CN103828126B - 超宽带天线 - Google Patents

Abstract

一种用于在给定频带内传送和接收无线电波的天线，包括置于扁平反射器上的至少一个辐射元件，包括设置在与反射器的平面平行的平面内的辐射器件；馈送辐射元件的至少一条导线；至少一个导电寄生元件，被设置在辐射元件上方，包括属于与辐射器件平面平行的平面的二维底部，与给出其体积形状的第三维度相关联。

Description

超宽带天线

交叉引用

本申请基于2011年9月22日提交的法国专利申请#11,58,459，其公开内容通过引用而全文结合于此，并且因此根据35U.S.C.§119而在此要求其优先权。

技术领域

本发明涉及一种在非常宽的频带内进行操作的天线。

背景技术

基站天线目前被设计用于覆盖范围从GSM到DCS/PCS和UMTS的频域的应用。然而，当前涌现出许多服务，如用于700MHz和2600MHz的LTE（代表“长期演进”）。客户的要求相应发生变化以便不仅从现有服务而且还从市场上出现的新服务中获益。此外，如今的制造成本和可视污染必须完全整合到基站天线的设计之中。为了满足客户的要求，需要一种如下的天线，该天线覆盖所有操作频率并且允许OEM和载波利用最小可视污染以及对基站系统的最小限制来访问所有服务。这种使用覆盖从700MHz到960MHz和/或从1710MHz到2700MHz的域的频带的天线被称作“超宽带天线”。

关于超宽带天线的主要限制在于用于覆盖例如1710MHz-2700MHz的域的带宽的数值。天线的带宽Δf由关系Δf=(f_max–f_min)/f₀所定义，其中f_max是天线的最大操作频率，f_min是天线的最小操作频率，并且f₀是中心操作频率。带宽Δf的范围通常可以为30%至50%，例如对于2GHz的中心频率f₀而言是600MHz到1000MHz。然而，该带宽的数值并非所要满足的仅有限制。

相反，为了限制其对于基站系统的影响，天线必须根据所使用的频带而在其RF射频性能方面具有显著的稳定性。典型地，作为注入天线的功率的分布系数的[S]参数（代表“散射参数”）以及辐射模式应当具有最低的可能频带变化。这是一个已经被证明为基站天线制造商非常难以解决的技术问题。

为了确保[S]参数和辐射性能的稳定性，基站天线制造商当前所提出的解决方案是使用与具有特殊设计的形状的反射器（reflector）相关联的宽带辐射元件，上述反射器诸如包括侧壁的扁平反射器、抛物线形反射器等。最常使用的辐射元件是叠加的偶极子或者扁平辐射元件（被称作“贴片（patch）”）。使用这种类型的具有特殊形状反射器的辐射元件使得可能满足阻抗和辐射性能方面的宽带规范。然而，该解决方案在[S]参数和辐射性能方面表现出了局限性，并且无法被用于超宽带应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种特别是在带宽具有大的宽度时提高RF天线整体性能的稳定性的解决方案。

本发明的具体目的是提出一种超宽带天线，使得可能获得3dB的稳定波束宽度，远高于针对现有技术的天线已经观察到的。

本发明的目标是一种用于在给定频带内传送和接收无线电波的天线，包括：

-置于扁平反射器上的至少一个辐射元件，包括被设置在与反射器平面平行的平面内的辐射器件，

-馈送辐射元件的至少一条导线，以及

-被设置在辐射元件上方的至少一个导电寄生元件。

寄生元件包括属于与辐射器件平面平行的平面的二维底部，与给出其体积形状的第三维度相关联。

这里，术语寄生元件指代设置在辐射器件上方的导电元件，其既不直接也不间接地利用辐射器件进行馈送。其经常由术语“导引器（director）”所指代。在偶极子上方增加三维（3D）寄生元件使得可能扩展频带，并且使得可能跨整个带宽保持辐射性能的稳定性。

