CN1379606A - 多频带通信天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频带通信天线。本发明揭示了一种三频带天线,特别是用于蜂窝通信的三频带天线。这种天线包括一些分别工作在三个频带的辐射元。UMTS辐射元相隔一个为0.95×λ_m的最佳距离,其中λ_m为UMTS频带的平均波长。GSM和DCS辐射元相对UMTS辐射元配置成使得每个辐射元同样地被其他辐射元和隔板包围。这种结构沿着一个纵轴是周期性的。在这种结构的每个模块内,一个GSM辐射元配置在一个四边形的中央,这个四边形的两个相邻的顶点各安排一个DCS辐射元,而这个四边形的其他两个顶点各安排一个UMTS辐射元。

Description

多频带通信天线

相关申请的交叉参考

本申请基于2001年3月29日递交的法国专利申请No.01 04 256，该申请所揭示的在此列为参考全面予以引用，从而该申请的优先权按35U.S.C§119予以遵从。

技术领域

本发明涉及多频带通信天线，特别是用于蜂窝电话系统的多频带通信天线。

背景技术

一些蜂窝电话系统使用了与各种现有的通信系统相应的不同频带。目前在用的通信系统例如有数字蜂窝系统(DCS)(1710-1880MHz)和全球移动通信系统(GSM)(870-960MHz)。当前正在安装的新建通信系统例如有通用移动电话业务(UMTS)系统(1900-2170MHz)。

因此，通信网的运营方必须提供一个可在所用的不同频带内工作的天线网。一些运营方安装了一些互补的天线网，每个网按照一个通信系统进行工作。因此，这些运营方使用一个GSM天线网和一个DCS天线网，同时还在建立一个UMTS天线网。

然而，天线网的倍增导致运营方在购买天线、租用场地和设置安装上增加费用，而且还损害了环境。因此，其他一些运营方采用按照一个以上电信系统工作的天线。这样就减小了安装成本和对环境的损害。

所使用的有两种类型的天线：

●第一类型的天线称为“宽带天线”，使用一个充分宽的工作频带，能按照一个以上的通信系统发送和接收呼叫。例如，用一个频带为870MHz至1880MHz的天线作为一个GSM和DCS的组合天线。

●第二类型的天线称为“多频带”天线，在单个天线底盘内组合了一些分别遵从各自通信系统的相应辐射元。例如，GSM和DCS双频带天线，含有一些分别用于GSM和DCS的相应辐射元。

图1示出了一个现有技术的GSM和DCS双频带天线。双频带天线10包括一些按照GSM工作的辐射元12和一些按照DCS工作的辐射元14。在这种天线中，GSM辐射元12接至两个GSM连接端16和18，发射频率处在GSM频带内的电磁波。类似，DCS辐射元14接至两个DCS连接端20和22，发射频率处在DCS频带内的电磁波。图1未示出连接端与GSM或DCS辐射元之间的连接情况。

由于所用的辐射元的性质，使用两个独立的发射处在同一个频带内的电磁波的连接端。每个辐射元(其工作情况例如可见美国专利6,025,798)相当于两个独立的相互差90°的偶极子。因此，辐射元40和44可以正确接收和/或发送电信信号，不论发送或接收天线相对辐射元的位置如何。

同一频带的这组辐射元形成一个传输装置。因此，GSM辐射元12形成一个GSM传输装置，而DCS辐射元14形成一个DCS传输装置。为了使这两个装置的工作都得到优化，在设计这种现有技术的天线中需考虑两个准则：

●按照第一准则，同一频带的辐射元相隔基本上等于0.95×λ_m的距离，其中λ_m表示与这些辐射元关联的频带的平均波长。众所周知，这样排列辐射元有利于这样设置的装置的工作。

●按照第二准则，同一装置的辐射元处于相同的邻近环境，也就是说它们同样地被其他邻近的辐射元包围和被有着以下将要说明的功能的金属隔板包围。

在DCS和GSM双频带天线的情况下，由于所用的波长的特点，容易形成满足以上两个准则的天线。DCS频带的平均波长λ_DCS近似等于GSM频带的平均波长λ_GSM的二分之一。因此，可以设计出一种具有DCS辐射元的节距等于GSM辐射元的节距的两倍这样的周期性结构的天线。由于这个特点，任何GSM辐射元12与两个GSM辐射元12等间距，而且与两个DCS辐射元14也等间距。类似，任何DCS辐射元14与两个DCS辐射元14等间距。

