专利名称：双极化基站天线的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及天线领域。更具体地说，本发明涉及一种用于无线电信系统的双极化基站天线。
用于无线电信系统中的基站具有接收线性极化电磁信号的能力。然后，这些信号被基站的接收机进行处理，并被送入电话网络。实际上，接收信号的同一个天线也能发送这些信号。一般地说，发送的信号和接收的信号的频率不同。
无线电信系统遭受多径衰落的问题。经常使用分集接收来克服严重的多径衰落。分集技术要求至少两个传输相同信息但具有不相关的多径衰落的信号路径。在电信工业的基站中使用几种类型的分集接收，包括空间分集，方向分集，极化分集，频率分集和时间分集。空间分集系统接收来自空间不同点的信号，需要隔开足够距离的两个天线。极化分集使用正交极化，以便提供不相关的路径。
正如现有技术所知，天线的线性极化的指向或方向被从固定的轴线测量，并且可以根据系统要求而改变。具体地说，极化的指向可以在垂直极化(0度)到水平极化(90度)之间变化。当前，在系统中使用的最流行的线性极化是，其使用垂直/水平和+45°/-45°极化(倾斜45°)。不过，可以使用其它角度的极化。如果天线接收或发送两个基本正交的极化信号，则它们被称为双极化天线。
使用位于地平面以上的交叉偶极子的直线或平面阵列构成倾斜45°的极化发射元件阵列。交叉偶极子是这样一对偶极子，其中心在同一点，其轴线正交。这些偶极子的轴线被这样设置，使得它们平行于所需的极化指向。换句话说，每个偶极子的轴线相对于天线阵列的竖轴或纵轴成一个角度。
和交叉偶极子结构有关的一个问题是每个交叉偶极子的电磁场和其它交叉偶极子以及用于支撑、容纳并馈给这些交叉偶极子的外围结构的电磁场相互干扰。如本领域中熟知的，偶极子周围的辐射电磁场(EM)相互之间传递能量。这种相互耦合影响两个正交极化信号的相关性。耦合的反面是去耦，即-30dB的耦合相当于30d的去耦。
双极化天线必须满足某个端口对端口的去耦规定。一般的端口对端口的去耦规定是30dB或以上。本发明增加双极化天线的端口对端口的去耦。所述去耦是由于相位调整的再辐射的能量，其和偶极子的相互耦合能量一道消失。
一般地说，双极化天线必须满足30分贝的去耦规定才能售出。不满足这个规定意味着系统积分器必须使用较高性能的滤波器，其成本高并且降低天线增益。本发明克服了这些问题，因为其满足或超过了30分贝去耦的规定。此外，双极化天线一般必须达到在60度时10分贝的交叉极化识别才能销售，即在垂直于天线的中心轴线并离开和所述轴线相交的平面60度的位置必须达到10分贝的交叉极化识别。本发明提供一种用于满足10分贝交叉极化识别规定的装置。
和现有技术的天线阵列有关的另一个问题是其尺寸。现有技术的天线阵列沿着天线的长度提供多个辐射元件。因此，天线的长度由辐射元件的数量和辐射元件的间距确定。因为天线的增益和辐射元件的数量与间距成正比，现有技术的天线的宽度和高度不可能不牺牲天线的增益而被显著地减小。
为了防止锈蚀，需要一种能够阻止水和其它的环境元素接触有源天线元件的天线。一种解决办法是提供具有保护罩的天线。然而，现有天线的一个问题是把保护罩固定到天线上。因为现有的保护罩的固定方式，现有的保护罩设计使得水和其它环境元素能够接触有源天线元件，因而引起天线腐蚀(例如填缝的密封剂失效)。此外，因为这些现有的天线罩随着时间和温度的变化不能保持密封的完整性，所以这种天线罩能够使水和其它环境进入天线。
