CN101971420B - 圆形极化的阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆形极化的阵列天线(30)。单层介电基片(36)具有位于基片的上表面并仅覆盖上表面的一部分的接地平面(32)。多个天线元件(40-54)也位于基片的所述上表面。每个天线元件具有在接地平面中形成的槽元件(60-74)以及位于每个槽元件内的相应加载元件(80-94)。所述天线元件被布置为规则阵列，其中每个相应槽元件在空间上相对于相邻的槽元件依次旋转，所述加载元件在激励下产生扰动。微带馈电网络(100)位于基片的下侧，以向每个槽元件提供激励，并包括：不同长度的馈电件，与所述槽元件的空间旋转共同地依次电旋转。单个微带馈电点(108)延伸至所述基片的边缘以进行连接。反射面的位置与基片的下侧平行并与基片的下侧分开。所述接地平面延伸以覆盖整个微带馈电阵列。

Description

圆形极化的阵列天线
技术领域
本发明涉及圆形极化的阵列天线。
背景技术
对在毫米波区域(等效于在30-300GHz频率范围)中操作的天线存在商用需求。在用于高清电视数据的无线传输和用于高速因特网接入的无线个域网(WPAN)中，以及在视频点播以及用于替代固定线缆传输的短距离高数据率传输中，可以找到这种天线的应用。
对于在毫米波长以下(下至1GHz)操作用于无线局域网(WLAN)的天线，也存在类似需求。
对圆形极化天线感兴趣，因为其不需要以针对线性极化天线的方式来对准/定向，以发送或接收无线电波。圆形极化天线仅需要被导向另一圆形(或线性)极化天线。
典型地，在毫米波频率操作的已知圆形极化天线依赖于低温共烧陶瓷(LTCC)材料，并使用由波导馈电网络馈电的孔径阵列，如在Uchimura，H.，Shino，N.，and Miyazato，K.，“Novel circular polarizedantenna array substrates for 60GHz-band，”2005 IEEE MTT-SInternational Microwave Symposium Digest，pp.1875-1878，12-17 June2005中所述。
圆形极化天线的另一示例由K.-L.Wong，J.-Y.Wu and C.-K.Wu，“A circularly polarized patch-loaded square-slot antenna”，Microwave andOptical Technology Letters，vol 23，no.6，pp.363-365，Dec.20，1999所教导。Wong等人教导了一种载有补片的方槽天线，使用矩形补片作为扰动元件，以由圆形极化辐射的两个正交的相移谐振模的槽来进行激励。
同样感兴趣的是在圆形极化天线中实现高增益和宽带宽，这不能通过上述两种示例性已知天线来实现。
1989年6月27日发布的、Tsao等人的美国专利No.4,843,400教导了一种在单个波导上安装的辐射补片元件的阵列，实现了比单天线元件的情况更大的孔径的合成。
P.S.Hall的论文“Application of sequential feeding to widebandwidth，circularly polarised microstrip patch arrays”，IEE Proc.，Vol.136，Pt.H，No.5，Oct.1989，pp.390-398描述了对圆形极化的微带补片天线的馈电的顺序旋转以及与馈电相位的合适偏移耦合的阵列带来带宽和纯度方面的显著改进。
发明内容
本发明的目的是实质上实现并改进一个或多个高增益和宽带宽，使其易于进行划算的大量生产，或提供一种有用的备选方案。
相应地，提供了一种天线，包括：
单层介电基片；
接地平面，位于基片的上表面并仅覆盖所述上表面的一部分；
多个天线元件，也位于基片的所述上表面，每个天线元件具有在接地平面中形成的槽元件以及位于每个槽元件内的相应加载元件，所述天线元件被布置为规则阵列，其中每个相应槽元件在空间上相对于相邻的槽元件依次旋转，所述加载元件在激励下产生扰动；
微带馈电网络，位于基片的下侧，以向每个槽元件提供激励，并包括：不同长度的馈电件，与所述槽元件的空间旋转共同地依次电旋转；以及单个微带馈电点，延伸至所述基片的边缘以进行连接；以及