两个装置的辐射元排列的对称性大大地减小了射频干涉，因为同一装置的每个辐射元受到类似的干涉影响。如果一个装置的各辐射元在类似的条件下工作，这个装置的性能(例如信噪比)就有所改善。

同一装置的辐射元之间的耦合会大大降低它的性能。为了减小这样的耦合，这些辐射元用一些金属板隔开，这些金属板的位置还确定了每个装置的辐射特性，例如水平孔径。因此，与天线的纵轴27垂直的金属板26将GSM辐射元12分别隔在一些还由天线底盘的纵板27a和27b限定的矩形分隔区内。这些金属板26降低了GSM辐射元12之间的耦合，从而增大了GSM装置的增益。

GSM装置的增益是横板27a和27b与GSM辐射元12之间的距离的函数，也与横板27a和27b的高度有关。如果GSM辐射元12与隔板27a、27b和26基本等间距，就可得到使GSM装置能按照运营方所规定的传输准则工作的最佳配置。此外，GSM装置的工作还按照上面提到的第二准则优化，因为装置的所有辐射元是以相同方式隔开的。

此外，隔板26还用来与沿着天线的轴27配置的固定壁24相连接，将DCS辐射元14隔开。这样分隔确定了DCS装置的工作特性，例如它的水平孔径或增益。然而，GSM辐射元12也沿着天线的轴27配置。接近一个辐射元的那些金属板会干扰这个辐射元的工作。因此，纵板24在接近GSM辐射元12处有一个倒角25。

DCS辐射元14成对地隔在由隔板24、26和27b形成的矩形分隔区内。为了限制每对的DCS辐射元14之间的耦合，在每对的辐射元14之间与轴27垂直地配置了一个隔板28。每个隔板28与它这样隔开的两个DCS辐射元14等间距。因此，这些隔板28各处在一个与所述两个DCS辐射元等间距的GSM辐射元12邻近。隔板28因此会与隔板24同样地干扰GSM辐射元12，因为它也接近GSM辐射元12。所以，隔板28的长度小于隔开DCS辐射元14的分隔区的宽度。此外，隔板28在接近GSM辐射元12处的高度随着减小。

这样递减的外形是这些隔板使DCS辐射元14隔开与对GSM辐射元12干扰之间的一个折衷。减小隔板28在邻近GSM辐射元12处的高度减小了隔板与GSM辐射元12之间的干涉。这样，DCS辐射元14基本上与隔板24、26、27b和28等间距。如同GSM辐射元12的情况那样，这样配置优化了DCS装置的性能。此外，对于所有的DCS辐射元14来说分隔情况是类似的，因此所有的DCS辐射元遭受的干涉也类似，从而优化了DCS装置的工作。

因此，设计一个由一些分别为各传输系统专用的辐射元组成的双频带天线需要有许多折衷和技巧，以使每个装置都能正确工作。此外，由于DCS频带的平均波长λ_DCS近似等于GSM频带的平均波长λ_GSM的二分之一，因此可以将这些DCS和GSM辐射元沿着天线的轴周期性地配置，使它们之间的距离最佳。

本发明的目的是提出一种三频带天线，例如一种GSM/DCS/UMTS天线，这种天线可以令人满意地工作，虽然其中至少一个频带的平均波长不是其他两个频带的平均波长的倍数或几分之一。

发明内容

本发明提供了一种无线电天线，特别是用于蜂窝通信的无线电天线，这种无线电天线包括一些分别适合在三个各自不同的频带内工作的第一、第二和第三辐射元，这种天线的结构沿着一个纵轴是周期性的，在这个结构的每个模块内，一个第一辐射元配置在一个四边形的中央，这个四边形的两个相邻的顶点各安排一个第二辐射元，而这个四边形的其他两个顶点各安排一个第三辐射元。因此，每个辐射元的工作得到了优化，因为相同类型的每个元都有类似的紧邻环境，虽然其中至少一个频带的平均波长不是其他两个频带的平均波长的倍数或几分之一。

