球面龙勃透镜增强的紧凑型多波束天线的制作方法

球面龙勃透镜增强的紧凑型多波束天线


背景技术：
发明领域
1.本发明涉及无线通信，更具体地涉及紧凑型多波束天线。相关技术
2.对紧凑型天线能够以扇区之间最小的增益方向图重叠提供多扇区覆盖存在强烈需求。扇区增益方向图之间的旁瓣重叠会导致严重的扇区间干扰，这会严重降低天线的sinr(信号与干扰和噪声比)。天线越紧凑，扇区间干扰问题就越严重。相应地，减轻扇区间干扰问题通常牵涉到增加天线的尺寸。
3.传统多波束天线的另一个不足是它们的波束配置通常固定。相应地，给定的天线可以具有三个120度扇区，或者六个60度扇区，等等，但是一旦固定就不能重新配置。
4.相应地，需要一种紧凑的多波束天线，其大幅减轻扇区间干扰，同时还提供针对不同数量和角度范围的扇区动态地重新配置自身的能力。


技术实现要素：

5.相应地，本发明针对一种球形龙勃透镜增强的紧凑多波束天线，其消除了由于相关技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题。
6.本发明的一个方面涉及一种天线，其包括球对称梯度折射率透镜和围绕球对称梯度折射率透镜以第一环形配置设置的第一多个辐射器，所述第一多个辐射器中的每一个具有指向球对称梯度折射率透镜的中心的中心辐射轴线。
7.应当理解，上文的概括性描述及下文的详细描述都只是示例性和解释性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。
附图说明
8.附图并入本文并构成说明书的一部分，这些附图示出了球形龙勃透镜增强的紧凑型多波束天线。附图与描述一起进一步用于解释本文描述的球形龙勃透镜增强的紧凑型多波束天线的原理，从而使相关领域的技术人员能够制造和使用球形龙勃透镜增强的紧凑型多波束天线。
9.图1a示出了根据本公开文本的示例性天线。
10.图1b示出了根据本公开文本的示例性喇叭形凹口辐射器。
11.图1c示出了具有多个喇叭形凹口辐射器的辐射器环的一部分。
12.图1d从垂直于天线仰角轴线的取向示出了示例性天线。
13.图2示出了具有辐射器环的示例性天线，该辐射器环具有更陡的纬度取向。
14.图3是根据本公开文本的示例性龙勃透镜的剖视图。
15.图4是根据本公开文本的示例性天线的俯视图，提供了天线的龙勃透镜内的同心壳体和中心球体及其辐射器环的剖视图。
16.图5描绘了具有发射rf信号的一个喇叭形凹口辐射器110的示例性天线，示出了由龙勃透镜发射的示例性波束。
17.图6示出了对应于相互激活的六个相邻的喇叭形凹口辐射器110的示例性增益方向图，每个辐射器具有20度的波束宽度，以创建120度的扇区。
18.图7a示出了具有两个辐射器环的示例性天线的透视图。
19.图7b示出了具有两个辐射器环的示例性天线的另一个透视图。
20.图8a示出了具有180度部分圆弧辐射器环的示例性天线。
21.图8b示出了具有120度部分圆弧辐射器环的示例性天线。
22.图9示出了根据本公开文本的具有竖直和水平极化辐射器的示例性天线。
具体实施方式
23.现在将详细参考根据本文参考附图描述的原理的球形龙勃透镜增强的紧凑型多波束天线的实施方案。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
