CN107275808B - 超宽频带辐射器和相关的天线阵列 - Google Patents

超宽频带辐射器和相关的天线阵列 Download PDF

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Abstract

本申请涉及超宽频带辐射器和相关的天线阵列.多频带辐射阵列包括反射器、在反射器上限定第一列的多个第一辐射元件、在反射器上限定与第一列并排的第二列的多个第二辐射元件以及在反射器上的第一和第二列之间限定第三列的多个第三辐射元件.第一辐射元件具有第一工作频率范围，第二辐射元件具有比第一工作频率范围宽的第二工作频率范围，而第三辐射元件具有比第二工作频率范围低的第三工作频率范围.还讨论了相关的辐射元件。

Description

超宽频带辐射器和相关的天线阵列
技术领域
本公开内容一般涉及通信***，并且更具体地涉及在通信***中利用的阵列天线。
背景技术
多频带天线阵列(可以包括多个具有不同工作频率的辐射元件)可以用于无线语音和数据通信。例如，GSM服务的常用频带包括GSM900和GSM1800。多频带天线中频率的低频带可以包括在880-960MHz处工作的GSM900频带。低频带还可以包括在790-862MHz处工作的数字红利频谱(Digital Dividend spectrum)。此外，低频带还可以覆盖频率在694-793MHz的700MHz频谱。
多频带天线的高频带可以包括在1710-1880MHz的频率范围中工作的GSM1800频带。例如，高频带还可以包括工作在1920-2170MHz处的UMTS频带。附加的频带可以包括工作在2.5-2.7GHz处的LTE 2.6和工作在3.4-3.8GHz的WiMax。
偶极天线可以用作辐射元件，并且可以被设计为使得其第一共振频率处于所期望的频带中。为了实现这个目的，每个偶极子臂可以是大约四分之一波长，而两个偶极子臂一起大约是所期望频带的半波长。这被称为“半波”偶极子，并且可以具有相对低的阻抗。
但是，例如，由于针对不同频带在辐射元件当中存在干扰，因此多频带天线阵列可能涉及实施上的困难。尤其是，在被设计为以较高的频带(通常是两到三倍高的频率)进行辐射的辐射元件中产生的共振可能引起针对较低频带的辐射方向图的失真。例如，GSM1800频带是GSM900频带的近似两倍。因此，引入与阵列中已有的辐射元件具有不同工作频率范围的附加辐射元件可能导致已有的辐射元件的失真。
通常看到两种失真模式：共模共振(Common Mode resonance)和差模共振(Differential Mode resonance)。当整个较高频带的辐射结构如同四分之一波长单极子那样共振时，共模(CM)共振可能产生。由于辐射器的杆或者垂直结构的长度经常是较高频带频率处的四分之一波长，并且偶极子臂长度也是较高频带频率处的四分之一波长，因此这整体结构的长度可以大约是较高频带频率处的半波长。因为波长与频率成反比，当较高频带频率是较低频带频率的大约两倍时，整体高频带结构的长度可以大约是较低频带频率的四分之一波长。当偶极结构的每一半或者正交极化的较高频率辐射元件的两个一半彼此共振时，差模共振可能发生。
一种减少CM共振的方法可以涉及调节较高频带辐射器的尺寸，使得CM共振被移动到高于或者低于较低频带工作范围。例如，提出的一种用于重新调谐CM共振的方法是使用“壕沟(moat)”，该方法例如在美国专利申请No.14/479,102中被描述，该申请的公开内容通过引用的方式并入于此。可以在辐射元件的垂直结构(“馈电板”)周围的反射器中切出孔。导电井可以***到该孔中，并且馈电板可以延伸到井的底部。这样可以延长馈电板，从而可以将CM共振移动到比频带低的频率并且移动到频带外，同时使偶极子臂保持在反射器上方的近似四分之一波长处。然而，这个方法可能需更较大的复杂度和制造成本。
此外，在多频带天线阵列中，在性能与辐射元件的间距之间可以存在权衡。尤其是，当阵列长度可以用于实现期望的波束宽度时，减少沿阵列长度的辐射元件的数量以便降低成本可以是有利的。但是，减少沿阵列长度的辐射元件的数量可能导致辐射元件之间的间距的增加，这可能导致不期望的光栅波瓣和/或衰减。
发明内容
根据本公开内容的一些实施例，辐射元件包括限定具有宽频带工作频率范围的至少一个偶极天线的多个臂段。辐射元件还包括杆，该杆被配置为将臂段悬挂在平面反射器上方，以使得臂段的各个表面从杆的端部辐射地延伸并与平面反射器平行。臂段的各个表面的角被斜截或斜切。
在一些实施例中，所述至少一个偶极天线可以包括以交叉偶极子的方式布置的由臂段中相对的臂段限定的第一和第二偶极天线，其中第一和第二偶极天线可以具有在它们的相对端之间限定的相应的臂长度。
在一些实施例中，所述相应的臂长度可以大约是针对宽频带工作频率范围的下限的半波长或者更长，并且可以大约是针对宽频带工作频率范围的上限的全波长或者更短。例如，所述相应的臂长度可以大约是针对宽频带工作频率范围的上限的全波长的0.8倍。
在一些实施例中，所述臂段的相应表面的角相对于相应的臂长度以小于大约70度但大于大约20度的角度被斜截或斜切。
在一些实施例中，所述第一和第二偶极天线可以在与其相应的臂长度垂直的方向上具有相应的臂宽度。相应的臂宽度可以大于相应臂长度的大约一半。
