CN1797853B - 使用四个金属导体的天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线，包括：矩形的反射器；第一和第二偶极天线，该第一和第二偶极天线设置在所述反射器的前面，并平行于反射器的长边排列；棒状的第一金属导体，该第一金属导体平行于所述第一和第二偶极天线布置，并在平行于反射器的短边的方向上向外侧与所述偶极天线间隔开距离X1，并在垂直于反射器的方向上与所述偶极天线间隔开距离Y1；以及棒状的第二金属导体，该第二金属导体相对于彼此设置在向外与所述偶极天线间隔开大于距离X1的距离X2、并且在垂直于所述反射器的方向上向前与所述偶极天线间隔开距离Y2的位置。

Description

使用四个金属导体的天线
技术领域
本发明涉及一种小型天线，这种小型天线具有在水平面内狭窄的HPBW(半功率波束宽度)，例如适于第三代(IMT-2000系统)六扇区(six-sector)无线区。本发明尤其是涉及一种利用多个不作功的金属导体并在水平面内的波束特性适于六扇区无线区的天线。
背景技术
在相邻区内相同频率的重复使用是第三代系统的特性，服务区必须被分割，并且扇区的数量必须增加，以增加用户容量。也已知的是缩窄水平面内的HPBW对于增加用户容量来说比缩窄扇区分割的角度更有效(参考文献：WCDMA基站天线的优化波束宽度(Optimal Beamwidth of BaseStation Antennas for WCDMA)，电子情报通信学会(the Institute ofElectronics，Information，and Communication Engineers)1999年全体大会)。在六扇区无线区内，由于一个扇区的分割角度为60度，为了增加用户容量，需要使天线在水平面内的HPBW窄于60度。
为了缩窄水平面内的HPBW，通常已知的方法包括增大反射器件。图11示出水平面内的HPBW由偶极天线和平面反射器设定为45度的天线。偶极天线111和112平行排列，并且布置在平面反射器110之前。例如，在所使用的中心频率为2GHz时，用于使水平面内的HPBW为45度的平面反射器的孔径宽度为150mm，如矩量法所获得的，并且2GHZ的一个波长是必须的。
通过另一种公知方法，通过将金属导体放置在天线附近并在金属导体内感应电流可以获得与拓宽天线孔径宽度相同的效果。图12示出60°定向天线，其中，金属导体放置在天线的两侧，而水平面内的HPBW被设定为45°。在反射器120之前的偶极天线121和122彼此相对并平行于平面反射器120布置。金属导体123和124基本上在纵向的长度上与反射器120相等，并且以宽于偶极天线121和122之间的间隔的间隔平行于偶极天线121和122布置。这些金属导体123和124产生与图11所示的反射器110相同的效果，并且水平面内的HPBW被设定为45°。
在日本专利申请公开2004-15365号中描述了另一示例，该示例利用图14所示的金属导体。在图14所示的示例中，在距定向天线140中心距离S1的位置处、沿着相对于天线140的主辐射方向±90°的方向放置第一金属导体142，该第一金属导体长度上基本等于多频共用120°定向天线的天线罩，在比距离S1近的距离S2处，沿相同方向放置比第一金属导体142短的第二金属导体143，并且HPBW被缩窄到90°。
图11所示的扩大反射装置的方法存在如下缺陷，即，已经安装的天线不可用。当然，这必须要更换天线，这使得服务不可避免地中断，给用户造成负担。当反射装置扩大时，由于风所吹拂的表面积增大，并且当天线安装在建筑物的屋顶等上时建筑材料的强度成为问题，因此，在一些情况下不可能安装所需的天线。因此，扩大反射装置的方法在服务和经济方面都存在显著的负担。
由此，图12所示的将金属导体123和124放置在天线附近的方法具有可以使用现有天线的优点.但是，传统的方法存在这样的缺陷，即，当HPBW缩窄时后波瓣程度和侧波瓣程度增大.
