用于基站天线的壕沟中的高频段辐射器

摘要

公开了一种超宽频段双频段蜂窝基站天线的高频段辐射器。高频段辐射器包括至少一个偶极天线、馈电柄、以及管状本体，管状本体由导电材料制成并具有环形边缘。每个偶极天线包括两个由导电材料制成的偶极天线臂部。馈电柄为偶极天线馈电，且包括非导电的电介质基板本体和形成在基板本体以作为平衡-不平衡变换器的导体。馈电柄在一端连接偶极天线，并在另一端具有至少一个馈电连接器，导体联接在其之间。管状本体适合于在开口端通过环形凸缘电连接至接地面；本体在另一端短路以限定管状本体的内腔。馈电柄的至少一部分设置在管状本体内。

说明书

本申请要求2013年9月11日递交的申请号为No.AU2013903473、题 为“用于基站天线的壕沟中的高频段辐射器”(“High-bandRadiatorsInMoats ForBasestationAntennas”)的澳大利亚临时专利申请的优先权，且将其通过 引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用于蜂窝系统的天线，且更确切的，涉及用于蜂窝基 站的天线。

背景技术

无线技术的发展通常要求无线运营商在其网络中部署新的天线设备。不 利的是，塔由于具有多个天线已变得杂乱，而安装和维护已变得更复杂。基 站天线通常覆盖单一的窄频段。这已经导致过多的天线安装在一个站点 (site)。由于如此多天线的视觉污染，地方政府已经强制实行限制并使得新 站点的批准变得困难。某些天线设计已经尝试结合两个频段并扩展带宽，但 是由于许多空中接口(air-interface)标准和频段的增长，仍然需要很多天线。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种超宽频段双频段蜂窝基站天线的高频 段辐射器。双频段包括低频段和高频段。高频段辐射器包括至少一个偶极天 线(dipole)、馈电柄(feedstalk)、以及管状或大致的管状本体，该管状本 体由导电材料制成并具有环形或大致环形的凸缘。至少一个偶极天线包括两 个偶极天线臂部，该两个偶极天线臂部由适合于高频段的导电材料制成。馈 电柄为至少一个偶极天线馈电，且包括非导电的电介质基板本体和形成在基 板本体上的适合于用作平衡-不平衡变换器(baluntransformer)的导体。馈 电柄在一端连接至少一个偶极天线，且在另一端具有至少一个同轴电缆馈电 器(coaxialcablefeed)。导体联接至至少一个偶极天线和至少一个电缆馈电 器。管状或大致的管状本体适合于连接双频段蜂窝基站天线的接地面。管状 本体直接地或由电容耦合，通过环形凸缘在开口端电连接至接地面，并在另 一端短路、以限定管状本体的内腔。馈电柄的至少一部分通过开口端设置在 管状本体内。管状本体适合于使馈电连接在短路端通过管状本体延伸。

在一个示例中，高频段辐射器单元包括：包括平衡-不平衡变换器的馈 电柄；具有安装在馈电柄上的两个偶极天线臂部的偶极天线，每个偶极天线 臂部具有近似于用于偶极天线的运行的预期频率的波长的四分之一的长度， 以及在本文中称为“壕沟(moat)”的凹陷的扼流槽(choke)，该壕沟具有用 于馈电柄的安装表面和适合于安装在接地面上的凸缘。馈电柄的尺寸设定为 具有长于用于偶极天线的运行的预期频率的波长的四分之一的长度，且偶极 天线臂部定位在壕沟的凸缘上方大约运行的预期频率的波长的四分之一长 度的位置处。

优选的，高频段辐射器包括用于双极化的一对交叉的偶极天线，每个偶 极天线包括两个偶极天线臂部，该两个偶极天线臂部由适合于高频段的导电 材料制成。管状本体可以是圆柱形、大致的圆柱形、六边形或其它多边形的 形式。

管状本体适合于具有用于将馈电柄的一部分封闭在管状本体的内腔中 的长度，该长度取决于频率的高频段和低频段范围，从而高频段辐射器的共 模共振(commonmoderesonance)低于频率的低频段范围。

