CN1286816A - 双频带天线 - Google Patents

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Abstract

具有多个双天线元件的一种双频带天线,它包括用于分别以相对较低的第一频带和相对较高的第二频带传输和/或接收无线电频率辐射的一个第一天线元件和一个第二天线元件(5b、6b)和一个导电的、基本呈平面形的反射器(1)。每个第一天线元件(5b)与一个相关的第二天线元件(6b)相邻设置在所说反射器的前侧,以限定第一和第二辐射束。所说反射器在其每个侧面具有一个沟槽(11、12)结构的边缘部分,所说沟槽朝向反射器前侧开口,并且其具有这样的尺寸,使得能够将所说第二辐射束的方位角束宽展宽到接近所说第一辐射束束宽的一个角度值,从而使两个辐射束具有基本相同的方位角束宽。

Description

双频带天线
本发明涉及一种双频带天线，这种天线包括分别用于传输和/或接收第一、相对较低频带和第二、相对较高频带的无线电频率辐射的至少一个第一天线元件和一个相关的第二天线元件，还包括一个导电的基本呈平面形状的反射器，所说至少一个天线元件与所说相关的第二天线元件相邻设置，以在所说反射器前侧形成至少一个组合天线元件，和分别限制第一和第二辐射束，所说的第一和第二辐射束分别具有特定的定向束宽，所说定向束宽相对于垂直于所说平面反射器的一个中央纵向平面基本对称，并穿过所说至少一个组合天线元件延伸。
近来，对于无线移动通讯天线的需求与日俱增，而且现在已有许多地面和卫星无线通讯***使用宽频带载波。因此，也需要有能够以两个或多个频带工作的天线，可取的是还具有双极化以实现由天线接收的无线电频率辐射的所需差异性。这种双频带、双极化天线特别适用于基站天线。
由于在现有的AMPS-800和GSM-900Mhz***中存在的容量问题，许多经营者最近还在申请DCS-1800和PCS-1900Mhz频带的使用许可，上述频带是与较低频带分隔大约一个倍频程的一个高得多的频带。所以，为了使新频带能够利用现有的基站，实施新***的一种优选方法是利用可以在例如双频带GSM/DCS或APMS/PCS工作的双频带天线取代现有的GSM或AMPS天线。
在瑞典专利申请9704642-9(Allgon AB)中记载有在本说明书第一段中所述类型的双频带天线，其中每个双频带或组合天线元件包括一对孔径耦合的平面状平行片(patch)，它们中的一个设置在另一个上部，并且相对于用作反射器的底面层中的十字形孔的中心点对中。微波功率从具有两个独立频带的一个馈送网络馈入，第一频带的微波功率通过反射器中的孔径馈入一个第一辐射片，第二频带(较高频带)的微波功率通过反射器中的孔径和一个耦合片及所说第一辐射片中一个同样的十字形孔径馈入一个第二辐射片，所说第二辐射片较小，并且工作在较高的频带。
已经发现这种带有组合天线元件的天线结构非常适于制造和使用。但是，在天线前侧上的辐射束宽度方面还存在实际问题。因为各个辐射束分别具有不同的波长，例如0.326m和0.167m，每个辐射束在一定方位上的宽度(以半功率限值(-3dB)量度)彼此差异很大，较低频带的辐射束要比较高频带的辐射束宽得多。
因此，本发明的一个主要目的是提供能够改进较高频带的辐射束宽度，尤其是使其宽度接近较低频带的束宽的一种双频带天线结构。
另一个目的是提供易于成批生产和适用于以至少两个频带工作的基站的一种天线结构，上述两个频带包括中心频率在800-950MHz和1750-1950MHz范围内的频带。再一个目的是实现更可取的辐射功率前后比。
根据本发明，上述主要目的是以下述方案实现的，在所说反射器的各个侧边上形成沟槽形状的一个边沿部分，所说沟槽向所说反射器的前侧开口，其尺度大小使得能够展宽所说第二辐射束(在较高频带)的束宽，特别是达到与所说第一辐射束(在较低频带)相近的角值。较高频带的辐射束的展宽是由来自所说反射器边沿部分的、具有水平电场分量的二次辐射形成的。
当然，所说沟槽的具体结构和尺寸依赖于所使用的具体频带、组合天线元件的构造、反射器的构造、和通常作为保护罩安装在天线前部的天线罩或天线屏蔽器的几何结构和制造材料。
但是，作为一项基本规则，实验已经证明沟槽的深度应为所说第二频带(较高频带)辐射波长的0.1至0.3倍，沟槽的宽度应为上述波长的大约0.2倍。一般来说，所说沟槽具有这样的尺寸使得它对于第一频带(较低频带)的辐射束宽度和其它特性只有较小的影响。整个反射器的典型横向宽度为0.2至0.3m，具体地说对于具有70°方位角束宽的天线大约为0.25m-0.28m(或者说，大约为较高频带波长的1.5倍)，所说反射器边缘的每条纵向沟槽的宽度大约为0.033m(或者说，大约为较高频带波长的0.2倍)。
本领域技术人员可以按照需要选择所说沟槽的几何结构，例如，具有矩形、弓形或V-形截面。为了实用，所说沟槽可取的是由沿纵向延伸、基本呈平面的壁部，例如两个侧壁部分和一个中间的底侧壁部构成。所说壁部由金属材料片，例如铝片弯制而成，可取的是与所说反射器的其余部分形成一体。
在一个经过测试和验证表明具有优异性能的具体实施例中，反射器上位于沟槽结构的边沿部分之间的中央部分在侧面，或横向上由横向的、向上直立的壁部限定，在纵向上由金属(铝)屏蔽壁元件沿7个双频带天线元件(叠层片)的线性阵列限定，所说屏蔽元件在所说线性阵列中的每对相邻的双元件之间的区域横向延伸。这种天线，包括正面天线罩，的总长度为1.2m，其总宽度为0.3m，其深度或厚度为0.11m。
