相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本專利申請(qǐng)要求申請(qǐng)?zhí)枮?4/569,378，并于2014年12月12日遞交的名為“高覆蓋天線陣列和柵瓣層使用方法”的美國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。上述專利申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合至本申請(qǐng)中。

本發(fā)明一般涉及高增益廣覆蓋天線陣列及其柵瓣使用方法，實(shí)施例尤其涉及一種天線陣列、一種雙頻帶天線陣列以及天線陣列的構(gòu)造使用方法。

背景技術(shù)：

在高頻無(wú)線通信系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)通常需要權(quán)衡高天線增益、方向性以及廣覆蓋。具有廣泛覆蓋的無(wú)線通信系統(tǒng)通常會(huì)犧牲波束方向性和效率。更寬的覆蓋范圍使得天線系統(tǒng)可能服務(wù)于更多用戶和更多設(shè)備。同樣，對(duì)于具有良好方向性的無(wú)線通信系統(tǒng)和具有長(zhǎng)鏈路距離的高增益天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種為更多用戶和更多設(shè)備服務(wù)是以覆蓋區(qū)域?yàn)榇鷥r(jià)的。

由天線或天線陣列生成的主瓣或主波束的特性通常是具有方向性。通常會(huì)將天線陣列設(shè)計(jì)為避免從主波束分散功率的柵瓣，不過(guò)當(dāng)控制主波束轉(zhuǎn)向時(shí)許多陣列仍然會(huì)生成柵瓣。方向性表征了天線在特定方向上聚焦功率的能力，這種能力的增強(qiáng)會(huì)使天線的覆蓋范圍變窄。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種實(shí)施例天線系統(tǒng)，包括第一和第二平面陣列。所述第一平面陣列在x維度和y維度上具有第一元件間隔，并且工作于第一頻帶，所述第二平面陣列在x維度和y維度上具有第二元件間隔，并且工作于第二頻帶。所述第二平面陣列與所述第一平面陣列在z維度上分開(kāi)，以使所述第一平面陣列和所述第二平面陣列共孔工作，所述第二平面陣列平行于所述第一平面陣列，且在所述第一平面陣列的近場(chǎng)中設(shè)置，并且所述第二平面陣列的元件在u-v平面中設(shè)置且方向可控，以使由所述第一平面陣列生成的第一多個(gè)柵瓣與由所述第二平面陣列生成的第二多個(gè)柵瓣相互交叉。

一種雙頻帶天線使用的實(shí)施例方法，包括第一平面陣列在第一頻帶中輻射具有第一波束方向的第一主瓣。所述第一平面陣列還在所述第一頻帶中根據(jù)所述第一波束方向和所述第一平面陣列的第一元件間隔輻射第一多個(gè)柵瓣。該方法還包括第二平面陣列在第二頻帶中輻射具有第二波束方向的第二主瓣。所述第二平面陣列還在所述第二頻帶中根據(jù)所述第二波束方向和所述第二平面陣列的第二元件間隔輻射第二多個(gè)柵瓣；所述第二多個(gè)柵瓣與所述第一多個(gè)柵瓣相互交叉。

一種天線系統(tǒng)構(gòu)造的實(shí)施例方法，包括形成具有第一元件間隔的輻射元件的第一平面陣列，其中，所述第一元件間隔與第一波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)，所述第一平面陣列配置用于根據(jù)所述第一元件間隔生成第一多個(gè)柵瓣；形成具有第二元件間隔的輻射元件的第二平面陣列，其中，所述第二元件間隔與第二波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)，所述第二平面陣列配置用于根據(jù)所述第二元件間隔生成第二多個(gè)柵瓣。該方法還包括將所述第一平面陣列耦合至所述第二平面陣列，以使所述第一平面陣列和所述第二天線陣列共孔工作，其中所述第一平面陣列的第一平面和所述第二平面陣列的第二平面配置用于沿共同方向輻射，其中所述第一平面陣列和所述第二平面陣列包括設(shè)置在底部平面陣列近場(chǎng)中的頂部平面陣列，其中所述第二平面陣列的所述輻射元件設(shè)置在所述第二平面中，以使所述第一多個(gè)柵瓣中的所述第二多個(gè)柵瓣相互交叉，以填充所述第一多個(gè)柵瓣中的零點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更全面地理解本發(fā)明及其有益效果，下面結(jié)合附圖進(jìn)行描述，其中：

