CN1314013A - 用于无线电通信基战的天线 - Google Patents

Abstract

一种天线包括几个独立馈电并且设计得具有不同辐射特性的主要信号源(6A－6C)。这些主要信号源安置在第一介质上(7A－7C)以便被空间隔绝。天线罩机基本上比第一介质低的第二介质(8A－8C)覆盖的第一介质上。每个主要信号源具有垂直于第一和第二介质分界面的聚焦方向(A－C),沿该方向所述主要信号源与所述分界面之间的距离(e₁)为λ₁(2p₁－1)/4并且第二介质具有等于λ₂(2p₂－1)/4的厚度,其中λ₁和λ₂分别代表在第一和第二介质中主要信号源辐射的波长,而p₁和p₂是整数。

Description

用于无线电通信基站的天线

本发明涉及用于无线电通信基站的天线。

蜂窝移动通信的急速发展需要大量安装基站。蜂窝运营商在寻找合适站点时可能会遇到困难。除了站点利用率问题之外，也有如同公众认为的基站天线尺寸和讨厌外观麻而产生烦问题，当然为网络效率这些天线必须安置在高处和清楚明显之处。在某些国家，为限制这些天线的数量已经采用税收规定。

利用多扇区天线能够减少给定覆盖区中的基站站点数量(见EP-A-0802579)。可是，由于其方向性和数量多，这些多扇区天线被认为比全方位天线大。

为增加基站天线方向性增益，使用了辐射单元阵列，以相对相同无线电信号发射和馈电波长的特定方式安置，并且对其使用适当相位偏移和振幅规定。所寻求的方向性增益越大则阵列必须越大。每个辐射单元尺寸大小的数量级由发射波长确定，即在分米范围内它们的阵列设计导致天线可能是几米大小。

上述困难因为开发使用不同波长范围网络而恶化。例如在欧洲，第二带数字系统使用接近900MHz(GSM，“全球通系统”)的频带和接近1800MHZ(DCS，“数字蜂窝系统”)频带，并且未来的第三带系统将利用接近2000MHz(UMTS，“通用移动电信系统”)的频带。为安置新型网络的基础设施，已经运营不同类型网络的运营商必须提供新的天线。他或者必须获得新的站点或者在现有站点上安装更多天线。在任何情况下，都将有更多天线。

另外，在相同站点上安装工作频率范围比为小整数的天线产生一个天线接收另一个天线发射频率的谐波成分所引起的绝缘问题。这种情况将实现在GSM和DCS频带情况下，为此，认为已经很麻烦的天线必须隔离至少50厘米远。

本发明的主要目的是提出一种天线设计，其能够使具有不同辐射特性(按照方向性和/或频率)的辐射单元在相对紧凑的布局中一起使用以便减少所述困难。

因此，本发明提出一种用于无线电通信基站的天线，包括几个独立馈电的主信号源并且设计得具有不同辐射特性，安置在第一介质上的主信号源如同被空间隔离。按照本发明，该天线进一步包括至少一个覆盖第一介质的第二介质并且具有比第一介质基本上低的特性阻抗。每个主信号源具有至少垂直于第一和第二介质之间分界面的聚焦方向，沿该方向在所述主信号源和所述分界面之间的距离基本上等于λ1(2p2-1)/4而第二介质具有基本上等于λ2(2p2-1)/4的厚度，其中λ1和λ2分别代表在第一和第二介质上所述主信号源辐射的波长，而p1和p2是整数。

围绕主信号源的介质呈现谐振条件，这在俯仰角和可选地在方位角上产生方向性增益。产生谐振的物理原理已经在D R Jackson等人所著题为“用于印刷电路天线的增益增强方法”，IEEE Transactions onAntennas and Propagation,Vol.ap-33,No.9,September1985,page976-987中的共型天线案例中所描述。分别具有Zc1和Zc2特性阻抗的第一和第二介质所获得的振幅增益为2Zc1/Zc2数量级。

具有相对介电常数εr和相对导磁率μr的介质的特性阻抗通过 $Z_c=z_{c0}\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$ 给出，其中Zc0=120π。因此，第一和第二介质可以具有适合作为所希望增益函数的参数εr和μr。

在优选实施例中，调节主要集中在介电常数εr上，以便使用更容易获得的材料。总之，将使用具有高εr的介质作为第二介质而使用εr≈1的介质作为第一介质，以便是比例最大 $Z_{c1}/z_{c2}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2\·{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_1\·{\mathrm{\μ}}_2}}\≈\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1}}$ (其中在第一介质中εr=ε1,μr=μ1而在第二介质中εr=ε2,μr=μ2)。

