CN102918705B - 多频带天线的双极化辐射元件 - Google Patents

Abstract

一种用于多频带天线的双极化辐射元件，包括：具有高介电常数的支撑件，其形状大致为圆柱形，具有旋转轴，印刷在所述支撑件的第一表面上的至少一个第一和一个第二偶极子对，所述第一对的偶极子与所述第二对的偶极子是大致正交的，以及导线，用于馈送每一偶极子，印刷在所述支撑件的第二表面上。所述支撑件被放置在平面反射器上，所述圆柱形支撑件的旋转轴与反射器的平面垂直。

Description

多频带天线的双极化辐射元件

相关申请的交叉引用

本申请基于2010年5月28日提交的法国专利申请No.1054150，其通过整体引用结合于此，并且在35U.S.C.§119下要求其优先权。

技术领域

本发明涉及用于无线电通信的基站的多频带天线领域。这些天线大多一般是“平板”类型并且包括正常情况下对准的双极化辐射元件。

背景技术

双极化辐射元件一般包括以45°正交极化相互交叉的2个偶极子(或偶极子系统)，一个产生第一极化信号(-45°)并且另一个产生第二极化信号(+45°)。用于构成辐射元件的技术是多种多样的。

用于辐射元件(如基站的平板天线中使用的)的主要条件具体包括：

a)辐射元件的无线电性能(阻抗、两个极化之间的绝缘、辐射图案)必须在非常宽的频带上是良好且稳定的，

b)射频电流(RF)的分布表面区域必须足够以允许对所述天线使用小尺寸的反射器，而伴随着成本下降，

c)馈送辐射元件的结构必须简单，比如用于馈送所述辐射元件的每个极化的单个同轴电缆，

d)所述辐射元件的结构必须优选地使得能使用多个辐射元件，它们沿着共同的轴对准，以便使得能集成多频带天线，

e)所述辐射元件必须是尽可能低成本的(使用少量的材料、短的装配时间、少的零件以及适当的劳动力成本)。

几类双极化辐射元件已经是熟知的并且被不同类型天线的生产商使用。但是，没有现有的发射元件同时且完全满足上述的5个条件。

第一类包括同轴辐射元件，每一个由2个正交半波偶极子形成。如果偶极子的形状被正确设计，这些辐射元件的无线电性能是好的。但是，所有这些辐射元件受到用于分布RF电流的有限的表面区域影响，其仅集中在2个正交半波偶极子上。因此，必需一个宽的反射器以获得天线上给定的水平束宽(例如65°)，其导致天线结构的附加成本(更大的天线罩，等等)。这个第一类辐射元件因此不满足上述条件(b)。

第二类包括这样的辐射元件，每一个由工作频率的波长的近似二分之一的距离隔开的2个半波偶极子形成。无线电性能是好的。RF电流的分布表面区域是宽的，使得可以用有限尺寸反射器获得所需的天线束宽。但是，所述辐射元件必须在4个点被馈送(每个极化2个点)导致馈送网络的附加复杂度和成本。这个第二类辐射元件因此不满足上述条件(c)和(e)。一定量的表面区域在辐射元件的中心是可用的，使得可以增加用于多频带操作的辐射元件以便满足条件(d)。

有一种属于第二类的替代辐射元件。这种辐射元件具有充足的表面区域以分布RF电流，并且它仅在2个点(每个极化一个点)被馈送。材料成本和装配时间可以保持在控制之下，尤其是作为铣技术的结果。这种辐射元件的主要限制是多频带集成。这是因为增加用于高频带的辐射元件需要使用重叠辐射元件的技术。这意味着上部的辐射元件不能使用共享的反射器以产生其辐射图案。下部的辐射元件则用作反射器，但是它们的表面区域非常低。第二类辐射元件的这个替代仅部分地满足上述条件(d)。

第三类包括拼块类型(半波)的双极化辐射元件。无线电性能不如偶极子形成的辐射元件好，特别是对于带宽，所以仅部分地满足条件(a)。这个辐射元件具有充足的RF电流分布表面区域，使得可以和尺寸小的反射器一起使用。馈送结构是简单的因为每个双极化辐射元件可以用恰好2个同轴线缆馈送。拼块辐射元件可以被设计为具有低成本。可以在拼块辐射元件顶部增加另一辐射元件。在这种情况下，增加的辐射元件必须通过所述拼块元件馈送，这是不容易的。但是，上部辐射元件不能使用共享的反射器以产生其辐射图案，而是必须使用位于其下方的拼块辐射元件作为反射器，缺点是减少的表面区域。这个第三类辐射元件因此仅部分地满足上述条件(d)。

