CN100533855C - 辐射分集天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辐射分集天线，由槽线型辐射元件构成，所述辐射元件由臂(1、2、3、4、5、1a、1b)构成，每个臂均由槽线构成，一个臂与馈线(6)电磁耦合，每个臂具有等于kλs/2的长度，其中k是从一个臂到下一个臂相同或不同的整数，而λs是构成所述臂的槽线的导波波长，至少一个臂包括按照作为命令的函数来控制所述臂和馈线(6)之间的耦合的方式定位在构成所述臂的槽线中的开关装置(d1、d2、d3、d4、d’1)，所述辐射分集天线的特征在于：定位在所述臂的接合处的嵌件。

Description

辐射分集天线

技术领域

本发明涉及辐射分集天线领域。该类型的天线可以在无线传输领域中，特别在如家用环境、体育馆、电视演播室、音乐厅等封闭或半封闭环境中的传输环境中使用。

背景技术

在封闭或半封闭环境内部的传输环境中，电磁波经历了与由于信号受到墙、家具、或者在该环境中面对的其他表面的大量反射而导致的多路径有关的衰落现象。为了对抗这些衰落现象，公知的技术是使用空间分集。

按照已知的方式，此技术在于：使用具有较宽空间覆盖的一对天线，例如通过馈线与开关相连的槽型或“圆极化微带(patch)”型的两个天线，作为接收到的信号电平的函数，对天线进行选择。使用此类型的分集在辐射元件之间需要最小的间距，从而确保通过每一个辐射元件所看到的信道响应的充分去相关。因此，该方案尤其具有体积大的缺陷。

为了弥补体积大的问题，已经提出了使用表现为辐射分集的天线。通过在彼此靠近的辐射元件之间进行切换来获得该辐射分集。该方案能够减小天线的体积，同时确保充分的分集。

发明内容

因此，本发明涉及一种新型的辐射分集天线。

根据本发明，辐射分集天线由槽线型辐射元件构成，所述辐射元件由臂构成，每个臂均由槽线构成，一个臂与馈线电磁耦合，每个臂具有等于kλs/2的长度，其中k是从一个臂到下一个臂相同或不同的整数，而λs是构成所述臂的槽线的导波波长，所述臂中的至少一个包括按照作为命令的函数来控制所述臂和馈线之间的耦合的方式定位在构成所述臂的槽线中的开关装置，所述辐射分集天线的特征在于：定位在所述臂的接合处的嵌件。

上述天线可以在表现为作为开关装置的状态的函数的补充辐射图的各个模式下操作。利用该树形结构，能够得到大量的操作模式。

根据本发明的优选实施例，每个臂均包括开关装置。而且，开关装置定位在槽线的开路区域，该开关装置可能由二极管、MEMS(微机电系统)、或作为二极管设置的晶体管构成。

根据本发明的另外的特征，嵌件定位在短路平面中，且限定每个臂的长度。

此外，所述臂彼此连接成H形或Y形或者与这些形状有关的形状。

根据本发明的另一特征，辐射分集天线由微带技术或由共面技术来产生。

附图说明

通过阅读各个实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，该描述通过参考附图给出，其中：

图1示出了表现为树形结构的辐射分集天线的示意图。

图2是根据本发明，从图1所示的配备有切换装置的结构的上方所看到的示意图。

图3a和3b分别示出了根据图1的天线结构的3维和2维辐射图。

图4a、4b和4c分别示出了根据理论模型图4a、仿真模型图4b和3D辐射图图4c，当启用二极管时图2的天线。

图5a、5b和5c分别与图4a、4b和4c相同，当启用二极管2和4时、然后当启用二极管2和3时以及当启用二极管3和4时的天线。

图6是示出了当启用三个二极管时图1所示的天线的理论模型的示意图。

图7示出了根据启用二极管的数量，作为频率的函数的SWR或驻波比。

图8示出了将二极管定位在槽线中的原理图。

图9是在共面模式下，从辐射分集天线的上方所看到的示意平面图。

图10是根据另一实施例，从本发明的天线上方所看到的示意图。

图11是图10所示的天线的辐射图的三维视图，以及

图12和12a分别是从根据本发明的辐射分集天线的另一实施例的上方所看到的示意图及其三维辐射图。

具体实施方式

首先，将参考图1到7来描述本发明的优选实施例。在这种情况下，如图1所示，辐射分集天线主要由槽线型的辐射元件构成，所述辐射元件由H形结构的臂形成。通过微带技术，在其表面已经金属化的衬底1上按照已知的方式来产生该结构。更具体地，该结构包括5个辐射臂1、2、3、4和5，每个辐射臂由刻蚀在衬底10的上表面上的槽线构成，并且按照H形排列。

