CN111987463A - 用于基站天线的紧凑多频带和双极化辐射元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多频带天线，该多频带天线利用具有多个臂的紧凑型多频带偶极子辐射元件，该偶极子辐射元件包括分别针对较高和较低频带的面向前的臂和面向后的臂。这些较高和较低的频带可以包括但不限于与面向前的臂相关联的相对宽的频带(例如，1695‑2690MHz)以及与面向后的臂相关联的稍窄且不重叠的频带(例如，1427‑1518MHz)。面向前的臂可以在多层印刷电路板的“前”层上延伸，并且面向后的臂可以至少部分地在印刷电路板的“后”层上延伸。提供了谐振LC(或CLC)网络，该谐振网络集成到面向后的臂中并且至少电容耦合到面向前的臂。这种谐振网络有利地支持从面向前的臂到面向后的臂的低通滤波，从而支持多个且非重叠的频带。

Description

用于基站天线的紧凑多频带和双极化辐射元件
技术领域
本发明一般而言涉及无线电通信，并且更具体地涉及用于蜂窝通信系统的基站天线。
背景技术
蜂窝通信系统在本领域中是众所周知的。在蜂窝通信系统中，地理区域被划分为一系列区域，这些区域被称为由相应基站服务的“小区”。基站可以包括一个或多个天线，这些天线被配置为提供与由基站服务的小区内的移动订户的双向射频(“RF”)通信。在许多情况下，每个基站被划分为“扇区”。在一种常见的配置中，六角形小区在方位角平面中被划分为三个120°扇区，并且每个扇区由一个或多个基站天线服务，这些基站天线具有大约65°的方位角半功率波束宽度(“HPBW”)以提供对整个120°扇区的覆盖。通常，基站天线安装在塔架或其它升高的结构上，其中由基站天线生成的辐射方向图(本文也称为“天线波束”)向外指向。基站天线常常被实现为辐射元件的线性或平面相控阵列。
为了适应不断增加的蜂窝通信量，蜂窝运营商已经在各种新频带中添加了蜂窝服务。虽然在一些情况下有可能使用单个线性阵列的所谓“宽带”辐射元件来提供多个频带中的服务，但在其它情况下，有必要使用辐射元件的不同线性阵列(或平面阵列)以支持不同频带中的服务。
随着频带的数量激增，并且增加的扇区化变得更加普遍(例如，将小区划分为六个、九个或甚至十二个扇区)，在典型基站处部署的基站天线的数量已显著增加。但是，由于例如天线塔的局部分区条例和/或重量和风载约束，对于可以在给定基站处部署的基站天线的数量常常存在限制。为了在不进一步增加基站天线数量的情况下增加容量，已经引入了所谓的多频带基站天线，其包括在不同频带中运行的多个辐射元件阵列。一种常见的多频带基站天线设计包括“低频带”辐射元件的两个线性阵列，用于在694-960MHz频带的一些或全部当中提供服务，以及“中频带”辐射元件的两个线性阵列，用于在1427-2690MHz频带的一些或全部当中提供服务。这些线性阵列通常以并排方式安装。
例如，已经为在2GHz频带(1.695-2.690GHz)中运行的2G/3G/4G/LTE系统开发了多个双极化天线。最近，1.4/1.5GHz频带(1427-1518MHz)对国际移动电信(IMT)服务具有价值，因为它提供急需的容量来支持流量增长，并具有支持更好的农村和室内覆盖的传播特点。实际上，日本已经将1427-1518MHz频带用于IMT业务。在欧洲，欧盟的28个国家支持1452-1492MHz，许多州也支持1427-1518MHz频带的识别。作为候选频带，欧洲可以使用1427-1452MHz和1452-1492MHz频带，而美国支持1695-2690MHz频带用于5G移动通信。因此，为了实现全球统一，开发双频将是有利的，其可以覆盖1.4/1.5GHz频带(针对IMT)以及2GHz频带(针对LTE)的极化天线。此外，还有兴趣部署还包括在较高频带(诸如3.3-4.2GHz频带)中运行的一个或多个“高频带”辐射元件的线性阵列的基站天线。
发明内容
根据本发明实施例的多频带天线利用具有多个臂的紧凑型多频带偶极型辐射元件，该偶极子辐射元件包括分别针对较高和较低频带的面向前的臂和面向后的臂，具有较低的回波损耗，这是因为更大的前后臂独立性以及跨越多个频带和不同极化的改进的列到列隔离。这些较高和较低的频带可以包括但不限于与面向前的臂相关联的相对宽的频带(例如，1695-2690MHz)以及与作为偶极臂延伸部运行的面向后的臂相关联的稍窄且不重叠的频带(例如，1427-1518MHz)。根据本发明的这些实施例中的一些，面向前的臂可以被构造为在多层印刷电路板(PCB)的面向前的“顶”层上，并且面向后的臂可以被构造为包括谐振LC(或者CLC)电路，其至少部分地位于多层印刷电路板的面向后的“底”层上。面向前的层和面向后的层可以被构造为图案化的金属(metallization例如，铜)层，其部分重叠以在它们之间提供电容耦合，这有利地支持与谐振电路相关联的低通滤波运行。
