交叉极化多频带平板天线的制作方法

交叉极化多频带平板天线的制作方法
【专利摘要】本发明的目标在于一种交叉极化多频带平板天线，包括在单个机架内的在不同频带内操作的至少两个天线阵列，每个天线阵列包括以元件间距离分离的至少两个交叉极化辐射元件，每个辐射元件包括第一极化和第二极化，第二极化与第一极化正交。每个天线阵列的第一极化和第二极化在物理上以等于或大于元件间距离的距离分离。每个天线阵列的第一极化和第二极化分别以元件间距离彼此分离。
【专利说明】交叉极化多频带平板天线
[0001] 夺叉引用
[0002] 本申请基于2011年12月23日提交的法国申请No. 11，62, 388,其全部公开内容通 过引用合并于此，并且这里根据35U. S. C. § 119要求其优先权。

【背景技术】
[0003] 本发明涉及在超高频范围内使用辐射元件来传输无线电波的电信天线领域。具体 地涉及称为交叉极化多频带平板天线的天线。平板天线由诸如在给定频带中工作的贴片天 线阵列或偶极子阵列组成，该给定频带更具体地是更具体地计划用于蜂窝电话应用的给定 频带。
[0004] 电信天线，例如安装在移动电话网络的基站中的电信天线，沿着特定于由该天线 操作的电信系统的频率发送和接收无线电波。为了这样做，基站向每个平板天线供应在其 所操作的频带内的频率波，诸如，例如"全球移动通信系统"GSM(870-960MH Z)、"数字蜂窝系 统" DCS (1710-1880MHZ)、"通用移动电话服务" UMTS (1900-2170MHZ)和LTE (表示"长期演 进"）的700MHz和2600MHz的频率。为了避免增加已经安装的天线的数目，使用多频带平 板天线，该平板天线是通过多个系列的辐射元件组合得到的，该多个系列的辐射元件分别 形成属于单独的电信系统的很多天线阵列，该很多天线阵列被聚合到由单个天线罩保护的 共享反射器所形成的单个机架。
[0005] 已经提出了用于构建由在独立频带中进行操作的正交极化天线阵列组成的交叉 极化多频带平板天线的多个配置，其中辐射元件在同一机架内。称为"并排（side by side) " 的配置包括远离最高频带至少半个波长而被定位的两个辐射元件的平行行。另一种配置称 为"共线"或"同心"，其中在第一频带上进行操作的正交极化辐射元件被围绕着操作于第二 频带上的正交极化辐射元件同心地布置，所有这些正交极化辐射元件被沿着单个轴排列。 另一配置由将辐射元件彼此成直线的布置排列组成。为了减小在同一频带内进行操作的辐 射元件之间的相互作用，可以添加无源（unfed)寄生元件。
[0006] 所有这些配置旨在组合在具有固定的有限体积的单个机架内在不同的频带中操 作的天线阵列，每个天线阵列使其自己的馈电适应于其自己的操作频带。该聚合由诸如降 低天线的视觉影响、降低电塔（pylon)的负载等考虑来引导。然而，在频带数目的增加内， 并且因此，在单个体积内的天线阵列的数目的增加内，这种配置导致在这些天线阵列中的 每一个天线阵列内操作的辐射元件之间的耦合的增加，这对于ΜΜ0应用来说特别不利，并 且需要信号分集。
[0007] 在交叉极化多频带平板天线中，需要信号分集的ΜΙΜΟ应用的有效性与每个频带 内辐射元件的极化之间的去耦合有关。辐射元件的极化之间的去耦合是由天线阵列所共享 的反射器上的辐射元件的几何结构、以及由使得可能影响这些耦合参数的特定寄生元件的 存在而产生的。假设交叉极化多频带平板天线包括具有单独的操作频带的多个天线阵列 (至少2个，并且达5个或甚至更多），每一个由置于单个天线罩下方并且由同一反射器承 载的排列的辐射元件组成，能够理解，这些去耦合技术对于实施越来越复杂，因为在机架的 整体体积内没有足够的物理空间以使得能够保持与在至少两个不同的频带中进行操作的 传统平板天线相同的一般形状因子。


【发明内容】

[0008] 因此，本发明的目的是在不显著增加交叉极化多频带平板天线的尺寸、与之相关 联的重量或成本的情况下改善在相同频带内操作的天线阵列的辐射元件的两个极化之间 的去耦合。