此外，基站塔对于社会的可视影响已经引起社会关注。希望减少这些塔的尺寸而减少其对社会的影响。这些塔的尺寸可以提供利用具有少数天线的基站塔来减少。如果使用双极化天线和极化分集，则可以减少基站塔的尺寸。这种系统代替使用要求一对垂直极化的天线的空间分集的系统。一些研究表明，对于市区环境，极化分集提供相当于空间分集的信号质量。由于大部分基站位于市区环境中，可以用双极化天线代替一对常规的垂直极化天线。减少基站塔的尺寸的另一个方面是使用较小的基站天线。本发明解决和现有的天线有关的问题。
提供一种改进的天线系统用于发送和接收电磁信号，包括具有一定长度和沿着长度的轴线的安装板。多个交错排列的偶极子辐射元件从安装板的表面上向外凸出。每个辐射元件包括平衡的正交偶极子对，它们相对于纵轴以第一和第二预定角度对齐，从而形成交叉偶极子对。安装板被固定在沿长度方向延伸的底板上。一个不平衡的馈给网络和辐射元件相连。馈给网络沿着安装板延伸，并由多个夹子和安装板隔离。馈给网络被设置在底板和安装板之间。提供多个微带钩，每个微带钩和每个偶极子相邻，并由一个夹子和每个偶极子隔开。
因此，本发明提供一种产生双极化信号的天线阵列。本发明还提供一种至少能够实现30分贝的端口对端口绝缘的天线。本发明还提供一种在60度时至少具有10分贝的交叉极化识别的天线。本发明还提供一种天线，其具有高增益，同时借助于使其中包括的双极化辐射元件交错排列减少天线的长度和宽度。本发明的天线包括轴向一致的曲折密封，其随着时间和温度的变化能够保持和机罩的整体性。这种天线能够使和馈给网络相连的不平衡的传输线和平衡的偶极子元件相匹配。这种天线的生产成本相当低，因为基本上天线内所有元件部可以以低的成本大量生产；独特的元件的数量和总的元件的数量相对较少；消除了黏合剂，焊料和焊剂；并且减少了机械紧固件的数量。
附图中
图1是包括安装板和多个交错的辐射元件的天线的顶侧透视图；图2是图1所示的天线的辐射元件、安装板和馈给网络的顶视图；图3是图2所示的天线的侧视图；图4是图1所示的天线的辐射元件和馈给网络的局部透视图；图5是图1所示的天线的辐射元件、微带钩和馈给网络的局部透视图；图6是图1所示的天线的一个辐射元件及其微带钩的透视图。
图7是图1所示天线的底板、机罩和辐射元件的端视图；图8是图7所示的天线的相对端的端视图，表示底板和辐射元件；图9是用于固定图1-8所示的馈给网络和微带钩的夹具的透视图；图10是图9所示的夹具的正视图；图11是图9所示的夹具的侧视图；以及图12是图9所示的夹具的顶视图。
本发明用于无线通信系统。本发明的一个实施例的工作频率的范围是800-1000MHz(这包括ESMR，GSM和蜂窝电话频率)。一般地说，无线电话用户向基站塔发送EM信号，基站塔包括多个天线，其接收由无线电话用户发送的信号。本发明虽然用于无线基站，但是也可以用于各种类型的电信系统。
图1-5所示的天线是55-70度方位的、半功率束宽(HPBW)天线，即在55和70度之间天线达到3分贝的束宽。图1表示和安装板12相连的交叉的双极化偶极子辐射元件11a-n的天线阵列10。安装板12是一个金属接地板，如图7所示，其具有第一侧面14和第二侧面16。一个纵向延伸的底板52容纳安装板12和辐射元件11a-n。纵向延伸的压制件70和底板52相连，并支撑着安装板12。辐射元件的数量、馈给网络的功率以及辐射元件和安装板的构成和尺寸都取决于由天线产生的辐射图形。最好是，辐射元件11a-n和安装板12由金属例如铝制成。不过，其它金属例如铜或青铜也可用于构成辐射元件11a-n和安装板12。
