CN100502145C - 宽带天线 - Google Patents

Abstract

一种直列天线组件，其具有交替设置于一单面延伸基底上的多个辐射元件和元件间定相部件。该组件具有围绕一纵轴可操作地弯曲的使用形状，所述纵轴基本沿该组件的长度延伸。使用中，该元件间定相部件允许该辐射元件在预期的频率范围内基本同相地进行电磁辐射。该组件可被设置在一挠性基底上，所述基底可被可操作地弯曲以插入一天线罩内。或者，该组件可被直接设置于一天线罩的弯曲的内表面上。

Description

宽带天线

技术领域

本发明涉及天线装置，且更具体地，涉及直列天线。

背景技术

在天线设计领域中，串联直列天线组件是广为人知的。它们与其他直列天线方案，例如共电馈电直列天线方案相比具有多种优势，这是因为串联直列天线组件易于构建且相应地具有可负担性。所述串联直列天线组件由大量交替的辐射元件和元件间定相部件组成，形成相控天线阵。

最好使每个辐射元件同相馈电，以便每个辐射元件一致地进行辐射。这实现了天线辐射图的聚焦。每个单独的辐射元件被设计为具有一特定的物理长度，以便针对一给定的波长提供最有效的辐射功率。在每一有源辐射元件之后是一元件间定相部件，其中，该天线的辐射受到抑制直到到达该波前上的下一个正确的相位点为止，其中另一辐射元件被串联馈电。

理论上理想的元件间定相部件将经受波前的1/2λ(180度相位)的抑制，这里，λ为天线的设计波长。而且，理想地，该辐射元件的物理长度应为1/2λ。此外，该两辐射元件之间的理论上理想的物理间隔应为1/4λ，所述理论上理想的物理间隔自一个辐射元件的顶部至下一个辐射元件的底部测得。显然，这里存在竞争设计约束使理论上的理想效果很难实现。此外，实际上，用户要求覆盖一定的波长范围。当使用的波长从设计波长改变时，天线辐射图的旁瓣会变得更加明显。而且，当各个辐射元件不能精确地彼此同相地被馈电时，还会导致上述辐射图中的仰角倾斜。

在现有技术中有多种方法试图实现该理论上理想的效果。最常见的是Franklin直列天线阵。大多数该Franklin天线通过使用同轴电缆馈电线制成，且同轴电缆的传播速度V_p可帮助设计人员更加接近于理论上的理想效果。通过在元件间定相部件中使用降低的V_p，可或多或少降低与1/2λ相位差相关的物理长度。然而，该方法是一种折衷方法，且随着向串联直列天线组件增加更多的辐射元件，所产生的误差会复合。

另一种方法是使用1/2λ金属定相线圈用于元件间定相部件。如此基于线圈的串联直列天线组件具有以上述理想的物理间隔1/4λ分离的若干1/2λ相位元件。然而，尽管这些线圈既包括电感元件，也包括电容元件，但它们的电容高，由此Q因子和波长敏感度也高。这意味着在设计波长引入的相位差很可能还是180°好，但与Franklin方法中采用的同轴元件间定相部件相比，随波长的变化会发生显著的改变。因此这些设计本质上是窄带的。由于由相位差随波长的变化产生的模式稳定性的性能降级，在要求扩展的带宽的情况下不使用它们。另一个明显的缺点在于该线圈的物理结构必须受到紧密地控制，尤其是当针对短波长设计时，由此增加了制造的成本。此外，该线圈本身必须由足够坚固以物理支撑其自身的材料制成。

该线圈设计方法的一个自然的扩展是使用完全在电路板上再现的物理线圈来替换该物理线圈。这些方法包括在圆形形成装置的外侧上印刷的螺旋形线圈，简单地再现该物理线圈。该方法有效地模拟物理线圈，但也很昂贵且还未获得接受。此外，该方法也无法解决所引入的作为波长函数的大的相位变化。

进一步，另一种近似线圈的方法是在平面电路板上制作回纹(meander)。由于电路板上的轨道具有低电容，这确实提供了高电感、较低电容的元件间定相部件，但是因此平面回纹的匹配能力大大地被降低了。这是因为辐射元件和平面回纹并非被很好地彼此解耦，由此在一串联直列天线组件的这两个元件之间的界限不清楚，造成带宽和性能的下降。相应地，该方法仅用于较小、较低增益的天线，这里，性能并不关键。也可向串联直列天线组件增加其他的电子元件，所述串联直列天线组件使用平面回纹元件间定相部件以引入期望的电容。然而，这造成生产成本大量的增加。