[0009] 本发明的目标在于一种交叉极化多频带平板天线，包括在单个机架内在不同频带 内操作的至少两个天线阵列，每个天线阵列包括以元件间距离分离的至少两个交叉极化辐 射元件，每个辐射元件包括第一极化和第二极化，第二极化与第一极化正交，属于同一辐射 元件的第一极化和第二极化在物理上通过等于或大于元件间距离的距离而分离。
[0010] 辐射元件通过形成天线阵列的排列中的一行来限定。双极化辐射元件例如是由每 一个都具有给定极化的两个独立的偶极子形成的。这里，"极化"表示偶极子和称为"贴片" 天线的平面天线二者，。
[0011] 这是交叉极化多频带平板天线的新架构，其中，对于每个辐射元件，物理去耦合与 通常使用的极化去耦合相结合，由此允许其改善ΜΜ0应用和需要信号分集的应用。
[0012] 本发明的主要原理是，不使与天线阵列的同一行的的辐射元件相对应的两个交叉 极化在物理上共址。这可以适用于形成多频带平板天线（双频带、三频带、四频带等）的一 些或全部天线阵列。
[0013] 根据一个方面，属于一个天线阵列的第一极化形成第一排列，并且属于相同的天 线阵列的第二极化形成第二排列，属于相同辐射元件的第一极化和第二极化的位置在第一 排列和第二排列内分别是类似的。
[0014] 根据另一方面，单个天线阵列的第一极化和第二极化在其相应的排列内通过元件 间距离彼此分离。
[0015] 根据又一方面中，第一天线阵列内的元件间距离等于第二天线阵列内的元件间的 距离。
[0016] 根据一个变体，属于第一天线阵列的第一极化可以与属于第二天线阵列的第二极 化交叉。
[0017] 根据另一变体，属于天线阵列的极化可以与寄生元件交叉。
[0018] 根据一个实施例，属于一个天线阵列的所有第一极化以及属于同一天线阵列的所 有第二极化被以增加将单个辐射元件的第一极化与第二极化分离的距离的方式来相对于 彼此进行布置。
[0019] 根据另一实施例，以占用在平板天线的机架内的所有可用空间的方式来布置极 化。
[0020] 本发明的一个优点是，通过对于每个辐射元件将空间去耦合与极化去耦合进行组 合，改善了在构成多频带平板天线的天线阵列的交叉极化辐射元件之间的去耦合，以便于 获得信号分集算法和ΜΜ0的更好的结果。其还使得能够简化交叉极化多频带平板天线的 设计和总体内部结构，而不增加机架的尺寸，同时由于在物理上使其分离的距离而在两个 极化之间提供了额外的去耦合。因此，使得能够对于每个频带增加极化之间的去耦合（提 高 5-10dB)。
[0021] 与极化角无关，本发明适用于由天线阵列组成的任何类型交叉极化多频带平板天 线。本发明还可以在对天线阵列的数目，即所考虑的频带的数目，没有任何限制的情况下使 用。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 在阅读实质上通过非限制性示例并且在附图中给出的一个实施例的下面的描述 之后，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[0023] -图la和图lb描绘了三频带阵列的第一实施例，
[0024] -图2a和图2b描绘了三频带阵列的第二实施例，
[0025] -图3a和图3b描绘了双频带阵列的实施例，
[0026] -图4a和图4b描绘了四频带阵列的实施例，
[0027] -图5a和图5b描绘了五频带阵列的实施例。

【具体实施方式】
[0028] 单个天线阵列的辐射元件专用于在单个频带上的发送/接收。双极化辐射元件通 常由两个独立的偶极子形成，每一个偶极子包括用于发送/接收无线电信号的具有给定极 化（正或负）的两个共线导体臂。这里对于每个通过偶极子表示的极化将描述的，在极化 通过平面天线或"贴片"天线表示时也适用。辐射元件纵向排列地被安装在反射器上方。根 据其在空间内的取向，偶极子可以沿着两个极化信道辐射或接收电磁波，例如，水平极化信 道和垂直极化信道、或者相对于垂直的以+45°和-45°定向的两个极化信道。辐射元件的 每个偶极子通过馈线链接到定义其相位和幅度的外部功率源。
