使用四個金屬導體的天線的製作方法
2023-12-07 23:20:51
專利名稱：使用四個金屬導體的天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型天線，這種小型天線具有在水平面內狹窄的HPBW(半功率波束寬度)，例如適於第三代(IMT-2000系統)六扇區(six-sector)無線區。本發明尤其是涉及一種利用多個不作功的金屬導體並在水平面內的波束特性適於六扇區無線區的天線。
背景技術：
在相鄰區內相同頻率的重複使用是第三代系統的特性，服務區必須被分割，並且扇區的數量必須增加，以增加用戶容量。也已知的是縮窄水平面內的HPBW對於增加用戶容量來說比縮窄扇區分割的角度更有效(參考文獻WCDMA基站天線的優化波束寬度(Optimal Beamwidth of BaseStation Antennas for WCDMA)，電子情報通信學會(the Institute ofElectronics，Information，and Communication Engineers)1999年全體大會)。在六扇區無線區內，由於一個扇區的分割角度為60度，為了增加用戶容量，需要使天線在水平面內的HPBW窄於60度。
為了縮窄水平面內的HPBW，通常已知的方法包括增大反射器件。圖11示出水平面內的HPBW由偶極天線和平面反射器設定為45度的天線。偶極天線111和112平行排列，並且布置在平面反射器110之前。例如，在所使用的中心頻率為2GHz時，用於使水平面內的HPBW為45度的平面反射器的孔徑寬度為150mm，如矩量法所獲得的，並且2GHZ的一個波長是必須的。
通過另一種公知方法，通過將金屬導體放置在天線附近並在金屬導體內感應電流可以獲得與拓寬天線孔徑寬度相同的效果。圖12示出60°定向天線，其中，金屬導體放置在天線的兩側，而水平面內的HPBW被設定為45°。在反射器120之前的偶極天線121和122彼此相對並平行於平面反射器120布置。金屬導體123和124基本上在縱向的長度上與反射器120相等，並且以寬於偶極天線121和122之間的間隔的間隔平行於偶極天線121和122布置。這些金屬導體123和124產生與圖11所示的反射器110相同的效果，並且水平面內的HPBW被設定為45°。
在日本專利申請公開2004-15365號中描述了另一示例，該示例利用圖14所示的金屬導體。在圖14所示的示例中，在距定向天線140中心距離S1的位置處、沿著相對於天線140的主輻射方向±90°的方向放置第一金屬導體142，該第一金屬導體長度上基本等於多頻共用120°定向天線的天線罩，在比距離S1近的距離S2處，沿相同方向放置比第一金屬導體142短的第二金屬導體143，並且HPBW被縮窄到90°。
圖11所示的擴大反射裝置的方法存在如下缺陷，即，已經安裝的天線不可用。當然，這必須要更換天線，這使得服務不可避免地中斷，給用戶造成負擔。當反射裝置擴大時，由於風所吹拂的表面積增大，並且當天線安裝在建築物的屋頂等上時建築材料的強度成為問題，因此，在一些情況下不可能安裝所需的天線。因此，擴大反射裝置的方法在服務和經濟方面都存在顯著的負擔。
由此，圖12所示的將金屬導體123和124放置在天線附近的方法具有可以使用現有天線的優點。但是，傳統的方法存在這樣的缺陷，即，當HPBW縮窄時後波瓣程度和側波瓣程度增大。
