CN1273702A - 用于gsm和dcs蜂窝电话的复式多三角形天线 - Google Patents

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Abstract

本发明的复式多三角形天线(以后简称AMD)主要用于两种蜂窝电话系统(GSM和DCS)的基站中,为工作在两波段的任何一个或同时工作在两个波段的一个蜂窝内的任何用户提供无线覆盖。本发明的目标是提供一种其辐射元基本上由几个唯一通过各自顶点连接的三角形所构成的天线,它的功能是同时工作在890～960MHzGSM和1710～1880MHzDCS蜂窝电话的无线频段上。

Description

用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线
如标题所述，本专利申请是关于“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”的，它新颖的制造、结构和设计特性以最大的安全性和有效性实现其独特设想的目的。
更具体地说，本发明是指由一些通过各自顶点连接的三角形构成的天线，它同时覆盖了频率在890～960MHz之间的GSM蜂窝电话波段和频率在1710～1880MHz之间的DCS蜂窝电话波段。
天线的发展始于上个世纪末，在詹姆斯·麦克斯韦于1864年建立起电磁学的主要定律之后。1886年第一具天线的发明应归功于亨利希·赫兹，用这具天线，赫兹演示了电磁波在空气中的传播。在20世纪60年代，可以看到早期的与频率无关的天线(E.C.Jordan，G.A.Deschamps，J.D.Dyson，P.E.mayes，“宽带天线的发展”，IEEESpectrum，vol.1 pages 58-71，April 1964；V.H.Rumsey，“频率无关天线”，New York Academic，1966；R.L.Carrel，“对数周期双极子阵列的分析与设计”，Tech.Rep.52，University of Illinois Antenna Lab.，ContractAF33(616)-6079，October 1961；P.E.mayes，“频率无关天线及其宽带派生技术”，proc.IEEE，col.80，No.1，January 1992)，而且螺旋形、环形、圆锥形和对数-周期组被提出来用于制作宽带天线。后来，在1995年分形或多分形天线问世(分形和多分形的术语是由B.B.Mandelbrot在其“自然分形学”，W.H.Freeman and Cia，1983一书中提出的)。这些天线由于各自的形状而具有多频率性能，并且如同在同一申请人的No.9700048号专利中所描述和申请的，它们在特定条件下尺寸很小。本专利所描述的天线渊源于上述分形天线。
本发明的目标是提供一种其辐射元基本上由几个唯一通过各自顶点连接的三角形所构成的天线，它的功能是同时工作在890～960MHz GSM和1710～1880MHz DCS蜂窝电话的无线频段上。
目前在西班牙，GSM系统由Telefónica(Movistar系统)和Airtel这两大经营者所使用。DCS系统有望在1998年年中投入运营，以上提及的经营者和其他经营者能够申请到在1710～1880MHz范围内相应波段的经营许可。本发明的复式多三角形天线(以后简称AMD)主要用于两种蜂窝电话系统(GSM和DCS)的基站中，为工作在两波段的任何一个或同时工作在两个波段的一个蜂窝内的任何用户提供无线覆盖。传统的用于GSM和DCS系统的天线只能工作在一个波段上，因此想要在同一蜂窝内同时覆盖两个波段就需要两套天线。由于AMD同时工作在两个波段上，无须再使用两套天线(每套覆盖一个频段)，因此可降低蜂窝系统的建设成本，而且使得它对城市和乡村风景的影响减到最小。
本天线的主要特性是：
—其多三角形的形状由三个通过各自顶点连接的三角形构成，连接后形成一个更大的三角形结构。
—其在两个波段(GSM和DCS)的无线电性能(输入阻抗和辐射方向图)与同时用于两个系统的技术要求足够接近。
不同于其他天线的是，AMD的多频率性能是通过一个单一的辐射元—多三角形单元获得的。这允许大大地简化天线，因而降低成本和尺寸。
AMD天线提供适用于两种不同情况的两个版本：第一个版本(以后称AMD1)具有全向方向图，用于屋顶水平安装，第二个版本(以后称AMD2)具有瓣状方向图，用于墙壁或管线垂直安装。前者多三角形单元以一种单极性的配置安装在导电接地板上，而后者的多三角形单元以一种类似补丁的配置平行地安装在导电接地板上。
