CN105144475B - 用于小小区基站的低剖面高性能集成天线 - Google Patents

Abstract

本公开涉及安装在小小区基站中的天线设计。该天线设计对应于共形天线设计，这种天线设计适合室外基站的传统遮阳物。在另一方面，天线设计支持多个频带和多种技术。在又一方面，天线设计提供了一种增益方向图，该增益方向图允许将小小区安装在定向扇区中从而在提供单个安装位置的同时增强了频谱效率。在又另一方面中，该设计允许基站的形状因子满足独特的和所期望的美学原则，诸如时髦的弧形表面以及具有吸引力且有特色的高度、宽度和深度比例。

Description

用于小小区基站的低剖面高性能集成天线

背景技术

小小区基站通常对应于被单个外罩所罩住的单扇区独立基站。小小区基站将互联网协议回程通信链路转变成RF发送信号，并将RF接收信号转变成互联网协议回程通信链路。小小区基站通常支持多种空中接口技术，并且通过一般相对于其他基础设施装置较小的覆盖区域来实现高容量的数据吞吐量。例如，小小区的覆盖区域能够具有小于500米的范围。

发明内容

本发明提供了一种供小小区基站使用的天线装置，该天线装置包括：具有外部和内部的外壳，其中，该内部具有内部形状；电介质材料，该电介质材料在外壳内并且符合该外壳的内部形状；置于外壳和电介质材料之间的多个天线贴片；以及用于激发多个天线辐射器贴片中的每一个天线辐射器贴片的电场极化。外壳可以是雷达罩，它可部分起到太阳光遮挡物的作用。雷达罩可以是弧形雷达罩。多个天线贴片中的每一个均可被置于电介质材料的槽(pocket)中。多个天线贴片包括谐振和辐射贴片，其包括用于在频带内接收LTE信号的第一对元件，用于在频带内发送LTE信号的第二对元件以及用于在Wi-Fi信号频带中进行操作的第三对元件。每一对元件在垂直方向和方位方向上均具有相似的交叉极化方案和相似的增益方向图。这种天线装置可被置于具有散热片的小小区基站中，其中散热片被从多个天线贴片后面移除。

附图说明

通过参考下面的详细说明并结合附图，本发明的上述方面以及许多伴随的优点将变得更加容易理解同时也变得更加明白。

图1是小小区基站的框图。

图2示出了在小小区基站中使用的天线装置的实施例。

图3是图2中的天线装置的实施例，其示出了基于移除外部雷达罩的天线装置的组件。

图4是图2中的天线装置的实施例，其示出了该天线装置的背面。

图5示出了与天线装置紧密配合并使用该天线装置的小小区基站外形的实施例；

图6示出了说明天线装置的使用的RF辐射方向图和方向。

具体实施方式

一般来说，本公开涉及用于安装在小小区基站上的天线设计。在一个方面中，所述天线设计对应于共形天线设计，这种共性天线设计适合于室外基站的传统遮阳物。小小区基站的一个方面的尺寸为高575mm、宽225mm、深85mm。在另一方面中，所述天线设计支持多个频带和多种技术。这样的天线设计能够将带宽扩展到超过贴片天线通常可行的带宽。在又一方面中，所述天线设计提供了如下增益方向图，该增益方向图允许将小小区安装在定向扇区中从而在提供单个安装位置的同时提高频谱效率。在又一方面中，这种设计允许基站的形状因子满足独特的和所期望的美学原则，诸如时髦的弧形表面和具有吸引力和特色的高度、宽度和深度比例。

相关领域的技术人员将理解，所公开的实施例和示例是说明性的。因此，所公开的实施例和示例不应当被解释为具有限制性。另外，尽管本公开的各方面已经被标识出来并且可以一起进行描述，但是本公开不限于必须考虑到所有标识出的方面的那些实施例或者应当需要任何所描述的方面的组合的那些实施例。

图1是小小区基站(110)或“小小区”的框图。小小区基站被用于通过异构网络向移动单元(150)提供额外的数据吞吐量，其中，小小区可具有与该异构网络中的一个或多个较大的宏基站重叠的覆盖区域。此外，小小区基站可被配置成提供对用户密集区域的覆盖，这通常被称为热点。在实施例中，小小区基站可被配置成在单个单元内实现或者以其他方式支持多种无线电接入网或空中接口技术。例如，小小区可被配置成实现由基于标准的组织所发布的一种或多种空中接口标准，诸如，3GPP或3GPP2(即，1XRTT、EVDO、WCDMA、HSPA、LTE、LTE-A、WiMAX等等)。使用需要政府机关授权的频谱的空中接口标准和方法(例如，上述示例)通常被称为授权技术，其中，政府机关授权提供了对该频带的专用。此外，小小区还可被配置成实现由基于标准的组织发布的一种或多种另外的空中接口标准，诸如，IEEE(即，IEEE 802.11.a、b、g、n，或ac空中接口标准中的一个或多个)。诸如上面所描述的示例，使用不需要由政府机构颁发专用授权的频谱的空中接口标准通常被称为未授权技术。