在一些实施例中，导向器元件可以从杆的端部处的、臂段之间的交叉点突出。导向器元件可以包括平行于臂段的相应表面延伸并且悬挂于臂段的相应表面上方的表面。
在一些实施例中，辐射元件可以是分别包括以交叉偶极子的方式布置的第一和第二偶极天线的多个辐射元件。辐射元件可以在列中对齐以便限定阵列。在一些实施例中，在列中的辐射元件的相邻元件之间的元件间间距可以是大约115毫米(mm)。
在一些实施例中，杆可以是馈电板，馈电板包括配置为将臂段耦合到天线馈线的馈电线。串联连接的电感器和电容器可以将臂段中相应的臂段耦合到杆。
在一些实施例中，宽频带工作频率范围可以是大约1.4GHz到大约2.7GHz。
根据本公开内容的其他实施例，多频带辐射阵列包括反射器(例如，平面反射器)、在反射器上限定第一列的多个第一辐射元件、在反射器上限定与第一列并排的第二列的多个第二辐射元件、以及在反射器上的第一和第二列之间限定第三列的多个第三辐射元件。第一辐射元件具有第一工作频率范围，第二辐射元件具有比第一工作频率范围更宽的第二工作频率范围(即，包括更宽的频率范围)，而第三辐射元件具有比第二工作频率范围更低的第三工作频率范围(即，包括更低的频率)。
在一些实施例中，至少第一和第二辐射元件可以分别包括以交叉偶极子的布置限定第一和第二偶极天线的多个臂段，以及将臂段悬挂在平面反射器上方的杆，以使得臂段的相应表面从杆的端部辐射地延伸并且与平面反射器平行。第二辐射元件的臂段的相应表面的角被斜截或斜切。
在一些实施例中，第一和第二辐射元件在第一和第二列中的相邻的辐射元件之间可以分别具有相同的元件间间距。例如，元件间间距可以是大约115mm。
在一些实施例中，第一列的第一辐射元件的相应的杆可以与第二列的第二辐射元件的相应的杆横向对齐以限定相应的行。
在一些实施例中，第一工作频率范围可以是大约1.7GHz到大约2.7GHz，第二工作频率范围可以是大约1.4GHz到大约2.7GHz(即，包括第一工作频率范围的全部)，而第三工作频率范围可以是大约694MHz-960MHz。
附图说明
以示例的方式说明本公开内容的方面，但是不局限于附图。在附图中：
图1A是说明根据本公开内容的一些实施例的多频带天线阵列的照片。
图1B说明了可以用于根据本公开内容的一些实施例的多频带天线阵列的宽频带、中频到高频工作的宽频带(ZB)辐射元件的通用结构。
图1C说明了根据本公开内容的一些实施例的多频带天线阵列的示意性俯视图。
图1D是根据本公开内容的一些实施例的多频带天线阵列的宽频带(ZB)和低频带(RB)辐射元件的示意性侧视图。
图2A和2B是针对包括具有大约106mm的元件间间距的高频带(VB)辐射元件列的多频带天线阵列，分别说明方位角波束峰角度相对于频率以及方位角波束交叉极化相对于频率的图。
图3A、3B和3C是针对根据本公开内容的一些实施例的包括高频带(VB)辐射元件列(具有大约106mm的元件间间距)和宽频带(ZB)辐射元件列(具有大约106mm的元件间间距)的多频带天线阵列，分别说明方位角波束峰角度相对于频率、方位角波束交叉极化相对于频率、以及方位角波束宽度相对于频率的图。
图4A和4B是针对包括具有大约106mm的元件间间距的高频带(VB)辐射元件列、每个高频带(VB)辐射元件包括相应的导向器元件的多频带天线阵列，分别说明方位角波束峰角度相对于频率以及方位角波束交叉极化相对于频率的图。
图5A、5B和5C是针对根据本公开内容的一些实施例的包括高频带(VB)辐射元件列(具有大约106mm的元件间间距)和宽频带(ZB)辐射元件列(具有大约121mm的元件间间距)、每个VB和ZB辐射元件包括相应的导向器元件的多频带天线阵列，分别说明方位角波束峰角度相对于频率、方位角波束交叉极化相对于频率、以及方位角波束宽度相对于频率的图。
图6A、6B和6C是针对包括具有大约115mm的元件间间距的高频带(VB)辐射元件列的多频带天线阵列，分别说明方位角波束峰角度相对于频率、方位角波束交叉极化相对于频率、以及方位角波束宽度相对于频率的图。
图7A、7B和7C是针对根据本公开内容的一些实施例的包括具有大约115mm的元件间间距的高频带(VB)辐射元件列和具有大约115mm的元件间间距的宽频带(ZB)辐射元件列的多频带天线阵列，分别说明方位角波束峰角度相对于频率、方位角波束交叉极化相对于频率、以及方位角波束宽度相对于频率的图。
图8-11是针对根据本公开内容的一些实施例的用于不同工作频率范围的包括高频带(VB)辐射元件列和宽频带(ZB)辐射元件列、每一列的元件间间距大约是115mm的多频带天线阵列，说明方位角波束宽度性能(以角度为单位)的图。
具体实施方式
在下文中描述了多频带辐射天线阵列的辐射元件(本文也称为天线或者辐射器)，诸如蜂窝基站天线。在以下的描述中阐述了许多特定细节，包括特定的水平波束宽度、空中接口标准、偶极子臂段形状和材料、电介质材料等等。然而，根据此公开内容，对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出修改和/或替换。在其他情况下，可以省略特定细节以避免使本发明难以理解。
