具有联接在偶极子辐射器之间的电感器的双极化辐射元件和包括此类辐射元件的基站天线的制作方法

具有联接在偶极子辐射器之间的电感器的双极化辐射元件和包括此类辐射元件的基站天线
1.相关申请
2.本技术请求享有2020年3月27日提交的美国临时申请序列号63/000,554的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此。


背景技术：

3.本发明大体上涉及无线电通信，且更具体地涉及用于蜂窝通信系统的基站天线。
4.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，一个地理区域被划分成称作“小区”的一系列区域，每个小区由基站提供服务。基站可包括基带设备、无线电和基站天线，该基站天线配置成提供与位于整个小区中的用户的双向射频(“rf”)通信。在许多情况下，小区可被划分成多个“扇区”，并且单独的基站天线提供对每个扇区的覆盖。天线通常安装在塔架上，其中由每个天线生成的辐射束(“天线束”)向外指向从而为相应扇区提供服务。通常，基站天线包括辐射元件的一个或多个相控阵列，其中，当天线被安装使用时，辐射元件以一个或多个竖直列布置。本文中“竖直”是指相对于由地平线限定的水平面垂直的方向。还将参考(1)方位平面和(2)俯仰平面，所述方位平面是将基站天线二等分的水平平面，所述俯仰平面是沿着天线的视轴指向方向延伸的垂直于方位平面的平面。
5.通常，每个基站天线将包括辐射元件的一个或多个所谓的“线性阵列”，所述辐射元件包括布置成大体竖直延伸的列的多个辐射元件。大多数现代基站天线中使用的辐射元件是双极化辐射元件，其被设计成以两个不同的极化发射和接收rf信号。使用双极化辐射元件增加了基站天线的容量，因为它允许天线发射和接收两倍多的信号，而仅略增加辐射元件的大小。
6.图1a示意性地示出了常规双极化辐射元件10的偶极子辐射器。如图1a中所示，辐射元件10包括第一偶极子辐射器20-1和第二偶极子辐射器20-2，所述第一偶极子辐射器被构造成发射和接收垂直极化rf信号，所述第二偶极子辐射器被构造成发射和接收水平极化rf信号。提供了在偶极子辐射器20-1、20-2和相应的无线电端口之间传递rf信号的第一独立馈送网络和第二独立馈送网络(未示出)。图1b示意性地示出了另一常规双极化辐射元件30的偶极子辐射器，其包括第一偶极子辐射器40-1和第二偶极子辐射器20-2，所述第一偶极子辐射器被构造成以倾斜-45
°
极化发射和接收rf信号，所述第二偶极子辐射器被构造成发射和接收具有倾斜+45
°
极化的rf信号。理论上，水平极化和垂直极化的rf信号彼此正交，意味着以完全相同的频率在完全相同的时间从完全相同的位置发射的水平极化rf信号和垂直极化rf信号不会彼此干扰。对于倾斜-45
°
极化rf信号和倾斜+45
°
极化rf信号，理论上也是如此。然而，实际上，偶极子辐射器不一定仅以单个极化发射(例如，由竖直偶极子发射的rf信号通常将至少具有小的水平极化分量)，从天线内的其它结构(例如，天线的反射器，相邻辐射器，天线罩等)或沿着基站天线和与基站天线正通信的用户装置之间的信道反射的发射rf信号的部分往往经历一定程度的“去极化”，其中rf能量的极化改变成其它极化。因此，在实践中，由双极化辐射元件发射和接收的两种“正交”极化之间的隔离量通常大约
为5-15db。两个“正交”极化之间缺乏完全隔离会降低基站天线的性能，因为转换为非意图极化的rf能量会减少天线的增益，并且表现为干扰“正交”极化的rf信号。


技术实现要素：

7.根据本发明的一些实施例，提供用于基站天线的双极化辐射元件，其包括第一偶极子辐射器和第二偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括第一偶极子臂和第三偶极子臂，所述第二偶极子辐射器包括第二偶极子臂和第四偶极子臂。这些辐射元件还包括联接在所述第一偶极子臂与所述第二偶极子臂之间的第一电感器。所述第一偶极子臂可邻近所述第二偶极子臂。
8.在一些实施例中，所述第一偶极子臂、所述第二偶极子臂和所述第一电感器可形成于印刷电路板上。在一些实施例中，所述第一电感器可实施为在所述第一偶极子臂与所述第二偶极子臂之间延伸的蛇形迹线节段。
9.在一些实施例中，每个导电环可包括第一导电节段和第二导电节段，所述第一导电节段和第二导电节段各自从所述印刷电路板的中心区域朝向所述印刷电路板的外周延伸，所述第一电感器可联接在所述第一偶极子臂的第一导电节段的中间区域与所述第二偶极子臂的第二导电节段的中间区域之间。
10.所述双极化辐射元件还可包括联接在所述第二偶极子臂与所述第三偶极子臂之间的第二电感器、联接在所述第三偶极子臂与所述第四偶极子臂之间的第三电感器，以及联接在所述第四偶极子臂与所述第一偶极子臂之间的第四电感器。
11.所述第一电感器可在所述双极化辐射元件的覆盖区内。在一些实施例中，所述第一电感器的电感可以被选择成增加所述第一偶极子辐射器与所述第二偶极子辐射器之间的隔离。
