專利名稱:雙極化雙波段輻射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及尤其用于GSM或UMTS類型的蜂窩式無線通訊網(wǎng)的基站中的天線及它們的輻射元件。
背景技術(shù):
一雙極化輻射元件可被制成為雙偶極輻射天線,每個(gè)偶極由共線的兩段導(dǎo)體構(gòu)成。每段的長度基本上等于工作波長的四分之一。該偶極被安裝于能供源的一結(jié)構(gòu)上,且它們的位置處于一反射器(整體圖)之上。通過偶極的向后輻射反射,可精調(diào)由此形成的組件的輻射圖(diagramme derayonnement)的方向性。
公知的是,實(shí)現(xiàn)一種在兩個(gè)頻段中工作的且正交極化的輻射裝置,其環(huán)繞一第二輻射元件設(shè)置一第一輻射元件,所述第一輻射元件由在一第一頻率F1上運(yùn)行的四個(gè)正交偶極(diPles en quadrature)構(gòu)成,所述第二輻射元件由在一第二頻率F2上運(yùn)行的兩個(gè)交叉的正交偶極構(gòu)成,這些元件的組件設(shè)置在一反射器之上。
按照它們在空間中的取向,所述偶極可發(fā)射或接收沿兩極化(voies depolarisation)的電磁波,所述兩雙極化路徑例如為一水平極化路徑和一垂直極化路徑,或者,所述偶極也可發(fā)射或接收沿相對于水平或垂直方向錯(cuò)開成±45°的兩個(gè)極化路徑的電磁波。
但是波段之間的分離基本上取決于安置在第一元件中央的第二元件的相對取向。尤其是,在F1和F2波段內(nèi)工作的元件的平行偶極在大于頻率F2的頻段內(nèi)不完全地分開,為此,外圍偶極(diples périphériques)具有一比頻率F2的波長更大的尺度。事實(shí)上,工作于頻率F1的外圍偶極和工作于頻率F2的交叉偶極之間的相互作用共同歸功于定向輻射(rayonnement direct)——這些偶極是正向可見的,但也共同歸功于由反射器反射的輻射。相反,兩個(gè)輻射元件的垂直路徑由于根據(jù)該幾何正交性而被很好地分離。但如果該正交性不再受到重視,尤其是如果中央輻射元件的偶極相對于構(gòu)成第一輻射元件的外圍偶極任意定向,足夠強(qiáng)的波段之間的耦合(couplage)就出現(xiàn)在兩個(gè)輻射元件的發(fā)送或接收的不同路徑的之間。
這種結(jié)構(gòu)的另一缺陷是,中央輻射元件的輻射被外圍輻射元件所干擾。事實(shí)上,這種輻射尤其被外圍輻射元件的偶極部分地衍射,從而,輻射圖形最好地顯示波動(dòng)情形,而且,對于中央輻射元件的偶極的一相對隨機(jī)的取向,該圖形相對于所述偶極的垂直輻射主軸是不對稱的。
因而仍難獲得一容易制造的雙波段輻射元件,其具有在一大頻段內(nèi)極大地分開(découplées)的兩個(gè)線性極化的正交路徑。實(shí)現(xiàn)包括多個(gè)這類輻射元件且提供極化的良好純度(pureté)的雙極化定向網(wǎng)就更加困難。
在另一計(jì)劃中,想要獲得一輻射元件,其具有兩個(gè)極化的正交路徑,每個(gè)具有一單向輻射圖形,且在對角線平面內(nèi)——即在與每個(gè)偶極的主平面E和H成±45°的平面內(nèi),其中間功率的開度(l′ouverture àmi-puissance)基本上小于90°。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改善這種狀況。
根據(jù)本發(fā)明的雙波段雙極化輻射裝置,包括一第一輻射元件,其工作于一第一頻段F1,由按正方形設(shè)置的四個(gè)偶極構(gòu)成;和一第二輻射元件,其作用于一第二頻段F2,由設(shè)置在構(gòu)成所述第一輻射元件的偶極的正方形的中心處的至少一偶極構(gòu)成。每個(gè)偶極在其中心由一對稱器(symétriseur),所述輻射元件組件設(shè)置在一反射器之上。