圖13中的實線表示圖12所示天線在水平面內的方向特性，其中，利用金屬導體縮窄HPBW。在圖13中，天線的主輻射方向的角度設定為90°，而軸的刻度歸一化，使得最大值為0dB。圖12所示的金屬導體123和124不存在時的半帶寬(-3dB)在圖13中由虛線表示，為60°，但是，如圖13所示，由於放置金屬導體的效果，半帶寬實際為45°。但是，在270°方向上的後波瓣增加約3dB。在從主發射方向偏移60°的30°和150°方向上的天線增益在大約-13dB的程度上，並且在考慮原始目的時，需要降低後波瓣和側波瓣的增益，以便減小幹擾，原始目的為通過減小幹擾來縮窄HPBW以便增加用戶容量。可以認為通過以這種方式使用金屬導體的傳統方法幾乎不能夠獲得水平面內的充足方向特性。
發明內容
鑑於上述缺點研製了本發明，並且本發明的目的是提供一種天線，其中，在水平面內HPBW為60°的現有天線的基礎上獲得HPBW為45°的天線，並且可以減少側波瓣和後波瓣。
本發明包括矩形反射器；第一和第二偶極天線，該第一和第二偶極天線設置在反射器的前面並平行於反射器的長邊排列；棒狀的第一金屬導體，該第一金屬導體平行於第一和第二偶極天線布置，並且在平行於反射器短邊的方向上向外與偶極天線間隔開距離X1，並在垂直於反射器的方向上向前與偶極天線間隔開距離Y1；以及棒狀的第二金屬導體，該第二金屬導體平行於第一和第二偶極天線布置，並且在平行於反射器短邊的方向上相對於彼此向外與偶極天線間隔開大於距離X1的距離X2，並在垂直於反射器的方向上向前與偶極天線間隔開距離Y2。
通過這種結構，可以提供這樣一種天線，由此，在水平面內的HPBW為60°的現有天線中，可以獲得45°的HPBW，並且可以減小側波瓣和後波瓣。
圖1A是示出本發明的天線的透視圖，在本發明的天線中，使用四個金屬導體；圖1B是圖1A所示天線的平面圖；圖2A是示出作為本發明基礎的60°定向天線(beam antenna)的透視圖；圖2B是圖2A所示天線的平面圖；圖3是示出主反射器的寬度W、水平面內的HPBW和側波瓣之間的關係的曲線；圖4是示出側反射器在延伸方向上的長度T、水平面內的HPBW和側波瓣之間的關係的曲線；圖5是示出水平面內的HPBW和第一及第二側反射器在向前方向上開口與主反射器兩端所成角度之間的關係的曲線；圖6是示出在這個示例的天線的水平面內的方向特性的曲線；圖7是示出第一和第二金屬導體的長度與水平面內的HPBW之間的關係的曲線；圖8是示出第一和第二金屬導體的直徑與水平面內的HPBW之間的關係的曲線；
圖9A是示出在第一金屬導體的位置在第二金屬導體的位置固定在X2＝0.73λ且Y2＝0.26λ的狀態下發生變化時水平面內的HPBW的變化的計算結果的曲線；圖9B是示出在與圖9A相同的條件下FS比的變化的計算結果的曲線；圖10A是示出在第一金屬導體的位置於第二金屬導體的位置固定在X2＝0.8λ且Y2＝0.13λ的狀態下發生變化時，水平面內的HPBW變化的計算結果的曲線；圖10B是示出在與圖10A相同條件下FS比變化的計算結果的曲線；圖11是示出如下的天線的視圖，在該天線中，水平面內的HPBW由偶極天線和平面反射器設定為45°；圖12是示出60°定向天線的視圖，其中，金屬導體放置在天線的兩側上，而水平面內的HPBW被設定為45°；圖13是示出使用金屬導體的如圖12所示的天線的在水平面內的方向特性的視圖；以及圖14是示出使用金屬導體的現有技術的示例的視圖。
具體實施例方式
下面參照附圖描述本發明的實施例。
