CN103597661A - 印刷槽型定向天线，和包括多个印刷槽型定向天线的阵列的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种印刷定向槽型天线。它还涉及通过组网多个该类型的天线形成的天线系统。该印刷定向渐变槽型天线包括配备有接地平面的基板，其中根据具有纵向轴（oy）和槽线馈线（5）的剖面蚀刻槽线，其特征在于，所述基板至少包括根据平行于所述轴的轴（ss'）折叠的并相对于彼此形成角度A的第一部分（1）和第二部分（2）。

Description

印刷槽型定向天线,和包括多个印刷槽型定向天线的阵列的系统

技术领域

本发明涉及印刷定向槽型天线，特别是Vivaldi型天线。本发明还涉及组网所述印刷槽型天线的不同系统以实现紧凑的多波束天线系统还能够实现正交双极化。

背景技术

通信系统，特别是无线通信系统的日益发展要求在实现日益复杂和有效的设备的同时保持尽可能低的制造成本和最小尺寸。为了满足这些约束条件，越来越多地使用MIMO（多输入多输出）技术，它实现了多天线的概念，以在干扰明显占主导地位的环境中在比特率和鲁棒性两方面改善传输性能。这些MIMO类型的多天线传输设备的发展导致定向天线解决方案的发展。定向有许多优点。事实上，它们能够降低干扰，改善无线链路的范围，降低RF功率，也就是说，改善与耗散相关的复杂度和成本。此外，定向天线能够降低暴露于电磁辐射的平均量。

此外，使用定向天线，通过抑制在接收器信道上游的干扰，能够降低MIMO系统中与射频信道的非线性、噪声和动态性管理相关的复杂度。基于定向天线的解决方案还能够简化数字信号的处理，特别是简化在使用非定向天线的MIMO方案的情况下与消除干扰信号有关的额外处理。然而，定向天线通常体庞大，组网多个定向天线会使得此问题更加突出。

在印刷定向天线中，渐变（taper）槽型天线，如Vivaldi型天线是已知的。这种类型的天线具有定向值（value of directivity）方面很大灵活性的优势。事实上，该值由剖面（profile）长度和开口（opening）宽度固定。并且，这些天线也具有在辐射方向图形状方面很大的灵活性，能够通过利用剖面的形状和宽度以及开口的孔径（aperture）来调整E和H平面中的孔径。此外，这些天线具有自然线性极化，极化方向由天线蚀刻于其上的基板平面给定。因此，各种专利申请已经提出使用N个Vivaldi型天线组网以获得定向多波束天线系统。

在汤姆森许可公司名义下的编号为WO2008/065311的国际专利申请中，已经提出一种多扇区天线，其由在垂直排列并以360°角度彼此隔开的基板上实现的若干Vivaldi天线进行组网而构成。这些天线与可以在支撑基板的水平平面内的激励系统相关联。这种结构使得可以以高度为代价减小天线系统的最终直径，并向天线系统形状系数提供更多的灵活度。

在汤姆森许可公司名义下的编号为0958692的法国专利申请中，还提出组合两种结构（如，在前面的申请中描述的）以实现正交双极化天线系统。通过将其与波束切换矩阵相关联，能够选择与例如MIMO系统的阶数（order）对应的一定数量的波束，该天线解决方案可用作具有正交双极化定向天线的MIMO系统的基础。

然而，尽管进行了这样的空间优化，但是上述天线系统的庞大问题依旧相对显著。因此，本发明试图缩小庞大体积，并以约等于2的因子缩小上述系统的体积。

发明内容

因此，本发明的目的是获得一种印刷定向渐变槽型天线，其包括配备有接地平面的基板，其中，根据具有纵向轴和槽线馈线的剖面蚀刻槽线，其特征在于，基板至少包括根据平行于所述轴的轴的折叠的并且相对于彼此形成角度A的第一部分和第二部分，槽线剖面的第一部分蚀刻在基板的第一部分之中，槽线剖面的第二部分蚀刻在基板的第二部分之中。

