专利名称：使用偶极辐射元件的高隔离度双极化天线系统的制作方法
用于无线远程通信系统的基台具有接收线性极化电磁信号的能力。然后这些信号经过基台的接收机处理并送入电话网。实际上，如果发送信号与接收信号的频率不同，也能够使用与接收信号的同一天线发送信号。
无线远程通信系统存在多路径衰落的问题。常用分集接收来解决严重的多路经衰落问题。分集技术要求至少两路载有相同信息但具有不相关多路径衰落的信号路径。电信工业中用于基台的几种分集接收是空间分集，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，要求二个被分开相当距离的天线。极化分集采用正交极化，以提供不相关路径。
正如本领域所知，天线极化的指向(sense)或方向从固定轴测量并能根据系统要求改变。尤其是极化定向的范围能从垂直极化(0度)到水平极化(90°度)。通常，用于系统的最流行的极化是使用垂直/水平和+45°/-45°极化(“倾斜45°”)。不过也能使用其它的极化角。如果天线接收或发送两个极化的正常正交的信号，双极化天线它们被公知。
倾斜45°极化辐射元件的阵列由使用位于接地面之上的线性或平面交叉偶极子阵列构成。交叉偶极子是一对偶极子，其中心处于同一地点，其轴是正交的。配置该偶极子的轴，使它们与要求的极化检测平行。换句话说，每个偶极子的轴处在与天线阵列垂直轴成一些角度的位置。
与上述配置有关的一个问题是，每个交叉偶极子的电磁场与其它交叉偶极子的和支撑安放交叉偶极子的环绕构成的场间的相互作用。正如本领域所熟知，围绕偶极子的各个电磁场相互之间传输能量。这种互耦合或泄漏影响着二个正交极化信号的相关性；耦合量常常称为“隔离度”。正交极化信号之间的隔离度最好是-30dB或更少。
基台发射塔对公众产生的视觉冲击已成为社会问题。普遍希望减小这些发射塔的规模以减少发射塔对公众产生的视觉冲击。通过使用只有少数天线的基台发射塔能够减小发射塔的体积和规模。如果采用双极化天线和极化分集，这是能够实现的。这样的系统代替了使用要求成对垂直极化天线的空间分集的系统。一些研究表明，对于城区，极化分集提供了与空间分集等同的信号质量。由于大多数的基台站位于城区，双极化天线很可能将用于取代常规配对的垂直极化天线。
本发明主要目的是提供一种用于极化分集接收机的由双极化辐射元件构成的天线阵列，该双极化辐射元件用于接收信号。
本发明另一目的是提供一种其辐射元件由交叉偶极子元件构成的天线阵列。
本发明又一目的是提供一种能提高一组类似极化信号量与其正交组极化信号量之间的隔离度的天线阵列。
本发明又一目的是提供使要求的天线数目最少的天线，由此提供一种具有最小体积和规模的优美结构。
本发明又一目的是提供一种使用了电“下倾”(“dowlltilt”)辐射元件的阵列。
本发明这些和其它的目的是通过改进的天线系统实现的。改进的天线系统包括辐射元件阵列，该阵列具有长度并置放在接地面上，且沿其长度有垂直轴，阵列包括多个偶极辐射体，所述辐射体由第一和第二交叉偶极子构成，所述偶极子以预定角度相对所述垂直轴定位，所述辐射元件产生第一电磁场；多个支撑体，所述支撑体与所述垂直轴垂直并被置放在选择的所述多个偶极辐射体之间；多个置放在所选择的所述多个支撑体中的金属寄生元件，所述第一电磁场激发所述金属寄生元件中的电流，所述电流产生第二电磁场，所述第二电磁场抵消所述第一电磁场。
附图中
