CN109075436B - 用于基站天线的超宽带双极化辐射元件 - Google Patents

用于基站天线的超宽带双极化辐射元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于基站天线的辐射元件，所述辐射元件包括：支撑结构，在所述支撑结构的第一层中的至少一对偶极臂，以及在所述支撑结构的第二层中的至少两个寄生臂，其中所述第一层与第二层之间的距离在所述辐射元件的工作频带的最小波长的0.0004至0.1之间，优选在0.002至0.02之间，其中所述寄生臂从所述第二层至所述第一层的垂直投影的面积覆盖所述至少一对偶极臂的至少60％的面积。

Description

用于基站天线的超宽带双极化辐射元件
技术领域
本发明涉及用于基站天线的辐射元件、双频带辐射结构和基站天线。
背景技术
超宽带基站天线***通常工作在690-960MHz(“低带”-LB)，1.427-2.4GHz(“中带”-MB)和1.7-2.7GHz(“高带”-HB)的频谱上，其中包括了当今使用的大多数蜂窝网络频段。随着对无线电天线深度整合需求的日益增长，例如有源天线***(AAS)，就要求有通过减小深度来设计超紧凑型超宽带多阵列基站天线架构的新方法，而不在天线的关键点上妥协。
对于这些架构，优选多个LB、MB和HB共存。然而，当试图减小天线整体几何尺寸(紧凑设计)并保持RF关键性能时，这种共存就变得更具挑战性。在许多其他技术设计策略中，其中一个关键点是用于LB、MB和HB的辐射元件设计。理想地，它们应该彼此电性不可见。从这个角度来看，辐射元件的物理尺寸是主要因素之一。
在典型的场景中，MB频率范围(1.427GHz-2.4GHz)约为LB频率范围(690-960MHz)的两倍，因此设计成在MB中工作的偶极振子可能会产生谐振，且行为类似于LB中的单极振子，从而产生不希望的效应并降低LB频带中天线的性能。
如果不将MB偶极振子的谐振行为移出LB频带，则会因带内谐振而出现一些不希望的后果，如回波损耗中的尖峰和隔离、相位不连续性、辐射方向图扰动、增益下降等。
因此，需要一种辐射元件提供宽带特性，同时具有低轮廓，并且对共存于天线中的其它频带不可见。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于基站天线的辐射元件，一种双频带辐射结构和一种基站天线，克服现有技术中的一个或多个上述问题。
本发明的第一方面提供一种用于基站天线的辐射元件，所述辐射元件包括：支撑结构，在所述支撑结构的第一层中的至少一对偶极臂，以及在所述支撑结构的第二层中的至少两个寄生臂，其中所述第一层与所述第二层之间的距离在所述辐射元件的工作频带的最小波长的0.0004至0.1之间，优选在0.002至0.02之间，其中所述寄生臂从所述第二层至所述第一层的垂直投影的面积覆盖所述至少一对偶极臂的至少60％的面积。将由导电材料形成的寄生臂相对于偶极臂以确定的距离排列，具有的技术效果是：对于给定的工作频率，偶极臂的总长度可以减小。因此，相对于现有技术的装置，辐射元件在沿偶极臂方向的总尺寸减小。这允许例如将辐射元件设置在较低频带的第二辐射元件中，以在减小的空间配置中提供双频带辐射结构。寄生臂与偶极臂DC/通电性隔离设置。每个寄生臂电容性地耦合到至少一个对应的偶极臂。
在根据第一方面所述辐射元件的第一实施方式中，所述第一层平行于所述第二层。通常，所述第一和第二层之间的距离限定了偶极臂和寄生臂各自所在的位置之间的距离，该距离可以在根据第一方面提供的限制内变化。然而，优选保持第一层平行于第二层，即寄生臂和偶极臂具有恒定的垂直距离，因为这种构造可以容易制造。例如，第一层和第二层可以是隔离材料的连续支撑结构中的平行层。