24.图1a示出了根据本公开文本的示例性天线100。天线100包括辐射器环105，该辐射器环包括多个喇叭形凹口辐射器110。辐射器环105围绕球对称梯度折射率透镜，例如龙勃透镜115。在图示的示例中，辐射器环110具有十八个喇叭形凹口辐射器(也称为vivaldi辐射器或渐缩槽辐射器)。进一步对此示例，天线100被配置为在1695mhz到4300mhz的频率范围内工作；龙勃透镜的直径为400mm；并且十八个喇叭形凹口辐射器110中的每一个被配置成以大约20度宽的增益方向图辐射。辐射器环105可以包含龙勃透镜115，围绕龙勃透镜的球体中心105居中设置，其仰角轴线120与龙勃透镜的球体中心105相交，使得辐射器环105围绕仰角轴线120以轴对称方式设置。
25.龙勃透镜115是具有同心梯度折射率的球体。它们在微波工程领域是已知的。龙勃透镜115可以从球体中心到其外表面具有连续的折射率等级。可选地，龙勃透镜115可以具有折射率阶梯梯度。龙勃透镜115用于基本上聚焦和平面化由每个喇叭形凹口辐射器110发射的rf波前，由此每个喇叭形凹口辐射器110朝向龙勃透镜115的球体中心向内辐射。作为接收器，龙勃透镜115将基本上平面的波前聚焦到由给定的喇叭形凹口辐射器110限定的孔中。示例性天线100的龙勃透镜115具有400mm的直径，尽管变化的直径是可能的并且在本公开文本的范围内。示例性龙勃透镜115将在下面进一步详细描述。龙伯透镜可以由任何合适的材料制成，包括例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)，其具有介电常数3和合理的损耗角正切。可以使用其他热塑性聚合物。龙伯透镜可以通过3d打印或其他合适的方法制成。
26.图1b示出了根据本公开文本的示例性喇叭形凹口辐射器110。喇叭形凹口辐射器110具有导电板112，该导电板具有切口，该切口限定了行波槽145、槽线150和槽线终端腔155。喇叭形凹口口辐射器110还包括具有外导体132和内导体134的同轴馈源130。如图1b所示，外导体132在导电板112与同轴馈源130匹配的点处联接到导电板112。内导体134在导电板112与同轴馈源130匹配的点处穿过导电板112并且穿过槽线150，所述同轴馈源被电介质(未示出)包覆，在槽线150的另一侧，内导体联接到导电板112。
27.行波槽145可以限定中心辐射轴线135，该中心辐射轴线基本上限定了喇叭形凹口辐射器110的增益方向图的中心轴线。喇叭形凹口辐射器110还具有两个前边缘140，各自位于行波槽145的一侧。前边缘140限定了喇叭形凹口辐射器110的接触龙勃透镜115的外表面
的部分。
28.喇叭形凹口辐射器110可以是传统的种类，其尺寸参数根据期望的频率和带宽设置。
29.导电板112可以由铜、铝、黄铜或其他金属形成。此外，导电板112可以由薄板形成。使每个喇叭形凹口辐射器110(以及辐射器环105)由薄板形成可以减少其对辐射器环105的相对侧(在龙勃透镜115的另一侧)上的喇叭形凹口辐射器110的增益方向图的干扰。
30.图1c示出了辐射器环105的一部分，其具有多个喇叭形凹口辐射器110。示出了它们的组合前边缘140和它们各自的中心辐射轴线135，所述组合前边缘接触龙勃透镜115的外表面(未示出)，每个中心辐射轴线可以与龙勃透镜115的球体中心相交。
31.图1d从垂直于仰角轴线120的取向示出了示例性天线100。如图所示，在示例性天线100中，辐射器环105被定向并且设置在龙勃透镜115上，使得其具有4度的纬度偏离。相应地，辐射器环105的每个喇叭形凹口辐射器110被定向成使得其中心辐射轴线135从4度的纬度偏离与龙勃透镜115的球体中心相交。进一步，每个喇叭形凹口辐射器110的前边缘140基本上接触龙勃透镜115，使得每个前边缘140沿着位于龙勃透镜115的赤道面125上方4度纬度的纬度平面接触龙勃透镜115，由此龙勃透镜115的赤道面125与于仰角轴线120正交。
