CN103119784A - 用于分集天线的紧凑辐射结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于分集操作的天线包括多个相连的天线单元(100)。每个天线单元具有：第一辐射元件(102)，具有在第一工作频率上的四分之一波长的长度；以及第二辐射元件(104)，具有在与该第一工作频率不同的第二工作频率上的四分之一波长的长度，第二辐射元件与第一辐射元件共享第一辐射元件的分段。馈电点用于将馈线耦合到所述第一辐射元件或所述第二辐射元件之一，使得元件分别在第一工作频率和第二工作频率上谐振并以实质正交的极性谐振。分集天线被配置具有两个或更多个天线单元。
Description
技术领域
本发明涉及通信系统领域，并且更具体地涉及用于移动无线通信的基站天线和相关方法。
背景技术
天线分集技术利用两个或更多个天线来提高在无线链路上接收和发送的信号的质量和可靠性。主要的无线环境是在最终接收到之前沿多径来反射信号的城市环境。这些反弹中的每个可以在接收天线的孔径处引入可以破坏性地相互干扰的相移、时间延迟、衰减和甚至失真。天线分集对减轻这些多径状况特别有效。
此外，通过使用在其中发送或接收信号的不同频带或空间区域，天线分集允许增加系统的容量，例如通过将不同空间区域分配用于不同信道，允许重复使用相同频带。因此，正在探索天线分集(频率、极化、辐射方向图和空间)用于当前和未来的多天线智能无线通信系统(例如LTE(长期演进)和MIMO(多输入多输出))。
诸如第三代合作伙伴计划(3GPP)长期演进(LTE)、超移动宽带(UMB)、高速下行链路分组接入(HSDPA)和IEEE802.16e(WiMAX)之类的蜂窝标准支持多输入多输出(MIMO)无线通信技术。MIMO在发射机和接收机处使用多天线以及高级数字信号处理，来提高链路质量和容量。现有基站使用天线阵列，来提供发射和接收分集。
最近，微带天线的研究已经聚焦于频率重用和双正交极化的极化分集，以使通信系统的容量翻倍，并减少在陆上移动通信中所接收信号的多径衰落。
此外，通常通过多层构架实现的双频微带天线阵列已经获得了相当多的关注。然而，在双极化双频带微带天线阵列的设计和构架中已经存在一些固有的挑战。
传统上，通过在双正交边缘向贴片馈电来实现双极化微带天线。此馈电方案需要分别用于两个单独的极化组件的两个馈电网络。但是，如果要在有限可允许的空间中使用双极化阵列，分配足够空间来容纳两组馈电网络是困难的。可能出现强模式耦合和高交叉极化。如果需要将有源和无源电路集成到馈电网络中，此问题加重。
此外，如果通过多层构架来实现针对以上双馈线双极化阵列的双频操作，则阵列的大小和复杂度将进一步增加。
特别是由于天线必须能够覆盖尽可能多的频带，同时其尺寸上很小并仍具有高性能，因此用于移动通信的天线的设计者面临巨大的挑战。
附图说明
参考附图将更好地理解本公开，在附图中：
图1示出了根据本主题的实施例的双频天线单元的基本配置的俯视图；
图2a～d分别示出了图1的天线单元的叶形、折线形、正方形和三角形配置；
图3a～b分别示出了使用根据本主题的实施例的双频天线单元的多端口分集天线配置的俯视图和侧视图；
图4a～b分别示出了使用根据本主题的另一实施例的双频天线单元的单端口分集天线配置的俯视图和侧视图；
图5a～b示出了图3和图4的分集天线的其他配置的俯视图；
图6a～b分别示出了使用根据本主题的其他实施例的双频天线单元的单端口偶极分集天线配置的俯视图和侧视图；
图7a～b分别示出了使用根据本主题的另一实施例的双端口偶极分集天线的俯视图和侧视图；
图8a～b分别示出了使用根据本主题的另一实施例的双频天线单元的第四分集天线配置的俯视图和侧视图；
图9a～b示出了针对图4的天线的反射参数的图；
图10示出了在双频带之一处的针对图4的天线的远场极化方向图；
图11a～b示出了当分别激活第一端口和第二端口时图7的天线的远场极化方向图；以及
图12示出了根据本主题的实施例可操作的无线通信系统的功能框图。
具体实施方式
在以下说明书中，类似标记指代附图中示出的类似结构。注意，除非另行说明，否则本文所使用的术语“辐射”是无方向的，并暗示了发送和接收的能力。
