CN108028462A - 具有解耦单元的相控阵列天线 - Google Patents

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Abstract

一种基站天线包括具有接地平面的面板、具有安装在面板上的相应的第一组和第二组线性布置的辐射元件的第一阵列和第二阵列、以及定位在第一阵列的第一辐射元件和第二阵列的第一辐射元件之间的解耦单元。解耦单元至少包括面对第一阵列的第一辐射元件的第一侧壁、面对第二阵列的第一辐射元件的第二侧壁以及限定在侧壁之间的区域中的内部腔体。第一侧壁和第二侧壁是导电的并且电连接到接地平面。

Description

具有解耦单元的相控阵列天线
技术领域
本发明一般而言涉及通信系统，并且更具体地涉及用于无线移动通信网络的天线。
背景技术
考虑到网络流量需求的增加、服务覆盖范围的扩大以及部署新的系统，无线移动通信网络不断演化。蜂窝(“无线”)通信网络依赖于基站天线网络将蜂窝设备(诸如蜂窝电话)连接到无线网络。许多基站天线包括线性阵列中的多个辐射元件。例如，通过引用被结合于此的美国专利No.6,573,875公开了一种基站天线，该基站天线具有以近似垂直对齐布置的多个辐射元件。提供了馈送网络，其向每个辐射元件供给要传送的信号的子分量。天线阵列的各种属性(诸如波束仰角、波束方位角和半功率波束宽度)可以基于馈送给每个辐射元件的信号子分量的幅度和/或相位来确定。馈送给每个辐射元件的信号子分量的幅度和/或相位可以被调整，使得基站天线将根据例如波束仰角、波束方位角和半功率波束宽度展现出期望的天线覆盖图案。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了基站天线，其包括具有接地平面的面板、具有安装在面板上的相应的第一线性布置的辐射元件和第二组线性布置的辐射元件的第一阵列和第二阵列、以及定位在第一阵列的第一辐射元件和第二阵列的第一辐射元件之间的解耦单元。解耦单元至少包括面对第一阵列的第一辐射元件的第一侧壁、面对第二阵列的第一辐射元件的第二侧壁以及限定在侧壁之间的区域中的内部腔体。第一侧壁和第二侧壁是导电的并且电连接到接地平面。
在一些实施例中，第一阵列可以被配置为在第一频率范围中操作，并且第二阵列被配置为在第一频率范围中操作。
在一些实施例中，基站天线还可以包括第三阵列，该第三阵列包括第三多个辐射元件，第三阵列定位在第一阵列和第二阵列之间，并且被配置为在与第一频率范围不同的第二频率范围中操作。在这样的实施例中，解耦单元可以沿着第一方向位于第一阵列的第一辐射元件和第二阵列的第一辐射元件之间，并且可以沿着与第一方向基本上垂直的第二方向位于第三阵列的第一辐射元件和第三阵列的第二辐射元件之间。第三阵列的第一辐射元件和第二辐射元件中的至少一个可以与解耦单元垂直地重叠。
在一些实施例中，解耦单元可以具有大致U形的横截面。
在一些实施例中，第一侧壁可以具有从第一侧壁的下边缘向外延伸的唇缘(lip)。该唇缘可以包括安装孔。
在一些实施例中，第一侧壁可以包括槽形开口。
在一些实施例中，解耦单元可以包括整体金属结构。
在一些实施例中，第一侧壁和第二侧壁中的每一个可以包括至少一个相应的槽。
在一些实施例中，解耦单元还可以包括将第一侧壁的上边缘连接到第二侧壁的上边缘的顶板。该顶板可以包括至少一个槽。
在一些实施例中，解耦单元可以在第一方向上具有在第一频率范围中的第一频率的波长的0.2倍和0.35倍之间的宽度、在第二方向上具有在第一频率的波长的0.45倍和0.65倍之间的长度、以及在垂直于第一方向和第二方向两者的第三方向上具有在第一频率的波长的0.1倍和0.35倍之间的高度，其中第一阵列和第二阵列之间的耦合在没有解耦单元的情况下在第一频率处达到最大值。
在一些实施例中，解耦单元在接地平面上方的高度可以小于第一阵列的第一辐射元件在接地平面上方的高度以及第二阵列的第一辐射元件在接地平面上方的高度。
根据本发明的另外的实施例，提供了解耦单元，其被配置为减少相控阵列天线的第一线性阵列的第一辐射元件和相控阵列天线的第二线性阵列的第二辐射元件之间的交叉耦合。这些解耦单元包括第一侧壁；与第一侧壁相对的第二侧壁；将第一侧壁的上边缘连接到第二侧壁的上边缘的顶板；以及至少由第一侧壁、第二侧壁和顶板限定的内部腔体。顶板在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的第一方向上具有在第一辐射元件的操作的频率范围中的第一频率的波长的0.2倍和0.35倍之间的宽度，顶板具有在第一频率的波长的0.45倍和0.65倍之间的长度，并且第一侧壁和第二侧壁具有在第一频率的波长的0.1倍和0.35倍之间的高度，其中第一线性阵列和第二线性阵列之间的耦合在没有解耦单元的情况下在第一频率处达到最大值。