图13中的实线表示图12所示天线在水平面内的方向特性，其中，利用金属导体缩窄HPBW。在图13中，天线的主辐射方向的角度设定为90°，而轴的刻度归一化，使得最大值为0dB。图12所示的金属导体123和124不存在时的半带宽(-3dB)在图13中由虚线表示，为60°，但是，如图13所示，由于放置金属导体的效果，半带宽实际为45°。但是，在270°方向上的后波瓣增加约3dB。在从主发射方向偏移60°的30°和150°方向上的天线增益在大约-13dB的程度上，并且在考虑原始目的时，需要降低后波瓣和侧波瓣的增益，以便减小干扰，原始目的为通过减小干扰来缩窄HPBW以便增加用户容量。可以认为通过以这种方式使用金属导体的传统方法几乎不能够获得水平面内的充足方向特性。
发明内容
鉴于上述缺点研制了本发明，并且本发明的目的是提供一种天线，其中，在水平面内HPBW为60°的现有天线的基础上获得HPBW为45°的天线，并且可以减少侧波瓣和后波瓣。
本发明包括：矩形反射器；第一和第二偶极天线，该第一和第二偶极天线设置在反射器的前面并平行于反射器的长边排列；棒状的第一金属导体，该第一金属导体平行于第一和第二偶极天线布置，并且在平行于反射器短边的方向上向外与偶极天线间隔开距离X1，并在垂直于反射器的方向上向前与偶极天线间隔开距离Y1；以及棒状的第二金属导体，该第二金属导体平行于第一和第二偶极天线布置，并且在平行于反射器短边的方向上相对于彼此向外与偶极天线间隔开大于距离X1的距离X2，并在垂直于反射器的方向上向前与偶极天线间隔开距离Y2。
本发明的另一方面提供一种使用四个金属导体的天线，包括：矩形的反射器；第一和第二偶极天线，该第一和第二偶极天线设置在反射器的前面，并分别平行于反射器的长边；其中四个金属导体包括一对棒状的第一金属导体和一对棒状的第二金属导体；一对第一金属导体中的一个对应于该第一偶极天线，另一个对应于该第二偶极天线，该两个第一金属导体布置为分别平行于第一和第二偶极天线，并且该两个第一金属导体在平行于反射器的短边且远离彼此的方向上与对应的偶极天线间隔开距离X1，并在垂直于反射器的方向上与对应的偶极天线间隔开距离Y1；以及一对第二金属导体中的一个对应于该第一偶极天线，另一个对应于该第二偶极天线，该两个第二金属导体布置为分别平行于第一和第二偶极天线，并且该两个第二金属导体在平行于反射器的短边且远离彼此的方向上与对应的第一和第二偶极天线间隔开距离X2，并且在垂直于反射器的方向上与对应的偶极天线间隔开距离Y2，其中距离X2大于距离X1，距离Y2大于距离Y1。
通过这种结构，可以提供这样一种天线，由此，在水平面内的HPBW为60°的现有天线中，可以获得45°的HPBW，并且可以减小侧波瓣和后波瓣。
附图说明
图1A是示出本发明的天线的透视图，在本发明的天线中，使用四个金属导体；
图1B是图1A所示天线的平面图；
图2A是示出作为本发明基础的60°定向天线(beam antenna)的透视图；
图2B是图2A所示天线的平面图；
图3是示出主反射器的宽度W、水平面内的HPBW和侧波瓣之间的关系的曲线；
图4是示出侧反射器在延伸方向上的长度T、水平面内的HPBW和侧波瓣之间的关系的曲线；
图5是示出水平面内的HPBW和第一及第二侧反射器在向前方向上开口与主反射器两端所成角度之间的关系的曲线；
图6是示出在这个示例的天线的水平面内的方向特性的曲线；
图7是示出第一和第二金属导体的长度与水平面内的HPBW之间的关系的曲线；
图8是示出第一和第二金属导体的直径与水平面内的HPBW之间的关系的曲线；
图9A是示出在第一金属导体的位置在第二金属导体的位置固定在X2＝0.73λ且Y2＝0.26λ的状态下发生变化时水平面内的HPBW的变化的计算结果的曲线；
图9B是示出在与图9A相同的条件下FS比的变化的计算结果的曲线；
图10A是示出在第一金属导体的位置于第二金属导体的位置固定在X2＝0.8λ且Y2＝0.13λ的状态下发生变化时，水平面内的HPBW变化的计算结果的曲线；
图10B是示出在与图10A相同条件下FS比变化的计算结果的曲线；
