CN100431219C - 多点馈电的宽带悬挂式平板天线 - Google Patents

Abstract

公开一种悬挂式平板天线的馈电结构(102)以增强这种天线的阻抗带宽性能。在这些馈电结构中的任何结构中，多维宽带阻抗变换器(104)与悬挂式天线(102)集成。阻抗变换器(104)电连接悬挂式平板天线的辐射板(106)和馈电探针(110)。结果，增加了阻抗带宽。此外阻抗变换器的多维设计是可变的，以便能灵活设计和调节馈电结构。

Description

多点馈电的宽带悬挂式平板天线

技术领域

一般地说本发明涉及一种天线。具体地说，本发明涉及一种宽带悬挂式平板天线。

背景技术

快速发展的现代无线通信系统要求尺寸小、成本低、性能好且易于制造和集成的天线。微型化或紧凑的天线适合于实现通信装置的可移动性和基站天线的分区。易于制造和廉价的材料降低了工业应用的天线成本。为满足现代无线通信系统所要求的性能标准，越来越需要使天线带宽更宽并且提出课题。

基本形式的常规平面天线比如微带接线(microstrip patch)天线、平面反向L-或F-天线(ILA或IFA)和悬挂式平板天线都具有固有的窄阻抗带宽，通常仅为百分之几。常规的平面天线的窄阻抗带宽限制了常规的平面天线的宽带应用。

为解决窄阻抗带宽的问题，已经提出了宽带平面天线的设计的某些技术。

对于微带接线天线，比如寄生元件的增加、从电学上为厚的基片的使用和匹配网络的引入的技术已经被广泛使用。对于2∶1的电压驻波比(VSWR)，对于单层单元件设计的增强阻抗带宽通常小于10％。

对于平面ILA或IFA，通常利用以平面辐射器替代导线ILA或IFA的导线辐射器和/或装配具有高介电常数的材料的技术。对于2∶1的VSWR，改善的阻抗带宽大致也是10％。

对于具有低电介质常数的厚基片的悬挂式平板天线，已经引入了对平板开缝或开槽以及在悬挂式平板天线的平板和探针之间电磁耦合以在宽带应用中实现良好的匹配条件。对于2∶1的VSWR，改善的阻抗带宽的范围大约为10％-40％。

然而，所提出的解决窄阻抗带宽问题的每种技术都存在缺陷。

对于微带接线天线，增加寄生元件会在竖向上或横向上增加尺寸、成本和制造的复杂性。使用从电学上为厚的基片增加了成本，并且由于增加了表面波和介电损耗降低了辐射效率。引入匹配网络降低了辐射效率并使天线的设计和制造复杂。对于单层单元件设计，限制了可实现的阻抗带宽，对于2∶1的VSWR，通常小于10％。

装配具有高介电常数的材料的平面ILA或IFA的尺寸较大和成本较高。对于2∶1的VSWR，可实现的阻抗带宽是大约10％。

在应用各种阻抗匹配技术之后，对于2∶1的VSWR，悬挂式平板天线使阻抗带宽增宽了大约10％-40％。

在美国专利US4,605,933中，引入阻抗接片(tap)以增加悬挂式微带天线的阻抗带宽，其中在悬挂式微带天线的馈线附近的接地面部分上升并平行于天线的辐射器。对于2∶1的VSWR，阻抗带宽增加到70％。然而，结果制造的复杂性以及阵列应用的难度也增加。

显然需要一种增加悬挂式平板天线的阻抗带宽的馈电(feeding)结构。

本发明的概述

下文公开了一种悬挂式平板天线的馈电结构以增强这种天线的阻抗带宽性能。在应用这些馈电结构中的任何结构时，多维宽带阻抗变换器与悬挂式平板天线集成在一起。阻抗变换器电连接悬挂式平板天线的辐射板和馈电探针。结果，增加了阻抗带宽。阻抗变换器的多维设计可变化以便能灵活设计和调节馈电结构。

通过多维宽带阻抗变换器，向辐射板在多点比如线和面上馈电。即使馈电探针是常规的窄或薄的馈电探针，这种馈电技术仍然能够保证同时激励在不同的位置上的辐射板。

辐射板可以是矩形、圆形、三角形、蝴蝶结形(bow-tie-like)、梯形等几何形状中的任何形状或组合。辐射板也可以包括竖向和横向的寄生元件的任何元件或组合。辐射板也可以是平的或是不平的。辐射板也可以被开槽或开缝。辐射板也可以通过一个或多个引线(pin)或薄片短路到悬挂式平板天线的接地面。