如下文使用的，“低频带”可以指代本文描述的辐射元件的较低工作频带(例如，694-960MHz)，“高频带”可以指代本文描述的辐射元件的较高工作频带(例如，1695MHz-2690MHz)，而“宽频带”可以指代可以与低频带和/或高频带部分或完全重叠的工作频带(例如，1427-2690MHz)。“低频带辐射器”可以指代针对这个较低频带的辐射器，“高频带辐射器”可以指代针对这个较高频带的辐射器，而“超宽频带辐射器”可以指代针对这个较宽频带的辐射器。本文使用的“双频带”或者“多频带”可以指代包括低频带辐射器和高频带辐射器两者的阵列。值得注意的特征可以包括波束宽度和形状以及回波损耗。在本文描述的一些实施例中，超宽频带辐射元件可以覆盖从大约1400MHz到大约2800MHz的频率范围，该频率范围与阵列中的剩余辐射元件相结合可以覆盖分配给所有主要蜂窝***的几乎整个带宽。
本文描述的实施例通常涉及双频带或多频带蜂窝基站天线的超宽频带辐射器，并且这样的双频带或多频带蜂窝基站天线适合于支持新兴网络技术。这样的双频带或多频带天线阵列可以使得蜂窝网络的运营商(“无线运营商”)能够使用覆盖多个频带的单个类型的天线，而在以前需要多个天线。这样的天线能够在几乎所有分配的蜂窝频率频带中支持若干主要的空中接口标准，并且允许无线运营商在它们的网络中减少天线数量，从而在增加上市速度的同时降低辐射塔租赁成本。
本文描述的天线阵列可以支持多个频带和多个技术标准。例如，无线运营商可以部署使用单个天线长期演进(LTE)网络以用于在2.6GHz和700MHz频带中的无线通信，同时支持在2.1GHz频带中的宽带码分多址(W-CDMA)网络。为了便于描述，天线阵列被认为是垂直对齐的。本文描述的实施例可以利用双正交极化并且支持多输入多输出(MIMO)的实施方式以用于先进的容量解决方案。本文描述的实施例可以支持多个空中接口技术，该多个空中接口技术现在使用多个频率频带并且在未来作为在无线技术演进中出现的新标准和新频带。
本文描述的实施例更特别地涉及用于蜂窝基站的具有穿插的辐射器的天线阵列。在穿插设计中，低频带辐射器可以被布置或者放置在适合于频率的等距网格上。低频带辐射器可以放置在高频带辐射器间隔的整数倍的间隔处(通常是两个这样的间隔)，并且低频带辐射器可以占据高频带辐射器之间的空隙。高频带辐射器可以是双倾斜极化的，并且低频辐射器可以是双极化的，并且可以是或者垂直极化或者水平极化或者双倾斜极化的。
在这样的双频带或多频带天线设计中的挑战是减少或者最小化一个频带上的信号在其他频带的辐射元件的作用下的散射的影响。因此，本文描述的实施例可以减少或最小化低频带辐射器对高频带辐射器的辐射的影响，反之亦然。这种散射可以在方位角和切入仰角(elevation cut)两者上影响高频带波束的形状，并且这种散射可以随频率的变化有较大变化。在方位角上，波束宽度、波束形状、指向角增益和前后向比通常都可以以不期望的方式被影响并且可以随着频率变化。由于由低频带辐射器引入的阵列的周期性，光栅波瓣(有时被称为量化波瓣)可以在与周期性相对应的角度处被引入到仰角方向图中。这也可以随频率而变化并且可以减少增益。对于窄频带天线，这种散射的影响可以通过各种方式进行一定程度的补偿，诸如通过在相对的方向偏移高频带辐射器或者将导向器添加到高频带辐射器来调节波束带宽。在需要宽频带覆盖的地方，纠正这些影响可能特别困难。
本公开内容的一些实施例可以由以下的实现引起：天线阵列包括在高频带辐射器元件(例如，具有在大约1695MHz至大约2690MHz的工作频率范围；在本文中也被称为V频带或者VB元件)的列之间的低频带辐射器元件(例如，具有在大约694MHz至大约960MHz的工作频率范围；在本文中也被称为R频带或者RB元件)的列，可以通过用超宽频带辐射器元件(例如，具有大约1400MHz到大约2700MHz的工作频率范围；在本文中也被称为Z频带或ZB元件)的列代替VB元件的列中的一个来改进该天线阵列的性能，其中辐射器的每个列被不同的馈电网络驱动。这样的ZB辐射元件和布置在RB辐射元件的相对侧的VB辐射元件相结合可以允许在更宽的工作频率范围上具有更好的性能，同时减少成本，并且没有与天线阵列的尺寸相关的空间损失。可以在多频带天线阵列中并且结合诸如共同受让的在2015年4月10日提交的美国专利申请No.14/683,424，2014年5月16日提交的美国专利申请No.14/358,763和/或2013年3月14日提交的美国专利申请No.13/827,190中描述的天线和/或特性来实现本文描述的超宽频带辐射元件和/或配置，上述专利申请的公开内容通过引用的方式并入于此。
图1A说明了根据本公开内容的一些实施例的多频带天线阵列110，而图1C说明图1A的多频带天线阵列110在俯视图中的布局。如图1A和1C中所示，多频带天线阵列包括反射器12(例如，地平面)，在其上布置有低频带RB辐射元件116以限定列105。低频带RB辐射元件116被配置为工作在大约694MHz至960MHz的低频带频率范围中。RB辐射元件116的列105被配置在平面反射器12上的高频带VB辐射元件115的列101与超宽频带ZB辐射元件114的列103之间，高频带VB辐射元件115被配置为工作在大约1.695GHz至2.690GHz的高频带频率范围中，超宽频带ZB辐射元件114被配置为工作在大约1.4GHz至大约2.7GHz之间的宽频带频率范围中。
