專利名稱：使用偶極輻射元件的高隔離度雙極化天線系統(tǒng)的制作方法
用于無線遠程通信系統(tǒng)的基臺具有接收線性極化電磁信號的能力。然后這些信號經(jīng)過基臺的接收機處理并送入電話網(wǎng)。實際上，如果發(fā)送信號與接收信號的頻率不同，也能夠使用與接收信號的同一天線發(fā)送信號。
無線遠程通信系統(tǒng)存在多路徑衰落的問題。常用分集接收來解決嚴重的多路經(jīng)衰落問題。分集技術要求至少兩路載有相同信息但具有不相關多路徑衰落的信號路徑。電信工業(yè)中用于基臺的幾種分集接收是空間分集，方向分集，極化分集，頻率分集和時間分集?？臻g分集系統(tǒng)接收來自空間不同點的信號，要求二個被分開相當距離的天線。極化分集采用正交極化，以提供不相關路徑。
正如本領域所知，天線極化的指向(sense)或方向從固定軸測量并能根據(jù)系統(tǒng)要求改變。尤其是極化定向的范圍能從垂直極化(0度)到水平極化(90°度)。通常，用于系統(tǒng)的最流行的極化是使用垂直/水平和+45°/-45°極化(“傾斜45°”)。不過也能使用其它的極化角。如果天線接收或發(fā)送兩個極化的正常正交的信號，雙極化天線它們被公知。
傾斜45°極化輻射元件的陣列由使用位于接地面之上的線性或平面交叉偶極子陣列構(gòu)成。交叉偶極子是一對偶極子，其中心處于同一地點，其軸是正交的。配置該偶極子的軸，使它們與要求的極化檢測平行。換句話說，每個偶極子的軸處在與天線陣列垂直軸成一些角度的位置。
與上述配置有關的一個問題是，每個交叉偶極子的電磁場與其它交叉偶極子的和支撐安放交叉偶極子的環(huán)繞構(gòu)成的場間的相互作用。正如本領域所熟知，圍繞偶極子的各個電磁場相互之間傳輸能量。這種互耦合或泄漏影響著二個正交極化信號的相關性；耦合量常常稱為“隔離度”。正交極化信號之間的隔離度最好是-30dB或更少。
基臺發(fā)射塔對公眾產(chǎn)生的視覺沖擊已成為社會問題。普遍希望減小這些發(fā)射塔的規(guī)模以減少發(fā)射塔對公眾產(chǎn)生的視覺沖擊。通過使用只有少數(shù)天線的基臺發(fā)射塔能夠減小發(fā)射塔的體積和規(guī)模。如果采用雙極化天線和極化分集，這是能夠?qū)崿F(xiàn)的。這樣的系統(tǒng)代替了使用要求成對垂直極化天線的空間分集的系統(tǒng)。一些研究表明，對于城區(qū)，極化分集提供了與空間分集等同的信號質(zhì)量。由于大多數(shù)的基臺站位于城區(qū)，雙極化天線很可能將用于取代常規(guī)配對的垂直極化天線。
本發(fā)明主要目的是提供一種用于極化分集接收機的由雙極化輻射元件構(gòu)成的天線陣列，該雙極化輻射元件用于接收信號。
本發(fā)明另一目的是提供一種其輻射元件由交叉偶極子元件構(gòu)成的天線陣列。
本發(fā)明又一目的是提供一種能提高一組類似極化信號量與其正交組極化信號量之間的隔離度的天線陣列。
本發(fā)明又一目的是提供使要求的天線數(shù)目最少的天線，由此提供一種具有最小體積和規(guī)模的優(yōu)美結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明又一目的是提供一種使用了電“下傾”(“dowlltilt”)輻射元件的陣列。
本發(fā)明這些和其它的目的是通過改進的天線系統(tǒng)實現(xiàn)的。改進的天線系統(tǒng)包括輻射元件陣列，該陣列具有長度并置放在接地面上，且沿其長度有垂直軸，陣列包括多個偶極輻射體，所述輻射體由第一和第二交叉偶極子構(gòu)成，所述偶極子以預定角度相對所述垂直軸定位，所述輻射元件產(chǎn)生第一電磁場；多個支撐體，所述支撐體與所述垂直軸垂直并被置放在選擇的所述多個偶極輻射體之間；多個置放在所選擇的所述多個支撐體中的金屬寄生元件，所述第一電磁場激發(fā)所述金屬寄生元件中的電流，所述電流產(chǎn)生第二電磁場，所述第二電磁場抵消所述第一電磁場。
附圖中

