本申請要求于2014年10月10日提交的、以Andrew LLC的名義的澳大利亞臨時專利申請第2014904064號的在先提交日的優(yōu)先權，所述澳大利亞臨時專利申請的內容被通過引用全文并入本文中。

技術領域

本發(fā)明總體涉及天線，以及特別地，涉及用于在體育場中使用的雙極化天線，其產(chǎn)生矩形輻射方向圖。

背景技術：

體育場以及其它大型場館需要高性能天線以在活動期間滿足大量的移動用戶的需要。傳統(tǒng)的基站天線可用于這樣的目的，但是需要安裝另外的天線。然而，由于浪費的頻譜、覆蓋重疊、以及服務質量差，在基站上安裝另外的天線效率并不高。

因此，需要提供一種具有高性能以及對頻譜的有效使用的天線。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開一種天線，其試圖通過具有期望的輻射方向圖、以及低副瓣和高前后(F/B)輻射比解決以上問題。所公開的天線還能夠具有多路輸入多路輸出(MIMO:multiple-inputs multiple-outputs)功能。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于在體育場中使用的天線，所述天線能夠產(chǎn)生矩形輻射方向圖，所述天線包括：接地面；饋電網(wǎng)絡，所述饋電網(wǎng)絡用于處理輸入至兩組或更多組天線饋線的或者從兩組或更多組天線饋線輸出的多個頻段的射頻(RF：radio-frequency)信號，每一組天線饋線提供或接收在所述多個頻段中的相應的一個上的RF信號；至少兩個陣列的輻射元件，每一個陣列由所述饋電網(wǎng)絡的兩組或更多組天線饋線中的相應的一組天線饋線饋電，用于在所述多個頻段中的相應的一個中產(chǎn)生矩形輻射方向圖，每一個陣列包括用于產(chǎn)生所述矩形輻射方向圖的雙極化的多個雙極化輻射元件，所述至少兩個陣列的輻射元件懸掛于所述接地面的一側上方，所述饋電網(wǎng)絡在所述接地面的另一側上對所述至少兩個陣列進行饋電。

還公開了本發(fā)明的其它方面。

附圖說明

在下文中參考附圖和附錄對本發(fā)明的至少一個實施例進行描述，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的天線的方塊圖；

圖2A和2B分別示出圖1中所示的天線的輻射元件的陣列的立體圖和俯視圖；

圖3A至3F為圖2A和2B中所示的陣列的輻射元件的立體圖和側視圖；

圖4A和4B為圖1中所示的天線的饋電網(wǎng)絡的第一部分的不同的實施方式的方塊示意圖；

圖5為示出圖1中所示的天線的饋電網(wǎng)絡的第二部分的實施方式的方塊示意圖；

圖6為展示圖1中所示的天線的輻射方向圖的一個示例的圖；以及

圖7為示出5×5陣列內的幅值與相位分布的方塊圖，以提供矩形輻射方向圖。

具體實施方式

參考附圖的任何一個或多個中的特征，其具有相同的附圖標記，除非有相反的意思表示，否則這些特征為了本說明書的目的具有相同的功能(一個或多個)。

應當指出的是，不應當將“背景技術”部分中所包含的討論解釋為本發(fā)明者(一個或多個)或專利申請的如下意思表示，即：這樣的討論以任何方式形成技術領域中的公知常識的部分。

圖1示出天線100，其具有接地面110，在接地面110的一側上的天線陣列120A、120B、120C，以及在接地面110的另一側上的饋電網(wǎng)絡130。接地面110由比如銅、鋁、等等的導電材料構成，以便在上半空間(亦即，z>0)中抑制天線陣列120A、120B、120C的輻射。接地面110還減小天線100的背部處的輻射量，其中饋電網(wǎng)絡130位于天線100的背部(亦即，沿-z方向)。

天線陣列120A、120B、以及120C(其在下文中被統(tǒng)稱為天線陣列120)中的每一個由饋電網(wǎng)絡130通過接地面110饋電并且產(chǎn)生雙極化輻射波束。每一個陣列120還在方位角和仰角平面中都生成具有50度的半功率波束寬度的矩形輻射方向圖，其有效地為正方形輻射方向圖。下面參考圖2A和2B以及3A至3F進一步描述天線陣列120。