下面进一步参照附图解释本发明，在附图中表示了双频带天线的上述优选实施例。
图1以透视图、部件分解图形式示意性表示所说天线的最基本部分(为了清楚起见，没有画出两条馈入电缆和一个前部保护罩或屏蔽罩)；
图2同样以分解图形式表示图1所示天线在第二天线元件处的横截面。
在图1和图2中所示的优选实施例中，根据本发明构成的双频带天线主要包括用作反射器1的一个底面层、形成在基片层2底侧上的一个馈送网络(没有具体表示出来)、用于防止微波向后传播(在图1和图2中为向下)的导电屏蔽罩3a、3b等、以及用于构成双或组合天线元件7a、7b等的耦合片和辐射片4a、5a、6a；4b、5b、6b等，所说组合天线元件沿细长形天线的纵轴安装成一个线性阵列。
每个组合天线元件，例如图2中所示的7b，都是在上述瑞典专利申请9704642-9中所述的一般类型的元件，即包括两个平面状平行辐射片5b、6b，微波功率从基片2上的馈送网络通过底面层或反射器1中的十字形孔径(在图1中未示出)馈入所说辐射片，所说网络的一部分和相关的馈送电缆以一种线性极化(倾斜+45°)馈送功率，所说网络的另一部分和相关的馈送电缆以正交极化(倾斜-45°)馈送功率。所说微波功率是以两个独立的频带，亦即一个较低频带880-960MHz(GSM)和一个较高频带1710-1880MHz(DCS)传输的，较低频带的功率馈入稍大的辐射片5b中，通常由此以方向明确的辐射束向上辐射，而较高频带的功率馈入较小的辐射片6b中，通常同样以方向明确的辐射束向上辐射。
从辐射片6b中辐射的较高频带的微波功率从所说馈送网络通过所说辐射片5b中的十字形孔9b(图1)传输出去，如在上述瑞典专利申请9704642-9中所述，该申请公开的内容以引用方式结合在本申请中。与所说相对较小辐射片6b具有大约相同尺寸的相对较小的中间片4b用作一个耦合件，它对于将微波功率从所说馈送网络传输到所说辐射片6b是必需的。
基片层2由特氟隆材料如DICLAD527材料制成，彼此叠置的辐射片之间用分隔件(未示出)或一种泡沫材料(未示出)如ROHACELL隔开。
每个频带的双极化和伴随的差异性是通过借助于反射器中每个孔(未示出)中的各个相互垂直缝隙的激励获得的正交线性极化实现的，所说缝隙相对于所说天线的中央纵轴沿相反方向倾斜45°。与对应缝隙垂直的线性极化还沿与相应的45°倾斜方向正交的方向取向。
工作在较高频带的较小辐射片6a、6b等之间的间隔大约为一个波长，即大约0.17m，较大辐射片5a、5b等之间的间隔当然等于绝对长度单位(但是小于波长)，因为每个组合天线中的辐射片相对于彼此和相对于相关十字形孔的中心对中。
测量表明输入回波损耗、双极化信道之间的绝缘和两个频带以及辐射性能和增益都具有非常良好的值。具体地说，已经证明由于水平和垂直场分量具有基本相同的束宽，所说45°倾斜天线中的正交极化电平已经大大减小。此外，辐射功率的前后比也得到提高，特别是在较高频带。信道间的隔离(每个信道对应于一种极化)得到改善，主要是借助于垂直(横向)安装在每对相邻双天线元件之间区域中的多个金属屏蔽壁元件8(图1)实现的。
通过使辐射片略微呈矩形，即不是精确的正方形，一个侧边比另一侧边大约长1至5％，也可以有效地改善信道间隔离。
此外，根据本发明，从所说天线向其前侧(在附图中为向上)辐射的波束宽度实际上对于两个独立频带是相同的。因此，在两种频带情况下，束宽方位角为72°，或者相对于垂直于所说反射器1的平面穿过各个辐射片和十字形孔中点的一个中央纵向平面两侧对称地为36°。
借助于所说反射器1纵向边缘部分的特殊结构，就是说在反射器1的每个横向侧边上沿纵向延伸的沟槽11、12，实现了一致的束宽。这些沟槽11、12是开口的，或者朝向天线的前侧(在附图中朝上)，并且由基本平面状的多个壁部，即侧壁11a、11b；12a、12b和中间地面壁部11c、12c限定，所说的多个壁部由反射器1的金属片材料弯制而成，因此形成一体片。
所说反射器1的中央部分10是平面状的，并在前侧安装所说辐射片(图2中所示的4b、5b、6b)和基片层，而在后侧安装所说屏蔽罩(图2中的2和3b)。所说中央平面部分10与向上凸起的、略微向外倾斜的壁部13、14和水平壁部15、16连接，而所说壁部又与构成各个沟槽内壁的壁部11a、12a连接。
所说沟槽的尺寸根据在说明书第一概述部分所述，每个沟槽宽度为33.5mm，每个沟槽深度为22mm。采用这种尺寸，已经证明中心频率波长为167mm的较高频带的束宽大大增大，从而与中心频率波长为326mm的较低频带的束宽一致。较低频带的束宽并不受到沟槽11、12相对较小的不规则性的影响，而是由反射器的总宽度所决定，在图示实施例中这个总宽度为265mm。如图2所示，所说沟槽的地面壁部11c、12c相对于所说反射器1的中央部分10略微升高。
在权利要求的范围内可以对本发明的双频带天线作出许多改进。因此，可以改变沟槽11、12的具体形状和尺寸。这些沟槽还可以设计为安装在所说反射器每个侧面上的独立金属元件。
辐射片5b、6b可以用其它类型的双天线元件或组合天线元件如偶极子结构替代。此外，所说天线可以只具有一个组合天线元件，而不是一个线性阵列。
所说反射器的中央部分10可以由合成材料例如特氟隆，表面上涂覆一层导电材料形成。
最后，如果将两个馈入信道用一个正交混合宽带分支耦合器连接，就可以用圆极化代替正交极化。