图1是使用根据本发明原理的天线的整个系统的方框图；图2是根据本发明原理的带有寄生元件的接收机阵列的透视图；图3展示根据本发明原理的图2阵列的俯视图；图4是根据本发明原理的图2阵列的侧视图；图5是根据本发明原理展示用作为寄生元件的去耦杆的俯视图；图6是根据本发明原理展示用作为寄生元件去耦杆的侧视图；图7是根据本发明原理展示用作为寄生元件的去耦杆的俯视图；以及图8是根据本发明原理展示用作为寄生元件的去耦杆的侧视图。
现参考图1，一使用蜂窝电话4的用户向基台5发送电磁信号。基台5包括多个与平台6e相连的天线6a,6b,6c和6d。正如下述，每个天线包括多个交叉的(交同一点，正交)双偶极辐射元件。另一方面，天线能与发射塔7连接。平台6e被耦合到发射塔7，该发射塔7把天线升高到周围建筑和其它障碍物的上方。接收的信号传经多个传输线8a,8b,8c和8d到达包括分集接收机9的基台处理系统3。从基台处理系统3出来，被处理的信号传送到陆上电话线，通过使用本领域技术人员熟知的设备和技术进入电话网。
现参考图2-4，交叉的阵列(天线)10，双极化偶极辐射元件11a,11b,11c和11d连接到接地面12。辐射元件11a,11b,11c和11d的构成及尺寸和接地面确定辐射特性，束宽度及辐射元件的阻抗。辐射元件11a,11b,11c和11d及接地面最好是由诸如铝或某些金属做成。当然其它金属能够用于制造辐射元件和接地面12，例如铜或黄铜。
本领域技术人员理解天线的增益与存在阵列中空间的辐射元件的数目成正比。换句话说，增加阵列中辐射元件的数目将增加增益，同时降低辐射元件的数目将降低天线的增益。因此，尽管仅示出四个辐射元件，仍可增加辐射元件的数目到任何数目以增加增益。相反也可按要求减少辐射元件数目以降低增益。
辐射元件11a,11b,11c和11d发送和接收电磁信号的传输，分别由配对的偶极子14a和14b,16a和16b,18a和18b及20a和20b构成。包括辐射元件11a,11b,11c和11d的偶极子是交叉的并呈45度倾斜角(相对阵列13的轴)。也就是，配置偶极子的轴使其与要求的极化探测平行。正如所示，倾斜角+2和-2分别为+45度和-45度。尽管示出了+45度和-45度的倾斜角，本领域技术人员仍可理解为这些角度是能改变的以优化天线性能。而且每个角不需要在幅值上是相同的。例如，+α和-α可分别为+30度和-60度。
辐射元件11a,11b,11c和11d的每个接收具有+45°度和-45度极化的信号。也就是，辐射元件的一个偶极子接收具有+45度极化的信号，同时另外的偶极子接收具有-45度极化的信号。从平行偶极子14a,16a,18a,20a或14b,16b,18b和20b接收的信号通过用于每个极化的馈电网络(未示出)结合起来。馈电网络由同轴、微带、条状线或其它传输线结构构成。两个结合的信号被馈入分集接收机以选取这两个信号中最强的信号进行进一步的处理。如果发送的信号与接收信号的频率不同，每个辐射元件11a,11b,11c和11d还能用作为发送机。
寄生元件22放在支撑体24上。为了不导电，支撑体由聚乙烯泡沫组成。不过，其它的合适的非导电材料，例如其它非导电的塑料或泡沫能够替换聚乙烯泡沫，用于制作该支撑体29。首先制成支撑体24并固定到背面12上。然后在支撑体24上切出槽，将寄生元件22插入。
为了感应出电流，寄生元件22由金属做成。尽管也能使用诸如铜或黄铜等其它金属，但该金属最好为铝。基电磁波或场射到阵列结构上，在各个阵列辐射元件的交叉偶极子、寄生元件及周围金属结构的表面感应出电流。这些感应的电流产生较弱的与基电磁场相结合的二次电磁场。将出现一平衡态，此时最后的电磁场与基电磁场不同。寄生元件的大小和位置是确定最后场的因素。换句话说，本发明改善的隔离度是这样获得的寄生元件上激发的电流能重新辐射能量，该能量抵消了引起隔离度趋于最小的使一个极化耦合到另一个极化的能量。