反射面，位置与基片的下侧平行并与基片的下侧分开；以及
其中，所述接地平面延伸以覆盖整个微带馈电阵列。
优选地，接地平面将基片覆盖至以下程度：除了所述接地平面覆盖所述馈电点的位置，接地平面的边缘与基片的边缘之间操作频率的至少1/2波长未被覆盖。反射器典型地至少具有与所述基片一样大的表面积。规则阵列典型地至少具有2×1的尺寸。可以提供外壳，该外壳在基片边缘支撑所述基片，并支撑或并入所述反射器。基片典型地由液晶聚合物材料形成。
公开了其他方面。
附图说明
图1A和1B分别是已知载有补片的方槽天线元件的平面视图和正视图。
图2是4×2阵列天线组件实施例的部分视图。
图3是示出了微带馈电网络的4×2阵列天线组件的平面视图。
图4是4×2阵列天线组件输入处的所计算的反射系数。
图5是4×2阵列天线组件的所计算的实现增益。
图6是4×2阵列天线组件的所计算的轴比。
图7示出了在
Figure BPA00001189352600031
时4×2阵列天线组件的所计算的RHCP辐射图。
图8示出了在
Figure BPA00001189352600032
时4×2阵列天线组件的所计算的RHCP辐射图。
图9是具有延伸的馈线和接地平面的4×2阵列天线组件的平面视图。
图10是图9的组件的另一视图。
图11是载有补片的方槽天线组件的2×2阵列的平面视图。
图12是载有补片的方槽天线组件的4×4阵列的平面视图。
图13是载有补片的方槽天线组件的8×2阵列的平面视图。
图14是载有补片的方槽天线组件的另一2×2阵列的平面视图。
图15示出了各种其他天线元件实施例。
具体实施方式
介绍
图1A和1B示出了上述的、Wong等人教导的已知天线元件。天线10由在接地平面14中形成的长L的方槽12组成。接地平面14由接触至液晶聚合物(LCP)基片16表面的金属化形成。基片16厚度为h。槽的长轴相对于接地平面14的边缘旋转45度。槽12载有尺寸为w乘L1的导电矩形补片18。槽12由宽度Wf的微带线20来馈电，微带线20在基片16的相对侧接触至槽12。馈线20的探测部分的长度dp允许对天线10的阻抗进行调谐。导电反射器22位于距基片16的下表面距离h2处。反射器22将槽天线的辐射限制在正z方向。在不存在反射器22的情况下，天线10将沿正和负z方向几乎均等地进行辐射。典型地，距离h2的长度是设计带宽中心频率处的四分之一波长。
通过调整补片18的长宽比(L1/w)，实现对槽12的对称性的扰动，使得此时可以在矩形槽12中激励两个正交模，两个正交模以正确的相移耦合在一起，以产生圆形极化辐射。L1/w的典型值为2.6。L1典型地为0.7L。
4×2阵列实施例
图2是载有补片的方槽天线的4×2阵列的构成组件30的平面视图。该组件30已经被设计为针对无线个域网(WPAN)应用在从57至66GHz上操作。接地平面32的尺寸是长＝16.34mm，宽＝8.17mm。单层介电基片36的尺寸是长＝24mm，宽＝15.83mm，厚度为100μm。基片36由LCP材料形成，具有介电常数＝3.2并且tan δ＝0.004。适合的基片是Rogers ULTRALAM 3850，或Nippon Steel Chemical Co.Ltd的EspanexL系列。
显而易见，接地平面32仅在基片36的总表面积的一部分上延伸。如以下所述，这对于将天线封装在外壳中而言是重要的。接地平面32的边缘与基片36的边缘之间的距离应当至少为1/2波长，以避免外壳不适当地影响组件30的辐射特性。
一般而言，通过数值仿真软件将接地平面所占的面积优化为给出最佳天线性能。一般而言，大小与阵列间隔、阵元数目以及槽和基片材料的类型成比例。
天线组件30具有8个天线元件40-54(每个等效于图1的天线10)，其中每个天线元件由槽60-74以及补片80-94形式的加载元件组成。天线元件40-54在空间上关于公共的槽轴依次旋转。
方槽60-74的尺寸的典型范围是1.69mm至1.86mm。补片80-94的尺寸的典型范围是1.22mm至1.45mm×0.43mm至0.48mm。阵列中的天线元件间隔典型地是x方向3.86mm(对于61.5GHz为0.79λ)，y方向3.41mm(对于61.5GHz为0.70λ)。
