用于减少向上定向的辐射的带有透镜的基站天线的制作方法

根据美国法典第35条第119款,本申请要求2017年9月29日提交的美国临时专利申请序列no.62/565,284和2017年12月1日提交的美国临时专利申请序列no.62/593,425的优先权，通过引用的方式将上述两者的内容合并于此，如同其被完整阐述一样。

本发明涉及蜂窝通信系统，并且更具体地涉及用于蜂窝通信系统的基站天线。

背景技术：

蜂窝通信系统在本领域中是公知的。在典型的蜂窝通信系统中，地理区域被划分为一系列被称为“小区”的区域，并且每个小区由基站服务。通常，小区可以为例如距离基站2-20公里的距离内的用户提供服务，尽管较小的小区通常用于城市地区以增加容量。基站可以包括基带设备、无线电和天线，其被配置为提供与定位在整个小区中的固定和移动订户(“用户”)的双向射频(“rf”)通信。在许多情况下，小区可以被划分为多个“扇区”，并且单独的天线为每个扇区提供覆盖。天线通常安装在塔架或其他凸起结构上，由每个天线产生的辐射束(“天线波束”)向外指向以服务相应的扇区。通常，基站天线包括一个或多个相控阵列的辐射元件，当天线安装使用时，辐射元件布置在一个或多个垂直列中。这里，“垂直”是指相对于由地平线限定的平面垂直的方向。

为了增加容量，近年来蜂窝运营商已经部署了所谓的“小小区”蜂窝基站。小小区基站是指可以在许可和/或未许可频谱中操作的低功率基站，其具有比典型的“宏小区”基站小得多的范围。小小区基站可以被设计为服务于小地理区域(例如，小小区基站的数十或数百米)内的用户。例如，可以使用小小区来向宏小区内的高通信量区域提供蜂窝覆盖，这允许宏小区基站卸载小小区基站附近的大部分或全部通信量。小小区在长期演进(“lte”)蜂窝网络中可以特别有效地使用可用频谱以合理的成本最大化网络容量。小小区基站通常采用天线，其在方位角平面中提供全360度覆盖，在仰角平面中提供合适的波束宽度以覆盖小小区的设计区域。在许多情况下，小小区天线将被设计成在仰角平面中具有小的下倾角，以减少小小区天线的天线波束溢出到小小区外部的区域，并且还用于减少小小区与重叠的宏小区之间的干扰。

图1a是传统的小小区基站10的示意图。如图1a所示，基站10包括可以安装在凸起结构30上的天线20。在所示实施例中，结构30是小型天线塔，但是应理解可以使用各种各样的安装位置，包括例如电线杆、建筑物、水塔等。对于由基站天线服务的至少一些频带，天线20可以被设计为在方位角平面中具有全向天线方向图，这意味着由天线20产生的至少一个天线波束可以延伸穿过方位角平面内的整个360度圆。

如图1a中进一步所示，小小区基站10还包括基站装备，例如基带单元40和无线电装置42。图1a中示出了单个基带单元40和单个无线电装置42以简化附图，但是应该理解，可以提供一个以上的基带单元40和/或无线电42。另外，虽然无线电42被示为与天线塔30的底部处的基带装备40共同定位，但是应当理解，在其他情况下，无线电42可以是安装在邻近天线20的天线塔30上的远程无线电头。基带单元40可以从另一个源(例如，回程网络(未示出))接收数据，并且可以处理该数据并向无线电42提供数据流。无线电42可以生成包括在其中编码的数据的rf信号，并且可以放大并将这些rf信号传送到天线20以经由电缆连接44进行传输。还应当理解，图1a的基站10通常将包括各种其他装备(未示出)，诸如例如电源、备用电池、电源总线、天线接口信号组(“aisg”)控制器等。

图1b是天线波束60的若干视图的组合，天线波束60在方位角平面中具有可由天线20产生的全向方向图。具体地，图1b包括天线波束60的透视三维视图(标记为“3d方向图”)以及其方位角和仰角方向图的图。通过在三维天线波束60的中间取水平横截面来产生方位角方向图，并且通过在三维波束60的中间取垂直横截面来产生仰角方向图。图1b中的三维方向图示出了三维中产生的天线波束的一般形状。可以看出，天线波束60在方位角平面中延伸整个360度，并且天线波束60可以在方位角平面中的所有方向上具有几乎恒定的增益。在仰角平面中，天线波束60在靠近地平线的仰角(例如，在-10°和10°之间的仰角)处具有高增益，但是增益在地平线上方和下方都显著下降。因此，天线波束60在方位角平面中是全向的并且在仰角平面中是方向性的。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提供了基站天线，其包括从背板向前延伸并且被配置为发送和接收5.15-5.25ghz频带中的信号的辐射元件以及安装在辐射元件前方的射频透镜。rf透镜被配置为向下重定向由辐射元件发射的rf信号的一部分，使得以相对于所述辐射元件的视轴指向方向大于30°的仰角通过所述辐射元件和所述rf透镜的组合的rf能量的第一峰值发射小于以相对于所述辐射元件的视轴指向方向小于-30°的仰角通过所述辐射元件和所述rf透镜的组合的rf能量的第二峰值发射。

根据本发明的进一步实施例，提供了基站天线，其包括第一垂直延伸的辐射元件的线性阵列和安装在第一辐射元件的前方的rf透镜，第一垂直延伸的辐射元件的线性阵列包括安装在第一背板前面的至少第一辐射元件和第二辐射元件。在垂直于第一背板并且延伸穿过第一辐射元件的中心的水平轴下方的rf透镜的第一部分具有比在水平轴上方的rf透镜的第二部分大的平均厚度。

根据本发明的又一些实施例，提供了基站天线，其包括辐射元件的多个线性阵列和多个rf透镜，每个rf透镜安装在相应的一个辐射元件的前方。每个rf透镜关于将其对应的一个辐射元件一分为二的水平轴不对称。

根据本发明的另外的实施例，提供了基站天线，其包括辐射元件和安装在辐射元件前方的rf透镜。rf透镜被配置为增加由辐射元件发射的rf信号的方位波束宽度，并且还向下重定向由辐射元件发射的rf信号的一部分，使得以相对于所述辐射元件的视轴指向方向大于30°的仰角通过所述辐射元件和所述rf透镜的组合的rf能量的第一峰值发射小于以相对于所述辐射元件的视轴指向方向小于-30°的仰角通过所述辐射元件和所述rf透镜的组合的rf能量的第二峰值发射。

根据本发明的又一些实施例，提供了基站天线，其包括当安装基站天线以供使用时沿垂直轴延伸的背板，安装成从背板向前延伸的辐射元件和安装在辐射元件的前方的rf透镜。rf透镜被配置为将由辐射元件发射的rf能量聚焦在仰角平面中，同时使由辐射元件发射的rf能量在方位角平面中散焦。

根据本发明的另外的进一步的实施例，提供了基站天线，其包括当安装基站天线以供使用时沿垂直轴延伸的背板，安装成从背板向前延伸的辐射元件和安装在辐射元件的前方的rf透镜。rf透镜的有效厚度沿着通过辐射元件的水平中心截取的水平横截面具有大致凹形的形状，并且沿着通过辐射元件的垂直中心截取的垂直横截面具有大致凸形的形状。

根据本发明的另外的实施例，提供了基站天线，其包括安装在辐射元件前方的rf透镜。rf透镜包括至少第一和第二材料，其具有不同的第一和第二介电常数，第二介电常数小于第一介电常数，其中具有第二介电常数的材料在大致垂直方向或大致水平方向上延伸穿过rf镜头。

附图说明

图1a是图示了传统小小区蜂窝基站的简化示意图。

图1b提供了可以由图1a的传统小小区基站的天线生成的天线波束的若干视图。

图2是示出基站天线的示意性透视图，该基站天线被配置为在unii-1频带中发送和接收信号。

图3是示出图2的基站天线的各种透镜辐射元件的仰角方向图的曲线图。

图4a是示出根据本发明的实施例的透镜基站的反射器组件和辐射元件的高度简化的示意性透视图。

图4b是图4a的基站天线的物理实现的透视图，其中天线罩被移除。

图4c是图4a的基站天线的示意性侧视图，其中天线罩和两个rf透镜被移除。

图4d是图4a的基站天线的示意性顶视图。

图5a和5b是示出可以包括在图4a-4d的基站天线中的示例馈送网络的框图。

图6是表示图4a-4d的基站天线的各种透镜辐射元件的正视图的曲线图。

图7是说明图4a-4d的基站天线中包括的rf透镜的基本操作的示意图。

图8a是示出根据本发明实施例的多频带透镜基站的反射器组件和辐射元件的高度简化的示意性透视图。

图8b是图8a的基站天线的物理实现的局部透视图。

图9是说明包含在图8a-8b的基站天线中的中频带线性阵列的馈送网络的方框图。

图10a和10b是示出图8a-8b的小小区基站天线的中频带天线波束的方位角和仰角截面的曲线图。

图11是根据本发明实施例的另一多频带小小区基站天线的示意性透视图。

图12a是示出根据本发明又一些实施例的四频带基站天线的示意图。

图12b是说明图12a的小小区基站天线的低频带辐射元件如何可以连接到四端口无线电装置的方框图。

图13a-13f是示出根据本发明实施例的基站天线的不同示例镜头设计的示意图。

图14a-14d是可以在根据本发明实施例的某些基站天线中使用的5ghz交叉偶极子辐射元件的各种视图。

图15a和15b是根据本发明进一步实施例的示例性透镜的示意性设计。

图16a和16b分别是两个辐射元件和被设计成将辐射聚焦在仰角平面中并减少向上辐射的相应的相关rf透镜的侧视图和俯视图。

图16c是说明图16a-16b的rf透镜的水平横截面如何可以近似凸起形状的示意图。

图17a-17c是一对rf透镜的透视图、侧视图和俯视图，其配置成将辐射聚焦在仰角平面中并减小向上辐射同时使辐射在方位角平面中散焦。

图18a和18b分别是由具有不同介电常数的材料形成的一对rf透镜的正视图和截面图，所述透镜被配置成将辐射聚焦在仰角平面中并减少向上辐射，同时使辐射在方位角平面中散焦。

