CN103107421A - 天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线领域，并提供了一种天线系统，其包括：接地平面；以及天线元件，所述天线元件包括多个输入节点并且安装于所述接地平面的上方的平面中，其中，所述天线元件通过配置所述多个输入节点中的至少一个来配置为期望的极化类型。本发明能够重新配置从而产生高质量的圆地、椭圆地、或线性地极化辐射的天线系统。

Description

天线系统
相关申请交叉参考
本专利申请要求于2011年11月4日提交的标题为“Long TermEvolution Radio Frequency Integrated Circuit”的美国临时专利申请No.61/556,094的权益，其全部内容以引证方式结合于此。
技术领域
本发明总体上涉及天线领域。
背景技术
为生产圆极化天线，传统的方法是通过提供两个馈源（feed，馈电）至天线来产生两个正交线性极化电场分量。此两个馈源激发两个正交（例如，X方向、Y方向）电磁场模式，使得其中一个模式中的一个模式与另一个模式具有90°的相位延迟。也可通过使用单个馈源获得圆极化（CP），这将通过该馈源沿方形贴片（square patch）中的其中一条对角线布置、通过在方形贴片中包括薄对角线狭槽、通过椭圆贴片形状、或通过在方形贴片中修剪相对的角来实现。
在某些情况下，制造CP的传统方法可能是不适当的。此外，需要对天线系统进行重新配置，以产生类型尽可能多的极化类型，以增加其实用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可重构天线系统。
针对上述目的，根据本发明第一方面提供了一种天线系统，包括：接地平面；以及天线元件，所述天线元件包括多个输入节点并且安装于所述接地平面的上方的平面中，其中，所述天线元件通过配置所述多个输入节点中的至少一个来配置为期望的极化类型。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述多个输入节点包括单个馈源节点，所述天线系统还包括电耦合至所述单个馈源节点的馈线探针；或者所述天线系统包括多个馈线探针，每个馈线探针电耦合至所述多个输入节点的相应一个输入节点。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述多个输入节点包括多个接地节点，所述多个接地节点中的至少一个电耦合至所述接地平面。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，还包括：多个开关，每个开关位于所述多个接地节点的相应接地节点与所述接地平面之间，并且每个开关能控制以将所述相应接地节点电耦合至所述接地平面。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述多个开关的中每个包括相应的变容器。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述天线元件通过配置所述多个开关来配置为所述期望的极化类型。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述天线元件通过将所述多个接地节点中的一个或多个电耦合至所述接地平面来配置为所述期望的极化类型。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，还包括：多个输入探针，每个输入探针电耦合至所述多个输入节点的相应一个输入节点。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，还包括：至少一个开关，所述至少一个开关能控制以将相应输入信号耦合至所述多个输入探针。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述相应输入信号将所述多个输入节点中的每个输入节点配置为馈源节点、接地节点、或开型节点。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述相应输入信号将所述多个输入节点中的一个输入节点配置为馈源节点，并且将所述多个输入节点中的一个输入节点配置为接地节点，从而将所述天线元件配置为用于圆极化；或者，所述相应输入信号将所述多个输入节点中的两个输入节点配置为馈源节点，从而将所述天线元件配置为用于线形极化。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，还包括：具有耦合至所述多个馈线探针的输出的差分移相器。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述差分移相器配置为调整该差分移相器的输出的相位，以将所述天线元件配置为所述期望的极化类型。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述差分移相器配置为转换该差分移相器的输出的相位，以将所述天线元件从右旋圆极化重新配置为左旋圆极化，反之亦然。
