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CN107210522B - 在子阵列之间具有虚设元件的基站天线 - Google Patents

在子阵列之间具有虚设元件的基站天线 Download PDF

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Abstract

装置包括连接到天线的馈电网络的两个或更多个辐射元件，以及位于这两个或更多个辐射元件之间的一个或多个虚设元件。虚设元件不连接到天线的馈电网络。这种布置可以导致两个或更多个辐射元件的互耦减少，并且增加天线性能。

Description

在子阵列之间具有虚设元件的基站天线
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年2月13日提交的美国临时专利申请No.62/116,340和于2015年12月21日提交的美国非临时专利申请No.14/976,383的权益，这些申请的内容通过引用被整体结合于此。
背景技术
本公开的各个方面可以涉及基站天线，并且更具体地，涉及辐射天线元件的子阵列之间的虚设元件。
天线系统广泛用于无线通信系统以适应更高的数据速率并提供增加的容量。然而，可能难以在小区域中集成许多天线并同时保持天线元件之间的高水平隔离，尤其是对于多频带天线而言。这可能至少部分地由于辐射元件的子阵列之间的互耦的影响。例如，当辐射元件之间几乎没有空间间隔时，辐射元件的子阵列之间的互耦变得更加严重。这种互耦可能显著地影响系统性能。
发明内容
本公开的各个方面可以涉及用于减少辐射元件之间的互耦的装置和方法。该装置可以包括连接到天线的馈电网络的两个或更多个辐射元件，以及位于该两个或更多个辐射元件之间的一个或多个虚设元件。虚设元件不连接到天线的馈电网络。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解本发明的以下详细描述。为了说明本发明的目的，在附图中示出了目前优选的实施例。然而，应当理解的是，本发明不限于所示的精确布置和手段。
附图中：
图1是典型基站天线的第二频带辐射元件的隔离曲线；
图2是示出典型基站天线的各个辐射元件的3dB方位角波束宽度与操作频率的曲线图；
图3是示出典型基站天线的各个辐射元件的方位角前后比率的曲线图；
图4是根据本公开的方面的采用虚设元件的基站天线的顶透视图；
图5是根据本公开的方面的图5的基站的一部分的放大平面图；
图6是图5的基站天线的天线布置的示意图；
图7是根据本公开的方面的、结合图6的天线布置的天线的第二频带辐射元件的隔离曲线；
图8是示出根据本公开的方面的、结合图6的天线布置的天线的各个第二频带辐射元件的3dB方位角波束宽度与操作频率的曲线图；以及
图9是示出根据本公开的方面的、结合图6的天线布置的天线的各个第二频带辐射元件的方位角前后比率与操作频率的曲线图。
具体实施方式
在以下描述中使用某些术语仅仅是为了方便起见，而不是限制性的。单词“下”、“底”、“上”和“顶”标出所参考的附图中的方向。除非本文特别说明，否则术语“一”、“一个”和“该”不限于一个元素，而是应该被理解为意味着“至少一个”。术语包括上述单词、其派生词以及类似含义的单词。还应当理解的是，当涉及本发明的部件的尺寸或特性时，本文所使用的术语“约”、“大约”、“通常”、“基本上”等指示所描述的尺寸/特性不是严格的边界或参数，并且不排除其功能上类似的小变化。至少，包括数值参数的这些引用将包括使用本领域中接受的数学和工业原理(例如，舍入、测量或其它系统误差、制造公差等)将不会改变最低有效位的变化。
基站天线中的辐射元件通常可能彼此紧密靠近。与这种紧密靠近相关联的一个问题是辐射元件的电磁场的相互作用。这种相互作用(也称为互耦)可能不利地影响基站天线的性能。例如，辐射元件(或辐射元件的子阵列)的这种紧密靠近可能导致互耦，这可能不利地影响基站天线100的性能，包括改变基站天线的方位角波束宽度、减小基站天线的辐射波束图案的前后比率(front-to-back ratio)、和/或减小辐射元件之间的隔离。这些不利影响反映在图1、图2和图3所示的绘制数据中。