图18c是图18a-18b的rf透镜之一的顶视图，示出了rf透镜如何定位在相关辐射元件的前面。

图18d-18f分别是由具有不同介电常数的材料形成的另一对rf透镜的正视图、垂直横截面图和水平横截面图。

图19a是图4a-4d的天线的rf透镜的水平横截面，而图19b是说明为了使rf辐射在方位角平面中散焦的目的，如何修改图19a的大致凸起的水平横截面以具有凹陷的水平横截面的示意图。

图20是用于图4a-4d的基站天线的具有图5b的5ghz馈送网络的建模的5ghz方位角方向图。

图21是示出根据本发明实施例的穿过rf透镜的示例性水平横截面和垂直横截面的示意图。

具体实施方式

随着容量需求的不断增加，蜂窝运营商正在部署以lte许可辅助接入(lte-laa)模式运行的基站。在lte-laa的一个版本中，使用未许可的国家信息基础设施或“unii”频带。unii频带是指ieee802.11a设备用于“wifi”通信的一部分无线电频谱。最初，unii频段仅限于美国的室内应用，但美国联邦通信委员会(“fcc”)在2014年改变了规则以允许户外使用。unii频段包括四个子频段，称为unii-1至unii-4。unii-1频段处于5.15-5.25ghz频段中。在lte-laa下，unii-1免许可频带可以与许可频谱结合使用，以为订户提供更高的数据速率。lte-laa功能通常用室内和室外小型蜂窝基站实现。通过在许可频段和未许可频段之间分配通信量，lte-laa释放了许可频谱中的容量，使这些频段上的用户受益，并且使用未许可频谱向其他用户提供高数据速率通信。可以通过向传统基站添加5ghz无线电装置并且通过将一个或多个5.15-5.25ghz辐射元件的“5ghz”线性阵列(这里称为“5ghz辐射元件”)添加到常规基站天线来实现lte-laa。每个5ghz线性阵列可包括至少一个5ghz辐射元件。

虽然lte-laa可以提高性能，但fcc颁布的指南限制了unii-1(5.15-5.25ghz)频段内的无线通信，以减少或防止对在相似频率范围内工作的卫星通信造成干扰。特别是，对于地平线以上大于30°的所有仰角，有效各向同性辐射功率(“eirp”)必须小于或等于125mw。对于设计用于向天线阵列提供最大功率为0.5瓦(对于两个端口)的信号以进行传输的系统，这对应于以下两个特定限制：

1.阵列增益<6dbi；和

2.对于规定的极化(statedpolarization)，在地平线以上30度或更大的角度辐射的所有相干能量必须通过阵列的增益+6db来抑制。

这些要求可能难以满足，因为第一个要求通常需要低方向性天线方向图(pattern)，而第二个要求则需要更高的方向性方向图以便减小仰角平面中天线波束主瓣的宽度并减少上旁瓣相对于主瓣的大小。特别是，如果主瓣宽，天线方向图的上旁瓣以及主瓣的上边缘都可能违反第二要求。通过增加波束的方向性可以减小上旁瓣的大小以及主瓣的宽度，这可以通过向线性阵列添加额外的5ghz辐射元件来实现。但是，如果波束的方向性增加到足以符合第二个要求，则增益可能超过6dbi，因此与第一个要求相冲突。

根据本发明的实施例，提供了基站天线，其包括具有rf透镜的辐射元件，所述rf透镜被设计成引导rf能量，该rf能量被以更高的仰角足够向下引导，以便由天线产生的天线波束的上旁瓣和主瓣的上侧满足诸如上述unii-1要求的要求。除了允许天线满足诸如unii-1要求的要求之外，rf透镜还可以有利地向天线波束提供下倾角和/或改善主波束的整体形状。虽然满足unii-1要求是根据本发明实施例的透镜基站天线的一个示例应用，但是应当理解，这些天线可以用在其他应用中。例如，在2.3ghzwcs频带中，关于可以使用本文公开的技术解决的远离地平线的辐射量存在类似的限制。

在一些实施例中，提供基站天线，其包括从背板向前延伸并且被配置为发送和接收5.15-5.25ghz频带中的信号的辐射元件以及安装在辐射元件前方的射频透镜。rf透镜被配置为向下重定向由辐射元件发射的rf信号的一部分，使得以相对于所述辐射元件的视轴指向方向大于30°的仰角通过所述辐射元件和所述rf透镜的组合的rf能量的第一峰值发射小于以相对于所述辐射元件的视轴指向方向小于-30°的仰角通过所述辐射元件和所述rf透镜的组合的rf能量的第二峰值发射。

在其他实施例中，提供了基站天线，其包括辐射元件的第一垂直延伸的线性阵列，其包括安装在第一背板前面的至少第一辐射元件和第二辐射元件以及安装在第一辐射元件的前方的rf透镜。在垂直于第一背板并且延伸穿过第一辐射元件的中心的水平轴下方的rf透镜的第一部分在水平轴方向上的平均厚度大于rf透镜的在水平轴上方的第二部分的平均厚度。在目标是抑制以地平线以下的高仰角发射的辐射的情况下，透镜相对于水平轴的不对称性可以反转(例如，透镜可以旋转180度)。在这种情况下，在垂直于第一背板并且延伸通过第一辐射元件的中心的水平轴下方的rf透镜的第一部分将在水平轴的方向上具有比rf透镜的位于水平轴上方的第二部分更小的平均厚度。

在其他实施例中，提供了基站天线，其包括辐射元件的多个线性阵列和多个rf透镜，每个rf透镜安装在对应的一个辐射元件的前方。每个rf透镜关于将其对应的一个辐射元件一分为二的水平轴不对称。

在一些实施例中，rf透镜可以设计成仅基本上影响辐射元件的仰角方向图。在其他实施例中，rf透镜还可以被设计为例如在仰角平面中聚焦和/或重定向rf辐射，同时还使rf辐射在方位角方向图中散焦。在一些情况下，可以简单地执行方位角图案中的rf辐射的散焦，以恢复在添加rf透镜之前存在的方位角图案，因为在方位角平面中具有矩形横截面的rf透镜将趋于变窄方位角方向图的主瓣。在其他情况下，可以执行方位角图案中的rf辐射的散焦，以填充即使在不使用rf透镜时存在的方位角方向图中的空值。在任一情况下，rf辐射的散焦可以通过例如形成rf透镜以沿着通过与rf透镜相关联的辐射元件的水平中心截取的水平横截面具有大致凹形的形状和沿着通过与rf透镜相关联的辐射元件的垂直中心截取的垂直横截面的凸形的形状来实现。大致凹入的水平横截面和大致凸起的垂直横截面可以通过物理地成形rf透镜以沿着rf透镜的水平横截面具有期望的凹形形状并且沿着rf透镜的垂直横截面具有期望的凸形状和/或通过使用具有不同介电常数的材料形成rf透镜来实现。

在一些实施例中，rf透镜可以与辐射元件的线性阵列结合使用，辐射元件被配置为在大约5ghz范围内(例如，在5.15-5.25ghz频带中)发送和接收信号。在一些实施例中，这些5ghz线性阵列可以安装在管状反射器上，该管状反射器在方位角平面中具有矩形横截面。在这样的实施例中，5ghz线性阵列可以安装在四边管状反射器组件的每个面上。管状反射器组件还可以包括辐射元件的附加的线性阵列，例如，“低频带”线性阵列，其例如在698-960mhz频带的一些或全部中操作和/或可以进一步包括“中频带”线性阵列，例如，在1.7-2.7ghz频带的一些或全部中工作。低频带线性阵列、中频带线性阵列和/或5ghz线性阵列可以被配置为支持mimo操作。在一些实施例中，低频带线性阵列和/或中频带线性阵列在许可频谱中操作，并且可以附加地或替代地配置为波束形成天线。