本领域的技术人员应当理解，天线的增益和阵列中具有的交错排列的辐射元件的数量以及元件的间距成正比。换句话说，增加天线10中的辐射元件的数量将增加增益，而减少辐射元件的数量将减少天线的增益。因此，虽然示出了14个辐射元件，但是辐射元件的数量可以增加，以便增加天线的增益。相反，辐射元件的数量可以减少而减少增益。由于使用了偶极子辐射元件11a-n，它们是高效的辐射器，并使用了高效的微带馈给网络31，所以可以使天线10的增益达到最大。
辐射元件11a-n发送和接收EM信号，并分别由偶极子对18a，18b；20a，20b；22a，22b；24a，24b；26a，26b；28a，28b；30a，30b；32a，32b；34a，34b；36a，36b；38a，38b；40a，40b；42a，42b；44a，44b构成。辐射元件11a-n相对于纵轴13a或13b分别成+45度和-45度角。每个辐射元件11a-n接收具有+45度和-45度极化的信号。即，偶极子的轴线被这样排列，使得它们平行于所需的极化指向。在图1所示的实施例中，倾斜角+α和-α分别是+45度和-45度。虽然所示的倾斜角是+45度和-45度，但是本领域的技术人员应当理解，这些角度可以改变，以便使天线的性能最佳。此外，角度+α和-α的大小不必相同。例如，+α和-α可以分别是+30度和-60度。在图1所示的实施例中，在辐射元件11a-n的每个中的一个偶极子接收具有+45度极化的信号，而在辐射元件11a-n的每个中的另一个偶极子接收具有-45度极化的信号。
如图5所示，馈给网络31包括两个分支31a和31b。分支31a和每个平行偶极子18a，20a，22a，24a，26a，...，以及44a通过和各个偶极子相邻的微带钩电磁耦联。分支31b和每个平行偶极子18b，20b，22b，24b，26b，...，以及44b通过和各个偶极子相邻的微带钩电磁耦联。从平行偶极子18a，20a，22a，24a，26a，...，以及44a接收的信号使用用于那一极化的分支31a分配给接收机，从平行偶极子18b，20b，22b，24b，26b，...，以及44b接收的信号使用用于另一极化的分支31a分配给接收机。如图7-8所示，馈给网络31沿着安装板31延伸，并由多个夹子50设置在第二侧16的下方。馈给网络31位于安装板12和底板52之间，以便使馈给网络31和辐射元件11a-n绝缘，并大大减少来自馈给网络31的从天线10溢出的EM辐射的数量。馈给网络31把从辐射元件11a-n的接收信号分配给分集接收器进行处理。每个辐射元件11a-n也可以作为发射天线。
每个偶极子由金属例如铝制成。每个偶极子包括两个半个偶极子。例如，如图5所示，偶极子42b包括半个偶极子42b’和42b”。每个半个偶极子基本上呈倒置的L形，如图5所示。构成一个辐射元件的4个半个偶极子在物理上由同一片金属制成，如图6所示，并且都处于直流地电位。不过，构成辐射元件的两个偶极子的每一个以独立的RF操作。如图5所示，每个半个偶极子在每个辐射元件的基部46和其它3个半个偶极子相连。基部46包括4个脚48，其使辐射元件能够固定在安装板12上(图5，图6)。辐射元件通过由Tox Pressotechnik GmbH ofWeingarten，Germany开发的冷成型工艺固定在安装板12上。冷成型工艺使4个金属脚48和金属安装板12一起变形成为按钮。冷成型工艺使用压力把金属脚48的金属和安装板12的金属锁定在一起。这种工艺消除了使用机械紧固件把辐射元件固定到安装板12上。