當天線100正在發(fā)射信號時，饋電網(wǎng)絡130在饋電接口132處接收分開的多頻段的射頻(RF)信號。替代地，饋電網(wǎng)絡130可在多個饋電接口(未示出)處接收多個頻段的RF信號，其中每一個饋電接口接收所述多個頻段中的每一個頻段的RF信號。饋電網(wǎng)絡130接著將所接收的RF信號分配至多組天線饋線140A、140B、以及140C，其在下文中被共同地稱作天線饋線組140。每一個天線饋線組140將所述多個頻段中的一個頻段的RF信號提供至陣列120中的相應的一個。例如，天線饋線140A、140B、140C分別將RF信號提供至天線陣列120A、120B、120C，其中在不同的頻段中的RF信號被提供至相應的陣列120A、120B、120C。

當天線100正在接收信號時，饋電網(wǎng)絡130從天線陣列120接收多個頻段的RF信號，并且將多個頻段合并至饋電接口132。替代地，饋電網(wǎng)絡130具有多個饋電接口，以使得所接收的多個頻段的RF信號不需要合并。在此替代實施方式中，每一個頻段被提供至單獨的饋電接口(未示出)。

在使用時，天線100被放置于體育場的天花板或屋頂上或者被固定至體育場的天花板或屋頂，以使得天線100的矩形輻射波束向下指向，以輻照體育場中的一部分移動用戶。每一部分移動用戶可對應于體育場中的一大片座位區(qū)域。然而，體育場天線所覆蓋的區(qū)域的大小取決于它距離座椅的距離，所以一根天線可覆蓋的座位的數(shù)量可變化。矩形輻射方向圖還在輻射方向圖的邊緣處提供銳截止，以在相鄰的受輻照部分之間提供最小干擾。具有銳截止的這種限定的輻射方向圖允許天線100在體育館的有效布局規(guī)劃。

天線100還提供低副瓣和后瓣，以使相鄰天線100之間的干擾最小化以及改進無線通信的服務質量。相鄰天線100之間的更少的干擾減小軟切換區(qū)域的大小并且還改進無線服務的信號干擾噪聲比(SINR:signal-to-interference-and-noise ratio)。因此增加可實現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)吞吐量，形成改進的用戶體驗。

天線100通過雙極化輻射波束提供MIMO功能，所述雙極化輻射波束提供的容量高達單極化天線的兩倍。另外的極化有效地提供另外的無線信道，其被稱作極化分集。極化之間的高隔離度(超過30dB)還在天線100的正交極化上的信號之間提供最小干擾。

替代地，另外的極化可用來通過使信號在波束覆蓋區(qū)域內的多徑衰落最小化而改進覆蓋質量。亦即，天線100可用來通過雙極化發(fā)射或接收多個版本的信號，以使多徑衰落最小化以及避免同信道干擾。這樣的性能改進在天線場內被稱作“分集增益(diversity gain)”。

天線100支持能夠支持比如2G、3G、4G以及3GPP長期演進技術(LTE)的多個無線通信標準的多個頻段。

在所示示例中，天線100能夠在790MHz至960MHz、1710MHz至2170MHz、以及2300MHz至2690MHz的三個單獨的頻段中進行輻射。然而，天線100可被設計成在低至兩個單獨的頻段或者按照需要盡可能多的頻段中進行輻射。

圖2A和2B分別為天線陣列120的立體圖和俯視圖。天線陣列120中的每一個在一個頻段中工作。天線陣列120A、120B、以及120C分別具有多個雙極化輻射元件122A、122B、以及122C。輻射元件122A、122B、以及122C在下文中被共同稱作輻射元件122。在此示例中，陣列120中的每一個陣列的尺寸為5×5個輻射元件122。然而，可使用更大尺寸的陣列120。