根據(jù)一優(yōu)選設(shè)置,構(gòu)成所述第一輻射元件的偶極和其所連接的對稱器被制作在同一個(gè)金屬板上,一偶極的每個(gè)對稱器由一短路的槽縫線(ligneàfente en court circuit)構(gòu)成,所述對稱器在所述金屬板上沿垂直于所述偶極的軸的一方向刻出所述第二輻射元件由設(shè)置在處于所述金屬板的中心處的一金屬腔室的內(nèi)部的至少一個(gè)偶極構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式,該金屬板和該腔室可例如通過沖壓制成為一單體構(gòu)件。然后工作于第二頻段F2的第二輻射元件固定于所還腔室的內(nèi)部和中心,其底用作具有至少一個(gè)對稱器或平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(balun)的電短路的平面,所述對稱器或平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器作為第二輻射元件的供源裝置。
由此制出第一輻射裝置和第二輻射裝置具有很小的電磁相互作用。這種相互作用僅歸于該腔室邊緣的衍射。因而,無論在腔室內(nèi)部的構(gòu)成第二輻射裝置的偶極的相對取向——也就是其極化方向如何,兩個(gè)頻段之間的間隔(découplage)大。
通過參照附圖,本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)顯示在如下詳細(xì)描述中,附圖如下-圖1示出根據(jù)本發(fā)明的可工作于兩個(gè)不同頻段中的雙極化的第一輻射裝置的第一實(shí)施方式;-圖2示出圖1的沿剖面AA的視圖;-圖3是一個(gè)圖1和圖2所示裝置的透視圖;-圖4是一個(gè)圖1所示的第一輻射裝置的一實(shí)施變型;-圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一裝置的一第二實(shí)施方式;-圖6是一個(gè)圖5的裝置沿剖面AA的視圖;-圖7是一個(gè)圖5和圖6裝置的透視圖;-圖8是一個(gè)共線性網(wǎng)的部分透視圖,所述共線性網(wǎng)一部分由圖7所示的雙波段和雙極化的輻射元件以及與圖7的中央輻射元件同類型的單波段和雙極化的輻射元件構(gòu)成。
具體實(shí)施例方式
這些圖主要包括某些特征元件,因而其并非只用于更好地解釋本發(fā)明,而且其還用于在需要的情況下定義本發(fā)明。
在圖1、圖2和圖3所示的裝置中相似的元件由相同的附圖標(biāo)記表示,這些附圖示出構(gòu)成一正方形的四個(gè)偶極,其參考標(biāo)為1至4,在具有一中央通孔6的金屬板5內(nèi)切割出,一輻射腔7的開口端通向所述中央通孔。由每個(gè)偶極構(gòu)成的正方形的邊的長度通常等于由偶極輻射的頻率F1波的波長的一半,以便波束的半功率開度(ouverture àmi-puissance)在水平平面內(nèi)接近65°。
但要注意的是,該輻射板5的兩個(gè)平行偶極之間的距離(d),以及由此而來的由四個(gè)偶極1至4形成的正方形的邊長在很大程度上確定了這些偶極在水平平面內(nèi)的輻射圖的方向性,也就是該輻射圖的半功率開度,而該開度很少取決于該偶極的長度(l)。一偶極的長度(l)確定了其的電阻,且該長度根據(jù)該偶極的寬度和厚度可以很大于或不太大。該偶極的厚度越大,其長度就越短。換句話說,正方形的邊長(d)根據(jù)所要找的中間功率開度確定,且所述中間功率開度可具有一不同于65°的數(shù)值,而且該偶極的長度被調(diào)節(jié)為確保所述相關(guān)的平行偶極對的電阻適當(dāng)——所述電阻基本上是50歐姆,用于構(gòu)成一個(gè)方向圖的極化路徑。根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施方式,偶極1至4和空腔7可通過對該金屬板5進(jìn)行切割和沖壓實(shí)施成一個(gè)單體件。
