CN103811875B - 同轴耦合缝隙天线 - Google Patents

Abstract

一种装置，包括一个细长的构件，构件包括布置在构件内的介电材料，如空气或其它合适的介电材料，并具有轴向布置在介电材料内的微带。构件可能有一系列的缝隙，其按照预定的间隔放置，每个缝隙具有横向于微带布置方向的一部分，并具有平行于微带布置方向的一部分。在操作中，来自微带的射频功率根据所需的辐射模式辐射出缝隙。一些实施例可以具有贴片天线阵列,所述阵列的放置使其在与缝隙的辐射模式互补的方向上辐射。所述缝隙可以是非对称或对称的，以实现所需的辐射模式。一些实施例提供了水平极化的全向辐射。当添加了贴片阵列时，该结构可以提供双（垂直和水平）极化。

Description

同轴耦合缝隙天线

技术领域

本发明一般而言涉及天线，特别是微波系统的天线设计。

背景技术

常规缝隙天线含有通常为平板的金属表面，并在其上切割出孔或缝隙。当板被驱动频率作为天线而驱动时，该缝隙辐射出电磁波，其方式与偶极子天线类似。缝隙的形状和尺寸，以及驱动频率，确定辐射的分布模式。通常，无线电波是由一个波导提供，并且天线由波导中的缝隙组成。当需要对辐射模式有更大的控制时，在UHF和微波频率通常使用缝隙天线，而不是线天线。缝隙天线可广泛应用于雷达天线以及手机基站天线。缝隙天线可以在以下方面提供优势：大小，设计简单性，稳健性，以及制造成本。

常规的贴片天线是一个窄频带，宽波束天线，它的制作方法是在与绝缘介电基片相接合的微量的金属上蚀刻出天线元件图案，例如印刷电路板，并且有连续的金属层与基片的另一面结合，形成接地平面。常见的微带天线的形状是正方形，长方形，圆形和椭圆形，但其他连续的形状也可以实现。一些常规的贴片天线不使用介电基片，相反，它们包括了使用电介质隔片安装在底面之上的金属贴片，这导致了更宽的带宽。

发明内容

本发明公开了一种装置，包括一个细长的构件，该构件包括一介电材料，如布置在该构件内的空气或其它合适的介质，以及轴向设置在该介电材料内的微带。微带可在电路板上，或可以使用绝缘材料将其放置在构件之内。该构件的宽度可以是所需的操作频率的波长的大致一半。该构件可能会有一系列的以预定间隔距离布置的缝隙，每个缝隙具有横向于微带的布置方向的一部分，以及一个或更多个部分平行于微带的布置方向。在一些实施例中，缝隙的形状决定了由缝隙辐射出的功率的量以及辐射的方向。缝隙可以布置在构件的不止一个侧面上。

在操作中，应用于微带的RF(射频)功率根据所需的辐射模式通过缝隙辐射。缝隙可以是非对称或对称的，以实现所需的辐射模式。一些实施例中也可能有贴片天线的阵列，其布置使其在与缝隙的辐射模式互补的方向上辐射。贴片阵列和缝隙的组合可以使全向辐射模式得以实现。一些实施例提供了水平极化的全向辐射，并且，当添加了贴片天线阵列时，该结构可以提供双(垂直和水平)极化。

本发明的建造和操作方法以及其额外的目标和优势将从以下描述的具体的实施方案中结合附图得到最好的理解。

附图说明

图1示出了某种概念，其可用于同轴耦合微带缝隙天线的设计与建造。

图2显示了根据本披露的同轴耦合微带缝隙天线的某些方面的实施例。

图3显示了有4个缝隙的支撑结构，每个缝隙具有不同长度的辐射区域。

图4示出了根据本披露的某些方面的同轴耦合微带缝隙天线实施例。

具体实施方式

发明的一般性

本申请应该以其最一般的形式被理解。这包括，但不限于，以下：

所提及的特定的技术也包括可供选择的更一般的技术，特别是当讨论本发明的某些方面，或如何做出或使用本发明时。

所提及的“首选”的技术通常意味着发明人打算利用这些技术，并认为它们对于所预期的应用来说是最好的。这并不排除其他技术用于本发明，并不意味着这些技术一定是必要的或将是在所有情况下的首选。

所提及的有关一些实施例中的所考虑到的原因和影响，不排除在其他实施例中其他可能的原因或影响。

所提及的使用特定的技术的理由当情况表明该原因或技术不适用时不排除其他原因或技术，甚至完全相反的原因或技术。

此外，本发明不局限于任何特定的实施例和实例所公开了的具体详情。许多其他的变化是可能的，并且仍然是在本发明的内容、范围、和精神之中，而且本领域的技术人员在阅读这个申请后会了解这些变化。

