CN101295818A - 用于无线设备的双极化微带贴片天线阵列及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种用于例如移动站的无线设备双极化天线及相关的方法。该天线由形成阵列的多个贴片形成，其在第一极化方向和第二极化方向上都是对称的。该阵列的相邻贴片由连接带连接，该连接带在两个方向上也是对称布置的。这些连接带不仅作为贴片的馈电线，还作为在每个极化方向上的同相辐射元件而操作。横向带在横向布置的贴片对之间延伸，并且在横向带处提供单个馈电连接。

Description

用于无线设备的双极化微带贴片天线阵列及相关方法

技术领域

本发明总体上涉及用于便携式无线设备的天线，例如工作于IMS(工业，医药和科学)频带的支持蓝牙或IEEE802.11b/g的设备。具体而言，本发明涉及一种具有紧凑的结构、能够位于便携式无线设备的无线外壳上或内部的双极化天线以及相关方法。

位于角落处的贴片(patch)的阵列布置在基片上。该位于角落处的贴片和将相邻贴片互连的连接带在第一和第二极化方向上是对称的，并且其具有的尺寸允许谐振频率上的对称激励。

背景技术

在现代社会中很多方面采用无线通信系统进行通信。通过无线通信系统可以规则地实现许多不同的通信服务，包括语音通信服务及数据通信服务。并且随着技术的进步，可以通过无线通信系统实现的通信服务类型也随之增加。

蜂窝通信系统是无线通信系统的一个示例，其具有高水平的应用。蜂窝通信系统典型地构造为提供广域覆盖区。并且，蜂窝通信系统的基础设施已经遍布安装在世界居民区的重要部分。通过无线通信系统，用户通过使用无线设备、无线收发器(有时称为移动站或用户设备(UE))进行通信。典型地，提供了对蜂窝通信系统的访问，以按月循环地或基于提前付费和时间使用进行服务订购。可依照不同操作标准进行操作的蜂窝通信系统在不同频带，例如800MHz频带、在900MHz频带、及位于1.7GHz到2.2GHz之间的频带上的定义无线空中接口(airinterface)。

其他类型的无线通信系统也得到了广泛的应用，例如，作为WLAN(无线局域网)系统实现的基于蓝牙(tm)和基于IEEE802.11b/g的系统，其也提供语音和数据通信，覆盖区通常比与蜂窝系统的覆盖区小。WLAN通常作为专用网络运行，为能够访问这样网络的用户提供通过使用支持蓝牙或802.11b/g的无线设备进行通信的能力。WLAN有时配置为与例如因特网等公共网络连接，从而与其他通信网络，例如PSTN  (公共交换电话网)和PLMN(公共陆地移动网)连接。有时也提供相互作用的实体，以在小区域网络和PLMN之间提供更直接的连接。上述的各种系统在2.4GHZ的频带上实现。

无线通信系统通常受带宽约束。也就是说，其操作的带宽分配是有限的。并且这种有限的带宽分配导致对该通信系统通信能力的限制。为有效地利用在带宽有限的系统中分配的有限带宽，已经做出了巨大的努力，并关注达到这一目的的方式。有时采用双极化通信技术。在双极化技术中，在同一频率上通信的数据在分离的极化平面中进行通信。通过使用双极化技术可以得到接近两倍的通信容量。为根据双极化方案转化信号能量，需要无线设备利用可操作在分离极化平面上的双极化天线。因为通常减少了多路传输和其他干扰的影响，由此提高了信号传输和接收的质量，双极化技术的使用也是很有优势的。

双极化天线是可实现的，例如通过采用边缘馈电(edge feed)或探针馈电(probe feed)的方式在两个正交边缘处对正方形贴片天线进行馈电。通常，现有的双极化贴片天线与两个馈电网络电路联合使用。因此，现有的天线受到了各种限制。例如，要求馈电连接之间的分离距离足够大，以防止各个馈电线之间的耦合发生。过多的耦合会导致较高的交叉极化水平(cross polarization level)。

随着无线设备不断的小型化，并被封装在不断小型化的外壳中，关于交叉极化水平的问题变得更加重要。因此，需要以能够减小该有害问题的方式构造的改进的双极化天线。

根据与用于无线设备的天线相关的这些背景信息，开发了本发明的重要改进。

发明内容

本发明有利地提供了天线装置和相关的方法，其用于便携式无线设备，例如工作于IMS(工业，医药和科学)频带上的蓝牙兼容或802.11b/g兼容设备。

通过本发明实施方式的操作，提供了具有紧凑结构的双极化天线。该天线能够位于便携式无线设备的无线外壳上或位于无线外壳中。

根据本发明的一个方面，该天线由布置在基片上的位于角落处的贴片的阵列形成。该位于角落处的贴片连同将相邻贴片互连的连接带在第一和第二极化方向上是对称的。并且，蚀刻或放置在基片上的导电材料可在例如IMS频带的2.47GHz附近等谐振频率上被对称地激励。

