CN103311639A - 美学介质天线和使用此天线离散地发射辐射方向图的方法 - Google Patents

美学介质天线和使用此天线离散地发射辐射方向图的方法 Download PDF

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Abstract

一种美学介质天线（例如介质谐振器天线）包括美观造型的装饰，其包括至少一个介质常数大于1的介质。波导，馈线，探针和其它激励工具与介质电耦合，从而可以发射携带模拟或数字信息的辐射方向图。

Description

美学介质天线和使用此天线离散地发射辐射方向图的方法
相关申请的交叉引用
根据美国专利法119条，本发明要求美国申请号为61/607,534申请日为2012年3月6日的临时申请的优先权，该申请全部合并在本申请内供参考。
背景技术
由于无线通讯技术的迅猛发展，在我们的日常生活中，经常能看到基站天线。通常地，这些天线的辐射功率比移动电话天线的辐射功率大很多。因此，如果基站天线很靠近人的话，人们会有心理上的担忧。结果，有些天线被故意隐藏起来，以免给人们造成心理负担。
例如，一些手机塔通过图画或增加一些人造树枝和类似的东西混入周围的环境伪装起来。但是这些天线塔本身还是传统形状，只是简单地通过覆盖使人眼认不出来。这些方法适用于放置在远处的天线。放置于人们很接近位置的天线，即使伪装了也不会很美观。
因此，当天线很接近人的时候，还是需要一种方法来进一步美化天线。
发明内容
简要地，本发明通过提供与装饰结合一体的介质天线来满足上述需要，这样这种天线可以感知为一个简单的装饰。
本发明提供，第一个方面，一种美学介质天线。这个美学介质天线包括美观造型的装饰，其包括至少一个介质常数大于1的介质，和与介质电耦合的激励工具，从而可以发射用于携带信息的辐射方向图。这些携带的信息本质上可以是模拟或数字的。
本发明提供，在第二个方面，一种可以离散地发射可以携带信息的辐射方向图的方法。该方法包括提供一种美学介质天线，和一个美观造型的装饰，其包括至少一个介质常数大于1的介质。该方法还包括与所述介质电耦合的工具，可以激励介质发射可以携带信息的辐射方向图，和激励具有激励工具的至少一个介质，从而发射可携带信息的辐射方向图。这些携带的信息本质上可以是模拟或数字的。
本发明的这些和其它目的、特征和优势可以从下面具有多个实施例的具体实施方式和相关附图中清楚的看明白。
附图说明
本专利或申请文件包含至少一个彩图。通过申请和付费，专利局会提供带彩图的本专利或专利申请文件。
图1(a)-1(d)描绘了本发明美学介质天线的一个例子，为玻璃天鹅介质天线。
图2(a)和2(b)描绘了本发明美学介质天线的一个例子，为玻璃苹果介质天线。
图3为图1(a)-1(d),2(a)和2(b)所示的天鹅和苹果天线的测量反射系数图。
图4(a)和4(b)分别是天鹅天线在E-面和H-面的测量辐射方向图。
图5(a)和5(b)分别是苹果天线在E-面和H-面的测量辐射方向图。
图6为天鹅和苹果天线的测量增益图。
图7(a)和7(b)描绘了本发明美学介质天线的另一个例子，为玻璃建筑介质天线。
图8为图7(a)和7(b)所示的建筑形状的介质天线的测量反射系数图。
图9(a)-9(c)分别为建筑形状的介质天线在2.48GHz、2.89GHz,和3.59GHz频率下的测量辐射方向图。
图10为槽耦合矩形介质谐振器天线的例子。
图11(a)-(d)显示的是与图1(a)-(d)相同的例子,本申请中关于图1(a)-(d)的描述同样适用于图11(a)-(d)。
图12(a)-(b)显示的是与图2(a)-(b)相同的例子，本申请中关于图2(a)-(b)的描述同样适用于图12(a)-(b)。
图13(a)-(b)显示的是与图7(a)-(b)相同的例子,本申请中关于图7(a)-(b)的描述同样适用于图13(a)-(b)。
具体实施方式
在过去的二十年中，人们付出了大量的努力研究具有很多具有吸引力的特征，如小型化、重量轻、低损耗和易激励的介质谐振器天线（DRAs）。介质谐振器天线可有任何介质材料制成（优选具有大于1的介质常数的材料），例如陶瓷和复合材料（如玻璃纤维）。由于玻璃介质谐振器天线是透明的，它们不会挡住光线并且因此可以和太阳能面板一起使用。
