CN113519090B - 用于天线元件的馈电方法和馈电结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，特别涉及用于移动通信的天线。本发明提出了用于给这样的天线的双极化天线元件馈电的馈电结构和馈电方法。馈电结构包括被配置成激励双极化天线元件的辐射元件的至少三个槽。至少第一槽被配置成产生双极化天线元件的第一极化，并且至少第二槽和第三槽被配置成一起产生双极化天线元件的第二极化。

Description

用于天线元件的馈电方法和馈电结构

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及用于移动通信的天线。本发明涉及这样的天线的天线元件的馈电。因此，本发明提出用于给双极化天线元件馈电的馈电方法以及用于给这样的天线元件馈电的馈电结构。本发明主要关注的是改进不同极化之间的隔离度。

背景技术

随着对天线与无线电例如天线在有源天线系统(Active Antenna Systems，AAS)中的更深集成的需求的增长，在不损害某些天线关键性能指标(Key PerformanceIndicator,KPI)的情况下，需要新的具有扩展带宽的低剖面天线。更深的天线集成导致更复杂的系统，并强烈地影响/限制天线形状因数，天线形状因数对于天线的商业现场部署至关重要。在本文中，由于天线需要与其他有源/无源部件集成，所以主要的限制技术因素之一是天线的馈电复杂度。

为了覆盖现代天线系统中的标准工作频带，同时还保持与可容易地与其他部件集成的天线元件相同的RF性能，需要不同于传统技术的新概念/架构。

宽带和低剖面双极化天线元件对于设计未来的天线系统很重要。当考虑这样的天线元件(其中，一个或更多个天线元件可以形成天线)的性能时，天线元件的馈电可能通过信号路径中的耦合(传导耦合)限制了极化隔离度。因此，改进极化之间的隔离度将导致对紧密间隔的天线元件的耦合的改进，这进而自然意味着天线方向图形状的改进。

图13示出了(左侧)为示例性双极化天线元件设计的交叉槽。交叉槽是叠加两个正交槽(槽1和槽2)的结果。这些叠加的槽中的每个槽可以在任意点(阻抗将改变)被馈电，以产生双极化天线元件的一个极化。

如图13(右侧)所示，常规地，通过在槽下方或上方穿过至少一条馈电线(RF线)来激励每个槽，以便将来自馈电线的信号耦合到槽。获得良好的辐射方向图稳定性和带宽的常规方法是在距槽中心的两个对称点中给任何槽馈电。

如果天线单元是双极化的(即，具有两个槽)，具有两个独立的端口(即，两个端口，每个极化一个端口)，则需要良好的辐射方向图稳定性和带宽(即，每个槽双馈电，这给出了四条馈电线)，并且如果仅一个层可以用于馈电线：则馈电(结构)的实现需要线交叉。

在图13(右侧)中还描绘了这样的线交叉。这种在其间没有任何屏蔽的情况下实现的线交叉将增加分别通过两个端口(端口1和端口2)的馈电线的不同信号之间的耦合。因此，显著降低了极化隔离度。

发明内容

鉴于上述缺点，本发明的实施方式旨在改进当前的馈电方法和馈电结构。目的是提供分别用于双极化(槽馈电)天线元件的馈电方法和馈电结构，这提供改进的极化隔离度。为此，要避免馈电线交叉。天线元件应当具有低剖面并且应当可用于AAS(这意味着与无线电收发器单元(radio transceiver unit，RRU)集成)。天线元件还应当适合于放置在非常复杂的天线阵列中。天线元件应当特别可用于mMIMO阵列。

通过如所附独立权利要求中所述的本发明的实施方式来实现该目的。在从属权利要求中进一步限定了本发明的有利实现方式。

本发明的实施方式通过避免不同极化馈电的(馈电线的)线交叉来改进极化之间的隔离度。例如，在天线元件需要与其他无源部件和有源部件一起嵌入的情况下，避免这样的线交叉还提供了额外的灵活性。这进一步降低了制造成本。