根据本发明的附加实施例，多频带辐射元件设有至少第一偶极型辐射器，该第一偶极型辐射器具有在其相对的两端延伸的“面向前的”第一和第二偶极臂。这些第一偶极臂和第二偶极臂在其相对的远端通过相应的第一谐振电路和第二谐振电路“加载”，第一谐振电路和第二谐振电路至少电容耦合到第一偶极臂和第二偶极臂中相应的一个。优选地，第一偶极臂和第二偶极臂被构造为以第一频带(例如，1695-2690MHz)内的第一频率谐振，并且第一谐振电路和第二谐振电路被构造为低通滤波器，其优先阻挡处于第一频率(和第一频带内)的信号，但是让第二频带(例如，1427-1518MHz)内的信号传递到作为偶极臂延伸部运行的“面向后的”偶极臂。在本发明的这些实施例的一些当中，第一谐振电路和第二谐振电路均被构造为相应的LC网络，其具有电容耦合到第一偶极臂和第二偶极臂中相应的一个的第一端子和直接连接到第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第二端子。可替代地，第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个可以包括CLC网络，该CLC网络具有电容耦合到第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子和第二端子。
根据本发明的附加实施例，第一偶极型辐射器包括多层印刷电路板，其中“面向前的”第一和第二偶极臂具有包括在多层印刷电路板的第一侧上的图案化的金属，并且第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括在多层印刷电路板的第二侧上的“面向后的”偶极臂形式的图案化的金属。在本发明的这些实施例的一些当中，与第一谐振电路相关联的图案化的金属的一部分与和第一偶极臂相关联的图案化的金属的对应部分相对地延伸，由此定义第一谐振电路的第一电容。类似地，与第二谐振电路相关联的图案化的金属的一部分与和第二偶极臂相关联的图案化的金属的对应部分相对地延伸，从而定义第二谐振电路的第二电容。此外，第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个可以包括在多层印刷电路板的第一侧上的电感形式的图案化的金属。多层印刷电路板还可以包括：(i)在多层印刷电路板中的第一金属化孔，第一金属化孔将与第一谐振电路相关联的电感的端子电连接到多层印刷电路板的第二侧上的图案化的金属的第一部分，和(ii)在多层印刷电路板中的第二金属化孔，第二金属化孔将与第二谐振电路相关联的电感的端子电连接到多层印刷电路板的第二侧上的图案化的金属的第二部分。
根据本发明的附加实施例的多频带辐射元件可以包括具有第一偶极臂和第二偶极臂的第一偶极型辐射器，所述第一偶极臂和第二偶极臂在其相对的远端通过相应的第一谐振电路和第二谐振电路加载，所述第一谐振电路和第二谐振电路被配置为相对于与第一偶极臂和第二偶极臂相关的谐振频率的低通滤波器。在本发明的这些实施例的一些当中，第一谐振电路和第二谐振电路被配置为在其中包括LC网络或CLC网络。此外，第一偶极型辐射器可以包括多层印刷电路板，其中第一偶极臂和第二偶极臂包括在多层印刷电路板的第一侧上图案化的金属，并且第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个都包括在多层印刷电路板的第二侧上图案化的金属，其至少部分地与多层印刷电路板的第一侧上的图案化的金属层重叠。与每个谐振电路相关联的LC网络(或CLC网络)还可以包括由多层印刷电路板的第一侧上的至少一个图案化的迹线定义的电感(L)。每个LC网络还可以被配置为并联电耦合的一对等效LC网络。
根据本发明的附加实施例，多频带辐射元件包括使用多层印刷电路板构造的第一偶极型辐射器，第一偶极臂在印刷电路板的前侧上，第二偶极臂在印刷电路板的后侧上，以及低通滤波器将第一偶极臂电耦合到第二偶极臂。在本发明的这些实施例的一些当中，低通滤波器可以包括在印刷电路板的前侧上的电感，以及在印刷电路板的后侧上的可以由第二偶极臂的一部分定义的至少一个电容电极。印刷电路板还可以在其中具有金属化孔，该金属化孔将电感电连接到至少一个电容电极。在本发明的这些实施例的一些当中，低通滤波器可以被配置为LC网络，或者被配置为CLC网络，它在本文中可以被视为CL网络和LC网络的组合。
根据本发明的又一些实施例，本文描述和图示的多个多频带偶极型辐射元件中可以在对应的偶极型辐射元件对中使用，这些辐射元件以交叉极化类型构造布置并与其它对间隔开，由此定义适用于基站天线的多频带天线阵列。此外，可以修改本文描述的多频带偶极型辐射元件，以通过为每个附加频带构图附加的面向后的“底”臂而在三个或更多个频带上运行。
附图说明
图1是根据本发明实施例的基站天线的透视图。
图2是图1的基站天线的透视图，其中天线罩被移除。
图3是图1的基站天线的前视图，其中天线罩被移除。
图4是图1的基站天线的横截面图，其中天线罩被移除。
图5A-5B分别是根据本发明实施例的包括一对交叉极化偶极子辐射器的中频带辐射元件的前透视图和前透视图。
图5C是根据本发明实施例的图5A的印刷电路板的前视图，但是前侧金属被移除并且后侧金属被突出显示，以示出位于印刷电路的后侧的四对偶极臂延伸部的布置和尺寸。
图5D是根据本发明实施例的印刷电路板的前视图，其示出了替代的中频带辐射元件。
图5E是根据本发明实施例的图5D的印刷电路板的前视图，但是前侧金属被移除并且后侧金属被突出显示，以示出位于印刷电路板的后侧的四对偶极臂延伸(和穿过板的互连)的布置和尺寸。
图6A是具有面向前的和面向后的偶极臂的偶极天线的高度简化的电气示意图，并且其中集成了基于LC的谐振电路。
图6B是具有面向前的和面向后的偶极臂的偶极天线的高度简化的电气示意图，并且其中集成有基于CLC的谐振电路。
图7图示了与图5A-5C的中频带辐射元件相关联的方位角平面辐射方向图，用于跨越1400MHz至2690MHz的四个频率。这四个频率包括1400MHz和1600MHz(图7A)，以及2045MHz和2690MHz(图7B)。
具体实施方式