针对接地平面32、补片80-86和馈电网络100，使用9μm的金属化厚度。金属化的传导率是3×107S/m。
位于基片36下方的反射器(未示出)应当具有等于或大于基片36的尺寸，并由典型为1.25mm的空气间隙分开。
图3示出了在基片36下侧的微带馈电网络100，其中接地平面32以及载有补片的方槽天线元件40-54的4×2阵列以阴影示出，并叠加在馈电网络100上以示出其相对位置。针对每个天线元件40-54给出由馈电网络100提供的相对(电)相移。这些相移与矩形补片80-94的空间依次旋转相符。相应探测器与槽60-74之间的角度与槽的长轴实质上成45°。可以容忍+/-1°至+/-5°之间的变化。
馈电网络100被形成为两个(2×2)子阵列102、104，由从来自输入馈线108的主接头106开始的一系列功率分配T接头构成。微带馈电网络100的特征阻抗近似为71Ω(不含T接头)，与高度100μm的LCP基片上123μm的线宽相对应。对每个天线元件40-54的各个馈电件的长度发生变化，以实现电延迟，得到相对相位差，如图所示。
可以使用已知的光刻技术来制造天线组件30，其中基片36起初具有两个表面上的完全金属化，并且，适当地将金属化去除以创建接地平面32、补片80-94和馈电网络100。
2×2子阵列102、104中的每一个使用天线元件的依次旋转来增大轴比带宽。馈电网络将相等量的能量传送至天线元件40-54。2×2子阵列中的每个元件的相位延迟随着元件在空间上关于公共方槽轴旋转而依次增大90°(即0°、90°、180°、270°)。这种依次旋转增大了各个子阵列102、104的总体轴比带宽。通过使用两个阵列，与一个阵列相比增大了天线的总体增益，并且缩减了辐射图的带宽(在这种情况下，在
Figure BPA00001189352600051
平面中)。
阵列天线组件30的设计性能如下：
·最小实现增益(57-66GHz)：         14.7dBic
·最大轴比(57-66GHz)：         2.84dB
·最大反射系数，S11(57-66GHz)：-14.9dB
·阻抗带宽(其中反射系数小于-10dB)
       从49.16GHz延伸至77.16GHz(44％)。
天线组件30被认为对制造中的容限误差，尤其是大至±100μm的LCP基片的顶表面和底表面中的金属化图案的偏移，具有良好的不敏感性。在期望低成本制造(其中可能不严格控制容限)的情况下，这尤其有利。
图4是天线组件30的输入(即，馈线108的端部)处的所计算的反射系数的图。在指定的操作带宽上，反射系数小于-14.9dB，从而提供了与硅集成电路的完好匹配的连接/接口。
图5是天线30组件的所计算的实现增益。在指定的操作带宽上，所实现的增益大于14.7dBic，以向典型的WPAN应用(如HDTV信号的传输)提供所必需的信号电平。
图6是天线组件30的所计算的轴比。在指定带宽上，轴比小于2.84dB，从而确保了圆形极化辐射的纯度，并减小了与线性极化天线相关联的天线定向误差。
图7是在
Figure BPA00001189352600061
时天线组件30的所计算的右旋圆形极化辐射图(是图3中的x-z平面)。在指定带宽上旁瓣电平低于-10dB，并且，辐射图的波束宽度比
Figure BPA00001189352600062
平面(y-z平面)的波束宽度要窄，被视为适于WPAN应用。
图8是在时天线组件30的所计算的右旋圆形极化辐射图(是图3中的y-z平面)。在指定带宽上旁瓣电平低于-10dB，并且，辐射图的波束宽度相对较宽，确保相对容易在WPAN应用中对准天线。
现在参照图9，示出了另一天线30’。接地平面32’为“T形”，以延伸至基片36的边缘，从而容纳延伸的微带馈线108’。还示出了支撑外壳120。外壳提供了基片36的结构完整性，并可以由金属或塑料材料制成。图10是示出了馈电网络100的天线30’的视图。元件被示为线框轮廓，以显得透明。通过数值仿真优化来确定引线33的最优宽度Wgnd，并且对于本实施例，选择5mm的宽度。通过这种布置，在基片边缘提供了馈电端口110和接地返回路径，使得容易进行外部连接(最经常连接至需要靠近天线的集成电路)。此外，接地平面的引线33防止馈线108’辐射。外壳的底座(图10中省略)形成反射器，因此需要由导电材料制造。