图11是示出如下的天线的视图，在该天线中，水平面内的HPBW由偶极天线和平面反射器设定为45°；
图12是示出60°定向天线的视图，其中，金属导体放置在天线的两侧上，而水平面内的HPBW被设定为45°；
图13是示出使用金属导体的如图12所示的天线的在水平面内的方向特性的视图；以及
图14是示出使用金属导体的现有技术的示例的视图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施例。
图1中示出使用四个金属导体的本发明的天线。该天线的透视图在图1A中示出，而其平面图在图1B中示出。第一偶极天线2和第二偶极天线3彼此平行地放置在矩形板状反射器10的前面，并且平行于反射器10的长边(Z轴)。与第一和第二偶极天线2和3平行布置的是棒状的第一金属导体6和7，它们与偶极天线6和7在平行于反射器10短边的方向(X轴)上向外侧间隔开距离X1，并且在垂直于反射器10的方向(Y轴)上间隔开距离Y1。也平行于第一和第二偶极天线2和3布置的是棒状的第二金属导体8和9，它们与偶极天线2和3在平行于反射器10的短边的方向上向外间隔开大于距离X1的距离X2，并且在垂直于反射器10的方向上间隔开距离Y2。在偶极天线2和3的中心位置的附图标记4和5表示功率馈入点。第一和第二偶极天线2和3在图1A所示的示例中具有矩形板形状，但是这些天线也可以是棒状的。
[反射器和偶极天线的结构]
首先，形成本发明的45°定向天线的基础的60°定向天线示于图2中，图2示出了反射器和第一和第二偶极天线的结构.形成本发明的基础的60°定向天线的透视图在图2A中示出，而其平面图在图2B中示出.反射器10具有矩形板状主反射器20和向前弯曲并从主反射器20的两侧的边缘延伸的第一和第二侧反射器21和22.主反射器20的长边的长度大于第一和第二偶极天线2和3的长度.从主反射器20的两侧上的边缘向前间隔可距离dv的第一和第二偶极天线平行于主反射器20的侧边布置.为了描述方便，W用来表示主反射器20的短边的长度，θ用来表示向前方向与主反射器20的两端所成的角度，而T用于表示第一和第二侧反射器在延伸方向上的长度.
[主反射器的宽度W]
图3是示出主反射器20的宽度W、水平面内的HPBW和侧波瓣之间的关系的曲线。在所用的中心频率是2.0GHz时，主反射器20的宽度W在水平轴上由波长等价值来表示。在左侧上的竖直轴示出在水平面内的HPBW(度)，而在右侧上的竖直轴表示侧波瓣的程度(dB)。在主反射器20的宽度W从0.5λ变化到0.75λ时，水平面内的HPBW由实线所示，而侧波瓣程度由虚线表示。
随着主反射器20的宽度W增加，水平面内的HPBW几乎与W成反比地缩窄。示出了这样的特性，即，在主反射器20的宽度W为0.5λ时HPBW大约是61.8°，而在W＝0.75λ时HPBW大约是58.4°，HPBW基本上成线性关系缩窄。当反射器的短边的长度以这种方式增大时，HPBW变窄。这个关系在现有技术部分也有所描述。
以与水平面内的HPBW相同的方式，侧波瓣也处于这样一种关系下，即，侧波瓣的程度与主反射器20的宽度W的增加成反比地减小。侧波瓣的程度随着反射器10的宽度W的增加而减小，但是为了方便起见，侧波瓣程度的曲线也被示为向右升高。
从而，主反射器的宽度W增大越多，水平面内的HPBW可以更进一步缩窄。然而，在主反射器的宽度W简单增大时，会出现前面描述过的那些作为本发明要予以克服的缺点的缺点。因此，在这个实施例中，对于主反射器20使用0.66λ的宽度W(根据下面实施例的尺寸上的波长等价值圆整为三个小数位或更少小数位)。
[侧反射器的长度T]
图4示出了侧反射器21和22的延伸方向上的长度T、水平面内的HPBW和侧波瓣之间的关系。水平轴表示在延伸方向上的侧反射器的长度T。由于在作为波长等价值表示时长度T的值过小，在此以毫米单位表示。左侧上的竖直轴表示水平面内的HPBW(度)，而右侧上的竖直轴表示侧波瓣的程度(dB)。当侧反射器21和22在延伸方向上的长度从5到30mm变化时，水平面内的HPBW由实线表示，例波瓣程度由虚线表示。这些数据是主反射器20的宽度W为0.75λ的情况。