本发明的实施例一般而言涉及用于多频带基站天线的辐射元件并涉及相关的基站天线。根据本发明实施例的多频带基站天线可以支持两个或更多个蜂窝频带中的两个或更多个主要空中接口标准，并且允许无线运营商减少在基站处部署的天线的数量，从而降低塔架租赁成本，同时提高市场能力的速度。
设计多频带基站天线的一个挑战是减少由其它频带的辐射元件散射一个频带处RF信号的影响。散射是不期望的，因为它会影响方位角和俯仰角平面中天线波束的形状，并且这些效果会随着频率而显著变化，这会使得难以补偿这些效果。而且，至少在方位角平面中，散射倾向于以不期望的方式影响波束宽度、波束形状、指向角、增益和前后比中的一个或多个。
为了减少散射，已经开发了宽带去耦辐射元件，其可以在第一频带(例如，低频带)中发送和接收RF信号，同时对第二频带(例如，中频带)中的RF信号基本透明。例如，2017年5月3日提交的美国临时专利申请序列No.62/500,607公开了一种多频带天线，其包括低频带和中频带交叉偶极子辐射元件的线性阵列。低频带交叉偶极子辐射元件具有偶极臂，每个偶极臂包括多个加宽部分，这些加宽部分通过插入的缩窄部分连接。缩窄的迹线部分可以被设计为充当高阻抗部分，该高阻抗部分被设计为中断中频带辐射元件的运行频带中的电流，否则该电流可能在低频带辐射元件的偶极臂上被感应。缩窄的迹线部分可以被设计为为中频带辐射元件的运行频率中的电流产生这种高阻抗，但不会显著影响低频带电流在偶极臂上流动的能力。因此，低频带辐射元件对于中频带辐射元件可以是基本透明的，因此可以对由中频带辐射元件形成的天线波束具有很小的影响或没有影响。缩窄的部分可以像电感部分那样起作用。实际上，在一些实施例中，缩窄的迹线部分可以用集总电感代替，诸如片状电感、线圈等或其它像电感那样起作用的印刷电路板结构(例如，螺线管)。但是，缩窄的迹线部分(或其它电感元件)会增加低频带偶极子辐射器的阻抗，这会降低低频带辐射元件的运行带宽。
此外，如本文和其公开内容通过引用并入本文的2019年1月28日提交的美国临时专利申请序列No.62/797,667中所公开的，已经开发出与常规的偶极子辐射元件相比表现出增加的运行带宽的多谐振偶极子辐射元件。这些辐射元件中的每个偶极辐射器可以包括两对(或更多对)偶极臂，每对偶极臂被配置为以不同的频率谐振。通过将偶极子辐射器设计为以两个或更多个不同的谐振频率辐射，可以增加辐射元件的运行带宽。例如，所公开的多谐振偶极子辐射元件被配置为在中心频率为fc的频带中运行，其被设计为使得一对偶极臂以运行频带内低于fc的频率辐射，而另一个偶极臂对以运行频带内高于fc的频率辐射。其结果是，与单个谐振偶极子辐射元件相比，可以增加多谐振偶极子辐射元件的运行带宽。这些辐射元件可以用在例如多频带天线中，并且在包括辐射元件的多频带天线中特别有用，所述辐射元件被设计为传递第一频带(例如，低频带)中的电流，而对较高的第二频带(例如，中频带)中的电流基本透明。
现在将参考附图进一步详细描述本发明的实施例。
图1-4图示了根据本发明某些实施例的基站天线100。特别地，图1是天线100的透视图，而图2-4分别是天线100的透视图、前视图和剖视图，其天线罩被移除以示出天线100的天线组件200。
如图1-4中所示，基站天线100是沿着纵向轴线L延伸的细长结构。基站天线100可以具有管状形状，其具有大致矩形的横截面。天线100包括天线罩110和顶端盖120。在一些实施例中，天线罩110和顶端盖120可以包括单个整体单元，这可以有助于使天线100防水。一个或多个安装支架150提供在天线100的后侧，其可以用于将天线100安装到例如天线塔上的天线安装座(未示出)上。天线100还包括底端盖130，底端盖130包括安装在其中的多个连接器140。当天线100安装用于正常运行时，天线100通常以竖直配置安装(即，纵向轴线L可以大致垂直于由水平面限定的平面)。天线罩110、顶端盖120和底端盖130可以形成用于天线100的外壳。天线组件200包含在壳体内。天线组件200可以可滑动地插入天线罩110中。
如图2-4中所示，天线组件200包括接地平面结构210，其具有侧壁212和反射器表面214。天线(未示出)的各种机械和电子部件可以安装在侧壁212和反射器表面214的后侧之间定义的腔室中，诸如例如移相器、远程电调单元、机械连接器、控制器、双工器等。接地平面结构210的反射器表面214可以包括或包含金属表面，该金属表面用作天线100的辐射元件的反射器和接地平面。在本文中，反射器表面214也可以被称为反射器214。
安装多个双极化辐射元件300、400、500，以从接地平面结构210的反射器表面214向前延伸。辐射元件包括可以如上述美国临时专利申请序列No.62/797,667中所公开的那样配置的低频带辐射元件300，在下文中更全面地描述的中频带辐射元件400，以及高频带辐射元件500。如图所示，低频带辐射元件300安装成两列，以形成低频带辐射元件300的两个线性阵列220-1、220-2。每个低频带线性阵列220可以基本上沿着天线100的整个长度延伸。
中频带辐射元件400同样可以安装成两列，以形成中频带辐射元件400的两个线性阵列230-1、230-2。高频带辐射元件500被示为安装成四列，以形成高频带辐射元件500的四个线性阵列240-1至240-4。在其它实施例中，低频带、中频带和/或高频带辐射元件的线性阵列的数量可以与图2-4中所示的那些不同。在本文应当注意的是，可以通过它们的完整标号(例如，线性阵列230-2)单独地引用相同的元件并且可以通过它们的标号的第一部分(例如，线性阵列230)共同地参考。
