CN1320982A

CN1320982A - 在单极化或双极化天线和天线阵列中产生所需射束宽度的方法

Info

Publication number: CN1320982A
Application number: CN01112302A
Authority: CN
Inventors: 苯加敏·卢尔夫; 尔雅·A·克里西
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2001-11-07
Also published as: CA2337929A1; KR20010095296A; JP2001352215A; BR0101299A; EP1148582A2; AU3505701A; EP1148582A3; US6320544B1

Abstract

一种制作有所需射束宽度的天线和天线阵列的方法,它应用于单极化天线和双极化天线,并通过适当地放置设计的寄生元件在天线附近,控制和改变该天线辐射元件的辐射图。

Description

在单极化或双极化天线和天线阵列中产生所需射束宽度的方法

本发明涉及天线，具体涉及无线电信***中使用的天线。

新的无线通信***的快速发展需要各种新的天线配置，它们具有广泛范围的技术要求。许多话音和数据***的共同点是频率重用，通过空分复用进入小区，每个小区有一个基站。往往把小区再分成多个扇区(通常是每个小区有3,4,5或6个扇区)，每个扇区由一个天线提供服务。

这种基站的典型主射束必须是扇形的：窄的仰角面以增大功率效率，和宽的方位面以覆盖一个扇区。

一些***利用极化分集以增大有效的信号干扰比，这意味着要求天线在两个正交极化方向上是灵敏的和独立的。这两个极化方向可以是水平极化(HP)和垂直极化(VP)，或倾斜极化(+/-45°)。

许多基站天线是微带贴片辐射器的垂直线型阵列。众所周知，如何选择垂直线型阵列参数以控制两个极化方向上的仰角射束宽度。然而，控制两个极化方向上的方位射束宽度是十分困难的，因为没有可供设计者选择的项目，特别是在双极化天线的情况。在双极化天线的情况下，不能随意改变辐射贴片的尺寸，辐射贴片可以在某种程度上控制射束宽度，因为辐射贴片的尺寸是由天线的工作频率确定的。此外，辐射贴片必须是正方形的，为的是在两个方向上有相同的工作频率。在许多情况下，由于尺寸限制或其他的物理设计要求，天线背后的接地面尺寸不是容易改变的，接地面也在某种程度上控制射束宽度。因此，在技术上存在这样一个要求，即使在辐射元件和接地面尺寸是固定的情况下，仍能控制天线的射束宽度。

本发明者发现了如何利用寄生元件控制辐射元件(例如，金属贴片)的辐射图。通过恰当地制作和安放相对于辐射元件的寄生元件尺寸和位置，可以得到辐射图的所需射束宽度。此外，通过恰当地制作和安放寄生元件的尺寸和位置，可以独立地控制不同极化方向的辐射图。所以，即使在受设计约束的条件下，例如，固定尺寸的辐射元件和固定尺寸的接地面，按照本发明的方法可以对辐射元件的辐射图射束宽度进行控制。

根据以下详细的描述和附图，可以充分理解本发明的内容，这些附图仅仅用于说明的目的，其中相同的参考数字代表各个附图中对应的部分，其中：

图1表示按照本发明一个实施例部分天线的剖面图；

图2表示产生相对于辐射元件形成的寄生元件的数据，该寄生元件数据影响辐射元件水平极化辐射图；

图3表示产生相对于辐射元件形成的寄生元件的数据，该寄生元件数据影响辐射元件垂直极化辐射图；

图4表示按照本发明设计方法产生的水平极化辐射图数据；和

图5表示按照本发明设计方法产生的垂直极化辐射图数据；

图6表示本发明的印制偶极子实施例；和

图7表示本发明的刻蚀槽实施例。

在按照本发明一个实施例产生所需射束宽度的天线或天线阵列的设计方法中，利用熟知的技术首先设计天线或天线阵列。然后，利用寄生元件控制辐射图的射束宽度。只是为了说明起见，参照图1的天线部分10描述设计方法。然而，应当明白，该设计方法可应用于多种不同类型的天线，这种天线采用任何类型的辐射元件，例如，印制偶极子和槽口。此外，虽然描述本发明和其中的设计方法是参照图1的双极化天线，但是应当明白，本发明同样适用于单极化天线。

图1表示利用熟知技术设计的部分天线剖面图。完整的天线是图1中所示部分的阵列，如以下所详细讨论的，它也包括以下详细讨论的寄生元件(图1中未画出)。如图所示，天线部分10包含被介质(例如，空气)分隔开的第一层12，第二层14和第三层16。虽然从图1中没有明确说明，第一层12，第二层14和第三层16之间是紧密排列的，约为0.05λ至0.1λ的间隔，其中λ是天线中心频带频率的自由空间波长。

