CN101034765A - 互补宽带天线 - Google Patents

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Abstract

一种互补宽带天线，包括两个偶极子部分形成的平面偶极子和位于偶极子部分之间的短接式贴片天线，偶极子在地平面之上被隔开。多种不同的反馈探针设计可以用于激励天线。该组合产生了具有下述优秀电特性的天线，包括低反向辐射，低交叉极化，对称的辐射图，并且在频率宽带上具有稳定的增益和辐射图形状。

Description

互补宽带天线
技术领域
本发明涉及一种宽带天线，尤其涉及一种包含平面偶极子和短接式贴片天线(shorted patch antenna)的互补(complementary)宽带天线。
背景技术
第二代(2G)手机的成功激发和增强了无线技术大范围的发展，包括例如3G可视电话，WiFi，WIMAX，ZigBee和蓝牙。对于成本效率和空间应用而言，对能够适应几种不同通信系统的宽带天线具有较高需求。尤其是，具有不同波束宽度的单向辐射图的天线更令人感兴趣，这是因为它们可以安装在墙或者交通工具上而不会降低其电子特性并且不会影响安装体的美感。
现有技术
存在可用于实现具有单向辐射图的互补宽带天线的多种技术。第一种方法是在有限的地平面(ground plane)前方放置偶极子。然而，由于地平面的大小以及按照波长来说的地平面间的距离都由频率决定，天线具有在工作波段上增益和波束宽度有很大变化，在E和H平面具有不同波束宽度，以及在后侧有强辐射的缺点。
第二种方法是通过使用贴片天线。贴片天线的基本结构是轮廓(profile)较低并且具有单向波束模式，但是带宽较窄。现在可用的几种设计都是增加贴片天线的带宽，例如US 6593887描述的一种具有简单结构并且带宽很宽的L-形探针反馈(probe feed)的贴片天线。然而，这种贴片天线具有较高的交叉(cross)极化，在工作波段上增益和波束宽度上有很大变化，在E和H平面上具有不同波束宽度，以及在后侧辐射很强的缺点。
第三种方法是设计一种包含电偶极子和磁偶极子组合的，通常被称为互补天线的天线。已经示出如果等幅的两个互补辐射部件在相位和方向上被正确结合，则最终的辐射图将在E和H面上相同，并且后瓣(back lobe)的强度等于零，被认为是“心形线”图案形状。这种想法已经在槽-偶极子(slot-and-dipole)组合中实现，其中，所述槽在辐射中等价于磁偶极子，但是最终设计要么带宽窄要么结构大。
发明内容
根据本发明，提供了一种包含由两个偶极子部分形成的平面偶极子和位于所述两个偶极子部分之间的短接式贴片天线的宽带天线，所述偶极子在地平面上被隔开。
在本发明的优选实施例中，短接式贴片天线包含第一和第二平行垂直部分，其分别从各自的偶极子部分的边缘延伸到地平面。
反馈探针优选位于短接式贴片天线的垂直部分之间，其中反馈探针可以采用多种可能的形式。例如，在一个优选实施例中，反馈探针包含第一部分，其垂直于地平面延伸，平行并接近于短接式贴片天线的第一垂直部分，第二部分，其平行于地平面延伸，第三部分，其向地平面延伸。在该实施例中，优选第二部分以与平面偶极子部分相同的距离从地平面隔开。在该实施例中，优选第三部分延伸接近并且平行于短接式贴片天线的第二垂直部分，或者与短接式贴片天线的第二垂直部分夹有小的角度。
在可选实施例中，反馈探针包含同轴反馈和探针，同轴反馈基本上从地平面延伸到与地平面间隔开的偶极子部分，探针包含平行于地平面延伸的部分以及向地平面延伸的部分，这两部分基本上垂直。
在另外的可选实施例中，反馈探针包含微带(microstrip)传输线和探针，微带传输线基本上从地平面延伸到与地平面间隔开的偶极子部分，探针包含平行于地平面延伸的部分和向地平面延伸的部分，这两部分基本上垂直。
在另一个可能的实施例中，反馈探针包含垂直于地平面并平行于第一垂直部分延伸的第一部分，平行于地平面延伸的第二部分，第二部分具有T-形状。
在另外的可选实施例中，反馈探针包含垂直于地平面并平行于第一垂直部分延伸的第一部分，平行于地平面延伸的第二部分，以及从第二部分向地平面延伸的两个垂直部分。