优选地，角度为90°，也就是两个基板部分相对于彼此垂直。

根据本发明的另一特征，接地平面实现在基板的第一部分和第二部分的下或外表面。

本发明还涉及一种印刷定向渐变槽型天线系统，其包括第一基板和N个第二基板，N个第二基板相对于第一基板形成角度A，第一基板和N个第二基板划界出N个扇区，其特征在于，在至少一个扇区中实现如上所述的定向天线，第一部分由第一基板形成，第二部分由第二基板之一形成。

本发明还涉及一种印刷定向渐变槽型天线系统，其包括第一基板、第三基板和N个第二基板，N个第二基板相对于第一基板形成角度A，相对于第三基板形成角度B，第一基板、第三基板和N个第二基板划界出N个扇区，其特征在于，在至少一个偶序（even rank）或奇序（odd rank）的扇区中实现如上所述的定向天线，第一部分由第一基板形成，第二部分由第二基板之一形成，并且在至少一个奇序或偶序的扇区中实现如上所述的定向天线，第一部分由第三基板形成，第二部分由第二基板之一形成。

根据一个优选实施例，角度A和B等于90°，使得第一基板和第三基板垂直于N个第二基板。

根据另一个实施例，本发明涉及一种印刷定向渐变槽型天线系统，其包括第一基板、第三基板和N个第二基板，第一基板和第三基板为多边形形状，N对应于多边形的边数，N个第二基板将第一基板连接至第三基板，其特征在于，在第一基板或第三基板与第二基板之一之间的至少一个连接处实现如上所述的定向天线。

附图说明

本发明的其他特征和优点在阅读完下面各个实施例的详细描述之后将会更加明显，这些描述参照附图进行，其中：

图1是根据本发明的印刷天线的示意性透视图。

图2是给出根据本发明的原理的相对于天线垂直剖面的水平剖面的位置的电场极化的横截面。

图3是示出根据本发明的原理的具有两个天线（如，组网的图1中的天线）的系统的透视图。

图4a和4b分别为根据本发明的具有四个天线（如，组网的图1所示的天线）的系统的立体表示和俯视图。

图5a和5b是根据本发明的具有8个天线（如，组网的图1所示的天线）的系统的两个透视图，图5a是在下侧水平平面上折叠的天线的视图，图5b是在上侧水平平面上折叠的天线的视图。

图6是根据本发明的具有6个天线的系统的透视图。

图7是图6中的天线系统的顶视图。

图8示出了给出作为图6和图7所示系统的频率的函数的适应性和隔离度曲线。

图9和10分别示出了图6和图7所示的实施例中作为频率的函数的、实现在第一基板或第三基板上的天线的增益和方向性。

图11示出了相对于图6和7中的实施例的上侧平面和下侧平面的辐射方向图。

图12示出了具有根据四个扇区布置的8个天线的系统的另一个实施例。

图13示意性示出了图1的天线的实际实施例。

为了简化描述，相同的元件具有与同一实施例相关的数字相同的参考标号。

具体实施方式

参考图1，下面将首先描述根据本发明的一个特定的实施例的印刷定向渐变槽型天线。在本实施例中描述的槽型天线是Vivaldi型天线。然而，很显然，对本领域的技术人员来说，本发明可以应用于其他类型的渐变槽型天线。

如图1中所示，根据本发明的天线包括形成由在所示实施例中彼此垂直地布置的第一基板部分1和第二基板部分2构成的基板的元件。更一般地，两个基板部分1和2可以根据轴OY折叠，并在它们之间形成不同于90°的角度A。一般来说，两个基板部分由独立的基板形成，在描述中，基板部分和基板具有相同的含义。

