CN100380736C - 多层缝隙耦合的天线装置 - Google Patents

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Abstract

多层缝隙耦合天线装置采用至少两对缝隙-馈电线对的推挽结构，由此馈电线由公共信号源进行驱动，并被配置成为很大地补偿由于层偏移造成的天线中心频率和输入阻抗的改变。

Description

多层缝隙耦合的天线装置
本发明涉及多层缝隙耦合的天线装置，其中通过被形成在金属化层上的缝隙在信号端口与天线单元之间传送能量。
从信号源对天线单元的馈电通常可通过传导(即，在源与单元之间的直接连接)或通过电磁耦合过程而进行，后者包括所谓的缝隙耦合技术。虽然前者本身简单，以及可以在单层组件中实现，而后者需要使用多层的金属化加电介质的结构。
多层缝隙耦合天线结构本身是熟知的，其中一个例子显示于图1a和1b。在图1a和1b上，多层结构包括一个基片(电介质载体或泡沫材料)10和两个电介质层11，12。信号馈送线13被夹在基片与电介质层11之间，接地面14被夹心在电介质层11与12之间，在接地面上形成一个缝隙或孔15。最后，天线单元(“贴片”)16被沉积在电介质12的上表面，而基片的下表面可配备有接地金属化层17。
从这种结构得到多个好处。首先，因为较大部分馈电线通过接地金属化层而与天线贴片隔离开，来自该装置的寄生辐射被减小。在接地面14的两边也有可能采用不同的电介质材料，例如具有不同的介电常数的电介质材料，这样，电电介质的性能可以对于天线装置的信号馈送部件与天线部件都进行最佳化。缝隙的尺寸被定为使得它不引起谐振。而且，因为耦合是通过缝隙的辐射，而不是通过导体的传导，所以可以避免需要贯穿接触(“通孔”)和容纳它们的开孔。
FR2666691给出了一种多层微波槽耦合天线，该天线具有互相平行并且相对于接地面上的对称轴线对称地放置的两对槽，这两对槽放置限定于所述接地面内。每个槽与一馈电线相连，并且所述馈电线以90°横跨横跨相应的槽。在工作时，第一频率的第一信号通过一对馈电线中的一条馈电线馈送，而具有相同频率但有90°相移的第二信号通过一对馈电线中的另一条馈电线馈送。可将第二频率的信号施加到与另外一对槽相关的馈电线。
US5844523公开了一种槽耦合天线装置，它采用一种具有可变介电损失的热塑弹性体，该热塑弹性体用作夹在微带馈电线和包括所述槽的导电层之间的电介质层。
然而，使用与直接耦合结构不同的缝隙耦合结构的一个具体的缺点是，在多层组件制造过程中不可避免地引入的公差会造成天线性能的恶化，这主要影响天线工作的中心频率和它的输入阻抗特性。
按照本发明的第一方面，提供了多层缝隙耦合天线装置，依次包括：天线单元；第一电介质层；接地面，其具有形成于其中的第一和第二耦合缝隙，每个第一和第二耦合缝隙包括细长孔口，所述第一耦合缝隙的细长孔口与第二耦合缝隙的细长孔口互相间隔开并互相平行延伸；第二电介质层；以及与相应的耦合缝隙相联系的第一和第二馈电线，其特征在于，第一和第二馈电线借助于功分器被连接到信号馈送端口，且馈电线被配置成使得每个馈电线具有一个远离于信号馈送端口且与其相应缝隙正交地横跨该缝隙的部分，所述部分互相指向相反方向，使得信号以相反的相位从所述部分耦合到天线单元，其中功分器被配置成使得在使用时施加到信号馈送端口的信号在馈电线之间基本上相等地被划分，并且在缝隙处的所述馈电线部分的信号相位是反相的。因为耦合缝隙沿互相间隔开并互相平行的方向延伸，并且馈电线的所述部分正交地横跨它们各自的耦合缝隙并指向相反方向，信号从所述馈电线以相反的相位(π弧度，即推挽方式)耦合到天线元件。此外，功分器被配置成确保信号出现在所述槽处的馈电线部分。因为在天线制作期间馈电线相对于它们相应耦合缝隙的任何共同横向位移将在相反的意义上影响耦合，由此减小任何位移的影响。
有利地，在一个实施例中，第一和第二耦合缝隙的细长孔口各沿公共轴放置，馈电线的自由端位于公共轴的相对侧。
替换地，第一和第二馈电线的自由端指向互相远离的方向。
在再一个实施例中，第一和第二馈电线具有与各馈电线相应的耦合缝隙的细长孔口正交的各自的第一部分，和与各馈电线相应的耦合缝隙的细长孔口平行的各自的继续部分。
有利地，天线装置还包括被形成在接地面上的第三或多个耦合缝隙，以及与各个第三或多个耦合缝隙有关并被连接到至少一个另外的信号馈送端口的第三或多个馈电线。
在具体的优选实施例中，天线装置包括第三和第四耦合缝隙以及各自有关的第三和第四馈电线，第三和第四馈电线藉助于另一个功分器被连接到另一个馈电端口。
对于这样的结构，天线单元在形式上有利地是矩形，第一和第二耦合缝隙彼此相对地靠近矩形单元的两个边缘放置，第三和第四耦合缝隙彼此相对地靠近矩形单元的另两个边缘放置，所述第三和第四馈电线具有被放置成与其相应的耦合缝隙垂直的部分。
现在参照附图，仅以举例方式，描述本发明的实施例，其中：
图1a和1b分别以截面侧视图和分解平面图显示传统的多层缝隙耦合天线装置的结构；
图2显示馈电线在仅仅一个方向上相对于缝隙的放置时相反方向的误差(偏移)的状况；
图3a和3b分别是输入反射系数相对频率的曲线图和思密斯圆图(Smith Chart)，分别涉及到由于偏移引起的已知的天线装置的特定的实现方案的性能的改变；
图4是按照本发明的天线装置的第一实施例；
图5a和5b分别是关于图4的天线装置的输入反射系数对频率的曲线图和思密斯圆图；
图6是按照本发明的天线装置的第二实施例；
图7是本发明的第二实施例的备选版本；
图8是按照本发明的天线装置的第三实施例；以及
图9是按照本发明的天线装置的第四实施例。
现在藉助于图1a，1b，和2说明在多层组件制作中的公差的影响。
