用于基站天线系统的天线设备的制作方法

本发明涉及用于基站天线系统的天线设备。

背景技术：

数据流量需求的持续增长需要并带动移动电信行业引入新频带、标准和无线接入技术，例如mimo、波束成形等。从天线的角度来看，这意味着提供更敏捷波束可能性的多个天线系统。为了实现更敏捷波束天线，相位和幅值必须实时地并以灵活的方式设置。这引起了所谓的有源天线系统(activeantennasystem，aas)，这意味着将无线收发单元(radiotransceiverunit，rru)与基站天线系统整合在一起。这种整合导致高度复杂的系统并强烈影响了天线形状因数，天线形状因数是用于商用现场部署的基础。如果天线的形状因数与传统天线不相似，则对于运营商来说，用aas替换传统天线或仅获取新站点许可是一项耗时且难以完成的工作，而且对于传统无源基站天线系统来说也如此。

众所周知，超宽频带基站天线系统通常在698mhz至960mhz(“低频带”)和1.7ghz至2.7ghz(“高频带”)频谱中操作，该频谱包括了现今使用的大部分蜂窝网络频带。超宽频带基站天线系统的相对带宽可以通过以下公式计算：

相对带宽＝2*(fmax-fmin)/(fmax+fmin)，并且

相对带宽应该大于30％。

一方面，基站天线单元必须具有足够的深度来支持蜂窝网络频带的最低频率以及实现大于30％的相对带宽。同时，随着对天线与无线电的更深整合的需求不断增长(例如，在aas中)，在不降低天线的关键性能的情况下减小超宽频带天线的尺寸是非常重要的。

鉴于上述情况，针对减小整个天线尺寸的主要限制技术因素之一是低频带辐射单元的高度，低频带辐射单元的高度强烈影响整体天线深度。显著降低天线高度意味着大力简化aas和传统无源天线系统的整体部署过程。

常规基站天线没有提供用于在支持蜂窝网络频带的最低频率期间降低低频天线单元深度以及实现大于30％的相对带宽的任何解决方案。

技术实现要素：

鉴于上述缺点和问题，本发明旨在改进技术形状。具体地，本发明的目的是提供一种天线设备，其提供了天线设备的大小与天线设备的可达带宽之间更好的折衷。本发明还旨在实现天线设备的偶极子的简单制造。本发明还力求通过实现大规模生产过程中的高度自动化来实现经济的解决方案。

本发明的上述目的通过所附独立权利要求中提供的解决方案实现。本发明的有利实施方式在各个从属权利要求中进一步限定。具体地，本发明的一个理念是提供一种补偿高度降低影响的新的基站天线辐射单元类型。

本发明的实施方式提供了一种包括至少两个天线单元的天线设备，每个天线单元均包括第一辐射单元和对应的第二辐射单元；其中，每个第二辐射单元在高度方向上沿共同的中心轴线从天线设备的底部延伸至所述每个第二辐射单元的对应的第一辐射单元；其中，每个第一辐射单元在长度方向上从所述共同的中心轴线向外延伸；其中，每个第一辐射单元的长度大于其宽度；以及其中，每个第一辐射单元沿所述长度方向电耦合到所述每个第一辐射单元的对应的第二辐射单元。

该天线设备保持超宽频带特性、特别是大于30％的相对带宽，并将整体高度(相对于接地层)降低到低于0.15λmax。第一辐射单元的最大尺寸限定了有关最低频率的最大波长。该天线设备的第二辐射单元有助于实现较小波长。这使辐射单元能够支持所希望的带宽。

在根据本发明的天线设备的第一实施形式中，第一辐射单元中的每个第一辐射单元的长度是其宽度的至少两倍大。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的第一实施形式的天线设备的第二实施形式中，第二辐射单元中的每个第二辐射单元均是平面的。

这意味着，第二辐射单元可以通过加工平面金属板来制造。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第三实施形式中，第一辐射单元中的每个第一辐射单元均包括在所述长度方向上从所述共同的中心轴线向外延伸的条状部分和以相对于所述长度方向的角度延伸的至少一个弯曲部分，其中，有利的是在无需焊接的情况下用一个金属板制造第一辐射单元和第二辐射单元，并因此实现大规模生产过程中的高度自动化。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第四实施形式中，对于每个第二辐射单元，第二辐射单元的在所述底部处的长度小于该第二辐射单元的在其对应的第一辐射单元处的长度。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第五实施形式中，每个第二辐射单元均包括第一边缘，该第一边缘至少部分地沿所述高度方向从所述底部延伸至第二辐射单元的第一端，该第一端相对靠近所述共同的中心轴线布置并耦合到对应的第一辐射单元；其中，每个第二辐射单元均包括第二边缘，该第二边缘从所述底部延伸至第二辐射单元的第二端，该第二端相对远离于所述共同的中心轴线布置并耦合到对应的第一辐射单元。因此，第二辐射单元可有助于实现较小波长。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第六实施形式中，天线单元的每个第一辐射单元均包括弯曲边缘，该弯曲边缘在所述长度方向上延伸并将天线单元的第一辐射单元电连接至天线单元的对应的第二辐射单元。

