CN109690871B - 天线和用于天线的辐射元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辐射元件,包括:导电元件,所述导电元件包括下平面、从所述下平面的边缘延伸的侧壁、至少第一和第二非导电槽,每个非导电槽至少部分地在所述下平面上,并沿着所述侧壁从所述下平面延伸到所述侧壁的上边缘,其中所述辐射元件被配置为通过支撑结构而设置在天线的反射器上,所述支撑结构将所述下平面保持在所述反射器的预定距离处;本发明还涉及一种用于基站的天线,包括反射器和多个根据前述权利要求中任一项所述的辐射元件,其中所述多个辐射元件的导电元件的下平面被支撑在所述反射器的预定距离处。
Description
技术领域
本发明涉及一种辐射元件和一种包括多个这种辐射元件的天线。具体地,所述天线可以是基站的天线。
背景技术
随着天线与无线电深度集成(例如,基站的有源天线***(Active AntennaSystem,AAS))的需求的不断增长,要求降低超宽带天线的深度而不影响天线关键性能指标。
天线-无线电集成导致高度复杂的***,并强烈影响对于商业领域部署来说至关重要的天线形状因子。在这种语境中,主要的限制性技术因素之一是天线的高度。降低天线高度意味着大大简化AAS和传统无源天线***的整体部署过程。
在考虑到辐射元件性能时,高度的减小自然意味着以可接受的RF性能而覆盖的相对带宽要减小。要在现代基站天线***中覆盖标准工作频带并保持相同射频性能,又要辐射元件的高度更低,就必须开发与传统技术不同的新构思/架构。
除了低轮廓(low profile)/宽带特性之外,新的辐射元件应该适合在多频带环境下工作,这意味着其几何结构对于其余频带必须是透明的。具体到较低频带(从690到960MHz),为了最大化地利用天线孔径中的可用空间,需要组合不同操作频带的辐射元件,诸如组合较低频带与较高频带(例如从1400到2700MHz)的辐射元件。
然而,如果不同频带的辐射元件被组合在单个天线***中,则结构,尤其是用于向辐射元件馈电的结构,就变得复杂,并且总高度仍然是个问题。因此,仍然需要具有超宽带特性(这意味着带宽在30%以上)、超低轮廓特性以及用于组合不同频带的辐射元件的合适形状的辐射元件。此外,辐射元件的馈电结构应简化。
发明内容
本发明的目的是提供辐射元件和天线,其中所述辐射元件和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辐射元件,包括:
导电元件,包括:
下平面、从所述下平面的边缘延伸的侧壁;至少第一和第二非导电槽,每个非导电槽至少部分地在所述下平面上,并沿着所述侧壁从所述下平面延伸到所述侧壁的上边缘,
其中所述辐射元件被配置为通过支撑结构而设置在天线的反射器上,所述支撑结构将所述下平面保持在所述反射器的预定距离处。具体地,所述具有下平面和侧壁的导电元件提供杯状形状,所述形状允许在导电元件内部包括用于更高频带的其它辐射元件。因此,所述辐射元件可用于多频带天线。此外,通过向反射器提供预定距离,降低了接地电容,这提供了所述辐射元件的宽带特性。相对带宽可以达到30%以上。
在根据第一方面所述的辐射元件的第一种实施方式中,所述支撑结构被配置为以所述下平面与所述反射器之间的预定距离将所述辐射元件支撑在所述反射器上。所述支撑结构提供到所述反射器的所述预定距离。所述支撑结构可以包括两个或更多个距离保持器,例如,设置在辐射元件的拐角处。所述距离保持器可以由介电材料或任何其它隔离材料制成。可选地,所述支撑结构还可以包括优选设置在其中心的一个单件,并且还可以包括导电材料。所述支撑结构可以包括一个或多个印刷电路板,根据进一步的优选实施方式,所述印刷电路板还可以包括所述辐射元件的馈电***的微带线。