也可能使用合成材料，由此εr和μr的数值可以调节为适合的需要。

为进一步增强该天线增益，第一介质可以由聚焦层重叠覆盖，相邻第一介质的第一聚焦层由沿每个主信号源聚焦方向厚度基本上等于λi(2pi-1)/4的介质形成，其中λi代表在形成所述聚焦曾的介质内所述主信号源辐射的波长而pi是整数。对于奇数整数i，由具有特性阻抗基本上低于位于所述第i聚焦层两侧介质的介质形成第i聚焦层。具体地对于每个奇数整数i，第i聚焦层可以用具有εr基本上位于高于第i聚焦层两侧介质的介质制造。

增加聚焦层数量将增加振幅增益，如果在中心高阻抗介质上有2k个聚焦层该增益将是 $2\·\underset{m=0}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}\frac{Z_{c(2m+1)}}{Z_{c\left(2m\right)}}$ 数量级，如果有2k-1个聚焦层则是 $2\·\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}\frac{Z_{c(2m-1)}}{Z_{c\left(2m\right)}}$ 数量级，Zc1代表i≥2的第(i-1)个聚焦层的特性阻抗(见H Y Yang等人的“通过多层覆盖增强印刷电路天线增益的方法”，IEEETransactions on Antennas and Propagation,Vol.AP-35,No.7,July1987,page860-863)。

按照本发明天线的实施例，主信号源被馈电并且设计得以不同波长辐射。然后使该天线适合工作在不同频率频带的基站所安装的站点。

在天线安装在墙壁上的情况下，电介质介质可以与接地板平行安置。在另一个有利布局中，主信号源沿所述介质旋转对称轴安置。在此情况下，有可能产生减少尺寸的全方位和/或多扇区天线。

根据下列示例并且参照附带的权利要求书使本发明的其它特征和优点更清楚，这些示例在任何方面都不是对本发明的限制，其中：

图1是本发明所提出安装有天线的基站的图；

图2和4是按照本发明全方位天线和三扇区天线的透视图；和

图3和5是按照本发明其它天线的横截面图。

图1表示按照本发明的天线1，安装在天线杆顶部(或任何其它结构上)并且通过电缆3连接到基站4。

在图1所示的示例中，在图2中更详细地表示的该天线1是全方位型并且能够在三个分开频带上与移动无线电终端通信。以举例方式，这些频带可以是900MHz的GSM频带，1800MHz的DCS频带和2000MHz的UMTS频带。在此情况下，实际上基站4聚集了对应三种网络的三个基站，而三条同轴电缆(馈源)将这些基站连接到各自天线1的主信号源6A、6B、6C。

在图2所示的示例中，主信号源6A-6C的每个是调谐到有关所述信号源频带中心频率的双振子。每个双振子以常规方式连接到其馈源(在图2中未表示)，通过该馈源对其它双振子独立馈电。图2天线的三个双振子6A-6C对准轴线X并且由该轴线X上旋转对称的聚焦结构围绕。

聚焦结构包括一个中心介质，其具有针对无线电波相对高的特性阻抗Zc1。如果不使用磁性材料(μ1=1)，可以简单地选择该中心介质以便呈现近似1的介电常数ε1，导致Zc1≈Zc0=120π。

该高阻抗介质占用认为每个双振子6A、6B、6C的圆柱型区域7A、7B、7C，对准并且以这些双振子为中心。这些区域7A-7C每个的轴向高度是响应双振子6A-6C辐射波长的数量级。其半径d1(在图2中只表示了区域7A)由λ1(2p1-1)/4组成，其中P1是最好等于1的正整数，而λ1代表了具有阻抗Zc1的介质中双振子6A、6B、6C辐射的波长。该波长λ1由 ${\mathrm{\λ}}_1={\mathrm{\λ}}_0\·\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1\·{\mathrm{\μ}}_1}$ 给出，波长λ0是信号源6A、6B、6C在真空中所辐射波长。

高阻抗中心介质7A、7B、7C由具有相对低特性阻抗Zc2的介质所形成的聚焦层8A、8B、8C围绕。如果不使用磁性材料(μ2=1),为聚焦层8A、8B、8C选择ε2＞＞1的电介质。

在每层信号源6A、6B、6C上，采用的聚焦层8A、8B、8C厚度等于λ2(2p2-1)/4，其中P2是最好等于1的正整数，而 ${\mathrm{\λ}}_2={\mathrm{\λ}}_0\·\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2\·{\mathrm{\μ}}_2}$ 是在低阻抗介质中相应信号源6A、6B、6C所辐射的波长。

在该天线1中所使用的该阻抗介质Zc1可以是空气。

也可以通过蜂窝状材料或泡沫塑料形成，其介电常数岁密度而减少(见“天线罩工程手册”J D WALTON,Editions Marcel Dekker IncNew ork,1970)。这种材料可以用树脂或聚合物制造，例如聚酯、环氧树脂、石炭酸聚酰亚胺或聚胺酯等。