如下描述有关部件和安排的具体实例，从而简化本披露。这些，当然仅仅是例子，并不用来限制本发明。此外，本发明可以在各种实例中重复使用参考数字和/或字母。这种重复是为了简洁和明晰的目的，其本身并不能规定所描述的各实施例和/或配置之间的关系。

本申请中下列术语和短语应该以其最一般的形式理解。这些术语或短语的一般含义是说明性的，没有任何限制性。

术语定义

术语“天线”，“天线系统”等，泛指任何设计为发射或接收电磁辐射的转换器装置。换句话说，天线把电磁辐射转换成电流或相反。通常一个天线是一个或更多个导体的排列，其对所被施加的交变电压和相关的交变电流产生响应，以生成辐射电磁场，或能够被放置在一个电磁场中，使该场会在天线中引起交变电流，以及天线终端之间的电压。

“无线通信系统”一般是指发送器和接收器之间的EMF(电磁场)的结合。例如但不限于，许多无线通信系统的操作中，发送器和接收器使用对频率约为2.4GHz和5GHz的载波的调制。然而，在本发明中，没有特别的理由做出这样的限制。例如但不限于，无线通信系统的操作可能至少部分地使用极为不同的EMF频率，例如，ELF(极低频率)或用光(例如，激光)，其有时被用于卫星或航天器通信。

“接入点”，“AP”，等等，一般是指任何能在无线通信系统中操作的装置，其中它们的通信之中至少一些可能是与无线站的通信。例如，一个“AP”可以是一个装置，其能够与无线站进行无线通信，可与其他AP进行有线或无线通信，并且能够与控制单元进行有线或无线通信。此外，一些例子中AP可能使用L2/L3网络(例如，外联网，互联网，或内部网)与无线通信系统的外部的装置通信。然而，在本发明中，没有特别的理由做出这样的限制。例如，一个或更多个AP可能无线通信，而零个或更多个AP可能选择使用有线通信链路进行通信。

“过滤器”等，一般指的是信号处理技术，无论是模拟，数字，或以其它方式，其使调制到不同的载波频率上的信号得以分离，其效果是那些信号可以被单独处理。

仅仅是作为一个例子而言，在同时使用频率为大约为2.4GHz范围以及约5GHz范围的系统中，单个针对上述约2.4GHz范围的带通，高通，或低通滤波器是可能足以把上述约2.4GHz的范围从上述约5GHz的范围区分开来的，但这样的一个带通，高通，低通滤波器对区分上述约2.4GHz范围内的每一特定频道而言,或对区分上述大约5GHz范围内的每个特定频道而言是有缺点的。在这种情况下，第一组信号滤波器可以用来把这些共同位于约2.4GHz范围内的频道和那些共同位于约5GHz范围内的频道区分开来。第二组信号滤波器可以分别区分在大约2.4GHz范围内的个别频道，而第三组信号滤波器可以分别区分在大约5GHz范围内的个别频道。

“隔离技术”，“隔离”等，一般是指任何装置或技术，其涉及，当信号在一个频道上传输的时候，降低在另一个同时传输的频道上察觉到的噪音的量。这有时被称为“串话”，“干扰”，或“噪音”。

“空区”，“空”，等等，一般是指这样的区域：一个操作中的天线(或天线部件)对这些特定的区域相对而言几乎没有电磁场效应。这就产生这样的效果：在这些区域内发射或接收的EMF(电磁场)辐射相对而言往往不受该操作中的天线(或天线部件)的其他区域内发射或接收的EMF辐射的影响。

“无线电”(radio)，等等，一般是指(1)能够同时使用多个天线、频率、或一些其他的技术的联合或结合进行无线通信的装置，或(2)涉及同时使用多个天线，频率，或一些其他的技术的联合或结合的无线通信的技术。

“无线站”(WS)，“移动站”(MS)，等等，通常指的是能够在无线通信系统中进行操作的装置，其中它们的通信中至少一部分可能采用无线通信技术。

短语“贴片”和“贴片天线”一般是指由单一的金属贴片悬挂在地平面上形成的天线。该组件可以被包含在一个塑料天线罩里面，以保护天线结构免受损坏。贴片天线通常是建造在介电基片之上，以提供电隔离。

