CN1552113A - 宽带基站天线和天线阵列 - Google Patents

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CN1552113A CNA028174801A CN02817480A CN1552113A CN 1552113 A CN1552113 A CN 1552113A CN A028174801 A CNA028174801 A CN A028174801A CN 02817480 A CN02817480 A CN 02817480A CN 1552113 A CN1552113 A CN 1552113A
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Abstract

一个基站天线阵列包括一个接地面(34)和一个在该接地面之上的平行天线阵列(50)(图8－14)。该天线每个具有辐射单元的渐进(65)，其长度在远离该接地面的方向上增加。一个馈电被在最靠近该接地面的点(44)处连接到该天线。

Description

宽带基站天线和天线阵列
相关申请的相互引用
本申请要求来自2001年9月7日申请的，称作“宽带基站天线和天线阵列”的共同未决的美国临时专利申请序列号No.60/318,008，和来自2002年8月13日申请的，称作“用于蜂窝无线应用的超宽带辐射单元”的共同未决的美国临时专利申请序列号No.60/403,198的优先权的权益。临时专利申请序列号No.60/318,008和60/403,198被作为参考资料整体结合在此处。
发明领域
本发明的领域涉及蜂窝基站，尤其是涉及用于蜂窝基站和微蜂窝/无线应用的天线和天线阵列。
发明背景
蜂窝系统通常是公知的。典型地，蜂窝系统的地理区域被划分成多个重叠的区域(小区)，该多个重叠的区域(小区)可以从邻近的基站获得服务。该基站可以提供有多个定向天线，其在每个分配的小区之内优先地与移动蜂窝设备收发信号。
蜂窝系统典型地提供有一个有限的用于为移动蜂窝设备服务的射频频谱。通常实施一种频率复用规划，以将干扰减到最小，并且最大化信道重复使用的效率。
在信道重复使用方面一个重要的因素是存在一个基站天线，其以可预测的模式辐射和接收。通常，基站天线将围绕该基站的区域划分为从该基站向外延伸的60度的扇区。
虽然现有的系统功能是足够的，甚至在较小的地理区域中，蜂窝设备使用的增长已经加重了对信道重复使用的需要。更进一步，额外的频谱(例如，用于PCS)的释放已经导致对具有更大的使用范围的蜂窝天线的需要。因为蜂窝设备的重要性，存在一种对于具有更大的使用频谱范围和更小尺寸的天线的需要。
附图的简要说明
图1是一个按照本发明举例说明的实施例示出的天线的方框图；
图2-4分别是图1的天线的详细的前面、侧面和背面视图；
图5-5a示出图2-4的天线的细节；
图6描述在从860-960MHz的频带中用于图1的天线的共极化和横极化模式；
图7描述在从1710-2170MHz的频带中用于图1的天线的共极化和横极化模式；和
图8-14举例说明在基站天线阵列的背景下，在本发明供选择的
实施例之下的图2-5的天线。
详细说明
图1是一个通常在使用的背景下示出的宽带天线10的方框图。如图所示，该天线10可用于与一个蜂窝设备12收发信号。随后，该收发的信号可以由一个基站14处理，并且经由公用交换电话网16与另外的一方(未示出)交换。
该蜂窝设备12可以是许多可利用的蜂窝产品(例如，蜂窝电话、PCS电话、寻呼机、掌上导向器(palm pilot)等等)的任何一种。图1的该蜂窝系统可以被构成去工作在任何一个适当的频率范围内(例如，860-2170MHz)。
图2-4分别是图1的天线10的前面、侧面和背面视图。在该举例说明的实施例之下，该天线10可以被作为一个配置在金属反射器或者接地面34之上的平的组件提供。该反射器34可以具有一个拐角或者侧壁。
该天线10可以被设计为在地面之上有二个臂的辐射结构。该天线10可以被以宽的方位角波束宽度和一个2∶1的输入电压驻波比(VSWR)垂直地极化。
