CN100472879C

CN100472879C - 带有曲折形带状馈电的宽带贴片天线

Info

Publication number: CN100472879C
Application number: CNB2005101142528A
Authority: CN
Inventors: 陆贵文; 黎孝华
Original assignee: City University of Hong Kong CityU
Current assignee: City University of Hong Kong CityU
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2025-10-21
Also published as: US7119746B2; US20060097921A1; CN1790809A

Abstract

一种带有曲折形带状馈电的贴片天线在这里被描述。天线包括与接地面隔开、并与所述接地面大致平行的贴片，以及位于贴片和接地面之间的馈电探针。馈电探针包括与贴片相平行、但通过不同距离与贴片隔开的至少两个部分。

Description

带有曲折形带状馈电的宽带贴片天线

技术领域

本发明涉及一种贴片天线，并且，特别是涉及一种具有相对宽的带宽以及低交叉极化的贴片天线。

背景技术

微带贴片天线近年来在多种应用领域已经变得非常普遍。它们具有很多优点，包括成本低、尺寸小和重量轻，这使得它们非常适于用在例如个人通信系统中。

常规的微带贴片天线包括给定几何形状(例如圆形，矩形，三角形)的贴片，其与接地面(ground plane)隔开并通过绝缘体与接地面分开。通常，该贴片借助带有同轴馈电的馈电探针被馈电。馈电探针可以直接或间接耦合到贴片。

现有技术

不过，微带贴片天线的一个缺点是它们具有相对低的带宽，并通常不适于宽带应用。多年来已经采用了多种方法以尝试和提高微带贴片天线的带宽。例如，现有方案已经包括增加电磁耦合到受到驱动的贴片的第二个寄生贴片(parasitic patch)(R.O.Lee，K.F.Lee，J.BobinchakElectronics Letters Sep.24，1987，Vol.23 No.20 pp1017-1072)，用电容性间隙消除探头电感，其允许使用厚衬底(P.S.Hall Electronics Letters May21，1987 Vol.23 No.11 pp606-607)，以及包括在贴片天线中的U-形狭槽(K.F.Lee et al IEE Proc.Microw.Antennas Propag.，Vol.144 No.5 October1997)。

不过，处理该问题的这些现有技术都不理想。覆盖在被驱动的贴片上面的寄生贴片的使用增加了天线的厚度，这是不希望的。电容性间隙需要被高精度地制造。引入U型狭槽给天线带来高的交叉极化，并不能被用于圆极化辐射。

现有技术的另一个例子在US 4724443 (Nysen)中被示出。Nysen描述了一种贴片天线，带状线馈电部件在其中被电磁耦合到贴片，并且，所述带(其与贴片相平行)的一个末端在其中通过同轴电缆(其对于贴片是垂直的)的内导体被连接。在该设计中，只有所述带被耦合到贴片，并且，天线的带宽不宽。

US 6593887(其内容被并入作为参考)描述了一种贴片天线，其通过布置在贴片和接地面之间的L-形的探头被驱动。探头具有对于贴片和接地面都垂直的第一部分，以及与贴片和接地面都平行的第二部分。两个部分的长度被这样选择，即，使第一部分的感抗通过第二部分的容抗被抵消。这种设计相当有效，不过，US 6593887的天线能够获得仅仅大约7.5dBi的增益，并且，天线的交叉极化保持在相当高的大约-15dB处。使用L-形的探头的概念还在K.M.Luk et al，“Broadbandmicrostrip patch antenna，”Electron.Lett.，1998，Vol.34，PP.1442-1443中被讨论。

使用现有技术处理交叉极化仍然是一个问题。相位抵消能够被用于对交叉极化进行抑制，并且，这在A.Petosa et al，“Suppression ofunwanted probe radiation in wideband probe-fed microstrip patches，”Electron.Lett.，Vol.35，pp.355-357，1999，以及Levis et al，“Probe radiationcancellation in wideband probe-fed microstrip arrays，”Electron.Lett.，Vol.36，pp.606-607，2000中被描述。该方法能够有效抑制交叉极化。不过，该方法需要宽带匹配网络，以便对所述两个带进行彼此180°反向的馈电，这就增加了天线结构的复杂性。

