用于具有阻挡共模辐射寄生的内置柄过滤器的基站天线的双极化辐射元件的制作方法

1.本发明涉及无线电通信和天线装置，且更具体地涉及用于蜂窝通信的双极化天线和操作双极化天线的方法。


背景技术：

2.蜂窝通信系统是本领域中众所周知的。在典型的蜂窝通信系统中，一个地理区域通常被划分成通常称为“小区”的一系列区域，这些区域由相应的基站提供服务。每个基站可包括一个或多个基站天线(bsa)，这些基站天线被配置成提供与由基站服务的小区内的移动用户的双向射频(“rf”)通信。在许多情况下，每个基站都被划分为“区段”。在可能最常见的配置中，六角形形状的小区被划分成三个120
°
扇区，并且每个扇区由一个或多个基站天线提供服务，这些基站天线可具有近似65
°
的方位角半功率束宽(hpbw)，从而为每个120
°
扇区提供足够的覆盖。通常，基站天线安装在塔架或其它升高的结构上，辐射图案(亦称“天线束”)从其向外指向。基站天线通常实施为辐射元件的线性或平面相控阵列。
3.而且，为了适应日益增长的蜂窝通信量，蜂窝运营商已经在各种频带中增加了蜂窝服务。尽管在一些情况下，可以使用所称的“宽带”辐射元件的单个线性阵列在多个频带中提供服务，但在其它情况下，可能必须在多频带基站天线中使用辐射元件的不同线性阵列来支持附加频带中的服务。
4.一种常规的多频带基站天线设计包括相对“低频带”辐射元件的至少一个线性阵列，该至少一个线性阵列可用于在617
‑
960mhz频带中的一些或全部中提供服务。另外，为了降低成本并提供更紧凑的天线，这些“低频带”辐射元件中的每一个可以被配置成围绕对应的相对“高频带”辐射元件，所述相对高频带辐射元件用于提供在1695
‑
2690mhz频带的一些或全部中的服务。
5.常规的盒形偶极子辐射元件可包括布置成限定盒状形状的四个偶极子辐射器。四个偶极子辐射器可以在共同平面中延伸，并且可安装在可平行于共同平面延伸的反射器的前方。所称的馈电柄(feed stalk)可用于从反射器向前安装四个偶极子辐射器，并且可用于在偶极子辐射器与天线的其它部件之间传递rf信号。在这些常规的盒形偶极子辐射元件中的一些中，总共可以提供八个馈电柄(4x2)，并且可以连接到盒的拐角处的盒形偶极子辐射器。
6.例如，如由图1a
‑
1b所示，用于基站天线的常规多频带辐射器10可包括相对高频带辐射元件10a，该相对高频带辐射元件居中于相对低频带辐射元件10b并且由该相对低频带辐射元件围绕四边，所述相对低频带辐射元件被配置为盒形偶极子辐射元件(“盒形偶极子”)。rf信号可以通过“盒”的两个相对的和“被激励的”拐角处的馈电柄馈送到常规盒形偶极子辐射元件的四个偶极子辐射器，如图1a中所示。响应于馈送到两个被激励的“差模”端口的差模(dm)电流，作为响应，将共模(cm)电流自动地强加到盒的两个直径相对的不被激励的拐角上。并且，由于这些共模电流作为单极子在这些“不被激励”的馈电柄上辐射，因此
盒形偶极子10b的总体辐射方向图实际上是两个偶极子和两个单极子(具有“空”)的组合，如图1b的简化辐射方向图所示的。遗憾的是，在设计盒形偶极子辐射器时，源自单极操作的辐射可能是非常不合需要的。例如，尽管使共模电流在与盒形偶极子10b中的差模电流相同的时间辐射，可预期稍微缩小盒形偶极子10b的方位角hpbw，因为存在由单极子辐射器引起的两个零，盒形偶极子10b的并发共极化辐射方向图可预期在辐射方向图中展示升高的“肩部”，这可能显著降低总体天线性能。
7.现在参考图2a
‑
2b，示出了常规的交叉极化盒形偶极子辐射元件20、20’(具有向内倾斜的馈电柄且因此倾斜的单极子)，其相对于图1a的低频带辐射元件10b以类似方式操作。因此，如图所示，盒形偶极子辐射元件20、20’的第一对直径相对的“差模”端口的激励可以在对应的第二对端口中感应共模(cm)电流，这导致来自一对倾斜单极子的单极型辐射。并且，如还由图2a所示，这种单极型辐射可导致在与盒形偶极子20相关联的方位角辐射方向图中产生不期望的“肩部”(s)。


技术实现要素：

8.用于基站天线(bsa)的双极化辐射元件可利用柄型滤波器(stalk
‑