该天线10可以包括配置在衬底20的相对侧面上的第一和第二臂(分组件)18、22。除了如果观察者能够经由该臂和衬底从第一个侧面窥视之外，在该后侧上的臂将仿佛是在第一侧面上单元的左到右的镜像，该天线臂18、22可以基本上是相同的。
该臂18、22可以在一个适当的衬底(例如，Taconic RF30-60)上通过光刻法处理以适宜的导电材料(例如，铜)形成。因而，每个臂18、22具有平的、扇形的主体的外形，该平的、扇形的主体放置在该衬底20上，并且由一个蜿蜒的导体限定，该导体从该扇形的主体的顶端至远端，沿着在该扇形的相对线之间连续不断的蛇行轨迹。该衬底20可以是长方形的(如图2所示)，或者是沿着该臂18、22的外缘可以具有一个通常的扇形的轮廓。
该天线臂18、22可以经由平衡-不平衡变压器24和微带线30、32被连接到一个在该基站14中的射频收发信机(未示出)。该平衡-不平衡变压器24可以由二个单元26、28组成。第一个单元28可以由一个三角形的导体组成，如图4所示，这里该三角形的一个顶点连接到该天线臂22，并且该三角形的一个底部连接到该带状传输线32。第二个单元26可以是一个恒定宽度的导电条，在第一个端上它连接到该天线臂18，并且在一个相对的端上连接至该带状传输线30。该平衡-不平衡变压器起变换该天线臂18、22的平衡阻抗(例如，100-150Ω)为该微带线30、32的不平衡阻抗(例如，50Ω)的作用。
天线10的每个臂18、22(图5)可以作为辐射单元22的组件构成。该单元可以被作为特殊的半波长单元安排在地面之上。以较小的高频率单元靠近于接地面，最高的、最低的频率单元可以被最大程度地远离接地面设置。可以选择该天线10的尺寸和方位角，以便在期望的频谱中获得恒定和频率不受约束的性能。
天线10的臂18、22可以包括一个大体上由相对的边(或者线)36、38从该底部开始向上和向外扩展而限定的扇形或者饼状的外形。该扇形基底的线可以在底部上汇合以形成一个顶点40。
多个具有预定宽度和间隔的天线单元42可以配置在该基底20上，其可以在大体上扇形的臂18、22的第一和第二边36、38之间延伸，该大体上扇形的臂18、22远离该顶点40径向地向外延伸。该天线单元42自下而上形成一个逐渐地渐进更长的单元。
该单元最好是通过一个长方形的端接头(例如，43)连接在相对末端上，例如，如图2、4和5所示，在左边连接到单元下面和在右边连接到单元上面，以形成一个连续不断的导体，该导体沿着从扇形的臂18、22的顶点40到该臂18、22的远侧、顶端延伸的蛇行轨迹。可以提供一个馈电点44，去将该臂18、22耦合到该平衡-不平衡变压器24。
如图5所示，通过对环形间隙单元42形成一个扇形的扇面并且连接它们的末端与该端接器43，可以实现包括该馈电结构和单元42的整体结构。以另一种方式表述形成每个臂18、22，可以生成每个扇形角度β的径向弧形42，并且在交替的末端上连接在一起，以形成一个闭合的实芯导体形状。这产生一个具有内部相交扇形角度α的径向地扩展的锯齿形形状。相邻的弧形的半径可以相互与一个常数t＝a/b，或者恒定的线性关系a-b＝c有关。
做为选择，该长方形的端接头43可以通过以相反的方向旋转交替单元42来叠加在交替末端(例如，在左边叠加到单元下面分，和在右边叠加到单元上面)上而被除去，例如，如在图5a中所示。在这种情况下，整体结构可以通过反转和覆盖n圈螺旋结构的角状部分而形成。该螺旋结构可以是线性的或者对数周期的。该螺环结构的线路宽度、比例因子和反转部分的角度全部都可以被选择，以优化电气要求的工作参数，包括回波损耗和方位角波束宽度和与频率无关的操作。
该部分42的实际的形状可以接近于一个折叠起来的线性螺旋形或者螺旋形天线。该折叠起来的螺旋形可以被假定为围绕该螺旋形的中央旋转轴折叠，并且具有已经垂直地共同地移动的截短的末端，以在上面和在下面形成与该单元的连接。
该独立的单元42每个在天线10特定的工作范围内形成一个二分之一波长的谐振器。例如，对于一个从860MHz到2.2GHz的频率范围，该天线10可以是10cm宽，该平衡-不平衡变压器24可以具有3.5cm的高度h，α可以是33度并且β可以是120度。该最外部的弧形的半径可以是6cm。
该天线10可以被认为是由多个串行连接的二分之一波长谐振器形成的。例如，第一个单元46可以谐振在比较高的频率(例如，2.2Hz)上，同时第二个更长的单元48可以谐振在比较低的频率(例如，860MHz)上。处于在第一和第二单元46、48之间的单元可以每个谐振在860和2.2GHz之间的某些频谱范围之内。
