CN106104914B - 消除多频带辐射阵列中的共振的方法 - Google Patents

消除多频带辐射阵列中的共振的方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的多频带辐射阵列包括垂直列的较低频带偶极子元件和垂直列的较高频带偶极子元件。较低频带偶极子元件操作在较低操作频带处，并且较低频带偶极子元件具有组合成大约为较低操作频带中间点频率处的波长的一半的偶极子臂。较高频带偶极子元件操作在较高频带处，并且较高频带偶极子元件具有组合成大约为较高操作频带中间点频率处的波长的四分之三的偶极子臂。较高频带辐射元件被较高频带馈送板支撑在反射器上方。较高频带馈送板和较高频带偶极子臂的组合在较低操作频带中不共振。

Description

消除多频带辐射阵列中的共振的方法
相关申请
本申请要求于2014年4月11日提交且标题为“Method Of EliminatingResonances In Multiband Radiating Arrays”的美国临时专利申请No.61/978,791的优先权，该申请的整个公开内容通过引用被结合于此。
背景技术
用于无线语音和数据通信的多频带天线是已知的。例如，用于GSM服务的常见频带包括GSM900和GSM1800。多频带天线中的低频带可以包括GSM900频带，其在880-960MHz处操作。低频带还可以包括数字红利频谱(digital dividend spectrum)，其在790-862MHz处操作。另外，低频带还可以覆盖在698-793MHz处的700MHz频谱。
多频带天线的高频带可以包括GSM1800频带，其在1710-1880MHz的频率范围中操作。高频带还可以包括例如UMTS频带，其在1920-2170MHz处操作。附加的频带可以包括在2.5-2.7GHz处操作的LTE2.6和在3.4-3.8GHz处操作的WiMax。
当偶极子元件作为辐射元件被采用时，常见的是设计偶极子，使得它的第一共振频率处于期望的频带内。为了实现这个目的，偶极子臂是期望的频带的波长的大约四分之一，并且两个偶极子臂一起是期望的频带的波长的大约一半。这些常常被称为“半波”偶极子。半波偶极子具有相当低的阻抗，通常在73-75Ω的范围内。
但是，在多频带天线中，较低频带的辐射方向图可能由于在辐射元件中发展出的共振而变形，其中该辐射元件被设计为在较高的频带(通常是频率的2至3倍)处辐射。例如，GSM1800频带为GSM900频带的频率的大致两倍。
存在两种通常看到的变形模式：共模共振和差模共振。共模(CM)共振在整个较高频带辐射结构共振的时候发生，就好像它是四分之一波单极子。由于辐射器的垂直结构(“馈送板”)常常是较高频带频率处的波长的四分之一长并且偶极子臂也是较高频带频率处的波长的四分之一长，因此这个整体结构是在较高频带频率处的波长的大致一半长。当较高频带为较低频带的频率的大约两倍时，因为波长与频率成反比，所以整个高频带结构将是较低频带频率处的波长的大致四分之一长。差模在偶极子结构的每一半或者正交极化的较高频率辐射元件的两个一半相对于彼此共振的时候发生。
用于减小CM共振的一种已知方法是调整较高频带辐射器的尺寸，使得CM共振在较低频带操作范围的上方或下方移动。例如，一种提出的用于重新调谐CM共振的方法是使用“沟(moat)”。参见例如美国专利申请14/479,102，其公开内容通过引用被结合在本文。在辐射元件的垂直部分(“馈送板”)周围的反射器中开孔。导电井(conductive well)被插入到该孔中并且馈送板延伸到井的底部。这延长了馈送板，这使得CM共振向下移动并移出带外，同时保持偶极子臂在反射器上方大致四分之一波长处。但是，这种方法需要额外的复杂性和制造成本。
