双馈双极化天线振子及其制造方法与流程

技术领域

本发明总体上涉及双极化天线，并且在具体的实施例中涉及一种双馈双极化天线振子及其制造方法。

背景技术：

各种各样的天线被用于雷达、电信和其他射频(RF)系统中。一类常见的天线是双极天线，双极天线中最常见的则是半波双极天线。半波双极天线由两根四分之一波长的导体或振子形成，二者对头拼接，达到半波长的总长。在长度等于半个波长的振子上的驻波产生的电位差最大，因为振子的一端在波的节点，而另一端则在波的腹点。双极振子之间的电位差越大，双极振子之间的电流也就越大。电流沿双极的长度分布，使其辐射出电场(E场)和磁场(H场)。E场的方向用E场矢量表示，称为天线的极化。

有些RF系统利用双极化(dual-polarization)或称双极化的(dual-polarized)天线。例如在电信行业，双极化天线多见于基站系统中。双极化天线可以在E场面，有时称作极化面内向两个方向进行辐射。每个方向上所生成的E场从另一个而极化，这两个极化在E平面内通常为正交。正交极化在理想状态下可阻止一个极的功率向另一个泄漏，这在度量时称为交叉极化隔离度或交叉极化鉴别度。然而，各极化可能并非完全正交，导致各极之间出现功率转移，使得RF系统中出现功率效率低下问题。

可通过将两根线性极化天线振子布置成能够产生双极化的形式，从而得到双极化的双极天线。例如，将一根双极天线振子在E平面内相对另一根双极天线振子旋转90°，即可得到双极化的双极天线。各个极化无需处于垂直或水平方向，事实上，在电信行业，经常采用正负45°或倾斜极化，其中每个极化相对垂直或水平方向偏转45°。在某些RF系统中，复制所述双极化双极天线形成阵列，可允许多个发射和接收同时进行。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种具有共用振子的双极天线振子的双极化天线。在某些实施例中，所述双极化天线可操作用于产生稳定的方位波束宽度、高带宽和良好的交叉极化隔离度，并且外形较小，具有制造成本低的优势。

根据一实施例，一种双极化天线振子包括四个辐射振子和八个馈送端口。所述四个辐射振子布置为共面菱形图样。所述四个辐射振子中相邻的振子形成四个共用振子的双极天线振子。所述四个辐射振子中每一个都在所述四个共用振子的双极天线振子中两个交叉极化的双极天线振子之间共用。所述八个馈送端口布置为分别设置在所述四个辐射振子上的四个交叉极化双馈对。所述四个辐射振子上的各个馈送端口激励所述交叉极化的双极天线振子中的至少一个。

根据一实施例，一种双馈双极化超宽带(UWB)天线包括四个辐射振子、双馈网和电路。所述四个辐射振子形成四个共用振子的双极天线振子，所述四个辐射振子布置为共面菱形图样。所述四个共用振子的双极天线振子包括两个共用振子的双极天线振子，所述两个共用振子的双极天线振子相对另外两个共用振子的双极天线振子成交叉极化。每个共用振子的双极天线振子由所述四个辐射振子中的两个辐射振子组成，并且这两个辐射振子中的每一个由各自成交叉极化的共用振子的双极天线振子共用，所述成交叉极化的共用振子的双极天线振子属于所述四个共用振子的双极天线振子。所述双馈网包括四个馈送(feed)，每个所述馈送分别耦合到所述四个辐射振子中相邻的辐射振子对上。所述四个辐射振子中的每一个分别耦合到所述四个馈送中的两个交叉极化的馈送上。所述电路包括第一和第二双极馈送电路，所述第一和第二双极馈送电路分别耦合到所述四个馈送中两个相对布置、具有相似极化的馈送上。