通过使用位于第一辐射单元与第一辐射单元的对应的第二辐射单元之间的弯曲边缘，可以基于单件构建每个天线单元，例如可以通过使用弯曲金属板技术基于单件构建每个天线单元。因此，不需要将第一辐射单元与第二辐射单元焊接在一起，因为它们已经通过它们之间的弯曲边缘而彼此连接。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第七实施形式中，每个第二辐射单元均包括开口，所述开口在所述长度方向上从第二辐射单元与对应的第一辐射单元之间的第一连接点延伸至第二辐射单元与所述对应的第一辐射单元之间的第二连接点；其中，所述开口的面积至少与第一辐射单元的下述部分的面积一样大，该部分在所述长度方向上从第一连接点延伸至第二连接点且在宽度方向上从所述弯曲边缘延伸至对应的第一辐射单元的边缘。通过根据此定义设计第二辐射单元中的开口，可以实现的是第一辐射单元能够从所述第二辐射单元弯曲出来。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第八实施形式中，每个天线单元均包括阻抗变换器，阻抗变换器布置在将天线单元的第一辐射单元电耦合到天线单元的对应的第二辐射单元的连接点处。因此，所述阻抗变换器被整合到天线单元中并且也有助于达到所需带宽。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第九实施形式中，每个天线单元均形成为单件。因此，可以实现天线单元的使用和布置的高度灵活性。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第十实施形式中，所述天线设备还包括导电导向器单元，导电导向器单元在所述高度方向上布置在第一辐射单元的上方并由布置在导向器单元与第一辐射单元之间的介电材料支撑。

导向器单元可以补偿由高度降低引起的地面效应能力，并且以此方式，导向器还可有助于宽带匹配。导向器单元不直接连接至地面。这是有利的，因为这还引入了电感部件，并且辐射单元的带宽性能因此得以显著提高。

在根据本发明的第十实施形式的天线设备的第十一实施形式中，导向器单元包括针对天线单元的每个第一辐射单元的对应臂，所述臂在与对应的第一辐射单元相同的方向上从所述共同的中心轴线向外延伸。

在根据本发明如上所述的或根据本发明的前述实施形式中的任一实施形式的天线设备的第十二实施形式中，所述两个天线单元形成第一对天线单元和天线的偶极子。

在根据本发明的第十二实施形式的天线设备的第十三实施形式中，该天线设备还包括第二对天线单元，所述第二对天线单元围绕所述共同的中心轴线布置并形成该天线设备的第二偶极子。

根据本发明的第十三实施形式的天线设备的第十四实施形式中，成对的所述天线单元布置成使得相应的一对天线单元的第二辐射单元形成180°角且不同的两对天线单元的第二辐射单元形成90°角。因此，所述天线设备由下述两个偶极子构成，所述两个偶极子相对于它们的几何和/或相位中心以正交的方式布置并形成90度角。这样，它们形成“十字形”结构，所述“十字形”结构支持两个正交的e场极化的激励。这实现了vswr<1.35的带宽性能，其中相对带宽大于35％。

附图说明

将结合附图在特定实施方式的以下描述中阐述本发明的主要方面和实施形式，其中

图1示出了根据本发明的实施方式的天线设备的示意性视图。

图2示出了根据本发明的实施方式的天线设备的示意性视图。

图3示出了根据本发明的实施方式的天线设备的俯视图。

图4示出了根据本发明的实施方式的天线设备的立体图。

图5示出了根据本发明的实施方式的包括阻抗变换器的天线设备的俯视图。

图6示出了介电材料的布置。

图7示出了介电材料的另一布置。

图8示出了根据本发明的实施方式的偶极子的立体图。

图9示出了带宽性能的测量值。

图10示出了第一辐射单元和第二辐射单元的立体图。

图11示出了根据本发明的实施方式的天线设备的布置。

图12示出了根据本发明的实施方式的天线设备的另一布置。

图13示出了根据本发明的实施方式的天线设备的另一布置。

图14示出了根据本发明的实施方式的天线设备的另一布置。

图15示出了根据本发明的实施方式的第一辐射单元与第二辐射单元之间的电容连接。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方式的用于基站的天线设备100。天线设备100包括至少两个天线单元105和106，所述两个天线单元105和106中的每个天线单元包括第一辐射单元110和对应的第二辐射单元120。第二辐射单元120在高度方向上沿共同的中心轴线a从天线设备100的底部103延伸至该第二辐射单元120的对应的第一辐射单元110。第一辐射单元110和第二辐射单元120优选地由金属板(单个金属板)制成。

