CN109863645B

CN109863645B - 超宽带宽低频带辐射元件

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Publication number: CN109863645B
Application number: CN201880003998.7A
Authority: CN
Inventors: K·S·H·卡萨尼; V·斯里尼瓦桑
Original assignee: Commscope Technologies LLC
Current assignee: Commscope Technologies LLC
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: US20230114554A1; CN109863645A; WO2019010051A1; US20200006861A1; US11522298B2

Abstract

偶极子天线包括反射器、辐射元件和馈电元件。辐射元件包括在反射器表面上方的第一偶极子和第二偶极子。第一偶极子和第二偶极子分别包括臂段并且以交叉偶极子布置进行布置。馈电元件包括相互电隔离并分别电容耦合到第一偶极子和第二偶极子的臂段的第一传导传输线和第二传导传输线。第一偶极子和第二偶极子的臂段位于馈电元件与反射器的表面之间。

Description

超宽带宽低频带辐射元件

优先权要求

本申请依据35U.S.C.§119要求于2017年7月7日向美国专利商标局提交的标题为“ULTRA-WIDE BANDWIDTH LOW-BAND RADIATING ELEMENTS”的美国专利申请No.62/529，578的优先权，其全部内容通过引用并入本文，如同其被完整阐述了一样。

技术领域

本公开一般而言涉及通信系统，并且更具体地，涉及通信系统中使用的阵列天线。

背景技术

用于无线语音和/或数据通信的天线通常包括由一个或多个馈电网络连接的辐射元件的阵列。多频带天线可以包括具有不同操作频率的多个辐射元件的阵列。例如，用于GSM服务的公共频带包括GSM900和GSM1800。多频带天线中频率的低频带可以包括在880-960MHz处操作的GSM900频带。低频带还可以包括在790-862MHz处操作的数字红利频谱(Digital Dividend spectrum)。另外，低频带还可以在694-793MHz处覆盖700MHz频谱。多频带天线的高频带可以包括在频率范围1710-1880MHz中操作的GSM1800频带。高频带还可以包括例如在1920-2170MHz处操作UMTS频带。被包括在高频带中的附加频带可以包括在2.5-2.7GHz处操作的LTE2.6和在3.4-3.8GHz处操作的WiMax。

为了射频(RF)信号的高效发送和接收，辐射元件的尺寸(dimension)通常与意图的操作频带的波长匹配。偶极子天线可以用作辐射元件，并且可以被设计为使得其第一谐振频率处于期望的频带中。为了实现这一点，每个偶极子臂可以是大约四分之一波长，并且两个偶极子臂一起可以是期望频带的中心频率的波长的大约一半。这些被称为“半波”偶极子，并且可以具有相对低的阻抗。

已经开发了双频带天线，其包括具有特定于两个频带中的每一个的尺寸的不同辐射元件，例如，相应的辐射元件的尺寸适于在698-960MHz的低频带和1710-2700MHz的高频带上操作。参见例如美国专利No.6,295,028、美国专利No.6,333,720、美国专利No.7,238,101和美国专利No.7,405,710，这些专利的公开内容通过引用并入本文。因为GSM 900频带(例如，880-960MHz)的波长比GSM 1800频带(例如，1710-1880MHz)的波长更长，所以针对一个频带设计尺寸(dimensioned)或以其它方式设计的辐射元件通常不用于另一个频带。

多频带天线可以涉及实现上的困难，例如，由于用于不同频带的辐射元件之间的干扰。特别地，用于较低频带的辐射图案可以由于在被设计为在较高频带(通常在频率上高2至3倍)处辐射的辐射元件中产生的谐振而失真。例如，GSM1800频带大致是GSM900频带的两倍。因此，引入具有与天线中的现有辐射元件不同的操作频率范围的附加辐射元件会造成现有辐射元件的失真。

这种失真的示例包括共模谐振和差模谐振。当整个较高频带辐射结构谐振(就好像它是四分之一波单极子一样)时，共模(CM)谐振会发生。波长与频率成反比。辐射元件的杆或垂直结构常常在较高频带频率处是四分之一波长，并且偶极子臂在较高频带频率处常常也是四分之一波长。在较高频带的频率约为较低频带的频率的两倍的情况下，总的高频带结构在较低频带频率处可以粗略地为四分之一波长。当偶极子结构的每一半或正交极化的较高频率辐射元件的两半相互谐振时，会发生差模谐振。

发明内容

根据本公开的一些实施例，偶极子天线包括反射器、辐射元件和辐射元件上与反射器相对的馈电元件。辐射元件包括在反射器的表面上方的第一和第二偶极子。第一和第二偶极子分别包括臂段并且以交叉偶极子布置进行布置。馈电元件包括第一和第二传导传输线，它们相互电隔离并分别电容耦合到第一和第二偶极子的臂段。第一和第二偶极子的臂段位于馈电元件和反射器的表面之间。

