CN102983406A - 天线 - Google Patents

Abstract

一种天线阵列可使用导电材料制成的多个管连同额外的覆盖管的正面和侧面的至少一部分的导电部件构成。在该结构之间，另外的导电材料可被介电材料隔开，并且可用于通过产生带线结构提供辐射元件和馈电结构。因此，此结构能够减少被沿管的侧面的三平板式带线馈电的背面有空腔的槽。尤其在用塑料材料制成时，此结构的复杂性和成本低且重量轻。这些特征克服了现有设计的许多缺陷。

Description

天线

本申请是申请日为2006年9月1日、申请号为200680041379.4、发明名称为“天线”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及阵列天线，并且在优选实施例中涉及多极阵列。

背景技术

具有多个辐射元件的阵列天线在自适应和/或多波束应用中得到越来越广泛的使用。阵列天线预计是未来宽带无线解决方案的重要元件，这是因为这种天线使得能够例如使用精确的波束控制和波束形成产生很大的容量增益。

但是，由于需要精确控制阵列元件的幅值和相位权重以便生成希望的波束图，所以这种天线的馈电网络复杂，这意味着天线的生产通常比较昂贵。另外，它们通常需要多行和多列，得到具有多个零件的大型结构，这会比较沉重。

随着这种天线的使用日益增加，必须降低制造的复杂度以便降低成本。为了使这种天线可容易地安装并且降低安装成本，还希望减小这种天线的重量。

迄今为止，这种类型的天线通常使用安装在平面反射器附近的离散偶极天线形成。每个天线的馈电线已经使用同轴电缆网络实现。还存在可选择的使用微带贴片天线和微带馈电网络的结构。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种天线，该天线包含导电管、覆盖管的正面以及两个相邻侧面的至少一部分的导电外表面、位于管和外表面之间的并且设置成承载导电轨道的馈电层、以及位于管和馈电层之间以及外表面和馈电层之间的介电材料，天线还包括多个形成为相互对齐的、由外表面的正面和管内的不导电区域限定的槽的辐射元件、以及大致与槽对齐的在馈电层上限定的相应的导电轨道。

该部件例如可由具有导电涂层的塑料模制件制成。这提供了重量非常轻的结构。

应注意，馈电层被夹在两个导电部件之间，这样形成三平板式馈电网络。这省去了对使用同轴电缆的复杂且笨重的馈电网络的需求。

通过并排放置多个管，可提供另外一组辐射元件，从而可使用与需求一样多的管以模块化方式构成阵列。管可如下所述地共用外表面的共用部分。

通过改变槽的朝向，可从相同的天线实现不同的极化和/或多个极化。下文将对此进行详细说明。在优选实施例中，槽被定向为正和负45度并且被散置，从而阵列提供正和负45度极化辐射。

通过合适地选择塑料，天线可构造成不具有天线罩，从而进一步减少成本和重量。

外表面可具有曲线轮廓。这典型地增加了管的强度，并且还可用于进一步适合天线图的空间变化。此结构还具有馈电层不必转过锐角转角的优点。

在第二方面，本发明提供了一种多波束天线，该天线包含大致为圆柱形的导电外层、围绕该圆柱的中心轴线设置的多个导电管、形成每个管的最外侧壁的导电内圆柱层、位于内层和外层之间并且设置成承载导电轨道的馈电层，以及位于外层和馈电层之间以及内层和馈电层之间的介电材料，天线还包括多个形成为相互对齐的、由在外层和内层内的不导电区域限定的槽的辐射元件、以及大致与槽对齐的在馈电层上限定的相应的导电轨道，从而每个管大致对应于天线的单个相应的波束。

此布置尤其应用于蜂窝式网络例如蜂窝电话网络。管可设置成单个阵列或多个阵列以提供例如围绕圆柱体大致等间隔的三个波束。这提供了一种尤其有效且经济的天线。

在第三方面，本发明提供了一种天线部件，该天线部件包含导电管、覆盖管的正面以及两个相邻侧面的至少一部分的导电外表面、位于管和外表面之间的并且设置成承载导电轨道的馈电层、以及位于管和馈电层之间以及外表面和馈电层之间的介电材料，天线还包括形成为相互对齐的、由在外表面的正面和管内的不导电区域限定的槽的辐射元件，该槽可被大致与槽对齐的在馈电层上限定的导电轨道激励使用。

