CN102804492B - 交叉极化多频带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多频带天线辐射单元，包括第一对交叉极化偶极子，每个偶极子包括两个共线的导电臂，由此该四个导电臂定义了一个对应于低频带的第一辐射平面。辐射单元还至少包括第二对交叉极化偶极子，每个偶极子包括两个共线的导电臂，由此该四个导电臂定义了一个对应于较高频带的第二辐射平面。第一和第二辐射平面是平行的；第二辐射平面被放置在与之电绝缘的第一辐射平面上，并且覆盖第一对偶极子的导电臂的第一辐射平面的表面大于覆盖第二对偶极子的导电臂的第二辐射平面的表面。第一辐射平面可以由第一对双交叉极化偶极子或者一个印刷电路偶极子定义，第二辐射平面可以由从交叉偶极子，蝴蝶偶极子以及印刷偶极子中选择的第二对偶极子定义。

Description

交叉极化多频带天线

技术领域

本发明涉及一种辐射单元，例如存在于多频带通信天线中的那些辐射单元。特别地，本发明涉及多频带天线，也被称为平板天线，其专门用于蜂窝电话应用。

背景技术

无线电话使用对应于不同已知通信系统的各种不同频带。目前，有多种通信系统被同时使用，例如，“全球移动通信系统”GSM(870-960MHz)和“通用移动电话服务”UMTS(1710-2170MHz)。

因此，通信网络运营商必须可以利用一个可以在已经使用的不同频带上传输数据的天线的网络。某些运营商为此安装额外的天线网络，每个网络基于一种通信系统运行。因此，运营商需要使用一个GSM天线的网络和一个DCS天线的网络，即使它们安装了一个UMTS天线的网络。然而，当开始部署它们的网络时，运营商发现很难获得安装新天线的授权。从视觉效果来看，当前的站点已经严重超载了。而且，天线网络数量的增加对运营商而言产生了额外的费用(购买天线、租用场地、安装)，同时，也带来了环境的破坏。

出于所有这些原因，运营商正在努力不再增加已经安装天线的数目。这个问题的一个解决方案是使用多频带天线，它基于在一个单一的天线底盘中分别属于几种通信系统的辐射单元的结合。这些天线将多个单一频带的天线合并到缩小的体积中，而同时又能保持同样的服务质量。

例如，在双频带或者三频带的天线中，分配给每个频率的辐射单元根据纵向周期结构，例如交错的和交替的，对齐或者彼此平行排列以便为对应相同频率的所有辐射单元创造一个相似的无线电环境。这些配置至少对于最高的频率显著地增加了天线的宽度并且降低了辐射性能。对于这两种配置，由于在高频率辐射的单元的方位校准平面中的不对称引起在方位图上有一种斜视效应。由于这种不对称，在交差极化中可以在±60°角部分出现严重的退化。

一种双极化的辐射单元由两个独立的偶极子组成，每个偶极子包括两个分别具有给定极化(正极或者负极的)的共线的导电臂来发送和接收射频信号。每个臂的长度大约等于工作波波长的四分之一。辐射单元被组装在一个反射器之上的纵向队列中，该反射器细化了由反射偶极子的背面辐射产生的该装置的辐射模式的定向性。辐射单元的每个偶极子通过一条馈线连接到一个外部能量源。这些辐射单元专用于发送/接收单个频率。

存在一种特定类型的辐射单元，其包括四个左右在一个水平面上彼此正交布置的三角形导电臂，并且也被称为交叉领结。

存在另一种被称为蝴蝶的辐射单元类型，由四个在轴向折成V型并且彼此正交布置的导电臂组成。

另外还有印刷单元，也被称为补丁单元，包括四个由施加到电介质基底的导电层标记的导电臂。

因此，本发明的目的是为多频带天线提供一种辐射单元，以减少占用的空间。

发明内容

本发明的主题是一种多频带天线辐射单元，该辐射单元包括第一对双交叉极化偶极子，每个偶极子包括两个共线的导电臂，由此该四个导电臂定义了一个对应于低频带的第一辐射平面。辐射单元还包括至少第二对交叉极化偶极子，每个偶极子包括两个共线的导电臂，由此该四个导电臂定义了一个对应于较高频带的第二辐射平面。第一和第二辐射平面是平行的；第二辐射平面被放置在与之电绝缘的第一辐射平面之上，并且覆盖第一对偶极子的导电臂的第一辐射平面的表面大于覆盖第二对偶极子的导电臂的第二辐射平面的表面。

