CN101465474A - 用于蜂窝基站天线的双极化辐射元件 - Google Patents

用于蜂窝基站天线的双极化辐射元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于蜂窝基站天线的双极化辐射元件(1)，包括：用于反射辐射能量的反射器表面(21)；围绕孔径区域(8)分布的四个辐射单极(4a－4d)，每个辐射单极包括从所述反射器表面突出的基脚(42a－42d)；以及位于所述反射器表面之上且从所述基脚向外辐射地突出的边缘(41a－41d)，来自相邻单极的边缘垂直于彼此辐射地延伸；其中它还包括：四个元件馈源(5a－5d)，各自电容性耦合到相应的单极并且在孔径区域(8)内从所述单极辐射地突出；连接到所述元件馈源的电源装置(6ac、6bd、7a－7d、7ac、7bd)。

Description

用于蜂窝基站天线的双极化辐射元件
技术领域
本发明涉及一种用于蜂窝基站天线的双极化辐射元件。近来，对用于移动和无线应用的天线的需求越来越迫切。现在存在多种用于无线通信的使用大范围频带的基于陆地的***。
背景技术
几家蜂窝基站天线的制造商提出了在由反射器形成的有限接地平面上四分之一波长位置具有电偶极子的天线。通过由对相应的相互垂直的电偶极子进行激励而获得的正交线性极化，而获得双极化。这些电偶极子相对于反射器的中央长轴在相反的方向上倾斜45°。
遗憾的是，这种天线在跨高达25％的通带(例如，806-960MHz或者1700-2200MHz)上提供有限的远场方向图性能：水平3dBHPBW(半功率波束宽度)稳定度面对大的变化(例如65°+/-6°)，交叉极化水平(例如，+/-60°的交叉极化区别度为约5dB)太高。
文献US2006/0109193公开了一种天线，改善了3dB HPBW稳定度。此外，这种天线还降低了交叉极化水平。该天线包括安装在用于反射极化射频信号的反射器结构上的双极化辐射元件阵列。该反射器结构具有金字塔或圆锥角形状的各个辐射元件。
该天线设计显著地提高了制造成本，因为角形状需要特殊铸造的设计。
为了降低交叉极化水平，其他设计包括固定在反射器的两侧上的横向延长的扼流反射器(choke relector)。这些设计导致复杂和昂贵的制造工艺。
发明内容
因此需要一种简单的天线结构，该天线结构提供良好的远场性能。因此本发明的目的是提供一种用于蜂窝基站天线的双极化辐射元件，包括：
- 用于反射辐射能量的反射器表面；
- 围绕孔径区域分布的四个辐射单极，每个辐射单极包括从所述反射器表面突出的基脚，以及位于所述反射器表面之上且从所述基脚向外辐射地突出的边缘，来自相邻单极的边缘垂直于彼此辐射地延伸，其进一步包括：
- 四个元件馈源，各自电容性耦合到相应的单极，并且在孔径区域内从所述单极辐射地突出；
- 连接到所述元件馈源的电源装置。
四个元件馈源各自包括基脚部分和连接到相应基脚部分的上部且垂直于所述基脚部分的边缘部分，其中每个基脚部分在其基脚的水平高度电容性耦合到相应的单极，并且每个边缘部分在孔径区域内从相应的辐射单极辐射地突出。
根据另一个实施例，一对相反的元件馈源在所述反射器表面之上在两个相反的基脚之间延伸。
根据另一个实施例，每个元件馈源包括电容性耦合到辐射单极的第一终端部分和从所述辐射单极辐射地突出的第二终端部分。
根据另一个实施例，所述元件馈源的第一终端部分电容性耦合到相应的基脚。
根据另一个实施例，元件馈源的第一终端部分近似于垂直于其第二终端部分。
根据另一个实施例，所述电源装置包括：
- 功率分路器；
- 第一连接线，将所述功率分路器连接到元件馈源；
- 第二连接线，将所述功率分路器连接到相反的元件馈源并相对于所述第一连接线引入180°的相位。
根据另一个实施例，所述第一和第二连接线具有相等的阻抗幅度。
根据另一个实施例，所述边缘包括在共面表面内。
根据另一个实施例，所述反射器表面是平面的，所述边缘与所述反射器表面平行。
根据另一个实施例，所述边缘相对于所述反射器表面倾斜。
根据另一个实施例，每个单极还包括至少一个从相应边缘延伸且相对于该边缘倾斜的翼。
根据另一个实施例，所述边缘具有矩形形状。
根据另一个实施例，所述基脚具有与所述边缘相同长度的矩形形状。
根据另一个实施例，所述边缘设置有相对于孔径区域切向延伸的通孔。
根据另一个实施例，所述辐射元件还包括在与所述辐射单极相同的一侧上从所述反射器表面突出的侧壁，所述辐射单极位于所述侧壁之间。
根据另一个实施例，其中所述反射器表面与所述横向侧壁之间的相交形成平行线，并且其中每对相反的元件馈源在根据与所述平行线形成大约45°的方向上延伸。
根据另一个实施例，一对元件馈源部分地覆盖另一对元件馈源。
附图说明
通过结合附图阅读下文对若干实施方式的详细描述，将可以理解本发明的优点，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的辐射元件的透视图；
图2是图1的辐射元件的截面图；
图3是图1的辐射元件的反射器上形成的电连接的俯视图；
图4是根据本发明的辐射元件的第二实施例的截面图；
图5是备选单极形状的透视图；
图6是另一备选单极形状的透视图；
图7是又一备选单极形状的透视图。
具体实施方式
图1和图2例示了用于蜂窝基站天线的双极化辐射元件1。该辐射元件1包括用于反射辐射能量的反射器2。本实施例的反射器2包括形成反射器表面的平面部分21。
辐射部分3包括四个辐射电单极4a-4d。单极4a-4d围绕(图3中用圆8示出的)孔径区域而分布。每个单极4包括基脚42和相应壁部分形成的边缘41。每个单极4a-4d可以由弯曲的金属薄板制成。每个边缘41a-41d位于平面部分21之上。每个边缘41从相应基脚42在朝外的辐射方向上突出。辐射方向定义为从孔径区域8的中心开始。为了产生双极化，来自相邻单极的两个边缘垂直于彼此辐射地延伸。