在所描绘的实施例中，高频带辐射元件500的线性阵列240位于低频带辐射元件300的线性阵列220之间，并且低频带辐射元件300的每个线性阵列220位于高频带辐射元件500的线性阵列240中相应的一个与中频带辐射元件400的线性阵列230中的相应的一个之间。中频带辐射元件400的线性阵列230可以延伸或可以不延伸天线100的全长，并且高频带辐射元件500的线性阵列240可以延伸或不延伸天线100的全长。
低频带辐射元件300可以被配置为在第一频带中发送和接收信号，第一频带可以包括617-960MHz频率范围或其一部分(例如，617-806MHz频带，694-960MHz频带等)。中频带辐射元件400可以被配置为在一对非重叠的中频带(诸如例如1427-1518MHz频带和1695-2690MHz频带)中发送和接收信号，如下面将更全面地描述的那样。并且，高频带辐射元件500可以被配置为在第三频带中发送和接收信号，诸如包括3300-4200MHz频率范围(或其一部分)的高频带。低频带、中频带和高频带辐射元件300、400、500可以各自安装成从接地平面结构210向前延伸。
如图所示，低频带辐射元件300被布置成双极化辐射元件的两个低频带阵列220，并且每个低频带阵列220-1、220-2可以用于形成一对天线波束，即，用于两个极化中的每一个极化的天线，在该天线上双极化辐射元件300被设计为发送和接收RF信号。第一低频带阵列220-1中的每个辐射元件300可以与第二低频带阵列220-2中的相应辐射元件300水平对准。同样，第一中频带阵列230-1中的每个辐射元件400可以与第二中频带阵列230-2中的相应辐射元件400水平对准。虽然未在图中示出，但是辐射元件300、400、500可以安装在馈电板上，该馈电板将RF信号耦合到各个辐射元件300、400、500以及从各个辐射元件耦合RF信号。一个或多个辐射元件300、400、500可以安装在各自的馈电板上。电缆可以用于将每个馈电板连接到天线的其它部件，诸如双工器、移相器等。
虽然蜂窝网络运营商对部署具有大量辐射元件的线性阵列的天线感兴趣，以便减少每个基站所需的基站天线的数量，但增加线性阵列的数量通常会增加天线的宽度。基站天线的重量和加载天线的风都会随着宽度的增加而增加，因此越宽的基站天线往往需要结构越坚固的天线安装座和天线塔，这两者都会显著增加基站的成本。因而，蜂窝网络运营商通常想要将基站天线的宽度限制为小于500mm，更优选地，小于440mm(或者在一些情况下，小于400mm)。这在包括低频带辐射元件的两个线性阵列的基站天线中会是具有挑战性的，因为设计用于120°扇区的大多数常规低频带辐射元件具有大约200mm或更大的宽度。
可以通过减小相邻线性阵列之间的间隔来减小多频带基站天线的宽度。因此，在天线100中，低频带辐射元件300可以位于非常靠近中频带辐射元件400和高频带辐射元件500的位置。从图2-4中可以看出的，与中频带辐射元件400和高频带辐射元件500两者相比，低频带辐射元件300从反射器214向前延伸得更远。在所描绘的实施例中，与中频带辐射元件400的线性阵列230相邻的每个低频带辐射元件300可以水平地重叠其中两个中频带辐射元件400的主要部分。术语“水平地重叠”在本文中用于指从基站天线的反射器向前延伸的第一和第二辐射元件之间的具体位置关系。特别地，如果可以绘制垂直于穿过第一辐射元件和第二辐射元件两者的反射器的前表面的假想线，那么认为第一辐射元件“水平地重叠”第二辐射元件。同样，与高频带辐射元件500的线性阵列240相邻的每个低频带辐射元件300可以水平地重叠一个或多个高频带辐射元件500的至少一部分。允许辐射元件水平重叠则允许显著减小基站天线100的宽度。
遗憾的是，当相邻线性阵列之间的间隔减小时，线性阵列的辐射元件之间的耦合增加，并且这种增加的耦合可能以不期望的方式影响由线性阵列生成的天线波束的形状。例如，低频带交叉偶极子辐射元件通常会具有长度约为运行频率的三分之一(1/3)至一(1)个波长的偶极子辐射器。每个偶极子辐射器通常被实现为一对中心馈电偶极臂。如果低频带辐射元件被设计为在700MHz频带运行，并且中频带辐射元件被设计为在1400MHz频率下运行，那么低频带偶极子辐射器的长度(λ/2)将大约为中频带运行频率下的一个波长(λ)。因此，低频带偶极子辐射器的每个偶极臂具有如下长度，该长度大约为在中频带运行频率下的1/2波长，因此由中频带辐射元件发送的RF能量将倾向于耦合到低频带辐射元件。这种耦合会使中频带辐射元件400的线性阵列230-1、230-2的天线方向图失真。如果由高频带辐射元件发射的RF能量耦合到低频带辐射元件，那么也会发生类似的失真。
因此，在将低频带辐射元件300定位成使得它们水平地重叠中频带和/或高频带辐射元件400、500时，可以有利地有助于减小基站天线100的宽度，这种方法可能显著增加由中频带和/或高频带辐射元件400、500发送的RF能量耦合到低频带辐射元件300上，并且这种耦合可能会降低由中频带和/或高频带辐射元件400、500的线性阵列230、240形成的天线方向图的性能。不过，为了降低来自中频带和/或高频带辐射元件400、500的RF能量耦合到低频带辐射元件300上的程度，低频带辐射元件300可以被配置为对于中频带辐射元件400或高频带辐射元件500基本上透明，如上述美国临时申请序列No.62/797,667中所述。
