CN102804495A - 天线辐射单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天线(阵列)，其包括至少一个辐射单元(1)。该辐射单元(1)包括至少一个偶极子(2，124)，偶极子包括基座(4)和臂(5)，印制在具有高介电常数的安装(基板8，122)的一个表面上。偶极子(2，124)由印制在基板(8，122)上的至少一条导线(7)供电。至少一个寄生单元(导向器，6，125)也印制在偶极子(2，124)的基板(8，122)上，并且其被放置为与偶极子(2，124)的臂(5)平行。至少一个另外附加寄生单元(120)放置在水平平面(121)中，该平面与支撑辐射单元(1)的基板(8，122)的平面垂直，并且平行于辐射单元的偶极子(2，124)的臂(5)。该附加寄生单元(120)插入在辐射单元(1)行之间。

Description

天线辐射单元
技术领域
本发明涉及使用辐射单元的超高频域内的通信天线传输无线电波的领域。
背景技术
已经针对诸如GSM、DCS/PCS、UMTS等的移动通信服务开发了各种形状的辐射单元。特别地，其中的一种是称之为“蝴蝶”单元的辐射单元，其中通过两个偶极子以45°的正交极化相互交叉形成该单元。这些单元在无线性能、产业化能力、生产成本以及鲁棒性方面呈现出各种优点。这是为什么在低于2.5GHz的应用中，这些单元被大量使用的原因。对于高频段来说，辐射单元的尺寸以及安装方式受到很大的限制，因此由于其尺寸和机械性能的原因，该型单元有其一定的局限性。
这就是为什么例如对于WIMAX天线(频段2.3-2.7GHz和3.3-3.8GHz)来说，使用印刷在电介质基板上的辐射单元。这一解决方法的优点在于，它可以使得制造精确，具有重复性，并且对不同频段都适用。然而，在带宽和波束宽度方面，特别是在水平面，尤其是当放置辐射单元的地平面尺寸有限时(小于对应于天线工作频率的波长X0)，这些辐射单元呈现出不足之处。特别需要说明的是，为了满足与信号的数字处理相关的要求，针对带宽，新服务的要求更高，其需要更大可能的增益，以及更紧凑环境下辐射单元之间非常高程度的绝缘。
一种扩展辐射单元带宽的解决方法包括优化辐射单元的形状，从而使其具有宽带特性以及更好的辐射图案稳定性。辐射单元的环境也得到了改进：改进了地平面和侧壁的形状，增加了特殊形状以优化辐射图案(稳定性，波束宽度，交叉极化水平)和耦合图案(辐射单元之间或者辐射单元的列之间)。
然而，新服务(多媒体，4G电话，2-66GHz宽带移动接入系统)的出现，其需要在高频段和非常紧凑的环境内进行多极化操作，使得现有的辐射单元呈现出各种局限性，即便是从优化的形状中得到了一定的好处的那些辐射单元也呈现出各种局限性。因此，用户的需求对大带宽的高方向性天线还是造成了一定的压力。此外，当包含辐射单元相邻列的时候，移动应用需要在单元之间呈现出低耦合的高紧凑解决方法。因此，从精确性、可靠性、成本以及性能的立场上出发需要对这些单元进行修改。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提出一种天线，其在无线电性能、可靠性以及产品成本方面，相比于现有技术有改进。
本发明的另一个目的在于提出一种非常紧凑的多极化天线(垂直，水平，或者±45°正交)，其在邻近的辐射单元之间耦合率相对较小，尽管有简化形式的因素。
本发明还提出了一种天线辐射单元，较之已知的现有技术的辐射单元，其带宽扩展，其增益增加。
本发明还提出了一种制造天线辐射单元的简单、易执行的方法。