12.在一些实施例中，所述第一偶极子臂至所述第四偶极子臂中的每一个偶极子臂可形成导电环。在这些实施例中，所述偶极子臂可以是掩蔽式偶极子臂，其中所述偶极子臂各自包括经由相应的电感迹线节段彼此连接的多个间隔开的导电构件。例如，所述第一电感器和所述电感迹线节段可各自实施为蛇形迹线节段，并且在一些实施例中，形成所述第一电感器的蛇形迹线节段可以比形成所述相应电感迹线节段的任何蛇形迹线节段长。所述第一电感器的电感可超过所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂中的任何电感迹线节段的电感。
13.所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂可实施为所述印刷电路板的第一侧上的第一导电图案和第二导电图案，所述第一电感器可实施为所述印刷电路板的与所述第一侧相对的第二侧上的第三导电图案，其中所述第一电感器经由延伸穿过所述印刷电路板的介电层的至少第一电镀通孔和第二电镀通孔电连接到所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂。
14.在一些实施例中，所述第一偶极子臂可大体上沿着第一轴线延伸，所述第二偶极子臂可大体上沿着不同于所述第一轴线的第二轴线延伸，所述第三偶极子臂可大体上沿着所述第一轴线延伸，所述第四偶极子臂可大体上沿着第三轴线延伸，其中所述第三轴线不同于所述第一轴线和所述第二轴线。
15.在一些实施例中，所述第一偶极子臂至所述第四偶极子臂可在所述辐射元件的中
心区域中会合，并且所述第三偶极子臂可从所述中心区域向上延伸，所述第四偶极子臂可从所述中心区域向下延伸，并且所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂两者均可从所述中心区域的相同侧侧向延伸。
16.在一些实施例中，所述第一偶极子辐射器可被构造成发射具有倾斜-45
°
极化的rf辐射，所述第二偶极子辐射器可被构造成发射具有倾斜+45
°
极化的rf辐射。
17.在一些实施例中，所述第一偶极子辐射器可沿着第一轴线延伸，并且所述第二偶极子辐射器可沿着垂直于所述第一轴线的第二轴线延伸，并且延伸穿过所述第一轴线和所述第二轴线的交点且与所述第一轴线和所述第二轴线中的每一个偏移45
°
的轴线可以与所述第一电感器相交。
18.根据本发明的另外实施例，提供双极化辐射元件，其包括：馈电柄；以及安装在所述馈电柄上的偶极子印刷电路板。所述偶极子印刷电路板包括：第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括第一偶极子臂和第三偶极子臂；第二偶极子辐射器，所述第二偶极子辐射器包括第二偶极子臂和第四偶极子臂；以及第一金属迹线，所述第一金属迹线将所述第一偶极子臂电连接到所述第二偶极子臂。所述第一金属迹线的平均宽度小于所述第一偶极子臂的第一部分的平均宽度的三分之一。
19.所述第一金属迹线可以是蛇形导电迹线。所述第一金属迹线可在所述双极化辐射元件的覆盖区内。
20.在一些实施例中，所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂可实施为所述印刷电路板的第一侧上的第一导电图案和第二导电图案，并且所述第一金属迹线可实施为所述印刷电路板的与所述第一侧相对的第二侧上的第三导电图案。在一些实施例中，所述第一金属迹线可经由延伸穿过所述印刷电路板的介电层的至少第一电镀通孔和第二电镀通孔电连接到所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂。
21.所述双极化辐射元件还可包括联接在所述第二偶极子臂与所述第三偶极子臂之间的第二金属迹线、联接在所述第三偶极子臂与所述第四偶极子臂之间的第三金属迹线，以及联接在所述第四偶极子臂与所述第一偶极子臂之间的第四金属迹线。
22.根据本发明的另外实施例，提供用于基站天线的双极化辐射元件，其包括：第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括经由相应的第一窄迹线节段彼此连接的多个间隔开的第一加宽导电构件；以及第二偶极子辐射器，所述第二偶极子辐射器包括经由相应的第二窄迹线节段彼此连接的多个间隔开的第二加宽导电构件。第三窄迹线节段直接联接在所述第一偶极子辐射器与所述第二偶极子辐射器之间。所述第三窄迹线节段的至少一部分位于所述第一加宽导电构件中的一个与所述第二加宽导电构件中的一个之间。
23.在一些实施例中，所述第一偶极子辐射器、所述第二偶极子辐射器和所述第三窄迹线节段可形成于偶极子辐射器印刷电路板上。
24.在一些实施例中，所述第三窄迹线节段的长度可以是所述第一窄迹线节段的平均长度的至少两倍，并且可以是所述第二窄迹线节段的平均长度的至少两倍。
25.在一些实施例中，所述第一偶极子辐射器包括第一偶极子臂和第三偶极子臂，所述第二偶极子辐射器包括第二偶极子臂和第四偶极子臂，所述第三窄迹线节段连接在所述第一偶极子臂与所述第二偶极子臂之间。
附图说明
26.图1a是常规双极化辐射元件的示意性前视图，所述常规双极化辐射元件包括分别被构造成发射和接收垂直和水平极化rf信号的第一偶极子辐射器和第二偶极子辐射器。
27.图1b是常规双极化辐射元件的示意性前视图，所述常规双极化辐射元件包括分别被构造成发射和接收倾斜-45
°
极化和倾斜+45
°
极化rf信号的第一偶极子辐射器和第二偶极子辐射器。
28.图2a是根据本发明的实施例的双极化辐射元件的示意性前视图。