在根据第一方面的任一实施方式的辐射元件的第二实施方式中，所述支撑结构包括印刷电路板PCB，并且所述偶极臂设置在所述PCB的层中，并且所述寄生臂设置在同一PCB的另一层中。在本实施方式中，所述支撑结构可以由PCB形成，所述PCB可以被经济高效地制造。所述第一和第二层可以设置在PCB的相对侧上。或者，第一层和第二层中的一个或多个也可以设置在PCB的中间层中。
在根据第一方面或第一方面所述第一实施方式的辐射元件的第三实施方式中，所述支撑结构包括，或者是，模塑互连器件(MID)，其中所述偶极臂由所述MID上的第一金属化部形成，并且所述寄生臂由所述MID上的第二金属化部形成，其中所述第一金属化部和所述第二金属化部彼此相对设置。使用MID的支撑结构也可以被经济有效地制造。所述分别形成偶极臂和寄生臂的金属化部也可以设置在平行层中，例如在平面MID板的顶面和底面。
在根据第一方面或第一方面所述第一实施方式的辐射元件的第四实施方式中，所述偶极臂由第一组金属片形成，并且所述寄生臂由与所述第一组金属片相距所述距离设置的第二组金属片形成。在这个实施方式中，寄生臂和偶极臂由金属片制成，金属片可以用绝缘材料隔开。这种构造还允许将寄生臂和偶极臂设置在可包括任何绝缘材料的支撑结构上的平行层中。在这种构造中，只要第一和第二层的距离在预定的限制之内，支撑结构上寄生臂和偶极臂之间的绝缘材料就不必连续。
在根据第一方面的任何实施方式所述辐射元件的第五实施方式中，所述寄生臂是浮动的。浮动意味着臂与地隔离，也没有连接任何信号馈送。以这种方式，寄生臂有效地作为偶极臂的延伸，这使给定工作频率下偶极臂的总长度减小。
在根据第一方面的任何实施方式所述辐射元件的第六实施方式中，所述辐射元件包括在所述偶极臂的区域之外的、并且与所述至少两个寄生臂通电性隔离的一个或多个附加寄生元件，其中所述附加寄生元件被设置在所述辐射元件的所述第一层、所述第二层或任何其它层中。所述偶极臂区域外的附加寄生元件允许进一步减小偶极臂的总长度。所述附加寄生元件也是浮动的，并且因此可以减小辐射元件的总长度，即偶极臂的总长度加上设置在所述偶极臂外部的附加寄生元件所增加的长度。所述附加寄生元件可以设置在辐射元件的任何层上，优选地，所述寄生元件设置在第一层或第二层中，或者设置在第一层和第二层之间的任何中间层中。利用所述附加寄生元件，在位于所述第一层和第二层的预定距离之内的层中，所述附加寄生元件减小偶极臂的长度最有效。
在根据第一方面的任何实施方式所述辐射元件的第七实施方式中，所述至少两个寄生臂各自包括导电材料的实心区域。所述导电材料的实心区域的寄生臂在减小偶极臂的总长度上极为有效。但是，在其他优选实施方式中，寄生臂中导电材料的实心区域也可以包括不导电的断口。所述不导电的断口可以仅少量影响辐射元件的辐射特性，从而仍然提供减小辐射元件的长度的效果。
在根据第一方面的任一实施方式所述辐射元件的第八实施方式中，所述支撑结构包括距离保持器，所述距离保持器具有基脚，所述基脚用于连接到所述基站天线的反射器，其中所述距离保持器被构造成将所述偶极臂和所述寄生臂保持在距所述反射器的另一预定距离处。所述支撑结构包括用于连接到基站的反射器的基脚，所述支撑结构提供的效果是让所述偶极臂和寄生臂被设置在基站天线的反射器的预定距离之内。为了保持低轮廓特征和仍然良好的RF性能，离反射器的预定距离应该保持在中心工作频率的0.15到四分之一波长的范围内。反射器可以用作基站天线中的多个辐射元件的反射器。集成在支撑结构中的基脚允许将辐射元件容易地连接到反射器。此外，基脚还可以包括电子电路***，特别是用于辐射元件的馈电***。
在根据第一方面的任何实施方式所述辐射元件的第九实施方式中，所述距离保持器包括，或者是，与所述辐射元件的所述第一层和所述第二层垂直的印刷电路板PCB，其中所述PCB包括平衡-非平衡转换器(balun)和微带线，而所述平衡-非平衡转换器被构造为将所述至少一对偶极臂的每个臂通电性连接至地，而所述微带线被构造为所述至少一对偶极臂馈电。本实施方式的微带线用作偶极臂的馈电传输线。所述平衡-非平衡转换器可以在PCB上与所述微带线相对的一侧上包括导电表面，其功能是将偶极臂的平衡信号转换成馈电线中的不平衡信号，以及反之。