第一层12是金属(例如，铝)反射器，它把天线与该天线之后的电子线路(例如，无线电)分隔开。第一层12通常称之为接地面，第一层12的尺寸往往是由天线设计者考虑了几个因素后确定的，例如，整体的尺寸限制。在第一层12之前是第二层14，它是印刷电路板。第二层14的底部一侧是金属化的，它包括：刻蚀在其中的第一孔径20，第二孔径22，第三孔径24和第四孔径26。第二层14的顶部一侧包括：垂直极化馈电网28和水平极化馈电网30。垂直极化(VP)馈电网28的一部分跨越第三孔径24和第四孔径26，而水平极化(HP)馈电网30的一部分跨越第一孔径20和第二孔径22。

第三层16也是印刷电路板，它只有一个金属贴片40。虽然图1中不是很清楚，金属贴片40放置在第二层14的第一孔径20至第四孔径26之上。金属贴片40的作用是辐射元件，当VP馈电网28和HP馈电网30被驱动时，金属贴片40产生相同频率的VP辐射图和HP辐射图。因为VP辐射图和HP辐射图是在相同频率上产生的，所以金属贴片40是正方形。而且，众所周知，辐射贴片40的尺寸是由天线的工作频率确定的。

为了简洁明了图1中没有画出，该天线还包括第三层16之上的塑料盖，用于保护天线和电子线路免受环境的影响。这个塑料盖在本技术领域中称之为天线罩。

如上所述，图1中所示的天线不一定产生所需射束宽度的辐射图。本发明者发现寄生元件影响辐射元件的辐射图，且可以利用寄生元件控制辐射图，并得到辐射图的所需射束宽度。以下，我们描述利用寄生元件控制辐射图的射束宽度的过程。

如图2所示，作为寄生元件的金属贴片50不被任何的馈电网驱动，这些金属贴片形成在辐射贴片40的相对两侧。在天线的横方向上，寄生元件贴片50的纵向中心线与辐射片40中心线之间的距离为L(以波长λ量度)。从以下的讨论中显而易见，L的初始值是一个设计选择。此外，每个寄生元件贴片50的宽度W与辐射贴片40的宽度有关，但是，其长度远远小于辐射贴片40的长度。因此，寄生元件贴片50影响辐射贴片40产生的HP辐射图，但不影响辐射贴片40产生的VP辐射图。

在按照上述形成寄生元件贴片50之后，辐射贴片40由测试信号给以驱动，并测量HP辐射图的射束宽度。记录测得的射束宽度以及与此相关的距离L值和宽度W值。

其次，重复地形成图2的结构，每个结构有不同的距离L。而且，选取不同的距离L是一个设计选择。在形成每个结构之后，记录HP辐射图的射束宽度以及与此相关的距离L值和宽度W值。

然后，改变寄生元件贴片50的宽度W，重复以下的过程，(1)形成各种距离L的图2结构，(2)测量每个结构的HP辐射图的射束宽度，和(3)记录与距离L值和宽度W值相关的射束宽度值。对于一组宽度W重复这个过程；这一组宽度W是一个设计选择。

图4表示按照这个过程产生具有图1和2所示结构的天线部分的HP辐射图，其中辐射贴片40的尺寸是0.35λ×0.35λ。更具体地说，图4表示具有不同宽度W的寄生元件贴片50的射束宽度与距离L之间关系的曲线图。

对于辐射元件的VP辐射图，重复产生数据的过程，该数据指出寄生元件对辐射元件HP辐射图的影响。然而，如图3所示，影响VP辐射图的寄生元件贴片60的尺寸不同于影响HP辐射图的寄生元件50的尺寸。如图3所示，寄生元件贴片60的宽度远远小于辐射贴片40的宽度，为的是不影响HP辐射图。所以，在重复VP辐射图的数据产生过程中，寄生元件贴片60长度LG的变化是按照寄生元件贴片50宽度W变化的相同方式进行的。

图5表示具有图3结构的天线部分产生的VP辐射图数据，其中辐射贴片40的尺寸是0.35λ×0.35λ。更具体地说，图5表示具有不同长度LG的寄生元件贴片60的射束宽度与距离L之间关系的曲线图。

取代实际上形成上述不同结构以产生HP辐射图和VP辐射图的数据，也可以通过计算机模拟产生这种数据。

利用图4和5所示的HP辐射图和VP辐射图数据，天线设计者能够选取这样一对寄生元件，该寄生元件产生HP辐射图和VP辐射图中所需的射束宽度(即，一对有尺寸为W×LG且与辐射元件相距为L以产生所需射束宽度的寄生元件)。

然而，可能发生这样的情况，为了建立所需的射束宽度，没有找到影响HP辐射图和VP辐射图射束宽度的共同距离L。在此情况下，必须利用两对寄生元件。一对寄生元件选自图4，它影响HP辐射图射束宽度，且仅仅影响HP辐射图射束宽度。因此，这对寄生元件的长度LG远远小于辐射元件，为的是不影响VP辐射图。另一对寄生元件选自图5，它影响VP辐射图射束宽度，且仅仅影响VP辐射图射束宽度。因此，这对寄生元件的宽度W远远小于辐射元件，为的是不影响HP辐射图。