发明内容

由此，本发明的目的是提供具有改进的宽带特征的串联直列天线组件和天线。

本发明的另一目的是提供串联直列天线(collinear antenna)组件和天线，它们具有改进的宽带特征，且与现有技术相比便于制造且价格低廉。

本发明提供一种串联直列天线组件，包括多个辐射元件和元件间定相部件，沿一单面伸长的基底的纵向交替设置于该基底上，其中，在使用时，该基底以围绕纵轴弯曲的配置被提供，所述纵轴沿所述基底的中心延伸，使得在处于该围绕纵轴弯曲的配置时，所形成的元件间定相部件相对于辐射元件的布置可操作地用于允许所述辐射元件在预期的频率范围内同相地进行电磁辐射。

与现有技术相比，本发明可实现多个优点。与在标准PCB基底上的平面结构中实现的标准设计串联直列天线组件相比，本发明改进了宽带特性。由于具有进一步改进的元件间定相部件，该基底的弯曲可提供增大的电容。通过使用单个挠性基底，可使用众所周知的有成本效益的制造技术。没有必要引入次级元件，其增加了该天线的复杂性且由此提高了制造成本。

优选地，该元件间定相部件和辐射元件被设置为它们基本可操作地彼此垂直面对。这使该串联直列天线组件的辐射和无源部件之间获得优良的解耦，进一步改进了性能。

优选地，该元件间定相部件包括设置为沿蛇线路径行进的导电轨轨道。这是具有成本效益的技术，因为在辐射元件之间引入了相位差。

附图说明

以下结合附图描述本发明的示意性的实施例，在这些附图中：

图1为一串联直列天线组件平面配置的平面图。

图2为该串联直列天线组件插入一天线罩时的透视图，示出弯曲的应用配置。

图3为在应用配置下元件间定相部件和辐射元件之间的过渡区域的放大图。

具体实施例

现在参考图1，其中示出一串联直列天线组件10。该组件由第一辐射元件20、元件间定相部件30和另一辐射元件40组成，所述辐射元件40的尺寸与第一辐射元件20相同。应当理解，还可按需加入若干定相部件和辐射元件。这些元件由置于单面连续的挠性基底1上的导电材料，例如铜组成。适当的基底的例子是标准的挠性PCB材料。在其他实施例中，导电材料可以是金。

我们首先考虑辐射元件20和40。辐射元件的几何结构主要依赖于计划用于该串联直列天线组件的目标设计波长λ。在该实施例中，描述了适用于一天线的组件，所述天线设计用于34cm的目标波长(等效频率890MHz)且具有15％的带宽。该天线在CDMA和GSM波段均能够提供令人满意的性能。将会很明显的是，可将本文所述的发明应用于若干目标波长和带宽范围的多种不同的组合。

如之前所指出的，理论要求指出该辐射元件20和40的垂直长度是大约1/2λ。一般地，为获得15％的带宽目标，宽的理论设计原则提出所要求的辐射元件20和40的水平宽度应当大约为1/16λ。

元件间定相部件30包括馈电入口点31。一导入轨道38在辐射元件20和馈电入口点31之间垂直延伸。此外，元件间定相部件30包括一馈电出口点32，一导出轨道39由该点从该元件间定相部件30垂直延伸到辐射元件40。在该馈电入口点31和馈电出口点32之间，该导电轨道经过蛇线路径，所述蛇线路径从第一水平部分34开始，之后是垂直部分35，然后是水平部分36，该水平部分返回由馈电入口点31和馈电出口点32之间延伸的线确定的中心位置。该路径重复多次直到到达馈电出口点32。每个水平轨道部分33之间的垂直部分的长度等于该轨道的宽度。该元件间定相部件30、导入轨道38和导出轨道39的轨道宽度彼此基本相等。该轨道的水平宽度与该辐射部件的水平宽度类似。该元件间定相部件的垂直长度(被定义为馈电入口点31和馈电出口点32之间的长度)大约为1/4λ。

容易理解，在这里概述的理论要求为初始设计提供了宽泛的框架的同时，进一步需要详细建模该串联直列天线组件应用结构以改进具体的尺寸。不难得到执行该详细的电磁模拟和优化的计算机建模软件包。对于这里提出的要求，发现以下物理配置是最佳的：导入轨道38、元件间定相部件30和导出轨道39的轨道宽度为2mm，辐射元件的水平宽度为20mm，元件间定相部件30的有效水平宽度为18mm。