[0029] 在图la所描绘的已知配置中，三频带交叉极化平板天线1包括在高频带Fa-Fb中 操作的第一天线阵列2、在另一高频带Fc-Fd中操作的第二天线阵列3,和在低频带Fe-Ff 中操作的第三天线阵列4。第一天线阵列2包括具有相对于第一天线阵列2的轴以+45° 和-45°定向的两个交叉极化的5个辐射元件5、6、7、8、9的排列。第二天线阵列3沿着第 一天线阵列2的长度包括具有相对于第二天线阵列3的轴以+45°和-45°定向的两个交 叉极化的5个辐射元件10、11、12、13、14的排列。最后，第三天线阵列4包括围绕属于第一 天线阵列2和属于第二天线阵列3的特定辐射元件6、8、10、12、14同心地布置的5个辐射 元件15、16、17、18、19的排列。
[0030] 在图lb中描绘了三频带平板天线20的第一模式实施例。第一天线阵列2的辐射 元件5、6、7、8、9的具有极性-45°的偶极子5 &、6&、7&、8&、9 &在不改变其相对定位的情况下 被朝着三频带平板天线20的相对端移动了这里与元件间距离的5倍相对应的距离。然而， 第一天线阵列2的辐射元件5、6、7、8、9的具有极性+45°的偶极子5b、6b、7b、8b、9b的位置 保持不变。在相反方向上，第二天线阵列3的辐射元件10、11、12、13、14的具有极性-45° 的偶极子l〇a、11a、12a、13a、14a在不改变其相对定位的情况下朝着三频带平板天线20的 另一端移动了这里与元件间距离的5倍相对应的距离。然而，第二天线阵列3的辐射元件 10、11、12、13、14的具有极性+45°的偶极子1013、1113、1213、1313、1413的位置保持不变。为了 使这些移动变得可能，第一天线阵列2中的元件间距离与第二天线阵列3中的元件间距离 相同。
[0031] 这些移动的目的是为了获得在第一天线阵列2和第二阵列天线3的每个辐射元件 的两个极化之间的最大物理距离。第三天线阵列4的辐射元件15、16、17、18、19未移动。 因此，属于第一天线阵列2的第一极化5a、6a、7a、8a、9a与属于第二天线阵列3的第二极化 10b、lib、12b、13b、14b交叉。类似地，属于第二天线阵列3的第一极化10a、11a、12a、13a、 14a与属于第一天线阵列2的第二极化5b、6b、7b、8b、9b交叉。
[0032] 从实际观点来看，这些偶极子的移动包括改变连接到要移动的偶极子中的每一个 偶极子的馈线的分支。能够理解，已经描述的具有极性-45°的偶极子的移动还可以针对极 性+45°来描述，在该情况下，具有极性-45°的偶极子的位置将保持不变。
[0033] 图2a描绘了三频带平板天线30的另一已知配置，包括在高频带Fa-Fb中操作的 第一天线阵列31、在另一高频带Fc-Fd中操作的第二天线阵列32、和在低频带Fe-Ff中操 作的第三天线阵列33。第一天线阵列31包括具有相对于第一天线阵列31的轴以+45° 和-45°定向的两个交叉极化的4个辐射元件34、35、36、37的排列。第二天线阵列32沿着 第一天线阵列31的长度包括具有相对于第二天线阵列32的轴以+45°和-45°定向的两 个交叉极化的4个辐射元件38、39、40、41的排列。最后，第三天线阵列33包括5个辐射元 件42、43、44、45、46的排列，第三天线阵列33的4个辐射元件42、43、44、45围绕属于第一 天线阵列31和属于第二天线阵列32的辐射元34、36、38、40同心地布置的。在三频带平板 天线30的机架中，两个位置没有被占用：一个位于第三天线阵列33的辐射元件46的中心 处，并且另一个与其相连。
[0034] 在图2b中描绘了三频带平板天线47的第二模式实施例。第一天线阵列31的辐 射元件34、35、36、37的具有极性-45°的偶极子34a、35a、36a、37a在不改变其相对定位的 情况下朝着三频带平板天线47的相对端移动了这里与元件间距离的6倍相对应的距离。 然而，第一天线阵列31的辐射元件34、35、36、37的具有极性+45°的偶极子3你、3513、3613、 37b的位置保持不变。第二天线阵列32的辐射元件38、39、40、41的具有极性-45°的偶极 子38a、39a、40a、41a在不改变其相对定位的情况下在相反方向上朝着三频带平板天线47 的另一端移动了这里与元件间距离的3倍相对应的距离。