CN101091288B - 三极化贴片天线 - Google Patents

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Abstract

一种多输入多输出(MIMO)无线电系统用的天线装置，该天线装置以三种基本不相关的极化进行发射和接收。所述装置包括包括由第一和第二缝隙隔开的三个平行的、堆叠的贴片。第一馈线给第一贴片馈电，且至少第二和第三馈线给第二贴片馈电。在第一工作模式中，第一馈线在第一贴片和第二贴片的边缘之间的第一缝隙中产生恒定的第一电场。在第二工作模式中，第二馈线对第二贴片和第三贴片的边缘之间的第二缝隙中的正弦变化的第二电场作出贡献。在第三工作模式中，第三馈线对第二贴片和第三贴片的边缘之间的第二缝隙中的正弦变化的第三电场作出贡献。

Description

三极化贴片天线
技术领域
本发明涉及一种天线装置，包括第一贴片、第二贴片和第三贴片，各贴片用导电材料制成并具有第一主表面和第二主表面，所述贴片设置成一个在另一个的上方，第一贴片在最顶上，使得所有所述主表面基本互相平行，在所述天线装置中，第一贴片具有第一边缘，第二贴片具有第二边缘，而第三贴片具有第三边缘，此外，所述天线装置包括馈电布置。
背景技术
对无线通信系统的需求稳定增长并且仍在增长，在此增长过程中已作出了许多技术改进。为通过用不相关传播路径来获得无线通信系统的增强的系统性能，MIMO(多输入多输出)系统已被认为构成了改善所述性能的优选技术。MIMO例如借助于集中发射和接收天线来使用许多分离的独立信号路径。想要得到的结果是用一些不相关的天线端口来进行接收以及发射。
对于MIMO来说，需要对信道进行估计并且不断地更新估计。所述更新可借助于以已知的方式连续发射所谓的测试信号来实现。信道的估计产生了信道矩阵。若一些发射天线TX向一些接收天线RX发射构成发射信号向量的信号，则所有TX信号在各RX天线中被求和，并且借助于线性组合，产生接收信号向量。通过将所述接收信号向量与经反转的信道矩阵相乘，所述信道被补偿并且获得初始信息，即如果知道准确的信道矩阵，就可能获得准确的发送信号向量。因此，所述信道矩阵充当TX天线和RX天线各自的天线端口之间的联系。这些矩阵的大小是M×N，其中M是TX天线的输入端(天线端口)数量，而N是RX天线的输出端(天线端口)数量。这对于MIMO系统领域的技术人员是已知的。
为了让MIMO系统有效、不相关或至少基本不相关地工作，需要一些已发射的信号。“不相关信号(uncorrelated signal)”在上下文中的意思是辐射图基本正交。这对于一个天线来说是可能的，只要所述天线被设计成以至少两个正交极化来接收和发射。若多于两个的正交辐射图被用于一个天线，则必须在具有多个独立传播路径的所谓的富散射(rich scattering)环境下使用，因为否则它不可能从两个以上正交极化中获益。富散射环境被认为当许多电磁波在空间中的单个点上重合时发生。所以，在富散射环境中，能利用两个以上正交极性，因为所述多个独立的传播路径使所述天线的所有自由度能被利用。
为了实现天线端口上的接收信号之间的低相关性，MIMO系统的天线可利用空间分离(即物理分离)。然而，这导致了不适合例如手持终端的大阵列。另一种获得不相关信号的方法是借助于极化分离，即一般用正交极化来发送和接收信号。
已有人提出了对具有三个端口的MIMO天线使用三个正交偶极子，但是这种天线制作复杂且在使用较高频率时需要大量空间，例如用于MIMO系统(约2GHz)的那些天线。虽然已构思了总共六个端口，如2002/0190908号美国专利申请中所公开的，但是正交偶极子和附随的环孔单元仍然是对于较高频率难以实现合理成本的复杂结构。