如图1中所示，在基板1的第一部分的上表面上印刷有微带激励线3，它通过使得槽线天线能够馈入电磁耦合的适配线4a的第一部分而延伸（特别是根据Knorr原理）。在基板的第一部分1的下表面上实现有接地平面5，其中蚀刻有槽线天线的剖面的一部分6。此外，在第二基板部分2的后表面上在接地平面7中蚀刻有天线剖面的第二部分8，它通过在短路10终止的槽线9而延伸。在该第二基板部分2的前表面上印刷有适配线的第二部分4b，其在距离其短路端长度λf/4处切断槽线9，并在例如在长度λm/4处以开路终止（λf和λm分别是槽线和微带线工作频率上的波导波长（guided wavelength））。在如上所述的实施例中，Vivaldi型的槽型天线根据已知的Knorr原理馈入电磁耦合。为了确保设备的正确工作，第一基板部分1的背面5和第二基板部分2的背面7电性连接。此外，如图1所示，第一基板部分1和第二基板部分2之间的折叠线OY并非根据Vivaldi天线的槽线9的轴ss'实现，而是平行并靠近所述轴。

本领域的技术人员已知的是，平面槽型天线，特别是Vivaldi天线，自然地具有线性极化，极化方向由天线平面给定。因此，根据该新概念，其中天线沿两个平面折叠，最常见为正交的，如图1所示，结果是大致沿连接天线开口两端的平面的约45°的倾斜极化，与Y轴（纵向对称轴）共线。因此，如图2所示，根据天线的水平剖面是否实现在第二基板部分2的一侧7或另一侧7'上，结果是沿两个正交平面的约±45°的倾斜的线性极化。这在图2中示出为垂直平面左边剖面的极化

和垂直平面右边剖面的极化

现在将参照图3、4和5描述基于使用如图1所示的定向印刷Vivaldi型天线的多扇区天线系统的几个实施例。

因此，在图3中，示出了由两个折叠的Vivaldi型天线构成的系统。更具体地说，该系统包括：第一水平基板10和根据公共轴OZ相互连接并使其之间形成45°的角度C的两个第二垂直基板11a和11b。基板11a和11b的外表面上实现有接地平面12a和12b，其中蚀刻有如图1所示的Vivaldi型天线的第一部分。Vivaldi型天线的第二部分蚀刻在扇区10a的第一水平基板10的上表面上实现的接面平面内。此外，馈线14a和14b被实现在两个第二基板11a和11b的内表面上，并在第一基板10的上表面上延伸。如参照图2说明的，在此情形中，每个天线都受益于不同方向的极化。天线中的一个具有相对于垂直基板11a靠右的水平剖面，而另一个具有相对于垂直基板11b靠左的水平剖面。因此，结果是极化正交，从而能够更好地对天线去相关。

现在将参照图4描述另一个实施例的系统，其包括，四个如图1所示的Vivaldi型天线。在此情形中，该系统包括第一水平基板20，其上垂直固定有四个根据公共轴OZ相互连接的第二基板21a、21b、21c和21d。这四个第二基板在第一基板上划界出四个扇区20a、20b、20c和20d。如图4所示，折叠Vivaldi型天线，与图1中的实施例一样，以图3所示的方式被实现在每个第二基板（21a、21b、21c和21d）和水平基板（20）上。更具体地，天线成对地相关联，这样天线的一部分蚀刻在第一基板的扇区20a和20c中，如图4b所示。第二天线部分蚀刻在这些扇区外部的第二基板的表面上，即被蚀刻在第二基板21a、21b、21c和21d上实现的金属部22a、22b、22c和22d中。馈线23a和23b以及未示出的扇区20c的线被实现在有关的第二基板的扇区内部的面上。