在一些实施例中，解耦单元可以具有大致U形的横截面。
在一些实施例中，第一侧壁可以具有从第一侧壁的下边缘向外延伸的第一唇缘，并且第二侧壁可以具有从第二侧壁的下边缘向外延伸的第二唇缘。
在一些实施例中，第一侧壁可以包括槽形开口。
在一些实施例中，顶板可以包括至少一个槽。
附图说明
图1A是常规相控阵列基站天线的示意性前视图。
图1B是图1A的常规基站天线的示意性侧视图。
图2A是根据本发明的实施例的解耦单元的透视图。
图2B是图2A的解耦单元的前视图。
图3A是具有安装在其上的三个图2的解耦单元的相控阵列基站天线的前视图。
图3B是图3A的相控阵列基站天线的侧视图。
图3C是沿着图3A的线3C-3C取得的横截面图。
图3D是图3A的相控阵列基站天线的透视图，其中具有提供天线的一小部分的放大图的插图。
图4是将图1A-图1B的相控阵列天线的方位波束图案与图3A-图3D的相控阵列天线的方位波束图案进行比较的图。
图5A-图5C是根据本发明另外的实施例的解耦单元的前视图。
图6是根据本发明还有的另外的实施例的包括调谐槽的解耦单元的透视图。
图7是根据本发明又一个实施例的解耦单元的透视图。
图8A是包括在图3A-图3D的天线中的解耦单元之一的透视图，其示出当相邻辐射元件传送信号时解耦单元上的表面电流分布。
图8B是图8A的解耦单元的透视图，其示出由表面电流产生的磁场分布。
图8C和图8D是图示当在辐射元件之间提供图8A的解耦单元时(图8D)和没有在辐射元件之间提供图8A的解耦单元时(图8C)，由第一阵列的辐射元件在附近的第二阵列的辐射元件上生成的表面电流的示意性平面图。
图9A是图6的解耦单元的透视图，其示出当相邻辐射元件传送信号时解耦单元上的表面电流分布。
图9B是图6的解耦单元的横截面图，其示出在横向方向上的磁场分布。
具体实施方式
如以上所讨论的，通常使用包括多个辐射元件的相控阵列天线来实现基站天线。经常，相控阵列天线将包括多个辐射元件阵列。不同的阵列可以包括连接到不同类型的基站装备并且以不同频带操作的阵列以及连接到相同类型的基带装备并且以相同频率操作的阵列。为了减小这些相控阵列天线的大小和成本，辐射元件通常非常接近。例如，现有技术的相控阵列天线可以包括三个辐射元件阵列，其中每个阵列包括2到16个元件，其中所有三个阵列安装在相对窄的平坦面板上。在这种相控阵列天线设计中，相邻辐射元件之间的距离可以例如小至五厘米。
不幸的是，当多个辐射元件阵列彼此非常接近地安装时，辐射元件之间可能发生交叉耦合。例如，如果垂直对齐的辐射元件的第一阵列和第二阵列彼此非常接近地并排安装，那么当信号通过这些阵列中的一个传送时，可能发生与其它阵列中的一个或多个阵列中的辐射元件的交叉耦合。这种交叉耦合可以例如根据波束宽度、波束偏斜和交叉极化使传送阵列的方位辐射图案失真。随着交叉耦合增加，失真量通常将增加，并且因此天线图案的失真将倾向于在交叉耦合强的频率处发生。如上所述，方位辐射图案被设计为提供期望的天线波束覆盖图案，并且因此由交叉耦合引起的对该图案的扰动可能倾向于降低基站天线的性能。因此，可能期望减少或最小化不同阵列的辐射元件之间的交叉耦合，以便改善相控阵列基站天线的辐射图案性能。
根据本发明的实施例，提供了可以放置在相控阵列天线的不同阵列的辐射元件之间以便减少辐射元件之间的交叉耦合的解耦单元。解耦单元可以安装在用于辐射元件的公共接地平面上并且电耦合到该公共接地平面。在一些实施例中，解耦单元可以包括导电板，该导电板以倒“U”形的大致形状形成，使得解耦单元具有顶板和从顶板向下延伸的一对侧壁。当解耦单元暴露于由与解耦单元的第一侧相邻的第一阵列的辐射元件生成的电磁场时，在解耦单元的导电侧壁和顶板上感应出表面电流。解耦单元充当改变场分布的矩形空间腔体，并且更具体而言，减小在解耦单元的第二相对侧的第二阵列的辐射元件附近的电磁场的强度。这种近场耦合的减小可以改善相控阵列天线的性能。
现在将参考附图更详细地描述本发明的实施例，在附图中描绘了示例实施例。
图1A是常规相控阵列基站天线100的示意性前视图。图1B是图1A的基站天线100的示意性侧顶视图。如图1A和图1B所示，相控阵列天线100包括面板110，面板110具有安装于其上的多个辐射元件122、132、142。在本文中，当根据本发明的实施例的相控阵列天线包括多个相同的部件时，这些部件可以通过它们的完整标号被单独地引用(例如，辐射单元132-1)，并且可以通过它们的标号的第一部分被统一地引用(例如，辐射元件132)。接地平面114可以安装在面板110的前侧112。接地平面114可以包括例如可以覆盖面板110的前侧112的全部或大部分的薄导电片。接地平面114可以由导电金属形成，诸如例如重量轻且具有良好导电性的铝或另一种金属。面板110可以具有安装在其背侧(或在其中形成)的各种不同的电气部件和机械部件，诸如例如功率分配器、移相器传输线、印刷电路板等。天线罩(未示出)通常也将被安装以至少覆盖天线的前表面来防止恶劣天气并且保护辐射元件。天线罩可以由诸如玻璃纤维或塑料的介电材料形成。由于平坦面板相控阵列天线的设计和操作对于本领域技术人员来说是众所周知的，因此本文将省略对面板和这些其它元件的进一步描述。
