CN1462089B - 带有集成馈电结构的单或双偏振模塑偶极天线 - Google Patents

Abstract

一个用来发送和接收偏振射频信号的偏振天线被公开，该天线包括一个偶极和一个偶极反射板。该包括辐射臂和馈电结构的偶极是作为一个整体形成的，所以对装配的要求是最小的。该偶极可以使用模具加工诸如黄铜、铝和塑料的传统材料来形成，这些材料可以被镀敷。穿有电缆的馈电结构有一个带槽的窗口。偶极的阻抗是基于这些窗口的宽度和电缆导体的尺寸的。通过具有一个整体结构，本发明的偶极提供了理想的阻抗、低的互调失真、好的端口对端口隔离、和好的模式纯度。

Description

带有集成馈电结构的单或双偏振模塑偶极天线

技术领域

本发明涉及用于移动通信系统的双偏振平板基站天线。更具体一点，本发明涉及双偏振平板基站天线所使用的偶极结构。

背景技术

偶极天线(dipole antennae)在通信工业中是很常见的，传统的结构，例如具有“蝴蝶结”结构和“蝴蝶”结构的半波偶极，在很多书中都有描述，这包括Banalis，Constantine A.，“Antenna TheoryAnalysis and Design”，Wiley，1997.

尤其是诸如用于移动通信系统中的平板基站天线，它强烈的依赖于偏振天线。在很多情况下，这些天线的构造是利用单个线偏振元件组合在一起以形成双偏振。在这种情况下，就需要两个分离的辐射元件阵列来提供两种偏振。

然而，通过这种方法来制造天线不是人们所希望的，这是因为用单线偏振元件来实现双偏振效果增加了天线制作中的工作量和零件的个数，同时还降低了天线的性能。为了克服这一点，大多数双偏振天线都是由双偏振元件构成的，这要么是通过对单个贴片提供能够产生双偏振的馈电方式，要么是将两个线偏振偶极合为一个，这样就形成了一个单个的双偏振元件。

向从这些双偏振结构馈送信号一般是通过传统的耦合结构来实现的，例如同轴线、微带或带状传输线或狭缝。在上述的天线和偶极中使用这些传统的耦合结构的缺点在于它们增加了用来构建天线所必需的部件的数量，所以就会产生所不希望的互调失真。

此外，制作这些带有包括了很多辐射元件的偶极的平板天线通常需要很多焊接缝和螺钉连接。除了装配的成本外，这种平板天线中所述要的总部件个数使它们不适合大规模生产。此外，焊接、螺钉以及类似的部件间的连接不仅增加了制作时间和工作量，而且也产生了所不期望的互调失真。

除了要避免这些互调失真以外，还需要在天线的辐射元件的两个输入口之间实现良好的端口对端口的隔离，以实现有效的通信系统。所述的隔离以离开一端口的功率与进入另一端口的功率的比例来量度。但是传统耦合结构中使用的空气媒质的传输线会在馈给反射板或从反射板馈出的信号时产生失真。在这些情况下，昂贵的开销和巨大的困难使得所需要的隔离几乎不可能，这就意味着天线不能被设计成一个端口用来发送而另一端口用来接收的形式。

最后，除了要有好的端口对端口的隔离特性以及最小互调失真以外，一个非常重要问题是天线阵列中的偶极要具有一个好的阻抗，以使得阵列中的所有偶极能够适当地匹配。

考虑到上文，技术上需要易装配的低成本平板基站天线，它包括辐射元件的一个简单排列，并且需要的部件和连接被减少。此外，该天线必须具有良好的端口对端口隔离、好的模式纯度、好的阻抗和低互调失真。

发明内容

本发明提供了一个新的而且有用的用于移动通信系统中的单或双偏振天线。

本发明的第一实施例提供了一个用于移动通信系统中的偏振天线，它包括至少一个偶极，该偶极具有一个底部和多个从底部上延伸出来的辐射臂，其中所述偶极是一个单独的结构；还包括一个其上附着所述底部的反射板，所述反射板是一个地平面并且反射偏振射频信号。该偶极可以包括两组臂，包括具有分别对应于所述偶极的两个偏振的第一偏振和第二偏振的第一组和第二组。每个臂组最好包括安排成V形并且带有顶点的两对臂。在每个臂组中，第一对臂在所述顶点部分具有第一槽，而第二对臂在所述顶点具有第二槽，它们用来接收馈电电缆，所述第一槽接收电缆的中心导体而所述第二槽接收绝缘夹套。该偶极也可以包括一个腔，用来向位于臂组的顶点部分的电缆馈电。

