专利名称：具有交错天线元的天线装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于多频带工作特别是用于移动通信系统的具有交 错天线元的天线装置，如在权利要求1的导言中所述。本发明还涉及 适合通过通信链路与基站通信的天线系统。
背景技术：
在移动通信系统内当前用来发送和接收RF (射频)信号的天线 阵通常专用于单个频带或者有时是两个或更多个频带。单频带天线已 经使用了好长时间，通常包括多个排列成垂直的行的天线元。如果网 络内的运营商想要用单频带天线另增加一个频带，就需要在第一行天 线元旁再增加一行第二行天线元。然而，这需要足够的空间来实现， 而这种天线装置还可能对不同频带的信号之间的干扰敏感。这些缺点部分地已由附图1A和1B示意性示出的现有技术的装 置IO解决。在图1A中，示出了两种天线元11、 12交替地排列成一列。第而第二天线元12是只能在一个频带FBI内工作的天线元。这种现有技术的实施例的缺点是频带FBI和FB2由于构成天线元11的部件很接近而相互耦合。因此，这种配置只适用于频带间距大的情况，例如FB2的频率近似为FBI的两倍。如果频带太接近，就必须在非常接近天线元处使用高Q值的滤波器，例如使用占据不小空间和比较不经济和笨重的空腔滤波器。图1B所示的现有技术装置，如US 6,211,841 (Nortel)所揭示 的，由包括配置在两个平行的列13a、 14a内的在较低的第一频带内工作的第一天线元lla和交替地设置在两个相邻的列13a、 15a内的 在较高的第二频带内工作的第二天线元12a的阵列形成。这两个相邻 列中的一个列(13a)与配置第一天线元lla的两个列中的一个列是 同一个列。由于将天线元lla、 12a布置在平行、紧邻并间隔开的列 中，因此可能实现甚至在频带相互比较接近(直至2/3左右)的频带 之间的足够低的耦合。US6，844，863 B2 ( Andrew公司)揭示了 一种具有交错的天线元 阵列的装置。这里，各个阵列在一个公共频带内特意相互耦合。因此，需要有一种能在两个或更多个频带内工作而频带之间的耦 合得到减小的新的天线装置，这种天线装置不需要使用接近天线元的 滤波器，或者如果需要使用滤波器，使用Q值小的滤波器，诸如微带 或带状线滤波器，这种滤波器尺寸小而且实现起来比较经济。发明内容本发明的目的是提供一种多频带天线装置和天线系统，与现有技 术的天线相比，可以降低不同频带之间的耦合，同时还使所需空间减 到最小。这个目的是用 一种可与收发机连接的用来发送和接收至少两个 分开的频率区域内的RF信号的多频带天线装置实现的。这种天线装 置具有至少两组配置在反射器上的天线元。第一组天线元在第一频率 区域内工作，排成一列，而第二组天线元在第二频率区域内工作，也 排成一列。按照本发明，第一和第二组天线元交错配置在一条直线上， 形成单个列，所述第一和第二频率区域分别包括第一和第二频带，它 们是分开的而且基本上不相重叠，但相互比较接近，以及所述列内在 不同频带内工作的相邻天线元之间沿所述列的距离基本相同并小于 所述第一和第二频带中最高频带的中心频率的波长l。这个目的也由一种适合通过通信链路与基站通信的天线系统实 现。这种天线系统包括天线装置，以及控制发送给所述天线装置内的 天线元的信号和从所述天线装置内的天线元接收到的信号的相位和振幅的装置。本发明的优点是可以获得频带之间的隔离超过30dB，即使频带 相互接近也不需要使用空腔滤波器。本发明的另一个优点是很容易配置具有所希望的频带选择的天线。本发明的又一个优点是这种天线装置可以做得比现有技术的装置小。技术人员从以下详细说明中可以清楚地看到本发明的另一些目 的和优点。