在一个优选实施例中，相应的辐射元列成与天线的纵轴平行的、分别与各自频带相应的三行。

在一个优选实施例中，适合在同一个频带内工作的两个相邻的辐射元相隔0.95×λ_m的距离，其中λ_m为这个频带的平均波长。

在一个优选实施例中，在每个模块内，第二辐射元和第三辐射元分别配置在各自的分隔区内。

这种天线的一个具体实施例包括一些分别适合在从1710至1880MHz的DCS频带、从870至960MHz的GSM频带和从1900至2170MHz的UMTS频带内工作的相应辐射元。

在一个优选实施例中，每个模块包括一个GSM辐射元、一对UMTS辐射元和一对DCS辐射元，这两对辐射元给定了一个近似的矩形，GSM辐射元配置在这个矩形的中央。

以上这种三频带天线为希望在网络内引进一个新的通信系统(例如UMTS)的辐射元而同时继续使用已经在用的系统的网络运营方减少了安装、租用和/或维护费用。

此外，以上这种天线比一个使用一些每个通信系统都用的辐射元的宽带天线更为优越。配备有以上这种天线的运营方因此可以改变其中一个通信系统的覆盖区而不会改变使用这种天线的其他系统的覆盖区。通过改变馈给一个装置的信号就可以改变这个装置的传输覆盖区。必须指出的是，宽带天线不能实现这样的改变，因为为每个通信系统工作的装置是同一个装置。

从以下结合附图对一些实施例所的非限制性说明中可以清楚地看到本发明的其他特色和优点。

附图说明

图1为以上已经说明的现有技术的双频带GSM/DCS天线的总体图。

图2为遵从本发明的三频带UMTS/GSM/DCS天线的总体图。

具体实施方式

UMTS频带的平均波长不是GSM和DCS频带的平均波长的倍数或几分之一。因此，对于这三个频带它不能同时满足先前引用的优化一个频带的辐射装置的工作的两个准则，即：

●装置的每对辐射元之间优化间隔为0.95×λ_m，以及

●同一频带的任何辐射元有着相同的邻近环境。

按照本发明设计的天线是一个可以提供满意工作的折衷解决方案。图2所示的这个实施例包括一些分别适合在UMTS、GSM和DCS频带工作的辐射元52、54和56：辐射元52工作在UMTS频带1900-2170MHz，辐射元54工作在GSM频带870-960MHz，而辐射元56工作在DCS频带1710-1880MHz。辐射元54和56与上面结合图1说明的辐射元12和14相同。UMTS辐射元52类似于GSM辐射元54和DCS辐射元56，但是具有UMTS的具体技术特性。

天线50沿着它的处于天线罩的对称平面上的主轴61具有周期性结构。节距近似等于0.85×λ_GSM，其中λ_GSM为GSM频带的平均波长。这个周期性结构由一些相同的矩形模块组成，每矩形模块包括一个GSM辐射元54、一对UMTS辐射元52和一对DCS辐射元56，配置成使这两对辐射元52和56形成一个以这些辐射元为顶点的四边形，GSM辐射元54处在这个矩形的中央；两个UMTS辐射元52安排在两个相邻的顶点，而两个DCS辐射元56安排在其他两个顶点。整个天线50的辐射元54、56和52分别列成与天线50的轴61平行的、分别与这三个频带相应的三个平行的行。

在每个模块内，这些辐射元配置成使得每个GSM辐射元54都同样地被UMTS辐射元52、DCS辐射元56和隔板包围。因此，每个GSM辐射元54与两个GSM辐射元54等间距、与两个UMTS辐射元52等间距和与两个DCS辐射元56等间距。

两个相邻的GSM元54(即在两个相邻的模块内的GSM元)之间的距离等于节距，也就是近似等于0.85×λ_GSM。为了优先考虑UMTS辐射元52的工作，为了使UMTS装置具有最佳性能，在与天线轴61平行的方向上相邻UMTS辐射元52(在同一个模块内或在两个相邻的模块内)之间的距离为0.95×λ_UMTS，其中λ_UMTS为UMTS频带的平均波长。相邻DCS辐射元56之间的距离为0.85×λ_DCS，其中λ_DCS为DCS频带的平均波长。由于波长λ_DCS与λ_UMTS相差不是很大，UMTS辐射元52和DCS辐射元56形成一个近似矩形的四边形。

