用于多频带基站天线的宽带辐射元件的制作方法

1.本发明涉及一种双极化天线。更具体地，本发明涉及具有紧密接近的低频带和高频带偶极子的多频带基站天线。


背景技术：

2.随着当今手机使用量的高速增长，手机运营商需要利用手机流量的容量来保持所有网络用户的稳定。考虑到现有的对一个基站可部署的天线数量的要求，该问题的解决方案是存在一种天线，该天线可以容纳在不同频率范围内运行的多个线性辐射元件阵列，以支持多个手机运营商。此外，这种天线的宽度应该尽可能小，以便提供最小的逆风横截面积。这是对基站天线的风载荷的要求。
3.当今流行的双频带天线之一包括两种线阵列,它们是在690-960mhz频率范围内提供通信的低频辐射元件，以及在1700-2700mhz频率范围内提供通信的高频辐射元件。两个频段的这些线性行并排位于天线阵列的同一面上。对于在低频和高频范围内运行的紧凑型天线阵列的需求产生许多麻烦。特别是，位于平面反射器的690-960mhz低频范围的简单交叉偶极子，在1300-2900mhz频带内具有一个至少单频谐振。结果，当低频范围和高频范围的线性序列会聚在天线阵列的一个面上时，就会产生由这些单频谐振引起的不必要的相互耦合和再辐射，这会扭曲其他频段的方向图和增益。创建双频段紧凑型天线时的另一个重要考虑因素是它们是否适合大规模生产。对于某些类型的设计，在天线阵列中存在大量辐射天线元件会显著提高最终产品的组装速度，并降低其质量。因此，有必要提供一种小尺寸、高频范围隐藏、便于量产的天线元件。
4.专利cn 110957569a描述了一种交叉偶极型双极化天线，偶极子的每个辐射部都有两个相互正交连接的臂，并且一个附加的隔离元件连接在两个臂之间，在偶极子的每个部分形成一个闭合回路。附加的去耦元件包含一个介电基板和一个施加在其上的导电层。介电基板的两端与偶极子的两臂相连，导电层与两臂形成闭合电路。这种双极化天线如图1a和1b所示。位于偶极子臂上的介电基板上提供附加导电元件，在臂之间提供电连接，可以减小偶极子的横向尺寸并改善其方向特性，但是这种设计具有许多缺点。第一个缺点是偶极子的馈电部分，馈电部分有两条合适的电缆，连接到每个极化-/+45度的辐射部，在巴伦上有一个焊接点，在偶极子的第二个臂上有两个焊接点。这种电源方案通过在调谐天线阵列时向巴伦添加匹配网络来限制额外匹配的可能性。在大规模生产中，它可能会引入无源互调的额外问题。第二个缺点是位于偶极子臂上的闭合导电元件，它位于天线阵列中的高频元件的正上方。采用这种布置，该元件将扭曲其中一个极化-/+45度的高频行的方向图案。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是克服现有技术和在多频带天线阵列中使用的其他已知双极化天线的缺点。
6.基于上述现有技术，本发明的第一个目的是提供一种双极化宽带天线，其半功率波束宽度为60-65度，在690-960mhz的+/-60度区的边缘，交叉极化比优于-10db。第二个目的是创建一个宽带天线元件，该天线元件将在其预期的特定频带中运行，但同时对位于天线阵列同一面上的其他天线元件发射的另一个频带是透明的。第三个目的是创造一种宽带天线，它易于连接到波束成形网络，便于批量生产。
7.在优选实施例中，提供了一种双极化天线，其包括辐射元件，该辐射元件包括两个偶极子结构，用于在导电层的双面介电基板上制成的每个极化。在介电基板的顶面制作偶极子的臂，偶极子的每个臂由从偶极子中心伸出的两条导电层线相互正交，形成十字形。每个极化的偶极臂的端部通过导线相互连接，在偶极臂之间形成十字形槽。在介电基板的反面，沿着由偶极子的闭合臂形成的十字形槽，设置有导线的矩形谐振器。偶极巴伦也由双面介电基板制成，在其一侧，微带馈线从导电层穿过，输入电缆焊接到该导电层，另一侧是接地平面，电缆编织层焊接到该接地平面上。