根据一实施例，一种用于制造双极化天线振子的方法包括形成四个辐射振子以及形成八个馈送端口。所述四个辐射振子布置为共面菱形图样。所述四个辐射振子中相邻的振子形成四个共用振子的双极天线振子。所述四个辐射振子中每一个都在所述四个共用振子的双极天线振子中的两个交叉极化的双极天线振子之间共用。所述八个馈送端口布置为分别设置在所述四个辐射振子上的四个交叉极化双馈对。所述四个辐射振子上的各个馈送端口被设置为激励所述交叉极化的双极天线振子中的至少一个。

附图说明

为更全面地理解本发明及其优点，将结合有关附图进行参照描述，其中：

图1是无线通信系统的一个实施例的方框图；

图2是双极化天线振子的一个实施例的示意图；

图3是双极化天线振子的另一个实施例的示意图；

图4是双极化天线振子的又一个实施例的示意图；

图5是双极化天线振子的另一个实施例的示意图；

图6-A和6-B是双馈网和馈送电路的一个实施例的示意图；

图7是双馈双极化UWB天线的一个实施例的示意图；

图8是馈送电路的另一个实施例的示意图；

图9是双馈双极化UWB天线的另一个实施例的示意图；

图10是双馈双极化UWB天线的另一个实施例的示意图；以及

图11是双馈双极化天线振子的制造方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

以下详细讨论各实施例的形成和使用。然而应当理解的是，本公开提供了大量创造性概念，可以在各种各样的背景中实施。本文所讨论的具体实施例仅为形成及使用本公开的各种实施例的具体方式的示意，并非限制本公开的范围。

本文所公开的是带双极化的超宽带(UWB)双极天线，其可被制作为具有稳定的3dB方位波束宽度和良好的交叉极化隔离度。UWB天线用于通过大带宽进行传输，典型的为500兆赫兹(MHz)或更高。对于给定频带，其波长为该频带内中心频率所对应的波长。某些双极天线使用两根四分之一波长的窄导体作为振子，如此得到的是窄带宽天线。UWB双极天线要求较大的天线表面来实现宽的带宽。本文所引入的双极化双馈UWB天线振子采用四分之一波长振子，其具有的面积等于四分之一波长，即λ/4。波长λ定义如下：

其中，C是光速，fcenter是频带的中心频率，且εeff是给定振子的等效介电常数。附加地，此处实现的是，通过形成共用振子的双极天线振子，四个双极天线振子可具备四个辐射振子。通过将典型的振子数从八个减少到四个，制作难度、成本和大小都可降低。共用振子的双极天线振子按照一定方式激励各天线振子，使得电流在各个双极的辐射振子上的分布不会向交叉极化的双极泄漏。所述共用振子的双极天线振子由双馈网进行馈送，此双馈网可操作用于为两个正交极化激励各个辐射振子。双馈网通过馈送端口耦合到辐射振子。此处实现的是，馈送端口在辐射振子上的位置是波长和振子的目标阻抗的函数。

图1是无线通信系统100的一个实施例的方框图。无线通信系统100包括基站110，基站110中可实施本文所引入的双馈双极化UWB天线振子。基站110服务一个或多个用户设备(UE)装置，如UE 120、UE 130、UE 140和UE 150，其接收自UE装置发起的通信，并将这些通信转发到各自的目的地，或者接收以这些UE装置为目的地的通信，并将这些通信转发到各自的目标UE装置。不同于通过基站110进行通信，一些UE装置可以直接与其他装置通信。例如，在图1的实施例中，UE 160直接向UE 150进行传输，反之亦然。基站110有时称为接入点、NodeB、演进NodeB(eNB)、控制器或通信控制器。UE 120到160有时称为站、移动站、移动设备、终端、用户或订阅者。

图2是双极化天线振子200的一个实施例的示意图。天线振子200包括四个辐射振子：振子210-1、振子210-2、振子210-3和振子210-4。天线振子200也包括八个馈送端口，即端口220-1到端口220-8。