例如，典型的基站天线可以包括一个或多个第一频带辐射元件(例如，被配置为在第一频带中操作)和一个或多个第二频带辐射元件，其中第一频带辐射元件彼此紧密靠近。图1图示在基站天线的特定频带中操作的第一频带辐射元件的隔离曲线。可以看出，在操作频率(例如，大约1.7GHz)处，隔离值可以是大约21dB，其远小于30dB，如本领域中已知的，这被认为是令人满意的基站天线操作所期望的。
图2是示出各个第一频带辐射元件的3dB方位角波束宽度与基站天线的操作频率的曲线图。如本领域已知的，3dB波束宽度可以指其中波束强度比波束中心中的强度低3dB的波束的角度宽度。如图所示，第一频带辐射元件中的每一个的波束宽度值的大部分远离所期望的85°的3dB方位角波束宽度。
图3是示出各个第一频带辐射元件的方位角前后比率的曲线图。该比率可以指在基站天线前面的信号强度与在基站天线后面的信号强度的比率。如图3所示，在较高的操作频率下，该比率可以在大约24.75dB至26.75dB的范围中。
如以上所讨论的，天线(诸如例如，多频带天线)包括辐射元件和/或辐射元件的子阵列以实现大约85°的3dB方位角波束宽度可能是有利的。然而，为了实现这一点，辐射元件(或辐射元件的子阵列)可能需要被放置得彼此更靠近。不幸的是，互耦通常随着辐射元件之间的距离减小而增加。为了减少紧密间隔的辐射元件或辐射元件子阵列之间的这种互耦，本公开的方面可以采用位于辐射元件的子阵列之间的一个或多个虚设元件的使用。如本文所讨论的，虚设元件可以指不进行有源辐射的辐射元件。例如，虚设元件可以不连接到天线的馈电网络。
图4是天线罩被去除的基站天线400的示例的顶透视图。基站天线400可以包括被配置为在第一频带(例如，高频带)中操作的一个或多个第一频带辐射元件402、以及被配置为在第二频带(例如，低频带)中操作的一个或多个第二辐射元件404。一个或多个虚设元件406可以散布在第一频带辐射元件404当中或者位于第一频带辐射元件404之间。一个或多个第一辐射元件402和第二辐射元件404中的每一个可以包括一对交叉偶极子元件。交叉偶极子是一对偶极子，这对偶极子的中心是共定位的并且它们的轴线是正交的。偶极子的轴线可以被布置为使得它们与所需的极化方向(polarization sense)平行。换句话说，交叉偶极子中的每一个的轴线可以相对于天线阵列的垂直轴线以一定角度定位。例如，交叉偶极子可以被定向成使得偶极子元件处于大约与垂直方向成+45度以及与垂直方向成-45度，以提供极化分集接收(polarization diversity reception)。
虽然第一辐射元件402和第二辐射元件404以及虚设元件406中的每一个被示为交叉偶极子元件，但是应当注意的是，这些辐射元件可以是适于在无线通信网络中使用的任何类型的辐射元件，其中该无线通信网络被配置为用于个人通信系统(PCS)、个人通信网络(PCN)、蜂窝语音通信、专用移动无线电(SMR)服务、增强型SMR服务、无线本地环路和边远电话以及寻呼。例如，各个辐射元件402、404、406也可以是单极子元件、偶极子元件、环形元件、槽形元件、盘旋元件(spiral)或螺旋元件(helice)、角形元件(horn)或微带贴片。
图5是基站天线400的一部分的放大平面图，其示出了第二频带辐射元件404之一在第一频带辐射元件402的两个子阵列410、412之间的空间布置。虚设元件406可以用于吸收或反射从可以进行有源辐射(例如，被连接到天线400的馈电网络)的第一频带辐射元件阵列410、412中的每一个所辐射的能量。这些虚设元件406的布置(例如，在第一频带辐射元件子阵列410、412之间)可以有助于增加第一频带辐射元件子阵列410、412之间的隔离。因此，第一频带辐射元件402的子阵列410、412之间增加的互耦可以被显著减少，从而提高整体天线的性能。
