專利名稱：用于分集天線的緊湊輻射結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信系統領域，并且更具體地涉及用于移動無線通信的基站天線和相關方法。
背景技術：
天線分集技術利用兩個或更多個天線來提高在無線鏈路上接收和發送的信號的質量和可靠性。主要的無線環境是在最終接收到之前沿多徑來反射信號的城市環境。這些反彈中的每個可以在接收天線的孔徑處引入可以破壞性地相互干擾的相移、時間延遲、衰減和甚至失真。天線分集對減輕這些多徑狀況特別有效。此外，通過使用在其中發送或接收信號的不同頻帶或空間區域，天線分集允許增加系統的容量，例如通過將不同空間區域分配用于不同信道，允許重復使用相同頻帶。因此，正在探索天線分集(頻率、極化、輻射方向圖和空間)用于當前和未來的多天線智能無線通信系統(例如LTE (長期演進)和MMO (多輸入多輸出))。諸如第三代合作伙伴計劃(3GPP)長期演進(LTE)、超移動寬帶(UMB)、高速下行鏈路分組接入(HSDPA)和IEEE802.16e (WiMAX)之類的蜂窩標準支持多輸入多輸出(MMO)無線通信技術。MMO在發射機和接收機處使用多天線以及高級數字信號處理，來提高鏈路質量和容量。現有基站使用天線陣列，來提供發射和接收分集。最近，微帶天線的研究已經聚焦于頻率重用和雙正交極化的極化分集，以使通信系統的容量翻倍，并減少在陸上移動通信中所接收信號的多徑衰落。此外，通常通過多層構架實現的雙頻微帶天線陣列已經獲得了相當多的關注。然而，在雙極化雙頻帶微帶天線陣列的設計和構架中已經存在一些固有的挑戰。傳統上，通過在雙正交邊緣向貼片饋電來實現雙極化微帶天線。此饋電方案需要分別用于兩個單獨的極化組件的兩個饋電網絡。但是，如果要在有限可允許的空間中使用雙極化陣列，分配足夠空間來容納兩組饋電網絡是困難的。可能出現強模式耦合和高交叉極化。如果需要將有源和無源電路集成到饋電網絡中，此問題加重。此外，如果通過多層構架來實現針對以上雙饋線雙極化陣列的雙頻操作，則陣列的大小和復雜度將進一步增加。特別是由于天線必須能夠覆蓋盡可能多的頻帶，同時其尺寸上很小并仍具有高性能，因此用于移動通信的天線的設計者面臨巨大的挑戰。
參考附圖將更好地理解本公開，在附圖中:圖1示出了根據本主題的實施例的雙頻天線單元的基本配置的俯視圖；圖2a d分別示出了圖1的天線單元的葉形、折線形、正方形和三角形配置；圖3a b分別示出了使用根據本主題的實施例的雙頻天線單元的多端口分集天線配置的俯視圖和側視圖4a b分別示出了使用根據本主題的另一實施例的雙頻天線單元的單端口分集天線配置的俯視圖和側視圖；圖5a b示出了圖3和圖4的分集天線的其他配置的俯視圖；圖6a b分別示出了使用根據本主題的其他實施例的雙頻天線單元的單端口偶極分集天線配置的俯視圖和側視圖；圖7a b分別示出了使用根據本主題的另一實施例的雙端口偶極分集天線的俯視圖和側視圖；圖8a b分別示出了使用根據本主題的另一實施例的雙頻天線單元的第四分集天線配置的俯視圖和側視圖；圖9a b示出了針對圖4的天線的反射參數的圖；圖10示出了在雙頻帶之一處的針對圖4的天線的遠場極化方向圖；圖1la b示出了當分別激活第一端口和第二端口時圖7的天線的遠場極化方向圖；以及圖12示出了根據本主題的實施例可操作的無線通信系統的功能框圖。
具體實施例方式在以下說明書中，類似標記指代附圖中示出的類似結構。注意，除非另行說明，否則本文所使用的術語“輻射”是無方向的，并暗示了發送和接收的能力。根據本主題的方案，提供了包括多個連接的天線單元在內的用于分集操作的天線。每個天線單元具有:第一輻射元件，具有在第一工作頻率上四分之一波長的長度；以及第二輻射元件，具有在與該第一工作頻率不同的第二工作頻率上的四分之一波長的長度，第二輻射與第一導體共享第一導體的分段。饋電點用于將饋線耦合到所述第一輻射元件或所述第二輻射元件之一，使得元件分別在第一工作頻率和第二工作頻率上諧振并以實質正交的極性來諧振。