仍然参考图1A和图1B，每个辐射元件122、132、142可以具有相关联的馈送结构124、134、144(馈送结构124在图1A和图1B中不可见，但可以与馈送结构144相同并且也在图3C中示出)。馈送结构124、134、144可以包括传输线，该传输线将RF信号携带到辐射元件120和携带来自辐射元件120的RF信号。馈送结构124、134、144可以用于将相应的辐射元件122、132、142安装在接地平面114上方。
辐射元件122、132、142形成第一至第三线性阵列120、130、140。相控阵列天线100可以被安装成使得其纵轴垂直朝向，并且因此每个阵列120、130、140可以包括垂直的辐射元件列。第一线性阵列120总共包括十一个辐射元件122-1至122-11，并且被设计为在第一频率范围(诸如，例如1695-2690MHz频率范围)中操作。第二线性阵列130包括总共八个辐射元件132-1至132-8，并且被设计为在与第一频率范围不同的第二频率范围(诸如，例如694-960MHz频率范围)中操作。第三线性阵列140包括总共十一个辐射元件142-1至142-11，并且被设计为在第一频率范围(即，与第一线性阵列120相同的频率范围)中操作。由于第二频率范围处于比第一频率范围低的频率，因此第一频率范围在本文中可以被称为“高频带”，并且第二频率范围在本文中可以被称为“低频带”。
当信号通过第一阵列120的辐射元件122被传送时，生成电磁场。该电磁场可以延伸到作为与其相邻的其它阵列130、140的一部分的辐射元件132、142，并且因此信号能量将交叉耦合到这些其它辐射元件132、142。耦合的程度可以根据各种不同的因素，包括例如阵列120的每个辐射元件122到阵列130、140的辐射元件132、142的距离、由辐射元件122传送的信号的振幅以及相邻辐射元件132、142的设计操作频率。一般而言，辐射元件之间的距离越小并且通过辐射元件122传送的信号的功率越大，将发生越强的交叉耦合。此外，如果辐射元件122和紧密相邻的另一个阵列的辐射元件被设计为在相同的频带中传送，那么耦合倾向于更强，因为两个辐射元件都进行阻抗匹配以在相同的频带内操作。如以上所讨论的，当两个不同阵列120、140的辐射元件之间发生交叉耦合时，传送阵列120的方位辐射图案可能失真。该失真可能例如在交叉耦合相对强的频率处改变波束宽度、波束偏斜和交叉极化辐射，从而将这些特性从期望值移开。因此，可能期望减少或最小化不同阵列的相邻辐射元件之间的交叉耦合，以便改善相控阵列基站天线的辐射图案性能。
图2A是根据本发明的实施例的可以用于例如改善图1A-图1B的相控阵列天线的性能的解耦单元200的透视图。图2B是图2A的解耦单元200的前视图。如图2A和图2B所示，解耦单元200可以包括一对侧壁210、220，这一对侧壁210、220至少部分地限定在其之间的内部腔体240。解耦单元200还包括顶板230和从相应侧壁210、220向外延伸的唇缘212、222。解耦单元200具有大致倒U形的横截面，如图2B中清楚示出的那样。顶板230连接侧壁210、220的上边缘。唇缘212、222从相应侧壁210、220的下边缘向外延伸。在所描绘的实施例中，每个侧壁210、220与顶板230之间的连接形成大约九十度的角，并且唇缘212、222以大约九十度的角从相应侧壁210、220的下表面延伸。唇缘212、222可以包括孔214、224，其可以用于使用螺钉等将解耦单元200安装到相控阵列天线的面板。
解耦单元200可以由诸如金属的导电材料形成。在一些实施例中，解耦单元200可以由具有良好耐腐蚀性和导电性的轻质金属(例如，铝)形成。在所描绘的实施例中，解耦单元200可以通过从铝片冲压材料并且然后将铝形成为图2A中示出的形状而形成。在其它实施例中可以使用穿孔、格栅和/或网状材料而不是片状金属。