根据本发明的另一方面，位于角落处的贴片形成贴片阵列，其中阵列中的每个贴片具有对应的几何尺寸。例如，每个贴片都是正方形的。每个正方形的贴片都具有共同的纵向(长度)和横向(宽度)尺寸，从而允许获得的阵列在第一极化方向和第二极化方向这两个方向上对称，其中第二极化方向与第一极化方向正交。例如，该贴片形成在长方形基片的角落内，这样贴片延伸至基片的边缘侧。

根据本发明的另一方面，连接带布置在基片上以将相邻的阵列贴片连接。当以二乘二阵列的方式排列贴片时，使用4个连接带，每个连接带将一对相邻的带连接在一起。连接带在第一极化方向或第二极化方向上延伸，这取决于连接带将阵列中的哪个贴片对互连。放置连接带，以通过沿与连接带延伸方向相同的极化方向延伸的通路(access)来提供对称性。当放置连接带以连接二乘二阵列的相邻贴片时，四个连接带中的两个在第一极化方向上延伸，并关于在第一极化方向上延伸的极化轴对称。四个连接带中的第二对在第二极化方向上延伸，并关于在第二极化方向上延伸的极化轴对称。由此连接带将阵列中的每个相邻贴片互连，并在总体上将阵列的所有贴片互连。

根据本发明的另一方面，在基片上布置交叉带，交叉带在贴片阵列中横向(transverse)放置的贴片对之间横向地延伸。在横向延伸的交叉带的中点处提供单个馈电连接。该馈电连接提供了布置在基片上的天线的对称放置部分的对称激励。通过使用该单个馈电连接，提供对称激励。由此，减小了有关交叉极化的问题。并且由此提供高增益、高效率和紧凑的双极化天线。

因此，根据这些和其他方面，为无线设备提供了天线设备和相关的方法。提供基片。并且，以对称排列的方式在该基片上布置一组位于侧边上的贴片。在该基片上布置连接带。该连接带配置为将该组位于侧边上的贴片中的相邻贴片连接在一起。在基片上布置交叉带。该交叉带配置为将这组位于侧边上的贴片中的横向配置的贴片对连接在一起。位于侧边上的贴片提供了双极化操作。

因此，根据这些和其他方面，为无线设备提供了天线设备和相关的方法。提供基片。在该基片上布置一组贴片。该贴片配置为二乘二阵列。在该基片上布置一组连接带。连接带配置为将该阵列贴片中相邻贴片互连。此外，在该基片上布置横向带，将横向放置的贴片对互连。这些连接带不仅作为贴片的馈电线，而且在每个极化方向上作为同相辐射元件操作。

附图说明

图1示出了无线通信系统的功能方框图，本发明实施方式可在其中操作。

图2示出了本发明实施方式的双极化微带贴片天线的平面图。

图3示出了作为本发明实施方式的无线设备的形成部分的天线的频率函数而绘制的仿真和测量的回波损耗(return loss)的图示。

图4示出了在2.47GHz处本发明实施方式的天线的仿真电流分布的示例图示。

图5示出了在2.47GHz处本发明实施方式的天线的仿真辐射图案的图示。

图6示出了与图5所示相似但是在2.47GHz处本发明实施方式的天线所展示的测量辐射图案的图示。

图7示出了示出了本发明实施方式的天线的仿真增益的图示。

图8示出了本发明实施方式的操作方法的方法流程图。

具体实施方式

因此，首先参考图1，总体上由10表示的无线通信系统提供与移动站12的通信。在该示例实施方式中，移动站根据蓝牙标准或IEEE802.11b/g标准操作，可在2.4GHz频带上发送和接收信号。更一般地，该移动站12代表多种无线设备中的任意设备，且该无线通信系统代表可依照多种通信标准中的任意标准进行操作、或允许在未规范的频带上进行操作的任意多种无线通信系统。因此，虽然下面描述了蓝牙或IEEE802.11b/g兼容系统在2.4GHz频带上操作的示例，但应该理解下面的描述只是示例性的，并且对依照其他方式操作的无线通信系统的操作的描述是类似的。

该无线通信系统包括网络部分，这里表示为网络站点14。该网络站点包括例如WLAN或类似实体的接入点，WLAN或类似实体与如移动站12的无线设备进行信号收发。这里形成接入点的网络站点是局域网结构(WLAN)16的一部分，局域网结构16连接到外部网络，这里是公共分组数据网络(PDN)18，例如因特网。

移动站和网络站点可依据而进行操作的操作标准，该操作标准允许(这里是提供)在通信系统的操作频带上的双极化通信，这里操作频带是2.40到2.485GHz之间的ISM频带。