而且，如图1所示，槽线通过在衬底10的下表面上产生的单一馈线6，根据由Knorr(克诺尔)所描述的理论通过电磁耦合来进行馈电。因此，如图2所示，馈线6与槽5垂直，并且在kλm/4的数量级的距离Lm上延伸，其中，λm是馈线中的导波波长并 $\mathrm{\λm}=\mathrm{\λ}0/\sqrt{\mathrm{\ϵreff}}$ (λ0是真空中的波长，而εreff是导线的相对介电常数)，k是奇数。通过长度为L和宽度为W的导线6’，馈线延伸到距离Lm之外，其中的宽度W大于允许50欧姆的连接的导线6的宽度。5个辐射臂1、2、3、4和5由长度为Ls的槽线构成，其中，Ls＝kλs/2，其中的 $\mathrm{\λs}=\mathrm{\λ}0/\sqrt{\mathrm{\ϵr}1\mathrm{eff}}$ ，εr1eff是该槽的相对介电常数，以及k是根据所需要的树对每个臂相同或不同的整数。

为了获得如图1和2所示的能够获得辐射分集的具有H形结构的天线，按照控制所述臂和馈线之间的电磁耦合的方式，在构成臂的槽线中定位开关装置。更具体地，将二极管d1、d2、d3、d4定位在槽线的开路平面中的每个槽线1、2、3、4中。由于槽线表现为长度Ls＝kλs/2，更特别地表现为Ls＝λs/2，将二极管定位在每个槽线1、2、3、4的中间。在所示出的实施例中，将二极管设置在每个槽中。然而，对于本领域的技术人员显而易见，利用设置在槽之一中的单一二极管将会获得辐射分集天线。

而且，根据本发明的另一特征，将金属嵌件设置在槽型臂的短路区域中，即在臂的接合处级，如图2所示。因此，当二极管d1、d2、d3、d4中的任何一个都未启用时，位于短路区域中的嵌件不改变结构的操作，但是，当启用相应的二极管时，这些嵌件在槽线中强加上零电流分配。

而且，如下面将更详细地解释的那样，当启用二极管d1、d2、d3、d4之一时，该二极管在相应的槽型臂的开路区域中强加上短路条件，从而防止了该元件中的电磁场辐射。

下面将参考图1到7，更详细地解释作为二极管d1、d2、d3、d4的状态的函数的图2所示的结构的操作方式。

1)二极管d1、d2、d3、d4中的任一个都未启用时：当给H形结构施加能量时，获得了如图3a所示的三维表示的辐射图或图3b所示的二维表示的辐射图。在这种情况下，根据图3a的三维表示，特别地，利用两个全向平面，一个平面处于φ＝45°而另一平面处于φ＝135°，获得准全向辐射图。这由表示了通过平面φ＝46°和φ＝134°的部分的图3b所示的二维辐射图来确认。而且，图3b所示的曲线示出了针对这些截面的3db增益的最大振荡。

2)在四个二极管d1、d2、d3、d4中，刚好一个二极管启用。因此，可以定义四种操作模式。在这种情况下，针对这些模式中的每一种，辐射图将拥有准全向截面。如图4a和4b所示，如果位于槽线1中的二极管d1启用，则屏幕φ＝135°是准全向截面，如图4c的三维辐射图所示。

在下表1中，将给出在每一个二极管d1、d2、d3和d4依次启用的情况下的准全向截面的方向、以及在该平面中的增益变化。

表1

 

