基站天线带状线双工器的制作方法

基站天线带状线双工器
发明领域
1.本发明涉及到频带选择器，例如滤波器和装在导电外壳内具有金属带状线的双工器。


背景技术：

2.现代移动通信市场需要可以在多个频段运行的天线。这种天线由辐射单元和波束形成网络组成，波束形成网络包含许多无源组件，无源组件又包含滤波器装置如滤波器和双工器。基站天线的所有配件(包括双工器)，必须具备低水平的无源互调的特性，并通过直接焊接到这些元件的特殊同轴电缆连接到天线的其他元件。双工器的尺寸必须小到可以装入塑料天线罩内的特定空间里，以保护天线免受恶劣天气的影响。与此同时，双工器必须具备低插入损耗和低生产成本的特性。
3.为了改善滤波器的频率特性并减小尺寸，市场上开发了很多不同类型的滤波器。例如，参见2001年，j.s.hong和mj lancaster，题为“用于射频/微波应用的微带滤波器”，john wiley&sons，isbn(国际标准书号)：0-471-38877-7一书。传统印刷电路板技术制成的带状线的滤波器生产成本低，但是当通带和阻带被窄频带分开时，插入损耗非常大。因此需要有导电外壳的金属带状线来降低插入损耗。包含主传输线和与主线并联的开放式短截线的通带滤波器最适合生产制造，因为设计最简单。专利us5015976、us 5192297和us 5291161描述了对此类滤波器的几种修改。但当通带和阻带被窄频带分开时，这种滤波器也不能使用，因为有开放式短截线的一些带状线的阻抗过高且通过冲压的方式无法生产制造细窄的金属带状线。因此，具备通带和阻带被窄频带分开的特性的滤波器和双工器需包含空腔谐振器，许多专利申请中例如专利us3448412、us 6735766、ep 2928011 a1、ep 3104452 a1、ep 3179552 a1都对此有所描述。因为腔谐振器的制造比带状线的制造更复杂，所以导致这种带空腔谐振器的双工器的生产成本远高于带带状线的双工器的生产成本。
4.由于现代无线通信行业需要大量双工器，因此需要研发一种设计简单同时具备低插入损耗和低生产成本特性的双工器。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种设计简单的双工器，可以通过宽度为5-10％的频带将两个宽度为10-15％的频带分开，并且具备低水平的无源互调，低插入损耗以及低生产成本的特性。例如，为了降低双工器的生产成本和插入损耗，现代通信行业广泛地使用了分离频段频率为698-806和880-960mhz的双工器。
6.为了达到本发明的目的，本发明的双工器包括用于低频段的带通滤波器和高频段的带通滤波器，共同连接到靠近双工器的公共端口，该滤波器由分支带状导体形成，所述分支带状导体位于两个泡沫介电基片之间，泡沫介电基片放置在矩形导管形状的导电外壳里，导电外壳的壁上具有开口。所述分支带状导体形成串联连接的多部分传输线和与串联
连接的多部分传输线并联的四个开放式短截线，形成了低频段的两个衰减极点和高频段的两个衰减极点。分支带状导体是由整块金属板制成，独立于导电外壳，其底端只与同轴电缆的内导体相连，同轴电缆连接到双工器的公共端口和输出端口。
7.所述低频带通带滤波器的至少一个开放式短截线呈扁平螺旋状，且所述低频带通带滤波器的至少两个串联的传输线部分的长度小于低频带和高频带之间的中频段的波长的0.08，并且阻抗至少比连接到双工器的公共端口和输出端口的同轴电缆的阻抗高两倍。形成高频带的通带滤波器的两个串联的传输线部分的长度大于低频带和高频带之间的中频段的波长的0.3。
8.双工器包含带状线部分，位于双工器的公共端口和两个滤波器的连接点之间，形成传输部分，该传输部分的阻抗低于连接到双工器的同轴电缆的阻抗。分支带状导体通过介电插销固定在泡沫介电基板上。
9.双工器不包含相互接触的金属部件，因为分支带状导体是整片金属制成，与导电外壳隔离开。由于这种简单的设计，与已知的具有通过螺钉压在一起的盖的导电外壳以及压入或焊接到导电外壳的短路式短截线的双工器相比，该双工器具备较低水平的无源互调和低生产损耗。