Chen et al，“Broadband suspended probe-fed antenna with lowcross-polarisation levels，”IEEE Trans.Antennas Propagat，.Vol.AP-51，pp.345-346，Feb.2003提出了一种悬挂式探头馈电天线，具有的阻抗带宽为20％(SWR<2)，并且交叉极化在工作带宽内小于-20dB。不过，该设计的缺点是具有延伸到贴片外面的非常长的水平带。在实际应用中，这种带将使贴片的有效投影区域对于构建天线阵列而言太大了。此外，天线增益只有5dBi，其与其他贴片天线设计相比较是较低的。

另一种处理方法在中国专利申请0410042927.8中被采用，其中，一对L-形的探头被布置在贴片和接地面之间。

发明内容

根据本发明，提供一种贴片天线，包括与接地面隔开的贴片，该贴片与接地面大致平行，以及位于贴片和接地面之间的馈电探针，其中，所述馈电探针包括与所述贴片相平行的2n个部分，以及与所述贴片相垂直的2n+1个部分，其中n大于等于2；其中，所述平行部分包括成对的部分，由此，在每对中所述部分具有相等的长度，并且，所述对的一个部分通过所述对的另一部分与接地面隔开的相同距离与贴片隔开。

根据本发明，提供一种贴片天线，包括与接地面隔开的贴片，所述贴片与所述接地面大致平行，以及位于所述贴片和所述接地面之间的馈电探针，其中馈电探针包括奇数个平行部分，其中，至少一个平行部分与贴片和接地面是等间距的，并且其中，所有其他平行部分被布置成具有相等长度的对，并且，每对的一个平行部分被布置成与贴片隔开第一距离，以及，每对的另一个平行部分被布置成与所述接地面隔开相同距离。

在本发明的优选实施例中，馈电探针的平行部分通过馈电探针的垂直于贴片延伸的部分被分开。优选的，一个这种垂直部分被形成为在其一个末端处带有同轴馈电。

在一组优选实施例中，馈电探针包括与贴片相平行的2n个部分，以及与贴片相垂直的2n+1部分(这里n是不为0的正整数)。在这组实施例中，优选的，平行部分包括成对的部分，由此，在每对所述部分中的两个部分具有相等的长度，并且，一对的一个部分通过同一对的另一部分与接地面隔开的相同距离与贴片隔开。

概括地说，优选的，所述至少两个平行部分的第一个部分通过第一距离与贴片隔开，并且，至少两个平行部分的第二个部分通过第一距离与接地面隔开。优选的，平行部分具有相等的长度，并可能具有相等或不等的宽度。

在一组优选实施例中，设置有奇数个平行部分，其中，至少一个平行部分与贴片和接地面是等间距的，并且其中，所有其他平行部分被布置成具有相等长度的对，并且每对的一个平行部分被布置成通过第一距离与贴片隔开，以及，每对的另一个平行部分被布置成通过相同距离与接地面隔开。

馈电探针可以通过延伸到贴片并与之接触的垂直部分被耦合到贴片。优选的，馈电探针可以借助平行于贴片延伸的耦合部分被靠近(proximity)耦合到贴片。

馈电探针可以采用多种不同的形式。例如，探头可以包括被集成形成的金属带。可选的，馈电探针能够通过在印刷电路板上形成的导电通道被形成。在这个后面的实施例中，印刷电路板还用作把所述贴片与所述接地面隔开。

