CN112038751A - 超紧凑超宽带双极化基站天线 - Google Patents

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Abstract

超紧凑超宽带双极化基站天线。本发明涉及一种辐射元件，该辐射元件包括支撑结构、布置在支撑结构上的第一偶极子以及布置在支撑结构上的至少一个电闭合环，其中，该环围绕第一偶极子并且与第一偶极子电隔离，其中，第一偶极子的谐振频率高于辐射元件的工作带宽的中心频率。

Description

超紧凑超宽带双极化基站天线
技术领域
本发明涉及一种辐射元件，并且更具体地，涉及适用于基站的天线的辐射元件，例如，超紧凑超宽带双极化基站天线。
背景技术
超宽带基站天线系统通常工作于690-960MHz(“低频带(Low Band)”-LB)和1.7-2.7GHz(“高频带(High Band)”-HB)频谱范围内，该频谱范围包括了大多数蜂窝网络目前使用的频带。随着对天线和射频设备的深度集成的需求日益增长，例如，有源天线系统(Active Antenna Systems，AAS)，要求设计超紧凑超宽带多阵列基站天线架构的新方法，天线的关键性能指标(key performance indicator，KPI)不能打折扣。对于这些架构，多个LB阵列和HB阵列的共存是一个关键的技术点。众所周知，当尝试减少整体几何天线的尺寸(紧凑型设计)并保持RF KPI时，这就变得更具挑战性。在许多其它技术设计策略中，关键点之一是LB和HB阵列的辐射元件的设计。理想情况下，它们应该彼此电气不可见。从这个角度来看，辐射元件的物理尺寸是主要因素之一。
WO2008/017386 A1描述了一种具体用于移动无线电基站的天线装置。该天线装置包括具有耦合表面的反射器框架，该耦合表面与接地层电容耦合。
WO2006/059937 A1描述了一种具有屏蔽反馈装置的双频带天线。
发明内容
本发明旨在提供一种辐射元件，该辐射元件克服了上述提到的现有技术中的一个或多个问题。
本发明的第一方面提供了一种辐射元件，该辐射元件包括支撑结构、布置在支撑结构上的第一偶极子以及布置在支撑结构上的至少一个电闭合环，其中，该环围绕第一偶极子并且与第一偶极子电隔离，其中，第一偶极子的谐振频率高于辐射元件的工作带宽的中心频率。偶极子和环可以被布置成从俯视视角看时偶极子和环是同轴的(并且互相并不重叠)。
辐射元件的设计使得辐射元件应用于超紧凑超宽带天线中时，其整体尺寸减小。具体地，由于辐射元件的工作带宽低于第一偶极子的谐振频率，因此，相对于传统偶极子天线的设计，偶极子的长度实际上减小了。
在第一方面的辐射元件的第一种实现方式中，环是浮置的。也就是说，浮置的环并没有电连接到地面或辐射元件的任何其它电部分。因此，浮置的环可以充当第一偶极子的电镜(electrical mirror)。
根据第一方面的任意一种实现方式的辐射元件，在第二种实现方式中，第一偶极子的谐振频率高于辐射元件的工作带宽的上限。因此，偶极子的电长度定义了现有技术中辐射元件的尺寸的下限，对于给定的辐射元件的工作带宽，可以减小偶极子的电长度。
根据第一方面的任意一种实现方式的辐射元件，在第三种实现方式中，第一偶极子被布置在第一水平层，并且环被布置在第二水平层，其中，第一水平层和第二水平层之间的垂直距离小于第一偶极子的电长度的5％。本文所用的术语“水平”和“垂直”仅旨在描述元件彼此的相对位置。然而，这些术语并不是旨在描述辐射元件相对于地球表面的方向。天线元件可以朝向相对于地球表面的任何方向。第一水平层相对于第二水平层的相对位置小于偶极子的电长度的5％，或者优选地，小于偶极子的电长度的2％，以使得环可以有效地充当电镜，以减小给定工作带宽的辐射元件的总尺寸。此外，两个水平层之间的垂直距离甚至可以为零，以使得环和第一偶极子被布置在同一层。