在根据第一方面的任一实施方式所述辐射元件的第十实施方式中，工作频带在1.4GHz至2.7GHz的范围内。这个工作频率是优选的，因为它允许将本实施例的辐射元件设置在工作在低频带，即690MHz到960MHz范围内的另一个辐射元件中。
本发明的第二方面涉及一种至少具有第一辐射元件和第二辐射元件的双频带辐射结构，根据第一方面的任何实施方式的第一辐射元件具有工作频带，并且所述第二辐射元件具有比所述第一辐射元件的工作频带低的工作频带，其中所述第一辐射元件设置在所述第二辐射元件的内部。根据该方面的双频带辐射装置的优点在于，可以将不同频带的两个辐射元件设置成仅占用最小的空间。这对于构造通常在至少两个频带中工作的基站天线是特别有利的，例如第一频带被第一辐射元件覆盖，第二频带被第二辐射元件覆盖。由于用于较低频率的第二辐射元件的尺寸必然较大，所以用于高频带的辐射元件可以设置在较低频带的辐射元件的内部是有利的。
本发明的第三方面涉及一种基站天线，包括：反射器；至少一个根据第一方面的任何实施方式所述的辐射元件和/或根据第二方面所述的双频带辐射元件；其中所述辐射元件和/或所述双频带辐射元件设置在所述反射器之前，使得所述偶极臂和所述寄生臂设置在至所述反射器预定距离之处。本方面的基站天线可以包括多个辐射元件和/或双频带辐射元件，这些辐射元件和/或双频带辐射元件都设置在至单个反射器预定距离之内。因此，这种结构允许在小的空间配置内构造具有用于不同工作频带的至少两个或三个辐射元件的基站。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术特征，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，在不脱离权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对这些实施例进行修改。
图1示出了第一实施例的辐射元件的顶侧透视图；
图2示出了所述第一实施例的辐射元件的底侧透视图；
图3示出了所述第一实施例的辐射元件的侧视图；
图4示出了所述第一实施例的包括馈电***的PCB的侧视图；
图5示出了第二实施例的双频带辐射元件的顶侧透视图；
图6示出了所述第二实施例的双频带辐射元件的底侧透视图；
图7示出了第三实施例的基站天线的平面图；
图8a-c示出了辐射元件的另外三个实施例的透视的俯视图和仰视图。
具体实施方式
参照图1至5描述辐射元件的第一实施例。
辐射元件包括两对偶极臂2，它们能够在相互垂直的偏振极上进行辐射。偶极臂2设置在支撑结构的顶表面上，该支撑结构在本实施例中包括印刷电路板PCB 4。偶极臂2与包括导电材料层的寄生臂6电磁耦合(但是通电性/DC隔离)，并且被设置在PCB4的相对侧上。寄生臂的形状是任意的，但是优选覆盖各个偶极臂2的整个区域。在所示的实施例中，寄生臂设置在PCB的底层上，并且偶极臂2设置在PCB 4的顶层上。然而，应该理解的是，在其他实施例中，偶极臂和寄生臂也可以设置在诸如PCB或模塑互连器件MID的支撑结构的其他层(顶层，底层或中间层)中。
如图1所示，偶极臂2具有弯曲的轮廓。但是，其他几何形状也是可能的。
寄生臂6是浮动的，即，它们与地以及任何其他馈电信号通电性隔离。
偶极臂2是偶极脚8，在本实施例中偶极脚8由堆叠在一起的两个PCB形成。
参考图3和4，描述了偶极脚8的更多细节。每个PCB的偶极脚8包括微带线10，该微带线10容许向相应的一对偶极臂2馈电。此外，在偶极脚8的PCB的微带线10的一侧上，该表面被金属化以形成平衡-非平衡转换器结构12。电平衡-非平衡转换器结构12通过将金属化表面上的两点电容性地，或如实施例中所示，通电性地连接到偶极臂2来实现。这允许偶极臂2的谐振频率的附加调整。换句话说，偶极脚8向偶极臂2提供电容性馈电，并且此外提供偶极臂2与地的通电性连接。