本发明要解决的目标问题是提供适于MIMO系统的天线装置，所述天线装置能够以三种基本不相关的极化来进行发送和接收。所述天线装置还应制成薄片结构以降低成本，而仍然适于较高频率(如MIMO系统中所用的频率)。
发明内容
所述目标问题借助于本发明的天线装置来解决，所述天线装置的特征还在于：所述馈电布置包含设在第一贴片中的第一馈电点，位于第一假想线上，所述假想线通过所述贴片，基本垂直于各第一主表面和第二主表面，其中，所述馈电布置还至少包括设在第二贴片中的第二馈电点和第三馈电点，各所述第二馈电点和第三馈电点被设在离第一假想线相应的距离处，第二假想线和第三假想线垂直通过第一假想线并与第一假想线相交，并且第二假想线还交于第二馈电点，而第三假想线还交于第三馈电点，第二假想线和第三假想线彼此之间成α角，角α基本上是90度，第一馈电点设置成在发射以及接收中为第一贴片供电，而第二馈电点和第三馈电点设置成在发射以及接收中为第二贴片供电；在第一工作模态下，第一馈电点使得在第一边缘和第二边缘之间形成的第一缝隙中获得恒定的第一电场，所述第一电场还在所述边缘之间被定向；在第二工作模态下，第二馈电点使得在第二边缘和第三边缘之间形成的第二缝隙中获得第二电场，所述第二电场还在第二边缘和第三边缘之间被定向，并且沿着第二缝隙作正弦变化；在第三工作模态下，第三馈电点使得在第二缝隙中获得第三电场，所述第三电场还在第二边缘和第三边缘之间被定向，并且沿着第二缝隙作正弦变化。
优选实施例在从属权利要求中公开。
本发明实现了如下的一些优点：
-获得了低成本的三极化天线装置；
-使得用平面技术制作三极化天线成为可能，避免了天线装置占用过大的空间；
-获得了易于制造的三极化天线。
附图说明
现在参照附图对本发明进行更详细的描述。
图1a是根据本发明的天线装置的第一实施例的示意简化透视图；
图1b是根据本发明的天线装置的第一实施例的示意侧视图；
图1c是根据本发明的天线装置的第一实施例的示意俯视图；
图2a是根据本发明在第一工作模态的天线装置的贴片上的场分布的示意简化侧视图；
图2b是根据本发明在第二工作模态的天线装置的贴片上的场分布的示意简化侧视图；
图2c是根据本发明在第三工作模态的天线装置的贴片上的场分布的示意简化侧视图；
图3a是根据本发明的天线装置的第二实施例的示意简化透视图；
图3b是根据本发明的天线装置的第二实施例的示意侧视图；以及
图3c是根据本发明的天线装置的第二实施例的示意俯视图。
具体实施方式
根据本发明，提供了所谓的三模态天线装置。所述三模态天线装置设计成用来传输三个基本正交的辐射图。
如图1a-1c所示，说明了本发明的第一实施例，三模态天线装置1包括第一贴片2、第二贴片3和第三贴片4。各贴片2、3、4相对较薄，具有第一主表面5、6、7和第二主表面8、9、10，所述第一主表面5、6、7和第二主表面8、9、10基本上相互平行，并且所述贴片2、3、4用导电材料(例如铜)制成。所述贴片2、3、4最好为圆形且一个置于另一个之上，第一贴片2在最上面。所述贴片2、3、4还具有对应的第一边缘11、第二边缘12和第三边缘13。
所述三模态天线装置1还包括位于中心的、具有第一中心导体15的第一同轴馈线14，所述导体在第一贴片2的中心区域上与其电接触，构成第一馈电点16。第一中心导体15与其它贴片3、4中任何一个都没有电接触。第一同轴馈线14还借助于在第二贴片3和第三贴片4中形成的、可由所述馈线穿过的孔17a、17b来穿过这两个贴片的中心区域。
所述三模态天线装置1还包括分别具有第二中心导体20和第三中心导体21的第二同轴馈线18和第三同轴馈线19，所述第二中心导体20和第三中心导体21均在第二贴片3偏离中心的区域上与其电接触，从而构成第二馈电点22和第三馈电点23。同时，参照图1c，第二馈电点22和第三馈电点23的位置距第一假想线24合适的距离d，所述假想的线24经过第一馈电点16，与所述主平面5、6、7、8、9、10基本垂直。所述距离d对于第二中心导体20和第三中心导体21最好基本相同(图1a中只示出了第三馈电点的情况)。