本发明的目标是一种包含至少一个天线辐射单元的天线，该天线包括：
至少一个偶极子，包含基座和臂，并且印制在具有高介电常数的平面基板的一个表面上，
至少一条导线，向所述偶极子馈电，并且印制在偶极子的基板上，
至少一个寄生单元，印制在偶极子的基板上，并且平行于偶极子的臂放置，
至少一个寄生单元放置在一个平面内，该平面垂直于承载着辐射单元的基板的平面，并且平行于辐射单元的偶极子的臂，所述寄生单元夹在辐射单元行之间。
这里，术语寄生单元是指导电单元，放置在偶极子之上方，没有直接或者间接地通过偶极子馈电。它经常用术语“导向器”表示。通过在偶极子上方增加寄生单元可以获得增益和带宽的增加。
特别需要注意的是，辐射单元的形状(例如，偶极子/寄生单元的排列，曲线形或者锥形形状，偶极子的分形设计)与辐射图案空间稳定性和带宽阻抗(例如，优化交叉极化，拒绝频带)的关联。
辐射单元已经精确到可以在利用高频，尤其是高于2.5GHz的那些频率的新电信服务中使用。特别是，在平面基板上印制单元的技术提供了很大的自由和新特性，尤其适用于无线天线的应用。
根据第一种变形，天线包含两个交叉的偶极子，这两个偶极子分别包含两个线性对应的臂，以及与每个偶极子关联的至少一个寄生单元，偶极子和寄生单元印制在包含正交平面的基板上。
根据第二种变形，天线的辐射单元并排地印制在一个公共平面基板上，以形成一个行。
根据一种实施方式，寄生单元具有分形图案。
根据另一种实施方式，辐射单元具有分形图案。
根据一种实施方式，天线包含至少两个叠加寄生单元，印制在偶极子的基板上，并且平行于偶极子的臂。
根据另一种实施方式，天线还包含一个干扰单元，放置一个平面内，该平面垂直于承载着辐射单元的基板的平面，并且平行于辐射单元偶极子的臂，所述干扰单元夹在辐射单元行之间。干扰单元的作用在于，通过在电磁场中引入干扰，使得两个辐射单元之间的耦合最小化。
该发明能够改善天线的无线电性能，尤其是改善方向性，增加带宽，提高多带操作能力，以及提高单元相邻列之间的去耦。
本发明的另一个目标是给出一种方法，用于制造该天线的辐射单元，包含在相同平面电介质基板上印制至少一个偶极子和至少一个寄生单元的至少一个步骤，以及在垂直于承载辐射单元的基板的平面的平面电介质基板上印制至少一个干扰单元的步骤。
该制造方法的一个好处在于，简单易执行，使得有可能获得一个可靠价廉的辐射单元。按照该方式制造的辐射单元，能够装配出更加可靠更加精确的天线，尽管增加了寄生单元数量，而且附加了干扰单元。
附图说明
通过如下示例的实施方式，该发明其它的特点和优势将会变得更加清楚，该实施方式为非限制性的，仅仅是出于说明目的而给出的，在附图中，其中：
图1a，图1b和图1c表示了包含寄生单元的垂直极化辐射单元的示意主视图，
图2a表示了包含类似于图1a到1c中辐射单元的辐射单元的天线的局部视图，图2b为这些单元之一的详细视图，
图3表示了y轴上的反射系数I根据x轴上的阻抗F的变化，I的单位是分贝，F的单位为欧姆，
图4为图2中天线在垂直平面的辐射图，
图5为图2中天线在水平面的辐射图，在图4和图5中，Y轴给出了辐射强度R，X轴给出了讨论平面的辐射角度A，R的单位为dBi，A的单位为度。
图6描绘了包含多个寄生单元的辐射单元的示意主视图，
图7a到图7h为包含寄生单元的各种垂直极化辐射单元的示意主视图，
图8a和图8b为包含具有分形形状的寄生单元的垂直极化辐射单元的示意主视图，
图9a和图9b为包含寄生单元的交叉极化辐射单元的示意主视图和后视图，
图10表示了包含类似于图9a和图9b中交叉极化辐射单元的交叉极化辐射单元的天线的局部视图，