在一些实施例中，基站天线可以包括在未许可频谱中操作的5ghz辐射元件的四个线性阵列。四个线性阵列可以安装在矩形管状反射器组件的四个主面上。在一些实施例中，所有四个5ghz线性阵列可以共同从无线电装置的单个端口馈送，并且可以形成单个天线波束(或者如果5ghz辐射元件是交叉极化的辐射元件，则可以通常由无线电装置的两个端口馈送，以便以正交极化形成两个天线波束)。在其他实施例中，第一和第三5ghz线性阵列可以安装在矩形管状反射器组件的相对主面上，并且可以被共同馈送以产生在方位角平面中具有花生形横截面的第一天线射束。第二和第四5ghz线性阵列可以安装在矩形管状反射器组件的另外两个相对的主面上，并且可以被共同(commonly)馈送以产生第二天线波束，该第二天线波束在方位角平面中也具有花生形横截面。第二天线方向图可以具有与第一天线方向图基本相同的形状，并且可以相对于方位角平面中的第一天线方向图旋转大约90度。花生形第一和第二天线波束一起可以在方位角平面中形成合适的全向天线波束。如果5ghz线性阵列包括双极化辐射元件，例如倾斜-45°/+45°交叉偶极子辐射元件，则可以在5ghz频带中产生总共四个天线波束以支持4xmimo操作。在一些实施例中，辐射元件可以被设计为在5ghz和3.5ghz下发送信号。当使用这种3.5/5ghz辐射元件时，基站天线可以在两个独立的频带，即3.5ghz频带和5ghz频带中工作。在这样的实施例中，双工器可以包括在天线中，其将接收的3.5ghz信号与接收的5ghz信号分离，并且组合从无线电装置接收的3.5ghz和5ghz信号用于传输，从而允许两个不同的频带由基站天线上的独立端口提供服务。

在一些实施例中，基站天线还可以包括辐射元件的四个线性阵列，其在许可的频谱中操作，并安装在矩形管状反射器组件的四个主面上。第一和第三许可频谱线性阵列可以安装在矩形管状反射器组件的相对主面上，并且可以共同馈送以产生在方位角平面中具有花生形横截面的第一天线波束。第二和第四许可频谱线性阵列可以安装在矩形管状反射器组件的另外两个相对的主面上，并且可以共同馈送以产生第二天线波束，该第二天线波束在方位角平面中也具有花生形横截面。第二天线方向图可以具有与第一天线方向图基本相同的形状，并且可以相对于方位角平面中的第一天线方向图旋转大约90度。花生形第一和第二天线波束一起可以在方位角平面中形成合适的全向天线波束。上述许可频谱线性阵列可以包括双极化辐射元件，例如倾斜-45°/+45°交叉偶极子辐射元件，以便在低频带和/或中频带中产生总共四个天线波束，使得天线可以在低频带和/或中频带中支持4xmimo操作。

与传统基站天线相比，根据本发明实施例的基站天线可以表现出许多优点。如上所述，这些基站天线可以满足与unii-1频带以及通过包括向下重定向向上发射的辐射的一部分(反之亦然)的rf透镜对向上或向下引导的rf辐射设置限定的各种其他频带(例如，wcs频带)中的通信相关联的非常具有挑战性的fcc要求。增加的rf透镜可以重量轻且便宜，因此对天线的成本和重量几乎没有影响。rf透镜也可以非常小，并且在许多情况下可以适合基站天线罩的现有包络，因为较大、较低频率的辐射元件可能需要比每个5ghz辐射元件和其相关的rf镜头的组合更大直径的天线罩。另外，rf透镜还可以被设计成通过例如在方位角平面中增加一定程度的下倾角和/或展开天线波束来进一步改善5ghz(或其他频带)天线波束的形状。

现在将参考附图更详细地讨论本发明的示例实施例。

图2是示出根据本发明实施例的基站天线100的示意性透视图。如图2所示，基站天线100包括矩形管状反射器组件110，其具有安装在其上的辐射元件122的四个垂直定向的线性阵列120-1至120-4。反射器组件110的每个面可包括：背板112-1到112-4。每个背板112可以包括整体结构或者可以包括连接在一起的多个结构。每个背板112可以包括例如反射器，该反射器用作安装在其上的线性阵列120的辐射元件122的接地平面。应当注意，在此，当提供多个相同或相似的元件时，可以使用两部分的附图标记(例如，背板112-2)在附图中标记它们。这些元件在本文中可以通过它们的完整附图标记(例如，背板112-2)单独地指代，并且可以由它们的附图标记的第一部分(例如，背板112)共同地指代。

每个线性阵列120安装在背板112中的相应一个上，并且当安装基站天线100以供使用时，每个线性阵列120可以相对于地平线垂直定向。在所描绘的实施例中，每个线性阵列120包括总共两个辐射元件122。然而，应当理解，线性阵列120中可以包括其他数量的辐射元件122，包括仅具有单个辐射元件122的线性阵列120。可以使用任何适当的辐射元件122，包括例如偶极子，交叉偶极子和/或贴片辐射元件。每个辐射元件122可以是相同的。辐射元件122可以从相应的背板112向前延伸。在所示实施例中，每个辐射元件122包括一对偶极子辐射器，它们相对于天线100的纵轴(垂直轴)以-45°和+45°的角度彼此正交地布置。在一些实施例中，辐射元件可以是5ghz辐射元件。在其他实施例中，辐射元件122可以是3.5/5ghz辐射元件122，其被设计为在3.5ghz频带和5ghz频带中发送和接收信号。基站天线100还可以包括覆盖和保护辐射元件122和基站天线100的其他组件的天线罩(未示出)。可以理解，基站天线100还可以包括图2中未示出的许多传统组件。

如上所述，fcc对unii-1频带的要求要求抑制以大于30°的仰角发射的rf辐射。为了抑制这种辐射，基站天线100包括位于辐射元件122上方的rf屏蔽件170和/或rf吸收材料172。

特别地，如图2所示，基站天线100包括rf屏蔽件170，rf屏蔽件170从每个线性阵列120上方的背板112向前延伸。虽然在所示实施例中描绘了四个单独的rf屏蔽件170，但应当理解，在其他实施例中，四个rf屏蔽件170可以用具有从四个背板112延伸的圆形外径的单个rf屏蔽件代替。rf屏蔽件170可以由诸如金属的反射材料形成并且可以向下重定向来自辐射元件122的入射在其上的rf能量。rf屏蔽件170可以从每个背板112向前延伸得比安装在其上的辐射元件122更远。rf屏蔽件170可以向下反射向上发射的辐射，从而减小天线方向图的仰角平面中的上旁瓣的大小，以帮助尝试满足unii-1频带的fcc要求。

如图2中进一步所示，rf吸收材料172也可用于减少向上辐射的量。rf吸收材料172可以放置在rf屏蔽件170的顶部、rf屏蔽件170下方和/或任何其他适当的位置，以捕获和吸收来自辐射元件122的向上指向的rf辐射。在示例实施例中，rf吸收材料172可以衬在rf屏蔽件170的下表面上。rf吸收材料172可以包括例如碳载聚合物泡沫、橡胶或吸收和/或衰减rf辐射的任何其他材料。rf吸收材料172可以用于代替rf屏蔽件170或者除了rf屏蔽件170之外还使用rf吸收材料172。rf吸收材料172可以具有与图2中所示不同的形状和/或厚度，并且还可以放置在另外或不同的地点。在包括rf屏蔽件170的实施例和不包括rf屏蔽件170的实施例两者中，rf吸收材料可以例如附接到反射器110的顶端、通过支撑件固定在适当位置，或者附接到天线100的顶部端盖上。

然而，rf屏蔽件170和/或rf吸收材料172的使用可能不足以始终满足fcc要求。减少以大于30°的仰角发射的rf辐射的第三种技术是在每个线性阵列120中的两个辐射元件122上设置固定的相位锥度，以电子方式(electronically)下倾(downtilt)仰角方向图。因此，天线100可以具有馈送网络(未示出)，该馈送网络被设计为应用这种相位锥形以提供天线波束的电子下倾角。虽然下倾可能有助于将主瓣的上边缘移动到地平线以上30°以下，但是用于向下调整主波束的相位锥度可能会抬高上旁瓣，使得上旁瓣不太可能顺从fcc要求。因此，在许多情况下，电子下倾可能对满足fcc要求不是特别有用。

图3是示出图2的基站天线100的各种辐射元件的仰角方向图的曲线图(包括rf屏蔽件170和rf吸收材料172，但没有对仰角的任何电子下倾)。在图3中，曲线190绘制了unii-1频带相对于所示仰角方向图的fcc要求。从图3中可以看出，几个主瓣的上边缘位于由fcc要求限定的包络边缘(曲线190)。还可以看出，一些上旁瓣延伸超过曲线了190的包络线。