发明内容

本发明的一个目的是提出用于多频带天线的双极化辐射元件，其同时且完全满足上述所有条件。

本发明的目标是用于天线的双极化辐射元件，包括：具有高介电常数的支撑件，其形状大致为圆柱形，具有旋转轴，印刷在所述支撑件的第一表面上的至少一个第一和一个第二偶极子对，所述第一对的偶极子与所述第二对的偶极子是大致正交的，导线，用于馈送每一偶极子，印刷在所述支撑件的第二表面上。

根据本发明的一个方面，所述支撑件被放置在平面反射器上，所述圆柱形支撑件的旋转轴与反射器的平面垂直。

本发明落在定向天线的范围中，意味着其在水平平面中束宽被分成多个扇区的天线。所述反射器，由于其平的形状且其位置垂直于所述圆柱形支撑件，使得可以控制在所述水平平面中图案的划分，意味着其束宽的值(-3dB)。

优选地，支撑所述偶极子的所述第一表面是所述支撑件的外表面。

根据第一方面，穿过偶极子中间的横轴离所述反射器的距离等于在中心工作频率的波长的约四分之一。

根据第二方面，穿过2个相邻偶极子中间的中间轴的相互距离约为波长的二分之一。

根据第三方面，所述偶极子对由单个同轴线缆馈送。

根据第四方面，所述支撑件由具有高介电常数，典型地2.5-4.5，以及窄的厚度，典型地0.5mm到2mm的材料组成。

根据一个实施方式，所述辐射元件包括至少2组偶极子。每一组偶极子包括被所述支撑件所支撑的至少一个第一和一个第二偶极子对，以及每一组偶极子工作在不同的频带。

根据一个变化的实施方式，所述支撑件形成相互链接的同轴圆柱形，每个圆柱形支撑一组偶极子并且每组偶极子工作在不同的频带。

根据一个实施方式，每个同轴圆柱形的直径是每一频带中中心工作频率的波长的函数。

根据另一实施方式，所述同轴圆柱形通过没有偶极子的支撑件零件相互连接，以便形成螺旋。

根据又一实施方式，布置在较大直径的圆柱形外表面上的所述第一组偶极子运行在较低频带中，并且布置在较小直径的圆柱形外表面上的最后一组偶极子运行在较高频带中。

根据一个特定实施方式，第一组偶极子运行在GSM频带中，第二组偶极子运行在DCS频带中，以及第三组偶极子运行在LTE频带中。

本发明的又一个目标是一种多频带天线，包括工作在第一频带中的如上所述的至少一个第一辐射元件；以及工作在第二频带中的至少一个第二辐射元件。所述第二辐射元件布置在由所述第一辐射元件的支撑件形成的所述圆柱形的中心，所述第一和第二辐射元件布置在共享的平面反射器上。

附图说明

在阅读下列实施方式的说明时，本发明的其他特征和优点将变得明显，所述说明是非限制的且为纯粹示意的目的而给出，以及在附图中：

图1示出根据本发明第一实施方式的辐射元件，

图2a和2b分别示出图1的辐射元件的偶极子和馈线，

图3示出图1的辐射元件的作为以MHz为单位的频率F的函数的每对偶极子的驻波比SWR，

图4示出图1的辐射元件的作为以MHz为单位的频率F的函数的两对偶极子之间的以dB为单位的去耦合K，

图5示出根据本发明第二实施方式的辐射元件，

图6示出根据本发明第三实施方式的辐射元件，

图7示出根据本发明第四实施方式的辐射元件的示意透视图，

图8a和8b分别示出图7的辐射元件的偶极子和馈线。

具体实施方式

在图1、2a和2b所示的第一实施方式中，所述双极化辐射元件1由两个半波偶极子2形成，每一个偶极子包括传导馈线3。偶极子2由固定到反射器5的共享支撑件4所支撑。辐射元件1通过将共享支撑件4形成圆柱形状而构成。由此获得的圆柱形支撑件4然后与多个辐射元件1以垂直方式放置在共享平面反射器5上。

