CN1659743A - 总体上为正方形状的双极化宽带辐射元件 - Google Patents

Abstract

辐射装置(1)，它包括两相交偶极子(2)，所述偶极子可以宽频及双极化模式运行。各偶极子包括一对共面导电板(2a，2c；2b，2d)，所述板的几何形状相同，都为正方形。每对(2a，2c；2b，2d)的两块板所放置的位置，可使其对角线大致沿一相同对准轴(3，4)排放，两对板的对准轴(3，4)在各偶极子板之间的交点(O)处相交成直角。

Description

总体上为正方形状的双极化宽带辐射元件

技术领域

本发明涉及天线及其辐射元件。

背景技术

双极化辐射元件可由两发射偶极子形成，所述各偶极子由两共线状导体辐射振子构成。各辐射振子的长度大致等于工作波长的四分之了。偶极子安装在一结构上，所述结构可向其供电，并使其可放置在一反射器(接地面)上方。通过对偶极子后辐射的反射，这样可更精确地确定如此形成的组件的辐射图的方向性。

根据其在空间中的方向，偶极子可发射或接收沿两极化路径的电磁波，所述两路径例如一水平极化路径及一垂直极化路径，或沿相对于水平或垂直方向相隔±45°角的两极化路径。

但装配所述结构时，通常很难实现极化路径的良好去耦，如30dB，同时又保持良好的路径阻抗适配，如50欧姆的小于1.5∶1的驻波率，又可获得在一宽频带中基本恒定的半功率单向开口辐射图，例如在24％的通频带中开口65°。

因此，很难实施这种辐射元件：生产简单，有在一宽频带内强去耦的两直线形极化正交路径。更不用说实施包括所述类型的多个辐射元件、提供良极化准确度的双极化定向网络。

另一方面，又希望可获得有两极化正交路径的一辐射元件，所述各路径各有一单向辐射图，其在正交平面，即和各偶极子的主平面E及H间隔+/-45°的平面内，的半功率开口，明显小于90°。

发明内容

本发明的目的在于改善所述情形。

根据本发明，各偶极子包括一对共面导电板，所述板的几何形状相同，都为正方形；每对中两块板放置的位置可使其对角线大致沿一相同的对准轴对准，两对板的对准轴在各偶极子板之间的交点处相交成直角。

换言之，板的相互放置位置可使一方形板沿正方形对角线相对的两顶点，和同一对中另一板的正方形一对角线上相对的两顶点，在同一对准轴上。

附图说明

本发明的其它特征及优点将在后文参照附图所作的详细描述中体现出来。附图中：

——图1为根据本发明的一辐射元件的第一实施方式的一俯视图，

——图2为沿图1中所示辐射元件的截面AA的一示意图，

——图3、4及5为在图1、2中所示辐射元件的三种实施变型的俯视图，

——图6为由根据本发明的多个辐射元件构成的一线形网络的一透视图，及

——图7a及7b为根据本发明的一辐射元件的俯视简图，其中示出了电场的分布。

附图中通常包括特征明确的元件。因此，它们不仅利于理解本说明，必要时，还有助于对本发明的定义。

具体实施方式

图1中用虚线示出了一虚正方形框1，所述方框边长为“a”。在所述虚方框中，图中所示的辐射元件包括四个正方形状的金属辐射板2a、2b、2c及2d，其边长为“c”。所述四块板并列放在虚方框1内的同一平面内。最好，板的尺寸相同，彼此间间隔一相同距离“b”，其中a＝2c+b。

方形板2a和2c有一公共对角线，即大致位于同一对准轴3上；同样，板2b和2d有一公共对角线，即大致位于同一对准轴4上。

构成两对板的公共对角线的所述对准轴3、4在交点“O”处相交成直角，所述交点位于每对板或偶极子之间。在图1中，对准轴3和4还形成虚线1表示的虚方框的对角线。

每对板，分别为2b、2d，由一对称-不对称变换器(symétriseur或balun)供给电流。因此，一对板2a、2c形成一对称偶极子，所述偶极子辐射一极化电场，这在和板2a、2b、2c、2d的平面垂直的一平面内，并具有所述板的公共对角线3。同样，一对板2b、2d形成一对称偶极子，所述偶极子辐射一极化电场，这在和板2a、2b、2c、2d的平面垂直的一平面内，且具有所述板的公共对角线4。