根据本主题的方案，提供了包括多个连接的天线单元在内的用于分集操作的天线。每个天线单元具有：第一辐射元件，具有在第一工作频率上四分之一波长的长度；以及第二辐射元件，具有在与该第一工作频率不同的第二工作频率上的四分之一波长的长度，第二辐射与第一导体共享第一导体的分段。馈电点用于将馈线耦合到所述第一辐射元件或所述第二辐射元件之一，使得元件分别在第一工作频率和第二工作频率上谐振并以实质正交的极性来谐振。
根据进一步的方案，第一辐射元件是具有第一端和第二端的直线，并且第二辐射元件被布置为具有部分围绕第一辐射元件的开放端。
在进一步的方案中，天线包括被布置在第一辐射元件的第一端的邻近的寄生元件。
在进一步的方案中，辐射元件是导体，并且在另一方案中，辐射元件是隙缝。
在又进一步的方案中，四端口天线分集单极天线被配置具有多个天线单元，该多个天线单元在衬底上形成的，所述多个天线单元被布置为将它们的第一导体在各个第二端的公共连接点处连接在一起，这样连接的天线单元相对于至少一个对称轴对称，并且衬底与公共接地面隔开。在又进一步的方案中，单端口极化分集偶极天线被配置具有两对天线单元，该两对天线单元在衬底上形成，并且该两对天线单元被布置为相对于至少一个对称轴对称，且每一对将它们各个第二端相连，以形成馈电点。
在又进一步的方案中，双端口极化分集偶极天线被配置具有两对天线单元，该两对天线单元在衬底上形成，并且该两对天线单元被布置为使得成对的天线沿着各个交叉轴，且(沿着相同轴的)各个对将它们的第二端与馈线相连。
参考图1，示意性地示出了根据本主题的实施例的双频天线单元100的基本配置。在此实施例中，天线单元100具有一对有线线路(wireline)导体102和104，该一对有线线路导体102和104包括：在合适的平坦衬底(未示出)(例如FR4)的表面上形成的两个辐射元件。将有线线路导体蚀刻、涂制或以其他方式形成在衬底上。以不同物理长度L1和L2来形成有线线路导体对102和104，物理长度L1和L2各自对应于在基础模式或支配模式(dominant mode)下期望工作频率的大约四分之一(1/4)波长。双工作频率通常是在激励天线(该天线处于其基础模式)时的相应谐振频率。注意，在耦合的情况下，长度可以比1/4波长稍长或稍短，并且导体的电长度随着不同工作模式而变化，同样，针对较高的工作模式，电长度不同。第一导体102具有分别标记为O和B的第一和第二端。第二导体104具有分别标记O和D的第三和第四端。取决于具体配置(稍后描述)，第二导体104在标记A的位置从第一导体102延伸，使得第一导体和第二导体102、104共享它们长度(即O-A或B-A)的一部分。第二导体104被布置在衬底上，其第四端D向离开第一导体102的方向延伸。A的位置通常接近端B，并且通常在设计时使用本领域已知的合适仿真器来确定。
取决于下文将描述的具体应用，可以在导体的端O、B和D之一，或在沿着导体102、104的长度的位置上产生馈电连接。
取决于下文将描述的具体应用，在辐射导体102、104的端O、B、D或A之一处可以连接针对接地导体的短路管脚(未示出)。
同样取决于应用，贴片元件O1可以被布置在衬底106的靠近导体的各端之一(优选地在第一端O)的区域中的表面上。贴片O1表现为寄生元件，并且取决于天线的期望响应，具有不同几何形状之一(例如，直线、矩形或圆形)。通常在设计时基于期望的具体响应，对贴片元件O1的配置和放置加以建模和确定。
如稍后将描述的，取决于应用和馈电布置，天线单元100可以与或可以不与接地导体一起使用。
可以通过改变导体102、104的物理长度来容易地改变天线单元的谐振频率。
在示例实现中，第一导体102是直线，且第二导体104被布置为具有其开放端(open end)D，开放端D部分围绕第一导体102的，如图2a～d所示。这提供了更紧凑的天线布置，并允许两个或更多个天线单元100被布置到阵列中，或被布置到置于大体上平坦的衬底上的分集天线配置中，其具有允许将其放置在有限容量的外壳中的尺寸。
