用于无线网络的双频段多列天线阵列的制作方法

本公开大体上涉及通信系统和部件，并且具体涉及多列天线阵列架构，其包含空间地设置的多个被动辐射元件，具有被定位在较低频率辐射元件的范围内的较高频率辐射元件的正交，同时在其间提供独立操作。

背景技术：

通过空间分集方案或者极化分集方案来设计用于移动通信的基站天线，从而减少衰落现象。空间分集方案是指安装发送天线和接收天线，同时使它们彼此间隔开预定距离，并且在空间方面限制大，具有成本劣势。因此，移动通信系统通常使用应用了极化分集方案的双频段双极化天线。

现代无线天线阵列实施方式通常包括多个辐射元件，该多个辐射元件可以设置在限定出辐射信号波束宽度和仰角平面角度的共用反射器平面上方。多频段天线是在多个无线电频段(即，两个或者更多个频段)中提供无线信号的天线。这些天线是常用的，并且在诸如GSM、GPRS、EDGE、UMTS、LTE和WiMax系统等无线通信系统中是众所周知的。在这个方面中，天线阵列通常包括适用于在不同频段中进行发送和/或接收的多个天线元件。通常来说，双频段天线元件适用于在较低频段中和在较高频段中进行发送和/或接收，而单频段天线元件仅仅适用于在较高频段中进行发送和/或接收。双频段天线元件和单频段天线元件设置为使在相同频段中进行发送和/或接收的两个相邻元件的中心之间的距离常常是给定操作频段的中心频率的波长λ的0.5倍至1.0倍，并且通常是该波长的0.8λ左右。即，两个相邻的单频段天线元件Sx之间的距离常常是较高频段的中心频率的波长的0.8倍，而两个相邻的双频段天线元件Qx之间的距离常常是较低频段的中心频率的波长的0.8倍。

在Teillet等人所提出的美国公开2013/0002505中已经公开了现有天线系统天线组件。在该公布的申请中，天线组件包括：反射器；配置在反射器上方的第一频段辐射元件阵列，这些元件设置成在第一方向上延伸的一个或者多个列；以及配置在反射器上方的多个第二频段辐射元件，该多个第二频段辐射元件包括第一子组和第二子组，第一子组的辐射元件中的每一个基本上位于与对应的第一频段辐射元件相同的位置，以及其中，第二子组的辐射元件配置在第一频段辐射元件的外部，第二子组在第一方向上相对于第一子组的辐射元件偏移。虽然这种类型的天线元件阵列布置被人们采用并且产生了可接受的性能，但是由于其尺寸和重量较大，所以一些天线参数致使部署受限，这是根据操作频率通过天线元件之间的间隔来强制执行的。在现有布置中，双频段天线元件在较低频段中需要的间隔为Vs1+Vs2+Vs1>2λ(其中，Vs1和Vs2的尺寸与在HAx轴之间的间隔有关)，这限制了可以放置到反射器上的双频段天线元件的数量，使得在低频段中的正向增益低于可能产生的正向增益。因此，需要提高多频段天线的紧密度，这导致较大的正向增益(在两个频段中都如此)，同时每单位体积-重量提供更多数量的独立RF终端以分配给这种多频段天线阵列。

技术实现要素：

本公开提供了一种天线阵列布置，该天线阵列布置完全地或者部分地减轻和/或解决现有天线阵列布置的缺点。更具体地，本公开提供了一种可以支持双频段元件的天线阵列布置，其中，在较低频段(FL)与较高频段(FH)之间的操作频率范围比较低频段高1.8倍至3.4倍。

本公开还提供了一种天线阵列布置，该天线阵列布置具有比现有技术解决方案更小、更轻的风载荷。本公开还提供了一种替代天线阵列布置，与现有技术相比，该替代天线阵列布置在保持分配给天线阵列的总体体积和重量相同的同时在多个频段中提供了更高的正向增益。

