CN100530820C - 差分馈送多层天线 - Google Patents
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Abstract
一种天线系统，包括多层接线天线(100)，该多层接线天线包括围绕轴对称放置的两个或两个以上的接线天线。多层接线天线(100)包括差分馈送接线天线。两个或两个以上的接线天线包括第一接线天线(105)和第二接线天线(110)。第二接线天线(110)的至少一部分用作第一接线天线(105)的地平面。
Description
技术领域
本发明一般涉及天线，更具体涉及用于天线测试系统的天线。
背景技术
蜂窝电信和因特网协会(CTIA)操作着设备测试和鉴定程序以确保蜂窝、个人通信服务增强专用移动无线电装置和移动卫星服务的高质量与可靠性。在程序中包括，CTIA为球形扫描天线测量系统设立要求(即，消声室)。对于天线测试系统设计者的一个挑战是满足CTIA的要求的同时保持适度范围距离和上升限度(ceiling height)。为了有效达到目标，想要一种低外形轮廓(low profile)、双极化、多频带的测量天线。天线优选具有方向性辐射方向图，在主波束上具有高对称度和低锥度，并且具有较低的交叉极化水平。想要一种单独的天线装置，其能够在多个频带和模式进行测量，从而增加吞吐量。
球形扫描天线测试系统优选地使用测试探针天线，其工作在用于每一所需极化状态和频带的单一辐射模式。宽带喇叭天线易于在其频率范围上改变工作模式，并且因此不适合于球形扫描天线测试系统。适当设计的探针天线可提供这种单一的工作模式，但只在有限频带上。因此，需要多重的探针天线来覆盖所有的频带。这将会带来不便，并且要求探针天线的频率改变。因此，非常希望具有尽可能宽的工作频带并且仍保持单一的工作模式。另外还希望在一种单一结构上具有多个工作频带。
对于球形扫描范围，探针天线在辐射方向上的长度将降低范围距离，从而使得测量的不确定度恶化，因此，想要一种外形轮廓非常低的天线。
多层接线天线(stacked patch antenna)是用于上述应用的一个很好的候选天线。单端馈送(single-ended-feed)多层接线在天线文献中公知用作宽频带或多频带工作。但是，对于本应用要求的带宽，接线高度需要大于现有技术的高度。对于该元件高度，单馈送实现将造成方向图不对称并且增加交叉极化。高频元件对来自低频地平面的衍射/反射效应敏感，这导致方向图中的波纹。这增加了满足CTIA要求所需的困难。
附图说明
以下是附图说明，在不同视图中，类似的参考标号指示相同或功能相近的元件，附图与具体实施方式部分结合起来，组成说明书的一部分，都用于根据本发明进一步说明各种不同的实施例，并解释各种不同的原理和优点。
图1是多层接线天线的横截面图。
图2和3是接线天线的各种实施例的俯视图。
图4是从多层接线天线的顶部观看的立体图。
图5是从多层接线天线的底部观看的立体图。
具体实施方式
如所需，这里公开本发明的详细实施例；但是，需要理解，公开的实施例仅仅是本发明的实例，其可以以各种形式体现。因此，这里所公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅是权利要求的基础，是教导本领域技术人员实际上在任意合适的详细结构中不同地利用本发明的表示基础。而且，这里使用的术语和短语也不是限制性的，而是对本发明提供可理解的描述。
这里使用的术语“一(a或an)”定义为一个或一个以上。这里使用的术语“多个”定义为两个或两个以上。这里使用的术语“另一”定义为至少第二个或更多。这里使用的术语“包括”和/或“具有”定义为包含(即，开放语言)。这里使用的术语“连接(coupled)”定义为“连接(connected)”，尽管不必是直接地也不必是机械地。这里使用的术语“程序”、“软件应用”等定义为设计用于在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序或软件应用可包括子程序、函数、步骤、对象方法、对象实现、可执行应用程序、applet、servlet、源代码、对象代码、共享库/动态加载库和/或其他设计用于在计算机系统上执行的指令序列。