特别地，本发明的实施方式提出了借助于三个不同且分离的槽给双极化天线元件馈电，以便实现双极化操作。以此方式，大大提高了天线元件的极化之间的隔离度(>55dB)。

本发明的第一方面提供了一种用至少三个槽给双极化天线元件馈电的方法，该方法包括：激励至少第一槽以产生双极化天线元件的第一极化，以及激励至少第二槽和第三槽以一起产生双极化天线元件的第二极化。

第一方面的馈电方法允许在显著改进极化隔离度的情况下给双极化(槽馈电)天线元件馈电。特别地，由于通过使用三个槽而不是两个槽(用于两个极化)，因此可以避免用于给槽馈电的馈电线交叉。

在第一方面的实现形式中，至少三个槽被激励，使得第二槽和第三槽一起具有与第一槽相同的相位中心。

这在产生双极化天线元件的两个极化时得到改进的性能。

在第一方面的实现形式中，第二槽和第三槽被同相激励以产生第二极化。

这在产生双极化天线元件的两个极化时得到改进的性能。

在第一方面的实现形式中，第二槽和第三槽以相等的幅值和相位被激励以产生第二极化。

这在产生双极化天线元件的两个极化时得到改进的性能。

在第一方面的实现形式中，每个槽在对称地布置在槽的中心的相对侧上的两个点处被激励。

这改进了天线元件的辐射方向图稳定性和极化隔离度。

在第一方面的实现形式中，第二槽和第三槽分别在与第一槽不同的阻抗点处被激励。

当激励槽时，端口激励所看到的阻抗沿着槽的长度变化。因此，在贯穿槽长度的不同点处给槽馈电提供了不同的阻抗。这样，可以在不同的阻抗点处进行激励。

在第一方面的实现形式中，激励至少三个槽使得激励辐射元件，特别是贴片天线元件。

在第一方面的实现形式中，当激励第一槽时，第二槽和第三槽分别在与槽中感应最小电流的区域共处的点处被激励。

这进一步提高了极化之间的隔离度。

本发明的第二方面提供一种用于双极化天线元件的馈电结构，所述馈电结构包括：被配置成激励双极化天线元件的辐射元件的至少三个槽，其中，至少第一槽被配置成产生双极化天线元件的第一极化，并且至少第二槽和第三槽被配置成一起产生双极化天线元件的第二极化。

馈电结构的三个槽可以被布置在层中，例如电路板的同一层中。每个槽可以由至少一对馈电线激励以激励相应的极化。产生一个极化的槽的任何组合可以有利地具有相同的相位中心。

第二方面的馈电结构允许在改进极化隔离度的情况下给双极化(槽馈电)天线元件馈电。特别地，因为由于馈电结构具有至少三个槽的布局，因此可以避免馈电槽的馈电线的线交叉。

在第二方面的实现形式中，馈电结构还包括：被配置成激励第一槽的至少第一对馈电线，以及分别被配置成激励第二槽和第三槽的至少第二对馈电线和第三对馈电线。

在第二方面的实现形式中，馈电线彼此不交叉以及/或者馈电线不与它们未被配置成激励的槽交叉。

这显著提高了两个极化之间的隔离度。

在第二方面的实现形式中，第一对馈电线连接至第一端口，以及/或者第二对馈电线和第三对馈电线连接至第二端口。

这使得能够同相且以相同的幅值驱动用于每个极化的馈电线。

在第二方面的实现形式中，第二对馈电线以和第三对馈电线与第三槽交叉的方向相反的方向或相同的方向与第二槽交叉。

在第二方面的实现形式中，槽和馈电线形成在印刷电路板中，并且特别地馈电线形成在印刷电路板的同一层中。

因此，可以通过仅使用一个部件即电路板容易地制造馈电结构。

本发明的第三方面提供一种双极化天线元件，包括：根据第一方面或其任何实现形式的馈电结构、耦合到馈电结构的辐射元件特别是贴片辐射元件。

天线元件享有第二方面的馈电结构的所有优点和效果。显著改进了其极化之间的隔离度。因此，天线元件可以以减少耦合的方式布置在天线元件的紧密阵列中。天线元件具有低复杂度，仅具有两个部分。

