CN101411027A - 补片散热器 - Google Patents

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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

Abstract

一种用在波束成形的或易操纵的天线系统中的补片散热器，其通过提供一种环形补片构型最大化上频率限值并同时最小化下频率限值，在该环形补片构型中该补片元件的中心区域没有材料，从而该中心区域具有与该补片元件的外周的形状不同的形状。此补片散热器的一种可能构型包括正方形的外形状，封闭去除材料的中心圆形区域。以这种方式，上频率限值阈值倾向于随着该内部环形周长减小而增大。优选地，该外周和内周具有不大于180°的内角。

Description

补片散热器
技术领域
本发明涉及天线单元，更具体地涉及背腔式缝隙反馈天线元件(cavity backed slot fed antenna elements)中的补片散热器(patchradiator)。
背景技术
在诸如可以用于蜂窝电话网络基站的波束成形的或易操纵的天线系统中，天线可以由一个相同天线元件的阵列组成。
在一种被称作背腔式、缝隙反馈双极化补片元件这样的设计中，天线元件以从该散热元件的背部到前部的顺序包括腔结构、双端馈电网络、一对缝隙以及补片散热器。
该腔确保所有的散热能量从该天线元件的前部出现。
该双端馈电网络主要用于提供必要的场，以通过激励该补片散热器上适当的场结构来驱动该缝隙元件。
该缝隙反过来激励用于双极化补片元件的必要的场。
该补片散热器是该天线元件的有源或散热部件。该补片散热器的尺寸和构造对该天线元件的工作特性具有重要影响。
然而，在波束成形的天线阵列中，相邻行和/或列的中心之间的间距对性能施加约束。例如，相关领域的技术人员应理解，超过阵列间距阈值最大值可能在散热信号中引入光栅波瓣，这通常是不合需要的。作为示例性的经验法则，阵列元件可以被限制到在方位平面内不多于0.5倍波长间距以及在高度平面内不多于0.8倍波长间距。通常认为在高度平面内更大的波长间距是可接受的，因为一般电子束的窄波束宽度和低倾斜角提供帮助以便不合需要的光栅波瓣不能形成。
不考虑性能含义，通常期望优化阵列元件间距，从而产生具有与所需散热方向图一致的小物理覆盖区的天线阵列。
因而，应小心设计补片散热器，该补片散热器在满足散热元件的各种设计标准的同时提供令人满意的性能。例如，普遍认为，对于双极化元件来说，两极化设定为+/-45°。这通常意味着，正方形补片散热器朝向沿相对于该阵列的对角线的方向。
同样，天线元件应被设计用于提供合适的频带宽度以适应它针对的应用。
如果没有被电磁场计算严格证明，至少在通俗或经验的意义上，通常应理解，对于由具有内角不小于180°的多边形形状限定的补片来说，工作频率由补片元件的周长决定。因此，为了最小化补片的物理尺寸，通常优选相对于封闭周长最大化所封闭的面积。同样，已成功使用的通常的补片形状包括正方形或矩形补片，如图1A所示。其他补片形状包括圆形补片，如图1B所示。
至少在经验的意义上，通常也应理解，作为设计目标，此类补片的EM特性限制补片周长在长度上可以约为1.5倍波长。
另一方面，已发现，从补片形状内部去除一些补片材料对其EM特性具有改善作用，以使得作为经验规则，可以将补片周长在长度上减少到1.0倍波长。明显地，这对天线设计者具有益处，该天线设计者受约束以尽可能地最小化天线阵列的元件之间的间距。
后面的评论已产生第二代补片散热器，其中该补片元件的内部环形区域采用外周的形状，以使得内部环形区域和外周之间的材料量保持不变。因此，例如，示例性的常规环形补片散热器可以是正方形，具有相应的去除导电材料的正方形内部环形区域，如图1C所示。对于这类环形补片来说，已知中心频率分别与内周长和外周长成反比。另一实例可以是圆形形状的补片，具有去除材料的内部圆环形区域，如图1D所示。
内部环形区域和外周之间形状的相似性确保当沿其周长的外部前进时在散热器中有相对不变量的材料。
然而，已发现，阈值上频率限值倾向于正比于由内部环形区域限定的去除材料的面积和这样的内部环形区域的周长的比值而增加。因此，需要一种改进的补片散热器构型，其最大化上频率限值并同时最小化下频率限值。在这方面，本发明基本上满足该需要。
发明内容
因此，期望提供一种补片散热器构型，其最大化上频率限值并同时最小化下频率限值。
又期望提供一种补片散热器构型，其是紧凑的以使得利于其他天线设计约束。
本发明通过提供一种环形补片构型而实现了这些目的，在该构型中补片元件的中心区域没有材料，从而该中心区域具有与该补片元件的外周的形状不同的形状。
虽然当沿其周长的外部前进时这在散热器中的材料量上引入差异，但是已发现，作为经验上的关系，阈值上频率限值倾向于正比于由内部环形区域所限定的去除材料的面积与该内部环形区域的周长的比值而增加。
换句话说，当内部环形周长减小时，上频率限值界限倾向于提高。
根据本发明实施方案的第一主要方面，公开了一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形导电材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触由绝缘材料制成的支撑结构，其中该散热器的外周长相对于由其封闭的区域面积是大的，以及其中该散热器的内周长相对于由其封闭的区域面积是小的。