现在参考图5A-5C，可以有利地用在图1-4的基站天线(BSA)100和天线组件200中的中频带(和多频带)辐射元件400的实施例被示为包括多层印刷电路板(PCB)404，其被设计为作为一对交叉极化(例如，+45°，-45°)偶极子辐射器运行，它们由一对馈送杆402支撑在接地平面210和反射器表面214前面(参见例如图4和5B)。多层PCB 404包括跨越相对的介电板区段404a、404c的第一偶极子辐射器440a和跨越相对的介电板区段404b、404d的第二偶极子辐射器440b。这些交叉极化偶极子辐射器440a、440b可以部分地被辐射导向器412覆盖(以支持波束宽度缩窄)，如图5A所示并且如图2中示意性所示，但为了清楚起见从图5B中省略。
如图所示，第一偶极子辐射器440a的相对的板区段404a、404c包括在板区段404a、404c的前侧上的图案化的金属(例如，铜)和在板区段404a、404c的面向反射器表面214的后侧上的图案化的金属(例如，铜)。板区段404a、404c的前侧上的图案化的金属包括其中具有完全延伸穿过PCB 404的开口414的第一和第二多边形偶极臂410a、410c。在板区段404a、404c的后侧上的图案化的金属包括具有等效尺寸的第一对间隔开的多边形偶极臂420a、420b，以及第二对间隔开且稍微更大的多边形偶极臂420a'、420b'，当PCB 404位于在下面的反射器表面214的边缘附近时，这些多边形偶极臂可以抑制波束倾斜。如本文所述并且通过图5C最佳地示出的，PCB 404的后侧上的这些偶极臂对420a、420b和420a'、420b'作为相对于第一偶极臂和第二偶极臂410a、410c的偶极臂延伸部起作用。
如图所示，第一对间隔开且面向后的偶极臂420a、420邻近板区段404a的远端延伸，第二对间隔开且面向后的偶极臂420a'、420b'邻近相对的板区段404c的远端延伸。此外，面向后的偶极臂420a、420b中的每一个与对应且等效的蛇形电感406a、406b相对地延伸。这些电感406a、406b中的每一个：(i)在板区段404a的前侧上图案化，(ii)经由短金属区段直接耦合(例如，电短路)到第一偶极臂410a的对应侧，如图所示，并且(iii)通过对应的金属化孔408a、408b直接耦合到面向后的偶极臂420a、420b中在下面的一个偶极臂。同样，面向后的偶极臂420a'、420b'中的每一个与对应且等效的蛇形电感406a、406b相对地延伸。这些电感406a、406b中的每一个：(i)在板区段404c的前侧上图案化，(ii)经由短金属区段直接耦合(例如，电短路)到第二偶极臂410c的对应侧，如图所示，并且(iii)通过对应的金属化孔408a、408b直接耦合到面向后的偶极臂420a'，420b'中在下面的一个偶极臂。根据其它实施例，例如，电感可以具有曲折、螺旋或其它合适的图案。
类似地，第二偶极子辐射器440b的相对的板区段404b、404d包括在板区段404b、404d的前侧上的图案化的金属(例如，铜)和在后侧上的图案化的金属(例如，铜)。板区段404b、404d的前侧上的图案化的金属包括其中具有通孔414的第一和第二多边形偶极臂410b、410d。在板区段404b、404d的后侧上的图案化的金属包括具有等效尺寸的第一对间隔开的多边形偶极臂420a、420b，以及具有等效尺寸的第二对间隔开且稍大的多边形偶极臂420a'、420b'。如本文所述并且通过图5C最佳地示出的，PCB 404的后侧上的这些偶极臂对420a、420b和420a'、420b'用作相对于第一偶极臂和第二偶极臂410b、410d的偶极臂延伸部。
如图所示，第一对间隔开且面向后的偶极臂420a、420b邻近板区段404b的远端延伸，并且第二对间隔开且面向后的偶极臂420a'、420b'邻近相对的板区段404d的远端延伸。此外，面向后的偶极臂420a、420b中的每一个与对应且等效的蛇形电感406a、406b相对地延伸。这些电感406a、406b中的每一个：(i)在板区段404b的前侧上图案化，(ii)经由短金属区段直接耦合(例如，电短路)到第一偶极臂410b的对应侧，如图所示，并且(iii)通过对应的金属化孔408a、408b直接耦合到板区段404b上的面向后的偶极臂420a、420b中在下面的的一个。同样，面向后的偶极臂420a'、420b'中的每一个与对应且等效的蛇形电感406a、406b相对地延伸。这些电感406a、406b中的每一个：(i)在板区段404c的前侧上图案化，(ii)经由短金属区段直接耦合(例如，电短路)到第二偶极臂410c的对应侧，如图所示，并且(iii)通过对应的金属化孔408a、408b直接耦合到板区段404d上的面向后的偶极臂420a'、420b'中在下面的一个。