在根据第一方面的第一种实施方式所述的辐射元件的第二种实施方式中,所述支撑结构被配置为使得所述预定距离至少为λc/25,其中λc是所述导电元件的工作频带的中心频率下的波长。仿真结果表明,到接地板(例如,反射板)的λc/25的预定距离,更优选的λc/15,适合于保持所述辐射元件的宽带特性。
在根据第一方面和第一方面的任一种实施方式所述的辐射元件的第三种实施方式中,所述下平面(12)的最小面积为所述辐射元件在所述侧壁的上边缘处的上平面(14)的总面积的至少25%,或者为40%以上。通过让所述下平面面积的最小值为上平面面积的25%,可在下平面中沿着槽提供合适的阻抗。因此,由于下平面面积为上平面面积的25%,槽的馈电点可以设置在靠近下平面的平坦层中。
在根据第一方面的第三种实施方式所述的辐射元件的第四种实施方式中,所述槽还沿着所述上平面延伸。由于所述槽在所述上平面中延伸,避免了所述槽的短路。
在根据第一方面和第一方面的任一种实施方式所述的辐射元件的第五种实施方式中,所述辐射元件具有至少两个馈电点,所述至少两个馈电点在所述下平面的区域中,优选地在相比于所述下平面的中心的区域更接近所述下平面的边缘的区域中跨过所述槽。将所述馈电点设置在所述下平面中跨过所述槽的优点在于,馈电***可以设置在平面中,让馈电***的构造得以简化。具体地,馈电线可以设置在平坦的PCB上,所述PCB安装在例如所述导电元件的下平面的底侧上。由于当远离下平面的中心移动时,沿着槽的阻抗增加,所以馈电点被优选地设置成更靠近所述下平面的边缘而非所述下平面的中心。
在根据第一方面的第五种实施方式所述的辐射元件的第六种实施方式中,所述辐射元件还包括:第一传输线,跨过所述第一槽以形成所述至少两个馈电点中的第一馈电点;和第二传输线,跨过所述第二槽以形成所述至少两个馈电点中的第二馈电点。由于所述馈电点是由跨过所述槽的单独的传输线来提供的,并且在所述导电元件上构造馈电点不需要进行任何焊接,所以该结构易于制造。例如,在另一种实施方式中,可以使用电缆馈电。所述电缆的内导体被焊接到与槽的一侧连接的小凸片上,并且所述电缆的外导体被焊接到所述槽的相对侧。然而,电缆解决方案更昂贵,因为焊接难以自动化。此外,导电元件需要由可焊接材料制成或镀覆成可焊接,这增加了成本。
在根据第一方面的第六种实施方式所述的辐射元件的第七种实施方式中,所述辐射元件还包括设置在所述下平面的印刷电路板(PCB),其中所述PCB包括形成所述第一传输线的第一微带线和形成所述第二传输线的第二微带线。根据这种实施方式,馈电***设置在机械连接到下平面的PCB上。该解决方案具有成本效益,因为可以使用平坦的PCB而不是如前所述,对必须固定并电连接到导电元件的电缆进行处理。
在根据第一方面的第七种实施方式所述的辐射元件的第八种实施方式中,所述PCB包括在所述微带线的相对侧上的接地平面,所述接地平面与所述下平面电容耦合。所述辐射元件用作用于辐射元件的(杯状)导电元件内的更高频率辐射元件的副反射器。为了将设置在所述导电元件内部的更高频率辐射元件接地,可以使用所述PCB上的接地平面。
在根据第一方面和第一方面的任一种实施方式所述的辐射元件的第九种实施方式中,所述导电元件还包括从所述上平面的边缘向所述下平面的高度的方向延伸的翼片,其中所述槽延伸到所述翼片中。所述辐射元件拐角中的所述翼片使得所述辐射元件非常紧凑,从而当所述辐射元件用于多频带天线配置时,减少了其它频带的阴影和干扰。
在根据第一方面和第一方面的任一种实施方式所述的辐射元件的第十种实施方式中,所述导电元件由单件制成,优选为弯曲的铝片。在这个实施方式中,由于辐射元件仅包括单个弯曲的金属片,所以可以很容易地制造。之所以优选铝,是由于重量轻、成本效率高、易于加工、并具有良好的电性能。
在根据第一方面和第一方面的任一种实施方式所述的辐射元件的第十一种实施方式中,所述下平面具有中心开口。这个实施方式的中心开口可以用于将馈电***的支撑结构包括在所述(杯状)导电元件内以支撑另一个内部辐射元件。此外,所述开口也可以用于所述导电元件的支撑结构,以便与反射器保持预定距离。
