具有抑制共模（单极子）辐射的倾斜馈电路径的双极化偶极子天线

摘要

天线包括支撑在反射器前方的盒形偶极子辐射元件。所述盒形偶极子辐射元件具有邻近其第一拐角至第四拐角延伸的第一馈电端口至第四馈电端口。还提供了耦合到第一馈电端口至第四馈电端口的第一对倾斜馈电路径至第四对倾斜馈电路径。这些第一对至第四对倾斜馈电路径相对于盒形偶极子辐射元件的相应第一侧至第四侧以第一锐角至第四锐角朝向反射器向后延伸，使得：(i)当在垂直于第一侧且平行于反射器的方向上观察盒形偶极子辐射元件与反射器之间的空间时，第一对倾斜馈电路径和第三对倾斜馈电路径看起来彼此交叉；以及(ii)当在垂直于第二侧且平行于反射器的方向上观察所述空间时，第二对倾斜馈电路径和第四对倾斜馈电路径看起来彼此交叉。

说明书

技术领域

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

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蜂窝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。

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。

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，其可用于在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在1695-2690MHz频带的一些或全部中提供服务。

常规的盒形偶极子辐射元件可包括布置成限定盒形形状的四个偶极子辐射器。四个偶极子辐射器可在共同平面中延伸，并且可安装在可平行于共同平面延伸的反射器的前方。所谓的馈电柄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，可以提供总共八个馈电柄(4x2)，并且可以连接到盒的拐角处的盒形偶极子辐射器。

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，所述相对高频带辐射元件在相对低频带辐射元件10b内居中并且由该相对低频带辐射元件在四侧上围绕，所述相对低频带辐射元件配置为盒形偶极子辐射元件(“盒形偶极子”)。RF信号可通过“盒”的两个相对的和“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。响应于馈送到两个激励的“差模”端口的差模(DM)电流，作为响应，共模(CM)电流被自动强加到在盒形偶极子的两个直径相对的非激励拐角处的馈电柄上。并且，由于这些共模电流作为单极在这些“非激励”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“零(null)”)的组合，如图1B的简化辐射方向图所示。遗憾的是，来源于单极子工作的辐射在设计盒形偶极子辐射器时可能是非常不合需要的。例如，尽管在与盒形偶极子10b中的差模电流相同时间辐射共模电流可预期使盒形偶极子10b的方位角HPBW稍微变窄，原因是存在由单极子辐射器引起的两个零，但盒形偶极子10b的并发共极化辐射方向图可预期在辐射方向图中展示出升高的“肩部”，这指在方位角平面中主瓣外部发射的辐射。这些肩部会显著降低整体天线性能。

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，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)。

发明内容

根据本发明的一些实施例的天线包括盒形偶极子辐射元件，所述盒形偶极子辐射元件支撑在反射器前方的第一距离处。所述盒形偶极子辐射元件具有第一至第四馈电端口；所述第一至第四馈电端口定位在所述盒形偶极子辐射元件的相应第一至第四拐角处。还提供了第一对至第四对倾斜馈电路径，所述第一对至第四对倾斜馈电路径分别电耦合到第一至第四馈电端口。这些第一对至第四对倾斜馈电路径相对于所述盒形偶极子辐射元件的相应第一至第四侧以对应的第一至第四锐角从所述馈电端口朝向所述反射器向后延伸，使得：(i)当在垂直于所述第一侧且平行于所述反射器的方向上观察所述盒形偶极子辐射元件与所述反射器之间的空间时，所述第一对和第三对倾斜馈电路径看起来彼此交叉；以及(ii)当在垂直于所述第二侧且平行于所述反射器的方向上观察所述空间时，所述第二对和第四对倾斜馈电路径看起来彼此交叉。

基于此配置，盒形偶极子辐射元件的第一侧和第三侧对应于所述盒形偶极子辐射元件的相对侧；并且所述第一端口和第三端口定位在所述盒形偶极子辐射元件的直径相对的拐角处。类似地，盒形偶极子辐射元件的第二侧和第四侧对应于盒形偶极子辐射元件的相对侧，并且第二端口和第四端口定位在盒形偶极子辐射元件的直径相对的拐角处。所述第一对至第四对倾斜馈电路径还可以被配置成至少部分地将所述盒形偶极子辐射元件支撑在所述反射器的前方。

