具有混合耦合器的双波束天线的制作方法

本公开一般而言涉及无线电通信，并且更具体地涉及蜂窝和其它通信系统中使用的双波束基站天线。

背景技术：

1、蜂窝通信系统在本领域中是众所周知的。在典型的蜂窝通信系统中，地理区域被划分为一系列称为“小区”的区域并且每个小区由基站服务。基站可以包括基带装备、无线电收发装置和基站天线，其被配置为与定位在整个小区中的订户提供双向射频(“rf”)通信。在许多情况下，小区可以在水平或“方位”平面中被划分为多个“扇区”，并且分离的基站天线为每个扇区提供覆盖。基站天线常常安装在塔架或其它凸起结构上，由每个天线生成的辐射波束(“天线波束”)向外指向以服务于相应扇区。通常，基站天线包括辐射元件的一个或多个相控阵，当天线被安装使用时，辐射元件布置在一个或多个垂直列中。在本文中，“垂直”是指相对于由地平线定义的平面垂直的方向。

2、常见的基站配置是“三扇区”配置，其中小区在方位平面中被划分为三个120°扇区，并且基站包括为三个相应扇区提供覆盖的三个基站天线。方位平面是指将基站天线平分并与由地平线定义的平面平行的水平平面。在三扇区配置中，由每个基站天线生成的天线波束在方位平面上通常具有大约65°的半功率波束宽度(“hpbw”)，以便天线波束在整个120°扇区内提供良好的覆盖。通常，每个基站天线将包括垂直延伸的辐射元件列，这些辐射元件一起生成天线波束。列中的每个辐射元件可以具有近似65°的hpbw，以便由辐射元件列生成的天线波束将覆盖方位平面中的120°扇区。基站天线可以包括在相同或不同频带中操作的多列辐射元件。

3、大多数现代基站天线还包括沿着穿过天线的rf传输路径的远程控制的移相器/功率分配器电路，其允许将相位锥度应用于供给阵列中辐射元件的rf信号的子分量。通过调整所应用的相位锥度的量，结果所得的天线波束可以在垂直或“仰角”平面上电下倾到期望的角度。这种技术可以被用于调整天线波束从天线向外延伸多远，因此可以被用于调整基站天线的覆盖区域。

4、扇区拆分是指将用于基站的覆盖区域在方位平面上划分为多于三个扇区的技术，诸如六个、九个或甚至十二个扇区。六扇区基站在方位平面上将具有六个60°扇区。将每个120°扇区拆分为两个子扇区增加系统容量，因为每个天线波束提供对更小区域的覆盖，因此可以提供更高的天线增益和/或允许在120°的扇区内的频率重用。在六扇区扇区拆分应用中，对于每个120°扇区通常使用单个双波束天线。双波束天线生成两个分离的天线波束，每个波束在方位平面上的尺寸减小并且每个波束指向方位平面上不同的方向，从而将扇区拆分成两个更小的子扇区。由在六扇区配置中使用的双波束天线生成的天线波束优选地具有例如在大约27°-39°之间的方位hpbw值，并且用于方位平面中第一和第二扇区拆分天线波束的指向方向通常分别与天线的0°“方位瞄准线指向方向”大约为-27°和27°，该角度是指从基站天线延伸的在方位平面中指向由基站天线提供服务的扇区的中心的水平轴。

5、已经使用了几种方法来实现双波束天线，该天线为方位平面中120°扇区的相应第一和第二子扇区提供覆盖。在第一种方法中，第一和第二列辐射元件安装在v形反射器的两个主要内面上。由“v”形反射器的内表面定义的角度可以大约为54°，以便两列辐射元件被机械定位或“转向”以分别指向大约-27°和27°的方位角(即，朝着相应子扇区的中间)。由于典型辐射元件的方位hpbw通常适合覆盖整个120°扇区，因此在两列辐射元件前面安装rf透镜，将每个天线波束的方位hpbw缩小合适的量以提供对60°子扇区的覆盖。但是，遗憾的是，使用rf透镜可以增加基站天线的尺寸、重量和成本，并且rf透镜使波束宽度变窄的量是频率的函数，从而使得当使用在宽频率范围上操作的宽带辐射元件(例如，在整个1.7-2.7千兆赫兹(“ghz”)蜂窝频率范围内操作的辐射元件)时难以获得合适的覆盖。