图3A是根据本发明的实施例的相控阵列基站天线300的前视图。相控阵列基站天线300包括图1A-图1B的相控阵列基站天线100，其具有安装在其上的三个图2的解耦单元200。图3B是图3A的相控阵列基站天线300的侧视图。图3C是沿着图3A的线3C-3C取得的图3A的相控阵列基站天线300的横截面图。图3D是图3A的相控阵列基站天线300的透视图，其具有提供相控阵列天线300的一小部分的放大图的插图。与相控阵列天线100的部件相同的相控阵列天线300的部件用图1A-图1B中所示的相同标号来标记。
如图3A-图3D所示，相控阵列基站天线300包括总共三个解耦单元200。第一解耦单元200-1定位在辐射元件122-4和142-4之间，第二解耦单元200-2定位在辐射元件122-6和142-6之间，并且第三解耦单元200-3定位在辐射元件122-8和142-8之间。在所描绘的实施例中，每个解耦单元200定位在第二阵列130的其中两个辐射元件132的馈送结构134之间。例如，解耦单元200-1可以在辐射元件132-2和132-3的馈送结构134之间，解耦单元200-2可以在辐射元件132-3和132-4的馈送结构134之间，并且解耦单元200-3可以在辐射元件132-4和132-5的馈送结构134之间。解耦单元200可以在辐射元件132的下面，如图3B和图3C以及图3D中的插图中可以看到的那样。解耦单元200中的每一个的第一侧壁210面对第一阵列120的辐射元件122中的相应一个辐射元件，并且解耦单元200中的每一个的第二侧壁220面对第三阵列140的辐射元件142中的相应一个辐射元件。
每个解耦单元200安装在接地平面114上。唇缘212、222可以直接接触接地平面114，并且可以通过孔214、224插入螺钉以将解耦单元200安装到面板110。由于解耦单元200由导电金属形成，因此每个解耦单元200被电连接到接地平面114。侧壁210、220、顶板230和接地平面114可以限定内部腔体240。内部腔体240在其每一端上是开放的。在其它实施例中，解耦单元200可以通过接触结构被电连接到接地平面114。
当信号通过其中一个阵列(例如，第一阵列120)的辐射元件122被传送时，辐射元件122中的每一个将生成电磁场。例如，聚焦在辐射元件122-4上，该电磁场可以包围第三阵列140的辐射元件142中的一个或多个(诸如辐射元件142-4)，因为典型地由辐射元件122生成的电磁场将最强烈地耦合到相邻阵列140中最接近的(一个或多个)辐射元件。
当解耦单元200-1定位在辐射元件122-4和142-4之间时，由辐射元件122-4生成的电磁场将在解耦单元200-1的导电侧壁210、220和顶板230上生成表面电流。当这些电流正在流动时，解耦单元200-1充当改变由辐射元件122-4生成的电磁场的分布的矩形空间腔体。表面电流可以围绕腔体240流动。解耦单元200-1可以被设计为使得电磁场分布的变化导致辐射元件142-4附近的电磁场强度降低，并且因此从辐射元件122-4到辐射元件142-4的交叉耦合将减小。因为耦合减小，所以辐射元件142-4对辐射元件122-4的方位图案的负面影响可以减小。
图8A-图8D进一步详细示出根据本发明的实施例的解耦单元200如何可以减少不同阵列的紧密定位的辐射元件之间的交叉耦合。具体地，图8A是包括在图3A-图3D的天线300上的解耦单元200-1之一的透视图，其示出当相邻辐射元件122-4(参见图3A)传送信号时解耦单元200-1上的表面电流分布。图8B是图8A的解耦单元200-1的透视图，其示出由感应出的表面电流产生的磁场分布。图8C和图8D是示出当解耦单元200-1被省略时(图8C)与当解耦单元200-1被提供在辐射元件122-4、142-4之间时(图8D)相比，由第一阵列120的辐射元件122-4在第二阵列140的辐射元件142-4上生成的表面电流的平面图。
如图8A所示，当图3A-图3D的相控阵列天线300的辐射元件122-4传送信号时，在解耦单元200-1上感应出在由图8A中的箭头所示的总体方向上流动的表面电流。例如，该表面电流可以起源于接地平面114(参见图3A)靠近解耦单元200-1的一侧、如图8A中的箭头所示在解耦单元200-1上流动、并且跨过内部腔体240的底侧处的接地平面114而返回。
如图8B所示，由解耦单元200-1(参见图8A)上的表面电流生成的磁场在与由辐射元件122-4生成的磁场的纵向分量的方向相反的方向上延伸。因此，由解耦单元200-1生成的磁场减小了交叉耦合到辐射元件142-4的辐射元件122-4的磁场的场强度。图8C和图8D是通过示出由于来自辐射元件122-4的交叉耦合而在辐射元件142-4上感应出的表面电流的水平来示出由在解耦单元200-1上流动的表面电流生成的磁场对从辐射元件122-4到辐射元件142-4的交叉耦合的影响的示意图。如图8C所示，当解耦单元200-1不存在时，当辐射元件122-4传送信号时，辐射元件142-4上的表面电流处于中等水平。如图8D所示，当解耦单元200-1插入在两个辐射元件之间时，可以看到表面电流水平的显著下降。为了将图8C和图8D放到上下文中，“中等”表面电流水平可以是“非常低”表面电流水平的大约五倍。因此，图8C和图8D示出解耦单元200-1可以显著减少从辐射元件122-4到辐射元件142-4的交叉耦合(并且反之当辐射元件142-4正在传送信号时也是如此)。其中发生最大解耦效果的频率由解耦单元200-1的物理尺寸来确定。