圖1是使用根據(jù)本發(fā)明原理的天線的整個系統(tǒng)的方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明原理的帶有寄生元件的接收機陣列的透視圖；圖3展示根據(jù)本發(fā)明原理的圖2陣列的俯視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明原理的圖2陣列的側(cè)視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明原理展示用作為寄生元件的去耦桿的俯視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明原理展示用作為寄生元件去耦桿的側(cè)視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明原理展示用作為寄生元件的去耦桿的俯視圖；以及圖8是根據(jù)本發(fā)明原理展示用作為寄生元件的去耦桿的側(cè)視圖。
現(xiàn)參考圖1，一使用蜂窩電話4的用戶向基臺5發(fā)送電磁信號。基臺5包括多個與平臺6e相連的天線6a,6b,6c和6d。正如下述，每個天線包括多個交叉的(交同一點，正交)雙偶極輻射元件。另一方面，天線能與發(fā)射塔7連接。平臺6e被耦合到發(fā)射塔7，該發(fā)射塔7把天線升高到周圍建筑和其它障礙物的上方。接收的信號傳經(jīng)多個傳輸線8a,8b,8c和8d到達包括分集接收機9的基臺處理系統(tǒng)3。從基臺處理系統(tǒng)3出來，被處理的信號傳送到陸上電話線，通過使用本領域技術人員熟知的設備和技術進入電話網(wǎng)。
現(xiàn)參考圖2-4，交叉的陣列(天線)10，雙極化偶極輻射元件11a,11b,11c和11d連接到接地面12。輻射元件11a,11b,11c和11d的構(gòu)成及尺寸和接地面確定輻射特性，束寬度及輻射元件的阻抗。輻射元件11a,11b,11c和11d及接地面最好是由諸如鋁或某些金屬做成。當然其它金屬能夠用于制造輻射元件和接地面12，例如銅或黃銅。
本領域技術人員理解天線的增益與存在陣列中空間的輻射元件的數(shù)目成正比。換句話說，增加陣列中輻射元件的數(shù)目將增加增益，同時降低輻射元件的數(shù)目將降低天線的增益。因此，盡管僅示出四個輻射元件，仍可增加輻射元件的數(shù)目到任何數(shù)目以增加增益。相反也可按要求減少輻射元件數(shù)目以降低增益。
輻射元件11a,11b,11c和11d發(fā)送和接收電磁信號的傳輸，分別由配對的偶極子14a和14b,16a和16b,18a和18b及20a和20b構(gòu)成。包括輻射元件11a,11b,11c和11d的偶極子是交叉的并呈45度傾斜角(相對陣列13的軸)。也就是，配置偶極子的軸使其與要求的極化探測平行。正如所示，傾斜角+2和-2分別為+45度和-45度。盡管示出了+45度和-45度的傾斜角，本領域技術人員仍可理解為這些角度是能改變的以優(yōu)化天線性能。而且每個角不需要在幅值上是相同的。例如，+α和-α可分別為+30度和-60度。
輻射元件11a,11b,11c和11d的每個接收具有+45°度和-45度極化的信號。也就是，輻射元件的一個偶極子接收具有+45度極化的信號，同時另外的偶極子接收具有-45度極化的信號。從平行偶極子14a,16a,18a,20a或14b,16b,18b和20b接收的信號通過用于每個極化的饋電網(wǎng)絡(未示出)結(jié)合起來。饋電網(wǎng)絡由同軸、微帶、條狀線或其它傳輸線結(jié)構(gòu)構(gòu)成。兩個結(jié)合的信號被饋入分集接收機以選取這兩個信號中最強的信號進行進一步的處理。如果發(fā)送的信號與接收信號的頻率不同，每個輻射元件11a,11b,11c和11d還能用作為發(fā)送機。
寄生元件22放在支撐體24上。為了不導電，支撐體由聚乙烯泡沫組成。不過，其它的合適的非導電材料，例如其它非導電的塑料或泡沫能夠替換聚乙烯泡沫，用于制作該支撐體29。首先制成支撐體24并固定到背面12上。然后在支撐體24上切出槽，將寄生元件22插入。