具体地，根据本发明第一方面的天线系统，其中，所述天线元件配置使得，所述期望的极化类型对应于第一频率信道上的第一极化类型以及对应于第二频率信道上的第二极化类型。
根据本发明的第二方面提供了一种天线系统，包括：接地平面；天线元件，所述天线元件安装在所述接地平面上方的平面中，所述天线元件包括位于所述天线元件内的第一位置中的馈源节点以及位于所述天线元件内的第二位置中的接地节点，所述接地节点电耦合至所述接地平面；以及馈线探针，所述馈线探针电耦合至所述天线元件的所述馈源节点，其中，所述第一位置和所述第二位置选择成使得，所述天线元件利用提供至所述馈线探针的单个馈源在期望的圆极化带宽上配置为圆极化。
具体地，根据本发明第二方面的天线系统，其中，所述天线元件的尺寸选择为使得所述天线元件的所产生的阻抗带宽基本匹配所述期望的圆极化带宽。
具体地，根据本发明第二方面的天线系统，其中，所述天线元件包括印刷型天线。
根据本发明的天线系统能够重新配置从而产生类型尽可能多的极化类型，增加了实用性。
附图说明
包含于此并形成本说明书一部分的附图与说明书一起阐释了本发明，并用于解释本发明的原理，并使本领域技术人员能够制造和使用本发明的主题。
图1示出示例天线系统的俯视图。
图2示出示例天线系统的侧视图。
图3示出示例天线系统的三维视图。
图4示出示例天线系统的侧视图。
图5示出示例天线系统的三维视图。
图6示出示例天线系统的示例配置。
图7示出示例天线系统的俯视图。
图8示出示例天线系统的侧视图。
将参考附图对本发明进行说明。一般地，元件第一次出现在的附图通常由对应参考数字中最左位数字表示。
具体实施方式
提出了在宽频带上产生圆极性的系统和方法。此类系统和方法包括在天线元件中引入接地针（grounding pin，地针）。该接地针能够实现25%或更多的阻抗和CP带宽。
图1示出示例天线系统100的俯视图。提供该示例天线系统100仅用于说明的目的，而不用于限制本发明的实施方式。示例天线系统100包括天线元件102、接地平面104、馈线探针110。如本领域技术人员基于此处的教导应当理解的，在其他实施方式中，天线系统100可以包括多个天线元件102或天线元件102的阵列。
天线元件102可以是印刷式天线或微带天线，如贴片天线（patchantenna）。如图1示出，天线元件102为矩形，带有X维度114和Y维度116。狭槽112形成在天线元件102内，附加地给予天线元件102一U形形状。在其他实施方式中，天线元件102可以是方形、椭圆形、圆形、或任何其他连续形状。
天线元件102安装在接地平面104上方。在一个实施方式中，天线元件102使用居间的一个或多个电介质隔片层（图1中未示出）安装在接地平面104上方。天线元件102例如可通过将天线图案蚀刻到电介质衬底或半导体衬底上形成。馈线（到达发射器或接收器）通过电耦合至馈线探针110的馈送节点106提供至天线元件102。接地线通过电耦合至接地平面104的接地节点108提供至天线元件102。在其他实施方式中，省去了接地线（和接地节点108）。
根据一些实施方式，天线元件102配置为发射圆极化（CP）辐射。在圆极化中，发射的电磁波具有振幅恒定但在电磁波行进方向上旋转的电场（相关联的磁场也恒定且在垂直于该电场的方向上旋转）。该电场可以顺时针方式（右旋圆极化）或逆时针方式（左旋圆极化）进行旋转。理想的CP电场由振幅相同且相对于彼此成90°异相的两个正交线性极化电场分量构成。
为产生CP天线，传统的方法通过提供两个馈源至天线来产生两个正交线性极化电场分量。此两个馈源激励两个正交（例如，X方向、Y方向）电磁场模式，使得其中一个模式相对于另一个模式具有90°相位延迟。正交电场分量的振幅比率（所知的轴比（AR））是对产生的圆极性的质量的测量。当天线刚好在两个受激模式的共振频率中间操作时可获得0dB的AR，使得两个模式具有相同的振幅。
在示例天线系统100中，在期望频率范围（期望的CP带宽）上使用单个馈源可实现圆极性。因而与传统设计相比，可省去至少一个馈源。根据一些实施方式，圆极性的实现可通过选择/配置一个或多个X维度114、Y维度116、X维度114与Y维度116的比率、天线元件102相对于接地平面104的尺寸、馈源节点106在天线元件102内的位置、接地节点108在天线元件102内的位置、接地节点108相对于馈源节点106的位置，从而使得两个正交电磁场模式在期望的CP带宽上受激发。