说明性的小小区基站实施IP回程组件以提供到核心网的通信。IP回程组件可包含有线以太网连接(铜线或光纤)或无线回程(微波或Wi-Fi)。继续参考图1，由于小型化和以谨慎和美观的方式安装基站的需求，在外壳内提供不显眼但仍提供优越性能的集成天线(155、159)是有利的。

图2示出了在小小区基站中使用的天线装置的实施例。如图2所示，天线装置(201)被安装在低剖面雷达罩中。雷达罩可以是小小区基站(110)的外观感觉上的固有部分。在此示例中，基站被安装在电极(210)上，该电极可以是电线杆或是建筑结构的一部分。此外，在此实施例中的天线雷达罩起到太阳光遮挡物的作用，以便在其被暴露在直射日光下时降低金属散热器的温度。

图3是图2中的天线装置的实施例，其示出了该天线装置的组件。更加具体地，图3示出了在外部雷达罩被移除时将看到的各种组件的配置。形状符合对设计的美学要求的弧形雷达罩以同一曲线半径覆盖电介质材料。如图3所示，在雷达罩和电介质材料空间之间的间隔物是天线辐射器贴片。说明性地，天线辐射器贴片被配置成适合于电介质材料中的薄槽，该薄槽将贴片保持在正确位置。电介质的厚度基于具体的频率和带宽而变化。然而，在这种情况下，对于700MHz频带，电介质材料约为9mm厚，而对于2100MHz频带约为4mm。这是在印刷电路材料中的孔径和辐射贴片之间的间隔。裁剪出厚度为0.5mm的薄槽以将贴片(通常为0.3mm厚)保持在适当的位置。贴片自身趋向于矩形并且达到给定的周围材料的有效介电常数的辐射频率的二分之一波长的规则。导电贴片从与每个贴片的2个正交电场极化相对的一侧穿过孔径被激发。基于这种配置，每个贴片作为2个正交天线馈线的阵列元件。

根据本公开的实施例的一个方面，LTE信号的接收频带(1710-1755MHz)排列着两个元件(310)和(311)。这在保持所期望的70度的方向波束宽度的同时在垂直方向上提供了阵列增益。70度的方向波束宽度提供了方便的波束宽度，以便于通过在单个位置上放置彼此之间在一个圆中朝向大约120度的3个基站其中来支持3个扇区。在另一方面，LTE信号的发送频带(2110-2155MHz)排列着两个元件(320)和(321)。在又一方面，Wi-Fi信号频带(处于2.4GHz和5GHz的未授权频谱)排列着元件(330)和(331)。

在本发明的另一实施例中，未授权频谱天线元件是双频元件。它们使用经改良的具有两个半圆形切槽(330、331)的贴片在2.4GHz和5GHz的未授权频带中进行谐振。注意，每一种技术在垂直方向和方位方向上均具有相似的交叉极化方案(+45度和-45度)和相似的增益方向图。这支持了为如下优点：基站中的多种空中接口技术保持相似的覆盖方向图，从而对于每一种技术可以通过尽可能少的单元并且以高效的方式轻松地满足了覆盖。针对每一种技术，每根天线的交叉极化支持2个发送和2个接收路径，其中根据在每个所支持的空间接口技术中所使用的能力和标准实践，其能够被用于多种技术，诸如2×2MIMO空间复用、发送或接收分集或者发送和/或接收波束成形。

图4是图2中的天线装置的实施例，其示出了天线装置的背面。说明性地，图4示出了天线装置的一部分的视图，其中面向金属外壳内部。如图4所示，天线装置包括雷达罩，诸如塑料雷达罩(430)，该雷达罩至少部分起到太阳光遮挡物、天线的环境保护以及天线的低损耗RF不可视窗的作用。雷达罩还可起到机械安装点的作用。在本设计的一个方面中，天线层被从雷达罩进行结构性地构建，并且雷达罩自身包含机械扣将整个装置连接到基站的金属外壳的点。