图11描绘了包含具有分形形状的偶极子和寄生单元的交叉极化辐射单元阵列的立体示意图，
图12描绘了根据第一种变形，包含空间隔开的寄生单元的交叉极化辐射单元阵列的立体示意图，
图13描绘了根据第二种变形，包含空间隔开的寄生单元的辐射单元阵列的立体示意图，
图14描绘了根据第一种变形，平面垂直极化辐射单元阵列的立体示意图，其中干扰单元放置在辐射单元行之间，
图15描绘了根据第二种变形，平面垂直极化辐射单元阵列的一种实施方式的立体示意图，其中干扰单元放置在辐射单元行之间。
具体实施方式
图1a到图1c描绘了垂直极化辐射单元1的平面直线排列的一个实施方式。辐射单元1包含一个半波偶极子2，它由两个通过槽3隔开的半偶极子组成，每个半偶极子包含支撑着臂5的基座4。偶极子2的两个臂5限定了辐射线。为了增加增益和带宽，在该辐射线上面加了另一个辐射线，该另一个辐射线由未与偶极子2电连接的寄生或者“导向器”单元6形成。偶极子2由连接到平衡-不平衡转换器的导线7馈电，其中该不平衡转换器未在图中示出。带状偶极子2和寄生单元6印制在具有低介电常数εrr(1＜εrr＜6)的基板8的一个表面上(图1b)，该基板例如为出自“TACONIC”公司的产品代码为“TLX-08”的Teflon和玻璃板。导线7印制在电介质基板8的反面(图1c)。
图2a和图2b描绘了天线20的一部分，该天线20包括12个排列成行的图1a到图1c中描绘形式的辐射单元21。辐射单元21印制在基板22上，形成一个印制电路板(PCB)23。印制电路板23固定在反射器24上，形成一个表面积减小的U型地平面。在这种情况下，形成反射器壁的侧边25之间的距离，例如，对于非常紧凑的天线20来说，为0.5kλ0，其中kλ0为天线工作频率的波长。图2b给出了一个辐射单元21的放大图。每个辐射单元21包含一个偶极子26，其臂27是相互等长的，总长度为L1。偶极子26的长度为L1的臂27上方加有一个具有长度L2的寄生单元28，其中L2小于L1。例如，这里长度L2/L1的比率R等于0.65。偶极子26和寄生单元28之间的距离D介于传导波长2的0.07和0.11之间，因此λr＝λ0/√εr，其中，εr为使用的基板的介电常数，λ0为天线工作频率的波长。在这种情况下，偶极子26和寄生单元28的组合使得能够改善无线电性能，尤其是带宽的宽度。
通过图3中的曲线30描绘了反射系数I根据阻抗F的变化，I的单位是分贝，F的单位为欧姆。在WIMAX应用的3.3-3.8GHz频段(频段宽度的14％)内，天线必须以对应于基线31的1.37的驻波比ROS工作，其中基线31表示为实线。在给定的频率范围内天线的工作是稳定的，这是因为曲线30完全位于基线31之下----尤其是在3.51-3.696GHz的频率范围的情况下。
在图4中，垂直无线电辐射图(曲线40，用实线表示)表示了在垂直平面内辐射强度R根据辐射角度A的变化，R的单位是dBi，A的单位是度。在垂直平面内，在主极化中在中间强度(R＝-3dBi)上，可获得等于6度的束宽。在交叉极化中，曲线41(用虚线表示)在很低的水平，比在主极化中观察到的结果要小约33dB。
图5描绘了水平无线电辐射图(曲线50，用实线表示)。图中给出了在水平面内辐射强度R根据辐射角度A的变化，R的单位是dBi，A的单位是度。尽管天线20的地平面24的表面积很小，但是在水平面中束宽却接近90°。在交叉极化中，曲线51(用虚线表示)在很低的水平，比在主极化中观察到的结果要小约33dB。