为了提高每个谐振单元42的带宽(降低Q)，在连接到该相邻的单元之前，每个单元42的相对的端已经按照一个适宜的角距离(例如，30度)从该接地面34(即，该单元42已经被缩短)向上旋转。此外，通过在该天线单元42之中保持一个恒定的高度对长度比，一个恒定的Q被对所有的天线单元42提供。在这种情况下，长度是位于在二个相对的线36、38之间的一个单元42的弧长。高度h是单元42在接地面26之上的中央距离。
虽然可以使用任意数量的天线单元42，已经发现在所考虑的频率范围之内(例如，860-2.2GHz)，二十个单元42在所考虑的频率范围之上提供一个相对固定的响应。图6描述在从860到960MHz的频带中该天线10的共极化和横极化模式。图7描述在从1710到2170MHz的频带中该天线10的共极化和横极化模式。
该天线10的3dB波束宽度可以从图6和7的数据中计算。计算的3dB波束宽度在表1中示出。
表1
    频率    (MHz)     方位角波束宽度  (度数)
    860     135
    960     145
    1710     150
    2040     230
    2170     225
应当注意到，虽然恒定的波束宽度在较低的工作频率范围中被测定，在方位角波束宽度中的分散被朝着该频带的顶端的方向记录。这可以通过改变该臂18、22在地面上的高度h，或者通过在该反射器几何形状中插入侧壁而校正，以便在更高的操作频带中影响波束宽度。
图2-4的几何形状还被使用电磁建模工具建模，以确定该方位角波束。该结果在表2中示出。该回波损耗确定为好于10dB。
表2
    频率    (MHz)     方位角波束宽度   (度数)
    860     170
    960     171
    1710     205
    2040     210
    2170     210
该方向增益被基于该计算的模式对于天线10计算。该方向增益在表3中示出。
表3
    频率    (MHz)     方向性
    860     5.5
    960     5.4
    1710     4.67
    2040     4.43
    2170     4.46
比较来自表3的建模结果的方向增益与测定的实际的天线10的增益，大体上可以看到测定的增益大约比方向增益低1.0至1.1dB。这与当输入-10dB反射波的时候该天线总体损耗分配是一致的，并且在该微波传输带馈电线段30、32中的损耗被考虑。
如可以从图6获悉的，该天线10具有从100-150欧姆的特性阻抗。为了给该天线10匹配一个50欧姆的电缆，可以使用一个阻抗变换器。该阻抗变换器可以以在上面论述的该平衡-不平衡变压器24的形式提供。
从性能点来看，可以发现该天线10具有一个120度的方位角波束宽度。在反射器34与侧壁一起使用的情况下，侧壁的弯头的角度和尺寸可以被优化，以便实现一个120度的方位角波束宽度。
在图8中，天线阵列50，多个天线52被以与每个天线52共平面和垂面的平面线性的几何形状布置，以产生垂直极化辐射(假定一个该阵列50的典型的垂直方向)。在图9示出的一个供选择的基站天线阵列54中，该天线56是水平指向的，以产生水平极化辐射。
在本发明的又一个实施例中(图10)，该天线被以四个为一组沿着天线阵列58布置。在一个优选的几何形状中，该天线被集合成一个方框几何形状，如在60所示。在基站天线中方框几何形状大体上是公知的。在方框几何形状中，如图9所示，单个天线指向或者平行或者垂直于该天线阵列的纵向轴，或者做为选择可以指向在与该天线阵列的纵向轴45度的方向上(未示出)。
图11试图以有利的示意方式示出，本发明的所有的天线或者天线组可以以交错而不是直列式的几何形状布置。
如在上面提到的，本发明有利地实践为大家所熟悉的“自相似性”，指的是以优选的执行，在设计的频带中，离该接地面是最远的单元(在图5中的42)在最低的频率上谐振。谐振在更高的频率上的单元是逐渐地较短的和靠近于该接地面34，并且具有逐渐更小的平均间距和逐渐更窄的导体宽度。这可允许制成一个非常宽频带、但是非常小型的天线结构。
