多波束透镜天线和有源透镜天线系统

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种多波束透镜天线和有源透镜天线系统。

背景技术

近年来，随着科技的快速发展，4G通信已经无法满足现在的需求，需要对5G通信进行快速部署。由于多波束透镜天线系统具有发射波束窄、增益高、传输距离远、能覆盖特定形状的空域、能以组合馈源方式实现低旁瓣等优点，多波束透镜天线系统被广泛地应用在移动通信、各类卫星通行以及电子对抗等技术领域中，此外，多波束透镜天线系统能够提高移动通信系统的系统容量和通信质量，因此对多波束透镜天线系统的研究是目前比较热门的研究方向之一。

中国专利CN108432045A、CN108701894A和CN109923736A都描述了一种多波束透镜天线系统，这种透镜天线把一个120度的大扇区分成2个、3个或4个小扇区，通过增加扇区数量来增加系统的容量。这种透镜天线中的每个小扇区只有一副双极化天线，只能实现2T2R。但在一些需要更高系统容量的场景中，需要在一个小区里实现4T4R、8T8R，而在5G通信系统中，则至少要实现8T8R、16T16R，甚至32T32R、64T64R。

在美国专利US20200059004A1、US20170062944A1、US10483650B1、US10418716B2和US2019081405A1，以及中国专利CN201680049538.9和CNCN201880017747.4中，都描述了一种多波束透镜天线，这种多波束透镜天线由多个球形透镜放置在一个圆柱筒里，再在每个球形透镜的一侧放置辐射体，这种设计过于繁琐，设计、组装与生产都需要严格控制工艺与成本；另一种设计是在一个大型透镜球体的一侧放置多个辐射体，组成多波束天线，在球面的附近沿经线与纬线放置辐射体，其波束的指向不一样，这种设计的多波束透镜天线在形成大规模MIMO系统时存在困难，另外，这种透镜天线不能产生广播波束，在TDD系统的使用中存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多波束透镜天线，能够提供宽波束作为广播波束，有利于提高移动通信系统的系统容量。

本发明的又一目的在于提供一种有源透镜天线系统，能够提供宽波束作为广播波束，有利于提高移动通信系统的系统容量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多波束透镜天线，包括柱状透镜，以及沿所述柱状透镜的外侧面的高度方向分布的N层第一辐射单元组和M层第二辐射单元组，每层所述第一辐射单元组包括沿所述柱状透镜的外侧面排列放置的P个第一辐射单元，每层所述第二辐射单元组包括沿所述柱状透镜的外侧面排列放置的K个第二辐射单元，每层所述第一辐射单元组通过所述柱状透镜辐射P个不同指向的窄波束作为业务波束，每层所述第二辐射单元组通过所述柱状透镜辐射F个不同指向的宽波束作为广播波束，每层的F个所述广播波束所覆盖的扇区与每层的P个所述业务波束所覆盖的扇区相匹配；其中，N≥2，P≥2，M≥1，K≥1，1≤F≤K。

较佳地，本发明的多波束透镜天线还包括反射板，所述第一辐射单元和第二辐射单元安装在所述反射板上，所述反射板所在平面的中轴线与所述柱状透镜的几何轴心线平行或呈锐角。

较佳地，本发明的多波束透镜天线还包括功率分配器或合路器，所述功率分配器或合路器用于使每层K个所述第二辐射单元辐射F个不同指向的宽波束。

较佳地，本发明的多波束透镜天线还包括射频拉远单元，所述射频拉远单元用于使每层K个所述第二辐射单元辐射F个不同指向的宽波束。

较佳地，本发明的多波束透镜天线还包括多个射频拉远单元，每个所述射频拉远单元与每个所述第一辐射单元对应连接，所述射频拉远单元用于使所述第一辐射单元辐射窄波束。

较佳地，本发明的多波束透镜天线还包括多个射频拉远单元，每个所述射频拉远单元与每个所述第一辐射单元对应连接组成一个基本有源单元，通过软件对每一所述基本有源单元进行相位和振幅的赋值调整以实现对波束的跟踪和扫描。

较佳地，相邻的两层所述第一辐射单元组之间的所述第一辐射单元所辐射的窄波束相互交错排列，以使其中一层所述第一辐射单元组辐射的窄波束覆盖相邻层所述第一辐射单元组辐射的窄波束之间的交叠区域。

较佳地，所述第一辐射单元和第二辐射单元为单极化天线或双极化天线。

较佳地，所述第一辐射单元和第二辐射单元为偶极子天线、贴片振子天线、由偶极子天线组成的阵列天线或由贴片振子天线组成的阵列天线。

较佳地，本发明的多波束透镜天线还包括移相器，所述移相器用于对所述多波束透镜天线进行波束调整。

较佳地，所述柱状透镜的形状为圆柱体、类圆柱体、椭圆柱体或类椭圆柱体。

较佳地，本发明的多波束透镜天线还包括天线罩，所述天线罩包括本体和附属体，所述本体用于容置所述柱状透镜，所述附属体用于容置N层所述第一辐射单元组和M层所述第二辐射单元组；所述天线罩还包括端盖，所述端盖设于所述天线罩的末端。