辐射部分3还包括四个元件馈源5a-5d。每个元件馈源5a-5d电容性耦合到相应的单极4a-4d。每个元件馈源5a-5d在孔径区域内从其相应的单极突出。电场在孔径区域8中产生，形成磁源。磁源和电单极的组合改善了3dB HPBW稳定度。辐射部分3还包括连接到馈源5a-5d的电源装置，下面将提供其进一步的细节。
根据射频仿真以及测量，根据本发明的辐射元件在跨高达25％的通带(例如，806-960MHz或者1700-2200MHz)上提供与已知辐射元件至少相同的远场方向图性能(即水平3dB HPBW稳定度、交叉极化区分度、前后比)。在图1和图2所示的实施例上进行的仿真和测量提供关于远场方向图的下列结果：
- 在25％的通带中3dB HPBW稳定度为65°+/-3dB；
- 交叉极化区分度为10dB；
- 前后比为30dB。
此外，这些结果利用具有54mm高度的辐射部分获得，其确保了较低截面和有限的重量。
根据本发明的辐射元件还具有简单的结构，其制造成本非常低。
这种辐射元件1可以用于移动电话网络配备的天线中。
每个元件馈源5a-5d包括基脚部分52a-52d和连接到相应基脚部分的上部的边缘部分51a-51d。每个边缘部分51a-51d垂直于其相应的基脚部分52a-52d，元件馈源因此具有L形的截面。每个边缘部分51a-51d因此在位于孔径区域8下面的空间内从相应的单极4a-4d辐射地突出。边缘部分51a-51d和相应的边缘41a-41d在相同方向但是相反侧上突出。每个基脚部分52a-52d在其基脚42a-42d的水平高度电容性耦合到其相应的辐射单极4a-4d。
每对元件馈源5a、5c或5b、5d在平面部分21上，在两个相反的基脚(分别是基脚42a、42c和42b、42d)之间延伸。一对边缘部分在平面部分21上位于比另一对更高的位置：边缘部分51a和51c部分地覆盖边缘部分51b和51d。相反的边缘部分即51a、51c和51b、51d由孔径区域8的中心处的空气间隙分隔。每个元件馈源5a-5d可以用弯曲的金属薄板制成。
在本实施例中，边缘41a-41d具有矩形形状。基脚42a-42d也具有矩形形状。这些边缘41a-41d与它们相应的基脚42a-42d具有相同的长度。本实施例的边缘41a-41d平行于平面部分21。这些边缘41a-41d包括在共面表面内。基脚42a-42d垂直于平面部分21以及它们相应的边缘41a-41d(单极4a-4d因此具有L形的截面)。
在图1到图3所示的实施例中，反射器2还包括侧壁22和23。侧壁22和23简单地通过弯曲平面表面21来形成。单极4a-4d和馈源5a-5d位于这些侧壁22和23之间。侧壁22平行于侧壁23。侧壁22和23垂直于平面表面21。侧壁22和23之间与平面表面21之间相交形成平行线。每对馈源5在与这些平行线形成45°的方向上延伸。
图3是平面表面21上形成的电连接的俯视图。对于每对馈源来说，电源装置包括功率分路器，在功率分路器与第一馈源之间的第一连接线，以及在功率分路器与第二馈源之间的第二连接线。例如，功率分路器6ac包括连接到连接线7a、连接到另一连接线7c和连接到入口线(未示出)的三端口结。功率分路器6bd包括连接到连接线7b、连接到另一连接线7d和连接到入口线(未示出)的三端口结。
连接线7c将功率分路器6ac连接到基脚部分52c的较低端。连接线7a将功率分路器6ac连接到基脚部分52a的较低端。
连接线7d将功率分路器6bd连接到基脚部分52b的较低端。连接线7b将功率分路器6bd连接到基脚部分52b的较低端。
连接线7a包括λ/2连接部分7ac。该连接部分7ac相对于连接线7c引入180°的相位。
为了相等地划分功率分路器6ac提供的功率，连接线7a和7c的阻抗幅度Zout完全相等。这些阻抗幅度Zout优选地选择为使得Zout＝2×Zin，Zin是入口线的阻抗幅度。入口线将优选地具有等于50欧姆的Zin阻抗幅度。为了平衡元件馈源的输入端口的幅度，输入功率还可以使用具有不同阻抗的连接线来进行不相等地划分。λ/2连接部分7ac的长度可以更短或更长，以便补偿远场方向图的偏斜。连接线可以使用空气微带线技术形成。
在图4示出的实施例中，边缘41a-41d相对于反射器的平面部分21倾斜。边缘41a-41d还与它们相应的基脚42a-42d形成不等于90°的角。在侧壁22和23与平面表面21之间形成的角大于90°。
图5是边缘41的另一种可能形状的透视图。边缘41设置有通孔43。孔43在与孔径区域8相切的方向上延长。该孔43具有矩形形状。辐射部分3使用这样的单极4来提供改善的前后比。
图6和图7示出了单极4的两种备选形状。在这些实施例中，每个边缘41安装有从其向上突出且相对于该边缘41倾斜的至少一个翼。辐射部分3使用这种单极4来提供增大的阻抗带宽。该设计帮助辐射元件1的阻抗带宽性能(VSWR)适应于远场方向图带宽。
在图6示出的实施例中，只有一个翼44从边缘41突出。边缘41和翼44都具有矩形形状，在它们的中间部分具有通孔。翼44相对于边缘41的表面倾斜。
在图7所示的实施例中，两个翼44和45从边缘41突出。翼44和45相对于边缘41的表面倾斜。翼44和45与边缘41之间的角不同。边缘41和翼44和45都具有矩形形状，在它们的中间部分具有通孔。可以在边缘41上形成任意其他数目的延伸翼。边缘和翼可以通过适当的切割和弯曲来用单个金属板形成。
通过避免单极和馈源之间金属与金属的接触，可以使无源互调(PIM)的风险最小化，从而可以满足<-150dBc(具有2×43dBm的调节)的PIM稳定度要求。
所示出的辐射元件1只包括一个辐射部分3，但是根据本发明也可以制成包括若干对准辐射部分的辐射元件。
所示出的辐射单极4a-4d是多个独立的部分，但是其也可以制成一个单片的部件。
所示出的边缘部分51a-51d是矩形的。然而，也可以预见其他形状，特别是梯形形状。