8.介电基板顶面上的偶极臂在基板背面上具有附加导电元件。基板背面上的附加导电元件沿臂从偶极臂的中心到端部放置，并与它们具有通孔连接。
9.图2(a)、(b)、(c)、(d)中示出了根据本发明所述的双极化低频天线元件的第一实施例。
10.本发明的低频双极化天线元件提供与高频天线元件最小化的不必要的相互耦合，同时在半功率下保持稳定的波束，与传统解决方案相比，在+60度的区边缘处具有改进的交叉极化水平，这是由于位于基板背面的附加导电矩形谐振器，在多频带天线的低频偶极子的辐射部执行集成高频滤波器的功能。
11.根据本发明的低频天线元件提供比传统解决方案更宽的带宽，因为是通过在基板顶面的导电臂与基板背面的附加直线或导电曲线之间的通孔连接产生了线性电抗。因此，可以产生减小天线元件的纵向尺寸，同时保持其在工作频带中的匹配的可能性。
12.与传统的解决方案相比，根据本发明的低频带双极化天线元件容易连接波束成形电路，具有微带巴伦，对于每一个极化，其导线连接到输入电缆连。这使得增加一个匹配网络到巴伦的导电线上成为可能。在另外一个双极化低频天线元件实施列中，偶极子不仅有微带巴伦，对于每一个极化，还有连接两条输入电缆的微带。因此，与现有技术的天线相比，这个天线元件设计需要更短的同轴电缆来连接到波束成形网络。
13.与传统解决方案相比，根据本发明的低频天线元件更适合于紧凑型双频带天线阵列，因此，通过过滤低频元件工作中的高频，改善了高频天线元件的辐射方向图，并且低频元件周围的增益稳定。此外，由于低频元件的纵向尺寸小，天线阵列中的两个频带的隔离度频率特性和交叉极化水平性都得到了改善。
附图说明
14.被并入并构成描述的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与本发明的以下一般描述一起用于解释本发明的原理。
15.图1a和1b是cn 110957569 a中现有技术的双极化天线侧视图和俯视图。
16.图2a是根据本发明的双极化天线元件的第一实施例的侧视图，其中偶极子的四个偶极臂形成十字形辐射部。
17.图2b是根据本发明的双极化天线元件的第一实施例的侧视图，其中两个印制巴伦的带状线直接连接到同轴电缆的内导体。
18.图2c是根据本发明的双极化天线元件的第一实施例的俯视图，其中偶极臂的导电元件在端部通过细导电长度连接。
19.图2d是根据本发明的双极化天线元件的第一实施例的仰视图，其中附加金属化段用作集成滤波器。
20.图3是根据本发明的双极化天线元件的仰视图，示出了在印刷电路板基板的顶表面和底表面上的导电元件的布置。
21.图4(a)(b)示出了根据本发明的双极化天线元件的第二实施例的侧视图和俯视图，其中在偶极臂之间的顶面上，间隙以弯曲的形式制成，且变宽，呈阶梯状。
22.图4(c)示出了根据本发明的双极化天线元件的第二实施例的仰视图，其中在辐射部的底面上，执行集成滤波器功能的附加元件的导电段以弯曲导线的形式制成。
23.图5(a)示出了根据本发明的双极化天线元件的第三实施例的侧视图，其中两个印制巴伦的带状线直接连接到位于平坦反射表面上的印刷电路板的带状线。
24.图5(b)示出了根据本发明的双极化天线元件的第三实施例的仰视图，其中位于印刷的发射部的底面上的附加导电元件，以弯曲的形式制成，并且在顶表面上与偶极子具有金属化通孔连接。
25.图6示出了一种1l2h型双频带天线阵列的俯视图，其中根据本发明的双极化天线用作低频天线元件。
26.图7示出了2l4h型的双频带天线阵列的俯视图，其中根据本发明的双极化天线用作低频天线元件。