根据第一方面本身或第一方面的任意一种实现方式的辐射元件，在第四种实现方式中，支撑结构包括印刷电路板PCB，第一偶极子在PCB的一个面上形成，并且至少一个环在PCB的所述面、PCB的所述面的相对面或PCB的中间层上形成。或者，第一偶极子在PCB的中间层形成并且第一环在PCB的顶面或底面上形成。根据该实现方式，使用PCB作为支撑结构使得辐射元件易于制作。此外，由于与偶极子的长度相比，PCB的厚度通常非常小，所以PCB还可以实现第三种实现方式中定义的偶极子和环之间的水平距离的优选距离。
根据第一方面本身或第一方面的任意一种实现方式的辐射元件，在第五种实现方式中，辐射元件具有布置在支撑结构上的第二电闭合环，其中，第二环围绕第一偶极子并且与第一偶极子电隔离。第二环也可以充当第一偶极子的电镜，并且第二环有助于减小给定工作带宽的辐射元件的尺寸。
在根据第五种实现方式的辐射元件的第六种实现方式中，第二环布置在第三水平层，该第三水平层到布置第一偶极子的第一水平层的垂直距离不超过第一偶极子的总长度的5％。为了有助于实现减小辐射元件尺寸的技术效果，第二环的位置优选地与第一环对称(从俯视视角看时与第一环重叠)。
在根据第五种或第六种实现方式的辐射元件的第七种实现方式中，支撑结构是印刷电路板PCB，第一环在PCB的顶面形成，并且第二环在PCB底面形成。与第四种实现方式类似，这种实现方式使得辐射元件易于制作。这种实现方式的优点在于第一环和第二环之间的垂直距离较短，因而可以容易地彼此对称布置。垂直距离由PCB的厚度限定。
根据第一方面的任意一种实现方式的辐射元件，在第八种实现方式中，辐射元件被配置为安装在反射器上，并且辐射元件还包括另一支撑结构，该另一支撑结构被配置为当辐射元件安装到反射器上时，将支撑结构提升到反射器的上方。该种实现方式的另一支撑结构机械式传导到第一偶极子和/或第一环的结构的支撑。因此，另一支撑结构被配置为将承载有辐射元件的支撑结构与反射器隔开。
根据第八种实现方式的辐射元件的第九种实现方式中，另一支撑结构包括第一偶极脚对，其中，第一偶极脚对具有连接到第一偶极子的至少4个电连接点或电容连接点。与每个偶极脚只有一个连接点相比，两个电连接点或电容连接点为驱动偶极子提供了更好的效率。连接点可以包括焊接接头，该焊接接头直接电流连接到第一偶极子或者电容连接到第一偶极子。例如，每个偶极脚的焊接接头可以通过各自偶极臂的间隙隔开，以使得连接点电容连接到各偶极臂。直接电连接和电容连接都为驱动偶极子提供了有效途径。
根据第一方面的任意一种实现方式的辐射元件，在第十种实现方式中，第二偶极子布置在支撑结构上的与第一偶极子相同的水平层，第二偶极子的长度延伸的方向垂直于第一偶极子的长度延伸的方向。第二偶极子可以相对于第一偶极子以第二正交极化状态进行辐射。通过选择第一偶极子和第二偶极子之间的特定相移，可以生成任何方向的线性极化辐射，或者顺时针方向和逆时针方向旋转的圆形极化辐射以及椭圆形的极化辐射。
根据第一方面的第十种实现方式的辐射元件，在第十一种实现方式中，辐射元件包括针对第一偶极子的第一偶极脚对以及针对第二偶极子的第二偶极脚对，第一偶极脚对和第二偶极脚对彼此垂直布置，具体地，第一偶极脚对和第二偶极脚对(24；26)分别由粘附在一起的第一PCB和第二PCB组成。在印刷电路板上形成彼此垂直布置的偶极脚，使得偶极脚易于制作，且易于连接到相应的第一偶极子和第二偶极子。此外，PCB粘附在一起可以使分别连接到第一偶极子和第二偶极子的偶极脚对实现电隔离。
根据第一方面的第五种到第十一种实现方式的辐射元件，在第十二种实现方式中，第一偶极脚对和/或第二偶极脚对的偶极脚与第一偶极子和/或第二偶极子电流或电容连接。优选地，第一偶极脚对和第二偶极脚对都具有各自连接到第一偶极子和第二偶极子的至少四个电连接点或电容连接点，这样结合第八种实现方式确保了第一偶极脚的上述有效耦合。
