CN112567574B - 用于隔离双极化天线中的正交信号路径并产生附加谐振的寄生元件 - Google Patents
用于隔离双极化天线中的正交信号路径并产生附加谐振的寄生元件 Download PDFInfo
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Abstract
一种天线系统可包括在相同侧向平面中具有第一偶极和第二偶极的双极化天线元件，第一偶极具有第一偶极臂和第二偶极臂，第二偶极包括第三偶极臂和第四偶极臂，第一偶极与第二偶极位于同一位置，并且第一偶极具有与第二偶极正交的极化。该天线系统可进一步包括寄生元件，每个寄生元件包括至少两个分支，该至少两个分支包括以一定角度定向并形成顶点的第一分支和第二分支。第一寄生元件的第一分支可平行于第一偶极的第一偶极臂定位在第一耦合距离处，并且第二分支可平行于第二偶极的第三偶极臂定位在第二耦合距离处。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2018年8月3日提交的序列号为62/714,421的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请通过引用以其全部并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及通信天线系统，并且更特别地涉及具有寄生元件的双极化天线元件和天线阵列，该寄生元件具有改善的端口到端口的隔离性和加宽的阻抗带宽。
背景技术
近年来已经释放了附加的频谱带，并且蜂窝运营商已经在部署新的无线电接入技术来满足订户业务需求。基站站点处的天线系统可支持在非常大的带宽(例如617-960MHz，1427-2690MHz)上操作的多个频带。天线系统还可优选地具有期望的辐射特性和分集性能，具有良好的端口到端口的隔离。具有在相同天线结构上的两个独立RF端口的双极化天线元件广泛用于移动通信中，因为两个正交极化元件位于同一位置而没有空间损失，并且还为无线电提供了极化分集的手段。
发明内容
在一个示例中，本公开描述了一种天线系统，该天线系统包括至少一个双极化天线元件，该至少一个双极化天线元件包括在相同侧向平面中的第一偶极和第二偶极，第一偶极包括第一偶极臂和第二偶极臂，第二偶极包括第三偶极臂和第四偶极臂，第一偶极与第二偶极位于同一位置，并且第一偶极具有与第二偶极正交的极化。该天线系统可进一步包括多个寄生元件，每个寄生元件包括至少两个分支，该至少两个分支包括以一定角度定向并形成顶点的第一分支和第二分支。在一个示例中，多个寄生元件中的第一寄生元件的第一分支定位在第一耦合距离处并且平行于第一偶极的第一偶极臂。另外，第一寄生元件的第二分支可定位在第二耦合距离处并且平行于第二偶极的第三偶极臂。
在一个示例中，本公开还描述了一种包括至少两个分支的寄生元件，该至少两个分支包括以一定角度定向并形成顶点的第一分支和第二分支。在一个示例中，寄生元件用于作为至少一个双极化天线元件的多个寄生元件中的一个来部署，该至少一个双极化天线元件包括在相同侧向平面中的第一偶极和第二偶极，第一偶极包括第一偶极臂和第二偶极臂，第二偶极包括第三偶极臂和第四偶极臂，第一偶极与第二偶极位于同一位置，并且第一偶极与第二偶极正交极化。在一个示例中，寄生元件的第一分支用于定位在第一耦合距离处并且平行于第一偶极的第一偶极臂，并且寄生元件的第二分支用于定位在第二耦合距离处并且平行于第二偶极的第三偶极臂。
附图说明
通过结合附图考虑以下详细描述，可容易地理解本公开的教导，在附图中：
图1描绘了具有三重阵列配置的基站天线；
图2A至2D示出了偶极天线或天线元件的示例；
图3A至3D示出了根据本公开的具有"V"形寄生元件的双极化天线元件的示例；
图4A至4D示出了根据本公开的三分支寄生元件以及包括这种三分支寄生元件的天线或天线元件；
图5示出了根据本公开的具有双极化天线元件的天线阵列，该天线阵列用于在集成有寄生元件的射频(RF)频率的低频带(LB)中进行操作；