根据第一实施例，寄生元件被成形为类似具有方形底部和平头顶端的平头角锥体。

根据第二实施例，寄生元件由四个三维翼部所组成，四个三维翼部以30°和60°之间且包括30°和60°的角度、在它们的尖端处进行连接而形成平头角锥体部分的，这四个翼部定义方形底部和平头顶端。

根据第三实施例，寄生元件由四个翼部所形成，每个翼部大致具有剪切直角三角形的形状，这四个翼部在直角处相交，所述直角三角形的长边定义交叉形状的底部，以及被剪切角度定义顶端。

根据一个实施方式，该底部的侧边长度为约0.2λ_min，其中λ_min是该频带的最低频率的波长。

根据另一个实施方式，顶端的侧边的长度为约0.2λ_max，其中λ_max是该频带的最高频率的波长。

根据第四实施例，寄生元件被成形为由圆柱体所支撑的类似圆锥体。

根据一种实施方式，圆形底部的直径为约0.2λ_min，其中λ_min是该频带的最低频率的波长。

根据一个方面，寄生元件的总高度包括在0.05λ₀和0.25λ₀之间且包括0.05λ₀和0.25λ₀，其中λ₀是中心操作频率的波长。

根据另一个方面，将寄生元件的底部的平面从辐射器件的平面分隔的距离为约0.2λ₀，其中λ₀是该频带的中心频率的波长。

本发明的优势在于跨整个频带的波束稳定性、扩展带宽以及改进的辐射性能，特别是3dB的波束宽度以及在0°和±60°处的交叉偏振。

附图说明

本发明的其它特征和优势将通过阅读以下对一个实施例的描述而变得显而易见，该实施例显然是利用非限制性示例并且在附图中所给出，其中：

-图1a和1b图示了根据第一实施例的第一种变化的超宽带天线，

-图2a和2b图示了在图1的天线的情形下基于频带的电流分布，

-图3图示了作为频率f的函数的电压驻波比ROS，

-图4图示了在等于-3dB的水平平面中作为频率f的函数的波束宽度W的变化，

-图5a和5b图示了根据第一实施例的第二种变化的天线，

-图6a和6b图示了根据第一实施例的第三种变化的天线，

-图7a和7b图示了根据第二实施例的天线，

-图8a和8b图示了根据第三实施例的天线。

这些附图中的每幅图中同样的要素具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1a和1b中图示了根据本发明第一实施例的包括辐射元件2的天线1。图1a是天线1的透视图，并且图1b是示出平面如何叠加的示意性截面图。

辐射元件2由反射器3进行排列和支撑，该反射器3是扁平的并且配备有侧壁。辐射元件2包括两个正交的交叉偏振半波偶极子4a、4b，通过将单个偶极子旋转90°而对其进行复制所获得。偶极子4a、4b被印刷到由两个正交平面5a、5b所组成的基板5上。基板5由具有高电介质常数ε_r（1<ε_r<5）的材料所制成，诸如玻璃以及具有来自“TACONIC”公司的产品代码“TLX-08”的特氟龙（Teflon）板。偶极子4a、4b在其相应开槽中的交点与基板5的正交平面5a、5b的交点相一致。印刷在基板5两侧的“条状线”类型的每个偶极子4a、4b包括两个由底部7所支撑的共线导电臂6。如图1b中示意性示出的，偶极子4a、4b的臂6构成了设置在与反射器3的平面P'平行的平面P内的辐射器件。臂6和底部7被印刷在电介质基板5的正交平面5a、5b之一的相同一侧上。臂6以平行于反射器3的平面的方向进行延伸。偶极子4a、4b由导线8进行馈送，导线8被印刷在电介质基板5的正交平面5a、5b之一的相反一侧上并且连接至这里未示出的换衡器（balun）。