根据第一方面的第九种到第十二种实现方式的辐射元件，在第十三种实现方式中，第一偶极子和/或第二偶极子的偶极脚被布置在两个垂直层中，优选地参照第十种实现方式中被布置在垂直PCB的顶面和底面上，其中，第一偶极脚和/或第二偶极脚的一层是平面导电层，并且第一偶极脚和/或第二偶极脚的第二层包括在各自偶极脚对上大致呈U型形状的导电路径。由于垂直的PCB提供了各偶极脚对的第一垂直层和第二垂直层的表面，这为驱动第一偶极子和/或第二偶极子提供了有效的设计，并且也易于制作。每个偶极脚的平面导电层充当第二层的U型导电路径的镜子。
根据第一方面的任何一种实现方式的辐射元件，在第十四种实现方式中，第一环和/或第三种实现方式中的第二环具有大致正方形的形状。这种实现方式使得辐射元件呈紧凑设计。
根据第一方面的任何一种实现方式的辐射元件，在第十五种实现方式中，基于第三种实现方式，第一环和第二环具有相同的形状。因此，第一环和第二环对称以提供对称的辐射区域。
根据第一方面的辐射元件，在第十六种实现方式中，第一偶极子和/或第二偶极子各自包括两个相对的偶极臂。此外，两个相对的偶极臂中的每一个偶极臂可以是两个相对的正方形区域，这两个相对的正方形区域的外缘转角具有凹槽。这种实现方式使得辐射元件呈紧凑设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例的技术特征，下面简要介绍用于描述实施例的附图。下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，在不脱离如权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，对这些实施例的修改是可能的。
图1示出了辐射元件的立体图。
图2示出了图1的辐射元件的俯视图。
图3示出了图1的辐射元件的仰视图。
图4示出了从底侧看图1的辐射元件的立体图。
图5示出了图1的辐射元件中仅偶极脚的侧面立体图。
图6示出了安装在支撑结构上的图1的辐射元件的立体图。
图7示出了表示第一和第二偶极子的电极化方向的图1的辐射元件的立体图。
图8示出了另一辐射元件的俯视图。
具体实施方式
参考图1至图3，描述了辐射元件的一个实施例。辐射元件包括支撑结构2，该支撑结构2是正方形PCB。在PCB 2的顶面上，第一偶极子(dipole)4和第二偶极子6位于同一个层上。第一偶极子4包括两个相对的偶极臂(dipole arm)4a、4b。第二偶极子6包括两个相对的偶极臂6a、6b。仅用于说明用途，PCB 2以透明的形式示出。偶极子4和偶极子6彼此垂直布置。参考图7，偶极子元件的电极化方向的示例用箭头8和箭头10表示。技术人员将理解，偶极子可以包括任意的相移，以使得辐射元件可以辐射任何线性或圆形或椭圆形的极化辐射区域。
PCB 2的顶面还包括环12，环12在本实施例中以正方形的形式示出，其中，正方形的边缘被切成斜线。顶环12完全围绕第一偶极子4和第二偶极子6。此外，顶环12与偶极子4、偶极子6以及辐射元件的所有其它电气元件都是电(galvanically)分离的。因此，顶环12是浮置的。
如图3所示，在PCB2的底面上设置有第二电环14，第二电环14也围绕第一偶极子4和第二偶极子6。第二环14也与地面以及天线元件的任何其它电气元件电分离。应当注意，如图3所示的偶极子4和偶极子6(可以看到是因为PCB 2是以透明的形式示出的)与图1所示的相同，偶极子4和偶极子6仅被布置在一面(在这种情况下，为顶面侧)或PCB的一层。然而，偶极子4和偶极子6也可以布置在PCB的另一层上或者甚至可以布置在PCB的不同层上。