为了便于理解，在可能的情况下使用相同的参考标号来表示附图中共同的等同元件。
具体实施方式
本公开的示例描述了一种用以改善端口到端口的隔离并加宽诸如交叉偶极天线元件的双极化天线元件的阻抗带宽的技术。在双极化天线元件的辐射元件(例如，从动偶极)之间添加了寄生元件，以提供正交射频(RF)电流消除。这导致跨双极化天线元件的大带宽的改善的隔离。同时，寄生元件还产生附加的谐振模式，该谐振模式耦合到主辐射元件中以加宽操作带宽。
如在本文中所使用的那样，用语"天线"和"天线阵列"可互换地使用。为了保持一致，且除非另外特别地说明，否则对于所描绘的天线阵列中的任一个，实际水平线在页面上指示为从左到右/从右到左，而向上/竖直方向为从页面的底部到页面的顶部的方向，与图的文本/数字一致。
还应该注意，尽管在本文中可使用用语"第一"、"第二"、"第三"等，但是这些用语仅旨在作为标记。因此，在一个示例中使用诸如"第三"之类的用语并不一定意味着该示例在每种情况下都必须包括相似项目的"第一"和/或"第二"。换句话说，用语"第一"、"第二"、"第三"和"第四"的使用并不意味着与那些数值相对应的那些项目的特定数量。另外，除非另外指示，否则例如用语"第三"的使用并不意味相对于项目的特定类型的"第一"和/或"第二"的特定顺序或时间关系。
近年来已经释放了附加的频谱带，并且蜂窝运营商已经在部署新的无线电接入技术来满足订户业务需求。基站站点处的天线系统可支持在非常大的带宽(例如617-960MHz，1427-2690MHz)上操作的多个频带。天线系统还可优选地具有期望的辐射特性和分集性能，并且具有良好的端口到端口的隔离。具有在相同天线结构上的两个独立RF端口的双极化天线元件广泛用于移动通信中，因为两个正交极化元件位于同一位置而没有空间损失，并且还为无线电提供了极化分集的手段。
图1描绘了具有基站天线100的三重阵列配置，该基站天线包括一系列的N个单元格1101至110N，其配置成构成位于反射器102上方的三个双极化天线阵列106,107和108。第一双极化天线阵列106设计成用于在RF频率的LB范围中操作，而第二双极化天线阵列107和第三双极化天线阵列108设计成用于在RF频率的HB范围中操作。每个单元格包括用于LB双极化天线阵列106的较大的LB双极化天线元件101、用于第一HB双极化天线阵列107的两个HB双极化天线元件(每个元件103)，以及用于第二HB双极化天线阵列108的两个HB双极化天线元件(每个元件104)。HB双极化天线元件之间的竖直距离或间距典型地是LB双极化天线元件101的间距的一半。在该三重双极化列天线阵列中，LB双极化天线阵列106典型地位于反射器102的中心。该配置通常也称为"并排"基站天线配置。
LB双极化天线元件101可包括诸如具有+45度的倾斜极化的偶极的辐射元件101A和具有-45度的倾斜极化的正交极化辐射元件101B。LB双极化天线元件1101-110N中的每个沿反射器102的长度以预定间距分布，该预定间距调整成对于方向性、仰角辐射主波束倾斜范围和仰角辐射图旁瓣性能进行优化。第一HB双极化天线阵列107的每个双极化天线元件103还分别包括+45度极化和-45度极化的辐射元件103A和103B。第二HB双极化天线阵列108的每个双极化天线元件104还分别包括+45度极化和-45度极化的辐射元件104A和104B。由于这种布置，天线的反射器宽度可加宽以容纳所有这些元件。然而，元件的附近仍可产生附加的相互耦合效应，从而导致辐射图的破坏、端口到端口的隔离度变差以及阻抗带宽降低。
如图2A中所示，第一偶极203(或"偶极天线")可包括经由馈送端口202连接的成对的四分之一波长导体201A和201B，以将射频(RF)功率驱动到偶极203中以用于辐射。这种布置使谐振偶极203具有操作频率F1的一半波长(λ/2)的近似长度。为了产生如图2B中所示的双极化或分集偶极对，将具有馈送端口204的第二偶极205正交于第一偶极203放置，其中用于第一偶极203和第二偶极和205的馈送端口202和204两者位于同一位置。
