CN100570953C - 双极化双波段辐射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辐射装置，包括：一第一辐射元件，其工作于一第一频段F1，由按正方形设置的四个偶极(1，2，3，4)构成；和一第二辐射元件，其作用于一第二频段F2，由设置在构成所述第一辐射元件的偶极(1，2，3，4)的正方形的中心处的至少一偶极构成。每个偶极在其中心由一对称器供源，所述偶极(1，2，3，4)组件设置在一反射器(24)之上。构成所述第一辐射元件的偶极(1，2，3，4)和其所连接的对称器(8，9，10，11)被制作在同一个金属板(5)上，一偶极的每个对称器由一短路的槽缝线构成，所述对称器在所述金属板(5)上沿垂直于所述偶极的轴的一方向刻出；所述第二辐射元件(23)由设置在处于所述金属板(5)的中心处的一金属腔室(7)的内部的至少一个偶极构成。本发明用于蜂窝式无线电通讯网。

Description

双极化双波段辐射装置
技术领域
本发明涉及尤其用于GSM或UMTS类型的蜂窝式无线通讯网的基站中的天线及它们的辐射元件。
背景技术
一双极化辐射元件可被制成为双偶极辐射天线，每个偶极由共线的两段导体构成。每段的长度基本上等于工作波长的四分之一。该偶极被安装于能供源的一结构上，且它们的位置处于一反射器(整体图)之上。通过偶极的向后辐射反射，可精调由此形成的组件的辐射图(diagramme derayonnement)的方向性。
公知的是，实现一种在两个频段中工作的且正交极化的辐射装置，其环绕一第二辐射元件设置一第一辐射元件，所述第一辐射元件由在一第一频率F1上运行的四个正交偶极(
Figure C0381489500051
en quadrature)构成，所述第二辐射元件由在一第二频率F2上运行的两个交叉的正交偶极构成，这些元件的组件设置在一反射器之上。
按照它们在空间中的取向，所述偶极可发射或接收沿两极化(voies depolarisation)的电磁波，所述两双极化路径例如为一水平极化路径和一垂直极化路径，或者，所述偶极也可发射或接收沿相对于水平或垂直方向错开成±45°的两个极化路径的电磁波。
但是波段之间的分离基本上取决于安置在第一元件中央的第二元件的相对取向。尤其是，在F1和F2波段内工作的元件的平行偶极在大于频率F2的频段内不完全地分开，为此，***偶极(
Figure C0381489500052
périphériques)具有一比频率F2的波长更大的尺度。事实上，工作于频率F1的***偶极和工作于频率F2的交叉偶极之间的相互作用共同归功于定向辐射(rayonnement direct)——这些偶极是正向可见的，但也共同归功于由反射器反射的辐射。相反，两个辐射元件的垂直路径由于根据该几何正交性而被很好地分离。但如果该正交性不再受到重视，尤其是如果中央辐射元件的偶极相对于构成第一辐射元件的***偶极任意定向，足够强的波段之间的耦合(couplage)就出现在两个辐射元件的发送或接收的不同路径的之间。
这种结构的另一缺陷是，中央辐射元件的辐射被***辐射元件所干扰。事实上，这种辐射尤其被***辐射元件的偶极部分地衍射，从而，辐射图形最好地显示波动情形，而且，对于中央辐射元件的偶极的一相对随机的取向，该图形相对于所述偶极的垂直辐射主轴是不对称的。
因而仍难获得一容易制造的双波段辐射元件，其具有在一大频段内极大地分开(découplées)的两个线性极化的正交路径。实现包括多个这类辐射元件且提供极化的良好纯度(pureté)的双极化定向网就更加困难。
在另一计划中，想要获得一辐射元件，其具有两个极化的正交路径，每个具有一单向辐射图形，且在对角线平面内——即在与每个偶极的主平面E和H成±45°的平面内，其中间功率的开度(l′ouverture àmi-puissance)基本上小于90°。
发明内容
本发明的目的在于改善这种状况。
根据本发明的双波段双极化辐射装置，包括：一第一辐射元件，其工作于一第一频段F1，由按正方形设置的四个偶极构成；和一第二辐射元件，其作用于一第二频段F2，由设置在构成所述第一辐射元件的偶极的正方形的中心处的至少一偶极构成。每个偶极在其中心由一对称器(symétriseur)，所述辐射元件组件设置在一反射器之上。