在一些实施例中，馈电元件可以沿着臂段的与反射器的表面相对的表面横向延伸，并且可以包括在第一和第二传导传输线与臂段的表面之间的介电层。

在一些实施例中，馈电元件可以是印刷电路板，其上包括第一和第二传导传输线。

在一些实施例中，臂段的表面可以是基本平面的。

在一些实施例中，第一偶极子的臂段可以通过其间的相应耦合区域电容耦合到第二偶极子的臂段。

在一些实施例中，第一和第二偶极子的臂段还可以包括在其表面的边缘处朝着反射器延伸的部分，并且相应的耦合区域可以由臂段的所述部分定义。

在一些实施例中，第一和第二偶极子的臂段可以是片状金属，臂段的表面可以在平面图中共同定义矩形形状，并且其表面边缘处的部分可以包括片状金属的弯曲部分。

在一些实施例中，第一传导传输线沿着第一偶极子的一个臂段的表面比沿着第一偶极子的另一个臂段的表面延伸得更远，并且其中第二传导传输线沿着第二偶极子的一个臂段的表面比沿着第二偶极子的另一个臂段的表面延伸得更远。

在一些实施例中，第一和第二传导传输线可以分别沿着第一和第二偶极子的所述一个臂段的表面延伸基本相等的距离。

在一些实施例中，第一和第二传导传输线可以沿着馈电元件的表面在基本垂直的方向上延伸。

在一些实施例中，第一和第二传导传输线中的一个可以包括在印刷电路板的不同层上的部分，这些部分通过电镀通孔(through-hole)通路电连接。

在一些实施例中，第一和第二同轴馈电线缆可以分别包括从反射器的表面延伸到馈电元件的内导体和外导体。第一和第二同轴馈电线缆的内导体可以分别电连接到第一和第二传导传输线，并且第一和第二同轴馈电线缆的外导体可以电接地。

在一些实施例中，第一偶极子的臂段之一和第二偶极子的臂段之一可以包括其中的相应开口，开口的尺寸设计为分别允许第一和第二同轴馈电线缆的内导体延伸穿过其中。

在一些实施例中，馈电元件可以包括传导接地平面，并且第一和第二同轴馈电线缆的外导体可以电接地到馈电元件的传导接地平面。

在一些实施例中，馈电元件的不沿着臂段的表面延伸的部分可以没有传导接地平面。

在一些实施例中，第一和第二同轴馈电线缆的外导体可以分别电接地到第一和第二偶极子的臂段。

在一些实施例中，至少一个馈送杆可以从反射器朝着第一和第二偶极子延伸。第一和第二同轴馈电线缆可以沿着至少一个馈电杆延伸超过第一和第二偶极子。

在一些实施例中，第一和第二传导传输线可以分别定义线性形状，或非线性形状(诸如钩形)，和/或不同宽度的部分。

在一些实施例中，第一传导传输线可以连接到偶极子天线的第一天线端口，第二传导传输线可以连接到偶极子天线的第二天线端口。

根据本公开的一些实施例，偶极子天线包括反射器、辐射元件和馈电元件。辐射元件包括在反射器表面上方的第一和第二偶极子。第一和第二偶极子以交叉偶极子布置进行布置，并且分别包括具有基本平坦表面的臂段，所述臂段在平面图中共同定义矩形形状。第一偶极子的臂段通过它们之间的相应耦合区域电容耦合到第二偶极子的臂段。馈电元件包括第一和第二传导传输线，它们相互电隔离并分别电容耦合到第一和第二偶极子的臂段。馈电元件在臂段的与反射器表面相对的基本平坦的表面上方并沿着臂段的基本平坦的表面横向延伸，并且包括介于第一和第二传导传输线与臂段的所述表面之间的介电层。

在一些实施例中，馈电元件可以是印刷电路板，第一和第二偶极子的臂段可以是片状金属，并且相应的耦合区域可以是臂段的在其基本平坦的表面的边缘处的部分，所述部分弯曲以朝着反射器延伸。