在长度T为5mm时，水平面内的HPBW大约是62.5°，在长度T增大到10mm时，HPBW突然缩窄到大约59.8°。然后，随着长度T增加，HPBW逐渐变化，这个特性表示HPBW相对于长度T增大到30mm大致成反比从大约59.8°改变到58.4°。侧波瓣特性还表明对于侧反射器21和22的长度T，在5到10mm和10到30mm的范围内斜率稍微不同，但是它们的程度随着长度T增加以线性形式逐渐减小。
通过以这种方式增加侧反射器21和22在延伸方向上的长度T，可以获得更窄的水平面内HPBW。侧反射器21和22在延伸方向上的长度T在这个实施例中为20mm，依照波长这对应于T＝0.13λ。
[侧反射器的角度θ]
图5示出水平面内的HPBW和得以和第二侧反射器21和22从主反射器20的两端相对于向前方向开口的角度θ之间的关系。该角度θ(度)由水平轴表示，而水平面内的HPBW(度)由竖直轴表示。当角度θ为0°时，具体地说，当测反射器21和22与主反射器20成直角从主反射器20的两端沿向前方向延伸时，水平面内的HPBW大约时60.3°，而当角度θ为50°时，HPBW是57.3°。在这个范围(interval)中，表明了这样的特性，即，HPBW相对于角度θ的增加几乎以线性方式缩窄。随着角度θ以这种方式增加，由于形成从反射器10的前面观察时向前投影表面积的短边被延长，获得与主反射器20的宽度增加相同的效果。在这个实施例中角度θ被设定为20°。
在另一种结构中，主反射器10和功率馈入点4和5之间的距离dv被设定为0.25λ。
[本实施例中水平面内的方向特性]
在图12所示的天线的实施例中，提供了第一金属导体6和7以及第二金属导体8和9。
图6示出了对于这个实施例的天线的水平面内的方向特性，在该天线中，W＝0.66λ、dv＝0.25λ、T＝0.13λ、θ＝20°、X1＝0.6λ、Y1＝0.13λ、X2＝0.73λ和Y2＝0.26λ。在图6中，天线的主辐射方向的角度为90°，而半径依据天线增益来表示，在中心处该增益为-40dB，而在周边为0dB。这个实施例的水平面内的方向特性由实线示出，而现有技术部分描述的传统45°定向天线的水平面内的方向特性由虚线表示。
实线和虚线都示出45°定向天线的实现方式。然而，在虚线所示的传统天线中，天线增益在超过90°±45°的外侧较高。与虚线所示的现有技术的特性相反，在相对于这个实施例的主波束方向(90°)±40°到±90°范围内，天线增益(由实线所示)小于虚线所示的现有技术的。尤其在±60°范围内，天线增益大约为-20dB，而在传统天线中大约为-13dB，这得以显著改善。换句话说，侧波瓣增益减小。尤其是，与主波束方向相对的270°方向，后波瓣程度相对于现有技术的-17dB来说改进了大约3dB到大约-20dB。
通过以这种方式布置第一金属导体6和7和第二金属导体8和9，可以缩窄波束，并且也可以减小侧波瓣和后波瓣。在特性上的这些变化有助于增大用户容量。
[第一和第二金属导体的长度]
图7示出金属导体的长度和水平面内HPBW之间的关系。这个图表示了金属导体123和124，如图12所示的金属导体，相对于主波束方向分别在左侧和右侧安装到120°定向天线上时的计算结果。第一和第二金属导体6和7的长度L在水平轴上表示为所用的中心频率为2.0GHz时的波长等价值，并且，在长度L从0.13λ到1.0λ变化时，水平面内的HPBW在竖直轴上以度来表示。图7中的实线表示偶极天线和金属导体之间的距离X1是0.4λ的情况，而虚线表示距离X1是0.53λ，距离Y1是0的情况。
当长度L在0.13λ到0.27λ范围内时，特征为水平面内的HPBW随着长度L增加而增加，但是当长度L是0.4λ时，HPBW快速减小。在实线(X1＝0.40λ)所示的特性中，长度L为0.27λ时的约132°的HPBW缩窄到长度L为0.4λ时的约71°。随着长度L增加，HPBW然后趋于逐渐增宽，并在长度L是1.0λ时变成大约78°。
这个趋势即使在距偶极天线的距离X1变化到0.53λ时也相同，如虚线所示.因此，所获得的效果被认为是固定的，只要第一和第二金属导体6和7的长度是0.4λ或更长.