29.图2b是根据本发明的另外实施例的双极化辐射元件的示意性前视图。
30.图3a是根据本发明的实施例的基站天线的透视图。
31.图3b是移除天线罩的图3a的基站天线的示意性前视图，示出了天线中包括的辐射元件阵列。
32.图4a是根据本发明的实施例的修改的三极低频带辐射元件的侧面透视图，包括其偶极子臂中的两个之间的电感连接。
33.图4b是图4a的修改的三极低频带辐射元件的前视图。
34.图4c是省去电感器的图4a的修改的三极低频带辐射元件的前视图。
35.图5a和5b分别是示出图4c和4a的辐射元件的操作频带中最坏情况频率的方位方向图的水平分量和竖直分量的图形。
36.图6a和6b分别是显示图4c和4a的辐射元件的回波损耗随频率而变的图形。
37.图7a是根据本发明的另外实施例的交叉偶极子辐射元件的示意性前视图。
38.图7b是图7a的交叉偶极子辐射元件的偶极子辐射器印刷电路板的中心区段的放大透明后视图。
39.图8a是正方形交叉偶极子辐射元件的示意性前视图。
40.图8b是根据本发明的又一些另外实施例的图8a的正方形交叉偶极子辐射元件的修改形式的示意性前视图。
41.图9是根据本发明的又一些另外实施例的交叉偶极子辐射元件的示意性前视图。
具体实施方式
42.根据本发明的实施例，提供具有联接在第一偶极子辐射器的第一偶极子臂与第二偶极子辐射器的第一偶极子臂之间的电感器的双极化偶极子辐射元件。电感器可以通过调整偶极子辐射器上的电流分布来改善由辐射元件生成的辐射方向图。结果，辐射元件可以表现出改善的交叉极化隔离，并且还可以表现出改善的回波损耗性能。
43.典型地，双极化偶极子辐射元件包括第一偶极子辐射器和第二偶极子辐射器，第一偶极子辐射器包括第一偶极子臂和第三偶极子臂，第二偶极子辐射器包括第二偶极子臂和第四偶极子臂。在根据本发明的实施例的辐射元件中，可提供至少一个电感器，其联接在例如第一偶极子臂与第二偶极子臂之间。在一些实施例中，辐射元件可包括多于一个电感器。例如，辐射元件可包括联接在第一偶极子臂与第二偶极子臂之间的第一电感器、联接在第二偶极子臂与第三偶极子臂之间的第二电感器、联接在第三偶极子臂与第四偶极子臂之间的第三电感器，以及联接在第四偶极子臂与第一偶极子臂之间的第四电感器。例如，电感器可以在包括偶极子辐射器的偶极子臂的印刷电路板上实施为蛇形迹线。
44.根据一些实施例，提供用于基站天线的双极化辐射元件，其包括第一偶极子辐射器和第二偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括第一偶极子臂和第三偶极子臂，所述第二偶极子辐射器包括第二偶极子臂和第四偶极子臂。这些辐射元件还包括联接在所述第一偶极子臂与所述第二偶极子臂之间的第一电感器。
45.在其它实施例中，提供了双极化辐射元件，其包括馈电柄和安装在馈电柄上的偶极子印刷电路板。所述偶极子印刷电路板包括：第一偶极子辐射器，所述第一偶极子辐射器包括第一偶极子臂和第三偶极子臂；第二偶极子辐射器，所述第二偶极子辐射器包括第二偶极子臂和第四偶极子臂；以及第一金属迹线，所述第一金属迹线将所述第一偶极子臂电连接到所述第二偶极子臂。所述第一金属迹线的平均宽度小于所述第一偶极子臂的第一部分的平均宽度的三分之一。
46.在又一些其它实施例中，提供双极化辐射元件，其包括：第一偶极子辐射器，其包括经由相应的第一窄迹线节段彼此连接的多个间隔开的第一加宽导电构件；和第二偶极子辐射器，其包括经由相应的第二窄迹线节段彼此连接的多个间隔开的第二加宽导电构件。第三窄迹线节段直接联接在所述第一偶极子辐射器与所述第二偶极子辐射器之间。第三窄迹线节段的至少一部分位于第一加宽导电构件中的一个与第二加宽导电构件中的一个之间。
47.现在将参考图2a-9更详细地描述本发明的实施例。
48.图2a是根据本发明的实施例的双极化“交叉偶极子”辐射元件100的示意性前视图。如图2a中所示，双极化辐射元件100包括第一偶极子辐射器120-1和第二偶极子辐射器120-2。虽然图2a中未示出，辐射元件100包括馈电柄，该馈电柄可用于从基站天线的反射器向前安装第一偶极子辐射器120-1和第二偶极子辐射器120-2。馈电柄可包括例如一对印刷电路板，该对印刷电路板包括rf传输线或一对同轴电缆。馈电柄用于将rf信号馈送到相应的偶极子辐射器120且从相应偶极子辐射器馈送rf信号。
49.第一偶极子辐射器120-1包括以共线方式布置的第一偶极子臂130-1和第三偶极子臂130-3。第二偶极子辐射器120-2包括以共线方式布置的第二偶极子臂130-2和第四偶极子臂130-4。第一偶极子臂130-1和第三偶极子臂130-3经由例如馈电柄上的第一rf传输线结构从中心馈电(即，rf馈送信号从辐射元件100的中心馈送到偶极子臂130)，并且第二偶极子臂130-2、130-4经由例如馈电柄上的第二rf传输线结构从中心馈电。第一偶极子辐射器120-1的纵向轴线从第二偶极子辐射器120-2的纵向轴线旋转偏移90
°
，使得两个偶极子辐射器120将以正交极化操作。在图2a中，偶极子辐射器120-1、120-2被定向成使得它们将分别作为倾斜-45
°
极化和倾斜+45
°
极化偶极子辐射器操作。然而，应当理解，这仅仅是一个示例，并且根据本发明实施例的辐射元件可以被设计成以任何合适的极化操作。例如，辐射元件100可以旋转45