然而，应当承认，影响HP辐射图的一对寄生元件与影响VP辐射图的一对寄生元件必须在天线纵向的方向上互相偏移，以防止一组寄生元件屏蔽另一组寄生元件，从而干扰另一组寄生元件。此外，这种寄生元件之间的偏移可能略微改变对射束宽度的影响，因此要求偏移寄生元件的距离L或宽度W(长度LG)作小的变化。这种精细调节偏移寄生元件可以按照与产生HP辐射图和VP辐射图数据相同的方法进行。

虽然本发明设计方法的描述是参照孔径耦合贴片天线，应当明白，本发明可应用于许多类型的天线和辐射元件，例如，图6中所示的印制偶极子和图7中所示的刻蚀槽。

此外，虽然本发明设计方法的描述是参照双极化天线，该设计方法同样适用于单极化天线。

如上所述，利用寄生元件能够控制辐射元件(例如，金属贴片)的辐射图。通过恰当地制作和安放相对于辐射元件的寄生元件尺寸和位置，可以得到辐射图的所需射束宽度。此外，通过恰当地制作寄生元件的尺寸，可以独立控制不同极化方向的辐射图。

本发明是如此描述的，显而易见，本发明可以有各种各样的变化。这些变化不应该看成是偏离了本发明的精神和范围，所有这些变化应当包括在以下权利要求书的范围内。

Claims

1．一种制作有所需射束宽度的天线或天线阵列的方法，包括：

形成具有一个辐射图的辐射元件；和

通过形成与该辐射元件相关的寄生元件，控制有所需射束宽度的辐射图。

2．按照权利要求1的方法，其中所述控制步骤包括：

形成有某个尺寸且与该辐射元件之间有某个距离的寄生元件，得到有所需射束宽度的辐射图。

3．按照权利要求1的方法，其中辐射元件是金属贴片，印制偶极子，和刻蚀槽之一。

4．按照权利要求1的方法，还包括：

产生表示寄生元件影响辐射图射束宽度的数据；和其中

基于所产生的数据形成寄生元件，控制步骤控制有所需射束宽度的辐射图。

5．一种制作每个极化方向上有所需射束宽度的双极化天线或天线阵列的方法，包括：

形成辐射元件，它分别有第一极化的的第一辐射图和第二极化的第二辐射图；

通过形成与该辐射元件相关的寄生元件，分别控制有第一所需射束宽度的第一辐射图和有第二所需射束宽度的第二辐射图。

6．按照权利要求5的方法，其中控制步骤包括：

通过形成与该辐射元件相关的第一寄生元件，独立控制有第一所需射束宽度的第一辐射图；和

通过形成与该辐射元件相关的第二寄生元件，独立控制有第二所需射束宽度的第二辐射图。

7．按照权利要求6的方法，其中，

第一控制步骤包括：形成有第一某个尺寸且与该辐射元件之间有第一某个距离的寄生元件；

第二控制步骤包括：形成有第二某个尺寸且与该辐射元件之间有第二某个距离的寄生元件。

8．按照权利要求6的方法，还包括：

产生表示寄生元件影响辐射图射束宽度的数据；和其中

基于所产生的数据形成寄生元件，独立控制第一辐射图的步骤控制有第一所需射束宽度的第一辐射图；和

基于所产生的数据形成寄生元件，独立控制第二辐射图的步骤控制有第二所需射束宽度的第二辐射图。

9．按照权利要求5的方法，其中辐射元件是金属贴片，印制偶极子，和刻蚀槽之一。

10．一种天线或天线阵列，包括：

在衬底上形成的辐射元件；和

在相邻于所述辐射元件相对两侧的所述衬底上形成的第一寄生元件，与所述辐射元件分开且有所需尺寸的所述第一寄生元件使所述辐射元件产生有第一所需射束宽度的第一极化辐射图。

11．按照权利要求10的天线，其中与所述辐射元件分开且有所需尺寸的所述寄生元件使所述辐射元件产生有第一射束宽度所述第一极化的所述辐射图和产生有第二射束宽度的第二极化辐射图。

12．按照权利要求11的天线，还包括：

在相邻于所述辐射元件相对两侧的所述衬底上形成的第二寄生元件，与所述辐射元件分开且有所需尺寸的所述第二寄生元件使所述辐射元件产生有第二所需射束宽度的第二极化辐射图。

13．按照权利要求12的天线，其中所述第一极化是水平极化和所述第二极化是垂直极化。

14．按照权利要求12的天线，其中所述第二寄生元件是与所述第一寄生元件这样分开的，所述第二寄生元件不屏蔽所述第一寄生元件。

15．按照权利要求12的天线，其中所述第一所需射束宽度等于所述第二所需射束宽度。