32.辐射器环105的示例性4度纬度偏离使得每个喇叭形凹口辐射器110以4度角向下瞄准其增益方向图。这样，由辐射器环105(和龙勃透镜115)的相对侧上的喇叭形凹口辐射器110的存在而引起的干扰被减少。进一步，在天线100安装在预期覆盖区域中的用户设备(ue)上方的部署中，使喇叭形凹口辐射器110的增益方向图指向下方可能是有利的。
33.图2示出了根据本公开文本的另一个示例性天线200。图2的图示处于与图1d相同的取向，因为视图沿着赤道面125，并且仰角轴线120竖直定向。天线200的不同之处在于辐射器环205被定向成使得喇叭形凹口辐射器110的前边缘140沿着以10度偏离赤道轴线125的纬度平面接触龙勃透镜115。喇叭形凹口辐射器110的中心辐射轴线135因此以相对于赤道面125成10度的角度和相对于仰角轴线120成80度的角度与龙勃透镜115的球体中心相交。
34.如同天线100一样，辐射器环205的示例性10度纬度偏离使得每个喇叭形凹口辐射器110以10度的角度向下瞄准其增益方向图，天线200相对于天线100进一步向下瞄准其各自的增益方向图。这样，由辐射器环205(和龙勃透镜115)的相对侧上的喇叭形凹口辐射器110的存在引起的天线200所受的干扰也相对于天线100进一步减小。相似地，在天线100安装在预期覆盖区域中的ue上方的部署中，使喇叭形凹口辐射器110的增益方向图指向下方可能更有利。天线200的复杂之处在于制造具有10度纬度偏离的辐射器环205可能比制造具有4度偏离的辐射器环更复杂。
35.天线100/200的变型是可能的并且在本公开文本的范围内。例如，辐射器环105可以是扁平的，并且围绕龙勃透镜115的赤道面125形成。这可能会使辐射器环制造起来更容易，成本也更低。尽管这可能以辐射器环105和龙勃透镜115的相对侧的辐射器对每个喇叭形凹口辐射器110的干扰增加为代价，但是这是可以容忍的，尤其是如果辐射器环105由非常薄的金属形成。此外，取决于天线100/200可以如何部署及其预期覆盖范围，辐射器环105的纬度角度可以大于10度。存在一个权衡，即随着辐射器环105的纬度角增大，干涉效应会削弱，但是由于具有更高纬度的辐射器环105的直径减小，用于喇叭形凹口辐射器110的空
间就会减小。相应地，可以在减少干扰但减少喇叭形凹口辐射器110之间权衡。应当理解，这种变型是可能的，并且在本公开文本的范围内。
36.图3是根据本公开文本的示例性龙勃透镜115的剖视图。示例性龙勃透镜115可以由围绕中心球体310形成的一系列同心壳体305制成。在该实施例中，每个单独的壳体305均具有均匀且不同的折射率。每个壳体305的折射率可以根据以下关系预确定，其中，εr是相对介电常数，r是透镜的半径，并且r是从给定壳体305到龙勃透镜115的球体中心的径向距离。在示例性实施方案中，龙勃透镜115可以具有200mm的外表面半径，并且由围绕中心球体310形成的9个壳体305形成。这些壳体的相对介电常数可以如下：可以如下：
37.上述示例性龙勃透镜115可以为具有最小旁瓣的界限清晰的波束提供足够的聚焦，以使天线100/200在1695mhz到4300mhz的频率范围内工作，使用十八个喇叭形凹口辐射器110，每个具有20度的波束宽度。应当理解，如上所述，龙勃透镜115的变型是可能的，并且在本公开文本的范围内。例如，龙勃透镜115可以由梯度折射率球体形成，涉及由三维网格支架支撑的3d打印元件，以及用于形成具有梯度折射率的球体的其他技术，所述梯度折射率在中心具有最大折射率，在表面具有最小折射率。