根据本发明的附加实施例，所述第一对至第四对倾斜馈电路径具有相应长度，所述相应长度在所述盒形偶极子辐射元件的最前面辐射表面支撑在所述反射器的前方的距离的约0.8倍到约2.0倍的范围内。所述第一对至第四对倾斜馈电路径还可以被配置成相对于穿过盒形偶极子辐射元件的第一至第四侧(且平行于反射器)的平面在约30°到约60°的范围内以相应第一至第四锐角向后延伸。

根据本发明的另外实施例，邻近所述反射器延伸的所述第一对至第四对倾斜馈电路径的相应第一至第四远端彼此充分地间隔开，使得邻近所述反射器的表面延伸并且由所述第一至第四远端限定的最大矩形的面积大于由所述盒形偶极子辐射元件的第一至第四侧限定的最大矩形面积的80％，可能甚至大于最大矩形面积的100％。替代地，所述各对倾斜馈电路径的第一至第四远端彼此充分地间隔开，使得反射器的表面上的相对大的面积可用(不中断)以用于安装附加的辐射元件(例如，较高频率交叉极化偶极子辐射元件)，所述附加的辐射元件可以与盒形偶极子辐射元件的中心对准。

根据本发明的附加实施例，提供一种天线的盒形偶极子辐射元件，其具有在其相应第一至第四拐角处的第一至第四馈电端口。另外，提供分别电耦合到第一至第四馈电端口的第一对至第四对倾斜馈电路径。所述第一对倾斜馈电路径可以相对于所述盒形偶极子辐射元件的第一侧以锐角向后延伸，并且可以各自具有一长度，所述长度为所述盒形偶极子辐射元件的最前面辐射表面支撑在所述反射器的前方的距离的约0.8倍到约2.0倍。此锐角可相对于平行于反射器延伸且穿过盒形偶极子辐射元件的所有四侧的平面小于60°。

根据本发明的又一些其它实施例，提供一种盒形偶极子辐射元件，其具有在其相应第一至第四拐角处的第一至第四馈电端口。提供分别电耦合到第一至第四馈电端口的第一对至第四对馈电路径支撑件。第一对至第四对馈电路径支撑件包括相对于盒形偶极子辐射元件的相应第一至第四侧以锐角延伸的相应各对平行且倾斜馈电路径段。在本发明的这些实施例中的一些中，第一对馈电路径支撑件相对于穿过盒形偶极子辐射元件的所有四侧的平面以小于60°的第一锐角向后延伸。第一对至第四对馈电路径支撑件还可以被配置成至少部分地将盒形偶极子辐射元件支撑在反射器前方。并且，有利地，邻近反射器延伸的第一对至第四对馈电路径支撑件的第一至第四远端可以彼此充分地间隔开，使得邻近反射器的表面延伸并且由第一至第四远端限定的最大矩形的面积大于由盒偶极子辐射元件的第一至第四侧限定的最大矩形面积的80％。每对倾斜馈电路径支撑件的长度也可以为盒形偶极子辐射元件的最前面辐射表面支撑在反射器前方的距离的约0.8倍到约2.0倍。

附图说明

图1A为根据现有技术的多频带辐射器的示意图，该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。

图1B示出了具有差模(DM)的偶极子天线和具有共模(CM)的单极子天线的辐射方向图，当它们组合在一起时，提供常规盒形偶极子天线的辐射方向图。

图2A示出了具有略微倾斜的拐角的常规金属片盒形偶极子辐射元件，以及具有由盒形偶极子的非激励的拐角上的共模电流产生的单极子辐射器引起的不合需要的肩部的模拟方位角辐射方向图。

图2B示出了具有略微倾斜的拐角的常规压铸盒形偶极子辐射元件，以及具有由盒形偶极子的非激励的拐角上的共模电流产生的单极子辐射器引起的不合需要的肩部的模拟方位角辐射方向图。