本发明还改进了天线10的交叉极化识别。如图5所示，向下延伸的垂直部分57被提供在每个基本上呈L形的偶极子的远端。垂直部分57改进了天线的交叉极化识别，使得在60度时至少达到10分贝的交叉极化识别。
每个基本上呈L形的半个偶极子部分形成一个垂直支撑。例如，如图5所示，半个偶极子42b’包括垂直部分54，半个偶极子42b”包括垂直部分55。微带钩通过一个夹子50被固定在每个偶极子上，并和每个偶极子隔开。微带钩使每个偶极子和馈给网络31电磁相连。例如，和馈给网络31的分支31b成一个整体的微带钩56和偶极子42b相邻。每个偶极子18a，18b，20a，20b，22a，222b，24a，24b，26a，26b...，以及44a和44b配备有平衡/不平衡(平衡—不平衡变换器)变换器58。平衡—不平衡变换器的一般操作是本领域内熟知的，在Brian Edward & Daniel Rees的文章中“A Broadband Printed Dipole with Integrated Balun”MICROWAVE JOURNAL，May 1987，339-344中描述了，在此列为参参考。每个平衡—不平衡变换器58包括一个微带钩和用于每个半个偶极子的垂直支撑。例如，如图5所示，偶极子42b包括平衡—不平衡变换器58，其包括微带钩56和垂直支撑54和55。每个微带钩56基本上呈倒置的U形。不过，为了得到一对对称的交叉偶极子，倒置的U的一个腿的长度大大大于另一个腿的长度。平衡—不平衡变换器58分别使和馈给网络31相连的不平衡的传输线和和平衡的偶极子元件对18a，18b；20a，20b；22a，222b；24a，24b；26a，26b；...，以及44a和44b匹配。每个微带钩56在整体上和馈给网络31相连。多个微带钩56的每一个通过一个夹子50和其各自的偶极子相连并和各自的偶极子隔开。夹子50由介电材料例如加有聚丙烯的玻璃纤维。如图9-12所示，每个夹子50包括两个从基部51向上延伸的基本上呈U形的上部凸起49和两个从基部51向下延伸的基本上呈U形的下部凸起53。下部凸起53使夹子50能够固定在一个偶极子或者安装板上。上部凸起49使得夹子50能够使馈给网络31和安装板12相连或者使一个微带钩56和一个偶极子相连。
图7说明包围天线阵列10的罩60。罩60包括和罩60成一整体的两个纵向延伸的底部边缘62。底板52包括两个纵向延伸的轨道63。罩60通过将其在底板上滑动，使得纵向延伸的底部边缘62和底板52的轨道63处于弹性接合状态而被固定在天线10上。此外，罩60通过使底部边缘62咬住底板的轨道63被固定在天线10上。底部边缘62和轨道63之间的紧摩擦接合能够阻止水和其它环境元素进入天线，从而防止天线10的腐蚀。导轨把罩60固定在天线10上，从而阻止罩60相当于底板52沿两个方向，即沿横向和纵向离开安装板12而运动。端帽73咬在天线10的端部上，从而使辐射元件11a-n密封，以便保护天线10免受不利环境条件的影响。一对连接器64通过底板52向下延伸其长度大约是天线10的长度的一半，用于使馈给网络31的分支31a，31b和外部接收机或发送机电气相连。此外，连接器64可以位于天线10的一个端帽上。一对整体的安装支架连接器65沿着底板52的外部延伸，并且能够使天线10和基站塔相连。