圖1為雙頻帶天線陣列的一個(gè)實(shí)施例框圖；

圖2為輻射元件和平面陣列的一個(gè)實(shí)施例框圖；

圖3示出了用于實(shí)施例雙頻帶共孔天線陣列的主瓣和柵瓣位置；

圖4示出了視線(lineofsight，los)系統(tǒng)中的實(shí)施例天線系統(tǒng)；

圖5示出了多徑或非視線(non-line-of-sight，nlos)系統(tǒng)中的實(shí)施例天線系統(tǒng)；

圖6為天線陣列構(gòu)造方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；

圖7示出了一實(shí)施例天線陣列的共同頻率的輻射方向圖的圖；和

圖8示出了另一個(gè)實(shí)施例天線陣列的共同頻率的輻射方向圖的圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)討論本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的形成和使用。然而，應(yīng)理解的是，本發(fā)明提供了很多可應(yīng)用的創(chuàng)造性概念，其可在多種具體環(huán)境下實(shí)施。這里討論的具體實(shí)施例僅為形成和使用本發(fā)明的具體方式的說(shuō)明，而并不限制本發(fā)明的范圍。

圖1為雙頻帶天線100的一個(gè)實(shí)施例框圖。雙頻帶天線100包括第一平面陣列110和第二平面陣列120。第一平面陣列110平行于第二平面陣列120設(shè)置。這兩個(gè)平面在z維度150上分開(kāi)一定距離，然而第一平面陣列110在第二平面陣列120的近場(chǎng)中。這兩個(gè)陣列配置用于以共孔方式工作。

第一平面陣列110和第二平面陣列120各自的平面是在x維度130和y維度140上定義的。通過(guò)元件間隔將第一平面陣列110的輻射元件在x維度130和y維度140上分開(kāi)。該元件間隔在第一平面陣列110內(nèi)通常是均勻的，這會(huì)影響到柵瓣的生成。類似地，通過(guò)另一元件間隔將第二平面陣列120的輻射元件分開(kāi)。在圖1的實(shí)施例中，第一平面陣列110在第一頻帶中工作，而第二平面陣列120在與第一頻帶不同的第二頻帶中工作。例如，在某些實(shí)施例中，第一平面陣列110是e頻段陣列，第二平面陣列120是本地多點(diǎn)分配系統(tǒng)(localmultipointdistributionsystem，ldms)頻段陣列。在替代實(shí)施例中，可以使用其他頻率。在某些實(shí)施例中，單個(gè)頻帶可以用于第一平面陣列110和第二平面陣列120。

當(dāng)輻射元件的均勻網(wǎng)格陣列內(nèi)的均勻間隔與天線陣列的至少一個(gè)波長(zhǎng)間隔開(kāi)時(shí)，柵瓣通常會(huì)出現(xiàn)。如果要掃描主波束，則柵瓣將以小于一個(gè)波長(zhǎng)的元件間隔出現(xiàn)。當(dāng)間隔增加超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，根據(jù)主瓣如何被引向，會(huì)周期性地出現(xiàn)多個(gè)柵瓣。本文實(shí)現(xiàn)的是，實(shí)施例天線陣列有利地使用柵瓣而不是避免生成柵瓣。典型的天線使用單個(gè)波束，其可以是或不是可引向的。其他解決方案可以僅使用單個(gè)頻帶來(lái)提供覆蓋。

第一平面陣列110以共孔方式設(shè)置在第二平面陣列120上方且在x-y平面中，使得由第一平面陣列110生成的柵瓣與由第二平面陣列120生成的柵瓣相互交叉。通過(guò)相應(yīng)地控制它們各自的主瓣方向，可以用第一平面陣列110和第二平面陣列120得到柵瓣。在第一平面陣列110的主瓣和柵瓣之間形成的零點(diǎn)由第二平面陣列120的主瓣和柵瓣填充。

圖2為輻射元件210和平面陣列220的一個(gè)實(shí)施例框圖。輻射元件210是相對(duì)于圖1的x軸130、y軸140和z軸150示出的。平面陣列220包括類似于輻射元件210的輻射元件的4乘4網(wǎng)格。在替代實(shí)施例中，平面陣列220可以以任何其它形狀布置在二維中，即在x-y平面中。例如，一個(gè)實(shí)施例可以將輻射元件布置在圓形柵格或三角形柵格的網(wǎng)格中。平面陣列220的網(wǎng)格在由x軸130和y軸140形成的x-y平面中。相對(duì)于那些輻射元件的工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)來(lái)限定平面陣列220中的每個(gè)輻射元件之間的元件間隔。在x維度130和y維度140中應(yīng)用元件間隔?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)每個(gè)輻射元件進(jìn)行相位或延遲調(diào)整來(lái)操控平面陣列220。

