实施例中，两个HB透镜天线602和603设置在直线上，而LB透镜天线601设置在靠近、邻近、接触、或重迭的位置。
对于两个HB透镜天线602和603中的每个HB透镜天线，来自辐射器112-A、112-B、和112-C的波束投影分别形成相应的三角形波束604-A、604-B、604-C协同定位的每个协同定位。如虚线所示出的，从透镜天线602和603的辐射器112-A(即，HB辐射器的子组621)的给定位置投射的波束重迭在给定的目标604-A上。类似地，对于单个LB透镜天线601，LB辐射器619-A、619-B、和619-C的波束投影也分别形成相应的三角形波束(604-A、604-B、和604-C)的协同定位。复制的3波束天线***600-B(为清楚起见以缩小比例示出)，具有倒置排列的LB透镜天线601和HB透镜天线602和603，以提供下一个倒置的三角形波束协同定位605等，从而形成二维矩阵天线。在其他实施例中，对于沿轴623对齐的隔行的天线组件600-A、600-B的模式，该模式等在一个或多个维度上重复，每个天线组件具有HB透镜天线和LB透镜天线，以创建所需覆盖区的波束，例如具有目标轴625的模式606。
在一个实施例中，具有三角形波束协同定位(分组)的3波束天线***600-A是体育场或讲坛覆盖的有效解决方案。图6B示出了具有多个3波束实施例的3波束天线***600的体育场覆盖范例。在该实施例中，如图6B所示出，具有三角形波束协同定位604(以线性模式示出)的三波束天线***600的中心波束相比于外侧波束具有较大的波束倾斜，而具有三角形波束协同定位605的天线的中心波束的倾斜小于外侧波束。总之，如图6B示意性示出，不同的三角形波束协同定位604和605为体育场讲坛模式606提供连续的覆盖。在本实施例中，体育场讲坛覆盖示出为平行四边形。此外，如当竞技场或体育场的上层和下层中有很多用户在使用移动设备时，该模式表示覆盖区，例如三个圆形的几何覆盖区，其投射在至少部分地位于第三维的垂直轴的表面上。这与用户和移动设备受限于二维平面地面位置相反。另一个实施例可以侧向旋转平行四边形模式606，实现垂直分布覆盖，例如用于人口稠密的摩天大楼。
具有不同三角形波束协同定位604和605的天线的数量大致相同，如图6B所示出(相同的数量是指两个三角形波束协同定位604和两个三角形波束协同定位605)。对于最佳的覆盖实施例(在波束之间具有最小间隙)，使用以下条件：a)-10dB波束宽度是60°；b)LB透镜天线601和HB透镜天线602、603中的每个透镜天线中的双极化辐射器的中心位于等边三角形617中；c)波束的方位角位置是-30°、0°、+30°；d)中心波束和外侧波束之间的波束倾斜差异是52°，如下图所示。其他尝试解决方案无法实现此种较大的倾斜角差异。换言之，对于体育场讲坛模式606覆盖，形成三角形布局618的天线有一半具有顶点朝下的波束三角形，而形成三角形布局619的天线的另一半具有顶点朝上的波束三角形，其交错在一起形成平行四边形区域覆盖606。与天线602和603相比，天线601中不同尺寸的透镜允许更紧凑硬件的排列和更高密度的天线***。
在另一个实施例中，如图6C所示，可以覆盖各种形状，例如梯形形状或楔石形状(梯形形状)607。因此，可通过波束协同定位来形成模式，以便满足三维弯曲或线性竞技场、体育场、或看台座位排列中给定的座位布局。在梯形形状607中，使用了具有两个三角形波束协同定位604和仅一个三角形波束协同定位605的不同数量的天线模式。这些不同的所需模式取决于与体育场地板、下碗和/或上碗的所需覆盖部分相关的3波束天线***的角度和位置。利用本***，辐射器可根据不同的时间、不同的条件、以及不同的所需形状的波束模式选择性地供电。
现参考图6D，其示出了根据一个实施例的用于提供体育场讲坛覆盖的图6A的三个双极化辐射器112的波束中心和-10dB波束轮廓622的曲线图。波束605-A、605-B、及605-C对应于图6B和图6C中的三角形波束协同定位605。纵坐标620是以度数表示的仰角，而横坐标624是以度数表示的方位角。三角形619是等边的，以便允许该三波束模式的复制品被倒置和横向偏移，从而为体育场或其它特定应用提供连续的覆盖带，其覆盖如图6B和图6C所示。这种排列是提供天线***(波束之间的间隙最小)的体育场应用的有效覆盖的一个实施例。
在一个实施例中，图7A示出了双频段天线***700，其中三个HB波束中的每个HB波束具有8×8HB MIMO以及一个LB波束具有2×2LB MIMO。LB元件701是交叉偶极天线，是固定的(不可移动的)，且在本实施例中位于HB球形透镜天线702(702类似于400)之间。然而，在另一个实施例中，LB元件701是半波交叉偶极天线。因为LB元件701都在LB中传输，所以LB元件701在辐射器超集之外的子组710中被组合在一起。各个LB元件被在不同的实施例中示出：i)偏移邻近透镜111的LB元件701-A；ii)与邻近透镜物理接触的LB元件701-B；以及iii)***邻近透镜的LB元件。***700中的LB元件701-A可全部对称地嵌入相同的量至透镜111中，或者可以单独地配置成上述三个间隙/接触/***实施例的任何不对称组合。LB元件的放置的这些不同实施例提供了一个或多个益处：i)压缩组件700；ii)在地理区上创建所得到的波束/多波束的所需的形状模式；以及iii)将来自不同频段的其他辐射器的干扰降至最低。LB波束倾斜由LB移相器703提供，LB移相器703为来自多个辐射器的子组710的结合的LB波束提供波束倾斜。LB移相器703通过RF电缆704连接至子组710中的所有LB元件701。弧形移相器(例如参见U.S.patent 7907096的标题为“Phase Shifter and AntennaIncluding Phase Shifter”)或线性移相器(例如参见U.S.patent 7026889的标题为“Adjustable Antenna Feed Network with Integrated Phase Shifter”)可用作LB移相器703。一个实施例中是使用机械移相器，其中最常见的是线性(具有介电体的线性移动，例如U.S.patent6906666,U.S.patent 7196674)和旋转(例如U.S.patent 6850130andU.S.patent7463190)移相器。LB移相器703由控制机构705(其可具有带有电子控制电路的马达)通过机械联动装置709控制。天线***700总共具有26个天线连接器，包括24个HB和2个LB连接器(为简单起见，图7A中仅示出了2个LB连接器708)。LB波束倾斜与HB波束倾斜无关。
配置为不可移动的LB交叉偶极天线的LB元件701可以机械地预先向下倾斜，以获得更好的倾斜范围。配置为交叉偶极天线的LB元件701通常以垂直阵列放置在球形透镜之间，但位于球形透镜的垂直中心线稍后方，以使得两个球形透镜的至少一部分聚焦来自该LB元件701的波束。在本文中，不可移动的或固定的元件是使用粘合剂或固定的机械连接器(即，钉子或螺钉)固定在适当位置且在没有工具的情况下不能移动的元件。换句话说，固定元件不安装在轨道或铰链上。移相器703耦合至2×2MIMO收发器712。另外，在天线阵列702的中心线左侧的HB元件112被分组在子组714中，这是因为它们全部属于HB频段。
图7B从后面示出另一个双天线实施例，LB偶极天线701的末端706-A部分地穿透至球形透镜707。对于图7A(后视图)和图7B所示的两种情况，透镜702和707使LB波束在方位平面上变窄约1.4倍(至50-60°，相较于没有透镜的偶极天线的约75°)，这有利于扇区覆盖且减少与其他扇区的RF干扰。HB方位角和仰角模式(为清楚起见，图7B-7C中未示出HB)类似于图2A-2B中示出的HB方位角和仰角模式。为提供具有三个HB波束的类似的小区覆盖，在一个实施例中，可以选择LB仰角波束宽度接近HB波束宽度(通过选择LB移相器703中的LB振幅锥度和LB元件701的数量)。图7C是图7B的略微倾斜的侧视图，以示出至少部分地穿透至透镜中。两个偶极天线706-A的两端在图7B和图7C中都是虚线，以示出偶极天线706-A的至少一部分设置在透镜707内部。在不同的实施例中，为波束整形，偶极天线706-A的不同数量的末端部被对称地或不对称地设置在透镜707内部。
现参考图7D和图7E，其分别示出了根据实施例的图7A的一部分天线***的后视图和侧视图，其中LB交叉偶极天线706-B的末端被弯折以与球形透镜707的四周一致(而不是穿透至透镜707中)。也就是说，LB元件706-B被配置为与球形透镜的形状一致的偶极天线，即，臂围绕透镜的外表面弯折，从而避免与球形透镜707的机械干扰且适合球形透镜707的形状，同时在球形透镜707之间提供紧凑的间隔。但是偶极天线706-B的这种应用不像HB辐射器的应用那样对齐以通过球形透镜的中心辐射，偶极天线与球形透镜的接近度，足以受益于波束的透镜成形，例如，将来自共形偶极天线的波束从90度的基线成形为方位角波束宽度中的60度的透镜应用。因此，与透镜共形的偶极天线提供与对齐至专用球形透镜的偶极天线(例如，HB偶极天线)相同性能的约50-70％。在本实施例中，来自共形偶极天线的波束的垂直压缩由移相器提供。
图8示出了三个天线***700(每个六边形小区中的一个)的六边形小区覆盖800，其中三个HB波束801(801-A、801-B、801-C)和一个LB波束802覆盖相同的六边形小区311。图8所示的覆盖是对三个小区311提供360°的覆盖。这是通过使用安装在同一塔上的图7的三个天线***来实现的，如图所示，小区311之间的波束具有低的重迭干扰。在本实施例中，每个HB波束(801-A、801-B、或801-C)具有彼此相似的模式。但是HB波束801-A、801-B、和801-C中的至少一个与LB波束802不同并且至少部分地重迭。所有HB波束801被示出为具有相同的倾斜，而LB波束802的倾斜被调整以覆盖小区311。即使HB波束801中的至少一个HB波束和LB波束802之间存在至少一些重迭，HB波束801也具有与LB波束802不同的模式。HB波束801和LB波束802大体上在六边形小区311内彼此重迭，以在六边形小区311中提供两个频段的有效通信。与LB波束802的数量(在本实施例中是一个)相比，可使用更多数量的HB波束801(在该实施例中多于三个)来为六边形小区311提供覆盖。在其他实施例中可使用不同数量的HB波束801和LB波束802。