27.图8示出了根据本发明的双极化天线元件的第一实施例的计算辐射图。
具体实施方式
28.应当知悉，本发明不限于上述附图所公开的特定形式。本发明将涵盖落入所附权利要求范围内的所有改动、等同和替代形式。
29.为了说明本发明和cn110957569a描述的用于多频带天线阵列的现有技术的双极化天线的区别，现有技术的天线分别在图1a和1b中从侧面图像和俯视图像中示出。
30.现有天线12包含用于每个极化-/+45的两个正交辐射部。其中一个偶极子部件具有两个臂121，它们彼此正交，并连接在电源巴伦11的上部。两个偶极臂121通过印刷去耦元件122连接，并共同形成闭环电路。电源由一个巴伦和两条同轴电缆提供，电缆直至巴伦的顶部并连接到两个金属连接器13。隔离器122是一个印刷电路板，由介电基板1221和位于介电基板1221上的导电层1222组成。介电基板1221的两端连接到偶极子121的两个臂。此外，去耦元件的导电层在线12222的宽度上有延伸，并且在偶极子臂和基板12221的接触点处有扩展。额外的去耦元件改善了低频天线元件的方向性并扩大了其频率范围，但并未改善阵列中高频天线元件的辐射方向图。
31.优选实施例的辐射装置50如图2(a、b、c、d)所示被蚀刻到双面印刷电路板上，其顶面上包含四个偶极臂1a-1d，1a、1c用于一种极化，1b，1d用于另一种极化。偶极子1a-1d的每个臂由两个导电段组成(21a-22a用于1a；21b-22b用于1b；21c-22c用于1c；21e-22d用于
1e)，彼此成90度角，在开始处连接并沿着x轴和y轴设置，与其他偶极臂一起形成辐射装置50常规呈十字形状。x平面中一个极化-45的偶极臂1d、1b的导电段22d、22b通过端部的导线3与x平面中另一个极化+45的偶极臂1a、1c的导电段22a、22c相连，以及y平面中一个极化-45的偶极臂1d、1b的导电段21e、21b通过导线3与另一种极化+45的偶极臂1a、1c的导电段21a、21c连接。偶极臂1a-1d通过导线3在端部连接，在x平面中形成间隙2a，在y平面中形成间隙2b。
32.在辐射印刷电路板50的底面上，在偶极臂1a-1d的导电段22a-22d、21a-21b、22b-22c、21c-21d之间，沿着间隙2a和2b，沿着x轴和y轴，蚀刻附加元件9，其由两对相同的金属化段9a和9b在四个点10a-10d处垂直相交形成。通过间隙28在附加元件9周围的是附加导电层14，其在顶面上具有与偶极子1a-1e的每个臂的通孔连接24。对于每个极化-+45，巴伦4a和4b的两个印刷电路板以交叉形状相互成90度角，与x轴成45度角。巴伦4a和4b的每个印刷电路板具有带状馈线5和接地平面6的金属层。输入同轴电缆7的内导体连接到带状馈线5，同轴电缆的编织层连接到接地平面6。此外，印刷巴伦4a和4b各有两个小的金属化突起12，它们穿过印刷的发射部中的四个凹槽16。接地平面6和12在点30a-30e处焊接到偶极子1a-1e的每个臂，并牢固地固定结构。
33.位于辐射装置50下侧的附加元件9和上侧的间隙2a和2b一起用作低频天线元件的辐射装置中的集成滤波器。由两对相同的金属化段9a和9b形成并在四个点10a-10d处垂直相交的附加元件9可以具有四边形形状的各种改变，以在低频天线元件的运行中实现完全消除不需要的高频谐振，同时保持其预期的主频带。通过改变两个附加元件9的相交金属化段9a和9b的长度和宽度，并改变它们之间的距离，可以将滤波特性调整为偶极子的不同阻抗，这取决于间隙2a和2b。
34.底面上的附加导电元件14在顶面上具有与偶极子1a-1d的臂的通孔连接24，增加了辐射部50的线性电容，这可实现在预期频带内的最佳匹配，并且改善了无源互调的特性。