发明内容
本公开内容涵盖用以将CM频率重新调谐到较低频带以外的替代结构。本发明的一方面是使用高阻抗偶极子作为用于多频带天线的高频带元件的辐射元件。与半波偶极子不同，高阻抗元件被设计为使得其第二共振频率处于期望的频带内。在其第二共振频率中操作的偶极子的阻抗通常是大约400Ω-600Ω。在这种高阻抗偶极子中，偶极子臂的尺寸被设置使得两个偶极子臂一起跨越期望频率的波长的大约四分之三。在另一方面，高阻抗偶极子的偶极子臂电容性地耦合到垂直杆(stalk)上的馈送线。
根据本发明的多频带辐射阵列包括垂直列的较低频带偶极子元件的和垂直列的较高频带偶极子元件。较低频带偶极子元件操作在较低操作频带处。较高频带偶极子元件操作在较高操作频带处，并且较高频带偶极子元件具有组合成较高操作频带中间点频率的波长的大约四分之三的偶极子臂。较高频带辐射元件在反射器上方由较高频带馈送板支撑。较高频带馈送板和较高频带偶极子臂的组合在较低操作频带中不共振。
这种较高频带偶极子臂在较高操作频带中的第二共振频率处共振，而在诸如半波偶极子的第一共振频率处不共振。较低操作频带可以是大约790MHz-960MHz。较高操作频带可以是大约1710MHz-2170MHz，或者在超宽频带应用中是大约1710MHz-2700MHz。当较高操作频带是较低操作频带的大约两倍时，本发明可以是最有利的。
在本发明的一方面，较高频带辐射元件的偶极子臂被电容性地耦合到较高频带馈送板上的馈送线。例如，较高频带馈送板包括平衡不平衡转换器(balun)和一对馈送线，其中每条馈送线电容性地耦合到电感性部分，并且每个电感性部分被电容性地耦合到偶极子臂。这在低频带频率处将偶极子与杆分开，使得它们不作为单极子发生共振。
在本发明的另一方面，辐射元件包括由馈送板支撑的第一和第二偶极子臂。每个偶极子臂具有电容性的耦合区域。馈送板包括平衡不平衡转换器以及耦合到平衡不平衡转换器的第一和第二CLC匹配电路。第一匹配电路被电容性地耦合到第一偶极子臂并且第二匹配电路被电容性地耦合到第二偶极子臂。第一和第二匹配电路的每一个包括具有串联排列的耦合到平衡不平衡转换器的杆、第一电容性元件、电感器和第二电容性元件的CLC匹配电路，其中第二电容性元件耦合到偶极子臂。电容性元件可以被选择为阻挡带外感应电流。
CLC匹配电路的电容器可以在不同的部件中共享。例如，第一电容性元件和杆的一个区域可以提供电容器的平行板，并且馈送板PCB衬底可以提供电容器的电介质。第二电容性元件可以与偶极子臂的电容性耦合区域组合，以提供第二电容器。
附图说明
图1示意性地图示常规的双频带天线10。
图2a示意性地图示根据本发明的一方面的双频带天线的第一例。
图2b示意性地图示根据本发明的一方面的双频带天线的第二例。
图3是图1的现有技术的双频带天线的共模和差模响应的图。
图4是如图2b中所示的根据本发明额一方面的双频带天线的共模和差模响应的图。
图5是如图2b中所示的根据本发明的一方面的交叉偶极子双频带天线的共模和差模响应的图。
图6是根据本发明的另一方面、具有电容性耦合的偶极子臂的高阻抗偶极子。
图7是根据本发明另一方面、具有电容性耦合的匹配电路的高阻抗偶极子辐射元件的示意图。
图8a-8c示出了根据本发明的另一方面的辐射元件馈送板。
图9a-9c示出了根据本发明的另一方面的辐射元件馈送板。
图10示出了用于布置在阵列中的高阻抗辐射元件的馈送板。
图11示出了根据本发明的双频带天线的第一配置的平面图。
图12示出了根据本发明的双频带天线的第二配置的平面图。
图13示出了根据本发明的双频带天线的第三配置的平面图。
图14示出了根据本发明的双频带天线的第四配置的平面图。
具体实施方式