图12描述了一个天线66，其中该天线单元67的平均间距在朝着该接地面的方向上逐渐地降低。图13以非常的示意方式描述一个天线64，其中该实施的天线单元在朝着接地面26的方向上在宽度方面逐渐地更窄。
图14举例说明一个天线68，其单元70同时实施逐渐地降低∶1)线条宽度，2)平均线条间距，3)单元长度，和4)在该接地面之上的间距，因此在天线设计中特别地有益于自相似性巳知的利益。
图14的实施例描述了又一个可以对于采用本发明的原理的设计者是可利用的变量的开发，即，控制该天线单元70的长度改变的函数。在图5中，该天线的视线角被固定在一个预先确定的角度上。也就是说，该天线单元在长度方面的变化是线性的。但是，在长度方面的变化可以是指数或者可以按照各种各样其他的非线性函数，如图14所示。
所述的本发明的各种各样的执行可以作为在本技术领域内适宜的采用单和双极化几何形状。
为举例说明生成和使用本发明方式的目的，已经描述了本发明的各种各样的实施例。应该明白，对于一个本领域技术人员来说，本发明实施例的其他的变化和改进以及其各种各样的方面将是显而易见的，并且本发明不受限于描述的特定的实施例。因此，期待覆盖本发明任意和所有的改进、变化或者等效，其落在在此处公开的原理和要求的基础之下实际的精神和范围之内。

Claims (61)

1.一个天线装置，包括：
具有平的、扇形的主体的天线，由一个蜿蜒的导体限定，该导体从该扇形的主体的顶端至远端，沿着在该扇形的相对线之间连续不断的蛇行轨迹；和
在该天线单元的顶端上耦合到该蜿蜒的导体的馈电点。
2.根据权利要求1的天线装置，进一步包括：支撑该天线的基底。
3.根据权利要求1的天线装置，其中该蛇行轨迹进一步包括：放置在该扇形主体的线之间的多个笔直的、通常平行的辐射单元。
4.根据权利要求1的天线装置，其中该蛇行轨迹进一步包括：放置在该扇形主体的线之间的多个弯曲的单元。
5.根据权利要求1的天线装置，其中该蛇行轨迹进一步包括：折叠的线性螺旋线。
6.根据权利要求1的天线装置，其中该平的、扇形的天线进一步包括单极天线。
7.根据权利要求1的天线装置，进一步包括：平的、扇形的天线线性阵列。
8.根据权利要求7的天线装置，进一步包括：到该平的、扇形的天线线性阵列的双极化连线。
9.根据权利要求1的天线装置，进一步包括：平的、扇形的天线平面阵列。
10.根据权利要求9的天线装置，进一步包括：与该平的扇形的天线阵列的双极化连线。
11.一种平的单极天线，包括：
馈电点；
逐渐地更长的天线单元的渐进，每个配置在从馈电点向外延伸的一对线之间，其中每个逐渐更长的天线单元在第一端上连接到渐进的紧前面天线单元的相应端，并且在第二端上连接到渐进的紧后面单元的相应端。
12.根据权利要求11的平的单极天线，进一步包括：支撑天线单元的渐进的基底。
13.根据权利要求11的平的单极天线，其中该逐渐更长的天线单元具有直线结构。
14.根据权利要求11的平的单极天线，其中该逐渐更长的天线单元具有弓形结构。
15.根据权利要求11的平的单极天线，其中该一对线进一步包括小于180度的角度。
16.根据权利要求11的平的单极天线，其中该一对线进一步包括大约100度的角度。
17.一种平的单极天线，包括：
饼状基底，具有一对限定该饼状基底的顶点的边；和
放置在该饼状基底的相对边之间的多个天线单元，该多个天线单元的每个天线单元在第一端连接到靠近于该顶点的该多个天线单元的另一个天线单元，和在第二端连接到远离该顶点的该多个单元的另一个天线单元。
18.根据权利要求17的平的单极天线，其中该多个天线单元具有直线结构。
19.根据权利要求17的平的单极天线，其中该多个天线单元具有弓形结构。
20.根据权利要求17的平的单极天线，其中该多个天线单元进一步具有相对恒定的宽度。
21.一个基站天线阵列，包括：
接地面；和
在该接地面之上的天线阵列，该天线每个包括辐射单元的渐进，其长度在远离该接地面的方向上增加。
22.根据权利要求21限定的装置，其中所述单元总起来说具有扇形形状，其顶点最靠近于所述接地面。
23.根据权利要求22限定的装置，其中该扇形的侧面是弯曲的。