然而，第二天线阵列32的辐射元 件38、39、40、41的具有极性+45°的偶极子38b、39b、40b、41b在不改变其相对定位的情况 下在与属于第一天线阵列31的偶极子34 &、35&、36&、37&相同的方向上移位了元件间距离， 以占用空闲的位置。这些移动的目的是为了通过占用所有的可用空间来获得在第一天线阵 列31和第二阵列天线32的每个辐射元件的两个极化之间的最大物理距离。第三天线阵列 33的辐射元件42、43、44、45、46未移动。自然地，这些移动可以仅在第一天线阵列31内的 元件间距离与第二天线阵列32中的元件间距离相同的情况下被执行。
[0035] 通常对天线阵列添加寄生元件，以改善在辐射元件之间的去耦合。这里，术语 寄生元件是指既不直接也不间接经由偶极子馈电的导电元件。其通常由术语"导向体 (director) "来表示。单个辐射元件的偶极子之间的物理距离使得能够减少所需要的寄生 元件的数目。偶极子3你、41&、3813、373附近的空闲位置可以通过无源的寄生元件48来占 用。在这样的情况下，属于第一天线阵列31和属于第二天线阵列32的极化34b、41a、38b、 37a与寄生元件交叉。
[0036] 图3a描绘了已知配置中的双频带平板天线50。该双频带平板天线50包括在高频 带Fc-Fd内操作的第一天线阵列51和在低频带Fe-Ff内操作的第二天线阵列52。第一天 线阵列51包括具有相对于第一天线阵列51的轴以+45°和-45°定向的两个交叉极化的 14个辐射元件53-66的排列。第二天线阵列52包括与第一天线阵列51共轴地10个辐射 元件67-76的排列，第二天线阵列52的辐射元件67、68、69、70、71、72、73围绕属于第一天 线阵列51的特定辐射元件53、55、57、59、61、63、65同心地布置。在双频带平面天线50的 机架中，多个位置未被占用：一些位于第二天线阵列52的辐射元件74、75、76的中心，并且 其他位于辐射元件74和75之间以及辐射元件75、76之间。
[0037] 在图3b中描绘了双频带平板天线77的一个实施例。第一天线阵列51的福射元件 53-66的具有极性-45°的偶极子53a-66a在不改变其相对定位的情况下朝着双频带平板 天线77的相对端被移动了这里等于元件间距离的5倍的距离以占用空闲位置。然而，第一 天线阵列51的辐射元件53-66的具有极性+45°的偶极子53b-66b的位置保持不变。第二 阵列天线52的辐射元件67-76未移动。本实施例导致了在两个极化之间的高的总去耦合水 平。这与三频带平板天线47相同。偶极子53b、54b、55b、56b、57b、62a、63a、64a、65a、66a附 近的空闲位置可以由无源寄生元件占用。然后，极子53b、54b、55b、56b、57b、62a、63a、64a、 65a、66a与寄生兀件交叉。
[0038] 在图4a中描绘的已知配置中，四频带平板天线80包括在高频带Fa-Fb内操作的 第一天线阵列81、在另一高频带Fc-Fd内操作的第二天线阵列82、在低频带Fe-Ff内进行 操作的第三天线阵列83、以及在高频带Fg-Fh内操作的第四天线阵列。第一天线阵列81包 括具有相对于第一天线阵列81的轴以+45°和-45°定向的两个交叉极化的5个辐射元件 85、86、87、88、89的排列。第二天线阵列82沿着第一天线阵列81的长度包括具有相对于第 二天线阵列82的轴以+45°和-45°定向的两个交叉极化的5个辐射元件90、91、92、93、94 的排列。第三天线阵列83包括围绕属于第一天线阵列81和属于第二天线阵列82的特定 辐射元件86、88、90、92、94同心地布置的5个辐射元件95、96、97、98、99的排列。最后，第 四天线阵列84包括与其他三个天线阵列81、82、83平行地具有相对于第四天线阵列84的 轴以+45°和-45°定向的两个交叉极化的10个辐射元件100-109的排列 ：