用于蜂窝电话的复式多三角形天线由三个主要部分构成：一个导电的多三角形单元，一个用天线入口连接器连接多三角形单元的连接网络和一个导电接地板。
所述天线的明显特性是辐射元由三个三角形连接而成。这些三角形通过顶点以这样的方式连接：连接后整体外形仍是三角形形状。辐射元由导体或超导材料制成。作为例子，但不仅限于此，多三角形单元结构可由紫铜或黄铜板或以绝缘介质上的电路板形式制成。
连接网络的主要任务首先是在多三角形单元与天线连接器之间实施物理互连，其次是把多三角形单元的自然阻抗与连接天线和收发系统的电缆的阻抗(典型值50欧姆)相适配。
伴随多三角形单元的导电接地板用于配置天线以获得合适的辐射波束形状。在AMD1模式中，多三角形单元垂直于接地板安装以产生水平方向的全向方向图(把接地板作为水平参考面)。接地板的形状不是决定性因子，虽然因其可增加全向性能的辐射对称性而选用圆形。
在AMD2模式中，多三角形单元平行于接地板安装来得到有瓣状方向图的天线。另外，两边的金属凸边都可以垂直于接地板安装。这些凸边有助于使水平方向的辐射波束变窄，通过增加凸边的高度可减少波束宽度。
从无线特性上看，所选金属类别不重要，尽管因质轻和良好的导电性而在AMD1中选用铝材。
天线的复式性能，例如它在GSM和DCS波段的无线特性的再现，是从三角形单元有特色的形状中获得的。基本上，第一个工作波段取决于该结构的外三角形的高度，而第二波段的频率位置取决于小的固态金属三角形的高度。
本发明的进一步的细节和特性将出现在下面的描述中，该描述是指那些原理性地展示所选细节的附图。细节以例子的形式给出，例子是指可能的有实用价值的实施例，但并不局限于所附的细节；因此这里的描述只能从示例的观点来看，而没有任何的限制。
本专利申请所引用的各部分清单如下：(10)全向复式多三角形天线，(11)多三角形辐射元，(12)连接网络，(13)连接器，(14)接地板，(15)适配网络，(16)刚性泡沫材料，(17)瓣状复式多三角形天线，(18)三角形开孔，(19)上三角形，(20)下三角形。
图1给出了AMD1全向天线(10)的结构。天线垂直于接地板(14)安装。
图2给出了AMD2瓣状天线(17)的结构，在图2中可看到多三角形辐射元(11)，接地板(14)和连接网络(12)，天线(17)垂直于水平面(14)安装。
图3分别给出了AMD1和AMD2的两个特定实施例。
图4总结了GSM和DCS波段天线的无线电性能(分别在图(a)和图(b)中)。
图5是在GSM和DCS波段上的典型辐射方向图，二者均在垂直面有双瓣结构，在水平面有全向分布特性。
图6是瓣状复式多三角形天线(AMD2)的一个特定实施例。
图7给出了复式多三角形天线的一个特定实施例的典型无线电特性，可在此看到在GSM和DCS波段上的ROE的典型值低于1.5。
图8给出了两种天线在GSM和DCS波段上的辐射方向图。
复式多三角形天线的两种特定的工作模式(AMD1和AMD2)描述如下。
AMD1模式(10)由在水平面上具有全向辐射方向图的复式多三角形单极性配置构成。多三角形结构是由2mm厚的外形为高11.2cm的等腰三角形的铜板构成。中心开孔(18)也是三角形，形成高36.6cm与主结构相对倒置的三角形结构，使三个三角形(19-20)通过各自的顶点互连，如图1和图3所示。三个三角形中较大的一个也是等腰三角形，高为75.4cm。
多三角形单元(11)垂直于直径22cm的铝制圆形接地板安装。此结构由一或两个绝缘柱支持，以使三角形结构远离中心开孔的顶点位于相对于圆形接地板(14)的中心3.5mm高处。天线的顶点和接地板(14)的中心点形成连接网络(12)要连接的端子。在这两点上，天线谐振于GSM和DCS波段的中心频率上，并具有250欧姆的典型阻抗。接地板(14)与辐射元(11)之间的空间取决于所用的连接网络(12)的类别。
连接网络(12)和适配网络(11)是由几段传输线构成的一个宽带阻抗变换器。在此描述的特例中，该网络是由对应于波长为1500MHz波长的四分之一的两段传输线构成。靠近天线一端的传输线的特征阻抗为110欧姆，而第二段传输线的特征阻抗为70欧姆。上述连接网络的一个特定版本是在刚性泡沫材料的底板上的厚3.5mm的微带传输线，第一段尺寸为62.5mm×2.5mm，第二段为47mm×8mm(介电常数为1.25)。连接网络远离天线的一端连接到垂直安装于接地板背面的50欧姆连接器上。这里优选N类连接器(习惯上用于GSM天线)。天线用一个连接器保证两个波段的工作。通过加一个普通的双通道网络即可转换为二连接器天线(每个连接器用于一个波段)。
