專利名稱：用于寬帶天線的雙極化輻射元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及任何包括可以具體在蜂窩無線電通信網(wǎng)絡(luò)的基站中使用的輻射元件的寬帶天線。它還涉及用于制造這些元件的方法。
背景技術(shù)：
雙極化輻射元件可以由兩個輻射偶極子形成，各偶極子由兩個共線導(dǎo)體束構(gòu)成。 各束的長度約等于工作波長的四分之一。偶極子裝配于如下結(jié)構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)允許它們被饋給和定位于反射體(接地平面)上方。這使得有可能通過反射偶極子的反向輻射來完善由此形成的組件的輻射圖的方向性。偶極子根據(jù)它們在空間內(nèi)的定向可以沿著例如水平極化通道和豎直極化通道這兩個極化通道或者與豎直方向相比+/-45°定向的兩個極化通道輻射或接收電磁波。為了構(gòu)造在極化正交的兩個不同頻率頻帶內(nèi)操作的雙頻帶天線，普遍運(yùn)用兩種配置。稱為共線(或者共心)的第一方法包括如下輻射元件隊(duì)列，其中在由單個頻率頻帶上操作的兩個交叉偶極子形成的輻射元件周圍共心設(shè)置由在單個頻率頻帶上操作的、設(shè)置成矩形圖案(quadrature pattern)的四個偶極子形成的輻射元件。該隊(duì)列放置于單個底盤內(nèi)的反射體上方。稱為“并排”的第二方法包括由在第一頻率頻帶上操作的兩個交叉正交偶極子形成的輻射元件的第一隊(duì)列以及由在第二頻率頻帶上操作的兩個交叉正交(orthogonal)偶極子形成的輻射元件的第二隊(duì)列。這兩行是平行的并且放置成隔開至少與更高頻率頻帶的半波長相等的距離。為了提高這樣的雙頻帶或者多頻帶天線的性能，有必要增加各系列輻射元件的頻率帶寬而同時減少在輻射元件行之間的耦合。在頻帶之間的去耦合依賴于輻射元件的分開距離和輻射元件以彼此為參照的相對定向。為了提高在放置于同一底盤內(nèi)的兩行元件之間的去耦合，作為例子已經(jīng)提出-使用雙頻帶共心元件，-在所謂的“并排”布置中增加元件之間的距離從而分離輻射元件的兩個豎直隊(duì)列。也已經(jīng)提出具有如下輻射多頻帶天線元件，這些元件包括高介電常數(shù)的電介質(zhì)底座以便減小輻射元件的尺寸，其中展現(xiàn)分形圖案的導(dǎo)電材料層已經(jīng)沉積于該底座上。另外為了增加寬帶天線的頻率帶寬，已經(jīng)提出比如疊加輻射元件或者添加仔細(xì)定位的寄生元件這樣的解決方案。也可以改進(jìn)用于饋給元件的系統(tǒng)或者修改輻射元件本身的幾何形狀(螺旋、周期對數(shù)、蝴蝶結(jié)等)。例如文獻(xiàn)US-6. 028，563描述一種在擱放于反射體上的基部上放置的由稱為“交叉蝴蝶結(jié)”的兩個交叉偶極子形成的雙極化輻射元件。各偶極子包括大體上三角形形狀的為負(fù)極化或者正極化的輻射臂?？梢耘帕休椛湓孕纬商炀€。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種尺寸減少的非共心輻射元件從而通過輻射元件的更佳去耦合來提高其性能。本發(fā)明的又一目的在于提出一種在寬頻率頻帶內(nèi)操作的非共心輻射元件從而通過擴(kuò)展頻率頻帶來提高其性能。本發(fā)明的又一目的在于提出一種包括這樣的元件的寬帶天線。本發(fā)明的目的在于一種寬帶天線的輻射元件，該輻射元件包括基部，該基部支撐設(shè)置于第一平面中的第一部件和第二部件，這些部件是生成線性雙極化的兩個半波長對稱饋給偶極子，并且各部件包括兩個臂，該輻射元件的特征在于輻射元件還包括從在置于第一平面上方的第二平面內(nèi)設(shè)置的偶極子或者貼片之中選擇的至少一個第三部件并且各部件由體積分形圖案組成。本發(fā)明的主要思想在于在設(shè)計(jì)輻射元件偶極子的幾何形狀時使用分形圖案的自相似性質(zhì)以便減少天線的尺寸，因?yàn)榉中螆D案的復(fù)雜性不因尺度的改變而變更。