CN101258642B - 谐振、双极化贴片天线 - Google Patents

Abstract

具有降低的束宽的贴片天线(200)，以及用于控制谐振、双极化的贴片天线(200)的束宽方法。天线(200)包括接地平面(210)、贴片辐射体(220)、导电元件和非对称馈电器(230)。贴片辐射体(220)悬于接地平面(210)上方，其中贴片辐射体(220)的中心区域(225)与接地短路。关于贴片辐射体(220)中心对称地布置馈电器(230)，并激发反相的贴片辐射体(220)的相对的侧面。馈电器(230)被耦合到中心区域(225)外部的位置处的贴片辐射体(220)。

Description

谐振、双极化贴片天线

相关申请

本专利申请要求于2005年6月23日以ArgusTechnologies(Australia)Pry Ltd.的名义提出的澳大利亚临时专利申请No.2005903393的较早申请日期的优先权，其全文在此引入，作为参考。

技术领域

本发明主要涉及天线，并且尤其涉及贴片天线。

背景技术

在两个正交轴上馈入的方形或圆形谐振贴片天线(patchantenna)被频繁地用作双极化阵列天线的元件，尤其是用于蜂窝电话网络的基站天线的元件。如果天线所要求的带宽大于几个百分比，通常使用空气电介质且选择位于接地平面上方的贴片的高度以提供足够的带宽。选择贴片的大小以使贴片谐振。通常利用包括谐振元件的狭槽、环状天线或探针实现贴片的馈入。选择上述装置和谐振元件的耦合以实现整体的双调谐的或更高阶的过滤器的响应。图1显示了上述执行方案的实例。

图1A、1B和1C说明了利用环130馈入的谐振贴片天线100。将贴片120定位于接地平面110上方以提供希望的带宽。为易于说明，没有显示用于贴片120的支持物，仅显示了与一个极化相关联的环。如在图1A和1B中所最好看见的，环130为“C”形，具有布置于“C”的两个末端之间的信号源140。实际上，可以将上述信号源作为嵌入在环“C”一侧内的共轴线实现，中心导体与间隙的相对侧相连。通过在图6中所示的馈入点连接串联的电容620，获得双调谐的阻抗响应。利用电容620将共轴线610耦合到串联的馈入点。共轴线的外部导体被耦合到图6的结构600中的环630。

安装在接地平面上方的上述贴片元件100的一维阵列通常在与70和85度之间的阵列垂直的平面内导致3dB束宽。对于蜂窝无线电目的来说，具有60到65度之间的水平束宽的辐射斜面极化(在±45°到垂直倾斜的线性极化)通常是希望的。通过在贴片元件100周围使用各种金属栅拦或围栏(未显示)，可以运用对束宽的某些影响。

降低束宽的另一方法包括增加贴片的尺寸。然而，这伴随着贴片的谐振频率的降低，使贴片到馈电器的阻抗匹配不可能。

因此，存在对于控制谐振、双极化贴片天线的束宽的改进方法的需要。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了具有束宽降低的贴片天线，包括：接地平面；悬于接地平面上方的贴片辐射体，其中贴片辐射体的中心区与接地短路；以及绕贴片辐射体中心对称地被布置的馈电器，激发反相贴片辐射体的相对的侧面，馈电器被耦合到中心区域外部的位置处的贴片辐射体。

贴片辐射体可以进一步包括导电元件，用于将贴片辐射体的中心区域与接地平面进行耦合以使中心区域短路以提供贴片辐射体的希望的谐振频率。在形状上，导电元件可以是圆柱形。在形式上，导电元件可以是实心的或管状的，或者包括位于贴片和接地平面之间的许多离散的接线。

至少一个微波传输带或带状线板可以实现导电元件。至少一个微波传输带或带状线板可以实现馈电器，贴片天线可以进一步包括两个交叉的微波传输带或带状线板。

根据本发明的另一方面，提供了具有束宽降低的贴片天线，包括：接地平面；悬于接地平面上方的贴片辐射体；导电体，其被耦合到接地平面和贴片辐射体中的一个且被置于接地平面和贴片辐射体之间以提供贴片辐射体的阶跃降低的中心区域；以及绕贴片辐射体中心对称地被布置的馈电器，激发反相贴片辐射体的相对的侧面，馈电器被耦合到阶跃降低的中心区域外部的位置处的贴片辐射体。