图6描绘了垂直极化辐射单元60直线排列的另一种实施方式。辐射单元60包含一个半波偶极子61，它由两个单独的偶极子组成，每个偶极子包含支撑着臂63的基座62，半波偶极子由导线64馈电。偶极子61的两个臂63限定辐射线。为了增加增益和带宽，该辐射线上方加有另外两条分别通过低寄生单元65和高寄生单元66形成的辐射线。添加的寄生单元65和66相互没有电连接，也没有连接至偶极子61。辐射单元60印制在电介质基板67上。
图7a到图7h给出了能够被宽带辐射单元采用的形状的例子，该宽带辐射单元包含一个其上方加有寄生单元的偶极子，并且印制在电介质基板上。对于每个例子，图中描绘出了偶极子之上方加有单个寄生单元。当然，对于包含两个或两个以上的寄生单元的辐射单元，这些形状仍然有效。
图7a和图7b示出了其偶极子为喇叭形(称之为“蝶形领结”)的辐射单元70；在图7b中，寄生单元71也采用该形式。
图7c和图7d示出了其偶极子为末端膨胀形(称之为“狗骨头”)的辐射单元72；在图7d中，寄生单元73也采用该形式。
图7e和图7f示出了其偶极子为末端曲线形(称之为“翅膀”)的辐射单元74；在图7f中，寄生单元75也采用该形式。
图7g和图7h示出了辐射单元76，77，其偶极子的基座通过锥形槽78，79分成两个部分，其中在图中，两个锥形槽方向相反。由于锥形槽78，79由不同宽度的多部分形成，所以此类锥形槽称之为多部分锥形槽。
基板上的印制技术同样使得有可能基于分形图案来制造辐射单元80，81(如图8所示)，以提高带宽和多频性能。例如，辐射单元80的寄生单元82采用分形图案。例如，辐射单元81的寄生单元83采用分形图案。两个臂84同样采用分形图案。这使得有可能很容易获得二维的辐射单元的任何形状。在宽带和多带应用中，使用分形图案尤其有优势。
图9系统地描绘了印制在基板91上的辐射单元90，其中基板91由两个正交平面92，93组成。辐射单元90包含两个以±45°正交极化相互交叉的偶极子94，95。偶极子94，95在各自插槽点的交叉与基板91的平面92，93的交叉相一致。每个偶极子94，95上方加有寄生单元96，97。
偶极子94，95包含一个线性对应传导基座98和臂99，两者均印制在基板91的平面92，93的表面92a，93a上。偶极子94，95由印制在平面92的反面92b，93b的导线100馈电。
图10描绘了安装在天线反射器99上的辐射单元90的立体图。因而，有可能很容易获得三维的辐射单元的任何形状。
图11描绘了交叉极化辐射单元阵列。每个辐射单元110包含两个偶极子111，两个寄生单元112和两个向偶极子馈电的导线(未示出)。对基板的每个正交平面113，114进行了延伸，以服务作为用于印制相邻辐射单元的基板。偶极子111包含采用分形图案构成的臂115。寄生单元112放置在偶极子111上方，并且也是利用分形图案构成的。因而，有可能很轻松灵活获得与在3维中支撑的辐射单元相关联的各种配置。这样一种装配呈现出了良好的机械抵抗力优势，这是因为平面互相嵌入彼此的缘故。
图12描绘了一种减小水平面内束宽的特殊有利的配置。在水平面121内增加了附加的寄生单元120，其中水平面121放置在基板的正交平面123和122之上方，并且平行于偶极子的臂。在上方加有寄生单元125的偶极子124印制在基板的平行平面123上，以形成平行偶极子124行。特别地，注意到，承载位于由偶极子124形成的辐射线之上方的寄生单元125的垂直平面123的两侧上存在有附加寄生单元120。水平面121能够特殊地为塑料制成的部分，该部分固定在基板122，123上，并且其上印制有附加寄生单元120。自然地，附加寄生单元120，或导向器，能够采用任何之前提及的形状。水平面121的增加附加地呈现了使辐射单元阵列固定的优势，增加了天线的机械抵抗力。