通过阅读附图和随后的实施例的详细描述，本领域普通技术人员将理解本公开的其它特征、优点和细节，包括上述实施例的任何和所有组合，这样的描述仅仅是对本公开的说明。

附图说明

图1是根据本公开一些实施例的、包括宽带低频带辐射元件的偶极子天线的透视图。

图2A是图示根据本公开一些实施例的图1的偶极子天线的平面图，图3A是图示根据本公开一些实施例的图1的偶极子天线的侧视图。

图2B是图示根据本公开又一些实施例的偶极子天线的平面图，图3B是图示根据本公开又一些实施例的偶极子天线的侧视图。

图4A是图示根据本公开一些实施例的图1的偶极子天线的辐射元件的以交叉偶极子布置的第一和第二偶极子的平面图。

图4B是图示根据本公开一些实施例的图4A的偶极子之一的臂段的放大透视图。

图4C是图示根据本公开一些实施例的图4A的偶极子的侧视图。

图5A是图示根据本公开一些实施例的图1的偶极子天线的馈电元件的平面图。

图5B是图示根据本公开一些实施例的图5A的一层馈电元件的平面图。

图6A是图示根据本公开一些实施例的图1的偶极子天线的馈电元件的透视图。

图6B是图示根据本公开一些实施例的图6A的馈电元件的一部分的放大透视图。

图7是图示根据本公开一些实施例的、包括宽带低频带辐射元件的偶极子天线的回波损耗的曲线图。

图8是图示根据本公开一些实施例的、包括宽带低频带辐射元件的偶极子天线的馈电端口1和端口2之间的隔离的曲线图。

图9和图10是图示根据本公开一些实施例的、包括宽带低频带辐射元件的偶极子天线的方位角波束宽度图案的曲线图。

图11是图示根据本公开一些实施例的偶极子天线的宽带低频带辐射元件响应于馈电端口1的激励的表面电流分布的透视图。

图12是图示根据本公开一些实施例的偶极子天线的宽带低频带辐射元件响应于馈电端口2的激励的表面电流分布的透视图。

具体实施方式

本文描述的实施例一般而言涉及用在单频带或宽带/多频带蜂窝基站天线(BSA)中的辐射元件(本文也称为“辐射器”)以及包括这种辐射元件的单频带或多频带蜂窝基站天线。多频带天线可以使蜂窝系统的运营商(“无线运营商”)能够使用覆盖多个频带的单一类型的天线，而先前需要多个天线。这种天线能够在几乎所有分配的蜂窝频带中支持若干种主要的空中接口标准，并允许无线运营商减少其网络中的天线数量、降低塔架租赁成本、安装成本以及减少塔架上的负载。

如下文所使用的，“低频带”可以指用于本文所描述的辐射元件的较低操作频带(例如，694-960MHz)，“高频带”可以指用于本文所述的辐射元件的较高操作频带(例如，1695-2690MHz)，并且“宽带低频带”可以指更宽的工作频带，其可以与本文所述的辐射元件的低频带部分或完全重叠(例如，554-960MHz)。“低频带辐射元件”可以指用于这种较低频带的辐射元件，“高频带辐射元件”可以指用于这种较高频带的辐射元件，以及“宽带低频带辐射元件”可以指用于这种更宽的低频带的辐射元件(并且在本文中也可以称为“超宽带宽低频带辐射元件”)。如本文使用的，“双频带”或“多频带”可以指包括低频带和高频带辐射元件两者的阵列。感兴趣的特点可以包括波束宽度和波形以及回波损耗。如本文所述的“传导”是指导电性。

双频带或多频带天线的设计中的挑战是减小或最小化在一个频带处的通过一个或多个其它频带的辐射元件的信号散射的影响。这种散射会影响方位角和仰角切割中高频波束的形状，并且可能随频率而变化很大。在方位角中，通常波束宽度、波束形状、指向角增益和前后比(FBR)都会受到影响并且可能随频率而变化，常常是以不期望的方式。由于由低频带辐射元件引入的阵列的周期性，可能在与周期性对应的角度将栅瓣(有时称为量化波瓣)引入仰角图案。这也会随频率而变化，并可能降低增益。在窄频带辐射元件中，可以以各种方式在一定程度上补偿这种散射的影响，诸如通过在相反方向上偏移高频带辐射元件或者将导向器添加到高频带辐射元件来调节波束宽度。在要求宽带覆盖的情况下，校正这些影响会特别困难。

本文描述的一些实施例可以更具体地涉及具有用于蜂窝基站使用的散布的(interspersed)辐射元件的天线。在散布的设计中，低频带和/或宽带低频带辐射元件可以被布置或定位在适合于频率的等间隔网格上。低频带和/或宽带低频带辐射元件可以以整数个高频带辐射元件间隔(通常是两个这样的间隔)的间隔放置，并且低频带和/或宽带低频带辐射元件可以占据高频带辐射元件之间的间隙。低频带、宽带低频带和/或高频带辐射元件可以是双极化的(例如，垂直和水平极化)，或者双斜极化的(例如，具有+/-45度倾斜极化)。例如，可以使用两个极化通过极化分集接收来克服多径衰落。包括交叉偶极子天线元件的一些常规BSA的示例在美国专利No.7,053,852中有所描述。

在一些常规的多频带天线中，不同频带元件的辐射元件被组合在单个面板上。参见例如美国专利No.7,283,101，图12；美国专利No.7,405,710，图1、图7。在这些双频带天线中，辐射元件通常沿着单个垂直定向的轴线对齐。这可以用于在从单频带变为双频带天线时减小天线的宽度。低频带元件通常是最大的元件，并且通常要求面板天线上的最大物理空间。辐射元件可以进一步间隔开以减少耦合，但是这增加天线的尺寸并且会产生栅瓣。面板天线尺寸的增加可能具有不期望的缺点。例如，较宽的天线可能不适合现有位置，或者塔架可能未设计成适应较宽天线的额外风载荷。而且，分区法规可以防止在一些地区使用较大的天线。

本文描述的一些实施例针对超宽带宽(554-960MHz)低频带辐射元件，其可以提供宽带性能，同时降低成本和/或复杂性。特别地，这种宽带低频带辐射元件可以由混合馈电机制激励，该混合馈电机制包括被配置为提供554-960MHz的性能的两条传输线的组合。混合馈电机制可以由非接触电抗耦合馈电元件实现，该非接触电抗耦合馈电元件可以避免直接金属与金属的接触以提供改善的无源互调失真(PIMD)值。在一些实施例中，偶极子臂段可以通过平面金属层(例如，使用矩形片状金属)来实现，以提供低成本的解决方案。根据本公开一些实施例的宽带低频带辐射元件还可以提供具有相对较小量的后向发射和交叉极化发射的稳定辐射图案。