如图3C和图3D所示，解耦单元200的高度可以小于辐射元件132的高度。这允许解耦单元200-1至200-3定位在辐射元件132的下面，在相应对的辐射元件132的馈送结构134之间。如图3D中可以看到的，辐射元件132-3和132-4各自与解耦单元200-1垂直地重叠。在本文中，如果存在如下的假想线，即，该假想线垂直于相控阵列天线的平坦面板限定的平面并且与平坦面板相控阵列天线的第一元件和平坦面板天线的第二元件两者相交，那么平坦面板相控阵列天线的第一元件与平坦面板天线的第二元件“垂直地重叠”。
每个解耦单元200的高度也可以小于辐射元件122和142在平坦面板110的上(前)表面上方的高度。这可以在图3C中以图形方式看到。将解耦单元200的高度设计为小于或等于辐射元件122、142的高度可以允许解耦单元200减小交叉耦合，而不会在一些实施例中以其它方式负面地影响辐射元件122、142的方位辐射图案。
在一些实施例中，每个解耦单元200的唇缘212、222可以与和其相邻地部署的相应辐射元件122、142间隔开二毫米至十毫米之间。每个解耦单元200的侧壁210、220可以与和其相邻地部署的相应辐射元件122、142间隔开十毫米至四十毫米之间。
解耦单元200-1对辐射元件122-4和142-4之间的交叉耦合具有的解耦效果可以通过调整解耦单元200-1的长度、宽度和/或高度来微调。可以使用诸如CST Studio Suite和HFSS的仿真软件来选择优化天线性能的长度、宽度和高度的尺寸。然后可以通过测试具有不同解耦单元设计的实际天线来进一步优化性能。
虽然相控阵列天线300包括三个解耦单元200，但是将认识到的是，可以使用更多或更少的解耦单元200。例如，在另一个实施例中，可以使用多于三个解耦单元200。可以使用各种因素来选择解耦单元200被定位在阵列120、140中的哪些对水平对齐的辐射元件122、142之间，这些因素包括由辐射元件122、142传送的信号的相对振幅、辐射元件之间的天线面板上是否存在空间(例如，第二阵列130的辐射元件132可能处于将放置解耦单元的位置中)以及对于满足天线300的性能目标所必需的阵列120、140之间的耦合的减少量。在一些实施例中，解耦单元可以被放置在传送相对较高振幅信号的辐射元件之间。
图4是将图1A-图1B的相控阵列天线100(其不包括解耦单元200)的方位波束图案与图3A-图3D的相控阵列天线300(其包括解耦单元200)的方位波束图案进行比较的图。曲线310示出相控阵列天线100的方位波束图案，并且曲线320示出相控阵列天线300的方位波束图案。如图4中的曲线310所示，当解耦单元200被省略时，天线的峰值功率从视轴(零度)偏移到大约-5度，并且天线图案不太对称。此外，相控阵列天线100的半功率波束宽度仅为大约50度，而期望值为60度。作为对照，如图4中的曲线320所示，当包括解耦单元200时，天线的峰值功率与视轴相距大约-1度，天线图案具有改善的对称性，并且半功率波束宽度增加至大约55度。
图2A-图2B的解耦单元200仅仅是根据本发明的实施例的可以用于改善相控阵列天线的性能的解耦单元的一个示例。例如，图5A-图5C是根据本发明另外的实施例的可以用来代替解耦单元200的解耦单元的前视图。除了图5A-图5C中的解耦单元具有不同形状的横截面之外(但是除此之外可以具有与解耦单元200相同的长度和高度、具有相同的唇缘等)，图5A-图5C中示出的解耦单元可以与图2A-图2D中示出的解耦单元200相同。
如图5A所示，除了解耦单元400的侧壁410、420的上部弯曲到顶板430中之外，解耦单元400类似于解耦单元200。如图5B所示，在另一个实施例中，提供了具有半椭圆形横截面的解耦单元500。解耦单元500可以被视为具有弯曲的第一侧壁和第二侧壁510、520，其满足使得不需要顶板来连接侧壁510、520。如图5C所示，在又一个实施例中，提供了具有朝彼此倾斜的平面侧壁610、620的解耦单元600。在每种情况下，解耦单元400、500、600都具有相应的内部腔体440、540、640。解耦单元400、500、600的安装和操作可以与解耦单元200相同，并且因此其进一步的描述将在这里省略。在图5A-图5C中描绘的每个实施例具有可以与解耦单元200的唇缘212、222相同的相应的唇缘412、422；512、522；612、622。