分形理論的一般概念可以應(yīng)用于天線的輻射元件、具體應(yīng)用于任何形狀(三角形、方形等)的偶極子 (通過在設(shè)計(jì)它們的結(jié)構(gòu)時使用自相似原理)。迭代算法可以生成數(shù)字圖像形式的分形對象，其可以用物理對象的形式來構(gòu)造。在當(dāng)前情形中，在半偶極子的至少一個表面上通過加工、銑削等應(yīng)用自相似原理來再現(xiàn)預(yù)定迭代圖案(“循環(huán)生成器”)。一種提高偶極子帶寬的方式在于在三個維度中使用分形結(jié)構(gòu)。另一提高輻射元件帶寬的方式在于豎直堆疊尺寸相似或者不同的偶極子并且可能為貼片。在輻射元件內(nèi)組合這兩種方式因此產(chǎn)生在寬頻率頻帶上操作的小外形因子的輻射元件。偶極子的臂優(yōu)選由鋁、黃銅、“zamac” (鋅合金)或者金屬化聚合物制成。優(yōu)選銑削偶極子的臂。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，設(shè)置于疊加的第一平面和第二平面內(nèi)的第一部件、第二部件和第三部件互連。在第二實(shí)施例中，設(shè)置于第一平面中的第一部件和第二部件不與在疊加于第一平面上的第二平面內(nèi)設(shè)置的第三部件互連。在一種變化中，輻射元件還包括從在疊加于第一平面和第二平面上的第三平面內(nèi)設(shè)置的偶極子或者貼片之中選擇的至少一個附加部件。在一個實(shí)施例中，附加部件不與第一平面和第二平面的偶極子互連。在另一變化中，設(shè)置于疊加平面中的偶極子具有隨著它們與反射體越遠(yuǎn)而減少的表面積。用于設(shè)計(jì)分形輻射元件的兩種主要基本技術(shù)如下(a)幾何自相似原理實(shí)現(xiàn)在多個頻率頻帶內(nèi)的相同操作，因?yàn)榕紭O子的各種部分在不同尺度彼此相似；(b)增加偶極子的復(fù)雜性(這意味著使用迭代圖案以翻新偶極子的輪廓)可以用來減小輻射元件的尺寸。翻新的輪廓與自相似的結(jié)合產(chǎn)生具有甚寬帶性能的天線。應(yīng)理解到，可以獨(dú)自使用兩種技術(shù)中的任一技術(shù)或者可以同時使用二者。用于設(shè)計(jì)分形輻射元件的技術(shù)適用于疊加的偶極子，無論這些偶極子是否互連。本發(fā)明的又一目的在于一種寬帶天線，該寬帶天線包括在反射體上排列的輻射元件，各輻射元件包括基部，該基部支撐設(shè)置于第一平面內(nèi)的第一部件和第二部件，該第一部件和第二部件是生成線性雙極化的兩個對稱饋給半波長偶極子并且均包括兩個臂，其中各輻射元件還包括從在置于第一平面上方的第二平面內(nèi)設(shè)置的偶極子或者貼片之中選擇的至少一個第三部件并且其中各部件由體積分形圖案組成。在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，設(shè)置于第一平面內(nèi)的偶極子定位成與適于作為接地平面(mass plane)的反射體平面相距四分之一波長。本發(fā)明的又一目的在于一種用于制造輻射元件的方法，該輻射元件包括基部，該基部支撐設(shè)置在第一平面內(nèi)的第一部件和第二部件，第一部件和第二部件是生成線性雙極化的兩個對稱饋給半波長偶極子，兩個偶極子均包括兩個臂，該方法包括銑削或者加工各部件以實(shí)現(xiàn)體積分形圖案的步驟。本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)減少輻射元件的制造成本而又提高它們的RF性能并且減小它們的尺寸。