根据本发明实施方案的第二主要方面，公开了一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形导电材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触由绝缘材料制成的支撑机构，其中该内周具有与该外周的构型不同的构型。
根据本发明实施方案的第三主要方面，公开了一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形非导电可印刷材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触绝缘材料的支撑结构，其中该散热器的外周长相对于由其封闭的区域面积是大的，以及其中该散热器的内周长相对于由其封闭的区域面积是小的。
本发明的优点在于，它提供一种改进的补片散热器构型，该构型通过提供一种环形补片构型，最大化上频率限值并同时最小化下频率限值，在该环形补片构型中该补片元件的中心区域没有材料，从而该中心区域具有与该补片元件的外周的形状不同的形状。
本发明的另一个优点在于，它提供一种改进的补片散热器构型，该构型是紧凑的以使得利于其他天线设计约束。
附图说明
现在将参照以下附图描述本发明的实施方案，在附图中在不同附图中的相同参考标号表示相同元件，以及其中：
图1A-1D示出了用在波束成形的或者易操纵的天线系统中的常规补片散热器的各种实施方案；
图2示出了根据本发明优选实施方案的用在波束成形的或者易操纵的天线系统中的补片散热器；以及
图3是合成极化天线阵列的局部分解图，并且该天线阵列利用图2所示的补片散热器的实施方案。
具体实施方式
如在本领域中已知的，以及如上记载的，补片散热器是天线元件中的有源或散热部件。在本领域中也众所周知，在交叉的缝隙反馈双极化天线元件中，经常设置补片散热器以加强散热能量，该散热能量由于两极化之间的任何交叉耦合可以变得衰减或者削弱。
通常，补片散热器是环形的，并且可以通过使用诸如载银油墨的高导电油墨、或者在微波质量的印刷电路板上的蚀刻铜或者由塑料隔板悬挂的固态金属被丝网印刷在诸如聚碳酸酯的基底上。图1A至1D图示了常规补片散热器或补片元件的各种可能的实例。如图1A至1D所示，补片散热器270可以包括被印刷在支撑板结构100上的补片元件110，该支撑板结构100通过安装孔120安装在天线元件的其余部分上。可选地，补片元件110的中心区域可以没有材料130，如图1C和1D所示。在图1C和1D中示出的实例中，可以看出，补片元件的内部环形区域采取外周的形状，以使得内部环形区域和外周之间的材料量保持不变，从而知道中心频率分别与内周长和外周长成反比。
然而，本发明涉及一种改进的补片散热器构型，其通过提供一种环形补片构型最大化上频率限值并同时最小化下频率限值，在该环形补片构型中去除材料的内部区域与外周的形状不同。
图2示出了本发明的补片元件的总体布置。补片元件210被印刷在通过安装孔220安装在天线元件上的支撑板结构200上。在图2中可以看出，补片元件210的中心区域没有材料230，并且该没有材料的中心区域具有与补片元件210的外周的形状不同的形状。在一个优选实施方案中，补片散热器的外周长大致等于天线阵列的工作波长的长度。
本领域普通技术人员应认识到，所封闭的面积大小作为多边形周长的函数通常随着等长边的数目而增加。因此，理论上，圆形最大化了作为其周长的函数的封闭面积，而三角形最小化了其作为周长的函数封闭的面积。
优选地，外周和内周具有不大于180°的内角。更优选地，外周和内周为等边多边形，即，具有等长的边和等角的多边形。
然而，因为补片元件用于双极化的天线元件，优选地多边形具有互相垂直的轴线。因此，最小的合适的多边形可以是正方形。
因此，如图2所示，合适的补片元件的一个示例性结构包括补片元件210，其具有正方形外周，封闭去除材料的中心圆形区域230。
支撑板结构200可以使用诸如泡沫、薄片或合成绝缘材料的多种材料而制成。合适的泡沫绝缘体可以包括聚苯乙烯、聚亚安酯或其混合物。合适的薄片绝缘体可以包括聚苯乙烯、聚碳酸脂、凯夫拉尔
Figure A20078001082400081
迈拉
Figure A20078001082400082
或者其混合物。合适的合成绝缘体可以包括Duroid
Figure A20078001082400083
、Gtek
Figure A20078001082400084
FR-4
Figure A20078001082400085
或者其混合物。替换的支撑结构对本领域技术人员将是已知的，并且应完全理解这些可以被替代。
补片元件210被印刷或结合到该支撑结构上，该补片元件可由诸如铜、铝或银的导电材料制成。也可能被使用以及对本领域技术人员显而易见的其他材料包括铁、黄铜、锡、铅、镍、金或其混合物。使用合适的高导电性油墨，它也可以诸如通过丝网印刷被印刷到绝缘材料的支撑结构上。
看来补片元件的性能随着补片材料的导电性而改进。因此，优选地，补片元件由诸如黄铜薄片的平面形导电材料制成。