图9A示出了具有类似于800的小区覆盖的双频段透镜天线900，其具有两个HB双极化辐射器901和一个(中心)双频段双极化辐射器组件902，所有这些都位于轨道903上且可通过围绕球形透镜905的控制机构904来移动。双频段透镜天线900类似于3波束球形透镜天线400，不同之处在于中心双频段双极化辐射器组件902。一个实施例中，HB是在1.4-3.8GHz内，而LB是在500-1000MHz内。
在图9B至图9E中，示出了双频段双极化辐射器902的一个实施例。它包括四个主要部件：HB元件911，次级透镜912，LB元件913、及可移动的公共反射器914。LB辐射器主要包括LB元件913，支撑设备耦合至LB元件913。HB元件911和LB元件913同轴地位于可移动的公共反射器914上，该公共反射器914在一个实施例中大致呈圆形。如图9B和图9C所示，HB元件911和/或次级透镜912彼此接近设置，且具体地被“嵌套”至，同心配置、“装入”LB元件913。LB元件913是盒状偶极天线，其包括4个LB偶极天线，如图9B示出的，在一个实施例中，LB元件913弯折以在HB元件911周围提供大致呈圆形的分段排列或形状。LB元件913的替代实施例包括成形的元件以形成正方形模式，从而取代大致呈圆形的形状。图9E中示出次级透镜的剖面线9E-9E(且类似地在图9D中也示出，但在图9D中没有示出次级透镜)。
次级透镜912由在一个实施例中介电常数为1.5-2.7、在其他实施例中介电常数为1.1至2.2或为1.9至3.0的介电材料制成，且次级透镜912具有3个主要功能：a)用于HB的双频段透镜天线900的波束宽度稳定；b)减小HB元件911和LB元件913之间的互耦/相互模式失真；c)所有天线端口之间的端口到端口的隔离的改进(这有利于MIMO处理)。图9C示出了次级透镜的“咖啡杯”形状(截头圆锥体)的实施例，而图9E示出了圆柱形形状的实施例，但是在其他实施例中也可以使用其他形状，例如球形或金字塔形。HB元件911加上次级透镜912具有：a)轴对称模式，即仰角和方位角波束宽度应该相同；以及b)波束宽度对频率的显著线性频率依赖性。例如，3dB波束宽度从1.7GHz的65°变化至2.7GHz的45°。而且，如图9D和9E示意性地图示，次级透镜912通过减少消散波916有助于减少HB电磁波915(由HB元件911辐射)与近邻的LB元件913的干扰。图9D和9E中的箭头示出电磁波915和消散波916的传播方向。在没有次级透镜912的情况下，辐射波915的重要部分在不想要的方向上被重新辐射/耗散(如图9D中示出的波916)。次级透镜912将HB电磁波915集中在其内部(见图9E)，所以LB元件913不明显地干扰HB元件的辐射模式，且所得到的天线900的HB辐射模式与没有LB元件913的情况大致相同，即接近图2A-图2B的模式。通过次级透镜912的直径，有助于使LB元件913更紧凑。从图9A可以看出，需要LB元件913的紧凑性，以避免可移动的双频段元件902与另外两个可移动的元件901的机械干扰。图9F是根据一个实施例的具有次级透镜的双频段双极化辐射元件的等距视图。
LB元件913最初是(没有球形透镜905)具有约70°的半功率波束宽度的轴对称辐射模式。通过球形透镜905，LB半功率波束宽度为40-45°，如在0.69-0.96GHz频段中测量的那样。双频段透镜天线900的小区覆盖与图8所示的小区覆盖相似。
图10A、图10B示出了具有类似于800的小区覆盖的双频段透镜天线1000的实施例。该双频段透镜天线1000具有一个(中心)HB/LB元件组件1001和两个HB双极化辐射器1002。该HB/LB元件组件1001包括HB辐射器，HB辐射器主要是具有次级透镜1005的HB元件1004，以及包括近邻的(邻近、近邻、接触、或在次级透镜1005的几个主体宽度内)LB辐射器，在本实施例中LB辐射器主要是交叉偶极天线的LB元件1003，所有这些都位于公共反射器1006上，在一个实施例中，该公共反射器1006是可移动的。在一个实施例中，HB/LB元件组件1001和两个HB双极化辐射器1002位于轨道1007上，且可通过控制机构1009围绕球形透镜1008独立地移动。例如，在U.S.patents 6747606,705385中公开了具有轴对称辐射模式的交叉偶极天线的示例(在方位角和仰角平面中具有相同的波束宽度)。为减小配置为交叉偶极天线的LB元件1003的高度和覆盖区，如图10B所示，可使用介电填充物1010(介电常数Dk＝1.7-4)。最初被配置为交叉偶极天线的LB元件1003(没有球形透镜)具有约90°的半功率波束宽度的轴对称辐射模式。但是在具有球形透镜的情况下，半功率波束宽度被转换为约50-60°，如在0.69-0.96GHz频段中所测量的那样，其为六边形小区提供了良好的覆盖，类似于图8中所示的一个LB波束802。HB方位角和仰角模式与图2中所示的模式非常相似。次级透镜1005将HBRF场集中在其内部(类似于图9E所示)，这有助于减少对近邻LB元件的干扰，即HB辐射模式与没有LB元件的情况大致相同。
从图9A和图10A中可以看出，可移动的公共反射器914、1006应当足够小以避免分别与两个可移动的HB双极化辐射器901、1002产生机械干扰。在一个实施例中，公共反射器914、1006的区域可能不足以提供LB辐射模式所需的前后比(front-to-back ratio)，且可在后面放置附加的不可移动反射器1011(例如，如图10B所示出的半球形形状)，其足够大以提供LB辐射模式所需的前后比。
在另一个实施例中，被配置为交叉偶极天线的LB元件1003和HB元件1004可被放置在类似于1006的单独的反射器上。在这种情况下，可使用附加的控制机构用于配置为交叉偶极天线的LB元件1003围绕球形透镜1008的独立旋转。
双频段双极化元件的另一个实施例可以针对HB元件和LB元件的协同定位，而使用不同的可能解决方案，其中，HB元件被放置在LB元件的顶部。在这种情况下，LB元件对HB元件起到反射器的作用。
如图11A-11B所示，双频段透镜天线900、1000可用作独立的天线(例如，用于每个LB和HB辐射器的2×2MIMO)，或用作更复杂天线***的构造块。在这些图中，提出了两个双频段天线的例子，它们都具有三个HB波束和一个具有相似的仰角波束宽度的LB波束。小区覆盖类似于图8所示出的。
图11A中所示出的天线***1100具有两个双频段透镜天线1000。如上所述，HB功能与图1A和1B中所示出的天线100相同(未示出，具有4×4MIMO的HB 3波束，每个波束总共使用12个连接器来连接三个HB 4×4MIMO收发器，在一个实施例中，三个波束子组中的每个波束子组具有一个HB 4×4MIMO收发器)。对于LB操作，经由RF电缆1101，来自顶部LB元件1003和底部LB元件1003的子组1104中的+45°和-45°极化信号在LB移相器1102中被结合/相移，以允许LB波束独立于HB波束而被倾斜。LB仰角波束与HB仰角波束具有大致相同的仰角波束宽度。在本实施例中，天线***1100的所有四个波束(三个HB波束和一个LB波束)可独立地倾斜。天线***1100具有12个HB端口(未示出)及2个LB端口1103，一个用于+45°极化信号、另一个用于-45°极化信号。
图11B示出的天线***1105具有24个HB端口(未示出)和四个LB端口1106，且包括两个彼此并排放置的天线***1100(如图11A所示)。天线***1105被配置以为三个HB波束子组中的每个HB波束子组提供8×8MIMO，及为一个LB波束组提供4×4MIMO(通过连接四个LB端口1106至LB 4×4MIMO收发器1108)。在LB和HB频段内，所有28个端口之间的隔离大于25dB。小区覆盖类似于图8所示。
在上面公开的所有3波束MIMO实施例中，HB仰角波束由一个球形透镜定义，且对于方位角和仰角具有稳定的23±2°半功率波束宽度(参见图2B，1.7-2.7GHz的宽频段下宽的倾斜角范围为0-40°)。某些应用(例如，宏小区)需要变窄的HB仰角波束和LB仰角波束。在该实施例中，使用不同的透镜天线(参见图12A)，且这些透镜天线被配置成垂直阵列(参见图13至图14)。或者，对于图11A的天线***1100或图11B的天线***1105，可在另一个实施例中使用不同的天线组件900代替天线组件1000。
图12A中示出的双频段透镜天线1200类似于双频段透镜天线1000，但是在双频段透镜天线1200中，HB元件组件1201、1202对于两个外侧HB波束的每个HB波束使用一对HB元件，双频段元件组件1203对于中心波束使用与LB元件1205协同定位的一对HB元件1204。HB元件1205类似于图11A中的LB元件1003。HB元件组件1201、1202和双频段元件组件1203位于轨道1206上，且可通过本实施例中的围绕球形透镜1207的控制机构(未示出)独立地移动。
在一个实施例中，图12B详细地示出HB元件组件1201、1202、和HB1204(中心波束的一部分，图12A的双频段元件组件1203)。每个HB元件组件1201、1202和1204具有两个(即，一对)空间分离的HB交叉偶极天线1208(即，偶极对)，这两个空间分离的HB交叉偶极天线1208具有放置在反射器1209的平面中的交叉点、且通过两个耦合至端口1211、1212的HB功率分配器1210(各极化一个)连接。HB功率分配器1210可调整为提供除了3dB分配器以外的其他功能(例如，功率或振幅分离器中的所需的不等或偏置、或相对于该对HB交叉偶极天线中的每个HB交叉偶极天线的分配系数)以及除同相分配器以外的功能(一对HB交叉偶极天线中的每个HB交叉偶极天线的不等或偏置分相器)以定制波束形成且在方位平面中为外侧波束1214、1215创建不对称模式(见图12C)。为了动态地优化小区覆盖和/或减少干扰，功率分配器1210可以远程地控制通过天线***的接口1220所传送的辐射器1208的振幅和/或相位调整，以投射用于可调功率分配器1210的控制端口(未示出)。