偶极子部分可以采用多种不同形状，例如它们可以是矩形，多边形，三角形或者半圆形。
为了减小天线的尺寸，尤其是减小偶极子部分到地平面的间距，在由短接式贴片天线限定的空间中可以设有绝缘材料。
优选偶极子部分是平面的并且平行于地平面。然而为了减小天线尺寸，每个所述的偶极子部分的至少一部分相对于所述地平面都成一定角度，而优选地，整个偶极子部分是平面的，但是对地平面成一角度。可选的，每个偶极子部分都可以包含平行于地平面的部分和垂直于地平面的部分。
附图说明
本发明的一些实施例现在可以通过实例的方式参考附图进行描述：
图1(a)和(b)是根据本发明的实施例的天线的(a)透视图和(b)侧视图，
图2(a)和(b)示出了用于根据本发明的实施例的天线的(a)相对频率的测量和仿真的SWR以及(b)相对频率的测量和仿真的增益，
图3(a)-(c)示出了发明实施例在(a)1.75GHz、(b)2.5GHz和(c)3.0GHz的测量的辐射图，
图4(a)和(b)示出了包含或者(a)同轴反馈或者(b)微带线反馈的可选的可能性，
图5(a)-(c)示出了具有(a)T-形状的耦合反馈、(b)电容性耦合反馈以及(c)F-形状耦合反馈的本发明的实施例，
图6示出了具有电负载的T-形状耦合反馈的本发明的实施例。
图7(a)-(d)示出了用于偶极子的可选形状，
图8(a)和(b)示出了用于偶极子的可选轮廓，
图9(a)-(c)示出了用于构建天线的可选方法，
图10(a)-(e)示出了用于短接式贴片天线的垂直部分的可选形状，
图11以双极化天线的形式示出了本发明的实施例，以及
图12示出了双极化天线的可选结构。
具体实施方式
首先参考图1，其示出了根据图1(a)的透视图和图1(b)的侧视图的本发明的实施例的互补宽带天线。在图1的实施例中，天线包括由连接到包含垂直部分2a、2b和水平部分2c的垂直方向短接式贴片天线的开口末端的偶极子部分1a和1b形成的水平矩形平面偶极子。地平面3在用于减少后瓣的天线下方。在图1的实施例中，短接式贴片天线的水平部分2c是与位于垂直部分2a、2b之间的地平面3构成整体的部分，但是部分2c也可以是与地平面分隔开的单独的连接部分(参见下面实例中的图9)。水平部分2c的功能是连接垂直部分2a、2b以便其能电子短路。垂直部分2a、2b通常互相平行，但是本领域技术人员能够理解它们可以稍微不平行，即，它们可以倾斜相向或者以小角度互相分开。
每个偶极子部分1a、1b是宽度为W长度为L的矩形。宽度W大约等于0.5λ(其中λ是期望的工作波长)，而长度L大约等于0.25λ。偶极子部分1a、1b的间距以及短接式贴片天线的高度H也接近于0.25λ。对于宽带工作而言，短接式贴片天线的垂直部分2a、2b的间隔距离S大约为0.1λ。后(back)平面的尺寸可以为低的反向辐射进行调整，但是有典型尺寸Gw×GL是1λ×1λ。偶极子部分1a、1b和贴片天线可以由例如铜板的合适的导电材料形成。
上述的天线可以用多种不同的方式激励(excite)。图1(a)和(b)中示出的激励方法使用了Г-形探针反馈4，其包括垂直第一部分4a，水平第二部分4b和第三部分4c，第三部分4c通过将矩形横截面的直金属条折成所需的Г形形成。垂直第一部分4a具有连接到安装在地平面3下方的同轴发射器5的一个末端。这部分起到了空中微带传输线的作用，其从共轴发射器5把电信号发射到反馈4的第二部分4b。垂直部分4a平行于贴片天线的垂直部分2a，并且以例如大约0.008λ的小数量c与其隔开。第二部分4b水平放置，并且用于将电能耦合到平面偶极子和短接式贴片天线。天线的输入阻抗由该第二部分的长度p控制，因此第二部分4b的长度必须进行相应的选择。通常p可以是大约0.07λ。第二部分4b本身起到感抗的作用，其可能导致天线不匹配，但是第三部分4c与贴片天线垂直部分2b的组合形成了开放电路传输线(open circuit transmission line)，此线的等效电路是电容器。通过为第三部分4c选择适当的长度q(例如大约0.18λ)，容抗可以用于补偿由第二部分4b引起的感抗。第三部分优选平行于垂直贴片天线部分2b，但是可以如图1(b)所示与其成小的角度，其中第三部分4c与垂直方向成角度θ。