替代地，补片元件可以由诸如聚碳酸脂的非导电可印刷的材料构造，在该非导电可印刷的材料上丝网印刷了对应于该补片元件的形状的图案，优选地使用诸如载银油墨的高导电油墨，以降低制造成本以及增加产量。也可以使用不同导电性的其他油墨，诸如载金油墨、载锡油墨、载铝油墨、载黄铜油墨或其混合物，如本领域技术人员已知的。
参照图3，提供了一种合成极化的天线元件的实例的分解图，并且示出了利用本发明的补片散热器270。这样的天线元件包括附加组件以及在基底360上的本发明的补片散热器270，相关领域的普通技术人员可以使用这些附加组件以结合这样的补片散热器实施和利用，这些附加组件即，以从该散热元件的后部到前部的顺序，腔结构310、双端馈电网络330(以虚线轮廓表示)、双面印刷电路板320、一对交叉缝隙340、多个灭磁指状物390。双端馈电网络以及双缝隙主要用来提供磁场，以通过激励在补片散热器270上的适当的场结构来驱动补片散热器270。应理解，双端馈电网络在图3中以虚线轮廓表示，因为该双端馈电网络330和缝隙340被安装在由腔结构310支撑的双面印刷电路板320的相反面，其中该双端馈电网络330布置在该双面印刷电路板320的表面并朝向腔结构310的内部，而缝隙340朝向补片散热器270。在图3示出的实例中，并且对本领域技术人员显而易见的是，多个灭磁指状物390被构造到腔结构310中，并且用来支撑双面印刷电路板320以及在其上的补片散热器370，该指状物390设在腔结构310的其中四边上以控制和限制元件之间的任何相互耦合。
考虑到本说明书中所公开的本发明的详细说明和实践，与本发明一致的其他实施方案会变得显而易见。
因此，本说明书中所公开的详细说明和实施方案应认为仅是示例性的，本发明的真实范围和精神由以下权利要求所公开。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形导电材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触由绝缘材料制成的支撑结构，
其中该散热器的外周长比由其封闭的区域面积更大，以及
其中该散热器的内周长比由其封闭的区域面积更小。
2.根据权利要求1的补片散热器，其中该外周是多边形。
3.根据权利要求2的补片散热器，其中该外周具有不大于180°的内角。
4.根据权利要求2的补片散热器，其中该外周为等边多边形。
5.根据权利要求2的补片散热器，其中该外周为正方形。
6.根据权利要求1的补片散热器，其中该外周长的长度大致等于天线阵列的工作波长。
7.根据权利要求1的补片散热器，其中该内周选自由多边形和圆形组成的组。
8.根据权利要求7的补片散热器，其中该内周为具有不大于180°内角的多边形。
9.根据权利要求7的补片散热器，其中该内周为等边多边形。
10.根据权利要求7的补片散热器，其中该内周为圆形。
11.根据权利要求1的补片散热器，其中该导电材料选自由铜、铁、黄铜、铝、锡、铅、镍、金及其混合物组成的组。
12.根据权利要求1的补片散热器，其中该支撑结构为泡沫绝缘材料。
13.根据权利要求12的补片散热器，其中该泡沫绝缘材料选自由聚苯乙烯、聚亚安酯及其混合物组成的组。
14.根据权利要求1的补片散热器，其中该支撑结构为薄片绝缘材料。
15.根据权利要求14的补片散热器，其中该薄片绝缘材料选自由聚苯乙烯、聚碳酸脂、凯夫拉尔
Figure A20078001082400141
、迈拉
Figure A20078001082400142
及其混合物组成的组。
16.根据权利要求1的补片散热器，其中该支撑结构为合成绝缘材料。
17.根据权利要求16的补片散热器，其中该合成绝缘材料选自由Duroid
Figure A20078001082400151
、Gtek
Figure A20078001082400152
、FR-4
Figure A20078001082400153
及其混合物组成的组。
18.根据权利要求1的补片散热器，其中该导电材料为导电油墨。
19.根据权利要求18的补片散热器，其中该导电油墨被印刷到由绝缘材料制成的该支撑结构上。
20.根据权利要求19的补片散热器，其中该导电油墨被丝网印刷到该支撑结构上。
21.根据权利要求18的补片散热器，其中该导电油墨选自由载银油墨、载金油墨、载锡油墨、载铝油墨、载黄铜油墨及其混合物组成的组。
22.一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形导电材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触由绝缘材料制成的支撑结构，其中该内周具有与该外周的构型不同的构型。
23.一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形非导电可印刷材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触由绝缘材料制成的支撑结构，
其中该散热器的外周长比由其封闭的区域面积更大，以及
其中该散热器的内周长比由其封闭的区域面积更小。
24.根据权利要求23的补片散热器，其中导电油墨被丝网印刷到该非导电可印刷材料上。
25.根据权利要求24的补片散热器，其中该非导电可印刷材料为聚碳酸酯。