因此，图3示出了即使在组合若干不同技术减少以大于30°的仰角发射的rf辐射，仍然可能难以始终满足fcc对unii-1频带的要求。

图4a-4d是根据本发明实施例的带透镜的基站天线200的各种视图。特别地，图4a是基站天线200的反射器组件和辐射元件的示意性透视图，图4b是天线200的物理实现的透视图，其中天线罩被移除，图4c是天线200的示意性侧视图，其中天线罩被移除并且前向面板上的两个rf透镜也被移除以更多地示出下面的辐射元件，并且图4d是天线200的示意性顶视图。

如图4a-4d所示，基站天线200包括矩形管状反射器组件210，其具有安装在其上的辐射元件222的四个垂直取向的线性阵列220-1至220-4。反射器组件210的每个面可以包括背板212-1到212-4，背板212-1到212-4可以用作安装在其上的线性阵列220的辐射元件222的反射器和接地平面。反射器组件210、背板212、线性阵列220和辐射元件222可以与图2的基站天线100的反射器组件110、背板112、线性阵列120和辐射元件122相同，因此对其的进一步描述将被省略。天线罩260(参见图4d)可以围绕并保护辐射元件和天线200的其他部件。虽然为了简化附图未在图4a-4d中示出，基站天线200可以包括rf屏蔽件和/或rf吸收材料，其结构和安装位置可以与图2的天线100的rf屏蔽件170和基站的rf吸收材料172相同。

每个辐射元件222可以包括一对偶极子辐射器，它们相对于天线200的纵向(垂直)轴以-45°和+45°的角度彼此正交地布置。图14a-14d是3.5/5ghz交叉偶极子辐射元件222之一的各种视图。如图14a-14d所示，每个辐射元件222可以使用一对印刷电路板226-1,226-2形成。其中一个印刷电路板226包括前向中心狭缝，而另一个印刷电路板226包括后向中心狭缝，其允许两个印刷电路板226配合在一起，从而从正面看时形成“x”形如图14d中最佳所示。

辐射元件222包括一对3.5ghz偶极子臂228-1,228-2，它们通过各自的平衡-不平衡变换器(balun)223直接驱动。3.5/5ghz交叉偶极子辐射元件222还包括5ghz偶极子臂224-1,224-2，其位于3.5ghz偶极子臂228-1,228-2的前方。当3.5ghz信号输入到平衡-不平衡变换器223时，它被直接馈送到3.5ghz偶极子228-1,228-2。当5ghz信号输入到平衡-不平衡变换器时，能量电磁耦合到5ghz寄生偶极子臂224-1,224-2，然后其以5ghz谐振。虽然在图14a-14d中示出了双频带辐射元件222，应当理解，在其他实施例中可以使用单频带辐射元件222。

再次参考图4a-4d，基站天线200还包括用于每个辐射元件222的rf透镜280。rf透镜280在图4a中示意性地描绘为正方形，但是在图4b-4d示出了rf透镜的示例设计。每个rf透镜280可以设计成引导向下入射的rf能量的一部分或使其“重定向”。rf透镜280可以由引导rf能量的任何合适的介电材料形成。在一些实施例中，rf透镜280可以由重量轻且便宜的材料制成。在一些实施例中，rf透镜280可以由聚乙烯、聚丙烯、发泡聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚苯乙烯或发泡聚苯乙烯形成，它们中的每一种都是通常可用的热塑性材料。在其他实施例中，rf透镜可以使用所谓的人造介电材料整体或部分形成，例如2017年3月21日提交的美国专利申请序列no.15/464,442中公开的透镜材料，其全部内容通过引用并入本文。在一些情况下，用于形成rf透镜280的介电材料可以是密度在例如0.005至0.1g/cm³范围内的轻质材料，并且可以具有介于1至3之间的介电常数。下面将参考图7更详细地讨论rf透镜280的操作。

图5a是示出馈送网络250的框图，馈送网络250可以包括在图4a-4d的基站天线200的一些实施例中。在图5a中(以及图5b的替换实施例中)，省略了双工器和3.5ghz无线电装置以简化附图，因此仅示出了5ghz馈送端口。

如图5a所示，在示例实施例中，天线200可以由具有四个端口244-1到244-4的5ghz无线电装置242馈电。在无线电装置242内部执行发送和接收信道的双工，因此无线电装置242上的每个端口244都传递发送和接收的rf信号。在这样的实施例中，天线200可以包括四个端口252-1到252-4。每个端口252可以包括标准连接器端口，例如7/16din连接器端口、mini-din连接器端口或4.3/10连接器端口。无线电装置242上的每个端口244可以经由同轴电缆246连接到天线200上的相应一个端口252。

如上所述，每个辐射元件222包括一对5ghz偶极子辐射器，它们相对于天线200的纵向(垂直)轴以-45°和+45°的角度彼此正交地布置。在无线电装置242上提供四个端口244允许无线电装置242以两个不同(正交)极化将信号馈送到基站天线200的线性阵列220的两个不同子集。由于基站天线200具有倾斜-45°/+45°的交叉偶极子辐射元件222，所以两个极化将被称为-45°和+45°的极化。

如图5a所示，无线电装置242的第二端口244-2经由电缆254和第一1x2功率分配器/合路器256-1耦合到线性阵列220-1,220-3的辐射元件222的-45°极化辐射器。分路器/合路器256-1的第一输出连接到线性阵列220-1，分路器/合路器256-1的第二输出连接到线性阵列220-3。类似地，无线电装置242的第三端口244-3经由电缆254和第二1x2功率分配器/合路器256-2耦合到线性阵列220-1,220-3的辐射元件222的+45°极化辐射器。分路器/合路器256-2的第一输出端连接到线性阵列220-1，分路器/合路器256-1的第二输出端连接到线性阵列220-3。无线电装置242的第一端口244-1经由电缆254和第三1x2功率分配器/合路器256-3耦合到线性阵列220-2,220-4的辐射元件222的-45°极化辐射器。分路器/合路器256-3的第一输出连接到线性阵列220-2，分路器/合路器256-3的第二输出连接到线性阵列220-4。类似地，无线电装置242的第四端口244-4经由电缆254和第四1x2功率分配器/合路器256-4耦合到线性阵列220-2,220-4的辐射元件222的+45°极化辐射器。分路器/合路器256-4的第一输出连接到线性阵列220-2，分路器/合路器256-4的第二输出连接到线性阵列220-4。

在一些实施例中，每个1×2分路器/合路器256可以将从各个端口244接收的rf信号分成两个相等的功率子分量，这两个子分量被提供给由每个分路器/合路器馈送的两个线性阵列220的相应辐射元件222。在其他实施例中，功率分配可以是不相等的。在一些实施例中，每个分路信号的子分量可以以相同的相位延迟馈送到相应的线性阵列220，而在其他实施例中，相位锥度可以应用于馈送到每个线性阵列220的两个辐射元件222的信号，以影响对天线波束的仰角方向图的电子下倾。该仰角方向图的电子下倾可以进一步帮助形成满足fcc对unii-1频带的要求的天线波束。

当以上面参考图5a所讨论的方式馈送基站天线200时，天线200可以以两个极化中的每一个生成两个不同的天线方向图，用于总共四个天线波束。特别地，线性阵列220-1和220-3产生第一-45°极化天线波束，线性阵列220-2和220-4产生第二-45°极化天线波束。同样，线性阵列220-1和220-3产生第一+45°极化天线波束，线性阵列220-2和220-4产生第二+45°极化天线波束。基于线性阵列220的指向方向，每个天线波束可以在方位角平面中具有大致花生形的横截面，因为每个天线波束由在方位角平面中指向相反方向的线性阵列220生成。每个极化的天线波束在方位角平面中相对于彼此偏移90度。两个天线波束(在每个极化处)一起可以在方位角平面中提供全向天线方向图。

在其他实施例中，线性阵列220可以由双端口无线电装置242'馈电。特别地，如图5b所示，在另一个实施例中，天线200可以由具有两个端口244-1和244-2的无线电装置242'馈电。在无线电装置242'内部执行发送和接收信道的双工，因此无线电装置242'上的每个端口244都传递发送和接收的rf信号。在这样的实施例中，天线200可以包括两个端口252-1和252-2。无线电装置242'上的每个端口244可以经由相应的同轴电缆246连接到天线200上的相应一个端口252。

如图5b所示，无线电装置242'的每个端口244耦合到所有四个线性阵列220-1到220-4。一个端口244-1将具有-45°极化的信号传送到线性阵列220，而另一个端口244-2将具有+45°极化的信号传送到线性阵列220。在每种情况下，四个线性阵列220可以一起传送方位角平面中的准全向天线方向图。馈送网络包括一对4×1分路器/合路器256-1和256-2，它们以四种方式分路信号以馈送四个线性阵列220。在一些实施例中，每个分路信号的子分量可以以相同的相位延迟被馈送到相应的线性阵列220，而在其他实施例中，相位锥度可以应用于馈送到每个阵列的两个辐射元件的信号，以便影响对天线波束的仰角方向图的电子下倾。该仰角方向图的电子下倾可以进一步帮助形成满足fcc对unii-1频带的要求的天线波束。