本发明利用了一个或多个接线天线，接线天线具有较大的高度和空气电介质，以便在轻型结构中获得大型、单一模式工作带宽。这一个或多个接线天线是在两个对称点差分地“馈送”的，以确保对于接线天线所支持的两种正交线性极化中的每一种，只有一种辐射模式存在。根据本发明，每一接线天线的工作频率可任意选择。使用中央放置的、完全接地的导管，允许独立传输线布置于上接线。在本发明的一个实施例中，所有的切换和控制硬件都集成到一个微带印刷电路板上。多频带、双极化探针天线包括有效的电路，能够将每种天线功能按要求连接到输出连接器。通过将电路集成，通过使用来自将探针天线连接到仪器的传输线的控制信号，所有功能都可用。
图1是根据本发明的多层接线天线100的一个实施例的横截面图。多层接线天线100优选地包括两个或两个以上的重叠的接线天线。如果X和Y轴定义了最底部的接线天线的地平面，Z轴位于接线元件从地平面位移的方向，则相对于最底部的接线，沿着Z轴放置连续接线(即，围绕Z轴对称地放置)。优选地，层叠中较低接线天线的接线元件还用作层叠中下一较高接线天线的地平面元件。
因此，如所示，多层接线天线100包括第一接线天线105和第二接线天线110。第一接线天线105优选为高频接线天线，对频率敏感。第二接线天线110优选为低频接线天线，也对频率敏感。第一接线天线105和第二接线天线110因此由工作频率确定，并且进一步在频率上彼此相关。而且，每一工作频率可以是任意选择的。优选地，第一接线天线105和第二接线天线110包括很大的高度和空气电介质，以在轻型结构中得到较大的、单一工作模式带宽。
图2说明了根据本发明使用的接线天线的一个实施例。作为一个例子，接线天线可以是图1的第一接线天线105和/或第二接线天线110。具体地，图2是单极化、差分馈送(differential feed)接线天线200的俯视图。如图2所示，单极化、差分馈送接线天线200包括接地衬底220；接地衬底220上承载、支持或悬挂的辐射系统210；以及具有两个馈点205、215的馈送系统230。接地衬底220，例如，可以由一层介电材料和一层用作地平面的导电材料形成。在一个实施例中，使用的介电材料是氧化铝衬底，其介电常数约为10。可替换地，介电材料可以是空气，如上所述。馈送系统230可包括微带线，置于接地衬底220的地平面之下。优选地，馈送系统230的每一个馈点205、215都包括同轴馈杆(feed rod)，其连接到微带线上，为通信信号提供导管。根据本发明的一个实施例，馈点205、215结构上沿着相同的轴(即，在一条直线上)，彼此相关。
如本领域所知，辐射系统210可包括接线辐射器，在被馈送信号激励时，形成谐振结构。接线辐射器优选在几何上是矩形的，长度在波传播的方向上测量(这里称为“谐振长度”)，宽度垂直于谐振长度测量。对于双极化实现，方形接线元件提供两个正交线性极化。本领域普通技术人员将认识到，根据本发明，也可使用方形以外的其他形状(例如圆形)来支持所需的工作模式。
图3说明了根据本发明使用的接线天线的可替换实施例。作为一个例子，接线天线可以是图1的第一接线天线105和/或第二接线天线110。具体地，图3是双极化、差分馈送(differential feed)接线天线300的俯视图。如图3所示，双极化、差分馈送接线天线300包括接地衬底220；接地衬底220承载、支持或悬挂的辐射系统210；以及具有两对305、310馈点(分别是315、335和325、320)的馈送系统330。如所示，两对馈点优选地彼此正交放置。优选地，每个馈点315、320、325、335都包括同轴馈杆，连接到微带线，为通信信号提供导管。