图6是根据本发明还有的另外的实施例的包括调谐槽的解耦单元700的透视图。如图6所示，除了槽714、724被包括在其相应的侧壁710、720中之外，解耦单元700可以与解耦单元200几乎相同，具有可以与解耦单元200的对应元件相同的侧壁710、720、顶板730、内部腔体740和唇缘712、722。与在解耦单元200的侧壁210、220上生成的表面电流相比，槽714、724改变在解耦单元700的侧壁710、720上生成的表面电流的分布。由于解耦单元700上的表面电流改变电磁场的分布，因此可以选择槽714、724的数量和位置以进一步减小由辐射元件122中的一个在相邻辐射元件142上生成的电磁场的强度，反之亦然。槽714、724可以显著减小交叉耦合的量。
图9A是图6的解耦单元700的透视图，其示出当相邻辐射元件(未示出)传送信号时解耦单元700上的表面电流分布。如图9A中的箭头所示，在解耦单元700上感应出的表面电流以围绕槽714的环形流动(并且还以围绕槽724的环形流动，这在图9A中几乎不可见)。如通过比较图8A和图9A显而易见的，槽714、724可以显著改变表面电流的路径。电流围绕槽714、724的流动产生除了以上关于图8B描述的纵向分量之外的跨解耦单元700的附加的磁场分量。该附加的磁场分量进一步减小了由辐射元件在横向方向上(即，在图3A中从辐射元件122-4到辐射元件142-4的方向上)生成的耦合场。这进一步改善了由解耦单元700提供的解耦效果。横向磁场的幅度并且因此磁场将实现的解耦效果取决于槽714、724的尺寸。在一些实施例中，槽714、724可以具有在0.02λ和0.08λ之间的高度，其中λ是对应于其中在不存在解耦单元的情况下第一阵列和第二阵列之间的耦合达到最大值的第一频率的波长。在不存在解耦单元的情况下第一阵列和第二阵列之间的耦合达到最大值的第一频率对应于示出辐射图案中的最大扰动的频率(即，与在不存在第二阵列的情况下操作时第一阵列的辐射图案相比，当与第二阵列相邻地操作时第一阵列的辐射图案显示最大变化的频率)。在一些实施例中，槽714、724可以具有在0.2λ和0.6λ之间的长度。典型地，较大的槽将产生具有增加幅度的磁场。但是，具有增加幅度的磁场并不总是有利的，因为磁场本身可以在辐射图案中产生不希望的扰动。可以使用仿真来优化槽的尺寸以减小对辐射图案的总体影响。
图9B是具有槽714、724的解耦单元700的横截面图，其示出横向方向上的磁场分布。如图9B所示，由于解耦单元700中的槽714、724而生成的得到的场的方向与由辐射元件生成的磁场的横向分量的方向相反。因此，由槽714、724生成的场起到减小由辐射元件生成的磁场的横向分量的作用。
图7是根据本发明的又一个实施例的解耦单元800的透视图。如图7所示，除了槽834被包括在其顶板830中之外，解耦单元800可以与解耦单元200相同。与包括在解耦单元700的相应侧壁710、720中的槽714、724类似，与在解耦单元200上生成的表面电流相比，槽834改变在解耦单元800上生成的表面电流的分布。可以选择(一个或多个)槽834的数量、形状、大小和位置以进一步减小由辐射元件122中的一个在相邻辐射元件142上生成的电磁场的强度(反之亦然)，以便减小它们之间的交叉耦合。
再次参考图3A-图3D，可以看出，辐射元件132被插入在辐射元件122和辐射元件142之间，并且因此辐射元件132比辐射元件142更靠近每个辐射元件122。因此，可以预期辐射元件132将比辐射元件142对辐射元件122的方位辐射图案具有更强的影响。但是，辐射元件132被设计为在不同的频带中操作，并且因此辐射元件122和132之间的交叉耦合趋势可以被减小。
如以上所讨论的，根据本发明的实施例的在解耦单元上生成的表面电流可以围绕其腔体(例如，图2A-图2B的解耦单元200的腔体240)流动，并且这些电流以减少不同阵列的紧密定位的辐射元件之间的交叉耦合的方式改变由与其相邻的辐射元件(例如，对于图3A-图3D的解耦单元200-1是辐射元件122-4和142-4)生成的电磁场的分布。在包括在图3A-图3D的相控阵列天线300中的解耦单元200中，腔体的三个侧面由解耦单元200的侧壁210、220和顶板230形成，并且腔体240的第四侧面由导电接地平面114形成。在其它实施例中，解耦单元可以形成其内部腔体的所有侧面。例如，在另一个设计中，解耦单元200可以被修改为包括在侧壁210、220的下边缘之间延伸的基板，使得解耦单元的壁形成其内部腔体的所有四个侧面。