偶極1至4中的每個(gè)由附圖標(biāo)記相應(yīng)為8至11的對稱器(symétriseur)供源,所述對稱器為平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(balun)類型,其由在該金屬板5內(nèi)刻出的成短路的一槽縫線(ligne àfente)構(gòu)成。
每個(gè)對稱器構(gòu)成相應(yīng)偶極的一臂支撐件。為此,所述板5被制成為由一同心環(huán)形體繞所述腔室7通道孔6而形成,所述環(huán)形體在其外周邊且沿成直角的兩方向包括凸起或臂13至16,它們例如為矩形,斜切形或梯形,且分別將該環(huán)形體12連接至偶極1至4。該臂的徑向長度(h)最好是非零的,例如大于0.05λ1,以避免偶極的內(nèi)邊直接接觸該環(huán)形體12的外邊,且因而最小化在偶極上流動(dòng)的電流與在該環(huán)形體12上流動(dòng)的電流之間的相互影響。臂的平均寬度(w)通常為5至10倍于該槽縫線的寬度,其還遠(yuǎn)小于相應(yīng)于頻率F1的波長λ1。
該環(huán)形體12的寬度被確定為既在機(jī)械方面足以支撐偶極,又在電磁方面穩(wěn)定在F2頻率的第二波段中的該腔室7的輻射圖的方向性,并使得輻射圖的中間功率開度隨頻率的變化而較少波動(dòng)。該寬度最好大于頻率F2相應(yīng)波長λ2的5/100。
偶極1至4在它們的基部處被供源,也就是說在該對稱器8至11的槽縫線的外開口端處,例如通過附圖標(biāo)記分別為17至20的同軸電纜供源。
如圖2的截面圖所示,在幾何上平行地處于該正方體的相對兩個(gè)邊上的偶極2和4以相同的相位和振幅通過兩個(gè)相同的同軸線18和20供源,且一T形聯(lián)接裝置21用于形成一方向圖的極化路徑,例如兩個(gè)平行偶極的一常規(guī)網(wǎng)。偶極的供源同軸電纜17,18,19,20分別沿著且在對稱器8,9,10,11的一側(cè)設(shè)置。同軸電纜17至20的外部導(dǎo)體套(gaine)與該偶極的第一半的基部和該板5電接觸,且該中央導(dǎo)體連接于該同一偶極的另一半的基部。因而獲得兩個(gè)正交的極化路徑,其輻射圖基本上是相同的。但是這種聯(lián)接方式不是限定性的,且其它方式非常值得考慮。
偶極的對稱器為在該板5內(nèi)呈河曲形刻出的槽縫線。每個(gè)槽縫線的河曲數(shù)足夠多,以便該槽縫線具有基本上等于由第一輻射元件發(fā)出的頻率F1波的波長的四分之一。但是槽縫線可具有其它形狀,例如其可如圖4所示,其中與圖1中元件相似的元件采用了相同的附圖標(biāo)記,所述槽縫線由一圓形段接一直線段構(gòu)成,到達(dá)一偶極的供源基部。所述圓形段可在該環(huán)形體12上的任何地方。但是為了避免在頻率F1和F2波之間的耦合,所述圓形段最好不接近于該通孔6的邊緣,最好是在該環(huán)形體12的中間。
該金屬腔7可具有一圓柱體形或者微小的圓錐體形,其截面為圓形或更經(jīng)常為2的N次方個(gè)等邊的多邊形,其中N=2,3,4......。輻射板5與該腔的邊緣7A電接觸。
該腔7在其中心由工作于第二頻率F2的一輻射元件23激勵(lì)。對于按單極化模式工作的情況,該輻射元件23可以是簡單的偶極類型,或者,對于按正交極化模式工作的情況,其可以是交叉偶極、或英語中被稱為“十字轉(zhuǎn)門(turnstile)”型的十字形偶極類型,或者,可以是適用于其它極化類型包括圓形極化的任何其它類型的輻射元件。該腔室7的底部7b被封閉,從而該內(nèi)部的輻射元件23的輻射是單向的、且向該腔室7的前部定向。