35.导电段3，沿着x轴和y轴在偶极子臂1a-1d的段的端部连接，当低频单元和高频单元的天线阵列位于同一面时，改善了端口到端口隔离的频率特性，且改善了低频天线阵列的方向图的斜视和交叉极化水平。
36.位于两个印刷巴伦4a和4b顶部的辐射部50似乎是一种方便批量生产的设计，辐射部50上有4个焊点20，在巴伦4a、4b上有两个焊点30，这显著减少大型双频带天线的组装时间。所描述的双极化天线的计算辐射图如图8所示。
37.参考图4到7，描述了本发明优选的双极化低频天线元件的天线的一些示例性实施例。
38.图4(a)的透视图、图4(b)的俯视图、图4(c)的仰视图示出了根据本发明的具有双极化的低频天线元件的第二实施例。
39.由在四个点10a-10d相交的两对导体9a和9b形成的附加元件9，和位于偶极臂1a-1d之间的沿x轴和y轴的间隙2a、2b，作为辐射部50中的集成滤波器。为了调整滤波特性，有必要改变偶极子1a-1d的臂之间沿x轴和y轴的元件9之间的距离，并通过改变交叉导体9a、9b的长度和宽度来改变它们的尺寸。间隙2a和2b在印刷的发射部的顶侧和底侧上的附加元件9之间以曲折线38的形式呈现，可以增加间隙2a和2b的电长度，从而改变附加元件9之间的距离。如图4(c)所示，还可以通过将金属化导体9a、9b制成曲线段45a和45b来增加附加元
件9的电尺寸。在辐射部50的顶侧，在间隙2a和2b中沿x轴和y轴有扩展35，位于附加元件9的正上方。低频天线元件的辐射部50的这种实施例不仅可以改变集成滤波器的有功和无功组件，同时保持辐射部50的横向尺寸，这在双频带天线阵列的设计中是一个非常重要的因素。
40.根据本发明的双极化低频天线元件的第三个实施例如图5(a)所示，图5(b)与同轴馈电电缆很好地匹配，其结果是其中一个在点7a处直接连接到印刷电路板60，其可以包含匹配电路52的附加元件。印刷电路板60的带状线51a和51b在点17a和17b处连接到巴伦4a和4b的带状线5。印刷电路板60放置在反射导电表面55上。偶极臂1a-1d中的弯曲段44增加了它们的电长度，还在间隙2a和2b中产生了额外的扩展42a，并且在辐射印刷装置的导电段14中的顶面和底面42c和42d上的宽度42b变窄，这将改变由间隙2a和2b产生的阻抗。综上所述，该实施例在宽频带中具有广泛的附加匹配调整元件的选择，并且还具有便于批量生产的设计。
41.图6和图7是两个双极化双波段天线阵列的的两种改变的侧视图。如图6所示是双频天线阵列的第一种改变，由图2(a)、(b)、(c)、(d)所示的五个低频天线和十个高频天线80组成，并排位于低频天线元件70的每一侧，位于平面反射板100的一个面上。双频带天线阵列的第二种改变如图7所示，由并排放置的两排五个低频天线元件75a和75b组成。每排低频元件并排的是两个高频排，每个高频排10个元件，两个频带的天线元件位于平面反射板200的一个面上。上述所有双极化低频天线元件如图2-5所示，且可用于实现天线阵列的lb和hb元件之间的最小相互影响，改善这种双频天线阵列中交叉极化水平、端口之间的隔离度，以及两个频带范围内的增益。
42.尽管已经通过实施例的描述来说明本发明，并且尽管已经详细描述了实施例，但是申请人的意图不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制到这样的细节。对于本领域的技术人员来说，附加的优点和修改将很容易出现。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示和描述的具体细节、代表性装置和说明性示例。因此，在不背离申请人的一般发明概念的精神或范围的情况下，可以偏离这些细节。