根据本公开的一个方面，利用用于多频段天线的天线阵列布置来实现这些特征，该天线阵列布置包括适用于在较低天线频段中和在较高天线频段中进行发送和/或接收的多个第一双频段天线元件、适用于在较高天线频段中进行发送和/或接收的多个第一单频段天线元件，第一双频段天线元件和第一单频段天线元件设置成一行，其中，至少两个第一频段天线元件设置为彼此相邻。

本公开的进一步的特征和优点将通过本公开的以下详细描述得以了解。本公开的目的是提供一种采用叉指形(interdigitated)天线元件技术来实现宽频率覆盖范围的双频段多列天线。在实现本公开的这些和其它目的、特征和优点时，为无线网络系统提供基于叉指形天线模块的天线阵列。

附图说明

图1是垂直定位的多列天线阵列的前视图；

图2是垂直定位的多列天线阵列的现有技术前视图；

图3是多频段天线元件模块的等距剖视图；

图4是详述了低频率(FL)偶极元件结构的多频段天线元件模块的部分等距视图；

图5是用于对多频段天线元件的低频段部分和高频段部分进行馈送的垂直支撑构件的等距视图；

图6是用于对多频段天线元件的低频段部分和高频段部分进行馈送的垂直支撑构件的集成细节；

图7是用于对馈送高(FH)频段孔径耦合贴片(ACP)元件进行馈送的天线元件分布网络的俯视图；

图8是详述了馈送网络的高频段天线元件的四分之一的俯视图；

图9是与12端口天线系统一起使用的RF信号分布网络图示的一半；

图10是详述了统一孔径馈送基板的替代高频段天线元件的俯视图；

图11是详述了寄生辐射器的放置的天线模块元件的等距视图；以及

图12是天线模块的等距视图，其中，高频段(FH)辐射元件的替代实施例利用了四边形偶极对(quad dipole pair)。

具体实施方式

对附图进行参照，该附图协助说明本公开的各种突出特征。由于相同元件在平行路径中的多定位和用途，可以不加后缀a或者b等来提及这些元件，这是因为后缀指示元件的相关配对或者分组没有区别。现在将主要从解决与介于其间的有双频段能力的天线元件的使用相关的上述问题来描述本公开，并且应该清楚地理解，本公开可以应用于需要或者期望天线阵列的多频段操作的其它申请。在这一点上，为了说明和描述起见，呈现了多频段多列交叉极化天线阵列的以下描述。此外，本说明书并不旨在将本公开限于本文所公开的形式。因此，与以下教导以及相关领域的技能和知识一致的变化和修改在本公开的范围内。本文所公开的实施例进一步旨在阐释已知的用于实践所公开的本公开的模式，并且使本领域的其他技术人员能够在等效实施例或者替代实施例中结合被认为是对本公开的具体应用或者使用必要的各种修改来利用本公开。由于应该理解，除非另有规定，否则信号流是互补的和双向作用的，本天线适合于接收和发送视频(RF)信号。