所述四个辐射振子布置为共面菱形图样。此菱形图样的平面也是E场的平面，或称E面。E面也称极化面。所述四个辐射振子为圆形，其大小依照天线振子200的波长而定。所述四个辐射振子为四分之一波长振子，使得容纳两个辐射振子的双极天线振子为半波长双极天线振子。所述四个辐射振子中的每一个的大小都可经过计算，使得各个辐射振子的面积等于λ/4。所述四个辐射振子中相邻的一对形成共用振子的双极天线振子。振子210-1邻近振子210-2和振子210-4。振子210-1与振子210-2形成共用振子的双极天线振子230-1。类似地，振子210-2与振子210-3形成共用振子的双极天线振子230-2，振子210-3与振子210-4形成共用振子的双极天线振子230-3，并且振子210-4与振子210-1形成共用振子的双极天线振子230-4。所述四个辐射振子中每一个都被两个交叉极化的共用振子的双极天线振子共用。例如，振子210-3在共用振子的双极天线振子230-2和共用振子的双极天线振子230-3之间共用。共用振子的双极天线振子230-2的极化方向相对垂直方向顺时针转过大致45°。共用振子的双极天线振子230-3的极化方向相对垂直方向顺时针转过大致-45°，或逆时针45°。两个振子为正交极化，或称交叉极化。此外，天线振子200包括两个共用振子的双极天线振子，所述两个共用振子的双极天线振子相对另外两个共用振子的双极天线振子成交叉极化。在图2的实施例中，共用振子的双极天线振子230-2和230-4相对共用振子的双极天线振子230-1和230-3成交叉极化。在可替代实施例中，极化方向可以朝着垂直方向或水平方向旋转。不过，双极化方向应当成正交。

馈送端口220-1到220-8布置为交叉极化双馈对。四个交叉极化双馈对分别为端口220-1与端口220-2、端口220-3与端口220-4、端口220-5与端口220-6，以及端口220-7与端口220-8。各个交叉极化双馈对设置在所述四个辐射振子中的一个上。端口220-1与端口220-2设置在振子210-1上、端口220-3与端口220-4设置在振子210-2上、端口220-5与端口220-6设置在振子210-3上，以及端口220-7与端口220-8设置在振子210-4上。馈送端口220-1到220-8可操作用于激励天线振子200的四个辐射振子中的每一个。所述交叉极化双馈对的各个馈送端口被配置用于为共用振子的双极天线振子中交叉极化的一个激励其各自的辐射振子。例如，在图2的实施例中，请考虑振子210-2，其上设置有馈送端口220-3和馈送端口220-4。振子210-2是共用振子的双极天线振子230-1和共用振子的双极天线振子230-2中的振子。馈送端口220-3可操作用于为共用振子的双极天线振子230-2激励振子210-2。类似的，馈送端口220-4可操作用于为共用振子的双极天线振子230-1激励振子210-2。这些激励成交叉极化，共用振子的双极天线振子230-1与共用振子的双极天线振子230-2也成交叉极化。在图2的实施例中，所述馈送端口为适用于连接PCB馈送网的矩形触点。在可替代实施例中，馈送端口可以是圆形，其更适用于同轴连接到馈送网。

继续图2的实施例，各个共用振子的双极天线振子由馈送端口220-1到220-8中的两个馈送端口激励。共用振子的双极天线振子230-1具有振子210-1和振子210-2，被配置为通过馈送端口220-1和220-4激励。共用振子的双极天线振子230-2具有振子210-2和振子210-3，被配置为通过馈送端口220-3和220-6激励。共用振子的双极天线振子230-3具有振子210-3和振子210-4，被配置为通过馈送端口220-5和220-8激励。最后，共用振子的双极天线振子230-4具有振子210-4和振子210-1，被配置为通过馈送端口220-7和220-2激励。