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在閱讀非限制性的并且完全出于示例目的而給出的下文實(shí)施例描述之時并且在以下附圖中變得清楚，其中-圖1示出了支撐基于“康托爾縫隙蝴蝶結(jié)(CantorSlot BowTie)，，圖案構(gòu)造的偶極子的交叉極化和雙極化輻射元件的第一平面的示意俯視圖，-圖2示出了支撐基于科赫(Koch)圖案構(gòu)造的偶極子的交叉極化和雙極化輻射元件的第一平面的示意俯視圖，-圖3示出了支撐基于閔可夫斯基(Minkowski)圖案構(gòu)造的偶極子的交叉極化和雙極化輻射元件的第一平面的示意俯視圖，-圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的交叉極化和雙極化輻射元件的透視圖，該輻射元件支撐兩個疊加平面，這些平面包括基于謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯圖案構(gòu)造的互連偶極子，-圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的交叉極化和雙極化輻射元件的透視圖，該輻射元件支撐三個疊加平面，這些平面包括基于謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯圖案構(gòu)造的互連偶極子，-圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的交叉極化和雙極化輻射元件的透視圖，該輻射元件支撐三個疊加平面，這些平面包括基于謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯圖案構(gòu)造的偶極子，其中一個偶極子為導(dǎo)向器，-圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的交叉極化和雙極化輻射元件的透視圖，該輻射元件支撐三個疊加平面，這些平面包括基于謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯圖案構(gòu)造的尺寸減小的互連偶極子，-圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的交叉極化和雙極化輻射元件的透視圖，該輻射元件支撐三個疊加平面，這些平面包括基于謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯圖案構(gòu)造的非互連偶極子。
具體實(shí)施例方式圖1描繪了“蝴蝶結(jié)”類型的輻射元件20的第一平面的示意例子。輻射元件20包括兩個偶極子21和22，這些偶極子的相應(yīng)臂21a、21b和22a、22b形狀為三角形。自相似原理已經(jīng)應(yīng)用于它并且造成“康托爾縫隙蝴蝶結(jié)”輻射元件的交叉極化和雙極化。兩個偶極子21和22各自配備有饋線23和M。一種所用技術(shù)的特征在于運(yùn)用迭代圖案(“循環(huán)生成器”)以減小偶極子的尺寸而又提高該偶極子具體在帶寬方面的RF性能。使用的兩種公知迭代圖案為科赫分形和閔可夫斯基分形。在圖2和圖3中分別描繪兩種所得偶極子。圖2中所示輻射元件30的第一平面包括兩個偶極子31和32。兩個偶極子31和 32各自配備有饋線33和34。各偶極子31、32分別包括通過迭代科赫分形來獲得形狀的第一臂 31a,32a 和第二臂 31b、32b。圖3中所示輻射元件40的第一平面包括兩個偶極子41和42。兩個偶極子41和 42各自配備有饋線43和44。各偶極子41、42分別包括通過迭代閔可夫斯基分形來獲得形狀的第一臂41a、4h和第二臂41b、42b。一種提高偶極子帶寬的方式在于在三個維度中使用分形結(jié)構(gòu)。另一提高輻射元件帶寬的方式在于豎直堆疊尺寸相似或者不同尺寸的偶極子。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，如圖4和圖5中那樣可以電互連這些偶極子。根據(jù)圖4中所示實(shí)施例，輻射元件50包括放置于由基部53支撐的兩個疊加平面 51和52內(nèi)的偶極子。第一平面51包括各自正交半波長接合以便獲得交叉極化和雙極化布置的兩個偶極子討、55。