进一步调整以上列出的参数中的一个或多个使得所产生的圆极性在期望的CP带宽上满足期望的质量（例如，AR）。在一实施方式中，期望的CP质量通过仅配置/调整馈源节点106和接地节点108在天线元件102内的位置来实现。在另一个实施方式中，期望的CP质量通过仅配置/调整天线元件102的尺寸/形状以及馈源节点106的位置来实现。
除了潜在地有助于获得圆极性，天线元件102的X纬度114和Y纬度116影响天线元件102的阻抗带宽。较之于公知的阻抗（例如，50Ohms），天线的阻抗带宽是天线的可用频率范围。因而，在一些实施方式中，天线元件102的X维度114和Y维度116选择成使得实现天线元件102的期望阻抗带宽。天线元件102内的狭槽112也可用于通过减少天线元件102的信号反射来获得期望的阻抗带宽。
此外，在一个实施方式中，进一步选择/配置以下项目中的一个或多个：X维度114、Y维度116、X维度114与Y维度116的比率、天线元件102相对于接地平面104的尺寸、馈源节点106在天线元件102内的位置、接地节点108在天线元件102内的位置、以及接地节点108相对于馈源节点106的位置，从而使得天线元件102的阻抗带宽在宽频带上与天线元件102的期望CP带宽一致。这使得天线元件102能够在较宽的可用频率范围上产生高质量的圆极性（即，其中天线元件102具有较低的回波损耗）。
图2示出以上图1说明的示例天线系统的侧视图。如图2示出，在一实施方式中，馈源节点106使用芯片通孔（through-chip via）118电耦合至馈线探针110。相似地，接地节点108使用芯片通孔120电耦合至接地平面104。如本领域技术人员所理解的，也可使用其他方式将馈源节点106和接地节点108分别互连至馈线探针110和接地平面104。
图3示出示例天线系统300的三维视图。提供该示例天线系统300仅用于说明的目的，而不用于限制本公开的实施方式。与示例天线系统100相似，示例天线系统300包括天线元件102、接地平面104、以及馈线探针110。如本领域技术人员基于此处的教导应当理解的，在其他实施方式中，天线系统300可以包括多个天线元件102或天线元件102的阵列。
如图3示出，天线元件102安装在接地平面104上方。在一个实施方式中，天线元件102使用居间的一个或多个电介质隔片层（图3中未示出）而安装在接地平面104上方。馈线（到达发射器或接收器）经由利用芯片通孔118电耦合至馈线探针110的馈源节点106而提供至天线元件102。
天线元件102还包括三个接地节点302a-c（可使用任何其他数量的接地节点），所述接地节点中的每个均可以电耦合至接地平面104。在一些实施方式中，接地节点302a-c中的每一个可独立于其他接地节点耦合至接地平面104。因此，任何数量的接地节点302a-c可以在任何时间耦合至接地平面104。例如，接地节点302a-c中多于一个的接地节点可在同时耦合至接地平面104。
在一实施方式中，电耦合至接地平面104的接地节点302a-c的数量和/或位置由天线系统300的期望极性类型确定。例如，在一些实施方式中，对于圆极性，接地节点302a电耦合至接地平面104并且使接地节点302b和302c打开。在该配置中，两个正交电磁场模式受激发。对于椭圆辐射，接地节点302b电耦合至接地平面104并且使接地节点302a和302c打开。对于线性极化，接地节点302c电耦合至接地平面104并且使接地节点302a和302b打开。该配置激发单个电磁场模式。通过同时耦接接地节点302a-c中的多于一个接地节点也可实现其他类型的极化。
如以上说明的示例天线系统100那样，可在天线系统300中在期望的极化带宽上用单个馈源来实现每个不同类型的极化（即，圆形、椭圆、线性）。因此，在圆极化的情况下，与传统设计相比，省去了至少一个馈源。
在一些实施方式中，除了选择耦合至接地平面104的接地节点302a-c的数量和/或位置，也可能需要配置/调整天线系统300的其他参数。这些参数包括以下项目中的一个或多个，例如，X维度114、Y维度116、X维度114与Y维度116的比率、天线元件102相对于接地平面104的尺寸、馈源节点106在天线元件102内的位置、接地节点302a-c在天线元件102内的位置、以及接地节点302a-c相对于馈源节点106的位置。
在一个实施方式中，可通过控制位于接地节点302与接地平面104之间的相应开关（图3中未示出）来使接地节点302a-c中的每一个电耦合至接地平面104或打开。使用相应控制信号可以控制相应的开关。因此，可通过控制相应开关如期望的那样来动态地调节天线系统300的极化类型。例如，在涉及由多个子信道组成的宽频带的应用中，天线系统300可以重新配置为在每个子信道辐射不同的极性类型。
