CN103931050A - 天线辐射元件 - Google Patents

Abstract

一种天线辐射元件包括天线和护罩，天线被配置为传输具有一个或多个可测量的特征的信号，护罩围绕天线并且被配置为改变一个或多个可测量的特征。

Description

天线辐射元件

技术领域

实施方式涉及用于在移动通信系统中使用的基站天线。

背景技术

偶极天线在通信工业中是很常见的，并且传统的结构，包括具有“蝴蝶结”结构和“蝴蝶”结构的半波长偶极，在若干已知出版物中都有描述。

特别地，平板基站天线，比如在移动通信系统中使用的平板基站天线，强烈的依赖于偏振天线。在很多情况下，这些天线的构造是利用单线偏振元件组合在一起以形成双偏振。在这种情况下，就需要两个分离的辐射元件阵列来提供两种偏振。

然而，通过这种方法来制造天线不是所希望的，这是因为用单线偏振元件来实现双偏振效果增加了天线制作中所涉及的工作量和零件的个数，同时还降低了天线的性能。为了克服这一点，大多数双偏振天线都是由直接双偏振元件构成的，这要么是通过包括以创建双偏振的方式进行馈送的单个贴片，要么是通过将两个线偏振偶极合为一个，这样就形成了一个单个的双偏振元件。

向和从这些双偏振结构馈送信号一般是通过传统的耦合结构来实现的，例如同轴线、微带或带状传输线或狭缝。在上述的天线和偶极中使用这些传统的耦合结构的缺点在于它们增加了用来构建天线所必需的部件的数量，所以就会产生所不希望的互调失真。

此外，制作这些带有包括了很多辐射元件的偶极的平板天线通常需要很多焊接接合和螺钉连接。除了组装的成本外，这种平板天线中所述要的总部件个数使它们不适合大规模生产。此外，焊接、螺钉以及类似类型的部件间的连接不仅增加了制作时间和工作量，而且也产生了所不期望的互调失真。

除了要避免这些互调失真以外，还期望在天线的辐射元件的两个输入口之间实现良好的端口对端口的隔离，以实现有效的通信系统。该隔离以离开一端口的功率与进入另一端口的功率的比例来量度。但是使用在传统耦合结构中是普遍的空气媒质传输线会在馈给反射体和从反射体馈出的信号中产生失真。在这些情况下，实现所需要的隔离是极度昂贵和困难的，这就意味着天线不能被设计成一个端口用来发送而另一端口用来接收的形式。

最后，除了要有良好的端口对端口的隔离特性以及最小互调失真以外，还期望天线阵列中的偶极要具有良好的阻抗，以使得阵列中的所有偶极能够适当地匹配。

在传统天线中(例如，蝴蝶设计天线和四方形偶极元件)，常规的偶极天线具有关于相同频段的元件与多频段的不同频段且更高的波束宽度的天线之间的交叉偏振和隔离的问题。使用传统技术来最小化交叉偏振和隔离是昂贵和费时的。另外，传统天线的开发过程和生产是昂贵的。

发明内容

示例实施方式提供一种系统和一种方法，以基于护罩或挡板设计对天线提供改进的波束宽度。

一个实施方式包括一种天线辐射元件。该天线辐射元件包括天线和护罩，天线被配置为传输具有一个或多个可测量的特征的信号，护罩围绕天线并且被配置为改变该一个或多个可测量的特征。

一个实施方式包括制造天线护罩的方法。该方法包括对天线进行建模，模型包括一个或多个可测量的信号特征，对护罩进行建模以改变一个或多个可测量的信号发送特征，并且制造护罩。

一个实施方式包括改变天线的信号特征的方法。该方法包括天线之上安装护罩，其中该护罩改变与所述天线相关联的一个或多个可测量的信号特征。

附图说明

本发明将从以下给出的具体描述和附图中变得被更完全理解，在附图中，相似元件由相似标号代表，仅通过示例给出附图并且因此附图未限制本发明，并且在附图中：

图1图示双偏振偶极天线的透视图；

图2图示在图1中所图示的双偏振偶极天线的顶视图；

图3A和图3B图示根据示例实施方式的简化的偶极天线；

图4A-4C图示根据示例实施方式的天线护罩和挡板；

图5A-5C图示根据示例实施方式的天线/天线护罩系统；

图6图示根据示例实施方式的用于实施设计天线护罩系统的方法的系统；

图7图示根据示例实施方式的组装天线/天线护罩系统的方法。

应当注意，这些图旨在于图示在某些示例实施方式中利用的方法、结构和/或材料的一般特性以及补充以下提供的书面描述。然而，这些附图未按比例并且可以未精确反映任何给定的实施方式的精确结构或者性能特性，而且不应被解释为限定或者限制由示例实施方式涵盖的值或者属性范围。例如，为了清楚而可以减少或者夸大分子、层、区域和/或结构元件的相对厚度和定位。在各种附图中使用相似或者相同标号旨在于指示存在相似或者相同元件或者特征。