现参考图12C，图12C示出每个六边形小区使用图12A的双频段球形透镜天线、或者三个这种双频段球形透镜天线以覆盖所有三个六边形小区的360°的六边形小区覆盖，类似于图3所示出的。例如，在一个实施例中，靠近中心轨道的HB交叉偶极天线1208的振幅较高(即，如图12A和12B所示的HB元件组件1202的左侧HB交叉偶极天线1208和HB元件组件1201的右侧HB交叉偶极天线1208)。因此，HB元件组件1201、1202可具有彼此不同的振幅(振幅调整)和相位分布(彼此相位偏移)，以分别提供不对称的右外侧波束和左外侧波束。HB元件1204中的偶极天线(位于双频段元件组件1203中)具有相同的相位和相同的振幅，以实现图12C的对称中心波束1216，即HB元件1204中的一对偶极天线具有相同相位的3dB功率分配器。在不同实施例中，LB波束1217覆盖大体上相同的地理区或覆盖区，例如，小区面积的+/-10、15、20或25％，作为外侧波束和中心波束1214、1215、1216(参见图12C)的模式中的HB波束、且所有这些波束都被配置为对小区311的最佳覆盖。在本实施例中，HB中心波束1216和LB波束1217分别关于其自身轴1230对称。相反地，HB外侧波束1214、1215不关于它们的轴1232对称。更具体地，左外侧波束1214与右外侧波束1215关于中心波束的轴1230对称(形成近似镜像)。HB外侧波束的不对称的波束形状也有助于减少HB波束之间的重迭，从而在提高容量的同时最大限度地减少与其他扇区的干扰。
双频段透镜天线1200的HB仰角半功率波束宽度在从1.7GHz时为25°至2.7GHz时为15°的范围内变化(相比于双频段透镜天线900、1000在2.7GHz时为21°，窄得多)，方位角波束宽度约为23+/-2°。如图13、图14、和图17A所示出的，当多个双频段透镜天线1200以垂直阵列放置并通过移相器连接时，双频段透镜天线1200的较高频率的仰角波束宽度的变窄允许减小仰角栅瓣。双频段透镜天线1200的一个目标是成为具有变窄的HB和LB仰角波束的双频段透镜天线阵列的构造块。如随后的图13所示出的，可在垂直堆栈中的每个天线组件处执行如图12A至图12C中的方位角波束形状的定制，其中天线组件与天线组件之间存在差异。例如，对于HB功率分配器1210(或者备选地，相位、振幅、分配系数分配器)上的右外侧波束、左外侧波束、或中心波束中的每个波束，最低的天线1200-D可以具有与邻近或其他天线组件(即，透镜的垂直阵列中的1200-C、1200-B、1200-A，根据需要或所需对左外侧波束，右外侧波束、或中心波束中的每个波束成形以减少干扰和/或隔离)相比不同的偏置分布(更强/更不等的偏置、或者更弱/更均等的偏置)。然后，这就形成在天线阵列中的多个辐射器上的三维功率、振幅、分配系数、相位分布的映射。
图13中示意性地示出基于四个垂直放置的双频段透镜天线1200的14端口天线***1300。天线***1300具有LB移相器单元1301，该LB移相器单元1301具有两个LB端口1302且由具有LB机械联动装置1304的控制机构1303所控制，以为LB波束倾斜提供需要的相移。通过同时移动相位并调整辐射器的旋转角/位置(经由耦合至两个移相器1306、1308的机械联动装置1304及HB辐射器1201)，减少和/或大体上消除了栅瓣。LB移相器单元1301通过LB电缆1305与四个双频段透镜天线1200中的每个双频段透镜天线1200中的所有LB元件1205连接。两个LB天线端口1302连接至LB 2×2MIMO收发器1316。在图13中，仅针对HB波束的第一子组，示出HB电路和HB倾斜机构；所有三个波束子组的总数是单个HB波束子组所描述的三倍。具有两个HB端口1312的顶部HB移相器单元1306经由两对HB电缆1307耦合至一对顶部两个双频段透镜天线1200的HB元件组件1201(在图12A中图示)，且具有两个HB端口1312的底部高频段HB移相器单元1308经由两对HB电缆1309耦合至一对底部两个双频段透镜天线1200的HB元件组件1201。HB倾斜机构包括HB控制机构1310，其为所需的HB波束倾斜提供输入，以及连接HB机械联动装置1311至HB移相器单元1306、1308、和每个HB元件组件1201，由此在HB元件组件1201之间提供(通过相同的移动)相移，同时在围绕球形透镜1207的轨道1206(在图12A中描述)上提供HB元件组件组件1201的机械运动。当用完整的硬件外推时，对于围绕四个透镜天线1200设置的每个子组，为三个HB元件组件1201提供总共12个HB输出1312。四个HB电缆组耦合至六个HB移相器单元(例如，1306或1308)中的一个HB移相器单元，然后在公共频段(HB)中经由端口1312，成对地耦合至三个HB 4×4MIMO收发器(例如1314)中的一个HB 4×4MIMO收发器，其中HB元件的三个子组中的每个子组(在所有四个透镜天线1200上规划的)具有一个HB 4×4MIMO收发器1314。天线***1300在HB功能上类似于天线***100，即为三个波束子组中的每个波束子组提供4×4MIMO，其中波束倾斜范围为0-40°，且在方位角平面中具有相似的波束形状。这个差异大约是HB仰角波束的一半(在1.7-2.7GHz频段内半功率宽度约为11+/-2°)，增益约为3dB。另外，图12C所示出的不对称的外侧波束整形具有更大的灵活性。天线***1300的LB波束在方位角平面上具有约50°的半功率波束宽度，在仰角平面中具有约15°的半功率波束宽度，并提供覆盖1217(如图12C所示出)。每个波束子组的移相器(例如移相器1306和1308)通常具有大致相同的相移，或者如果需要用于最佳的MIMO性能，则移相器可具有不同的相移。用于顶部两个透镜1200-A和1200-B的右外侧双极化HB辐射器的右列以及底部两个透镜1200-C和1200-D的移相器(未图示)可分别偏置，以分别使右外侧的波束和左外侧的波束变形，从而创建更接近六边形小区边界的大体上不对称的右外侧波束和左外侧波束，和/或减少与其它波束和/或与相邻六边形小区的干扰(并增加隔离)。性能可包括所需几何覆盖区的80％的覆盖或更多(例如，图12C的六边形小区，或者诸如三角形、矩形、平行四边形等的任何其他小区形状)。为了在一个实施例中进一步改进天线***1300，可在天线1200之间和/或在天线1200的组件的外侧顶端和外侧底端之间放置附加的不可移动的HB和/或LB或双频段(HB+LB)元件(类似于图17A中所示出的LB元件)。
在图14中，基于以垂直阵列彼此靠近放置的三个双频段透镜天线1200，示意性地示出双频段天线***1400的另一个实施例。天线***1400具有经由LB电缆1402与双频段透镜天线1200的所有3个LB元件和附加的LB元件1403(可选)连接的LB移相器单元1401。天线***1400的两个LB端口1404(同时它们是LB移相器单元1401的输出)被连接至LB2×2MIMO收发器1416。LB波束倾斜由具有连接至LB移相器单元1401的LB机械联动装置1406的控制机构1405所控制。为简单起见，仅示出了用于第一(左外侧)波束的天线***1400的HB电路。HB移相器单元1407经由HB电缆1408连接至双频段透镜天线1200的HB元件组件1201。HB控制机构1410提供所需的HB波束倾斜，它经由HB机械联动装置1411连接至HB移相器单元1407且与每个双频段透镜天线1200的HB元件组件1201连接，从而在HB元件组件1201之间提供(通过相同的移动)相移，且同时在围绕球形透镜1207的轨道1206上提供HB元件组件1201的机械移动。总共需要四个控制机构：三个HB控制机构1410(用于元件/移相器移动)和一个LB控制机构1405(用于相移)。每个HB移相器单元1407耦合至其自身的2×2MIMO收发器1417上，用于各自的HB元件组件1201的子组。
在一个实施例中，可使用弧形移相器(参见，例如U.S.patent 7907096)或线性移相器(参见，例如U.S.patent 7026889)作为LB移相器单元1401和HB移相器单元1407，并且相同的控制机构1410可用于相移以及围绕球形透镜1207的HB辐射元件的旋转。本公开包括多种移相器实施例，包括但不限于诸如U.S.patent 6906666公开的具有介电体线性移动的机械移相器，诸如U.S.patent 7196674公开的旋转移相器，及电子移相器。移相器的不同组合在本公开中也是可行的，诸如利用电子移相器增强具有线性移动的机械移相器以进行微调(如图13和14实施例所示出的提供的一种可能优质的解决方案，其中RF元件的轨道运动和相移具有相同的线性运动，即基于单个输入)。所需的相移是：
φ＝(2πd sinθ)/λ
其中，θ是所需的倾斜角，且如果θ<35度，则
Figure BDA0002199593820000221
亦即相移与倾斜角成比例。在弧形移相器中，相移/>
Figure BDA0002199593820000222
也与弧形上的擦拭器的旋转角成比例，另外，如图2B所示出的，球体周围的元件的旋转角222近似等于波束倾斜角221。因此，相同的移动可用于球体周围的辐射元件的相移和旋转。
图14中的三个双频段透镜天线1200用于双频段天线***1400，以减小HB和LB的仰角波束宽度。为进一步减小LB波束宽度，还使用附加的LB元件1403(1403是可选的)。在一个具有四个透镜的实施例中，总天线长度约为1.2m，对于HB，天线***1400的仰角半功率波束宽度在1.7-2.7GHz处为5-8°(对于天线***100而言为21-25°)，对于LB，天线***1400的仰角半功率波束宽度在0.69-0.96GHz处为14-19°。对于一些宏小区应用来说，天线***1400的较窄的仰角波束宽度是特别适合的。当针对图14的实施例推断出完整的硬件时，对于(图12A的)HB分配器1201、1202、1204中的每个HB分配器，总共18个HB输出1211、1212(图12B的)被连接至三个HB移相器单元1407中的一个HB移相器单元1407(图14的)，其然后被连接至三个HB 4×4MIMO收发器中的一个HB 4×4MIMO收发器，三个波束子组中的每个波束子组都具有一个HB 2×2MIMO收发器。在一个实施例中，移相器1401具有多弧特性。
图15示出了用于2.7GHz和28°波束倾斜的双频段天线***1400的仰角模式，具有窄的半功率波束宽度1501(5°)。该双频段天线***1400改善了(例如，～≤-20dB)上旁瓣1502抑制(与其他小区的干扰较小)以及增加(～≥-15dB)低旁瓣1503级别(为了更好的小区覆盖)。为此，球体周围的元件的旋转角222增加了2.0°至30°。因此，建议球体周围的辐射元件的旋转角222略大于θ，接近θ+ε/2，其中ε是仰角平面中的半功率波束宽度1501。
双频段天线***1400的HB方位角辐射模式与图2A所示出的模式相似，且具有稳定的23±2°半功率波束宽度(在1.7-2.7GHz的宽频段上)。天线***1400的LB模式在方位角平面中具有约50°的半功率波束宽度。两个频段的倾斜范围是0-40°。