该移动站12包括收发机电路，这里表示为接收(RX)部分26和发送(TX)部分28。该接收和发送部分例如通过天线耦合器或在收发机部分之间提供隔离的其他实体，耦合到本发明实施方式的天线32。该收发机电路能够进行双极化操作。也就是说，该发送和接收部分能够生成在两个极化方向上传输的信号，并且也能对在两个极化方向上与移动站通信的信号进行操作。

相应地，天线32形成双极化天线，能够转换两个极化方向的信号能量。也就是说，该天线在双极化方向上检测信号能量。并且，在移动站产生的信号能量被转换为电磁形式并在两个双极化方向上辐射。在示例实施方式中，天线32布置在通常是平面的基片上，天线32的尺寸允许将其放置在移动站的外壳36内。

图2详细示出了本发明实施方式的天线32，其形成图1所示的移动站12的一部分。该天线包括布置在基片42上的多个贴片44。贴片被蚀刻、涂制(paint)或以其他方式形成在基片上。贴片以定义了二乘二贴片阵列的方式形成在基片上。即，贴片形成两行和两列，每个贴片被定义在阵列的单个行和单个列中。

在示例实施方式中，贴片是正方形几何结构，既正方形形状。每个贴片44的横向(宽度)尺寸和纵向(长度)尺寸为a。在示例实施方式中，每个贴片均形成在基片42的角落处，这里基片42是长方形的。由此，该基片和贴片的外围侧的边缘具有共同的终点(terminus)。通过使用共同形状和共同尺寸的贴片，且通过将贴片放置成偶数阵列，贴片组相对于两个对称轴(这里是轴46和48)对称。轴46和48彼此正交。并且，这些对称轴定义了相互正交的极化方向。

连接带52也布置在基片42上。该连接带也是被布置、蚀刻或以其他方式形成在基片上的。每个连接带52配置为将贴片44中的相邻对互连。在二乘二阵列中，由于该连接带将定义在方向46和48中每一个方向上的贴片的相邻对连接，所以每个贴片连接到两个连接带上。在示例实施方式中，该连接带是长方形的，每一个的宽度是w。贴片以分离距离d彼此分离。因此，每个连接带的长度为d。连接带也相对于对称轴46和48对称。贴片44和连接带52一起形成的最终结构是关于对称轴46和48双向对称的。

天线32进一步包括交叉带56，交叉带56被布置、蚀刻或以其他方式形成在基片上并在横向放置的贴片44的对之间横向延伸。馈电连接58被定义在沿着交叉带长度的中间位置。该馈电连接的放置提供了对称激励，由此降低了双极化分量的交叉极化水平。在示例实施方式中，该基片进一步包括形成在其底侧(如所示)的公共地平面60。该公共地平面定义了与布置在基片上的导电元件相分离的反射器，这里，分离距离是由基片的厚度定义的。

图3示出了图示92，其示出了分别作为频率的函数而绘制的、代表仿真和测量的回波损耗的图94和96。在示例实施方式中，该天线谐振在2.4GHz频带上，该图指示的就是这种情况。

图4再次示出了本发明示例实施方式的天线32。这里，在其谐振频率2.47GHz处该天线展示了仿真的电流分布。天线头部图案(header)表示天线中的电流。对电流分布的分析表明该电流分布包括在平行于图2所示的极化轴46和48的方向上延伸的分量。

图5和图6分别示出了在2.47GHz的谐振频率上本发明实施方式的天线32的仿真和测量的二维辐射图案。在每个图示中，均绘制了0度和90度平面的表示102和104。

图7示出了图示106，其示出了由本发明实施方式的天线32展示的、作为频率的函数的仿真增益。该增益集中在或者接近2.47GHz谐振频率处。

图8示出了方法流程图，总体表示为112，代表本发明实施方式的操作方法。该方法用于在无线设备中转换信号能量。

首先，如方框114表示的，在基片上布置一组贴片。该贴片配置为二乘二阵列。并且，如方框116表示的，在该基片上布置一组连接带。该连接带的带配置为将相邻贴片互连。

一旦形成在基片上，贴片用于分别在第一和第二组环状带(loopstrip)处转换在第一极化方向上和第二极化方向上极化的信号能量。

由此提供了大小紧凑的双极化天线。通过使用布置在基片上并配置为允许使用单个馈电连接来对称地激励该天线的的贴片，消除了与传统双极化天线使用的多个馈电连接相关的问题。

Claims (18)