具体实施方式

尽管示例实施方式能够有各种修改和备选形式，但是在附图中通过示例示出并且这里将具体描述其实施方式。然而，应当理解，无意于使示例性实施方式限于公开的特定形式，而是相反地，示例实施方式将覆盖落入权利要求的范围内的所有修改、等效物和备选。相似标号贯穿附图的描述指代相似元件。

在更具体讨论示例实施方式之前，注意，将一些示例实施方式描述为被描绘为流程图的过程或者方法。虽然流程图将操作描述为依次的过程，但是可以并行、并发或者同时执行操作中的许多操作。此外，可以重新安排操作的顺序。过程可以在完成它们的操作时终止，但是也可以具有图中未包括的附加步骤。过程可以对应于方法、功能、程序、子例程、子程序等。

这里公开的具体结构和功能细节仅出于描述本发明的示例实施方式这样的目的而有代表性。然而，本发明可以用许多备选形式来体现而不应被解释为仅限于这里阐述的实施方式。

将理解，虽然措词第一、第二等在这里可以用来描述各种元件，但是这些元件不应受这些措词限制。这些措词仅用来区别一个元件与另一元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件而未脱离示例实施方式的范围。如这里所用，措词“和/或”包括关联的列举项目中的一个或者多个项目的任何和所有组合。

将理解，在元件被称为被“连接”或者“耦合”到另一元件时，它可以被直接连接或者耦合到另一元件或者可以存在居间元件。对照而言，在元件被称为被“直接连接”或者“直接耦合”到另一元件时，无居间元件存在。应当以相似方式解释用来描述在元件之间的关系的其它用词(例如“在......之间”比对“直接在......之间”、“相邻”比对“直接相邻”等)。

这里所用的术语仅出于描述特定实施方式这样的目的而未旨在于限制示例实施方式。如这里所用，除非上下文清楚地指示相反情形，否则单数形式“一个/一种”和“该”旨在于也包括复数形式。还将理解，措词“包括”当在这里使用时指定存在陈述的特征、整件(integer)、步骤、操作、单元和/或部件、但是未排除存在或者添加一个或者多个其它特征、整件、步骤、操作、单元、部件和/或其组群。

也应当注意，在一些备选实现方式中，指出的功能/动作可以未按图中指出的顺序出现。例如，根据涉及到的功能/动作，事实上可以并发执行或者可以有时按相反顺序执行接连示出的两张图。除非另有定义，这里所用所有术语(包括技术和科学术语)具有与由在示例实施方式所属于的技术领域中的普通技术人员普遍理解的含义相同的含义。还将理解，应当将术语(例如在常用词典中定义的术语)解释为具有与它们在相关领域的背景中的含义一致的含义并且除非这里明确如此定义，否则不会在理想化或者过于正式的意义上解释它们。

然而，应当谨记，所有这些和相似术语将与适当物理量关联并且仅为应用于这些量的方便的标记。除非另有具体陈述，或者如从讨论中清楚的那样，术语(比如“显示”的“处理”或者“计算”或者“运算”或者“确定”等)是指计算机系统或者相似电子计算设备的动作和过程，该计算机系统或者相似电子计算设备将计算机系统的寄存器和存储器内的被表示为物理、电子量的数据操纵和变换成计算机系统存储器或者寄存器或者其它这样的信息存储、传输或者显示设备内的被类似地表示为物理量的其它数据。

如这里所用，术语“移动单元”可以被视为与客户端、用户设备、移动站、移动用户、移动台、预订者、用户、远程站、访问终端、接收器等同义并且以下可以偶尔被称为这些同义术语并且可以描述无线通信网络中的无线资源的远程用户。

类似地，如这里所用，术语“基站”或“eNodeB”可以与节点B、演进的节点B、基站收发器台(BTS)等同义并且以下可以偶尔被称为这些同义术语并且可以描述与在跨多个技术代的无线通信网络中的移动台通信并且向移动台提供无线资源的收发器。如这里讨论的那样，基站除了用于执行这里讨论的方法的能力之外还可以具有与常规公知基站关联的所有功能。