6、在第二种方法中，两列或更多列辐射元件(通常为2-4列)安装在扁平反射器上，以便每列指向天线的方位瞄准线指向方向。(每个偏振)两个rf端口通过波束赋形网络(诸如butler矩阵)耦合到所有辐射元件列。波束赋形网络基于在两个rf端口处输入的rf信号生成(每个偏振)两个分离的天线波束，并且天线波束以大约-27°和27°的方位角电偏离天线的瞄准线指向方向以提供对两个子扇区的覆盖。对于这种基于波束赋形网络的双波束天线，每个天线波束的方位平面中的指向角和每个天线波束的hpbw可以随着两个rf端口处输入的rf信号频率的变化而变化。特别地，天线波束的方位指向方向(即，峰增益出现的方位角)倾向于朝着天线的方位瞄准线指向方向移动并且方位hpbw随着频率的增加而趋于更小。这会导致子扇区外边缘处的天线波束的功率电平随频率发生大变化，这是不期望的。

7、在第三种方法中，在v形反射器的每个外部面板上安装辐射元件的多列阵列(通常每个阵列三列)以提供扇形拆分双波束天线。与上面讨论的基于透镜和波束赋形的双波束天线相比，由每个多列阵列生成的天线波束随频率的变化可以较小。遗憾的是，此类扇形拆分天线可以要求大量的辐射元件，这增加天线的成本和重量。此外，包括六列辐射元件会增加天线所需的宽度，而v形反射器会增加天线的深度，这两种情况都可能是不期望的。

8、一般而言，蜂窝运营商期望双波束天线的方位hpbw值在30°-38°之间的任何位置，只要方位hpbw值在整个操作频带内变化不大(例如，大于12°)即可。同样，天线波束峰的方位指向角可以在+/-26°到+/-33°之间的任何位置变化，只要方位角在整个操作频带内变化不大(例如，大于4°)即可。峰值方位旁瓣水平优选地至少比峰值增益值低15分贝(“db”)。

技术实现思路

1、根据一些实施例，双波束基站天线可以包括包含多个辐射元件的天线阵列。双波束基站天线可以包括第一和第二功率分配器。而且，双波束基站天线可以包括耦合在第一和第二功率分配器与一行天线阵列中的一对辐射元件之间的混合耦合器。

2、在一些实施例中，混合耦合器可以不耦合到该一对辐射元件以外的任何辐射元件。

3、根据一些实施例，该一对辐射元件可以是行中的连续辐射元件。

4、在一些实施例中，没有功率分配器可以耦合在混合耦合器和该一对辐射元件中的任何辐射元件之间。

5、根据一些实施例，双波束基站天线可以包括绕过混合耦合器的第一和第二相位可控延迟线。该行可以包括第一至第四辐射元件。第一功率分配器可以通过第一相位可控延迟线耦合到第一辐射元件。该一对辐射元件可以包括第二和第三辐射元件。第二功率分配器可以通过第二相位可控延迟线耦合到第四辐射元件。

6、在一些实施例中，第一至第四辐射元件可以是该行中的连续辐射元件，该行可以是天线阵列的第一行，并且天线阵列的第二行可以包括连续的第五至第八辐射元件。

7、根据一些实施例，第二辐射元件可以相对于第一、第三和第四辐射元件旋转180度。

8、在一些实施例中，双波束基站天线可以包括反射器。第一和第五辐射元件可以位于反射器的第一部分上。第二、第三、第六和第七辐射元件可以位于反射器的第二部分上。第四和第八辐射元件可以位于反射器的第三部分上。而且，反射器的第一和第三部分可以相对于反射器的第二部分弯曲。