此模块可用作其它方面的天线的构件块。此模块可与在一端或两端的挡板一起形成单个背面有空腔的槽部件。

本领域普通技术人员可在阅读下文结合附图对本发明的特定实施例的说明时清楚地了解本发明的其它方面和特征。

附图说明

图1是根据本实施例的具有六列的天线阵列的横截面视图；

图2是根据本发明的阵列的可选择实施例的横截面视图；

图3是根据本发明的双极化阵列的一部分的透视及部分切除视图；

图4是示出双极化阵列的辐射元件的一种可能的布置的示意图；

图5是示出双极化阵列的一种可能的槽布置的另一个可选择实施例；

图6是根据本发明的双极化阵列内的槽的另一种可能的布置；

图7示出一对槽的细节；

图8示出图7的槽的S参数图；

图9示出根据本发明的多波束天线的正视图；

图10是图9的天线的剖视图；并且

图11是图9和10的天线的一种可能的馈电网络的细节。

具体实施方式

参照图1，多个管2大致垂直地延伸到附图的平面内并且从该平面延伸出。这些管通常由具有镀金属涂层的塑料材料制成。可选择地，管可由金属形成。尽管示出为大致为矩形，但是这些管可具有符合天线的预期电性能的任何横截面形状。

由例如金属膜或镀金属塑料形成的导电外表面4横跨正面伸展，覆盖管2的正面。此部件呈现肋状，并且具有在管2之间向后延伸的肋部6。

通常由柔性膜例如聚酯膜形成的馈电层8在外表面4和管2之间延伸。此膜包含导电带线元件，该导电带线元件激励辐射槽并且还形成如下所述的馈电网络。

图2示出其中管和外表面大致在天线阵列的正面具有圆角部分10的可选择实施例。图2A内示出每个弯曲模块的放大视图。与图1类似的部件被使用与图1相同的标号加上后缀-1指示。

在另一个可选择实施例（未示出）中，图2的外表面4可大致为平面，而馈电层8-1可遵循外表面的平面轮廓或者管2-1的正面的弯曲轮廓。

在两种情况下，在阵列的后端形成边缘连接器12、12-1，以允许连接到馈电层并且还允许管2、2-1和正面4、4-1接地。

如下文更详细说明的，正面4和管2的导电层被中断以形成不导电槽。通常，在馈电网络内在相同位置处形成T型材辐射体。因此，此构造沿肋部6、6-1提供了背面是空腔的槽辐射元件和三平板（即，接地板之间的带线轨道）馈电网络。这提供了特别紧密的构造。此外，当用塑料材料制成时，天线轻且防水并耐腐蚀。因此，天线不需要具有单独的天线罩。但是如下所述，一些实施例可能具有完全通过部件（而不是仅被除去导电平面）的槽，因此在那些情况下希望提供单独的天线罩以避免水进入。

参照图3，示出基本根据图1构造的阵列的一部分的部分切除和透视图。图3示出垂直定向并且并排放置的三个管2。馈电层沿该结构的向后延伸肋部6承载馈电网络14。肋部6可一直向后延伸所需的长度以便容纳带线馈电网络。

该附图示出具有在阵列的每一行内沿相同朝向的槽的相邻列内的槽。可选择的布置是例如通过交替改变沿一行即横跨管的槽朝向，确保相邻管的相邻槽处于不同的极化角。这可减小相邻槽之间的耦合。

馈电网络端接于位于各个槽内的T型材，该T型材使馈电网络与槽匹配并且还激励槽以使其辐射。槽是通过除去金属化或者形成通过管的全部材料和正面的孔口形成的。应注意，槽18被沿不同方向定向。在此情况下，该方向是相对于每个管2的轴线的正负45度。这些定向使得天线阵列可以双极模式操作，并且应注意，用于每个被交替定向的槽的馈电网络沿管2的相对侧面通过。此馈电网络的分离并不是必要的，但是其有助于馈电网络的布局以及可最好地利用可用空间。

应理解，通过延伸管2的长度和/或通过添加额外的管，所示的阵列可沿任何方向延伸，并且可为槽选择不同于45度的角度以便得到不同的预期极化角，而且极化角不需要是正交的。

随着阵列的高度增加，需要馈电网络的额外分支。仅通过使肋部6在所绘制的页面的平面内进一步向后延伸就可容易地容纳为此所需的空间。

通常，槽之间的水平间隔为λ/2，其中λ是天线的设计操作波长。另外，相同朝向的槽之间的典型垂直间隔是大约0.8λ。因此，在所示实施例中，由于槽的交替朝向，每个在槽之后的空腔的宽为大约为λ/2宽而高为大约0.4λ。空腔深度为大约λ/4。任选地，可横跨管插入挡板20以便减小不同极化的槽与T型材元件之间的耦合。