回过头来参看图1，多层接线天线还包括盘115，用于安装多层接线天线100的整个装置并向该结构提供刚性。控制电路板120机械上使用一个或多个较低的分隔片125，以便距离盘115一段固定距离。一个或多个地平面130电气或机械连接到控制电路板120。这一个或多个地平面130用于接地或者用于对多层接线天线100的参考。一个或多个馈杆135将控制电路板120连接到位于第一接线天线105和第二接线天线110之间的电路板175。电路板175用作第二接线天线110的辐射接线元件和第一接线天线105的地平面元件。控制电路板120优选包括所有集成在微带印刷电路板上的切换和控制硬件。多频带、双极化探针天线包括有效电路，能够将每一天线功能按要求连接到输出连接器。通过将电路集成，通过使用来自用于将探针天线(即多层接线天线100)连接到仪器的传输线的控制信号，所有的天线功能都可以是可用的。一个或多个同轴电缆馈线140将控制电路板电气连接到电路板175。这些同轴电缆携带馈送信号到第一接线天线105。电路板175分发来自一个或多个同轴电缆馈线140的信号到馈杆170。一个或多个馈杆135和一个或多个同轴电缆馈线140将第二和第一接线天线110和105分别连接到位于控制电路板120内的收发器电路，以在两个元件之间传送射频(RF)能量。优选地，一个或多个同轴电缆馈线140由同轴电缆构成。为了提供机械刚性，控制电路侧套筒145和接线天线侧套筒150连接到一个或多个同轴电缆馈线140的相对端上的防护导体。一个或多个中间分隔片155进一步提供机械支持，以距离盘115一段固定距离放置电路板175。一个或多个尼龙螺栓160位于中间分隔片155内，用于机械支持电路板175。第一接线天线105的接线元件位于电路板175上固定的距离处，使用一个或多个顶分隔片165分隔。一个或多个尼龙螺杆180通过第一接线天线105连接到这些分隔片，将多层接线天线100的整个装置固定在一起。通信信号通过一个或多个SMA/SMB适配器185和一个或多个盲匹配适配器190连接到多层接线天线100。
图4是从多层接线天线100的一个实施例的顶部观看的立体图。如图4所示，第一接线天线105和第二接线天线110优选通过多层接线天线100的中心差分地馈送，多层接线天线100的中心是零电势点。这允许同轴电缆馈线140的连接，而不会干扰第二接线天线110的所需的场分布。
如本领域普通技术人员所知，差分馈送配置是这样一种配置，其中通过两个具有相同幅度、相差(额定)180度的信号来激励一种结构。这与单端馈送形成对照，在单端馈送中，只通过参考地的单一信号来激励一种结构。实现差分馈送的一种通常方法是分离激励RF(射频)信号(例如，使用3-dB分离器)，然后仅对分离器的一个输出施加额外的180度相移。这就生成了两个参考地的RF信号，具有相同的幅度，相对具有180度的相移。(有时，可实现为单一电路操作，使用180度混合电路。)这两个信号随后施加到结构上两个合适的馈点，如为要激励的所需结构模式所定义的。
根据本发明，对于每一极化，这两个馈点位于接线元件的中心线上，且相对接线元件的质心(即，中点)对称地位于中心线上。调整馈点距离质心的距离以在工作频率获得所需的阻抗匹配。由于本发明通常希望从一种结构中提供两种正交的极化，第二极化在方形接线结构上激励，使用相同的差分馈送对，围绕接线质心、相对第一极化馈送几何旋转90度，以使其位于接线的其他中心线上。
第一接线天线105和第二接线天线110都在两个对称点差分地“馈送”，以确保对于接线天线支持的两种正交线性极化，只有一种辐射模式存在(如前面图2中所示)。在优选实施例中，第一接线天线105使用作为两对的四个馈点(400、410和405、415)差分地馈送(如前面图3中所示)。每对(400、410和405、415)提供分别的线性激励。第二接线天线类似地使用排列成对的四个馈杆135差分地馈送，图4中看不见。如所示，这些对优选成对地位于钟面(12和6)与(3和9)上。本发明进一步使用中央放置、完全接地的导管，其包括同轴电缆140的防护导体，允许独立传输线布置在上接线(即，第一接线天线105)上。因为这个接地导管通过了第二接线天线110的中心，第二接线天线110的中心是第二接线天线110的所需工作模式中的零电势点，这个导管不会显著地扰乱第二接线天线110的工作。