based filter)来抑制共模辐射寄生。根据本发明的一些实施例，天线辐射元件设置有第一辐射器臂和第二辐射器臂，所述第一辐射器臂和第二辐射器臂可由馈电柄支撑在衬底的前方。此馈电柄包括电耦合到第一辐射器臂的第一馈电路径，电耦合到第二辐射器臂的第二馈电路径，以及具有分别电连接到第一馈电路径和第二馈电路径的第一端口和第二端口的共模带阻滤波器。此共模带阻滤波器中包括一对耦合的电感器。在本发明的一些实施例中，所述一对耦合的电感器可设置在馈电柄的基部与远端的中间。
9.所述一对耦合的电感器包括：(i)第一电感器，所述第一电感器具有电耦合到所述共模带阻滤波器的第一端口的载流端子，以及(ii)第二电感器，所述第二电感器具有电耦合到所述共模带阻滤波器的第二端口的载流端子。所述馈电柄还可以被配置为印刷电路板，所述印刷电路板在其第一和第二相对面上具有图案化敷金属，并且所述一对耦合的电感器可以由在所述印刷电路板的第一和第二相对面上的图案化敷金属限定。另外，第一馈电路径可电连接到所述一对耦合的电感器中的第一电感器，所述第二馈电路径可由所述印刷电路板中的电镀通孔电连接到所述一对耦合的电感器中的第二电感器。
10.根据本发明的附加实施例，共模带阻滤波器被配置成使得电耦合到第一端口的第一阻抗等于z1，电耦合到第二端口的第二阻抗等于z2，其中：z1＝r1+jωl1+jωm(i2/i1)；z2＝r2+jωl2+jωm(i1/i2)；r1和r2分别是所述第一电感器和所述第二电感器的电阻；l1和l2分别是所述第一电感器和所述第二电感器的电感；m是所述第一电感器与所述第二电感器之间的互感；i1和i2分别是流入所述第一端口和第二端口的第一电流和第二电流；并且ω是所述第一电流和第二电流的角频率。这些阻抗z1和z2被配置成当i1等于i2时阻挡具有高频率依赖性反应的共模信号，但当i1等于
‑
i2时选择性地且有效地传递具有非常低电阻的差模信号。
11.在本发明的其他实施例中，天线被配置为盒形偶极子天线，其具有第一馈电端口至第四馈电端口，所述第一馈电端口至第四馈电端口与所述盒形偶极子的相应第一拐角至第四拐角通信。第一馈电端口设置在第一拐角处，并且由所述共模带阻滤波器电耦合到所
述第一馈电路径和所述第二馈电路径。在本发明的其它实施例中，天线被配置为具有至少第一馈电端口的环形天线，所述第一馈电端口由共模带阻滤波器电耦合到所述第一馈电路径和所述第二馈电路径。
12.根据本发明的附加实施例，提供一种盒形偶极子天线，其包括第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器具有电耦合到第一共模带阻滤波器的相应第一端口和第二端口的第一偶极子臂和第二偶极子臂。第一共模带阻滤波器被配置成使得其中的电耦合到第一端口的第一阻抗等同于z1，其中的电耦合到第二端口的第二阻抗等同于z2，其中：z1＝r1+jωl1+jωm(i2/i1)；z2＝r2+jωl2+jωm(i1/i2)；r1和r2分别是第一电感器和第二电感器的电阻；l1和l2分别是所述第一电感器和所述第二电感器的电感；m是所述第一电感器与所述第二电感器之间的互感；i1和i2分别是流入所述第一端口和第二端口的第一电流和第二电流；并且ω是所述第一电流和第二电流的角频率。另外，第一共模带阻滤波器可以集成到第一馈电柄中，所述第一馈电柄：(i)电耦合到第一偶极子臂的第一端和第二偶极子臂的第一端，并且(ii)将第一偶极子辐射器支撑在衬底(例如基站天线的接地平面反射器)的前方。
13.根据本发明的另外其它实施例，提供一种天线，其包括辐射器(例如，环形偶极子、盒形偶极子等)和馈电柄。由第一馈电路径和第二馈电路径电耦合到辐射器的此馈电柄包括共模带阻滤波器，所述共模带阻滤波器具有分别电连接到第一馈电路径和第二馈电路径的第一端口和第二端口。在本发明的这些实施例中的一些实施例中，共模带阻滤波器中包括一对耦合的电感器，所述一对耦合的电感器可设置在馈电柄的基部与远端的中间。该对电感器包括：第一电感器，所述第一电感器具有电耦合到所述共模带阻滤波器的第一端口的第一载流端子；以及第二电感器，所述第二电感器具有电耦合到所述共模带阻滤波器的第二端口的第一载流端子。