根據進一步的方案，第一輻射元件是具有第一端和第二端的直線，并且第二輻射元件被布置為具有部分圍繞第一輻射元件的開放端。在進一步的方案中，天線包括被布置在第一輻射元件的第一端的鄰近的寄生元件。在進一步的方案中，輻射元件是導體，并且在另一方案中，輻射元件是隙縫。在又進一步的方案中，四端口天線分集單極天線被配置具有多個天線單元，該多個天線單元在襯底上形成的，所述多個天線單元被布置為將它們的第一導體在各個第二端的公共連接點處連接在一起，這樣連接的天線單元相對于至少一個對稱軸對稱，并且襯底與公共接地面隔開。在又進一步的方案中，單端口極化分集偶極天線被配置具有兩對天線單元，該兩對天線單元在襯底上形成，并且該兩對天線單元被布置為相對于至少一個對稱軸對稱，且每一對將它們各個第二端相連，以形成饋電點。在又進一步的方案中，雙端口極化分集偶極天線被配置具有兩對天線單元，該兩對天線單元在襯底上形成，并且該兩對天線單元被布置為使得成對的天線沿著各個交叉軸，且(沿著相同軸的)各個對將它們的第二端與饋線相連。參考圖1，示意性地示出了根據本主題的實施例的雙頻天線單元100的基本配置。在此實施例中，天線單元100具有一對有線線路(wireline)導體102和104，該一對有線線路導體102和104包括:在合適的平坦襯底(未示出)(例如FR4)的表面上形成的兩個輻射元件。將有線線路導體蝕刻、涂制或以其他方式形成在襯底上。以不同物理長度LI和L2來形成有線線路導體對102和104，物理長度LI和L2各自對應于在基礎模式或支配模式(dominant mode)下期望工作頻率的大約四分之一(1/4)波長。雙工作頻率通常是在激勵天線(該天線處于其基礎模式)時的相應諧振頻率。注意，在耦合的情況下，長度可以比1/4波長稍長或稍短，并且導體的電長度隨著不同工作模式而變化，同樣，針對較高的工作模式，電長度不同。第一導體102具有分別標記為O和B的第一和第二端。第二導體104具有分別標記O和D的第三和第四端。取決于具體配置(稍后描述)，第二導體104在標記A的位置從第一導體102延伸，使得第一導體和第二導體102、104共享它們長度(即O-A或B-A)的一部分。第二導體104被布置在襯底上,其第四端D向離開第一導體102的方向延伸。A的位置通常接近端B，并且通常在設計時使用本領域已知的合適仿真器來確定。取決于下文將描述的具體應用，可以在導體的端0、B和D之一，或在沿著導體102、104的長度的位置上產生饋電連接。取決于下文將描述的具體應用，在輻射導體102、104的端O、B、D或A之一處可以連接針對接地導體的短路管腳(未示出)。同樣取決于應用，貼片元件01可以被布置在襯底106的靠近導體的各端之一(優選地在第一端O)的區域中的表面上。貼片01表現為寄生元件，并且取決于天線的期望響應，具有不同幾何形狀之一(例如，直線、矩形或圓形)。通常在設計時基于期望的具體響應，對貼片元件01的配置和放置加以建模和確定。如稍后將描述的，取決于應用和饋電布置，天線單元100可以與或可以不與接地
導體一起使用。可以通過改變導體102、104的物理長度來容易地改變天線單元的諧振頻率。在示例實現中，第一導體102是直線，且第二導體104被布置為具有其開放端(open end)D,開放端D部分圍繞第一導體102的,如圖2a d所示。這提供了更緊湊的天線布置，并允許兩個或更多個天線單元100被布置到陣列中，或被布置到置于大體上平坦的襯底上的分集天線配置中，其具有允許將其放置在有限容量的外殼中的尺寸。在本說明書中，為了方便，參考輻射元件跡線，然而，如果將輻射元件跡線替換為具有與跡線相同形狀的蝕刻到金屬板中的隙縫，本說明書也可以同樣很好地應用。換句話說，也可以將本文描述的電偶極子或單極子實現為磁偶極子或單極子。現在參考圖2a，示出了天線單元的實施例200，其中第一導體是直線202，且第二導體204是曲線，具有葉子的外觀。圖2b示出了天線單元的另一實施例210，其中第一導體212和第二導體214是折線，這允許增加導體的電長度。圖2c示出了天線單元的其他實施例220，其中第一導體222是直線，并且第二導體224形成為在第一導體222的一部分的周圍的矩形或正方形，以及圖2d示出了天線單元的又一實施例230，其中第二導體234是三角形，該三角形的頂點在穿過第一導體232延伸的軸上。天線單元100、200、210、220和230可以用于構建各種分集天線。具體地，可以以