应注意，槽的间隔可改变。例如，阵列可被设置用于垂直平面内的波束扫描。在该情况下，希望水平间隔为大约0.8λ，而垂直间隔为大约λ/2。这可通过使阵列旋转90度，从而具有沿水平方向的管，或者可选择地，通过使管更宽（以实现更宽的水平间隔）并且减小每个管内的槽之间的间隔实现。应理解，可做出许多其它改变，并且这些改变通常用希望的波束图和天线的可调性要求指示。

在此优选实施例中，槽还具有“狗骨式”配置，其中在槽的端部处具有较宽的部分。这使得可更好地控制谐振频率同时保持物理槽长度比无狗骨式配置的情况下的长度短。应理解，在不具有狗骨式配置的情况下，这些槽长度将接近λ/2。通过使用狗骨式配置，此长度可例如减小为0.45λ；从而提高了天线的空间效率。

再次考虑图2的布置，应注意，使结构弯曲将提高强度，但是还可用于使馈电层更平滑地绕过拐角。此外，弯曲以及可能存在额外的材料厚度可被用于进一步调谐天线的特性。

图4示意性地示出图3所示的槽的布置。

图5示出其中在阵列的列之间槽偏移的可选择实施例。这使得更有效地使用空间。

应注意，在槽背后的空腔偏离垂直轴线。因此，这种布置可例如通过将每个空腔形成为单独的单元，用分离空腔组装阵列并且组合在空腔之间的馈电层构成。可选择地，每个管可形成为阶梯状布置，其中每个交替的空腔向一侧或另一侧偏移。本申请内使用的术语“管”将包含这种阶梯状布置。

图6示出其中槽重叠并且形成交叉结构的另一个可选择实施例。但是，应注意，在此情况下馈电网络必须保持分离，因此需要改变中心T型材馈电以便实现此配置。

在本发明的范围内还存在其它配置。

图7示出图3的阵列的小剖面。此小剖面作为其中希望具有通常在1.85至1.99GHz的操作频带的具体应用的模型。因此，中心频率将是1.92GHz。通过附图中所示的配置，其中T型材的长度为50mm且距离每个槽的边缘2.5mm，而槽的长度为68.25mm且具有形成狗骨的两个9mm的延伸部，可实现图8内所示的S图。槽的宽度为大约0.7λ，在2GHz下该宽度为大约1cm。可见，在1.83至2.01GHz的频带和1.86至2GHz的频带内这两个槽分别发生10dB的回波损耗。槽之间的互耦小于-20dB。可用调谐槽的长度、狗骨的宽度、T型材的长度和宽度以及T型材的位置来调节天线的性能。还可使用除了T型材之外的布置。此外，已经在两个槽之间插入如上所述的挡板以便减小槽之间的耦合。

因此，根据供给每个槽辐射体的馈电网络的相位和增益，可在单列或多列内使用上述阵列以提供具有明确定义的形状和方向的静态波束（具有静态馈电网络），或者具有可变的波束形状和/或方向的可控制的和自适应的波束。

在如图9和10所示的可选择实施例中，由每个上述的管和关联部件形成的列可围绕中心轴线30安装。管2-3的结构大致与上述的管类似，并且具有被夹在管2-3的正面和外部柱面3之间的馈电层6-3，该管2-3的正面大致形成内部柱面32，而外部柱面34大致等同于图1内所示的正面4。

槽以与上述方式相同的方式通过这两个柱面形成，并且在图9内具体示出。例如在图11内示出示例性馈电网络。可以与上述方式相同的方式在列的基部形成边缘连接器36，并且这些边缘连接器36例如可通过将塑料模制成传统连接器的形状并且用导电材料涂覆该连接器而形成。

尤其参照图10，应注意，此布置使得能够从单个圆柱天线结构中沿三个方向指引光束。其中单个天线杆可容纳三个不同的区段并且可通过使用明确定义的辐射图划分该区段的移动电话应用常常需要这种波束图。通常，成对的管2-3提供较窄的波束图。因此，尽管附图示出单个列，但是应理解，多个列可以与上述阵列相同的方式接合在一起以可提供被更好定义的辐射图。这仅通过增加圆柱体的直径以允许在其中容纳额外的列的空间就可实现。此配置具有所有上文所述的尤其是当由塑料材料制成时的重量轻且结构简单的优点。另外，该配置与现有设计相比几乎没有性能下降。

Claims (32)