所述结构因此在每个频带(接线元件)支持两种正交线性极化。此外，两个开始的RF信号对应于其各自的线性极化，可以进一步操作来生成来自相同结构的两个数学上正交的圆形极化状态(右手圆极化和左手圆极化，或者RHCP和LHCP)。可以这样完成：在两个基本RF信号都分离开且移动180度形成差分馈送之前，向两个基本RF信号施加+或-90度相移。实际上，这通常是使用90度混合电路完成的，从而使得RHCP(右手圆极化)和LHCP(左手圆极化)同时对天线系统可用。因此，每个接线天线105和110还可以提供两个圆极化状态RHCP和LHCP。作为一个例子，一个或两个接线天线优选是双极化的。合并这两个用于接线元件的线性极化信号以给出圆形极化。在每个接线天线具有四个馈点、两个一组分成两对、即两个差分馈送(每个线性极化一个差分馈送对)的实施例中，这两个差分馈送对可以进一步操作以产生替代的两个圆形极化馈送信号。本领域普通技术人员将认识到，整个层次可重复用于另外一个接线天线。
图5是从多层接线天线100的一个实施例的底部观看的立体图。如所示，一个或多个地平面130优选包括单独的一片镀铜，以提供一致的地参考。控制电路板120电气地且机械地连接到一个或多个地平面130，如前所述。电池500，或通过将探针天线连接到仪器的传输线提供的DC偏压，或者其他固定电源，向控制电路板120提供用于工作的电力。
两个接线元件的层叠允许具有非常低的物理外形轮廓的多频带覆盖，从而减小了对范围长度的影响。对每一模式/元件的差分馈送的使用在每一元件的整个工作频带上保持了方向图的高对称性和良好的交叉极化特性。它还基本上减小了低频地平面对高频元件方向图的影响。高频元件馈线通过低频元件零电势点的路由允许简化频带/极化切换和连接。
本公开试图解释怎样根据本发明形成和使用各种不同的实施例，而不是要限制本发明真实、预期和公正的范围和精神。前面的描述不是排他的或者将本发明限制于公开的确切形式。根据上述教导，可能存在修改或变形。选取并描述这些实施例来提供本发明原理的最佳说明及其实践应用，并且使本领域普通技术人员能够在各种不同的实施例中且通过各种适合于特定使用的修改来利用本发明。所有这样的修改和变形都在本发明的范围内，本发明的范围由权利要求书确定，根据其公正、合法和公平的解释，包括在专利申请的未决期间可能的修改及其所有的等价物。
Claims (7)
1.一种天线系统，包括：
接地衬底；
第一差分馈送接线天线，其包括连接到所述接地衬底的第一辐射系统和具有两个馈点、用于提供第一差分馈送信号的第一馈送系统，其中，所述第一辐射系统响应于第一差分馈送信号的激励而谐振；和
第二差分馈送接线天线，其与所述第一差分馈送接线天线相隔第一距离，所述第二差分馈送接线天线包括连接到所述接地衬底的第二辐射系统和具有两个馈点、用于提供第二差分馈送信号的第二馈送系统，其中，所述第二辐射系统响应于第二差分馈送信号的激励而谐振，其中，第二差分馈送接线天线的至少一部分用作第一差分馈送接线天线的地平面，并且其中，第一辐射系统谐振的频率比第二辐射系统的高。
2.如权利要求1所述的天线系统，其中，所述第一馈送系统的所述两个馈点位于中心点周围，并且其中，所述中心点包括零电势点。
3.如权利要求2所述的天线系统，其中，所述第一馈送系统的每个馈点是同轴馈杆。
4.如权利要求2所述的天线系统，其中，所述第二馈送系统的所述馈点位于所述中心点周围。
5.权利要求4所述的天线系统，其中，所述第二馈送系统的每个馈点是同轴馈杆。
6.一种天线系统，包括：
接地衬底；
第一差分馈送接线天线，其包括连接到所述接地衬底的第一辐射系统和具有两对或大于两对的第一馈点的第一馈送系统，其中，所述两对或大于两对的第一馈点提供两个或大于两个的第一差分馈送信号，其中，所述第一辐射系统响应于所述两个或大于两个的差分馈送信号的激励而谐振；
第二差分馈送接线天线，其与所述第一差分馈送接线天线相隔第一距离，所述第二差分馈送接线天线包括连接到所述接地衬底的第二辐射系统和具有两对或大于两对的第二馈点的第二馈送系统，其中，所述两对或大于两对的第二馈点提供两个或大于两个的第二差分馈送信号，其中，所述第二辐射系统响应于所述两个或大于两个的第二差分馈送信号的激励而谐振；
其中，第二差分馈送接线天线的至少一部分用作第一差分馈送接线天线的地平面，并且其中，第一辐射系统谐振的频率比第二辐射系统的高。
7.如权利要求6所述的天线系统，其中，进一步相位正交地合并所述两个或大于两个的第一差分馈送信号，以生成第一对圆形极化信号。
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