图6是示出基站天线200的各种透镜辐射元件的仰角方向图的曲线图。在图6中，曲线290绘制了关于所示仰视方向图的unii-1频带的fcc要求。从图6中可以看出，当增加rf透镜280时，仰角方向图适合于曲线290的包络。此外，主瓣在仰角平面中表现出增加的下倾角，移动主瓣的上边缘远离外壳290并且还为主瓣提供改进的形状。

通过比较图3和6可以看出，包括在基站天线200中的每个rf透镜280用于向下重定向由其对应的辐射元件222(即，rf透镜安装在其前面的辐射元件222)发射的rf信号的一部分。结果，以相对于辐射元件222的视轴指向方向大于30°的仰角通过所述辐射元件和所述rf透镜的组合的rf能量的第一峰值发射小于以相对于所述辐射元件222的视轴指向方向小于-30°的仰角通过所述辐射元件和所述rf透镜的组合的rf能量的第二峰值发射。这可以在图6中看到，因为在图的右下象限中的下旁瓣具有比最高上旁瓣的峰值高约2db的峰值。

图7是说明图4a-4d的基站天线中包括的rf透镜280的基本操作的示意图。如图7所示，透镜80通常可以放置在辐射元件82的前面。根据斯涅尔定律，无线电波在具有不同介电常数的两种材料的界面处弯曲。通过将由介电材料形成的rf透镜80放置在辐射元件82的前面，形成空气/透镜电介质边界，其弯曲由辐射元件82发射的无线电波。在一些实施例中，rf透镜80可具有一般的凸形。这种大致凸起的形状用于将由辐射元件82传输的rf能量向下聚焦，从而减少在以例如大于30°的较高仰角方向上发射的rf能量的量。

在一些实施例中，当安装包括rf透镜80的基站天线以供使用时，rf透镜80可以具有沿水平轴h的不对称形状，该水平轴h延伸穿过(并且平分)辐射元件82和rf透镜80。结果，rf透镜80的第一部分80a在水平轴h下方，并且rf透镜80的第二部分80b在水平轴h上方。如图7所示，rf透镜的上部80b与rf透镜80的下部80a相比在横向方向(沿水平轴h)可具有减小的厚度。由于这种减小的厚度，可以引导rf辐射向下穿过rf透镜80。换句话说，rf辐射在rf透镜80的较厚部分的方向上被向下引导(steer)。因此，rf透镜80的下部80a可以具有比上部80b更大量的介电材料。在一些实施例中，不对称性可导致rf透镜具有大致楔形形状而不具有大致凸形形状。在一些实施例中，可以使用具有两种或更多种不同介电材料的rf透镜。在这样的实施例中，如果需要，rf透镜可以具有更多对称的形状，因为介电材料的差异可以用于向下引导rf能量的一部分。

因此，如图7所示，可以提供基站天线，其包括安装在背板84前面的辐射元件82和安装在辐射元件82前面的rf透镜80。rf透镜80在水平轴h下方(垂直于背板84并且延伸穿过辐射元件82的中心)的第一部分80a在水平轴方向上的平均厚度大于rf透镜80在水平轴h上方的第二部分80b的平均厚度。

当扩展图7所示的概念以便与基站天线的所有辐射元件一起应用时，如同图图4a-4d的基站天线200的情况那样，提供了一种基站天线，其包括辐射元件222的多个线性阵列220和多个rf透镜280，其中每个rf透镜280安装在对应的一个辐射元件222的前方(每个rf透镜280的“对应的”辐射元件222是每个rf透镜280安装在其前面的辐射元件222)。每个rf透镜280关于水平轴h不对称，水平轴h将对应于rf透镜280的辐射元件222一分为二。

在其他实施例中，rf透镜可以是对称的或近对称的。这种对称的rf透镜可能倾向于将rf能量聚焦到更靠近地平线的点。换句话说，这些对称的rf透镜可以更朝向地平线向下和向上引导发射的rf辐射，从而趋向于使仰角平面中的天线波束变窄。对于unii-1频带的第二fcc要求，这种方法可能有所帮助，但至少在某些情况下，对于第一个要求可能适得其反。

应当理解，可以使用各种rf透镜形状。合适的rf透镜形状的示例在下面参考图13a-13f进行讨论。

如上所述，利用lte-laa，可以使用未许可频带来增强蜂窝网络的性能。lte-laa通常用在小小区基站中以提供额外的容量。当使用lte-laa时，出于成本考虑，许可和未许可频带的辐射元件通常包括在单个基站天线中。图8a-8b示出了根据本发明进一步实施例的带透镜的小小区基站天线300，其包括在许可和未许可频带中操作的线性阵列。特别地，图8a是基站天线300的反射器组件和辐射元件的示意性透视图，图8b是天线300的物理实现的局部透视图。

如图8a-8b所示，小小区基站天线300包括矩形管状反射器组件310。基站天线300包括每个安装在其上的两个辐射元件的四个线性阵列320-1到320-4(不是每个都在图中可见)，rf透镜380可以位于每个辐射元件322的前方。线性阵列320、辐射元件322和rf透镜380可以与上述线性阵列220、辐射元件222和rf透镜280相同。因此，将省略对其结构和操作的进一步描述。同样地，图5a的馈送网络250或图5b的馈送网络250'可用于馈送线性阵列320，因此这里将省略对线性阵列320的馈送网络的进一步描述。尽管为了简化附图未在图8a-8b中示出，基站天线300可以包括rf屏蔽件和/或rf吸收材料，其结构和安装位置可以与图2中的基站天线100的rf屏蔽件170和rf吸收材料172相同。辐射元件322可以是3.5/5ghz辐射元件，或者可以是5ghz辐射元件。

从图8a-8b中可以进一步看出，基站天线300还包括安装在相应的背板312-1到312-4上的辐射元件332的总共四个所谓的“中频带”线性阵列330-1至330-4(图中未示出所有这些)。例如，每个中频带线性阵列可以设计成在1.7-2.7ghz频带的全部或部分中操作。

当安装基站天线300以供使用时，每个中频带线性阵列330可以相对于地平线垂直定向。在所描绘的实施例中，每个中频带线性阵列330包括总共六个辐射元件332。然而，应当理解，其他数量的辐射元件332可以包括在中频带线性阵列330中。每个辐射元件332可以包括例如偶极子辐射器。在一些实施例中，每个辐射元件可以是包括一对辐射器的交叉偶极子辐射元件。基站天线300还可以包括天线罩(未示出)，其覆盖并保护辐射元件322,332和基站天线300的其他组件。

基站天线300还可以包括图8a-8b中未示出的多个传统组件。例如，多个电路元件和其他结构可以安装在反射器组件310内。这些电路元件和其他结构可以包括，例如，用于一个或多个线性阵列的移相器、用于机械调节移相器的远程电子倾斜(ret)致动器、一个或多个控制器、电缆连接、rf传输线等。还可以提供安装支架(未示出)，用于将基站天线300安装到诸如天线塔或电线杆的另一个结构。

图9示出了馈送网络350的实施例，馈送网络350可用于在基站无线电装置342和中频带线性阵列330的辐射元件332之间传递rf信号。如图9所示，无线电装置342是具有端口344-1到344-4的四端口设备。在无线电装置342内部执行发送和接收信道的双工，因此无线电装置342上的每个端口344都传递发送和接收的rf信号。在无线电装置342上提供四个端口344允许无线电装置342以两个不同(正交)极化将信号馈送到基站天线300的线性阵列330的两个不同子集。可以在基站天线300上提供四个连接器352，并且电缆346(例如，同轴电缆)可以将无线电装置342上的每个端口344连接到这些rf连接器352中的相应一个。应当注意，图9没有示出5ghz无线电装置、5ghz线性阵列或5ghz线性阵列(或任何3.5ghz元件)的馈送网络。如上所述，图5a或图5b的馈送网络可用于将5ghz线性阵列320连接到5ghz无线电装置。

如图9所示，无线电装置342的第一端口344-1耦合到线性阵列330-1,330-3的辐射元件332的辐射器，其被设置成通过第一1x2功率分配器/合路器356-1发射/接收具有-45°极化的信号，并且无线电装置342的第二端口344-2耦合到线性阵列330-1,330-3的辐射元件332的辐射器，其被设置为通过第二1x2功率分配器/合路器356-2发送/接收具有+45°极化的信号。同样地，无线电装置342的第三端口344-3耦合到线性阵列330-2,330-4的辐射元件332的辐射器，其被布置成经由第三功率分配器/合路器356-3发送/接收具有-45°极化的信号，并且无线电装置342的第四端口344-4耦合到线性阵列330-2,330-4的辐射元件332的辐射器，其被设置成通过第四分路器/合路器356-4发射/接收具有+45°极化的信号。每个分路器/合路器356将从无线电端口344接收的rf信号分路成被馈送到连接到某些线性阵列330的相应移相器358的子分量。每个移相器358可以采用三种方式对输入到其中的rf信号进行分路，并且可以对rf信号的三个子分量应用相位锥度，以例如将电子下倾应用于当通过相应的线性阵列330发送(或接收)rf信号的子分量时形成的天线波束。因此，无线电装置342可以通过基站天线300通过四条不同的路径发送中频带rf信号，以产生四个不同的中频带天线波束(即两个不同的波束，每个波束在两个极化处复制)。