短语“双极化”一般是指天线或系统，其辐射以两种模式极化的电磁辐射。一般来说，该两种模式为水平辐射和垂直辐射。

详细说明

图1示出了某些可用于同轴耦合微带缝隙天线的设计与建造的概念100。图1A，1B和1C代表了“俯视图”，图1D代表了“侧视图”。在图1A中，微带110设置为与缝隙112相垂直。微带可以通过在基片上设置一层薄的导电材料而形成，如电路板或薄膜。缝隙112是由导电材料113的开口所形成(由图1D显示)。微带110和缝隙112由电介质114进一步分离，同时，微带110和缝隙112保持它们之间的垂直关系。在一些实施例中，电介质114可能是空气间隙或电路板材料。在操作中，当RF(射频)能量在微带110上被引发后，它将由缝隙112辐射出去。

在图1B中，缝隙112的一部分布置为垂直于微带110，该部分被指定为部分112a。图1B中的该缝隙还具有两个平行于微带110的部分，它们被指定为部分112b以及112c。在某些实施例中，这些平行的部分可以是有相同的长度，而其它实施例可能使用不同程度的长度差异。和图1A一样，微带110和缝隙112是由电介质114分离，该电介质可能是空气。

图1C中，微带110被布置在缝隙116附近。缝隙116是被显示为布置在缝隙112的相对的另一边。缝隙116有一个和微带110相垂直的部分，以及和微带110平行的其它部分。在某些实施例中，缝隙116的平行部分可以和缝隙112的平行部分相一致，而在其它实施例中，如图所示，缝隙116的平行部分可以和缝隙112的平行部分互补。图1C中的双面实施例以一个侧视角在图1D中显示出来。在图1D中，微带110布置在第一导电结构113(其具有缝隙112，如图1D的上部所显示)和在缝隙112相对的另一边布置的第二导电结构118(其可能与结构113一体形成)之间。如图1D的底部所显示，该第二结构118具有缝隙116。

本说明书中提到的“一个实施例”“一实施例”，“一实施例子”等，表明所描述的实施例可能具有一个特定的特征，结构或特点，但每个实施例不一定具有该特定的特征，结构或特点。此外，这样的短语不一定是指同一个实施例。此外，当一个特定的特征，结构或特点是在一个实施例中被描述，那么本领域普通技术人员也有能力认识到，该特定的特征，结构或特点在其他实施例中也是可以实现的，不管这是否被明确地被描述出来。本说明书的部分是使用本领域普通技术人员向其他本领域普通技术人员传达他们的工作实质时常用的术语来描述的。

图2显示了根据本披露的同轴耦合微带缝隙天线的某些方面的一个实施例。图2中的天线结构210是表现为大致矩形。天线结构210可由挤制铝制成，也可以由其它导电材料，或任何满足特定设计要求的材料制成。天线结构210在两个表面(正面和背面)上具有缝隙。每个缝隙包括第一垂直组成部分212、平行组成部分214、和平行组成部分216。缝隙可以从天线结构210上轧出或切割出来。

天线结构210的中心布置有微带218。微带218可以使用垫片(未显示)加以固定，或者微带可以是布置在印刷电路板(未示出)上，该电路板可滑动到天线结构210的中心。在某些实施例中，小片或其他支撑元件可以在天线结构210的内部形成，用于保持微带218。微带218和天线结构210被连接到一个无线电发射机或接收机(未显示)上。微带218的布置使得缝隙的垂直组成部分212被排列为与微带218大致垂直。平行组成部分214和216被排列为与微带平行。微带218和缝隙之间的空间是一介电材料，如空气。

在操作中，RF能量会被施加在微带218上。缝隙将作为RF能量的辐射器，并将辐射出的RF引导出缝隙。发明人考虑，连到微带218的RF能量可以和天线结构210的中心与缝隙形成的腔形成阻抗匹配。此外，发明人考虑，缝隙这样放置，使缝隙之间的间隔对应于连到微带218的RF信号的波长。设计者可以使缝隙之间的间隔等于或接近单个波长，从而实现为特定的设计所需要的预定的RF操作范围和RF辐射模式。在某些实施例中，有些缝隙可以按照单波长的间隔放置，而其它缝隙使用不同的间隔。

本披露不应该被理解为以任何方式限制缝隙的形状。例如但不限于，缝隙可以实现为横向于微带的单一组成部分，或为不同的形状，包括弧形，横杆(crossbar)形，等等。此外，使用这里描述的技术，也可以实现不规则的形状和不相连接的组成部分的组合，其允许从该微带进行辐射。