14.在本发明的这些实施例中的一些实施例中，所述馈电柄可包括印刷电路板，所述印刷电路板在其第一和第二相对面上具有图案化敷金属，并且所述一对耦合的电感器可以至少部分地由在所述印刷电路板的第一和第二相对面上的图案化敷金属限定。另外，第一馈电路径可以电连接到所述一对耦合的电感器中的第一电感器，而第二馈电路径可以由所述印刷电路板中的电镀通孔电连接到所述一对耦合的电感器中的第二电感器。
附图说明
15.图1a是根据现有技术的多频带辐射器的示意图，所述多频带辐射器包括由低频带盒形偶极子辐射元件包围的高频带辐射元件，示出了其中的模拟差模电流和共模电流。
16.图1b示出了根据现有技术的盒形偶极子天线的差模(dm)和共模(cm)辐射方向图。
17.图2a示出了具有倾斜单极子的常规盒形偶极子辐射元件，以及具有不合需要的肩部的模拟方位辐射方向图。
18.图2b示出了具有倾斜单极子的常规金属板盒形偶极子辐射元件，以及突出不合需要的肩部的模拟辐射方向图。
19.图3a是根据本发明的实施例的具有包含共模带阻滤波器的馈电柄的环形天线的透视图。
20.图3b是根据本发明的实施例包括多层印刷电路板(pcb)的馈电柄的透视图。
21.图3c是根据本发明的实施例的图3b的馈电柄的前视图，其示出印刷电路板的正面
上的图案化敷金属。
22.图3d是根据本发明的实施例的图3b的馈电柄的前视图，但去掉印刷电路板正面上的所有图案化敷金属，仅有在印刷电路板背面上的图案化敷金属可见(透过pcb看到)。
23.图3e是根据本发明的实施例的图3b的馈电柄的印刷电路板的前视图，其示出一对电镀通孔。
24.图3f是根据本发明的实施例的图3b的馈电柄的透视图，但为图示目的假设透明印刷电路板，使得可以图示与共模带阻滤波器相关联的电流路径。
25.图4是根据本发明的实施例的利用图3b
‑
3f的四个馈电柄的盒形偶极子天线的自上而下平面图。
具体实施方式
26.现在将参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施，且不应解读为局限于本文陈述的实施例；而是，提供这些实施例使得本公开将是彻底完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的参考数字指全部相同的元件。
27.将理解尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各个元件，但这些元件不应由这些术语限制。这些术语仅用以将一个元件与另一元件区分开来。例如，在不偏离本发明的范围的情况下，第一元件可称作第二元件，并且类似地，第二元件可称作第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。
28.将理解，当一个元件被描述为在另一个元件“上”时，该元件可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被描述为“直接在”另一个元件上时，则不存在任何中间元件。还将理解，当一个元件被描述为“连接”或“耦合”到另一个元件时，该元件可以直接连接或联接到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被描述为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，则不存在任何中间元件。用来描述元件之间的关系的其它词语应以类似方式解读(即，“在
……
之间”相对“直接在
……
之间”，“相邻”相对“直接相邻”等)。
29.相对术语，例如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“竖直”在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如附图中所示。要理解，这些术语旨在涵盖除附图中所描绘的取向之外装置的不同取向。
30.本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，术语“包括”、“包含”和/或“具有”在本文中使用时，指存在所述的特征、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、操作、元件、部件和/或其分组。