图10a示出了由线性阵列330产生的-45°极化天线波束的方位角方向图。如图10a所示，第一和第三线性阵列330-1,330-3一起可以形成在方位角平面中具有花生形的横截面第一天线波束392-1。同样，第二和第四线性阵列330-1,330-3一起可以形成第二天线波束392-2，其在方位角平面中具有花生形横截面。天线波束392-1,392-2一起可以在方位角平面中提供全向天线方向图。+45°极化天线波束可以与图10a中所示的相同。图10b示出了每个天线波束的仰角方位角平面中的模拟天线方向图。

应当注意，当使用3.5/5ghz辐射元件来实现高频带辐射元件322时，可以使用与图9的馈送网络350-1相同的馈送网络将3.5ghz信号馈送到3.5ghz辐射元件322，使得3.5ghz辐射元件将产生一对在方位角平面中具有花生形横截面的天线波束，其看起来基本上类似于图10中所示的天线波束392-1,392-2(这是中频带方向图)，尽管方向图中的空值往往在较高频率处更明显。

中频线性阵列330和/或3.5/5ghz线性阵列的3.5ghz部分可以采用多输入多输出(“mimo”)能力。mimo指的是信号通过无线电装置的多个端口输出并通过多个不同的天线阵列(或子阵列)发送的技术，所述天线阵列(或子阵列)例如在空间上彼此分离和/或以正交极化。可以设置通过不同端口发送的信号的幅度和相位，使得通过多个天线阵列发送的信号将在用户设备处建设性地组合。mimo传输技术的使用可以帮助克服多径衰落的负面影响、发射信号从建筑物的反射等，以提供增强的传输质量和容量。小小区基站通常在高密度城市环境中实施。这些环境可能具有许多建筑物，这使得这些环境成为使用mimo传输技术的自然应用。小小区基站天线300的线性阵列330可以生成四个不同的天线波束，因此可以用于实现分集以提供4xmimo能力(即，线性阵列330沿着四个不同的路径发送mimo信号)。如上面参考图5a所讨论的，在一些实施例中，5ghz线性阵列320还可以被配置为支持4xmimo操作。

图11是根据本发明进一步实施例的另一多频带小小区基站天线400的示意性透视图。基站天线400可以与上述基站300相同，除了基站天线400包括在四个背板412中的每一个上的所谓的“低频带”辐射元件的第三线性阵列。这样，上面已经描述的基站天线400的元件将不再进一步解决(在图11中，为了与图8a-8b中的对应附图标记的一致性，附图标记全部增加了一百)。例如，每个低频带线性阵列可以被设计为在696-960mhz频带的全部或部分中操作。

如图11所示，除了线性阵列420和430(其结构和操作可以与基站天线300的线性阵列320和330相同)之外，基站天线400还包括辐射元件442的四个低频带(例如，800mhz)线性阵列440，在图11的示意图中仅可见其中两个。在所描绘的实施例中，每个低频带线性阵列440包括总共两个辐射元件442。可以以与中频带线性阵列430完全相同的方式馈送低频带线性阵列440，以产生在方位角平面中具有花生形横截面的四个天线波束。低频带线性阵列440可用于以4xmimo模式发送。

虽然未在图中示出，但在另一实施例中，可省略四个线性阵列440中的两个(即，两个相对的背板412上的线性阵列440)，使得低频带线性阵列440仅产生两个天线波束，即在方位角平面中具有花生形横截面的每个极化处的天线波束。在这样的实施例中，可以操作低频带阵列440以实现2xmimo。

图12a和12b示出了根据本发明进一步实施例的小小区基站天线。首先参考图12a，示意性地示出了小小区基站天线500，其类似于图11的小小区基站天线400，除了天线500仅包括总共四个低频带辐射元件542，而不是包括在基站天线400中的八个低频带辐射元件442，但仍然可以在低频带中以4xmimo模式进行发送。

图12b示出了四端口无线电装置42和小小区基站天线500的低频带辐射元件542之间的连接。如图12b所示，无线电装置42的第一端口44-1耦合到第一分路器556-1。第一分路器556-1将从端口44-1接收的(发送路径)rf信号分路成两个子分量，这两个子分量被馈送到低频带辐射元件522-1和522-3的+45°偶极子，以便产生通常是具有+45°极化的第一花生形天线波束。类似地，无线电装置42的第二端口44-2耦合到第二分路器556-2。第二分路器556-2将从端口44-2接收的(发送路径)rf信号分路成两个子分量，这两个子分量被馈送到低频带辐射元件522-1和522-3的-45°偶极子，以便产生通常是具有-45°极化的第二花生形天线波束。无线电装置42的第三端口44-3耦合到第三分路器556-3。第三分路器556-3将从端口44-3接收的(发送路径)rf信号分路成两个子分量，这两个子分量被馈送到低频带辐射元件522-2和522-4的+45°偶极子，以便产生通常是具有+45°极化的第三花生形天线波束。类似地，无线电装置42的第四端口44-4耦合到第四分路器556-4。第四分路器556-4将从端口44-4接收的(发送路径)rf信号分路成两个子分量，这两个子分量被馈送到低频带辐射元件522-2和522-4的-45°偶极子，以便产生通常是具有-45°极化的第四花生形天线波束。以这种方式，可以形成总共四个发送天线波束以支持4xmimo传输或其他四端口方案。

图13a-13f是示出根据本发明实施例的用于基站天线的不同示例rf透镜设计的示意性截面图。图13a-13e是所描绘的rf透镜的垂直横截面，而图13f是水平横截面。这里，rf透镜的“垂直横截面”是指当安装包括rf透镜的天线以供使用时通过rf透镜截取的垂直于由水平面限定的平面，并且也垂直于rf透镜安装在其前面的背板的横截面。类似地，这里rf透镜的“水平横截面”是指当安装包括rf透镜的天线以供正常使用时通过rf透镜截取的平行于由水平面限定的平面，并且也垂直于rf透镜安装在其前面的背板的横截面。图21是安装在从背板210向前延伸的辐射元件222的前面的图4a-4d的rf透镜280之一的正视图，其示出了如本文所定义的代表性垂直横截面vc1、vc2和代表性水平横截面hc1、hc2的位置。垂直横截面vc1和水平横截面hc1各自穿过辐射元件222的中心截取，而垂直横截面vc2和水平横截面hc2各自沿着不穿过辐射元件222的中心的平面截取。

如图13a-13e所示，所描绘的每个rf透镜具有垂直的横截面，该横截面具有大致凸起的形状。这些凸起的垂直横截面使得各个rf透镜将rf辐射聚焦在仰角平面中。从图13a-13e中也可以看出，在每种情况下，rf透镜的下部包括比rf透镜的上部更大量的材料，这进一步导致更向下引导向上发射的辐射的一部分。

在一些实施例中，rf透镜可以被设计成在方位角平面中展开天线波束，同时减少仰角平面中向上指向的辐射的量。在这样的实施例中，rf透镜可以被设计成具有大致凹入的水平横截面，使得rf透镜在方位角平面中展开天线波束，和至少对于rf透镜的上部具有大致凸起的垂直横截面，使得rf透镜减少指向更高仰角的辐射量。

例如，图13f的rf透镜具有水平横截面，该横截面具有凹入的内表面和大致平坦的外表面。这种rf镜头设计将在方位角平面上传播rf能量。由于在一些实施例中，方位角方向图由四个线性阵列的组合形成，所述四个线性阵列具有彼此偏移90°的方位角指向方向，因此在每个线性阵列的方位角指向方向中间的方位角方向图中可能倾向于为空值。通过展开每个辐射元件的方位角方向图，可以减少这些空值。至少对于rf透镜的上部，图13f的rf透镜可以沿垂直横截面具有更凸的轮廓，以便减少向上指向的rf辐射的量。将在下面参考图16a-21更详细地讨论用于将rf辐射聚焦/重定向在仰角平面中，同时使rf辐射在方位角平面中散焦(扩散)的rf透镜的各种设计。

图15a是示意性透视图，图15b是根据本发明进一步实施例的示例性透镜680的示意性侧视图。如图15a-15b所示，rf透镜680具有平坦的后表面682。rf透镜680的下部684可包括比rf透镜680的上部686更少的材料。平坦的后表面可简化rf透镜的制造。根据本发明的实施例，rf透镜680可以用于代替上述基站天线中的任何rf透镜。