高频段辐射器可以适合于1710-2690MHz的频率范围。低频段辐射器可 以适合于698-960MHz的频率范围的全部或部分。

根据本发明的另一方面，提供一种超宽频段蜂窝双频段基站天线。双频 段具有适用于蜂窝通信的低频段和高频段。双频段天线包括如本发明的上述 方面所描述的多个低频段辐射器和多个高频段辐射器。每个低频段辐射器适 合于在双频段天线的接地面上提供空白区(cleararea)，用于在双频段天线 中定位高频段辐射器。高频段辐射器配置为至少一个阵列，其中低频段辐射 器以预定的间隔散布(intersperse)在高频段辐射器之间。

超宽频段天线还包括接地面，接地面具有形成在其中的孔。每个高频段 辐射器设置在形成在接地面的相应的孔中。超宽频段天线还包括多个环形电 介质盘；每个电介质盘设置为围绕相应的高频段辐射器的管状本体，且在高 频段辐射器的环形凸缘和接地面之间。

每个低频段辐射器可以适合于698-960MHz的频率范围的全部或部分。

附图说明

以下参考附图，仅通过示例来描述超宽频段双频段蜂窝基站天线的布 置，在附图中：

图1是包括高频频段和低频频段天线单元的超宽频段、双频段蜂窝基站 天线的一部分或一段的俯视平面图；

图2是具有环形凸缘的管状或大致的管状本体的等距视图，该管状本体 是根据本发明的实施例的高频段辐射器的部件，且该管状本体为圆柱形的形 式；

图3是具有环形凸缘的另一管状或大致的管状本体的等距视图，该管状 本体是根据本发明的实施例的高频段辐射器的部件，且该管状本体为六边形 的形式；

图4A是根据本发明的实施例的高频段辐射器的等距视图，该高频段辐 射器包括如图2中所绘示的具有环形凸缘的管状或大致的管状本体；以及

图4B是图4A的高频段辐射器的侧视图，其中管状本体设置在形成在 基站天线的接地面中的孔中，且环形凸缘联接至接地面。

具体实施方式

以下公开超宽频段双频段蜂窝基站天线和用于此天线的高频段辐射器。 在以下说明中，描述了包括特定波束宽度、空中接口标准、偶极天线臂部形 状和材料、以及诸如此类的多个特定细节。然而通过本公开，在不脱离本发 明的范围和精神的情况下可以做出修改和/或替换，这对于本领域技术人员是 显而易见的。在其它情况下，某些细节可能被省略以免混淆本发明。

除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语具有如本发明所属领域的 普通技术人员通常所理解的相同含义。本文所使用的冠词“一”和“一个”是指 一个或多于一个(即至少一个)的冠词的语法对象。举例来说，“一个单元” 是指一个单元或多于一个单元。贯穿本说明书，除非文中另有规定，词语“包 括”将被理解为暗示包含所述步骤或单元、或者步骤或单元的组，而不排除 任何其它步骤或单元、或者步骤或单元的组。

如下文所使用的，“低频段”是指较低的频率频段，例如698-960MHz或 其一部分，而“高频段”是指较高的频率频段，例如1710MHz-2690MH或其 一部分。本发明还可以应用于除这些范围之外的额外的高频段和低频段，其 中高频段近似于低频段的频率的两倍。“低频段辐射器”是指用于这样的较低 频率频段的辐射器，而“高频段辐射器”是指用于这样的较高的频率频段的辐 射器。“双频段”包括贯穿本公开所称的低频段和高频段。

在以下说明中，涉及天线和/或辐射单元的“超宽频段”意味着天线能够在 中点运行频率的至少30％的带宽上运行和保持其期望的特性。特别感兴趣的 特性是波束宽度和形状以及回波损耗，其需要跨此带宽保持在至少15dB的 水平上。在本文公开的一个示例中，通过使用用于两个频段的不同的超宽频 段辐射单元，超宽频段双频段天线覆盖了698-960MHz和1710MHz-2690 MHz频段。这几乎覆盖了分配给所有主要蜂窝系统的整个带宽。

本发明的实施例优选的涉及适合于支持新兴的网络技术的超宽频段双 频段天线和用于这样的天线的高频段辐射器。本发明的实施例使得蜂窝系统 的运营商(“无线运营商”)能够使用单一类型的天线覆盖多个频段，之前则 需要多个天线。本发明的实施例能够支持在几乎所有的分配的蜂窝频率频段 中的几种主要的空中接口标准。本发明的实施例允许运营上减少其网络中的 天线的数量、降低塔租赁成本、同时加速市场能力。