在本说明书中，为了方便，参考辐射元件迹线，然而，如果将辐射元件迹线替换为具有与迹线相同形状的蚀刻到金属板中的隙缝，本说明书也可以同样很好地应用。换句话说，也可以将本文描述的电偶极子或单极子实现为磁偶极子或单极子。
现在参考图2a，示出了天线单元的实施例200，其中第一导体是直线202，且第二导体204是曲线，具有叶子的外观。图2b示出了天线单元的另一实施例210，其中第一导体212和第二导体214是折线，这允许增加导体的电长度。图2c示出了天线单元的其他实施例220，其中第一导体222是直线，并且第二导体224形成为在第一导体222的一部分的周围的矩形或正方形，以及图2d示出了天线单元的又一实施例230，其中第二导体234是三角形，该三角形的顶点在穿过第一导体232延伸的轴上。
天线单元100、200、210、220和230可以用于构建各种分集天线。具体地，可以以有点类似星形的配置来布置天线单元，使馈电点、接地面和短路管脚的各种组合形成如下所述的各种分集天线。为了描述的方便，天线单元200将用于举例说明以下各种分集配置。
现在参考图3a和图3b，示出了被配置为具有四个相互连接的天线单元200的双频分集天线300。如图3a的俯视图所示，四个天线单元200被布置为使得它们的直线导体OB在各个公共第二端B处连接在一起，使得这样连接的天线单元相对于两个相互正交的对称轴302、304对称。如侧视图图3b所示，在衬底306上形成分集天线300，并且与公共接地面308隔开。将馈线P1、P2、P3和P4与天线单元的各个第一端O分别相连，且将短路管脚310在公共连接点P5处从公共第二端B连接到大地。此配置中的接地面定义了反射器，该反射器与布置在衬底306上的导电元件隔开，并由距离h的空气间隙来隔开。在实施例中，同轴或类似连接器312位于衬底中，接地平面308的中心导体形成在该衬底上，且分别与馈线P1、P2、P3和P4相连。在此配置中，天线300是四馈线(四端口)双频分集天线。区域A中第二导体的D端和第一导体之间的空气间隙提供了间隙的两端之间的电容耦合。可以在仿真期间优化间隙的间隔，使得其针对不同操作频带可以具有合理值。类似地，也可以优化空气间隙h。
在作为图3实施例的变体的另一实施例(未示出)中，公共连接点P5可以是开放(open)的，或者可以将具有集总元件的匹配网络与其相连。
参考图4a和图4b，分别示出了分集天线400的又一实施例的俯视图和侧视图。分集天线400被配置为具有与图3中示出的分集天线300类似的四个天线单元200；然而，取而代之地，图3的短路管脚310被在公共连接点P5和接地面308处的单个馈线(单个端口)所替代。剩余连接P1、P2、P3和P4保持开放。因此，在此配置中，天线400是具有四个交叉臂部的单馈线双极化单极天线。因此，分集天线400向两个双频交叉单极子提供共享馈线。
参考图5a和5b，示出了包括两个天线单元和三个天线单元在内的分集天线的配置，针对它们可以分别实现类似于图3或4的配置。
参考图6a和6b，分别示出了双频带交叉偶极天线600的顶视图和侧视图，双频带交叉偶极天线600被配置为具有两对相互连接的天线单元200(602、604和607、608)，用于提供极化分集天线600。天线单元被布置在衬底606上，天线单元相对于两个相互正交的对称轴610、612对称。如侧视图图6b所示，未使用接地导体，馈线连接器614和与相邻天线单元对602、604相连的其中心导体616相连，返回或接地连接618与另一相邻天线单元对607、608相连。此配置中的分集天线600作为用于极化分集的、共享馈线的两个双频带交叉偶极子来工作。
参考图7a和图7b，分别示出了根据本主题的另一实施例的双端口双极化偶极天线700的顶视图和侧视图。可以看到，除了单个馈线被替换为双馈线布置714和716之外，此天线700在配置上与偶极天线布置600类似，天线700被配置为具有：沿着两个交叉轴710、711的两对相互连接的天线单元702、704和707、708。馈线714和716与相对的天线单元对相连，以形成两个偶极天线704、702和707、708。