寄生元件置放在阵列的交叉偶极辐射元件的中间，并与阵列轴13相垂直。当然寄生元件不是必须放在各个阵列元件之间。用网络分析仪确定元件的最佳数目和位置。尤其是，采用网络分析仪能够测量辐射元件和寄生元件的任何已知结构的隔离度。寄生元件的长度控制产生电流的幅值。例如，使用近似为半波长的长度，所产生的电流最大。因此，通过改变某些或全部寄生元件的长度还能优化系统的性能。
已经知道把寄生元件定位在交叉偶极子的顶部能优化该阵列结构的隔离度。当然，寄生元件位置的高度能依阵列结构而改变。
寄生元件的地点应使得不产生过度的付作用，例如，回程波损耗(VSWR)的降级，也不应使寄生元件过度地干扰正常阵列辐射模式。已经发现当寄生元件放置在与阵列的垂直轴平行或垂直时，会产生最佳的天线性能。已经发现相对阵列垂直轴以其它角度放置寄生元件都会对天线性能产生不利的影响。正如上面所讨论的，当隔离度提高及测量的辐射模式证实模式性能时使用网络分析仪来确定。
图2结构所示实施例中，四个交叉的偶极天线放在长为480mm宽为150mm的接地面上，工作在1710-1990MHz的PCS/N频带上。阵列垂直轴13沿480mm长度伸展。使用四个双极化的交叉的偶极辐射元件。第一个辐射元件放在距边沿60mm处，第二元件距第一个元件120mm，第三个距第二个元件120mm，第四个距第三个元件120mm。元件沿阵列垂直轴定位，具有相对阵列垂直轴13为+45度和-45度的倾斜角。
两个支撑体位于距接地面边沿120mm处并与阵列垂直轴垂直。支撑体75mm高，并且，其顶部放置有薄的矩形寄生元件。寄生元件5mm宽，150mm长。寄生元件放在支撑体的上面并沿支撑体的全长伸展。
现参考图5和6，交叉的阵列210，双偶极辐射元件202,203和204固定在接地面201，工作在820-960MHz的蜂窝频带，正如上面所讨论的，接地面201和辐射元件202,203和204的构成和大小决定辐射特性、束宽及天线阻抗。
辐射元件202,203和204发送和接收电磁信号传输，分别由配对的偶极子211a和211b,212a和212b，及213a和213b构成。包括辐射元件202,203和204的偶极子是交叉的并且以45度倾斜角(相对阵列215的轴)构成。也就是，配置偶极子的轴使其与要求的极化检测平行。正如所示，倾斜角+α和-α分别为+45度和-45度。尽管示出的是+45度和-45度的倾斜角，但本领域技术人员可以理解这些角度是能改变的以优化天线性能。前侧壁207和后侧壁208对天线的辐射特性产生影响。
每个辐射元件202,203和204接收具有+45度和-45度极化的信号。从平行的偶极子211a,212a和213a或211b,212b和213b接收的信号通过用于每个极化的馈电网络结合起来。馈电网络由同轴、微带、条状线或其它类型的传输线构成。然后与天线连接的分集接收机选择这两个结合的信号中的最强的信号进行进一步的处理。如果发送的信号与接收的信号是不同的频率，则每个元件202,203和204还能用作发送机。
寄生元件205由配对的杆支撑体206a和206b支撑伸出。寄生元件最好作为去耦杆。寄生元件与阵列的垂直轴215垂直。杆支撑体由非导电材料做成。尽管示出了一个寄生元件，但可以理解为寄生元件的确切数目是能改变并且依赖于天线的具体构形及其它要求的特性。