仍然参照图14，双频段天线***1400具有8个端口(6HB+2LB)，图14示出了全部两个LB端口1404，但为了简单起见，在总共六个HB端口1412中，仅示出了一个HB波束的2个HB端口1412。
在另一个双频段天线实施例中(未示出)，其中LB元件和一对HB元件位于不同的反射器上，LB控制机构1405不仅可提供LB相移，而且可提供LB元件的移动，以更独立的倾斜LB波束。
在3频段天线实施例中(未示出)，第三频段(例如，交叉偶极天线实施例中的400-600MHz)的双极化辐射器可被放置在双频段透镜天线1200之间，且第三频段的波束倾斜可通过第三频段的移相器来实现。
在图16A中，示出了另一个双频段透镜天线1600的实施例。双频段透镜天线1600有三个HB波束和两个LB波束，该双频段透镜天线1600可覆盖120°扇区，且总共有10个端口。双频段透镜天线1600类似于双频段透镜天线1000(图10A的)，但是双频段透镜天线1600具有位于外侧轨道1007上的两个HB/LB元件组件1001和位于透镜1607的中心轨道1007上的一个(中心)HB双极化辐射器1002。当双频段透镜天线1000在轨道1007上下被调整时，LB元件1003和HB元件1004都作为单个单元选择性地一起倾斜，以创建给定小区和环境所需的波束形成。
在图16B中，示出了具有两个LB波束1601、1602和三个HB波束1603、1604、1605的小区覆盖，全部覆盖相同的六边形小区311。对于所有三个六边形小区311，重复该模式以提供360°覆盖，每个六边形小区具有一个天线1600，对于所有三个六边形小区总共有三个天线1600。图16B图示了LB波束1601如何在六边形小区311之间具有低干扰的小区内(在给定小区内)和小区间(在两个或更多个小区之间)彼此重叠。图16B中示出的外侧HB波束1603、1605具有与中心HB波束1604相比更多的倾斜，以获得更好的小区覆盖(类似于图3B)。类似于图5A-5C和图11A-11B所示出的，透镜天线1600可用作于双频段MIMO天线***的构造块。图17A示出了三频段透镜天线***1700，每个频段具有独立的波束倾斜。这三个频段，例如可以是550-960MHz(第一频段，LB)、1.43-2.17GHz(第二频段，中频段(middle band)或中频段(mid-band)、MB))或中间频段(IB)、及2.49-3.7GHz(第三频段，HB)。该3频段天线***1700实施例可覆盖一个单元中的所有当前和预期的蜂窝通信频段。如图17A所示出的，3频段天线***1700包括具有第一频段辐射元件1701(不可移动)以及可选地具有第一频段辐射元件1702的多个双频段透镜天线1600(类似于图16A中示出的)，其中第一频段辐射元件1701设置在透镜1607之间，且第一频段辐射元件1702设置在3频段天线***1700中的外侧透镜天线1600的顶端和底端之外。不可移动的第一频段辐射元件1701、1702可被机械地预向下倾斜以获得更好的倾斜范围。每个透镜天线1600具有第二频段1703-A和1703-B的两个双极化MB辐射器，且具有第三频段1704的三个双极化HB辐射器，三个双极化HB辐射器中的每个双极化HB辐射器包括可选的次级透镜。(外侧)HB/MB元件组件1720位于外侧轨道上，一个(中心)HB双极化辐射器1704位于中心轨道上。另一个频段分配实施例包括如下：LB为500-1000MH，MB为1.4-2.7GHz、以及HB为2.2-3.8GHz。通过可选地将第一频段辐射元件1701和1702嵌入至透镜1607中，三频段天线***1700具有与双频段天线***大致相同的尺寸和布局。
在每个频段中，3频段天线***1700可以提供宽的倾斜范围，例如0-40°。对于第一频段，波束倾斜仅通过相移来提供，与图7A类似。对于第二频段和第三频段，波束倾斜通过相移和辐射器旋转的组合来提供，与图14类似。波束倾斜部件(移相器、控制机构)类似于上面所述的部件，为简单起见，仅在图17A中示出MB元件1703。天线***1700具有MB移相器单元1711，该MB移相器单元1711通过MB电缆1714与3频段透镜天线1200的所有四个MB元件1703连接以及通过两个端口1712的输出连接至2×2MIMO收发器1722。MB波束倾斜由具有连接至MB移相器单元1711的MB机械联动装置1718的控制机构1716所控制。
现参考图17B，其示出了针对单个六边形小区311的3频段天线***1700的小区覆盖。3频段天线***1700在第一频段(LB)中形成一个波束1705，形成第二频段(MB)的左右两个波束1706，以及在第三频段(HB)中形成三个波束1707，以覆盖相同的小区311，即大体上相同的地理区。在一个实施例中，图17B的左右两个MB波束1706一起覆盖公共几何覆盖区即六边形小区311的80％或更多。对与第一透镜天线1600邻近设置的另一个透镜天线1600重复相同的结果，其中第二透镜天线1600的左右两个MB波束1706也一起覆盖公共几何覆盖区的80％或更多。
现参照图18，根据一实施例，其示出了用于天线***的基于操作1808的调整小区覆盖、整形容量、减少干扰、和/或整形波束的流程图1800。这是通过使用以下的一个或多个后续操作来实现：i)如上面图1A至图1B及图3C中所描述的/所示出的，使一个或多个辐射器偏离透镜的中心对齐1814-A；ii)例如如图3B、图3C、图12C、图16B、和图17B所描述的/所示出的，基于扇区位置、子组、或RF频段独立地调整一个或多个辐射器的旋转角1814-B；和/或iii)如上面图12A-图12C所描述的/所示的，独立地或依附地偏置分离偶极天线天线之间的功率和/或相位。
使用静态设置的1814因子的默认出厂设置，在天线***上传送数据信号1816。天线性能设置可随后通过使用反馈静态地自动选择性调整或通过动态地预编程模式来调整用于改变或已知数据业务量、天气、干扰环境、以及其他条件和模式的一个或多个天线来远程选择性调整。操作1820询问信号性能是否可接受，如通过诸如诸如掉话、呼叫信号完整性、测量的错误率、来自相邻小区或扇区的干扰、功耗等的直接性能的一个或多个反馈度量1816-A、或通过并行性能度量干扰指示符等所测量。如果信号性能可接受，则程序1800继续传送信号1816并测量性能。如果信号性能不可接受，那么程序返回至操作1808。
所有提出的解决方案都是模块化的且是基于构造块的这对于现场部署(现场施工的灵活性)非常实用且对生产有利(库存中的部件较少)。
与其他尝试的解决方案(具有巴特勒(Butler)矩阵的多波束天线))相比的优点包括以下性能度量。
较高的增益效率(较少的***损耗)。
更宽的频段(50％+)。
双频段和多频段宽带操作。
特殊的端口到端口隔离(一般地，10-15dB更好)，其允许良好的MIMO性能。
外侧波束没有模式失真或扫描增益损失。
在机械上，25-30％的较窄(具有相同的方位角(Az))波束宽度。
显著的(2～3倍)较低的正面和背面风负载(归功于圆形和更好的孔径效率)。
优异的独立波束倾斜性能。
扩展波束倾斜，0-40°(3-4倍以上)。
波束的稳定性更好(宽度、交叉程度、指向位置、和滚降)。
宽频段内的优异的方位角和仰角旁瓣抑制。
杰出的模块化，便于现场部署。
圆形，美观宜人的形状。
灵活地适应和优化不同地理区的覆盖。
通过最小化扇区之间和小区之间的波束的重迭来减少干扰。
提出的用于2×2、4×4、和8×8MIMO的多波束天线解决方案可用于微小区、热点、城域小区、宏小区，且还可以用于体育场和特殊事件的覆盖。
回顾本文所示出的实施例，在大多数实施例中，如图(例如，图7A、图11A、图13、图14、图17A、和图17C)所示出的，形成波束的LB辐射器设置在单个垂直平面中。图11B和图16A提供了另外的对齐方式，其中LB辐射器不只仅在单个垂直平面上对齐。类似地，在大多数实施例中，对于其他RF频段(及其轨道)，辐射器的每个子组中的辐射器位于相同的垂直平面内以形成波束。在另一个实施例中，例如图11B，给定频段的辐射器可排列成矩阵，其中对于给定小区的辐射器具有由垂直阵列(顶部和底部天线)和水平阵列(并排天线)形成的波束。
在一个实施例中，透镜的形状不是圆柱形的。圆柱形透镜的性能受到限制，因为它不能实现有益的波束形成和可变的仰角定位，这在球形透镜中是可实现的。此外，无论是接触式、交错式(如图6a所示)，还是彼此靠近设置，单个圆柱形透镜不具备叠置球形透镜的性能，其中每个球形透镜都有自己的仅与其自身相关联的辐射器。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明构思的情况下，除了已经描述的以外，还可以进行更多的修改。因此，除了所附的权利要求的精神之外，本发明的主题不受限制。而且，在解释说明书和权利要求时，所有的术语应该以与上下文一致的最宽泛的方式来解释。特别地，术语“包括”和“包含”应被解释为以非排他的方式引用元件、部件、或步骤、指示所引用的元件、部件、或步骤可以存在、或被利用、或与未明确引用的其他元件、部件、步骤组合。其中，说明书权利要求是指选自a、b、c...、和n中的至少一种，该文本应被解释为仅需要来自该组的一个元素，而不是a加n或b加n等等。虽然本说明书描述了常见的六边形几何(又称地理)覆盖区(“六边形小区”)，但是通过对称或不对称地调整单个或多个频段信号的相移和振幅，或对称或不对称地调整围绕球形透镜的辐射器的倾斜、圆周位置、和数量，或通过使用如本文所描述的球形透镜和HB天线和LB天线的任何组合，本说明书可容易地适应于任何所需的几何覆盖区或地理覆盖区，诸如具有三至八边或更多边的多边形。

Claims (42)

1.一种多波束天线***，包括：
第一天线组件和第二天线组件，每个天线组件包括：
第一辐射器和第二辐射器，用于在多个不同的RF频段上同时进行通信；以及
透镜，所述透镜使电磁波聚焦于所述第一辐射器和所述第二辐射器；所述透镜是球形透镜，并且每个所述球形透镜包括具有从球体中心辐射至球体边缘的不同介电常数的异质球体；
其中，
所述第一天线组件的所述第一辐射器以及所述第二天线组件的所述第一辐射器在功能上被分组至工作在第一RF频段内并利用第一MIMO收发器的第一辐射器子组，所述第一天线组件的所述第一辐射器和所述第二天线组件的所述第一辐射器分别对应不同的球形透镜；以及
所述第一天线组件的所述第二辐射器以及所述第二天线组件的所述第二辐射器在功能上被分组至工作在第二RF频段内并利用第二MIMO收发器的第二辐射器子组，所述第一天线组件的所述第二辐射器和所述第二天线组件的所述第二辐射器分别对应不同的球形透镜；以及
