CN102246352A - 用于宽带天线的双极化辐射元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带天线辐射元件，该辐射元件包括支柱，该支柱支撑放置于第一平面中的第一部件和第二部件，这两个部件为半波两端子网络部件，这些部件具有生成线性双极化的对称电源，并且各部件包括两个臂。根据本发明，辐射元件也包括从在置于第一平面上方的第二平面内放置的两端子网络或者贴片中选择的至少一个第三部件，并且各部件包括基于分形体积的单元。

Description

用于宽带天线的双极化辐射元件
技术领域
本发明涉及任何包括可以具体在蜂窝无线电通信网络的基站中使用的辐射元件的宽带天线。它还涉及用于制造这些元件的方法。
背景技术
双极化辐射元件可以由两个辐射偶极子形成，各偶极子由两个共线导体束构成。各束的长度约等于工作波长的四分之一。偶极子装配于如下结构上，该结构允许它们被馈给和定位于反射体(接地平面)上方。这使得有可能通过反射偶极子的反向辐射来完善由此形成的组件的辐射图的方向性。偶极子根据它们在空间内的定向可以沿着例如水平极化通道和竖直极化通道这两个极化通道或者与竖直方向相比+/-45°定向的两个极化通道辐射或接收电磁波。
为了构造在极化正交的两个不同频率频带内操作的双频带天线，普遍运用两种配置。
称为共线(或者共心)的第一方法包括如下辐射元件队列，其中在由单个频率频带上操作的两个交叉偶极子形成的辐射元件周围共心设置由在单个频率频带上操作的、设置成矩形图案(quadraturepattern)的四个偶极子形成的辐射元件。该队列放置于单个底盘内的反射体上方。
称为“并排”的第二方法包括由在第一频率频带上操作的两个交叉正交偶极子形成的辐射元件的第一队列以及由在第二频率频带上操作的两个交叉正交(orthogonal)偶极子形成的辐射元件的第二队列。这两行是平行的并且放置成隔开至少与更高频率频带的半波长相等的距离。
为了提高这样的双频带或者多频带天线的性能，有必要增加各系列辐射元件的频率带宽而同时减少在辐射元件行之间的耦合。在频带之间的去耦合依赖于辐射元件的分开距离和辐射元件以彼此为参照的相对定向。为了提高在放置于同一底盘内的两行元件之间的去耦合，作为例子已经提出：
-使用双频带共心元件，
-在所谓的“并排”布置中增加元件之间的距离从而分离辐射元件的两个竖直队列。
也已经提出具有如下辐射多频带天线元件，这些元件包括高介电常数的电介质底座以便减小辐射元件的尺寸，其中展现分形图案的导电材料层已经沉积于该底座上。
另外为了增加宽带天线的频率带宽，已经提出比如叠加辐射元件或者添加仔细定位的寄生元件这样的解决方案。也可以改进用于馈给元件的系统或者修改辐射元件本身的几何形状(螺旋、周期对数、蝴蝶结等)。
例如文献US-6.028,563描述一种在搁放于反射体上的基部上放置的由称为“交叉蝴蝶结”的两个交叉偶极子形成的双极化辐射元件。各偶极子包括大体上三角形形状的为负极化或者正极化的辐射臂。可以排列辐射元件以形成天线。
发明内容
本发明的目的在于提出一种尺寸减少的非共心辐射元件从而通过辐射元件的更佳去耦合来提高其性能。
本发明的又一目的在于提出一种在宽频率频带内操作的非共心辐射元件从而通过扩展频率频带来提高其性能。
本发明的又一目的在于提出一种包括这样的元件的宽带天线。
本发明的目的在于一种宽带天线的辐射元件，该辐射元件包括基部，该基部支撑设置于第一平面中的第一部件和第二部件，这些部件是生成线性双极化的两个半波长对称馈给偶极子，并且各部件包括两个臂，该辐射元件的特征在于辐射元件还包括从在置于第一平面上方的第二平面内设置的偶极子或者贴片之中选择的至少一个第三部件并且各部件由体积分形图案组成。
本发明的主要思想在于在设计辐射元件偶极子的几何形状时使用分形图案的自相似性质以便减少天线的尺寸，因为分形图案的复杂性不因尺度的改变而变更。分形理论的一般概念可以应用于天线的辐射元件、具体应用于任何形状(三角形、方形等)的偶极子(通过在设计它们的结构时使用自相似原理)。迭代算法可以生成数字图像形式的分形对象，其可以用物理对象的形式来构造。在当前情形中，在半偶极子的至少一个表面上通过加工、铣削等应用自相似原理来再现预定迭代图案(“循环生成器”)。