图1示意性地图示常规的双频带天线10。双频带天线10包括反射器12、常规的高频带辐射元件14和常规的低频带辐射元件16。这种类型的多频带辐射阵列通常包括以大约一半波长至一个波长的间隔隔开的高频带元件和低频带元件的垂直的列。高频带辐射元件14包括半波偶极子，并且包括第一和第二偶极子臂18和馈送板20。每个偶极子臂18大致为高频带操作频率的中间点处的波长的四分之一长。此外，馈送板20大致为高频带操作频率处的波长的四分之一长。
低频带辐射元件16也包括半波偶极子，并且包括第一和第二偶极子臂22以及馈送板24。每个偶极子臂22大致为在低频带操作频率处的波长的四分之一长。此外，馈送板24大致为在低频带操作频率处的波长的四分之一长。
在这个例子中，馈送板20(四分之一波长)和偶极子臂18(四分之一波长)的组合结构大致为在高频带频率处的波长的一半波长。由于高频带频率大致为低频带频率的两倍，并且波长与频率成反比，因此这意味着该组合结构还大致为在低频带操作频率处的波长的四分之一。如图3中所示，对于这种常规的半波偶极子，CM共振(m1)在临界的700-1000MHz区域内发生，这是GSM900频带和数字红利频带所处的位置。
图2a示意性地图示根据本发明的一方面的双频带天线110a。双频带天线110a包括反射器12、高频带辐射元件114a和常规的低频带辐射元件16。低频带辐射元件16与图1中的相同，其描述通过引用被结合。
高频带辐射元件114a包括高阻抗偶极子，并且包括第一和第二偶极子臂118以及馈送板20a。在优选的实施例中，高频带辐射元件114a的偶极子臂118的尺寸被设置使得偶极子臂118的总计长度大致为高频带的中心频率处的波长的四分之三。在宽频带操作中，偶极子的长度范围可以从高频带中的任何给定信号的波长的0.6波长至0.9波长。附加地，馈送板20a大致为在高频带操作频率处的波长的四分之一波长长，从而使辐射元件114a保持在距离反射器12期望的高度处。在附加的实施例中，全波长的反共振偶极子可以作为高阻抗辐射元件114a被采用。
在以上公开的本发明的实施例中，馈送板20a和高阻抗偶极子臂118的组合超出了在低频带频率处的波长的四分之一。延长馈送板和偶极子臂的组合延长了单极子，并且将CM频率向下调谐并离开较低频带。
在另一个例子中，将CM频率向上调谐并移出较低频带会是期望的。这个例子优选地包括在高频带上的电容性耦合的偶极子臂，高阻抗偶极子臂118。图6示出了高阻抗偶极子114b的例子，其中偶极子臂118电容性地耦合到馈送板120上的馈送线124。馈送板120包括钩式平衡不平衡转换器(hook balun)122，以便将输入RF信号从单端变换成平衡。馈送线124将平衡的信号向上传播到辐射器。PCB上的电容性区域130耦合到偶极子118。电感性迹线132将馈送线124耦合到电容性区域130。参见例如美国申请No.13/827,190，该申请通过引用被结合于此。电容性区域130在较低频带频率处充当开路。相应地，如图2b中所示，偶极子臂118和馈送板20b不再在关注的低频带频率处作为单极子操作。每个结构独立地小于在低频带频率处的波长的1/4波长。因此，CM共振向上移动并移出较低频带。
本发明的另一方面是提供改进的馈送板匹配电路，以拒绝共模共振。出于以上阐述的原因，电容性耦合是期望的，但是电感性部分必须被包括以便在一旦电容被添加时重新调谐馈送板。但是，当电感器部分132连接到馈送线124时，与馈送线124耦合的电感器部分132趋于延伸这个高频带辐射器形成的单极子的整个长度。这会在低频带中产生不期望的共模共振。