根据天线所需的增益，阵列大小也可以变化，以适于其他应用。在本实施例4×2阵元中，所需增益为14dBic。然而，其他应用可能需要较低的定向辐射性能，并将使用较少的阵元。为了提高增益并减小天线的波束宽度，可以使用更多的元件(例如4×4、8×8、16×16、8×2、16×2等等)。为了最佳的轴比带宽性能，需要最小2×2阵元来实现以90度为间隔的、元件的完整的依次旋转。具有依次旋转的2×1阵列也是可能的，但是轴比带宽小于2×2阵列，而优于单个元件。
2×2阵列组件实施例
图11示出了2×2阵列天线组件130，其中元件被示为线框轮廓，以显得透明。接地平面132在基片134的一部分上延伸。参照馈电网络144和馈电端口146，以阴影示出了天线元件136-142。
4×4阵列组件实施例
图12示出了4×4阵列天线组件150，其中元件被示为线框轮廓，以显得透明。接地平面152在基片154的一部分上延伸。参照馈电网络188和馈电端口189，以阴影示出了天线元件156-186。
8×2阵列组件实施例
图13示出了8×2阵列天线组件190，其中元件被示为线框轮廓，以显得透明。接地平面192在基片194的一部分上延伸。参照馈电网络228和馈电端口230，以阴影示出了天线元件196-226。
备选2×2阵列组件实施例
还可以改变所使用的阵列布局。再次参照图11，注意，方槽的边缘与x和y轴相比成45度，微带馈线与这些轴平行。还可以具有与x和y轴平行的槽边缘，微带馈线成45度。针对图14所示的2×2阵列天线组件示意了这种变化。槽的这种朝向允许阵元136’-142’的更紧密的间隔，并使用更紧凑的馈电网络144’。示出了馈电端口146’。更紧密的元件间隔有利于减小辐射图中的旁瓣电平，并在相控阵应用中控制波束时避免光栅瓣。
其他实施例
图15示出了基本阵元的一些可能变化的图，其中(a)载有补片的正方形槽(图3和4)、(b)载有补片的圆形槽、(c)载有椭圆的圆形槽、(d)载有补片的矩形槽、(e)载有圆的矩形槽、(f)载有椭圆的矩形槽、(g)载有椭圆的椭圆形槽、(h)载有圆的椭圆形槽、(i)载有补片的椭圆形槽、(j)载有补片的五边形槽、(k)载有椭圆的五边形槽、(l)载有补片的六边形槽、(m)载有椭圆的六边形槽、(n)载有补片的七边形槽、(o)载有椭圆的七边形槽、(p)载有补片的八边形槽、以及(q)载有椭圆的八边形槽。
一般而言，天线元件的槽元件可以是具有n个边的任何多边形，其中n大于3。该多边形可以由平面金属椭圆或平面金属补片来加载，其中椭圆或补片的长轴和短轴之间的比率确定了圆形极化，从而确定了元件的轴比。加载元件也可以是具有n个边的多边形(n大于3)，该多边形包含对其形状的扰动，使得它也可以具有长轴和短轴来控制天线的轴比。

Claims (5)

1.一种天线，包括： 
单层介电基片； 
接地平面，位于基片的上表面并且仅覆盖所述上表面的一部分； 
多个天线元件，也位于基片的所述上表面，每个天线元件具有在接地平面中形成的槽元件以及位于每个槽元件内的相应加载元件，所述天线元件被布置为规则阵列，其中每个相应槽元件在空间上相对于相邻的槽元件依次旋转，所述加载元件在激励下产生扰动； 
微带馈电网络，位于基片的下侧，用以向每个槽元件提供激励，并包括：不同长度的馈电件，与所述槽元件的空间旋转共同地依次电旋转；以及单个微带馈电点，延伸至所述基片的边缘以进行连接；以及 
反射器，位置与基片的下侧平行并与基片的下侧分开；以及 
其中，所述接地平面延伸以覆盖整个微带馈电阵列，并且所述接地平面将所述基片覆盖至以下程度：接地平面的边缘与基片的边缘之间操作频率处的至少1/2波长未被覆盖，但所述接地平面覆盖所述馈电点的位置除外。 
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述反射器至少具有与所述基片一样大的表面积。 
3.根据权利要求1或2所述的天线，其中，所述规则阵列至少是2×1阵列。 
4.根据权利要求1或2所述的天线，还包括：外壳，所述外壳在基片边缘支撑所述基片，并支撑或并入所述反射器。 
5.根据权利要求1或2所述的天线，其中，所述基片由液晶聚合物材料形成。 
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