参考图6，辐射元件配置600的示意图，诸如可以被结合到基站天线400中。然而，应当注意的是，辐射元件配置600也可以应用到其它类型的天线。辐射元件配置600可以包括散布在第一频带辐射元件子阵列410、412之间的一个或多个第二频带辐射元件404。然而，应当注意的是，第一频带辐射元件子阵列410、412中的每一个可以包括符合本公开的更多或更少的辐射元件。第一频带可以指比第二频带的频带高的频带。例如，第一频带辐射元件402可以被配置为在1695-2700MHz的范围中操作，并且第二频带辐射元件404中的每一个可以被配置为在698-960MHz的范围中操作。可以预期符合本公开的精神的其它频带。第一频带辐射元件子阵列410、412和虚设元件406中的每一个之间的横向距离可以是从多阵列天线的辐射频率的0.4λ至0.8λ；然而，可以实现符合本公开的精神的其它距离。
根据本公开的方面，虚设元件406可以优选地包括偶极子臂，其中该偶极子臂具有在基站天线辐射的有源频带频率的0.3λ-1λ(其中“λ”表示波长)的范围中的长度，但是该长度可以优选地为0.5λ。然而，在符合本公开的精神的情况下，虚设元件偶极子臂也可以具有在其它范围中的长度。虚设元件406中的每一个的极化也可以变化。例如，极化可以(例如，经由虚设元件的每个偶极子的旋转)被旋转。例如，极化可以反映垂直/水平放置以及+/-45°倾斜。然而，在符合本公开的情况下，可以使用其它极化和位置。
在一些情况下，虚设元件406中的一个或多个吸收一定量的能量可能是有利的，并且在其它情况下，虚设元件406中的一个或多个反射一定量的能量可能有利的。换句话说，虚设元件406中的一个或多个可以进行电阻上加载或卸载，以控制吸收和反射的水平。例如，为了将天线的3dB波束宽度加宽为诸如例如更靠近期望的85°，虚设元件406中的一个或多个可以被配置为例如通过增加虚设元件406中的一个或多个的脚(例如，印刷电路板的下部)上的电阻负载来从周围的第一频带辐射元件子阵列410、412的子阵列吸收更多的能量。可替代地，为了降低天线的3dB波束宽度，虚设元件406中的一个或多个可以被配置为通过减少这些虚设元件406的脚上的电阻负载或在这些虚设元件406中的一个或多个上不具有电阻负载来从周围的(例如，第一频带辐射元件子阵列410、412的)子阵列反射更多的能量。
应当注意的是，上述布置600仅仅作为非限制性示例。因此，根据本公开的方面，辐射元件布置可以包括符合本公开的精神的任何数量的第一频带辐射元件和/或第二频带辐射元件以及任何数量的虚设元件。此外，结合本文所讨论的辐射元件布置的天线可以被配置为在更多或更少的频带中操作。例如，辐射元件布置可以包括包含第一频带辐射元件和第二频带辐射元件的任何组合的辐射元件和虚设元件，例如，其中布置包括在两个有源辐射元件子阵列之间的一个虚设元件或虚设元件子阵列。
现在将参考图7、图8和图9讨论在结合以上图6所示的辐射元件布置600的示例基站天线的测试中收集到的数据。图7是两个子阵列(诸如子阵列410、412)之间的隔离曲线。如可以看到的，在大约1.7GHz的操作频率上，隔离值已经提高到超过27dB。
图8是示出各个第一频带辐射元件402和第二频带辐射元件404的3dB方位角波束宽度与操作频率的曲线图。如图所示，3dB波束宽度已显著地提高，显示出接近或超过85°的宽频率范围。
图9是示出根据本公开的方面的采用虚设元件(诸如虚设元件406)的方位角前后比率的曲线图。如图所示，方位角前后比率在宽的频率范围上有所提高。
因此，贯穿本文所讨论的本公开的方面可以用于减轻有源天线子阵列之间的互耦的问题。因此，实现贯穿本文所讨论的这种设计的天线可以展现出提高的性能。
现在已经详细讨论了本公开的各个方面；然而，本发明不应当被理解为限于这些实施例。还应当理解的是，在本公开的范围和精神内可以进行各种修改、适配和替代实施例。