其中，所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组在功能上耦合在一起以产生多波束模式；其中，所述第二RF频段不同于所述第一RF频段。
2.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一RF频段和所述第二RF频段中的至少一个RF频段包括含第一频段在内的至少两个频段；
第二频段相比所述第一频段处于更高的频率，第三频段相比所述第二频段处于更高的频率；以及
所述第一RF频段和所述第二RF频段中的多个RF频段在所述第一天线组件和所述第二天线组件中的至少一个天线组件上传输，并且所述多个RF频段配置成覆盖相同的地理区。
3.根据权利要求1所述的多波束天线***，还包括：
HB辐射器的至少三个子组，其中，所述三个子组中的每个子组包括至少两个辐射器，且所述HB辐射器中的至少一个HB辐射器设置于所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜中的每个透镜；以及
LB辐射器的至少一个子组，包括与所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜中的每个透镜相关联的至少一个LB辐射器；并且其中：
所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜耦合在具有垂直轴的垂直阵列中；
在HB辐射器的相应的至少三个子组中的每个子组内，所述至少两个HB辐射器分别关于所述透镜的所述垂直阵列设置在第一垂直平面中，以提供几何覆盖区内的相应的波束；
所述多波束模式包括中心波束子组和至少两个外侧波束子组，所述至少两个外侧波束子组偏离开所述透镜的中心地设置在所述中心波束子组的两侧；以及
LB辐射器的所述子组设置在相对于所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜的位置处，以提供也填充所述几何覆盖区的辐射模式。
4.根据权利要求3所述的多波束天线***，还包括：
MB辐射器的至少两个子组；并且其中：
所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组包括针对所述垂直阵列的所述透镜中的每个透镜的至少一个MB辐射器；以及
所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组关于所述垂直阵列的所述透镜设置在第二垂直平面中，以提供填充所述几何覆盖区的两个波束。
5.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中，所述第一辐射器和所述第二辐射器中的至少一个辐射器包括双极化辐射器设计。
6.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组在所述第一RF频段和所述第二RF频段中的至少一个RF频段上进行通信；以及
所述第一辐射器子组具有第一波束形状和第一波束数量；以及所述第二辐射器子组具有不同于所述第一波束形状的第二波束形状以及不同于所述第一波束数量的第二波束数量。
7.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一RF频段上的信号被传送至所述第一辐射器子组，以生成到目标区的第一波束，所述第一RF频段为HB频段；以及
所述第二RF频段上的信号被传送至所述第二辐射器子组，以生成到所述目标区的第二波束，所述第二RF频段为LB频段；
所述第一RF频段相比所述第二RF频段处于不同的频率；以及
所述第一波束是与所述第二波束不同的模式，且所述第一波束至少部分地与所述第二波束重叠。
8.根据权利要求3所述的多波束天线***，其中：
所述第一辐射器子组包括至少一个高频段辐射器；以及
所述第二辐射器子组包括至少一个低频段辐射器；并且其中：
所述LB辐射器以同心配置和并排配置中的至少一种情况设置在所述一个HB辐射器近邻；以及
近邻定位的LB辐射器和HB辐射器被作为单个单元选择性地移动。
9.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组i)设置在所述第一天线组件和所述第二天线组件中的至少一个天线组件之间，且ii)位于偏离所述第一天线组件和所述第二天线组件中的至少一个天线组件之处、与所述第一天线组件和所述第二天线组件中的至少一个天线组件物理接触之处、和***所述第一天线组件和所述第二天线组件中的至少一个天线组件中的位置之处中的至少一处。
10.根据权利要求1所述的多波束天线***，还包括：
第三天线组件，设置在所述第一天线组件和所述第二天线组件之间。
11.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中，所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组包括第一偶极天线和第二偶极天线，所述第一偶极天线和所述第二偶极天线排列为i)交叉偶极天线模式；和ii)盒状偶极天线模式中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的多波束天线***，还包括：
至少一个公共反射器，其中，所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组设置在所述至少一个公共反射器上。
13.根据权利要求12所述的多波束天线***，还包括：
介电填充物，设置在所述多个辐射器子组中的至少一个辐射器子组和至少一个公共反射器之间。
14.根据权利要求1所述的多波束天线***，还包括：
移相器，耦合至所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组，以为所述至少一个子组提供波束倾斜。
15.根据权利要求1所述的多波束天线***，还包括：
多个移相器单元，其中，为所述第一RF频段和所述第二RF频段中的至少一个RF频段指定至少一个移相器单元。
16.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
由所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的每个辐射器子组形成的波束生成第一圆形几何覆盖区和第二圆形几何覆盖区中的至少一个圆形几何覆盖区；以及
所述第一圆形几何覆盖区和所述第二圆形几何覆盖区形成大体上三角形的几何模式。
17.根据权利要求1所述的多波束天线***，还包括：第一轨道和第二轨道中的至少一个轨道，对于所述第一RF频段和所述第二RF频段中的至少一个RF频段，所述第一轨道和所述第二轨道中的至少一个轨道允许至少一个辐射器围绕关联的透镜选择性地移动，以便提供波束倾斜。
18.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组中的至少一个辐射器是一对HB交叉偶极天线；以及
所述一对HB交叉偶极天线中的每个交叉偶极天线在振幅、相位、和位置中的至少一个因子中可相对于彼此进行调整，以便控制方位波束形状并减少仰角栅瓣。
19.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中，所述第一RF频段和所述第二RF频段中的至少一个RF频段经由关于单个透镜设置的所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组进行传送。
20.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中，所述第一RF频段和所述第二RF频段中的至少一个RF频段经由关于所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜中的至少一个透镜设置的所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组进行传送。
21.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中，由所述第一天线组件的所述第一辐射器产生的波束模式的中心具有具备60°的-10dB波束宽度的-30°、0°、+30°的方位角位置。
22.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中，所述第一天线组件和所述第二天线组件中的至少一个天线组件包括：
至少两个外侧辐射器，每个外侧辐射器包括双极化HB元件；以及
中心辐射器，包括：
双极化HB元件；
次级透镜，设置在所述双极化HB元件和所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜中的至少一个透镜之间；以及
双极化LB元件。
23.根据权利要求1所述的多波束天线***，还包括：
LB移相器；以及
LB控制机构，功能性地耦合至所述LB移相器；并且其中：
所述LB控制机构配置成移动所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组的第一LB辐射器和第二LB辐射器中的至少一个LB辐射器。
24.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
对于第一RF频段，所述第一辐射器子组中的至少一个辐射器子组的第一部分是不可移动的；以及
对于第二RF频段，所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组的第二部分是可移动的。
25.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中，来自相同的RF频段中所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组的信号通过单个透镜朝给定的地理区聚焦，而在其波束之间没有实质性干扰。
26.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中，来自所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组的信号通过单个球形透镜朝相同的地理区聚焦，其中，至少所述第一RF频段和所述第二RF频段中的每个RF频段具有不同数量的波束。