在这个示例实施方式中，偶极子2被印刷在共享支撑件4的第一外表面6上。每个偶极子2由位于支撑件4的第二内表面7上的导线3馈送。当然，可以在内表面上印刷偶极子并且馈线在外表面上。传导馈线3是，例如，直接印刷在支撑件4上的“微带”。这个共享支撑件4，其周长为约2个波长2λ，是由具有高介电常数(典型地2.5-4.5)，具有窄的厚度(典型地0.5mm-2mm)和低成本的绝缘材料制成。可替换地，空气也可以形成支撑件，在这种情况下偶极子和馈送微带可以由绝缘元件连接的金属板形成。每一对偶极子2在单个点经由穿过反射器5的同轴线缆8被馈送。

因此，获得在工作频带的中心频率的两对半波偶极子组。穿过偶极子2的中间的横轴9离反射器5的表面以上的距离L为约四分之一波长(λ/4)。穿过相邻偶极子2中间的中间轴10相互隔开约二分之一波长(λ/2)的距离D。穿过第一对的每一偶极子2中间的斜轴11被放置为相对于反射器5的纵轴12成45°角以便建立-45°极化，以及穿过第二对的每一偶极子2中间的斜轴13类似地建立+45°极化。

辐射元件的两对偶极子的传输和反射参数，在600-1100MHz频带中测量的，示出在图3和4中。这些结果显示了大频带中非常稳定的特征。

图3检测作为以MHz为单位的频率F的函数的每对偶极子的驻波比SWR。对于范围从650-1050MHz的频域F，驻波比SWR小于1.5，即带宽对应于频带的中心频率的47％。

图4示出以MHz为单位的频率F的函数的两对偶极子之间的以dB为单位的去耦合K。对于范围从650-1100MHz的频域，去耦合K大于20dB。

现在考虑图5，其示出双极化辐射元件50的另一实施方式，例如工作在900MHz级上的GSM频率，使它可以形成工作在双频带中的天线。

辐射元件50的支撑件51的圆柱形状在其中心留出空的大区域52。这个自由区域52可用于在辐射元件50的中心增加工作在较高频率(DCS1800MHz，在这个示例中)的另一辐射元件53。

辐射元件53可以由2个正交半波偶极子形成。这可以是，例如，属于上述第一类的辐射元件，或者可以具有其他任何形状的辐射元件。这个工作在高频带的辐射元件53的高度是约四分之一波长(λ/4)。由于具有高频带的辐射元件53放置在共享反射器54的上方，其辐射图案的特征被保持。

图6示出双极化辐射元件60的另一实施方式，例如工作在800MHz级的CDMA频率，使得可以形成工作在双频带中的天线。

因为辐射元件60的支撑件62形成的圆柱形中间的空区域61非常大，可以在其中插入工作在较低频率且具有较大尺寸的辐射元件63。圆柱形支撑件62的直径取决于在最高频段(在这个示例中，800MHz)的中心工作频率的波长。辐射元件63，其类型称为“蝴蝶”，由以正交极化±45°相互交叉的2个偶极子形成。辐射元件63插入在工作在低频带(例如LTE700MHz)的圆柱形支撑件62的中心。因此可以构成以相当相似的频率工作在双频带的天线，频率比如为LTE700MHz和CDMA800MHz，工作自双极化辐射元件60。同心布置的两个辐射元件60和63，使用共享的反射器64，并且天线的宽度可以因此减小。

图7、8a和8b示出能工作在多个频带中的双极化辐射元件70。多频带辐射元件70由单个零件构成。辐射元件70操作所需的所有偶极子和馈线由固定在共享反射器72上的共享支撑件71所支撑。这个基底71可以具有低成本且包括减少量的绝缘材料。

在这个示例中，辐射元件70是三带元件。三组73、74、75的4个偶极子73a…73d,74a…74d,75a…75d印刷在共享支撑件71的第一外表面76上。每一组73、74、75对应于不同频带。每个偶极子73a…73d,74a…74d,75a…75d各自由印刷在共享支撑件71的相对第二较低表面77上的微带线73e…73h,74e…74h,75e…75h馈送。每一组73、74、75的4个偶极子由跨过反射器72的恰好2个同轴线缆78馈送，导致总共6个同轴线缆78用于三带双极化辐射元件70。