各偶極子M、55分別沿著彼此的長度包括第一臂Ma、5fe和第二臂Mb、55b。各偶極子M、55分別具有平衡成生成線性極化的饋線。在這里所示情況下， 自相似原理已經(jīng)應(yīng)用于方形輻射，這產(chǎn)生具有體積(三維)謝爾賓斯基地毯圖案的交叉極化和雙極化偶極子。第一平面51與第二平面52重疊，該第二平面包括各自正交半波長接合以便獲得交叉極化和雙極化布置的兩個偶極子56和57。偶極子56、57的各臂56a、56b、 57a、57b也展現(xiàn)3D謝爾賓斯基地毯圖案。圖5描繪了如下輻射元件，該輻射元件包括在共用基部63支撐的三個疊加平面 60,61和62中設(shè)置的互連偶極子。平面60包括各自半波長正交接合以獲得交叉極化和雙極化布置的兩個偶極子64、65。與它重疊的平面61和62分別以類似方式包括兩個偶極子 66、67和68、69。偶極子64和65的各臂64a、64b、65a、65b展現(xiàn)3D謝爾賓斯基地毯圖案。 類似地，偶極子66和67的各臂66a、66b、67a、67b展現(xiàn)體積謝爾賓斯基地毯圖案。類似地， 偶極子68、69的各臂68a、68b、69a、69b展現(xiàn)體積謝爾賓斯基地毯圖案。在另一實(shí)施例中，如圖6中那樣也可以不互連設(shè)置于不同疊加平面中的偶極子。 在這一情況下，未互連的偶極子稱為“導(dǎo)向器”。圖6描繪了在均由同一基部72支撐的兩個疊加平面70和71中設(shè)置的互連偶極子，各平面包括各自半波長正交接合以獲得交叉極化和雙極化布置的兩個偶極子73、74和 75、76。未與布置于平面70和71中的偶極子互連的兩個其它偶極子78和79稱為“導(dǎo)向器”。兩個偶極子78和79的臂設(shè)置于在平面70和71上面疊加的平面77中。各偶極子 73-76和78、79包括展現(xiàn)體積謝爾賓斯基地毯圖案的兩個臂。
圖7描繪了由共用基部83支撐的表面積減少的三個疊加平面80、81和82，這些平面的偶極子互連。各平面的偶極子的共振頻率略微移位，這增加了頻率帶寬。平面80包括各自半波長正交接合以獲得交叉極化和雙極化布置的兩個偶極子84、85。與它重疊的平面 81和82分別以類似方式包括兩個偶極子86、87和88、89。偶極子84-89的各臂展現(xiàn)體積謝爾賓斯基地毯圖案。圖8描繪了包括輻射元件90的一個替代實(shí)施例，該輻射元件包括由基部92支撐并且包括兩個偶極子93和94(各自分別具有兩個臂93a、9;3b和94a、94b)的平面91，各臂展現(xiàn)體積謝爾賓斯基地毯圖案。平面91與設(shè)置于第二平面95內(nèi)的貼片重疊，該第二平面本身與設(shè)置于第三平面96內(nèi)的貼片重疊。設(shè)置于平面95和96中的貼片未與設(shè)置于平面91 中的偶極子互連并且稱為“導(dǎo)向器”。各平面95、96包括方形貼片或者導(dǎo)向器，該貼片或者導(dǎo)向器的約等于半波長的尺寸與設(shè)置于平面91內(nèi)的偶極子的尺寸相比有移位以便增加輻射元件的帶寬。放置于平面95、96內(nèi)的貼片或者導(dǎo)向器展現(xiàn)3D謝爾賓斯基地毯圖案。作為較其它實(shí)施例的一個優(yōu)點(diǎn)，這一最后的配置更易于設(shè)計(jì)。根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的一種天線包括支撐與圖4中的輻射元件類似的輻射元件的反射體。各輻射元件包括基部、放置于第一平面中的兩個正交偶極子和放置于第二平面中的兩個正交偶極子。四個偶極子的相應(yīng)臂再現(xiàn)3D謝爾賓斯基地毯圖案。也可以向反射體添加已知類型的輻射元件，在該情況下本發(fā)明的天線作為多頻帶天線來工作，其中一個頻帶為甚寬帶。自然而然，該天線可以包括所有前述實(shí)施例及其變化的輻射元件，并且本發(fā)明的輻射元件可以實(shí)施于無論其形狀如何的任一類天線中。
權(quán)利要求