在图1所示的实施例中，14个交叉偶极子辐射元件11a-n被固定在2.6m×0.25m的安装板上。天线10的工作频率范围是800-1000MHz(包括ESMR，GSM和蜂窝电话的频带)。纵轴13a和13b沿着阵列10的纵向长度延伸。7个辐射元件(11a，11c，11e，11g，11i，11k，11m)沿着纵轴13a对准，而另外7个辐射元件(11b，11d，11f，11h，11j，11l，11n)沿着纵轴13b对准。因而，辐射元件在安装板12上沿着第一纵向延伸行66和第二纵向延伸行68对准。在第一行66中的每个辐射元件和在第二行68中的每个辐射元件交错排列。如图1所示，在行66中的辐射元件和在行68中的辐射元件沿纵向相互分开距离D。不过，在第一行66中的辐射元件和在第二行68中的辐射元件分开的距离大约等于D/2。
本发明的天线包括产生两个正交极化信号的双极化辐射元件。本发明还提供了由交叉偶极子构成的天线阵列。本发明包括多个交叉排列的辐射元件，这使天线具有高的增益，同时减少天线的高度和宽度。本发明的天线的元件改善了由交叉偶极子产生的EM场之间的绝缘。在每个基本上呈L形的偶极子的远端向下延伸的垂直部分改善了天线的交叉极化识别，使得在60度能够至少达到10分贝的交叉极化识别。这种天线还使在无线通信系统中所需的天线的数量最少，从而提供具有最小尺寸的外观漂亮的基站。本发明的天线包括轴向一致的曲折密封，其能够随时间和温度的变化保持密封的完整性。这种天线生产成本低，因为基本上天线内所有元件都可以以低的成本大量生产；独特的元件的数量和总的元件的数量相对较少；消除了黏合剂，焊料和焊剂；并且减少了机械紧固件的数量。
虽然本发明已经参照一个或几个优选实施例进行了说明，但是，本领域的技术人员应当理解，不脱离权利要求限定的本发明的构思可以作出各种改变和改型。
权利要求
1.一种用于发送和接收电磁信号的天线，包括具有纵轴的安装板；从所述安装板的表面向外伸出的多个偶极子辐射元件，每个所述辐射元件包括平衡的正交偶极子对，它们相对于所述纵轴以第一和第二预定的角度对齐，从而形成交叉偶极子对；以电磁方式和所述辐射元件相连的不平衡的馈给网络；以及多个微带钩，每个所述微带钩和所述每个偶极子相邻，并通过微带夹和所述偶极子隔开。
2.如权利要求1所述的天线，其中所述馈给网络沿着所述安装板延伸，并通过多个馈给网络夹和所述安装板隔开。
3.如权利要求2所述的天线，其中所述馈给网络夹和所述微带夹具有相同的构型。
4.如权利要求1所述的天线，其中所述馈给网络包括由多个馈给网络夹和所述安装板隔开的微带传输线。
5.如权利要求1所述的天线，其中所述微带夹由介电材料构成。
6.如权利要求1所述的天线，其中所述微带夹包括两个基本上为U形的从所述微带夹的基部向上延伸的凸出部分，和两个基本上为U形的从所述微带夹的基部向下延伸的凸出部分。
7.如权利要求1所述的天线，其中每个所述辐射元件包括4个半个偶极子，并且每个所述辐射元件包括具有4个脚的基部。
8.如权利要求7所述的天线，其中所述每个脚通过冷成形方法被连接到所述安装板上。
9.如权利要求1所述的天线，其中所述偶极子包括2个半个偶极子，每个所述半个偶极子具有基本上为倒置的L形的外形，所述基本上为L形的外形的一部分形成垂直支撑。
10.如权利要求9所述的天线，还包括由一个所述微带钩和所述每半个偶极子的垂直支撑构成的平衡—不平衡变换器。
11.如权利要求10所述的天线，其中每个所述微带钩由空气电介质和每半个偶极子的所述垂直支撑隔离。
12.一种用于发送和接收电磁信号的天线，包括具有纵轴的安装板；从所述安装板的表面向外伸出的多个交错排列的偶极子辐射元件，每个所述辐射元件包括平衡的正交偶极子对，它们相对于所述纵轴以第一和第二预定的角度对齐，从而形成交叉偶极子对；以及以电磁方式和所述辐射元件相连的不平衡的馈给网络。