图1和图2图示偶极天线16的侧视图和顶视图。偶极天线16被构造为整体结构，其包括下文讨论的基底部、臂和馈送结构。偶极的结构可通过比如模塑、铸造或雕刻的常规方法来实现。此外，偶极可以使用比如铜、青铜、塑料、铝或锌合金(zamak)的常规材料来构造。如果所用的材料是不能被焊接的类型，比如塑料或铝，那么偶极一旦形成，可以使用能够被焊接的材料，比如铜、银或金将其部分或整体覆盖或电镀。

偶极天线16包括附接到基底部26的四对臂18、20、22和24。臂成对18、20、22和24布置，每个对具有V形或U形，其中臂从V形或U形的顶点部21向外辐射。偶极的基底部26被附接到例如公知的反射板(未示出)。

臂对被布置成使得对18在对20的对面，对22在对24的对面。相对的对被以金属丝连接并且相对于基底部26(和反射板)定位，以便在两种偏振下发送和/或接收射频能量：相对于基底部26的+45度的第一偏振和-45度的第二偏振。相对的对20和18分别对应于偶极天线16的第一和第二偏振。同样地，相对的对24和22对应于第一和第二偏振。根据示例实施方式的偶极并不限于这些偏振，并且应当理解，改变臂对的数目、布置和位置可以改变偏振的数目和天线的偏振角二者。

应当理解，根据示例实施方式模塑的偶极可以使用在各种天线配置中。再者，模塑的偶极的基底部26可以被设计和成形以匹配反射板上的相应(complimentary)形式，以便进一步促进天线阵列的组装。对本领域技术人员将显而易见的是基底部的大小和形状可以逐天线变化并且仍然落在本发明的范围内。

图3A和3B图示根据示例实施方式的简化的偶极天线。图3A图示包括直的(V形)臂元件的偶极天线305并且图3B图示包括半圆形的(U形)臂元件的偶极天线310。臂元件可以是例如以上参考图1所更详细描述地说明的、附接到基底部26的臂18、20、22和24。如本领域技术人员将理解的，如图3A和3B所图示的简化的偶极天线仅是多个偶极天线中的两个示例。

图4A-4C图示根据示例实施方式的天线护罩或挡板。图4A示出包括中空体或通道405和四个构件或翼410的挡板。中空体可以是如由中空体405所示出的圆柱体。图4B示出包括正方形(或矩形)横截面中空体415和四个构件或翼420的挡板。图4C示出包括八边形横截面中空体425和四个构件或翼430的挡板。如本领域技术人员将理解的，如图4A-4C所图示的天线护罩或挡板仅是多个天线护罩或挡板的示例。主体(例如，圆柱中空体405、正方形(或矩形)横截面中空体415和八边形横截面中空体425)的形状并不局限于图4A-4C中所示的形状。例如，中空体的形状可以是椭圆形横截面或六边形横截面等。此外，尽管仅四个构件或翼410、420、430被示出，但是本领域技术人员将会理解，构件或翼410、420、430的数目也可以小于4或者大于4。

挡板主体405、415、425可以从一端到另一端逐渐变细。挡板主体405、415、425的壁可以是变化的厚度或结构。例如，一个中空体壁可以是光滑的，而另一个包括波纹。

构件或翼410、420、430也可以是变化的设计。例如，图示的构件或翼410、420、430是L形构件，其具有从护罩或挡板主体的表面垂直地突出的垂直部分，以及从垂直部分向下延伸并且平行于护罩或挡板主体的平行部分。图示的构件或翼410、420、430被示出具有与平行部分和垂直部分中的每个部分相关联的基本相似的长度和宽度。然而，平行部分可以具有和垂直部分相比的更短或更长的长度。此外，平行部分和垂直部分可以具有彼此不同的和/或变化的宽度。

平行部分和垂直部分可以是不同的形状，例如，圆形或半圆形。另外，垂直部分可以在一些其它角度附接到护罩或挡板主体。此外，平行部分可以具有与护罩或挡板主体的一些其他关系。例如，平行部分可以成朝向护罩或挡板主体的角度。再者，构件或翼410、420、430，或其一些部分，可以被开槽或图案化。

构件或翼410、420、430，或者其一些部分，可以由和护罩或挡板主体相同的材料，或者可替换地不同的材料，来构造。构件或翼410、420、430以及护罩或挡板主体可以由例如铜、青铜、塑料、铝、锌合金、其他常规材料或它们的组合来构造。如果所用的材料是非导电材料或最低限度的导电材料，例如塑料或铝，则护罩或挡板主体和/或构件或翼410、420、430可以被使用导电材料，比如铜、银或金，来进行部分或整体的加载、覆盖或电镀。