现在参考图5B并且参考图5A的左侧所示的第一偶极子辐射器440a的板区段404a的放大且突出显示的部分，在对应的板区段404a、404b、404c和404d的前侧上的“主”偶极臂410a、410b、410c和410d中的每一个与对应的一对在下面且面向后的偶极臂(420a，420b)或(420a'，420b')部分地重叠，如图5C最佳所示。如本领域技术人员将理解的，这种部分重叠在面向前的偶极臂410a、410b、410c和410d中的每一个的远端处定义成对的等效电容“C”。在图5A中，这些电容C的位置由标号430a、430b突出显示，而在图5B中，八个(即，4对)等效电容的位置由标号“C”标识。由这些电容C提供的电容量相当于：C＝εA/d，其中ε和d分别是介电板404的介电常数和厚度，A是每个面向前的偶极臂410a、410b、410c和410d与在下面的面向后的偶极臂(即，420a、420b、420a'或420b')之间的金属重叠的面积。这些内置的“重叠”电容C和蛇形电感(L)406a、406b各自提供与射频频率(f)相关的电抗X(例如，谐振网络)，其“加载”在面向前的偶极臂410a-410d的远端，其中对于每个电容C有X＝((2πf)(C))-1并且对于每个电感L有X＝((2πf)(L))。内置电容C(built-in capacitor)和电感L在本文中示出并描述为分别具有等效电容值和等效电感值，但是本发明的备选的实施例可以使用具有不等电容值的电容和具有不等的电感值的电感。
有利地，面向前的偶极臂410a-410d的这种电抗性负载可以用于支持中频带辐射元件400在中频带内的多个间隔开的频带(诸如但不限于相对较宽的1695-2690MHz频带和较窄且不重叠的1427-1518MHz频带，该频带与1695-2690MHz频带隔开一个源自1518MHz至1695MHz的中间和“抑制”频带)上的优先运行。
通过考虑偶极天线的简化电气原理图的运行，可以更全面地理解图5A-5C的中频带辐射元件400的多频带运行，该偶极天线具有面向前的和面向后的偶极臂以及耦合到这些面向前的和面向后的偶极臂的集成的基于LC的谐振电路，如图6A所示。特别地，图6A图示了包含右和左“面向前的”辐射元件610a和610b的简化偶极天线600a，其被射频(RF)传输信号(频率为F0)驱动。这些RF传输信号由RF源606(例如，无线电收发装置)以及包含中心导体604a和周围屏蔽层604b的同轴电缆602提供。
如图6A进一步所示，简化的偶极天线600a还包括耦合到右辐射元件610a的远端的右电抗性负载网络620a和耦合到左辐射元件610b的远端的左电抗性负载网络620b。右电抗性负载网络620a包括直接连接到右辐射元件610a的两个电感614a，以及通过两个电容616a电容耦合到右辐射元件610a的远端的两个右辐射元件延伸部612a。如图所示，这些右辐射元件延伸部612a中的每一个连接到电感614a中对应的一个和电容616a中对应的一个。类似地，左电抗性负载网络620b包括直接连接到左辐射元件610b的两个电感614b，以及通过两个电容616b电容耦合到左辐射元件610b的远端的两个左辐射元件延伸部612b。
出于说明的目的，两个右辐射元件延伸部612a和两个左辐射元件延伸部612b与相应的面向后的偶极臂延伸部(诸如图5A、5C所示的臂420a、420b)对应。同样，图6A的右和左电感对614a和614b与图5A的电感对406a和406b对应，并且图6A的右和左电容对616a、616b对应于与图5A-5C的第一偶极子辐射器440a内的面向前的偶极臂410a、410c的相对的远端相关联的一对电容C。因而，可以认识到的是，图5A-5C的增加的L和C元件以及面向后的偶极臂延伸部420a、420b可以被建模为接近图6A的电抗性负载网络620a、620b。
并且，如图6B所示，图6A的电抗性负载网络620a、620b——该电抗性负载网络在每个辐射元件610a、610b的端部处示出等效LC网络对(并联)——可以被修改为包括在电抗性负载网络620a'、620b'内的CLC网络，并且这些CLC网络可以应用于图5A-5C的第一和第二偶极辐射器440a、440b。
例如，如图5D-5E所示，根据本发明替代实施例的中频带辐射元件400'可以被配置为使得：在第一偶极子辐射器440a'中的第一和第二多边形偶极臂410a、410c中的每一个的远端可以由对应的CLC电路加载。关于第一偶极臂410a，提供单个蛇形电感406'，其具有(经由通过板的过孔408a'、408b')电连接到多层PCB 404的后侧上的对应偶极臂延伸部420a、420b的一对端子。这些延伸部与第一偶极臂410a的远端部分重叠，从而定义一对电容C，这对电容C与对应的电感406'共同形成CLC电路。类似地，关于第二偶极臂410c，提供单个电感406'，其具有(经由通过板的过孔408a'、408b')电连接到对应的偶极臂延伸部420a'、420b'的一对端子，这些延伸部与第二偶极臂410c的远端部分重叠，从而定义一对电容C，这对电容C与对应的电感406'共同形成串联CLC电路。这些相同的串联CLC电路连接也被提供给与第二偶极子辐射器440b'相关联的偶极臂410b和410d。
最后，如图7的四个方位角平面辐射方向图所示，图7是图5A-5C的中频带辐射元件在从1400MHz到2690MHz的大的中频带频率范围内的仿真，示出了多频带运行，其中1400MHz、2045MHz和2690MHz辐射方向图示出了优异的分布曲线，而中间1600MHz辐射方向图示出了由加载在面向前的偶极臂410a、410c的远端处的LC电路(即，低通滤波器效应)引起的更高的交叉极化。
以上已经参考附图描述了本发明的实施例，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体现，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。相同的数字通篇指代相同的元件。
将理解的是，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。
