CN101459285A - 用于毫米波信号的缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适于辐射或接收毫米波信号的天线(1)，包括基底(2)、在所述基底(2)上所形成的平面传导层(3)、在所述平面传导层(3)上作为缝隙所形成的辐射元件(4)，所述缝隙包括中间部分(4a)和两个外部部分(4b)，所述两个外部部分由所述中间部分(4a)连接并且远离所述中间部分(4a)延伸，所述天线进一步包括适于给所述缝隙的所述中间部分(4a)馈送信号的馈送结构(5)。天线提供具有低成本结构以及高增益。

Description

用于毫米波信号的缝隙天线
技术领域
本发明涉及一种用于辐射和/或接收毫米波信号的缝隙天线。具体地，本发明涉及一种缝隙天线，其适于发射和/或接收无线通信系统中工作在高频范围、比如GHz频率范围或者毫米波长范围的电磁信号，并适合用于高数据率通信。
发明内容
因此，本发明的目的是提出这样一种缝隙天线，其用于辐射和/或接收毫米波信号，具有简单的结构因而可以低成本生产，同时仍然适于被使用在高频带宽中且适于高数据率应用。
上述目的通过如在所附独立权利要求1中所定义的用于辐射和/或接收毫米波(mm-wave)信号的天线来实现。根据本发明的天线包括基底、形成于所述基底上的平面接触层和在所述平面接触层上形成为缝隙(slot)的辐射元件，所述缝隙包括中间部分和两个外部部分，所述两个外部部分通过所述中间部分连接且远离所述中间部分延伸，所述天线还包括馈送结构，适于向所述缝隙的中间部分馈送信号。
因此本发明的天线具有简单的结构且可以低成本制造，同时仍然为高频带宽中的高数据率应用提供很好的性能。
应该理解的是，本发明的天线可以用作单纯的接收天线或者单纯的辐射/发射天线，或者也可以应用于从天线辐射以及由天线接收电磁信号的应用中。
本发明的天线特别适用于高频带宽应用，即GHz频率范围的应用，如20至120GHz之间的频率范围。因为这些频率范围提供大频率带宽可用性，它们典型地使高数据率应用成为可能。但是，根据需要的应用，本发明的天线也可以在不同的频率范围和带宽中使用。由此，通过变化本发明天线的量度，如本天线的不同元件的宽度、长度和比例，可以特别适合于分别所需要的频率范围和带宽。此外，本发明的天线的简单结构和低成本解决方案使得该天线特别有用于消费电子应用。然而，如果需要和/或必要，本发明的天线也可以用在其它应用中。
本发明有利的辅助特征在从属权利要求中限定。
有利地，缝隙的两个外部部分相互平行。更有利地，中间部分和两个外部部分一起形成U形。换言之，缝隙具有U形形状。这种形状由于其导致具有线性极化(linear polarization)的电磁信号辐射而是有利的。具有线性极化的信号对室内应用是有利的，特别是对具有视线信号(line of sight)的室内和也对非视线信号。然而，这种天线形状在所选择的室外应用也可以是有利的。缝隙的U形形状导致在约百分之十工作频率附近的相当大的频率带宽。例如，在工作频率为大约60GHz的情况下，在这种形状情况下，所获得的频率带宽大约6GHz。更有利地，缝隙的两个外部部分的每一个的宽度沿着远离中间部分的方向增加。通过两个外部部分的这种锥形化，可以减少天线阻抗且与馈送结构的阻抗相匹配，其典型地为50欧姆。
可替代地，缝隙的两个外部部分的每一个的宽度可以保持恒定，即不锥形化(untapered)。
更有利地，缝隙的两个外部部分具有相同的长度和宽度。换言之，两个外部部分关于在两个外部部分之间延伸且垂直于缝隙的中间部分的对称轴是镜对称的。更有利地，缝隙的两个外部部分的每一个的宽度大于中间部分宽度的两倍。更有利地，两个外部部分之间的距离、即中间部分的长度大于两个外部部分每一个的宽度。更有利地，两个外部部分的每一个长度大于宽度(longer thanwide)。
更有利地，馈送结构是布置在所述基底与平面传导层相对的侧上的微带馈线。因此，与馈送结构被置于与辐射元件相同的层中的结构相比较，馈送结构与辐射元件的解耦具有抑制天线特性中的旁瓣(side lobe)的优势。因此，在本发明的天线中，只有辐射缝隙的形状决定天线辐射图样，因为旁瓣辐射被大大减小了，因此辐射图样的轴比被大大减小，因此本发明天线特别有利的是被用在可以实现高增益和辐射束可以被控制的天线阵列中。