第二假想线25和第三假想线26垂直经过第一假想线24，分别与第二馈电点22和第三馈电点23相交，彼此之间成α角。角α基本上是90度。这里的线24、25、26仅为解释性目而引入，并不是所述实际装置1上的构成部分。
同轴馈线14、18、19与它们的中心导体15、20、21构成了馈电布置。
所述第二中心导体20和第三中心导体21与其它贴片2、4中的任何一个都不电接触，并且大体上垂直地延伸到所述贴片2、3、4的主表面5、6、7、8、9、10。这些同轴馈线20、21还借助在第三贴片4中形成的可由所述馈线穿过的孔27、28来穿过该贴片的偏离中心的区域。
第一贴片2和第二贴片3以及它们在对应的馈电点16、22、23上所属的中心导体15、20、21之间的电接触可例如通过焊接获得。
借助于第一同轴馈线14、第二同轴馈线18和第三同轴馈线19，所述贴片2、3、4以三种方式(第一工作模态、第二工作模态和第三工作模态)被激发，能够传输三种正交的辐射图。
在第一工作模态下，第一贴片2用来自第一同轴馈线14的信号来供给。于是，第二贴片3充当第一贴片2的地平面。以此方式，获得了退化的帽形单极天线(hat-monopole)。
再参照图2a，为清楚说明起见，示出了不带馈电布置的贴片，这产生了恒定的磁流环路29，所述环路运行在第一贴片2和第二贴片3各自的边缘11、12之间的圆周缝隙中。该磁流环路29对应于沿着第一贴片2和第二贴片3的圆周的第一电场31，所述圆周缝隙30中的第一电场31是恒定的并且基本垂直于第一贴片2和第二贴片3的主表面5、6、8、9。在图2a中，用一些箭头表示。
参照图1a-1c，在第二工作模态下，来自第二同轴馈线18的一信号通过第二馈电点20供给第二贴片3。于是，第三贴片4充当第二贴片3的地平面。。
再参照图2b，为清楚说明起见，示出了不带馈电布置的贴片，该结构产生了基本垂直于第二贴片3和第三贴片4的主表面6、7、9、10的第二电场32，所述电场位于第二贴片3和第三贴片4各自的边缘12、13之间的圆周缝隙33中，所述电场沿着第二贴片3和第三贴片4的圆周上是正弦变化的。电场32在图2b中用具有对应于电场强度的长度的一些箭头来表示，其中所述箭头指示瞬间的电场分布，因为它随时间进行谐波变化。
参照图1a-1c，第三工作模态对应于第二工作模态，但此处，一信号通过第三同轴馈线19供给第二贴片3，讨论的信号与供给第二馈电点22的信号同相。然而，如前所述，以第一馈电点16为参照，对应的第三馈电点23相对于第二馈电点22偏移了90度。第三贴片4在此也充当第二贴片3的地平面。
再参照图2c，为清楚说明起见，示出了不带馈电布置的贴片，此结构产生了基本垂直于第二贴片3和第三贴片4的主表面6、7、9、10的第三电场34，所述电场位于第二贴片3和第三贴片4各自的边缘12、13之间的圆周缝隙33中，所述电场沿着第二贴片3和第三贴片4的圆周上是正弦变化的。使用相同的参照方向，若第二电场32按正弦变化，则第三电场34按余弦变化。这意味着第三电场34还与第二电场32正交，这将在下文中详细说明。
以与第二工作模态相同的方式，第三电场在图2c中用具有对应于电场强度的长度的一些箭头来表示，其中所述箭头指示瞬间的电场分布，因为它随时间进行谐波变化。
从而，所述三模态天线装置1现在用三种不同的方式来激发，因此获得了具有第一电场31、第二电场32和第三电场34的三种不同模态，构成了理想地相互正交的孔径场。
对应的辐射图也是正交的，并且相关为0，其中，所述相关ρ可表示成：
Figure G04844712820070627D000071
在上式中，Ω代表表面，符号*表示它是复共扼。对于辐射图的积分，Ω代表包括所有空间角度的闭曲面，并且当该积分等于0时，所述辐射图之间不相关，即所述辐射图相互正交。分母是效应正规化项。