圖1中示出使用四個金屬導體的本發明的天線。該天線的透視圖在圖1A中示出，而其平面圖在圖1B中示出。第一偶極天線2和第二偶極天線3彼此平行地放置在矩形板狀反射器10的前面，並且平行於反射器10的長邊(Z軸)。與第一和第二偶極天線2和3平行布置的是棒狀的第一金屬導體6和7，它們與偶極天線6和7在平行於反射器10短邊的方向(X軸)上向外側間隔開距離X1，並且在垂直於反射器10的方向(Y軸)上間隔開距離Y1。也平行於第一和第二偶極天線2和3布置的是棒狀的第二金屬導體8和9，它們與偶極天線2和3在平行於反射器10的短邊的方向上向外間隔開大於距離X1的距離X2，並且在垂直於反射器10的方向上間隔開距離Y2。在偶極天線2和3的中心位置的附圖標記4和5表示功率饋入點。第一和第二偶極天線2和3在圖1A所示的示例中具有矩形板形狀，但是這些天線也可以是棒狀的。
首先，形成本發明的45°定向天線的基礎的60°定向天線示於圖2中，圖2示出了反射器和第一和第二偶極天線的結構。形成本發明的基礎的60°定向天線的透視圖在圖2A中示出，而其平面圖在圖2B中示出。反射器10具有矩形板狀主反射器20和向前彎曲並從主反射器20的兩側的邊緣延伸的第一和第二側反射器21和22。主反射器20的長邊的長度大於第一和第二偶極天線2和3的長度。從主反射器20的兩側上的邊緣向前間隔可距離dv的第一和第二偶極天線平行於主反射器20的側邊布置。為了描述方便，W用來表示主反射器20的短邊的長度，θ用來表示向前方向與主反射器20的兩端所成的角度，而T用於表示第一和第二側反射器在延伸方向上的長度。
圖3是示出主反射器20的寬度W、水平面內的HPBW和側波瓣之間的關係的曲線。在所用的中心頻率是2.0GHz時，主反射器20的寬度W在水平軸上由波長等價值來表示。在左側上的豎直軸示出在水平面內的HPBW(度)，而在右側上的豎直軸表示側波瓣的程度(dB)。在主反射器20的寬度W從0.5λ變化到0.75λ時，水平面內的HPBW由實線所示，而側波瓣程度由虛線表示。
隨著主反射器20的寬度W增加，水平面內的HPBW幾乎與W成反比地縮窄。示出了這樣的特性，即，在主反射器20的寬度W為0.5λ時HPBW大約是61.8°，而在W＝0.75λ時HPBW大約是58.4°，HPBW基本上成線性關係縮窄。當反射器的短邊的長度以這種方式增大時，HPBW變窄。這個關係在現有技術部分也有所描述。
以與水平面內的HPBW相同的方式，側波瓣也處於這樣一種關係下，即，側波瓣的程度與主反射器20的寬度W的增加成反比地減小。側波瓣的程度隨著反射器10的寬度W的增加而減小，但是為了方便起見，側波瓣程度的曲線也被示為向右升高。
從而，主反射器的寬度W增大越多，水平面內的HPBW可以更進一步縮窄。然而，在主反射器的寬度W簡單增大時，會出現前面描述過的那些作為本發明要予以克服的缺點的缺點。因此，在這個實施例中，對於主反射器20使用0.66λ的寬度W(根據下面實施例的尺寸上的波長等價值圓整為三個小數位或更少小數位)。
圖4示出了側反射器21和22的延伸方向上的長度T、水平面內的HPBW和側波瓣之間的關係。水平軸表示在延伸方向上的側反射器的長度T。由於在作為波長等價值表示時長度T的值過小，在此以毫米單位表示。左側上的豎直軸表示水平面內的HPBW(度)，而右側上的豎直軸表示側波瓣的程度(dB)。當側反射器21和22在延伸方向上的長度從5到30mm變化時，水平面內的HPBW由實線表示，側波瓣程度由虛線表示。這些數據是主反射器20的寬度W為0.75λ的情況。