图3A-3B为根据本发明的实施例的具有四对倾斜馈电路径的盒形偶极子辐射元件的侧视图和平面图。

图3C为根据本发明的实施例的图3A-3B的天线的透视图，其由四对倾斜且平行馈电路径支撑在反射器的前方。

图3D为根据本发明的实施例的与图3A-3C的天线相关联的激励辐射方向图的示意图，其包括减少的单极子辐射伪影。

图3E为根据本发明的实施例的图3A-3D的盒形偶极子辐射元件的简化示意图，其包围相对高频带交叉极化辐射元件。

图3F为根据本发明的实施例的具有相对低频带和相对高频带辐射元件的列的基站天线的简化平面图示意。

图3G为根据本发明的实施例的图3A-3D的盒形偶极子辐射元件的简化平面图示意，其突出显示多对倾斜馈电路径可相对于盒形偶极子辐射元件的相应侧延伸的可能方向范围。

图4A示出了与图3A-3C的天线相关联的跨越±180°(相对于视轴)的模拟方位角辐射方向图，假设单极子长度为70mm(左)和80mm(右)。

图4B示出了与图3A-3C的天线相关联的跨越±180°(相对于视轴)的模拟方位角辐射方向图，假设单极子长度为90mm(左)和100mm(右)。

图4C示出了与图3A-3C的天线相关联的跨越±180°(相对于视场)的模拟方位角辐射方向图，假设单极子长度为110mm(左)和120mm(右)。

具体实施方式

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。

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。

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)。

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。

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。

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。

现在参考图3A-3C和图3G，根据本发明的实施例的天线30图示为包括盒形偶极子辐射元件32，例如具有第一至第四侧32a-32d的金属板盒形偶极子辐射元件。在本发明的一些实施例中，这些侧32a-32d可沿着矩形的各侧对准，矩形可以是具有相等尺寸W1和W2(例如，145mm)的正方形。在本发明的替代实施例中，各侧32a-32d可沿着圆形环的相应圆弧对准。

如所属领域的技术人员将理解的，第一侧32a和第四侧32d在第一拐角处限定第一偶极子辐射元件，第二侧32b和第一侧32a在第二拐角处限定第二偶极子辐射元件，第三侧32c和第二侧32b在第三拐角处限定第三偶极子辐射元件，并且第四侧32d和第三侧32c在第四拐角处限定第四偶极子辐射元件。在工作期间，第一偶极子辐射元件和第三偶极子辐射元件(或第二辐射元件和第四辐射元件)可被激励，第二偶极子辐射元件和第四偶极子辐射元件(或第一偶极子辐射元件和第三偶极子辐射元件)可以不被激励。不激励在第二拐角和第四拐角处的第二偶极子辐射元件和第四偶极子辐射元件(或在第一拐角和第三拐角处的第一偶极子辐射元件和第三偶极子辐射元件)阻止偶极子工作。尽管如此，在与第二拐角和第四拐角(或第一拐角和第二拐角)相关联的馈电线中流动的电流在不激励时充当单极子。

如图所示，第一偶极子辐射元件在第一馈电端口35a处(在第一拐角处)电耦合到第一对倾斜且平行RF信号馈电路径34a，第二偶极子辐射元件在第二馈电端口35b处(在第二拐角处)电耦合到第二对倾斜且平行RF信号馈电路径34b，第三偶极子辐射元件在第三馈电端口35c处(在第三拐角处)电耦合到第三对倾斜且平行RF信号馈电路径34c，第四偶极子辐射元件在第四馈电端口35d处(在第四拐角处)电耦合到第四对倾斜且平行RF信号馈电路径34d。

如图3A和3C最佳显示，第一对和第三对倾斜且平行馈电路径34a、34c以对应的第一和第三相等锐角“θ”从相应的第一馈电端口35a和第三馈电端口35c向后朝向反射器36延伸。根据本发明的一些实施例，这些锐角可以相对于盒形偶极子辐射元件32的相应第一侧32a和第三侧32c小于60°。

如图所示，这些锐角θ足够小，使得当在垂直于第一侧32a且平行于反射器36的第一方向D1上观察盒形偶极子辐射元件32与反射器36之间的空间时，第一对倾斜馈电路径34a和第三对馈电路径34c看起来彼此交叉，如由图3B-3C所示的。同样，基于四对倾斜馈电路径34a-34d的对称布置，锐角θ也足够小，使得当在第二方向D2上观察盒形偶极子辐射元件32与反射器36之间的空间时，第二对倾斜馈电路径34b和第四对倾斜馈电路径34d看起来彼此交叉，第二方向垂直于第二侧32b并且平行于反射器36。

尽管不希望受任何理论的束缚，但当第二馈电端口35b和第四馈电端口35d以第一极化用差模电流激励时，由图3A图示的第一对交叉馈电路径对34a、34c工作以减小由共模“CM”电流在第一对倾斜馈电路径34a和第三对倾斜馈电路径34c中引起的净单极子辐射。类似地，当第一馈电端口35a和第三馈电端口35c以第二极化用差模电流激励时，由图3A图示的第二对交叉馈电路径对34b、34d工作以减小由共模电流在第二对倾斜馈电路径34b和第四对倾斜馈电路径34d中引起的净单极子辐射，如由图3D所示。