本公开有利地提供了叉指形天线元件以在天线阵列中实现多频段操作来进行接收和发送。参照图1，现在将描述具有两列垂直定向的对称(12、14)轴的天线阵列(2)的第一优选实施例，每列具有沿相应的列(12、14)轴纵向地定位在共用天线反射器(10)的面朝外的表面(10a)上的5个组合天线模块(20A至20E；30A至30E)。应该理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将组合天线模块(20A至20E；30A至30E)的数量修改为满足特定应用要求。可以通过使用导电材料(诸如，具有宽度尺寸W(沿x轴)和长度尺寸L(沿y轴)的铝合金)来构造共用反射器面板(10)，该共用反射器面板(10)具有面朝外的(前)表面(10a)和后表面(10b)。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用替代材料和技术。每个组合天线模块(20A至20E；30A至30E)由外围的垂直和水平的部分栅栏(16A至16B)包围，这些栅栏电气地并且机械地附接至天线反射器(10)的面朝外的表面(10a)并且用于改进低频率元件交叉隔离，但是应该注意，在图1中未示出诸如周界边缘褶皱、贯穿开口、以及必要时可以添加的结构加强元件等其它反射器特征。在第一优选实施例中，将用于将RF信号路由至单独的组合天线模块(20A至20E；30A至30E)和从单独的组合天线模块(20A至20E；30A至30E)路由RF信号的RF分布网络(40至50)放置在共用天线反射器(10)的背面(10b)上。稍后将详细描述天线馈送网络(40至50)。每列(12、14)与反射器(10)中心线轴CL间隔开从共用反射器中心线CL到每一侧的距离dx1和dx2(沿X轴)。在第一优选实施例中，距离dx1和dx2是相同的，但是可以将每个尺寸修改为实现替代波束宽度配置或者应用。距离dx1+dx2限定出沿x轴的在组合天线模块(20A、30A)的中心之间的分开距离。通常，该纵向分开距离是0.6λ≤(dx1+dx2)≤0.9λ，其中，λ是在低频段(FL)的中心频率处的波长。相似地，在对应列(12、14)中的天线组合模块(20A至20E；30A至30E)沿y轴分别间隔开垂直分开距离dy1和dy2。应该注意，可以将dy1＝dy2修改为满足替代性能要求，然而，在第一优选实施例中，使用在组合天线模块之间的等效距离。一般而言，0.6λ≤(dy1,dy2)≤1.2λ，其中，λ是在低频段(FL)的中心频率处的波长。目前，在低频段(FL)中的蜂窝系统在698MHz至960MHz的频率范围内操作，因此，LF元件具有大于24％的操作带宽和在50度至38度的范围内的水平波束宽度。在高频段(FH)中，天线元件在1710MHz至2690MHz的频率范围内操作，具有大于34％的操作带宽和在37度至47度的范围内的水平波束宽度。两个正交极化的仰角波束宽度针对低频段和高频段分别在29度至37度和10度至15度的范围内。在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用替代频率范围。

现在将描述在第二优选实施例中的天线阵列(2)，其仅仅配备有列12轴，每列具有沿相应的列(12、14)轴纵向地定位在共用天线反射器(10)的面朝外的表面(10a)上的5个组合天线模块(20A至20E；30A至30E)。

在天线阵列(2)的底部山墙(101)处提供RF接口(90)，但是可以根据需要将其位置修改为合适的位置。在第一优选实施例中，提供了6个天线端口集(91至96)。每个RF天线端口集由专用于+45度极化和-45度极化的RF端口组成，即，总共提供12个RF接口(91a、b至96a、b)。

参照图3，现在将描述双频段组合天线叉指形模块(20A至20E；30A至30E)。可以将双频段组合天线模块结构分解为三个主要的子元件：

1)垂直馈送网络(60)，该垂直馈送网络(60)提供了将RF信号路由至相应的天线元件和从相应的天线元件路由RF信号的方式、以及将辐射元件的机械支撑在共用天线反射器(10)的面朝外的表面(10a)上方。

2)在较低频段(FL)中提供交叉极化的一对(2x)叉指形平面偶极子(70、71)元件。当平面偶极子(70、71)元件馈送器独立地耦合至收发器前端时，这种布置在低频段(FL)中允许2×2MIMO操作。

3)利用定位在由平面偶极元件(70a至b；71a至b)限定的周界内的孔径耦合交叉极化贴片(ACP)天线元件的高频段(FH)微带阵列天线元件(80a至d)的正交(4x)。当高频段(FH)微带阵列天线元件(80a至d)贴片(ACP)天线元件馈送器独立地耦合至收发器前端时，这种布置在高频段(FH)中允许4×4MIMO操作。

