具有用於控制波束寬度的介電板載荷的天線的製作方法

2023-04-29 06:16:02 2

本申請根據35u.s.c.§120要求下列美國臨時申請的優先權：2014年11月18日提交的美國臨時申請序列號62/081,226。該申請的公開以引用的方式併入本文。

本發明一般地涉及無線電通信。更具體地，本發明涉及修改用於蜂窩通信系統的天線方位角波束寬度。

背景技術：

對於常見的三扇區蜂窩(三蜂窩)基站應用，三個三扇區天線中的每一個通常都具有65°3db(半功率)的方位角波束寬度(azbw)。這樣的常規的三扇區天線可以使用單列輻射元件生成65°azbw。

可以採用六扇區基站小區來增加系統容量。具有33°-45°azbw的天線是最適用於六扇區應用的。將azbw從65°縮窄到33°-45°的傳統方式包括採用以水平和垂直間隔布置在常規平面反射器上的多列輻射元件陣列以達到期望的azbw。例如，對於45°azbw天線，兩列輻射元件可以被布置成水平間隔約為二分之一波長。對於33°azbw天線，典型地使用被布置成水平間隔約為二分之一波長的三列輻射元件。

輻射單元的每個附加列都增加了天線寬度和饋電網絡複雜度。最終的結果是為了使azbw窄於65°，所得出的天線將包括比常規的65°azbw天線更寬的反射器，相關聯的重量、風載荷和費用都增加。這對於每個小區站點處的基站塔的頂部上的空間是不利的，因為運營商在那裡是共享該空間的。

已經提出了透鏡天線(lensedantenna)來修改天線的波束寬度。參考《天線工程手冊》(antennaengineeringhandbook)，第四版，2007，麥格勞-希爾公司出版，p.18-3。這種類型的天線的主要缺點在於它需要具有不同形狀的大型透鏡，這對於在具有有限空間的塔頂安裝這種類型的天線而言是不可接受的。另外，製造這種形狀的透鏡可能是過分昂貴的。美國專利no.4,755,820中提出了另一種解決方案。在該專利中，介電載荷涉及覆蓋天線上半部分的半球透鏡。半球板的尺寸不合需要地大。

因此，由於塔頂空間限制，需要提供一種位於小殼體(envelope)中的較窄的azbw，且不具有大而昂貴的透鏡。

技術實現要素：

蜂窩天線組件可以包括輻射元件陣列以及在天線/基站天線前面的平的介電襯底材料板載荷，該介電襯底材料板載荷與天線相位中心間隔約半個波長。具有平介電板的天線的方位角波束寬度比沒有介電板的方位角波束寬度窄。例如，在均沒有明顯改變天線寬度或孔徑的情況下，使用具有平介電板的常規65°azbw天線可以將azbw減小到45°到33°之間。

波束寬度的縮窄量可通過改變介電板的厚度和介電常數來控制。這提供了使用不同的水平方位角波束寬度天線對無線通信網絡進行優化的可能性。平介電板的另一個優點是：與已知的天線透鏡相比，平介電板相對便宜、更易於製造、並且重量更輕。

附圖說明

圖1a是根據本發明的一個方面的蜂窩通信天線。

圖1b是圖1的通信天線的一部分的放大視圖。

圖2是來自65°azbw天線的單個輻射元件的輻射圖案的仿真。

圖3是根據本發明一個示例的單個輻射元件和示例性介電板的輻射圖案的仿真。

圖4是根據本發明的第二示例的單個輻射元件和示例性介電板的輻射圖案的仿真。

圖5是根據本發明的第三示例的單個輻射元件和示例性介電板的輻射圖案的仿真。

圖6是根據本發明的第四示例的單個輻射元件和示例性介電板的輻射圖案的仿真。

圖7是根據本發明一個示例的天線的測量的輻射圖案。

圖8是根據本發明的另一個方面的蜂窩通信天線。

圖9是根據本發明的另一個方面的蜂窩通信天線。

圖10是根據本發明的另一個方面的具有兩個陣列的蜂窩通信天線。

圖11是根據本發明的另一個方面的多頻帶蜂窩通信天線。

具體實施方式

在本文中參考附圖對本發明進行描述，附圖中示出了本發明的實施例。然而，本發明可以以許多不同形式體現，並且不應被解釋為限於本文所闡述的實施例。相反，提供這些實施例以使得本公開是徹底和完整的，並且向本領域技術人員傳達本發明的範圍。