第一环12和第二环14的垂直距离仅由PCB 2的厚度定义。通常，与偶极子4或偶极子6在其水平延伸方向的长度相比，第一环12和第二环14之间的垂直距离以及相对于第一偶极子4和第二偶极子6所在层的垂直距离是非常小的(小于5％或2％)。
此外，可以看出，以俯视视角或者仰视视角看时，第一环12和第二环14都不与偶极子4和偶极子6重叠。
环结构围绕偶极子结构的这种构造与不具有这种附加环结构的辐射元件相比，在辐射表面减小时可以保持天线的超宽带特性。通过这种方式，由于偶极子从LB(low band)的有用频带谐振出来，并且HB(high band)对于LB是电不可见的，反之亦然，因此偶极子能够达成频率偏移。顶环12和底环14为偶极子元件提供了附加谐振结构，从而增加了辐射元件的工作频率。由于环12和环14不直接接到地面，因此它们对LB(low band)阵列保持不可见。另一个优点是环被集成在相同的载体结构上，即PCB 2上，这样不需要附加元件来机械式连接辐射元件上的环12、14。
参考图3至图5，描述了辐射元件的脚结构。偶极子4和偶极子6中的每一个都与偶极脚(dipole feet)对24和偶极脚对26连接。偶极脚对24和偶极脚对26中的每一对都包括单个的PCB，这些PCB如图5所示堆叠在一起。在偶极脚24和偶极脚26的这些PCB的前端上，每个PCB分别包括四个连接点，该四个连接点为四个焊接片40a、40b、40c、40d，它们被插入到如俯视图图2中所示的第一偶极子4和第二偶极子6中的相应的槽中。这样，每个偶极脚通过两个连接点连接到相应的偶极臂。如图3和图4所示，偶极脚的焊接片直接电连接到相应的偶极子上。图8示出了根据本发明实施例的辐射元件的另一俯视图。而且，该辐射元件也包括两个交叉极化的偶极子4和偶极子6以及围绕这两个偶极子4、6的浮置的顶环12。偶极子4、6和顶环被布置在与顶环12相同的PCB层上。此外，图中示出了用于避免焊接片的焊接材料溢出PCB的焊接阻挡件34。然而，偶极子4和偶极子6的金属材料在焊接阻挡件34的下面是连续的。
图4和图5所示的每个偶极脚24和偶极脚26都包括PCB，该PCB在一面28上是平面导电的，并且在相对的另一面上包括大致呈U型形状的导电路径30。平面导电侧28也电连接到上述提及的每个偶极脚24、26的焊接片，且平面导电侧28通常接地。每个偶极脚24、26的导电路径30通常连接到射频RF信号源。
参考图6，辐射元件被示出为安装在表面结构32上，该表面结构32还可以包括PCB(例如，用于安装在反射板上)。从图6可以看出，偶极脚对24和偶极脚对26提供了支撑结构2和反射板之间定义的距离。因此，辐射元件可以容易地安装到天线结构中。应当理解，在单个基站天线结构中，可以将多个辐射元件安装在彼此相邻的反射器上。
这隐含表明前述的所有描述对于包括单个偶极子而非两个偶极子的单极化辐射元件仍然有效。事实上，环和偶极子之间的电磁耦合原理仍然是有效的。因此，本发明的进一步的实施例提供了仅具有一个偶极子或多于两个偶极子的辐射元件。
前述的描述仅是本发明的实现方式，本发明的范围的保护不限于此。本领域技术人员可以容易地进行任何变化或替换。因此，本发明的保护范围应受到所附权利要求的保护范围的约束。

Claims (20)

1.一种辐射元件，包括：
支撑结构，
布置在所述支撑结构上的第一偶极子，以及
布置在所述支撑结构上的至少一个第一电闭合环，
其中，所述第一电闭合环围绕所述第一偶极子并且与所述第一偶极子电隔离。
2.根据权利要求1所述的辐射元件，其中，所述第一偶极子的谐振频率高于所述辐射元件的工作带宽的中心频率。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中所述第一电闭合环是浮置的。
4.根据权利要求2所述的辐射元件，其中，所述第一偶极子的所述谐振频率高于所述辐射元件的所述工作带宽的上限。