31.本文下面公开的所有实施例的方面和元件可以任何方式组合和/或与其它实施例的方面或元件组合，以提供多个附加实施例。
32.现在参考图3a，根据本发明的实施例的天线30图示为包括共享的单侧辐射器段34a和共享的三侧辐射器段34b，其沿着矩形(例如，正方形)环34的四个边延伸。如图所示，该矩形环34由一对“双路径”馈电柄32_1、32_2支撑在反射器表面36(例如接地平面)的前方。这些馈电柄32_1、32_2各自电耦合到辐射器段34a、34b的相应端部，使得矩形环34能够
作为交叉极化环形天线操作。例如，当作为rf发射器操作时，矩形环34响应于第一和第二“出站”射频(rf)信号，所述信号在馈电柄32_1、32_2的基部处被提供到第一馈电端口feed1和第二馈电端口feed2。替代地，当作为rf信号的接收器操作时，矩形环34接收并传递相对低能量的rf信号到馈电柄32_1、32_2，所述馈电柄在第一馈电端口feed1和第二馈电端口feed2处电耦合到低噪声放大和接收器电路(未示出)。在本发明的一些实施例中，矩形环34可以是相对小的正方形环，每一边跨越天线的操作频率的波长的约1/4。
33.现在参考图3b
‑
3f，由图3a的环形天线使用的每个馈电柄32_1、32_2可以被配置为相同的多层印刷电路板(pcb)馈电柄32。然而，在本发明的替代实施例中，具有不同阻抗的馈电柄可能是有利的(例如，出于隔离或方向图调节目的)，从而支持不平衡的极化。特别地，并且由图3b所示，馈电柄32可包括介电(即，非导电)板衬底42，该介电板衬底在其第一和第二相对面上具有图案化敷金属。在第一面上，提供第一导电路径38a，该第一导电路径包括连续金属化路径，该连续金属化路径从衬底42的第一“远”端处的一个拐角延伸到衬底42的第二端(例如，基部)上的直径相对的拐角，如图所示。另外，第二导电路径由图案化金属段38b、38b’和38c以及一对导电(例如，电镀)通孔44a、44b限定，其将“中间”段38c电连接到相应段38b和38b’。
34.如由图3c
‑
3e更全面示出的，馈电柄32的第一侧32’包含蛇形形状的电感器40a，其在第一导电路径38a内(不中断)且在衬底42的端部中间的位置处串联地延伸，如图所示。另外，在馈电柄32的第一侧32’上的图案化金属段38b、38b’，两个电镀通孔44a、44b和在馈电柄32的第二侧32”上的包括蛇形形状的电感器40b的图案化金属段38c共同限定在馈电柄32的直径相对拐角之间延伸的第二导电路径，如所示的。根据本发明的替代实施例，可在不存在介电板衬底的情况下提供第一导电路径和第二导电路径(包括电感器40a、40b)。
35.如现在将参考图3b和3f更全面地描述的，第一蛇形电感器40a和第二蛇形电感器40b在印刷电路板衬底42的相对第一面和第二面上延伸，共同限定共模带阻(cmr)滤波器40，该共模带阻滤波器选择性地且有利地阻止共模电流i
cm
从馈电柄32的基部处的馈电端口传递到矩形环34内的辐射器段34a、34b，该辐射器段安装到馈电柄32的远端，并且电连接到远端处的第一导电路径38a和图案化金属段38b中的相应一个。例如，关于图3a所示的第一馈电端口(feed1)，cmr滤波器40阻止共模电流i
cm
传递到直接连接到三侧辐射器段34b的第一馈电路径38a的远端部分，并且阻止共模电流i
cm
传递到直接连接到单侧辐射器段34a的第二馈电路径38b的远端部分。同样，关于第二馈电端口(feed2)，cmr滤波器40阻止共模电流i
cm
传递到直接连接到单侧辐射器段34a的第一馈电路径38a的远端部分，并且阻止共模电流i
cm
传递到直接连接到三侧辐射器段34b的第二馈电路径38b的远端部分。
36.通过考虑由具有预定厚度的pcb衬底42分开的重叠的蛇形形状的电感器40a、40b之间的特定互感m可以被设计成在第一rf频率阻挡共模电流但在相同rf频率选择性通过(具有非常低的衰减)差模电流的方式，来最佳理解cmr滤波器40的这些优先rf“阻挡”特性。