对于低阻抗Zc2的聚焦层，有机材料可以具体使用例如聚酯(4到5的εr)，环氧树脂(εr≈4)或聚酰亚胺(εr=3.5)。

如果天线成本不是最关键因素，可以使用高导磁率材料作为替代，特别是例如用于高速和高温天线罩的无机化合物，例如AL2O3(εr≈9)或TiO2(εr≈100)。这种材料可以扩散到陶瓷基底基体中，例如石英、能够调节εr数值。

为保持制造成本和/或容易的原因，实际上可以使用合成电介质替代天然电介质以便获得参数εr和μr的所希望数值。

使用“天然电介质”意味着纯电介质化合物或微小比例纯电介质化合物的混合物。例如聚苯乙烯(cr=2.5)和铅玻璃(εr=7)。

合成电介质是分散金属或电介质微粒的细微组件，有规律地安置在三维空间上并且具有各种形式：球型、圆片、条状、杆状或线状。这些组件通过基底保持在一起：例如镀在均匀电介质介质上的微粒或安置在电介质片上。在每个情况下，该基底的指数与1差不多。如果微粒尺寸或微粒之间距离与波长相比小，这些组件的性能将与天然电介质的性能相同。另一方面，可以极大地减轻重量并且可以非常细微地调节介电常数。

这种人工电介质的εr数值取决于采样或近似公式。例如，每单位体积中半径a的N个金属球体组成的设计将给出介电常数：εr=1+4πNa³。因此有可能获得从1到9的εr范围。

对于具有高阻抗Zc1的介质，有可能以类似方式调节参数εr并且获得具有在塑料或树脂材料基底中适当浓缩铁粒子的便宜、低磁性、低损耗合成材料。

聚焦结构通过模铸加工组成，例如一旦信号源6A-6C和它们的馈源已经安置到位。如果需要一种或其它电介质材料的机械强度，例如可以用玻璃纤维加强。也有可能使用不干扰单位电磁性能的所提供的基底、涂层或保护元件。

聚焦结构也可以制造在模块化基础上。

图2天线1的最大尺寸是其轴向高度，在所示例子中，该高度可以保持在50厘米数量级。因此该多频率天线满足非常紧凑系统的要求。

每个双振子6A、6B、6C具有全方位辐射方向图，一组聚焦方向A、B、C包含在双振子赤道平面内。上述谐振现象增强双振子6A、6B、6C对在这些方向A-C上所发射波的聚焦(水平聚焦)。由合成聚焦结构所获得的振幅增益通过2Zc1/Zc2给出。以dB表示的功率增益g由g=20log₁₀(2Zc1/Zc2)给出。如同所见，很容易获得几个分贝的聚焦增益。

通过增加交替高和低阻抗的聚焦层可以增加该增益。

图3所示的天线11是通常的平板设计。包含双振子(或其它主要信号源)的高阻抗介质17A、17B、17C安置在导电接地板15上。在每个信号源16A、16B、16C层上，介质17A、17B、17C形成厚度为λ1(2q-1)/2的一层，λ1是相关信号源在介质中所辐射的波长而q是有利地等于1的正整数。信号源16A、16B、16C与第一低阻抗聚焦层18A、18B、18C之间的距离形成为λ1(2q-1)/4。第(i-1)个聚焦层(i≥2)的厚度e_i形成为λ_i(2P_i-1)/4。连续的聚焦层(18A、19A、20A)、(18B、19B、20B)、(18C、19C、20C)为交替的低阻抗和高阻抗，即对于每个奇数整数i，第i个聚焦层由特性阻抗Zc2低于位于该第i层两侧介质的介质形成。

图3中所示天线11可以安装在墙壁上，例如以便直接朝向(方向A-C)基站所覆盖区域辐射。图4是按照本发明制造的多扇区天线的示意图聚焦结构的几何形状是围绕轴X的旋转对称形状，沿该轴线三个主要信号源26A、26B、26C对准。这些主要信号源的每个例如以形成在电介质基片上的方型导电贴片形式安装(微带技术)。这类信号源在垂直于基片的方向A、B、C上具有方位角和俯仰角两个方向的方向性。圆柱体几何形状的聚焦结构能够俯仰聚焦并且因此增强了该天线21的增益。为限制在聚焦结构核心上的信号源26A-26C的尺寸，它们一般形成在基片上并且具有高εr。

在图4所示的例子中，三个方向性主要信号源被调谐到相同频率上并且沿轴线X安置，以便它们的聚焦方向A-C为相互120度的径向方向。因此该天线覆盖三个扇区。

考虑信号源26A-26C所辐射的波长，高阻抗中心介质27和聚焦层28(和可选地随后层，未示出)具有如同上述说明的尺寸。

应当指出，有可能对主要信号源26A-26C增加全方位天线例如双振子，以形成图4所示类型的多扇区天线，由此获得组合天线。

图5所示的天线31通常为类似图3天线的设计，具有在包含双振子36A、36B、36C的高阻抗介质37A-37C上的单一低阻抗聚焦层38A、38B、38C。不同介质37A、37B、37C填充上述空间谐振环境。连续介质之间的分界面相对接地板35和主要信号源36A-C倾斜，以便波折射向在此所示向下的聚焦方向A-C倾斜。这使该天线辐射方向图被调节得满足要求。