另外，由于每个偶极203和205的物理长度产生单个电流路径（例如如图2A中所示的电流路径207），因此每个偶极仅在单个频率F1上谐振。可使用若干技术来增强单个偶极的带宽，诸如如图2C中所示，增加进入成对的方形辐射器206A和206B的引导区域的尺寸，或通过使用如图2D中所示的寄生元件208来在两种情况下生成附加的共振。图2C中所示的天线也被称为"蝶形"天线，并具有受激励的两个电流路径。第一路径207A具有导致谐振频率F1的最短路径，并且第二路径207B沿导体的边缘导致第二谐振频率F2。在图2D中，具有不同导体长度的寄生元件208在靠近偶极203放置时(经由电流路径207B)引起第二谐振频率F2。寄生地耦合的第二谐振的结果是偶极/辐射元件的带宽增加。
双极化天线元件可设计成用于最佳(即，从低到零)辐射的交叉极化分量或用于最佳(即，大)带宽。这两个设计目标经常相互冲突。使用蝶形偶极的宽带双极化天线元件可能会产生较大的辐射交叉极化分量，而使用偶极的双极化天线元件可能会提供较小的辐射交叉极化分量，但仍保持相对窄带。这是因为馈源和偶极/辐射元件的物理尺寸不随频率缩放，无法提供一致的最佳辐射行为。
为了在保持较宽带宽的同时实现良好的端口到端口的隔离和改善的交叉极化水平，天线设计可使用口径耦合馈源或馈送电容耦合方法来最小化天线发射探针的寄生电感效应(例如，经由焊接联结等耦合至辐射元件的物理馈送管线或无物理接触的寄生耦合)以提供更大的带宽。在另一个示例中，可使用多个馈送端口以反相驱动相同的天线元件，以抵消造成辐射的交叉极化功率的寄生电流幅度。减少馈送端口的数量和馈送网络的复杂性可改善端口到端口的隔离。然而，可需要特定的定相技术来确保所有元件都相干地辐射。
本公开的示例增强了单谐振偶极(或偶极天线)的阻抗带宽，并且还生成了正交电流路径，该正交电流路径允许在双极化天线元件部署中对交叉极化功率进行矢量抵消，从而提供改善的辐射图性能、端口到端口的隔离(例如，在向双极化天线元件和/或天线阵列的正交极化辐射元件馈送的RF端口之间)和简化的实现方式，而没有多个馈源的复杂性。
图3A示出了具有双极化天线元件301的示例，该天线元件包括两个正交极化(并且正交定向)并置的偶极203和205(或"辐射元件")，其中半波长电流路径分别由303和307表示。在图3B中，四个"V"形直角寄生元件302A,302B,302C,302D位于双极化天线元件301周围。这些寄生元件302A,302B,302C,302D放置在距构件偶极203和205相等的距离304处。换句话说，寄生元件302A,302B,302C,302D以对称的方式围绕双极化天线元件301的假想中心分布。
图3C示出了双极化天线元件301的电流分布，并示出了由如图3B中所配置的寄生元件引入的附加谐振。如先前结合图2A所描述的那样，偶极203由于电流路径303而在频率F1处谐振。从寄生元件302A和302D的附近，感应出与电流路径303的方向相反的电流路径305。类似地，对于寄生元件302B和302C，也感应出与主电流路径303的方向相反的电流路径306。偶极203(例如，从动偶极/辐射元件)上的电流路径305和306的电气长度会产生第二谐振F2，该第二谐振会加宽双极化天线元件301的带宽。305和306的电流路径典型地比303的电流路径更短，这意味着F2典型地比F1具有更高的频率。
图3D示出了寄生元件302A,302B,302C和302D的电流消除效果，以改善端口到端口的隔离。类似于图3C的描述，其中偶极203由电流路径303激励，由于寄生元件302A的物理长度上的电流连续性，寄生元件302A上的电流路径305也感应出电流路径305A。类似地，由于寄生元件302D上的电流连续性，302D上的电流路径305也感应出电流305B。要注意的是，305A和305B的电流矢量在相反的方向上。以相同的方式，电流路径303还在寄生元件302B和302C上感应出电流路径306。由于寄生元件302B和302C的物理长度上的电流连续性，还产生了电流路径306A和306B。注意，306A和306B的电流矢量也在相反的方向上。这意味着从偶极203生成的电流矢量将最小程度地耦合到正交偶极205中，因为相反的电流矢量305A,305B和306A,306B相互抵消，从而在偶极205中没有感应电流。使用这些寄生电流消除技术的双极化天线设计可改善端口到端口的隔离度，并减少或消除不期望的交叉极化分量。