10.螺旋形状的带状线的宽度比直线和弯曲形状的带状线的宽度宽两倍以上，使得其形成具有高阻抗的开放式短截线。因此，与使用直线或者弯曲形状的开放式短截线的双工器相比，本发明的双工器具备更低的插入损耗优势。而且，与具有非常窄的开放式短截线的已知双工器相比，本发明所描述的双工器的匹配更少地依赖于生产公差。其他带状线的弯曲形状允许减小双工器的尺寸。通过冲压制成整块金属并由泡沫介电基板支撑的分支带状导体提供了非常小的生产公差，因此所提供的双工器的制造无需调谐程序，也不包含调谐螺钉。因此，其生产成本低于已知双工器的生产成本。
附图说明
11.图1a是第一类带有主线和开放式短截线的通带滤波器的带状线的顶视图，在美国专利52911611(现有技术)中对此有所描述，图1b显示其插入损耗的频率特性在高于通带的频带上急剧增加。
12.图2a是第二类带有主线和开放式短截线的通带滤波器的带状线的顶视图，在美国专利52911611(现有技术)中对此有所描述，图2b是显示其插入损耗的频率特性在低于通带的频带上急剧增加。
13.图3是本发明的双工器的示意图。
14.图4是图3示意图中的双工器的s11,s21和s31频率特性图，其中长度ln和传输阻抗zn来自表1。
15.图5a是表1中长度为l3和阻抗为z3的直开放式短截线的顶视图。
16.图5b是提供如图5a所示的开放式短截线s11,s21相同共振频率和陡度频率特性的扁平螺旋俯视图。
17.图5c是图5a和图5b中所示的直开放式短截线和扁平螺旋的s11、s21频率特性图。
18.图6是本发明第一优选实施例双工器的分支带状导体的顶视图。
19.图7是本发明第一优选实施例的双工器的外壳的立体图。
20.图8是本发明第一优选实施例的用于支撑双工器的带状线的泡沫基材的立体图。
21.图9是本发明的具有连接到端口的同轴电缆的双工器的第一优选实施例的侧视图。
22.图10是图7所示双工器的第一优选实施例的横截面图。
23.图11是具有图6所示带状线的双工器的s11、s21和s31实测频率特性图。
24.图12本发明双工器的第二优选实施案例的带状线的顶视图。
25.图13是本发明的具有连接到端口的同轴电缆的双双工器的第三优选实施例的立体图。
具体实施方式
26.应当知悉，本发明不限于上述附图所公开的特定形式。本发明将涵盖落入所附权利要求范围内的所有改动、等同和替代形式。
27.本发明的目的是降低用于现代移动通信的698-806和880-960mhz频带和由5-10％频带分隔的其他10-15％频带的双工器的生产成本和插入损耗。
28.已知的滤波器如图1a和图2a所示，由具有输入端口和输出端口的主传输线和与主传输线并联电连接的开放式短截线组成。如图1b所示，这种结构的滤波器可以形成插入损耗在高于通带的频带上急剧增加的频率特性，而如图2b所示，其插入损耗的频率特性在低于通带的频带上急剧增加。因此，图1a和2a中所示的滤波器可以用作分离成两个频带的双工器的高频带滤波器和低频带滤波器。
29.本发明对许多不同的图表进行了计算和优化，以找到兼具低插入损耗和小尺寸的双工器的最佳结构。图3所示的示意图被认为是可以降低插入损耗和最小尺寸的双工器结构，与现有技术相比，双工器中每一个并联到串联的带状线的滤波器只包含两个开放式短截线。图4是图3所示的双工器样品s11,s21和s31实测频率特性图。表1显示形成图4所示的频率特性的双工器的主传输线的长度ln和阻抗zn。表1的最后一行数据显示形成图3所示示意图的元件的带状线的宽度。宽度wn是根据厚度为0.5毫米的带状线计算的，该带状线设置在位于导电外壳内的泡沫介电基板之间，泡沫介电基板的介电渗透率为1.06，导电外壳的宽壁的距离为7毫米。
30.表1
[0031][0032]
遗憾的是，经过计算，该双工器不适合批量生产，因为宽度只有0.75毫米的最窄带状线n3无法通过冲压制成。需要增加导电外壳的宽壁之间的距离，以使带状线n3宽度更宽，但同时所有其他带状线也将更宽。结果就会导致双工器的尺寸将大于规定的尺寸。
[0033]
经过进一步研究，发现了增加带状线宽度的新方法，就是形成具有高阻抗的开放
式短截线。对扁平螺旋形状的开放式短截线的频率特性的研究表明，宽度是直线带状线两倍的扁平螺旋具备更窄的频率特性，接近衰减极点。具有0.75mm宽度的直开放式短截线和具有1.5mm带状线宽度和1.5mm匝间距离的扁平螺旋形状的开放式短截线如图5a和5b所示。图5c显示了在相同频率888mhz处具有衰减极点的这些开放式短截线模拟频率特性s11和s21。与800-960mhz频段的直线带状线相比，扁平螺旋线的衰减大约少2db。这意味着狭窄的直开枝可以被宽度超过2倍的扁平螺旋代替。可以通过与形成双工器的其他带状线一起冲压来制造具有这种尺寸的扁平螺旋形，因此这种双工器的制造成本低廉。图3中所示的双工器的一些开放式短截线被弯曲成扁平螺旋形状，而其他开放式短截线和带状线被弯曲成曲折形状以减小双工器的尺寸。