在按照本发明的天线装置的生产中的制造步骤(在一个实现方案中)为如下：(a)馈电线13被沉积在电介质11上，留下未金属化的电介质11的另一个面；(b)接地面14被沉积在电介质12上，然后在接地面上形成缝隙15；(c)贴片16被沉积在电介质12的另一个面；(d)基片10的一个面被完全金属化17，另一个面留下未被金属化。最后，(e)电介质11，电介质12和基片10例如通过粘结过程互相被固定在一起。这引起的问题是：电介质11和12互相之间的精确的定位不能保证，这造成先前提到的公差。定位误差、位移或“偏移”可以沿天线贴片16的面在两个方向上发生，这被显示于图2，图上偏移方向被表示为x和y。虽然通常希望避免在这些方向的任一个方向上的偏移，但在x方向上(即，垂直于缝隙)的偏移是特别要避免的，因为它们导致天线谐振频率的很大的失谐，或以不同的术语表示，导致天线输入阻抗的显著的改变。这些影响在更高频率上甚至是更显著的。
在图3a和3b中显示对于天线性能的恶化影响的具体的例子，这关系到约28GHz(28.42GHz)的标称天线工作频率和在x方向上+/-150μm的层的位移或“偏移”。相对频率的输入反射系数特性的改变是图3a的主题，在图上可看到，特性上的大约39dB的下降在零偏移时达到，当出现所述的偏移时，情形变坏达16与19dB之间。而且，天线的中心频率由于该偏移从它的标称值(28.42GHz)移到这个标称值的任一端的数值，谐振频率的全部范围近似为450MHz。相同的情形以不同的形式显示于图3b的思密斯圆图。
已经发现，性能的这种恶化是由于馈电线起到具有某个标称阻抗特性的分支线的作用。分支线的长度的任何变化将改变这些特性，因此，影响天线装置的总的运行。
由本发明提供的解决方案是利用与各个缝隙相结合的至少两个馈电线，以及将这两对或多对部件布置成以推挽结构工作，由此抵消组件层中的任何偏移。
图4上显示体现本发明的天线结构的第一个例子，图中贴片16的轨迹包括两个缝隙20，21和两个分别相关的线22，23。馈电线22，23被连接到用于阻抗变换的各个传输线24，25，后者又被耦合到线段27，它的自由端用作为端口35。部件24，25和27一起代表功分器26，正如在本例的情形下，它可采用熟知的畸形的T接头的形式。
在使用时，输入信号在端口35开始，并被分成两个部分，分别由线22和23载送。在本发明的优选实施例中，观察到两个条件，现在结合两个虚拟端口(在线22上的端口36和在线23上的端口37)的存在说明这两个条件。第一条件是从端口35发送到端口36的功率的幅度基本上等于从端口35发送到端口37的功率的幅度。以S参量(传输幅度)表示：
|Sport36，port35|(dB)＝|Sport37，port35|(dB)＝-3dB(无损耗)
另外，在缝隙20，21下的推挽馈电的方式下，在端口36处的相位与在端口37处的相位相比较之间的差别是|π|。以S参量(传输幅度)表示：
相位(Sport36，port35)-相位(Sport37，port35)＝|π|
在缝隙20，21下的推挽信号与相反的馈电方向(从左端的端口36，从右端的端口37)相组合，导致贴片16通过两个缝隙20，21的附加馈电。天线装置的各个部件的实际实现方案，即，馈电线的长度d，c，缝隙的长度和宽度，在缝隙外的耦合线的延伸臂d，b，畸形的T接头的宽度h，j，k，边缘的长度f，g等的确定，将遵循早已很好地建立的原理，例如，在J.R.James和P.S.Hall的“Handbook of MicrostripAntennas”，Peter Peregrinus，London，1989中列出的，在本专利申请中不再描述。
为了节省组件中的空间，缝隙20，21在每个末端处提供以延伸部分28，29，这用来增加缝隙的有效长度，通过例如在Jean-FrancoisZurcher和Fred E.Gardiol的“Broadband Patch Antennas”，ArtechHouse，Boston，1995中描述的方式。
通过刚才描述的结构，在x方向上的任何偏移将影响串联的两个缝隙(推挽结构)，这导致一个分支的伸长和另一个分支的相应的缩短，结果，最后净影响被大大地减小，且天线装置的频率和阻抗特性被保持为几乎是恒定的。图5a和5b以曲线图/圆图的形式显示最后得到的性能，在图上可以看到，在输入反射系数上所需要的下降，虽然在全部三种情形下(即，-150μm，0μm，和+150μm)不绝对是恒定的，但无论如何远低于被偏移影响的。在全部偏移范围内输入阻抗的实际改变现在约为50.6Ω-48.1Ω＝2.5Ω，仅仅是5.0％的改变。这应当与在未补偿的结构(图3a和3b)中在57.7Ω与41.4Ω之间的变化(32.6％)相比较。中心频率的相应的改变是40MHz，与未补偿情形下的1.58％相对照，它合计只有0.14％改变。
图6和7上显示本发明的两个替换的实施例，其中这时缝隙30，31在x方向上占用贴片16的大多数长度，以及馈电线32，33/40，41沿y方向上延伸。在本例中补偿的偏移将位于y方向，而不是x方向。再次地，馈电线的驱动将理想地遵从先前所述的两个与相位和幅度有关的条件。
虽然至今为止只显示和描述了具有两对馈电线和缝隙的天线装置，但本发明确实也设想使用两对以上的馈电线和缝隙。图8上显示本发明的实现方案，包括以推挽方式运行的一对馈电线/缝隙结构42，43，这正如已结合其他实施例描述的，以及附加的馈电线/缝隙结构44，它虽然没有对偏移补偿效果作出贡献，但无论如何确实提供给天线以按相对的极化(即，在x方向)运行的信号馈送，这样做的好处是，贴片可用两个不同的频率被馈电。给天线馈电是两个端口45，46。在图9中，另一个实施例采用按一种极化配置的缝隙/馈电线对50，51，和按另一种极化配置的缝隙/馈电线对52，53，同时输入信号被加到各个端口54和55，信号再从这些端口以推挽方式被加到各个馈电的缝隙-横截部分。现在在x和y方向进行补偿偏移。正如在图8的结构中，两个端口可被做成载送不同的频率，但这时这两个馈电信号被做成对于它们各自的有关的偏移基本是不敏感的。