根据本发明的进一步实施例，提供了包括rf透镜的基站天线，rf透镜将辐射聚焦在仰角平面中和/或减少向上指向的辐射的量，同时在方位角平面中展开(散焦)辐射以提供覆盖，例如，在方位角平面中，更接近于全向覆盖。

如上所述，各种规定可能使得必须减少由包括在unii-1频带中操作的辐射元件的线性阵列的小小区基站天线产生的向上辐射的量。如上所述，根据本发明的实施例，通过使用将入射的rf能量聚焦到例如赤道平面和/或通过使用向下重定向来自辐射元件的一些向上指向的辐射rf透镜，可以实现向上辐射量的减少。

图16a和16b分别是两个辐射元件722-1,722-2及其相关的rf透镜780-1,780-2的放大侧视图和俯视图，其进一步示出了根据本发明的实施例的rf透镜如何将rf辐射聚焦在仰角平面中并减少向上的辐射。图16a-16b中的rf透镜780类似于天线200的rf透镜280，除了rf透镜780具有在rf透镜780的前表面782上具有大致凸起形状的大致平凸形状和大致平坦的后表面784之外，类似于图15a-15b中示出的rf透镜680。如在图16a中可以看到的，rf透镜780具有大致凸起的垂直横截面(即，通过y-z平面截取的rf透镜780的横截面)。通过将rf透镜780形成为具有大致凸起的垂直轮廓，rf透镜780例如朝向地平线或略低于地平线的点将rf辐射聚焦在仰角平面中。另外，每个rf透镜780沿y轴是不对称的，其中较大量的透镜材料设置在与rf透镜780相关联的辐射元件722(即，安装在每个rf透镜780后面的相应的辐射元件722)的下部的前面，以便向下引导由辐射元件722发射的更大量的rf辐射。

如图16b所示，每个rf透镜780具有大致矩形的水平横截面(即，通过z-x平面截取的rf透镜780的横截面)。因为矩形可以被视为凸透镜的量化版本，这些矩形水平横截面将倾向于将rf辐射聚焦在方位角平面中，如图16c的示意图所示。图4a-4d和图8a-8b的基站天线200和300的rf透镜280,380将类似地将rf辐射聚焦在方位角平面中。然而，在方位角平面中聚焦rf辐射可能在某些情况下是不利的。

特别地，如上所述，根据本发明实施例的一些小小区基站天线具有与线性阵列一起使用的rf镜头，该线性阵列具有设计用于在3.5ghz和5ghz频带中发送和接收信号的辐射元件。在这些实施例的一些中，辐射元件的线性阵列可以被设计为产生3.5ghz的一对天线波束，其中每个3.5ghz天线波束在方位角平面中具有大致花生形的横截面，并且两个3.5ghz天线波束相对于彼此旋转90度，以提供一对“正交的花生形天线波束”。当使用交叉极化的辐射元件时，天线产生两对这样的正交花生形天线波束，即在两个极化中的每一个处产生一对。具有图5a的馈送网络250的设计但耦合到3.5ghz无线电装置而不是5ghz无线电装置的馈送网络可用于产生两对正交的花生形天线波束。两对正交花生形天线波束的四个天线波束一起可以近似全向覆盖。

在5ghz，增加rf透镜280以形成仰角方向图可能导致rf辐射在方位角平面中的不期望的聚焦。这可以参考图20看出，图20示出了图4a-4d的基站天线200的5ghz方位角方向图，当使用图5b的馈送网络250'将rf信号以相等的能量馈送到所有四个5ghz线性阵列220时。如在图20中可以看到的，方位角方向图具有粗略的准全向形状，但是四个线性阵列220的主瓣相对较窄。结果，在主瓣之间存在显著的增益下降，其可能比峰值增益低10db(参见图20在-120°处的方向图)。如果增加进一步将rf能量聚焦在方位角平面中的rf透镜280，那么主瓣之间的增益下降可能变得更大，从而降低了天线方向图的全向性质。此外，主瓣的聚焦也增加了主瓣的增益。如上所述，在5ghzunii频段中，政府规定将天线增益限制在-6dbi。由聚焦rf能量的rf透镜280引起的增益增加可能导致天线200超过对增益的这种限制，需要采取其他措施来将天线200的增益降低到规定的水平。由于在所有观察角度下天线的增益必须保持在-6dbi以下，所以增粗主瓣趋向于减少增益中的纹波量，这有利于保持在-6dbi增益要求下而不必增加过多的插入损耗量。取决于系统要求和设计目标，与不使用rf透镜的情况相比，rf透镜280实际上可以使或可以不使辐射在方位角平面中散焦，但是在方位角平面中对rf透镜280添加具有某种程度的凹度，与使用不具有这种凹度的rf透镜280的情况相比，将会使辐射在方位角平面中散焦(当目标是在仰角平面中简单地聚焦和/或重定向rf能量时就是这种情况)。

根据本发明的其他实施例，提供了具有rf透镜的基站天线，所述rf透镜被配置为将辐射聚焦在仰角平面中，同时使辐射在方位角平面中散焦。因此，这些rf透镜可以用于例如促进符合unii频带的要求，同时改善方位角平面中的天线波束的全向性质。

现在参考图17a-17c，示出了根据本发明实施例的rf透镜880-1,880-2，其可以将辐射聚焦在仰角平面中，同时使辐射在方位角平面中散焦。图17a是该对rf透镜880的透视图，图17b是该对rf透镜880的侧视图，图17c是该对rf透镜880的顶视图。

如图17a-17c所示，每个rf透镜880沿y轴(即，沿仰角平面)具有大致凸起的形状，同时沿x轴(即，沿方位角平面)具有大致凹形的轮廓。因此，每个rf透镜880的垂直横截面具有大致凸起的形状，并且每个rf透镜880的水平横截面具有大致凹形的形状。可以通过修改图16a-16b的rf透镜780来形成rf透镜880，使得其在穿过rf透镜880的中心的垂直延伸区域886(即，沿y轴延伸的区域)中具有较少的透镜材料，如从图17a和17c中可见。如图17a-17b所示，每个rf透镜880也可以沿y轴不对称，每个rf透镜880的下半部分包括比rf透镜880的上半部分更大量的透镜材料。rf透镜880的不对称形状可以用于向下引导由与rf透镜880关联的辐射元件发射的更大量的辐射。从图17a中可以最清楚地看出，每个rf透镜880还可以具有弯曲的下表面888，使得每个rf透镜880的外下部与rf透镜880的中下部相比进一步向下延伸。每个rf透镜880的上表面890可以沿相反方向弯曲。

在图17a-17c的实施例中，两个rf透镜880形成在公共衬底892上。应当理解，在其他实施例中，可以省略公共衬底892，或者可以在公共衬底892上形成两个以上的rf透镜880。在一些实施例中，衬底892可以由与rf透镜880相同的材料形成。可以提供支撑肋894以增加衬底892的刚性以减少翘曲。

将rf透镜880设计成具有大致凹入的水平横截面和大致凸起的垂直横截面是提供将rf辐射聚焦在仰角平面中，同时使rf辐射在方位角平面中散焦的rf透镜的一种方式。rf透镜880可以由单一材料形成，因此可以具有均匀的介电常数。然而，应当理解，可以使用其他技术来提供将rf辐射聚焦在仰角平面中，同时使rf辐射在方位角平面中散焦rf透镜。例如，图18a-18c示出了一对rf透镜980，其使用第一替代技术来实现该效果，图18d-18f示出了一对rf透镜1080，其使用第二替代技术来实现该效果。在每种情况下，rf透镜980、1080使用具有至少两种不同介电常数的材料形成，并且rf透镜的不同部分的有效介电常数的差异被用于以期望的方式对rf辐射进行聚焦和/或散焦。

首先参考图18a-18c的实施例，图18a和18b分别是一对rf透镜980的正视图和剖视图。图18c是rf透镜980之一的顶视图，示出了它如何定位在相关联的辐射元件922的前面。

参见图18a-18c，代替减小沿着y轴(即，通过rf透镜980的垂直方向)延伸的rf透镜的中心部分的z轴厚度，如rf透镜880所做的那样，通过使用具有不均匀介电常数的透镜材料形成rf透镜980，可以实现相同的效果。在图18a-18c中所示的该方法的示例实施例中，rf透镜980可以由具有第一介电常数的材料形成，并且rf透镜980的介电常数可以通过形成穿过第一介电材料的各部分的充气孔990而可变。因此，rf透镜980可以被视为由两种介电材料形成，即第一介电材料和充当第二介电材料的空气。由于空气具有1的介电常数，而用于形成rf透镜980的第一介电材料将具有更高的介电常数(例如，在1.5和4.5之间)，所以rf透镜980的具有气孔990的部分的“有效厚度”与rf透镜980的其余部分相比将减小。这里，由具有不同介电常数的多种材料形成的rf透镜的第一部分的“有效厚度”是由多种材料中的将使rf辐射弯曲的量与rf透镜的第一部分的量相同的具有最高的介电常数的一种材料形成的rf透镜的物理厚度。因此，“有效厚度”考虑了使用较低介电常数材料如何降低rf透镜的各部分弯曲rf辐射的能力。具有低介电常数的气孔990的作用是减小rf透镜980在设置气孔990的区域中的有效厚度。观察气孔(或具有与rf透镜的基底材料不同的介电常数的其他介电材料)的影响的另一种方式是具有第一和第二介电常数的第一和第二介电材料可被视为具有“有效介电常数”的单个介电材料，其等效于第一和第二介电材料的混合组合。因此，“有效介电常数”是rf透镜的介电常数，其具有与使rf辐射弯曲与由第一和第二介电材料形成的rf透镜的量相同的量相同的形状。