27.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组设置在至少所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜之间。
28.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组至少部分地穿透至所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜中的至少一个透镜中。
29.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一辐射器子组和所述第二辐射器子组中的至少一个辐射器子组是具有多个臂的交叉偶极天线；以及
所述交叉偶极天线的所述多个臂与所述透镜的外形一致。
30.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述第一天线组件和所述第二天线组件中的至少一个天线组件包括第一辐射器和第二辐射器中的至少一个辐射器，所述第一辐射器和所述第二辐射器中的至少一个辐射器在所述第一RF频段和所述第二RF频段中的至少一个RF频段中进行通信。
31.根据权利要求1所述的多波束天线***，其中：
所述多波束天线***中的所述第一天线组件和所述第二天线组件的所述透镜彼此靠近设置；以及
所述第一天线组件和所述第二天线组件中的至少一个天线组件形成垂直阵列、水平阵列、矩形矩阵、三角形形状、菱形形状中的至少一个。
32.一种通信***，包括：
多波束天线***，具有至少第一天线组件和第二天线组件；以及
多个MIMO收发器，所述多个MIMO收发器中的每个MIMO收发器在多个RF频段中的一个RF频段中生成信号；并且
其中，所述第一天线组件和所述第二天线组件中的每个天线组件包括：
第一辐射器和第二辐射器，用于在多个不同的RF频段上同时进行通信；以及
使电磁波聚焦于所述第一辐射器和所述第二辐射器的透镜，所述透镜是球形透镜，并且每个所述球形透镜包括具有从球体中心的不同介电常数辐射的异质球体；并且
其中：
所述第一天线组件中的所述第一辐射器以及所述第二天线组件的所述第一辐射器在功能上被分组至工作在第一RF频段内并利用第一MIMO收发器的第一辐射器子组，所述第一天线组件的所述第一辐射器和所述第二天线组件的所述第一辐射器分别对应不同的球形透镜；以及
所述第一天线组件的所述第二辐射器以及所述第二天线组件的所述第二辐射器在功能上被分组至工作在第二RF频段内并利用第二MIMO收发器的第二辐射器子组，所述第一天线组件的所述第二辐射器和所述第二天线组件的所述第二辐射器分别对应不同的球形透镜；以及
其中，辐射器的所述第一辐射器子组中的所述第一辐射器和所述第二辐射器协作以产生填充第一几何覆盖区的多波束模式；其中，所述第二RF频段不同于所述第一RF频段。
33.根据权利要求32所述的通信***，还包括：
沿着给定轴排列的多个天线***；并且其中：
辐射器的所述第一辐射器子组的所述第一辐射器关于所述给定轴以不对称的模式设置，使得所述第一覆盖区关于目标轴不对称；
辐射器的所述第二辐射器子组的所述第二辐射器设置在配置成创建与所述第一覆盖区配合的互补覆盖区的模式中；以及
所述第一覆盖区和所述互补覆盖区一起提供大体上呈矩形、梯形、或平行四边形的几何覆盖区的覆盖。
34.一种经由如权利要求1所述的天线***向小区传送信号的方法，所述方法包括：
经由至少第一子组和第二子组同时传送RF信号，其中，每个子组工作在多个RF频段上，且包括至少第一MIMO收发器和第二MIMO收发器，所述第一MIMO收发器利用位于第一透镜附近的至少第一辐射器，所述第二MIMO收发器利用位于第二透镜附近的至少第二辐射器，所述第一透镜和所述第二透镜是球形透镜，并且每个所述球形透镜包括具有从球体中心的不同介电常数辐射的异质球体。
35.根据权利要求34所述的方法，还包括：
经由所述第一子组，生成针对所述小区的多个扇区中的每个扇区的波束。
36.根据权利要求34所述的方法，还包括：
经由所述第一子组生成至少三个波束，配置成覆盖六边形小区，并且其中，所述三个波束包括：
中心波束，关于其自身中心线对称；以及
两个外侧波束，关于它们各自的中心线不对称，但关于所述小区的中心线镜像对称。
37.根据权利要求35所述的方法，还包括：
通过以下中的至少一个步骤选择性地调整给定RF频段中的波束的波束倾斜：
改变至少所述第一子组中的至少所述第一辐射器的旋转角；以及
调整在所述第一子组的所述第一辐射器或所述第二辐射器中的至少一个辐射器上传送的信号的相位。
38.根据权利要求34所述的方法，还包括：
通过使用以下一种或多种方法为小区中的至少一个外侧波束创建不对称的波束形状以与所述小区的给定形状一致：
(a)以通过给定透镜的中心以外的方式对齐给定的辐射器；
(b)对于给定RF频段，以与辐射器的给定子组中的至少一个其他辐射器的旋转角不同的量，改变辐射器的所述给定子组中的至少一个辐射器的旋转角；
(c)调整一对耦合辐射器之间的振幅；以及
(d)调整一对耦合辐射器之间的相位。
39.根据权利要求34所述的方法，还包括：
针对给定RF频段，缩放所述第一子组中的至少所述第一辐射器所利用的功率，以便缩放所述小区的容量。
40.根据权利要求34所述的方法，其中：
调整在至少一个RF频段内的所述第一子组的至少所述第一辐射器的旋转角，以创建增加的波束倾斜；以及
对于所述至少一个RF频段，在所有天线连接器处提供相同的增益，以匹配所述小区的容量目标。
41.根据权利要求34所述的方法，还包括：
通过移相器倾斜所述第一子组产生的波束；以及
通过调整生成所述波束的它们自身中的至少一个辐射器的旋转角来倾斜波束倾斜；并且其中：
来自所述移相器的所述波束倾斜略大于来自所述辐射器的所述旋转角的所述波束倾斜，以便抑制所述波束的上旁瓣。
42.根据权利要求35所述的方法，还包括：
调整工作在给定RF频段的至少所述第一子组和所述第二子组的数量，以匹配所述小区的容量需求；以及
调整工作在给定RF频段中的所述第一子组和所述第二子组中的每个子组的所述第一辐射器中的至少每个辐射器的倾斜，以提供所述小区的完全覆盖。
CN201880017747.4A 2017-01-13 2018-01-10 多波束多输入多输出天线***和方法 Active CN110402521B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310539956.8A CN116826399A (zh) 2017-01-13 2018-01-10 多波束多输入多输出天线***和方法

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762445874P 2017-01-13 2017-01-13
US62/445,874 2017-01-13
US201762538615P 2017-07-28 2017-07-28
US62/538,615 2017-07-28
PCT/US2018/013219 WO2018132511A1 (en) 2017-01-13 2018-01-10 Multi-beam mimo antenna systems and methods

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310539956.8A Division CN116826399A (zh) 2017-01-13 2018-01-10 多波束多输入多输出天线***和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110402521A CN110402521A (zh) 2019-11-01
CN110402521B true CN110402521B (zh) 2023-05-30

Family

ID=62840602

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880017747.4A Active CN110402521B (zh) 2017-01-13 2018-01-10 多波束多输入多输出天线***和方法
CN202310539956.8A Pending CN116826399A (zh) 2017-01-13 2018-01-10 多波束多输入多输出天线***和方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310539956.8A Pending CN116826399A (zh) 2017-01-13 2018-01-10 多波束多输入多输出天线***和方法

Country Status (4)

Country Link
US (7) US10381716B2 (zh)
CN (2) CN110402521B (zh)
TW (1) TWI727136B (zh)
WO (1) WO2018132511A1 (zh)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL242588B (en) * 2015-11-12 2022-07-01 Israel Aerospace Ind Ltd Architecture of an electromagnetic head
CN110402521B (zh) * 2017-01-13 2023-05-30 迈特斯因公司 多波束多输入多输出天线***和方法
US10116051B2 (en) 2017-03-17 2018-10-30 Isotropic Systems Ltd. Lens antenna system
WO2019168800A1 (en) * 2018-03-02 2019-09-06 Mimosa Networks, Inc. Omni-directional orthogonally-polarized antenna system for mimo applications
WO2019222735A1 (en) * 2018-05-18 2019-11-21 American Antenna Company, Llc System and method for miniaturized cell tower antenna arrays and highly directional electronic communication