更有利地，平面传导层和/或馈送结构是印制元件。通过将平面传导层(例如铜层)印制(print)到单层基底上，缝隙可以通过简单的蚀刻技术简单地被蚀刻，这样就实现了低成本结构。如果附加地简单的50欧姆微带馈线被印制在基底的相对侧上、即印制在与平面传导层相对的另一侧上，则实现简单的、低成本的馈送结构。
更有利地，本发明的天线具有反射器平面，其布置在离与平面传导层相对的基底侧的预定距离处。布置在天线下的这种反射器平面有利于避免背面辐射，且对把辐射图样导向平面传导层和缝隙所在的基底侧是有帮助的，因此增加了一个方向上的天线增益。在反射器平面和基底之间可以提供低介电材料或空气。
有利地，平面传导层的长度和宽度尺寸在工作频率的半波长范围内。这些尺寸使得本发明的天线非常适用于毫米波频率范围中的应用。
本发明进一步涉及包括多个根据本发明的天线的天线阵列。因此，有利地，多个天线具有共同的基底且辐射方向可以改变。例如，天线阵列可以包括波束控制元件，其适于改变每一个天线的辐射方向。有利地，波束控制元件因此包括移相器，其适于面向每个天线对信号进行移位。
特别地，将馈送结构布置在与平面传导层所在的侧相对的基底侧上及由此使馈送网络和辐射结构解耦，抑制了辐射图样(radiation pattern)的旁瓣，使得可以实现非常高增益的天线阵列。此外，由于(如果有的话)只有非常小的旁瓣出现，可以提供非常可靠的具有高精度的波束控制。
附图说明
本发明将基于关于附图对优选实施例的以下描述被进一步地解释，其中：
图1表示根据本发明的天线的实施例的透视图，
图2表示图1的实施例的平面传导层和馈送结构的透视图，
图3表示图1和2的实施例的顶视图，
图4表示前面图的天线的天线增益对频率的图，
图5表示前面图的天线在E平面的极座标图，
图6表示前面图的天线在H平面的极座标图，
图7表示前面图的天线的电压驻波比对频率，
图8表示根据本发明的波束控制天线阵列的实施例的透视图，
图9表示图8的波束控制天线阵列的功能块图，
图10表示图8和9的实施例的天线增益对频率的图，和
图11表示具有所控制的波束的图8和9的天线阵列的极座标图。
具体实施方式
图1表示本发明的用于辐射和/或接收毫米波信号的天线1的实施例的透视图。天线在预定的工作频率带宽内具有高增益定向辐射图样，且可以连接至例如无线RF(射频)收发器的模拟前端电路。天线被设计成有利地工作在GHz的频率范围，具体地说是在20至120GHz的频率范围，更具体地说是在50至70GHz的频率范围，最具体地说是在59至65GHz的频率范围。但是，天线工作并不局限于这些频率范围，而是可以通过相应地减小或者增大天线量度和比的大小而被用于工作在不同的频率范围。
天线1包括基底2，其可以由任何适合的材料形成，比如电介质材料或类似物，且可以形成为单层。平面传导层3形成在基底2上，例如通过印制技术，在基底2的上侧形成铜层。在平面传导层3中形成辐射元件4，其具有缝隙的形状。该缝隙由例如蚀刻技术形成。
在基底2的相对传导层3的侧上提供馈送结构5，通过所述馈送结构，电磁信号被供给至辐射元件4以便被发射，或者通过所述馈送结构，由辐射元件4接收到的电磁信号被供给至连接到馈送结构的处理电路。此外，在离基底2的提供馈送结构5的侧的预定距离处，设置反射器平面6，其由传导的(例如金属)平面形成。反射器平面作为电磁波屏来工作，用以反射由辐射元件4发射和/或接收的电磁波，从而消除或者抑制基底2背面的辐射，和增加在天线主方向上的天线增益，所述主方向是垂直于传导层3的平面指向远离基底2的方向。但是，也可能存在以下应用，其中本发明的天线可以不具有这样的反射器平面6来实施。
馈送结构5可以是任何一种合适的馈送结构，但其有利地被实施为通过印制技术施加于基底2的背面的微带馈线。由此，微带馈线有利地具有50欧姆的阻抗。
本发明的天线1的工作原理如下。激励电磁波通过馈送结构5引导至辐射元件4。在辐射元件4、即缝隙中，激励电磁波的磁场分量在缝隙内激励出电场。由此，为了在工作频率处实现大的频率带宽，例如工作频率百分之十的频率带宽，根据本发明的辐射元件4包括中间部分4a和两个外部部分4b，外部部分由所述中间部分4a连接且远离所述中间部分4a延伸，使得形成缝隙天线。辐射元件的具体形状被更加详细地以图2的平面传导层3和馈送结构5的透视图中和图3的天线1的顶视图来示出。