構(gòu)成輻射元件23的偶極的供源通過“平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器”類型對稱器來實(shí)現(xiàn)。在圖2所示的截面圖上,每個(gè)對稱器由長度基本上等于頻率F2波的波長的四分之一的一第一導(dǎo)體管24和一第二導(dǎo)體管25構(gòu)成。導(dǎo)體24和25通過它們的相應(yīng)端部與該輻射裝置23的每半個(gè)偶極的供源基部和該空腔的底部7b連接。該第一管24沿其縱軸被一中央導(dǎo)體26穿過,所述中央導(dǎo)體26的一端連接著半偶極的供源基部——該半偶極正對著被它的端部之一連接著的半偶極,且所述中央導(dǎo)體26的另一端連接著可連接于一供源連接器的中央導(dǎo)體或可連接著未畫出的一同軸電纜的中央導(dǎo)體。因而管24和25與該中央導(dǎo)體一起構(gòu)成一所述偶極用的阻抗變換共軸線,所述管連接著所述偶極。
按照優(yōu)選方式,該腔室7的深度接近于該空腔內(nèi)的輻射元件23的頻率F2輻射波的波長λ2的四分之一。輻射元件23相對于該腔室的底7b的高度也接近于波長λ2的四分之一,同時(shí)小于該腔室7的深度。
對于在相對于該腔室7內(nèi)的偶極的主平面E和H傾斜±45°的對角平面內(nèi)的輻射圖的小于90°的中間功率開度,該腔室7的直徑可按較大比例變化,例如0.45λ2至λ2之間。然而根據(jù)F1/F2的比,工作于頻率F1的輻射板5的偶極1至4之間的必要間距會(huì)限制該腔室7的最大直徑。例如,在工作于GSM900波段的輻射板的兩個(gè)平行的偶極之間的間距是170毫米的情況下,一直徑80毫米且深度40毫米的腔室適合于實(shí)現(xiàn)在GSM800或UMTS波段內(nèi)的一65°左右的中間功率開度圖。
如圖2和3所示,支撐板5的腔室7固定在一反射器24上,所述反射器24具有足夠大的尺寸,以便輻射在反射器上的偶極后方的電磁場被向前反射。除了其機(jī)械作用外,反射器24還設(shè)計(jì)用于使該輻射結(jié)構(gòu)的偶極輻射具有單向性。該反射器24可包括矮墻,其作用是加強(qiáng)結(jié)構(gòu),而且還作用于該輻射圖的方向性。輻射板5的偶極相對于反射器24的高度在波長為λ1的頻率F1段中通??稍讦?/8至λ1/4間變化。
根據(jù)圖5至圖7所示的另一實(shí)施方式,其中與圖1至圖4中相似的構(gòu)件采用了相同的附圖標(biāo)記,板5的偶極1至4相對于腔室7的開口構(gòu)成的平面部分高起,每個(gè)偶極被分為三部分位于板5的平面內(nèi)的相對低位部分1b,2b,3b,4b;和位于低位部分兩側(cè)的兩個(gè)高位部分1a,1c;2a,2c;3a,3c;4a,4c。優(yōu)選應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的幾何對稱性的高起部分也可傾斜地制成位于相應(yīng)的對稱器8至11之外的偶極的部分。用于制成偶極的其它的各種幾何形狀也可考慮,唯一的條件是遵循輻射結(jié)構(gòu)的對稱性,也就是說偶極的一致性,要不就是至少兩個(gè)兩個(gè)地成對的四個(gè)平行偶極的一致性。成對偶極的對稱性意味著兩個(gè)平行的偶極具有同樣的整體長度,以便它們具有同樣的阻抗,且它們各自的輻射基本上是相同的。兩個(gè)偶極對不是必須一致,因?yàn)槊總€(gè)偶極對產(chǎn)生一獨(dú)立的極化路徑。其涉及的對稱是相對于由四個(gè)偶極構(gòu)成的正方形的中心(O)對稱。
圖1至7的輻射元件結(jié)構(gòu)非常簡單,且可低成本地制造出,所述雙波段輻射結(jié)構(gòu)在每個(gè)波段中具有兩個(gè)正交極化路徑,例如如圖1和5所示,所述正交極化路徑相對于一垂直方向vv’傾斜±45°。由此構(gòu)成的四個(gè)路徑彼此之間極大地分開(découplées)達(dá)30dB,且在每個(gè)相繼的波段內(nèi),輻射單向的方向圖,所述方向圖在水平平面內(nèi)具有小于90°的中間功率開度,例如65°。