[0039] 在图4b中描绘了四频带平板天线110的一个实施例。第一天线阵列81的辐射元 件85、86、87、88、89的具有极性-45°的偶极子85 &、86&、87&、88&、89 &在不改变其相对定位 的情况下朝着四频带平板天线110的相对端被移动了这里与元件间距离的5倍相对应的距 离。然而，第一天线阵列81的辐射元件85、86、87、88、89的具有极性+45°的偶极子85b、 86b、87b、88b、89b的位置保持不变。在相反方向上，第二天线阵列82的辐射元件90、91、92、 93、94的具有极性-45°的偶极子90a、91a、92a、93a、94a在不改变其相对定位的情况下朝 着三频带平板天线110的另一端被移动了这里与元件间距离的5倍相对应的距离。然而，第 二天线阵列82的辐射元件90、91、92、93、94的具有极性+45°的偶极子90b、91b、92b、93b、 94b的位置保持不变。第三阵列83的辐射元件95、96、97、98、99未不移动。第一天线阵列 81中的元件间距离与第二天线阵列82中的元件间距离相同。
[0040] 第四天线阵列84的辐射元件100-109的具有极性-45°的偶极子100a、101a、 102a、103a、104a、105a、106a、107a、108a、109a在不改变其相对定位的情况下在与第一天线 阵列81的辐射元件85、86、87、88、89的偶极子85a、86a、87a、88a、89a的移动相同的方向上 平形定向地被移动了这里与元件间距离的2倍相对应的距离。如前所述，第四天线阵列84 的辐射元件 100-109 的具有极性 +45° 的偶极子 100b、101b、102b、103b、104b、105b、106b、 107b、108b、109b保持不变。在该情况下，极子100b、101b、108a、109a可以与寄生元件交叉。
[0041] 图5a描绘了已知配置中的五频带平板天线120。五频带平板天线120包括在高频 带Fa-Fb内操作的第一天线阵列121、在另一高频带Fc-Fd内操作的第二天线阵列122、在 低频带Fe-Ff内操作的第三天线阵列123、在高频带Fg-Fh内操作的第四天线阵列124、以 及在高频带Fi-Fj内操作的第五天线阵列125。第一天线阵列121包括具有相对于第一天 线阵列121的轴以+45°和-45°定向的两个交叉极化的5个辐射元件126、127、128、129、 130的排列。第二天线阵列122沿着第一天线阵列121的长度包括具有相对于第二天线阵 列122的轴以+45°和-45°定向的两个交叉极化的5个辐射元件131、132、133、134、135 的排列。第三天线阵列123包括围绕属于第一天线阵列121和属于第二天线阵列122的特 定辐射元件127、129、131、133、135同心地布置的5个辐射元件136、137、138、139、140的排 列。第四天线阵列124包括与前三个天线阵列121、122、123平行的、具有相对于第四天线阵 列124的轴以+45°和-45°定向的两个交叉极化的6个辐射元件141、142、143、144、145、 146的排列。最后，第五天线阵列125包括沿着第四天线阵列124的长度并且平行于前三个 天线阵列121、122、123的具有相对于第五天线阵列125的轴以+45°和-45°定向的两个 交叉极化的6个辐射元件147、148、149、150、151、152的排列。
[0042] 在图5b中描绘了五频带平板天线153的一个实施例。第一天线阵列121的辐射 元件 126、127、128、129、130 的具有极性-45° 的偶极子 126a、127a、128a、129a、130a在不改 变其相对定位的情况下朝着五频带平板天线153的相对端被移动了这里与元件间距离的5 倍相对应的距离。然而，第一天线阵列121的辐射元件126、127、128、129、130的具有极性 +45°的偶极子126b、127b、128b、129b、130b的位置保持不变。第二天线阵列122的辐射元 件 131、132、133、134、135 的具有极性-45° 的偶极子 131&、132&、133&、134 &、135&在不改 变其相对定位的情况下朝着五频带平板天线153的另一端被移动了这里与元件间距离的5 倍相对应的距离。然而，第二天线阵列122的辐射元件131、132、133、134、135的具有极性 +45°的偶极子131b、132b、133b、134b、135b的位置保持不变。第三阵列123的辐射元件 136、137、138、139、140不移动。第一天线阵列121中的元件间距离与第二天线阵列122中 的元件间距离相同。