馈送端口220-1到220-8中的各个馈送端口在其各自的辐射振子上的位置根据天线振子200的波长和各个辐射振子的目标阻抗来确定。在一个实施例中，共用振子的双极天线振子内的馈送端口之间的距离可以依照辐射振子的尺寸计算得到，其为λ/4振子面积、振子形状以及相邻辐射振子之间间距的函数。相邻辐射振子例如振子210-2和210-3相互隔开，使得其共用馈送端口即馈送端口220-4和馈送端口220-5连接到馈送网时可达到辐射振子的目标阻抗。在图2的实施例中，馈送端口220-4和馈送端口220-5之间的间隔为λ/32。馈送端口220-6和220-7、馈送端口220-8和220-1以及馈送端口220-2和220-3也同理。

图3是双极化天线振子300的另一个实施例的示意图。天线振子300的工作方式与图2的天线振子200相似，并且形状类似。天线振子300包括四个辐射振子：振子310-1、振子310-2、振子310-3和振子310-4。附加地，天线振子300包括图2的馈送端口220-1到220-8。天线振子300的四个辐射振子布置为共面菱形图样，与图2实施例的情况相同。四个辐射振子为圆环形，具有导电性外圈和介电性内部。在某些实施例中，所述介电性内部是PCB基底。在其他实施例中，所述介电性内部可以是空气。四个辐射振子的各个导电性外圈的各自面积等于λ/4。馈送端口220-1到220-8设置在四个辐射振子的导电性外圈上。馈送端口220-1与220-2设置在振子310-1上、馈送端口220-3与220-4设置在振子310-2上、馈送端口220-4与220-6设置在振子310-3上，以及馈送端口220-7与220-8设置在振子310-4上。

图4是双极化天线振子400的又一个实施例的示意图。天线振子400的工作方式与图2的天线振子200和图3的天线振子300相似。天线振子400的形状与天线振子300类似，包括四个辐射振子：振子410-1、振子410-2、振子410-3和振子410-4。天线振子400也包括图2和3的馈送端口220-1到220-8。天线振子400的四个辐射振子布置为共面菱形图样，与图2和3的实施例的情况相同。四个辐射振子为方环形，具有导电性外圈和介电性内部，与图2实施例中的类似。四个辐射振子的各个导电性外圈的各自体积等于……。馈送端口220-1到220-8设置在四个辐射振子的导电性外圈上。馈送端口220-1与220-2设置在振子410-1上、馈送端口220-3与220-4设置在振子410-2上、馈送端口220-5与220-6设置在振子410-3上，以及馈送端口220-7与220-8设置在振子410-4上。

图5是双极化天线振子500的另一个实施例的示意图。天线振子500的工作方式与图2的天线振子200、图3的天线振子300和图4的天线振子400相似。天线振子500包括四个辐射振子：振子510-1、振子510-2、振子510-3和振子510-4。所述四个辐射振子为泪滴形，并布置为共面菱形图样，与图2、3和4的实施例的情况相同。所述四个辐射振子中每一个都包括窄端和与其相对的球根状端。四个辐射振子的设置使得各自的窄端均指向所述共面菱形图样的中心。

天线振子500也包括布置为双馈对的八个圆形馈送端口，各个双馈对设置在四个辐射振子中各自的辐射振子上。设置在振子510-1上的是馈送端口520-1与520-2、设置在振子510-2上的是馈送端口520-3与520-4、设置在振子510-3上的是馈送端口520-5与520-6，以及设置在振子510-4上的是馈送端口520-7与520-8。这八个圆形馈送端口的工作方式与图2、3和4的实施例的矩形馈送端口相似。馈送端口520-1到520-8适用于耦合到网络，如同轴馈送网。