如本文所公开的双频段、超宽频段天线，通过在一个天线中支持多个频 率频段和技术标准，有助于解决多天线杂乱塔领域中的问题，以及与多天线 的复杂的安装和维护相关的难题。本公开使得能够使用这样的超宽频段辐射 单元，同时减少来自高频段偶极天线的不期望的共模散射(common-mode scattering)，其可能使低频段的天线性能衰减。

部署根据本发明的实施例的超宽频段双频段蜂窝基站天线可以在它们 的下次技术推广期间节约运营商的时间和开支。这样的天线提供了面向未来 的解决方案，用于启动具有使用多个频率频段的多个空中接口技术的高性能 无线网络。部署这样的灵活的、可扩展的且独立优化的天线技术简化了网络， 同时为运营商提供了显著的面向未来的能力。这样的天线为容量敏感 (capacity-sensitive)数据驱动系统中的高性能进行了优化。本发明优选的实 施例利用双正交极化并支持用于先进的容量解决方案的多输入和多输出 (MIMO)实施方式。本发明的实施例支持目前的和未来作为新标准和新兴 频段的多个频段，保护无线运营商免受无线技术演变中某些固有的不确定性 的影响。

本发明的以下实施例支持多个频段和技术标准。例如，无线运营商可以 部署为使用用于2.6GHz和700MHz的无线通信的单一天线长期演进(LTE) 网络，同时支持2.1GHz的宽带码分多址(W-CDMA)网络。为了便于描述， 天线阵列被认为是垂直对齐的。

根据本发明的实施例的天线提供双频段解决方案，这可以例如增加五个 较低的频率频段，使得天线能够支持用于所有四个空中接口标准(全球移动 通讯系统(GSM)、码分多址(CDMA)、W-CDMA和LTE)的跨无线频谱 的九个频率频段。其它相关的接口包括WiMax和GPRS。

图1示出了超宽频段、双频段蜂窝基站天线100的部分，其包括定位在 接地面110上的高频频段天线单元和低频频段天线单元120。附图示出了根 据本发明的实施例的高频段辐射器130的总体布置，其中散布有低频段辐射 器120。

高频段辐射器130设置在“壕沟(moat)”中，如下文所解释，以加长 高频段辐射器的偶极天线进入接地面的感应部分。“壕沟”偶极天线改变共 模共振频率。图1的双频段天线100包括多个低频段辐射器120和多个这样 的高频段辐射器130。每个低频段辐射器120适合于在接地面110上提供空 白区，用于定位高频段辐射器130。高频段辐射器130配置为至少一个阵列， 其中低频段辐射器120以预定的间隔散布在高频段辐射器130之间。优选的， 接地面110具有形成在其中的孔(未在图1中示出)。每个高频段辐射器130 配置为或设置在形成在接地面110中的相应的孔中。在图1中，示出了用于 双极化操作的一对交叉的(或正交设置的)偶极天线。然而，在本发明的可 替代的实施例中，可以使用用于单一线性极化操作的单个偶极天线。

在包括接地面上的高频段和低频段辐射器(例如偶极天线)的散布的阵 列的这样的双频段天线100(特别是蜂窝基站天线)中，高频段偶极天线中 的单极(共模)共振可能导致对低频段辐射器的模式的主要干扰。高频段偶 极天线的馈电器通常包括将偶极天线臂部连接到接地面的电缆、管、或印刷 电路板，通常形成平衡-不平衡变换器(balun)。单极共振涉及在预期的低频 段内、与偶极天线臂部的对接地面的电容共振的高频段偶极天线的中央馈电 的电感。在低频段，来自高频段偶极天线茎部(stem)中的感应电流的辐射 发生在距视轴的广角处，且在水平极化中测得的方位模式中特别明显。.