本发明进一步还包括用于偏振天线中偶极制造的方法，这包括作为一个整体来形成包括底部和多个辐射臂的整个偶极体。偶极体由诸如塑料、铝或类似的传统材料被最佳地模塑形成。在这种情况下，本发明的方法进一步包括用能够被焊接的金属材料镀敷被模塑的偶极体。

从而，本发明包括的特点有元件的构建、组合以及部件的安排，这将在下文中用例子展现，并且本发明的范围将在权利要求书中被指出。

附图说明

通过参考下面的附图将使得本发明的目标和优点更加清楚，在附图中相似的元件将被给与相似的附图标记。具体是：

图1是用了一个偶极阵列的天线透视图。

图2是双偏振偶极的透视图(所有部件都已装配)。

图3是图2中双偏振偶极的顶视图。

图4是使用了具有多种射频隔离器件的偶极阵列的天线实施例图。

图5是第一偏振的三个辐射模式图，在1.71GHz时束宽为65.4度，在1.8GHz时束宽为62.2度，在1.88GHz时束宽为60.5度，这都是对使用了图4中的本发明主体的1×9天线阵列而言的。

图6是使用了图4中本发明主题的1×9天线阵列的第二偏振的三个辐射模式图。

具体实施方式

下面将通过优选实施例来讲述本发明。尽管对实施例的描述是很具体的，但本发明不仅仅局限于该实施例，而是具有一个广得多的范围。本发明真正的范围需要参考所附的权利要求书。

现在将通过对附图1-6的参考来描述本优选实施例。图1表示了本发明的一个双偏振天线14，根据本发明该天线具有一个1×9的偶极阵列16。该天线14包括一偶极阵列16和一个其上附着偶极阵列16的反射板12。当然，因该理解本发明不局限于一特定的阵列。

图2表示了本发明中偶极16的更多的细节.该偶极16是一整体结构，它包括底部、臂和下面将要讲述的馈电结构.偶极的制造可以采用传统方法，例如模塑、铸造或切割.此外，偶极可以由传统材料构成，例如黄铜、青铜、塑料、铝或扎马克锌基压铸合金.如果所用材料不能够被焊接，例如塑料或铝，那么在形成偶极之后偶极会被部分或全部用可以焊接的金属材料镀膜或镀敷，例如用黄铜、银或金.

偶极16具有附在底部26上的四对臂18，20，22和24。这些臂被安排成对18，20，22和24，每对具有V或U形，而臂从V或U的顶点部分向外辐射出去。如图1所示，偶极的底部26连接于反射板12。

这些臂对被安排成这样，臂对18和臂对20相对，而臂对22和臂对24相对。相对的臂对被用线相连并被安排在相对于反射板14的位置上，这样可以发送和/或接收两个偏振的射频能量：第一45度偏振和第二-45度偏振。相对的臂对20和18对应于天线14的第一偏振。同样，相对的臂对24和22对应于第二偏振。本发明的偶极不仅仅局限于这些偏振，而且可以理解通过改变臂对的数量、安排和位置，可以改变天线的偏振数量和偏振角度。

每一组相对的臂对包括一个位于臂对之一顶点部分21的馈电结构28。该馈电结构28是一个纵向的沿着偶极体长度的空腔23，这允许一电缆30通过馈电结构被馈送给偶极的底部，并到达偶极的顶部。下文将要讨论的一个槽位于相对臂对的顶点部分。电缆的导体部分就通过该槽焊接于此顶点部分。

图2和图3表示了这些臂对关系的更多的细节。只考虑包括臂对22和24的单个臂组，馈电结构28由臂对中臂22中一个的顶点部分的空腔23来定义。电缆30穿过空腔23。该馈电结构28还包括一个带槽的窗口32，它沿着空腔延伸并且具有宽度m。该带槽窗口32露出穿过空腔23的电缆30的绝缘夹套34。

每个臂组还分别包括第一和第二槽31和38，电缆通过这些槽进一步被馈电。第一槽31形成于第一臂对22的顶点部分，而第二槽38形成于第二臂组24的顶点部分。电缆使得第一槽31带有整个电缆(也就是没有去除绝缘层)而第二槽38带有电缆的导体部分36。然后该导体36被焊接到靠近第二槽38的第二臂组24的顶点部分。