现参考图7和8，交叉的阵列310，双偶极辐射元件302,303和304和接地面301连接，工作在820-960MHz的蜂窝频带。正如上述，接地面301和辐射元件302,303和304的构成和大小决定天线的辐射特性、束宽及阻抗。
辐射元件302,303和304发送和接收电磁信号传输，并且分别由配对的偶极子311a和311b,312a和312b，及313a和313b构成。包括辐射元件302,303和304的偶极子是交叉的且以45度倾斜角(相对阵列315轴)构成。也就是，配置偶极子的轴使其与要求的极化检测平行。正如所示，倾斜角+α和-α分别为+45度和-45度。尽管示出的是+45度和-45度的倾斜角，本领域技术人员可以理解这些角度是能改变的以优化天线性能。前侧壁307和后侧壁308对天线的辐射特性产生影响。
每个辐射元件302,303和304接收具有+45度和-45度极化的信号。从平行的偶极子311a,312a和313a或311b,312b和313b接收的信号利用用于每个极化的馈电网络结合起来。馈电网络由同轴、微带，条状线或其它类型的传输线构成。然后与天线连接的分集接收机选择这两个结合的信号中的最强的信号进行进一步的处理。如果发送的信号与接收的信号是不同的频率，则每个元件302,303和304还能用作发送机。
第一寄生元件305a通过杆支撑体306a和306b支撑伸出。寄生元件305a与阵列的垂直轴315平行。另外，第二寄生元件305b通过杆支撑体306c和306d支撑伸出。寄生元件305b也与阵列的垂直轴315平行并用作去耦合杆。杆支撑体由非导电材料做成。尽管本实施例仅示出两个寄生元件，但应理解为根据阵列的具体构形及工作特征这个数目是能改变的。
因此，所提供的天线阵列由双极化辐射元件构成并产生两个正交的极化信号。而且，本发明提供的天线阵列由交叉的偶极子元件构成，并提高了交叉偶极子元件电磁场之间的隔离度。还提供了一种天线，其使得在无线远程通信系统中要求的天线数目达到最少，因而提供了具有最小尺寸和规模的优美结构。
尽管本发明参考一个或多个优选实施例已做说明，但本领域技术人员可认识到，在不超过下述权利要求所提的本发明精神和范围的情况下，仍能由此做许多变化。
权利要求
1.一种接收电磁信号的天线，包括具有长度且沿所述长度有垂直轴的接地面；多个偶极辐射元件，所述辐射元件包括第一和第二处同一位置的、正交的偶极子，所述偶极子相对所述垂直轴以第一和第二预定角度定位，所述辐射元件和接地面响应所述电磁信号产生第一电磁场；多个支撑体，所述支撑体连接到所述接地面，与所述垂直轴垂直，并且被放置在选择的所述多个偶极辐射元件之间；放置在所选择的所述多个支撑体上的多个金属寄生元件，所述第一电磁场在所述金属寄生元件中激发电流，所述电流产生第二电磁场，所述第二电磁场抵消部分所述第一电磁场。
2.根据权利要求1的天线，其中所述第一预定角度相对所述垂直轴大致等于+45度，所述第二预定角度相对所述垂直轴大致等于-45度。
3.根据权利要求1的天线，其中所述寄生元件由铝做成。
4.根据权利要求1的天线，其中所述支撑体包括上表面，所述寄生元件沿所述支撑体的所述上表面放置。
5.根据权利要求1的天线，其中所述多个支撑体位于所述辐射元件的中间。
6.根据权利要求1的天线，其中所述多个辐射元件正好含有四个辐射元件。