一种提高偶极子带宽的方式在于在三个维度中使用分形结构。另一提高辐射元件带宽的方式在于竖直堆叠尺寸相似或者不同的偶极子并且可能为贴片。在辐射元件内组合这两种方式因此产生在宽频率频带上操作的小外形因子的辐射元件。
偶极子的臂优选由铝、黄铜、“zamac”(锌合金)或者金属化聚合物制成。优选铣削偶极子的臂。
在本发明的第一实施例中，设置于叠加的第一平面和第二平面内的第一部件、第二部件和第三部件互连。
在第二实施例中，设置于第一平面中的第一部件和第二部件不与在叠加于第一平面上的第二平面内设置的第三部件互连。
在一种变化中，辐射元件还包括从在叠加于第一平面和第二平面上的第三平面内设置的偶极子或者贴片之中选择的至少一个附加部件。在一个实施例中，附加部件不与第一平面和第二平面的偶极子互连。
在另一变化中，设置于叠加平面中的偶极子具有随着它们与反射体越远而减少的表面积。
用于设计分形辐射元件的两种主要基本技术如下：
(a)几何自相似原理实现在多个频率频带内的相同操作，因为偶极子的各种部分在不同尺度彼此相似；
(b)增加偶极子的复杂性(这意味着使用迭代图案以翻新偶极子的轮廓)可以用来减小辐射元件的尺寸。
翻新的轮廓与自相似的结合产生具有甚宽带性能的天线。应理解到，可以独自使用两种技术中的任一技术或者可以同时使用二者。用于设计分形辐射元件的技术适用于叠加的偶极子，无论这些偶极子是否互连。
本发明的又一目的在于一种宽带天线，该宽带天线包括在反射体上排列的辐射元件，各辐射元件包括基部，该基部支撑设置于第一平面内的第一部件和第二部件，该第一部件和第二部件是生成线性双极化的两个对称馈给半波长偶极子并且均包括两个臂，其中各辐射元件还包括从在置于第一平面上方的第二平面内设置的偶极子或者贴片之中选择的至少一个第三部件并且其中各部件由体积分形图案组成。
在本发明的第二实施例中，设置于第一平面内的偶极子定位成与适于作为接地平面(mass plane)的反射体平面相距四分之一波长。
本发明的又一目的在于一种用于制造辐射元件的方法，该辐射元件包括基部，该基部支撑设置在第一平面内的第一部件和第二部件，第一部件和第二部件是生成线性双极化的两个对称馈给半波长偶极子，两个偶极子均包括两个臂，该方法包括铣削或者加工各部件以实现体积分形图案的步骤。
本发明的一个优点在于实现减少辐射元件的制造成本而又提高它们的RF性能并且减小它们的尺寸。
附图说明
本发明的其它特征和优点将在阅读非限制性的并且完全出于示例目的而给出的下文实施例描述之时并且在以下附图中变得清楚，其中：
-图1示出了支撑基于“康托尔缝隙蝴蝶结(Cantor Slot BowTie)”图案构造的偶极子的交叉极化和双极化辐射元件的第一平面的示意俯视图，
-图2示出了支撑基于科赫(Koch)图案构造的偶极子的交叉极化和双极化辐射元件的第一平面的示意俯视图，
-图3示出了支撑基于闵可夫斯基(Minkowski)图案构造的偶极子的交叉极化和双极化辐射元件的第一平面的示意俯视图，
-图4示出了根据本发明一个实施例的交叉极化和双极化辐射元件的透视图，该辐射元件支撑两个叠加平面，这些平面包括基于谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯图案构造的互连偶极子，
-图5示出了根据本发明一个实施例的交叉极化和双极化辐射元件的透视图，该辐射元件支撑三个叠加平面，这些平面包括基于谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯图案构造的互连偶极子，
-图6示出了根据本发明一个实施例的交叉极化和双极化辐射元件的透视图，该辐射元件支撑三个叠加平面，这些平面包括基于谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯图案构造的偶极子，其中一个偶极子为导向器，