Claims (11)

1.一种用于蜂窝基站天线的双极化辐射元件，包括
-用于反射辐射能量的反射器表面；
-围绕孔径区域分布的四个辐射单极，每个辐射单极包括从所述反射器表面突出的基脚，以及位于所述反射器表面之上且从所述基脚向外辐射地突出的边缘，来自相邻单极的边缘彼此垂直辐射地延伸，
-四个元件馈源，各自包括基脚部分和连接到相应基脚部分的上部且垂直于所述基脚部分的边缘部分，其中每个基脚部分在其基脚的水平高度电容性耦合到相应的单极，并且每个边缘部分在孔径区域内从相应的辐射单极辐射地突出；
-连接到所述元件馈源的电源装置。
2.根据权利要求1所述的双极化辐射元件，其中一对相反的元件馈源在所述反射器表面之上在两个相对的基脚之间延伸。
3.根据权利要求1所述的双极化辐射元件，其中所述电源装置包括：
-功率分路器；
-第一连接线，将所述功率分路器连接到元件馈源；
-第二连接线，将所述功率分路器连接到相反的元件馈源并相对于所述第一连接线引入180°的相位。
4.根据权利要求3所述的双极化辐射元件，其中所述第一和第二连接线具有相等的阻抗幅度。
5.根据权利要求1所述的双极化辐射元件，其中所述反射器表面是平面的，并且其中所述边缘包括在共面表面内，所述边缘与所述反射器表面平行。
6.根据权利要求1所述的双极化辐射元件，其中所述反射器表面是平面的，并且其中所述边缘相对于所述反射器表面倾斜。
7.根据权利要求1所述的双极化辐射元件，其中每个单极还包括从相应边缘延伸且相对于该边缘倾斜的至少一个翼。
8.根据权利要求7所述的双极化辐射元件，其中所述基脚具有与所述边缘相同长度的矩形形状。
9.根据权利要求1所述的双极化辐射元件，其中所述边缘设置有相对于所述孔径区域切向延伸的通孔。
10.根据权利要求1所述的双极化辐射元件，还包括在与所述辐射单极相同的一侧上从所述反射器表面突出的侧壁，所述辐射单极位于所述侧壁之间。
11.根据权利要求10所述的双极化辐射元件，其中所述反射器表面与所述横向侧壁之间的相交形成平行线，并且其中每对相反的元件馈源在根据与所述平行线形成大约45°的方向上延伸。
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