需要平行地叠加两个分离的彼此电绝缘的辐射平面。具有较低频率的下辐射平面设计为为具有较高频率的上辐射平面提供充分的表面，从而相对于上辐射平面它可以同化为地平面。这是通过尽可能扩大由下辐射平面的偶极子覆盖的表面而获得的。

根据第一实施例，第一辐射平面由一对印刷偶极子定义，而第二辐射平面由从交叉偶极子、蝴蝶偶极子以及印刷偶极子中选择的一对偶极子定义。

根据第二实施例，第一辐射平面由一对交叉偶极子定义，而第二辐射平面由从交叉偶极子、蝴蝶偶极子以及印刷偶极子中选择的一对偶极子定义。

根据第一实施例，交叉偶极子包括三角形臂。

根据第二实施例，交叉偶极子包括方形臂。

根据第三实施例，交叉偶极子包括由单一分形图案(solidfractalpattern)构成的臂。

根据第四实施例，交叉偶极子包括由分离的线构成的臂。这些线优选地应该分离小于等于λ_HF/10的距离，其中λ_HF为高频RF信号的波长。

在另一个实施例中，辐射单元包括三个平行叠加的辐射平面：一个第一下辐射平面、一个与第一辐射平面电绝缘并位于第一辐射平面之上的第二中辐射平面以及一个与第二辐射平面电绝缘并位于第二辐射平面之上的第三上辐射平面。

本发明进一步的目的为是提供一种包括上述辐射单元的多频带通信天线。

本发明的优势在于降低了天线的宽度以及表面积，从而降低了制造成本和风表面积。

此外，包括根据本发明的单元的天线在两方面具有优于现有技术配置的特性。一方面，一个频带的辐射单元会减少受到另一个频带的辐射单元的干扰，因为后者由于偶极子位于另一个之上而对于它们变得“不可见”。另一方面，所有的偶极子都在一个对称的环境里。

附图说明

本发明的其他特点和优势，可以通过阅读下面一个实施例的描述而变得明显，该实施例自然是一个非限制性的例子。以下附图中，其中：

-图1示出了根据第一实施例的辐射单元，

-图2示出了包括与图1中类似的辐射单元的多频带天线，

-图3示出了根据第二实施例的辐射单元，

-图4示出了根据第三实施例的辐射单元，

-图5示出了根据第四实施例的辐射单元，

-图6示出了根据第五实施例的辐射单元，

-图7示出了根据第六实施例的辐射单元，

-图8示出了根据第七实施例的辐射单元。

具体实施方式

图1中所示的实施例表示一种辐射单元1，其包括一个下辐射平面2，该平面由第一对交叉偶极子定义，该第一对交叉偶极子由一个第一偶极子3和一个长度约等于1/2λ_BF的第二双交叉极化偶极子4组成，其中λ_BF是低频率RF信号的波长，第一偶极子3和第二双交叉极化偶极子4彼此正交的布置，呈现±45°的正交极化。第一偶极子3包括具有负极化(-45°)的共线的第一导电臂5和第二导电臂6，各自长度约等于1/4λ_BF。每个导电臂5、6形状上近似三角形。自然地，臂可以采用其他形状(例如方形)。第一导电臂5和第二导电臂6在水平面上被布置为彼此的延伸，使得它们的顶点互相接近而不进行接触。类似地，第二偶极子4包括具有正极化(+45°)的共线的第一导电臂7和第二导电臂8。导电臂7、8形状上类似三角形。第一导电臂7和第二导电臂8在水平面上被布置为彼此的延伸，使得它们的顶点互相接近而不进行接触。交叉偶极子3、4由底部9支撑。四个导电臂5、6、7、8都由轴10来支撑，该轴10连接到一个形成底部9的共享底座11。向每个偶极子3、4提供平衡电源以产生线性极化。

根据本发明中的一个实施例，辐射单元1还包括一个与下辐射平面2的例子类似的上辐射平面13，该平面由第二对交叉偶极子定义，该第二对交叉偶极子由一个第一偶极子14和一个长度约等于1/2λ_BF第二双交叉极化偶极子15组成，其中λ_BF是低频率RF信号的波长，第一偶极子14和第二双交叉极化偶极子15彼此正交的布置，呈现±45°的正交极化。偶极子14包括具有负极化(-45°)的共线的第一导电臂16和第二导电臂17，偶极子15包括具有正极化(+45°)的共线的第一导电臂18和第二导电臂19。臂16、17、18、19形状上类似三角形，并且在水平面上被布置为彼此的延伸。交叉偶极子14、15由底部20支撑。所有的导电臂16、17、18、19都由轴21来支撑，该轴21连接到一个形成底部20的共享底座22。向每个偶极子14、15提供平衡电源以产生线性极化。