将理解的是，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”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。应该理解的是，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。
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、运行、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、运行、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进行组合和/或与其它实施例的方面或元素组合以提供多个附加的实施例。

Claims (10)

1.一种多频带辐射元件，其特征在于，所述多频带辐射元件包括：
第一偶极子辐射器，该第一偶极子辐射器包括相对的第一偶极臂和第二偶极臂，所述第一偶极臂和第二偶极臂在其相对的远端通过相应的第一谐振电路和第二谐振电路加载，所述第一谐振电路和第二谐振电路电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中相应的一个偶极臂。
2.如权利要求1所述的辐射元件，其特征在于，所述第一偶极臂和第二偶极臂被配置为以第一频率谐振；并且其中第一谐振电路和第二谐振电路被配置为低通滤波器，所述低通滤波器优先阻挡处于第一频率的信号；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括LC网络，该LC网络具有电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括CLC网络，该CLC网络具有电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子和第二端子；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括LC网络，该LC网络具有电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子以及直接连接到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第二端子；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个基本上由LC网络组成，该LC网络具有电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括LC网络，该LC网络具有电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括CLC网络，该CLC网络具有电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子和第二端子；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括LC网络，该LC网络具有电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子以及直接连接到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第二端子；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个基本上由LC网络组成，该LC网络具有电容耦合到所述第一偶极臂和第二偶极臂中对应的一个的第一端子；和/或所述第一偶极子辐射器包括多层印刷电路板；并且其中第一偶极臂和第二偶极臂包括在该多层印刷电路板的第一侧上的图案化的金属；并且其中第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括在该多层印刷电路板的第二侧上的图案化的金属。
3.如权利要求2所述的辐射元件，其特征在于，与第一谐振电路相关联的图案化的金属的一部分与和第一偶极臂相关联的图案化的金属的对应部分相对地延伸；并且其中与第二谐振电路相关联的图案化的金属的一部分与和第二偶极臂相关联的图案化的金属的对应部分相对地延伸；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括在多层印刷电路板的第一侧上的图案化的金属；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括在多层印刷电路板的第一侧上的电感形式的图案化的金属；和/或多层印刷电路板具有：(i)在多层印刷电路板中的第一金属化孔，第一金属化孔将与第一谐振电路相关联的电感的端子电连接到在多层印刷电路板的第二侧上的图案化的金属的第一部分，以及(ii)在多层印刷电路板中的第二金属化孔，第二金属化孔将与第二谐振电路相关联的电感的端子电连接到在多层印刷电路板的第二侧上的图案化的金属的第二部分；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个包括在多层印刷电路板的第一侧上的对应的蛇形形状的迹线，所述迹线运行作为电感；和/或多层印刷电路板具有：(i)在多层印刷电路板中的第一金属化孔，第一金属化孔将与第一谐振电路相关联的电感的端子电连接到在多层印刷电路板的第二侧上的图案化的金属的第一部分，以及(ii)在多层印刷电路板中的第二金属化孔，第二金属化孔将与第二谐振电路相关联的电感的端子电连接到在多层印刷电路板的第二侧上的图案化的金属的第二部分；和/或与第一谐振电路相关联的图案化的金属的一部分与和第一偶极臂相关联的图案化的金属的对应部分相对地延伸，从而定义第一谐振电路的第一电容；并且其中与第二谐振电路相关联的图案化的金属的一部分与和第二偶极臂相关联的图案化的金属的对应部分相对地延伸，从而定义第二谐振电路的第二电容。