在图1A和图1C中示出的实施例中，RB辐射元件116是低频带(LB)元件，该RB辐射元件116放置在列105中相邻的RB辐射元件之间，其中元件间间距大约是265mm。VB辐射元件115是高频带(HB)元件，该VB辐射元件115被放置在列101中相邻的VB辐射元件115之间，其中元件间间距S大约是115mm。ZB辐射元件114是超宽频带元件，其放置在列103中相邻的ZB辐射元件之间，其中元件间间距S大约是115mm。然而，将理解的是，图1A和1C中的阵列配置和元件间距以示例的方式被说明，但本公开内容的实施例不局限于此。例如，在一些实施例中，高频带元件115和低频带元件116的垂直列101和105可以间距大约半个波长到一个波长的间隔。
如图1C中所示，辐射元件114、115和/或116可以作为一对交叉偶极子来实施。交叉偶极子可以倾斜45°以实现辐射倾斜极化。交叉偶极子可以作为蝴蝶型偶极子或者其他宽频带偶极子实施。尤其是，在图1C的辐射天线阵列110的示例中，较低频带辐射元件116作为布置在反射器12上的垂直列105中的交叉偶极子元件实施。较高频带辐射元件115和114作为高阻抗交叉偶极子元件实施，并且分别布置在反射器12上的处于垂直列105的相对侧的垂直列101和垂直列103中。如上所述，低频带RB辐射器116被配置成工作在694-960MHz频带中，高频带VB辐射器115配置成工作在1.7-2.7GHz(1695-2690MHz)频带中，而超宽频带ZB辐射器114配置成工作在1.4-2.7GHz(1427-2695MHz)频带中。在一些实施例中，低频带RB辐射器116可以提供双极化的65度的波束带宽。基站天线可能需要这样的双极化。虽然示出了偶极子的特定配置，但是例如通过使用管体或者圆柱体可以实施其他偶极子或者其他偶极子也可以被实施为印刷电路板上的金属化迹线。其他类型的辐射元件(例如，贴片辐射器)也可以使用。
图1D是相对于图1C中的线D-D′的侧视图，示意性地说明了天线阵列110中的R-频带(RB)元件116和Z-频带(ZB)元件114。如图1D所示，低频带RB辐射元件116包括限定第一和第二偶极天线的相对的臂段22。臂段22从由馈电板24限定的杆辐射地延伸，馈电板24从平面反射器或者地平面12突出。在一些实施例中，每个偶极子臂段22的长度可以是针对低频带工作频率的近似四分之一波长以限定第一和第二半波偶极子。在其他实施例中，低频带RB辐射元件116的相对的臂段22可以限定第一偶极子和第二延伸出的偶极子，该第一和第二偶极子被配置成具有交叉的中心馈线的交叉布置的偶极子。偶极天线可以通过由馈电板24提供的中心馈线连接到天线馈线。附加地，馈电板24的长度可以近似是针对低频带工作频率的四分之一波长。超宽频带ZB辐射元件114包括限定半波偶极子或全波偶极子的相对的臂段118，例如，针对宽频带工作频率范围的下限和上限。臂段118从由馈电板限定的杆20辐射地延伸，馈电板从平面反射器或者地平面12突出。每个偶极子臂段118的长度可以是宽频带工作频率的下限和上限处的近似四分之一波长到半波波长。
图1B更详细地说明了超宽频带(ZB)辐射元件的结构。如图1B和1D所示，ZB辐射元件114包括杆20，该杆20将臂段118悬挂在安装表面(例如，平面反射器或地平面12)上方。臂段118从杆20的与平面反射器12相对的端部辐射地延伸，以使得臂段118的相应表面125与平面反射器12平行。在一些实施例中，杆20和/或臂段118可以由印刷电路板(PCB)上的金属层限定。在一些实施例中，杆20和臂段118的部分可以由单一部件(例如单片PCB)来实现。在一些实施例中，杆20可以提供中心馈线，并可以将臂段118悬挂在反射器12上方一定长度，该长度基于期望的工作频率。例如，杆20的长度可以是针对工作频率或者频率范围的近似四分之一波长。
仍然参考图1B和1D，臂段118的相对臂段限定具有宽频带工作频率范围的、位于杆20的一个端部处的以交叉偶极子的方式布置的第一和第二偶极天线。杆20可以是馈电板，该馈电板包括将第一和第二偶极天线连接到天线馈电的馈电线124。交叉极比(CPR)可以限定由第一和第二偶极天线中的每个偶极天线传输的信号的正交极化之间的隔离度的量。
如上所述，两个相对的偶极子臂段118一起限定在其端部之间的偶极子臂的长度122(本文称为为臂长度)。由相对的偶极子臂段118的组合结构限定的臂长度122可以是ZB辐射元件114的宽频带工作频率范围的下限处的近似半波长(或者更长)。因为超宽频带工作频率范围的上限(例如，2.7GHz)是超宽频带工作频率范围的下限(例如，1.4GHz)的近似两倍，并且波长与频率成反比，因此由组合结构限定的臂长度122也可以近似是在宽频带工作频率范围的上限处的全波长(或更短)。也就是说，相应的臂长度122可以处于分别针对ZB辐射元件114的工作频率范围的上限和下限的大约半波长或更长与全波长或更短之间。例如，臂长度122可以是针对宽频带工作频率范围的上限的大约0.8个波长，例如，近似为全波偶极子(FWD)。因此，根据本公开内容的一些实施例的超宽频带ZB辐射元件114可以结合全波偶极子和半波偶极子的益处，分别在宽频带工作频率范围的下限和上限处具有大约0.5到1个波长的等效臂长度。