Claims (7)

1.多层缝隙耦合天线装置，依次包括：
天线单元(16)；
第一电介质层(12)；
接地面(14)，其具有形成于其中的第一和第二耦合缝隙(20，21；30，31)，每个第一和第二耦合缝隙包括细长孔口，所述第一耦合缝隙的细长孔口与第二耦合缝隙的细长孔口互相间隔开并互相平行延伸；
第二电介质层(11)；以及
与相应的耦合缝隙相联系的第一和第二馈电线(22，23；32，33)，
其特征在于，第一和第二馈电线借助于功分器(25，26，27)被连接到信号馈送端口(35)，且馈电线被配置成使得每个馈电线具有一个远离于信号馈送端口且与其相应缝隙正交地横跨该缝隙的部分，所述部分互相指向相反方向，使得信号以相反的相位从所述部分耦合到天线单元，其中功分器被配置成使得在使用时施加到信号馈送端口的信号在馈电线之间基本上相等地被划分，并且在缝隙处的所述馈电线部分的信号相位是反相的。
2.按照权利要求1所述的天线装置，其中所述第一和第二耦合缝隙的细长孔口(20，21)各沿一公共轴线放置，馈电线的自由端位于公共轴线的相对侧。
3.按照权利要求1所述的天线装置，其中第一和第二馈电线的自由端指向互相远离的方向。
4.按照权利要求1所述的天线装置，其中第一和第二馈电线(32，33)具有与各馈电线相应的耦合缝隙的细长孔口正交放置的各自的第一部分(40，41)，和与各馈电线相应的耦合缝隙的细长孔口平行放置的各自的继续部分。
5.按照权利要求1所述的天线装置，还包括被形成在接地面上的第三或更多个耦合缝隙，以及与各个第三或更多个耦合缝隙有关并被连接到至少一个另外的信号馈送端口(46)的第三或更多个馈电线。
6.按照权利要求5所述的天线装置，包括第三和第四耦合缝隙以及各自相关的第三和第四馈电线，所述第三和第四馈电线借助于另一个功分器被连接到另一个馈电端口。
7.按照权利要求6所述的天线装置，其中天线单元在形式上是矩形，所述第一和第二耦合缝隙(50，51)彼此相对地靠近矩形单元的两个边缘放置，所述第三和第四耦合缝隙(52，53)彼此相对地靠近矩形单元的另两个边缘放置，所述第三和第四馈电线具有被放置成与其相应的耦合缝隙垂直的部分。
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