在第三方面的实现形式中，双极化天线元件还包括以下中的一个或更多个：被布置在辐射元件上方并被配置成充当导向器的至少一个金属片贴片；围绕辐射元件的至少一个电磁壁；具有包括馈电结构的腔的印刷电路板。

这些元件可以进一步改进天线元件的性能。

本发明的第四方面提供在至少一个阵列中包括根据第三方面或其实现形式的多个双极化天线元件的天线。

天线享有第三方面的天线元件的所有优点和效果，以及由此享有第二方面的馈电结构的所有优点和效果。显著改进了正交的极化之间的隔离度。特别地，可以改进天线方向图形状。

必须注意，本申请中描述的所有装置、元件、单元和方法可以以软件元素或硬件元素或其任何种类的组合来实现。由本申请中描述的各种实体执行的所有步骤以及描述的由各种实体执行的功能旨在表示相应的实体适于或被配置成执行相应的步骤和功能。在特定实施方式的以下描述中，即使外部实体要执行的特定功能或步骤未在执行该特定步骤或功能的那个实体的特定详细元素的描述中反映出来，对于技术人员来说，也应当清楚这些方法和功能可以以相应的软件元素或硬件元素或其任何种类的组合来实现。

附图说明

将在关于附图对具体实施方式进行的以下描述中说明本发明的上述方面和实现形式，在附图中：

图1示出了根据本发明的实施方式的馈电结构。

图2示出了根据本发明的实施方式的方法。

图3示出了本发明的实施方式所使用的概念。

图4示出了根据本发明的实施方式的馈电结构。

图5示出了根据本发明的实施方式的馈电结构。

图6示出了根据本发明的实施方式的馈电结构。

图7示出了在根据本发明的实施方式的馈电结构中激励的电流。

图8示出了根据本发明的实施方式的馈电结构。

图9示出了根据本发明的实施方式的天线元件。

图10示出了根据本发明的实施方式的馈电结构。

图11示出了实现根据本发明的实施方式的馈电结构的电路板。

图12示出了根据本发明的实施方式的天线元件的RL和隔离度。

图13示出了示例性馈电结构。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方式的馈电结构100。馈电结构100被配置成借助于槽给双极化天线元件900馈电，即，槽馈电的天线元件900(例如，如图9所示)。

馈电结构100包括至少三个槽101、102和103，它们被配置成激励双极化天线元件900的辐射元件901(参见图9)，即，激励辐射元件901的两个极化(通常由两个交叉槽激励)。

在三个槽101、102和103中，至少第一槽101被配置成产生双极化天线元件900的第一极化。此外，至少第二槽102和第三槽103被配置成一起产生双极化天线元件900的第二极化。

图2示出了根据本发明的实施方式的用于给双极化天线元件900(例如，如图9所示)馈电的方法200。方法200可以通过使用图1的馈电结构100来执行。

具体地，方法200包括激励至少第一槽101以产生双极化天线元件900的第一极化的步骤201。方法200还包括激励至少第二槽102和第三槽103以一起产生双极化天线元件900的第二极化的步骤202。因此，方法200使用至少三个槽101、102、103，以便给双极化天线元件900馈电。

图3示出了由本发明的实施方式所使用的概念，即，分别由馈电结构100和方法200所使用的概念。该概念的关键是避免馈电线交叉，从而增加极化隔离度。该概念基于起源于包括两个交叉槽(上图)的常规馈电结构将至少一个槽(在此是槽2)划分为至少两个槽(即，划分为第二槽102和第三槽103；下图)。然后第二槽102和第三槽103可以被激励，特别是可以同相且以相同的幅值被激励，并且可以一起产生第二正交极化。第一槽101以与常规交叉槽馈电中相同的方式产生第一正交极化。

第二槽102和第三槽103可以具有弯曲，例如90°弯曲。由此，第二槽102可以被镜像到第三槽103。第二槽102和第三槽103可以进一步被布置成邻近第一槽101的相对端并围绕第一槽101的相对端(如所示的)。由此，可以相对于第一槽101以对称的方式布置第二槽102和第三槽103。然而，不同的槽设计可以分别用于第二槽102和第三槽103。例如，每个槽或任一槽102、103可以是弯曲的或直的。此外，槽102、103可以具有不同的(即，不仅是镜像的)形状。