为了实现上述又一目的，本发明还提供了一种有源透镜天线系统，包括如前所述的多波束透镜天线和与所述多波束透镜天线集成在一起的有源单元。

较佳地，所述有源透镜天线系统能够在垂直面或水平面上进行波束跟踪和扫描。

本发明的多波束透镜天线，第一辐射单元组能够通过柱状透镜辐射若干窄波束作为业务波束，第二辐射单元组能够通过柱状透镜辐射宽波束作为广播波束，F个所述广播波束所覆盖的扇区与每层P个所述业务波束所覆盖的扇区相匹配，每个所述业务波束覆盖一个子扇区，每个子扇区中辐射N个业务波束，因此，本发明的多波束透镜天线和有源透镜天线系统能够应用在TDD系统中且有利于提高移动通信系统的系统容量。

附图说明

图1是本发明实施例多波束透镜天线的结构示意图。

图2是本发明实施例多波束透镜天线的一视角的分解示意图。

图3是发明实施例多波束透镜天线的另一视角的分解示意图。

图4是本发明实施例多波束透镜天线中单层第一辐射单元组的水平面上的方向图。

图5是本发明实施例多波束透镜天线中单层第一辐射单元组的垂直面上的方向图。

图6是本发明实施例多波束透镜天线中单层第一辐射单元组的3D方向图。

图7是本发明实施例多波束透镜天线的3D方向图。

图8是本发明实施例多波束透镜天线的第一辐射单元组的3D方向图。

图9是本发明另一实施例多波束透镜天线的3D方向图。

图10是本发明又一实施例多波束透镜天线的第一辐射单元组的3D方向图。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术内容、构造特征、实现的效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1至图3，本发明公开了一种多波束透镜天线10，包括柱状透镜11，以及沿柱状透镜11的外侧面的高度方向分布的N层第一辐射单元组和M层第二辐射单元组，第一辐射单元组和第二辐射单元组分布于柱状透镜11的同一侧，每层第一辐射单元组包括沿柱状透镜11的外侧面排列放置的P个第一辐射单元20，每层第二辐射单元组包括沿柱状透镜11的外侧面排列放置的K个第二辐射单元30，每层第一辐射单元组通过柱状透镜11辐射P个不同指向的窄波束作为业务波束，每层第二辐射单元组通过柱状透镜11辐射F个不同指向的宽波束作为广播波束，每层的F个广播波束所覆盖的扇区与每层的P个业务波束所覆盖的扇区相匹配；其中，N≥2，P≥2，M≥1，K≥1，1≤F≤K。

本发明的多波束透镜天线10能够提供F个广播波束覆盖扇区，并且每层第一辐射单元组能够辐射P个业务波束覆盖扇区，每个业务波束覆盖一个子扇区，在每个子扇区里能够产生N个相同且指向一样的窄波束，因此，本发明的多波束透镜天线10能够应用在TDD系统并且有利于提供移动通信系统的系统容量。此外，柱状透镜11使多波束透镜天线10能够以更少的辐射单元实现高增益，进而减小天线的体积和功率损耗；柱状透镜11具有良好的旁瓣抑制效果，能够使波束间的隔离度高、互耦小，减小波束间的干扰。

本实施例中，N为8，P为8，M为1，K为8，F为1，即柱状透镜11的外侧面排列放置有8层第一辐射单元组和1层第二辐射单元组，第一辐射单元组包括8个第一辐射单元20，第二辐射单元组包括8个第二辐射单元30，每层第一辐射单元组通过柱状透镜11辐射8个不同指向的窄波束作为业务波束，第二辐射单元组通过柱状透镜11辐射1个宽波束作为广播波束。请参阅图4至图8，本实施例的多波束透镜天线10中，能够提供一个宽波束作为广播波束覆盖120°扇区，8个窄波束作为业务波束覆盖120°扇区，其中每个业务波束覆盖15°的子扇区，在每个子扇区里能产生8个相同且指向一样的窄波束作为业务波束以实现对用户的跟踪。

在另一实施例中，请参阅图9，N为8，P为8，M为1，K为8，F为2，即柱状透镜11的外侧面排列放置有8层第一辐射单元组、1层第二辐射单元组，第一辐射单元组包括8个第一辐射单元20，第二辐射单元组包括8个第二辐射单元30，每层第一辐射单元组通过柱状透镜11辐射8个不同指向的窄波束作为业务波束，第二辐射单元组通过柱状透镜11辐射2个宽波束作为广播波束。

当然，本发明对N、M、P、K、F的设置值以及第一辐射单元组与第二辐射单元组的位置关系不以上述具体实施例为限，可根据实际应用需求进行设置。

请参阅图2和图3，本实施例的多波束透镜天线10还包括反射板50，第一辐射单元20和第二辐射单元30安装在反射板50上，反射板50所在平面的中轴线与柱状透镜11的几何轴心线平行或呈锐角。当然，反射板50不以本实施例为限，比如，还可将反射板50设置为分离式的，即每个第一辐射单元20和每个第二辐射单元30各自对应安装在一个独立的反射板上。