在所示出的天线1的实施例中，辐射元件4的缝隙通常具有U形形状，其中U形的两个臂由所提到的外部部分4b形成，连接两个外部部分4b的基部由中间部分4a形成。两个外部部分4b通常相互平行地延伸且垂直于中间部分4a。所示出的缝隙U形形状使频率带宽约为工作频率的百分之十，例如6GHz的频率带宽和60GHz左右的工作频率。在所示出的实施例中，中间部分4a和两个外部部分或臂4b之间的过渡部分是圆形的。但是，在不同的应用中，中间部分4a和两个外部部分4b之间的过渡部分可以是具有角的矩形。
如图2中所显示的，平面传导层的形状和从而基底2通常是矩形，具有等长的边rl1和rl2，呈现正方形。但是，也可以应用不同的形状，其中rl1小于或者大于rl2。
图3是天线2的顶视图，为了表示出馈送结构5关于辐射元件4的布置，也示出了解开(unlashed)基底2背面上的馈送结构5的线。具体地，馈送结构5在示出的实施例中是印制微带线，馈送或引导信号远离辐射元件4的中间部分4a。由此，馈送结构位于基底2的与平面传导层3和缝隙4相对的背面上，从而馈送结构和辐射元件被解耦以便抑制辐射特性的旁瓣。由此馈送结构5从与辐射元件4的两个外部部分4b延伸的方向相反的方向上馈送信号至辐射元件4的中间部分4a。在图3中可视的两维投影中，可以看出，为了确保跨越基底2的良好耦合，馈送结构5与辐射元件4的中间部分4a重叠。
平面传导层3和从而基底2具有两个对称轴A和B，它们把传导层3在长度和宽度的方向上分半。由此，馈送结构5沿着对称轴A且关于其对称延伸，辐射元件4的缝隙关于轴A镜对称地布置。换言之，辐射元件4的两个外部部分4b通常与轴A平行延伸且关于它镜对称。辐射元件4的中间部分4a的基线被布置在对称轴B上。换言之，中间部分4a的基线间的距离在这个方向上是传导层3的长度的一半。
通常地，如果两个外部部分4b被锥形化，即如果两个外部部分4b的宽度随着远离中间部分4a而增加，这是有利的。由此，辐射元件的复阻抗的虚部可以被减小，从而天线1的总阻抗被减小且可以与例如50欧姆的馈送结构阻抗相匹配。
此外，在两个外部部分4b被锥形化的情况下，两个外部部分在其端部的宽度w1大于中间部分4a的宽度w2。有利地，两个外部部分4b的端部的宽度w1大于中间部分4a的宽度w2的两倍。此外，中间部分4a的长度13大于两个外部部分4b的端部的宽度w1。换言之，两个外部部分4b之间的距离大于相应的宽度w1。此外，辐射元件4的总宽度w3大于其长度l2，由此两个外部部分4b中的每一个均具有长度12，其长于它的宽度w1。平面传导层3和辐射元件4的所示形状和尺寸特别适用于辐射和接收50至70GHz频率范围的信号。图4示出了在图1，2和3中所示的本发明天线1的实施例的天线增益对频率的图。可以看出，在如所说明的单天线1的情况下，在55至65GHz之间可以达到高于8dBi的天线增益。图4表示天线1在E平面中的极座标图，而图5表示天线1在H平面中的极座标图。可以看出，图1，2和3中所示的实施例的天线1示出在E平面中大于80度的、和在H平面中62度的3dB HPBW(比最大增益小3dB处的半功率波束宽度)。图6表示代表天线1的匹配的VSWR(电压驻波比)，其在59至65GHz的频率带宽中小于2，从而实现约为工作频率(约62GHz)的百分之十的带宽。
图8表示天线阵列10的实施例的透视图，其中可以实施本发明的天线1。图8的天线阵列10示出四个天线1以方形结构在共同的基底7上的实施。换言之，共同的基底7，例如是与基底2相似的单层基底，具有印制在其顶侧上的四个平面传导层，每个平面传导层都包括辐射元件4。天线阵列10的馈送结构与关于图1，2和3的天线1所示和解释的馈送结构5相对应。类似地，天线阵列10也可以包括反射器平面8，其例如是位于离基底7预定距离的金属层。但是，反射器平面8也可以根据应用被省略。关于图1，2和3的天线1所解释的所有元件、功能和特性也应用于在图8中所示的包括数个天线1的天线阵列10。替代于四个天线1，在本发明的天线阵列10可以提供更多或更少个数的天线1。由此，天线阵列10可能具有例如4.5mm的相同长度rl3和宽度rl4的方形结构。但是，天线阵列10也可能具有不同的长度和宽度。