38.图4是沿着天线100/200的仰角轴线120的俯视图，提供了龙勃透镜115内的不同壳体305和中心球体310以及辐射器环105/205的剖视图。
39.图5描绘了示例性天线200，其具有一个以2650mhz发射rf信号的喇叭形凹口辐射器110。在图示中，有源喇叭形凹口辐射器被龙勃透镜115遮挡，因此在图5中未示出。聚焦的波束500通过龙勃透镜115的与有源喇叭形凹口辐射器相对的一侧发射。
40.天线100/200可以以不同的配置工作，以提供不同的波束宽度和不同数量的独立波束。例如，如果每个喇叭形凹口辐射器110独立工作，天线100/200可以实现十八个不同的扇区，每个扇区具有重叠最小的20度波束宽度。可选地，邻近喇叭形凹口辐射器110的不同组合可以共同馈电，使得天线100/200可以具有更少的扇区和更宽的覆盖范围。根据馈电电
路(未示出)，天线100/200可以动态地重新配置以提供不同的扇区覆盖或波束扫描。例如，天线100/200可以被配置成使得喇叭形凹口辐射器110可以被分组为三个圆弧，每个圆弧具有6个喇叭形凹口辐射器。这形成三扇区天线，每个扇区具有120度的覆盖范围。相似地，天线100/200可以被馈电成以六个60度覆盖范围的扇区或十二个30度覆盖范围的扇区工作。应当理解，这种变型是可能的，并且在本公开文本的范围内。
41.图6示出了对应于相互激活的六个相邻的喇叭形凹口辐射器110的示例性增益方向图600，每个辐射器具有20度的波束宽度，以创建120度的扇区。如图所示，增益方向图600具有最小的后波瓣605和与相邻扇区的最小重叠610(快速滚降)。通过激活相邻的喇叭形凹口辐射器110实现的波束成形可以提供波束质量的显著改善和最小的扇区间干扰。
42.进一步对此示例，在激活多个相邻的喇叭形辐射器110时，每个喇叭形凹口辐射器110可以被分配不同的功率水平，使得位于相邻喇叭形凹口辐射器集群中心的喇叭形凹口辐射器110可以被以更大的功率馈电，并且远离中心喇叭形凹口辐射器110设置的喇叭形凹口辐射器110可以被以更小的功率馈电。激活的喇叭形凹口辐射器110的这种差分供电可以有助于改善波束成形。应当理解，这种变型是可能的，并且在本公开文本的范围内。
43.图7a和图7b示出了示例性天线700，其可以基本上类似于天线100/200，但是其具有另外的辐射器环705。可以设置辐射器环105和705的纬度平面，以提供两个独立的仰角扇区(沿着仰角轴线120)以及任意数量的方位角扇区组合(围绕仰角轴线120)。辐射器环105和705可以具有相同数量的或不同数量的喇叭形凹口辐射器110，这取决于辐射器环705的半径。进一步，喇叭形凹口辐射器110可以被组合使得一个辐射器可以与另一个上/下环中的对应辐射器配对，以形成具有改进的波束成形和沿着仰角轴线以及方位角中的扇区化的组合波束。这可以针对单个20度波束、60度扇区、120度扇区等实施。
44.进一步对于图7a和图7b所示的示例，示例性天线700可以具有沿着更高纬度平面设置的另外的辐射器环(未示出)。在该实施例中，辐射器环沿仰角轴线“越高”，来自辐射器环相对侧上的喇叭形凹口辐射器110的干扰减小，性能越好，尽管在更高纬度的辐射器环上的喇叭形凹口辐射器110可能更少。例如，透镜顶部较高的环的放置引起透镜下方较大的波束倾斜角，例如，赤道上方30度的环的放置将引起赤道下方30度的波束倾斜角。拥有更多纬度增大的辐射器环的另一个优点是，它能够在两个维度上实现扇区化和波束成形：沿仰角轴线以及方位角。这可以实现覆盖天线700的整个基本半球覆盖区域的多个独立波束的波束成形，并且可以在覆盖区域内提供多用户mimo能力。进一步，相对于更靠近龙勃透镜115的赤道面的辐射器环的相应的喇叭形凹口辐射器110，更高纬度辐射器环的喇叭形凹口辐射器110可以被提供以更高的功率。