1.一种天线，包含：

形成背面空腔的导电管，所述导电管包括正面和从所述正面延伸的两个侧面；

覆盖所述导电管的正面以及所述导电管的两个侧面的至少一部分的导电外表面；

位于所述导电管和所述导电外表面之间并被设置成承载导电轨道的馈电层；

位于所述导电管和所述馈电层之间且在所述导电外表面和所述馈电层之间的介电材料；以及

多个辐射元件，每个辐射元件被形成为相互对齐的槽，所述槽包括在所述导电外表面的正面内且在所述导电管内的不导电区域。

2.如权利要求1所述的天线，其中每个槽包括在使用期间由导电轨道提供能量的非导电区域，所述导电轨道被限定在所述馈电层上且通常与所述槽对齐。

3.如权利要求1所述的天线，其中所述介电材料选自包含空气和充气泡沫的组。

4.如权利要求1所述的天线，其中所述导电管的所述侧面在所述正面之后延伸出至少λ/4的距离，其中λ是天线的设计操作波长。

5.如权利要求1所述的天线，其中该天线包括并排放置的多个管，所述多个管共用覆盖各个管的侧面的外表面的共用部分。

6.如权利要求5所述的天线，其中每个管中的槽被分成相应的第一和第二集合，所述集合具有分别相对于管的轴线沿第一朝向和与该第一朝向不同的第二朝向形成角度的槽，每个集合具有在馈电层上形成的单独的且电绝缘的馈电网络，从而第一集合以第一极性辐射而第二集合以大致正交的第二极性辐射。

7.如权利要求6所述的天线，其中相邻管的相邻槽处于不同的极化角。

8.如权利要求7所述的天线，其中所述槽的极化角横跨所述管交替变化。

9.如权利要求5所述的天线，其中所述第一朝向是大约+45度，而第二朝向是大约-45度。

10.如权利要求5所述的天线，其中所述各个管的辐射元件之间的间隔为大约λ/2，其中λ是天线的设计操作波长。

11.如权利要求1所述的天线，其中所述辐射元件大致沿管的轴线对齐，并且沿管的轴线隔开大约0.8λ到λ，其中λ是天线的设计操作波长。

12.如权利要求1所述的天线，其中每个槽的长度是大约0.5λ，其中λ是天线的设计操作波长。

13.如权利要求1所述的天线，其中每个槽在其每个端部具有较宽部分，从而形成狗骨式槽，从而可减小每个槽的长度。

14.如权利要求1所述的天线，其中所述槽相对于管的轴线成大约45度。

15.如权利要求1所述的天线，其中所述槽被分成第一和第二集合，并且所述集合具有分别相对于管的轴线沿第一朝向和与该第一朝向不同的第二朝向形成角度的槽，每个集合具有在馈电层上形成的单独的且电绝缘的馈电网络，从而第一集合以第一极性辐射而第二集合以大致正交的第二极性辐射。

16.如权利要求15所述的天线，其中所述第一朝向是大约+45度，而第二朝向是大约-45度。

17.如权利要求15所述的天线，其中每个集合的槽分别偏离管的轴线不同的距离。

18.如权利要求15所述的天线，其中所述第一和第二集合中的槽大致重叠，并且沿管的轴线隔开大约0.8λ，其中λ是天线的设计操作波长。

19.如权利要求15所述的天线，其中所述第一和第二集合中的槽散置，并且各个集合内的每个元件之间沿管的轴线的间隔是大约0.8λ，其中λ是天线的设计操作波长。

20.如权利要求19所述的天线，其中通过沿管的长度交替地从每个相应集合中选择槽而将槽散置。

21.如权利要求20所述的天线，其中所述管被横跨管放置且位于不同集合的槽之间的导电挡板分隔开。

22.如权利要求15所述的天线，其中每个集合内的槽在各自不同的沿管的轴线上对齐。

23.如权利要求1所述的天线，其中所述馈电层的远端的形状形成为用于连接馈电电缆的RF连接器。

24.如权利要求23所述的天线，其中所述馈电层由塑料材料形成，并且所述RF连接器通过模制并且电镀导电材料形成。

25.如权利要求1所述的天线，其中所述管和/或外表面由具有导电涂层的塑料材料形成。

26.如权利要求25所述的天线，其中通过在管和/或外表面内的合适位置处除去导电涂层而同时遗留至少一部分塑料材料来形成所述槽。

27.如权利要求25所述的天线，其中通过在管和/或外表面内除去导电涂层并且除去底层塑料材料的至少一部分以形成孔口来形成所述槽。

28.如权利要求25所述的天线，其中通过调节管和/或外表面内的塑料材料的厚度和轮廓，使用塑料材料的介电特性来调谐天线。

29.如权利要求1所述的天线，其中所述外表面形成大致防潮的天线罩。

30.如权利要求1所述的天线，其中所述外表面和/或管具有弯曲轮廓。

31.如权利要求1所述的天线，其中该天线被设计用于大致在2-5GHz频带内的操作，并且槽宽度大约为0.07λ，其中λ是天线的设计操作波长。

32.如权利要求1所述的天线，其中所述槽辐射元件被使用T型材馈电体馈电。

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