包括臂对18和20的臂组也用相似的方式来安排。臂对18的顶点部分21包括一个馈电结构28，它是由空腔23定义的，空腔中穿有第二电缆42。该馈电结构28也包括一个带槽的窗口44，它沿着空腔23延伸并且具有宽度m。该带槽窗口44露出穿过空腔23的电缆42的绝缘夹套46。

臂组18和20还分别包括第一和第二槽47和50，电缆通过这些槽进一步被馈电。第一槽47位于第一臂对18的顶点部分21，而第二槽50位于第二臂组20的顶点部分21。电缆使得第一槽47带有整个电缆(也就是没有去除绝缘层)而第二槽50带有电缆42的导体部分48。然后该导体48被焊接到靠近第二槽50的第二臂组20的顶点部分21。

这种偶极结构的一个优点在于它允许使用简单的同轴电缆来作为上述的馈电电缆30和42。这些同轴电缆一般包括一个被PTFE绝缘材料或相似材料包围的内导体。

此外，偶极和它的内部馈电结构允许这些电缆42和30直接通过偶极体16到达顶部并且在槽50和38分别与臂对20，18和24，22相连接，而不需要任何环管来将导体36，48与附着臂20或24的导体底部相绝缘。这减少了用来构建偶极所需要的总零件数，所以就能降低制造成本和提高天线的射频性能。

还可以通过在相邻臂对之间放置传统的绝缘隔离器37来进一步提高偶极16的信号性能.这些隔离器是用诸如塑料或PTFE的传统绝缘材料制成的.

由于偶极的阻抗决定于窗口、电缆的中心导体、伸入空腔28中的底部26的孔的尺寸，这些尺寸就可以被选择来提供一个理想的偶极阻抗，而且还可以有利于偶极的形成和镀敷。尤其是，这些窗口的大小可以做得足够宽以保证能对模塑的零件进行适当的镀敷，但同时又足够的窄以提供一个好的端口对端口的隔离、好的阻抗和好的模式纯度。本发明的范围并不局限于这些孔的任何特定的形状。

更具体的来说，根据馈电结构窗口的尺寸m，特性阻抗Zo可以按下面的方法很容易得到。

第一，在窗口32和44都关闭的情况下(它们的宽度m为零)，阻抗Zo可以用下面的方程来计算：

$\mathrm{Zo}=\frac{60}{\sqrt{\mathrm{\ϵr}}}.\ln \left[\frac{D}{d}\right],$

其中D是底部26和纵向空腔28的孔的直径，d是电缆中心导体的直径，而εr是所用的电缆绝缘材料的介电常数。

在第二种情况下，窗口32和44的宽度m都非常小，宽度对阻抗的影响可以忽略。然而，如果窗口在馈电结构的长度方向上倾斜一定的角度，那么阻抗Zo可以更精确地用下面的方程来逼近：

$\mathrm{Zo}=\frac{60}{\sqrt{\mathrm{\ϵr}}}.\ln \left[\frac{D}{d}\right]+\left({0.03\mathrm{\θ}}^2\right),$

其中D是底部26和纵向空腔28的孔的直径，d是电缆中心导体的直径，θ是窗口倾斜的角度，而εr是所用的电缆绝缘材料的介电常数。

在第三种情况下，窗口32和44的宽度更大一些，以至于露出了电缆的表面，这时的特性阻抗Zo可以用下面的方程来近似：

$\mathrm{Zo}=\frac{60}{\sqrt{\mathrm{\ϵr}}}.\ln \left[\frac{4h}{d}\right],$

其中h是纵向空腔的半径，d是电缆中心导体的直径，而εr是所用的电缆绝缘材料的介电常数。

可以理解本发明中模塑的偶极可以被用于多种天线配置中。此外，偶极的底部26可以被设计并制成一定的互补形状用以和反射板12上相对应的形式相符，这样就更进一步有利于天线阵列的装配。熟悉技术的人应该明白，底部的尺寸和形状可以随不同的天线而变，但仍然属于本发明的范围。

本发明还提供了在包括多个本发明的偶极的天线阵列上将偶极16的输入进行隔离的方法。双偏振天线14中偶极16的隔离可以采用传统的射频隔离器件，例如围壁、H结构和I结构。例如，图4表示了一个双偏振天线70，该天线中的偶极16采用了包括围壁60、H隔离器62和I隔离器64的绝缘器件来实现隔离。可以理解，本发明的偶极可以与普通的隔离器件和结构配合使用。

图5-6表示了图4中所示天线阵列的工作特性。图5和6表示了图4中天线阵列的第一和第二偏振的三个辐射图形，所述天线阵列使用了本发明的偶极16。如图所示，天线表现出在多个束宽和高频情况下小于30dB的非常良好的端口对端口的隔离特性。