如图1B所示，每个臂段118可以在与臂长度122垂直的相应宽度方向128(本文称之为臂宽度)上相对较宽。在一些实施例中，臂宽度128可以比臂长度122的大约一半大。增加的宽度128增大了ZB辐射元件114的表面区域，这可以增加或者扩宽带宽。臂段118的每个端部上相对的角121可以被斜截、斜切、或者以其他方式被切割或形成角度，从而增加列103中相邻的ZB元件114之间的间距(并且因此减少耦合)。例如，在一些实施例中，斜截角121可以改进2.6GHz隔离度(ISO)。然而，切割/斜截角121的量或角度可能减小带宽。因此，在一些实施例中，斜截或斜切角121可以相对于相应的臂长度限定小于大约70度但大于大约20度的角度。相反，斜截或斜切角121可以相对于在相应臂段118的端部处的边缘限定大于大约20度但小于大约70度的角度。
根据本公开内容的一些实施例的超宽频带ZB辐射元件114可以进一步包括如下所述的一个或者多个附加特征的组合。
例如，在一些实施例中，导向器元件150可以从限定交叉偶极天线的斜截的臂段118之间的交叉点突出。导向器元件150可以包括与臂段118的相应表面125平行延伸并悬挂于该相应表面125上方的表面155，其可以稳定ZB辐射元件114的方位角波束宽度。在一些实施例中，悬挂于交叉的臂段118上方的导向器元件150的存在对超宽频带ZB辐射元件114的方位角波束宽度稳定性的影响可以比对VB辐射元件115的方位角波束宽度稳定性的影响更大。
另外，在一些实施例中，串联连接的电感器132和电容器130可以用于将斜截的臂段118耦合至杆20，该布置与在美国专利申请No.13/827,190中描述的布置类似，该专利申请的公开内容通过引用的方式并入于此。特别地，如图1D所示，为了将CM频率调谐至低频带以上和低频带以外，ZB辐射元件114的偶极子臂118可以通过相应的电容器130电容性地耦合至馈电板20上的馈电线。馈电板20可以包括将输入RF信号从单端信号转换为平衡信号的钩式平衡不平衡变换器以及传播平衡信号直到辐射器的馈电线。电容器元件130可以提供与偶极子臂段118的耦合，并且电感器元件132将馈电线耦合至电容器元件130。电容器130可以在较低频带频率处用作开路。在一些实施例中，每个结构118、20可以(独立地)小于在低频带频率处的四分之一波长。因此，CM共振可以移动到低频带以上和低频带以外。
然而，与馈电线124耦合的电感器132可以在由结构118、20形成的单极子的整个长度上延伸，这可能在低频带中产生不期望的共模共振。因此，在一些实施例中，附加电容器可以串联连接在电感器132和馈电线124之间(即，CLC匹配部分，而不是图1D中的LC匹配部分)以改进对这种共模共振的抑制。这个附加电容器可以有助于阻止一些低频带电流到达电感器132，这可以减小在较低频率频带中由段118、20形成的单极子的有效长度，并且因此可以将CM共振频率推到高于低频带频率范围的频率。因此，针对单个偶极子或者交叉偶极子配置中的两个偶极子，通过使用高阻抗辐射元件114，馈电板20和臂段118的相应组合可以在低频带频率范围中不共振。
此外，在一些实施例中，包括斜截的臂段118的ZB元件114可以被放置使得其相应的中心或者杆20沿列103的垂直方向对齐，其中紧密相邻的辐射元件114之间的相应间距是基于1.4GHz频带方位角方向图波束夹角(squint)和2.6GHz频带仰角方向图光栅波瓣之间的权衡而选择的，如下面参考图2A-7C更详细讨论的。例如，辐射元件114的紧密相邻元件之间的间距不足可能导致波束夹角(即，相对于传输从天线阵列的平面的正常值偏移的角度)的问题，该问题可以通过增大紧密相邻的辐射元件114之间的间距S来解决。在一些实施例中，元件间的间距S可以是大约115mm。然而，在其它实施例中，ZB元件114可能不是在列103中垂直对齐的，而是可以限定包括以交错排列的模式布置的ZB元件114的“松散”列。
另外，在一些实施例中，列101中的VB辐射元件115之间的间距可以与列103中的斜截臂ZB辐射元件114之间的间距相同，使得VB辐射元件115和ZB辐射元件114的杆水平对齐或横向对齐的(沿A线)以限定相应的行。因此，在一些实施例中，相应的行(每个包括VB辐射元件115和ZB辐射元件114)可以以大约115mm的距离间隔开。也就是说，两个高频带阵列(即，VB1.7-2.7GHz阵列101和ZB 1.4-2.7GHz阵列103)的相应元件115、114可以在行中水平对齐以改进阵列101和103两者的方向图。如参考下面的数据讨论的，尽管ZB元件114的位置靠近反射器12的边缘，由于小于从阵列110的前向到后向的期望的泄漏，辐射阵列110的性能还可以随前后向比而提高，。
