CN103222110B - 紧凑型高增益天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及平板天线，其包括：接地面(P)；电介质基板(11)，具有介电常数(ε1)，基板(11)位于接地面(P)上；至少一个辐射源(Si)，每一个辐射源包括多个天线元件(Eij)，天线元件(Eij)位于基板(11)上并且还以小于一个波长λ的距离(de)连续地相对于彼此间隔开，该波长λ对应于天线工作频率。天线特征在于还包括电介质覆盖层(12)，该电介质覆盖层(12)具有比基板(11)的介电常数(ε1)更高的介电常数(ε2)，该覆盖层位于天线元件(Eij)之上，并且其特征在于天线元件(Eij)全部相同并且在操作中具有相同的辐射特性。

Description

紧凑型高增益天线
技术领域
本发明涉及平板天线，更具体地是涉及在蜂窝网络中使用的平板天线。
背景技术
基站收发台(BTS)主要受到高度设置的限制(教堂百叶窗，受保护的建筑物的外墙上的浮雕等)。
蜂窝网络目前采取各向同性的高增益天线以使其无线电范围最大化。这些增益通过具有通常在用于1800/2100MHz频带的1.2m与用于900MHz频带的2.4m之间变化的高度的平板获得。
平板天线包括以已知方式在基板上成竖排布置的多个天线元件。
图1示出公知类型的平板天线。
图1中的平板天线包括布置在基板11上的八个天线元件Ei(i＝1-8)；每一个天线元件Ei包括接入点Ai并且以大约0.9λ的距离de间隔开，其中λ为在天线的频带的中心频率处的真空波长。该距离是天线元件Ei的两个接入点Ai之间的距离。
天线元件Ei以树状结构设置例如：通过第一供电线L1将相邻的天线元件Ei两两连接，以形成四对天线元件。
而且这些对通过第二供电线L2两两连接，以形成两个四天线元件组并且这些组最后通过第三供电线L3互连。
可以看到供电线限定在每个天线元件Ei的两个接入点Ai之间。
图2a和图2b分别示出布置在基板11上的天线元件Ei的俯视图和侧视图。布置在基板上的天线元件Ei形成被称为“贴片”的辐射源。
电介质基板11具有介电常数ε1并且布置在接地面P上，其中天线元件Ei布置在基板11上。
天线元件Ei布置在连接至连接器Ai以向天线元件Ei供电的电介质基板11上。
在操作期间每个天线元件Ei表现出大约8dBi的单位增益；因此图1中的天线表现出对于8×0.9λ＝7.2λ的高度的8dBi+10log(8)＝17dBi的增益。
图3a和图3b的表格示出对于天线频带的中心频率处的在蜂窝网络中使用的两个主频带(880-960MHz频带，被称为“900”和1710-2170MHz频带，被称为“2100MHz”)，天线高度和天线增益之间的比值。特别注意到为了从15dBi的增益提高到17dBi的增益，对于给定的中心频率，天线高度需要大约加倍。
因此可以看到天线高度由天线元件Ei的数目所决定。因此，天线增益越大，所需要的元件就越多并且天线尺寸就越大。
这存在一些问题，因为目前趋势是限制平板天线的最大高度或甚至减小高度。
用于减少平板天线尺寸的已知方案，包括去除一些天线元件Ei。但是这种去除导致天线增益损失，因此导致天线性能退化。
发明内容
本发明的一个目的是为了能够增大天线增益且不必须增加天线尺寸。
本发明的另一个目的是为了能够减小天线高度而不必降低天线增益。
因此，本发明涉及平板天线，其包括：接地面；电介质基板，具有介电常数，其中基板布置在接地面上；至少一个辐射源，其中每一个辐射源由多个天线元件形成，其中天线元件布置在基板上并且以小于波长λ的距离连续地彼此间隔开，所述波长λ对应于天线工作频率。
根据本发明的天线特征在于其还包括：电介质覆盖层，具有比基板的介电常数更大的介电常数，其中覆盖层布置在天线元件之上并且天线元件全都相同并在操作期间具有相同的辐射特性。
形成每一个辐射源的天线元件的布置使得可以实现具有恒定增益的高度的减小或获得具有恒定高度的增益的增大。
优选地，天线还包括电介质覆盖层，电介质覆盖层具有比基板的介电常数更大的介电常数，其中覆盖层布置在天线元件上。
覆盖层与天线元件的布置的结合使得可以实现具有恒定增益的高度的减小或获得具有恒定高度的增益的增大。
单独或在任何技术上可行的组合中考虑的以下特征有利地补充了本发明：
-每一个辐射源包括四个天线元件，四个天线元件通过第一供电线依次成对地连接，其中所述对通过第二供电线彼此连接，其中第二供电线的中心处包括适于所述辐射源的供电的辐射源的接入点；