Claims (10)

1、一种双频带天线，包括：
分别用于以一个第一、相对较低频带和一个第二、相对较高频带传输和/接收无线电频率辐射的至少一个第一天线元件(5b)和一个相关的第二天线元件(6b)，和
一个导电的、基本呈平面形的反射器(1)，
所说的至少一个第一天线元件(5b)与所说相关的第二天线元件(6b)相邻设置，从而在所说反射器前侧形成至少一个组合天线元件(7b)，和分别限定第一和第二辐射束，每个辐射束具有一个特定方位角束宽，所说束宽相对于与所说平面形反射器垂直取向的一个中央纵向平面基本对称，并穿过所说至少一个组合天线元件(7b)延伸，
其特征在于：
所说反射器(1)在所说中央纵向平面的各个侧面具有朝向所说反射器的所说前侧开口的沟槽结构(11、12)的一个边缘部分，
所说沟槽具有能够展宽所说第二辐射束的方位角束宽的尺寸。
2、如权利要求1所述的一种天线，其特征在于所说第二辐射束的方位角束宽被展宽到与所说第一辐射束束宽相近的一个角度值，从而两个辐射束具有基本相同的方位角束宽。
3、如权利要求1所述的一种天线，其特征在于所说至少一个组合天线元件(7b)包括至少两个片元件(5b、6b)。
4、如权利要求3所述的一种天线，其特征在于每个组合天线元件(7b)中的所说片元件(5b、6b)中的一个叠置在另一个之上。
5、如权利要求1所述的一种天线，其特征在于所说至少一个组合天线元件(7a、7b等)包括沿所说中央纵向平面排列成一个线性阵列的至少两个元件。
6、如权利要求5所述的一种天线，其特征在于所说金属屏蔽壁元件(8)在所说线性阵列中的相邻组合天线元件之间的区域内沿横向延伸。
7、如权利要求1所述的一种天线，其特征在于位于各个边缘部分的所说沟槽由沿纵向延伸的、基本呈平面形的壁部(11a、11b、11c；12a、12b、12c)限定。
8、如权利要求7所述的一种天线，其特征在于所说壁部包括两个侧面壁部(11a、11b；12a、12b)和一个底面壁部(11c、12c)。
9、如权利要求1所述的一种天线，其特征在于：
所说沟槽(11、12)的深度为所说相对较高的第二频带辐射波长的0.1至0.3倍，
所说沟槽(11、12)的宽度为所说相对较高的第二频带辐射波长的0.2倍。
10、如权利要求1所述的一种天线，其特征在于
所说第一频带的中心频率在800-950MHz范围内，所说第二频带的中心频率在1750-1950MHz范围内，和
所说反射器的总宽度，包括位于其纵向边缘的所说沟槽，为0.2至0.3米。
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