根据一优选设置，构成所述第一辐射元件的偶极和其所连接的对称器被制作在同一个金属板上，一偶极的每个对称器由一短路的槽缝线(ligneàfente en court circuit)构成，所述对称器在所述金属板上沿垂直于所述偶极的轴的一方向刻出所述第二辐射元件由设置在处于所述金属板的中心处的一金属腔室的内部的至少一个偶极构成。
根据本发明的另一种实施方式，该金属板和该腔室可例如通过冲压制成为一单体构件。然后工作于第二频段F2的第二辐射元件固定于所述腔室的内部和中心，其底用作具有至少一个对称器或平衡-不平衡转换器(balun)的电短路的平面，所述对称器或平衡-不平衡转换器作为第二辐射元件的供源装置。
由此制出第一辐射装置和第二辐射装置具有很小的电磁相互作用。这种相互作用仅归于该腔室边缘的衍射。因而，无论在腔室内部的构成第二辐射装置的偶极的相对取向——也就是其极化方向如何，两个频段之间的间隔(découplage)大。
附图说明
通过参照附图，本发明的其它特点和优点显示在如下详细描述中，附图如下：
-图1示出根据本发明的可工作于两个不同频段中的双极化的第一辐射装置的第一实施方式；
-图2示出图1的沿剖面AA的视图；
-图3是一个图1和图2所示装置的透视图；
-图4是一个图1所示的第一辐射装置的一实施变型；
-图5示出根据本发明的一装置的一第二实施方式；
-图6是一个图5的装置沿剖面AA的视图；
-图7是一个图5和图6装置的透视图；
-图8是一个共线性网的部分透视图，所述共线性网一部分由图7所示的双波段和双极化的辐射元件以及与图7的中央辐射元件同类型的单波段和双极化的辐射元件构成。
具体实施方式
这些图主要包括某些特征元件，因而其并非只用于更好地解释本发明，而且其还用于在需要的情况下定义本发明。
在图1、图2和图3所示的装置中相似的元件由相同的附图标记表示，这些附图示出构成一正方形的四个偶极，其参考标为1至4，在具有一中央通孔6的金属板5内切割出，一辐射腔7的开口端通向所述中央通孔。由每个偶极构成的正方形的边的长度通常等于由偶极辐射的频率F1波的波长的一半，以便波束的半功率开度(ouverture àmi-puissance)在水平平面内接近65°。
但要注意的是，该辐射板5的两个平行偶极之间的距离(d)，以及由此而来的由四个偶极1至4形成的正方形的边长在很大程度上确定了这些偶极在水平平面内的辐射图的方向性，也就是该辐射图的半功率开度，而该开度很少取决于该偶极的长度(l)。一偶极的长度(l)确定了其的电阻，且该长度根据该偶极的宽度和厚度可以很大于或不太大。该偶极的厚度越大，其长度就越短。换句话说，正方形的边长(d)根据所要找的中间功率开度确定，且所述中间功率开度可具有一不同于65°的数值，而且该偶极的长度被调节为确保所述相关的平行偶极对的电阻适当——所述电阻基本上是50欧姆，用于构成一个方向图的极化路径。根据一优选实施方式，偶极1至4和空腔7可通过对该金属板5进行切割和冲压实施成一个单体件。
偶极1至4中的每个由附图标记相应为8至11的对称器(symétriseur)供源，所述对称器为平衡-不平衡转换器(balun)类型，其由在该金属板5内刻出的成短路的一槽缝线(ligne àfente)构成。
每个对称器构成相应偶极的一臂支撑件。为此，所述板5被制成为由一同心环形体绕所述腔室7通道孔6而形成，所述环形体在其外周边且沿成直角的两方向包括凸起或臂13至16，它们例如为矩形，斜切形或梯形，且分别将该环形体12连接至偶极1至4。该臂的径向长度(h)最好是非零的，例如大于0.05λ1，以避免偶极的内边直接接触该环形体12的外边，且因而最小化在偶极上流动的电流与在该环形体12上流动的电流之间的相互影响。臂的平均宽度(w)通常为5至10倍于该槽缝线的宽度，其还远小于相应于频率F1的波长λ1。
该环形体12的宽度被确定为既在机械方面足以支撑偶极，又在电磁方面稳定在F2频率的第二波段中的该腔室7的辐射图的方向性，并使得辐射图的中间功率开度随频率的变化而较少波动。该宽度最好大于频率F2相应波长λ2的5/100。