图1A示出了现有技术的双频带天线装置的示意图； 图1B示意性地示出了现有技术的另一个双频带装置； 图2A示出了按照本发明设计的双频带天线装置的示意图； 图2B示出了图2A的装置的改进型； 图2C例示了用于双频带天线装置的两个频带的分离情况； 图3示出了按照本发明设计的双频带天线装置的第一实施例的 透视图；图4示出了双频带天线装置的第二实施例的透视图； 图5示出了双频带天线装置的第三实施例的透视图； 图6示出了多频带天线装置的第一实施例的透视图； 图7示出了图6所示的多频带天线装置的示意图； 图8为例示在包括按照本发明设计的天线装置的天线系统内的 信号通路的方框图；图9示出了包括附加滤波器的多频带天线阵的第二实施例的示意图；图io示出了多频带天线阵的第三实施例的示意图；以及 图11示出了包括按照本发明设计的多频带天线的天线系统。
具体实施方式
图1A和IB所示的现有技术的天线装置上面在本发明的技术背 景中已经作了说明。图2A示出了按照本发明设计的可以在包括第一和第二频带FB1 和FB2的两个频率区域内工作的双频带天线装置20的示意图，这两 个频带是分开的，基本上不相重叠，但是相互比较接近。在较低频带 FBi内工作的天线元21 (实线所标)是第一类型的，而在较高频带FB2 内工作的天线元22 (虛线所标)是第二类型的。图2B所示的改进型双频带天线装置25基本上与图2A所示的相 同，唯一的差别是交叉极化天线元26与线性y极化天线元27相交错。图2C例示了这两个频带"基本上不相重叠"的情况。较低频率范 围内的天线元21 (图2A)的输入反射系数用S参数Su表示，而较高 频率范围内的天线元22的输入反射系数用C参数S22表示。实际上， 反射系数应该小于-15 dB (Rmax)。此外，两个频带之间的交叉耦合 系数也应该很小，例如小于-20 dB (Cmax)。用这些标准，可以定义 工作频带FBi和FB2，示意性地如图2C所示。因此，虽然相应频率 实际上是部分交叠的，但所选频带FBi和FB2是相互分开、相互区分 的。第一和第二频带应具有如下关系的中心频率2/3 < fl/f2 < 3/2， fl # f2 而可能的中心频率的典型实例有 fl = 850 MHz， f2 = 900 MHz; fl = 1800 MHz, f2 = 2000 MHz; fl = 1900 MHz, f2 = 2100 MHz; fl = 2000 MHz, f2 = 2500 MHz。这些天线元可以是补片、偶极子、交叉极化天线元、介质谐振器 天线(DRA)或技术人员可用的任何其他类型的天线元。本发明的基 本特征是每个天线元只在一个频带内工作，这些天线元沿直线单列交 错配置在反射器上，如图2所示。图3、 4和5示出了图2所示情况的不同实施例。图3示出了双频带天线装置30，它具有第一类型天线元31,实 现为在较低频带FBi内发送和接收的双补片天线元。第二类型天线元 32实现为在较高频带FB2内发送和接收的补片天线元。较低频带的例 子可以是1710-2170 MHz，较高频带的例子可以是2.5-2.7 GHz。这两 种天线元是熟悉该技术领域的人员众所周知的。两个相邻的天线元的中心之间的间距"x"对于阵列内的所有天线 元基本上是一样的，对于上面所例示的频带，在0.3-0.7X(X为两个频 带中最高频带的中心频率的波长)或者说28-54 mm的范围之内。在 较低频带的同一个频带内工作的天线元31之间的第一距离"y，，在与 (较低的)频带的中心频率的波长(k)的0.5-0.9X相应的距离范围之 内。类似，在较高频带内工作的天线元32之间的第二距离"z"在与(较 高的)频带的中心频率的波长(X)的0.5-0.9入相应的距离范围之内。 距离y可以与距离z不同，但由于这会导致不希望有的影响，因此优 选的是距离y等于z。例如，y和z都选为100mm左右。结合图3所说明的实施例含有颇大的天线元，而且可能有涉及在 两个天线元相互配置得太远时会出现栅瓣的问题。在图4和5所示的实施例中就考虑了这个问题。在图4中示出了双频带天线阵的第二实施例40的透视图。双频 带天线阵40含有两种天线元，第一类型天线元41用于较低频带，第 二类型天线元42用于较高频带。例如，第一类型天线元41只接收在 1920-1980 MHz范围内的RF信号，而第二类型天线元42只发送在 2110-2170 MHz范围内的RF信号，这两个频带之间留下了 130 MHz 的抑制频带。