US10886963B2 (en) * 2018-06-26 2021-01-05 The Trustees Of Princeton University System and method for transceiver and antenna programmability and generalized MIMO architectures
WO2020058916A1 (en) * 2018-09-19 2020-03-26 Isotropic Systems Ltd Multi-band lens antenna system
US11552405B1 (en) * 2018-09-21 2023-01-10 Apple Inc. Lens structure
US11043743B2 (en) * 2019-04-30 2021-06-22 Intel Corporation High performance lens antenna systems
CN112186367A (zh) * 2019-07-03 2021-01-05 康普技术有限责任公司 基站天线
US10651920B1 (en) * 2019-08-30 2020-05-12 Cth Lending Company, Llc Methods for formation of antenna array using asymmetry
CN112952375B (zh) * 2019-11-26 2022-07-22 华为技术有限公司 形成波束的方法和装置
US20210359744A1 (en) * 2020-05-14 2021-11-18 Atr Electronics, Llc Mobile network architecture and method of use thereof
CN212783781U (zh) * 2020-08-07 2021-03-23 康普技术有限责任公司 具有集成波束成形网络的双光束基站天线
CA3190710A1 (en) 2020-08-28 2022-03-03 Amr Abdelmonem Method and system for polarization adjusting in time-division duplexing (tdd) or frequency-division duplexing (fdd)
CN112531342B (zh) * 2020-12-07 2023-06-09 Oppo广东移动通信有限公司 天线模组及电子设备
RU2765570C1 (ru) * 2021-02-09 2022-02-01 Акционерное общество НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ" Нерегулярная линза и многолучевая антенная система с двумя ортогональными поляризациями на ее основе
US20220384935A1 (en) * 2021-05-28 2022-12-01 Matsing, Inc. Lensed multiple band multiple beam multiple column dual-polarized antenna
US11476574B1 (en) 2022-03-31 2022-10-18 Isco International, Llc Method and system for driving polarization shifting to mitigate interference
US11476585B1 (en) 2022-03-31 2022-10-18 Isco International, Llc Polarization shifting devices and systems for interference mitigation
US11509071B1 (en) 2022-05-26 2022-11-22 Isco International, Llc Multi-band polarization rotation for interference mitigation
US11515652B1 (en) 2022-05-26 2022-11-29 Isco International, Llc Dual shifter devices and systems for polarization rotation to mitigate interference
US11509072B1 (en) 2022-05-26 2022-11-22 Isco International, Llc Radio frequency (RF) polarization rotation devices and systems for interference mitigation
US11949489B1 (en) 2022-10-17 2024-04-02 Isco International, Llc Method and system for improving multiple-input-multiple-output (MIMO) beam isolation via alternating polarization
US11956058B1 (en) 2022-10-17 2024-04-09 Isco International, Llc Method and system for mobile device signal to interference plus noise ratio (SINR) improvement via polarization adjusting/optimization
US11985692B2 (en) 2022-10-17 2024-05-14 Isco International, Llc Method and system for antenna integrated radio (AIR) downlink and uplink beam polarization adaptation
US11990976B2 (en) 2022-10-17 2024-05-21 Isco International, Llc Method and system for polarization adaptation to reduce propagation loss for a multiple-input-multiple-output (MIMO) antenna
CN117293551B (zh) * 2023-11-24 2024-01-23 壹新信通科技(成都)有限公司 一种太赫兹多波束介质天线

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6380904B1 (en) * 1999-09-30 2002-04-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Antenna apparatus
CN105659434A (zh) * 2013-09-09 2016-06-08 康普北卡罗来纳州公司 带透镜基站天线

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5081233A (en) 1986-05-15 1992-01-14 Ricoh Company, Ltd. Bisazo compounds and electrophotographic photoconductors comprising the bisazo compounds
US5548294A (en) * 1994-08-17 1996-08-20 Teledesic Corporation Dielectric lens focused scanning beam antenna for satellite communication system
JP3083994B2 (ja) * 1996-08-22 2000-09-04 株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信研究所 光制御型フェーズドアレーアンテナ
SE509342C2 (sv) 1997-05-05 1999-01-18 Ericsson Telefon Ab L M Förfarande för användning av lobportar i ett lobformningsnät samt ett antennarrangemang
US6147656A (en) * 1999-04-01 2000-11-14 Space Systems/Loral, Inc. Active multiple beam antennas
US7358913B2 (en) 1999-11-18 2008-04-15 Automotive Systems Laboratory, Inc. Multi-beam antenna
US7994996B2 (en) * 1999-11-18 2011-08-09 TK Holding Inc., Electronics Multi-beam antenna
US6606077B2 (en) * 1999-11-18 2003-08-12 Automotive Systems Laboratory, Inc. Multi-beam antenna
JP4119352B2 (ja) * 2003-11-28 2008-07-16 株式会社東芝 レンズアンテナ装置
US7714782B2 (en) * 2004-01-13 2010-05-11 Dennis Willard Davis Phase arrays exploiting geometry phase and methods of creating such arrays
JP4816078B2 (ja) * 2005-12-28 2011-11-16 住友電気工業株式会社 電波レンズアンテナ装置