图6-A和6-B是图6-A中双馈网620和图6-B中电路630的一个实施例的示意图。双馈网620包括馈送器PCB 622、馈送器PCB 624、馈送器PCB 626和馈送器PCB 628。这四个馈送器PCB中每一个都被配置为通过天线振子中的馈送端口，例如通过图2、3、和4中的馈送端口220-1到220-8结合两个辐射振子。这四个馈送器PCB安装到辐射振子上时，指示了相邻振子的间距。例如，馈送器PCB 622中顶沿上包括凹口636，此处即可结合辐射振子。凹口636的尺寸是波长和辐射振子的目标阻抗的函数。在图6-A和6-B的实施例中，凹口的宽度为λ/32。凹口636的边缘具有导电性，等效地形成了平行板电容器。这四个馈送器PCB中每一个也包括导电线路638，耦合两个相结合的辐射振子。凹口636与导电线路638一起可以用LC电路表示。凹口636与导电线路638的大小和形状被设计为使得其代表性LC电路所具有的阻抗与辐射振子的目标阻抗相匹配。

电路630包括两个交叉极化的双极馈送电路，即双极馈送电路632和双极馈送电路634。当耦合到双馈网620时，双极馈送电路632耦合到馈送器PCB 624和馈送器PCB 628，并且双极馈送电路634耦合到馈送器PCB 622和馈送器PCB 626。

图7是双馈双极化UWB天线700的一个实施例的示意图。天线700中包括圆柱形罩壳710，罩壳710中容纳图6-A和6-B的电路630和双馈网620的集合，以及UWB天线振子720。圆柱形罩壳710可以具有导电性，从而在工作频带上提供交叉极化隔离和-3dB波束宽度稳定性。隔离量可以根据圆柱形罩壳710的高度进行调整。UWB天线振子720与图2、3、4和5的天线振子实施例同为双极化双馈。UWB天线振子720包括四个共用振子的双极天线振子，每一个都具有两个圆形辐射振子，其类似于图2的天线振子200。双馈网620通过分别设置在四个辐射振子上的八个馈送端口耦合到UWB天线振子720。双馈网620也耦合到电路630，从而将双极馈送电路632耦合到图6-A和6-B的馈送器PCB 624和馈送器PCB 628，并将双极馈送电路634耦合到也在图6-A和6-B中的馈送器PCB 622和馈送器PCB 626。

图7的实施例示出了UWB天线振子720，其如图2的天线振子200。参照图2的实施例，双极馈送电路632可操作用于通过双馈网620向共用振子的双极天线振子630-2和共用振子的双极天线振子630-4进行馈送。类似地，双极馈送电路634可操作用于向共用振子的双极天线振子630-1和共用振子的双极天线振子630-3进行馈送。

图8是馈送电路800的另一个实施例的示意图。馈送电路800包括第一双极馈送电路810和第二双极馈送电路820。两个双极馈送电路中的每一个都包括主分支，该主分支分裂为两个小分支。两个小分支在馈送电路800上相对设置。第一双极馈送电路810和第二双极馈送电路820互为正交。如同在图6-B的实施例中，馈送电路800被配置为可耦合到馈送网，用于对至少四个天线振子进行馈送。

图9是双馈双极化UWB天线900的另一个实施例的示意图。UWB天线900包括图8的馈送电路800，并且还包括振子结构910、馈送结构920、介电层930以及同轴馈送网940。振子结构910包括四个辐射振子，其类似于图2、3、4和5的实施例中的辐射振子。在图9的实施例中，振子结构910由铸造的导电性材料形成，如铝。振子结构910与馈送结构920铸为一体，成为单个导电性组件。同轴馈送网940设置在馈送结构920内部，并将振子结构910耦合到馈送电路800。同轴馈送网940是双馈网，其耦合振子结构910中相邻的辐射振子，从而形成四个共用振子的双极天线振子。这些共用振子的双极天线振子由同轴馈送网940通过馈送结构920进行馈送，馈送结构920将各个辐射振子耦合到馈送电路800。

在振子结构910下方的是介电层930。振子结构910的形状和尺寸都是UWB天线900的波长的函数，因此也都是振子结构910的等效介电常数的函数。在振子结构910下方加入介电层930可有效提高振子结构910的等效介电常数，从而得到更小的波长和更紧凑的辐射振子。馈送结构920被设计为在相邻振子之间提供λ/32的间距，以达到辐射振子的目标阻抗。附加地，馈送结构920的垂直部形成平行板电容器，类似于图6-A中馈送网620的情况，并且同轴馈送网940产生电感。四个辐射振子中每一个的阻抗都可以用对应的LC电路表示。