9、根据一些实施例，反射器的第一和第三部分可以相对于反射器的第二部分弯曲超过27度。

10、在一些实施例中，混合耦合器可以是第一混合耦合器，并且双波束基站天线可以包括：第二混合耦合器；以及耦合在第二混合耦合器与第二行之间的第三和第四功率分配器。

11、根据一些实施例，第三功率分配器可以耦合在第二混合耦合器与第五和第七辐射元件之间，并且第四功率分配器可以耦合在第二混合耦合器与第六和第八辐射元件之间。

12、在一些实施例中，行中总共有三个辐射元件耦合到混合耦合器，或者该一对辐射元件可以是行中的第一对辐射元件，并且混合耦合器也可以耦合到行中的第二对辐射元件。

13、根据一些实施例，双波束基站天线可以包括第一和第二辐射元件、功率分配器、以及耦合在功率分配器与第二辐射元件之间的混合耦合器。而且，双波束基站天线可以包括相位可控延迟线，其绕过混合耦合器并耦合在功率分配器与第一辐射元件之间。

14、在一些实施例中，只有两个辐射元件可以耦合到混合耦合器。

15、根据一些实施例，双波束基站天线可以包括第三辐射元件。第三辐射元件可以耦合到混合耦合器。而且，第二辐射元件可以相对于第一和第三辐射元件旋转180度。

16、在一些实施例中，功率分配器可以包括第一功率分配器，该第一功率分配器被配置为在混合耦合器与相位可控延迟线之间拆分第一rf信号。相位可控延迟线可以包括第一相位可控延迟线。双波束基站天线可以包括：第三辐射元件，其耦合到混合耦合器；第四辐射元件；第二功率分配器；以及第二相位可控延迟线，其绕过混合耦合器并耦合在第二功率分配器与第四辐射元件之间。而且，第二功率分配器可以被配置为在混合耦合器与第二相位可控延迟线之间拆分第二rf信号。

17、根据一些实施例，第二相位可控延迟线可以被配置为提供与第一相位可控延迟线不同的相位延迟。

18、在一些实施例中，第二辐射元件可以位于第一辐射元件与第三辐射元件之间。第三辐射元件可以位于第二辐射元件与第四辐射元件之间。

19、根据一些实施例，双波束基站天线可以包括第一至第四辐射元件；以及反射器，反射器具有在其上具有第一辐射元件的第一部分、在其上具有第二和第三辐射元件的第二部分，以及在其上具有第四辐射元件的第三部分。反射器的第一部分可以相对于反射器的第二部分弯曲超过33度。而且，反射器的第三部分可以相对于反射器的第一部分弯曲超过33度。

20、在一些实施例中，反射器的第一部分可以相对于反射器的第二部分弯曲超过35度。

21、根据一些实施例，反射器的第三部分可以相对于反射器的第二部分弯曲超过35度。

22、在一些实施例中，双波束基站天线可以包括：功率分配器；混合耦合器，其耦合在功率分配器与第二和第三辐射元件之间；以及相位可控延迟线，其绕过混合耦合器并耦合在功率分配器与第一辐射元件之间。第一至第四辐射元件可以在一行天线阵列中。

23、根据一些实施例，操作双波束基站天线的方法可以包括经由双波束基站的第一、第二和第三辐射元件而不是经由双波束基站天线的第四辐射元件提供第一天线波束。该方法可以包括经由第二、第三和第四辐射元件而不是经由第一辐射元件提供第二天线波束。第一辐射元件处的第一相位延迟可以不是90度的倍数。而且，第四辐射元件处的第二相位延迟可以不是90度的倍数。

24、在一些实施例中，第二相位延迟可以不等于第一相位延迟。

25、根据一些实施例，提供第一天线波束可以包括由双波束基站天线的第一功率分配器在以下两者之间拆分第一rf信号：耦合到第二和第三辐射元件的混合耦合器；以及耦合到第一辐射元件并绕过混合耦合器的第一相位可控延迟线。

26、在一些实施例中，提供第二天线波束可以包括由双波束基站天线的第二功率分配器在以下两者之间拆分第二rf信号：耦合到第二和第三辐射元件的混合耦合器；以及耦合到第四辐射元件并绕过混合耦合器的第二相位可控延迟线。

27、根据一些实施例，第一至第四辐射元件可以位于第一行中。双波束基站天线的第五至第八辐射元件可以位于第二行中。第一天线波束可以进一步经由第五至第八辐射元件提供。而且，第二天线波束可以进一步经由第五至第八辐射元件提供。