如果每个槽101、102和103在距其槽中心的两个对称点处被馈电，则可以获得最佳的馈电性能。此外，为了进一步改进槽101、102和103之间的去耦，可以在与第一槽101不同的阻抗点处激励第二槽102和第三槽103。图3所示的概念的结果是以如下方式在第一槽101的两侧处产生空间，该方式使得馈电线可以被路由到三个槽101、102和103的所有馈电点，而不与任何馈电线交叉。

用于驱动每个极化的馈电线优选地同相以适当地给相应的槽101、102、103馈电。如果馈电线从相反方向馈电，则优选地向一个分支添加(180°)相位差。

图4示出了根据本发明的实施方式的馈电结构100。具体地，示出了用于馈电结构100的两个示例A和B。

示例A包括两条馈电线1和2，它们在两个不同的位置/点处、特别是以相同的幅值和相位给第一槽101馈电，从而产生第一正交极化。两条馈电线3和4在两个不同的位置/点处、特别是再次以相同的幅值和相位进一步给第二槽102馈电。两条馈电线5和6在两个不同的位置/点处、特别是再次以相同的幅值和相位给第三槽103馈电。第二槽102和第三槽103特别地以相等的相位和幅值(例如，相同的信号)被馈电，并且产生第二正交极化。

在示例B中，给第三槽103馈电的馈电线5和6相对于给第二槽102馈电的馈电线3和4具有相反的方向。也就是说，第三槽103可以相对于第二槽102被反相馈电。为了使该组合适当地产生第二正交极化，馈电线5和6优选地具有180°的相位偏移，从而校正相位差。示例B的实现方式(右侧)示出了馈电线1和2可以连接至第一端口401。馈电线3和4以及馈电线5和6可以连接至(公共)第二端口402。这也可以是示例A中的情况。

图5示出了根据本发明的实施方式的馈电结构100。具体地，示出了用于馈电结构100的两个示例A(如图4中的)和C。

在示例C中，给第一槽101馈电的馈电线1和2分别具有相反的方向，即，彼此相反。因此，为了使该组合适当地产生第一正交极化，馈电线1和2优选地具有(180°)相位偏移，从而校正相位差。

值得注意的是，只要幅值和相位相干，驱动馈电线1至6的任何组合都是可能的。然而，当所有馈电线1至6馈给有相等的相位和幅值时以及当没有附加的相位延迟时，实现了最佳性能。

图6示出了根据本发明的实施方式的馈电结构100。特别地，图6再次示出了根据示例B的馈电结构100。由于给第三槽103馈电的馈电线5和6具有与给第二槽103馈电的馈电线3和4相反的方向，因此第三槽103可以相对于第二槽102被反相馈电。也就是说，180°相位差可以用于同相激励点，即，馈电线3至6与槽102和槽103交叉的点。馈电线3至6可以具有比给第一槽101馈电的馈电线1和2较高的阻抗。

为了获得最佳的极化隔离度，可以使用两种技巧：首先，通过研究在激励第一槽101时感应的电流分布，可以确定在第二槽102和第三槽103中分别感应电流的位置以及这些电流最小的位置。如果用于激励第二槽102和第三槽103的位置/点被置于电流最小处，则极化之间的隔离度可以被进一步改进，特别地被最大化。其次，以与第二槽102和第三槽103分别不同的阻抗(点/位置)激励第一槽101也可以改进隔离度。

图7示出了在根据本发明的实施方式的馈电结构100中感应的电流。具体地，左图示出了用两条馈电线激励(在白色圆圈内)第一槽101，并且电流以中心频率示出。右图示出了用于激励第二槽102和第三槽103的点(馈电线)被置于最小电流所在的位置(在黑色圆圈内)。

图8示出了根据本发明的实施方式的馈电结构。具体地，图8在左侧示出了上述实现方式(例如，参见图4或图6)，并且在右侧示出了替选实现方式。在此，在替选实现方式中，端口401和402以及馈电线1至6被不同地布置在馈电结构100上，但达到相同的效果。

图9示出了根据本发明的实施方式的天线元件900。上述馈电方法200和馈电结构100可以分别应用于该天线元件900，以便激励包括在天线元件900中的辐射元件901，特别是贴片辐射元件。辐射元件901可以电容性地耦合到也包括在天线元件900中的馈电结构100。

图9的天线元件900特别地被设计为以双线性极化工作，但是到双圆极化的转换是简单的。除了馈电结构100和辐射元件901之外，天线元件900还可以可选地包括：布置在辐射元件901上方并被配置成充当导向器的至少一个金属片贴片902；围绕辐射元件901的至少一个电磁(EM)壁903；以及/或者具有包括馈电结构100的腔的印刷电路板1100。这些可选特征在图9中示出。

图10示出了可以在天线元件900中使用的馈电结构100。馈电线1和2被提供以给第一槽101馈电，并且被配置成驱动天线元件900的一个极化。馈电线3和4以及馈电线5和6分别被提供以给第二槽102和第三槽103馈电，并且被配置成驱动天线元件900的另一正交极化。也可以仅用三条馈电线(RF线)——例如，每个槽101、102、103一条馈电线——驱动天线元件900。然而，当每个槽101、102、103使用两条馈电线时，辐射方向图稳定性和极化隔离度更好。

辐射元件901可以通过所描述的槽101、102、103被激励，这些槽101、102、103通过电容将RF信号从馈电结构100耦合到谐振天线腔(并且这些槽101、102、103通过电容将RF信号从谐振天线腔耦合到馈电结构100)。这意味着这些馈电线1至6中的电流被耦合到槽101、102、103，并且在槽101、102、103的边缘之间界定的EM场被耦合到布置在其上方的辐射元件901(例如，贴片)。无需电接触或焊接。馈电结构100简化了制造工艺，并且有助于避免通常是误差和PIM的来源的金属接头。

图11示出了可以用于实现图10所示的馈电结构100的电路板1100。具体地，槽101、102和103以及馈电线1至6可以形成在印刷电路板1100中，并且特别地，馈电线1至6可以形成在印刷电路板1100的同一层中。可以通过以带状线配置连接电路板1100的顶层和底层来生成天线腔，其中，顶层和底层可以通过通孔连接。可以在腔中产生间隙以穿过馈电线1至6。增加电路板1100的厚度可以增加天线元件900的带宽，因此可以在带宽与成本之间达成折衷。

图12示出了根据本发明的实施方式的天线元件900的RF性能。具体地，图12特别示出了取决于频率的回波损耗(return loss，RL)、耦合和辐射性能。

总之，本发明的实施方式实现了多个益处。实施方式提供了用于给天线元件900馈电的方法200和结构100，天线元件900具有优异的辐射特性并且提供极度水平的极化去耦(55dB)。此外，实施方式提供了简化双极化天线元件900的馈电结构100的方式，因为实现了不需要线交叉的单层馈电配置(微带)。这反过来也增加了设计的灵活性。本发明的实施方式阐明了满足在AAS中工作所需的所有要求的天线元件900。

此外，实现了非常简单的机械实现(仅两部分)，即，电路板1100和辐射元件901足以构建天线元件900。在馈电线1至6与辐射元件901之间不需要电连接，这降低了成本。

此外，本发明的实施方式允许将天线元件900放置在非常复杂的天线阵列中。天线馈电可以放置在天线反射器上方或下方，并且馈电的底部被完全清除，使得有源/无源部件可以被直接焊接到馈电的底部。这增加了灵活性。由于其紧凑的尺寸(例如，43×43mm@CB频率范围)，天线设计可以用于mMIMO。如现有技术中的一样，两个极化可以由低功率放大器馈电。

已经结合作为示例和实现方式的各种实施方式描述了本发明。然而，根据对附图、本公开内容和独立权利要求的研究，本领域技术人员和实践所要求保护的发明的人员可以理解和实现其他变化。在权利要求书以及说明书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求书中所述的几个实体或项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述了某些措施的仅有事实并不表明不能在有利的实现方式中使用这些措施的组合。

Claims (16)

1. 一种用至少三个槽（101，102，103）给双极化天线元件（900）馈电的方法（200），所述方法（200）包括：

激励（201）至少第一槽（101）以产生所述双极化天线元件（900）的第一极化，以及

激励（202）至少第二槽（102）和第三槽（103）以一起产生所述双极化天线元件（900）的第二极化，

其中，当激励所述第一槽（101）时，所述第二槽（102）在所述第二槽（102）中感应电流的最小位置处被激励，并且所述第三槽（103）在所述第三槽（103）中感应电流的最小位置处被激励。

2.根据权利要求1所述的方法（200），其中：

所述至少三个槽（101，102，103）被激励，使得所述第二槽（102）和所述第三槽（103）一起具有与所述第一槽（101）相同的相位中心。

3.根据权利要求1或2所述的方法（200），其中：

所述第二槽（102）和所述第三槽（103）被同相激励以产生所述第二极化。

4.根据权利要求1或2所述的方法（200），其中：

所述第二槽（102）和所述第三槽（103）以相等的幅值和相位被激励以产生所述第二极化。

5.根据权利要求1或2所述的方法（200），其中：

每个槽（101，102，103）在对称地布置在所述槽（101，102，103）的中心的相对侧上的两个点处被激励。

6.根据权利要求1或2所述的方法（200），其中：

所述第二槽（102）和所述第三槽（103）分别在与所述第一槽（101）不同的阻抗点处被激励。

7.根据权利要求1或2所述的方法（200），其中：

激励所述至少三个槽（101，102，103）使得激励辐射元件，所述辐射元件包括贴片天线元件。

8.一种用于双极化天线元件（900）的馈电结构（100），所述馈电结构（100）包括：

被配置成激励所述双极化天线元件（900）的辐射元件的至少三个槽（101，102，103），

其中，至少第一槽（101）被配置成产生所述双极化天线元件（900）的第一极化，并且至少第二槽（102）和第三槽（103）被配置成一起产生所述双极化天线元件（900）的第二极化，

其中，当激励所述第一槽（101）时，所述第二槽（102）在所述第二槽（102）中感应电流的最小位置处被激励，并且所述第三槽（103）在所述第三槽（103）中感应电流的最小位置处被激励。

9. 根据权利要求8所述的馈电结构（100），还包括：

被配置成激励所述第一槽（101）的至少第一对馈电线（1，2），以及

分别被配置成激励所述第二槽（102）和所述第三槽（103）的至少第二对馈电线（3，4）和第三对馈电线（5，6）。

10.根据权利要求9所述的馈电结构（100），其中：

馈电线（1-6）彼此不交叉以及/或者馈电线（1-6）不与它们未被配置成激励的槽（101，102，103）交叉。

11. 根据权利要求9或10所述的馈电结构（100），其中：

所述第一对馈电线（1，2）连接至第一端口（401），以及/或者

所述第二对馈电线（3，4）和所述第三对馈电线（5，6）连接至第二端口（402）。

12.根据权利要求9或10所述的馈电结构（100），其中：

所述第二对馈电线（3，4）以和所述第三对馈电线（4，5）与所述第三槽（103）交叉的方向相反的方向或相同的方向与所述第二槽（102）交叉。

13.根据权利要求9或10所述的馈电结构（100），其中：

所述槽（101，102，103）和所述馈电线（1-6）形成在印刷电路板（1100）中，并且所述馈电线（1-6）形成在所述印刷电路板（1100）的同一层中。

14. 一种双极化天线元件（900），包括：

根据权利要求8至13中任一项所述的馈电结构（100），以及

耦合到所述馈电结构（100）的辐射元件（901），所述辐射元件（901）包括贴片辐射元件。

15.根据权利要求14所述的双极化天线元件（900），还包括以下中的一个或更多个：

- 被布置在所述辐射元件（901）上方并被配置成充当导向器的至少一个金属片贴片（902）；

- 围绕所述辐射元件（901）的至少一个电磁壁（903）；

- 具有包括所述馈电结构（100）的腔的印刷电路板（1100）。

16.一种天线，包括被布置在至少一个阵列中的多个根据权利要求14或15所述的双极化天线元件（900）。

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