图4A示出了对称的V形寄生元件302的结构，其包括至少两个构件分支或臂401和403，它们接合在一起以形成顶点，例如成直角或基本上成直角。第三臂402可存在于两个臂之间以帮助双极化天线元件301对于回波损耗和隔离参数的调整。另外，可调节臂401,402和403的厚度401A,402A和403A以进一步改善性能。
在图4B中，寄生元件302A,302B,302C和302D分布在双极化天线元件301周围。寄生元件302A和302C与偶极203和205以314A的距离间隔开。寄生元件302B和302D与偶极203和205以314B的距离间隔开。在一个示例中，距离314A和314B可相同。然而，如果相同阵列或其它阵列的其它天线元件非常接近，则可配置距离314A和314B之间的不同关系以便优化电流消除和带宽改善响应。
如图4C中所示，四个寄生元件302A,302B,302C,302D位于由404表示的水平面上。偶极203和205位于405表示的平面上。在一个示例中，平面404上的寄生元件302A,302B,302C,302D与平面405对准。然而，如果相同阵列或其它阵列的其它天线元件非常接近，则寄生元件302A,302B,302C,302D的平面404和偶极203和205的平面405可能不同，从而导致分离距离406，以便获得最佳电流消除和带宽改善。另外，可调节寄生元件302上的臂401,402和/或403的厚度407，以进一步改善与从动偶极203和205的耦合。例如，厚度407可使得臂401,402和/或403部分地位于平面405内。在一个示例中，臂401,402和/或403可向下折叠、下降、向下倾斜等，使得臂401,402和/或403部分地位于平面405内。为了进一步改善匹配特性，图4D示出了可在偶极203和205的顶部上包括附加的寄生元件408(例如，贴片元件)。
图5示出了具有双极化天线元件301的天线阵列501，该天线阵列用于在与寄生元件302A,302B,302C,302D集成并位于天线反射器510中心的RF频率的低频带(LB)中操作。在图5中，天线阵列501的顶部在页面的左侧。设计成用于在RF频率的高频带(HB)中操作的较小尺寸的双极化天线元件位于LB双极化天线元件301周围。图5的左HB天线阵列502A的天线元件可包括双极化的"蝶形"元件503和504，而右HB天线阵列502B的天线元件可包括天线元件505和506(也是双极化蝶形元件)。该布置可称为在i个单元格配置507i内的HB天线元件的并排布置。第一个单元格称为5071，其中N个单元格沿天线反射器510的长度508以竖直阵列排列，最后一个单元格称为507N。
单元格配置507i是复杂的RF环境，其中LB和HB双极化天线元件的带内隔离可能由于天线元件的相互耦合而降低。在一个示例中，可通过将HB双极化天线元件503,504,505和506布置成与相应的LB双极化天线元件301相等的距离来最大化隔离，如沿反射器510的长度508的距离D591，以及沿反射器510的宽度509的距离D592限定。这意味着从LB双极化天线元件301的中心到HB双极化天线元件503,504,505和506的每个的中心的距离D591和D592相等。