優(yōu)選地,可實(shí)施多個(gè)這類輻射結(jié)構(gòu)的共線對齊,以構(gòu)成一高增益——例如18dBi——的雙波段垂直線性網(wǎng),所述雙波段在每個(gè)波段內(nèi)具有相對于一垂直方向vv’傾斜±45°的兩個(gè)正交極化路。
圖8所示的網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施方式一方面包括圖7所示類型的工作于波段F1(GSM900)和F2(UMTS和/或DCS)的雙波段和雙極化的輻射元件,且另一方面包括工作于波段F2的單波段和雙極化的輻射元件——其與圖7的中央元件的類型相同。用于波段F2的網(wǎng)絡(luò)的步長是用于波段F1的網(wǎng)絡(luò)的步長的一半。因而可實(shí)現(xiàn)一高方向性、具有規(guī)則步長、雙波段和雙極化的網(wǎng)絡(luò),其具有一良好的極化純度,并且在不同路徑之間高度去耦。要注意到,各種工作于波段F2的輻射元件由于它們的一致性而具有基本上相同的相位中心,其位于該腔室的中心軸上,該軸垂直于該腔室的開口平面。通過對輻射元件之間進(jìn)行移相,該特性非常利于射束的電瞄準(zhǔn)(或中止(Tilt)),且還能更好地對準(zhǔn)輻射元件在該波段的相位,以獲得該天線的大的方向性。
根據(jù)本發(fā)明上述內(nèi)容實(shí)施的、且工作于GSM1800,GSM1900和UMTS波段的輻射元件可獲得接近30dB的路徑間隔,并且各種輻射元件相對于50Ohms的靜態(tài)波的比小于1.7∶1,且方向圖的中間功率開度在水平面內(nèi)接近65°,以使在兩個(gè)頻段內(nèi)的增益接近9dBi。
權(quán)利要求
1.輻射裝置,包括一第一輻射元件,其工作于一第一頻段F1,由按正方形設(shè)置的四個(gè)偶極(1,2,3,4)構(gòu)成;和一第二輻射元件,其作用于一第二頻段F2,由設(shè)置在構(gòu)成所述第一輻射元件的偶極(1,2,3,4)的正方形的中心處的至少一偶極構(gòu)成;每個(gè)偶極在其中心由一對稱器供源,所述輻射元件組件設(shè)置在一反射器(24)之上;其特征在于構(gòu)成所述第一輻射元件的偶極(1,2,3,4)和其所連接的對稱器(8,9,10,11)被制作在同一個(gè)金屬板(5)上,一偶極的每個(gè)對稱器由一短路的槽縫線構(gòu)成,所述對稱器在所述金屬板(5)上沿垂直于所述偶極的軸的一方向刻出;所述第二輻射元件(23)由設(shè)置在處于所述金屬板(5)的中心處的一金屬腔室(7)的內(nèi)部的至少一個(gè)偶極構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于所述腔室(7)為圓柱形、圓錐形、或者具有多邊形截面,所述多邊形具有2的N次方個(gè)等邊,其中N=2,3,4......等。
3.如權(quán)利要求1和2所述的裝置,其特征在于所述腔室(7)通過沖壓所述金屬板(5)制成。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于所述對稱器(8,9,10,11)由短路槽縫線形成,所述槽縫線的長度基本等于所述第一輻射元件的工作波長的四分之一。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置,其特征在于所述槽縫線(8,9,10,11)呈河曲狀。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置,其特征在于所述槽縫線(8,9,10,11)包括一第一直線段,其后緊接著一第二圓形段。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于構(gòu)成所述第一輻射元件的偶極(1,2,3,4)由沿所述對稱器設(shè)置的同軸電纜(17,18,19,20)供源,每個(gè)同軸電纜的外部導(dǎo)體套與其所供源的偶極的第一半部電接觸,它的中央導(dǎo)體連接著所述偶極的另一半部的基部。