本文使用的術語僅僅是為了描述特定實施例的目的，並不旨在限制本發明。除非上下文清楚地另有指示，如本文所使用的單數形式「a」、「an」和「the」旨在也包括複數形式。還將理解的是，當用在本說明書中時，術語「包括」和/或「包含」指定了所記述的特徵、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、部件、和/或其組合的存在或附加。

本文結合說明書和附圖公開了許多不同的實施例。將理解的是，逐字地描述和說明這些實施例的組合和子組合將是不適當地重複以及令人混淆的。因此，本說明書(包括附圖)將被解釋為對本文描述的實施例的全部組合和子組合、以及產生和使用它們的方式和過程的完整書面描述，並且應當支持對於任意的這樣的組合或子組合的權利要求。

參考圖1a和圖1b，示出了根據本發明的一個方面的天線20。天線包括反射器22、成列的輻射元件24的相控陣列、介電板26、以及連接到基本厚度均勻的介電板26和反射器22的多個支架28。如所示的，支架28將介電板定位在輻射元件24之上。圖1a中的介電板26可以包括具有基本均勻厚度的、基本平的並且連續的板，該板延伸天線的長度。在一個示例中，寬度為120毫米，其在至少輻射元件的寬度的大部分上方延伸。在一些優選的實施例中，介電板為3毫米至15毫米厚，並且具有在3到15的範圍中的介電常數。

如所示的，輻射元件24可以是交叉極化偶極子輻射元件24。其他類型的輻射元件也可以是可接受的。輻射元件24將具有在輻射元件24的最高工作頻率和最低工作頻率之間的中點附近處的標稱工作頻率。在本發明的一個方面中，如所示的，介電板26是基本平的，並且被支架28定位成位於標稱工作頻率下輻射元件24的相位中心之上約二分之一波長處。在一個實施例中，介電板被定位在輻射元件之上的0.4波長至0.6波長之間處。可以選擇介電板26的厚度和介電常數以達到期望的azbw。在一些實施例中，厚度的範圍可以為約2毫米至25毫米，介電常數為2或更大。

例如，圖2示出了單個交叉極化元件24的仿真輻射圖案。沒有任何介電板的元件在1.94ghz處具有62.6°的azbw。

圖3是具有間隔置於輻射元件24之上的介電板26的相同交叉極化元件24的輻射圖案的仿真的圖示。在這個示例中，材料為介電常數4.6的fr4。板的厚度為10毫米，並且與輻射元件間隔77.5毫米，這略小於二分之一波長。在1.94ghz下，azbw為48.5°。

圖4是具有介電板26的第二示例的交叉極化元件24的輻射圖案的仿真的圖示。在這個示例中，材料為tmm10，該材料可從羅傑斯公司(rogerscorp)獲得。該材料的介電常數為10。厚度保持為10毫米厚，並且與輻射元件24的間隔保持為77.5毫米。在1.94ghz下，azbw為42.5°。

圖5是具有介電板26的第三示例的交叉極化元件24的輻射圖案的仿真的圖示。在這個示例中，介電常數為15。厚度保持為10毫米厚，並且與輻射元件的間隔保持為77.5毫米。在1.94ghz下，azbw為39.8°。

圖6是具有介電板26的第四示例的交叉極化元件24的輻射圖案的仿真的圖示。在這個例子中，材料為玻璃纖維增強聚酯(glassreinforcedpolyester)，並且介電常數為4.1。厚度為9.5毫米厚，並且與輻射元件的間隔保持為77.5毫米。在1.94ghz下，azbw為49.45°。