第一辐射单元110在长度方向ld上从共同的中心轴线a向外延伸。第一辐射单元110的长度l限定了最大支持波长。此外，每个第一辐射单元110的长度l大于其宽度w(图3)，且每个第一辐射单元110沿长度方向ld电耦合到其对应的第二辐射单元120，使得第二辐射单元120能够有助于实现较小波长。

本发明的实施方式的主要贡献是降低低频带辐射单元高度，并且因此可以在保持基站类性能、特别是保持大于30％的相对带宽的同时使天线设备100的整体天线高度h降低20％至30％。

与其他超宽频带天线相比，辐射系统到反射器的最大距离缩短20％至30％。可以实现低于0.15λmax的整体天线高度h，其中λmax是最低支持频率的波长。

还如图4所示——图4是天线设备100的立体图，第二辐射单元120中的每个第二辐射单元均可以是平面的，这允许使用单个金属板制造天线设备100。

优选地，不同天线单元105、106的第一辐射单元110分别具有相同的形状和/或大小。类似地，不同的天线单元105、106的第二辐射单元120可以分别具有相同的形状和/或大小。

此外，第一辐射单元110中的每个第一辐射单元均可以包括条状部分111和至少一个弯曲部分113，该条状部分111在长度方向上从共同的中心轴线向外延伸，所述至少一个弯曲部分113在第一辐射单元110的条状部分111的最外部分112处以相对于长度方向的在10°与170°之间的角度延伸。弯曲部分113可使用弯曲金属板技术制造。

优选地，第二辐射单元120的在底部103处的长度l2小于该第二辐射单元120的在其对应的第一辐射单元110处的长度l1。

沿第二辐射单元120的高度方向h的边缘122被布置成非常靠近共同的中心轴线a。边缘122的第一上端123耦合到对应的第一辐射单元110。第二辐射单元120的另一边缘124从底部103延伸至第二辐射单元120的第二上端125。如图1所示，第二辐射单元120的第二上端125耦合到对应的第一辐射单元110，并且，第二辐射单元120的第二上端125相比于第一上端123远离共同的中心轴线a布置。

图2示出了每个第一辐射单元110的弯曲边缘114。弯曲边缘114在长度方向ld上延伸并将天线单元的第一辐射单元110电连接至天线单元的对应的第二辐射单元120。

第二辐射单元120和对应的第一辐射单元110可以通过在第二辐射单元120的上部127中切出u形切口126而由单个金属板制成。形成第二辐射单元120和对应的第一辐射单元110的金属板沿弯曲边缘128被弯曲，弯曲边缘128由第二辐射单元120中的u形切口126的两个上端点129限定。如在图4——图4是天线设备的透视图——中更清楚地图示的，在弯曲之后，u形切口126上方的部分126’形成对应的第一辐射单元110的条状部分111的一部分，并且第二辐射单元120现在包括处于适当位置处的由u形切口126和弯曲边缘128限定的开口121。因此，如图2和图4所示，每个天线单元的第一辐射单元110和第二辐射单元120均可以形成为单件。

开口121布置在第二辐射单元120的第一上端123与第二上端125之间，并在长度方向ld上从第二辐射单元120与对应的第一辐射单元110之间的第一连接点171延伸至第二辐射单元120与对应的第一辐射单元110之间的第二连接点172。

开口121的面积与第一辐射单元110的对应于u形切口126的部分126’的面积一样大。此外，开口121的面积大于第一辐射单元110的条状部分的下述部分的面积，该部分从第一连接点171延伸至第二连接点172且在宽度方向上从弯曲边缘128延伸至对应于u形切口126的边缘114。此外，与边缘114相对的边缘115形成第一辐射单元110的另一弯曲边缘115。在此示例中，第一辐射单元110的另一条状部分115’沿着该另一弯曲边缘115沿第一辐射单元110的长度方向相对于条状部分111以90°角延伸。根据又一实施方式，所述另一条状部分115’与条状部分111之间的角度可以在≥10°且≤170°的范围内。

一个重要的优点在于，可以利用弯曲金属板技术制造天线单元。这允许用单个金属板(在无需焊接的情况下)实现第二辐射单元120和对应的第一辐射单元110。本发明的实施方式因此通过上述情况的所有优点实现了大规模生产过程中的高度自动化。

优选地，第二辐射单元120中的每个第二辐射单元可以具有在其底部与其上端之间的大致三角形部分173(参见图1)。

如图4所示，一对天线单元105和106形成天线的偶极子，并且两对天线单元105、106、107和108围绕共同的中心轴线布置。两对所述天线单元105、106、107和108布置成使得相应的一对天线单元的第二辐射单元形成180°角且不同的两对天线单元的第二辐射单元形成90°角。也就是说，优选地，所述两对偶极子105、106、107和108以正交或准正交的方式布置。