-其包括数个辐射源，其中辐射源相对于彼此布置以使其接入点以等于两个天线元件之间的距离的距离间隔开，其中每一个辐射源具有相同的辐射特征；
-天线元件以等于ds(N-1)/N的距离de相对于彼此布置，其中ds为两个辐射源的两个接入点之间的距离并且N为每一个辐射源的天线元件的数目；
-每一个辐射源优选地包括两个到六个天线元件；
-天线元件为具有选自正方形、等边三角形、椭圆形的形状的贴片；
-天线元件由以下技术得出：喇叭形天线或线形天线；
-其包括连接在接地面与每一个天线元件之间的电阻。
本发明还涉及包括根据本发明的平板天线的蜂窝通信网络。
附图说明
通过以下仅描述性而非限制性的而且结合附图的描述，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，除了已经描述的图1、图2a、图2b、图3a和图3b之外：
-图4示出根据本发明第一实施方式的平板天线；
-图5示出根据本发明第二实施方式的平板天线；
-图6a和图6b分别示出根据本发明天线的天线元件的俯视图和侧视图；
-图7示出根据本发明的基本辐射源；
-图8示出在操作期间表现出与根据本发明第一实施方式的天线相同增益的公知类型的平板天线；
-图9示出具有与根据本发明第二实施方式的天线相同高度的公知类型的平板天线。
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施方式
下面参照图4至图9描述本发明的两个实施方式。
“天线元件”是指具有优选平的导电体的辐射元件。
“辐射源”是指多个天线元件的组合。
“平板天线”是指包括多个天线元件的平面天线。
对于每一个实施方式，平板天线包括具有介电常数ε1的电介质基板11，其中基板11布置在接地面P上。此外，平板天线包括至少一个辐射源Si。
每一个辐射源Si由连续地彼此间隔的多个天线元件Eij形成。两个连续的天线元件以小于波长λ的距离de间隔开，所述波长λ对应于天线的工作频率。
图4中的天线包括两个辐射源S1，S2，图5中的天线包括六个辐射源。
有利地，每一个辐射源Si包括四个天线元件Ei1，Ei2，Ei3，Ei4，该四个天线元件以树状结构例如通过第一供电线L1成对地连接。
每一个天线元件包括接入点Aij，用于通过供电线L1成对地连接天线元件。
天线元件Eij的对通过第二供电线L2连接。第二供电线L2的中心处包括辐射源Si的接入点Ai。这种接入点Ai适于向与其相关的辐射源供电。
可以看到，存在同样多的接入点Ai和辐射源Si。因此，图5中具有六个辐射源的天线也包括六个接入点A1、A2、A3、A4、A5、A6。
辐射源Si相对于彼此布置以使其接入点Ai以等于两个辐射源Si的两个连续的接入点之间的距离ds的距离间隔开。
此外，辐射源Si的天线元件Eij以等于ds(N-1)/N的距离de相对于彼此布置，其中ds为辐射源Si之间的距离，N为每个辐射源Si的天线元件Eij的数目。距离de是每个天线元件Eij的两个连续接入点Aij之间的距离。
更确切地，在限定了穿过每个天线元件的对称中心的主轴线的情况下，每一个天线元件的接入点Aij位于与主轴线垂直的轴线上，第一供电线L1和第二供电线L2平行于主轴线。
优选地，每一个辐射源Si包括四个辐射元件Eij。
天线(图4和图5的天线)还包括电介质覆盖层12，其具有比设置在天线元件Eij上的基板11的介电常数ε1更大的介电常数ε2。
相对于形成贴片型的辐射源的公知类型的天线元件Ei，天线元件Eij浸于具有高介电常数的媒介中，这种媒介允许天线元件的尺寸减小从而减小工作波长，或者保持天线元件并减小其实际尺寸。
覆盖层12的使用使得可以保持与更高高度的天线元件的辐射特征相同的辐射特征。
此外，电阻R连接在接地面P与每个天线元件Eij之间(参照图6a和图6b)。电阻R通常等于1Ohm。电阻R用来将天线元件的辐射侧的一个短路。该短路用于将由偶极的每一侧上的每个尺寸为λ/4的两个单极形成的尺寸为λ/2的辐射元件变换为尺寸为λ/4的单个单极，因此可以将辐射元件的电气尺寸减半。
该电阻R还使得在谐振时天线的通带明显增加。
最后，介电常数ε1例如在1与4之间并且优选地等于2.2，介电常数ε2例如在10与50之间并且优选地等于30。
举例来说，相对于公知类型的贴片天线元件Ei，对于在920MHz中心频率处的GSM频带中的工作频率，天线元件Ei的侧面的尺寸等于94mm，而天线元件Eij(具有覆盖层)的侧面的尺寸等于21.5mm。