24.根据权利要求21限定的装置，其中所述单元是通过重叠这些单元的相对端而端部连接的。
25.根据权利要求21限定的装置，其中所述天线通常是平面的。
26.根据权利要求25限定的装置，其中所述天线以行或者交错布置，并且每个天线的平面具有与该阵列的纵轴平行，相互垂直或者呈45度的指向。
27.根据权利要求21限定的装置，其中所述天线以二个组布置。
28.根据权利要求27限定的装置，其中所述天线作为偶极天线布置和驱动。
29.根据权利要求21限定的装置，其中所述天线以四个组布置。
30.根据权利要求29限定的装置，其中所述天线以一个方框的几何形状布置。
31.根据权利要求30限定的装置，其中限定所述方框几何形状的所述天线或者是指向平行于或者垂直于该天线的纵轴。
32.根据权利要求30限定的装置，其中限定所述方框几何形状的所述天线是每个指向在对于该天线纵轴呈45度上。
33.根据权利要求21限定的装置，其中所述辐射单元具有对数周期的结构。
34.根据权利要求21限定的装置，其中所述辐射单元包括在远离所述接地面的方向上逐渐地增加宽度的导体。
35.根据权利要求21限定的装置，其中所述辐射单元具有一平均间距，其在远离所述接地面的方向上逐渐地增加。
36.根据权利要求21限定的装置，其中所述天线包括绝缘基底，并且其中所述辐射单元包括在所述基底上的导电沉积。
37.根据权利要求21限定的装置，其中所述单元具有锯齿形结构，并且其中该连接的单元的这些末端重叠以改变与该单元有关的末端效应。
38.根据权利要求21限定的装置，其中所述单元的长度大体上线性地增加。
39.根据权利要求21限定的装置，其中所述单元的长度非线性地增加。
40.根据权利要求21限定的装置，其中该辐射单元大体上是平行的。
41.一个基站天线阵列，包括：
接地面；
在该接地面之上平行的天线阵列，该天线每个具有辐射单元的渐进，其长度在远离该接地面的方向上增加；和
在最靠近于该接地面的点上连接到该单元的馈电。
42.一个基站天线阵列，包括：
接地面；和
在该接地面之上的等距天线阵列，该天线每个具有作为蜿蜒发散或者锯齿形渐进的端部连接的单元来配置的导体。
43.一个基站天线阵列，包括：
接地面；和
在该接地面之上的天线阵列，该天线每个具有作为折叠的线性螺旋线来配置的辐射单元。
44.一个基站天线阵列，包括：
接地面；和
在该接地面之上的天线阵列，该天线每个具有螺旋线形导体，并且该螺旋线的顶点最靠近于该接地面。
45.一种供基站天线阵列中使用的天线，包括辐射单元的渐进，其长度在远离馈电连接的方向上增加。
46.根据权利要求45限定的装置，其中所述单元总起来说具有扇形形状，其顶点最靠近于所述馈电连接。
47.根据权利要求46限定的装置，其中该扇形的侧面是笔直的。
48.根据权利要求46限定的装置，其中该扇形的侧面是弯曲的。
49.根据权利要求45限定的装置，其中所述单元是通过重叠所述单元的这些相对端而端部连接的。
50.根据权利要求45限定的装置，其中所述天线通常是平面的。
51.根据权利要求45限定的装置，其中所述单元共同地限定了圆锥形结构。
52.根据权利要求45限定的装置，其中所述辐射单元具有对数周期结构。
53.根据权利要求45限定的装置，其中所述辐射单元包括在远离所述馈电连接的方向上逐渐地增加宽度的导体。
54.根据权利要求45限定的装置，其中所述辐射单元具有一平均间距，其在远离所述馈电连接的方向上逐渐地增加。
55.根据权利要求45限定的装置，其中所述天线包括绝缘基底，并且其中所述辐射单元包括在所述基底上的导电材料。
56.根据权利要求45限定的装置，其中所述单元具有锯齿形结构，并且其中该连接的单元的这些末端重叠以改变与该单元有关的末端效应。
57.根据权利要求45限定的装置，其中所述单元的长度大体上线性地增加。
58.根据权利要求45限定的装置，其中所述单元的长度非线性地增加。
59.根据权利要求45限定的装置，其中该辐射单元大体上是平行的。
60.根据权利要求2的天线装置，其中该基底进一步包括放置在该基底的每个侧面上平的、扇形的主体。
61.根据权利要求60的天线装置，其中该扇形的主体馈电点进一步包括平衡-不平衡变压器。
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