图5A-5C图示根据示例实施方式的天线/天线护罩系统的可替换实施方式。图5A图示在护罩或挡板405内的偶极天线305。图5A示出偶极天线305，其包括直的(V形)臂元件(如图3A所示)。然而，本领域技术人员将理解，图5A不限于此。例如，偶极天线305可以是包括半圆形的(U形)臂元件(例如，如图3B所示的偶极天线310)的偶极天线。

图5A示出护罩或挡板405，其是如图4A所示的圆柱中空体和四个构件或翼。然而，本领域技术人员将理解，图5A不限于此。例如，护罩或挡板405可以是包括正方形(或矩形)横截面的中空体(例如，如图4B所示的护罩和挡板415)的护罩或挡板。

图5B图示在护罩或挡板420内的偶极天线310。图5B示出偶极天线310，其包括直的(U形)臂元件(如图3B所示的)。然而，本领域技术人员将理解，图5B不限于此。例如，偶极天线310可以是包括半圆形的(V形)臂元件(例如，如图3A中所示的偶极天线305)的偶极天线。

图5B示出护罩或挡板420，其是正方形(或矩形)横截面中空体和四个构件或翼(如图4B所示)。然而，本领域技术人员将理解，图5B不限于此。例如，护罩或挡板420可以是包括圆柱中空体(例如，如图4A所示的护罩和挡板405)的护罩或挡板。

图5C图示在护罩或挡板425内的偶极天线310。图5C示出偶极天线310，其是直的(U形)臂元件(如图3B所示)。然而，本领域技术人员将理解，图5C不限于此。例如，偶极天线310可以是包括半圆形的(V形)臂元件(例如，如图3A中所示的偶极天线305)的偶极天线。

图5C示出护罩或挡板425，其是八边形横截面中空体和四个构件或护翼(如图4C所示)。然而，本领域技术人员将理解，图5C不限于此。例如，护罩或挡板425可以是包括圆柱中空体(如图4A所示的护罩或者挡板405)的护罩或挡板。

天线/天线护罩系统被配置为使得天线的波束宽度、隔离和交叉偏振在例如多频段天线平台中可以被优化。例如，交叉偏振可被最小化。例如，当将900MHz频段集成到个人通信业务/数字蜂窝系统(PCS/DCS)频段(例如，1800/1900MHz)时，对于较宽的波束宽度天线，相互耦合可能会出现。通过对辐射元件(例如，天线305、310)添加护罩或挡板(例如，在图4A-5C中所图示的405、415或425)，波束宽度可以被更精确地控制。有可能通过修改护罩或挡板设计而不改变天线来设计不同波束宽度天线。

例如，如上文所讨论的，与四个构件或翼410相关联的尺寸、形状、角度关系或材料可以改变天线的波束宽度。例如，可以改变四个构件或翼的宽度、厚度、形状或材料，以优化天线的波束宽度。另外，可以改变圆柱中空体405的半径或者与正方形(或矩形)横截面中空体415或八边形横截面中空体425相关联的边的长度，以减少交叉偏振。

护罩或挡板(例如，在图4A-4C中所示的护罩或挡板)的构造是基于天线构造(例如，在图1-3B中所示的天线构造)的设计时选择。例如，天线(它通常已经在使用中)以及护罩或挡板使用公知的三维计算机辅助制图(CAD)软件来建模。模型被合并在一起，以产生如在图5A-5C中所示的系统。与合并后的模型相关联的参数然后被送入公知的三维全波电磁场模拟软件。在天线上模拟传输信号并且模拟软件产生磁场导致的或模拟的波束。针对例如期望的天线的波束宽度、隔离和交叉偏振，分析所模拟的波束。

护罩或挡板模型被修改并且重新运行模拟，导致经修正的模拟波束。护罩或挡板模型的模拟和修改被重复，直到期望的天线波束宽度、隔离和交叉偏振得以实现。护罩或挡板模型可以被修改以使得材料(例如，不同的金属、电镀的塑料、加载的塑料等)被改变，尺寸(例如，构件或翼的宽度、直径、数目，构件或翼的尺寸)被改变，护罩或挡板主体的样式被改变。

图6图示根据至少一个示例实施方式的用于实施设计天线护罩系统的方法的系统600。该系统包括图形用户界面(GUI)605、处理器610和存储器615。系统600可以是工作站、服务器、个人计算机等。GUI可以采用来自例如键盘或鼠标的用户输入。