因此，在这个实施例中，第一和第二金属导体6和7的长度形成为比第一和第二偶极天线2和3的长度长，并且几乎等于反射器10的长边的长度。
[第一和第二金属导体的直径]
图8示出水平面内的HPBW和金属导体的直径之间的关系。这个图示出金属导体123和124，如图12所示的金属导体，相对于主波束方向分别在左侧和右侧安装到120°定向天线上时的计算结果。金属导体123和124的直径D在水平轴上表示为所使用的中心频率为2.0GHz时的波长等价值，而在直径D从0.01λ到0.24λ变化时水平面内的HPBW以度表示在竖直轴上。实线示出偶极天线和金属导体之间的距离为0.27λ的情况，而虚线示出这个距离为0.53λ的情况。
当直径D在0.01λ到0.24λ范围内时，特性为水平面内的HPBW随着直径D增大而逐渐缩窄。在实线所示的特性中，直径D为0.01λ时约为96°的HPBW缩窄到直径D为0.24λ时的约79°的HPBW。这个趋势甚至在从偶极天线到金属导体的距离从0.27λ变化到0.53λ也同样。
当直径D为0.05λ或更大时，水平面内的HPBW存在小的变化。由于被风吹的表面积随着金属导体变窄而减小，因此在这个实施例中的直径D设定为0.04λ。
[第一和第二金属导体的位置]
为了找到第一和第二金属导体的优化位置，第一金属导体6和7的位置在第二金属导体8和9的位置固定的同时变化，并且FS比和水平面内的HPBW中的变化通过矩量法计算。在图9A和9B中，由灰度阴影表示在第二金属导体8和9的位置固定在X2＝0.73λ及Y2＝0.26λ的情况下第一金属导体6和7的位置变化时，FS比和水平面内的HPBW变化的计算结果。在图9A中心处实线上的数字表示在该线上的HPBW。第一金属导体在X轴方向上的距离在水平轴上表示为所使用的中心频率为2.0GHz时的波长等价值，而第一金属导体在Y轴方向上的距离在竖直轴上表示为所使用的中心频率为2.0GHz时的波长等价值。
由于45°的HPBW为目标，如从图9A所发现的，40°到50°的范围是在0.46λ到0.73λ的X范围内、-0.4λ到约0.06λ的Y范围内，由虚线所表示的区域。
在相同条件下的FS比(前部和侧部天线增益的比)在图9B中示出。图9B是灰度阴影图，示出在主波束方向设定为90°时，FS比在180到0°范围内的最差值。如图9B所示，FS比为-17dB或更小的区域是由虚线所示的区域，在0.46λ到0.6λ的X范围内、-0.13λ到约0.08λ的Y范围内。
当FS比是-15dB或更小时，例如，X范围拓宽从0.46λ到0.7λ，且Y范围稍微缩窄从-0.13λ到0.02λ。
从而用于第一金属导体6和7的位置根据HPBW和FS值的大小变化，但是当FS值是-17dB或更小时，则X1范围是0.46λ到0.6λ，且Y1范围是-0.13λ到0.06λ。
尤其要指出的是：距离、HPBW、FS比之间的关系并非是单调的、单向关系。在图9A中，当X＝0.69λ到0.75λ时，突然出现HPBW是47°到50°的区域。在图9B中，在X＝0.86λ且Y＝0λ的位置突然出现-13dB的区域。这种非单调关系由于目前的研究而首先变得明显，但还不能预期。上述X1和Y1的范围是基于研究结果的。
当第二金属导体8和9的位置固定在X2＝0.8λ且Y2＝0.13λ的情况下而第一金属导体6和7的位置变化时，FS比和水平面内的HPBW的变化的计算结果由图10A和10B中的灰度阴影以与图9A和9B相同的方式表示.由于45°的HPBW是目标，如图10A所示，40°到50°的范围是虚线所示的区域，在大约0.46λ到0.63λ的X范围内，-0.2λ到约0.03λ的Y范围内.