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于構(gòu)成所述第一輻射元件的偶極(1,2,3,4)相對于所述腔室(7)的開口形成的平面部分地高起。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于所述腔室(7)包括一底(7b),所述第二輻射元件(23)通過支撐管(24,25)支靠在所述底(7b)上。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置,其特征在于所述支撐管(24,25)構(gòu)成“平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器”類的雙股線,用于向所述第二輻射元件(23)的偶極供源。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置,其特征在于所述第二輻射元件(23)由兩個(gè)成直角的交叉偶極形成。
12.如權(quán)利要求9或10所述的裝置,其特征在于所述輻射元件(23)相對于所述腔室(7)的底(7b)的高度接近于由所述第二輻射元件輻射的波的波長的四分之一,并小于所述腔室(7)的深度。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于所述腔室(7)的深度基本上等于由所述第二輻射元件(23)輻射的波的波長的四分之一。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置,其特征在于對于圓形截面的圓柱體腔室,或?qū)τ诙噙呅谓孛娴那皇?,所述腔?7)的直徑或者多邊形截面的內(nèi)接圓的直徑基本上包括在0.45λ2至λ2之間,λ2表示由所述第二輻射元件(23)輻射的波的波長。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的裝置,其特征在于所述第一輻射元件(1,2,3,4)和第二輻射元件(23)在空間中被定向,用于分別輻射出相對于一垂直方向傾斜±45°的兩個(gè)正交極化波。
16.天線網(wǎng)絡(luò),其特征在于,包括多個(gè)如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的裝置,所述多個(gè)裝置在同一反射器(24)上垂直對齊,且設(shè)置在所述反射器(24)上,以便在每個(gè)頻段內(nèi)構(gòu)成相對于所述垂直方向傾斜±45°的兩個(gè)正交極化路徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輻射裝置,包括一第一輻射元件,其工作于一第一頻段F1,由按正方形設(shè)置的四個(gè)偶極(1,2,3,4)構(gòu)成;和一第二輻射元件,其作用于一第二頻段F2,由設(shè)置在構(gòu)成所述第一輻射元件的偶極(1,2,3,4)的正方形的中心處的至少一偶極構(gòu)成。每個(gè)偶極在其中心由一對稱器供源,所述偶極(1,2,3,4)組件設(shè)置在一反射器(24)之上。構(gòu)成所述第一輻射元件的偶極(1,2,3,4)和其所連接的對稱器(8,9,10,11)被制作在同一個(gè)金屬板(5)上,一偶極的每個(gè)對稱器由一短路的槽縫線構(gòu)成,所述對稱器在所述金屬板(5)上沿垂直于所述偶極的軸的一方向刻出;所述第二輻射元件(23)由設(shè)置在處于所述金屬板(5)的中心處的一金屬腔室(7)的內(nèi)部的至少一個(gè)偶極構(gòu)成。本發(fā)明用于蜂窩式無線電通訊網(wǎng)。
文檔編號(hào)H01Q25/00GK1663075SQ03814895
公開日2005年8月31日 申請日期2003年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者穆斯塔法·賈盧勒 申請人:阿里爾康姆公司