圖3為本實(shí)施例天線系統(tǒng)提供的兩個(gè)平面陣列的相應(yīng)主瓣和柵瓣位置的說(shuō)明性曲線圖300。曲線300是實(shí)施例天線的輻射圖案在u-v平面上的投影，輻射的整體方向垂直于u-v平面。法向量的方向被稱為寬邊。將方向余弦應(yīng)用于平面陣列以獲得曲線圖300，并以波長(zhǎng)為單位示出該圖。在圖中，且其中θ和分別為方位角平面和仰角平面中的角度。

在圖300的中心處是實(shí)心黑色正方形，其代表由實(shí)施例天線系統(tǒng)中的第一平面陣列生成的第一主瓣310的位置。并且在圖300中居中的是實(shí)心黑色橢圓輪廓，其代表對(duì)第一主瓣310可見(jiàn)的區(qū)域，即落在可見(jiàn)區(qū)域320內(nèi)的柵瓣呈現(xiàn)出合成陣列輻射圖案。曲線300示出了在u-v平面中第一主瓣310的位置為(0，0)。(0，0)是第一主瓣310的一個(gè)可能位置?；蛘撸稍诳梢?jiàn)區(qū)域320內(nèi)控制第一主瓣310的方向。

曲線300還示出了由第一平面陣列生成的第一多個(gè)柵瓣330各自的位置。這些位置由圖300中未填充的黑色正方形表示，其布置在u-v平面的網(wǎng)格中。第一多個(gè)柵瓣330中的每一個(gè)柵瓣均具有相應(yīng)的可見(jiàn)區(qū)域340，其由虛線黑色橢圓形輪廓表示。給定柵瓣居中位于其對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)，其限定了柵瓣可被引向的位置。柵瓣的引向是主瓣引向的函數(shù)。

曲線300還示出了由實(shí)施例天線系統(tǒng)的第二平面陣列生成的第二主瓣350和相應(yīng)柵瓣360的各自位置。第二主瓣350由粗黑色未填充的正方形表示。相應(yīng)的柵瓣360的位置通過(guò)布置在u-v平面網(wǎng)格中的灰色未填充正方形示出。雖然未在圖3中示出，但是第二主瓣350和相應(yīng)的柵瓣360也具有各自對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)區(qū)域。通過(guò)相移或延遲線來(lái)控制第二主瓣350和相應(yīng)的柵瓣360的轉(zhuǎn)到第一平面陣列的輻射圖案中的零點(diǎn)，從而填充實(shí)施例天線系統(tǒng)的整個(gè)輻射圖案中的零點(diǎn)。實(shí)施例天線陣列與柵瓣相互交叉以提供更寬的覆蓋范圍，而不是抑制柵瓣。

圖4示出了視線(los)系統(tǒng)400中的實(shí)施例天線系統(tǒng)框圖。實(shí)施例天線包括第一平面陣列410和第二平面陣列420。示出的第一平面陣列410和第二平面陣列420為x-y平面的橫截面，其中z軸是輻射的整體方向，例如瞄準(zhǔn)線。第二平面陣列420在z維與第一平面陣列410分離，并且設(shè)置在第一平面陣列410的近場(chǎng)中。

控制第一平面陣列410元件的方向以生成輻射圖案430，并且控制第二平面陣列420的元件的方向以生成輻射圖案440。輻射圖案包括主瓣和柵瓣。整體來(lái)說(shuō)，第一平面陣列410和第二平面陣列420生成波束圖案480，使得來(lái)自各平面陣列的柵瓣相互交叉以填充輻射圖案中的零點(diǎn)。在los系統(tǒng)400中，多個(gè)設(shè)備450配置用于從實(shí)施例天線系統(tǒng)接收波束。圖4示出了由柵瓣提供的覆蓋填充了零點(diǎn)，否則將覆蓋不到一個(gè)或更多個(gè)設(shè)備450。一些設(shè)備接收由第一平面陣列410生成的波束460，其由虛線箭頭表示。一些設(shè)備接收由第二平面陣列420生成的波束470，其由實(shí)線箭頭表示。在一些情況下，設(shè)備可以接收波束460和波束470。若生成了柵瓣，波束會(huì)更集中，并且，會(huì)增加支持更多設(shè)備的可能性。在某些實(shí)施例中，第一平面陣列410和第二平面陣列420使用不同的頻帶。