有點類似星形的配置來布置天線單元，使饋電點、接地面和短路管腳的各種組合形成如下所述的各種分集天線。為了描述的方便，天線單元200將用于舉例說明以下各種分集配置。
現在參考圖3a和圖3b，示出了被配置為具有四個相互連接的天線單元200的雙頻分集天線300。如圖3a的俯視圖所示，四個天線單元200被布置為使得它們的直線導體OB在各個公共第二端B處連接在一起,使得這樣連接的天線單元相對于兩個相互正交的對稱軸302、304對稱。如側視3b所示，在襯底306上形成分集天線300，并且與公共接地面308隔開。將饋線P1、P2、P3和P4與天線單元的各個第一端O分別相連，且將短路管腳310在公共連接點P5處從公共第二端B連接到大地。此配置中的接地面定義了反射器，該反射器與布置在襯底306上的導電元件隔開，并由距離h的空氣間隙來隔開。在實施例中，同軸或類似連接器312位于襯底中，接地平面308的中心導體形成在該襯底上，且分別與饋線P1、P2、P3和P4相連。在此配置中，天線300是四饋線(四端口)雙頻分集天線。區域A中第二導體的D端和第一導體之間的空氣間隙提供了間隙的兩端之間的電容耦合。可以在仿真期間優化間隙的間隔，使得其針對不同操作頻帶可以具有合理值。類似地，也可以優化空氣間隙h。在作為圖3實施例的變體的另一實施例(未示出)中，公共連接點P5可以是開放(open)的，或者可以將具有集總元件的匹配網絡與其相連。參考圖4a和圖4b，分別示出了分集天線400的又一實施例的俯視圖和側視圖。分集天線400被配置為具有與圖3中示出的分集天線300類似的四個天線單元200 ;然而，取而代之地，圖3的短路管腳310被在公共連接點P5和接地面308處的單個饋線(單個端口)所替代。剩余連接P1、P2、P3和P4保持開放。因此，在此配置中，天線400是具有四個交叉臂部的單饋線雙極化單極天線。因此，分集天線400向兩個雙頻交叉單極子提供共享饋線。參考圖5a和5b，示出了包括兩個天線單元和三個天線單元在內的分集天線的配置，針對它們可以分別實現類似于圖3或4的配置。參考圖6a和6b，分別示出了雙頻帶交叉偶極天線600的頂視圖和側視圖，雙頻帶交叉偶極天線600被配置為具有兩對相互連接的天線單元200(602、604和607、608)，用于提供極化分集天線600。天線單元被布置在襯底606上，天線單元相對于兩個相互正交的對稱軸610、612對稱。如側視6b所示，未使用接地導體，饋線連接器614和與相鄰天線單元對602、604相連的其中心導體616相連，返回或接地連接618與另一相鄰天線單元對607、608相連。此配置中的分集天線600作為用于極化分集的、共享饋線的兩個雙頻帶交叉偶極子來工作。參考圖7a和圖7b，分別示出了根據本主題的另一實施例的雙端口雙極化偶極天線700的頂視圖和側視圖。可以看到，除了單個饋線被替換為雙饋線布置714和716之外，此天線700在配置上與偶極天線布置600類似，天線700被配置為具有:沿著兩個交叉軸710,711的兩對相互連接的天線單元702、704和707、708。饋線714和716與相對的天線單元對相連，以形成兩個偶極天線704、702和707、708。現在參考圖8，示出了超寬帶極化分集天線800的分集天線配置的側視圖。超寬帶極化分集天線800被配置為具有四個相互連接的天線單元200，標記為802、804、806和808。天線單元200被布置在平坦襯底(未示出)上，且將它們的直線導體OB在各個公共第二端B809連接在一起，以相對于兩個相互正交的對稱軸810、812對稱。所配置的分集天線導體安裝在接地導體813的平面上，并且與其正交。饋線連接器814通過接地面與其中心導體816相連，中心導體816與天線單元中位于和接地面導體最近的點的一個天線單元的第二導體204上的饋電點811相連。