45.图8a和图8b分别示出了示例性天线800a和800b，这两个天线都具有部分圆弧辐射器环或“圆弧配置”。天线800a具有辐射器“环”805a，其可以是天线100/200的辐射器环105的二分之一圆弧。辐射器环805a可以具有九个喇叭形凹口辐射器110，或者可以具有更多或更少的喇叭形凹口辐射器，这取决于期望的最小波束宽度。天线800a可用于预期覆盖范围局限在180度的区域的部署。相似地，天线800b具有辐射器“环”805b，其具有天线100/200的辐射器环105的三分之一圆弧。辐射器环805b可以具有六个喇叭形凹口辐射器110，或者可以具有更多或更少的喇叭形凹口辐射器，这取决于期望的最小波束宽度。天线800b可用于预期覆盖范围局限在120度的区域的部署。天线800a/800b的一个优点是喇叭形凹口辐射器
110不会由于在龙勃透镜115的相对侧上具有喇叭形凹口辐射器110受到干扰。对于天线800b来说尤其如此。由在龙勃透镜115的相对侧上的喇叭形凹口辐射器110的存在引起的干扰沿着仰角轴线(正交于由喇叭形凹口辐射器110的导电板112限定的平面并且正交于中心辐射轴线135)最明显，在这种情况下旁瓣可能出现在每个喇叭形凹口辐射器110的中心辐射轴线135的上方和下方。相应地，天线800b可能最不受这种干扰的影响。
46.图9示出了根据本公开文本的示例性天线900。上述辐射器环105/805a/805b的喇叭形凹口辐射器110以水平极化辐射能量(假设赤道面125水平定向)。天线900可以基本上类似于天线100/200/800a/800b，但是其具有设置在辐射器环105/805a/805b上的竖直定向的喇叭形凹口辐射器912，形成双极化辐射器环905。竖直定向的喇叭形凹口辐射器912的添加使得天线900能够以竖直和水平极化辐射。这可以改善天线900和给定ue之间的链路质量(通过在两种极化状态下辐射给定信号)，并且还为给定ue提供了另外的mimo能力(通过在两种极化状态下辐射不同信号)。在一种变型中，天线900可以具有部分圆弧辐射器环，使得辐射器环905可以覆盖180度或120度的圆弧，类似于辐射器环805a/805b。由于来自存在于龙勃透镜115的相对侧上的喇叭形凹口辐射器110的干扰可能在正交于竖直定向的喇叭形凹口辐射器912的导电平面112的方向和正交于其中心辐射轴线135的方向上引起旁瓣，并且由于竖直定向的喇叭形凹口辐射器912各自布置在由每个最近的邻近的竖直定向喇叭形凹口辐射器912限定的平面中，该干扰可能具有增加的影响。
47.在另一变型中，天线900可以具有多个辐射器环，类似于天线700a/700b及其变型，每个辐射器环905具有竖直定向的喇叭形凹口辐射器912。这些多个辐射器环905可以围绕龙勃透镜115跨越整个360度，或者可以具有部分圆弧(例如，180度或120度等)。应当理解，这种变型是可能的，并且在本公开文本的范围内。
48.尽管示例性辐射器环105/205/705/805a/805b/905已经被描述为具有以20度间隔开的喇叭形凹口辐射器110，每个辐射器具有20度的波束宽度，但是应当理解，对此的变型是可能的并且在本公开文本的范围内。例如，通过使喇叭形凹口辐射器100间隔得更近，可以提供将更多波束(每个喇叭形凹口辐射器110一束)组合在一起以形成给定扇区的机会。更具体地，如图6所示，六个喇叭形凹口辐射器110可以被组合以形成120度波束，该波束具有优越的波束形状和快速滚降。通过减小喇叭形凹口辐射器110之间的间隔，可以组合更多的喇叭形凹口辐射器来形成120度波束(例如，组合九个而不是六个喇叭形凹口辐射器110)，从而改善波束成形。更紧密地间隔在一起的喇叭形凹口辐射器110可以增加每个喇叭形凹口辐射器110的增益方向图中的旁瓣。这些通常在由辐射器环105/205/705/805a/805b/905限定的平面内组合，但是不在正交于该平面的方向(例如，上/下)上组合。