偶极1至4在它们的基部处被供源，也就是说在该对称器8至11的槽缝线的外开口端处，例如通过附图标记分别为17至20的同轴电缆供源。如图2的截面图所示，在几何上平行地处于该正方体的相对两个边上的偶极2和4以相同的相位和振幅通过两个相同的同轴线18和20供源，且一T形联接装置21用于形成一方向图的极化路径，例如两个平行偶极的一常规网。偶极的供源同轴电缆17，18，19，20分别沿着且在对称器8，9，10，11的一侧设置。同轴电缆17至20的外部导体套(gaine)与该偶极的第一半的基部和该板5电接触，且该中央导体连接于该同一偶极的另一半的基部。因而获得两个正交的极化路径，其辐射图基本上是相同的。但是这种联接方式不是限定性的，且其它方式非常值得考虑。
偶极的对称器为在该板5内呈河曲形刻出的槽缝线。每个槽缝线的河曲数足够多，以便该槽缝线具有基本上等于由第一辐射元件发出的频率F1波的波长的四分之一。但是槽缝线可具有其它形状，例如其可如图4所示，其中与图1中元件相似的元件采用了相同的附图标记，所述槽缝线由一圆形段接一直线段构成，到达一偶极的供源基部。所述圆形段可在该环形体12上的任何地方。但是为了避免在频率F1和F2波之间的耦合，所述圆形段最好不接近于该通孔6的边缘，最好是在该环形体12的中间。
该金属腔7可具有一圆柱体形或者微小的圆锥体形，其截面为圆形或更经常为2的N次方个等边的多边形，其中N＝2，3，4......。辐射板5与该腔的边缘7A电接触。
该腔7在其中心由工作于第二频率F2的一辐射元件23激励。对于按单极化模式工作的情况，该辐射元件23可以是简单的偶极类型，或者，对于按正交极化模式工作的情况，其可以是交叉偶极、或英语中被称为“十字转门(turnstile)”型的十字形偶极类型，或者，可以是适用于其它极化类型包括圆形极化的任何其它类型的辐射元件。该腔室7的底部7b被封闭，从而该内部的辐射元件23的辐射是单向的、且向该腔室7的前部定向。
构成辐射元件23的偶极的供源通过“平衡-不平衡转换器”类型对称器来实现。在图2所示的截面图上，每个对称器由长度基本上等于频率F2波的波长的四分之一的一第一导体管24和一第二导体管25构成。导体24和25通过它们的相应端部与该辐射装置23的每半个偶极的供源基部和该空腔的底部7b连接。该第一管24沿其纵轴被一中央导体26穿过，所述中央导体26的一端连接着半偶极的供源基部——该半偶极正对着被它的端部之一连接着的半偶极，且所述中央导体26的另一端连接着可连接于一供源连接器的中央导体或可连接着未画出的一同轴电缆的中央导体。因而管24和25与该中央导体一起构成一所述偶极用的阻抗变换共轴线，所述管连接着所述偶极。
按照优选方式，该腔室7的深度接近于该空腔内的辐射元件23的频率F2辐射波的波长λ2的四分之一。辐射元件23相对于该腔室的底7b的高度也接近于波长λ2的四分之一，同时小于该腔室7的深度。
对于在相对于该腔室7内的偶极的主平面E和H倾斜±45°的对角平面内的辐射图的小于90°的中间功率开度，该腔室7的直径可按较大比例变化，例如0.45λ2至λ2之间。然而根据F1/F2的比，工作于频率F1的辐射板5的偶极1至4之间的必要间距会限制该腔室7的最大直径。例如，在工作于GSM900波段的辐射板的两个平行的偶极之间的间距是170毫米的情况下，一直径80毫米且深度40毫米的腔室适合于实现在GSM800或UMTS波段内的一65°左右的中间功率开度图。
如图2和3所示，支撑板5的腔室7固定在一反射器24上，所述反射器24具有足够大的尺寸，以便辐射在反射器上的偶极后方的电磁场被向前反射。除了其机械作用外，反射器24还设计用于使该辐射结构的偶极辐射具有单向性。该反射器24可包括矮墙，其作用是加强结构，而且还作用于该辐射图的方向性。辐射板5的偶极相对于反射器24的高度在波长为λ1的频率F1段中通常可在λ1/8至λ1/4间变化。