如图1b所示，寄生元件9或导引器被置于辐射元件2的上方，与偶极子4a、4b的壁6平行。寄生元件9是导电的，例如由金属制成。寄生元件9包括底部以及给出其密度特性的第三维度。如图1b示意性示出的，该底部是二维的，与两个偏振相关联，并且被包含在与偶极子4a、4b的臂6所构成的辐射器件的平面P平行的平面"P"内。在第一种变化中，寄生元件9具有平头角锥体形状。

图2a和2b图示了基于频带的电流分布，其基于频率而示出了所讨论的角锥体部分。在频带的较低频率端，电流的分布在图2a中进行了描绘。由辐射元件2和角锥体寄生元件9所形成的组件，从射频角度来看，表现得好像寄生元件9被减少为由大多数电流所处的角锥体的方形底部20所表示的二维表面。底部20位于与偶极子4a、4b的臂6所表示的辐射器件的平面P平行的平面P''中。在该频带的其它的较高频率端，电流的分布在图2b中进行了描绘。由辐射元件2和角锥体寄生元件9所形成的组件也表现得好像寄生元件9被减少为二维表面，但是在这种情况下，该表面是角锥体的平头顶端21。平头顶端21被包含在与辐射器件的平面P平行的平面P"'内，这里该辐射器件由偶极子4a、4b的臂6所构成。该平头角锥体的形状使得可能将这两个表面进行连接以便在阻抗和辐射方面获得改进的宽带性能。平头顶端21位于与偶极子4a、4b的臂6所表示的辐射器件的平面P平行的平面P'''内。

寄生元件9的大小由寻求天线的操作的频带来确定。方形底部20的尺寸直接取决于所讨论的频带的最低频率f_min。角锥体形状的寄生元件9的平头顶端21取决于该频带的最高频率f_max。然而，应当注意的是，即使平头顶端21在该频带底部附近具有低的无线电影响（radio influence）并且方形底部20的无线电影响在该频带的顶端附近很低，三维（3D）寄生元件9的总体积也对天线1的无线电表现及其性能的实现有所影响。在该变化中，方形底部20的侧边长度为约0.2λ_min，其中λ_min是该频带的最低频率f_min的波长。平头顶端21的侧边长度为约0.2λ_max，其中λ_max是该频带的最高频率f_max的波长。平头角锥体形状的寄生元件9的高度H处于0.05λ₀与0.25λ₀之间，其中λ₀是中心操作频率f₀的波长。

辐射器件的平面P和寄生元件9的底部20的平面P''之间的距离为约0.2λ₀，其中是该频带的中心操作频率f₀的波长。

图3在y轴上图示了作为x轴上以GHz为单位的频率ν的函数的电压驻波比ROS（或“VSWR”）。曲线30和31利用图1的包括3D寄生元件的天线分别针对+45°和-45°两个端口而获得。

将辐射元件与3D寄生元件相结合使得可能获得针对带宽范围1.7-2.7GHz（该频带的45%）中的应用而利用小于1.5的电压驻波比ROS进行操作的宽带阻抗。

图4是在y轴上以度数所给出的作为x轴上以GHz为单位的频率f的函数的、等于-3dB的水平平面中的波束宽度W的变化。曲线40和41利用现有技术的天线而获得，该现有技术的天线不包括3D体积寄生元件而是例如包括2D扁平寄生元件。扁平寄生元件是其两个维度远大于第三维度的寄生元件，该第三维度是可忽略的，例如被印刷在基板上的寄生元件。曲线40和41分别针对+45°和-45°两个端口而给出，并且针对零倾斜。曲线42和43则利用图1的包括3D体积寄生元件的天线分别针对+45°和-45°两个端口所获得，并且其针对零倾斜。

比较曲线40与42以及曲线41与43，示出了针对频带的最高频率，-3dB的天线波束宽度W在两个天线之间非常不同。特别是在高频域中，图1的包括3D体积寄生元件的天线具有远大于针对现有技术的天线所获得的稳定的波束宽度。还必须要指出的是在0°和±60处对交叉偏振的改进。