根据本发明上述方面的任何一个，可以增加贴片辐射体的辐射边缘之间的距离，以在保持谐振结构的同时降低贴片辐射体的束宽。

根据本发明上述方面的任何一个，所述贴片辐射体可以具有圆形、正方形或其他的对称形状。

根据本发明上述方面的任何一个，贴片辐射体可以进一步包括一系列电容和阻抗变压器以提供宽带双调谐结构。

根据本发明的进一步的方面，提供了控制谐振、双调谐贴片天线的束宽的方法。该方法包括以下步骤：将悬于接地平面上方的贴片天线的中心区域与天线的接地平面短路；以及利用绕贴片辐射体中心对称地被布置的馈电器，对称地馈入信号并激发反相的(anti-phase)贴片辐射体的相对的侧面，馈电器被耦合到中心区域外部的位置处的贴片辐射体。

仍旧根据本发明的另一方面，提供了控制谐振、双调谐贴片天线的束宽的方法。该方法包括以下步骤：利用被耦合到接地平面和贴片辐射体的导电体，提供贴片辐射体的阶跃降低的中心区域，贴片辐射体悬于接地平面上方以及导电体被置于接地平面和贴片辐射体之间；以及利用绕贴片辐射体中心对称地被布置的馈电器，对称地馈入信号并激发反相贴片辐射体的相对的侧面，馈电器被耦合到阶跃降低的中心区域外部的位置处的贴片辐射体。

可以根据此处提出的与贴片天线有关的本发明的各方面执行前述方法的其他方面。

附图说明

参照附图以下描述了本发明的少数实施例，其中：

图1A、1B和1C分别是利用环形电路馈入的谐振贴片天线的透视、侧视和平面图；

图2A、2B和2C分别是根据本发明实施例具有被短部分的贴片天线的透视、侧视和平面图；

图3是根据本发明另一实施例利用双印刷电路环馈入的圆形贴片的透视图；

图4A、4B和4C是用于将图3的贴片天线馈入具有双印刷电路板的两极的结构的透视图；

图5A和5B是说明图4A到4C的印刷馈电器的两侧的细节的侧面图；

图6是利用具有串联电容的环馈入的谐振贴片天线的侧面图；

图7是根据本发明的另一实施例的在贴片辐射体和接地平面之间具有阶跃降低的间隙区域的谐振贴片天线的简化的侧面图；以及

图8是根据本发明的另一实施例的在贴片辐射体和接地平面之间具有阶跃降低的间隙区域的另一谐振贴片天线的简化的侧面图。

具体实施方式

以下描述了贴片天线和用于控制谐振、双极化贴片天线的束宽的方法。在下列描述中，给出了许多具体的细节，包括特定导电材料、频率范围、材料以及诸如此类。然而，从本发明来看，在不偏离本发明的范畴和精神实质的情况下，可以进行修改和/或替代，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。在其他情况下，可以省略具体的细节，以不使本发明难以理解。

根据本发明的实施例，描述了降低束宽的方法，其中增加了贴片的尺寸。增加贴片的尺寸通常伴随着贴片的谐振频率的降低，使贴片与馈电器的阻抗匹配不可能。在本发明的实施例中，通过在贴片的中心引入将贴片与接地平面连接的区域，将贴片天线的谐振频率回复到希望值。

根据本发明实施例，图2A、2B和2C说明了具有短路区域225的贴片天线200。图2中所示的结构有效地增加了贴片辐射体220(以下简单地用贴片表示)的辐射边缘的间距，以减小贴片220的束宽，但同时保持了谐振结构。在本实施例中，贴片220形状为方形。然而，在其他实施例中，可以使用不同形状的贴片，诸如圆形的贴片。增加谐振所要求的谐振贴片220的尺寸。被短部分225(短路区域)在贴片220的中心区域和接地平面210之间被连接在一起。在该实施例中，被短部分225在形状上为圆柱形并且在形式上可以是实心或管状的，并由导电材料例如铜制成。贴片220的中心区域被短路到接地平面210。或者，贴片220和接地平面210之间的间距仅在中心区域内被阶跃降低(step down)。这具有相似的效果。被短区域的形状不是关键的但应当在两个正交的馈入平面周围保持对称。

为了在上述被短区域225存在的情况下保持对称，使用了反对称馈电器236、230，诸如图2所显示的。在贴片220的相对侧面上，馈电器探针或环236被耦合到谐振贴片220并通过信号源240被馈入。可以使用其他馈电器探针或环230以激发正交极化。