US7420525B2 (en) * 2006-06-23 2008-09-02 Gm Global Technology Operations, Inc. Multi-beam antenna with shared dielectric lens
US7756471B2 (en) * 2007-03-31 2010-07-13 Intel Corporation Systems and methods for multi-element antenna arrays with aperture control shutters
US8542158B2 (en) * 2007-08-20 2013-09-24 Ethertronics, Inc. Multi-band MIMO antenna
US8482478B2 (en) 2008-11-12 2013-07-09 Xirrus, Inc. MIMO antenna system
ES2747937T3 (es) 2008-11-20 2020-03-12 Commscope Technologies Llc Antena sectorial de doble haz y conjunto
GB2467770B (en) 2009-02-13 2011-08-17 Socowave Technologies Ltd Communication system, apparatus and method for antenna array control
US8670180B2 (en) * 2010-03-05 2014-03-11 TeraDiode, Inc. Wavelength beam combining laser with multiple outputs
US8811511B2 (en) * 2010-09-28 2014-08-19 Wisconsin Alumni Research Foundation Hybrid analog-digital phased MIMO transceiver system
EP2523256B1 (en) 2011-05-13 2013-07-24 Thomson Licensing Multibeam antenna system
EP2624475B1 (en) * 2012-01-31 2015-01-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Combined Power Transmission
SE536968C2 (sv) 2013-01-31 2014-11-18 Cellmax Technologies Ab Antennarrangemang och basstation
US10033111B2 (en) 2013-07-12 2018-07-24 Commscope Technologies Llc Wideband twin beam antenna array
RU2625964C1 (ru) 2013-08-09 2017-07-20 Тотани Корпорейшн Устройство для заворачивания листового изделия
US9912053B2 (en) * 2014-03-17 2018-03-06 Ubiquiti Networks, Inc. Array antennas having a plurality of directional beams
US10056698B2 (en) 2014-10-20 2018-08-21 Honeywell International Inc. Multiple beam antenna systems with embedded active transmit and receive RF modules
US10116058B2 (en) * 2015-02-13 2018-10-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-aperture planar lens antenna system
US10418716B2 (en) * 2015-08-27 2019-09-17 Commscope Technologies Llc Lensed antennas for use in cellular and other communications systems
EP3437157A4 (en) * 2016-03-31 2019-11-13 Commscope Technologies LLC LENS ANTENNAS FOR WIRELESS COMMUNICATIONS SYSTEMS
ES2805344T3 (es) * 2016-05-06 2021-02-11 Amphenol Antenna Solutions Inc Antena multihaz, de alta ganancia, para comunicaciones inalámbricas 5G
US9979459B2 (en) * 2016-08-24 2018-05-22 The Boeing Company Steerable antenna assembly utilizing a dielectric lens
DE202017007459U1 (de) * 2016-09-07 2021-09-07 Commscope Technologies Llc Mehrband-Mehrstrahl-Linsenantenne geeignet zur Verwendung in Mobilfunk- und anderen Kommunikationssystemen
WO2018089340A1 (en) * 2016-11-10 2018-05-17 Commscope Technologies Llc Lensed base station antennas having azimuth beam width stabilization
CN110402521B (zh) * 2017-01-13 2023-05-30 迈特斯因公司 多波束多输入多输出天线***和方法
US10116051B2 (en) * 2017-03-17 2018-10-30 Isotropic Systems Ltd. Lens antenna system
WO2019073668A1 (ja) * 2017-10-11 2019-04-18 ソニー株式会社 情報処理装置、情報処理方法、およびプログラム
WO2020058916A1 (en) * 2018-09-19 2020-03-26 Isotropic Systems Ltd Multi-band lens antenna system
EP3939118A4 (en) * 2019-03-15 2022-12-21 John Mezzalingua Associates, LLC COMPACT MULTI-BEAM ANTENNA WITH IMPROVED SPHERICAL LUNEBURG LENS

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6380904B1 (en) * 1999-09-30 2002-04-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Antenna apparatus
CN105659434A (zh) * 2013-09-09 2016-06-08 康普北卡罗来纳州公司 带透镜基站天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN110402521A (zh) 2019-11-01
US20230353439A1 (en) 2023-11-02
TW201832493A (zh) 2018-09-01
US20190165455A1 (en) 2019-05-30
US20200195481A1 (en) 2020-06-18
US10574498B2 (en) 2020-02-25
TWI727136B (zh) 2021-05-11
US11595238B2 (en) 2023-02-28
US20230188399A1 (en) 2023-06-15
US10381716B2 (en) 2019-08-13
US20210266213A1 (en) 2021-08-26
US11736329B2 (en) 2023-08-22
CN116826399A (zh) 2023-09-29
US11025472B2 (en) 2021-06-01
US20190027823A1 (en) 2019-01-24
US10608859B2 (en) 2020-03-31
US11881977B2 (en) 2024-01-23
WO2018132511A1 (en) 2018-07-19
US20190173163A1 (en) 2019-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110402521B (zh) 多波束多输入多输出天线***和方法
US10483650B1 (en) Lensed antennas for use in cellular and other communications systems
US11799209B2 (en) Lensed base station antennas
EP3471211B1 (en) Base station antennas with lenses for reducing upwardly-directed radiation
CN109643839B (zh) 适合用于蜂窝和其它通信***的多频带多波束透镜式天线
US20050003864A1 (en) Antenna system
CN117461215A (zh) 透镜型多频段多波束多列双极化天线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 40016703

Country of ref document: HK

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant