CN1301413A - 用于无线通信基站的天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有天线系统的站,该天线系统包含一个用来将天线固定到支承物上的外壳(15)。所述天线系统可以由一个或几个辐射槽组成,所设计的天线用来沿大体垂直于外壳一个正面(16)的方向发射,电场(E)沿大体平行于所述正面的第二方向,并且用来沿比第一方向大体更靠近第二方向的至少另一方向发射,电场(E)的偏振大体沿第一方向。基站适用于安装在微小区或微微小区的室内。事实上,它可以纵向固定安装在墙上,或水平悬挂在天花板上,而无需用于这两种安装方式的分离的多个天线系统。

Description

用于无线通信基站的天线

本发明涉及一种无线天线基站。这种基站是一种特别用于蜂窝网的基站，并且是一种用于“室内”环境规模较小的小区(微小区或微微小区)的基站(可以安装在室内的基站)。

人们通常希望无线通信基站的天线系统辐射一种相对于地面来说是纵向偏振的波，即，所辐射的波具有纵向的电磁场矢量。其原因是当移动站的进行通信的过程中，移动站天线的偶极子通常是近乎纵向的。因此，基站所产生的纵向偏振的波能够使所接收的能量为最大。

通常，人们希望将天线系统安装在站的外壳结构内，从而限制由于采用连接器、电缆和远端天线而涉及的安装费用。

为了应用于室内，安装者通常采用两种基站结构(或者是它们的天线系统，如果这些天线系统与进行数字处理的单元分离并与固定网络的连接的话)：一种是挂壁式结构，另一种是吊顶式结构。

天线通常是由偶极子组成的(或者是单极的)，它辐射的波其电场偏振方向平行于偶极子的轴向。人们还会遇到一种呈微带式的印刷电路天线，其辐射的图形更具方向性。对于挂壁式和吊顶式这两种常用结构中所产生的电场是垂直偏振的，人们必须使天线系统的数量翻倍，这样做会使得不经济，而且会产生体积太大的问题。而不这样，人们又必须设计两个分开的结构，其中的一个用于挂壁式，而另一个用于吊顶式，这样同样是很浪费的。

对比文献WO95/23441、EP-A-O 805 508、EP-A-O 521 326：“用于移动基站天线而刻划在薄柱体上的环绕槽的分析和设计(Analysis and design of acircumferential wide slot cut on a thin cylinder for mobile base stationantennas)”(J.Hirokawa等人，IEEE,Proceedings of APSIS,1993,第3卷，1993年6月28日，第1842-1845页)，而且，日本专利申请JP-A-09 232835的摘要中也揭示了这样的天线，其辐射元件是用辐射槽构成的。

对比文献GB-A-2 229 319揭示了一种用于安装在垂直位置上的天线，其中，辐射元件是一对平行并且是隔开的金属板。并且还指出，天线可以水平安装在天花板或地板上。

本发明的目的是建议一种基站，这种基站的天线系统可以良好地适用于不同的通常是安装在室内的情况，并且无需成双。

本发明还建议了一种无线通信的基站，它包括至少一个采用无线电与移动站进行通信的天线系统，该天线系统包括一个用来固定在支承物上的外壳。

按照本发明的第一个方面，天线系统包含至少一个辐射槽，它形成在与外壳的正面平行的导体平面上，并用于沿大体与外壳的正面垂直的第一方向进行辐射；偏振方向沿大体与上述正面平行并垂直于槽的取向的第二方向的电场，并且为便于辐射，电场沿至少另一个方向，该至少另一方向与第一方向相比更接近第二方向；偏振方向沿第一方向的电场；具有第一工作位置和第二位置的外壳，在第一工作位置上，第二方向大体呈纵向，而当处于第二位置时，第一方向大体成纵向。

当处于挂壁式时，天线系统的位置使得“第一位置”是纵向的。面向天线系统的移动站接收电磁波，而该波的电场有相当强的纵向分量，如所希望的那样。

处于吊顶式时，外壳的正面成水平方向。由于另一个方向朝向一个要覆盖的区域，该区域中的移动站也接收电场的纵向分量是相当强的电磁波。确实，在沿外壳的铅垂方向上，直接辐射的电场是沿准水平方向的。但是，由于位于那儿的移动站接收的功率相对较强，所以，电场的这种取向不会产生灵敏度的问题。相反，在靠近该站的附近辐射沿准水平方向的电场，使得由于去偏振损失，而使“阻塞”(即接收机饱和)问题的发生受到限制(见GSM规范05.05)。这些问题在实践中是很重要的，并且实际上产生关于接收机线性的严格的技术规范，这是一个附加成本因素。

按照本发明的第二个方面，天线系统含有两个平行的辐射槽，取向垂直第一和第二方向，它们相互隔开一个间距，该间距等于辐射波长的一半；以及一个向二槽馈送无线电能量的馈送装置，用来按照外壳的正面是安装在水平面内还是安装在纵垂面内，同相或反相地向二槽馈送能量。

在参照附图阅读了本发明的非限定性实施例描述以后，读者将会更清楚地了解本发明的其他特征和优点，图中：

图1显示的是用微波馈送的槽前面辐射场分布图；

图2按照本发明采用挂壁式结构的基站的透视图；

图3是按照本发明采用吊顶式结构的基站透视图；

图4是在垂直于槽的平面内，一对间隔为λ/2的平行槽的辐射图；

图5是按照本发明的基站的一对辐射槽的射频(RF)馈电装置的图；

图6是对一个槽的馈电的馈电装置实施例的透视图。

图1是在平面xOz内形成的辐射槽10所产生的波的电场E和磁场H的图。Ox表示槽的纵向方向，而Oy是与平面xOz垂直的方向。槽10是自其后面用与轴Oz平行的导体来馈送射频能量的。通常，槽的尺寸是，长度为λ/2的数量级(沿Ox方向)，而宽度是λ/10的数量级(沿Oz方向)，这里λ是辐射波的波长。

这样一种以无穷大导电板形成的辐射槽10，它的辐射图是电偶极子的两倍。本发明所利用的这样一种槽的特性是，电场E的一个方向的分量在垂直于槽Ox纵轴的yOz平面内是变化的。

因此，在垂直于槽10平面的Oy方向，电场矢量E沿平行于槽平面的Oz方向，并且是在靠近槽平面xOz的平面内，电场矢量E垂直于槽平面(平行于Oy)。当沿中心位于轴Ox的半圆11(图1中的虚线)移动时，磁场矢量H保持不变，而电场E变化半圈。

图1中平面xOy内的曲线12是位于xOy平面内的等E曲线，沿该曲线，电场矢量E恒定(平行于Oz)。曲线13和14是位于xOz平面正面内的等E曲线(电场E平行于Oy)。

按照本发明，提供了这样一种辐射槽10，它位于用于室内的蜂窝无线通信基站的外壳15的正面16。

槽的实际辐射图取决于形成槽的导体平面的尺寸。实践中，这样一种槽的尺寸通常是λ/2、λ/10，它形成在这样一个接地平面内，该接地平面的尺寸呈矩形，通常应用于无线通信的基站(即，几十厘米)，产生准半球形的辐射图。

图2显示的是固定在墙上的基站。该基站外壳15的正面16沿铅垂方向，平行于墙面，从而槽10的纵轴Ox沿水平方向。

因此，在沿穿过槽10的水平面xOy内，辐射电场E大体沿纵向(图1中位于水平面内的等E曲线12在图2中用虚线表示)。因此，在由基站服务的房屋中工作的移动站18接收一个近似为纵向的电场E，它使灵敏度为最大。如果移动站18的天线不是准确位于xOy平面内的，但这些天线或者在上方或下方相当接近这些平面，那么，当天线沿图1中的圆形弧11移动时，由于它的方向是逐渐变化的，所以所接收的电场E保持相当接近纵向的方向。

图3绘出的是吊顶式基站图，其正面16呈水平方向。

外壳15可以被置于如图中所示靠近天花板的角落处，Oz的方向近似指向沿天花板角落分界线的方向。采用这样的结构时，位于所服务的房屋中的移动站18也接收到近似沿纵向方向的电场E。换句话说，通过移动站最可能的位置的等E曲线19与曲线12相比，更接近图1中所示的曲线13和14。从基站正面16看，移动站18看上去是掠入射的，这样就确保了本发明对电场特性的利用。

后一种性能在与基站垂直对准的点上是得不到的，在该点上沿视线方向接收的电场事实上沿水平方向。然而，由于这些地方很接近基站，从而可以在这些地方接收强烈的电场。由于前面提到的“阻塞”问题，因而在这些区域中最好使电场去偏振是很自然的事。

图2和图3示出的是相同的基站，基站的天线系统由在外壳15的正面16内形成的简单辐射槽10组成，可以采用辐射电场所要求的取向，而无需其他对挂壁式位置或吊顶式位置的特定尺寸。

应当注意，在图3所示的吊顶式位置时，基站在其下方一开始时辐射一个相当强的无线电能量，而该基站的天线系统是由一个简单辐射槽组成的。为了限制这一影响，人们希望，天线系统最好由在外壳15正面内形成的两个平行槽组成，并且二槽相间λ/2，等于辐射波波长的二分之一。

采用吊顶式结构时，两个平行槽所形成的阵列是以相位相反的方式被馈送能量的，从而当该阵列是用各向同性源来实现时，它将在组成二槽的平面内辐射一个最大的场(这种结构称为“轴向辐射”结构)。

在采用挂壁式结构时，阵列是以同相的方式被馈送能量的，从而当该阵列是用各向同性源来实现时，它将在整个两个槽之间的中间平面内辐射一个最大场(这种结构称为“垂射”结构)。

一种这样结构的吊顶式位置见图4所示的示意图所示。由相间λ/2并且是以反相方式馈送能量的二槽10所辐射的能量形成两个叶瓣20，叶瓣20对二槽的中间平面来说是对称的。二槽所辐射的波之间的干扰使得在靠近中间平面的地方的辐射能量大大减弱。在天线系统仅由单个的槽组成的时候，这同样大大减小了与天线系统垂直对准的点上无用的辐射电场E的水平分量。

对具有二槽10的天线系统进行射频能量馈送，也可以用图5所示的示意图来实现。

辐射的射频(RF)能量被馈送到混合开关22的输入端(commutateur hybride))处，混合开关的两个输出端是用具有相同长度的导电体连接到混合耦合器23的两个输入端24、25。根据基站所安装的位置(是挂壁式还是吊顶式)，按照一外部指令，开关22或者将RF能量传递到耦合器的输入端25，或者将RF能量传递到耦合器的输入端24。可以采用的混合开关的一个例子是R&K公司的型号为SWD-1的单极/双掷开关(SPDT)。

混合耦合器23有四个端口24-27，并且可以是“环形波导(rat-race)”型(见“构成宽带对称-不对称变换器的集总元件网”，微波和射频，1993年9月，第119页)。“环形波导”式耦合器包含一个导体接插件，它有一个将接地面隔开的介电层，该接插件成直径为3λ/2π的圆形，沿着该圆形是四个端口：第二、第三和第四个端口分别位于相对于第一个端口的60度、120度和180度处。第一个端口24和位于120度处的第三个端口25与开关22的两个输出端相连。位于60度和180度处的第二个和第四个端口26、27分别用来向两个槽10馈送能量，例如通过相同的同轴电缆28来馈送能量。每一同轴电缆28有一个与耦合器23的接地面相连的屏蔽层，而与输入端26、27相连的同轴电缆的线芯向槽10发送能量。

采用图5所示的结构，当基站是采用挂壁式安装的时候，开关22向耦合器23的输入端25上传送RF能量。这时，是同相向二槽10馈送能量的，从而在要求的电场呈纵向的方向上(二槽之间的中间平面)，所辐射的能量为最大。这样就使方向性提高了约3dB。

在吊顶式位置时，转换开关22将RF能量传递到输入端24，从而二槽10是反相被馈送能量的，这样就产生参照图4描述的干扰效果。

图6绘出的是一个可以用于按照本发明的基站中的天线的混合元件30。在图10所示的示意图中，辐射槽10只有一个，但读者能够理解，该示意图在有多个辐射槽的时候，是可以重复的。

元件30是一种“三平板”类型的元件。它含有两个金属面，其间夹一个介电层。二面31、32与地连通。辐射槽10刻蚀到朝向外部的接地面31的内部，而另一接地面32是不中断的。接地面31、32之间的介电层中有一个导电线。射频能量是该导电线33上馈送的(在图5所示的示意图中，导电线33是与耦合器23的输入端26或27连通的)。在槽10的附近，导电线33与之垂直。通过在与槽10与导电线33相交处，沿槽10的纵向x调节位置，来调整槽式天线的阻抗。在槽的周围，有几个穿过介电层的金属通孔34，这些通孔连接在两个接地面之间，用以防止元件的侧面所产生的辐射和能量朝向发生器(generator)的能量反馈。如图6所示构成的三片式元件其优点是，天线系统以及它的馈电系统体积小、价格便宜。这样一种元件30能够放置在外壳15的前面，用来辐射具有前面所述的特性的波。

在上述说明中，微小区或微微小区的整个基站或者是挂壁式安装，或者是吊顶式安装的(图2和图3)。

当然，当基站有一个主要单元(进行基带处理和与固定网络接口相连)，而该主要单元与天线系统是分开的，并且该天线系统又是用于来自该基站的一个小区或几个扇区，那么如前面所说的那样，每一个天线系统可以是挂壁式安装的，也可以是吊顶式安装的。这时，槽式天线可以包含一个双工器、一个发射能量放大器、一个用于接收的低噪声放大器，可能还有某些滤波器、调制器或解调器。与基站的主要单元和这样一种外壳15之间的连接线在基站所传送的是射频信号时是同轴电缆，而在传送基带信号时是简单的双绞线。

Claims (14)

1．一种无线通信基站，它包含用于与移动站(18)进行无线通信的至少一个天线系统，所述天线系统包含一个用来固定在支承物上的外壳(15)，其特征在于，所述天线系统含有至少一个辐射槽(10)，所述辐射槽(10)形成在与所述外壳(15)的一个正面(16)平行的导体面内并用来沿大体垂直于所述外壳的正面(16)的第一方向进行辐射；一电场(E)，所述电场(E)沿大体平行于所述正面并垂直于所述槽的方向的第二方向进行偏振，并至少沿大体比所述第一方向更接近于第二方向的另一方向进行辐射；大体沿所述第一方向偏振的电场(E)，所述外壳有一个第一工作位置和一个第二工作位置，在所述第一工作位置上，所述第二方向大体是纵向方向的，而在所述第二工作位置上，所述第一方向是纵向的。

2．如权利要求1所述的基站，其特征在于，所述天线系统的每一辐射槽(10)是形成在所述外壳(15)的一部分内沿其正面(16)延伸的。

3．如权利要求1或2所述的基站，其特征在于，所述天线系统包含一个单个的辐射槽(10)，所述辐射槽的方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。

4．如权利要求1或2所述的基站，其特征在于，所述天线系统含有两个平行的辐射槽(10)，所述辐射槽的方向垂直于所述第一方向和所述第二方向，并且两槽分隔一个距离，所述距离等于所述辐射波的波长的二分之一；以及向所述二辐射槽馈送射频能量的装置(22,23,28,30)，用来根据所述外壳(15)的正面是水平安装的还是纵向安装的，同相地或者反相地向所述二辐射槽进行能量馈送。

5．如权利要求4所述的基站，其特征在于，所述能量馈送装置包含一个具有四个输入端(23)的混合耦合器；双射频转换开关(22)，所述开关的一个输入端接收要辐射的射频能量，而两个输出端分别与所述混合耦合器的两个输入端(24,25)相连；以及两个分别将所述混合耦合器的另两个输入端(26,27)与所述两个辐射槽(10)相连的能量馈送装置。

6．如权利要求5所述的基站，其特征在于，所述混合耦合器(23)是环形波导型的。

7．如权利要求5或6所述的基站，其特征在于，所述两个能量馈送装置(28)是同轴或三片型的。

8．如权利要求1至7中任何一个权利要求所述的基站，其特征在于，沿所述外壳(15)的正面(16)，有一个三片式印刷电路(30)，所述印刷电路包含两个外部的导电面(31,32)，导电面与地相连，其中的一个导电面朝向所述外壳(16)的外部，并且是刻蚀形成用来形成每一辐射槽(10)的；用来向每一槽(10)进行能量馈送的线路(33)，它位于二外部导电面之间。

9．一种无线通信基站，它包含用于与移动站(18)进行无线通信的至少一个天线系统，所述天线系统包含一个用来固定在支承物上的外壳(15)，其特征在于，所述天线系统包含两个平行的辐射槽(10)，所述辐射槽形成在与所述外壳(15)的一个正面(16)平行的导电面内，并隔开一定的距离，所述距离大体等于所述辐射波波长的二分之一；以及向所述二辐射槽馈送射频能量的装置(22,23,28,30)，根据所述外壳(15)的正面(16)是水平安装的还是纵向安装的，所述能量馈送装置或者是同相地，或者是反相地向所述二辐射槽馈送能量。

10．如权利要求9所述的基站，其特征在于，所述辐射槽(10)是形成在所述外壳(15)的一部分内，并且沿所述外壳的正面(16)延伸。

11．如权利要求9或10所述的基站，其特征在于，所述能量馈送装置包含一个具有四端口的混合耦合器(23)；一个双射频转换开关(22)，所述转换开关的一个输入端接收用于辐射的射频能量，而两个输出端分别与所述混合耦合器的两个端口(24,25)相连；以及分别将所述混合耦合器的另两个端口(26,27)与所述两个辐射槽(10)相连的两个能量馈送装置(28)。

12．如权利要求11所述的基站，其特征在于，所述混合耦合器(23)是“环形波导”型的。

13．如权利要求11或12所述的基站，其特征在于，所述两个能量馈送装置(28)是同轴型的，或者是三片型的。

14．如权利要求9至13中的任何一个权利要求所述的基站，其特征在于，沿所述外壳(15)的正面(16)，有一个三片式印刷电路(30)，所述印刷电路包含两个外部的导电面(31,32)，导电面与地相连，其中的一个导电面朝向所述外壳(16)的外部，并且是用刻蚀来形成每一辐射槽(10)的；用来向每一槽(10)进行能量馈送的线路(33)，它位于二外部导电面之间。

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