在本发明中，介质天线（包括介质谐振器天线DRA）与装饰美术品结合在一起，如，雕塑、仿制品、偶像、动物和花瓶。任何介质常数大于1的介质材料，如水晶和玻璃，都可以用于本设计。水晶和玻璃制品或工艺品通常被视为具有家居或办公室的装饰用途。在本发明中，漂亮的水晶和玻璃制品或工艺品可以用于天线。当不想要单独的或者可见的天线的时候，可以用到这些材料。当天线与人接近的时候，为了避免可能的不舒服感受，后者尤其重要。
介质谐振器天线可由不同的馈电技术激励，如，同轴探针、耦合槽、微波带状线、共面波导、保形带、介电图像引导和金属波导。具有微带馈线的槽耦合方法也许是上述方法中最流行的。图10为槽耦合矩形介质谐振器天线10的例子。该激励方法是流行方法，因为它允许天线和微波电路（未示出）的直接集成。此外，它通过接地面12将天线与电路隔离开，并且避免探针馈电方法带来的在介质谐振器上钻孔的需要。并且，匹配介质谐振器天线非常容易，只需要简单地改变槽16的长度14和微带20的余端长度18。
通常地，介质谐振器天线工作在基本宽侧或端射模式。如图10所示，前者可以通过位移的探针或槽来激励介质谐振器天线获得。在这种情况下，介质谐振器天线可以像具有最大辐射场磁偶极子一样辐射，接地面方向辐射正常。后者的辐射场与电单极天线的辐射场类似。这种模式可以使用同轴探针同轴地向介质谐振器天线馈电的方式激励。理论上，沿接地面方向的电场辐射最强，但是实际上，由于有限接地面效应，会有一个倾斜角度。
水晶和玻璃制品或工艺品长期广泛地用于家居或办公室的装饰。与玻璃相比，铅水晶包括大约24%-30%的氧化铅，使其具有更高的反射率，当大角度切割的时候，会非常闪亮。氧化铅还会使水晶更重，但是比玻璃更柔软。水晶的本质上是玻璃，所以被认为也可以用于介质谐振器天线设计。换句话说，漂亮的水晶和玻璃制品和工艺品可以用于天线。
玻璃天鹅和玻璃苹果就被制成了并被测量。它们均由K-9玻璃制成。图1和2为天鹅和苹果天线的图。在这些例子中，槽耦合方法被用于进行激励。当然，其它的方法也可以被使用，本发明也可以使用其它方法。
图1(a)-1(d)描绘了玻璃天鹅天线100。图1(a)中天鹅天线的尺寸如下：
102=133mm;104=115mm;106=103mm;108=3mm;110=27mm;
112=33mm。图1(b)中的尺寸如下：114=133mm;116=13mm;118=57mm;
120=43mm;122=13mm;124=34mm。图1(c)有如下尺寸：126=10mm和
128=51mm。最后，图1(d)有如下尺寸：130=130mm;132=140mm;134=140mm;
136=2mm;138=32mm。
图2(a)和2(b)描绘了玻璃苹果天线200。图2(a)中苹果天线的尺寸如下：
202=75mm;204=49mm;206=20mm和208=11mm。图2(b)有如下尺寸：
210=75mm;212=75mm;214=50mm;216=50mm;218=25mm;220=2mm。
天鹅天线100在其长度(130,图1(d))的中点处通过基片131上的耦合槽137被馈电，该槽具有长度138和宽度136。微波基片的介质常数为2.33，宽度（未示出）为1.57mm,尺寸（132,134,图1(d)）为14×14cm2。宽度为4.7mm、余端长度为10mm的50-Ω的微带馈线（未示出）印刷在基片上，通过图1(a)-1(c)的同轴馈电127为槽提供能量。
苹果天线的结构如图2(a)和2(b)所示。与天鹅天线类似，苹果天线在其底部中心(222,图2(a))通过基片209由耦合槽211馈电，耦合槽具有长度218、宽度220和9mm的余端长度（未示出）。这部分使用相同类型的基片，但是基片尺寸(214,216图2(b))缩小为5×5cm2，因为苹果天线比天鹅天线要小和简单很多。
图3是天鹅302和苹果304天线的测量反射系数图300。参考该图，天鹅和苹果天线的谐振频率分别为1.83GHz和2.25GHz。天鹅天线的带宽(≤-10dB)是31.6%(1.57-2.16GHz)，如理论最大值的31.6%能够刚好覆盖有用的数字通讯系统或者DCS(1.71-1.88GHz)，和个人通讯系统或PCS(1.85-1.99GHz)的带宽。对苹果天线来说，测量带宽为13.5%(2.08-2.38GHz)。可以分别通过减少或增加苹果大小来分别升高或降低频带。天鹅天线具有比苹果天线大很多的带宽，因为前者在其两翼之间具有更大的空气带。空气带是增加介质天线带宽的有效途径。