在图7、8a-8c和9a-9c中所示的附加的例子通过在匹配部分中添加额外的电容器部分(利用CLC匹配部分而不是LC匹配部分)来改进LC匹配电路。参照图8a-8c，示出了馈送板120a的三个金属化层。第一外层在图8a中示出，内层在图8b中示出，而第二外层在图8c中示出。第一和第二外层(图8a、8c)实现馈送线124。内层(图8b)实现钩式平衡不平衡转换器122、第一电容器部分134、电感性元件132和第二电容器部分130。第一电容器部分134电容性地耦合到馈送线124，而不是直接将电感性元件132连接到馈送线124。第二电容器部分130类似于来自图6中所示的LC匹配电路的电容器。
第一电容器部分134被引入以便在偶极子被期望在其中操作的高频带频率处从馈送线124电容性地耦合到电感性部分132，并且用来帮助阻挡一些低频带电流到达电感性部分132。这有助于减小高频带辐射器在较低频带所形成的单极子的有效长度并且因此将共模共振频率推至更高，使得其向上移出期望的低频带频率范围。例如，图4示出了通过用高阻抗辐射元件114代替标准的半波长辐射元件14，CM共振(m1)显著地被移动至更高。除了单极化的偶极子辐射元件，本发明还可以利用交叉偶极子辐射元件进行实践。图5示出了当采用高阻抗交叉偶极子时CM共振被移出低频带频率范围。
参照图9a-9c，示出了实现CLC匹配电路的馈送板120b的另一个例子。在这个例子中，第一电容器134、电感部分132和第二电容器130在第一和第二外层上实现(分别为图9a、图9c)。钩式平衡不平衡转换器122在第一外层上实现(图9a)。馈送部分124在内层上实现(图9c)。
虽然图8a-8c和9a-9c示出了用于CLC匹配电路的最大对称性的多个金属化层，但是可以设想到馈送板可以在仅具有两个金属化层的非层压PCB上实现。例如，具有在一侧如图9a中所示而另一侧如图9b中所示的金属化层的PCB。
图10是安装在包括馈送网络144的背板142上的两个交叉偶极子辐射器馈送板140a、140b的图示。馈送板PCB 140a、140b被配置为经由馈送板中的槽组装到一起，作为形成对辐射器的支撑的一种手段。存在布置馈送板140a、140b以及馈送交叉偶极子的其它手段。馈送板140a、140b还被布置成使得辐射器臂(未示出)将与背板的纵向轴成±45。
根据本发明的一方面的天线阵列110在图11中的平面图中示出。低频带辐射元件16包括布置在反射器12上的垂直列中的常规交叉偶极子元件。高频带元件114包括高阻抗交叉偶极子元件，并且它们被布置在第二和第三垂直列中。优选地，高频带元件具有CLC耦合的偶极子，如图7中所示。
图12的天线阵列210类似于图11的天线阵列110，但是，它只具有一列高频带辐射元件114。存在是低频带元件16的两倍的高频带元件114。图13的天线310类似于天线210，但是高频带元件更加紧密地分布在一起，并且存在比低频带元件16的两倍更多的高频带元件114。图14示出了天线410中辐射元件的另一种配置。在这种配置中，高频带元件的阵列与低频带元件16的阵列一致地布置并且用低频带元件16的阵列点缀穿插(intersperse)高频带元件的阵列。
本文描述和/或在附图中示出的基站天线系统仅仅是作为例子给出的并且不作为对本发明范围的限制。在不背离本发明的精神的情况下，除非另外特别陈述，否则天线和馈送网络的个别方面和组成部分可以被修改，或者因此可以被已知的等同物、或者诸如可能在将来被开发或者诸如可以被发现在将来是可接受的替代物的其它未知替代物代替。

Claims (15)

1.一种多频带辐射阵列，包括：
a)至少一个垂直列的低频带偶极子元件，所述低频带偶极子元件具有第一操作频带；
b)至少一个垂直列的高频带偶极子元件，所述高频带偶极子元件具有第二操作频带，所述第二操作频带高于所述第一操作频带并且具有中间点频率，所述高频带偶极子元件具有组合成大约为第二操作频带的中间点频率的波长的四分之三的高频带偶极子臂，所述高频带偶极子元件中的相应一个高频带偶极子元件被多个高频带馈送板中的相应一个高频带馈送板支撑在平面反射器上方大约为所述第二操作频带的波长的四分之一处，所述相应一个高频带偶极子元件的高频带偶极子臂与所述相应一个高频带馈送板上的馈送线电容性地耦合；