因此，与辐射元不在相互最佳距离上的DCS和GSM装置相比，对UMTS装置作了优先考虑。DCS辐射元56以一个等于0.85×λ_DCS的非优化距离配置。类似，GSM辐射元54以一个近似等于0.85×λ_GSM的非优化距离配置。尽管这样，可以发现，GSM辐射元54和DCS辐射元56也能恰当地工作，因为按照本发明每个GSM辐射元54都被同样的邻近环境(也包括类似的分隔)包围。同样，每个DCS辐射元56也都被同样的邻近环境(也包括类似的分隔)包围。

为了实现这种分隔，隔板58配置成与天线的纵轴61垂直。在天线的每个模块内，为了减小辐射元之间的耦合，隔板58将UMTS辐射元52隔在一个第一分隔区内和将DCS辐射元56隔在一个第二分隔区内。隔板59a和59b将天线的这些辐射元隔开。隔板59a和59b配置成在沿着处在天线罩的对称平面上的纵轴61配置的GSM辐射元54的两侧，与纵轴61平行。

此外，隔板59a和59b在邻近GSM元54处是间断的，从而增大了隔板59a和59b与GSM辐射元54之间的距离。类似，隔板59a和59b在接近GSM辐射元54处有倒角62，这些倒角进一步减小了隔板59a和59b与GSM辐射元54之间的干涉。由于同样的原因，隔板59a在邻近GSM辐射元54处有切口60。

这些切口和倒角按照试验得到的结果设计，可供隔板59a和59b选用。

UMTS辐射元52和DCS辐射元56都是成对隔开的。斜隔板64配置在每对的辐射元之间，限制每对的辐射元之间的耦合。然而，这些隔板的高度都在邻近GSM辐射元54处减小，以减小隔板58与DCS辐射元56之间的干涉。

于是，DCS辐射元56近似与隔板58、59b、64和天线侧板57b等间距。相反，有意将UMTS辐射元52在由隔板58、59a、64和天线的侧板形成的矩形分隔区内偏离与这些隔板等间距的点。通过试验得出，这偏置为一个厘米左右时可以改善UMTS装置的性能，特别是在考虑水平辐射图的指向的情况下。

配置了独立的双交叉极化UMTS、GSM和DCS馈电端70、72和74。这种独立馈电的优点是可以改变每个装置所覆盖的发送和/或接收区。如果运营方决定修改天线的UMTS装置的覆盖区，就可以进行修改而不会影响天线的DCS和GSM装置的覆盖区。例如，一个网络的运营方可以在白天将天线的UMTS波束指向一个办公区，在晚上将波束转向宾馆区，而保持DCS和GSM波束始终指向相同的覆盖区。最好通过改变对每个装置的馈电来使波束转向。

本发明本身可以有许多变型，这些变型对于所属技术领域的专业人员来说是显而易见的。例如，有些斜隔板64可以用具有类似作用的绝缘构件75来代替。

Claims (6)

1.一种无线电天线，特别是用于蜂窝通信的无线电天线，所述无线电天线包括一些分别适合在三个各自不同的频带内工作的第一、第二和第三辐射元，所述天线的结构沿着一个纵轴是周期性的，在所述结构的每个模块内，一个第一辐射元配置在一个四边形的中央，所述四边形的两个相邻的顶点各安排一个所述第二辐射元，而所述个四边形的其他两个顶点各安排一个所述第三辐射元。

2.如在权利要求1中所述的天线，其中相应的辐射元列成与所述天线的纵轴平行的、分别与各自的频带相应的三行。

3.如在权利要求1中所述的天线，其中适合在同一个频带内工作的两个相邻的辐射元相隔0.95×λ_m的距离，其中λ_m为所述频带的平均波长。

4.如在权利要求1中所述的天线，其中在每个模块内所述第二辐射元和所述第三辐射元分别配置在各自的分隔区内。

5.如权利要求1至4中任一项所述的天线，所述天线包括一些分别适合在从1710至1880MHz的DCS频带、从870至960MHz的GSM频带和从1900至2170MHz的UMTS频带内工作的相应辐射元。

6.如权利要求5中所述的天线，其中每个模块包括一个GSM辐射元、一对UMTS辐射元和一对DCS辐射元，所述两对辐射元给定了一个近似的矩形，所述GSM辐射元配置在所述矩形的中央。