图5a和5b图示了该第一实施例的第二种变化。图5a是透视图而图5b则是描绘平面如何重叠的示意性截面图。

如以上所描述的，辐射元件50包括被印刷在基板5上的偶极子4。如图5b中示意性示出的，偶极子4的臂6构成了设置在与反射器3的平面P'平行的平面P内的辐射器件。

寄生元件51被设置在辐射元件50上方。在该第二种变化中，寄生元件51是被成形为类似圆柱体53所支撑的圆锥体52的三维体积。如图5b所示，圆柱体53的圆形底部位于与偶极子4的臂6所形成的辐射器件的平面P平行的平面P''中。该圆形底部的直径为约0.2λ_min，其中λ_min是最低频率f_min的波长。寄生元件51（也就是以圆锥体为顶端的圆柱体）的总高度H处于0.05λ₀和0.25λ₀之间，其中λ₀是中心操作频率f₀的波长。

图6a和6b图示了第一实施例的第三种变化。图6a是透视图而图6b则是描绘平面如何重叠的示意性截面图。

如以上所描述的，辐射元件60包括被印刷在基板5上的偶极子4。如图6b中示意性示出的，偶极子4的臂6构成了设置在与反射器3的平面P'平行的平面P内的辐射器件。

寄生元件61被设置在辐射元件60上方。在该第三种变化中，寄生元件61由四个翼部62形成，每个翼部大致形成为剪切直角三角形的形状，其在直角处相交。寄生元件61的交叉形状的底部，由直角三角形的长边所定义，位于与由偶极子4的臂6所形成的辐射器件的平面P平行的平面P''内。顶端63，由直角三角形的剪切角度所定义，被包含在与在这里由偶极子4的臂6所形成的辐射器件的平面P平行的平面P''内。直角三角形的长边的长度为约0.1λ_min，其中λ_min是最低频率f_min的波长。交叉形状的底部的总表面为约0.2λ_min×0.2λ_min。寄生元件61的高度H处于0.05λ₀和0.25λ₀之间，其中λ₀是中心操作频率f₀的波长。

第二实施例由图7a和7b进行图示。图7a是透视图而图7b则是描绘平面如何重叠的示意性截面图。

辐射元件70在配备有侧方凹槽（trap）72的反射器71上包括贴片天线73，它是扁平天线，该扁平天线的辐射器件是通过电介质层与导电平面分离开来的导电平面。被印刷到电介质基板74上的贴片天线73由通过交叉开槽76与馈线75的电磁耦合来进行馈送，该交叉开槽76被构建到用作贴片天线73的接地平面77的导电突起之中。微带（microstrip）类型的馈线75被印刷到电介质媒介78上并且置于交叉开槽76下方。如图7b示意性示出的，贴片天线73构成被设置在与反射器71的平面P'平行的平面P内的扁平辐射器件。由电介质基板74所支撑的贴片天线73可以尽可能地靠近交叉开槽76进行设置或者利用例如塑料条栏的电介质间隔器与它们分开。

与图1a相类似的形成如同具有方形底部80的平头角锥体的寄生元件79被设置在贴片天线73上方。如图7b中示意性描绘的，底部80被包含在与这里贴片天线73所构成的辐射器件的平面P平行的平面P''内，并且平头顶端81包含在与这里由贴片天线73所构成的辐射设备的平面P平行的平面P'''内。在这种变化中，方形底部80的侧边边长为约0.2λ_min，其中λ_min是该频带的最低频率f_min的波长。平头顶端81的侧边长度为约0.2λ_max，其中λ_max是该频带的最高频率f_max的波长。平头角锥体形状的寄生元件9的高度H处于0.05λ₀和0.25λ₀之间，其中λ₀是中心操作频率f₀的波长。