图4示出以上图3中说明的示例天线系统300的侧视图。如图4示出，在一个实施方式中，接地节点302a-c中的每一个通过相应的芯片通孔304和相应的开关306耦合至接地平面104。图4中，仅示出对应于接地节点302a的芯片通孔304a和开关306a。当开关306a闭合时，接地节点302a电耦合至接地平面104。在其他情况下，接地节点302a打开。在一个实施方式中，开关306a包括变容器（可变容二极管），所述变容器受相应控制信号控制以改变其电容。其他类型的有源开关也可以用于开关306a。如本领域技术人员所理解的，也可以使用其他方式将接地节点302a-c互连至接地平面104。
图5示出示例天线系统500的三维视图。提供示例天线系统500仅用于说明的目的，而不用于限制本公开的实施方式。该示例天线系统500包括天线元件502、接地平面104、以及多个输入探针510a-c。如本领域的技术人员基于此处的教导应当理解的，在其他实施方式中，天线系统500可以包括多个天线元件502或天线元件502的阵列。
天线元件502可以是印刷式天线或微带天线，比如贴片天线。如图5示出，天线元件502具有方形形状。两个狭槽504和506形成在天线元件502内，额外地给予天线元件102一W形形状。在其他实施方式中，天线元件502可以是矩形、椭圆形、圆形、或任何其他连续形状。
天线元件502安装在接地平面104上方。在一个实施方式中，天线元件502使用居间的一个或多个电介质隔片层（图5中未示出）安装在接地平面104上方。天线元件102例如可以通过将天线图案蚀刻到电介质衬底或半导体衬底上形成。天线元件502包括多个节点508a-c。节点508a-c分别使用相应芯片通孔512a-c电耦合至输入探针510a-c。
根据一些实施方式，输入探针510a-c可用于易变馈源天线元件502，以使得节点508a-c中的每一个可彼此独立地配置为馈源节点、接地节点、或开型节点。在一个实施方式中，转换机构（包括一个或多个开关，未在图5中示出）用于将相应输入信号耦合至输入探针510，从而配置节点508a-c。根据节点508a-c的配置，可使用天线系统500实现相应极化类型。例如，可以对天线元件502馈送以激发两个正交模式，从而产生（右旋或左旋）圆极化辐射。替换地，可以对天线元件502馈送以激发单个模式，从而产生线性极化辐射。节点508a-c可重新配置以如期望的那样调节天线系统500的极化。
如以上说明的示例天线系统100那样，可在天线系统500中在期望的极化带宽上用单个馈源实现每个不同类型的极化（即，圆形、椭圆形、线性）。因此，在圆极化的情况下，与传统设计相比，省去了至少一个馈源。在其他实施方式中，使用两个或更多个馈源来实现不同的极化。
图6示出了示例天线系统500的示例配置。如本领域的技术人员根据此处的教导应当理解的，提供图6的示例配置仅用于说明的目的，而不用于限制本公开的实施方式。
如以上说明的，由此，使用示例天线系统500并通过配置节点508a-c可获得不同的极化类型。例如，如图6示出，通过将节点508b配置为接地节点、将节点508c配置为馈源节点、并且将节点508a配置为开型节点，可产生右旋圆极化（RHCP）。在一个实施方式中，这通过将0（伏特）输入信号耦合（使用转换机构）至输入探针510b（该输入探针耦合至节点508b），以及将+V（伏特）输入信号耦合至输入探针510c（该输入探针耦合至节点508c）来实现。使输入探针510a打开。相似地，通过以相同的方式将节点508b配置为接地节点、将节点508a配置为馈源节点、并且将节点508a配置为开型节点，可产生左旋圆极化（LHCP）。
在一个实施方式中，通过将节点508a和508c配置为馈源节点并使节点508b为开型节点，可实现线性极化。由此，+V（伏特）和–V（伏特）输入信号被分别施加至输入探针510a和510c，并且使输入探针510b打开。
在一个实施方式中，可通过适当地配置转换机构的配置来激活输入探针510a-c的任一不同的馈电模式。在一实施方式中，将输入信号-V（伏特）、0（伏特）、以及+V（伏特）提供至转换机构，所述转换机构根据天线系统500的期望配置将输入信号耦合至输入探针510a-c中的相应一个。
图7示出示例天线系统700的俯视图。提供示例天线系统700仅用于说明的目的，而不用于限制本公开的实施方式。示例天线系统700包括天线元件102、接地平面104、以及多个馈线探针704a-b。如本领域的技术人员应基于此处的教导应当理解的，在其他实施方式中，天线系统700可以包括多个天线元件102或天线元件102的阵列。
天线元件102安装在接地平面104上方。在一个实施方式中，天线元件102使用居间的一个或多个电介质隔片层（图7中未示出）来安装在接地平面104上方。天线元件102包括多个馈源节点702a-b（也可使用任何其他数量的馈源节点），所述多个馈源节点中的每一个电耦合至馈线探针704a-b中相应的一个馈线探针。天线元件102也可以包括一个或多个接地节点（图7中未示出）。
根据实施方式，馈线探针704a-b可用于提供单个差分馈源至天线系统700。在一个实施方式中，单个差分馈源配置为激发两个正交模式，以使得天线系统700在期望的CP带宽上辐射圆极化波。在其他实施方式中，单个差分馈源在相位上进行了调整，以产生其他类型的极化。