Claims (19)

1.一种天线，包括：
两个或更多个第一频带辐射元件，被配置为在第一频带中操作并且连接到所述天线的馈电网络；以及
位于所述两个或更多个第一频带辐射元件中的两个第一频带辐射元件之间的一个或多个虚设元件，其中所述一个或多个虚设元件与所述馈电网络断开连接，
其中所述一个或多个虚设元件中的至少一个虚设元件包括一对交叉偶极子元件。
2.如权利要求1所述的天线，其中所述一个或多个虚设元件包括具有偶极子的虚设元件。
3.如权利要求1所述的天线，其中被吸收或反射的能量的量基于所述一个或多个虚设元件中的至少一个虚设元件的负载电阻。
4.如权利要求1所述的天线，其中所述一个或多个虚设元件包括具有印刷电路板的虚设元件。
5.如权利要求1所述的天线，还包括：
至少一个第二频带辐射元件，所述至少一个第二频带元件被配置为在第二频带中操作，其中第一频带与第二频带不同。
6.如权利要求5所述的天线，其中第一频带包括高于第二频带的频带。
7.如权利要求6所述的天线，其中所述一个或多个虚设元件中的至少一个虚设元件包括偶极子，所述偶极子具有在第一频带或第二频带的0.3倍波长至1倍波长范围中的长度。
8.一种多频带基站天线，包括：
连接到所述天线的馈电网络的两个或更多个第一频带辐射元件，所述两个或更多个第一频带辐射元件被配置为在第一频带中操作；
至少一个第二频带辐射元件，所述至少一个第二频带元件被配置为在第二频带中操作；以及
位于所述两个或更多个第一频带辐射元件中的两个第一频带辐射元件之间的一个或多个虚设元件，
其中所述一个或多个虚设元件与所述馈电网络断开连接，
其中所述一个或多个虚设元件中的至少一个虚设元件包括一对交叉偶极子元件。
9.如权利要求8所述的天线，其中第一频带包括高于或低于第二频带的频带。
10.如权利要求8所述的天线，其中所述一个或多个虚设元件中的至少一个虚设元件被配置为吸收或反射从所述两个或更多个第一频带辐射元件中的至少一个第一频带辐射元件辐射的能量。
11.如权利要求10所述的天线，其中被吸收或反射的能量的量基于所述至少一个或多个虚设元件的负载电阻。
12.如权利要求8所述的天线，其中所述一个或多个虚设元件中的至少一个虚设元件包括偶极子，所述偶极子具有在第一频带或第二频带的0.3倍波长至1倍波长范围中的长度。
13.如权利要求8所述的天线，其中所述一个或多个虚设元件包括具有印刷电路板的虚设元件。
14.如权利要求8所述的天线，其中所述两个或更多个第一频带辐射元件中的至少一个第一频带辐射元件包括第一频带辐射元件的子阵列。
15.一种方法，包括：
将被配置为在第一频带中操作的两个或更多个第一频带辐射元件连接到天线的馈电网络；
将一个或多个虚设元件放置在所述两个或更多个第一频带辐射元件中的两个第一频带辐射元件之间，所述一个或多个虚设元件与所述馈电网络断开连接；以及
基于所述天线的期望的波束宽度，选择所述一个或多个虚设元件中的至少一个虚设元件的电阻负载的量。
16.如权利要求15所述的方法，还包括将至少一个第二频带辐射元件连接到所述馈电网络，所述至少一个第二频带辐射元件被配置为在与第一频带不同的第二频带中操作。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述一个或多个虚设元件中的至少一个虚设元件被配置为吸收或反射从所述两个或更多个第一频带辐射元件中的至少一个第一频带辐射元件辐射的能量。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述电阻负载被施加在所述一个或多个虚设元件中的所述至少一个虚设元件的印刷电路板的下部上。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述天线是基站天线。
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