图4(a)和4(b)是天鹅天线在E-面(400,图4(a))和H-面(402,图4(b))的测量辐射方向图，可以观察到典型的宽侧辐射方向图。当介质天线由耦合槽中心馈电的时候，结果是可以预期的。对于E-面和H-面方向图，同极化场(404)要比正交极化场(406,408)在孔径方向(θ=0°)强多于20dB。
图5(a)和5(b)是苹果天线在E-面(500,图5(a))和H-面(502,图5(b))的测量辐射方向图。再一次，观察宽侧辐射方向图，如预期地同极化场(504)要比正交极化场(506,508)强。
图6为天鹅和苹果天线的测量增益图600，测量增益分别为(602和604)。参考此图，天鹅和苹果天线的最大增益分别是是7.4dBi(1.84GHz)和6.88dBi(2.2GHz)，显示了美学介质（玻璃）天线的实用性。
在天鹅和苹果的实施例中，介质谐振器天线通过位于底部中央的微带馈电耦合槽激励。介质谐振器天线在其基本宽侧辐射模式下激励。在一些应用中，例如室内无线通讯，通常使用全向辐射模式，因为全向模式可以提供更大的信号覆盖。
在另一个例子中，图7(a)和7(b)展示了建筑700形状的全向美学介质谐振器天线(DRA)。由K-9玻璃制成的介质谐振器天线是透明的。大小通常适用于家庭或办公室装饰。为了获得全向辐射方向图，介质谐振器天线由位于底面中心的探针激励。介质谐振器天线的反射系数、辐射方向图和天线增益被测量了，宽阻抗带宽为36.5%。玻璃建筑介质谐振器天线的反射系数、辐射方向图和天线增益也被测量了。
图7(a)和7(b)描绘了玻璃建筑天线700。图7(a)中建筑天线的尺寸如下：
702=93mm；704=14mm；706=9mm；707=14mm；708=21mm；710=23mm；
712=12mm；714=14mm；715=25mm；716=14mm；718=5mm。图7(b)具有如下尺寸：720=190mm；722=1.27mm；724=19mm。
建筑形状的玻璃介质谐振器天线700具有一个大小为21×21mm2的方形底面，并且安装在直径720为19cm为圆形接地面709上（在这里例子中为金属接地面）。介质谐振器天线通过中心同轴探针726馈电，对应于建筑的底面中心。探针具有长度724，半径为0.635mm(半径722)。虽然探针的长度比介质谐振器天线短，但是不严重影响玻璃介质谐振器天线的外观。
图8为图7(a)和7(b)所示的建筑形状的玻璃介质谐振器天线的测量反射系数802的图。参考图8，观察2.89GHz和3.15GHz两个频率谐振模式，特征是测量的振幅。这两个模式合并，提供了一个36.5%(2.48GHz-3.59GHz)的宽阻抗带宽。值得指出的是两种谐振模式都是由介质谐振器天线引起，馈电探针的基波和一次谐振频率分别约为～1.54GHz和约为～4.61GHz。这些值通过使用εr=6.6的介质常数估算。
图9(a)-9(c)为玻璃介质谐振器天线分别在2.48GHz、2.89GHz,和3.59GHz频率下的测量辐射方向图900、902和904。从图中可以看到在这三个频率下的全向辐射方向图。如预期地，同极化场(906,908和910)分别要比正交极化场(912和914；916和918；920和922)强。
天线增益也可以被测量。可以发现它在φ=0°，θ=60°的峰值为5.15dBi。
简要地说，建筑形状的全向玻璃介质谐振器天线被研究了。介质谐振器天线的反射系数、辐射方向图和天线增益被测量了。玻璃介质谐振器天线被发现具有36.5%的宽阻抗带宽。全向辐射方向图已经跨阻抗通带被观察了。由于天线是美学的，它可以用于家庭或办公室装饰。例如当人由于心理需要隐藏天线的时候，这是有好处的。