在此配置中的接地面813定義了與輻射元件間隔距離d的反射器，距離d是從導體204的最近點到接地面813測量的。可以看到，天線800在水平面和垂直面以及它們之間的所有平面上輻射能量。因此，分集天線800提供超寬帶極化分集天線。如上所述，每個天線單元可以通過改變貼片元件的長度、寬度或直徑，將寄生元件01用于分集天線的輻射方向圖的精確調諧。參考圖9a和％，示出了在與圖4的天線配置400相對應的單端口多頻帶和多極化單極子的工作頻率Π和f2中每個工作頻率上的s參數的圖。參考圖10，示出了在天線400的工作頻率之一 fl的三維遠場圖。可以看到，最大增益出現在與襯底306的平面平行的x-y平面中圍繞天線400的區域中。參考圖1la和11b，示出了針對不具有寄生元件的圖7的天線700的各個偶極子的三維遠場天線增益圖。看到，這些圖示出了各個偶極子具有沿著形成偶極子的天線對的軸(X和y)的極化方向圖。結果是分集天線700呈現出相互正交的兩個極性，S卩，在X-Z平面和y-z平面中。盡管已經參考圖2a中示出的天線單元200描述了以上實施例，應當理解可以使用如例如圖2b d所示的示例的其他天線單元布置。此外，在不脫離本主題的范圍的情況下，也可以實現除了四個天線單元之外的其他數目的天線單元。因此，可以看到，本天線單元提供了可以用于配置在無線通信系統中使用的各種單端口分集天線或多端口分集天線的緊湊輻射結構。此外，本主題的優點是不需要復雜的饋電網絡，可以直接向多端口布置饋線。現在參考圖12來描述可以使用一個或多個上述天線的無線通信系統1200的示例組件。系統可以由與一個或更多個移動設備1204通信的多個基站(BS) 1202組成。移動設備1204也可以具有與互聯網(未示出)上的其他計算機系統通信的能力。取決于所提供的準確功能，可以由無線通信網絡中的用戶使用的移動設備1204可以包括移動終端(例如移動電話、個人數字助理、手持計算機、便攜式計算機、膝上型計算機、平板計算機以及類似設備)和固定終端(例如家庭網關、電視、機頂盒等)。這些設備被稱為用戶設備或UE1204。基站1202中的傳輸設備在通常定義為小區的地理區域中傳輸信號。高級網絡接入設備可以包括例如不是基站的增強型node-B(eNB)或比傳統無線通信系統中的等同設備更高度演進的其他系統和設備。這種高級的或下一代設備通常被稱為長期演進(LTE)設備。盡管實施例不限于本方案，BS1202可以包括根據本主題的一個或多個實施例的多天線1206布置，多天線1206布置與可以用于經由例如OFDM MMO空中接口與UE通信的RF接口的發射機1208部耦合。BS1202和UE1204可以包括類似于現有通信設備的元件，例如編碼/調制或檢測/解調邏輯、快速傅立葉變換(FFT) /逆FFT邏輯和/或合適期望的其他組件。BS或UE可以包括MAC處理器，MAC處理器與RF接口通信以處理接收/發送信號，且BS或UE可以包括用于向下轉換接收信號的模數轉換器、用于向上轉換用于傳輸的信號的數模轉換器、以及可選地用于對相應接收/發射信號進行物理鏈路層處理的基帶處理器。MAC處理器可以執行媒體訪問控制和數據鏈路層處理。此外，MAC處理器將包括與附加電路(例如緩沖存儲調度緩沖區)結合的上行鏈路調度器。MAC處理器和調度緩沖區可以用于對向BS上行鏈路傳輸的MAC源數據單元(SDU)執行入列、出列或其它調度。BS的實現包括預編碼和波束成形邏輯，以最大化信號電平。波束成形暗示了使用多天線1206來形成發送或接收波束；以此方式，UE處的信噪比降低。可以使用此技術來提高特定數據速率的覆蓋，并增加系統頻譜效率。因此，波束成形可以應用于下行鏈路和上行鏈路。UE1204可以向基站報告信道狀態信息(CSI)，以供后續傳輸之用。在閉環波束成形MMO系統中，BS利用來自UE的信道信息反饋，使用預編碼權重(例如從信道矩陣中提取的預編碼矩陣)形成針對UE的波束。在BS1202處，取決于所使用的傳輸策略，可以使用各種極化陣列。此外，可以使用優化過程來確定天線參數(如，元件間間隔、交叉極化隔離和端口對端口隔離)的值。本文描述的實施例是具有與本申請的技術的元素對應的元素的結構、系統或方法的示例。本書面說明書可以使本領域技術人員能夠制作和使用具有與本申請的技術的元素同樣對應的備選元素的實施例。因此，本申請的技術的預期范圍包括不與本文描述的本申請的技術不同的其他結構、系統或方法，且還包括與本文描述的本申請的技術具有非實質差異的其他結構、系統或方法。