下面给出了用于图1的天线结构的典型尺寸(以毫米和波长小数表示)，中心工作频率为2.5GHz。
  p   q   c   d   H   GL   GW   L   S   W   θ
  9.50.07λ   220.18λ   10.008λ   4.9110.04λ   300.25λ   120λ   120λ   300.25λ   170.14λ   600.5λ   0
图2(a)和(b)示出了(a)驻波比(SWR)和(b)增益作为图1的天线频率的函数。图2(a)和(b)两者都示出了显示较好一致的测量和仿真结果。从图2(a)和(b)可以看出，该天线具有52％的宽的阻抗带宽(具有从1.75GHz到3.0GHz的小于2的SWR)和从7.5dBi到8.2dBi变化的平均增益8dBi，这是相当小的变化。
图3(a)-(c)示出了分别在1.75GHz，2.5GHz，3.0GHz处的测量辐射图。在E和H平面上，侧面辐射图(broadside radiation pattern)都是稳定且对称的。在2.5GHz频率处H平面波束宽度是79°，其稍高于E平面波束宽度75°。较低的交叉极化和较低的反向辐射在整个工作带宽上都可以观察到。
用于天线的反馈可以采取除了图1中示出的Г-形探针之外的多种不同形式。图4(a)示出了第一可能性，其中探针的第一部分4a被去掉，而是第二部分直接连接到可以位于贴片天线的垂直壁2a内侧或外侧的同轴电缆6的中心导体上。在图4(a)中，同轴电缆6位于垂直壁2a的外侧。也可以使用其它形式的传输线，例如图4(b)中示出的微带线7，而不使用同轴电缆6。
在图4(a)和(b)的实施例中，反馈探针为由图1中示出的探针的第二和第三部分形成的L-形探针。其它可能性包括用图5(a)中示出的T-形结构8、图5(b)中示出的电容结构9、或者图5(c)中示出的F-形结构10代替图1中示出的反馈探针的第二和第三部分4b、4c。天线的高度可以通过在贴片天线的垂直部分之间给天线装载绝缘材料而减小，如图6所示。用于优化特殊条件下天线性能的其它设计可能性包括使用不同形状的偶极子部分，如图7中所示。例如，偶极子部分可以是(a)矩形、(b)半圆形、(c)三角形或者(d)多边形。
天线的尺寸可以通过如图8(a)和(b)所示折叠偶极子部分而减小。在图8(a)中，偶极子部分与地平面成角度α，而不是如图1中所示的平行于地平面。在图8(b)中，偶极子部分被折叠成使它们包括平行于地平面的水平部分，以及垂直于地平面的垂直部分。可以理解图8(a)和(b)可以进行组合，以便偶极子部分还包括清除折叠(clear fold)，但是“平行的”或者“垂直的”偶极子部分可以是与垂直或者水平成一定角度。
天线可以用如图9(a)-(c)中示出的多种不同方式进行构造。例如天线可以整体形成，如图9(a)所示，具有形成为整体的偶极子部分1a、1b，垂直部分2a、2b，水平部分2c和地平面3。一种可选的可能性如图9(b)中所示，其中一个偶极子部分1a和一个垂直部分2a整体地形成，另一个偶极子部分1b和另一个垂直部分2b也整体形成，然后，整体的偶极子部分/垂直部分通过螺钉20或者其它固定机构固定到地平面上。图9(c)示出了另一种可能性，其中偶极子部分1a、1b，垂直部分2a、2b和水平部分2c都整体地形成，并且通过螺钉20或者其它固定装置固定到地平面3。
图10(a)-(e)示出了用于垂直部分2a、2b的多种可能形状。在图10(a)中，垂直部分2a、2b是矩形并且具有与偶极子部分1a、1b相同的宽度。在图10(b)中，垂直部分2a、2b是矩形，但是在宽度上比偶极子部分1a、1b稍微窄一些。在图10(c)中，垂直部分是梯形的并且从偶极子部分1a、1b逐渐变细，其连接偶极子部分1a、1b到地平面上的窄宽度处。在图10(d)中，垂直部分2a、2b是梯形的，并且在宽度等于偶极子部分宽度的地平面逐渐变细，到偶极子部分的窄宽度处。最后，在图10(e)中，垂直部分也是梯形的，在偶极子部分处具有等于偶极子部分的宽度，在地平面上具有更大的宽度。