在長度T為5mm時，水平面內的HPBW大約是62.5°，在長度T增大到10mm時，HPBW突然縮窄到大約59.8°。然後，隨著長度T增加，HPBW逐漸變化，這個特性表示HPBW相對於長度T增大到30mm大致成反比從大約59.8°改變到58.4°。側波瓣特性還表明對於側反射器21和22的長度T，在5到10mm和10到30mm的範圍內斜率稍微不同，但是它們的程度隨著長度T增加以線性形式逐漸減小。
通過以這種方式增加側反射器21和22在延伸方向上的長度T，可以獲得更窄的水平面內HPBW。側反射器21和22在延伸方向上的長度T在這個實施例中為20mm，依照波長這對應於T＝0.13λ。
圖5示出水平面內的HPBW和得以和第二側反射器21和22從主反射器20的兩端相對於向前方向開口的角度θ之間的關係。該角度θ(度)由水平軸表示，而水平面內的HPBW(度)由豎直軸表示。當角度θ為0°時，具體地說，當測反射器21和22與主反射器20成直角從主反射器20的兩端沿向前方向延伸時，水平面內的HPBW大約時60.3°，而當角度θ為50°時，HPBW是57.3°。在這個範圍(interval)中，表明了這樣的特性，即，HPBW相對於角度θ的增加幾乎以線性方式縮窄。隨著角度θ以這種方式增加，由於形成從反射器10的前面觀察時向前投影表面積的短邊被延長，獲得與主反射器20的寬度增加相同的效果。在這個實施例中角度θ被設定為20°。
在另一種結構中，主反射器10和功率饋入點4和5之間的距離dv被設定為0.25λ。
在圖12所示的天線的實施例中，提供了第一金屬導體6和7以及第二金屬導體8和9。
圖6示出了對於這個實施例的天線的水平面內的方向特性，在該天線中，W＝0.66λ、dv＝0.25λ、T＝0.13λ、θ＝20°、X1＝0.6λ、Y1＝0.13λ、X2＝0.73λ和Y2＝0.26λ。在圖6中，天線的主輻射方向的角度為90°，而半徑依據天線增益來表示，在中心處該增益為-40dB，而在周邊為0dB。這個實施例的水平面內的方向特性由實線示出，而現有技術部分描述的傳統45°定向天線的水平面內的方向特性由虛線表示。
實線和虛線都示出45°定向天線的實現方式。然而，在虛線所示的傳統天線中，天線增益在超過90°±45°的外側較高。與虛線所示的現有技術的特性相反，在相對於這個實施例的主波束方向(90°)±40°到±90°範圍內，天線增益(由實線所示)小於虛線所示的現有技術的。尤其在±60°範圍內，天線增益大約為-20dB，而在傳統天線中大約為-13dB，這得以顯著改善。換句話說，側波瓣增益減小。尤其是，與主波束方向相對的270°方向，後波瓣程度相對於現有技術的-17dB來說改進了大約3dB到大約-20dB。
通過以這種方式布置第一金屬導體6和7和第二金屬導體8和9，可以縮窄波束，並且也可以減小側波瓣和後波瓣。在特性上的這些變化有助於增大用戶容量。
圖7示出金屬導體的長度和水平面內HPBW之間的關係。這個圖表示了金屬導體123和124，如圖12所示的金屬導體，相對於主波束方向分別在左側和右側安裝到120°定向天線上時的計算結果。第一和第二金屬導體6和7的長度L在水平軸上表示為所用的中心頻率為2.0GHz時的波長等價值，並且，在長度L從0.13λ到1.0λ變化時，水平面內的HPBW在豎直軸上以度來表示。圖7中的實線表示偶極天線和金屬導體之間的距離X1是0.4λ的情況，而虛線表示距離X1是0.53λ，距離Y1是0的情況。
當長度L在0.13λ到0.27λ範圍內時，特徵為水平面內的HPBW隨著長度L增加而增加，但是當長度L是0.4λ時，HPBW快速減小。在實線(X1＝0.40λ)所示的特性中，長度L為0.27λ時的約132°的HPBW縮窄到長度L為0.4λ時的約71°。隨著長度L增加，HPBW然後趨於逐漸增寬，並在長度L是1.0λ時變成大約78°。