因此，UMTS频带的传统天线被替代为具有分别用于 Rx频带和Tx频带的独立天线元的双频带天线，从而可以实现简化的 Tx和Rx无线电信道。这两种天线元41和42由比传统的补片天线小许多的DRA (介 质谐振器天线)构成。用DRA的缺点是，与其他类型的天线元相比， DRA具有较窄的带宽，但是如果仅用于接收或发送，它们能以满足要此外，本发明的电解质膜中还可以添加二氧化硅或磷酸锆、磷钼酸、磷钨 酸等杂多酸作为用于防止干燥的保水剂。将由本电解质材料形成的电解质膜进行浇铸制膜或使其均匀地含于催化 剂层中的情况下，需要使用本电解质材料的溶液或分散液，本电解质材料可以 良好地溶解或分散于具有羟基的有机溶剂中。具有羟基的有机溶剂没有特别限 定，较好是具有醇羟基的有机溶剂。作为具有醇羟基的有机溶剂，可以例举例如甲醇、乙醇、l-丙醇、2-丙醇、2,2,2-三氟乙醇、2,2, 3，3，3-五氟-l-丙醇、2， 2, 3, 3-四氟-1-丙醇、4,4,5,5， 5-五氟-l-戊醇、1， 1, 1， 3， 3， 3-六氟-2-丙醇、3， 3， 3-三氟-l-丙醇、3, 3, 4， 4， 5， 5, 6， 6， 6_九氟-l-己醇、3, 3， 4， 4, 5， 5， 6, 6， 7， 7， 8， 8， 8_十三氟-1-辛醇等。此外， 作为除醇以外的有机溶剂，也可以使用乙酸等具有羧酸基的有机溶剂。在这里，作为具有醇羟基的有机溶剂，可以单独使用上述的溶剂，也可以 2种以上混合使用，还可以与水或其它含氟溶剂混合使用。作为其它含氟溶剂， 可以例举例如前述的固体高分子电解质材料的制造的溶液聚合反应中作为优 选的含氟溶剂示例的含氟溶剂。另外，将具有醇羟基的有机溶剂制成与水或其 它含氟溶剂的混合溶剂使用时，具有醇羟基的有机溶剂的含量相当于溶剂总质 量较好是在10%以上，更好是20%以上。此外，该情况下，可以一开始就将电解质材料溶解或分散于混合溶剂中， 也可以将电解质材料先溶解或分散于具有醇羟基的有机溶剂后，再混合水或其 它含氟溶剂。另外，本电解质材料对于这样的溶剂的溶解或分散较好是在大气 压下或高压釜等密闭加压的条件下，于0 25(TC的温度范围内进行，更好是在 20 15(TC的温度范围内进行。此外，为了溶解、分散，可以根据需要给予采 用超声波等的剪切作用。含有沸点比水低的有机溶剂时，也可以在馏去溶剂后， 或通过在蒸馏的同时添加水，将溶剂置换为水。使用这样的溶剂得到的本发明的液状组合物可以用于制作由固体高分子 电解质材料形成的浇铸膜，或者制作固体高分子形燃料电池的催化剂层。制作 催化剂层时，涂布在液状组合物中混合催化剂得到的液体即可。该情况下，液 状组合物中的固体高分子电解质材料的含量相对于液状组合物总质量较好是 1 50%，更好是3 30%。若不到1%，在制作膜或催化剂层时，为了得到所 需的厚度，需要增加涂布次数，而且溶剂的除去所需的时间变长，无法高效地 进行制造作业。另一方面，若超过50%，则液状组合物的粘度过高，容易变得补片天线元61交错，有三个圆形DRA 63与最上面三个补片天线元 61交错。这样就形成了单个列，具有十一个交错的天线元，在三个分 开的频带内工作。由于用了 DRA，因此在列内各天线元之间就可以加 屏蔽墙64，以将栅瓣减到最少。相邻天线元之间的距离基本上与结合图3所说明的相同。两个相 邻天线元中心之间的间距"x"对于列内所有天线元基本上是一样的。 优选的是，工作在较低频带内的两个天线元61之间的第一距离"y"是 与较低频带的中心频率(在本例中为1940 MHz)的0.5-0.9X相应的距 离。优选的是，工作在中间频带内的两个天线元62之间的第二距离"z" 是与中间频带的中心频率(在本例中为2.35 GHz)的0.5-0.9入相应的 距离。优选的是，工作在较高频带内的两个天线元63之间的第三距 离"w，，是与较高频带的中心频率(在本例中为2.6 GHz)的0.5-0.9入相 应的距离。