如本文所述的宽带低频带辐射元件和/或配置可以在多频带天线中结合诸如以下专利申请中描述的天线和/或特征来实现：于2015年4月10日提交的共同转让的美国专利申请序列No.14/683,424，于2014年5月16日提交的美国专利申请序列No.14/358,763和/或于2013年3月14日提交的美国专利申请序列No.13/827,190，这些申请的公开内容通过引用并入本文。在一些实施例中，可以减小或最小化宽带低频带辐射元件对高频带辐射元件的辐射图案的影响，反之亦然。例如，如本文所述的一些宽带低频带辐射元件(例如，在大约554MHz至大约960MHz的频率范围内操作)可以包括或耦合到在高频带的频率处或附近谐振的一个或多个RF扼流圈，以便提供关于高频带辐射(例如，具有大约1695MHz至大约2690MHz的频率范围的辐射)的遮蔽(cloaking)。这种布置可以减少或最小化双极化、双频带蜂窝基站天线中的宽带低频带和高频带辐射元件之间的相互作用。

图1是根据本公开一些实施例的、包括宽带低频带辐射元件的偶极子天线的透视图。参考图1，双极化偶极子天线100包括安装在基座2上或在基座2前面的宽带低频带辐射元件10。基座2为宽带低频带辐射元件10提供支撑。基座2还为宽带低频带辐射元件10提供电接地平面和后反射器。基座2还可以包括馈电网络(未示出)。

宽带低频带辐射元件10包括按交叉偶极子布置的第一偶极子3和第二偶极子4。第一偶极子3包括臂段3a、3b，第二偶极子4包括臂段4a、4b。在图1的示例中，臂段3a、3b、4a和4b中的每一个由平面金属层实现，被示为矩形片状金属层。馈电元件15包括耦合到第一偶极子3的相对的臂段3a、3b的传导传输线13，并且包括耦合到第二偶极子4的相对的臂段4a、4b的传导传输线14。在一些实施例中，馈电元件15可以由印刷电路板(PCB)结构实现，其中传输线13、14由PCB的一个或多个层中或上的传导迹线实现。偶极子3、4在天线100的中心相交，从而定义交叉偶极子配置。虽然图1中示出了偶极子3、4的具体配置，但是将理解的是，可以实现其它偶极子配置；例如，偶极子3、4可以被实现为以交叉偶极子布置的蝴蝶结偶极子或其它宽带偶极子。

图2A是图示图1的偶极子天线100的平面图，图3A是图示图1的偶极子天线100的侧视图，其中基座2(宽带低频带辐射元件10安装在其上)是基本上平面的构件。图2B是图示根据本公开又一些实施例的偶极子天线100'的平面图，图3B是偶极子天线100'的侧视图，其中基座2'在其中具有定义宽带低频带辐射元件10安装在其上的传导阱或凹陷2r的阶梯表面或开口。

如图2A和图2B中所示，宽带低频带辐射元件10包括两个半波(λ/2)偶极子3、4，它们以交叉偶极子布置进行布置并被配置为辐射正交极化。偶极子3、4的臂段3a、3b、4a、4b定义四个象限，其中第一偶极子臂段3a、3b相互相对，并且第二偶极子臂段4a、4b相互相对。如本文中更详细描述的，臂段3a、3b、4a和4b中的每一个具有大致四分之一波长(λ/4)的长度，其中由馈电元件15的传导传输线13和14提供的电容地耦合馈电被定位于偶极子3、4上方。

在本文所述的示例中，交叉偶极子3、4以45度倾斜，以使得辐射倾斜极化(相对于垂直或纵向天线轴线111在-45度和+45度倾斜的线性极化)。特别地，第一偶极子3与天线轴线111成-45°角度定向，第二偶极子4与天线轴线111成+45°角度定向。如本文所述，宽带低频带辐射元件10的第一偶极子3和第二偶极子4可以由相应的同轴馈电线缆24x、24y和混合馈电元件15进行馈电。在一些实施例中，附加辐射元件(诸如多频带天线中的高频带辐射元件)可以位于基座2/2'上的清空或无阻挡区域上。

如图3A中所示，多个支腿9(示为塑料支撑件)和支撑结构16分别在基座2和2'上方悬挂或支撑宽带低频带辐射元件10。因此，偶极子3、4的臂段3a、3b和4a、4b位于由基座2/2'提供的反射器表面和馈电元件15之间。例如，在一些实施例中，每个支腿9可以从由基座2/2'定义的反射器延伸，以支撑臂段3a、3b、4a、4b中的一个或多个。在一些实施例中，支腿9可以由印刷电路板(PCB)结构实现。支腿9中的一个或多个可以是馈电杆，其中传导馈电线可以沿着馈电杆延伸。传导馈电线可以是在基座2/2'上的馈电网络和宽带低频带辐射元件10之间携带RF信号的传输线。

在一些实施例中，馈电线可以由相应的同轴馈电线缆24x、24y提供，其中同轴馈电线缆24x、24y沿着由支腿9定义的馈电杆从基座2/2'的表面延伸超过第一和第二偶极子3、4并朝向馈电元件15。在一些实施例中，偶极子3和4的臂段3a和4a包括开口22和21，馈电元件15上的传导传输线13和14可以通过开口22和21连接到同轴馈电线缆24x、24y的相应内导体。因此，每个偶极子3、4被提供为中心馈电布置。支腿9还可以包括连接到由同轴馈电线缆24x、24y提供的馈电线的相应的平衡-不平衡转换器(balun)。