图2A-7C是说明与根据本公开内容的实施例的在VB辐射元件列和ZB辐射元件列(为了方便下面称之为ZB阵列)之间包括RB辐射元件列的多频带天线阵列相比，在VB辐射元件列(为了方便下面称之为VB阵列)之间包括RB辐射元件列的常规多频带天线阵列的各种特征的图。ZB阵列可以具有类似于图1C所示的布置的布局。图2A-6C的图说明了每个列中元件间间距的影响(特别地，106mm间距相对于121mm间距相对于115mm间距)，以及在不同列中不同的元件间间距的影响。在图2A-6C的图中，示出的六个不同的颜色代表针对阵列的两个端口(VB和ZB)在三个不同的下倾角处(相对于阵列与水平面之间的仰角)的结果。
图2A和3A分别针对VB阵列(在每个VB辐射元件列中具有大约106mm的元件间间距)和ZB阵列(在VB和ZB辐射元件列中均具有大约106mm的相同的元件间间距)，说明了方位角波束峰角度相对于频率的特性。图2B和3B分别针对VB阵列(在每个VB辐射元件列中具有大约106mm的元件间间距)和ZB阵列(在VB和ZB辐射元件列中均具有大约106mm的相同的元件间间距)，说明了方位角波束交叉极化(以分贝(dB)为单位)相对于频率的特性。交叉极化(X-pol)可以被指定为针对天线的以负dB表示的功率水平，指示X-pol功率水平比期望的极化功率水平低多少dB。如图2A-3A和2B-3B所示，VB阵列和ZB阵列两者由于强耦合均呈现出在波束夹角和交叉极比(CPR)处的共振。例如，ZB辐射元件臂段可能太大从而导致与低频带全波偶极子(FWD)类似的现象。
图4A和5A分别针对VB阵列(在每个VB辐射元件列中具有大约106mm的元件间间距)和ZB阵列(在VB辐射元件列中具有大约106mm的元件间间距，但在ZB辐射元件列中具有大约121mm的元件间间距)，说明了方位角波束峰角度相对于频率。图4B和5B分别针对VB阵列(在每个VB辐射元件列中具有大约106mm的元件间间距)和ZB阵列(在VB辐射元件列中具有大约106mm的元件间间距，但在ZB辐射元件列中具有大约121mm的元件间间距)，说明了方位角波束交叉极化(以分贝(dB)为单元)相对于频率。也就是说，在图4A-5B中，VB和ZB辐射元件列中的元件间间距不同(在本文中也称为混合间距)。此外，在图4A-5B中，VB和ZB辐射元件的每一个都包括具有大约35mm的直径(或者其他尺寸，依赖于形状)的导向器元件。导向器元件悬挂于每个VB和ZB辐射元件上方大约30mm。如图4A-5B所示，VB阵列和ZB阵列在波束夹角和CPR处的共振可以由于ZB辐射元件之间较大的间距而被改进。
图3C和5C分别针对在VB和ZB辐射元件列中具有相同的元件间间距(大约106mm)的ZB阵列以及在VB辐射元件列中(大约106mm的元件间间距)和ZB辐射元件列中(大约121mm的元件间间距)具有不同的元件间间距的ZB阵列，说明了方位角半功率(-3dB)波束宽度相对于频率。如图3C和5C所示，VB和ZB辐射元件列的相应的辐射元件之间的不对齐(例如，沿水平方向)(由于在垂直方向上不同的元件间间距)看起来影响VB辐射元件的方位角波束方向图(特别是方位角波束带宽，如图5C所示)。另外，ZB辐射元件之间较大的间距看起来导致在大约2690MHz处的光栅波瓣。因此，虽然ZB辐射元件之间较大的元件间间距可以改进波束夹角，但是VB辐射元件的性能可能由于在水平方向缺乏相对于相应的ZB辐射元件的对齐而劣化。
图6A和7A分别针对VB阵列(在每个VB辐射元件列中具有大约115mm的元件间间距)和ZB阵列(在VB和ZB辐射元件列中均具有大约115mm的相同的元件间间距)，说明了方位角波束峰角度相对于频率。图6B和7B分别针对VB阵列(在每个VB辐射元件列中具有大约115mm的元件间间距)和ZB阵列(在VB和ZB辐射元件列中均具有大约115mm的相同的元件间间距)，说明了方位角波束交叉极化(以分贝(dB)为单位)相对于频率。如图6A-7A和6B-7B所示，VB和ZB辐射元件在每一列中的水平对齐看起来改进了在波束夹角、CPR和光栅波瓣之间的权衡。VB和ZB辐射元件的每一个都可以包括具有大约20mm到大约50mm的直径(或者其他尺寸，依赖于形状)的导向器元件，并且VB阵列和ZB阵列可以使用不同的(例如，针对尺寸和/或形状)导向器元件。由于VB和ZB辐射元件水平对齐以限定相应行，其它参数也可以受益。
图6C和7C分别针对VB阵列(在每个VB辐射元件列中具有大约115mm的元件间间距)和ZB阵列(在VB和ZB辐射元件列中均具有大约115mm的相同的元件间间距)，说明了方位角半功率(-3dB)波束宽度相对于频率。基于图6C和7C所示的测量，115mm的元件间间距结合每一列中VB和ZB辐射元件的水平对齐，看起来改进了在1.4GHz频带方位角方向图波束夹角与2.6GHz频带仰角方向图光栅波瓣之间的权衡。特别地，如图6C和7C所示，针对ZB元件列和VB元件列两者，在整个工作频率范围上，方位角半功率波束宽度可以在从大约55度到大约70度的范围中受控。