在偶极脚之下，另一个馈电PCB 14被设置成用作微带线10与天线馈电网络之间的接口并且为辐射元件提供机械支撑。
偶极臂2和与之耦合的寄生臂6之间的关系如下定义：偶极臂2在寄生臂6上的投影应当与偶极臂2的表面的至少60％重叠。寄生臂层应位于偶极臂之下，距离在辐射元件的工作频带的最小波长的0.0004和0.1之间，最好在最小波长的0.002和0.02之间。如第一实施例所示，该距离可以是恒定的，因为偶极臂的层和寄生臂的层是平行的。然而，在其他实施例中，该距离也可以在给定限度内变化。
寄生臂6的长度和面积决定辐射元件的带宽和谐振频率。寄生臂6可以具有任意形状，但是优选寄生臂是实心的。每个偶极振子至少有两个寄生臂6，但是其他实施例不限于每个偶极振子只有两个寄生臂。额外寄生臂可以用来进一步增加偶极振子的工作带宽。
如上所述的辐射元件旨在工作在多频带架构中，这将在图5和6的上下文中描述。
图5和图6描绘了第二实施例的多频带设置，该第二实施例包括第一实施例的辐射元件作为一个部分。第一辐射元件设置在较低频率的杯形辐射元件20的内部。例如，第一实施例的辐射元件可以工作在中频段，而双频带辐射安排的第二辐射元件20工作在低频带。关于低频带的第二辐射元件20的更多细节在平行的PCT专利申请，专利申请号：PCT/EP2016/057963中描述，该专利通过引用全文结合于此。
显然，第二实施例的双频带辐射装置针对可用空间进行了优化，因为用于中频带的辐射元件设置在低频带的辐射元件20的内部。
低频辐射元件20作为设置在低频辐射元件内部的第一辐射元件的副反射器。为了将第一辐射元件接地到副反射器，下频带辐射元件的正交PCB电容性地耦合到低频辐射元件20的下平面。
如图6所示，组合的辐射元件也通过交叉的PCB 8馈电，该交叉的PCB也形成了第一辐射元件的基脚。在所提到的平行PCT专利申请，申请号：PCT/EP2016/057963中描述了进一步的细节。
参考图7，描述了第三实施例的基站天线。基站天线包括反射器30和多个辐射元件。沿着反射器30的中心线，设置有第一辐射元件和根据第二实施例的双频带辐射元件。而且，有第三种辐射元件设置在反射器30的纵向侧上。该第三种辐射元件具有高频带的工作频带，即从1710到2690Mhz。
如图7所示，基站天线的总体设置在空间上是优化的，因为如上所述，低频带和中频带的辐射元件部分由双频带辐射元件构成。所有辐射元件都用相同的反射器30。
参考图8a至8c，描述了辐射元件的进一步的实施例。图8a示出了类似于第一实施例的辐射元件，但是寄生元件在导电材料的实心区域内包括非导电中断40。图8b的实施例包括用于每个偶极臂的两个寄生臂42。两个寄生臂42的面积的量覆盖偶极臂的至少60％的面积。图8c的实施例包括附加寄生元件44。附加寄生元件44在偶极臂2的同一层中设置在PCB的顶侧上。附加寄生元件44进一步增加偶极的工作频带频率。
以上所述仅为本发明的实施方式，本发明的范围不限于此。本领域技术人员可以容易地做出任何变化或替换。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种用于基站天线的辐射元件，所述辐射元件包括：
支撑结构(4)，
在所述支撑结构(4)的第一层中的至少一对偶极臂(2)，以及
在所述支撑结构(4)的第二层中的至少两个寄生臂(6)，
其中所述第一层与所述第二层之间的距离在所述辐射元件的工作频带的最小波长的0.0004至0.1之间，
