具有有源和无源馈电网络的天线的制作方法
【专利摘要】本文涉及具有有源和无源馈电网络的天线，其包括布置在阵列中的多个辐射元件。辐射元件形成所需尺寸以发送和接收例如在790MHz到960MHz的频带中的RF信号。天线包括具有第一端口、第二端口和第三端口的多个共用器。每个共用器的第一端口耦合到至少一个辐射元件。共用器具有将第一端口耦合到第二端口的第一滤波器和将第一端口耦合到第三端口的第二滤波器。当涉及GSM900频带时，第一滤波器和第二滤波器分别是具有790?862MHz和880?960MHz的通带的带通滤波器。无源馈电网络包括耦合到输入传输线和多个输出传输线的移相器。输出传输线中的每个可耦合到共用器之一的第二端口之一。还包括多个耦合到多个共用器的每个第三端口的有源无线电装置的有源馈电网络。
【专利说明】具有有源和无源馈电网络的天线
[0001 ] 本申请是申请日为2011年10月11日，申请号为201180042854.0，发明名称为“具有有源和无源馈电网络的天线”的申请的分案申请。
[0002]本申请要求2010年10月8日提交的且标题为“Pass i ve Antenna And FeedNetwork”的美国临时专利申请第61/391，507号的优先权，并通过引用将该专利申请并入。
技术领域
[0003]本发明大体上涉及具有有源和无源馈电网络的天线。
[0004]背景
[0005]用于无线语音和数据通信的双频带天线是已知的。例如，GSM服务的公共频带包括GSM900 和 GSM1800XSM900 在880-960MHz 操作，而 GSM1800 在 1710-1880MHZ 的频率范围内操作。用于在这些频带中通信的天线一般包括由馈电网络连接的辐射元件的阵列。为了有效发送和接收射频(RF)信号，辐射元件的尺寸一般与预期操作频带的波长匹配。因为900MHz频带的波长比1800MHz频带的波长更长，一个频带的辐射元件一般不用于另一频带。在这方面，发展了包括用于这两个频带的不同辐射元件的双频带天线。
[0006]在这些已知的双频带天线中，GSM1800频带的辐射元件可散布有GSM900频带的辐射元件，或嵌套在GSM900频带的辐射元件内，或嵌套和散布的组合。见例如美国专利7，283，101，图12;美国专利号7，405，710，图1，图7。这样的嵌套和散布是部分地可实现的，因为用于GSM1800频带的福射元件不过度地干扰用于GSM900频带的福射元件，反之亦然。
[0007]然而，当高和低频带在频率上足够接近使得耦合出现在辐射元件的阵列之间时，这个已知的解决方案是不可接受的。此外，多个辐射元件占据天线中的额外区域，并增加了天线的成本。
[0008]概述
[0009]在本文中提供了具有在一个频带中的无源馈电网络和在相邻频带中的有源无线电网络的天线。天线包括布置在阵列中的多个辐射元件。辐射元件形成所需尺寸以发送和接收例如在790MHz到960MHz的频带中的RF信号。天线包括具有第一端口、第二端口和第三端口的多个共用器(diplexer)。每个共用器的第一端口耦合到至少一个辐射元件。共用器具有将第一端口耦合到第二端口的第一滤波器和将第一端口耦合到第三端口的第二滤波器。在一个涉及GSM900频带的例子中，第一滤波器是具有790-862MHZ的通带的带通滤波器，而第二滤波器是具有880-960MHZ的通带的带通滤波器。当本发明应用于不同的通信频带时，将使用其它通带。无源馈电网络包括耦合到输入传输线和多个输出传输线的移相器。输出传输线中的每个可耦合到共用器之一的第二端口之一。还包括有源馈电网络，其包括多个有源无线电装置。有源无线电装置耦合到多个共用器的每个第三端口。在另一例子中，有源馈电网络还包括双工器(duplexer)。有源无线电装置还包括发射机和接收机。双工器的公共端口耦合到多个共用器之一的第三端口，双工器的发射端口耦合到发射机，且双工器的接收端口耦合到接收机。
[0010]在另一例子中，多个共用器中的至少一个是经修改的共用器，其具有第四端口和将第一端口耦合到第四端口的第四滤波器。第四滤波器实质上与第三滤波器相同。有源无线电装置耦合到修改的共用器的第四端口。在另一实例中，多个辐射元件多于来自无源馈电网络的移相器的多个输出传输线。
[0011]在另一例子中，所述第一滤波器包括低带通滤波器，而所述第二滤波器包括高带通滤波器。