37.尽管不希望受任何理论的束缚，但衬底42的第一面32’上的第一电感器40a可被视为具有阻抗z1，衬底42的第二面32”上的第二电感器40b可被视为具有阻抗z2，其中：
38.z1＝r1+jωl1+jωm(i2/i1)；和
39.z2＝r2+jωl2+jωm(i1/i2)。
40.在这些等式中，r1和r2分别是第一电感器40a和第二电感器40b的电阻；l1和l2分别
是第一电感器40a和第二电感器40b的电感；m是由电绝缘pcb衬底42彼此分离的重叠的第一电感器40a与第二电感器40b之间的互感；i1和i2分别是进入滤波器40的第一端口(1)和第二端口(2)中的第一电流和第二电流；ω是第一电流和第二电流的角频率。如由图3f所示，第一差模电流i1
dm
从第一馈电路径38a的远端部分传递到在馈电端口处的第一馈电路径38a的基部，第一差模电流在本文中视为等于i1，而从(馈电端口处的)第二馈电路径的基部部分(金属段38b’)传递到第二馈电路径的远侧部分(金属段38b)的i2
dm
在本文中视为等于
‑
i2。
41.通过仔细设计/调整电感器l1和l2(及其耦合)以彼此相等且等于它们之间的互感m(即，l1≈l2≈m，其中符号
““
≈”表示在
±
10％内相等)，并且关于图3f中所示的差模电流i1
dm
和i2
dm
，假设i2＝
‑
i1，那么第一电感器40a和第二电感器40b的阻抗可视为等于：
42.z1＝r1+jω(l1–
m)≈r1；并且
43.z2＝r2+jω(l2–
m)≈r2。
44.因此，由于z1≈r1和z2≈r2，共模带阻滤波器40对差模电流呈现低电阻性阻抗，且此低阻抗等于电感器l1和l2的dc电阻。然而，关于图3f中所示的共模式电流i
cm
，假设i2＝i1，则第一电感器40a和第二电感器40b的阻抗在共模下呈现高(和取决于频率)电感阻抗，从而阻断共模电流，其中：
45.z1＝r1+jω(l1+m)≈r1+jω
×
2l；并且
46.z2＝r2+jω(l2+m)≈r2+jω
×
2l。
47.因此，柄型共模带阻滤波器40可以有利地用于阻止共模电流通过馈电柄32_1、32_2，从而抑制来自图3a的环形辐射器34的单极型辐射，否则可能出现在这些馈电柄上。
48.根据本发明的另外实施例，上文所述的馈电柄32和共模带阻滤波器40可应用于许多其它天线设计，所述天线设计可受益于由辐射元件内的共模电流的产生引起的单极型辐射抑制。例如，如由图4所示，可以设置具有四个“共享”偶极子辐射元件52a
‑
52d的盒形偶极子天线50(例如，金属板盒形偶极子天线)，所述四个“共享”偶极子辐射元件共同形成四个偶极子辐射器。第一偶极子辐射器由辐射元件52a、52b限定，所述辐射元件电耦合到第一馈电柄32_1和第一馈电端口，该第一馈电端口耦合到第一馈电柄32_1的基部，如由图3b
‑
3f所示的。类似地，第二偶极子辐射器由辐射元件52b、52c限定，所述辐射元件电耦合到第二馈电柄32_2和第二馈电端口。第三偶极子辐射器由辐射元件52c、52d限定，所述辐射元件电耦合到第三馈电柄32_3和第三馈电端口。最后，第四偶极子辐射器由辐射元件52d、52a限定，所述辐射元件电耦合到第四馈电柄32_4和第四馈电端口。如上文关于图3a
‑
3f的“环形”天线30所描述的，第一馈电柄至第四馈电柄32_1到32_4将使得在盒形偶极子天线50的每个被激励端口上能够进行差模操作，但有效地阻挡与相对于每个被激励端口的相反极化相关联的端口上的共模电流(和对应的单极子辐射)。并且，根据本发明的其它实施例，上文所描述的馈电柄可以应用于矩形盒形偶极子天线，以及具有在其间具有不相等长度和/或间隔的偶极子辐射元件的天线。另外，本文所述的馈电柄和电感耦合的馈电路径可以有利地用于许多天线设计中，其中需要差模信号且不需要共模信号，例如但不限于偶极子型天线。
49.在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型的优选实施例，尽管使用特定术语，但这些术语仅在一般性和描述性意义上使用，并且不是出于限制目的使用，本发明的范围在以下权利要求书中陈述。