进一步参照图3和图4，现在将详细描述双频段组合叉指形天线模块辐射天线元件结构。在图4的部分视图中，提供了低频段(LF)对(2x)叉指形平面偶极子(70、71)元件，该元件提供交叉极化(-45/+45度)电磁信号接收和发送。通过使用两个矩形的平面偶极臂(70a、b；71a、b)来构造每个偶极(70、71)。四个平面偶极元件(71a、70a、71b、70b)优选设置为在由两个正交坐标轴+45度和-45度划分的平面上形成四段式象限，因此，两条轴在共用垂直对称轴(12、14)处发生相交。可以选择每个偶极臂的总体尺寸来在LF频段中提供合适的辐射特性，并且可以通过使用现代EM软件来计算该总体尺寸。偶极臂(70a、b；71a、b)由大体上平面的导电材料(例如，铝)来构成。然而，可以使用诸如电镀塑料等替代材料。第一LF偶极子(70)利用相对于X轴定向为-45度的一对偶极臂70a、b，而第二偶极子(71)利用相对于X轴定向为+45度的一对偶极臂(72a、b)。进一步地，每个矩形的平面偶极臂(70a、b；71a、b)设置有凸腔(72a、b；73a、b)，该凸腔(72a、b；73a、b)具有限定的周界尺寸和深度。优选地，腔具有大体上立方体的体积，但是可以使用替代形状(诸如，圆形或者椭圆圆柱形)或者形状的组合来为高频率FH频段元件性能提供所需的性能。腔底表面的凸部邻近天线反射器平面10的面朝外的(前)表面(10a)。利用四个腔(72a、b；732、b)来防止来自已经从该视图省略的高频率FH频段孔径耦合贴片元件的后侧辐射。每个腔的几何中心也限定出每个FH辐射元件(80a至d)的中心点及其相应的分开距离dx3、dy3。Y轴中心线(12a、b；14a、b)从垂直对称轴(12、14)偏移了距离dx3/2。相似地，水平X轴中心线(18a、b)从天线模块水平对称轴(18)偏移了距离dy3/2。进一步地，稍后将描述属于FH频段元件结构的细节。FL频段偶极元件(70a、b；71a、b)在FL频段中提供辐射，同时为FH频段元件提供后腔遮挡，从而在FH频段中提供受控辐射图。

参照图3、图4和图5，现在将描述双频段天线模块(20A至20E；30A至30E)主馈送网络(60)。在第一优选实施例中，主馈送网络(60)包括沿长度轴正交地定位在其间的第一平面结构和第二平面结构(61a、61b)。第一平面结构和第二平面结构(61a、61b)可以由适合于形成微带基板的介电材料(64a、64b)制成。在每个介电材料基板(64a、b)中机械加工有狭槽以允许形成互锁X结构。每个平面结构(61a、b)用作微带基板，该微带基板具有与微带导体侧相对的连续导体平面侧。连续导体平面向微带线提供接地参考。优选地，在天线元件和位于反射器面板10的后侧上的RF分布网络之间路由微带线(62a至e、63a至e)。可替代地，可以利用同轴电缆、带线和其它发送线技术来替代平面介电平板(61a、b)。下面的表1针对每个微带提供了详细的信号路由。

J馈送网络用于耦合至用于低频段(FL)的平面偶极元件。高频段馈送器耦合至用于高频段操作(FH)的孔径耦合贴片天线元件。上边缘(64a、b)从偶极臂(70a、b；71a、b)中的对应狭槽突出。经由顶侧接地贴片(65a至d)，结合在主馈送网络(60)的第一和第二平面结构(61a、b)接地平面与叉指形平面偶极(70、71)臂之间的过孔，来提供组合电容耦合接地连接，以向四个(80a至d)孔径耦合贴片(ACP)天线元件提供接地参考。