然而，在如上所述的具有一个LB和四个HB双极化天线元件的单元格配置的许多基站天线中，分隔距离D591和D592不相等。通常，当D591大于D592时，仰角辐射平面中的光栅波瓣以较浅的仰角波束倾斜角出现。D592的距离可限于反射器宽度尺寸，该反射器宽度尺寸可用于放置在LB双极化天线元件301的左侧和右侧的HB双极化天线元件503,504,505和506。可将HB双极化天线元件503,504,505和506放置成与LB双极化天线元件301尽可能远，以减小来自较大的LB分量偶极的阴影效应并最小化相互的交互。因此，不相等的分隔距离D591和D592可能会导致不平衡的RF环境，从而导致LB双极化天线元件301中的较少端口到端口的隔离和/或交叉极化隔离。为了恢复对称的RF环境，可将单元格507N中的LB双极化天线元件301上示出的寄生元件302A,302B,302C,302D独立地调整到最佳位置。例如，寄生元件302B和302D可在距离314B处分离，该距离不等于寄生元件302A和302C在314A距离处的分离。LB双极化天线元件301周围的寄生元件302A和/或302C,302B和/或302D的不平衡分离距离可抵消HB双极化天线元件分离距离D591和D592的不平衡。这导致改善的天线性能。还应该注意，在各个示例中，分隔距离314A和314C也可为不同的，并且对于D591和D592一样。
应该注意，本公开的示例描述了+45/-45度倾斜线性极化的使用。然而，尽管线性极化是典型的，并且使用线性极化给出了示例，但是本公开的其它实施例可容易地达到，例如，如本领域技术人员将理解的，包括双正交椭圆极化或左旋圆极化和右旋圆极化。
尽管上文描述了根据本公开的一个或多个方面的各种示例，但是在不脱离本公开的范围的情况下，可设计根据本公开的一个或多个方面的其它和进一步的示例，其由所附的权利要求书及其等同形式确定。
Claims (23)
1.一种天线系统，包括：
至少一个双极化天线元件，所述至少一个双极化天线元件包括在相同侧向平面中的第一偶极和第二偶极，所述第一偶极包括第一偶极臂和第二偶极臂，所述第二偶极包括第三偶极臂和第四偶极臂，所述第一偶极与所述第二偶极位于同一位置，并且所述第一偶极具有与所述第二偶极正交的极化；以及
多个寄生元件，每个寄生元件包括至少两个分支，所述至少两个分支包括以一定角度定向并形成顶点的第一分支和第二分支；
其中所述多个寄生元件中的第一寄生元件的第一分支定位在第一耦合距离处并且平行于所述第一偶极的第一偶极臂；
其中所述第一寄生元件的第二分支定位在第二耦合距离处并且平行于所述第二偶极的第三偶极臂；
其中所述多个寄生元件中的第二寄生元件的第一分支定位在第三耦合距离处并且平行于所述第一偶极的第一偶极臂；
其中所述第二寄生元件的第二分支定位在第四耦合距离处并且平行于所述第二偶极的第四偶极臂；
其中所述多个寄生元件中的第三寄生元件的第一分支定位在第五耦合距离处并且平行于所述第二偶极的第四偶极臂；
其中所述第三寄生元件的第二分支定位在第六耦合距离处并且平行于所述第一偶极的第二偶极臂；
其中所述多个寄生元件中的第四寄生元件的第一分支定位在第七耦合距离处并且平行于所述第一偶极的第二偶极臂；
其中所述第四寄生元件的第二分支定位在第八耦合距离处并且平行于所述第二偶极的第三偶极臂。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一耦合距离和所述第二耦合距离相等。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第三耦合距离和所述第四耦合距离相等。
4.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，所述第一耦合距离、所述第二耦合距离、所述第三耦合距离和所述第四耦合距离相等。
5.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第五耦合距离和所述第六耦合距离相等。
6.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第六耦合距离和所述第七耦合距离相等。
7.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第五耦合距离、所述第六耦合距离、所述第七耦合距离和所述第八耦合距离相等。
8.根据权利要求7所述的天线系统，其特征在于，所述第一耦合距离、所述第二耦合距离、所述第三耦合距离、所述第四耦合距离、所述第五耦合距离、所述第六耦合距离、所述第七耦合距离和所述第八耦合距离相等。