[0012]在另一例子中，所述第一滤波器包括具有790-862MHZ的通带的第一带通滤波器，而所述第二滤波器包括具有880-960MHZ的通带的第二带通滤波器。
[0013]在另一例子中，所述辐射元件还包括第一偶极子元件和第二偶极子元件，且存在相应于所述第一偶极子元件和所述第二偶极子元件中的每个的共用器。
[0014]在另一例子中，其中所述辐射元件还包括第一偶极子元件和第二偶极子元件，且所述无源馈电网络还包括与所述第一偶极子元件相关的第一无源馈电网络和与所述第二偶极子元件相关的第二无源馈电网络。
[0015]本文还提供一种天线，包括:
[0016]a.多个辐射元件，其布置在阵列中；
[0017]b.多个共用器，其具有第一端口、第二端口和第三端口 ；每个共用器的第一端口耦合到至少一个辐射元件;所述共用器具有将所述第一端口耦合到所述第二端口的第一滤波器和将所述第一端口耦合到所述第三端口的第二滤波器；
[0018]c.无源馈电网络，其包括耦合到输入传输线和多个输出传输线的移相器，其中输出传输线耦合到所述多个共用器的所述第二端口的每个；
[0019]d.多个双工器，所述多个双工器中的每个具有公共端口、发射端口和接收端口，其中所述公共端口耦合到所述共用器之一的所述第三端口之一；
[0020]e.有源馈电网络，其包括多个有源无线电装置，其中每个有源无线电装置具有耦合到所述多个双工器之一的所述发射端口的发射机和耦合到所述多个双工器之一的所述接收端口的接收机。
[0021]在一例子中，所述多个共用器中的至少一个还包括修改的共用器，所述修改的共用器具有第四端口和将所述第一端口耦合到所述第四端口的第四滤波器，其中所述第四滤波器实质上与所述第三滤波器相同，且其中所述多个共用器之一的公共端口耦合到所述修改的共用器的所述第四端口。
[0022]在另一例子中，所述第一滤波器包括低带通滤波器，而所述第二滤波器包括高带通滤波器。
[0023]在另一例子中，所述多个共用器之一的至少一个第二滤波器至少部分地合并到所述多个双工器的相应双工器中。
[0024]附图的简要说明
[0025]图1是本发明的第一实例的示意图。
[0026]图2是包括无源馈电网络的第一实例的天线的图示。
[0027]图3是包括无源馈电网络的根据本发明的第二实例的天线的图示。
[0028]图4是可用在本发明的不同实例中的共用器的图。
[0029]详细描述
[0030]在本发明的天线10的第一实例中，辐射元件20的阵列与第一频带和第二频带相关，第一频带经由无源馈电网络14由单个无线电装置和放大器(未示出)馈送，第二频带由包括多个有源无线电装置18——包括接收机18a和发射机18b——的有源馈电网络16馈送。[0031 ]参考图1和2，多个辐射元件20可布置在阵列中。在所述实例中，阵列是线性的，但其它拓扑被考虑以供本发明使用。在一个实例中，辐射元件20包括交叉极化元件，其形成所需尺寸以便优化在大约790MHz到960MHz的范围内的辐射和接收射频信号。辐射元件20可包括第一偶极子22和第二偶极子24，其中第一偶极子22和第二偶极子24相对于垂直方向成45度角，以实现+/-45度极化。其它类型的辐射元件也可能是适合的，例如也可使用盒式偶极子和微带环形圈辐射元件。此外，也可使用除了+/-45度极化以外的极化，且可使用单个或圆极化福射元件。
[0032]为了清楚起见，在图1中，只示出三个辐射元件20和相关部件。此外，在图2中，未示出有源馈电网络16。
[0033]耦合到每个偶极子的是低损耗共用器30。共用器30具有组合端口32、高端口 34和低端口 36。高端口 34耦合到偶极子(第一偶极子22或第二偶极子24)。低端口 36可耦合到低带通滤波器37，而高端口 34可耦合到高带通滤波器35。高带通滤波器37可具有880_960ΜΗζ的通带，而低带通滤波器可具有790-862ΜΗΖ的通带。
[0034]图4中示出低损耗共用器的例子。高带通滤波器35和低带通滤波器37每个包括5-1谐振腔结构。腔可以在直径上是30mm，且在长度上是45mm。该结构具有30dB拒斥损耗和
0.5dB插入损耗。可选地，低端口 36可耦合到低通滤波器，而高端口 34可耦合到高通滤波器。可选地，可在共用器中使用带阻滤波器。此外，虽然本文的实例被描述为具有耦合到高端口34的有源馈电网络16和耦合到低端口 36的无源馈电网络14，相反的布置也被设想并在本发明的范围内，例如耦合到低端口 36的有源馈电网络16和耦合到高端口 34的无源馈电网络