当确定所述辐射图是否正交时，可能要用到孔径场。当考虑所述孔径场时，Ω代表孔径表面。边缘11、12、13之间的孔径场是正交的，因为恒量(第一模态)乘上一个周期上的正弦变量(第二模态或第三模态)的积分等于0。此外，两个正交的正弦变量sine*cosine(第二模态和第三模态)一个周期上的积分也等于0。由于所述天线装置1的所述孔径上的这些场31、32、34是正交的并且对应于所述天线1的孔径电流(图中未显示)，从而所述孔径电流也是正交的，远场也包含正交场向量，这是本领域技术人员公知的。
具有至少三个基本正交的辐射图是理想的，因为这使信道矩阵中的行能够独立。这就意味着本发明可用于MIMO系统。
通过叠加，所有工作模态可同时运行，从而允许所述三模态天线装置发射三种基本正交的辐射图。
所述馈电布置的实际实现并不重要，可变更为本领域技术人员所显见的方式。本发明的重要特征是所述贴片2、3、4以三种工作模态被供电，其中，第一工作模态引发了在第一贴片2和第二贴片3之间的圆周缝隙30上获得的第一电场31。其它工作模态引发了两个电场32、34，它们具有在第二贴片3和第三贴片4之间的圆周缝隙33上获得的正弦变化的电场强度，其中，这些电场中的一个相对于另一个旋转90度。该功能不受所述馈电布置的设计或馈电点16、22、23如何构思影响。它们可例如以不接触的方式(即通过技术上公知的电容耦合方式)来获得。
在参照图3a-3b的可选的第二实施例中，所述三模态天线装置1’的配置与第一实施例中的相同，图中采用相同的附图标记。所述实施例之间的不同点在于馈电布置上，其中，三模态天线装置1’包含第一同轴馈线14、第二同轴馈线18a、第三同轴馈线19a、第四同轴馈线18b、第五同轴馈线19b，这些馈线分别具有第一中心导体15、第二中心导体20a、第三中心导体21a、第四中心导体20b和第五中心导体21b。
具有第一中心导体15和第一馈电点16的第一同轴馈线14的位置对应于上文结合第一实施例中描述的同轴馈线，这里不作进一步讨论。
第二同轴馈线18a、第三同轴馈线19a、第四同轴馈线18b、第五同轴馈线19b分别具有第二中心导体20a、第三中心导体21a、第四中心导体20b和第五中心导体21b，这些导体均在第二贴片3的偏离中心的区域上与其电接触，从而构成第二馈电点22a、第三馈电点23a、第四馈电点22b和第五馈电点23b。再参照图3c，第二馈电点22a、第三馈电点23a、第四馈电点22b和第五馈电点23b的位置与第一假想线24隔开合适的距离d，所述假想线24经过第一馈电点16，与所述主平面5、6、7、8、9、10基本垂直。所述距离d对于第二中心导体20a、第三中心导体21a、第四中心导体20b和第五中心导体21b是基本相同的。
第二假想线25与第三假想线26垂直通过第一假想线24。第二假想线25交于第二馈电点22a和第四馈电点22b，第一假想线24位于这两个点之间。第三假想线26交于第二馈电点23a和第四馈电点23b，第一假想线24位于这两个点之间。此外，第二假想的线25与第三假想的线26彼此之间成α角。这是一种定义馈电点之间的角度的方式，角α基本上是90度。以上述方式定义馈电点之间的角度在下文中称为角位移。线24、25、26仅为解释性目的而引入，而不是所述实际装置1’的构成部分。
从而在第二馈电点22a、第三馈电点23a、第四馈电点22b和第五馈电点23b之间存在基本90度的角位移，这些点沿着直径为d的圆周分布。于是，第二馈电点22a、第三馈电点23a、第四馈电点22b和第五馈电点23b以这样的方式进行定位：第二馈电点22a和第四馈电点22b彼此相对，第三馈电点23a和第五馈电点23b彼此相对，第二贴片3的馈电点的顺时针接续顺序是第二馈电点22a、第三馈电点23a、第四馈电点22b和第五馈电点23b。