本发明的多波束透镜天线10还包括功率分配器或合路器，功率分配器或合路器用于使每层K个第二辐射单元30辐射F个不同指向的宽波束。本实施例中，功率分配器或合路器使8个第二辐射单元30辐射1个宽波束作为广播波束。其中，每个第二辐射单元30的馈电端子31分别连接到功率分配器或合路器的各个输入端中。当然，本发明不限于使用功率分配器或合路器，还可使用其他无源器件实现使K个第二辐射单元30辐射F个宽波束。

在其他实施例中，多波束透镜天线10还包括射频拉远单元RRU，射频拉远单元RRU用于使每层K个第二辐射单元30辐射F个不同指向的宽波束作为广播波束。当然，本发明不限于使用射频拉远单元RRU，也可使用其他有源单元使K个第二辐射单元30辐射F个宽波束。

在另外一些实施例中，本发明的多波束透镜天线10还可通过软件设置使K个第二辐射单元30辐射F个宽波束。

多波束透镜天线10还包括多个射频拉远单元RRU，每个射频拉远单元RRU与每个第一辐射单元20对应连接，射频拉远单元RRU用于使第一辐射单元20辐射窄波束。

在一些实施例中，每个射频拉远单元RRU与每个第一辐射单元20对应连接组成一个基本有源单元，通过软件对每一基本有源单元进行相位和振幅的赋值调整以实现对波束的跟踪和调整，能够灵活控制多波束透镜天线10的波束扫描与跟踪。

如图7至图9所示的实施例中，多波束透镜天线10的N层第一辐射单元组所辐射的P个业务波束沿柱状透镜11的高度方向对齐分布。但在其他一些实施例中，如图10所示，为了改善多波束透镜天线10的覆盖效果，相邻两层第一辐射单元组之间的第一辐射单元20所辐射的窄波束相互交错排列，以使其中一层第一辐射单元组辐射的窄波束覆盖相邻层第一辐射单元组辐射的窄波束之间的交叠区域，以改善多波束透镜天线10的覆盖效果。当然，仅需要至少2层第一辐射单元组辐射的P个业务波束相互交错排列即可。

本发明的多波束透镜天线10中，第一辐射单元20和第二辐射单元30可以为单极化或双极化天线。

进一步地，第一辐射单元20为±45°双极化天线，每个第一辐射单元20具有两个馈电端子21，一个用于+45°极化，另一个用于-45°极化。在图1至图3的具体示例中，多波束透镜天线10包括8层第一辐射单元组，每层第一辐射单元组包括8个第一辐射单元20，则每个子扇区里能够产生8个相同的±45°双极化波束，因此每个子扇区都能够实现16T16R。若多波束透镜天线10将第一辐射单元组的层数N设置为4、16或32等，则能在每个子扇区里实现8T8R、32T32R、64T64R等，因此，本发明的多波束透镜天线10能够提高移动通信系统的系统容量。当然，本发明对第一辐射单元20的设置不以本实施例为限。

本发明的多波束透镜天线10中，第一辐射单元20和第二辐射单元30可以为偶极子天线、贴片振子天线、由偶极子天线组成的阵列天线或由贴片振子天线组成的阵列天线。若第一辐射单元20为偶极子天线或贴片振子天线组成的阵列天线，能够进一步增大第一辐射单元20所辐射的窄波束的增益。当然，本发明的第一辐射单元20和第二辐射单元30不限于上述具体示例。

进一步地，多波束透镜天线10还包括移相器，移相器用于对多波束透镜天线10进行波束调整。

本发明的多波束透镜天线10中，柱状透镜11的形状可以但不限于是圆柱体、类圆柱体、椭圆柱体或类椭圆柱体。图1至图10的示例中，柱状透镜11的形状被设置为圆柱体，在其他一些实施例中，通过使用椭圆柱体或类椭圆柱体能够进一步缩小多波束透镜天线10的体积。

请参阅图1至图3，本发明的多波束透镜天线10还包括天线罩40，天线罩40包括本体41和附属体42，本体41用于容置柱状透镜11，附属体42用于容置N层第一辐射单元组和M层第二辐射单元组。此外，在本实施例中天线罩40还包括第一端盖43和第二端盖44，第一端盖43和第二端盖44分别设于天线罩40的上下两端。当然，在本发明中，端盖的数量不受上述具体实施例的限制。

本发明还公开了一种有源透镜天线系统，包括如前所述的多波束透镜天线10和与多波束透镜天线10集成的有源单元。

进一步地，本发明的有源透镜天线系统能够在垂直面或水平面上进行波束跟踪和扫描。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，其作用是方便本领域的技术人员理解并据以实施，当然不能以此来限定本发明的之权利范围，因此依本发明的申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明的所涵盖的范围。