距离y、 z和w可以相互有些不同，但由于这将导致不希望的结 果，因此优选的是距离y、 z和w相互相等。图8为示出按照本发明设计的天线系统80内的信号通路的方框 图。这些信号通路可以分成发送通路Tx和接收通路Rx，它们接到如 图所示的各自天线元81和82上或者接到一个共用天线元(未示出) 上。接收通路Rx包括滤出所希望的射频(RF)频带的带通滤波器 BPi和与之串联的任选的低通滤波器LP，用于在经滤波的RF信号馈 入低噪声放大器LNA之前消除寄生谐振。经放大的RF信号由本机 振荡器LO和混频器83频移成IF (中频)信号。此后，IF信号用包 括模数变换器(ADC)的装置变换成数字信号。图8中示出了三个不同的安排。第一选项包括将全部RF频带变 换成16 s/c (采样/码片)的数字流的宽带A/D变换器W/ADC。第二 选项包括若干个一起将全部RF频带变换成16 s/c的数字流的载波 A/D变换器SC/ADC。第一和第二选项中的16 s/c数字信号然后馈入数字滤波器DF和数字下变换器DDC。 DDC将16 s/c的信号变换成7 s/c的信号后馈送 给接收控制信号(优选的是数字形式的)数字移相器DPS。控制信号 是通过诸如光纤85之类的通信线路从所连接的基站(未示出)接收 到的。DPS对数字化IF信号的相位cp和振幅a进行控制。来自DPS 的信号与来自其他任选的天线元的信号一起馈入相加模块84。将IF信号变换成数字化信号的第三选项包括模拟移相器APS， 模拟移相器APS被馈有通过诸如光纤85之类的通信线路从所连接的 基站(未示出)接收到的控制信号(优选的是模拟形式的)。APS控 制IF信号的相位(p和振幅a，它们经后面的将信号变换成16 s/c的数 字流的模数变换器ADC数字化。第三选项中的16 s/c数字信号然后 馈入数字滤波器DF和数字下变换器DDC。 DDC将16 s/c的信号变 换为7 s/c的信号后与来自其他任选天线元的信号一起馈入相加模块 84。此后，2s/c的数字I和Q信号通过光纤85发送给基站。通过光 纤的通信可以使用CPRI标准通信协议。基站还将要发送的1 s/c的数字I和Q信号提供给分离器86。信 号可以以数字或模拟方式予以控制，这两种情况都将结合图8进行说 明。在数字选项中，来自分离器86的信号馈送给数字移相器DPS， 它被提供有数字控制信号以对基站通过光纤85发来的发送信号的相 位cp和振幅a进行控制。信号然后馈送给用于数字上变换DUC的装 置87，数字预矫正PDP和峰值因子缩减CFR然后与数字发送信号连 接。DUC将信号从7 s/c变换到16 s/e。 DPD用来使信号在放大后成 为线性信号，而CFR用来限制信号内的峰值，以优化放大器AMP的 性能。这个数字信号此后在数字/模拟变换器DAC内进行处理，成为 IF发送信号。在模拟选项中，信号然后馈送给用于数字上变换DUC的装置87, 数字预矫正PDP和峰值因子缩减CFR随后与数字发送信号连接。数 字信号此后在数字模拟变换器DAC内进行处理，成为IF发送信号，再馈送给被提供有模拟控制信号的模拟移相器APS，以对从基站通过 光纤85传来的发送信号的相位(p和振幅a进行控制。信号然后通过利用本机振荡器LO和混频器88频移成RF发送 信号。RF发送信号在后接有任选滤波器F的放大器AMP内加以放 大。发送通路的最末尾是带通滤波器BF2,在通过天线元82发送之前 选择所希望的射频频带。RF信号在带通滤波器BF2前被检测，用本 机振荡器LO和混频器89频移成IF反馈信号。IF反馈信号用数字模 拟变换器DAC变换为数字信号后馈入装置87内的DPD。对于发送 通路来说，所用的本机振荡器是同一个本机振荡器LO。在本例中，用不同的天线元81、 82来发送和接收信号，当然也 可以用公共天线元来发送和接收信号。图9示出了多频带天线阵的第二实施例110的示意图。多频带天 线阵110包括附加滤波器LP、 BP和HP，以在天线装置的工作频带 FB1、 FB2和FB3之间提供更好的隔离。天线装置110包括两种类型天线元，第一天线元111是接收第一 频带FBi内的RF信号和发送第二频带FB2内的RF信号的双频带天 线元。