根据使用的介质，它可以构成整个装饰或其一部分。例如，介质能够成为装饰的实心的或者形成一个空心部分（例如，当装饰被用于容器的时候）。比如，空心部分能够容纳固体或液体。仅装饰的一部分主要用于作为天线的介质，剩余部分也可以被使用，或者可以制作天线的附加部分，来进一步装饰天线的特性。例如，剩余部分可以包括另一个介质。在另一个例子中，金属能够被嵌入介质中从而扩大带宽。在另一个例子中，介质天线表面的寄生导电贴片能够增加带宽或者改变场极化，从线极化到圆极化。
"美学介质天线"这个短语是指美观外形装饰（比如，看上去很漂亮），其包括作为装饰一部分或与装饰一体的介质元件。介质元件与用于激励介质元件的工具一起，形成介质天线。天线以装饰品的方式呈现形成这个短语的美学部分。对于不知情者，美学介质天线仅仅是一个装饰，仅在近距离观察的时候，人才会知道如何才能发现作为天线的装饰。
装饰下面的基片（直接接触或非直接接触）可以由任何常用物质制成。例如，电子产品中常用做基片的物质叫杜罗艾德铬合金钢。它是一种随机玻璃纤维加强的PTEF或陶瓷填充的PTEF材料。PTEF是一种柔软的、蜡状的、热塑性氟聚合物。另一种常用材料是FR4，它是一种编织玻璃纤维布和具有阻燃性的环氧树脂粘结剂的合成材料。基片可以覆盖天线的耦合场可通过的美观层。例如，可使用装饰性塑料、木头、布等。在这种情况下，介质的馈电可设计为穿过装饰层。
介质可以使用任何激励方法激励，包括但不限于探针馈电，和具有微波带状线或同轴馈线的槽耦合、直接微带馈线、共面馈电、焊通探针、槽线、带线、保形带、介电图像引导、金属或基片集成波导。
本发明的几个方面已经在这里介绍和描绘了，习之技术人员为达到同样的目的可以设计可替代的方案。例如，辐射方向图携带的信息本质上也可以是数字或模拟的。所以，覆盖所有这些替代方案的权利要求书意在落入本发明的精神和范围。

Claims (46)

1.一种美学介质天线，包括：
美观造型的装饰，包括至少一个介质常数大于1的介质；和
与所述介质电耦合的工具，以激励所述介质发射用于携带信息的辐射方向图。
2.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述至少一个介质包括固态介质。
3.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述至少一个介质形成所述装饰的空心部分。
4.如权利要求3所述的美学介质天线，其中，所述空心部分装有固体或液体。
5.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述天线还包括所述装饰下面的基片。
6.如权利要求5所述的美学介质天线，其中，所述激励的工具包括所述基片上的馈线。
7.如权利要求6所述的美学介质天线，其中，所述基片包括可以装入所述装饰一部分的槽。
8.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述激励的工具包括向所述介质馈电的探针。
9.如权利要求8所述的美学介质天线，其中，所述激励的工具还包括用于所述探针的接地面，并且所述装饰处于所述接地面上。
10.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述激励的工具包括下列至少一个：探针馈电，和具有微波带状线或同轴馈线的槽耦合，直接微带馈线，共面馈电，焊通探针，槽线，带线，保形带，介电图像引导，金属或基片集成波导。
11.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述装饰包括空气带，并且所述介质至少部分包含所述空气带。
12.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述辐射方向图包括全向的辐射方向图。
13.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述辐射方向图包括宽侧的辐射方向图。
14.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述美学介质天线包括美学介质谐振器天线。
15.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述装饰的一部分作用以修改一个或多个天线特性。
16.如权利要求14所述的美学介质天线，其中，所述至少一个介质包括至少两个介质，并且所述部分包括所述至少两个介质中的一个或多个。