[0043] 此外，第四天线阵列124的辐射元件141、142、143、144、145、146的具有极性-45° 的偶极子141a、142a、143a、144a、145a、146a在不改变其相对定位的情况下在与第一天线 阵列 121 的辐射元件 126、127、128、129、130 的偶极子 126a、127a、128a、129a、130a 的移动 相同的方向上在平行定向上移动了与元件间距离的6相对应的距离。第四天线阵列124的 辐射元件 141、142、143、144、145、146 的具有极性 +45° 的偶极子 141b、142b、143b、144b、 145b、146b保持不变。最后，第五天线阵列125的辐射元件147、148、149、150、151、152的具 有极性-45°的偶极子147a、148a、149a、150a、151a、152a现在在不改变其相对定位的情况 下、在与第二天线阵列122的辐射元件131、132、133、134、135的偶极子131a、132a、133a、 134a、135a的移动相同的方向上在平形定向上移动了这里与元件间距离的6倍相对应的距 离。，第五天线阵列125的辐射元件147、148、149、150、151、152的具有极性+45°的偶极子 147b、148b、149b、150b、151b、152b保持不变。第四天线阵列124中的元件间距离与第二天 线阵列125中的元件间距离相同。该元件间距离可以等于或不同于第一 121天线阵列和第 二122天线阵列。
[0044] 当然，本发明并不限定于所描述的实施例，而是相反，在不脱离本发明的精神的情 况下存在本领域技术人员可理解的很多变体。具体地，先前已经针对偶极子所描述的也适 用于称为贴片天线的平面天线。
【权利要求】
1. 一种交叉极化多频带平板天线，包括在单个机架内在不同频带内操作的至少一个第 一天线阵列和第二天线阵列，每个天线阵列包括以元件间距离分离的至少两个交叉极化辐 射元件，每个辐射元件包括第一极化和第二极化，所述第二极化与所述第一极化正交，其特 征在于，属于同一辐射元件的所述第一极化和所述第二极化在物理上通过等于或大于所述 元件间距离的距离而分离。
2. 根据权利要求1所述的平板天线，其中属于一个天线阵列的所述第一极化形成第一 排列，并且属于同一天线阵列的所述第二极化形成第二排列，属于同一辐射元件的所述第 一极化和所述第二极化的位置在所述第一排列和所述第二排列内分别是类似的。
3. 根据权利要求2所述的平板天线，单个天线阵列的所述第一极化和所述第二极化在 其相应的排列内通过元件间距离彼此分离。
4. 根据权利要求1至3中的一项所述的平板天线，其中所述第一天线阵列中的元件间 距离等于所述第二天线阵列中的元件间距离。
5. 根据权利要求1至4中的一项所述的天线，其中属于第一天线阵列的第一极化能够 与属于第二天线阵列的第二极化交叉。
6. 根据权利要求1至4中的一项所述的天线，其中属于天线阵列的极化能够与寄生元 件交叉。
7. 根据前述权利要求中的一项所述的平板天线，其中属于一个天线阵列的所有第一极 化以及属于同一天线阵列的所有第二极化以增加将单个辐射元件的所述第一极化与所述 第二极化分离的距离的方式关于彼此而布置。
8. 根据前述权利要求中的一项所述的天线，其中所述极化被以占用所述平板天线的机 架内的所有可用空间的方式来布置。
【文档编号】H01Q21/30GK104067442SQ201280067882
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】S·多盖, J-P·阿雷尔 申请人:阿尔卡特朗讯