根据图5至图7所示的另一实施方式，其中与图1至图4中相似的构件采用了相同的附图标记，板5的偶极1至4相对于腔室7的开口构成的平面部分高起，每个偶极被分为三部分：位于板5的平面内的相对低位部分1b，2b，3b，4b；和位于低位部分两侧的两个高位部分1a，1c；2a，2c；3a，3c；4a，4c。优选应保持结构的几何对称性的高起部分也可倾斜地制成位于相应的对称器8至11之外的偶极的部分。用于制成偶极的其它的各种几何形状也可考虑，唯一的条件是遵循辐射结构的对称性，也就是说偶极的一致性，要不就是至少两个两个地成对的四个平行偶极的一致性。成对偶极的对称性意味着两个平行的偶极具有同样的整体长度，以便它们具有同样的阻抗，且它们各自的辐射基本上是相同的。两个偶极对不是必须一致，因为每个偶极对产生一独立的极化路径。其涉及的对称是相对于由四个偶极构成的正方形的中心(O)对称。
图1至7的辐射元件结构非常简单，且可低成本地制造出，所述双波段辐射结构在每个波段中具有两个正交极化路径，例如如图1和5所示，所述正交极化路径相对于一垂直方向vv’倾斜±45°。由此构成的四个路径彼此之间极大地分开(découplées)达30dB，且在每个相继的波段内，辐射单向的方向图，所述方向图在水平平面内具有小于90°的中间功率开度，例如65°。
优选地，可实施多个这类辐射结构的共线对齐，以构成一高增益——例如18dBi——的双波段垂直线性网，所述双波段在每个波段内具有相对于一垂直方向vv’倾斜±45°的两个正交极化路。
图8所示的网络的实施方式一方面包括图7所示类型的工作于波段F1(GSM900)和F2(UMTS和/或DCS)的双波段和双极化的辐射元件，且另一方面包括工作于波段F2的单波段和双极化的辐射元件——其与图7的中央元件的类型相同。用于波段F2的网络的步长是用于波段F1的网络的步长的一半。因而可实现一高方向性、具有规则步长、双波段和双极化的网络，其具有一良好的极化纯度，并且在不同路径之间高度去耦。要注意到，各种工作于波段F2的辐射元件由于它们的一致性而具有基本上相同的相位中心，其位于该腔室的中心轴上，该轴垂直于该腔室的开口平面。通过对辐射元件之间进行移相，该特性非常利于射束的电瞄准(或中止(Tilt))，且还能更好地对准辐射元件在该波段的相位，以获得该天线的大的方向性。
根据本发明上述内容实施的、且工作于GSM1800，GSM1900和UMTS波段的辐射元件可获得接近30dB的路径间隔，并且各种辐射元件相对于50Ohms的静态波的比小于1.7∶1，且方向图的中间功率开度在水平面内接近65°，以使在两个频段内的增益接近9dBi。

Claims (21)

1.辐射装置，其设置在一反射器(24)之上，所述辐射装置包括：一第一辐射元件，其工作于一第一频段F1，由按正方形设置的四个偶极(1，2，3，4)构成；和一第二辐射元件(23)，其作用于一第二频段F2，由设置在构成所述第一辐射元件的偶极(1，2，3，4)的正方形的中心处的至少一偶极构成；
每个偶极在其中心由一对称器供源；
其特征在于：构成所述第一辐射元件的偶极(1，2，3，4)和它们的对称器(8，9，10，11)被制作在同一个金属板(5)上；
所述第一辐射元件的每个偶极的对称器由一短路的槽缝线构成，所述槽缝线在所述金属板(5)上沿垂直于所述第一辐射元件的偶极的轴的一方向刻出；
所述第二辐射元件(23)的偶极设置在处于所述金属板(5)的中心处的一金属腔室(7)的内部。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述腔室(7)为圆柱形、圆锥形、或者具有多边形截面，所述多边形具有2的N次方个等边，其中N＝2，3，4，......。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述腔室(7)通过冲压所述金属板(5)制成。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一辐射元件的每个对称器(8，9，10，11)的槽缝线具有一长度，该长度基本等于所述第一辐射元件的工作波长的四分之一。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述槽缝线(8，9，10，11)呈河曲状。