在根据第一方面和第一方面的任一种实施方式所述的辐射元件的第十二种实施方式中,所述辐射元件还包括在所述导电元件内侧的第二内部辐射元件,其中所述导电元件被构造成在第一频带中工作,而所述导电元件内侧的所述内部辐射元件被构造成在高于所述第一频带的第二频带中工作。通过将较高频率的辐射元件包括在较低频率的辐射元件内部,整体设置最佳地节省了空间。此外,外部的低频带辐射元件也可以用作用于较高频率下的内部辐射元件的反射器。
在根据第十二种实施方式所述的辐射元件的第十三种实施方式中,当取决于第一方面的第十一种实施方式时,所述内部辐射元件包括在所述下平面中延伸穿过所述开口的支撑结构。因此,所述下平面中的开口提供的优点在于内部辐元射件被机械支撑并且同时所述开口也可以用于让馈电线穿入内部辐射元件。
在第一方面的第十三种实施方式的第十四种实施方式中,所述内部辐射元件的所述支撑结构包括至少一个,优选两个交叉的PCB,其中所述一个或两个PCB包括用于所述导电元件和/或用于所述内部辐射元件的馈电线。两个交叉的PCB具有的优点是:它们可以同时为外部低频带辐射元件和内部高频辐射元件提供馈电***。
在第一方面的第十二种至第十四种实施方式中的任一种实施方式的第十五种实施方式中,所述内辐射元件包括另一PCB,所述另一PCB设置在所述下平面另一预定距离处(在与第一预定距离相对的方向上)。或者换言之,当所述辐射元件设置在反射板上时,所述下平面通常设置在所述反射器与所述内部辐射元件的所述另一PCB之间。此外,在优选实施例中,反射器、下平面和另一PCB被设置成彼此平行。
在第十二种至第十种五实施方式中的任一种实施方式的第十六种实施方式中,所述内部辐射元件具有基本上与所述上平面处于相同高度或低于所述上平面的偶极子结构。通过将所述内部辐射元件的偶极子结构设置在与外部低频带辐射元件上平面相同或更低的高度,提供的优点是:在反射器上的高度最小。“基本上”一词可以用于指示各个层的偏离不超过±10mm。
本发明的第二方面涉及一种用于基站的天线,所述天线包括反射器和多个根据前述权利要求中任一项所述的辐射元件,其中所述辐射元件设置在所述反射器上,使得所述多个辐射元件的导电元件的下平面被支撑在所述反射器预定距离处。所述天线的优势在于:它可以用在具有低频带超宽带特性(相对带宽>30%)和超低轮廓特性的多频带配置中。所述辐射元件的形状适合于将较高频率的辐射元件安装在内部,同时馈电***得以简化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术特征,以下将对提供用以描述实施例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,但是在不脱离权利要求所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示出了本发明第一实施例的辐射元件的立体图。
图2示出了反射器上的第二实施例的辐射元件的侧视图。
图3示出了图1或图2的辐射元件的导电元件的侧视图。
图4示出了图3的导电元件的立体图,指示了阻抗沿着槽的演变。
图5示出了包括PCB形式的馈电***的辐射元件的实施例的底侧的立体图。
图6示出了形成双频带辐射元件的本发明的另一个实施例的立体图。
图7示出了本发明的另一个实施例的包括图6的辐射元件的天线的顶视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的辐射元件的第一实施例。辐射元件包括由弯曲的金属片,尤其是铝片制成的导电元件2。导电元件包括四个在导电元件中每90°设置一个的槽4。优选地,各槽以相同的相位和幅度来进行2×2馈电,所述相位和幅度的组合实现如下所述的双线性极化辐射。在两个相对的槽中仅有两个输入的组合将产生一个偏振极,另两个相对的槽的组合产生与之正交的偏振极。然而,本发明的其它实施例也可以仅包括一个偏振极,即,仅两个槽。