在基于相同原理的另一个实施例中，电介质层之间的分界面与接地板平行而双振子倾斜。

自然，在天线设计得如图2或4所示的旋转对称类型情况下聚焦方向可以用类似方式倾斜，则天线为圆锥型而非圆柱体。

按照本发明的天线可以使用各种类型主要信号源(简单或交叉双振子，缝隙，微带线路)，每个都安置在其它的发射波瓣之外以便保证它们相互之间电磁隔绝。

在多扇区天线的情况下，主要信号源可以安置或共型在非平面金属表面上，例如圆柱体或圆锥型表面上，这改善了该天线的正向/反向比。由这些表面所围绕的圆柱体或圆锥体相对该天线的轴线对称。例如，它可以具有一个圆形、三角形或多边形截面

Claims (15)

1．一种用于无线电通信基站的天线，包括多个独立馈电并且设计得具有不同辐射特性的主要信号源(6A-6C,16A-16C,26A-26C,36A-36C)，该主要信号源安置在第一介质上(7A-7C,17A-17C,27A-27C,37A-27C)以便被空间隔绝，特征在于其进一步包括第一介质并且具有基本上比第一介质低的特性阻抗，和特征在于每个主要信号源具有至少一个垂直与第一和第二介质分界面的聚焦方向(A-C)，沿该方向所述主要信号源与所述分界面之间的距离基本上等于λ₁(2p₁-1)/4和第二截止具有基本上等于λ₂(2p₂-1)/4的厚度(e₂)，其中λ₁和λ₂分别代表在第一和第二介质中所述主要信号源辐射的波长，而p₁和p₂是整数。

2．按照权利要求1的一种天线，其中第二介质(8A-8C,18A-18C,18,38A-38C)具有基本上比第一介质高(7A-7C,17A-17C,38A-38C)的介电常数。

3．按照权利要求1的一种天线，其中第二介质(8A-8C,18A-18C,18,38A-38C)包括合成电介质材料。

4．按照前面任何一个权利要求的一种天线，其中第一介质(17A-17C)被多层聚焦层(18A-18C,19A-19C,20A-20C)覆盖，相邻第一介质的第一聚焦层(18A-18C)由所述第二介质形成，其中每个聚焦层由沿每个主要信号源(16A-16C)的聚焦方向厚度基本上等于λi(2p_i-1)/4介质形成，其中λi代表在形成所述聚焦层介质中主要信号源辐射的波长而p_i是整数，和其中对于每个奇数整数i第i个聚焦层由具有基本上比位于所述第i个聚焦层两侧介质低的特性阻抗的介质形成。

5．按照权利要求4的天线，其中对于每个奇数整数i第i个聚焦层由具有基本上比位于所述第i个聚焦层两侧介质高的介电常数的介质形成。

6．安置权利要求5的天线，其中对于每个奇数整数i第i个聚焦层由包括合成电介质材料的介质形成。

7．安置权利要求4到6中任何一个的天线，其中对于每个奇数整数i第i个聚焦层由包括在塑料或树脂材料基底中铁粒子的介质形成。

8．按照前面任何一个权利要求的一种天线，其中主要信号源(6A-6C,16A-16C,26A-26C,36A-36C)包括双振子、辐射缝隙和/或微带线路。

9．按照前面任何一个权利要求的一种天线，其中主要信号源(6A-6C,16A-16C,36A-36C)被馈电并且设计得以便在不同波长上辐射。

10．按照前面任何一个权利要求的一种天线，其中主要信号源(6A-6C,36A-36C)沿轴线(X)安置，而所述介质具有相对该轴线旋转对称。

11．按照权利要求10的一种天线，其中主要信号源(6A-6C)在所述轴线(X)上对齐。

12．按照权利要求10的一种天线，其中几个主要信号源(26A-26C)被馈电和设计得以便辐射基本上相同的波长并且具有相对所述轴线不同辐射方向上俯仰角和方位角(A-C)上的聚焦方向。

13．按照权利要求12的一种天线，其中主要信号源被共型在非平面金属表面上。

14．按照权利要求13的一种天线，其中所述非平面金属表面是相对所述轴线(X)对称的圆锥体或圆锥体。

15．按照前面如何一个权利要求的一种天线，其中第一介质(37A-37C)和第二介质(38A-38C)具有相对主要信号源(36A-36C)倾斜的表面。

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