较大的被短区域225需要较大的贴片220以保持谐振。当增加被短区域225的尺寸以及增加贴片220的尺寸以保持谐振时，结构200的被发射的束宽平滑地降低。这是希望的效果。当更高阶的模式被激发时，发生该过程的限制，使贴片边缘处的场分布显著偏离简单谐振贴片的场分布。

在图2中，显示了贴片220的中心处的圆形接地区域225。根据本发明实施例，图3显示了使用两个交叉的微波传输带或带状线板330的替代的实施例300。在该实施例中，贴片320在形状上为圆形。然而，可以使用其他的形状。

同时使用了两个交叉的板330以将贴片320的中心区域连接到接地平面310并将反相的贴片的相对侧面馈入。两个交叉的板330将磁回路馈入功能和由印刷板上的4个内部垂片(tab)340和344所提供的足够的中心接地(grounding)合并起来。可以使用串联电容360和阻抗变换器(transformer)365以提供宽带双调谐频率响应。在所示的装置300中，两个正交的板提供用于两个正交的线性极化的馈电器。通过50欧姆的共轴电缆370为每个馈电器提供信号。

图4A、4B和4C详细地显示了两个交叉的微波传输带印刷电路板330。尤其是，图4A到4C说明了将贴片320馈入到具有两个印刷电路板330的两个极化中的方法。在板的一侧上，刻蚀出两个平衡的回路380。在板的另一侧上是将反相的两个回路380馈入的轨365。轨360端部上的电容性短截线与回路380谐振。被耦合到谐振贴片320的这些谐振电路形成宽带双调谐阻抗特征。

图5说明了印刷馈电器的两个侧面的细节。如图5A和5B所示，可以将交叉的微波传输带印刷电路板330作为两个分离的板实现，每个适应地具有板的中心区域中的凹槽，使得可以将板组装在一起以制成交叉的板330，而不中断每个板上所要求的轨。轨365提供阻抗变换(impedance transformation)以使贴片与50欧姆的馈电电缆370相匹配。在提供具有双调谐、宽带阻抗特征的对称的反相馈电的同时，上述板330也为贴片的中心区域提供短路连接。这可以在低损耗微波基板上实现。

根据本发明的另一实施例，图7说明了具有阶跃降低的间隙区域740的贴片天线700的横切面。在该实施例中，贴片辐射体720可以具有方形或圆形形状。然而，在其他实施例中，可以使用不同形状的贴片。贴片辐射体720被布置于接地平面710(未显示支持物)上方的位置。形成接地平面710以具有中心区域740，中心区域比接地平面710的其余部分更加紧密地与贴片辐射体720间隔开。尽管上述方式显示上述区域740指示显示中心区域740内的内部腔，实际上该区域可以是实心导电材料。在该实施例中，接地平面710的中心区域740在形状上是圆柱形的，在形式上可以是实心的或管状的并由导电材料，例如铜制成。这对图2的短路区域225具有相似的影响。为简化附图，未显示反对称馈电器，然而，可以使用图2所示的一个这样的馈电器。在贴片的相对侧面上，馈电器探针或环被耦合到谐振贴片并通过信号源被馈入。可以使用其他馈电器探针或环230以激发正交极化。

仍旧根据本发明的另一实施例，图8说明了具有阶跃降低的间隙区域840的贴片天线800的横切面。在该实施例中，贴片辐射体820可以具有方形或圆形形状。然而，在其他实施例中，可以使用不同形状的贴片。贴片辐射体820被布置于接地平面810(未显示支持物)上方的位置。形成贴片辐射体820以具有位于贴片辐射体820的下表面内的中心区域840，中心区域840比贴片辐射体820的其余部分更加紧密地与接地平面810间隔开。该区域840优选为固体导电材料。在该实施例中，贴片辐射体840的中心区域840在形状上是圆柱形的并可以由导电材料，例如铜制成。这对图2的短路区域225具有相似的影响。为简化附图，未显示反对称馈电器，然而，可以使用图2所示的一个这样的馈电器。在贴片的相对侧面上，馈电器探针或环被耦合到谐振贴片并通过信号源被馈入。可以使用其他馈电器探针或环230以激发正交极化。

已经描述了贴片天线和用于控制谐振的、双极化的贴片天线束宽的方法。就本发明而言，在不偏离本发明的范畴和精神实质的情况下，可以进行修改和/或替代，这对本领域的技术人员来说将是显而易见的。