图9表示具有四个天线1的天线阵列10的功能块图。每一个天线1具有所分配的移相元件9，例如移相器组(phase-shifter bank)，利用其可以改变相应天线的相位以便改变天线阵列10的总辐射图样。由此，改变每个天线1的相位输入，然后控制每个天线1的各个辐射图样，天线阵列10的总辐射图样可以在主瓣方向附近的具体角度范围内被控制，该主瓣方向(main lobe direction)是垂直于天线1的平面传导层的平面远离基底7的方向。图9表示为了实现波束控制可能性对具体的实施和电路的建议。每个移相器9通过RF开关11连接至其相应的天线。此外，每个移相器9通过另一RF开关12连接至相应的功分器(powerdivider)13。两个功分器13被连接至主功分器14。功分器14和13用于划分(在使用天线10作为发射天线阵列的情况下)或者合并(在使用天线阵列10作为接收天线阵列的情况下)相等信号强度至四个天线1(在发射情况下)或者至模拟RF前端(在接收情况下)。另外，与关于图1，2和3的天线1所解释的馈送结构5相同，比如微带线的馈送结构(未示出)被用作每个天线1的馈送线。
为了得到所期望的波束控制图样方向，用移相器9对每个天线1处的信号相位进行移位。为了控制波束图样，任何种类的宽带宽微带移相器都可以被使用和实施于天线阵列10。图10表示图8的天线阵列的天线阵列增益对频率的图。可以看出，天线阵列10在55和65GHz之间的频率范围内提供大于12dBi的增益。图11表示控制角为30度的天线极座标图。
因此对于具有波束控制的天线阵列(比如天线阵列10)的实施由于简单和低成本结构和在GHz频段中的高增益，本发明的天线1的形状教导是特别有用和有利的。

Claims (17)

1、适于辐射和/或接收毫米波信号的天线(1)，包括
基底(2)，
在所述基底(2)上所形成的平面传导层(3)，和
在所述平面传导层(3)中作为缝隙所形成的辐射元件(4)，所述缝隙包括中间部分(4a)和两个外部部分(4b)，所述两个外部部分由所述中间部分(4a)连接且远离所述中间部分(4a)延伸，
所述天线(1)进一步包括适于给所述缝隙的所述中间部分(4a)馈送信号的馈送结构(5)。
2、根据权利要求1的天线(1)，其中所述两个外部部分(4b)相互平行。
3、根据权利要求1或2的天线(1)，其中所述中间部分(4a)和所述两个外部部分(4b)具有U形形状。
4、根据权利要求1，2或3的天线(1)，其中两个外部部分(4b)的每一个的宽度(w1)在远离所述中间部分(4a)的方向上增加。
5、根据权利要求1，2或3的天线(1)，其中两个外部部分(4b)的每一个的宽度是恒定的。
6、根据权利要求1至5之一的天线(1)，其中两个外部部分(4b)具有相同的长度(12)和宽度(w1)。
7、根据权利要求1至6之一的天线(1)，其中两个外部部分的每一个的宽度(w1)大于所述中间部分(4a)的宽度(w2)的两倍。
8、根据权利要求1至7之一的天线(1)，其中两个外部部分(4a)之间的距离(13)大于两个外部部分(4b)的每一个的宽度(w1)。
9、根据权利要求1至8之一的天线(1)，其中两个外部部分(4b)的每一个长大于宽。
10、根据权利要求1至9之一的天线(1)，其中所述馈送结构(5)是布置在所述基底(2)的与平面传导层(3)相对的侧上的微带馈送线。
11、根据权利要求1至10之一的天线(1)，其中所述平面传导层(3)和所述馈送结构(5)是印制元件。
12、根据权利要求1至11之一的天线(1)，其中所述缝隙适于辐射具有线性极化的信号。
13、根据权利要求1至12之一的天线(1)，具有布置在离所述基底(2)的与平面传导层(3)相对的侧预定距离处的反射器平面(6)。
14、根据权利要求1至13之一的天线(1)，其中平面传导层(9)的长度和宽度尺寸在波长的一半的范围内。
15、包括多个根据权利要求1至14之一的天线(1)的天线阵列(10)，具有共同的基底(7)，所述天线阵列(10)是可控制的。
16、根据权利要求15的天线阵列(10)，包括适于改变每一个天线(1)的辐射方向的波束控制元件(9)。
17、根据权利要求15或16的天线阵列(10)，其中波束控制元件(9)包括适于对每个天线(1)的信号相位进行移位的移相器。
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