為了感應出電流，寄生元件22由金屬做成。盡管也能使用諸如銅或黃銅等其它金屬，但該金屬最好為鋁?；姶挪ɑ驁錾涞疥嚵薪Y(jié)構(gòu)上，在各個陣列輻射元件的交叉偶極子、寄生元件及周圍金屬結(jié)構(gòu)的表面感應出電流。這些感應的電流產(chǎn)生較弱的與基電磁場相結(jié)合的二次電磁場。將出現(xiàn)一平衡態(tài)，此時最后的電磁場與基電磁場不同。寄生元件的大小和位置是確定最后場的因素。換句話說，本發(fā)明改善的隔離度是這樣獲得的寄生元件上激發(fā)的電流能重新輻射能量，該能量抵消了引起隔離度趨于最小的使一個極化耦合到另一個極化的能量。
寄生元件置放在陣列的交叉偶極輻射元件的中間，并與陣列軸13相垂直。當然寄生元件不是必須放在各個陣列元件之間。用網(wǎng)絡分析儀確定元件的最佳數(shù)目和位置。尤其是，采用網(wǎng)絡分析儀能夠測量輻射元件和寄生元件的任何已知結(jié)構(gòu)的隔離度。寄生元件的長度控制產(chǎn)生電流的幅值。例如，使用近似為半波長的長度，所產(chǎn)生的電流最大。因此，通過改變某些或全部寄生元件的長度還能優(yōu)化系統(tǒng)的性能。
已經(jīng)知道把寄生元件定位在交叉偶極子的頂部能優(yōu)化該陣列結(jié)構(gòu)的隔離度。當然，寄生元件位置的高度能依陣列結(jié)構(gòu)而改變。
寄生元件的地點應使得不產(chǎn)生過度的付作用，例如，回程波損耗(VSWR)的降級，也不應使寄生元件過度地干擾正常陣列輻射模式。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當寄生元件放置在與陣列的垂直軸平行或垂直時，會產(chǎn)生最佳的天線性能。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)相對陣列垂直軸以其它角度放置寄生元件都會對天線性能產(chǎn)生不利的影響。正如上面所討論的，當隔離度提高及測量的輻射模式證實模式性能時使用網(wǎng)絡分析儀來確定。
圖2結(jié)構(gòu)所示實施例中，四個交叉的偶極天線放在長為480mm寬為150mm的接地面上，工作在1710-1990MHz的PCS/N頻帶上。陣列垂直軸13沿480mm長度伸展。使用四個雙極化的交叉的偶極輻射元件。第一個輻射元件放在距邊沿60mm處，第二元件距第一個元件120mm，第三個距第二個元件120mm，第四個距第三個元件120mm。元件沿陣列垂直軸定位，具有相對陣列垂直軸13為+45度和-45度的傾斜角。
兩個支撐體位于距接地面邊沿120mm處并與陣列垂直軸垂直。支撐體75mm高，并且，其頂部放置有薄的矩形寄生元件。寄生元件5mm寬，150mm長。寄生元件放在支撐體的上面并沿支撐體的全長伸展。
現(xiàn)參考圖5和6，交叉的陣列210，雙偶極輻射元件202,203和204固定在接地面201，工作在820-960MHz的蜂窩頻帶，正如上面所討論的，接地面201和輻射元件202,203和204的構(gòu)成和大小決定輻射特性、束寬及天線阻抗。
輻射元件202,203和204發(fā)送和接收電磁信號傳輸，分別由配對的偶極子211a和211b,212a和212b，及213a和213b構(gòu)成。包括輻射元件202,203和204的偶極子是交叉的并且以45度傾斜角(相對陣列215的軸)構(gòu)成。也就是，配置偶極子的軸使其與要求的極化檢測平行。正如所示，傾斜角+α和-α分別為+45度和-45度。盡管示出的是+45度和-45度的傾斜角，但本領域技術人員可以理解這些角度是能改變的以優(yōu)化天線性能。前側(cè)壁207和后側(cè)壁208對天線的輻射特性產(chǎn)生影響。
每個輻射元件202,203和204接收具有+45度和-45度極化的信號。從平行的偶極子211a,212a和213a或211b,212b和213b接收的信號通過用于每個極化的饋電網(wǎng)絡結(jié)合起來。饋電網(wǎng)絡由同軸、微帶、條狀線或其它類型的傳輸線構(gòu)成。然后與天線連接的分集接收機選擇這兩個結(jié)合的信號中的最強的信號進行進一步的處理。如果發(fā)送的信號與接收的信號是不同的頻率，則每個元件202,203和204還能用作發(fā)送機。