如图1所示,导电元件由支撑结构支撑,在本实施例中,所述支撑结构包括四个介电距离保持器6,所述介电距离保持器6被配置为在天线配置的反射器(图1中未示出)的表面上支撑导电元件2。支撑结构被配置为将导电元件2保持在与反射板成特定距离处。
图2示出了辐射元件的第二实施例,所述辐射元件包括在反射器10中以形成天线,其中导电元件2类似于第一实施例的导电元件2。在这种情况下,使用单个支撑件来将辐射元件保持在反射器10的顶部上。通常,支撑结构可以由任一隔离材料形成,所述支撑结构被配置为将辐射元件保持在与反射器表面成特定距离处。此外,图2的支撑结构也可以用于为辐射元件馈电。例如。支撑结构可以是PCB或MID。此外,为了给予图2中的实施例更高的稳定性,可以将如图1所示的的介电距离保持器6添加到图2所示的实施例中。
在这个示例中,辐射元件距反射板的总高度仅为约0.125×λ,其中λ是辐射元件的最低工作频率下的波长。因此,可以实现电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)在32%的相对带宽内低于1.35。
图3将图1和图2中的第一和第二实施例的导电元件2示出为单个部件。所述部件包括由侧壁11(分别由所述导电元件的导电材料形成,并且彼此导电连接)连接的下平面12和上平面14。以这种方式,导电元件2采取杯状形式,这就允许在所述结构内部设置另一个辐射元件,如以下结合图6所述。
通常,辐射元件跨槽4馈电。如图4所示,当沿着槽4移动馈电点时,辐射元件的阻抗改变。
将馈电点向着辐射元件的中心移动,则阻抗减小,恰在中心的槽起始处达到短路值。另一方面,当将馈电点向着辐射元件的外部移动到接近下平面12的边缘时,则阻抗逐渐增加。
为了具有合理的阻抗值,在距每个槽4的起始处的特定距离处(并且因此也是距下平面12的中心的特定距离处)对辐射元件进行馈电。为了简化馈电***,在本发明的实施例中优选将四个馈电点设置在共同的平坦表面上,即,在平行于下平面12的平面中。为了满足这些条件,辐射元件的实施例的下平面12相对于上平面14的总面积而言具有最小面积。优选地,下平面12面积的最小值是上平面14的面积的25%或优选40%以上。
为了能够在下平面12中向辐射元件馈电并实现超宽带特性,在辐射元件的下平面12与反射器10之间存在一定的距离。由于下平面的最小面积是上平面14的25%,靠近反射器10的导电面积很大,因此具有很强的接地电容。然而,为了实现辐射元件的宽带特性,这个电容应该降低。由于下平面12的最小面积受到25%的限制,所以通过使用合适的支撑结构将辐射元件在反射器上提升来降低接地电容。优选地,在本发明的实施例中,下平面12与反射器10之间的最小距离为λc/25或优选地为λc/15,其中λc是辐射元件的工作频带的中心频率处的波长。
参照图5,描述了辐射元件的馈电***。馈电***包括三个设置在一起的印刷电路板(printed circuit board,PCB)。两个交叉的PCB 20用作接地、机械支撑并包含用于辐射元件的馈电线。第三PCB 22被设置成与交叉的PCB 20正交,并附接到(但DC隔离于)导电元件的下平面12。第三PCB 22具有四个微带线24。每个微带线24跨过上方的一个槽4并向该槽馈电。从图5中可以看出,每个微带线24在下平面12中沿槽4的外部区域跨过所述槽4。具体地,微带线在下平面12中的槽的第二外半部中跨过槽4。微带线24和槽4之间的交叉段限定了如上述图4的上下文中所提到的馈电点。第三PCB 22上的微带线24与两个交叉PCB 20上的微带线26连接。在交叉的PCB 20上,两个相对的槽4的微带线26被连接在一起,并提供电端线。因此,两个相对的槽4可以由具有相同振幅和相同相位的电信号馈电。对于垂直取向的另外两个槽4,以对称方式在两个交叉PCB 20的第二个PCB上提供相同的设置。