阻抗变换器可以电连接到辐射板的探针或其它信号馈送装置。阻抗变换器也可以被开槽或开缝。阻抗变换器也可以是一个或多个平片、一个或多个圆柱或它的一部分以及具有任意形状和截面的轮廓的一个或多个对称或非对称体中的任何一个或组合。

接地面可以是矩形、圆形、三角形、蝴蝶结形、梯形等几何形状中的任何形状或组合。接地面也可以是平的或是不平的。接地面也可以是无限的或有限的。接地面也可以被开槽或开缝。

在辐射板在多个点比如不同的位置上的线或面上同时向辐射板馈电的技术可以应用到具有两个或更多个天线元件的天线阵列中。馈电技术也可以用于线性偏振(polarization)或圆形偏振应用中。馈电方案也可以用于宽带和多带或者多模式应用中。

因此，根据本发明的第一方面，公开了如下的一种宽带悬挂式平板天线。这种天线包括将信号馈送给天线的装置、接地导体和与接地导体分离的辐射元件。天线还包括通过在辐射元件上的多个馈电点电连接到辐射元件的馈电元件，其中馈电元件电连接到馈送信号的装置并与辐射元件和接地导体层叠。

根据本发明的第二方面，公开了一种如下的向宽带悬挂式平板天线馈电的方法，该平板式天线具有辐射元件和接地导体。该方法包括如下的步骤：将信号馈送到天线，将辐射元件与接地导体分离，以及提供馈电元件并通过在辐射元件上的多个馈电点将馈电元件电连接到辐射元件，其中馈电元件电连接到馈送信号的装置并与辐射元件和接地导体层叠。

附图的简要说明

下文参考附图描述本发明的实施例。

附图1a所示为根据本发明的一种实施例具有馈电结构的悬挂式平板天线的透视图；

附图1b所示为附图1a的悬挂式平板天线的方块图；

附图2a所示为根据本发明的第一实施例具有用于线性偏振操作的阻抗变换器的矩形悬挂式平板天线的正面、侧面和底面视图；

附图2b所示为在附图2a中所示的矩形悬挂式平板天线的测量的VSWR；

附图2c所示为在1.6GHz和2.4GHz的工作频率下附图2a的矩形悬挂式平板天线的测量的辐射方向图(E-平面)；

附图2d所示为在1.6GHz和2.4GHz的工作频率下附图2a的矩形悬挂式平板天线的测量的辐射方向图(H-平面)；

附图3所示为根据本发明的第二实施例具有用于圆形偏振操作的阻抗变换器的矩形悬挂式平板天线的正面、侧面和底面视图。

优选实施例的详细描述

下文描述本发明的实施例，以便对于2∶1的VSWR满足将悬挂式平板天线的阻抗带宽增加到大约60％或以上的馈电结构的需要。

根据本发明的实施例的馈电结构指一种阻抗匹配结构，该阻抗匹配结构用于进一步增强悬挂式平板天线的阻抗带宽。馈电结构进一步涉及向悬挂式平板天线馈电方法，其中悬挂式平板天线的辐射板通过馈电结构馈送信号，该馈电结构包括多维阻抗变换器。对于所有的目的，多维阻抗变换器被构造成具有这样的轮廓或横截面：在沿基本平行于辐射板的平面截取时，该轮廓或横截面显著大于常规的窄或薄的信号馈送装置比如馈电探针的轮廓或横截面。所得的阻抗带宽相对于利用这种常规的窄或薄的信号馈送装置的常规悬挂式平板天线极大地改善。

根据用于增强悬挂式平板天线的阻抗性能的本发明的各种实施例，下文参考附图1a、2a和3描述悬挂式平板天线的馈电结构。这些馈电结构中的任何一种都不同于常规的馈电结构比如同轴探针或孔耦合，因为馈电结构将馈电元件集成到悬挂式平板天线中，该馈电元件是多维宽带阻抗变换器。宽带阻抗变换器使附图1b的悬挂式平板天线的辐射元件比如辐射板和信号馈送装置比如馈电探针电互连。结果，增强了悬挂式平板天线的阻抗带宽。此外，阻抗变换器的二维或三维设计能灵活设计和调节馈电结构。

本发明的实施例固有地具有多个优点。根据本发明的实施例，增加悬挂式平板天线的阻抗带宽的馈电结构包括多维阻抗变换器。这种阻抗变换器集成在悬挂式平板天线中而不增加它的总体尺寸。阻抗变换器在结构上简单，因此有利地使馈电结构的设计灵活。此外，阻抗变换器有利于使悬挂式平板天线容易制造。