°
，使得偶极子辐射器120-1、120-2将转而具有相应的水平和垂直极化。
50.如图2a中还示出的，电感器140-1联接在第一偶极子臂130-1与第二偶极子臂130-2之间，电感器140-2联接在第二偶极子臂130-2与第三偶极子臂130-3之间，电感器140-3联接在第三偶极子臂130-3与第四偶极子臂130-4之间，电感器140-4联接在第四偶极子臂130-4与第一偶极子130-1之间。这些电感器140可以平衡偶极子臂130上的电流分布，并且可以使得改善偶极子辐射器120之间的交叉极化隔离。
51.图2b是根据本发明的另外实施例的双极化辐射元件200的示意性前视图。双极化辐射元件200是已知双极化辐射元件的修改形式，已知的双极化辐射元件通常被称为“三极”辐射元件。美国专利号9,077,070(“070专利”)的全部内容以引用的方式并入本文，描绘了各种常规的三极辐射元件。如从'070专利可见，常规三极辐射元件具有三个臂：即一对共线侧臂和中心臂。每个臂的长度是操作频带的中心频率的约四分之一波长。第一侧臂和中心臂形成第一偶极子辐射器，并且第二侧臂和中心臂形成第二偶极子辐射器。
52.如图2b中所示，修改的三极辐射元件200包括可安装在馈电柄(未示出)上的第一偶极子辐射器220-1和第二偶极子辐射器220-2。第一偶极子辐射器220-1包括第一偶极子臂230-1和第三偶极子臂230-3，并且第二偶极子辐射器220-2包括第二偶极子臂230-2和第四偶极子臂230-4。第一偶极子臂230-1至第四偶极子臂230-4各自从辐射元件222的中心区域延伸，其中馈电柄电连接到偶极子臂230。第三偶极子臂230-3大体上从中心区域222向上延伸，第四偶极子臂230-4大体上从中心区域222向下延伸，并且第一偶极子臂230-1和第二偶极子臂230-2两者均大体上向中心区域222的第一侧侧向延伸。偶极子辐射器220-1被构造成发射具有倾斜+45
°
极化的rf能量，而偶极子辐射器220-2被构造成发射具有倾斜-45
°
极化的rf能量。
53.电感器240联接在第一偶极子臂230-1与第二偶极子臂230-2之间。在所描绘的实施例中，电感器240连接在偶极子臂230-1、230-2的相应端部附近，但本发明的实施例不限于此。电感器240可以平衡偶极子臂230上的电流分布，并且可以使得改善偶极子辐射器220之间的交叉极化隔离。电感器240在辐射元件200中可以是特别有益的，因为它可用于补偿由偶极子辐射器设计的不对称性质引起的电流不平衡。例如，偶极子臂230-1和230-2彼此非常接近，因此可以耦合，导致辐射方向图的畸变。电感器240可用于调整被激励偶极子臂230上的电流分布，以便补偿和改善偶极子辐射器220的辐射方向图。
54.尽管三极辐射元件200包括四个偶极子臂，然而，它们在本文中仍称为“三极”辐射元件或“修改的三极”辐射元件，因为辐射元件的整体设计与常规的交叉极化辐射元件相比更类似于三极辐射元件。此惯例将关于本文所论述的每个修改的三极辐射元件使用。
55.图3a和3b示出了根据本发明的某些实施例的基站天线300。具体而言，图3a是基站天线300的透视图，而图3b是基站天线300的前视图，其中天线罩移除，其示意性地示出了包括在天线300中的辐射元件的线性阵列。
56.如图3a中所示，基站天线300是沿着纵向轴线l延伸的细长结构。基站天线300可以具有呈大致矩形横截面的管状形状。天线300包括天线罩310和底部端盖312。多个rf连接器314可安装在底部端盖312中。天线300通常以竖直构造安装(即，当安装天线300以用于正常操作时，纵向轴线l可大体上垂直于由地平线限定的平面)。
57.参考图3b，基站天线300包括天线组件316，该天线组件可以滑动地插入到天线罩310中。天线组件316包括可充当接地平面和天线300的反射器的底板结构318。
58.各自包括多个低频带辐射元件的第一低频带线性阵列320-1和第二低频带线性阵列320-2安装成从反射器318向前延伸。每个低频带线性阵列320中包括两种不同样式的低频带辐射元件，即低频带辐射元件322和低频带辐射元件324。各自包括多个中频带辐射元件332的第一到第四中频带线性阵列330-1到330-4还安装成从反射器318向前延伸。第一中频带线性阵列330-1和第四中频带线性阵列330-4安装在反射器318的左边缘和右边缘上，
在相应的第一低频带线性阵列320-1和第二低频带线性阵列320-2之外。第二中频带线性阵列330-2和第三中频带线性阵列330-3安装在第一低频带线性阵列320-1与第二低频带线性阵列320-2之间。
59.第一低频带线性阵列320-1和第二低频带线性阵列320-2各自基本上延伸反射器318的全长。第一到第四中频带线性阵列330-1到330-4沿着反射器318的下部部分318a安装，并且不延伸反射器318的全长。低频带辐射元件322是交叉偶极子辐射元件，其包括当安装基站天线300以供使用时相对于地平线以+45
°
和-45
°
的角度布置的第一偶极子辐射器和第二偶极子辐射器。下文将参考图7a-7b论述一个低频带辐射元件322的示例性实施例。每个低频带线性阵列320的底部四个低频带辐射元件实施为辐射元件322。低频带辐射元件324是修改的三极辐射元件，下文将参考图4a-4b论述一个低频带辐射元件324的示例性实施例。