图13示出了用于±45°正交极化的辐射单元的附加的寄生单元130的实施方式的一种特殊形式。这里，寄生单元130采用“平头十字(Cross potent)”的形式，并且在电介质基板的正交平面132，133的交叉之上方而放置在水平面131上，其中该电介质基板上印制有在其上方加有寄生单元135的偶极子134。平头十字的主轴136，137各自与电介质基板的正交平面132，133重合。
该电介质基板上的印制技术使得有可能构造包含平行行排列的辐射单元140的多带天线。在图14的例子中，辐射单元140印制在基板的平行平面141上，形成行。平面142形成列，垂直于平面141，承载干扰单元143，该干扰单元的目的在于，通过向电磁场中引入干扰，使辐射单元平行行之间的耦合最小化。干扰单元143是金属的，并且夹在电介质基板之间，形成在平面142内的列。对于单元行之间需要高绝缘的系统(例如MIMO应用)而言，这一配置尤其有利。
根据图15中描绘的一种变形，干扰单元150，这里为十字形状，能够被印制在同样承载寄生单元152的水平面151上。水平面151放置在形成印制在电介质基板上的辐射单元的列的平面153和形成印制在电介质基板上的辐射单元的行的正交平面154的交线之上，意味着寄生单元156置于偶极子155之上。
自然地，本发明不限于描述的实施方式，而是，在不脱离本发明精神的条件下，本技术领域的专业人员可对这些实施方式进行许多变形。尤其是，在不脱离本发明范围的条件下，有可能改变辐射单元的形状，或者偶极子和/或寄生单元的形状。也能够使用不同性质和形状的电介质基板。最后，也可能预想与无线电频率操作相兼容的任何印制方法。

Claims (8)

1.一种包含至少一个天线辐射单元的天线，该天线包括：
至少一个偶极子，包含基座和臂，并且印制在具有高介电常数的平面基板的一个表面上，
至少一条导线，向所述偶极子馈电，并且印制在偶极子的基板上，
至少一个寄生单元，印制在偶极子的基板上，并且平行于偶极子的臂放置，
其特征在于，至少一个寄生单元放置在一个平面内，该平面垂直于承载着辐射单元的基板的平面，并且平行于辐射单元的偶极子的臂，所述寄生单元夹在辐射单元行之间。
2.如权利要求1中所述的天线，包含两个交叉的偶极子，这两个偶极子分别包含两个线性对应的臂，以及与每个偶极子关联的至少一个寄生单元，偶极子和寄生单元印制在包含正交平面的基板上。
3.如权利要求1和2之一中所述的天线，其中所述辐射单元并排地印制在一个共享平面基板上，以形成一个行。
4.如权利要求1到3之一中所述的天线，其中所述寄生单元具有分形图案。
5.如权利要求1到3之一中所述的天线，其中所述辐射单元具有分形图案。
6.如权利要求1到5之一中所述的天线，包含至少两个叠加寄生单元，印制在偶极子的基板上，并且平行于偶极子的臂。
7.如权利要求1到6之一中所述的天线，还包含至少一个干扰单元，放置一个平面内，该平面垂直于承载着辐射单元的基板的平面，并且平行于辐射单元偶极子的臂，所述干扰单元夹在辐射单元行之间。
8.一种构造如权利要求1到3之一中所述辐射单元的方法，包括在相同平面电介质基板上印制至少一个偶极子和至少一个寄生单元的至少一个步骤，以及在垂直于承载辐射单元的基板的平面的平面电介质基板上印制至少一个干扰单元的步骤。
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