两个偶极子3、4可以通过馈电元件15的传导传输线13、14被接近馈电，以同时在两个极化平面中电辐射。宽带低频带辐射元件10被配置为在554-960MHz的宽低频带频率范围内操作，但是如本文所述的布置可以用于在其它频率范围中操作。接近馈电布置(其中传导传输线13、14与偶极子3、4间隔开，使得它们与偶极子3、4场耦合)可以导致比常规的直接馈电天线(其中偶极子通过焊点物理连接到馈电探头)更宽的操作带宽。而且，与常规的直接馈电天线相比，由接近馈电布置产生的焊点的缺少可以导致较小的无源互调失真的风险和较低的制造成本。将平衡-不平衡转换器放置在偶极子3、4的相对侧上也可以改善两个极化之间的隔离。

如上所述，在图2B和图3B的实施例中，基座2'包括阶梯表面2r，该阶梯表面2r定义围绕宽带低频带辐射元件10的结构的阱或“护城河”，例如也在美国专利申请序列No.14/479,102中作为示例所描述的，该申请的公开内容通过引用并入本文。阱或凹陷表面2r允许馈电杆9将偶极子3、4的臂悬挂在凹陷2r的表面上方期望的距离或高度处。偶极子的臂3a、3b、4a和4b与由凹陷表面2r提供的反射器之间的距离可以有助于辐射图案整形，并且当用在多频带天线阵列中时可以帮助避免与其它频带的干扰。在一些实施例中，同轴馈电线缆24x、24y可以沿着馈电杆9延伸，以将偶极子3、4悬挂在凹陷表面2r上方大致四分之一波长(在图3B中以示例的方式示为75毫米)处。由此，基座2'的凹陷表面2r可以允许减小天线100'的总高度(并且因此减小容纳天线100'的外壳50的高度)，同时实现期望的辐射图案和/或避免干扰。

同轴馈电线缆24x、24y还包括电接地的相应外导体。在一些实施例中，同轴馈电线缆24x、24y的外导体例如可以接地到每个偶极子3、4的臂段之一，其中臂段3a、4a由片状金属部分实现。在其它实施例中，同轴馈电线缆24x、24y的外导体可以接地到馈电元件15的传导接地平面的部分，如下面参考图5A和图5B的实施例更详细描述的。在一些实施例中，同轴馈电线缆24x、24y的外导体中的间隙(沿着馈电杆9延伸的大致四分之一波长区段附近)可以用作同轴扼流圈。

图4A是图示辐射元件10的第一偶极子3和第二偶极子4的交叉偶极子布置的平面图。如图4A中所示，偶极子3、4的臂段3a、3b、4a和4b由定义四个象限的平面金属段实现。偶极子3、4使用被设计为臂段3a、3b、4a和4b的相对低成本的矩形片状金属来实现。臂段3a和4a包括开口22和21，馈电元件15上的传导传输线13和14可以通过开口22和21连接到在馈电网络和辐射元件10之间携带RF信号的传导馈电线24x和24y。

臂段3a、3b、4a、4b的形状和/或几何形状被配置为提供更宽的操作带宽。特别地，图4B是偶极子3的臂段3b的放大透视图，而图4C是偶极子3和4的臂段3b和4a的侧视图。如图4B和图4C中所示，臂段3b和4a包括朝着基座或反射器2/2'(未示出)的表面延伸的部分3c和4c。在图4A至图4C中所示的片状金属实施中，臂段3a、3b、4a、4b中的每一个包括在其边缘处弯曲的部分3c或4c，以定义朝着基座或反射器2/2’延伸的“折叠壁”。当以图4A中所示的交叉偶极子布置被布置时，弯曲或折叠的壁部分3c、4c在相邻的臂段3a、3b、4a、4b之间定义相应的平板电容器。更特别地，偶极子3的臂段3a和3b中的每一个通过由其相邻部分3c和4c定义的相应耦合区域C电容地耦合到偶极子4的每个臂段4a和4b。即，臂段3a、3b、4a、4b的相邻部分3c、4c在不同或相反极化的偶极子3、4之间提供耦合区域C，这可以帮助实现期望的更宽的操作带宽(例如，554-960MHz)。在一些实施例中，可以相对于平面部分3a、3b、4a、4b增加朝着基座/反射器的表面弯曲或以其它方式延伸的部分3c、4c的长度，这可以减小偶极子3、4的整体尺寸，同时保持宽带低频带性能。

图5A、图5B、图6A和图6B更详细地图示了馈电元件15。特别地，图5A是馈电元件15的平面图，图5B是图示馈电元件15的子层的平面图，图6A是图示馈电元件15的透视图，并且图6B是图示馈电元件15的、传导迹线13和14在其中相交的一部分I的放大透视图。