下平面2通过其底座11作为中介组装到作为地平面的平面反射器24上。上辐射平面13放置在下平面2上方，上辐射平面13与下平面2例如可以通过一个电介质材料层23电绝缘，并通过它的底座20连接到后者之上。如具有正极化(+45°)的导电臂7、8、18、19一样，具有负极化(-45°)的导电臂5、6、16、17被叠加。这种情况下，下平面2上偶极子3、4的导电臂5、6、7、8具有足够给上平面13用作RF能量反射器的金属表面。

图2示出了一个有益的实施例，通信天线30包括组装在反射器32上的辐射单元31。辐射单元31包括一个专门用于UMTS频带的上辐射平面33和一个专门用于GSM频带的下辐射平面34。天线30还可能包括如下单元，该单元包括一个类似于专门用于UMTS频带的上辐射平面33的辐射平面35，这些单元穿插于辐射单元31之间。辐射平面35和33必须在物理上放置在相同的高度或者通过额外的电缆来电力补偿以产生平面波前。

图3示出第二实施例，辐射单元40包括一个安装在辐射平面42下方的底部41。下辐射平面42由第一对交叉偶极子定义，第一对交叉偶极子由两个双交叉极化偶极子43和44组成。具有负极化(-45°)的偶极子43包括第一导电臂45和第二导电臂46，具有正极化(+45°)的偶极子44包括第一导电臂47和第二导电臂48。上辐射平面49由第一对双极化印刷或者金属偶极子(即补丁类型偶极子)定义，并被安装在与之电绝缘的下辐射平面42下方。如上所述，导电臂45、46、47、48都由连接到一个底座51的轴50来支撑。向每个偶极子43、44提供平衡电源以产生线性极化。

图4描述了根据本发明的辐射单元的第三实施例。辐射单元60包括支撑辐射平面62的底部61，辐射平面62由第一对交叉双极化偶极子定义，该第一对交叉双极化偶极子由被布置为交叉形状的第一偶极子63和第二偶极子64组成，每个偶极子分别具有两个臂65、66和67、68。每个臂65、66、67、68由长度约等于1/4λ_BF的分离的线构成，其中λ_BF是低频RF信号的波长。将这些线分离小于等于λ_HF/10的距离，其中λ_HF为高频RF信号的波长。

上辐射平面69叠加在与之电绝缘的下辐射平面62上。上辐射平面69由第二对双交叉极化偶极子定义，第二对双交叉极化偶极子由底部70支撑，第一偶极子71和第二偶极子72布置成成交叉形状，每个偶极子各自有两个臂73、74和75、76，两个臂形状上类似三角形并且在水平面上被布置为彼此的延伸。

有可能以类似的方法来创建包括不同数量叠加的辐射平面的辐射单元，例如一个下辐射平面、一个中辐射平面和一个上辐射平面。这样，下辐射平面必须应体现针对中平面的、与已经描述过的上辐射平面的那些特征相同的特征。类似地，中辐射平面必须应体现针对上平面的与已经描述过的下辐射平面的那些特征相同的特征。

图5中示出的辐射单元80示出了根据本发明辐射单元的第四实施例。辐射单元80包括一个由第一对偶极子(即形成偶极子82和83的印刷电路)定义的下辐射平面81，每个偶极子分别具有两个由导电线88馈电的臂84、85和86、87。由第二对双交叉极化偶极子定义的辐射平面89叠加在与之电绝缘的下辐射平面81上。上辐射平面89包括由类似于图4中已经描述的上辐射平面69的底部支撑的两个交叉偶极子。

图6描述了根据本发明的辐射单元的第五实施例中。辐射单元90包括一个与图5中已经描述过的下辐射平面81类似的下辐射平面91，该辐射平面91由第一对偶极子(即形成交叉形状的偶极子92和93的印刷电路)定义。由第二对交叉偶极子定义的辐射平面94叠加在与之电绝缘的下辐射平面91上。上辐射平面94包括两个“蝴蝶”类型的由底部97支撑的并且正交布置的交叉偶极子95、96。每个偶极子95、96由两个在轴向折成V型的导电臂组成。