图8-11是说明根据本公开内容的一些实施例的包括V频带(VB)辐射元件列和Z频带(ZB)辐射元件列的多频带天线阵列的方位角波束宽度性能(以角度为单位)的图，其中在V频带辐射元件列和Z频带辐射元件列之间具有R频带(RB)辐射元件列，类似于图1C的布置。特别地，图8说明了在较低工作频带RB(例如，694-960MHz)中多频带天线阵列的方位角波束宽度方向图；图9说明了在较高工作频带VB(例如，1695MHz-2690MHz)中多频带天线阵列的方位角波束宽度方向图；图10说明了在较高工作频带VB(例如，1695MHz-2690MHz)中Z频带(ZB)辐射元件列的方位角波束宽度方向图；图11说明了在中间工作频率范围(例如，1427MHz-1511MHz)中多频带天线阵列的方位角波束宽度方向图。在图8-11中，X轴表示方位角角度，Y轴表示归一化的功率水平。ZB辐射元件被布置在具有115mm的元件间间距的列中，而VB辐射元件被布置在具有115mm的元件间间距的列中，使得VB和ZB辐射元件对在行中水平对齐。如图8-11所示，本文描述的实施例可以实现在ZB和VB波束夹角、交叉极化比、以及光栅波瓣之间的合理权衡。另外，波束宽度可以从对齐中受益，并且较低工作频带(RB)方向图性能可以被接受或被改进。
因此，根据本公开内容一些实施例，低频带RB辐射元件列可以布置在高频带VB辐射元件列和超宽频带ZB辐射元件列之间，以改进在较宽工作频率范围上的性能。特别地，本公开内容的实施例可以单独或者组合地包括以下特征中的一个或者多个特征：
-ZB辐射元件的臂段可以具有增加的宽度以改进宽频带性能。
-杆可以包括串联连接的一个或多个电感器以及一个或多个电容器。
-导向器可以布置在ZB辐射元件的臂段上方以稳定方位角波束宽度。
-列中相邻ZB元件之间的大约115mm的元件间间距可以有助于1.4GHz频带方位角方向图波束夹角和2.6GHz频带仰角方向图光栅波瓣之间的权衡。
-两个高频带阵列(即，由VB元件列限定的1.7～2.7GHz阵列和由ZB元件列限定的1.4～2.7GHz阵列)的相应元件可以水平地或者横向地对齐以改进方向图。
-ZB辐射元件的臂段的角可以被切割或者斜截或者斜切以减小相邻元件之间的耦合，以改进2.6GHz ISO。
已经参考附图描述了本发明的实施例，在附图中示出了发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的方式实施，并且不应该被解释为限制到本文阐述的实施例。更确切地，提供这些实施例以使得本公开内容是全面且完整的，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。贯穿全文相同的标号指代相同的元件。
将理解的是，尽管第一、第二等术语在本文中可以用来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于区分元件。例如，第一元件可以被称作第二元件，并且类似地第二元件可以被称作第一元件，而不背离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联列出的项中的一个或多个的任何或全部组合。
将理解的是，当元件被称作在另一个元件“上”时，该元件可以是直接在另一个元件上或者也可能存在介于中间的元件。相反，当元件被称作“直接在另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样将理解的是，当元件被称作“连接”或“耦合”到另一个元件时，该元件可以直接连接或耦合到另外的元件或者可能存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称作“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。其他用于描述元件之间的关系的术语应当以类似的方式解释(即，“之间”相对于“直接之间”，“相邻”相对于“直接相邻”等)。
诸如“以下”或“以上”或“高于”或“低于”或“水平”或“垂直”之类的相对的术语可以用来描述如图所述的一个元件、层或者区域与另一个元件、层或者区域之间的关系。将理解的是，这些术语用来涵盖除了图中描绘的方位以外的设备的不同方位。
除非有其他方式限定，本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员通常的理解相同的意思。本文使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而不意图限定本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指示。进一步将理解的是，当术语“包括”及其相关形式在本文中使用时，其指定陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在或添加。
上面公开的所有实施例的方面和元件可以以任何方式组合和/或与其他实施例中的方面和元件组合以提供多种附加的实施例。
在附图和说明书中，已经公开了发明的典型实施例，尽管使用特定术语，但它们只是在通用和描述的意义上被使用，而不是为了限制下文权利要求所阐述的发明范围。

Claims (21)

1.一种多频带辐射阵列，包括：
平面反射器；
在所述平面反射器上限定第一列的多个第一辐射元件，所述第一辐射元件具有第一工作频率范围；
在所述平面反射器上限定与所述第一列并排的第二列的多个第二辐射元件，所述第二辐射元件具有比所述第一工作频率范围宽的第二工作频率范围；
在所述平面反射器上在所述第一列和第二列之间限定第三列的多个第三辐射元件，所述第三辐射元件具有比所述第二工作频率范围低的第三工作频率范围，