如图5A、图5B、图6A和图6B中所示，馈电元件15被实现为印刷电路板(PCB)，其包括定义传输线13和14的电隔离的传导迹线。馈电元件15沿着偶极子臂段3a、4a、3b和4b与安装有辐射元件10的基座/反射器2/2'的表面相对的表面横向延伸。在臂段3a、4a、3b、4b由平面金属层实现的实施例中，馈送元件15可以与臂段3a、4a、3b、4b的表面平行地横向延伸。传导传输线13和14因此在臂段3a/3b和4a/4b上方延伸，并且形成馈电元件15的PCB的介电层提供在传导传输线13和14之间延伸并将传导传输线13和14从臂段3a/3b和4a/4b分隔开的介电层。传导传输线13和14连接到相应的馈电线，例如由同轴馈电线缆24x、24y的相应内导体提供的，该馈电线可以在部分13a和14a处通过臂段3a和4a中的开口22和21分别电连接到传导传输线13和14。传导传输线13和14可以提供相应的天线端口，以用于连接到基座2/2'上的馈电网络。例如，传导传输线14可以连接到馈电网络的天线端口1，而传导传输线13可以连接到馈电网络的天线端口2。馈电元件15由此提供非接触电容耦合馈电以激励辐射元件10。在一些实施例中，这种非接触馈电机制可以允许更宽的操作带宽。

在图5A、图5B、图6A和图6B的示例中，传导传输线13和14使用电镀通孔(platedthrough hole)PTH相互电隔离，以用于PCB馈电元件15的不同层上线13、14的部分之间的连接。特别地，如图6B中更详细示出的，传导传输线14可以包括在PCB馈电元件结构15的一个水平或层上的部分或段14a，以及在PCB馈电元件结构15的另外层上的部分或段14b。电镀通孔PTH将PCB 15的不同层上的部分或段14a和14b进行电连接。传导传输线14的这种实现可以允许传导传输线13在其上相交或交叉，同时维持传输线13和14之间的电隔离。

与每个偶极子3、4的其它臂段3b、4b相比，例如，传导传输线13、14可以沿着臂段3a、4a中的一个不对称地延伸(或“重叠”)，以提供阻抗匹配。特别地，如本文所述的示例中所示，与偶极子臂段3a相比，传导传输线13与偶极子臂段3b更大程度地重叠，并且与偶极子臂段4a相比，传导传输线14与偶极子臂段4b更大程度地重叠。即，传导传输线13和14的沿着偶极子臂段3b和4b延伸的部分的长度可以大于传导传输线13和14的沿着偶极子臂段3a和4a延伸的部分的长度(或反之亦然)。传导传输线13和14也沿着臂段3b和4b的表面均等地延伸，例如，以提供等分耦合器形式的混合馈电元件。

在一些实施例中，阻抗匹配要求可以对传导传输线的宽度施加限制，并且因此，可以调节传导传输线13、14的长度和/或形状以提供期望的耦合。例如，传导传输线13、14可以分别定义线性形状、非线性形状(诸如钩形或曲折形状)，和/或可以包括具有不同宽度的部分。在一些实施例中，传导传输线13、14可以被实现为微带传输线。

如图5B中所示，在一些实施例中，馈电元件15可以由PCB结构实现，该PCB结构包括在其一个或多个层处的传导接地平面12。例如，传导接地平面12可以在馈电元件15的底层或一个或多个较下层(例如，馈电元件15的靠近基座2/2'的表面的层)上提供，而传导迹线13和14(包括其部分14a和14b)可以在馈电元件15的顶层或较上层(例如，馈电元件15的远离基座2/2'的表面的层)上提供。在一些实施例中，同轴馈电线缆24x、24y的相应外导体因此可以电接地到馈电元件15的接地平面12。图5B还图示了接地平面部分12被限制在(或“匹配”)臂段3a、3b、4a、4b的形状内，馈送元件15的对应部分与该形状在平面图上重叠。即，馈电元件15的不沿着臂段3a、3b、4a、4b的表面延伸(而是在相邻的偶极子臂段3a、3b、4a、4b之间的间隙上方延伸)的部分没有传导接地平面部分12。附图标记11图示了馈电元件15的在偶极子3、4的臂段3a、3b、4a、4b的表面之间延伸或者以其它方式不与其重叠的部分(如平面图中所示)不包括传导接地平面12。将接地平面部分12限制到与臂段3a、3b、4a和/或4b重叠的区域可以用于避免如本文所述的对耦合的不利影响。

图7是图示根据本公开一些实施例的、包括宽带低频带辐射元件的偶极子天线的回波损耗的曲线图。图8是图示根据本公开一些实施例的、包括宽带低频带辐射元件的偶极子天线的端口1和端口2之间的隔离的曲线图。在图7和8中，X轴表示大约500MHz至大约1GHz的频率范围，Y轴表示归一化的功率水平。

图7中所示的曲线图示了端口1处的回波损耗(示为曲线S(1,1))和端口2处的回波损耗(示为曲线S(2,2))(以dB为单位)。如图7中所示，在大约554MHz至大约960MHz的整个宽带低频带操作频率范围内，每个天线端口1和端口2的回波损耗小于15dB。因此，图7图示了在如本文所述的宽带低频带辐射元件的操作范围内端口1和端口2处的相对低的反射波的比率。

图8中所示的曲线图示了端口2和端口1之间的隔离(以dB为单位)(示为曲线S(2,1))。如图8中所示，如本文所述的宽带低频带辐射元件的天线端口2和端口1之间的隔离在大约554MHz至大约960MHz的整个宽带低频带操作频率范围内优于25dB。