现在将参考图5a和5b描述根据本发明的另一个实施例的能够获得天线之间更好的隔离度的天线系统。在此情形中，如图中所示，第三基板平行于第一基板。更具体地，图5a和5b示出了具有8个天线的天线系统，它包括：第一水平基板30，其上垂直安装有8个根据轴OZ相互连接的第二基板31a、31b、31c、31d、31e、31f，31g和31h；以及第三水平基板32，平行于第一基板30。这样的设置确定八个参考扇区a、b、c、d、e、f、g和h。对本领域的技术人员来说清楚的是，基板30和32可以实现为不相互平行，N个第二基板相对于第一基板30形成角度A，相对于第三基板32形成角度B。如图5a和5b清楚示出的，在本实施例中，使用如图1所示的印刷定向Vivaldi型天线。例如，天线分别在第一基板和偶序扇区的第二基板之一之间实现，在第三基板和奇序扇区的第二基板之一之间实现，反之亦然。因此，如果更具体地研究由图5b中的第二基板31a和31b划界出的扇区，印刷定向天线实现在第三基板32的接地平面33和第二基板31a的接地平面34中，并通过馈线35馈入，而如图5a所示，对由第二基板31a和31h划界出的扇区h，印刷定向天线蚀刻在基板30的接地平面37和第二基板31h的接地平面36中，并通过线38馈入。因此，本发明能够获得，特别与在上面提到的专利中所描述的现有技术的系统相比，在高度上紧凑得多的多波束天线系统。此外，天线剖面的布置被实现为保持天线极化的正交性，天线的激励从垂直基板的同一侧进行，如图中所示。

现在参照图6至图11描述根据本发明的另一个实施例的具有6个天线的系统。实现该系统以使用采用ANSYS/HFSS有限元法的三维电磁场解算器进行仿真。

如图6所示，具有6个天线的系统包括：第一基板40；6个第二基板41a、41b、41c、41d、41e和41f；以及第三基板42，基板40和42相互平行，6个第二基板根据轴OZ相互连接，并垂直于第一和第三基板。

如图6和图7中清楚示出的，六个天线围绕轴OZ交替分布在水平平面40和42以及垂直平面上，第二基板形成的两个垂直平面之间的角度步长为60°。更具体地说，因此，根据本发明的Vivaldi天线通过使用第一基板40被实现在每个奇序扇区之中，并通过使用第二基板42被实现在每个偶序扇区之中。因此，我们将第一天线蚀刻在第一基板40的接地平面43.1和第二基板41a的接地平面44.1之中，并通过馈线45.1馈入。此外，第二天线通过以下方式来实现：蚀刻第三基板42上的接地平面43.2和第二基板41b上的接地平面44.2，然后交替地蚀刻第一基板40的接地平面43.3和第二基板41c的接地平面44.3、第三基板42的43.4和第二基板41d的接地平面44.4、第一基板40的43.5和第二基板41e的接地平面44.5以及第三基板42的43.6和第二基板41f的接地平面44.6。在此情形中，各组天线如图所示分别通过图7中的馈线45.1、45.2、45.3、45.4、45.5和45.6馈入。

通过不同的基板40、41a-41f和42使用厚度1毫米的被称为FR4的材料，对参照图6和图7描述的系统进行仿真。基板40和42是直径88毫米的圆形形状的基板，6个第二基板41a到41f是高度为22毫米、宽度为33毫米的矩形形状。

电磁仿真的结果示于图8-11。图8示出了适应性和隔离度曲线。因此观察到802.11a WiFi频带（即被包括在5.15-5.85GHz之间的频带）中大于15dB的适应性。还可以观察到两个相邻天线之间大于20dB的隔离。图9和图10示出了分别实现在第一基板40（图9）或第三基板42（图10）上的天线的增益和方向性。因此，该曲线表明，无论天线是什么类型，方向性都大于5dBi，增益都大于4dBi。图11示出分别使用第一基板实现的天线和使用第三基板实现的天线的辐射方向图，由此在相对于第一基板40或第三基板42形成的天线的两个平面成45°的两个倾斜平面上观察到场最大值。