圖3A和3B分別示出輻射元件122A的立體圖和側視圖。相似地，圖3C和3D分別為輻射元件122B的立體圖和側視圖，而圖3E和3F分別為輻射元件122C的立體圖和側視圖。輻射元件122A、122B、122C中的每一個分別經(jīng)由懸掛元件210A、210B、210C懸掛于接地面110上方。懸掛元件210A、210B、210C在下文中被共同稱作懸掛元件210。懸掛元件210中的每一個包括具有低導電率的材料或者由具有低導電率的材料構成，比如塑料、FR4、以及汞波，其上印刷有形成為輻射元件饋電的輸電線路的導電線路。懸掛元件210將標準的50ohm的阻抗轉換成偶極子阻抗，提供阻抗匹配電路。除了充當阻抗匹配電路之外，懸掛元件210也是平衡轉換器，以為偶極子提供平衡信號。元件210的高度通常被最優(yōu)化以提供最大阻抗帶寬，但是也可變化以調節(jié)輻射波束寬度。

輻射元件122中的每一個具有相對于彼此橫向地放置的兩個偶極子(亦即，交叉偶極子)，以提供雙極化。偶極子的中心由天線饋線140饋電。每一個偶極子被設計成在不同的頻段中工作并且因此，如從圖3A至3F可以看到的，根據(jù)特定的偶極子的工作頻段具有不同的大小。例如，輻射元件120A、120B、以及120C可分別為143mm、65mm、以及75mm。

替代地，輻射元件122中的每一個可為雙極化片狀件。

為了提供矩形輻射方向圖，必須在5×5陣列內設置正確的幅值與相位分布。在圖7中，在陣列元件中的每一個中的術語“AA”代表一個元件處的功率值，并且術語“0”以及“180”為該陣列元件的相應的相位(以度為單位)。若術語AiAj以及Pij表示被饋送至第i行、第j列處的元件中的信號的幅值以及相位，則Aij的絕對值為Ri·Rj(i＝1,5；j＝1,5)。Ri為在每一個網(wǎng)絡的第i端口處所輸出的信號的幅值。相位Pij(j＝1,2；j＝1,2)＝0°并且Pij(i＝3,5；j＝3,5)＝0°，并且其它所有元件的相位為180°。

在最低頻段中工作的偶極子的臂向下傾斜，以便增加F/B比?？梢圆粌H僅是在接地面的邊緣附近的偶極子向下傾斜，而是最低頻段陣列中的所有的輻射元件中的偶極子都向下傾斜。這樣做有可能主要是為了改進低頻段方向圖的前后比。改進的前后比使與其它部分的干擾最小化。在更高的頻段下工作的剩余的輻射元件122B以及122C不具有這樣的問題。

圖4A和4B示出饋電網(wǎng)絡130的第一部分的不同的實施方式，而圖5示出饋電網(wǎng)絡130的第二部分。饋電網(wǎng)絡130的第一部分使得能夠將多個頻段中的RF信號分成單獨的頻段。若使用具有多個饋電接口的替代的饋電網(wǎng)絡(如以上在段落[0018]中所描述的)，則不需要饋電網(wǎng)絡的第一部分。饋電網(wǎng)絡130的第二部分使得能夠將不同的頻段中的RF信號分配至天線饋線組140，以使得可將RF信號饋送至相應的天線陣列120。

圖4A為饋電網(wǎng)絡130的、具有三工器410A的第一部分的一個實施方式，所述三工器410A能夠將RF信號分離到三個頻段中或者合并三個頻段中的RF信號。三工器410A具有饋電接口132以及三個輸出接口414。當天線100正在發(fā)射信號時，三工器410A在饋電接口132處接收三個頻段中的RF信號并且將三個頻段中的每一個中的RF信號分離到輸出接口414中的每一個中。當天線100正在接收信號時，三工器410A將三個頻段中的每一個中的RF信號接收至輸出接口414中的每一個中并且將合并的三個頻段中的RF信號輸出至饋電接口132。