根据本发明的实施例的解耦单元可以通过将由辐射元件生成的电磁场的一部分朝解耦单元而不是朝另一个阵列的辐射元件转移来工作。解耦单元可以被设计为使得它与相邻阵列的在附近的辐射元件相比对方位辐射图案的影响较小。
如上所述，根据本发明的实施例的解耦单元的长度、宽度和高度可以变化以增强其性能。在一些实施例中，解耦单元的宽度可以第一频率处的波长的0.2倍和0.35倍之间，解耦单元的高度可以在第一频率处的波长的0.1倍和0.35倍之间，并且解耦单元的长度可以在第一频率处的波长的0.45倍和0.65倍之间，其中，在没有解耦单元的情况下第一阵列和第二阵列之间的耦合在所述第一频率处达到最大值。
根据本发明的实施例的解耦单元可以在减少在相同频带中操作的两个紧密间隔开的线性相控阵列的辐射元件之间的交叉耦合方面非常有效。但是，将认识到的是，耦合也可能发生在以不同频带操作的两个不同阵列的紧密间隔的辐射元件之间。例如，图1A-图1B的相控阵列天线包括定位在第一阵列和第三阵列120、140之间的第二阵列130。在所描绘的实施例中，第一阵列和第三阵列120、140被设计为在1695-2690MHz频率范围中操作，而第二阵列130被设计为在694-960MHz频率范围中操作。虽然由于不同的操作频率范围导致阵列120和130的辐射元件122、132将倾向于比阵列120和140的辐射元件122、142较少地交叉耦合，但是与阵列120的辐射元件122到阵列140的辐射元件142相比，阵列120的辐射元件122更靠近阵列130的辐射元件132。较小的间隔倾向于增加交叉耦合的量。在另外的实施例中，解耦结构可以放置在辐射元件122和132之间和/或辐射元件132和142之间。
将认识到的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本文公开的相控阵列天线和解耦单元进行许多变化。例如，相控阵列天线300在每个高频带阵列中包括十一个辐射元件，但是仅包括三个解耦单元。将认识到的是，在其它实施例中，可以提供更多或更少的解耦单元。在一些替代实施例中，可以提供总共十一个解耦单元，其中每个解耦单元定位在由两个高频带阵列形成的11x2阵列的一行中的两个辐射元件之间。还将认识到的是，解耦单元可以做的更长，使得它们可以插入在上述11x2阵列的多个行中的辐射元件之间。作为一个简单的示例，可以在阵列120和140之间提供单个解耦单元，其具有与插入在两个阵列120、140之间的阵列120、140的长度大约相同的长度。这样的解耦单元将需要包括低频带阵列130的辐射元件132延伸穿过的开口，或者被用在不包括低频带阵列130的相控阵列天线上。
以上已经参考其中示出了本发明的某些实施例的附图描述了本发明。但是，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开将变得透彻和完整，并且将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。在本文中，在本发明的描述中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如在本发明的描述和所附权利要求中所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。还将理解的是，当元件(例如，设备、电路等)被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件或者可能存在中间元件。作为对照，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型实施例，并且虽然采用了特定的术语，但是它们仅用于一般和描述性的意义而不是为了限制的目的，本发明的范围在以下权利要求中阐述。

Claims (28)

1.一种基站天线，包括：
面板，包括接地平面；
至少第一阵列和第二阵列，第一阵列包括安装在所述面板上的第一多个线性布置的辐射元件，并且第二阵列包括安装在所述面板上的第二多个线性布置的辐射元件；以及
解耦单元，定位在第一阵列的第一辐射元件和第二阵列的第一辐射元件之间，
其中所述解耦单元至少包括面对第一阵列的第一辐射元件的第一侧壁、面对第二阵列的第一辐射元件的第二侧壁和被限定在侧壁之间的区域中的内部腔体，并且
其中第一侧壁和第二侧壁各自都是导电的并且电连接到所述接地平面。
2.如权利要求1所述的基站天线，其中第一阵列被配置为在第一频率范围中操作，并且第二阵列被配置为在所述第一频率范围中操作。