5.根据权利要求1至4任一项所述的辐射元件，其中，所述第一偶极子被布置在第一水平层，并且所述第一电闭合环被布置在第二水平层，其中，所述第一水平层和所述第二水平层之间的垂直距离小于所述第一偶极子的电长度的5％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的辐射元件，其中，所述支撑结构包括印刷电路板PCB，其中，所述第一偶极子在所述PCB的一个面上形成，并且所述至少一个第一电闭合环在所述PCB的所述面、所述PCB的相对面或所述PCB的中间层上形成，或者，所述第一偶极子在所述PCB的中间层形成并且所述第一电闭合环在所述PCB的顶面或底面上形成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的辐射元件，还包括布置在所述支撑结构上的第二电闭合环，其中，所述第二电闭合环围绕所述第一偶极子并且与所述第一偶极子电隔离。
8.根据权利要求7所述的辐射元件，其中，所述第二电闭合环布置在第三水平层，所述第三水平层到布置所述第一偶极子的第一层的垂直距离不超过所述第一偶极子的总长度的5％。
9.根据权利要求7或8所述的辐射元件，其中，所述支撑结构是印刷电路板PCB，所述第一电闭合环在所述PCB的顶面形成，并且所述第二电闭合环在所述PCB底面形成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的辐射元件，其中，所述辐射元件被配置为安装在反射器上，并且所述辐射元件还包括：
另一支撑结构，被配置为当所述辐射元件安装到所述反射器上时，将所述支撑结构提升到所述反射器的上方。
11.根据权利要求10所述的辐射元件，其中，所述另一支撑结构包括第一偶极脚对，其中，所述第一偶极脚对具有连接到所述第一偶极子的至少4个电连接点或电容连接点。
12.根据权利要求11中所述的辐射元件，还包括第二偶极子，所述第二偶极子布置在所述支撑结构上的与所述第一偶极子相同的水平层，所述第二偶极子的长度延伸的方向垂直于所述第一偶极子的长度延伸的方向。
13.根据权利要求12所述的辐射元件，还包括针对所述第一偶极子的第一偶极脚对以及针对所述第二偶极子的第二偶极脚对，所述第一偶极脚对和所述第二偶极脚对彼此垂直布置，所述第一偶极脚对和第二偶极脚对分别由粘附在一起的第一PCB和第二PCB组成。
14.根据权利要求11至13任一项所述的辐射元件，其中，所述第一偶极脚对和/或第二偶极脚对与所述第一偶极子和/或第二偶极子电或电容连接。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的辐射元件，其中，所述第一偶极脚对和/或第二偶极脚对被布置在两个垂直层中，参照权利要求11中被布置在垂直PCB的顶面和底面上，其中，所述第一偶极脚对和/或第二偶极脚对的一层是平面导电层，并且所述第一偶极脚对和/或第二偶极脚对的第二层包括在各自所述第一偶极脚对和第二偶极脚对上呈U型形状的导电路径。
16.根据权利要求7至9中任一项所述的辐射元件，其中，所述第一电闭合环和/或所述第二电闭合环具有正方形的形状。
17.根据权利要求7至9中任一项所述的辐射元件，其中，所述第一电闭合环和所述第二电闭合环具有相同的形状。
18.根据权利要求1至7中任一项所述的辐射元件，其中，所述第一偶极子和/或第二偶极子各自包括两个相对的正方形区域，所述两个相对的正方形区域的外缘转角具有凹槽。
19.一种天线，其特征在于，所述天线包括权利要求1至18任一项所述的辐射元件。
20.一种基站，其特征在于，所述基站包括权利要求18所述的天线。
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