13.如权利要求12所述的天线，还包括多个微带钩，每个所述微带钩和每个所述偶极子相邻，并由一个夹子和所述偶极子隔开。
14.如权利要求12所述的天线，其中所述馈给网络包括微带传输线，其沿着所述安装板延伸，并由多个夹子和所述安装板隔开。
15.如权利要求12所述的天线，其中所述交错排列的辐射元件沿第一纵向延伸行和第二纵向延伸行在所述安装板上对齐，在所述每行中的辐射元件在纵向由距离D相互隔开，在所述第一行中的辐射元件沿纵向和所述第二行中的辐射元件隔开的距离大约等于D/2。
16.一种用于发送和接收电磁信号的天线，包括具有纵轴的安装板；从所述安装板的表面向外伸出的多个偶极子辐射元件，每个所述辐射元件包括平衡的正交偶极子对，它们相对于所述纵轴以第一和第二预定的角度对齐，从而形成交叉偶极子对；沿纵向延伸的底板，所述安装板被固定在所述底板上；以及以电磁方式和所述辐射元件相连的不平衡的馈给网络，所述馈给网络沿着所述安装板延伸，并被设置在所述底板和所述安装板之间。
17.如权利要求16所述的天线，还包括多个微带钩，每个所述微带钩和每个所述偶极子相邻，并由一个夹子和所述偶极子隔开。
18.如权利要求16所述的天线，其中所述馈给网络沿着所述安装板延伸，并由多个夹子和所述安装板隔开。
19.如权利要求16述的天线，其中所述辐射元件是交错排列的，使得它们在所述安装板上按照第一纵向延伸行和第二纵向延伸行对齐，在所述每行中的辐射元件在纵向由距离D相互隔开，在所述第一行中的辐射元件沿纵向和所述第二行中的辐射元件隔开的距离大约等于D/2。
20.一种用于装配用于接收和发送电磁信号的天线的方法，包括提供具有一定长度和沿着所述长度的纵轴的安装板；提供多个从所述安装板的表面向外伸出的偶极子辐射元件，每个所述辐射元件包括平衡的正交偶极子对，它们相对于所述纵轴以第一和第二预定的角度对齐，从而形成交叉偶极子对；把所述安装板固定在一个沿纵向延伸的底板上；以及以电磁方式连接所述辐射元件和不平衡的馈给网络，所述馈给网络沿着所述安装板延伸，并被设置在所述底板和所述安装板之间。
21.如权利要求20所述的方法，还包括利用多个夹子隔开所述馈给网络和所述安装板的步骤。
22.如权利要求20所述的方法，还包括设置微带钩和所述一个偶极子相邻，并利用夹子使所述微带钩和所述偶极子隔开的步骤。
23.如权利要求20所述的方法，还包括交错排列所述辐射元件，使得它们在所述安装板上按照第一纵向延伸行和第二纵向延伸行对齐，在所述每行中的辐射元件在纵向由距离D相互隔开，在所述第一行中的辐射元件沿纵向和所述第二行中的辐射元件隔开的距离大约等于D/2。
全文摘要
一种改进的用于发送和接收电磁信号的天线系统包括具有沿着长度方向的纵轴的安装板。多个交错排列的偶极子辐射元件从所述安装板的表面向外伸出。每个所述辐射元件包括平衡的正交偶极子对,它们相对于所述纵轴以第一和第二预定的角度对齐,从而形成交叉偶极子对。安装板被固定在沿纵向延伸的底板上。不平衡的馈给网络和所述辐射元件相连。馈给网络沿着安装板延伸,并利用多个夹子和安装板隔开。馈给网络被设置在底板和安装板之间。提供多个微带钩,每个所述微带钩和所述每个偶极子相邻,并通过一个夹子和所述每个偶极子隔开。
文档编号H01Q9/28GK1254966SQ99125030
公开日2000年5月31日 申请日期1999年10月13日 优先权日1998年10月14日
发明者J·S·威尔逊, H·W·达维斯, P·J·比休勒斯, C·A·比德勒科姆, L·J·拉卡纳, D·J·乌勒赖 申请人:安德鲁公司