14。此外，虽然关于GSM 900频带描述了实例，本发明可适用于其它频带。例如，本发明可适用于GSM1800频带，或在另一实例中，低频带可以是1900MHz频带，而高频带可以是2600MHz频带。
[0035]低带通滤波器37允许在790MHz-862MHz的范围内的频率通过低端口 36到组合端口32。此外，低带通滤波器37允许同一范围内的频率从组合端口 32传到低端口 36。然而，低带通滤波器37阻止880MHz-900MHz的范围内的频率从组合端口 32传到低端口 36。高带通滤波器35允许在880MHz-900MHz的范围内的频率在任一方向上在高端口 34和组合端口 32之间通过，但阻止790MHz-862MHz的范围内的频率从组合端口 32传到高端口 34。这个布置允许耦合到组合端口 32的辐射元件20被在相邻频带中操作的不同馈电网络共享。
[0036]在图2的实例中，每个共用器30的低端口36耦合到无源馈电网络14。在图2和3所示的实例中，有两个无源馈电网络14; 一个与第一偶极子元件22相关，而一个与第二偶极子元件24相关。在可选的实例中，单个极化阵列可与单个无源馈电网络一起使用。无源馈电网络14包括耦合到输入传输线42、第一输出传输线43、第二输出传输线44、第三输出传输线45、第四输出传输线46和第五输出传输线47的移相器40。传输线42-47可以是同轴电缆、空气微带、印刷电路板迹线或这些结构或可选的传输线结构的组合。虽然传输线相对于信号流的传输方向被称为“输入”和“输出”，本领域中的技术人员将认识到，无源馈电网络14展示互易性，且信号流将在接收RF信号的相反方向上。移相器40包括在无源馈电网络14中，以允许改变辐射元件20的相对相位，来实现对辐射元件的阵列的辐射图样的操纵。一般，无源馈电网络14将耦合到低噪声放大器。无源馈电网络的例子可以在例如美国专利号7，986，973、美国专利号7，518，552和美国专利公布号2011/0063049六1中找到，这些专利的公开通过引用被并入。
[0037]在图1和2的实例中，每个共用器30的高端口34耦合有源馈电网络16。在所示实例中，共用器30的高端口 34耦合到双工器50的组合端口 52。双工器50隔离所接收的射频信号与所发射的射频信号。参考图1，双工器50的接收端口54耦合到无线电接收机18a，而双工器50的发射端口 56耦合到无线电发射机18b。双工器50防止无线电发射机干扰在无线电接收机处所接收的无线电信号。
[0038]多个这样的无线电发射机和接收机存在于有源馈电网络16中。在一个实例中，每个辐射元件与无线电发射机和无线电接收机相关。在有源无线电馈电网络16中的无线电接收机/发射机对包括有源无线电装置18。在可选的实例中，多于一个辐射元件可耦合到有源无线电装置18。每个有源无线电装置18可相对于有源无线电馈电网络16中的其它有源无线电装置18在不同的相位角处操作，单独辐射元件20的相位角可在整个阵列中被调节，而不需要机电移相器40。
[0039]在图2的实例中，有与每个辐射元件20的每个偶极子22、24相关的一个共用器30。对于八个元件，交叉极化阵列意味着16个共用器30存在于图2的实例中。图3示出可选的实例。在本实例中，也有八个交叉极化元件20ο然而，有四个全共用器30和十二个修改的共用器60。修改的共用器60具有组合端口 62、低端口 64和两个高端口 64。修改的共用器60与辐射元件20—起使用，辐射元件20与无源馈电网络14的移相器40的公共输出相关。
[0040]例如，在图3的图示中，移相器40具有耦合到八个辐射元件20的五个输出。移相器40的第一输出经由传输线43耦合到修改的共用器60的低端口 66。低带通滤波器67将低端口66耦合到组合端口 62。修改的共用器60的组合端口 62耦合到两个辐射元件20。因此，这两个辐射元件20都相对于到无源馈电网络14的输入以相同的相位延迟操作。然而，修改的共用器60的组合端口 62耦合到两个高频带滤波器65，产生两个高端口 64。高频带滤波器可具有实质上相同的带通和插入损耗特征。5到I移相器40和修改的共用器60的使用导致较低成本的天线和较轻重量的天线。