60.基站天线300还包括中上频带辐射元件342的多列阵列340。多列阵列340位于天线300的上部318b中的低频带线性阵列320-1、320-2之间，位于每个低频带线性阵列320-1、320-2中包括的三个修改的三极辐射元件324之间。
61.在示例性实施例中，低频带辐射元件322、324可各自配置成在617-960mhz频率范围的至少一部分中发射和接收信号。中频带辐射元件332可配置成在比低频带辐射元件322、324更高的频率范围内发射和接收信号，如1427-2690mhz频率范围或其较小部分。中上频带辐射元件342可被构造成发射和接收例如2.5-2.7ghz频率范围中的信号，但在其它实施例中，这些辐射元件可在更高频率范围例如3.4-3.8ghz和/或5.1-5.8ghz频率范围中操作。
62.所有辐射元件322、324、332、342都可以包括双极化辐射元件。因此，每个阵列320、330、340可用于形成两个单独的天线束，即具有+45
°
倾斜极化的天线束和具有-45
°
倾斜极化的天线束。应当认识到，线性阵列中的一些或全部的辐射元件可以沿着竖直轴线不完美对准，但是辐射元件中的一些可以改为相对于特定阵列中的辐射元件中的其它水平交错。这样的交错在图4b中示出，其中三极点辐射元件324比交叉偶极子辐射元件322更靠近反射器318的侧部定位。
63.为了减小天线300的宽度w，多列阵列340中的辐射元件342的外列非常接近于修改的三极辐射元件324。尽管图4b未示出，但与中上频带辐射元件342相比，低频带辐射元件324从反射器318向前延伸得更远，并且低频带辐射元件324的部分可以“覆盖”一些中上频带辐射元件342，意味着垂直于反射器318的轴线可以延伸穿过低频带辐射元件324和中上频带辐射元件342两者。
64.遗憾的是，当阵列320、330、340一起紧密间隔开时，在不同的频带中操作的辐射元件之间可能发生不期望的相互作用。例如，由中上频带辐射元件342发射的辐射可在附近较低频带辐射元件322的偶极子臂上感生电流，这可能使得由多列阵列340生成的天线束畸变。为了减少或防止这种相互作用，低频带辐射元件324可以实施为所谓的“掩蔽式(cloaked)”辐射元件，其被设计成在低频带第一操作频带中发射和接收rf信号，同时在中上频带频率范围中对于rf能量大部分是“透明的”或“不可见的”。各种掩蔽式辐射元件是本领域已知的，其中代表性掩蔽式辐射元件在2018年2月15日提交的美国专利公开号2018/0323513(
“‘
513公开”)和2020年3月26日提交的美国临时专利申请序列号62/994,962中公
开，所述专利中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文。掩蔽式辐射元件中的偶极子臂可以形成为金属图案，所述金属图案各自包括由窄的蛇形迹线节段物理和电气连接的多个加宽的导电构件。变窄的蛇形迹线区段充当高阻抗区段，该高阻抗区段允许辐射元件的操作频率范围中的电流在相邻的加宽导电构件之间通过，同时中断与由附近较高频带辐射元件发射的辐射相关联的电流，该电流否则将在偶极子臂上感应。
65.图4a是根据本发明实施例的修改的三极辐射元件400的侧面透视图，包括其偶极子臂中的两个之间的电感连接。图4b是图4a的修改的三极低频带辐射元件400的前视图。例如，可以使用辐射元件400来实现包括在基站天线300中的每个低频带辐射元件324。
66.参考图4a-4b中，修改的三极低频带辐射元件400包括一对馈电柄410-1、410-2以及第一偶极子辐射器420-1和第二偶极子辐射器420-2。第一偶极子辐射器420-1包括第一偶极子臂430-1和第三偶极子臂430-3，并且第二偶极子辐射器420-2包括第二偶极子臂430-2和第四偶极子臂430-4。如图4b所示，第三偶极子臂430-3和第四偶极子臂430-4大体上沿着第一竖直轴线a1延伸，并且第一偶极子臂430-1和第二偶极子臂430-2大体上沿着作为水平轴线的相应第二轴线a2和第三轴线a3延伸。因此，修改的三极辐射元件400包括：第一偶极子辐射器420-1，其具有大体上沿着第一(竖直)轴线a1延伸的第三偶极子臂430-3和大体上沿着第二(水平)轴线a2延伸的第一偶极子臂430-1；以及第二偶极子辐射器420-2，其具有大体上沿着第一竖直轴线a1延伸的第四偶极子臂430-4和大体上沿着第三(水平)轴线a3延伸的第二偶极子臂430-2。如上述引用的
‘
513公开内容中所论述，辐射元件400可被设计成使得响应于rf馈送信号而在每个偶极子臂430-1、430-3上激发相等量级的电流，并且沿着偶极子辐射器420-1的平均电流方向使得由偶极子臂430-1、430-3发射的辐射的组合具有倾斜-45
°
极化。类似地，偶极子臂430-2和430-4被设计成使得由此发射的辐射的组合将具有倾斜+45
°
极化。
67.在从前方看时，第一偶极子辐射器420-1和第二偶极子辐射器420-2一起具有类似于希腊字母π的形状(在图4b的视图中侧向转动)。在所描绘的实施例中，偶极子辐射器420-1、420-2在共同印刷电路板422上实施，但在其它实施例中可使用多个印刷电路板，和/或偶极子辐射器420-1、420-2可使用金属片或其它方式实施。
68.馈电柄410可以在大体上垂直于由印刷电路板422限定的平面的方向上延伸。馈电柄410可以具有形成于其上的rf传输线412(参见图4a)，rf传输线用于在偶极子辐射器420与包括三极辐射元件400的基站天线(例如，图3a-3b的基站天线300)的馈送网络之间传递rf信号。馈电柄410可用于将偶极子辐射器420安装在基站天线300的反射器318前方的适当距离处，其通常为大约3/16至1/4的操作波长。“操作波长”是指对应于辐射元件400的操作频带的中心频率的波长。此外，尽管偶极子辐射器420-1、420-2在与由下面的反射器限定的平面大体上平行的平面中延伸，但应认识到，在其它实施例中，偶极子臂420-1、420-2可沿着其相应的纵向轴线旋转90
°
以垂直于反射器(或以某一其它角度旋转)。低频带辐射元件400可以例如设计成在一些或全部617-960mhz频带中操作。
69.如图4b所示，第一偶极子臂430-1至第四偶极子臂430-4各自从印刷电路板422的中心区域延伸，在所述中心区域，馈电柄410-1、410-2电连接到偶极子辐射器印刷电路板422。第三偶极子臂430-3大体上从中心区域向上延伸，第四偶极子臂430-4大体上从中心区域向下延伸，并且第一偶极子臂430-1和第二偶极子臂430-2两者均大体上向中心区域的第
一侧侧向延伸。
70.每个偶极子臂430可以形成为印刷电路板422上的金属图案。每个金属图案包括多个加宽的导电构件424，所述多个加宽的导电构件由变窄的迹线区段426连接。变窄的迹线区段426可以实施为蛇形导电迹线。这里，蛇形导电迹线是指遵循蛇形路径以增加其路径长度的非直线导电迹线。蛇形导电迹线区段426可具有延伸长度，但仍然具有小的物理覆盖区。
71.如图4b所示，每个偶极子臂430可包括环，所述环包括一系列交替的加宽的导电构件424和变窄的迹线区段426。每一对邻近的加宽导电构件424可由变窄的迹线区段426中的相应一个物理和电气连接。由于变窄的迹线区段426具有小的物理覆盖区，因此邻近的加宽的导电构件424可彼此紧密接近，使得加宽的导电构件424一起以低频带辐射元件400的操作频率范围内的频率呈现为单个偶极子臂。应当认识到，在其它实施例中，偶极子臂不需要具有例如
‘
513公开中所解释的闭环设计(例如，形成环的两个节段的远端可以不彼此电连接)。
72.如图4b最佳所示，在每个偶极子臂430的底座或“根部”处的加宽导电构件具有穿过其形成的槽428。这些槽428一直延伸穿过印刷电路板422。每个馈电柄410(可以是馈电柄印刷电路板)上的突片(图4a)可以延伸穿过相应的槽428，从而允许馈电柄410通过电流或电容连接而电连接到相应的偶极子臂430。当从前部观察辐射元件400时，馈电柄410可以直接定位在槽428后方。如显而易见的，馈电柄410不定位在辐射元件400的水平中心处，而是偏移到一侧。因而，辐射元件400可以定位成比例如上文论述的交叉偶极子辐射元件200更靠近基站天线的反射器的一侧。
73.变窄的蛇形迹线区段426设计成充当高阻抗区段，所述高阻抗区段中断与附近中上频带辐射元件(例如，基站天线300的辐射元件342)相关联的电流，该电流否则将在偶极子臂430上感应。如上文所论述，当附近的中上频带辐射元件342发射和接收信号时，中上频带rf信号可能倾向于在低频带辐射元件400的偶极子臂430上感应电流。变窄的蛇形迹线区段426设计成产生中上频带电流的高阻抗，而不显著影响低频带电流在偶极子臂430上流动的能力。
74.每个加宽的导电构件424可具有相应的宽度w1，其中宽度w1在大体垂直于沿着相应的加宽导电构件424的电流流动方向的方向上测量。变窄的迹线区段426可类似地具有宽度w2，其中每个宽度w2在大体垂直于瞬时电流流动方向的方向上测量。在一些实施例中，每个加宽的导电构件424的平均宽度可以是例如每个变窄迹线区段426的平均宽度的至少两倍。在其它实施例中，每个加宽的导电构件424的平均宽度可以是每个变窄迹线区段426的平均宽度的至少三倍，至少五倍，或至少七倍。
75.辐射元件400还包括连接在第一偶极子臂430-1与第二偶极子臂430-2之间的变窄的迹线节段440。变窄的迹线节段440可以例如实施为印刷电路板422上的蛇形迹线节段。在一些实施例中，变窄的迹线节段440可形成于印刷电路板与偶极子臂430的相同侧上，而在其它实施例中，变窄的迹线节段440可形成于印刷电路板422与偶极子臂430的相对侧上。其它布置是可能的。变窄的迹线节段440可具有(如图所示)“方波”图案，以便允许迹线具有长的长度，同时占据印刷电路板422上的小物理区域。在所描绘的实施例中，变窄的迹线节段440的第一端直接连接到第一偶极子臂430-1的中间部分，变窄的迹线节段440的第二端连
接到第二偶极子臂430-2的中间部分。变窄的迹线节段440可以充当电感器。
76.变窄的迹线节段440比偶极子臂430的变窄的迹线区段426长。迹线节段/区段426/440的长度是其各个节段的长度的总和。在一些实施例中，变窄的迹线节段440的长度可以是偶极子臂430的任何变窄的迹线区段426的至少两倍或至少三倍。因此，变窄的迹线节段440的电感可超过第一和第二偶极子臂430中的任何电感迹线节段426的电感。变窄的迹线节段440的电感可以被选择成增加第一偶极子辐射器420-1与第二偶极子辐射器420-2之间的隔离。
77.如上所述，每个偶极子臂430可以形成导电环。在一些实施例中，每个导电环可以包括第一导电节段和第二导电节段，所述第一导电节段和第二导电节段各自从印刷电路板422的中心区域朝向印刷电路板422的外周延伸，并且变窄的迹线节段440可以联接在第一偶极子臂430-1的第一导电节段的中间区域与第二偶极子臂430-2的第二导电节段的中间区域之间。
78.在一些实施例中，变窄的迹线节段440的至少一部分可以插置在第一偶极子臂430-1上的第一加宽导电构件424中的一个与第二偶极子臂430-2上的第二加宽导电构件中的一个之间。在所描绘的实施例中，几乎整个电感器440插置在第一偶极子臂430-1和第二偶极子臂430-2上的相应加宽导电构件424之间。
79.变窄的迹线节段440在双极化辐射元件的“覆盖区(footprint)”内。在本文中，辐射元件的“覆盖区”是指当从前面直接观察辐射元件时包围辐射元件的所有四个偶极子臂的最小矩形。在许多基站天线设计中，目标是尽可能减小辐射元件的大小，使得不需要增加天线的尺寸可以在天线内包括更多阵列的辐射元件。通过将电感器440定位在辐射元件的覆盖区内，辐射元件的大小不增加，这意味着在许多情况下，可以实施本发明的技术，而不必增加辐射元件的尺寸。
80.虽然在图4a-4b的实施例中，变窄的迹线节段440用于形成电感元件，应了解，可使用其它电感元件。例如，表面安装电感器芯片可以安装在印刷电路板422上，并且电连接在第一偶极子臂430-1与第二偶极子臂430-2之间，代替变窄的迹线节段440。在另一个实施例中，电感器可以使用如美国专利号9,905,973中所公开的印刷电路板内的所谓的“螺线管”设计来实施，所述美国专利的全部内容以引用的方式并入本文。因此，应了解，可使用多种多样的不同电感元件。
81.图4c是对应于省略了电感器的图4a的修改的三极低频带辐射元件400的辐射元件400'的前视图。对辐射元件400和400’执行仿真以量化添加电感器440对辐射元件400’的性能的影响。
82.图5a和5b分别是示出图4c和4a的辐射元件的操作频带中最坏情况频率的方位方向图的水平分量和竖直分量的图形。此处，最坏情况频率(即，交叉极化性能最差的频率)为960mhz。对于理想的倾斜+45
°
或-45
°
辐射元件，辐射方向图的水平分量和竖直分量在天线覆盖的整个扇区上对于辐射元件的操作频带内的所有频率将是相同的。当然，这种性能无法在实践中实现。
83.如图5a中所示，对于辐射元件400'(不包括电感器440)，方位方向图的水平分量(曲线450)和竖直分量(曲线452)在该扇区内大体上相似(该扇区在-60
°
与+60
°
之间延伸)，但在高于约10
°
的方位角，两个分量开始发散，在约10
°
至该扇区的边缘(60
°
)之间的方位角
上，增益变化约2-4db。这表明极化纯度对于天线方向图的该部分不是特别好，这将导致减少交叉极化隔离。
84.相比之下，图5b示出了包括电感器440的辐射元件400的方位方向图的水平分量(曲线460)和竖直分量(曲线462)。如通过比较两个图可见，水平分量和竖直分量在图5b中比图5a中更相似，表明改善了交叉极化隔离性能。注意，在图5a-5b的图形中，水平分量(曲线450和460)几乎相同，表明电感器400主要影响方向图的竖直分量。这是因为电感器440的添加倾向于增加竖直偶极子臂上的电流，同时减小被激励的偶极子辐射器420的水平偶极子臂上的电流。
85.电感器440的添加还可以改善辐射元件400与所附接的馈送网络之间的阻抗匹配。这可以参考图6a和6b看到，其为示出了分别对于图4c和4a的辐射元件随频率而变的回波损耗的图形。如图6a中所示，辐射元件400'(不包括电感器)的回波损耗在频率约为860mhz时峰值约为-18db。相比之下，图6b表明，根据本发明实施例(包括电感器440)的辐射元件400的回波损耗在频率为960mhz时峰值小于-20db。由于目标是在整个工作频带上将回波损耗保持在指定值以下，因此辐射元件400将被认为表示回波损耗性能改进了2db以上。
86.虽然本文未示出，但进行仿真，进一步证实由辐射元件400生成的辐射方向图的形状及其掩蔽性能与可比较的常规辐射元件相当或更好。
87.图7a是根据本发明的实施例的交叉偶极子辐射元件500的示意性前视图。交叉偶极子辐射元件500类似于上文引用的“513”申请中公开的掩蔽交叉偶极子辐射元件之一，但进一步包括四个电感器540-1至540-4。如图7a中所示，每个电感器540可以实施为连接在两个相邻偶极子臂540之间的变窄导电迹线节段。电感器540-1连接在偶极子臂530-1与530-2之间，电感器540-2连接在偶极子臂530-2与530-3之间，电感器540-3连接在偶极子臂530-3与530-4之间，电感器540-4连接在偶极子臂530-4与530-1之间。如果偶极子臂530形成于偶极子辐射器印刷电路板522上，如图所示，电感器540还可方便地实施为相同印刷电路板522上的金属图案。
88.当使用偶极子辐射器印刷电路板522时，在一些实施例中，偶极子臂540可形成于偶极子辐射器印刷电路板522的介电衬底的第一侧上，电感迹线节段540可形成于偶极子辐射器印刷电路板522的介电衬底的与第一侧相对的第二侧上。这在图7b中示意性示出，该图是偶极子辐射器印刷电路板522的中心区段的放大透明后视图。如图7b中所示，每个电感器540的端部542在形成偶极子臂530的底座的金属化部正后方几乎延伸到偶极子辐射器印刷电路板522的中间，其中每个电感器540的两个端部在两个相邻偶极子臂530的金属正后方。八个电镀通孔544延伸穿过偶极子辐射器印刷电路板522的介电衬底，以将电感器540的八个端542电连接到四个偶极子臂540。已经发现，可以通过选择电镀通孔544的位置来调节交叉极化隔离性能。在所描绘的实施例中，电镀通孔544邻近于形成导电环偶极子臂540的两个节段中的每一个的(从偶极子臂540的底座开始)第一加宽导电构件524的远端定位。仿真显示辐射元件500实现-30db的最大交叉极化隔离，而省略电感器540的另外相同的辐射元件实现-27db的最大交叉极化隔离。这表明电感器540在交叉极化隔离性能方面提供约3db的改进。
89.一般来说，辐射元件的交叉极化隔离性能可以是辐射元件的相邻偶极子臂之间的距离(以对应于辐射元件的操作频带的中心频率的波长测量)的函数。特别地，不同偶极子
辐射器的偶极子臂之间的距离越近，交叉极化隔离性能越差。因此，当用于具有彼此紧邻的不同偶极子辐射器的偶极子臂的辐射元件时，根据本发明的实施例的技术可能特别有益。
90.具有彼此紧邻的不同偶极子辐射器的偶极子臂的一个常规辐射元件是所谓的“正方形”交叉偶极子辐射元件。图8a是正方形交叉偶极子辐射元件600’的示意性前视图，其包括呈大体正方形导电环形式的掩蔽式偶极子臂630-1至630-4。显而易见的是，对于每个偶极子臂630，导电环的第一四分之一直接邻接第一相邻偶极子臂630的一部分，而导电环的第二四分之一直接邻接第二相邻偶极子臂630的一部分。仿真显示，正方形交叉偶极子辐射元件600’具有-13.7db的最大交叉极化隔离。
91.图8b是根据本发明的实施例的正方形交叉偶极子辐射元件600的示意性前视图。除了正方形交叉偶极子辐射元件600还包括插置在偶极子臂630之间的四个电感器640-1至640-4之外，正方形交叉偶极子辐射元件600与图8a的正方形交叉偶极子辐射元件600'相同，其中电感器640-1连接在偶极子臂630-1与630-2之间，电感器640-2连接在偶极子臂630-2与630-3之间，电感器640-3连接在偶极子臂630-3与630-4之间，电感器640-4连接在偶极子臂630-4与630-1之间。因为偶极子臂630如此紧密地间隔开，所以在此实施例中，电感器640在辐射元件600的覆盖区之外。仿真显示辐射元件600实现-21db的最大交叉极化隔离，与辐射元件600’相比，这改善了7db以上。
92.虽然上述实例已集中于具有被设计成在其它频带中透明的偶极子臂的掩蔽式辐射元件，但应了解，本文公开的技术不限于此类掩蔽式辐射元件。例如，图9是根据本发明的又一些另外实施例的交叉偶极子辐射元件700的偶极子辐射器印刷电路板722的示意性前视图。交叉偶极子辐射元件700是中频带“三叶草叶”式辐射元件，其包括形成一对偶极子辐射器720-1、720-2的四个金属偶极子臂730-1至730-4。四个偶极子臂730-1至730-4在偶极子辐射器印刷电路板722的中间合并在一起，并且以与本文所论述的其它辐射元件类似的方式从中心馈电。
93.如图9所示，辐射元件700还包括四个电感器740-1至740-4，该四个电感器遵循根据本发明的实施例的技术插置在相邻的偶极子臂730之间。仿真显示，与省略电感器740的辐射元件的形式的-23db的最大交叉极化隔离相比，辐射元件700实现-28.5db的最大交叉极化隔离。
94.尽管上文的论述主要(但不专门)集中在低频带辐射元件，但应认识到，上文论述的技术可与在任何适当频带工作的辐射元件一起使用。
95.上文已经参考附图描述了本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以许多不同的形式体现，且不应解读为限制于本文陈述的实施例。而是，提供这些实施例以使得本公开将是透彻和完整的，并且这些实施例将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿全文，相同的数字表示相同的元件。
96.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。
97.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耦合到另一个元件，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)。
98.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。
99.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。
100.上文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。