其中所述寄生臂(6)从所述第二层至所述第一层的垂直投影的面积覆盖所述至少一对偶极臂(2)的至少60％的面积，所述寄生臂(6)的面积和所述至少一对偶极臂(2)的面积均大于所述寄生臂(6)从所述第二层至所述第一层的垂直投影的面积覆盖的所述至少一对偶极臂(2)的面积；
所述寄生臂是浮动的，与地和馈电信号通电性隔离，每个所述寄生臂(6)电容性地耦合到至少一个对应的偶极臂；
其中所述支撑结构(4)包括距离保持器，所述距离保持器具有基脚，所述基脚用于连接到所述基站天线的反射器(30)，其中所述距离保持器被构造成将所述偶极臂(2)和所述寄生臂(6)保持在距所述反射器(30)的另一预定距离处；其中所述距离保持器包括交叉的印刷电路板PCB，其中所述交叉的PCB与所述辐射元件的所述第一层和所述第二层垂直，所述交叉的PCB的每个PCB包括平衡-非平衡转换器(12)和微带线(10)，所述平衡-非平衡转换器(12)被构造为将相应的一对偶极臂(2)通电性连接至地，所述微带线(10)被构造为向所述相应的一对偶极臂(2)馈电。
2.根据权利要求1所述的辐射元件，其中所述第一层与所述第二层之间的距离在所述辐射元件的工作频带的最小波长的0.002至0.02之间。
3.根据权利要求1所述的辐射元件，其中所述第一层平行于所述第二层。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的辐射元件，其中所述支撑结构(4)包括印刷电路板PCB，并且其中所述偶极臂(2)设置在所述PCB的层中，并且所述寄生臂(6)设置在同一PCB的另一层中。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的辐射元件，其中所述支撑结构(4)包括模塑互连器件MID，其中所述偶极臂(2)由所述MID上的第一金属化部形成，并且所述寄生臂(6)由所述MID上的第二金属化部形成，其中所述第一金属化部和所述第二金属化部彼此相对设置。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的辐射元件，其中所述偶极臂(2)由第一组金属片形成，并且所述寄生臂(6)由与所述第一组金属片相距所述距离设置的第二组金属片形成。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的辐射元件，包括在所述偶极臂(2)的区域之外的、并且与所述至少两个寄生臂(6)通电性隔离的一个或多个附加寄生元件(44)，其中所述附加寄生元件(44)被设置在所述辐射元件的所述第一层、所述第二层或任何其它层中。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的辐射元件，其中所述至少两个寄生臂(6)各自包括导电材料的实心区域。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的辐射元件，其中所述工作频带在1.4GHz至2.7GHz的范围内。
10.一种包括第一辐射元件和第二辐射元件(20)的双频带辐射装置，所述第一辐射元件为根据权利要求1-9中任一项所述的辐射元件，所述第一辐射元件具有工作频带，并且所述第二辐射元件(20)具有比所述第一辐射元件的工作频带低的工作频带，其中所述第二辐射元件(20)为杯形并被构造为作为所述第一辐射元件的副反射器，所述第一辐射元件设置在所述第二辐射元件(20)的内部，并且其中所述第二辐射元件(20)被构造为通过所述交叉的PCB馈电。
11.一种基站天线，包括：
反射器(30)；
根据权利要求1至9中任一项所述的辐射元件和/或根据权利要求10所述的双频带辐射装置；
其中所述辐射元件和/或所述双频带辐射装置设置在所述反射器(30)之前，使得所述偶极臂(2)和所述寄生臂(6)设置在至所述反射器(30)预定距离之处。
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