Claims (25)

1.一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形导电材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触由绝缘材料制成的支撑结构，
其中该散热器的外周长相对于由其封闭的区域面积是大的，以及
其中该散热器的内周长相对于由其封闭的区域面积是小的。
2.根据权利要求1的补片散热器，其中该外周是多边形。
3.根据权利要求2的补片散热器，其中该外周具有不大于180°的内角。
4.根据权利要求2的补片散热器，其中该外周为等边多边形。
5.根据权利要求2的补片散热器，其中该外周为正方形。
6.根据权利要求1的补片散热器，其中该外周长的长度大致等于天线阵列的工作波长。
7.根据权利要求1的补片散热器，其中该内周选自由多边形和圆形组成的组。
8.根据权利要求7的补片散热器，其中内周为具有不大于180°内角的多边形。
9.根据权利要求7的补片散热器，其中该内周为等边多边形。
10.根据权利要求7的补片散热器，其中该内周为圆形。
11.根据权利要求1的补片散热器，其中该导电材料选自由铜、铁、黄铜、铝、锡、铅、镍、金及其混合物组成的组。
12.根据权利要求1的补片散热器，其中该支撑结构为泡沫绝缘材料。
13.根据权利要求12的补片散热器，其中该泡沫绝缘材料选自由聚苯乙烯、聚亚安酯及其混合物组成的组。
14.根据权利要求1的补片散热器，其中该支撑结构为薄片绝缘材料。
15.根据权利要求14的补片散热器，其中该薄片绝缘材料选自由聚苯乙烯、聚碳酸脂、凯夫拉尔
Figure A2007800108240002C1
迈拉
Figure A2007800108240002C2
及其混合物组成的组。
16.根据权利要求1的补片散热器，其中该支撑结构为合成绝缘材料。
17.根据权利要求16的补片散热器，其中该合成绝缘材料选自由Duroid
Figure A2007800108240003C1
Gtek
Figure A2007800108240003C2
FR-4
Figure A2007800108240003C3
及其混合物组成的组。
18.根据权利要求1的补片散热器，其中该导电材料为导电油墨。
19.根据权利要求18的补片散热器，其中该导电油墨被印刷到由绝缘材料制成的该支撑结构上。
20.根据权利要求19的补片散热器，其中该导电油墨被丝网印刷到该支撑结构上。
21.根据权利要求18的补片散热器，其中该导电油墨选自由载银油墨、载金油墨、载锡油墨、载铝油墨、载黄铜油墨及其混合物组成的组。
22.一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形导电材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触由绝缘材料制成的支撑结构，其中该内周具有与该外周的构型不同的构型。
23.一种用于天线元件的补片散热器，包括平板形非导电可印刷材料的环形区域，该环形区域由围绕内周的外周限定，该内周接触由绝缘材料制成的支撑结构，
其中该散热器的外周长相对于由其封闭的区域面积是大的，以及
其中该散热器的内周长相对于由其封闭的区域面积是小的。
24.根据权利要求23的补片散热器，其中导电油墨被丝网印刷到该非导电可印刷材料上。
25.根据权利要求24的补片散热器，其中该非导电可印刷材料为聚碳酸酯。
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