這個趨勢即使在距偶極天線的距離X1變化到0.53λ時也相同，如虛線所示。因此，所獲得的效果被認為是固定的，只要第一和第二金屬導體6和7的長度是0.4λ或更長。
因此，在這個實施例中，第一和第二金屬導體6和7的長度形成為比第一和第二偶極天線2和3的長度長，並且幾乎等於反射器10的長邊的長度。
圖8示出水平面內的HPBW和金屬導體的直徑之間的關係。這個圖示出金屬導體123和124，如圖12所示的金屬導體，相對於主波束方向分別在左側和右側安裝到120°定向天線上時的計算結果。金屬導體123和124的直徑D在水平軸上表示為所使用的中心頻率為2.0GHz時的波長等價值，而在直徑D從0.01λ到0.24λ變化時水平面內的HPBW以度表示在豎直軸上。實線示出偶極天線和金屬導體之間的距離為0.27λ的情況，而虛線示出這個距離為0.53λ的情況。
當直徑D在0.01λ到0.24λ範圍內時，特性為水平面內的HPBW隨著直徑D增大而逐漸縮窄。在實線所示的特性中，直徑D為0.01λ時約為96°的HPBW縮窄到直徑D為0.24λ時的約79°的HPBW。這個趨勢甚至在從偶極天線到金屬導體的距離從0.27λ變化到0.53λ也同樣。
當直徑D為0.05λ或更大時，水平面內的HPBW存在小的變化。由於被風吹的表面積隨著金屬導體變窄而減小，因此在這個實施例中的直徑D設定為0.04λ。
為了找到第一和第二金屬導體的優化位置，第一金屬導體6和7的位置在第二金屬導體8和9的位置固定的同時變化，並且FS比和水平面內的HPBW中的變化通過矩量法計算。在圖9A和9B中，由灰度陰影表示在第二金屬導體8和9的位置固定在X2＝0.73λ及Y2＝0.26λ的情況下第一金屬導體6和7的位置變化時，FS比和水平面內的HPBW變化的計算結果。在圖9A中心處實線上的數字表示在該線上的HPBW。第一金屬導體在X軸方向上的距離在水平軸上表示為所使用的中心頻率為2.0GHz時的波長等價值，而第一金屬導體在Y軸方向上的距離在豎直軸上表示為所使用的中心頻率為2.0GHz時的波長等價值。
由於45°的HPBW為目標，如從圖9A所發現的，40°到50°的範圍是在0.46λ到0.73λ的X範圍內、-0.4λ到約0.06λ的Y範圍內，由虛線所表示的區域。
在相同條件下的FS比(前部和側部天線增益的比)在圖9B中示出。圖9B是灰度陰影圖，示出在主波束方向設定為90°時，FS比在180到0°範圍內的最差值。如圖9B所示，FS比為-17dB或更小的區域是由虛線所示的區域，在0.46λ到0.6λ的X範圍內、-0.13λ到約0.08λ的Y範圍內。
當FS比是-15dB或更小時，例如，X範圍拓寬從0.46λ到0.7λ，且Y範圍稍微縮窄從-0.13λ到0.02λ。
從而用於第一金屬導體6和7的位置根據HPBW和FS值的大小變化，但是當FS值是-17dB或更小時，則X1範圍是0.46λ到0.6λ，且Y1範圍是-0.13λ到0.06λ。
尤其要指出的是距離、HPBW、FS比之間的關係並非是單調的、單向關係。在圖9A中，當X＝0.69λ到0.75λ時，突然出現HPBW是47°到50°的區域。在圖9B中，在X＝0.86λ且Y＝0λ的位置突然出現-13dB的區域。這種非單調關係由於目前的研究而首先變得明顯，但還不能預期。上述X1和Y1的範圍是基於研究結果的。