这允许偶极子结构自身保持超宽频带特性，甚至将相对于地平面的整体高度降低到<0.15λmax。实际上，第一辐射单元110即最大偶极臂尺寸限定了最大波长。以电流方式和/或以电容方式连接的第二辐射单元120逐渐有助于实现较小波长。这使辐射单元110和120能够支持所希望的带宽。

如图2、3和4所示，包括一个或更多个导向器单元140(例如，盘状物、十字形件、筒、环等)的导向器单元系统安置在天线单元(偶极子)105、106、107和108上。导向器单元系统的功能是补偿由高度降低产生的地面效应能力并以此帮助宽带匹配。

导向器单元系统不直接连接至地面。这样的优势在于还引入了电感部件，并且以此方式具有显著提高辐射单元带宽的明显优势。

如图5所示，阻抗变换器130整合在围绕馈点116的第一辐射单元110中。每个天线单元均包括阻抗变换器130，阻抗变换器130布置在将天线单元的第一辐射单元110电耦合到天线单元的对应的第二辐射单元120的连接点171处。

从图5还可以看出，第一辐射单元110中的每个第一辐射单元的长度l可以是第一辐射单元110的宽度w的至少两倍大。

导电导向器单元140在高度方向h上布置在第一辐射单元110的上方并由布置在导向器单元140与第一辐射单元110之间的介电材料150支撑。如图6和图7所示，附加介电材料150优选地安置在例如2个导向器140之间和/或导向器140与偶极子105、106、107和108之间，并且附加介电材料150可以用于调谐带宽并作为用于天线设备100的机械支撑。

导向器单元140包括针对天线单元的每个第一辐射单元110的对应臂141，臂141在与对应的第一辐射单元110相同的方向上从共同的中心轴线向外延伸。此外，至少在一些示例中，导向器系统由如图3所示的2个准椭圆正交十字形件构成。

图8示出了根据本发明的实施方式的偶极子的布置的立体图。

具体地，图2至8示出了双极化天线设备(例如，低频带辐射器)的实现示例。天线设备由2对辐射单元构成，每对辐射单元形成关于几何中心(共同的中心轴线a)呈90度正交布置的偶极子。两个偶极子形成“十字形”结构，该“十字形”结构支持2个正交e场极化的激励。在此实现示例中，可以实现带宽性能(vswr<1.35@相对带宽>35％)。第二辐射单元120(偶极子底部)电连接至第一辐射单元110(偶极子臂)。选择用于导向器140的安装系统的机械和电材料特性以及由图4和图8所示的偶极子形成的十字形件以优化带宽和稳定性性能。

在图9中，测量值表明可以满足所需带宽性能，即使当高度降低到<40％时亦是如此。

图10示出了天线设备200的另一实施方式。相应地，两个天线单元205和206——所述两个天线单元205和206中的每个天线单元均包括第一辐射单元210和第二辐射单元220——布置成使得所述两个天线单元的第二辐射单元形成90°角。

图11示出了若干天线设备100的布置。相应地，至少两个天线设备100沿天线设备的长度方向ld成排布置，并且形成成排的天线设备阵列300。优选地，由天线设备阵列300的长度方向ld限定的排平行于彼此布置在一个平面内。

图12示出了若干天线设备100的另一布置。相应地，至少两个天线设备100平行于彼此布置并且形成天线设备组401。优选地，至少两个这种天线设备组401和402布置成使得第一天线设备组401中的天线设备的长度方向ld1垂直于第二天线设备组402中的天线设备的长度方向ld2。

图13示出了若干天线设备100的又一布置。相应地，至少四个天线设备100形成矩形天线设备组，并且每个第一辐射单元110均布置成垂直于两个相邻的第一辐射单元，使得至少四个天线设备的第一辐射单元110可以形成矩形天线设备组500。

图14示出了根据图10的若干天线设备200的布置。具体地，至少四个天线设备200形成矩形天线设备组600。每个天线设备200形成矩形天线设备组600的直角601。优选地，四个天线设备200的每个第一辐射单元110布置成使得每个第一辐射单元110的外端面对并靠近相邻天线设备200的第一辐射单元110的外端。

从反射器到偶极子底部的高度h与偶极子臂(第一辐射单元110)的长度l之间的比例通常是1:4。

图15示出了通过使用任何适当的固定方式例如夹子、闩锁、挂钩或螺栓固定等实现的第一辐射单元110与第二辐射单元120之间的可能电容耦合部180。

已经结合作为示例的不同实施方式以及实施方案描述了本发明。但本领域技术人员通过实践请求保护的发明，研究附图、本公开以及独立权项，能够理解并获得其他变体。在权利要求以及描述中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，且未加以数量限定的情况并不排除多个。单个元件或其他单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能在有利的实现方式中使用。