在一个实施方式中，馈线探针704a-b耦合至差分移相器（图7中未示出）的输出。移相器可用于调节其输出的相位（+/-0-180°），包括通过将+/-180°的相移施加至其输出来执行相转换。调节移相器的输出的相位改变了天线系统700的极化类型。由此，天线系统700的极化可通过配置/重新配置施加至馈线探针704a-b的移相器的输出的相移来进行配置/重新配置。在一个实施方式中，移相器用于对其输出施加相转换，从而使馈线探针704a-b的极性（以及由此，馈源节点702a-b的极性）转换。由此，天线系统700的圆极化可从左旋圆极化重新配置为右旋圆极化，反之亦然。
图8示出以上图7中说明的示例天线系统700的侧视图。如图7中示出，在一个实施方式中，馈源节点702a和702b通过相应的芯片通孔706a和706b分别电耦合至馈线探针704a和704b。如本领域技术人员所理解的，也可使用其他方式将馈源节点702a和702b分别互连至馈线探针704a和704b。
以上已借助示出实施方式的具体功能及其关系的执行方式的功能构建模块对实施方式进行了说明。为了方便说明，这些功能构建模块的边界在此处是任意定义的。只要实施方式的具体功能及其关系得以适当地执行，也可定义替换的边界。
具体实施方式的前述详细说明将充分揭示本公开的一般属性，因此，通过运用相关领域知识在没有过度试验并且在不违背本公开的一般概念的情况下，本领域的技术人员可容易地修改和/或调整这些具体实施方式的各种应用。因此，根据此处公开的教导和指导，这种调整和修改旨在落在所公开实施方式的等同物的含义和范围内。应当理解，此处的措辞和术语仅用于说明而不是限制的目的，是使得本领域的技术人员在参阅了本文的教导和指导后能理解本说明书中的措辞和术语。
本公开实施方式的广度和范围不应由上述示例性示意性实施方式中的任一个限制，而仅由所附的权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种天线系统，包括：
接地平面；以及
天线元件，所述天线元件包括多个输入节点并且安装于所述接地平面的上方的平面中，
其中，所述天线元件通过配置所述多个输入节点中的至少一个来配置为期望的极化类型。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，
所述多个输入节点包括单个馈源节点，所述天线系统还包括电耦合至所述单个馈源节点的馈线探针；或者
所述天线系统还包括多个馈线探针，每个馈线探针电耦合至所述多个输入节点的相应一个输入节点。
3.根据权利要求2所述的天线系统，其中，所述多个输入节点包括多个接地节点，所述多个接地节点中的至少一个电耦合至所述接地平面。
4.根据权利要求3所述的天线系统，还包括：
多个开关，每个开关位于所述多个接地节点的相应接地节点与所述接地平面之间，并且每个开关能控制以将所述相应接地节点电耦合至所述接地平面。
5.根据权利要求4所述的天线系统，其中，所述多个开关的中每个包括相应的变容器。
6.根据权利要求1所述的天线系统，还包括：
多个输入探针，每个输入探针电耦合至所述多个输入节点的相应一个输入节点。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括：
至少一个开关，所述至少一个开关能控制以将相应输入信号耦合至所述多个输入探针，其中，所述相应输入信号将所述多个输入节点中的每个输入节点配置为馈源节点、接地节点、或开型节点。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，
所述相应输入信号将所述多个输入节点中的一个输入节点配置为馈源节点，并且将所述多个输入节点中的一个输入节点配置为接地节点，从而将所述天线元件配置为用于圆极化；或者。
所述相应输入信号将所述多个输入节点中的两个输入节点配置为馈源节点，从而将所述天线元件配置为用于线形极化。
9.根据权利要求1所述的天线系统，还包括：
具有耦合至所述多个馈线探针的输出的差分移相器，所述差分移相器配置为调整该差分移相器的输出的相位，以将所述天线元件配置为所述期望的极化类型。
10.一种天线系统，包括：
接地平面；
天线元件，所述天线元件安装在所述接地平面上方的平面中，所述天线元件包括位于所述天线元件内的第一位置中的馈源节点以及位于所述天线元件内的第二位置中的接地节点，所述接地节点电耦合至所述接地平面；以及
馈线探针，所述馈线探针电耦合至所述天线元件的所述馈源节点，
其中，所述第一位置和所述第二位置选择成使得，所述天线元件利用提供至所述馈线探针的单个馈源在期望的圆极化带宽上配置为圆极化（CP）。
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