-图7示出了根据本发明一个实施例的交叉极化和双极化辐射元件的透视图，该辐射元件支撑三个叠加平面，这些平面包括基于谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯图案构造的尺寸减小的互连偶极子，
-图8示出了根据本发明一个实施例的交叉极化和双极化辐射元件的透视图，该辐射元件支撑三个叠加平面，这些平面包括基于谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯图案构造的非互连偶极子。
具体实施方式
图1描绘了“蝴蝶结”类型的辐射元件20的第一平面的示意例子。辐射元件20包括两个偶极子21和22，这些偶极子的相应臂21a、21b和22a、22b形状为三角形。自相似原理已经应用于它并且造成“康托尔缝隙蝴蝶结”辐射元件的交叉极化和双极化。两个偶极子21和22各自配备有馈线23和24。
一种所用技术的特征在于运用迭代图案(“循环生成器”)以减小偶极子的尺寸而又提高该偶极子具体在带宽方面的RF性能。使用的两种公知迭代图案为科赫分形和闵可夫斯基分形。在图2和图3中分别描绘两种所得偶极子。
图2中所示辐射元件30的第一平面包括两个偶极子31和32。两个偶极子31和32各自配备有馈线33和34。各偶极子31、32分别包括通过迭代科赫分形来获得形状的第一臂31a、32a和第二臂31b、32b。
图3中所示辐射元件40的第一平面包括两个偶极子41和42。两个偶极子41和42各自配备有馈线43和44。各偶极子41、42分别包括通过迭代闵可夫斯基分形来获得形状的第一臂41a、42a和第二臂41b、42b。
一种提高偶极子带宽的方式在于在三个维度中使用分形结构。另一提高辐射元件带宽的方式在于竖直堆叠尺寸相似或者不同尺寸的偶极子。
在本发明的第一实施例中，如图4和图5中那样可以电互连这些偶极子。
根据图4中所示实施例，辐射元件50包括放置于由基部53支撑的两个叠加平面51和52内的偶极子。第一平面51包括各自正交半波长接合以便获得交叉极化和双极化布置的两个偶极子54、55。各偶极子54、55分别沿着彼此的长度包括第一臂54a、55a和第二臂54b、55b。各偶极子54、55分别具有平衡成生成线性极化的馈线。在这里所示情况下，自相似原理已经应用于方形辐射，这产生具有体积(三维)谢尔宾斯基地毯图案的交叉极化和双极化偶极子。第一平面51与第二平面52重叠，该第二平面包括各自正交半波长接合以便获得交叉极化和双极化布置的两个偶极子56和57。偶极子56、57的各臂56a、56b、57a、57b也展现3D谢尔宾斯基地毯图案。
图5描绘了如下辐射元件，该辐射元件包括在共用基部63支撑的三个叠加平面60、61和62中设置的互连偶极子。平面60包括各自半波长正交接合以获得交叉极化和双极化布置的两个偶极子64、65。与它重叠的平面61和62分别以类似方式包括两个偶极子66、67和68、69。偶极子64和65的各臂64a、64b、65a、65b展现3D谢尔宾斯基地毯图案。类似地，偶极子66和67的各臂66a、66b、67a、67b展现体积谢尔宾斯基地毯图案。类似地，偶极子68、69的各臂68a、68b、69a、69b展现体积谢尔宾斯基地毯图案。
在另一实施例中，如图6中那样也可以不互连设置于不同叠加平面中的偶极子。在这一情况下，未互连的偶极子称为“导向器”。
图6描绘了在均由同一基部72支撑的两个叠加平面70和71中设置的互连偶极子，各平面包括各自半波长正交接合以获得交叉极化和双极化布置的两个偶极子73、74和75、76。未与布置于平面70和71中的偶极子互连的两个其它偶极子78和79称为“导向器”。两个偶极子78和79的臂设置于在平面70和71上面叠加的平面77中。各偶极子73-76和78、79包括展现体积谢尔宾斯基地毯图案的两个臂。
图7描绘了由共用基部83支撑的表面积减少的三个叠加平面80、81和82，这些平面的偶极子互连。各平面的偶极子的共振频率略微移位，这增加了频率带宽。平面80包括各自半波长正交接合以获得交叉极化和双极化布置的两个偶极子84、85。与它重叠的平面81和82分别以类似方式包括两个偶极子86、87和88、89。偶极子84-89的各臂展现体积谢尔宾斯基地毯图案。