现在参考图12描述根据本发明的另一个实施例的天线系统。

在此情形中，第一基板50和平行于第一基板的第三基板52都由矩形构成，第二基板51a、51b、51c和51d形成矩形平行六面体的各个面。如图12所示，为了实现8个天线，在此特定实施例中使用了平行六面体的边缘。更具体地说，第一天线通过蚀刻设置在第二基板之一的面51a上的接地平面53和设置在第一基板50上的接地平面54而实现，而第二天线通过蚀刻设置在第二基板51a上部的接地平面53.2和设置在第三基板52上的接地平面54.2而实现。此类型的一组两个天线实现在每个第二基板51b、51c和51d上，如图12所示，由此给出了有四个扇区和八个印刷定向Vivaldi型天线的天线系统，在给定扇区内的每对天线具有正交的极化。

参照图13，现在将简洁地描述如图1中所示的印刷定向渐变槽型天线的一个实际实施例。在此情形中，第一基板部分或第一基板60包括沿轴xx’形成的折叠、一定数量的金属孔62。基板部分60以已知的方式配备有在其中实现Vivaldi型天线部分的剖面63的金属部分62。在部分60的上表面也金属化有如参照图1所描述的馈线64。如图13所示，第二基板部分或第二基板65配备有一定数目的金属管脚66，管脚66的数量和形状与孔61的数量和形状对应。此外，在该第二部分65上实现有蚀刻在金属部分67中的Vivaldi型天线的剖面的其它部分。部分65的另一表面容纳馈线64的延伸，如参照图1所描述的。在此情形中，通过将配备有管脚66的部分65插入部分60的金属孔62很容易得到折叠式天线结构。

Claims (9)

1.一种印刷定向渐变槽型天线，包括配备有接地平面的基板，其中根据具有纵向轴（oy）和槽线馈线（3）的剖面蚀刻槽线，其特征在于，所述基板至少包括根据平行于所述纵向轴的轴（ss'）折叠并相对于彼此形成角度A的第一部分（1）和第二部分（2），槽线剖面的第一部分（6）被蚀刻在第一基板部分之中，槽线剖面的第二部分（8）被蚀刻在基板的第二部分（2）之中。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，角度A为90°的角度。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，馈线是在与容纳所述槽线的表面相对的基板的表面上实现的微带技术线。

4.根据权利要求1至3之一所述的天线，其特征在于，接地平面（5，7）被实现在第一基板部分和第二基板部分的下表面或外表面上。

5.一种印刷定向渐变槽型天线系统，包括第一基板（10，20）和N个第二基板（11a，11b；21a，21b；21c，21d），N个第二基板相对于第一基板形成角度A，第一基板和N个第二基板划界出N个扇区，其特征在于，在至少一个扇区中实现根据权利要求1-4之一所述的定向天线，第一部分由第一基板形成，第二部分由第二基板之一形成。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，定向天线被实现在相同的偶序或奇序的每个扇区中。

7.一种印刷定向渐变槽型天线系统，包括第一基板（30；40）、第三基板（32；42）和N个第二基板（31a至31h；41a至41f），N个第二基板相对于第一基板形成角度A，相对于第三基板形成角度B，第一基板、第三基板和N个第二基板划界出N个扇区，其特征在于，在至少一个偶序或奇序扇区中实现根据权利要求1-4之一所述的定向天线，第一部分由第一基板形成，第二部分由第二基板之一形成，并且在至少一个奇序或偶序扇区中实现根据权利要求1-4之一所述的定向天线，第一部分由第三基板形成，第二部分由其它的第二基板之一形成。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，角度A和角度B等于90°。

9.一种印刷定向渐变槽型天线系统，包括第一基板（50）、第三基板（52）和N个第二基板（51a，51b，51c，51d），第一基板和第三基板为多边形形状，N对应于多边形的边数，N个第二基板将第一基板连接至第三基板，其特征在于，在第一基板或第三基板与第二基板之一之间的至少一个连接处实现根据权利要求1-4之一所述的定向天线。

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