继续参考图4，电介质片(440)作为RF谐振和辐射贴片之间的精密机械间隔物，如图3所示(310、311、320、321、330和331)，并且低损耗微波电介质材料的双面印刷电路板(450)包含铜接地层，其中槽(410)位于一侧，而铜微带馈线位于另一侧。说明性地，除了电缆连接被焊接到板子的位置之外，其他暴露的铜的部分可由焊接掩膜覆盖。焊接掩膜促进了对天线馈线的防潮保护。同轴电缆被连接，并且接合处被涂有诸如硅胶之类的防水材料。同轴电缆和微波接头允许对天线进行使用或断开对天线的连接，从而根据需要可以将导向替代天线的替代的外部同轴电缆连接到基站。在这种情况下，集成天线被断开连接并保留在原处，并且继续作为太阳光遮挡物和该设计的美学组件。

图5示出了紧密配合并使用天线装置(430)的小小区基站外形的实施例。说明性地，天线装置(430)可被示为实质上是透明的以显现出在下面的至少部分的外壳结构。在一个实施例中，将基站(110)的铝散热片(520)从馈入每个辐射贴片的孔径正后面的区域中移除。这种配置可增强天线辐射方向图、提升辐射效率、降低反向上的辐射增益并且提供多种天线性能所必要的交叉极化鉴别率。继续参考图5，外壳中的防水接头(532)在基站和集成天线之间提供直接的、低损耗的RF连接的同时，使得基站内的有源电子器件免受环境状况的影响。

图6示出了说明天线装置的使用的RF辐射方向图。如图6所示，方位方向图通过对被示出在相对于基站获得方向图的方向中的基站(110)的表示来示出。这种方向图是针对+45°极化示出的。在这种情况下，+45°端口示出了高效率和高增益，而-45°端口示出了优选地具有非常小的响应的隔离度或XPD(交叉极化鉴别率)。在这种情况下，降低了10-15dB的响应在两个极化之间提供了足够的隔离度或去相关，从而使其成为极化之间的总相关性中较小和不重要的部分。极化之间的外部耦合源(包括RF信道传播模型和手机天线性能)将趋向于提供至少-10dB的相关性，并且将控制图6所示的基站天线性能。

本领域的技术人员及其他人将理解的是，在本公开中所描述的全部功能可被体现在由所公开的组件和移动通信设备的一个或多个处理器执行的软件中。这种软件可以一直被存储在任意类型的非易失性存储设备中。

除非特别说明，否则条件性语言，诸如“能够”、“会”、“可能”或“可以”之类或者所使用的上下文中应理解的通常意图表达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这种条件性语言通常不意图暗示一个或多个实施例以任何方式需要这些特征、元素和/或步骤或者不意图暗示一个或多个实施例必须包括用于通过或不通过用户输入或提示来判定这些特征、元素和/或步骤是否被包括在任何特定的实施例中，或被执行在任何特定的实施例中。

本文所描述的流程图中的和/或附图中所描绘的任何处理描述、元素或方框应当被理解为包括用于在实现该处理中特定逻辑功能或步骤的一个或多个可执行指令的潜在的代码的表达模块、片段或部分。如本领域的技术人员将理解的，替代实施方式被包括在本文所描述的实施例的范围内，其中取决于所涉及的功能，这些元素或功能可被删除、不以所示出或所讨论的顺序执行(包括大体上同时或以相反的顺序)。还将理解的是上文所描述的数据/组件可被存储在计算机可读介质中，并使用与计算机可读介质相关联的驱动机制来加载到计算设备的存储器中，其中该计算机可读介质存储了诸如CD-ROM、DVD-ROM或网络接口之类的计算机可执行组件，此外，该组件和/或数据可被包括在单个设备或以任何方式进行分布。因此，通用计算设备可被配置成通过上面所描述的对各种数据/或组件的处理和/或执行来实施本公开的处理、算法或方法。

应当强调的是可对上述实施例做出许多变化和修改，它们的元素将被理解为其他可接受的示例。所有这类修改和变化均意图在此被包括在本公开的范围内，并且受到所附权利要求的保护。

Claims (15)

1.一种供小小区基站使用的天线装置，所述天线装置包括：

弧形雷达罩，该弧形雷达罩作为外壳并且部分起到太阳光遮挡物的作用；

电介质材料，该电介质材料在所述弧形雷达罩内，并且符合所述弧形雷达罩的内部形状，所述电介质材料在面向所述弧形雷达罩的一侧包括薄槽；以及

多个天线贴片，该多个天线贴片中的每个天线贴片被放置在所述薄槽内面对所述弧形雷达罩，每个天线贴片被配置成作为两个正交天线馈线的阵列元件；

其中，所述薄槽被配置成将所述天线贴片保持在预定的位置，所述多个天线贴片通过两个正交电场极化进行激发。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其中所述电介质材料是电介质片，并且