附带的馈电方法要求馈电结构在形成线或面的多个间隔开的或连续的点(连续的或其它方式的，而不是一个小点)上向辐射板馈电。这种馈电方法基于使用常规的薄馈电探针比如表面安装适配器(SMA)的同轴探针通过信号馈送装置向悬挂式平板天线馈电，并通过馈电结构在多点比如线或面上借助于阻抗变换器电连接到辐射板。在这之后使得能馈送电流以在辐射板的相应的位置上同时激励辐射板。因此，有利的是，这种馈电方法可以比仅使用窄或薄的馈电探针直接向辐射板馈电的常规馈电方法实现更宽的阻抗带宽。

借助于这种馈电方法，悬挂式平板天线的阻抗性能可以被有利地改善而不使用任何寄生元件。

下文参考附图1a和1b更加详细地描述根据本发明的一种实施例的具有称为阻抗变换器104的馈电元件的悬挂式平板天线102的结构。在悬挂式平板天线102中，用作辐射元件的辐射板106优选从电学上为薄并且导电性好，并且与接地导体比如接地面108平行悬挂。优选使用用作信号馈送装置的延伸通过馈送通孔112比如在接地面108中的孔的探针型馈电结构110。优选是导电性好的元件并且多维的阻抗变换器104将探针型馈电结构110电连接到辐射板106。辐射板106和阻抗变换器104通过从电学上为薄/厚的空气、泡沫或任何其它的有限/无限尺寸的电介质材料被完全或部分地支撑着。

辐射板106也可以是矩形、三角形、梯形、圆形、蝴蝶结形或其它变型或这些几何形状的组合。辐射板也可以包括槽口114或狭缝116。辐射板可以是平的或不平的、单层单元件，或者包括可以竖向地或横向地附着到辐射板106的层叠或寄生的元件。

阻抗变换器104的多维导电元件可以是一个或多个矩形、三角形、梯形、圆形、蝴蝶结形片或其它变型或这些几何形状和截面的组合。阻抗变换器104的多维导电元件也可以是任意轮廓(比如矩形、三角形、圆形、弯曲形等形状)和截面的一个或多个对称或非对称旋转体。多维导电元件也可以被开槽或开缝并且是平的或不平的。

附图2a所示为根据本发明的第一实施例用于线性偏振操作的带宽矩形悬挂式平板天线202。矩形悬挂式平板天线202优选是由平面导电材料形成的平面结构，并且能够在宽频率范围上实现低VSWR，对于2∶1的VSWR通常大于60％，如附图2b所示。还测量在悬挂式平板天线202的E-和H-平面中的远场辐射方向图并分别绘制在附图2c和2d中。

为简单起见，仅详细地描述在附图2a中所示的第一实施例的结构。在附图3中所示的第二实施例的结构是用于圆形偏振操作的宽带矩形悬挂式平板天线302，一般包括比如辐射板、接地面和馈电探针的部件或零件，它们具有与在第一实施例中的部件或零件类似的几何形状和截面，但除了馈电结构的形状之外。在第二实施例中这种类似形状的部件或零件因此通过对应于指示在第一实施例中的对应的部件或零件的参考标号的参考标号指示。

在附图2a中所示的矩形悬挂式平板天线202中，引入用作阻抗变换器104的多维导电元件(优选导电性好)不仅用作矩形悬挂式平板天线202的阻抗匹配元件，而且还用作馈电结构。通过以阻抗变换器204(优选是导电平面金属板)实施矩形悬挂式平板天线202，并且通过阻抗变换器204向矩形悬挂式平板天线202馈电，因此实现了具有简单机械结构的宽带悬挂式平板天线。在矩形悬挂式平板天线202的情况下，阻抗变换器204电连接到辐射元件，该辐射元件是矩形辐射板206，并通常优选以竖向方式层叠在辐射板206和的接地面208的接地导体之间。

辐射板206优选由一段合适的导电金属板构成。辐射板206可以附着到任何电介质底层或上层。接地面208与辐射板206平行并与其间隔开。辐射板206相对于接地面208设置以使在接地面208上的辐射板206的正交投影基本位于接地面208的边缘内。优选地，商用SMA连接器210用于通过电连接到阻抗变换器204的同轴探针212向矩形悬挂式平板天线202馈电，该同轴探针212延伸过在接地面208中的小孔或馈送通孔211。阻抗变换器204又沿基本直的且连续的馈线214向辐射板206馈电，由此能沿着矩形悬挂式平板天线202的馈线214馈送电流同时激励辐射板206以进行线性偏振。阻抗变换器204无论如何不电连接到接地面208。