圖4B示出另一個實施方式，其中將三工器410A替換為兩個雙工器410B和410C。當天線100正在發(fā)射信號時，雙工器410B在饋電接口132處接收三個頻段(例如，在上文中所描述的帶)中的RF信號并且將RF信號分離到兩個帶中。雙工器410B的輸出接口414將790MHz至960MHz下的RF信號輸出，而輸出接口413將1710MHz至2690MHz下的RF信號輸出至雙工器410C。雙工器410C接著將剩余的兩個頻段1710MHz至2170MHz以及2300MHz至2690MHz分離并且呈現(xiàn)于雙工器410C的輸出接口414處。如以上在段落[0033]中所描述的，在天線100正在接收信號時，發(fā)生相反的操作。

圖5示出饋電網(wǎng)絡130的第二部分，所述第二部分具有在一個頻段中工作的、用于為陣列120中的一個陣列饋電的功率分配器510、520A、520B、520C、520D、以及520E。如圖2A和2B中所示，在此示例中陣列120具有的尺寸為5×5個輻射元件122。因此，必須將每個頻段中的RF信號分成具有預定的幅值與相位的二十五個RF信號，以為每個陣列120中的二十五個輻射元件122饋電。

為了將RF信號分成二十五個RF信號，功率分配器510從輸出接口414中的一個接收RF信號并且將所接收的RF信號分成具有預定的幅值與相位分布的五個信號。所分開的RF信號中的每一個繼而被饋送至剩余的功率分配器520A、520B、520C、520D、以及520E中的每一個中。功率分配器520A、520B、520C、520D、以及520E中的每一個進一步將RF信號分成具有預定的幅值與相位分布的五個RF信號，以在天線饋線140A中的每一個天線饋線處提供具有所需的幅值與相位的RF信號。相似地，天線饋線140B以及140C具有它們自己的、饋電網(wǎng)絡130的相對應的第二部分，所述第二部分分別用于用在上文中以及在圖7中所闡明的幅值與相位分布為陣列120B以及120C饋電。

功率分配器510、520A、520B、520C、520D、以及520E可由威爾金森功率分配器組成。也可以使用其它功率分配器。實際上，由于在輸出端口之間所提供的改進的隔離度，威爾金森功率分配器為優(yōu)選的。功率分配器510在仰角平面中形成陣列120的輻射波束，而功率分配器520A、520B、520C、520D、以及520E在方位角平面中形成陣列120的輻射波束?；旧希跇嬙旆矫?，功率分配器510、520A-520E為相同的。因此，功率分配器全部提供相同的幅值分配。為了調節(jié)相位，可改變電纜長度。

圖6示出790MHz至960MHz的頻段的、在方位角平面中的歸一化輻射方向圖。此頻段在仰角平面中的輻射方向圖為相似的。對于其它頻段，在方位角以及仰角平面中的輻射方向圖也為相似的。多個頻段中的輻射方向圖在方位角以及仰角平面中的這樣的相似性提供正方形輻射方向圖。

如在圖6中可以看到的，矩形輻射方向圖的增益在矩形輻射方向圖的邊緣處在20度的角度范圍內減小25dB(亦即，從-30度處的大致-4dB至-50度處的大致-30dB)。此圖還示出天線100的超過30dB的F/B比。

產(chǎn)業(yè)實用性

所描述的裝置能應用于無線通信產(chǎn)業(yè)以及特別地應用于天線產(chǎn)業(yè)。由天線100所提供的增加的性能減小使用另外的天線來增加基站天線的性能的需要，從而防止塔或體育場屋頂?shù)?、由于另外的天線的重量而引起的超負荷同時還減小天線至用戶的可見性。

上述內容描述了本發(fā)明的僅僅某些實施例，并且可對其做出修改和/或改變而不脫離本發(fā)明的范圍和精神，所述實施例為示例說明性的并且并非為限制性的。

在本說明書的上下文中，單詞“包括”意味著“主要地但不一定唯一地包含”或者“具有”或者“包含”，并且并不是“僅僅由…組成”。單詞“包括”的變體，比如“包括”以及“包含”具有相對應地變化的含義。