17.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述至少一个介质仅占有所述装饰的一部分。
18.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述装饰和所述至少一个介质包括玻璃。
19.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述装饰和所述至少一个介质包括水晶。
20.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述装饰和所述至少一个介质包括陶瓷。
21.如权利要求1所述的美学介质天线，其中，所述装饰和所述至少一个介质包括瓷器。
22.如权利要求1所述的美学介质天线，还包括所述激励工具的装饰性覆盖层。
23.如权利要求22所述的美学介质天线，其中，所述激励工具包括至少一个介质的馈电，并且所述馈电或来自所述馈电的耦合能量通过所述装饰性覆盖层。
24.一种离散地发射可携带信息的辐射方向图的方法，该方法包括：
提供一种美学介质天线，所述美学介质天线包括：
美观造型的装饰，包括至少一个介质常数大于1的介质；和
与所述介质电耦合的工具，以激励所述介质发射用于携带信息的辐射方向图；和
激励具有所述激励工具的所述至少一个介质，从而发射可携带信息的辐射方向图。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述至少一个介质包括固态介质。
26.如权利要求24所述的方法，其中，所述至少一个介质形成所述装饰的空心部分。
27.如权利要求26所述的方法，其中，所述空心部分装有固体或液体。
28.如权利要求24所述的方法，其中，所述天线还包括所述装饰下面的基片。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述激励的工具包括所述基片上的馈线。
30.如权利要求29所述的方法，其中，所述基片包括可以装入所述装饰一部分的槽，并且所述馈线位于所述槽内。
31.如权利要求24所述的方法，其中，所述激励的工具包括向所述介质馈电的探针。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述激励的工具还包括用于所述探针的接地面，并且所述装饰处于所述接地面上。
33.如权利要求24所述的方法，其中，所述激励的工具包括下列至少一个：探针馈电，和具有微波带状线或同轴馈线的槽耦合，直接微带馈线，共面馈电，焊通探针，槽线，带线，保形带，介电图像引导，金属或基片集成波导。
34.如权利要求24所述的方法，其中，所述装饰包括空气带，并且所述介质至少部分包含所述空气带。
35.如权利要求24所述的方法，其中，所述辐射方向图包括全向的辐射方向图。
36.如权利要求24所述的方法，其中，所述辐射方向图包括宽侧的辐射方向图。
37.如权利要求24所述的方法，其中，所述美学介质天线包括美学介质谐振器天线。
38.如权利要求24所述的方法，其中，所述装饰的一部分作用以修改一个或多个天线特性。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述至少一个介质包括至少两个介质，并且所述部分包括所述至少两个介质中的一个或多个。
40.如权利要求24所述的方法，其中，所述至少一个介质仅占有装饰的一部分。
41.如权利要求24所述的方法，还包括所述激励工具的装饰性覆盖层。
42.如权利要求41所述的方法，其中，所述激励工具包括所述至少一个介质的馈电，并且所述馈电或来自所述馈电的耦合能量通过所述装饰性覆盖层。
43.如权利要求24所述的方法，其中，所述装饰和所述至少一个介质包括玻璃。
44.如权利要求24所述的方法，其中，所述装饰和所述至少一个介质包括水晶。
45.如权利要求24所述的方法，其中，所述装饰和所述至少一个介质包括陶瓷。
46.如权利要求24所述的方法，其中，所述装饰和所述至少一个介质包括瓷器。
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