现在参考图8，示出了超宽带极化分集天线800的分集天线配置的侧视图。超宽带极化分集天线800被配置为具有四个相互连接的天线单元200，标记为802、804、806和808。天线单元200被布置在平坦衬底(未示出)上，且将它们的直线导体OB在各个公共第二端B809连接在一起，以相对于两个相互正交的对称轴810、812对称。所配置的分集天线导体安装在接地导体813的平面上，并且与其正交。馈线连接器814通过接地面与其中心导体816相连，中心导体816与天线单元中位于和接地面导体最近的点的一个天线单元的第二导体204上的馈电点811相连。在此配置中的接地面813定义了与辐射元件间隔距离d的反射器，距离d是从导体204的最近点到接地面813测量的。可以看到，天线800在水平面和垂直面以及它们之间的所有平面上辐射能量。因此，分集天线800提供超宽带极化分集天线。
如上所述，每个天线单元可以通过改变贴片元件的长度、宽度或直径，将寄生元件O1用于分集天线的辐射方向图的精确调谐。
参考图9a和9b，示出了在与图4的天线配置400相对应的单端口多频带和多极化单极子的工作频率f1和f2中每个工作频率上的s参数的图。
参考图10，示出了在天线400的工作频率之一f1的三维远场图。可以看到，最大增益出现在与衬底306的平面平行的x-y平面中围绕天线400的区域中。
参考图11a和11b，示出了针对不具有寄生元件的图7的天线700的各个偶极子的三维远场天线增益图。看到，这些图示出了各个偶极子具有沿着形成偶极子的天线对的轴(x和y)的极化方向图。结果是分集天线700呈现出相互正交的两个极性，即，在x-z平面和y-z平面中。
尽管已经参考图2a中示出的天线单元200描述了以上实施例，应当理解可以使用如例如图2b～d所示的示例的其他天线单元布置。此外，在不脱离本主题的范围的情况下，也可以实现除了四个天线单元之外的其他数目的天线单元。因此，可以看到，本天线单元提供了可以用于配置在无线通信系统中使用的各种单端口分集天线或多端口分集天线的紧凑辐射结构。此外，本主题的优点是不需要复杂的馈电网络，可以直接向多端口布置馈线。
现在参考图12来描述可以使用一个或多个上述天线的无线通信系统1200的示例组件。系统可以由与一个或更多个移动设备1204通信的多个基站(BS)1202组成。移动设备1204也可以具有与互联网(未示出)上的其他计算机系统通信的能力。取决于所提供的准确功能，可以由无线通信网络中的用户使用的移动设备1204可以包括移动终端(例如移动电话、个人数字助理、手持计算机、便携式计算机、膝上型计算机、平板计算机以及类似设备)和固定终端(例如家庭网关、电视、机顶盒等)。这些设备被称为用户设备或UE1204。
基站1202中的传输设备在通常定义为小区的地理区域中传输信号。高级网络接入设备可以包括例如不是基站的增强型node-B(eNB)或比传统无线通信系统中的等同设备更高度演进的其他系统和设备。这种高级的或下一代设备通常被称为长期演进(LTE)设备。
尽管实施例不限于本方案，BS1202可以包括根据本主题的一个或多个实施例的多天线1206布置，多天线1206布置与可以用于经由例如OFDM MIMO空中接口与UE通信的RF接口的发射机1208部耦合。BS1202和UE1204可以包括类似于现有通信设备的元件，例如编码/调制或检测/解调逻辑、快速傅立叶变换(FFT)/逆FFT逻辑和/或合适期望的其他组件。
BS或UE可以包括MAC处理器，MAC处理器与RF接口通信以处理接收/发送信号，且BS或UE可以包括用于向下转换接收信号的模数转换器、用于向上转换用于传输的信号的数模转换器、以及可选地用于对相应接收/发射信号进行物理链路层处理的基带处理器。MAC处理器可以执行媒体访问控制和数据链路层处理。此外，MAC处理器将包括与附加电路(例如缓冲存储调度缓冲区)结合的上行链路调度器。MAC处理器和调度缓冲区可以用于对向BS上行链路传输的MAC源数据单元(SDU)执行入列、出列或其它调度。