圖5示出了多徑或nlos系統(tǒng)500中的實(shí)施例天線系統(tǒng)框圖。圖5再次描繪了圖4的實(shí)施例天線，這次是在多徑系統(tǒng)500中的實(shí)施例天線。多徑系統(tǒng)500包括遮蔽510，其散射由實(shí)施例天線生成的散射波束520。設(shè)備450有時(shí)必須依靠這些散射波束530來(lái)進(jìn)行服務(wù)。當(dāng)生成柵瓣時(shí)，多個(gè)波束提供更寬的覆蓋范圍，這增加了設(shè)備450能夠接收散射波束530中的信號(hào)的可能性。

圖6為天線構(gòu)造方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。該方法從初始步驟610開(kāi)始。在第一形成步驟620中，形成輻射元件的第一平面陣列。輻射元件可以是各種類型，例如微帶貼片天線。第一平面陣列的輻射元件布置在具有第一元件間隔的網(wǎng)格中。第一元件間隔以第一平面陣列的工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)表示。例如，第一元件間隔可以是第一平面陣列波長(zhǎng)的1.5倍。在另一實(shí)施例中，第一元件間隔可以是波長(zhǎng)的1.75倍。在第一平面陣列的設(shè)計(jì)中選擇第一元件間隔，使得除了主瓣之外，第一平面陣列將生成柵瓣。當(dāng)控制主瓣的方向，根據(jù)被引向的主波束周期性地生成柵瓣時(shí)，它們之間會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)。

在第二形成步驟630中，形成輻射元件的第二平面陣列。類似地，第二平面陣列的輻射元件也布置在具有第二元件間隔的網(wǎng)格中。第二元件間隔以第二平面陣列的工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)表示。在第二平面陣列的設(shè)計(jì)中還選擇了第二元件間隔，使得除了其主瓣之外將生成柵瓣。第二平面陣列的波長(zhǎng)，即其工作頻率的倒數(shù)，不一定與第一平面陣列的波長(zhǎng)相同。在一些實(shí)施例中，第一平面陣列的頻帶不同于第二平面陣列的頻帶。在其他實(shí)施例中，第一和第二平面陣列在相同的頻帶中工作?？刂频诙矫骊嚵械闹鞑ㄊD(zhuǎn)向到u-v平面中的位置，使得其多個(gè)柵瓣與由第一平面陣列生成的第一多個(gè)柵瓣相互交叉。通過(guò)調(diào)整輻射元件的延遲或相位來(lái)實(shí)現(xiàn)引向。

在耦合步驟640中，第一平面陣列以共孔方式耦合至第二平面陣列。耦合這兩個(gè)平面陣列使得它們各自的平面平行，即它們共享法向量，并且得到的波束和柵瓣以瞄準(zhǔn)線進(jìn)行輻射。在一個(gè)實(shí)施例中，共孔排列將平面陣列中的一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)的頂部，其間隔一定距離，但是這樣使得頂部平面陣列處于底部平面陣列的近場(chǎng)中。兩個(gè)平面陣列可以例如通過(guò)支架進(jìn)行耦合。在其它實(shí)施例中，兩個(gè)平面陣列可根據(jù)本文實(shí)施例提供的設(shè)置兩個(gè)平面陣列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝。兩個(gè)平面陣列設(shè)置在x-y維度中，并且控制其方向使得由第一和第二平面陣列各自生成的柵瓣相互交叉，從而覆蓋彼此的零點(diǎn)。由第一平面陣列生成的柵瓣會(huì)將零點(diǎn)留在輻射圖案中，由第二平面陣列的交叉柵瓣填充。然后，該方法在結(jié)束步驟650處結(jié)束。