因此，两对正交板产生彼此两正交电场。极化平面相对于图1的垂直轴VV’成一+/-45°的角，所述轴穿过板2a、2b和板2c、2d之间的间隔。

如图2中的剖面所示，四块板所在的平面平行于一平面反射器5。各板2a、2b、2c、2d可通过标号分别为6a、6b、6c、6d的导管，安装并支承在反射器5上。各导管一端固定在平面反射器5上，其方向通常大致垂直于板平面和反射器5的平面。

图2中剖面图只示出了板2a、2b、2d及管6a、6b、6d。所述管6a、6b、6c、6d用作保持隔开板2a、2b、2c、2d与反射器5的支柱；它们还保证或支持向板供电的对称-不对称变换器。

反射器5可通过反射，把来自板的后辐射返送回去。其被放置为可使最终总发射对应一单向图，所述图朝向包括发射板(相对于反射器而言)的一半空间。

在图1中，和板2a、2b、2c、2d相接触的导管6a、6b、6c、6d的端部分别固定在板2a、2b、2c及2d的直角(“角落”)部分上，所述直角部分靠近对准轴3、4的交点“O”。

一对管6a、6c形成沿对角线方向相对的一对板2a、2c的对称-非对称变换器。一对管6b、6d形成沿对角线方向相对的一对板2b、2d的对称-非对称变换器。

各对称-非对称变换器看上去像一双股线路，其上端分别和板电连接，而其下端则和反射器5及供热点(un point chaudd′alimentation)电连接。

更准确地讲，对称-非对称变换器的其中一管6b或6c，可被一中央导体7b或7c穿过，所述导体一端连接沿对角线方向相对的板2d或2a，其另一端连接馈电连接器8的中央导体，或可能连接一同轴电缆的中央导体，所述电缆图中未示出，其套管焊接在反射器5上。因此，管6b或6c与其中央导体7b或7c形成偶极子的同轴阻抗变换线路，无论在哪种情况中，所述偶极子由连接到对称-非对称变换器的一对板构成。

另外，这样由管形成的两正交对称-非对称变换器——它们还可支承辐射板，可实施为一整体式导电元件，其形状为支承辐射板的支座。

穿过管6b或6c的各中央导体7b或7c，其截面可为圆形、正方形、矩形或其它形状。

对称-非对称变换器的管6a、6b、6c、6d的截面可为圆形、正方形、矩形、梯形、近似三角形或其它形状，最好，其截面形状大致规则。管的截面还可不是封闭的，例如可一侧开口。重要的是，管内可放入中央导体，所述导体的形状很可能为导电带，可供电给加热点，并转换阻抗。管内还可装有一电介质，以方便中央导体的机械性能，或实现适配阻抗的中央导体的必需长度。另外，未放入中央导体的管可是空心或实心的。选择所述截面的横向尺寸，以实施对相关板(接收相关中央导体7b或7c端部的板)的相应励磁，并由沿相同对角线3或4相对的板的对称实现。

根据图3所示的另一实施方式，板2a、2b、2c、2d可挖空，分别有一形状大致相同的孔9，例如为在由各板确定的正方形对角线交点处的圆孔。这可减轻其重量；还可看出：这对辐射元件的无线电特性不会有明显改变。

图4示出了前面所述实施方式的一种实施变型，其中，和图1中相同的元件均采用相同标号表示。在此情况下，在两对准轴3、4端部的板2a、2b、2c、2d的四外角还可沿垂直于对准轴的一截面被切割；四角上的所述截面大致相同，以保留两极化路径的几何对称性。

图中未示出的另一种变型在于，把各板的角相对于板的水平面或多或少向下或向上折迭一定角“β”。因此，被折迭的角形成相对于板平面倾斜“β”的一等腰三角形“w”(“β在-90°和+90°之间)。所述设置在密集辐射元件网中很有好处，可提高两相邻元件之间的相互耦合。

图4中所示截面或上述实施变型中折迭的深度w——所述深度沿一板的正方形边长“c”从其角处向其顶点测得，在所述构型中还可等于正方形的边长“c”，这使所述正方形完成变成一个三角形，但对辐射元件的良好运行却不会有什么影响。

根据图5所示的另一变型，还可把图3、4中的板2a、2b、2c、2d的实施形状组合起来，以实施一马耳他十字形辐射元件。在所述实施方式中，板2a、2b、2c、2d穿有一圆孔9，在对准轴上的外角被削掉。