在相同条件下的FS比(前部和侧部天线增益的比)在图10B中示出。如图10B所示，FS比为-17dB或更小的区域由虚线所示，在0.4λ到0.6λ的X范围内，-0.2λ到约0.01λ的Y范围内。
当FS比是-15dB或更小时，例如，X范围是0.4λ到0.64λ，Y范围是-0.2λ到约0.06λ。
基于图9A、图9B、图10A和图10B的结果，可以得知为了使水平面内的HPBW为45前部和侧部天线增益的比且FS比为-17dB或更小，第一金属导体6和7的位置应设定为X1＝0.46λ到0.6λ，且Y1＝-0.13λ到0.01λ，且第二金属导体的位置应设定成X2＝0.73λ到0.8λ，且Y2＝0.13λ到0.26λ。
如上所述，通过布置总共四个金属导体，使得在天线反射器的左侧和右侧上各两个导体，可以在缩窄波束宽度的同时，使侧波束和后波瓣程度最小。
根据这个实施例，当主反射器20在短边方向上的宽度W是0.66λ时，可以获得45°的HPBW。与简单通过延长反射器短边长度的传统方法相比，这种结构使得空气阻力减小30％或更大。主反射器在长边方向上的长度在此不是问题，这是因为天线根据所期望的天线增益，而沿着反射器的长边方向排列。为了增大天线增益，如图1A中虚线所示排列的偶极天线元件的数量增加。主反射器与此相关是细长的。因此，当天线增益相同时，可以通过主反射器在其短边方向上的宽度W来比较空气阻力。
与使用两个金属导体的现有技术相比，可以获得适于六扇区无线区的在水平面内的方向性。
在对这个实施例的描述中，第一和第二金属导体被描述为是圆柱形的，但是，这些导体可以具有方柱的形状。
在说明书中，反射器也是由矩形板状主反射器和侧反射器构成，但是在只有主反射器而没有侧反射器的结构中，通过利用第一和第二金属导体，也可以在缩窄HPBW的同时，使得侧波束和后波瓣程度最小。

Claims (1)

1.一种使用四个金属导体的天线，包括：
矩形的反射器；
第一和第二偶极天线，该第一和第二偶极天线设置在所述反射器的前面，并分别平行于反射器的长边；
其中所述四个金属导体包括一对棒状的第一金属导体和一对棒状的第二金属导体；
所述一对第一金属导体中的一个对应于该第一偶极天线，另一个对应于该第二偶极天线，该两个第一金属导体布置为分别平行于所述第一和第二偶极天线，并且该两个第一金属导体在平行于反射器的短边且远离彼此的方向上与对应的所述偶极天线间隔开距离X1，并在垂直于反射器的方向上与对应的所述偶极天线间隔开距离Y1；以及
所述一对第二金属导体中的一个对应于该第一偶极天线，另一个对应于该第二偶极天线，该两个第二金属导体布置为分别平行于所述第一和第二偶极天线，并且该两个第二金属导体在平行于所述反射器的短边且远离彼此的方向上与对应的所述第一和第二偶极天线间隔开距离X2，并且在垂直于所述反射器的方向上与对应的所述偶极天线间隔开距离Y2，其中距离X2大于距离X1，距离Y2大于距离Y1。
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