前面所讲述的仅仅是示例，并不应该被理解成仅限于此。对于普通的技术人士，一些修改是显而易见的，并且也应该被认为属于由下面的权利要求书所界定的本发明的范围。例如，尽管都是在参考V形的臂对，但可以理解在不偏离本发明精神的前提下，这些臂对也可以是U形的。事实上，对“V形”的参考也是希望能够包括U形的安排。

Claims (17)

1.一种偏振天线，包括：

至少一个具有一个底部和多个从底部上延伸出来的辐射臂的偶极，其中所述偶极是一个整体结构；以及

一个连接到所述底部的反射板，所述反射板是一个地平面并且反射偏振的射频信号，

其中所述多个辐射臂被分为两组，包括第一组和第二组，

其中所述第一组具有第一偏振，第二组具有第二偏振，所述第一偏振和第二偏振对应于所述偶极的两个偏振，

其中所述第一组和第二组中每一个都包括两个臂对，其中所述两个臂对中每一个都被安排成V形或U形并且带有一个顶点部分，以及

其中所述第一组和第二组中任何一个组所包括的两个臂对是第一臂对和第二臂对，其中所述第一臂对具有位于所述第一臂对的顶点部分的第一槽，而所述第二臂对具有位于所述第二臂对的顶点部分的第二槽，以用来接收一个馈电电缆，所述第一槽接收一个电缆中心导体而所述第二槽接收所述馈电电缆的绝缘夹套。

2.权利要求1中的天线，其中所述偶极是模塑的偶极。

3.权利要求2中的天线，其中所述偶极用塑料、铝、黄铜或扎马克锌基压铸合金制成。

4.权利要求3中的天线，其中所述偶极至少部分敷有能够被焊接的镀敷材料。

5.权利要求1中的天线，其中所述偶极具有一个位于其中的馈电结构，所述馈电结构具有一个宽度为m的窗口，并且所述偶极在偶极底部具有一个馈电孔，馈电电缆通过该孔进入所述馈电结构，所述孔具有直径D，并且所述电缆具有直径为d的中心导体。

6.权利要求5中的天线，其中所述偶极的阻抗是中心导体直径d和所述馈电孔的直径D的函数。

7.权利要求5中的天线，其中所述馈电结构具有半径h，并且窗口宽度m小于所述馈电结构的直径2h。

8.权利要求7中的天线，其中所述偶极的阻抗是中心导体直径d和所述馈电结构的半径h的函数。

9.权利要求1中的天线，进一步包括位于所述臂之间的绝缘隔离器。

10.如权利要求1所述的天线，其中：

在所述第一组和第二组的每一个组中，第一臂对和第二臂对相对。

11.一种制造用于偏振天线中的偶极体的方法，包括：

形成作为一个整体的偶极体，所述偶极体具有一个底部和从底部延伸出来的多个辐射臂，

其中所述多个辐射臂被分成两组，包括第一组和第二组，

其中第一组具有第一偏振，第二组具有第二偏振，所述第一偏振和第二偏振对应于所述偶极体的两个偏振，

其中所述第一组和第二组中每一个都包括两个臂对，其中所述两个臂对中每一个都被安排成V形或U形并且带有一个顶点部分，以及

其中所述第一组和第二组中任何一个组所包括的两个臂对是第一臂对和第二臂对，其中所述第一臂对具有位于所述第一臂对的顶点部分的第一槽，而所述第二臂对具有位于所述第二臂对的顶点部分的第二槽，所述第二槽小于所述第一槽。

12.权利要求11中的方法，其中所述偶极体具有一个位于其中的馈电结构，所述馈电结构具有一个宽度为m的窗口，并且所述偶极体在偶极体底部具有一个馈电孔，馈电电缆通过该孔进入所述馈电结构，所述孔具有直径D，并且所述电缆具有直径为d的中心导体。

13.权利要求11中的方法，其中所述偶极体是模塑的。

14.权利要求13中的方法，其中所述偶极体是用塑料、铝或扎马克锌基压铸合金模塑的。

15.权利要求11中的方法，进一步包括对所述偶极体的至少一部分用金属材料覆盖的步骤，其中所述偶极体是模塑的。

16.权利要求11中的方法，进一步包括位于所述臂之间的一个绝缘隔离器。

17.如权利要求11所述的方法，其中：

在所述第一组和第二组的每一个组中，第一臂对和第二臂对相对。

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