因此，可减轻辐射元件的重量，却不会破坏辐射元件的特征。

在图6中，参照图1至4描述的所述类型之一的多个辐射元件排列在一公共反射器5上方，形成天线网络。在所述构型中，偶极子发射板的对准轴3、4相对于反射器5的纵轴vv’倾斜±45°的一角。可根据需要考虑其它排列方式。还可考虑把不同类型的辐射元件组合在一起。

对大部分应用而言，尤其在寻求水平面内约65°的半功率式开口定向图情况下，如GSM或UTMS型基点站的天线，主要尺寸“a”和“h”的变化范围可如下：

0.35λ＜a＜0.6λ

0.14λ＜h＜0.28λ

其中，λ为对应辐射元件工作频率的波长。

板之间的距离“b”通常约为几毫米，或为尺寸“a”的百分之几。

根据前面描述的本发明所实施的、在频带GSM900及集成GSM1800、UMTS频带内的辐射元件，可在两正交路径之间获得：

——大于30dB的绝缘，

——50欧姆的驻波率为小于1.5∶1，

——约65°的辐射图的半功率式开口的发射频率增益约9dBi，

——在辐射图的半功率式开口内，相交极化率约28dB。

使用正方形型轮廓的发射板有不同优点，所述优点可独立存在：

——可明显简化偶极子馈电装置，

——减小辐射元件的尺寸，

——性能优异，

——例如可用复制模型法生产唯一、相同元件的板和对称-非对称变换器。

显然，辐射元件尤其可应用于实施无线通信蜂窝网络如GSM900(870至960兆赫兹)、GSMl800(1710至1880兆赫兹)或新UMTS(1920至2170兆赫兹)的基站的天线，对所述通讯网而言，与移动电话的链接必须根据相对于垂直线倾斜±45°的两正交极化进行。

但根据本发明的辐射元件，也可应用在其它领域、其它频段中，例如，通过组合四相位的两正交极化路径必需发射并接收右或左的圆形极化电磁波。

还可构成包括上述辐射元件的一平面网络即双向网络。在此情况下，辐射元件沿根据一确定间距水平地对准，所述间距与另一确定间距垂直。例如，由供电相同的两平行水平元件构成的一子网络，可在0.9λ的间距时在水平面内有-3dB的一约29°的开口。8个所述子网络的相同垂直排列对于相同的0.9λ的间距而言，可在垂直面中实现约7°的一开口；这样形成的网络的理论增益约为22.5dBi。

还可通过蚀刻法在一厚度很小的电介质支架上实现辐射板，例如“Verre-Téflon”或“ ”型板。所述印刷技术尤其应用在5Ghz至24Ghz的高频中。

本申请人还提出了所述辐射元件的运行方式，当然所述辐射元件符合电磁法则。从时至今日的研究及试验中可看到，观察到的辐射性能基本上归因于分隔板的径向缝，而所述板的边缘很少或根本未涉及到。这从图7a和7b中可看出。

图7a为根据本发明的一辐射元件简图，其中，相对于轴VV’倾斜-45°的一对板2b和2d，由分别在点6b和6d处的电压-V和+V源RF供电。

图7b为根据本发明的一辐射元件简图，其中，相对于轴VV’倾斜-45°的一对板2a和2c，由分别在点6a和6c处的电压-V和+V源RF供给电流。

两相邻板如2a和2b的内边形成一缝，如F4，其宽由板间距b确定。当每对板由一电压源RF供电时，如图7a和7b所示，试验显示，它可沿板的内边产生电流分布，并在缝内产生垂直于板边缘的一电场(如小箭头所示)。

更准确地讲，电场可沿两垂直共线垂直缝F1和F2，被水平地极化，和可沿两水平共线缝F3和F4，被垂直地极化。因此，显然，可在任何时刻得到正交且相等的两电场分布，在图7a所示情况下可产生电场E_-45，而在图7b所示情况下可产生电场E₊₄₅。

因此，缝的作用相当于磁流偶极子，因而是辐射源。正交缝的宽(b)和长(a)因而确定了等效磁偶极子的辐射阻抗，和圆柱形电偶极子的直径和长一样，这一切决定了其辐射阻抗。