辐射板206用作平面辐射元件并且通过阻抗变换器204沿着馈电线214向其馈送信号。为保证在附图3中所示的矩形悬挂式平板天线302中的圆形偏振操作，通过阻抗变换器304给辐射板306馈送信号，该阻抗变换器304是沿着馈线314通常竖直地方式定位到矩形悬挂式平板天线302的导电弯曲金属板，该馈线314是对应地基本弯曲且连续的线。阻抗变换器304通过从SMA连接器310延伸过在接地面308中的馈送通孔311的同轴探针312类似地馈电，并且无论如何不连接到接地面308。

在前述的方式中，公开了对于2∶1的VSWR增加悬挂式平板天线的阻抗带宽大约60％的馈电结构。描述了多种实施例。然而，显然考虑到本说明书的公开内容对于本领域普通技术人员来说在不脱离本发明的范围和精神和前提下可以做出众多改变和/或修改。

例如，辐射板可以是矩形、圆形、三角形、蝴蝶结形、梯形等几何形状中的任何形状或组合。辐射板也可以包括竖向和横向的寄生元件的任何元件或组合。辐射板也可以是平的或是不平的。辐射板也可以被开槽或开缝。辐射板也可以通过一个或多个引线或薄片短路到悬挂式平板天线的接地面。

此外，阻抗变换器可以电连接到辐射板的探针或其它的信号馈送装置。阻抗带宽也可以被开槽或开缝。阻抗变换器也可以是一个或多个平片、一个或多个圆柱或它的一部分以及具有任意形状和截面的轮廓的一个或多个对称或非对称体中的任何一个或组合。阻抗变换器也可以层叠在与接地板相对的辐射板上。阻抗变换器也可以相对于辐射元件一般地倾斜。阻抗变换器也可以通过离散或连续的线或面向辐射板馈电。

此外，接地面可以是矩形、圆形、三角形、蝴蝶结形、梯形等几何形状中的任何形状或组合。接地面也可以是平的或是不平的。接地面也可以是无限的或有限的。接地面也可以被开槽或开缝。

Claims (20)

1.一种宽带悬挂式平板天线，包括：

向天线馈送信号的装置；

接地导体；

与接地导体分离的辐射元件；和

通过在辐射元件上的多个馈电点电连接到辐射元件的馈电元件，其中馈电元件电连接到馈送信号的装置并与辐射元件和接地导体层叠。

2.如权利要求1所述的天线，其中馈电元件是多维元件。

3.如权利要求2所述的天线，其中在辐射元件上的多个馈电点形成了多维轮廓。

4.如权利要求3所述的天线，其中馈电元件是平板。

5.如权利要求4所述的天线，其中在辐射元件上的多个馈电点形成了线。

6.如权利要求5所述的天线，其中馈电元件基本为平板。

7.如权利要求6所述的天线，其中在辐射元件上的多个馈电点基本形成了直线。

8.如权利要求3所述的天线，其中辐射元件和接地导体每个基本是平的并且彼此基本平行地设置。

9.如权利要求8所述的天线，其中多维的所述馈电元件夹在辐射元件和接地导体之间。

10.如权利要求9所述的天线，其中多维的所述馈电元件相对于辐射元件的平面基本倾斜。

11.如权利要求10所述的天线，其中多维的所述馈电元件相对于辐射元件的平面基本正交。

12.如权利要求1所述的天线，进一步包括分离辐射元件和接地导体的电介质材料。

13.如权利要求1所述的天线，其中馈电元件层叠在辐射元件和接地导体之间。

14.如权利要求1所述的天线，其中多个馈电点位于辐射元件的周边内。

15.一种向宽带悬挂式平板天线馈电的方法，该平板式天线具有辐射元件和接地导体，该方法包括如下的步骤：

将信号馈送到天线；

将辐射元件与接地导体分离，以及；

提供馈电元件并通过在辐射元件上的多个馈电点将馈电元件电连接到辐射元件，所述馈电元件电连接到用于馈送信号的装置并与辐射元件和接地导体层叠。

16.如权利要求15所述的方法，其中提供馈电元件的步骤包括在辐射元件和接地导体之间层叠馈电元件。

17.如权利要求15所述的方法，其中提供馈电元件的步骤包括将多个馈电点置于辐射元件的周边内。

18.如权利要求15所述的方法，其中提供馈电元件的步骤包括提供为平板的馈电元件。

19.如权利要求18所述的方法，其中提供馈电元件的步骤包括沿一条线设置多个馈电点。

20.如权利要求19所述的方法，其中提供馈电元件的步骤包括提供基本为平板的馈电元件并且沿基本直线设置多个馈电点。

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