寄生元件205由配對的桿支撐體206a和206b支撐伸出。寄生元件最好作為去耦桿。寄生元件與陣列的垂直軸215垂直。桿支撐體由非導電材料做成。盡管示出了一個寄生元件，但可以理解為寄生元件的確切數(shù)目是能改變并且依賴于天線的具體構(gòu)形及其它要求的特性。
現(xiàn)參考圖7和8，交叉的陣列310，雙偶極輻射元件302,303和304和接地面301連接，工作在820-960MHz的蜂窩頻帶。正如上述，接地面301和輻射元件302,303和304的構(gòu)成和大小決定天線的輻射特性、束寬及阻抗。
輻射元件302,303和304發(fā)送和接收電磁信號傳輸，并且分別由配對的偶極子311a和311b,312a和312b，及313a和313b構(gòu)成。包括輻射元件302,303和304的偶極子是交叉的且以45度傾斜角(相對陣列315軸)構(gòu)成。也就是，配置偶極子的軸使其與要求的極化檢測平行。正如所示，傾斜角+α和-α分別為+45度和-45度。盡管示出的是+45度和-45度的傾斜角，本領域技術人員可以理解這些角度是能改變的以優(yōu)化天線性能。前側(cè)壁307和后側(cè)壁308對天線的輻射特性產(chǎn)生影響。
每個輻射元件302,303和304接收具有+45度和-45度極化的信號。從平行的偶極子311a,312a和313a或311b,312b和313b接收的信號利用用于每個極化的饋電網(wǎng)絡結(jié)合起來。饋電網(wǎng)絡由同軸、微帶，條狀線或其它類型的傳輸線構(gòu)成。然后與天線連接的分集接收機選擇這兩個結(jié)合的信號中的最強的信號進行進一步的處理。如果發(fā)送的信號與接收的信號是不同的頻率，則每個元件302,303和304還能用作發(fā)送機。
第一寄生元件305a通過桿支撐體306a和306b支撐伸出。寄生元件305a與陣列的垂直軸315平行。另外，第二寄生元件305b通過桿支撐體306c和306d支撐伸出。寄生元件305b也與陣列的垂直軸315平行并用作去耦合桿。桿支撐體由非導電材料做成。盡管本實施例僅示出兩個寄生元件，但應理解為根據(jù)陣列的具體構(gòu)形及工作特征這個數(shù)目是能改變的。
因此，所提供的天線陣列由雙極化輻射元件構(gòu)成并產(chǎn)生兩個正交的極化信號。而且，本發(fā)明提供的天線陣列由交叉的偶極子元件構(gòu)成，并提高了交叉偶極子元件電磁場之間的隔離度。還提供了一種天線，其使得在無線遠程通信系統(tǒng)中要求的天線數(shù)目達到最少，因而提供了具有最小尺寸和規(guī)模的優(yōu)美結(jié)構(gòu)。
盡管本發(fā)明參考一個或多個優(yōu)選實施例已做說明，但本領域技術人員可認識到，在不超過下述權利要求所提的本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍能由此做許多變化。
權利要求
1.一種接收電磁信號的天線，包括具有長度且沿所述長度有垂直軸的接地面；多個偶極輻射元件，所述輻射元件包括第一和第二處同一位置的、正交的偶極子，所述偶極子相對所述垂直軸以第一和第二預定角度定位，所述輻射元件和接地面響應所述電磁信號產(chǎn)生第一電磁場；多個支撐體，所述支撐體連接到所述接地面，與所述垂直軸垂直，并且被放置在選擇的所述多個偶極輻射元件之間；放置在所選擇的所述多個支撐體上的多個金屬寄生元件，所述第一電磁場在所述金屬寄生元件中激發(fā)電流，所述電流產(chǎn)生第二電磁場，所述第二電磁場抵消部分所述第一電磁場。
2.根據(jù)權利要求1的天線，其中所述第一預定角度相對所述垂直軸大致等于+45度，所述第二預定角度相對所述垂直軸大致等于-45度。
3.根據(jù)權利要求1的天線，其中所述寄生元件由鋁做成。
4.根據(jù)權利要求1的天線，其中所述支撐體包括上表面，所述寄生元件沿所述支撐體的所述上表面放置。