交叉的PCB 20延伸穿过导电元件2的下平面12的中心开口18。如图6所示,两个交叉的PCB 20可以承载另一与交叉的PCB 20正交设置的PCB 30。PCB 30形成设置在杯状导电元件2内部的又一内部辐射元件。优选地,PCB 30设置在与导电元件的上平面14基本相同的层中。PCB 30包括构成较高频率辐射元件的导电部分,所述较高频率辐射元件通过同样设置在两个交叉的PCB 20上的微带线32进行馈电。在用PCB 30作为辐射元件的频带中,由于PCB 30上的导电元件的尺寸,所述频带高于导电元件2的频带。例如,导电元件2可以在从690MHz到960MHz的低频带中工作,而内部辐射元件30可以在从1427到2400MHz的中频带中工作。内部辐射元件的进一步细节在申请人相同的、名称为“Ultra Broad Band DualPolarized Radiating Element for a Base Station Antenna”(用于基站天线的超宽带双极化辐射元件)的并行待审欧洲专利申请中进行了描述。
对于内部辐射元件的进一步细节,请参见通过引用并入本文的本申请的公开。较高频率的辐射元件可以是以下任一种:偶极子、贴片、锁定周期天线等等。
在如图6所示的双频带辐射元件的实施例中,显而易见的是,较低频率的辐射元件(即,导电元件2)也为较高频率的辐射元件(即,PCB 30)起到了副反射器的作用。为了将较高频率的辐射元件接地到其副反射器,使用了PCB 22。PCB 22包括导电接地层,所述导电接地层接地,并且与微带线24的层相对设置。此外,PCB 22的接地层与下平面12电容耦合。通常,PCB 22的接地层上的保护盖可以用作下平面12和接地层之间的电介质,以避免PCB 22的接地层和下平面12之间的电流接触。尽管如此,还是可以在PCB 22和导电元件2的下平面12之间提供隔离片。PCB 22之所以与下平面12DC隔离/电容耦合,是为了避免在具有非稳定金属连接时产生互调成分。
如上所述,前述辐射元件旨在工作于多频带天线架构中,这意味着在同一天线内提供了多个工作在不同频带的辐射元件。图7示出了包括辐射元件的多频带设置的天线的实施例。
所述天线的多频带设置包括导电元件2,所述导电元件2在如图6所示的(杯状)导电元件2内部具有内部辐射元件30(形式为PCB辐射体)。多个这种辐射元件设置在公共反射器10上。此外,在导电元件2之间,天线包括另外的辐射元件30’,其构造类似于前述的内部辐射元件30。此外,在反射器10上还设置有在1710到2690MHz的高频带中工作的另外的辐射元件40,优选沿着并平行于低频带和中频带辐射元件的一侧或两侧设置。
显然,在如图7所示的多频带架构中,可用空间非常有限。为了减少不同频带之间的干扰和阴影,辐射元件的尺寸进行了最小化。为了使低频带的辐射元件最小化,导电元件2进一步包括如图1至图6所示的附加的翼片19。通过附加翼片19,增加了辐射元件的电长度,同时保持了小的物理尺寸,并且使其余频带中产生的阴影最小化。
翼片19设置在导电元件2的上平面14的边缘上,并且向下弯曲,方向垂直于上平面14。如图1至图4所示,槽4延伸穿过翼片19。
以上所述仅为本发明的实施方式,本发明的范围并不限于此。本领域技术人员可以很容易地做出任何改变或替换。因此,本发明的保护范围应该以所附权利要求的保护范围为准。
Claims (21)
1.一种辐射元件,包括:
导电元件(2),所述导电元件(2)包括:
下平面(12)、从所述下平面(12)的边缘延伸的侧壁(11);
至少第一非导电槽和第二非导电槽(4),每个非导电槽(4)至少部分地在所述下平面(12)上,并沿着所述侧壁(11)从所述下平面(12)延伸到所述侧壁(11)的上边缘,
其中所述辐射元件被配置为通过支撑结构而设置在天线的反射器(10)上,所述支撑结构将所述下平面(12)保持在所述反射器(10)的预定距离处,所述辐射元件具有至少两个馈电点,所述至少两个馈电点在所述下平面(12)的区域中,并且所述下平面(12)的最小面积为所述辐射元件在所述侧壁的上边缘处的上平面(14)的总面积的至少25%,所述至少两个馈电点在相比于所述下平面(12)的中心的区域更接近所述下平面(12)的边缘的区域中跨过对应的所述非导电槽(4),