图10是图9的双馈双极化UWB天线900的另一个示意图。UWB天线900包括圆柱形罩壳1010，其类似于图7的圆柱形罩壳710。圆柱形罩壳1010中容纳图9的UWB天线900，其中还包括馈送电路800、馈送结构920、振子结构910和附在振子结构910下方的介电层930。

图11是双馈双极化天线振子的制造方法的一个实施例的流程图。此方法以开始步骤1110开始。在第一形成步骤1120，形成四个辐射振子。所述四个辐射振子布置为共面菱形图样。四个辐射振子中相邻的振子形成四个共用振子的双极天线振子。四个辐射振子中每一个都在这四个共用振子的双极天线振子的两个交叉极化的双极天线振子之间共用。在某些实施例中，这四个辐射振子设置在PCB上。这四个辐射振子可以用铜或其他材料形成在介电基底上。要在介电基底上形成这些振子，可以通过各种PCB工艺完成，包括加成技术和减去技术。在其他实施例中，这四个辐射振子由铸铝组成。铸铝辐射振子也可包括铸铝馈送网，所述振子和馈送网可以形成为单个铸铝组件。附加地，在一些实施例中，铸铝辐射振子具有贴附在各个振子底面上的介电层。由于所述介电层会改变等效介电常数，从而缩短波长，故而可在给定工作频带内实现更为紧凑的天线振子。

在第二形成步骤1130，形成八个馈送端口。所述八个馈送端口被布置为四个交叉极化双馈对。所述双馈对分别设置在所述四个辐射振子上。这四个交叉极化双馈对的各个馈送端口分别可操作用于为这四个共用振子的双极天线振子中交叉极化的一个激励四个辐射振子中的一个。各个辐射振子上的馈送端口的大小和位置依照波长和目标阻抗确定。附加地，双馈双极天线振子可耦合的馈送网指示了馈送端口的形状。例如，在用于配合同轴馈送网的实施例中，馈送端口应当为圆形。在用于配合PCB馈送网的实施例中，馈送端口通常为矩形槽。通过去除可能位于馈送端口处的导电性和任何介电性材料，可以在辐射振子上形成馈送端口。例如，在于PCB上形成辐射振子的实施例中，通过切穿或钻穿铜和基底，留出PCB馈送网或同轴馈送网可以通过其进行耦合的开口，即形成了馈送端口。在具有铸铝辐射振子的实施例中，馈送端口在铸造中指定，与辐射振子同时成形。在具有单个组件式铸铝馈送网和辐射振子的实施例中，辐射振子、馈送网和端口全部同时铸造成形。然后，本方法在结束步骤1140结束。

还公开了一种双极化天线振子，包括：四个辐射振子元件，其布置为共面菱形图样，其中所述四个辐射振子中相邻的振子形成四个共用振子的双极天线振子，并且其中所述四个辐射振子中每一个都在所述四个共用振子的双极天线振子中的两个交叉极化的双极天线振子之间共用；以及八个馈送端口元件，其布置为四个交叉极化双馈对，分别设置在所述四个辐射振子上，其中所述四个辐射振子上的各个馈送端口激励所述交叉极化的双极天线振子中的至少一个。

虽然参照示意性实施例对本发明进行了描述，但此描述并非旨在被视为限制性的。一旦参照所述描述，所述示意性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例对于本领域普通技术人员而言，将是显而易见的。例如，不再是具有四个辐射构件，有可能具有四的任意倍数个(例如八、十二、十六、二十)，按照与本文所示出的四个辐射构件大体类似的方式布置。因此，所附的权利要求旨在涵盖任意此类修改或实施例。