9.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，对于所述多个寄生元件中的每个寄生元件，所述至少两个分支的长度是相等的。
10.根据权利要求9所述的天线系统，其特征在于，在所述多个寄生元件中，所述多个寄生元件中的每个寄生元件的所述至少两个分支的长度相等。
11.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述多个寄生元件与所述第一偶极和所述第二偶极位于相同的侧向平面中。
12.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述多个寄生元件相对于所述第一偶极和所述第二偶极位于不同的平面中。
13.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，包括方形贴片的寄生耦合结构位于所述第一偶极和所述第二偶极的交点上方的平面中。
14.一种包括至少两个分支的寄生元件，所述至少两个分支包括以一定角度定向并形成顶点的第一分支和第二分支，其中所述至少两个分支包括在所述顶点处接合的第三分支，并且所述第三分支在相同平面内相对于所述至少一个寄生元件的所述第一分支和所述第二分支成45度定向；
其中所述寄生元件用于作为至少一个双极化天线元件的多个寄生元件中的一个来部署，所述至少一个双极化天线元件包括在相同侧向平面中的第一偶极和第二偶极，所述第一偶极包括第一偶极臂和第二偶极臂，所述第二偶极包括第三偶极臂和第四偶极臂，所述第一偶极与所述第二偶极位于同一位置，并且所述第一偶极与所述第二偶极正交极化；
其中所述寄生元件的第一分支用于定位在第一耦合距离处并且平行于所述第一偶极的第一偶极臂；
其中所述寄生元件的第二分支用于定位在第二耦合距离处并且平行于所述第二偶极的第三偶极臂。
15.根据权利要求14所述的寄生元件，其特征在于，所述第一耦合距离和所述第二耦合距离相等。
16.根据权利要求14所述的寄生元件，其特征在于，所述第一分支的长度和所述第二分支的长度相等。
17.一种天线系统，包括：
至少一个双极化天线元件，所述至少一个双极化天线元件包括在相同侧向平面中的第一偶极和第二偶极，所述第一偶极包括第一偶极臂和第二偶极臂，所述第二偶极包括第三偶极臂和第四偶极臂，所述第一偶极与所述第二偶极位于同一位置，并且所述第一偶极具有与所述第二偶极正交的极化；以及
多个寄生元件，每个寄生元件包括至少两个分支，所述至少两个分支包括以一定角度定向并形成顶点的第一分支和第二分支；
其中所述多个寄生元件中的第一寄生元件的第一分支定位在第一耦合距离处并且平行于所述第一偶极的第一偶极臂；
其中所述第一寄生元件的第二分支定位在第二耦合距离处并且平行于所述第二偶极的第三偶极臂；
其中所述多个寄生元件中的至少一个寄生元件具有在所述顶点处接合的第三分支，并且所述第三分支在相同平面内相对于所述至少一个寄生元件的所述第一分支和所述第二分支成45度定向。
18.根据权利要求17所述的天线系统，其特征在于，所述第一耦合距离和所述第二耦合距离相等。
19.根据权利要求17所述的天线系统，其特征在于，对于所述多个寄生元件中的每个寄生元件，所述至少两个分支的长度是相等的。
20.根据权利要求19所述的天线系统，其特征在于，在所述多个寄生元件中，所述多个寄生元件中的每个寄生元件的所述至少两个分支的长度相等。
21.根据权利要求17所述的天线系统，其特征在于，所述多个寄生元件与所述第一偶极和所述第二偶极位于相同的侧向平面中。
22.根据权利要求17所述的天线系统，其特征在于，所述多个寄生元件相对于所述第一偶极和所述第二偶极位于不同的平面中。
23.根据权利要求17所述的天线系统，其特征在于，包括方形贴片的寄生耦合结构位于所述第一偶极和所述第二偶极的交点上方的平面中。
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