圖7示出了來自如圖1a和圖1b所示的那樣配置的、具有圖6的示例性介電材料的天線的實際試驗結果。在這個示例中，天線20基於常規的康普(commscope)hbx-6516ds天線，該天線是65°高頻帶交叉極化天線。如圖6中所仿真的，介電板26被添加到天線20。具體而言，介電板具有4.1的介電常數以及9.5毫米的厚度。介電板與輻射元件間隔77.5毫米。結果是在1.71ghz下azbw為56°，在1.94ghz下azbw為51°，在2.17ghz下azbw為48°。標準hbx-6516ds天線的基準結果為在1.71ghz下為69°，在1.94ghz下為64°，在2.17ghz下為61°。所觀察到的azbw的縮窄與仿真一致。

使用支架28來定位介電板26不是必要的。例如，在一個備選實施例中，介電板26可以附接到天線罩(radome)並通過天線罩定位。在另一個實示例中，可以使用本發明的教導來設計天線罩，並且天線罩可以將波束縮窄結構集成到天線罩本身當中。

圖8中示出了介電板26的替代性實施例。在這個示例中，介電板26包括多個較短的介電板分區26(a)、26(b)、26(c)、26(d)、26(e)，這些分區沒有延伸天線的長度。製造如圖8中所示的分區的介電板26可以提高可製造性、提供設計的模塊性、以及減少製造成本。介電板26的形狀也可以變化，例如介電板的形狀可以是圓、八角形、或其他幾何形狀。

參考圖9，示出了介電板26的另一個替代性實施例。在這個示例中，介電板26包括介電材料的多個層30、32。從多個層來構建介電板26允許波束圖案的定製。例如，如果介電板是5毫米厚，則使用一個層、兩個層或者三個層來組裝給定的天線將分別提供5毫米、10毫米和15毫米的介電板。在這種情況下，azbw將隨著層被添加到介電板而逐漸變得更窄。

圖8和圖9中所公開的替代性實施例不是相互排斥的。分區介電板也可以被製造為具有層。

參考圖10，示出了雙陣列天線40。在圖10所示的示例中，每個陣列包括如圖1a和圖1b中所示的天線陣列。雙陣列天線40允許對azbw的進一步控制。如上所述，介電板26可以是統一的、分區的、和/或分段的。該技術還可以用於多陣列天線。

本發明可以被擴展到雙頻帶天線或多頻帶天線。然而，由于波長與頻率成反比，所以輻射元件24距離反射器22的高度，以及介電板26與輻射元件24的間隔針對不同的頻帶將是不同的。參考圖11，如所示的，對於不同頻帶中的每個輻射器陣列，介電板26可以被放置在距離其相應的輻射元件合適的(二分之一波長)高度處。在圖11的示例中，天線50包括具有低頻帶介電板52的低頻帶(例如698-896mhz)輻射元件列和兩個高頻帶輻射元件列，每個高頻帶列也具有高頻帶介電板54。低頻帶介電板52與低頻帶輻射元件間隔二分之一低頻帶波長，並且高頻帶板54與高頻帶輻射元件間隔約二分之一高頻帶波長。

雖然已經參考具體的示例實施例描述了本發明的實施例，但將清楚的是，可以對這些實施例進行各種修改和更改，而不背離本發明的更廣泛的精神和範圍。因此，說明書和附圖應該在說明性而不是限制性的意義上看待，並且本發明旨在僅限於附加的權利要求和可適用的法律規則所要求的範圍。

提供了本發明的摘要以符合37c.f.r.§1.72(b)，該條款要求將允許讀者快速確定技術公開的性質的摘要。該摘要是在理解摘要將不被用於解釋或限制權利要求的範圍或含義的情況下提交的。另外，在前述說明書中，可以看到為了簡化公開的目的而在單個實施例中將各種特徵組合在一起。這種公開方法不應被解釋為所要求保護的實施例要求比在每個權利要求中明確記載的特徵更多的特徵。相反，如下列權利要求反映的，發明性主題可以在於少於單個公開的實施例的所有特徵。因此，下面的權利要求特此合併到說明書中，每個權利要求獨立作為一個單獨的實施例。