图9和图10是图示根据本公开一些实施例的、包括宽带低频带辐射元件的偶极子天线的方位角波束宽度图案的曲线图。图9图示了端口1辐射图案(+45极化)，而图10图示了端口2辐射图案(-45极化)。在图9和图10中，X轴表示方位角，并且Y轴表示归一化的功率水平。图9和图10中所示的每条曲线图示了针对554-960MHz范围内的不同频率的方位角波束宽度图案。特别地，通过示例示出了频率为550MHz、591MHz、632MHz、673MHz、714MHz、755MHz和796MHz的方位角波束宽度图案。在X轴上示出的各个方位角处的交叉极化比(CPR)可以指示由第一和第二偶极子天线3、4中的每一个发送的信号的正交极化之间的隔离量。方位角半功率(-3dB)波束宽度大致为65度可以是优选的，但可以在大约60度至大约75度的范围内。图9和图10图示了波束形状、视轴角度增益、CPR和前后比(FBR)在554-960MHz范围内和所示方位角范围内(-200到200度)相对恒定，并且根据本公开实施例的宽带低频带辐射元件可以在这些参数之间实现合理的折衷。

图11和图12分别是图示针对根据本公开一些实施例的偶极子天线100的宽带低频带辐射元件的、响应于馈电端口1和端口2的激励的表面电流分布的透视图。在图11中，通过臂段4a中的开口21激励馈电端口1。在图12中，通过臂段3a中的开口22激励馈电端口2。图11和图12中所示的电流分布与554-960MHz操作范围的中心频率f₀的操作对应。图11和图12图示了基于本文所述的辐射元件10和馈电元件15的形状和构造，在臂段3a和4a之间、臂段3a和4b之间、臂段3b和4a之间以及臂段3b和4b之间实现了强耦合C。

如本文所述的天线可以支持多个频带和技术标准。例如，无线运营商可以使用单天线长期演进(LTE)网络部署2.6GHz和700MHz频带中的无线通信，同时支持2.1GHz频带中的宽带码分多址(W-CDMA)网络。为了便于描述，天线阵列被认为是垂直对准的。本文描述的实施例可以利用双正交极化并且支持用于高级容量解决方案的多输入多输出(MIMO)实现。随着无线技术演进中出现新的标准和频带，本文描述的实施例可以支持目前和将来使用多个频带的多个空中接口技术。

虽然本文中参考双极化天线描述了实施例，但是本公开还可以在圆形极化天线中实现，其中四个偶极子被驱动为90°异相。

虽然本文主要关于在发送模式(其中天线发送辐射)和接收模式(其中天线接收辐射)中的操作描述了实施例，但是本公开还可以在被配置为仅在发送模式下或仅在接收模式下操作的天线中实现。

以上已经参考附图描述了本公开的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。相似的数字通篇指代相似的元件。

应该认识到的是，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。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，而不偏离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。

应该认识到的是，当元件被称为“在”另一元件“上”时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。作为对照，当元件被称为“直接”在另一个元件“上”时，不存在中间元件。还将理解的是，当元件被称为“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，或者可以存在中间元件。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。用于描述元件之间的关系的其它词语应该以类似的方式进行解释(即，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。

诸如“在...下方”或“在...上方”或“上”或“下”或“水平”或“垂直”或“前”、或“后”或“顶部”或“底部”之类的相对术语可以在本文中用于描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图所示。应该认识到的是，除了图中描绘的朝向之外，这些术语旨在包含设备的不同朝向。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不是要限制本发明。本文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。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指示，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，当在本文使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。

以上公开的所有实施例的方面和元件可以以任何方式组合和/或与其它实施例的方面或元件组合，以提供多个附加实施例。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型实施例，并且，虽然采用了具体的术语，但它们仅在一般性和描述性的意义上使用，而不是用于限制的目的，本发明的范围在以下权利要求中阐述。

Claims

1.一种偶极子天线，包括：

反射器；

辐射元件，包括在反射器的表面上方的第一偶极子和第二偶极子，其中第一偶极子和第二偶极子分别包括臂段并且一起以交叉偶极子布置进行布置；以及

馈电元件，包括相互电隔离并分别电容地耦合到第一偶极子和第二偶极子的臂段的相交的第一传导传输线和第二传导传输线，其中第一偶极子和第二偶极子的臂段在馈电元件与所述反射器的表面之间。

2.如权利要求1所述的偶极子天线，其中馈电元件沿着臂段的与所述反射器的表面相对的表面横向延伸，并且包括在第一传导传输线和第二传导传输线与臂段的所述表面之间的介电层。

3.如权利要求2所述的偶极子天线，其中馈电元件包括印刷电路板，所述印刷电路板上包括第一传导传输线和第二传导传输线。

4.如权利要求2所述的偶极子天线，其中臂段的表面是平坦的。

5.如权利要求1所述的偶极子天线，其中第一偶极子的臂段通过第一偶极子的臂段和第二偶极子的臂段之间的相应耦合区域电容耦合到第二偶极子的臂段。

6.如权利要求5所述的偶极子天线，其中第一偶极子和第二偶极子的臂段还包括在其表面的边缘处朝向反射器延伸的部分，并且其中所述相应耦合区域由臂段的所述部分定义。

7.如权利要求6所述的偶极子天线，其中第一偶极子和第二偶极子的臂段包括片状金属，其中臂段的表面在平面图中共同定义矩形形状，并且其中其表面的边缘处的所述部分包括片状金属的弯曲部分。