5.根據(jù)權利要求1的天線，其中所述多個支撐體位于所述輻射元件的中間。
6.根據(jù)權利要求1的天線，其中所述多個輻射元件正好含有四個輻射元件。
7.一種接收電磁信號的天線，包括具有長度的接地面，所述接地面沿所述長度具有垂直軸；多個輻射元件，所述輻射元件包括第一和第二處在同一位置的正交的偶極子，所述第一偶極子相對所述垂直軸以大致為+45度角定位，所述第二偶極子相對所述垂直軸以大致為-45度角定位，所述輻射元件和接地面產(chǎn)生第一電磁場；被連接到所述接地面的多個支撐體，所述支撐體與所述垂直軸垂直并放置在所選擇的所述多個偶極輻射元件之間；放置在所選擇的所述多個支撐體上的多個金屬寄生元件，所述第一電磁場在所述金屬寄生元件中激發(fā)電流，所述電流產(chǎn)生第二電磁場，所述第二電磁場抵消部分所述第一電磁場；和耦合到所述多個輻射元件的分集接收裝置，用于在所述多個電信號之間進行選擇。
8.根據(jù)權利要求7的天線，其電所述寄生元件由鋁做成。
9.根據(jù)權利要求7的天線，其中所述寄生元件沿所述支撐體的上表面放置。
10.根據(jù)權利要求7的天線，其中所述多個支撐體位于所述天線的中間。
11.根據(jù)權利要求7的天線，其中所述多個輻射元件正好包含有四個輻射元件。
12.一種給輻射元件陣列提供高隔離度的方法，包括步驟提供具有垂直軸的接地面；提供多個偶極輻射元件，所述輻射元件包括第一和第二處在同一位置的正交的偶極子，所述偶極子相對所述垂直軸以預定角度定位，所述輻射元件具有頂表面；在所述輻射元件中產(chǎn)生第一電磁場；提供多個支撐體，并把所述支撐體與所述垂直軸垂直放置，而且放在所選擇的所述多個偶極輻射元件之間；提供多個放置在所選擇的所述多個支撐體上的多個金屬寄生元件；在所述金屬寄生元件中激發(fā)電流；產(chǎn)生從所述寄生元件輻射出來的第二電磁場；以及用所述第二電磁場抵消部分所述第一電磁場。
13.一種接收電磁信號的天線，包括具有長度且沿所述長度有垂直軸的接地面；多個偶極輻射元件，所述輻射元件包括第一和第二處在同一位置的正交的偶極子，所述偶極子相對所述垂直軸以第一和第二預定角度定位，所述天線輻射元件響應所述電磁信號產(chǎn)生第一電磁場；多個支撐體，所述支撐體連接到所述接地面并與所述垂直軸平行，并且鄰近選擇的所述多個偶極輻射元件放置；多個置放在所選擇的所述多個支撐體上的金屬寄生元件，所述第一電磁場在所述金屬寄生元件中激發(fā)電流，所述電流產(chǎn)生第二電磁場，所述第二電磁場抵消部分所述第一電磁場。
14.根據(jù)權利要求13的天線，其中所述第一預定角度相對所述垂直軸大致等于+45度，所述第二預定角度相對所述垂直軸大致等于-45度。
15.一種給輻射元件陣列提供高隔離度的方法，包括步驟提供具有垂直軸的接地面；提供多個偶極輻射元件，所述輻射元件包括第一和第二處在同一位置的正交的偶極子，所述偶極子相對所述垂直軸以預定角度定位，所述輻射元件具有頂表面；在所述輻射元件中產(chǎn)生第一電磁場；提供多個支撐體，將所述支撐體與所述垂直軸平行放置并鄰接選擇的所述多個偶極輻射元件；提供放置在所選擇的所述多個支撐體上的多個金屬寄生元件；在所述金屬寄生元件中激發(fā)電流；產(chǎn)生從所述寄生元件輻射出的第二電磁場；以及用所述第二電磁場抵消部分所述第一電磁場。
全文摘要
一種接收電磁信號的天線,包括:具有長度且沿長度有垂直軸的接地面。多個偶極輻射元件,輻射元件包括第一和第二處在同一位置的正交的偶極子,偶極子相對垂直軸以第一和第二預定角度定位,輻射元件和接地面響應所述電磁信號產(chǎn)生第一電磁場。多個支撐體,支撐體連接到接地面且與垂直軸垂直,并被置放在選擇的多個偶極輻射元件之間。多個金屬寄生元件被放置在所選擇的所述多個支撐體上,第一電磁場在所屬金屬寄生元件中激發(fā)電流,電流產(chǎn)生第二電磁場,第二電磁場抵消部分第一電磁場。
文檔編號H01Q9/26GK1223480SQ9811491
公開日1999年7月21日 申請日期1998年5月14日 優(yōu)先權日1997年5月14日
發(fā)明者R·J·布蘭島, R·W·迪恩利, 徐剛 申請人:安德魯公司