圖7包括多張實(shí)施例天線陣列的輻射圖案，該實(shí)施例天線陣列有兩個(gè)同質(zhì)頻率平面陣列，即兩個(gè)平面陣列在相同頻帶中工作。在圖7的各圖中，較暗的點(diǎn)表示較高的輻射功率密度，較亮的點(diǎn)表示較低的輻射功率密度。圖710示出了兩個(gè)平面陣列中的第一平面陣列的歸一化輻射圖案。圖720示出了歸一化的輻射圖案在u-v平面上的投影。圖720中心處的暗點(diǎn)表示由第一平面陣列生成的主瓣。暗點(diǎn)的周圍網(wǎng)格表示對(duì)應(yīng)于主瓣的周期性柵瓣。主瓣和柵瓣中較亮的點(diǎn)表示第一平面陣列的輻射圖案中的零點(diǎn)。圖730示出了兩個(gè)平面陣列中的第一平面陣列的非歸一化輻射圖案。

圖740示出了兩個(gè)平面陣列中的第二平面陣列的歸一化輻射圖案。圖750示出了歸一化的輻射圖案在u-v平面上的投影。圖750中心周圍的四個(gè)暗點(diǎn)表示主瓣和由第二平面陣列生成的對(duì)應(yīng)的周期性柵瓣。從圖750中可以看出，類似于第一平面陣列的圖720，第二平面陣列的輻射圖案中也存在零點(diǎn)。圖760示出了兩個(gè)平面陣列中的第二平面陣列的非歸一化輻射圖案。

圖770示出了用于第一和第二平面陣列的歸一化組合輻射圖案。圖780示出了該組合在u-v平面上的投影。觀察從圖720到750再到780的進(jìn)展情況，清楚的是，一個(gè)平面陣列的主瓣和相應(yīng)柵瓣與另一平面陣列的主瓣和相應(yīng)柵瓣相互交叉，從而覆蓋零點(diǎn)。如圖780所示，得到的是不犧牲方向性和范圍的廣覆蓋天線。圖790示出了沒(méi)有歸一化的組合輻射圖案。

圖8包括多張圖實(shí)施例天線陣列的輻射圖案，該實(shí)施例天線陣列有兩個(gè)非同質(zhì)頻率平面陣列，即兩個(gè)平面陣列在不同的頻帶中工作。在圖8的各圖中，與圖7一樣，較暗的點(diǎn)表示較高的輻射功率密度，較亮的點(diǎn)表示較低的輻射功率密度。圖810示出了兩個(gè)平面陣列中的第一平面陣列的歸一化輻射圖案。圖820示出了歸一化的輻射圖案在u-v平面上的投影。820中心處的暗點(diǎn)表示由第一平面陣列生成的主瓣。暗點(diǎn)的周圍網(wǎng)格表示對(duì)應(yīng)于主瓣的周期性柵瓣。主瓣和柵瓣中較亮的點(diǎn)表示第一平面陣列輻射圖案中的零點(diǎn)。圖830示出了兩個(gè)平面陣列中的第一平面陣列的非歸一化輻射圖案。

圖840示出了兩個(gè)平面陣列中的第二平面陣列的歸一化輻射圖案。圖850示出了歸一化的輻射圖案在u-v平面上的投影。圖850中心周圍的四個(gè)暗點(diǎn)表示主瓣和由第二平面陣列生成的對(duì)應(yīng)的周期性柵瓣。從圖850中可以看出，類似于第一平面陣列的圖820，第二平面陣列的輻射圖案中也存在零點(diǎn)。圖860示出了兩個(gè)平面陣列中的第二平面陣列的非歸一化輻射圖案。

圖870示出了用于第一和第二平面陣列的歸一化組合輻射圖案。圖880示出了該組合在u-v平面上的投影。觀察從圖820到850再到880的進(jìn)展情況，清楚的是，一個(gè)平面陣列的主瓣和相應(yīng)柵瓣與另一平面陣列的主瓣和相應(yīng)柵瓣相互交叉，從而覆蓋零點(diǎn)。如圖880所示，得到的是不犧牲方向性和范圍的廣覆蓋天線。圖890示出了沒(méi)有歸一化的組合輻射圖案。

雖然本發(fā)明是相對(duì)于示例性實(shí)施進(jìn)行描述的，但是該描述并不旨在以限制的意義來(lái)解釋。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，參考該描述，對(duì)說(shuō)明性實(shí)施例進(jìn)行的各種修改和組合以及本發(fā)明的其它實(shí)施例均是顯而易見(jiàn)的。因此，所附權(quán)利要求旨在涵蓋任何這樣的修改或?qū)嵤├?/p>