在第一频带FBi内接收到的RF信号馈入低通滤波器LP或低 频带通滤波器，然后馈送给第一收发器电路Tl。来自第一收发器电 路Tl的发送RF信号馈入带通滤波器BP然后馈送给双频带天线元 111。第二类型天线元112在较高的第三频带FB3内工作，即接收和发 送FB3内的RF信号。来自第二收发器电路T2的RF信号通过高通滤 波器HP或高频带通滤波器馈送给天线元112，而来自天线元112的 RF信号通过高通滤波器HP或高频带通滤波器馈送给第二收发器电 路T2。收发器电路T1和T2与基站BS (未示出)连接。抑制装置呈现为配置在各天线元111、 112之间的金属条113， 以使这些天线元相互屏蔽。每个金属条以绝缘方式固定在反射器114 上，例如在金属条与反射器之间用绝缘材料绝缘。滤波器可以提供超 过30dB的更大隔离，而这种结构本身仅能给出15-20dB的隔离。在这个实施例中，为工作在同 一频带内的所有天线元只配置了 一 个滤波器，而在图11中例示了另一个实施例，为每个天线元各使用 一个独立的滤波器。图10示出了多频带天线装置的包括三种类型DRA天线元116、 117和118的第三实施例115的示意图。这些元交错配置，使得在两 个相同类型的天线元之间配置有两个不同类型的天线元。距离y、 z 和w优选的是与结合图6所说明的相同，相邻天线元116、 117和118 之间的距离x优选的是相互相等的。进一步增大多频带天线各频带之间的隔离的适当措施示于图 11。图ll示出了具有诸如结合图2A、 2B、 3、 4和5所说明的之类的 双频带天线装置101的通信系统100，每个在低频频带内工作的天线 元102与低频频带的收发器电路Tl之间有一个低通滤波器(或带通 滤波器)LP,而每个在高频频带内工作的天线元103与高频频带的 收发器电路T2之间有一个高通滤波器(或带通滤波器)HP。每个收 发器电路T1、 T2已结合图8作了说明，与接到PSTN上的基站BS 连接，如该技术领域内的专业人员众所周知。天线系统100还包括由基站BS控制的遥控电俯仰装置RET。 RET对执行器104进行控制，使天线101的波瓣的电俯仰角改变，如 该技术领域内的专业人员众所周知。如果天线装置101包括超过两个频带的天线装置，诸如图6、 7 和13所示的实施例，工作在中间频带内的每个天线元都配有一个带 通滤波器，以增大与较低和较高频带的隔离。这些滤波器可以提供超 过30dB的更大隔离，而这种结构本身仅能给出15-20 dB的隔离。天线元的馈电可以包括可用于各种所设想的诸如补片天线、 DRA、偶极子天线、交叉极化天线之类的天线元的探针馈电、小孔馈 电。
权利要求
1.一种可连接到收发机上、用于在至少两个分开的频带内发送和接收RF信号的天线装置，所述天线装置具有至少两组交错配置在反射器上的天线元，其中第一组天线元排列成一列并在第一频率区域内工作，而第二组天线元也排列成一列并在第二频率区域内工作，所述天线装置的特征在于所述第一和第二组天线元沿着一条直线交错配置在所述一条直线上，形成单个列；所述第一和第二频率区域分别包括第一和第二频带，它们是分开的而且基本上不相重叠，但相互比较接近；以及所述列中在不同频带工作的相邻天线元之间沿所述列的距离(x)基本相同，并且小于所述第一和第二频带中最高频带的中心频率的波长λ。
2. 按照权利要求1所述的天线装置，其中所述第一和第二频带 的中心频率fl和f2之间有如下关系2/3<fl/f2<3/2;以及 f 1与f2不同。
3. 按照权利要求1所述的天线装置，其中所述单个列内相邻天 线元之间的所述距离(x)在0.3-0.7X的范围内。
4. 按照权利要求3所述的天线装置，其中所述单个列内相邻天 线元之间的所述距离(x)在28-54 mm的范围内。
5. 按照权利要求1所述的天线装置，其中所述第一和第二中心 频率具有以下組合之一的近似值fl = 850 MHz， f2 = 900 MHz; fl = 1800 MHz, f2 = 2000 MHz; fl = 1900 MHz, f2 = 2100 MHz; fl = 2000 MHz, f2 = 2500 MHz。