图8描绘了包括辐射元件90的一个替代实施例，该辐射元件包括由基部92支撑并且包括两个偶极子93和94(各自分别具有两个臂93a、93b和94a、94b)的平面91，各臂展现体积谢尔宾斯基地毯图案。平面91与设置于第二平面95内的贴片重叠，该第二平面本身与设置于第三平面96内的贴片重叠。设置于平面95和96中的贴片未与设置于平面91中的偶极子互连并且称为“导向器”。各平面95、96包括方形贴片或者导向器，该贴片或者导向器的约等于半波长的尺寸与设置于平面91内的偶极子的尺寸相比有移位以便增加辐射元件的带宽。放置于平面95、96内的贴片或者导向器展现3D谢尔宾斯基地毯图案。作为较其它实施例的一个优点，这一最后的配置更易于设计。
根据本发明一个实施例的一种天线包括支撑与图4中的辐射元件类似的辐射元件的反射体。各辐射元件包括基部、放置于第一平面中的两个正交偶极子和放置于第二平面中的两个正交偶极子。四个偶极子的相应臂再现3D谢尔宾斯基地毯图案。也可以向反射体添加已知类型的辐射元件，在该情况下本发明的天线作为多频带天线来工作，其中一个频带为甚宽带。
自然而然，该天线可以包括所有前述实施例及其变化的辐射元件，并且本发明的辐射元件可以实施于无论其形状如何的任一类天线中。

Claims (10)

1.一种宽带天线的辐射元件，包括基部，所述基部支撑在第一平面中设置的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件是生成线性双极化的两个半波长对称馈给偶极子，各个偶极子包括两个臂，其特征在于，所述辐射元件还包括从在置于所述第一平面上方的第二平面内设置的偶极子或者贴片之中选择的至少一个第三部件，并且各个所述部件由体积分形图案组成。
2.根据权利要求1所述的辐射元件，其中所述偶极子的臂优选由铝、黄铜、锌合金或者金属化聚合物制成。
3.根据前述权利要求之一所述的辐射元件，其中设置于叠加的第一平面和第二平面内的所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件互连。
4.根据权利要求1和2之一所述的辐射元件，其中设置于所述第一平面内的所述第一部件和所述第二部件不与在叠加于所述第一平面上的所述第二平面内设置的所述第三部件互连。
5.根据权利要求3和4之一所述的辐射元件，还包括从在叠加于所述第一平面和所述第二平面上的第三平面内设置的偶极子或者贴片之中选择的至少一个附加部件。
6.根据权利要求5所述的辐射元件，其中所述附加部件不与设置于所述第一平面中的所述偶极子互连。
7.根据权利要求3至6之一所述的辐射元件，其中设置于叠加平面中的所述偶极子具有随着它们与反射体越远而减少的表面积。
8.一种宽带天线，包括在反射体上排列的辐射元件，各个辐射元件包括基部，所述基部支撑设置于第一平面内的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件是生成线性双极化的两个对称馈给半波长偶极子，各个偶极子包括两个臂，其特征在于，各个辐射元件还包括从在置于所述第一平面上方的第二平面内设置的偶极子或者贴片之中选择的至少一个第三部件，并且各个所述部件由体积分形图案组成。
9.根据权利要求8所述的宽带天线，其中设置于所述第一平面内的所述偶极子定位成与适于作为接地平面的反射体平面相距四分之一波长。
10.一种用于制造辐射元件的方法，所述辐射元件包括基部，所述基部支撑设置在第一平面内的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件是生成线性双极化的两个对称馈给半波长偶极子，两个偶极子均包括两个臂，其特征在于，所述方法包括铣削或者加工各个所述部件以实现体积分形图案的步骤。
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