其中所述高频带馈送板中的相应一个高频带馈送板和所述高频带偶极子臂中的相应一个高频带偶极子臂的组合在所述第一操作频带中不共振。
2.如权利要求1所述的多频带辐射阵列，所述高频带偶极子元件在所述第二操作频带中具有大约400Ω-600Ω的阻抗。
3.如权利要求1所述的多频带辐射阵列，其中所述第一操作频带是大约694MHz-960MHz。
4.如权利要求1所述的多频带辐射阵列，其中所述第一操作频带是大约790MHz-960MHz，而所述第二操作频带是大约1710MHz-2170MHz。
5.如权利要求1所述的多频带辐射阵列，其中所述第二操作频带是大约1710MHz-2170MHz。
6.如权利要求1所述的多频带辐射阵列，其中所述第二操作频带是大约1710MHz-2700MHz。
7.如权利要求1所述的多频带辐射阵列，其中所述第二操作频带是所述第一操作频带的大约两倍。
8.如权利要求1所述的多频带辐射阵列，其中所述高频带偶极子元件的偶极子臂被电容性地耦合到所述高频带馈送板上的馈送线。
9.如权利要求1所述的多频带辐射阵列，其中所述高频带馈送板包括平衡不平衡转换器和一对馈送线，其中每条馈送线被电容性地耦合到电感性部分，并且每个电感性部分被电容性地耦合到偶极子臂。
10.一种多频带辐射阵列，包括：
a)至少一个垂直列的低频带偶极子元件，所述低频带偶极子元件具有第一操作频带；
b)至少一个垂直列的高频带偶极子元件，所述高频带偶极子元件具有第二操作频带，所述第二操作频带高于所述第一操作频带并且具有中间点频率，每个高频带偶极子元件具有组合成大约为第二操作频带的中间点频率的波长的四分之三的一对高频带偶极子臂，所述高频带偶极子元件被多个高频带馈送板中的相应高频带馈送板支撑在平面反射器上方；
其中每个高频带馈送板包括平衡不平衡转换器和一对馈送线，其中每条馈送线被电容性地耦合到多个电感性部分中的相应电感性部分，并且每个电感性部分被电容性地耦合到相应高频带偶极子臂，并且
其中每个高频带偶极子臂的长度被选择为使得该高频带偶极子臂与支撑该高频带偶极子臂的高频带馈送板的组合在所述第一操作频带中不共振。
11.如权利要求10所述的多频带辐射阵列，其中所述第二操作频带是所述第一操作频带的大约两倍。
12.一种辐射元件，包括：
a.第一偶极子臂和第二偶极子臂，所述第一偶极子臂和第二偶极子臂各自具有相应的电容性耦合区域；以及
b.馈送板，具有平衡不平衡转换器和耦合到所述平衡不平衡转换器的第一匹配电路和第二匹配电路，所述第一匹配电路耦合到所述第一偶极子臂而所述第二匹配电路耦合到所述第二偶极子臂，
其中所述第一匹配电路包括电学上串联布置的第一杆、第一电容性元件、第一电感器和第二电容性元件，所述第一杆耦合到所述平衡不平衡转换器，所述第二电容性元件耦合到所述第一偶极子臂，并且
其中所述第二匹配电路包括电学上串联布置的第二杆、第三电容性元件、第二电感器和第四电容性元件，所述第二杆耦合到所述平衡不平衡转换器，所述第四电容性元件耦合到所述第二偶极子臂。
13.如权利要求12所述的辐射元件，其中所述第一电容性元件和所述第一杆的区域包括电容器的平行板，并且馈送板衬底包括电容器的电介质。
14.如权利要求12所述的辐射元件，其中所述第二电容性元件和偶极子臂电容性耦合区域组合以形成阻挡带外电流的电容器。
15.如权利要求12所述的辐射元件，其中所述辐射元件还包括交叉偶极子辐射元件。
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