可选地，可用对电磁辐射透明的绝缘天线罩罩在天线上，用以保护辐射元和连接网络免受外界侵害。
可采用不同的传统技术用于房顶安装，例如，可采用水平面内的三个孔来安装相应的固定螺杆。
在GSM和DCS两波段上的驻波比ROE在图4中给出，这里，在整个感兴趣的波段里ROE为1.5。
两种典型的辐射方向图在图5中给出。可以看到一个水平面内的全向性能和一个垂直面内的典型双瓣方向图，天线典型的方向性系数在GSM波段为3.5dBi，在DCS波段为6dBi。应强调的是天线在两个波段上的性能是相似的(在ROE和方向图上均相近)，这使得天线成为复式天线。
AMD2模式(11)由在水平方向具有瓣状辐射方向图的复式多三角形补丁状天线构成。
多三角形结构(11)(天线的补丁)由印制在标准玻璃纤维电路板上的铜箔构成，其外形是高为14.2cm的等腰三角形。所述的三角形结构(11)在中心保留了一个未印刷金属的相对于主三角形倒置的高为12.5cm的三角形区域(18)。该结构因而由通过各自顶点互相连接的三个三角形构成，见图6。三个三角形中较大的一个也是等腰三角形，高为10.95cm，见图2。
多三角形补丁(11)平行于铝制20cm×15cm的矩形接地板安装。补丁与接地板之间的间隔为3.5cm，由四个用作支撑物的绝缘定位件所保持(图2中未表出)。接地板(14)的两面安装了高为4cm的矩形横截面的凸边，用于使水平面的辐射波束变窄。
天线在两个点上连接。第一个点位于距顶点16mm的角平分线上，形成DCS波段的馈入点。第二个点位于结构的两个对称三角形中的任何一个上，在水平方向上相对于外顶点24mm，在垂直方向上相对于较长的一边14mm，形成GSM波段的馈入点。
这些点的连接是通过垂直于补丁安装的具有截面为1mm的导线来实现的。在GSM点，线的一端焊接在补丁上，另一端焊在连接辐射元和入口连接器的电路板上。在DCS波段，连线是，举例说，50欧姆同轴电缆的芯线，电缆的外层导线连接到接地板的外表面上，并且留下直径4.5mm的环抱芯线的圆形凸面，这样导线与补丁不直接接触。在这里导线和补丁的耦合是电容耦合。为使导线进入补丁孔洞的中心，可在补丁的内表面粘贴一块低介电常数(介电常数＝1.25)的矩形刚性泡沫材料，在这里形成一个直径1mm的孔洞以引导导线定位于补丁的中心。在本例中，所述孔洞要扩大到4.5mm到5.5mm以补偿刚性泡沫材料引起的电容效应的增大。在使用介电常数不为1.25的其他材料的情况下，为把适配区调整到DCS波段，孔洞尺寸必须适当地重新设置。
GSM馈入点与天线入口连接器(13)之间通过一个适配-变换阻抗网络(15)互相连接，见图3。该网络主要是由一段电气长度与频率为925MHz的波长的四分之一相对应、特征阻抗65欧姆的传输线组成。传输线的一端焊接在与多三角形补丁相连的导线上，另一端焊在安装在接地板背面的N型连接器(13)上。可选地，可以用一条特征阻抗为50欧姆、另一端带有连接器的传输线(如，一条半刚性同轴电缆)代替连接器(13)，因而允许N型连接器的定位独立于变换网络的位置。
适配网络的另一特定版本是由一条50欧姆传输线组成，它有一个合适的长度使其有1/50西门子的电导(如一条微轴类电缆)，在此插入一条平行的残余线(另一条长度适宜的50欧姆的线)，可以对消第一条线输出端的残余感抗。
为增加GSM和DCS连接器之间的隔离，在DCS线连接器根部连接一条平行的残余线，它的电气长度等于DCS中心频率波长的一半，另一端终止于开路。类似地，GSM线连接器的根部也连接一条平行的残余线，其电气长度略超过GSM波段中心频率波长的四分之一，另一端也终止于开路。残余线在连接部位呈容性，可调节其特性以补偿导线残余的电感效应。而且，所述残余线在DCS波段有很高的阻抗，有助于增加上述波段连接器之间的隔离度。
在图7和图8中，复式多三角形天线的该特定实施例的典型辐射性能被给出。在图7中给出了GSM和DCS波段上的ROE，典型值低于1.5。在两个波段上的辐射方向图在图8中给出。可以清楚地看到，这两种天线在垂直于天线方向均通过主瓣辐射，而在水平方向两个方向图都是瓣状地，典型地3dB波束宽度为65°。在两个波段上的典型方向性均为8.5dB。