7.一种接收电磁信号的天线，包括具有长度的接地面，所述接地面沿所述长度具有垂直轴；多个辐射元件，所述辐射元件包括第一和第二处在同一位置的正交的偶极子，所述第一偶极子相对所述垂直轴以大致为+45度角定位，所述第二偶极子相对所述垂直轴以大致为-45度角定位，所述辐射元件和接地面产生第一电磁场；被连接到所述接地面的多个支撑体，所述支撑体与所述垂直轴垂直并放置在所选择的所述多个偶极辐射元件之间；放置在所选择的所述多个支撑体上的多个金属寄生元件，所述第一电磁场在所述金属寄生元件中激发电流，所述电流产生第二电磁场，所述第二电磁场抵消部分所述第一电磁场；和耦合到所述多个辐射元件的分集接收装置，用于在所述多个电信号之间进行选择。
8.根据权利要求7的天线，其电所述寄生元件由铝做成。
9.根据权利要求7的天线，其中所述寄生元件沿所述支撑体的上表面放置。
10.根据权利要求7的天线，其中所述多个支撑体位于所述天线的中间。
11.根据权利要求7的天线，其中所述多个辐射元件正好包含有四个辐射元件。
12.一种给辐射元件阵列提供高隔离度的方法，包括步骤提供具有垂直轴的接地面；提供多个偶极辐射元件，所述辐射元件包括第一和第二处在同一位置的正交的偶极子，所述偶极子相对所述垂直轴以预定角度定位，所述辐射元件具有顶表面；在所述辐射元件中产生第一电磁场；提供多个支撑体，并把所述支撑体与所述垂直轴垂直放置，而且放在所选择的所述多个偶极辐射元件之间；提供多个放置在所选择的所述多个支撑体上的多个金属寄生元件；在所述金属寄生元件中激发电流；产生从所述寄生元件辐射出来的第二电磁场；以及用所述第二电磁场抵消部分所述第一电磁场。
13.一种接收电磁信号的天线，包括具有长度且沿所述长度有垂直轴的接地面；多个偶极辐射元件，所述辐射元件包括第一和第二处在同一位置的正交的偶极子，所述偶极子相对所述垂直轴以第一和第二预定角度定位，所述天线辐射元件响应所述电磁信号产生第一电磁场；多个支撑体，所述支撑体连接到所述接地面并与所述垂直轴平行，并且邻近选择的所述多个偶极辐射元件放置；多个置放在所选择的所述多个支撑体上的金属寄生元件，所述第一电磁场在所述金属寄生元件中激发电流，所述电流产生第二电磁场，所述第二电磁场抵消部分所述第一电磁场。
14.根据权利要求13的天线，其中所述第一预定角度相对所述垂直轴大致等于+45度，所述第二预定角度相对所述垂直轴大致等于-45度。
15.一种给辐射元件阵列提供高隔离度的方法，包括步骤提供具有垂直轴的接地面；提供多个偶极辐射元件，所述辐射元件包括第一和第二处在同一位置的正交的偶极子，所述偶极子相对所述垂直轴以预定角度定位，所述辐射元件具有顶表面；在所述辐射元件中产生第一电磁场；提供多个支撑体，将所述支撑体与所述垂直轴平行放置并邻接选择的所述多个偶极辐射元件；提供放置在所选择的所述多个支撑体上的多个金属寄生元件；在所述金属寄生元件中激发电流；产生从所述寄生元件辐射出的第二电磁场；以及用所述第二电磁场抵消部分所述第一电磁场。
全文摘要
一种接收电磁信号的天线,包括:具有长度且沿长度有垂直轴的接地面。多个偶极辐射元件,辐射元件包括第一和第二处在同一位置的正交的偶极子,偶极子相对垂直轴以第一和第二预定角度定位,辐射元件和接地面响应所述电磁信号产生第一电磁场。多个支撑体,支撑体连接到接地面且与垂直轴垂直,并被置放在选择的多个偶极辐射元件之间。多个金属寄生元件被放置在所选择的所述多个支撑体上,第一电磁场在所属金属寄生元件中激发电流,电流产生第二电磁场,第二电磁场抵消部分第一电磁场。
文档编号H01Q9/26GK1223480SQ9811491
公开日1999年7月21日 申请日期1998年5月14日 优先权日1997年5月14日
发明者R·J·布兰岛, R·W·迪恩利, 徐刚 申请人:安德鲁公司