单个共享的支撑件71通过3个不同直径的圆柱形形成，使得有关每组73、74、75的支撑件71的零件形成同心圆柱形，其直径取决于在每一频带的中心工作频率的波长。计算支撑件71的长度，使得3个同心圆柱形通过没有偶极子的支撑件零件79相互连接。布置在最大直径圆柱形外面的偶极子73a…73d的组73工作在较低频率，并且布置在最小直径圆柱形里面的偶极子75a…75d的组75工作在最高频率。因此获得三组73、74、75每个两对半波偶极子，每个在其对应的工作频带的中心频率，例如GSM900MHz(73)、DCS1800MHz(74)和LTE2600MHz(75)。

穿过每组的偶极子中间的横轴80离反射器72的表面上方的距离L约为中心工作频率的四分之一波长(λ/4)。穿过2个邻近偶极子中间的中间轴81相互距离约为中心工作频率的二分之一波长(λ/2)。布置偶极子73a...73d，74a...74d，75a...75d以便在3个工作频带的每一个中建立2个正交极化信号。

如果需要，频带隔离设备可以印刷在支撑微带线73e...73h，74e...74h，75e...75h的共享支撑件71的内表面77上。这些设备使得可以总共仅使用2个同轴线缆，即，每个极化一个线缆，以馈送三带双极化辐射元件。

当然，本发明不限于所述实施方式，对于本领域技术人员来说，可获得不背离本发明的主旨的很多变体。特别地，用于三频带的上述原理可扩展到设计工作在多于三个频带的多频带双极化辐射元件。

Claims (11)

1.一种天线，包括放置在共享的平面反射器上的多个双极化辐射元件，所述双极化辐射元件包括：

具有高介电常数的支撑件，其形状为圆柱形，具有旋转轴，

印刷在所述支撑件的第一表面上的至少一个第一和一个第二偶极子对，所述偶极子对以正交极化彼此交叉，并且每个偶极子对由传导馈线来馈送，

导线，用于馈送每个偶极子对，被印刷在所述支撑件的第二表面上，

其中所述支撑件被放置在所述共享的平面反射器上，所述圆柱形支撑件的旋转轴与所述共享的平面反射器的平面垂直，并且

其中所述支撑件形成相互链接的同轴圆柱形，每个圆柱形支撑一组偶极子，每一组偶极子包括被所述支撑件所支撑的至少一个第一和一个第二偶极子对，并且每组偶极子工作在不同的频带。

2.根据权利要求1所述的天线，其中支撑所述第一偶极子对和第二偶极子对的所述第一表面是所述支撑件的外表面。

3.根据权利要求1和2中之一所述的天线，其中穿过第一偶极子对和第二偶极子对中的每个偶极子中间的横轴离所述反射器的距离等于在中心工作频率的波长的四分之一。

4.根据权利要求1和2中之一所述的天线，其中穿过两个邻近偶极子中间的中间轴相互距离为二分之一波长。

5.根据权利要求1和2中之一所述的天线，其中所述第一偶极子对和第二偶极子对中的每个偶极子对由单个同轴线缆馈送。

6.根据权利要求1所述的天线，其中每个同轴圆柱形的直径是每一频带中中心工作频率的波长的函数。

7.根据权利要求1和6中之一所述的天线，其中所述同轴圆柱形通过没有偶极子的支撑件零件相互连接，以便形成螺旋。

8.根据权利要求1和6中之一所述的天线，其中布置在第一直径的圆柱形外表面上的第一组偶极子运行在第一频带中，并且布置在最后直径的圆柱形外表面上的最后一组偶极子运行在最后频带中，其中所述第一直径的圆柱形大于所述最后直径的圆柱形，并且所述第一频带低于所述最后频带。

9.根据权利要求8所述的天线，其中第一组偶极子运行在GSM频带中，第二组偶极子运行在DCS频带中，以及第三组偶极子运行在LTE频带中。

10.根据权利要求1和2中之一所述的天线，其中所述多个双极化辐射元件是第一辐射元件，并且所述天线进一步包括至少一个第二辐射元件，其中所述第二辐射元件布置在所述同轴圆柱形的中心，所述第一和第二辐射元件布置在共享的平面反射器上。

11.根据权利要求9所述的天线，其中所述第一组偶极子布置在第一直径的圆柱形的外表面上，所述第二组偶极子布置在第二直径的圆柱形的外表面上，并且所述第三组偶极子布置在第三直径的圆柱形的外表面上。