图7示出根据示例实施方式的组装天线/天线罩系统的方法。参照图7，在步骤S705，由处理器(例如，处理器610)来对一个或多个系统天线进行建模。例如，如上所述，可以使用公知的三维计算机辅助制图(CAD)软件来建模一个或多个系统天线。CAD软件可以存储在存储器615中，由处理器610执行，并将GUI605用于用户输入。

在步骤S710，处理器对护罩或挡板进行建模。例如，可以使用公知的三维计算机辅助制图(CAD)软件来建模护罩或挡板。使用CAD软件进行建模对本领域技术人员是公知的，并且为简洁起见不进一步讨论。CAD软件可以存储在存储器615中，由处理器610执行，并将GUI605用于为用户输入。

在步骤S715中，处理器基于传输信号模拟与天线和护罩或挡板相关联的电磁场。例如，如上所述，将CAD模型合并在一起，以产生例如在图5A-5C中所图示的系统。与合并后的模型相关联的参数然后被送入公知的三维全波电磁场模拟软件。在天线上模拟传输信号并且模拟软件产生磁场导致的或模拟的波束。使用CAD软件进行建模对本领域技术人员是公知的，并且为简洁起见不进一步讨论。三维全波电磁场模拟软件可以存储在存储器615中，由处理器610执行，并将GUI605用于为用户输入。

在步骤S720，处理器确定电磁场是否被优化。例如，如上文所讨论的，针对例如期望的天线的波束宽度、隔离和交叉偏振，分析所模拟的波束。如果在步骤S725中，确定出电磁场没有被优化，则处理继续到步骤S730。否则，处理进入步骤S735。

在步骤S730，设计者调整用于一个或多个护罩或挡板的模型并且处理返回到步骤S715。可替换地，处理器基于先前由设计者录入的准则调整模型。例如，护罩或挡板模型可以被使用CAD软件进行调整，使得材料(例如，不同的金属、电镀塑料、导电材料加载的塑料等)被改变，尺寸(例如，构件或翼的宽度、直径、数目，构件或翼的尺寸)被改变，护罩或挡板主体的样式被改变。

在步骤S735，一个或多个护罩或挡板可以被安装在例如基站处的一个或多个系统天线上。例如，一个或多个护罩可以基于用于一个或多个护罩的最终模型来制造。所制造的护罩可以被安装在例如基站处的一个或多个系统天线之上。可以在安装护罩之前和之后测量一个或多个的信号特性(例如，天线的波束宽度、隔离和交叉偏振)。

示例实施方式通过单单护罩或挡板设计来提供改进的波束宽度。波束宽度的稳定性可以通过修改护罩或挡板设计而不改变天线来进行调整。在例如+45至-45偏振之间的隔离可以比传统设计有所改进。

虽然已经具体示出和描述了示例实施方式，但是本领域技术人员将理解可以在不脱离权利要求的精神和范围的前提下在形式和细节方面做出改变。

Claims (10)

1.一种天线辐射元件，包括：

天线(16，305，310)，被配置为传输具有一个或多个可测量的特征的信号；以及

护罩(405，415，425)，围绕所述天线并且被配置为改变所述一个或多个可测量的特征。

2.根据权利要求1所述的天线辐射元件，其中所述护罩包括中空体和附接到所述中空体的外侧的一个或多个构件(410，420，430)。

3.根据权利要求2所述的天线辐射元件，其中

所述一个或多个构件是L形的，并且

所述L形构件的一部分从所述中空体的外表面延伸。

4.根据权利要求3所述的天线辐射元件，其中

所述一部分是从所述中空体的所述外表面垂直延伸的垂直部分，以及

所述L形构件的另一部分是从所述垂直部分向下延伸并且平行于所述中空体的所述外表面的平行部分。

5.根据权利要求4所述的天线辐射元件，其中所述垂直部分和所述平行部分至少包括一个彼此不相等的尺寸。

6.根据权利要求4所述的天线辐射元件，其中所述垂直部分和所述平行部分至少包括一个彼此不同的形状。

7.根据权利要求4所述的天线辐射元件，其中所述垂直部分和所述平行部分中的至少一个部分包括表面图案。

8.根据权利要求7所述的天线辐射元件，其中所述表面图案延伸通过所述垂直部分和所述平行部分中的所述至少一个部分。

9.根据权利要求2所述的天线辐射元件，其中所述中空体是中空圆柱体、具有中空矩形横截面以及具有中空多边形横截面中的一个。

10.一种改变天线(16，305，310)的信号特征的方法，所述方法包括：

在所述天线之上安装护罩(405，415，425)，其中所述护罩改变与所述天线相关联的一个或多个可测量的信号特征。