3.如权利要求1所述的基站天线，还包括第三阵列，第三阵列包括第三多个辐射元件，第三阵列定位在第一阵列和第二阵列之间并且被配置为在与第一频率范围不同的第二频率范围中操作。
4.如权利要求3所述的基站天线，其中所述解耦单元沿着第一方向在第一阵列的第一辐射元件和第二阵列的第一辐射元件之间，并且沿着与第一方向基本上垂直的第二方向在第三阵列的第一辐射元件和第三阵列的第二辐射元件之间。
5.如权利要求4所述的基站天线，其中第三阵列的第一辐射元件和第二辐射元件中的至少一个与所述解耦单元垂直地重叠。
6.如权利要求1-3中任一项所述的基站天线，其中所述解耦单元具有大致U形的横截面。
7.如权利要求1-3中任一项所述的基站天线，其中第一侧壁具有从第一侧壁的下边缘向外延伸的唇缘。
8.如权利要求7所述的基站天线，其中所述唇缘包括安装孔。
9.如权利要求1-3中任一项所述的基站天线，其中第一侧壁包括槽形开口。
10.如权利要求1-3中任一项所述的基站天线，其中所述解耦单元包括整体金属结构。
11.如权利要求1-3中任一项所述的基站天线，其中第一侧壁和第二侧壁中的每一个包括至少一个相应的槽。
12.如权利要求1-3中任一项所述的基站天线，其中所述解耦单元还包括将第一侧壁的上边缘连接到第二侧壁的上边缘的顶板。
13.如权利要求12所述的基站天线，其中所述顶板包括至少一个槽。
14.如权利要求4所述的基站天线，其中所述解耦单元在第一方向上具有第一频率范围中的第一频率的波长的0.2倍和0.35倍之间的宽度、在第二方向上具有在所述第一频率的波长的0.45倍和0.65倍之间的长度、以及在垂直于第一方向和第二方向两者的第三方向上具有在所述第一频率的波长的0.1倍和0.35倍之间的高度，其中在没有解耦单元的情况下第一阵列和第二阵列之间的耦合在所述第一频率处达到最大值。
15.如权利要求1至3中任一项所述的基站天线，其中所述解耦单元在所述接地平面上方的高度小于第一阵列的第一辐射元件在所述接地平面上方的高度以及第二阵列的第一辐射元件在所述接地平面上方的高度。
16.如权利要求3-5中任一项所述的基站天线，其中所述解耦单元在第三阵列的第一辐射元件和第二辐射元件两者的下面。
17.如权利要求11所述的基站天线，其中每个槽在与由所述接地平面限定的平面垂直的方向上的高度在0.02λ和0.08λ之间，其中λ是对应于第一频率范围中的第一频率的波长，其中，在不存在所述解耦单元的情况下第一阵列和第二阵列之间的耦合在所述第一频率处达到最大值。
18.如权利要求17所述的基站天线，其中每个槽在与由所述接地平面限定的平面平行的方向上的长度在0.2λ和0.6λ之间。
19.如权利要求1至3中任一项所述的基站天线，其中所述解耦单元还定位在第一阵列的第二辐射元件和第二阵列的第二辐射元件之间。
20.如权利要求19所述的基站天线，其中所述解耦单元在与由第一阵列限定的纵向轴线平行的方向上的长度近似等于第一阵列的长度。
21.如权利要求3所述的基站天线，其中第三阵列的第一辐射元件延伸穿过所述解耦单元中的开口。
22.一种解耦单元，被配置为减少相控阵天线的第一线性阵列的第一辐射元件和该相控阵天线的第二线性阵列的第二辐射元件之间的交叉耦合，所述解耦单元包括：
第一侧壁；
与第一侧壁相对的第二侧壁；
将第一侧壁的上边缘连接到第二侧壁的上边缘的顶板；
至少由第一侧壁、第二侧壁和顶板限定的内部腔体；
其中所述顶板在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的第一方向上具有在第一辐射元件的操作频率范围中的第一频率的波长的0.2倍和0.35倍之间的宽度，所述顶板具有在所述第一频率的波长的0.45倍和0.65倍之间的长度，并且第一侧壁和第二侧壁具有在所述第一频率的波长的0.1倍和0.35倍之间的高度，其中，在没有所述解耦单元的情况下第一线性阵列和第二线性阵列之间的耦合在所述第一频率处达到最大值。
23.如权利要求22所述的解耦单元，其中所述解耦单元具有大致U形的横截面。
24.如权利要求22所述的解耦单元，其中第一侧壁具有从第一侧壁的下边缘向外延伸的第一唇缘，并且第二侧壁具有从第二侧壁的下边缘向外延伸的第二唇缘。
25.如权利要求22至24中任一项所述的解耦单元，其中第一侧壁包括槽形开口。
26.如权利要求22至24中任一项所述的解耦单元，其中所述顶板包括至少一个槽。
27.如权利要求22-24所述的解耦单元，其中所述解耦单元在接地平面上方的高度小于第一辐射元件在所述接地平面上方的高度和第二辐射元件在所述接地平面上方的高度。
28.如权利要求22-24所述的解耦单元，其中第一侧壁具有从第一侧壁的下边缘向外延伸的唇缘。
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