具有其中心导体15、20a、21a、20b、21b的同轴馈线14、18a、19a、18b、19b构成馈电布置。
第二馈电点22a和第四馈电点22b构成第一馈电点对，第三馈电点23a和第五馈电点23b构成第二馈电点对。馈电点对中的馈电点位于第一假想线24的对侧，馈电点对中的各馈电点以基本上2*α＝180°的角位移分开。此外，各对应的馈电点对具有180°的角位移。这就使所有的馈电点环绕所述贴片均匀地分布，各馈电点以基本90°的角位移分开。
第二中心导体20a、第三中心导体21a、第四中心导体20b和第五中心导体21b不与其它贴片2、4电接触，并且大体上垂直于所述贴片2、3、4的主表面5、6、7、8、9、10延伸。第二同轴馈线18a、第三同轴馈线19a、第四同轴馈线18b、第五同轴馈线19b还借助于在第三贴片4中形成的、可由这些同轴馈线18a、19a、18b、19b穿过的孔27a、28a、27b、28b来穿过该贴片的偏离中心的区域。
第一贴片2和第二贴片3和它们在对应的馈电点16、22、23上所属的中心导体15、20a、21a、20b、21b之间的电接触例如通过焊接获得。
第二同轴馈线18a和第四同轴馈线18b以彼此180°的异相被供电，使得相对的第二馈电点22a和第五馈电点22b以180°的相差被供电。此外，第三同轴馈线19a和第四同轴馈线19b也以彼此180°的异相被供电，使得相对的第三馈电点23a和第五馈电点23b以180°的相差被供电。该相移可借助本领域普遍使用的传统的移相器(图中未示出)来引入，或以任何其它方便的方式引入。
根据第二实施例的三模态天线装置1’具有三种工作模态，所述工作模态对应于参照图2a-2c的第一实施例描述的那些模态，并且可在这里获得相同的辐射性质。第一实施例和第二实施例之间的不同点是第二实施例在第二贴片3上具有四个馈电点而不是两个。所述四个馈电点产生了更平衡的供电，这更容易进行阻抗匹配，但同时包含了更复杂的结构。
如本领域技术人员所公知，由于互反性，对于所描述的所有三模态天线装置1、1’的发射性质来说，都具有对应的相等的接收性质，使三模态天线装置以三种基本不相关的工作模态进行发送和接收。
本发明不限于前述的实施例(所述实施例只应认为是本发明的范例)，而可在所附权利要求的范围内进行随意更改。
可构想其它类型的贴片来取代所描述的贴片。例如，所述贴片可具有其它形状，例如正方形、矩形或八角形以及十字形或星形。所述三个贴片互相之间也可具有不同的形状，即第一贴片可为八角形，第二贴片可为正方形等等。
所述贴片可用任何合适的导电材料制作，例如铜、铝、银或金。所述贴片还可用薄金属片制成并只用空气隔开，借助合适的固定器(图中未示出)来固定在适当位置。作为可选的方案，所述贴片也可通过腐蚀用铜箔叠层板来获得。
对所述贴片的任何类型的馈电都在本发明的范围内，其中最好采用不同类型的探针式馈电(probe feed)。前述的电容性探针式馈电就是这样的可选方案。
第一假想线和各馈电点之间的距离d对于每个馈电点不必相同，而是可作适当改变。馈电点的位置由想要的阻抗决定。换句话说，距离d通常要进行改变来获得想要的阻抗匹配。
第一假想线不必一定要通过所述贴片的中心区，而可通过贴片的任何合适位置。
馈电网络还可用许多不同的方式来实现，这些方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。所述贴片可用能获得其它互相正交的极化的方式来馈电，例如右旋圆极化和/或左旋圆极化。

Claims (8)