其中所述天线贴片从与所述雷达罩相对的一侧通过所述电介质片内的孔径被激发。

3.根据权利要求2所述的天线装置，其中所述天线贴片包括天线贴片对，所述天线贴片对包括谐振贴片和辐射贴片，并且

其中所述电介质材料被配置成作为每一对所述天线贴片对的所述谐振贴片和辐射贴片之间的精密机械间隔物。

4.根据权利要求3所述的天线装置，其中、

第一对天线贴片具有用于在第一LTE频带中进行接收和/或发送的尺寸；

第二对天线贴片具有用于在第二LTE频带中进行接收和/或发送的尺寸；以及

第三对天线贴片具有用于在一个或多个WLAN频带中进行接收和发送的尺寸。

5.根据权利要求4所述的天线装置，其中所述第三对天线贴片包括用于在2.4GHz和5GHz WLAN频带二者中进行谐振的半圆形切槽。

6.根据权利要求3所述的天线装置，其中每一对所述天线贴片对在垂直方向和方位方向上具有相似的交叉极化方案和相似的增益方向图。

7.根据权利要求3所述的天线装置，其中：

第一对天线贴片具有用于在第一蜂窝频带中进行接收的尺寸，

第二对天线贴片具有用于在第一蜂窝频带中进行发送的尺寸，

第三对天线贴片具有用于在第二蜂窝频带中进行接收的尺寸，

第四对天线贴片具有用于在第二蜂窝频带中进行发送的尺寸，

第五对天线贴片具有用于在一个或多个WLAN频带中进行接收的尺寸。

8.根据权利要求3所述的天线装置，其中至少部分所述天线贴片对被配置以用于2×2MIMO空间复用。

9.根据权利要求3所述的天线装置，还包括被提供在所述孔径后面的可移除的散热片，所述散热片能够从与所述雷达罩相对的一侧被移除。

10.一种用于小小区基站的设备，所述设备被配置成作为热点进行操作以支持多种空中接口，所述多种空中接口包括一种或多种蜂窝空中接口和一种或多种WLAN空中接口，所述设备包括：

天线装置；

授权频谱前端电路，该授权频谱前端电路支持根据所述一种或多种蜂窝空中接口的通信；

未授权频谱电路，该未授权频谱电路支持根据所述一种或多种WLAN空中接口的通信；

回程IP互连，该回程IP互连与所述授权频谱模块和所述未授权频谱模块相耦合，所述回程IP互连被配置为用于与回程网络通信；

其中所述天线装置包括：

弧形雷达罩，该弧形雷达罩作为外壳并且部分起到太阳光遮挡物的作用；

电介质材料，该电介质材料在所述弧形雷达罩内，并且符合所述弧形雷达罩的内部形状，所述电介质材料在面向所述弧形雷达罩的一侧包括薄槽；以及

多个天线贴片，该多个天线贴片中的每个天线贴片被放置在所述薄槽内面对所述弧形雷达罩，每个天线贴片被配置成作为两个正交天线馈线的阵列元件，所述薄槽被配置成将所述天线贴片保持在预定的位置；

其中所述前端电路被配置成通过两个正交电场极化来激发所述多个天线贴片。

11.根据权利要求10所述的用于小小区基站的设备，其中所述电介质材料是电介质片，并且

其中所述天线贴片从与所述雷达罩相对的一侧通过所述电介质片内的孔径被激发。

12.根据权利要求11所述的用于小小区基站的设备，其中所述天线贴片包括天线贴片对，该天线贴片对包括谐振贴片和辐射贴片，并且

其中所述电介质材料被配置成作为每一对所述天线贴片对的所述谐振贴片和辐射贴片之间的精密机械间隔物。

13.一种供小小区基站使用的天线装置，所述天线装置包括：

弧形雷达罩，该弧形雷达罩作为外壳并且部分起到太阳光遮挡物的作用；

电介质材料，该电介质材料在所述弧形雷达罩内，并且符合所述弧形雷达罩的内部形状，所述电介质材料在面向所述弧形雷达罩的一侧包括薄槽；以及

多个天线贴片，该多个天线贴片中的每个天线贴片被放置在所述薄槽内面对所述弧形雷达罩，所述薄槽被配置将所述天线贴片保持在预定的位置中，

其中所述天线贴片从与所述雷达罩相对的一侧通过孔径被激发。

14.根据权利要求13所述的天线装置，其中每个天线贴片被配置成作为两个正交天线馈线的阵列元件；

其中每个所述天线贴片被配置成通过两个正交电场极化被激发。

15.根据权利要求14所述的天线装置，其中所述天线贴片包括天线贴片对，该天线贴片对包括谐振贴片和辐射贴片，并且

其中所述电介质材料被配置成作为每一对所述天线贴片对的所述谐振贴片和辐射贴片之间的精密机械间隔物。