所述辐射元件还包括:
第一传输线,跨过所述第一非导电槽(4)以形成所述至少两个馈电点中的第一馈电点;和
第二传输线,跨过所述第二非导电槽(4)以形成所述至少两个馈电点中的第二馈电点,所述第一传输线由第一微带线(24)形成,所述第二传输线由第二微带线(24)形成,以及
与所述第一微带线和所述第二微带线(24)相对设置的接地平面,所述接地平面与所述下平面(12)电容耦合。
2.根据权利要求1所述的辐射元件,还包括:
所述支撑结构被配置为按照所述下平面(12)与所述反射器(10)之间的所述预定距离,将所述辐射元件支撑在所述反射器(10)上。
3.根据权利要求2所述的辐射元件,其中所述支撑结构被配置为使得所述预定距离至少为λc/25,其中λc是所述导电元件(2)的工作频带的中心频率下的波长。
4.根据前述权利要求中任一项所述的辐射元件,其中所述下平面(12)的最小面积为所述辐射元件在所述侧壁的上边缘处的所述上平面(14)的总面积的至少40%。
5.根据权利要求4所述的辐射元件,其中所述第一非导电槽和所述第二非导电槽(4)还沿着所述上平面(14)延伸。
6.根据权利要求1所述的辐射元件,还包括:设置在所述下平面(12)的印刷电路板PCB(22),其中所述PCB(22)包括:
所述第一微带线(24)和所述第二微带线(24)。
7.根据权利要求6所述的辐射元件,其中所述PCB(22)包括所述微带线(24)和所述接地平面。
8.根据权利要求1所述的辐射元件,其中所述导电元件(2)还包括从所述上平面(14)的边缘向所述下平面(12)的高度的方向延伸的翼片(19),其中所述第一非导电槽和所述第二非导电槽(4)延伸到所述翼片(19)中。
9.根据权利要求1所述的辐射元件,其中所述导电元件(2)由单件制成。
10.根据权利要求9所述的辐射元件,其中所述导电元件(2)由弯曲的铝片制成。
11.根据权利要求1所述的辐射元件,其中所述下平面(12)具有中心开口(18)。
12.根据权利要求11所述的辐射元件,还包括在所述导电元件(2)内侧的内部辐射元件,其中所述导电元件(2)被构造成在第一频带中工作,而所述导电元件(2)内侧的所述内部辐射元件被构造成在高于所述第一频带的第二频带中工作。
13.根据权利要求12所述的辐射元件,其中所述导电元件(2)提供杯状形状,被构造为允许在所述导电元件(2)内部包括所述内部辐射元件。
14.根据权利要求12或13所述的辐射元件,其中所述辐射元件被用作所述内部辐射元件的反射器。
15.根据权利要求12所述的辐射元件,其中所述内部辐射元件包括在所述下平面(12)中延伸穿过所述开口(18)的支撑结构。
16.根据权利要求15所述的辐射元件,其中所述内部辐射元件的所述支撑结构包括至少一个PCB(20),其中所述至少一个PCB(20)包括用于所述导电元件(2)和/或用于所述内部辐射元件的馈电线。
17.根据权利要求16所述的辐射元件,其中所述内部辐射元件的所述支撑结构包括两个交叉的PCB(20)。
18.根据权利要求12或13所述的辐射元件,其中所述内部辐射元件包括另一PCB(30),所述另一PCB(30)设置在所述下平面(12)另一预定距离处。
19.根据权利要求18所述的辐射元件,其中所述另一PCB(30)平行于所述下平面(12)。
20.根据权利要求12或13所述的辐射元件,其中所述内部辐射元件具有与所述上平面(14)基本上处于相同高度或在所述上平面(14)下方的偶极子结构。
21.一种用于基站的天线,包括反射器和多个根据前述权利要求中任一项所述的辐射元件,其中所述辐射元件设置在所述反射器上,使得所述多个辐射元件的导电元件的下平面被支撑在所述反射器预定距离处。
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