Claims (19)

1.一种谐振、双极化贴片天线，包括：

接地平面；

贴片辐射体，悬于所述接地平面上方，所述贴片辐射体的中心区域与所述接地平面短路，所述中心区域是所述贴片辐射体的一个大的面积以增加所述贴片辐射体的辐射边缘之间的距离；以及

反对称的磁环馈电器，关于所述贴片辐射体的中心对称地布置并且在所述中心区域外部的位置处被耦合到所述贴片辐射体，用于反相地激发所述贴片辐射体的相对的辐射边缘，所述磁环馈电器包括串联的电容器和阻抗变换器以提供宽带双调谐频率响应，所述贴片辐射体具有降低的束宽，同时谐振频率依赖于所述辐射边缘之间增加的所述距离而被保持。

2.根据权利要求1的贴片天线，进一步包括导电元件，其将所述贴片辐射体的所述中心区域与所述接地平面耦合以使所述中心区域短路。

3.根据权利要求2的贴片天线，其中所述导电元件在形状上为圆柱形。

4.根据权利要求3的贴片天线，其中所述导电元件在形式上为实心或管状，或者包括位于所述贴片辐射体和所述接地平面之间的数个离散的连接。

5.根据权利要求2的贴片天线，其中至少一个微波传输带或带状线印刷电路板实现所述导电元件。

6.根据权利要求5的贴片天线，其中至少一个微波传输带或带状线印刷电路板实现所述磁环馈电器。

7.根据权利要求5或6的贴片天线，其中两个微波传输带或带状线印刷电路板组装在一起形成交叉板实现所述导电元件。

8.根据权利要求1的贴片天线，包括：

导体，被耦合到所述接地平面和所述贴片辐射体中的一个，被置于所述接地平面和所述贴片辐射体之间以提供所述贴片辐射体的阶跃降低的中心区域；并且

其中所述磁环馈电器在所述阶跃降低的中心区域外部的位置处被耦合到所述贴片辐射体。

9.根据权利要求1或8的贴片天线，其中所述贴片辐射体具有圆形、方形或其他的对称形状。

10.一种用于控制谐振、双极化贴片天线的束宽的方法，所述方法包括以下步骤：

将悬于所述天线的接地平面上方的贴片辐射体的中心区域短路于所述接地平面，所述中心区域是所述贴片辐射体的一个大的面积以增加所述贴片辐射体的辐射边缘之间的距离；以及

利用关于贴片辐射体中心对称地布置的并在所述中心区域外部的位置处被耦合到所述贴片辐射体的、用于反相地激发所述贴片辐射体的相对的辐射边缘的反对称的磁环馈电器，馈入信号，提供宽带双调谐频率响应，所述磁环馈电器包括串联的电容器和阻抗变换器来提供宽带双调谐频率响应，所述贴片辐射体具有降低的束宽，同时谐振频率依赖于所述辐射边缘之间增加的所述距离而被保持。

11.根据权利要求10的方法，其中导电元件将所述贴片辐射体的所述中心区域与所述接地平面耦合以将所述中心区域短路。

12.根据权利要求11的方法，其中所述导电元件在形状上为圆柱形。

13.根据权利要求12的方法，其中所述导电元件在形式上为实心或管状，或包括位于所述贴片辐射体和所述接地平面之间的数个离散的连接。

14.根据权利要求11的方法，其中至少一个微波传输带或带状线印刷电路板实现所述导电元件。

15.根据权利要求14的方法，其中至少一个微波传输带或带状线印刷电路板实现所述磁环馈电器。

16.根据权利要求14或15的方法，其中两个微波传输带或带状线印刷电路板组装在一起形成交叉板实现所述导电元件。

17.根据权利要求10的方法，该方法包括以下步骤：

利用被耦合到接地平面和所述贴片辐射体中的一个的导体，提供贴片辐射体的阶跃降低的中心区域，所述贴片辐射体悬于所述接地平面上方，并且所述导体被置于所述接地平面和所述贴片辐射体之间；并且

其中所述磁环馈电器被耦合到所述阶跃降低的中心区域外部的位置处的所述贴片辐射体。

18.根据权利要求12或17的方法，包括增加所述贴片辐射体的辐射边缘之间的距离，以在保持谐振结构的同时减小所述贴片辐射体的束宽。

19.根据权利要求12或17的方法，其中所述贴片辐射体具有圆形、方形或其他的对称形状。

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