1.一种天线装置，包括第一贴片(2)、第二贴片(3)和第三贴片(4)，各贴片(2，3，4)用导电材料制成并具有第一主表面(5，6，7)和第二主表面(8，9，10)，所述第一贴片(2)、第二贴片(3)和第三贴片(4)放置成一个在另一个的上方，第一贴片(2)在顶上，所有所述主表面(5，6，7；8，9，10)基本互相平行，在所述天线装置(1，1’)中，第一贴片(1)具有第一边缘(11)，第二贴片(3)具有第二边缘(12)，而第三贴片(4)具有第三边缘(13)，其中，所述天线装置(1，1’)还包含馈电布置，其特征在于：所述馈电布置包含设于第一贴片(2)的第一馈电点(16)，它位于通过所述第一贴片(2)、第二贴片(3)和第三贴片(4)的第一假想线(24)上，第一假想线(24)基本垂直于各第一主表面和第二主表面(5，6，7；8，9，10)，其中，所述馈电布置还至少包含设于第二贴片(3)的第二馈电点(22)和第三馈电点(23)，各所述第二馈电点(22)和第三馈电点(23)的位置与第一假想线(24)隔开相应的距离(d)，其中，第二假想线(25)和第三假想线(26)垂直并交于第一假想线(24)，且第二假想线(25)还通过第二馈电点(22)，而第三假想线(26)还通过第三馈电点(23)，第二假想线(25)和第三假想线(26)彼此之间成角α，所述角α基本为90度，第一馈电点(16)设置成在发射和接收中对第一贴片(2)供电，而第二馈电点(22)和第三馈电点(23)设置成在发射和接收中对第二贴片(3)供电；在第一工作模态下，第一馈电点(16)使得在第一边缘(11)和第二边缘(12)之间形成的第一缝隙(30)中获得恒定的第一电场(31)，所述第一电场(31)定向在所述边缘(11，12)之间；在第二工作模态下，第二馈电点(22)使得在第二边缘(12)和第三边缘(13)之间形成的第二缝隙(33)中获得第二电场(32)，所述第二电场(32)定向在第二边缘(12)和第三边缘(13)之间，并且沿着第二缝隙(33)作正弦变化；在第三工作模态下，第三馈电点(23)使得在第二缝隙(33)中获得第三电场(34)，所述第三电场(32)定向在第二边缘(12)和第三边缘(13)之间，并且沿着第二缝隙(33)作正弦变化。
2.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述三种工作模态可同时运行。
3.如权利要求1或2所述的天线装置，其特征在于：所述馈电布置在第二贴片上包含四个馈电点——所述第二馈电点(22a)、所述第三馈电点(23a)、第四馈电点(22b)、第五馈电点(23b)，其中，第二假想线(25)通过第二馈电点(22a)和第四馈电点(22b)，第一假想线(24)位于该两点之间，而第三假想线(25)通过第三馈电点(23a)和第五馈电点(23b)，第一假想线(24)位于该两点之间，其中第二馈电点(22a)和第四馈电点(22b)是第二工作模态的馈电点，而第三馈电点(23a)和第五馈电点(23b)是第三工作模态的馈电点。
4.如权利要求3所述的天线装置，其特征在于：第二馈电点(22a)和第四馈电点(22b)由相位基本上相差180度的相应信号供电，而第三馈电点(23a)和第五馈电点(23b)也由相位基本上相差180度的相应信号供电。
5.如以上权利要求1-2中任一项所述的天线装置，其特征在于：所述第一贴片(2)、第二贴片(3)和第三贴片(4)环绕第一假想线(24)对称布置。
6.如以上权利要求1-2中任一项所述的天线装置，其特征在于：所述第一贴片(2)、第二贴片(3)和第三贴片(4)具有基本相同的形状。
7.如权利要求6所述的天线装置，其特征在于：所述第一贴片(2)、第二贴片(3)和第三贴片(4)基本为圆形。
8.如以上权利要求1-2中任一项所述的天线装置，其特征在于：第一假想线(24)与第二贴片(3)的各馈电点(22a，23a，22b，23b)之间的距离(d)基本相同。
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