4.一种多频带辐射元件，其特征在于，所述多频带辐射元件包括：
第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括第一偶极臂和第二偶极臂，所述第一偶极臂和第二偶极臂在其相对的远端通过相应的第一谐振电路和第二谐振电路加载，所述第一谐振电路和第二谐振电路被配置为低通滤波器；和/或第一谐振电路和第二谐振电路被配置为相对于与第一偶极臂和第二偶极臂相关联的谐振频率的低通滤波器；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个在其中包括LC网络；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个在其中包括CLC网络。
5.如权利要求4所述的辐射元件，其特征在于，所述第一偶极子辐射器包括多层印刷电路板；其中第一偶极臂和第二偶极臂包括在多层印刷电路板的第一侧上的图案化的金属；并且其中第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个至少部分地包括在多层印刷电路板的第二侧上的图案化的金属，该图案化的金属至少部分地与多层印刷电路板的第一侧上的图案化的金属重叠；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个在其中包括LC网络；和/或第一谐振电路和第二谐振电路中的每一个在其中包括CLC网络；和/或与第一谐振电路相关联的LC网络包括由多层印刷电路板的第一侧上的至少一个图案化的迹线定义的电感L；和/或与第一谐振电路相关联的CLC网络包括由多层印刷电路板的第一侧上的至少一个图案化的迹线定义的电感L；和/或与第一谐振电路相关联的LC网络包括由多层印刷电路板的第一侧上的一对图案化的迹线定义的一对电感L；和/或LC网络包括一对并联电耦合的等效LC网络。
6.一种多频带辐射元件，其特征在于，所述多频带辐射元件包括：
第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括多层印刷电路板、位于该印刷电路板的前侧上的第一偶极臂、位于该印刷电路板的后侧上的第二偶极臂以及将第一偶极臂电耦合到第二偶极臂的低通滤波器。
7.如权利要求6所述的辐射元件，其特征在于，低通滤波器包括位于印刷电路板的前侧上的电感和位于印刷电路板的后侧上的至少一个电容电极；和/或印刷电路板中具有在其中的金属化孔，该金属化孔将电感电连接到所述至少一个电容电极；和/或低通滤波器包括其中的LC网络；和/或低通滤波器包括其中的CLC网络；和/或低通滤波器包括其中的LC网络；和/或低通滤波器包括其中的CLC网络。
8.一种用于基站天线的多频带辐射元件，其特征在于，所述多频带辐射元件包括第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括：
多层印刷电路板；
在印刷电路板的前侧上的第一偶极臂；
在印刷电路板的后侧上的第二偶极臂；以及
射频阻抗网络，在该射频阻抗网络中具有至少一个电感和至少一个电容，所述射频阻抗网络被配置为选择性地：(i)将在相对低频带的射频信号从第一偶极臂传递到第二偶极臂，以及(ii)阻止在相对高频带中的射频信号从第一偶极臂传递到第二偶极臂。
9.一种用于基站天线的多频带辐射元件，其特征在于，所述多频带辐射元件包括第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括：
多层印刷电路板；
在印刷电路板的前侧上的第一偶极臂；
在印刷电路板的后侧上的第二偶极臂；以及
射频阻抗网络，在该射频阻抗网络中具有至少一个电感和至少一个电容，所述射频阻抗网络被配置为使得在相对低的频带中提供给所述第一偶极子辐射器的射频传输信号能够从第一偶极臂和第二偶极臂辐射，但是选择性地阻挡在相对高的频带中提供给所述第一偶极子辐射器的射频传输信号从第二偶极臂辐射。
10.一种用于基站天线的多频带辐射元件，其特征在于，所述多频带辐射元件包括：
第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器被配置为在间隔开的第一频带和第二频带内选择性地辐射射频信号，但是选择性地衰减在第一频带的高端和第二频带的低端之间的射频信号；和/或第二频带比第一频带宽至少两倍；
和/或所述多频带辐射元件包括：
第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器被配置为，在使用包括串联部署在所述第一偶极子辐射器上的至少一个电感和至少一个电容的谐振电路的情况下，选择性地辐射在间隔开的第一频带和第二频带内的射频信号，但是选择性地衰减在第一频带的高端和第二频带的低端之间的射频信号。
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