在根据附图充分描述了本专利申请的要点之后，可以理解，假
在根据附图充分描述了本专利申请的要点之后，可以理解，假定本发明的如后面权利要求中所总结的要素被改动，则任何细节的修正都可能被适当地引入。

Claims (15)

1“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”用在这两种蜂窝电话系统的基站中，为任意类型的用户提供无线覆盖，该天线包含一个由导体或超导材料制成的辐射元，一个连接网络和一个接地板，其特征在于辐射元呈多三角形形状，它表现为包含一些通过各自顶点互连的三角形且外轮廓也呈三角形的结构。
2“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求1中所声明的，其特征在于多三角形单元包含通过顶点互连的三个三角形。
3“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求1或2中所声明的，其特征在于在单极性配置中多三角形单元垂直于接地板安装。
4“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求3中所声明的，其特征在于在GSM和DCS波段上，天线辐射方向图在水平面上是全向的，在垂直面上是瓣状的。
5“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求3或4中所声明的，其特征在于为在GSM和DCS系统的一个蜂窝内提供全向方向图覆盖，天线水平于与地面并行的接地板安装。
6“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求3或4中所声明的，其特征在于多三角形单元的外形是一个高为11.2cm的等腰三角形，并且，形成该结构的三个三角形中较大的一个是高为8cm的等腰三角形。
7“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求1或2中所声明的，其特征在于多三角形单元包含三个三角形并且在类似补丁的天线配置中平行于接地板安装。
8“用于GSM和DCS蜂窝电话地复式多三角形天线”正如在权利要求7中所声明的，其特征在于天线的主波束指向与接地板垂直的方向，在GSM和DCS波段上，在水平面内有3dB宽度为65°的瓣状方向图。
9“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求8中所声明的，其特征在于为了在GSM和DCS蜂窝电话系统的一个蜂窝内提供瓣状覆盖，天线与固定在墙壁、立柱或接线柱上的接地板一起垂直地安装。
10“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求7或8中所声明的，其特征在于多三角形单元的外形是一个高为14cm的等腰三角形，形成该结构的三个三角形中较大的一个是高为11cm的等腰三角形。
11“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求7或8中所声明的，其特征在于对于GSM和DCS天线的连接是在两个不同的点上完成的，天线为每个波段提供一个单独的连接器。
12“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求1或2中所声明的，其特征在于通过标准的分接网络，天线可用一个或两个连接器重新配置(为GSM和DCS的每一波段配置一个)。
13“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求6或10中所声明的，其特征在于如果导体多三角形单元是印制在折射率大于1的绝缘介质上，三角形尺寸可重新调整10-20％。
14 “用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如在权利要求1或2中所声明的，其特征在于通过给多三角形单元增加一个感应环路可减小整个天线的尺寸。
15“用于GSM和DCS蜂窝电话的复式多三角形天线”正如
在权利要求1或2中所声明的，其特征在于通过切割三角
形靠近馈入点的顶点，可调整第一个波段的阻抗。
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