其中所述第二工作频率范围与所述第一工作频率范围至少部分地重叠。
2.根据权利要求1所述的阵列，其中所述第一辐射元件和第二辐射元件分别包括：
以交叉偶极子的布置限定第一偶极天线和第二偶极天线的多个臂段；以及
杆，该杆将所述臂段悬挂在所述平面反射器上方，以使得所述臂段的相应表面从所述杆的端部辐射地延伸并与所述平面反射器平行，
其中所述第二辐射元件的臂段的相应表面的角被斜截。
3.根据权利要求2所述的阵列，其中：
所述第一偶极天线和第二偶极天线具有限定在它们的相对端部之间的相应的臂长度；以及
所述第二辐射元件的第一偶极天线和第二偶极天线的相应的臂长度是针对所述第二工作频率范围的下限的半波长或者更长，并且是针对所述第二工作频率范围的上限的全波长或更短。
4.根据权利要求2所述的阵列，其中所述第二辐射元件的所述臂段的相应表面的角相对于相应的臂长度以小于70度但大于20度的角度被斜截。
5.根据权利要求2所述的阵列，其中所述第二辐射元件的所述第一偶极天线和第二偶极天线在与相应的臂长度垂直的方向上具有相应的臂宽度，其中所述相应的臂宽度大于相应的臂长度的一半。
6.根据权利要求2所述的阵列，其中所述第一辐射元件和第二辐射元件分别包括：
导向器元件，所述导向器元件从所述杆的端部处的、臂段之间的交叉点突出，所述导向器元件包括平行于所述平面反射器延伸并悬挂于所述臂段上方的表面。
7.根据权利要求2所述的阵列，其中所述杆包括馈电板，所述馈电板包括配置为将所述臂段耦合到天线馈线的馈电线，其中所述第一辐射元件和第二辐射元件分别还包括将所述臂段中的相应臂段耦合到所述杆的串联连接的电感器和电容器，
其中相应的第一辐射元件和第二辐射元件中的馈电板和臂段的相应组合在所述第三工作频率范围中不共振。
8.根据权利要求1所述的阵列，其中所述第一辐射元件和第二辐射元件分别包括在所述第一列和第二列中的相邻元件之间相同的元件间间距。
9.根据权利要求8所述的阵列，其中所述元件间间距是115毫米。
10.根据权利要求1所述的阵列，其中所述第一列的第一辐射元件的相应的杆与所述第二列的第二辐射元件的相应的杆横向对齐以限定相应行。
11.根据权利要求1所述的阵列，其中所述第一工作频率范围是1.7GHz到2.7GHz，其中所述第二工作频率范围是1.4GHz到2.7GHz，而其中所述第三工作频率范围是694MHz到960MHz。
12.一种辐射元件，包括：
限定具有宽频带工作频率范围的至少一个偶极天线的多个臂段；以及
杆，所述杆被配置为将所述臂段悬挂在平面反射器上方，使得所述臂段的相应表面从所述杆的端部辐射地延伸并与所述平面反射器平行，其中所述臂段的相应表面的角被斜截，
其中所述宽频带工作频率范围与包括所述辐射元件、至少一个第二辐射元件和至少一个第三辐射元件的多频带辐射阵列的所述至少一个第二辐射元件的第二工作频率范围重叠，
其中所述至少一个第三辐射元件的第三工作频率范围低于所述宽频带工作频率范围，
其中所述辐射元件包括限定所述多频带辐射阵列的第一列的至少一个第一辐射元件，所述至少一个第二辐射元件限定所述多频带辐射阵列的第二列，并且所述至少一个第三辐射元件限定所述多频带辐射阵列的第三列，
其中所述第一列与所述第二列并排，并且所述第三列在所述第一列和所述第二列之间。
13.根据权利要求12所述的辐射元件，其中：
所述至少一个第一辐射元件分别包括由所述臂段中以交叉偶极子的方式布置的相对的臂段限定的第一偶极天线和第二偶极天线；
所述第一偶极天线和第二偶极天线具有限定在它们的相对端部之间的相应的臂长度；以及
所述相应的臂长度是针对所述宽频带工作频率范围的下限的半波长或者更长，并且是针对所述宽频带工作频率范围的上限的全波长或者更短。
14.根据权利要求13所述的辐射元件，其中所述相应的臂长度是针对所述宽频带工作频率范围的上限的全波长的0.8倍。
15.根据权利要求13所述的辐射元件，其中所述臂段的相应表面的角相对于相应的臂长度以小于70度但大于20度的角度被斜截。
16.根据权利要求13所述的辐射元件，其中所述第一偶极天线和第二偶极天线在与相应的臂长度垂直的方向上具有相应的臂宽度，其中所述相应的臂宽度大于所述相应的臂长度的一半。
17.根据权利要求13所述的辐射元件，还包括：
导向器元件，所述导向器元件从所述杆的端部处的、臂段之间的交叉点突出，所述导向器元件包括平行于所述臂段的相应表面延伸并悬挂于所述臂段的相应表面上方的表面。
18.根据权利要求13所述的辐射元件，其中所述至少一个第一辐射元件包括多个第一辐射元件，其中所述多个第一辐射元件在所述第一列中对齐。
19.根据权利要求18所述的辐射元件，其中在所述第一列中所述多个第一辐射元件的相邻第一辐射元件之间的元件间间距是115毫米。
20.根据权利要求13所述的辐射元件，其中所述杆包括馈电板，所述馈电板包括配置为将所述臂段耦合到天线馈线的馈电线，并且还包括将所述臂段中相应的臂段耦合到所述杆的串联连接的电感器和电容器。
21.根据权利要求13所述的辐射元件，其中所述宽频带工作频率范围是1.4GHz到2.7GHz。
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