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述槽缝线(8，9，10，11)包括一第一直线段，其后紧接着一第二圆形段。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一辐射元件的每个偶极(1，2，3，4)由一同轴电缆(17，18，19，20)供源，所述同轴电缆沿与之相关的对称器设置，所述同轴电缆的外部导体套与所述第一辐射元件的所述偶极的一半部电接触，所述同轴电缆的中央导体连接着所述第一辐射元件的所述偶极的另一半部的基部。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一辐射元件的每个偶极(1，2，3，4)相对于所述腔室(7)的开口形成的平面部分地高起。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述腔室(7)包括一底(7b)，所述第二辐射元件(23)的偶极通过支撑管(24，25)支靠在所述底(7b)上。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述支撑管(24，25)构成一“平衡-不平衡转换器”类的双股线，用于向所述第二辐射元件(23)的一相应的偶极供源。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：所述第二辐射元件(23)由两个成直角的交叉偶极形成。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述第二辐射元件(23)相对于所述腔室(7)的底(7b)的高度接近于由所述第二辐射元件辐射的波的波长的四分之一，并小于所述腔室(7)的深度。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述腔室(7)的深度基本上等于由所述第二辐射元件(23)辐射的波的波长的四分之一。
14.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述腔室(7)呈圆形截面的圆柱体的形式；并且，所述腔室(7)的深度基本等于由所述第二辐射元件(23)辐射的波的波长的四分之一。
15.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述腔室(7)具有多边形截面；并且，所述腔室(7)的深度基本等于由所述第二辐射元件(23)辐射的波的波长的四分之一。
16.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述腔室(7)的深度基本等于由所述第二辐射元件(23)辐射的波的波长的四分之一。
17.如权利要求14所述的装置，其特征在于：所述腔室(7)的直径基本上包括在0.45λ2至λ2之间，λ2表示由所述第二辐射元件(23)辐射的波的波长。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于：所述多边形截面的内接圆的直径基本上包括在0.45λ2至λ2之间，λ2表示由所述第二辐射元件(23)辐射的波的波长。
19.如权利要求11所述的装置，其特征在于：所述第一辐射元件(1，2，3，4)和第二辐射元件(23)在空间中被定向，用于分别辐射出相对于所述第一辐射元件(1，2，3，4)的纵向对角方向倾斜±45°的两个正交极化波。
20.天线网络，其特征在于，包括多个如权利要求1至19中任一项所述的装置，所述多个装置在同一反射器(24)上按所述第一辐射元件(1，2，3，4)的纵向对角方向对齐，且设置在所述同一反射器(24)上，以便在每个频段内构成相对于所述第一辐射元件(1，2，3，4)的纵向对角方向倾斜±45°的两个正交极化路径。
21.如权利要求20所述的天线网络，其特征在于，在所述装置的排列中还另外包括多个第二辐射元件，所述多个第二辐射元件在同一反射器(24)上按所述第一辐射元件(1，2，3，4)的纵向对角方向对齐。
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