图7描述了根据本发明的辐射单元的第七实施例。辐射单元100包括一个与图5中已经描述过的下辐射平面81类似的下辐射平面101，该辐射平面101由第一对偶极子(即形成交叉形状的偶极子102和103的印刷电路)定义。上辐射平面104叠加在与之电绝缘的下辐射平面101上。上辐射平面104是形成交叉形状的偶极子105和106的印刷电路。

有可能以类似的方法来创建包括不同数量的辐射平面的辐射单元。例如，辐射单元110包括一个下辐射平面111、一个中辐射平面112和一个上辐射平面113，如图8中所示叠加在一起。这种情况下，下辐射平面111自然必须应体现针对中平面112的、与已经描述过的上辐射平面113的那些特征相同的特征。类似地，中辐射平面112必须应体现针对上辐射平面113的、与已经描述过的下辐射平面111的那些特征相同的特征。

下辐射平面111，与图5中已经描述过的下辐射平面81类似，由第一对偶极子(即形成交叉形状的偶极子114和115的印刷电路)定义。由第二对交叉偶极子定义的中辐射平面112叠加在与之电绝缘的下辐射平面111上。中辐射平面112也是形成交叉形状的偶极子116和117的印刷电路。由第三对偶极子定义的上辐射平面113叠加在与之电绝缘的中辐射平面112上。上辐射平面113也是形成交叉形状的偶极子118和119的印刷电路。

Claims (13)

1.一种多频带天线的辐射单元，其特征在于，包括：第一对交叉极化偶极子，每个偶极子包括两个共线的导电臂，由此该四个导电臂定义了一个对应于低频带的第一辐射平面，该辐射单元还至少包括第二对交叉极化偶极子，每个偶极子包括两个共线的导电臂，由此该四个导电臂定义了一个对应于较高频带的第二辐射平面，该第一辐射平面和该第二辐射平面是平行的；该第二辐射平面被放置在与之电绝缘的该第一辐射平面之上，并且覆盖该第一对偶极子的导电臂的第一辐射平面的表面大于覆盖该第二对偶极子的导电臂的第二辐射平面的表面，

其中该第一对偶极子的该导电臂具有金属表面作为用于该第二辐射平面的射频能量反射器。

2.根据权利要求1的辐射单元，其中该第一辐射平面由一对印刷偶极子定义，而该第二辐射平面由一对交叉偶极子定义。

3.根据权利要求1的辐射单元，其中该第一辐射平面由一对印刷偶极子定义，而该第二辐射平面由一对蝴蝶偶极子定义。

4.根据权利要求1的辐射单元，其中该第一辐射平面由一对印刷偶极子定义，而该第二辐射平面由一对印刷偶极子定义。

5.根据权利要求1的辐射单元，其中该第一辐射平面由一对交叉偶极子定义，而该第二辐射平面由一对交叉偶极子定义。

6.根据权利要求1的辐射单元，其中该第一辐射平面由一对交叉偶极子定义，而该第二辐射平面由一对蝴蝶偶极子定义。

7.根据权利要求1的辐射单元，其中该第一辐射平面由一对交叉偶极子定义，而该第二辐射平面由一对印刷偶极子定义。

8.根据权利要求2、5、6、7中任一项的辐射单元，其中该交叉偶极子包括三角形臂。

9.根据权利要求2、5、6、7中任一项的辐射单元，其中该交叉偶极子由单一分形图案构成的臂。

10.根据权利要求2、5、6、7中任一项的辐射单元，其中该交叉偶极子包括由分离的线构成的臂。

11.根据权利要求10的辐射单元，其中所述线分离小于等于λ_HF/10的距离，其中λ_HF为高频RF信号的波长。

12.根据权利要求1的辐射单元，还包括第三辐射平面，该第三辐射平面和该第一辐射平面是平行的，并且该第三辐射平面被放置在与之电绝缘的该第一辐射平面之上。

13.一种包括至少一个辐射单元的多频带天线，其特征在于，所述辐射单元包括：第一对交叉极化偶极子，每个偶极子包括两个共线的导电臂，由此该四个导电臂定义了一个对应于低频带的第一辐射平面，该辐射单元还至少包括第二对交叉极化偶极子，每个偶极子包括两个共线的导电臂，由此该四个导电臂定义了一个对应于较高频带的第二辐射平面，该第一辐射平面和第二辐射平面是平行的；该第二辐射平面被放置在与之电绝缘的第一辐射平面之上，并且覆盖该第一对偶极子的导电臂的第一辐射平面的表面大于覆盖该第二对偶极子的导电臂的第二辐射平面的表面，

其中该第一对偶极子的该导电臂具有金属表面作为用于该第二辐射平面的射频能量反射器。