權利要求
1.一種用于分集操作的天線，包括: 多個相連的天線單元，每個所述天線單元具有: 第一輻射元件，具有在第一工作頻率上的四分之一波長的長度； 第二輻射元件，具有在與所述第一工作頻率不同的第二工作頻率上的四分之一波長的長度，第二輻射元件與所述第一輻射元件共享所述第一輻射元件的分段；以及 饋電點，用于將饋線耦合到所述第一輻射元件或所述第二輻射元件之一，使得元件分別在所述第一工作頻率和所述第二工作頻率上諧振并以實質上正交的極性來諧振。
2.根據權利要求1所述的天線，其中，所述第一輻射元件是具有第一端和第二端的直線，并且所述第二輻射元件被布置為具有部分圍繞所述第一輻射元件的開口。
3.根據權利要求2所述的天線，其中，所述第一輻射元件和所述第二輻射元件是折線。
4.根據權利要求2所述 的天線，其中，所述第二輻射元件是折線。
5.根據權利要求2所述的天線，其中，所述第二輻射元件形成在所述第一輻射元件的一部分周圍的矩形的周界。
6.根據權利要求2所述的天線，其中，所述第二輻射元件形成在所述第一輻射元件的一部分周圍的三角形的周界。
7.根據權利要求1所述的天線，包括被布置在所述第一輻射元件的第一端的鄰近的寄生元件。
8.根據權利要求7所述的天線，所述寄生元件的幾何形狀配置是從直線、矩形或圓形之一中選擇。
9.根據權利要求2所述的天線，其中，所述多個天線單元在襯底上形成，所述多個天線單元被布置為將它們的第一輻射元件在各個所述第二端的公共連接點處連接在一起，這樣連接的所述天線單元相對于至少一個對稱軸對稱，并且所述襯底與公共接地面隔開。
10.根據權利要求9所述的天線，包括各自位于各個天線單元的所述第一端的多個饋電點。
11.根據權利要求10所述的天線，包括從所述公共連接點連接到所述接地面的短路管腳。
12.根據權利要求10所述的天線，其中，所述饋線位于所述公共饋電點處，并且所述第二端是開放的。
13.根據權利要求2所述的天線，具有兩對天線單元，所述兩對天線單元在襯底上形成，并且所述兩對天線單元被布置為相對于至少一個對稱軸對稱，且所述對中的每一對使它們各個第二端相連，以形成所述饋電點。
14.根據權利要求10所述的天線，所述多個天線單元在襯底上形成，所述多個天線單元被布置為將它們的第一輻射元件在各個所述第二端的公共連接點處相連，這樣相連的所述天線單元相對于至少一個對稱軸對稱，所述襯底是以與接地導體的平面相正交的方式安裝的；以及 所述饋電點位于所述天線單元中與所述接地面導體最近距離的一個天線單元的輻射元件上。
15.根據權利要求1所述的天線，其中，所述輻射元件是導體。
16.根據權利要求1所述的天線，其中，所述輻射元件是隙縫。
17.一種無線通信系統，包`括如權利要求1至16中任一項所要求保護的天線。
全文摘要
一種用于分集操作的天線包括多個相連的天線單元(100)。每個天線單元具有第一輻射元件(102)，具有在第一工作頻率上的四分之一波長的長度；以及第二輻射元件(104)，具有在與該第一工作頻率不同的第二工作頻率上的四分之一波長的長度，第二輻射元件與第一輻射元件共享第一輻射元件的分段。饋電點用于將饋線耦合到所述第一輻射元件或所述第二輻射元件之一，使得元件分別在第一工作頻率和第二工作頻率上諧振并以實質正交的極性諧振。分集天線被配置具有兩個或更多個天線單元。
文檔編號H01Q9/30GK103119784SQ201080069131
公開日2013年5月22日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者王棟, 饒勤疆, 詹姆斯·保羅·沃登 申請人:捷訊研究有限公司