如所属领域的技术人员将理解的，当第二馈电端口和第四馈电端口以第一极化激励时，当在第一方向D1上观察由第一对倾斜馈电路径34a限定的“单极子”和由第三对倾斜馈电路径34c限定的“单极子”时，共模电流将在第一对倾斜馈电路径34a中在第一方向上流动，并且在第三对倾斜馈电路径34c中在第二“相对”方向上流动。类似地，当第一馈电端口和第三馈电端口以第二极化激励时，当在第二方向D2上观察由第二对倾斜馈电路径34b限定的“单极子”和由第四对倾斜馈电路径34d限定的“单极子”时，共模电流将在第二对倾斜馈电路径34b中在第三方向上流动，并且在第四对倾斜馈电路径34c上在第四“相对”方向上流动。

此外，为了由正方形盒形偶极子辐射元件32实现净单极子辐射的所需减少水平，其中W1＝W2，当在第一方向D1上观察盒偶极子辐射元件32与反射器36之间的空间时，第一交叉馈电路径对34a和第三交叉馈电路径对34c与反射器36之间的交点的高度“h”应处于预定范围内。类似地，当在与第一方向D1正交的第二方向D2上观察盒形偶极子辐射元件32与反射器36之间的空间时，第二交叉馈电路径对34b和第四交叉馈电路径对34d与反射器36之间的交点的高度“h”可处于相同范围内。此外，在可以利用不对称反射器的本发明的一些附加实施例中，当第一馈电路径对和第三馈电路径对具有不同长度时，第一交叉馈电路径对34a和第三交叉馈电路径对34c不需要相对于彼此对称。同样，当第二馈电路径对和第四馈电路径对具有不同长度时，第二交叉馈电路径对34b和第四交叉馈电路径对34d不必相对于彼此对称。

根据本发明的一些实施例，当第一对至第四对倾斜馈电路径34a-34d具有的相应“单极子”长度在盒形偶极子辐射元件32的最前面辐射表面33支撑在反射器36前方的距离的约0.8倍到约2.0倍的范围时，可以实现交点的期望高度“h”。出于说明的目的，到最前面辐射表面33的该距离在图3A的天线实施例中指定为85mm。替代地，如果对于图3B图示的盒形偶极子辐射元件32，W1≠W2，则当在第一方向D1上观察“矩形”空间时相对在第二方向D2上观察对应的空间时，相交的高度“h”可以不相等(或在相同范围内)。

根据本发明的另外实施例，如本文上面所述，使用第一对至第四对倾斜馈电路径34a-34d的另外优点是提供单极子辐射抵消的能力，但不显著阻挡在盒形偶极子辐射元件32与反射器36之间延伸的三维空间。特别是，如图3B最佳显示，倾斜馈电路径34a-34d的远端示出为在点“a-a’”、“b-b’”、“c-c’”和“d-d’”处与反射器的表面相交，所述点限定反射器的表面上相对较大的矩形区域A

根据本发明的一些实施例，第一对至第四对倾斜馈电路径34a-34d可以被配置成使得矩形区域A

根据本发明的另外实施例，第一对至第四对倾斜馈电路径34a-34d甚至可以被配置成使得矩形面积A

提供了与图3A-3C的天线相关联的模拟方位角辐射方向图，其呈现：(i)在图4A中，单极子长度为70mm和80mm，(ii)在图4B中，单极子长度为90mm和100mm，以及(iii)在图4C中，单极子长度为110mm和120mm。如本文中所使用且由图4A-4C突出显示，术语“单极子长度”对应于由图3A-3C图示的第一对至第四对倾斜馈电路径34a-34d的倾斜部分的长度。如从图4A可见，在70mm和80mm辐射方向图中可以看到峰值在-10dB至-15dB辐射水平的相对高的肩部“S”。并且，如由图4B所示，在90mm和100mm辐射方向图中可以看到峰值在-15dB至-20dB辐射水平的稍微较低的肩部“S”。最后，如由图4C所示，在110mm辐射方向图中可以看到峰值低于-20辐射水平的显著降低的肩部“S”。但是，关于120mm单极子长度示例，120mm辐射方向图中的扩散可能变得过大。尽管不希望受任何理论的束缚，但肩部的水平/高度与频带上的共极化的一致性之间存在折衷。因此，虽然110mm辐射方向图可以示出最低水平的肩部，但100mm辐射方向图对于不同频率可具有更一致的共极化。

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。