49.尽管如上所述的上述示例性天线覆盖了1695mhz到4300mhz，但是应当理解，变型是可能的并且在本公开文本的范围内。例如，天线100/200/700a/700b/800a/800b/900(在下文中称为“示例性天线”)可以被缩放以在不同的频率范围内工作。例如，具有直径大约为1米的龙勃透镜115可以为低波段(lb)频率提供上述所有能力。
50.龙勃透镜115直径与预期频带的关系可以描述如下。在给定期望的最小扇区波束宽度的情况下，龙勃透镜115的直径决定了示例性天线可以工作的频率的下限。例如，如果期望的最小扇区波束宽度是60度，那么两种方法中有一种是可能的。首先，如果龙勃透镜115的直径是固定的，那么存在一个最小频率，在该频率下，单个喇叭形凹口辐射器110将提
供60度的波束宽度。在这种情况下，可能没有波束成形的机会，因为扇区波束宽度完全由单个喇叭形凹口辐射器110限定。第二，如果最小频率是固定的，那么可以限定龙勃透镜115的直径，使得单个喇叭形凹口辐射器110的波束宽度为60度。相应地，如果已知所需的频率范围下限和最小扇区波束宽度，则可以将龙勃透镜115的直径设置为满足这些要求的最小直径。
51.尽管龙勃透镜115的直径规定了示例性天线的最小工作频率，但是示例性天线的最大工作频率由龙勃透镜115的集成度决定。例如，示例性天线被配置为在1695mhz到4300mhz的频率范围内工作。取决于所采用的喇叭形凹口辐射器110，示例性天线的最大频率可以延伸到毫米波频段。随着频率的增加，每个单独的喇叭形凹口辐射器110的波束宽度收紧成更窄的波束。工作频率的高端限制由龙勃透镜115的集成度驱动，使得频率越高，需要的折射率梯度越连续精细。相应地，如关于图3和图4所述的由一系列同心壳体组成的龙勃透镜115可能不能提供足够的分辨率来为高频波束提供足够的聚焦。在这种情况下，可能需要具有更精细粒度的折射率梯度的龙勃透镜115。
52.示例性天线可以相应地针对不同的频率范围进行缩放。例如，对于在24ghz至30ghz下工作的天线，如果打算使用十八个各自具有20度波束宽度的元件，则龙勃透镜115的示例性直径可以在25mm至50mm之间。如果期望窄波束宽度，直径可以大于50mm。
53.上述示例性天线一般指宽带天线。宽带性能通常通过使用喇叭形凹口辐射器110来实现。然而，也可能有针对窄带天线的变型。在这种情况下，可以使用除喇叭形凹口辐射器之外的辐射器，只要窄带辐射器具有可以邻接龙勃透镜115的外表面的辐射表面或边缘即可。这方面的一个例子可能包括对数周期辐射器，例如印刷电路对数周期辐射器。可以使用贴片辐射器，不过贴片邻接龙勃透镜115的外表面的角度范围可能会抑制透镜的聚焦作用，导致不太理想的波束形状。
54.虽然上面描述了本发明的各种实施方案，但是应当理解，这些实施方案仅仅是作为举例而非限制呈现的。相关领域技术人员应明白，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出形式和细节方面的各种改变。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施方案的限制，而是应仅根据以下权利要求书及其等效物来限定。