图2示出弯曲为使用中的形状的直列天线组件1，采用该使用中的形状，易于将该天线组件1插入内径为14mm的一天线罩50中，该天线罩典型地用于针对这里所关注的波长范围所设计的天线。可容易地看到，该挠性基底充分弯曲使得该天线部件1可符合天线罩50的圆柱形状。向该基底提供粘合剂以将该基底固定在该天线罩50的内表面。

该基底的弯曲给该串联直列天线阵组件10的性能带来了大量的惊人的改进。

首先，该弯曲的元件间定相部件30引入一定程度的电容，其与在该平面结构中实现的类似的设计相比大大改进了宽带特征，同时仍保持整个电容达到一可管理的水平。结果，该元件间定相部件30降低了对波长的灵敏度，并由此对于工作波长中一给定的改变表现出较低的相位角的改变。这可与该基底处于如图1所述的平面结构时相比，此时，轨道之间的寄生电容最小，使得元件间定相部件30不会显示出足够的内部寄生电容以提供令人满意的匹配。

其次，由于这里采用的配置，该基底的弯曲还便于实现在该辐射和无源元件之间有效的电解耦。图3示出当该串联直列天线组件在使用形状时，元件间定相部件30和辐射元件40之间的过渡区域的放大视图。考虑在该弯曲的使用形状中，由辐射元件的相对边限定的第一结构面70。还考虑由该元件间定相部件的相对边限定的第二结构面60。在本例中，两结构面70和60以大约90度的角度相交。这是由于元件间部件30的定位，该定位从辐射元件20和40偏至该挠性基底1的一侧。相应地，在辐射元件20和元件间定相部件30之间还保持一种类似的定位关系。该结构确保该元件间定相部件中的抑制具有很大改进，因为该元件间定相部件中的电流实际上不会与辐射元件中的电流相互作用。

如上所指出的，该基底的弯曲主要由天线罩50的圆柱形形状限定。作为使用挠性基底用于固定于一天线罩的替换方案，可直接将该直列天线组件1设置于该天线罩50的内表面上。该天线罩50的圆柱形状将限定该直列天线组件1的弯曲的使用形状。

对本专业技术人员来说，很明显这里所述的发明可根据要求进一步包括交替的辐射和元件间定相部件。且对本专业技术人员来说，很明显本发明既可应用于端部馈电直列天线的设计，也可应用于中心馈电直列天线的设计。

尽管在附图中示出且在之前的详细描述中已对本发明的设备的实施例进行了描述，但是可以理解本发明不限于公开的实施例，而可以在不脱离如上所述和所附权利要求的限定的本发明的范围的情况下，包括多种重新配置、修改和替换。

Claims (8)

1、一种串联直列宽带天线组件，包括沿一单面伸长的基底的纵向交替设置于该基底上的多个辐射元件和元件间定相部件，其中，在使用时，所述基底以围绕纵轴弯曲的配置被提供，所述纵轴沿所述基底的中心延伸，使得在处于该围绕纵轴弯曲的配置时，所形成的所述元件间定相部件相对于所述辐射元件的布置可操作地用于允许所述辐射元件在预期的频率范围内同相地进行电磁辐射。

2、如权利要求1所述的串联直列宽带天线组件，其中，所述基底是挠性的。

3、如权利要求1或2所述的串联直列宽带天线组件，其中，所述基底包括用于将所述基底固定于一表面的粘合剂。

4、如权利要求1所述的串联直列宽带天线组件，其中，所述基底为天线罩且所述组件被设置在所述天线罩的内表面。

5、如权利要求1所述的串联直列宽带天线组件，其中，所述元件间定相部件被侧向偏移地设置于所述纵轴的一侧，使得当所述基底处于所述围绕纵轴弯曲的配置时，由所述辐射元件的不弯曲的相对边所限定的结构面和由所述元件间定相部件的不弯曲的相对边所限定的结构面彼此垂直。

6、如权利要求1所述的串联直列宽带天线组件，其中，所述元件间定相部件包括一导电轨道，所述导电轨道被设置为沿蛇线路径行进。

7、一种端部馈电串联直列宽带天线，包括至少一个如权利要求1所述的串联直列宽带天线组件。

8、一种中心馈电直列宽带天线，包括至少一个如权利要求1所述的串联直列宽带天线组件。

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