参照图7，双频段天线模块(20、30)包括四个(80a至d)孔径耦合贴片(ACP)天线元件。为了清楚起见，已经移除了定位在孔径馈送基板(81a至d)上方的孔径(83a至d)和导向器(director)贴片元件(84a至d；85a至d)，以允许能直接看到定位在下面的孔径馈送基板(81a至d)。所有四个高频段(80a至d)ACP的结构相似，并且后续描述适用于所有四个ACP天线元件。四个(80a至d)孔径耦合贴片(ACP)天线元件定位在每个对应的偶极臂(70a、b；71a、b)的面朝外的表面上。腔(72a、b；73a、b)为ACP元件提供从前到后的辐射图控制。优选地，孔径馈送基板(81a至d)共面地安装在每个对应的偶极臂(70a、b；71a、b)的面朝外的表面上，这是因为孔径馈送基板(81a至d)不会对在较低频段(FL)中的偶极性能特性产生不利影响。此外，可以采用单一材料(81)替代四个单独的基板(81a至d)来构造孔径馈送基板。

参照图8，现在将描述孔径馈送基板(81a至d)的细节，该孔径馈送基板(81a至d)耦合RF信号以激励至+45度极化信道和-45度极化信道。馈送线布置可以包括50ohm线(87d、f)，该50ohm线(87d、f)定位在孔径馈送基板(81a)的面朝外的表面上，分为两条100ohm线(88d、f；89d、f)。这两条线激励构造在介电材料(82a至d)上并且对称定位在孔径馈送基板(81a)上方的孔径(83a)。这些线终止于开路截线以在频率范围内将输入阻抗匹配为100ohm，并且可以对两个信道应用少量的对称电容调谐(88至89t、s；88q、r)。通过十字形孔径83a(在图7、图8中未示出)，利用馈送网络(88a)，来提供双极化操作。该馈送布置提供了在频率范围内实现高端口对端口(63f、63d)隔离和良好交叉极化所必需的对称性。因为两个极化信道的馈送器(88d、f；89d、f)定位在相同的层，所以必须具有在一点处彼此交叉从而构造成空气桥(89j)的微带线。选择贴片的大小和位置，以便在频率范围的下频段和上频段中实现良好性能。为了控制方位角波束宽度，从十字形孔径(83a)将附加的导向器贴片元件(84a、85a)定位在朝外的方向上。为了在相邻的模块(20a&b、20b&c、30a&b、30b&c等)之间提供增强的交叉极隔离，将多个垂直对齐的寄生共振元件(103a至d)与沿共用垂直对称轴(12a、b；14a、b)的LF偶极子电容地耦合。在本公开中，可以实施四个寄生共振元件，然而，可以使用任何合适的数量。可替代地，可以通过使用非导电装置(诸如，塑料螺丝或者波普铆钉)来将多个水平定位的寄生共振元件(105a至d)沿着在相邻的列模块(20a、30a、20b、30b)之间的共用水平对称轴(18a、b)电容地耦合并且机械地附接至LF偶极子。可以实施任何数量的垂直和水平对齐的寄生共振元件(103a至d)和(105a至d)的任何组合，以提供交叉极隔离性能。

参照图8，现在将描述从RF耦合端口到辐射天线元件的RF馈送分布网络。在图8中，呈现了天线的一半(即，左侧)的细节。天线的右侧被相似地构造并且自身包含低PL2和高PH3、PH4频段相位的和对应的互连。

在第一优选实施例中，针对高频段的4×4MIMO和低频段的2×2MIMO来配置天线。在天线的下山墙(90)处提供了总共12个RF接口端口(91至96a、b)。在内部，接口端口(91至96a、b)耦合至对应的低频段(PL1、PL2)移相器和高频段(PH1至4)移相器，即，功分网络。通常，针对固定的波束下倾斜使用固定的移相器(即，功分网络(PL1、2；PH1至4))，或者可替代地，可变移相器可以提供可调波束倾斜。在下表中提供了天线的左侧的互连细节，右侧被相似地构造。

图9是与12端口天线系统一起使用的RF信号分布网络图示的一半。

图10是详述了单一孔径馈送基板的替代高频段天线元件的俯视图。

图11是详述了寄生辐射器的放置的天线模块元件的等距视图。

图12是天线模块的等距视图，其中，高频段(FH)辐射元件的替代实施例利用了四边形偶极对。

替代配置也是可能的。例如，2×2更高的增益MIMO。