[0041]每个高端口 64与有源无线电馈电网络16中的不同有源无线电装置18相关，有源无线电装置18可配置成以不同的相位延迟操作。因此，与修改的共用器60相关的辐射元件20可关于有源无线电馈电网络16相对于彼此以不同的相位延迟操作。在本实例中，辐射元件20可从有源无线电馈电网络16接收不同的相位信息，同时从无源馈电网络14接收公共相位
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[0042]虽然示出了八元件阵列和I到5移相器，这个可选的实例不限于这样的数量。移相器40可以是I到2移相器、I到7移相器，或具有任何数量的输出(例如，I到N)。此外，阵列可具有多于或少于八个的辐射元件20。
[0043]在本发明的另一可选的实例中，共用器30或修改的共用器60的部分合并到双工器50中。在本实例中，由高带通滤波器35执行的一些或全部滤波可包括在双工器50中。这将简化共用器30或修改的共用器60的构造。
【主权项】
1.一种天线，所述天线包括: 多个辐射元件，其布置在阵列中； 无源馈电网络，其包括耦合到输入传输线和多个输出传输线的移相器； 多个第一滤波器，其每个具有第一通带，其中所述第一滤波器将所述输出传输线耦合到所述辐射元件，所述第一滤波器中的至少一个被耦合到多于一个的辐射元件； 多个第二滤波器，其每个具有耦合到所述辐射元件的第二通带;并且有源馈电网络，其包括在所述第二通带中操作的多个有源无线电装置，每个有源无线电装置耦合到所述第二滤波器中的相应的一个。2.根据权利要求1所述的天线，其中所述有源馈电网络还包括多个双工器并且所述有源无线电装置中的每个还包括发射机和接收机，并且其中每个双工器的公共端口被耦合到所述第二滤波器中的相应的一个，每个双工器的发射端口被耦合到所述发射机中的相应的一个，并且每个双工器的接收端口被耦合到所述接收机中的相应的一个。3.根据权利要求1所述的天线，其中多于一个的辐射元件被耦合到所述有源无线电装置中的第一有源无线电装置。4.根据权利要求1所述的天线，其中每个辐射元件是交叉极化辐射元件。5.根据权利要求4所述的天线，其中每个交叉极化辐射元件包括具有+45度极化的第一偶极子元件和具有-45度极化的第二偶极子元件。6.根据权利要求5所述的天线，还包括: 第二无源馈电网络，其包括耦合到第二输入传输线和多个第二输出传输线的第二移相器； 多个第三滤波器，其每个具有所述第一通带，其中所述第三滤波器将所述第二输出传输线耦合到所述辐射元件，所述第三滤波器中的至少一个被耦合到多于一个的所述辐射元件； 多个第四滤波器，其每个具有耦合到所述辐射元件的所述第二通带；以及第二有源馈电网络，其包括在所述第二通带中操作的多个第二有源无线电装置，每个第二有源无线电装置耦合到所述第四滤波器中的相应的一个， 其中所述第一滤波器将所述输出传输线耦合到所述第一偶极子元件并且所述第三滤波器将所述第二输出传输线耦合到所述第二偶极子元件，并且 其中所述第二滤波器被耦合到所述第一偶极子元件并且所述第四滤波器被耦合到所述第二偶极子元件。7.根据权利要求1所述的天线，其中所述无源馈电网络是双向无源馈电网络。8.根据权利要求1所述的天线，其中有源无线电装置的数量等于辐射元件的数量，并且每个第二滤波器耦合到所述辐射元件中的相应的一个。9.根据权利要求2所述的天线，其中每个第二滤波器的至少一部分被合并到所述双工器中的相应的一个中。10.根据权利要求1所述的天线，其中每个第一滤波器包括低带通滤波器并且每个第二滤波器包括高带通滤波器。11.根据权利要求1所述的天线，其中所述辐射元件是单个极化辐射元件。12.根据权利要求1所述的天线，其中所述辐射元件是盒式偶极子辐射元件。13.根据权利要求5所述的天线，其中所述无源馈电网络被配置为将第一无线电装置耦合至所述第一偶极子元件并且第二无源馈电网络被配置为将第二无线电装置耦合到所述第二偶极子元件。
【文档编号】H01Q3/30GK105958186SQ201610480197
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2011年10月11日
【发明人】凯文·E·莱恩汉, 乔纳斯·阿莱卡萨, 马丁·韦克勒
【申请人】康普技术有限责任公司