为了用于需要双极化的申请，可以提供一组根据本发明实施例的天线阵。图11示出了特别便利结构的平面图，其中四个天线布置成正方形并且每一个都由三角形偶极子部分10和反馈11形成。使用三角形偶极子部分的图11的结构尤其小型，但是图12中示出了可选的可能性，其中提供的四个天线的阵列也以正方形布置，但是每个天线都形成在具有反馈13的两个正方形偶极子部分12上。可以理解可以提供使用不同数量，不同类型的天线以及不同的结构的其它阵列。
至少在其优选形式中，根据本发明实施例的天线具有优秀的电参数，例如低反向辐射，低交叉极化，对称辐射图，在频率带宽上具有稳定的增益和辐射图形状。由于在相同频率上工作的不同单元之间的潜在干扰能够减少，尤其是低反向辐射特性使其对用于现代蜂窝通信系统的室内和室外基站天线的发展具有高的吸引力。天线结构简单，并因此制造成本低廉。天线还能够在具有不同增益和波束宽度的低成本高性能天线阵列的设计中作为基本元件使用。
在说明书和权利要求中可以理解，术语“垂直”和“水平”用于方便和清楚的描述，假设地平面是水平面。这些以及类似术语的使用不应当被认为是用于天线方向的任何限制。

Claims (23)

1、一种宽带天线，包括两个偶极子部分形成的平面偶极子和位于所述偶极子部分之间的短接式贴片天线，所述偶极子在地平面上被间隔开。
2、如权利要求1所述的天线，其中所述的短接式贴片天线包括第一和第二平行的垂直部分，其分别从各偶极子部分的边缘延伸到所述地平面。
3、如权利要求2所述的天线，其中所述的垂直部分是矩形的。
4、如权利要求3所述的天线，其中所述的矩形垂直部分具有与所述偶极子部分相等的宽度。
5、如权利要求3所述的天线，其中所述矩形垂直部分的宽度小于所述偶极子部分的宽度。
6、如权利要求3所述的天线，其中所述的垂直部分是梯形的。
7、如权利要求6所述的天线，其中所述梯形的垂直部分具有宽度等于所述偶极子部分宽度的一侧。
8、如权利要求2所述的天线，其中反馈探针位于所述短接式贴片天线的所述垂直部分之间。
9、如权利要求8所述的天线，其中所述反馈探针包括第一部分，其关于地平面垂直地延伸，平行并接近于所述短接式贴片天线的所述第一垂直部分，第二部分，其平行于所述地平面延伸，和第三部分，其向所述地平面延伸。
10、如权利要求9所述的天线，其中所述第二部分通过与所述平面偶极子部分离开所述地平面相同的距离从所述地平面隔开。
11、如权利要求9所述的天线，其中所述第三部分接近并且平行于短接式贴片天线的第二垂直部分延伸，或者与其呈小的角度。
12、如权利要求8所述的天线，其中所述反馈探针包括同轴反馈，其基本上从地平面延伸到从所述地平面隔开的所述偶极子部分，以及探针，其包括平行于所述地平面延伸的部分和与其基本上垂直的向所述地平面延伸的部分。
13、如权利要求8所述的天线，其中所述反馈探针包括微带传输线，其基本上从地平面延伸到从所述地平面隔开的所述偶极子部分，以及探针，其包括平行于所述地平面延伸的部分和与其基本上垂直的向所述地平面延伸的部分。
14、如权利要求8所述的天线，其中所述反馈探针包括第一部分，其垂直于所述地平面延伸并平行于所述第一垂直部分，以及第二部分，其平行于所述地平面延伸，所述第二部分具有T-形状。
15、如权利要求8所述的天线，其中所述反馈探针包括第一部分，其垂直于所述地平面延伸并平行于所述第一垂直部分，第二部分，其平行于所述地平面延伸，以及两个垂直部分，其从所述第二部分向所述地平面延伸。
16、如权利要求1所述的天线，其中所述偶极子部分是矩形的。
17、如权利要求1所述的天线，其中所述偶极子部分是多边形的。
18、如权利要求1所述的天线，其中所述偶极子部分是三角形的。
19、如权利要求1所述的天线，其中所述偶极子部分是半圆形的。
20、如权利要求1所述的天线，其中绝缘材料被设置在由所述短接式贴片天线限定的空间中。
21、如权利要求1所述的天线，其中所述偶极子部分平行于所述地平面。
22、如权利要求1所述的天线，其中每个所述偶极子部分的至少一部分与所述地平面呈有角度。
23、如权利要求1所述的天线，其中每个所述偶极子部分包括平行于所述地平面部分的部分和垂直于所述地平面的部分。
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