另外，实验结果还显示：两对板之间的去耦很重要，尤其在特别宽的频带中。

从上述描述中可看到，至少在某些情况中，可从板最外的角侧起将板向里挖空，如图7a、7b中虚线表示的，同时仍能保持其良好性能，如阻抗、两对板之间的去耦及结构的辐射。沿板外缘EH、GF、EG及HF循环的可能电流在接近板外角F、G、H、E处非常小，甚至没有，这就解释为何仍能保持良好性能。

从中可看出，板的外边缘事实上不辐射。

当然，本发明并非仅局限于前面所述的实施方式中，而包括本发明技术人员在后面权利要求规定的范围内可考虑到的所有变型。

Claims (16)

1、一种辐射装置(1)，它包括两相交偶极子(2)，所述偶极子被配置为以宽频带及双极化模式工作，

其特征在于，每个偶极子包括一对共面导电板(2a，2c；2b，2d)，所述板的几何形状相同，总体上为正方形，每对的两块板(2a，2c；2b，2d)被放置为其对角线大致沿每对板的同一对准轴(3，4)对准，两对板的对准轴(3，4)在各对板之间的交点(O)处相交成直角。

2、按照权利要求1所述的辐射装置，其特征在于，两对板(2a，2c；2b，2d)的表面大致相同，彼此相邻安放，均内接于一正方形内，所述正方形的边“a”包括两对板中相邻两板对齐的两边。

3、按照权利要求1或2所述的辐射装置，其特征在于，每对板在靠近交点的板两端之间，由一对称-非对称变换器供电，所述变换器包括形成“对称-非对称变换器”型双股线路的两管(6a，6c；6b，6d)。

4、按照权利要求3所述的辐射装置，其特征在于，板通过所述管(6a，6b，6c，6d)固定在反射器(5)上。

5、按照权利要求4所述的辐射装置，其特征在于，形成双股线路的管的端部和反射器(5)及在两对板的对准轴交点“O”附近的板(2a，2b，2c，2d)的端部电连接，其特征还在于，各对称-非对称变换器的管(6b，6c)中的一个由一中央导体(7b，7c)穿过，所述导体的一端连接到一板(2d，2a)。

6、按照权利要求5所述的辐射装置，其特征在于，中央导体(7b，7c)的另一端连接到安装在反射器(5)上的同轴馈电连接器(8)的中央导体。

7、按照权利要求5所述的辐射装置，其特征在于，中央导体(7b，7c)的另一端连接到安装在反射器(5)上的一同轴电缆的中央导体。

8、按照权利要求3至7中任一项所述的辐射装置，其特征在于，对称-非对称变换器(6a，6b，6c，6d)由形成辐射板支座的一整体式元件实现。

9、按照权利要求3至8中任一项所述的辐射装置，其特征在于，对称-非对称变换器的管(6a，6b，6c，6d)的截面至少部分为圆形。

10、按照权利要求3至8中任一项所述的辐射装置，其特征在于，所述管(6a，6b，6c，6d)的截面至少部分为矩形。

11、按照权利要求1至10中任一项所述的辐射装置，其特征在于，辐射板(2a，2b，2c，2d)向内凹(9)。

12、按照权利要求1至10中任一项所述的辐射装置，其特征在于，位于对准轴上的辐射板(2a，2b，2c，2d)的四外角被削掉。

13、按照权利要求1至10中任一项所述的辐射装置，其特征在于，辐射板(2a，2b，2c，2d)的四外角相对于板平面折成一定角度。

14、按照权利要求1至10中任一项所述的辐射装置，其特征在于，组合在一起的辐射板(2a，2b，2c，2d)形成“马耳他十字”形状的图形。

15、按照权利要求1至14中任一项所述的辐射装置，其特征在于，由两相邻辐射板的正方形的边形成的正方形的边“a”的长度大约介于0.35λ至0.6λ之间，其特征还在于，辐射板距离反射器(5)的距离“h”大约介于0.14λ至0.28λ之间，其中，λ为工作波长。

16、一种形成天线-网络的辐射装置，其特征在于，它包括根据权利要求1至15中任一项所述的辐射元件(1)，所述辐射元件在同一反射器(5)上排齐，其安放方式使得各偶极子的辐射板(2a，2b，2c，2d)的对准轴(3，4)相对于对准轴(VV’)倾斜±45°。

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