1.一種寬帶天線的輻射元件，包括基部，所述基部支撐在第一平面中設(shè)置的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件是生成線性雙極化的兩個半波長對稱饋給偶極子，各個偶極子包括兩個臂，其特征在于，所述輻射元件還包括從在置于所述第一平面上方的第二平面內(nèi)設(shè)置的偶極子或者貼片之中選擇的至少一個第三部件，并且各個所述部件由體積分形圖案組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射元件，其中所述偶極子的臂優(yōu)選由鋁、黃銅、鋅合金或者金屬化聚合物制成。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的輻射元件，其中設(shè)置于疊加的第一平面和第二平面內(nèi)的所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件互連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2之一所述的輻射元件，其中設(shè)置于所述第一平面內(nèi)的所述第一部件和所述第二部件不與在疊加于所述第一平面上的所述第二平面內(nèi)設(shè)置的所述第三部件互連。
5.根據(jù)權(quán)利要求3和4之一所述的輻射元件，還包括從在疊加于所述第一平面和所述第二平面上的第三平面內(nèi)設(shè)置的偶極子或者貼片之中選擇的至少一個附加部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的輻射元件，其中所述附加部件不與設(shè)置于所述第一平面中的所述偶極子互連。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6之一所述的輻射元件，其中設(shè)置于疊加平面中的所述偶極子具有隨著它們與反射體越遠(yuǎn)而減少的表面積。
8.一種寬帶天線，包括在反射體上排列的輻射元件，各個輻射元件包括基部，所述基部支撐設(shè)置于第一平面內(nèi)的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件是生成線性雙極化的兩個對稱饋給半波長偶極子，各個偶極子包括兩個臂，其特征在于，各個輻射元件還包括從在置于所述第一平面上方的第二平面內(nèi)設(shè)置的偶極子或者貼片之中選擇的至少一個第三部件，并且各個所述部件由體積分形圖案組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的寬帶天線，其中設(shè)置于所述第一平面內(nèi)的所述偶極子定位成與適于作為接地平面的反射體平面相距四分之一波長。
10.一種用于制造輻射元件的方法，所述輻射元件包括基部，所述基部支撐設(shè)置在第一平面內(nèi)的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件是生成線性雙極化的兩個對稱饋給半波長偶極子，兩個偶極子均包括兩個臂，其特征在于，所述方法包括銑削或者加工各個所述部件以實(shí)現(xiàn)體積分形圖案的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬帶天線輻射元件，該輻射元件包括支柱，該支柱支撐放置于第一平面中的第一部件和第二部件，這兩個部件為半波兩端子網(wǎng)絡(luò)部件，這些部件具有生成線性雙極化的對稱電源，并且各部件包括兩個臂。根據(jù)本發(fā)明，輻射元件也包括從在置于第一平面上方的第二平面內(nèi)放置的兩端子網(wǎng)絡(luò)或者貼片中選擇的至少一個第三部件，并且各部件包括基于分形體積的單元。
文檔編號H01Q21/24GK102246352SQ200980149564
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者J·普勒特, J-P·阿雷爾, N·科讓 申請人:阿爾卡特朗訊