偶极天线的天线通常包括以近似于四分之一波长与接地面分隔开的四 分之一波长偶极天线臂部。当高频段波长近似于低频段波长的一半时，高频 段偶极天线臂部和其柄可能呈现低频段中的共模共振。本发明的实施例提供 用于将单极共振的频率向下调谐以将单极共振从感兴趣的频段移开的技术。 该技术涉及在高频段偶极天线的下面使杯状的凹陷或凹部下沉进入接地面 中、加长馈电结构、以及将馈电结构连接至接地面凹陷的底部。该结构保持 偶极天线臂部至接地面的关系，同时还加长共振电路的感应部分并降低其共 振频率。该技术通常对第一差分共振模式具有很小的影响。如下文所解释， 在接地面中的凹陷或凹部优选的通过在接地面中形成孔来实施，具有环形凸 缘或唇部的杯状结构设置在孔中。

根据本发明的实施例，高频段辐射器130包括至少一个偶极天线、馈电 柄、以及由导电材料(例如金属)制成的管状或大致管状的本体。图2和图 3示出了根据本发明的实施例的两个管状本体200、300，用于在相应的馈电 柄的至少一部分的周围提供“壕沟”。管状本体200、300具有如图2所示的 环形凸缘220，或具有如图3所示的大致环形的凸缘320，其由物理地分隔 开的叶片形成。开路端230、330设置在管状本体200、300的一端，其形成 “壕沟”的部分。管状本体200、300的另一端是短路的(未在图2和图3中 示出)。管状本体200可以具有圆柱形或稍微圆锥形的形状，并在开路端和 短路端之间具有管状段210，如图2所示。术语“管状”并不必然意味着圆柱 形或甚至圆形的截面，例如，管状本体300具有由物理地分隔开的金属段形 成的大致的六边形的本体，如图3所示。

在图4A和图4B的等距视图和侧视图中更详细的示出了高频段辐射器 130。高频段辐射器130，如图4A和图4B中所实施的，包括用于双极化的 一对交叉的偶极天线410、412。再次，可以采用用于单一线性极化操作的单 个偶极天线，或用于双极化操作的一对交叉的(或正交设置的)偶极天线。 每个偶极天线410、412包括由适合于高频段的导电金属(例如微带线或另 一合适的导体)制成的两个偶极天线臂部410、410B、412A、412B。如图 4A和图4B中所实施的，交叉的偶极天线410、412由非导电的电介质板414 的上表面上的导电带形成。馈电柄440为每个偶极天线410、412馈电，且 包括一个或多个非导电的电介质基板本体450(例如聚四氟乙烯电介质板) 和形成在每个基板本体450上的适合于作为平衡-不平衡变换器的导体470 (例如铜带)。优选的，馈电柄440由交叉的印刷电路板制成，但也可以整 体地由金属制成。馈电柄440由通过基板414突出的印刷电路板的导电凸部 430在一端连接相应的偶极天线410、412。馈电柄440的印刷电路板在另一 端具有用于连接同轴电缆460的配置，其通过图4B中示出的短路底部段212 突出。导体470A、470B联接至每个相应的偶极天线410、412以及相应的 馈电连接部460，馈电连接部460从图4中的管状本体200的底部突出。

图2和图3中示出的管状或大致的管状本体200、300适合于连接双频 段蜂窝基站天线100的接地面110。管状本体200可以是圆柱形(见图2) 或大致圆柱形的形式。可替代的，管状本体300可以是六边形、或大致六边 形的形式(见图3)。如图4B所示，管状本体200、300直接地或由电容耦 合，通过环形凸缘220、320在开口端230电连接至接地面110。开口端230、 330，管状段210、310，以及在另一端的短路段212限定管状本体200、300 的内腔230、300、或壕沟。馈电柄440的至少一部分(由图4B中的双头箭 头472表示)通过开口端230设置在管状本体200内。重要的是，管状本体 200、300(特别是段210、310)适合于具有将馈电柄440的部分472封闭在 管状本体200的内腔230中的长度L；长度L取决于频率的高频段和低频段 范围，从而高频段辐射器130的共模共振低于频率的低频段范围。优选的， 高频段辐射器130适合于1710至2690MHz的频率范围。低频段辐射器可 以适合于698-960MHz的频率范围的全部或部分。

超宽频段天线100可以包括多个环形电介质盘(例如塑料垫片)。每个 电介质盘可以设置为围绕分别的高频段辐射器130的管状本体，并在高频段 辐射器130的环形凸缘220、320和接地面110之间。

因此，本文所描述和/或附图中示出的超宽频段多频段蜂窝基站天线和用 于该天线的高频段辐射器仅以示例方式呈现且并非限制本发明的范围。除非 另有具体说明，天线的单独的方面和部件可以被修改，或可能已被替代为已 知的等价物，或者尚未知的替代物，例如可能在未来被开发或例如可能在未 来找到的可接受的替代物。