启用二极管	平面	平面中的增益变化
			1	135°	6dB
2	45°	7dB
			3	315°	6dB
4	225°	6dB

3)两个二极管启用：现在将参考图5a、5b和5c来描述在图2所示的结构中二极管成对启用的情况。在这种情况下，能够定义表现为U、Z或T形结构的操作模式及其双重模式。已经按照图5b所示的方式仿真了这些结构，并且所获得的辐射图已经示出了每一种模式表现出了针对其辐射图为准全向的平面。因此，当二极管d2和d4启用时，如图5a1所示，获得了具有针对90°截面的准全向辐射图的U形结构(图5c1)。当二极管d2和d3启用时，如图5a所示，获得了Z形结构。在这种情况下，针对诸如φ＝67.5°的平面获得了准全向辐射图(图5c2)。针对当二极管d1和d4启用时所获得的双Z形槽，获得了φ＝112.5°的准全向平面。当二极管d3和d4启用时，获得了T形结构，如图5a3所示。在这种情况下，获得了φ＝0°的截面准全向辐射图(图5c3)。

在表2中给出了所有结果。

表2

 

启用二极管      操作模式      平面       平面中的增益变化
	2和4(或1和3)    U(或双重)槽   90°       6 dB
2和3            Z形槽         67.5°     6dB
	1和4双          Z形槽         112.5°    6dB
3和4(或1和2)    T(或双重)槽   0°        6dB

4)图6示意地示出了三个二极管启用的情况。在该情况下，可以定义四种操作模式。针对这些模式中的每一种，辐射图拥有准全向截面。在下表3中给出了启用二极管和准全向平面之间的关系。

表3

 

启用二极管	平面	平面中的增益变化
			2、3和4	60°	7dB
1、3和4	84°	7dB
			1、2和4	120°	6dB
1、2和3	94°	6dB

根据给出了作为频率的函数的SWR的图7，作为启用二极管的数量的函数，针对各种模式，在相当大的频带上观察到了较好的匹配。

应当指出，以上所给出的结果特别是辐射图是利用Ansoft HFSS软件对如图2所示的表现为H形结构的天线执行电磁仿真的结果，所述结构具有以下的尺寸：

槽1、2、3、4、5：Ls＝20.4mm，Ws＝0.4mm和i＝0.6mm(i表示用于仿真启用二极管的穿过槽的金属嵌件的宽度)。

馈线6：Lm＝8.25mm，Wm＝0.3mm，L＝21.75mm，W＝1.85mm。

衬底10：L＝60mm，W＝40mm。所使用的衬底是表现出以下特征的Rogers RO4003：εr＝3.38，正切Δ＝0.0022，高度H＝0.81mm。

而且，在图8中，示意地示出了根据本发明，在槽线中设置二极管的原理。在这种情况下，所使用的二极管是SOT323封装中的HP489B二极管。穿过槽线F来设置该二极管，从而使其一端即阳极与由衬底金属化所产生的接地平面P2相连，而其另一端即阴极穿过洞V与在衬底的下表面上产生的控制线L相连，如由虚线符号所表示的，洞V在与接地平面P1分离的元件中产生。控制线L与能够使二极管导通或截止的监控电路(未示出)相连。此技术对本领域的技术人员而言是公知的，并且例如，在文章《A planar VHF Reconfigurable slot antenna》D.Peroulis，K.Sarabandi & LPB.Katechi，IEEE Antennas andPropagation Symposium Digest 2001，Vol.1pp 154-157中对其进行了描述。

上述的辐射分集天线表现出较高分集的辐射图，这尤其允许将其用于与HIPERLAN2标准相对应的系统中。此天线具有的优点在于：可以利用多层衬底上的印刷结构容易地制造。而且，开关系统易于实现。该天线不仅可以由如上述实施例所示的二极管构成，而且还可以由如二极管设置的晶体管或MEMS(“微型机电系统”)等任何其他开关系统构成。

在图9中示出了与图1和2相似的结构，但其由共面技术产生。在这种情况下，在“接地”相同的衬底表面上产生馈线，由在其中间垂直割开槽线5的刻蚀7a、7b围住的元件7符号表示。辐射分集天线的其他元件，即通过刻蚀接地平面A从而形成槽线而产生的臂1、2、3、4，与图2所示相同。各个尺寸与通过微带技术产生的结构的尺寸保持相同。