仍然举例来说，可以考虑正方形的、等边三角形的或椭圆形的天线元件Eij、或者由喇叭形天线或线形天线得到的天线元件Eij，由于其较小的尺寸或较小的辐射孔，从而允许源的组合。
高度减小-增益恒定
图4所示的天线使得公知类型的平板天线的高度减小，但是保持17dBi的相同增益。
其包括以距离ds间隔开的两个辐射源S1，S2，ds＝0.9λ，每个辐射源S1，S2包括以距离de间隔开的四个天线元件(参照图7)，de＝0.9λ(4-1)/4＝0.675λ(参照图7)。
在操作期间每个辐射源表现出14dBi的增益，以使在操作期间图4的天线表现出17dBi的增益。
然而，对于如图8中示出的天线，高度被减半：该减小为从7.2λ(8×0.9λ)到3.6λ(4×0.9λ)。
辐射源S1和S2的每个都具有接入点A1、A2，辐射源S1和S2沿天线的纵向轴线设置(参见图4)，以使辐射源Si的接入点Ai以相同的距离ds间隔开。为了便于理解不同辐射源的供电电路，每个接入点设置在与下一个接入点相对的一侧上。
属于两个不同辐射源的两个连续辐射单元之间的距离在ds/N与ds(N-1)/N之间变化，即，在0.225λ与0.675λ之间变化。
增益增大-高度恒定
图5中示出的天线允许天线增益增大，并且保持与公知类型的平板天线相同的高度。
其包括六个辐射源，每个辐射源包括四个天线元件(参照图7)。
如在之前的实施方式中，在操作期间每个辐射源表现出14dBi的增益，因此在操作期间图5的天线表现出21.8dBi的增益而不是由具有相同高度的天线获得的17dBi，如图9中所示(高度等于7.2λ)。
如上，每个辐射源具有接入点A1、A2、A3、A4、A5、A6，辐射源沿天线的纵向轴线设置(参见图5)，以使辐射源Si的接入点Ai以相同的距离ds间隔开。为了便于理解不同辐射源的供电电路，每个接入点设置在与下一个接入点相对的一侧上。
属于两个不同辐射源的两个连续辐射单元之间的距离在ds/N与ds(N-1)/N之间变化，即，在0.225λ和0.675λ之间变化。

Claims (8)

1.一种平板天线，包括：
接地面(P)；
电介质基板(11)，具有介电常数(ε1)，其中所述基板(11)布置在所述接地面(P)上；
至少一个辐射源(Si)，由布置在所述基板(11)上的至少一对天线元件(Eij)形成，所述天线元件全部相同且在操作期间具有相同的辐射特性并且以小于波长λ的距离(de)连续地彼此间隔开，所述波长λ对应于天线的工作频率，所述天线元件通过第一供电线(L1)依次连接成对，其中所述对通过第二供电线(L2)彼此相连，所述第二供电线(L2)的中心包括适于为所述辐射源(Si)供电的所述辐射源(Si)的接入点(Ai)；
电介质覆盖层(12)，所述电介质覆盖层(12)具有比所述基板(11)的介电常数(ε1)更大的介电常数(ε2)，其中所述覆盖层布置在所述天线元件(Eij)之上；
电阻(R)，所述电阻(R)连接在所述接地面(P)与每个天线元件(Eij)之间。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，每个辐射源(Si)包括四个天线元件(Ei1，Ei2，Ei3，Ei4)。
3.根据权利要求2所述的天线，包括多个辐射源(Si)，其中所述多个辐射源(Si)相对于彼此布置，以使所述多个辐射源(Si)的接入点(Ai)以与两个天线元件(Eij)之间的距离相等的距离间隔开，其中每个辐射源(Si)具有相同的辐射特性。
4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线元件(Eij)以与ds(N-l)/N相等的距离de相对于彼此布置，其中ds为两个辐射源(Si)的两个接入点(Ai)之间的距离，N为每一个辐射源(Si)的天线元件(Eij)的数量。
5.根据权利要求1所述的天线，其中，每个辐射源(Si)包括两个至六个天线元件(Eij)。
6.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线元件(Eij)为具有选自正方形、等边三角形、椭圆形的形状的贴片。
7.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线元件(Eij)由以下技术得到：喇叭天线或线天线。
8.一种蜂窝通信网络，包括根据权利要求1所述的平板天线。
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