6. 按照权利要求1所述的天线装置，其中所述天线元的单个列还包括在第三频率区域内工作的第三组天线元，所迷第三频率区域包 括与所述第一和第二频带分开并不相重叠的第三频带，所述第三频带 的中心频率高于或低于所述第一和第二频带的中心频率。
7. 按照权利要求3所述的天线装置，其中所迷笫一、第二和第 三组天线元在分开的频带内工作，所述频带的中心频率fl、 f2、 f3具 有以下组合之一 的近似值fl = 850 MHz， f2 = 900 MHz， f3 = 1800 MHz; fl = 850 MHz, f2 = 900 MHz， f3 = 1900 MHz; fl = 850 MHz， f2 = 900 MHz， f3 = 2000 MHz; fl = 1800 MHz， f2 = 2000 MHz， f3 = 2500 MHz; fl = 1800 MHz， f2 = 2000 MHz， f3 = 2500 MHz; fl = 2000 MHz, f2 = 2500 MHz, f3 = 900 MHz。
8. 按照权利要求6所述的天线装置，其中所迷第三组的天线元 设置在与所述第一和第二组的至少一些天线元相同的位置。
9. 按照权利要求6所述的天线装置，其中所述第三组的天线元 设置在与所述第一和第二组的天线元不同的位置，第三组天线元也与 所述第一和第二组的天线元交错配置。
10. 按照权利要求l所述的天线装置，其中至少一些天线元是利 用互交叉极化而双极化的。
11. 按照权利要求l所述的天线装置，其中至少一些天线元是线 性极化的。
12. 按照权利要求1所述的天线装置，其中所述第一和第二组天 线元分别用来发送RF信号(Tx)和接收RF信号(Rx)。
13. 按照权利要求l所述的天线装置，其中所述单个列内在同一 个频带内工作的两个天线元之间的距离(y， z， w)在与各自的频带 的中心频率的0.5-0.9X相应的距离的范围之内。
14. 按照权利要求l所述的天线装置，其中所述至少两组天线元 中至少一组天线元是下列类型天线元之一介质谐振器天线(DRA)元；偶极子天线元；或 补片天线元。
15. 按照权利要求1所述的天线装置，其中分开的频带(FB1， FB2， FB3)之间的耦合通过在相邻的天线元之间提供抑制装置(53; 64; 93， 94; 113)而受到抑制。
16. 按照权利要求15所述的天线装置，其中所述抑制装置是寄 生元件，诸如金属条(113)。
17. 按照权利要求15所述的天线装置，其中所述抑制装置是屏 蔽墙(53; 64; 93, 94)。
18. 按照权利要求1所述的天线装置，其中每个天线元(102， 103; 111, 112)与收发器电路(Tl， T2)之间接有具有低Q值的滤 波器(LP， BP， HP)，所述滤波器适于进一步使各个频带(FB1， FB2， FB3)相互隔离。
19. 一种适于通过通信链路(85)与基站(BS)通信的天线系统 (80)，包括按照权利要求1-8中任一项所述的天线装置，以及用于控制发送给所述天线装置内的天线元(81， 82)的信号和从所迷天线 装置内的天线元(81, 82)接收到的信号的相位和振幅的装置(APS; DPS)。
全文摘要
本发明提出了一种可连接到收发机上在至少两个分开的频带内发送和接收RF信号的天线装置。这种天线装置具有至少两组排列在反射器上的天线元，这些天线元沿单个列排列成交错配置。这两个分开的频带基本上不相重叠但相互比较接近，所述列内相邻天线元之间沿列的距离基本相同。
文档编号H01Q21/08GK101228665SQ200680026861
公开日2008年7月23日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年7月22日
发明者比约恩·林德马克, 耶斯佩尔·乌丁 申请人:动力波技术瑞典股份公司