8.如权利要求2所述的偶极子天线，其中第一传导传输线沿着第一偶极子的一个臂段的表面比沿着第一偶极子的另一个臂段的表面延伸得更远，并且其中第二传导传输线沿着第二偶极子的一个臂段的表面比沿着第二偶极子的另一个臂段的表面延伸得更远。

9.如权利要求8所述的偶极子天线，其中第一传导传输线和第二传导传输线分别沿着第一偶极子的所述一个臂段的表面和第二偶极子的所述一个臂段的表面延伸相等的距离。

10.如权利要求1所述的偶极子天线，其中第一传导传输线和第二传导传输线沿着馈电元件的表面在垂直的方向上延伸。

11.如权利要求3所述的偶极子天线，其中第一传导传输线和第二传导传输线中的一个包括在印刷电路板的不同层上的部分，所述部分通过电镀通孔通路电连接。

12.如权利要求1所述的偶极子天线，还包括：

第一同轴馈电线缆和第二同轴馈电线缆，所述第一同轴馈电线缆和所述第二同轴馈电线缆分别包括从反射器的表面延伸到馈电元件的内导体和外导体，其中第一同轴馈电线缆和第二同轴馈电线缆的内导体分别电连接到第一传导传输线和第二传导传输线，并且其中第一同轴馈电线缆和第二同轴馈电线缆的外导体电接地。

13.如权利要求12所述的偶极子天线，其中第一偶极子的一个臂段和第二偶极子的一个臂段包括其中的相应开口，所述开口的尺寸设计为分别允许第一同轴馈电线缆和第二同轴馈电线缆的内导体延伸穿过其中。

14.如权利要求12所述的偶极子天线，其中馈电元件包括传导接地平面，并且其中第一同轴馈电线缆和第二同轴馈电线缆的外导体电接地到馈电元件的传导接地平面。

15.如权利要求14所述的偶极子天线，其中馈电元件的不沿着臂段的表面延伸的部分没有传导接地平面。

16.如权利要求12所述的偶极子天线，其中第一同轴馈电线缆和第二同轴馈电线缆的外导体分别电接地到第一偶极子和第二偶极子的臂段。

17.如权利要求12所述的偶极子天线，还包括：

从反射器朝向第一偶极子和第二偶极子延伸的至少一个馈电杆，其中第一同轴馈电线缆和第二同轴馈电线缆沿着所述至少一个馈电杆延伸超过第一偶极子和第二偶极子。

18.如权利要求1所述的偶极子天线，其中第一传导传输线和第二传导传输线分别定义线性形状或非线性形状，和/或不同宽度的部分。

19.如权利要求1所述的偶极子天线，其中第一传导传输线连接到偶极子天线的第一天线端口，并且其中第二传导传输线连接到偶极子天线的第二天线端口。

20.一种偶极子天线，包括：

反射器；

辐射元件，包括在反射器的表面上方的第一偶极子和第二偶极子，其中第一偶极子和第二偶极子一起以交叉偶极子布置进行布置，并且分别包括具有平坦的表面的臂段，所述臂段在平面图中共同定义矩形形状，其中第一偶极子的臂段通过第一偶极子的臂段和第二偶极子的臂段之间的相应耦合区域电容耦合到第二偶极子的臂段；以及

馈电元件，包括相互电隔离并分别电容地耦合到第一偶极子和第二偶极子的臂段的相交的第一传导传输线和第二传导传输线，其中馈电元件在臂段的与反射器的表面相对的平坦的表面上方并沿着臂段的平坦的表面横向延伸，并且包括在第一传导传输线和第二传导传输线与臂段的表面之间的介电层。

21.如权利要求于20所述的偶极子天线，其中馈电元件包括印刷电路板，其中第一偶极子和第二偶极子的臂段包括片状金属，并且其中相应耦合区域包括臂段的在其平坦的表面的边缘处的部分，所述部分弯曲以朝向反射器延伸。

22.一种偶极子天线，包括：

反射器；以及

辐射元件，包括定义第一偶极子和第二偶极子的臂段，所述第一偶极子和所述第二偶极子在反射器的表面上方一起以交叉偶极子布置进行布置，所述臂段包括平坦的上表面和在所述平坦的上表面的相邻边缘处的侧表面，其中所述臂段的侧表面朝向所述反射器延伸。

23.如权利要求22所述的偶极子天线，其中所述臂段的平坦的上表面在平面图中定义的相应的矩形。

24.如权利要求22所述的偶极子天线，其中所述臂段包括片状金属，并且其中所述臂段的在其平坦的上表面的边缘处的侧表面包括所述片状金属的弯曲部分。

25.如权利要求22所述的偶极子天线，还包括：

馈电元件，包括分别电容地耦合到第一偶极子和第二偶极子的臂段的第一传导传输线和第二传导传输线。

26.如权利要求25所述的偶极子天线，其中第一偶极子的一个臂段和第二偶极子的一个臂段包括其中的相应开口，所述第一传导传输线和第二传导传输线分别通过所述开口进行耦合。

27.如权利要求25所述的偶极子天线，其中所述馈电元件包括印刷电路板，所述印刷电路板上包括第一传导传输线和第二传导传输线。