1、一种用于无线设备(12)的天线装置(32)，所述天线装置(32)包括：

基片(42)；

位于侧边上的贴片组(44)，以对称排列方式布置在所述基片(42)上；

布置在所述基片(42)上的连接带(52)，所述连接带(52)配置为将所述位于侧边上的贴片(44)组中的相邻贴片连接在一起；以及

布置在所述基片(42)上的交叉带(56)，所述交叉带(56)配置为向用于所述无线设备的天线装置(32)提供单个馈电点连接(58)，所述交叉带(56)配置为将所述位于侧边上的贴片(44)组中横向(对角线方向)布置的贴片(44)对连接在一起，位于侧边上的贴片(44)提供双极化操作。

2、根据权利要求1所述的装置(32)，其中，以所述对称排列方式布置在所述基片(42)上的位于侧边上的贴片(44)在第一极化方向和第二极化方向上都是对称的。

3、根据权利要求1所述的装置(32)，其中，所述位于侧边上的贴片(44)组包括第一位于侧边上的贴片(44)、第二位于侧边上的贴片、第三位于侧边上的贴片(44)和第四位于侧边上的贴片(44)。

4、根据权利要求3所述的装置(32)，其中，第一位于侧边上的贴片(44)布置在所述基片(42)的第一角落处，第二位于侧边上的贴片(44)布置在所述基片(42)的第二角落处，第三位于侧边上的贴片(44)布置在所述基片(42)的第三角落处，第四位于侧边上的贴片(44)布置在所述基片(42)的第四角落处。

5、根据权利要求4所述的装置(32)，其中，所述连接带(52)是长方形的，具有宽度‘w’和长度‘d’，长度‘d’等于位于侧边上的贴片(44)之间的分离距离，所述连接带(52)的第一连接带将第一位于侧边上的贴片(44)和第二位于侧边上的贴片连接在一起，所述连接带(52)的第二连接带将第二位于侧边上的贴片(44)和第三位于侧边上的贴片(44)连接在一起，所述连接带(52)的第三连接带将第三位于侧边上的贴片(44)和第四位于侧边上的贴片(44)连接在一起，所述连接带(52)的第四连接带将第四位于侧边上的贴片(44)和第一位于侧边上的贴片(44)连接在一起。

6、根据权利要求4所述的装置(32)，其中，所述交叉带(56)配置为将第一位于侧边上的贴片(44)和第三位于侧边上的贴片(44)连接在一起。

7、根据权利要求1所述的装置(32)，其中，所述位于侧边上的贴片组中的每个位于侧边上的贴片都是正方形几何形状的。

8、根据权利要求1所述的装置(32)，其中，所述连接带(52)中的每个连接带均配置为具有第一选定长度和第一选定宽度。

9、根据权利要求7所述的装置(32)，其中，所述交叉带(56)还配置为具有所述第一选定宽度。

10、根据权利要求1所述的装置(32)，还包括形成在所述交叉带处的单个馈电连接(58)。

11、根据权利要求10所述的装置(32)，其中，所述单个馈电连接(58)形成在所述交叉带的中点处。

12、根据权利要求1所述的装置(32)，其中，所述位于侧边上的贴片(44)组配置为在2.4GHz频带上在第一极化方向和第二极化方向上都是谐振的。

13、一种用于在无线设备(12)中转换信号能量的方法(112)，所述方法包括如下操作：

在基片(42)上以对称排列方式布置(114)由四个位于侧边上的贴片(44)形成的贴片组；

在基片(42)上布置(116)连接带(52)，所述连接带(52)配置为将位于侧边上的贴片(44)中的相邻贴片连接在一起；

在基片(42)上布置(116)交叉带(56)，所述交叉带(56)配置为向用于所述无线设备(12)的天线装置(32)提供单个馈电点连接(58)，所述交叉带(56)还配置为将位于侧边上的贴片(44)组中横向放置的贴片对连接在一起；以及

在位于侧边上的贴片(44)组中的位于侧边上的贴片处，转换(118)在第一极化方向和第二极化方向上极化的信号能量。

14、根据权利要求13所述的方法，还包括操作：将无线设备(12)与所述交叉带(56)的所述单个馈电点(58)连接。

15、根据权利要求14所述的方法，还包括操作：使用信号能量对称地激励在所述布置操作期间布置的位于侧边上的贴片(44)、所述连接带(52)和所述交叉带。

16、根据权利要求15所述的方法，其中，在所述对称地激励的操作期间提供的信号能量包括2.4GHz的信号能量。

17、根据权利要求13所述的方法，其中，所述布置位于侧边上的贴片(44)组的操作包括：以位于侧边上的贴片(44)的二乘二阵列的方式来布置贴片组。

18、根据权利要求13所述的方法，其中，在所述布置位于侧边上的贴片(44)的操作期间布置的位于侧边上的贴片(44)组包括在第一极化方向上呈第一对称排列形式并在第二极化方向上呈第二对称排列形式的位于侧边上的贴片。

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