當第二金屬導體8和9的位置固定在X2＝0.8λ且Y2＝0.13λ的情況下而第一金屬導體6和7的位置變化時，FS比和水平面內的HPBW的變化的計算結果由圖10A和10B中的灰度陰影以與圖9A和9B相同的方式表示。由於45°的HPBW是目標，如圖10A所示，40°到50°的範圍是虛線所示的區域，在大約0.46λ到0.63λ的X範圍內，-0.2λ到約0.03λ的Y範圍內。
在相同條件下的FS比(前部和側部天線增益的比)在圖10B中示出。如圖10B所示，FS比為-17dB或更小的區域由虛線所示，在0.4λ到0.6λ的X範圍內，-0.2λ到約0.01λ的Y範圍內。
當FS比是-15dB或更小時，例如，X範圍是0.4λ到0.64λ，Y範圍是-0.2λ到約0.06λ。
基於圖9A、圖9B、圖10A和圖10B的結果，可以得知為了使水平面內的HPBW為45前部和側部天線增益的比且FS比為-17dB或更小，第一金屬導體6和7的位置應設定為X1＝0.46λ到0.6λ，且Y1＝-0.13λ到0.01λ，且第二金屬導體的位置應設定成X2＝0.73λ到0.8λ，且Y2＝0.13λ到0.26λ。
如上所述，通過布置總共四個金屬導體，使得在天線反射器的左側和右側上各兩個導體，可以在縮窄波束寬度的同時，使側波束和後波瓣程度最小。
根據這個實施例，當主反射器20在短邊方向上的寬度W是0.66λ時，可以獲得45°的HPBW。與簡單通過延長反射器短邊長度的傳統方法相比，這種結構使得空氣阻力減小30％或更大。主反射器在長邊方向上的長度在此不是問題，這是因為天線根據所期望的天線增益，而沿著反射器的長邊方向排列。為了增大天線增益，如圖1A中虛線所示排列的偶極天線元件的數量增加。主反射器與此相關是細長的。因此，當天線增益相同時，可以通過主反射器在其短邊方向上的寬度W來比較空氣阻力。
與使用兩個金屬導體的現有技術相比，可以獲得適於六扇區無線區的在水平面內的方向性。
在對這個實施例的描述中，第一和第二金屬導體被描述為是圓柱形的，但是，這些導體可以具有方柱的形狀。
在說明書中，反射器也是由矩形板狀主反射器和側反射器構成，但是在只有主反射器而沒有側反射器的結構中，通過利用第一和第二金屬導體，也可以在縮窄HPBW的同時，使得側波束和後波瓣程度最小。
權利要求
1.一種使用四個金屬導體的天線，包括矩形的反射器；第一和第二偶極天線，該第一和第二偶極天線設置在所述反射器的前面，並平行於反射器的長邊且彼此平行地排列；一對棒狀的第一金屬導體，該對第一金屬導體平行於所述第一和第二偶極天線布置，並在平行於反射器的短邊的方向上向外側與所述偶極天線間隔開距離X1，並在垂直於反射器的方向上與所述偶極天線間隔開距離Y1；以及一對棒狀的第二金屬導體，該對第二金屬導體平行於所述第一和第二偶極天線布置，並在平行於所述反射器的短邊的方向上，向外相對於彼此與所述偶極天線間隔開距離X2，並且在垂直於所述反射器的方向上與所述偶極天線間隔開距離Y2，其中距離X2大於距離X1。
全文摘要
本發明公開了一種天線，包括矩形的反射器；第一和第二偶極天線，該第一和第二偶極天線設置在所述反射器的前面，並平行於反射器的長邊排列；棒狀的第一金屬導體，該第一金屬導體平行於所述第一和第二偶極天線布置，並在平行於反射器的短邊的方向上向外側與所述偶極天線間隔開距離X
文檔編號H01Q19/28GK1797853SQ20051013689
公開日2006年7月5日 申請日期2005年12月27日 優先權日2004年12月27日
發明者木村泰子 申請人:株式會社Ntt都科摩