附图说明

下面，本发明的一些实施例将参考附图以示例的方式进行描述，其中：

图1(a)-图1(d)示出了根据本发明的实施例的贴片天线的俯视图、侧视图和透视图，

图2示出了对图1的天线进行测量得到的增益和驻波比(SWR)结果，

图3示出了对图1的天线进行仿真和进行测量得到的辐射图，

图4(a)-图4(c)示出了用于曲折形带的可选形式，

图5(a)-图5(b)分别示出了根据本发明的第二个实施例的天线的透视图和侧视图，

图6(a)-图6(b)分别示出了根据本发明的另外的实施例的天线的俯视图和侧视图，以及

图7(a)-图7(b)分别示出了根据本发明的又一个另外的实施例的天线的俯视图和侧视图。

具体实施方式

首先参考图1(a)-图1(d)，其示出了根据本发明的第一个实施例的贴片天线。天线包括贴片1。如在该技术中所知道的，贴片能够是任何适宜的形状(包括例如圆形和三角形贴片)，但优选的是矩形，具有尺寸W(典型的0.3λ<W<0.75λ，这里λ是天线的预计的中心工作波长)×L(典型的0.35λ<L<0.45λ)。贴片1与接地面2相平行，并由例如泡沫隔离部件3通过距离H(0.05λ<H<0.25λ)与其隔开。接地面的尺寸并不关键，但是接地面在尺寸上应该显著地大于贴片。在图1(a)-图1(d)的实施例中，接地面具有的尺寸是G_W×G_L，这里G_W大约是1.21λ，而G_L大约是1.82λ。采用带状馈电4(下面会被更详细的描述)的形式的馈电探针被设置在贴片1和接地面2之间，并适于电磁耦合到贴片1。带状馈电4的一个末端与同轴馈电5相连。

特别是，从图1(b)和图1(d)可以看到，带状馈电4具有曲折的形式，并包括分别垂直于接地面和贴片延伸、和平行于接地面和贴片延伸的多个部分。优选的，带状馈电4通过对宽度为w_S(例如0.06λ)和厚度为t_S(例如0.0012λ)的金属带进行弯曲而被整体形成，使得其具有与接地面和贴片相垂直的三个部分，以及与接地面和贴片相平行的两个部分。例如，如图1(a)-图1(d)的实施例所示，带状馈电4包括从接地面2延伸到贴片1(但不达到贴片1)的第一个垂直部分4a，并且，第一个垂直部分4a被这样形成，即，带有在其一个末端的同轴馈电5。带状馈电4的第一个平行部分4b从远离同轴馈电的第一个垂直部分4a的末端开始，并平行于贴片延伸，通过固定距离g1(典型的0.01λ)与贴片1隔开，其长度为h2(典型的0.06λ)。接着，第二个垂直部分4c被设置成垂直于贴片1延伸并朝接地面2延伸，但通过距离g2(典型的g2＝g1)在不达到接地面处停止。然后，第二个平行部分4d被设置成平行于接地面延伸，通过距离g2与其隔开，其长度为h1(h1＝h2)。在第二个平行部分4d的末端，第三个垂直部分4e被设置成朝贴片1延伸。第三个垂直部分4e实际上与贴片1相接触，而带状馈电4借助塑料螺丝钉6被固定到贴片上，塑料螺丝钉6通过带状馈电的紧固部分4f把带状馈电4固定到贴片1上。

可以注意到，在这个例子中，带状馈电具有相同的宽度，还可以把带状馈电的不同部分形成为不同的宽度，以便提供更大的灵活性和更高的能力，以便对天线的工作参数进行控制。

为了在所述带中提供180°反向的两个电流，从而能够有利于对由带状馈电4的垂直部分4a，4c，4e导致的交叉极化辐射进行抑制，第一个平行部分4b和第二个平行部分4d与贴片1和接地面2各自的间隔(即，g1和g2)，以及平行部分4b和4d的长度(即，h1和h2)，应该是相等的，即，g1＝g2，以及，h1＝h2。不过，由于对这些参数进行改变可能使天线的工作性能得到调节，所以还可能在某些实施例中，形成彼此具有不同长度的平行部分，并且，其各自具有与贴片和接地面的不同的间隔，更为可取。

一般而言，带状馈电4能够位于贴片1和接地面2之间的任何位置。不过，优选的，它位于关于贴片1对称地位置，并且在图1的实施例中，形成带状馈电4的所述带平行于贴片的短侧L延伸，并且，带状馈电4的末端通过距离s1、s2与贴片1的长侧W是等间隔的，s1＝s2。

下面的表1给出了根据图1的实施例实施(conducted)的、并适于工作在1.85GHz的中心频率处的宽带贴片天线的典型的设计参数。

表1

图2示出了根据图1(a)-图1(d)的实施例制作的、工作在1.85GHz的中心频率处的天线进行测量得到的和进行仿真得到的增益和驻波比结果。图3示出了由相同的天线在1.56GHz，1.82GHz和2.12GHz处进行仿真得到的和进行测量得到的辐射图。如图2所示，根据试验结果，天线可以工作于从1.56GHz到2.12GHz，带宽是30.5％(SWR<2)。