如图18a所示，气孔990在大致垂直的方向上延伸穿过rf透镜980的中心。因此，rf透镜980垂直延伸通过rf透镜980的中心的部分的有效厚度降低了。此外，如图18b所示，每个气孔990在z方向上的长度(这里也称为气孔990的“深度”)可以变化，使得通过rf透镜980的水平横截面具有在rf透镜980弯曲rf辐射的能力方面具有凹形的有效厚度。rf透镜980可以具有沿着y轴的横截面，其与图18a的rf透镜880相比例如具有恒定的物理厚度(这可以在图18b中看到)，因为气孔990使rf透镜990在方位角平面中具有凹入特性。在其他实施例中，可以改变气孔990除了长度以外的特性。例如，在另一个实施例中，沿着相应的气孔990的纵轴线截取的垂直横截面的面积可以变化(例如，对于圆形气孔990，气孔990的直径可以变化)，以改变包括在rf透镜的不同部分中的较低介电常数材料的量。作为又一示例，气孔990的密度(即，每单位面积的气孔990的数量)可以在整个rf透镜980的不同位置变化。

图18a-18c的rf透镜980可以具有图15a-15b的rf透镜680的物理形状，其具有将rf辐射聚焦在仰角平面中的大致凸起的垂直轮廓。包括在每个rf透镜980中的充气孔990给予每个rf透镜980具有带有凹形的有效厚度的水平横截面，该凹形使得rf透镜980使rf辐射在方位角平面中散焦。图18d-18f示出了另一rf透镜1080，其具有水平横截面，该横截面具有大致凹入的物理形状，以使rf辐射在方位角平面中散焦，并且还包括空气填充孔1090，其被提供为使得rf透镜的垂直横截面将有效地具有凸起形状，以便将rf辐射聚焦在仰角平面中。

在上述图18a-18c和18d-18f的实施例中，穿过各个rf透镜980,1080形成的孔990,1090充满空气。空气可以被认为是第二rf透镜材料，其中用于形成rf透镜980,1080的两种材料(即，介电材料块和气孔990,1090中的空气)具有不同的介电常数。应当理解，第二电介质材料可以是除空气之外的材料，并且在其他实施例中可以使用多于两种不同的材料形成rf透镜。例如，在另一个实施例中，可以提供由垂直延伸的不同介电材料条带形成的rf透镜，其中每个介电材料条带具有不同的介电常数，以提供具有水平横截面的rf透镜，该水平横截面具有通常凹入的有效厚度，或者提供具有垂直横截面的rf透镜，所述垂直横截面具有通常凸起的有效厚度。

图19a-19b示出了用于使rf辐射在方位角平面中散焦的又一技术。特别地，图19a是穿过图4a-4d的rf透镜280的水平横截面(即，方位角平面中的横截面)。如图19a所示，rf透镜280具有环形横截面，其具有均匀的厚度。这种rf透镜将作为方位角平面中的凸透镜操作。图19b示出了具有类似水平横截面的另一rf透镜1180。然而，在rf透镜1080中，水平横截面的外侧的半径增大，而水平横截面的内侧的半径减小。作为这些变化的结果，rf透镜1180在方位角平面中具有大致凹形的形状。rf透镜1180可以具有大致凸起的垂直横截面，因此rf透镜1180可以将rf辐射聚焦在仰角平面中，同时使rf辐射在方位角平面中散焦。应当理解，不必既增加水平横截面的外侧的半径又减小水平横截面的内侧的半径以将rf透镜280转换为在方位角平面中具有大致凹形的rf透镜；相反，只需要做一个或另一个。

应当理解，在将rf辐射聚焦在仰角平面中同时使rf辐射在方位角平面中散焦的能力之间可能存在折衷。具体地，修改诸如rf透镜280的rf透镜使得rf透镜在方位角平面中具有大致凹形的形状可以涉及通过减少透镜材料的量和/或通过减少rf透镜中心部分的材料的介电常数来使rf透镜的中心部分“更薄”。rf透镜中心部分的物理和/或有效厚度的减小降低了rf透镜将rf辐射聚焦在仰角平面中的能力，因为这种聚焦是通过增加rf透镜的厚度来实现的，特别是在其中心部分。因此，提供将rf辐射聚焦在仰角平面中同时使rf辐射在方位角平面中散焦的rf透镜的概念通常是违反直觉的，因为两个目标可能彼此不一致。然而，发明人已经意识到，通过例如基本上加厚rf透镜的垂直延伸的外部部分，同时在透镜材料的垂直延伸的中心条带中提供较少的透镜材料，其在方位角平面中提供凹形形状，同时还在仰角平面中提供大致凸起的形状，可以实现rf辐射在仰角平面中的聚焦和rf辐射在方位角平面中的散焦。此外，对于unii频带的一些独特要求，rf透镜可以以两种不同的方式改善仰角方向图，即通过(1)将rf能量聚焦到地平线或低于地平线，以及(2)通过具有不对称的rf透镜形状向下重定向向上的辐射。向上指向的rf能量向下的重定向可以通过增加rf透镜下部中与rf透镜的上部相比的透镜材料的量来实现，这相对于提供具有大致凹入的水平横截面rf透镜最不冲突。因此，本发明的实施例提供了具有可以改善方位角和仰角平面中的天线波束的形状的rf透镜的基站天线。

应当理解，上述将rf辐射聚焦在仰角平面中同时使rf辐射在方位角平面中散焦的rf透镜可以用在本文公开的任何小小区基站天线中。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述天线进行许多修改。作为一个示例，在其他实施例中可以使用更简单的馈送网络。例如，图9中所示的馈送网络350包括移相器358，其允许电子调整所得天线波束392的仰角。在其他实施例中，可以完全省略远程电子下倾能力。在这样的实施例中，移相器358可以用不执行任何相移的简单功率分配器/合路器代替(并且固定相位锥度可以被或不被构建在馈送网络中)。上述其他馈送网络省略了移相器。应当理解，在进一步的实施例中，可以将移相器添加到这些馈送网络中的任何一个以提供远程电子下倾能力。因此，应当理解，根据本发明实施例的天线中实现的具体能力，可以使用各种不同的馈送网络。

作为另一个例子，在上述实施例中，rf透镜设置在每个5ghz辐射元件的前面。应当理解，情况并非如此，并且可以在一些辐射元件的前面省略rf透镜。同样应当理解，在一些实施例中可以使用较大的透镜，其放置在多个辐射元件的前面。这种多元件rf透镜可以适当地成形，以重定向来自多个辐射元件中的每一个的向上发射的辐射中的一些。

另外，虽然上面主要关于具有在unii-1频带中操作的5ghz线性阵列的天线描述了本发明的实施例，但是应当理解，本文描述的rf透镜可以用在在其中必须限制在某个方向上发射的rf辐射量的其他频带(例如wcs频带)中操作的天线上。对于wcs频带，要求是限制在地平线以下大于45°的仰角发射的能量。本文讨论的相同的基于rf透镜的技术可用于将能量从这样的低仰角重定向到地平线。

作为另一个例子，本发明的上述实施例在具有管状反射器组件的基站天线中实现，该管状反射器组件具有矩形水平横截面。在其他实施例中，管状反射器可以具有其他形状的水平横截面，例如三角形或六边形横截面。在其他实施例中，天线可以替代地是平板天线，其中所有线性阵列安装在共同的反射器上并且具有指向相同方向的辐射元件。

上面已经参考附图描述了本发明。本发明不限于所示实施例；而是，这些实施例旨在向本领域技术人员完全和完整地公开本发明。在附图中，相同的标号始终表示相同的元件。某些元件的厚度和尺寸可能未按比例绘制。

在此可以使用空间相对术语，例如“下面”、“下方”、“下”、“之上”、“上部”、“顶部”、“底部”等，以便于描述图中所示的一个元件或特征与另一个元素或特征的关系。应当理解，除了图中所示的取向之外，空间相对术语旨在包括使用或操作中的装置的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下面”或“下方”的元件将被“定向”在其他元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在...之下”可以包括上方和下方的方向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位)，并且相应地解释本文使用的空间相对描述符。

为了简洁和/或清楚起见，可能未详细描述众所周知的功能或构造。如本文所用，表述“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。