图9所示的结构对需要组件变换的电路尤其具有吸引力。

下面将参考图10和11来描述本发明的另一实施例。在图10中，表现为H形结构的辐射分集天线的臂或槽线1’之一具有长度λs，而其他臂2、3、4、5具有长度λs/2。在本实施例中，在长度λs/2处，在槽线1中设计了嵌件i，而分别在离槽线的开始距离λs/4和3λs/4处，分别设计了两个二极管d1、d1’。当二极管d1启用时，禁用槽线1的操作。在这种情况下，当只有二极管d’1启用时，只有槽线1的第二部分不操作。因此，我们可以回到具有长度λs/2的槽线的H形结构的操作。

因此，利用表现为具有如果其为λs/2的倍数则其对每个臂可以相同或不同的长度的槽线型臂的结构，可以产生本发明。

在图11中示出了利用Ansoft HFSS软件对表现为图10所示类型的结构而其中所有臂1、2、3、4具有长度λs的天线进行仿真所获得的三维辐射图，在这种情况下，二极管是无源的。

而且，使用具有不同长度的槽线能够获得除了辐射分集之外的频率分集。具体地，槽线的长度以其谐振频率为条件。设置槽线的尺寸，从而使其长度L为L＝λs/2，其中λs是在槽中的导波波长。而且，谐振频率f与导波波长有关， $f=\frac{c}{\mathrm{\λs}},$ 如果尺寸L发生改变，则频率也会改变。

下面将参考图12来描述根据本发明的能够用于获得辐射分集天线的另一类型结构。

在这种情况下，按照具有实质上为Y型结构的方式，由两个辐射元件1a、1b对臂1进行延伸。在图12所示的实施例中，两个辐射臂1a和1b是垂直的，从而给出了图12a所示的辐射图。然而，在臂1a和1b之间的角度可以具有其他值，而仍然可以给出所寻求的结果。在图12中，已经将槽线1b和槽线1a添加到槽线1上，以使树增大。这两个新槽线与槽线1相连，从而使槽线2和3与槽线4相连。从先前所看到的类推，作为在这些槽线1a和1b中所设置的开关元件的状态的函数，槽线1与槽线1a和/或1b相连。还可以在槽线2、3和4上、以及在已添加后的槽线上设计该类型的树，从而达到复杂的树形结构。因此，如此增加了可得到的配置的数量，结果，增加了结构能够提供的分集的阶数。对于具有N个槽线的结构(这些槽线中的每一个均配备有开关装置)，分集阶数为2^N。

Claims (9)

1.一种辐射分集天线，由槽线型辐射元件构成，所述辐射元件由臂(1、2、3、4、5、1a、1b)构成，每个臂均由槽线构成，一个臂与馈线(6)电磁耦合，每个臂具有等于kλs/2的长度，其中k是从一个臂到下一个臂相同或不同的整数，而λs是构成所述臂的槽线的导波波长，所述臂中的至少一个包括按照作为命令的函数来控制所述臂和馈线(6)之间的耦合的方式定位在构成所述臂的槽线中的开关装置(d1、d2、d3、d4、d’1)，所述辐射分集天线的特征在于：定位在所述臂的接合处的嵌件。

2.根据权利要求1所述的辐射分集天线，其特征在于：每个臂均包括所述开关装置。

3.根据权利要求1或2所述的辐射分集天线，其特征在于：将所述开关装置定位在所述槽线的开路区域中。

4.根据权利要求1或2所述的辐射分集天线，其特征在于：所述开关装置由二极管、微机电系统MEMS、或作为二极管设置的晶体管构成。

5.根据权利要求3所述的辐射分集天线，其特征在于：所述开关装置由二极管、微机电系统MEMS、或作为二极管设置的晶体管构成。

6.根据权利要求1所述的辐射分集天线，其特征在于：所述嵌件定位在短路平面中，且限定每个臂的长度。

7.根据权利要求1所述的辐射分集天线，其特征在于所述臂彼此连接成H形或Y形。

8.根据权利要求1所述的辐射分集天线，其特征在于通过微带技术或通过共面技术产生所述辐射分集天线。

9.根据权利要求1所述的辐射分集天线，其特征在于对槽线的长度进行选择，从而产生频率分集。

Images