图1的实施例包括带状馈电4的两个平行部分(4b，4d)，并可以被称为第一阶带。还可能形成如图4(a)-图4(c)所示的高阶带状馈电，这里，图4(a)示出了具有两个平行部分和三个垂直部分的第一阶带(同图1(a)-图1(d)的实施例一样)，图4(b)示出了具有四个平行部分和五个垂直部分的第二阶带，以及，图4(c)示出了具有六个平行部分和七个垂直部分的第三阶带。概括地说，n阶带能够被定义成具有2n个平行部分和2n+1个垂直部分。

图5示出了具有第二阶带状馈电的形式的本发明的另一个实施例。在该实施例中，馈电探针14不通过对金属带进行弯曲而被形成，而是被形成为沉积在印刷电路板15上的导电通道(例如2mm宽)。在该结构中，印刷电路板15还用作另外的隔离部件，用于把贴片11隔离在接地面12的上方(虽然也可以提供隔离部件17)，以及，印刷电路板具有厚度尺寸(has thickness a dimensions)d_L×H，这里H是贴片11和接地面12之间的间隔。在图5的实施例中，带状馈电14包括第一个垂直部分14a(同轴馈电16被形成在其一个末端)，第一个平行部分14b，第二个垂直部分14c，第二个平行部分14d，第三个垂直部分14e，第三个平行部分14f，第四个垂直部分14g，第四个平行部分14h，以及最后与贴片11相连的第五个垂直部分14i。带状馈电14的末端通过距离S与贴片11的边缘隔开。

同图1的实施例一样，平行部分的长度最好是匹配的，从而使交叉极化最小化。在该实施例中，例如，第一平行部分14b和第四平行部分14h的长度d_h1是相等的，第二平行部分14d和第三平行部分14f的长度d_h2也是彼此相等的。第一平行部分14b和第三平行部分14f通过与第二平行部分14d和第四平行部分14h与接地面12隔开的相同距离d_g与贴片11隔开。表2示出了根据图5的实施例、被设计用于1.77GHz的中心工作频率的天线的典型尺寸。

表2

在图1和图5的实施例中，带状馈电4、14被直接耦合到贴片1、11。不过，这不是必须的，带状馈电可以被靠近耦合到贴片，如图6的例子所示。在这个例子中，带状馈电24包括第一个垂直部分24a，第一个平行部分24b，第二个垂直部分24c，第二个平行部分24d，以及第三个垂直部分24e，但是，这里设置了平行于贴片21延伸、但不与贴片相接触的耦合部分24f，而不是在第三个垂直部分24e的末端把带状馈电24直接耦合到贴片21。在该实施例中，耦合部分24f与平行部分24b、24d相比较相对较长，并且，为了适应这个长度，同轴馈电25被设置在与贴片21的侧边缘相对的点上。

在所有前述的实施例中，带状馈电的平行部分被这样布置，即，使它们可选择地靠近贴片或靠近接地面。不过，图7示出了一种可选的可能的设置，其中，三个平行部分34b、34d、34f渐进地靠近接地面。在这个例子中，第一个平行部分34b与贴片31隔开的距离与第三平行部分34f和接地面32的间距相同。第二平行部分34d与贴片31和接地面32是等间距的。第一垂直部分34a与同轴馈电36相连。

Claims

1.一种贴片天线，包括与接地面隔开的贴片，所述贴片与所述接地面大致平行，以及位于所述贴片和所述接地面之间的馈电探针，其中，所述馈电探针包括与所述贴片相平行的2n个部分，以及与所述贴片相垂直的2n+1个部分，其中n是大于等于2的整数；其中，所述平行部分包括成对的部分，由此，在每对中所述部分具有相等的长度，并且，所述对的一个部分通过所述对的另一部分与接地面隔开的相同距离与贴片隔开。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈电探针的所述平行部分通过所述馈电探针的垂直于所述贴片延伸的部分被分开。

3.根据权利要求2所述的天线，其中，所述馈电探针的第一个所述垂直部分被形成为在其一个末端带有同轴馈电。

4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述平行部分具有相等的宽度。

5.根据权利要求1所述的天线，其中，所述平行部分具有不同的宽度。

6.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈电探针通过延伸到所述贴片并与其相接触的垂直部分被耦合到所述贴片。

7.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈电探针借助平行于所述贴片延伸的耦合部分被靠近耦合到所述贴片。

8.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈电探针包括被集成形成的金属带。

9.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈电探针包括在印刷电路板上形成的导电通道。

10.根据权利要求9所述的天线，其中，所述印刷电路板被用作把所述贴片与所述接地面隔开。