现在将考虑图示第三实施例的图8a和8b。图8a是透视图而图8b则是描绘平面如何重叠的示意性截面图。

“蝴蝶”类型的辐射元件90被紧固到反射器91上并且由具有正交交叉偏振±45°的两个偶极子92、93所制成。每个偶极子92、93分别包括由底部94的一部分所支撑的两个臂92a、92b和93a、93b。臂92a、92b和93a、93b中的每个臂形成一个V，臂92a、92b和93a、93b在该V的尖端处相交。如图8b中示意性描绘的，偶极子92、93的臂92a、92b和93a、93b由设置在与反射器91的平面P'平行的平面P内的辐射器件所构成。

三维寄生元件95被设置在辐射元件90上方。寄生元件95由三维的四个翼部96a、96b、96c和96d所构成。翼部96a-96d形成平头角锥体部分，其具有30°和60°之间的角度，在其尖端处连接并且其底部位于与偶极子92、93的臂92a、92b、93a、93b平行的平面内。四个翼部96a-96d定义其侧边为约0.2λ_min长的方形底部，其中λ_min是该频带的最低频率f_min的波长。翼部96a-96d的平头端定义了其侧边长度为约0.2λ_max的顶端，其中λ_max是该频带的最高频率f_max的波长。寄生元件95的高度H处于0.05λ₀和0.25λ₀之间，其中λ₀是中心操作频率f₀的波长。

显然，本发明并不局限于所描述的实施例，而是相反地受到本领域技术人员可获得的许多变化形式的影响，而不脱离本发明的精神。特别地，可能在不脱离本发明的精神的情况下改变寄生元件体积的形状并且使用任意类型的辐射元件。

Claims (10)

1.一种用于在给定频带内传送和接收无线电波的天线，包括：

由扁平反射器进行排列并支撑的多个辐射元件，每个辐射元件包括被设置在与所述反射器的平面P′平行的平面P内的由两个正交的交叉偏振半波偶极子形成的辐射器件，

多条导线，每条导线馈送辐射元件，以及

多个导电寄生元件，每个寄生元件设置在辐射元件上方，并且每个寄生元件包括属于与所述辐射器件的所述平面P平行的平面P″的二维底部，与给出其体积形状的第三维度相关联，

其中所述底部的尺寸至少部分地取决于所述频带的最低频率的波长，并且与所述第三维度处于相同数量级。

2.根据权利要求1所述的天线，其中所述寄生元件被成形为类似具有方形底部和平头顶端的平头角锥体。

3.根据权利要求1所述的天线，其中所述寄生元件由四个三维翼部所组成，所述四个三维翼部以30°和60°之间且包括30°和60°的角度、在它们的尖端处进行连接而形成平头角锥体部分，所述四个翼部定义方形底部和平头顶端。

4.根据权利要求1所述的天线，其中所述寄生元件由四个翼部所形成，每个翼部大致具有剪切直角三角形的形状，所述四个翼部在直角处相交，所述直角三角形的长边定义交叉形状的底部，以及被剪切角度定义顶端。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的天线，其中所述底部的侧边长度为约0.2λ_min，其中λ_min是所述频带的最低频率的波长。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的天线，其中所述顶端的侧边的长度为约0.2λ_max，其中λ_max是所述频带的最高频率的波长。

7.根据权利要求1所述的天线，其中所述寄生元件被成形为由圆柱体所支撑的类似圆锥体。

8.根据权利要求7所述的天线，其中圆形底部的直径为约0.2λ_min，其中λ_min是所述频带的最低频率的波长。

9.根据权利要求2至4和7中任一项所述的天线，其中所述寄生元件的总高度在0.05λ₀和0.25λ₀之间，其中λ₀是中心操作频率的波长。

10.根据权利要求1所述的天线，其中将所述寄生元件的底部的所述平面P″从所述辐射器件的所述平面P分隔的距离为约0.2λ₀，其中λ₀是所述频带的中心频率的波长。