BS的实现包括预编码和波束成形逻辑，以最大化信号电平。波束成形暗示了使用多天线1206来形成发送或接收波束；以此方式，UE处的信噪比降低。可以使用此技术来提高特定数据速率的覆盖，并增加系统频谱效率。因此，波束成形可以应用于下行链路和上行链路。UE1204可以向基站报告信道状态信息(CSI)，以供后续传输之用。在闭环波束成形MIMO系统中，BS利用来自UE的信道信息反馈，使用预编码权重(例如从信道矩阵中提取的预编码矩阵)形成针对UE的波束。
在BS1202处，取决于所使用的传输策略，可以使用各种极化阵列。此外，可以使用优化过程来确定天线参数(如，元件间间隔、交叉极化隔离和端口对端口隔离)的值。
本文描述的实施例是具有与本申请的技术的元素对应的元素的结构、系统或方法的示例。本书面说明书可以使本领域技术人员能够制作和使用具有与本申请的技术的元素同样对应的备选元素的实施例。因此，本申请的技术的预期范围包括不与本文描述的本申请的技术不同的其他结构、系统或方法，且还包括与本文描述的本申请的技术具有非实质差异的其他结构、系统或方法。
Claims (17)
1.一种用于分集操作的天线，包括：
多个相连的天线单元，每个所述天线单元具有：
第一辐射元件，具有在第一工作频率上的四分之一波长的长度；
第二辐射元件，具有在与所述第一工作频率不同的第二工作频率上的四分之一波长的长度，第二辐射元件与所述第一辐射元件共享所述第一辐射元件的分段；以及
馈电点，用于将馈线耦合到所述第一辐射元件或所述第二辐射元件之一，使得元件分别在所述第一工作频率和所述第二工作频率上谐振并以实质上正交的极性来谐振。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第一辐射元件是具有第一端和第二端的直线，并且所述第二辐射元件被布置为具有部分围绕所述第一辐射元件的开口。
3.根据权利要求2所述的天线，其中，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件是折线。
4.根据权利要求2所述的天线，其中，所述第二辐射元件是折线。
5.根据权利要求2所述的天线，其中，所述第二辐射元件形成在所述第一辐射元件的一部分周围的矩形的周界。
6.根据权利要求2所述的天线，其中，所述第二辐射元件形成在所述第一辐射元件的一部分周围的三角形的周界。
7.根据权利要求1所述的天线，包括被布置在所述第一辐射元件的第一端的邻近的寄生元件。
8.根据权利要求7所述的天线，所述寄生元件的几何形状配置是从直线、矩形或圆形之一中选择。
9.根据权利要求2所述的天线，其中，所述多个天线单元在衬底上形成，所述多个天线单元被布置为将它们的第一辐射元件在各个所述第二端的公共连接点处连接在一起，这样连接的所述天线单元相对于至少一个对称轴对称，并且所述衬底与公共接地面隔开。
10.根据权利要求9所述的天线，包括各自位于各个天线单元的所述第一端的多个馈电点。
11.根据权利要求10所述的天线，包括从所述公共连接点连接到所述接地面的短路管脚。
12.根据权利要求10所述的天线，其中，所述馈线位于所述公共馈电点处，并且所述第二端是开放的。
13.根据权利要求2所述的天线，具有两对天线单元，所述两对天线单元在衬底上形成，并且所述两对天线单元被布置为相对于至少一个对称轴对称，且所述对中的每一对使它们各个第二端相连，以形成所述馈电点。
14.根据权利要求10所述的天线，所述多个天线单元在衬底上形成，所述多个天线单元被布置为将它们的第一辐射元件在各个所述第二端的公共连接点处相连，这样相连的所述天线单元相对于至少一个对称轴对称，所述衬底是以与接地导体的平面相正交的方式安装的；以及
所述馈电点位于所述天线单元中与所述接地面导体最近距离的一个天线单元的辐射元件上。
15.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射元件是导体。
16.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射元件是隙缝。
17.一种无线通信系统，包括如权利要求1至16中任一项所要求保护的天线。
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