[0034]
图6是形成具有输入端口1a、低频带端口1b和高频带端口1c的双工器的分支带状导体1的顶视图。分支带状导体1形成具有扁平螺旋形状的开放式短截线2和曲折形状的开放式短截线3a-3c。分支带状导体1包含用于将分支带状导体1固定到泡沫介电基板5的介电插销6的孔4。
[0035]
图7示出了根据本发明的双工器的第一优选实施例的金属外壳7。金属外壳7包含由两个宽壁9和10以及两个窄壁11和12形成的空腔8。窄壁11包含具有纵向狭缝19的纵向空腔20。开口13a-13c贯穿空腔8的内部。壁11中的开口14a-14d在开口13a-13c附近切割纵向空腔20。
[0036]
图8是包括设置在两个介电泡沫基板5a和5b之间并通过介电插销6与它们固定的分支带状导体1的组件的立体图。
[0037]
图9是包括图6-图8所示元件的双工器的第一优选实施例的侧视图。图8所示的组件安装在图7所示的金属外壳7的空腔8内，并朝开口13a-13c移动，将其端部1a-1c相应地放入开口13a-13c，与具有纵向狭缝19的纵向空腔20相对放置。
[0038]
图10是示出根据本发明的双工器的第一优选实施例的立体图，双工器的同轴电缆16a连接到双工器的输入端口并且同轴电缆16b和16c相应地连接到低频带端口和高频带端口。同轴电缆16a和16c通过开口14d安装到纵向空腔20中。图8所示的组件安装在外壳7内。分支带状导体1的端口1a-1c在开口13a-13c中并焊接到同轴电缆16a-16c的内导体15a-15c。同轴电缆16a-16c的外导体18a-18c放置在纵向空腔20的内部。它们设置在开口13a和14a、13b和14b以及13c和14c之间的部分被焊接到纵向空腔20。焊料穿过纵向狭缝19渗透到纵向空腔20中。开口14a-14c将纵向腔体20的焊接部分与其他部分分隔开，防止从焊接部分散热。因此，焊接过程需要较少的热量。保护管17a-17c覆盖外导体18a-18c，并在焊接端附近提供支撑，以防止外导体18a-18c在振动时破裂。此外，保护管17a-17c将外导体18a-18c的未焊接部分与外壳7隔离，排除两个金属元件的接触。因此，双工器提供低水平的无源互调。
[0039]
图11是图6-10所示的双工器的s11、s21和s31实测频率特性。双工器的测量样本在低频段和高频段之间提供-30db隔离度，-20db回波损耗。插入损耗小于0.5db，不包括电缆插入损耗。外壳7的尺寸为196x50x10mm。
[0040]
图12是根据本发明的双工器的第二实施例的分支带状导体22的顶视图，其设计用于另一频带和具有另一尺寸的外壳。端口22a是输入端口，端口22b和22c相应地是低频带端口和高频带端口。分支带状导体22包含扁平螺旋形状的开放式短截线23a-23c和扁平曲折
形状的开放式短截线24。分支的带状导体22包含孔25，用于通过介电插销将带状导体22固定到介电泡沫基材上。
[0041]
图13是根据本发明的双双工器的第三优选实施例的立体图，其中两个双工器的分支带状导体和泡沫基板被安装到金属外壳21的宽腔26a和26b中，并且被宽的公共壁30隔开。同轴电缆28a-28c和29a-29c安装在圆形空腔27a和27b中。同轴电缆28a-28c和29a-29c的外导体相应地焊接到圆形空腔27a和27b。电缆28a-28c的内导体31a-31c相应地焊接到分支带状导体22的端口22a-22c。电缆29a-29c的内导体32a-32c相应地焊接到第二分支带状导体33的端口33a-33c。第二分支条状导体33与分支条状导体22尺寸相同。
[0042]
双工器的这种设计对于制造辐射具有两个倾斜极化的电磁波并且包含用于每个极化的波束形成网络的现代基站天线非常有用，因为包含两个双工器的金属外壳21允许减小波束形成网络的尺寸和降低制造成本。同时，根据本发明的双工器具备低插入损耗和低水平的无源互调特性。