图3显示了一个同轴耦合微带缝隙天线300的某个方面的另一个实施例。图3A显示了一个透视图，图3B显示了一个剖视图。在图3中，一个细长的支撑结构310具有中空的中心。在该中心里面是一个电路板316，其具有一顶部微带312。发明人考虑只使用顶部微带312，然而，某些实施例中还可以采用底部微带314。顶部和底部的微带可以安置在电路板316上，该电路板由侧撑318保持在支撑结构310的中心。可供选择的，微带312可由介电绝缘体固定。支撑结构310具有多个缝隙，每个缝隙具有水平部分，其垂直于微带的轴的方位布置。在某些实施例中，支撑结构310可能在多个侧面上具有缝隙，其对应于设置在支撑结构310内的任何微带的位置。

支撑结构310的中空的中心的各方向上的尺寸一般符合同轴传输线的特性。因为明线传输线具有沿线传播的电磁波会延伸到平行线周围的空间这个特性，它们具有低的损耗，但是也有不良的特征。图3的披露把电磁波限制在支撑结构310内的区域中以允许RF信号传输，从而解决了这些问题。阻抗匹配可以通过控制支撑结构310的中空中心的各方向上的尺寸而实现。

沿着支撑结构310的长有一些缝隙。在一些实施例中，支撑结构310在两侧具有缝隙。这些缝隙对支撑结构310的中空中心开放。缝隙通常包括水平的区域320，其横向于微带的轴线，沿着微带的轴线方向的平行区域322，以及另一个沿着微带的轴线方向的平行区域324。每个缝隙的形状可能取决于缝隙在支撑结构上的位置。例如但不限于，平行区域322可能和平行区域324有不同的长度。在一些实施例中，每个缝隙的形状取决于它相对于微带的位置。

图3显示了一个支撑结构310，其具有4个缝隙，每个缝隙具有不同长度的平行区域。最接近支撑结构310中心的缝隙大致是对称的，而离中心最远的缝隙是不对称的。每个缝隙的不对称程度可以被用来产生所需的缝隙的辐射模式。一个缝隙的整体大小决定了该缝隙将辐射RF能量的总量，而控制缝隙的各方向上的尺寸则控制了辐射模式。例如但不限于，在支撑结构310上离微带馈电点最远的区域可以做一个更大的缝隙。同样的，水平区域320也可能以不同的各方向上的尺寸建造，以达到所需的辐射模式。

图4示出了根据本发明的某些方面的同轴耦合微带缝隙天线的实施例。图4中，空心结构410是由挤压铝形成，或用其它合适的导电材料形成中空管而制成。结构410包括位于该中空(未显示)内的微带。微带通过连接电缆418连接到一个无线电发射机上。结构410上切割出多个缝隙412。这些缝隙对结构410的中空核心开放。缝隙412可能有不同的形状，包括但不限于，一个沿着结构410的宽的开口部分，以及与结构410轴向对齐的部分。

沿着结构410两侧布置有贴片天线阵列414、416。可以通过连接电缆418提供RF激励信号(RF excitation signal)给贴片天线。在一些实施例中，连接电缆418可馈入一个功率分配器，以便在将RF发送能量供应给贴片天线阵列之前分摊RF发送能量。一个本领域技术人员会认识到，贴片天线阵列辐射一个垂直极化波束,它与缝隙的辐射模式有不同的方向，因此提供了一个互补的辐射模式。例如但不限于，贴片阵列一般而言以一个间隔放置，这在每个贴片列的模式相结合时提供了良好的全方向性能。一些实施例中，可以使用大约半个波长的间隔距离。贴片天线阵列可能包括以大约一个波长间距分开的元件。一个本领域技术人员将认识到，阵列元件的数量和间距的一些变化可以用来实现一些所需要的辐射效果，如向下倾斜，或提供更多的带宽，或两者都是。

操作中，全方向性能可以是双极化的结果,其中第一极化(即水平)由缝隙提供，第二极化(即垂直)由贴片天线提供。微带可由一个分离的RF馈送源所驱动，而贴片阵列可以通过另一个RF馈送源驱动。该贴片馈送源可通过一个功率分配器，以给每个阵列提供足够的功率。

以上描述中提供了许多不同的实施本发明的不同特征的实施例。组成部分以及流程的具体实施例的描述帮助澄清了本发明。这些当然仅仅是实施例，并不对权利要求中描述了的发明做出限制。

尽管本发明在这里被说明为和描述成为体现在一个或更多个特定的例子中，不过本发明不限于所显示的细节，因为可以在不脱离本发明的精神,以及在权利要求的范围以及和其等同的范围内做出各种修改和结构的变化。因此，对以下权利要求做宽泛的、与本发明的范围相一致的解释是适当的。

Claims (9)

1.一种天线装置，包括：

细长的构件，该构件包括布置在构件内部的介电材料；

在该介电材料内，沿该构件轴向布置的微带；

在构件内的多个缝隙，每个所述缝隙有横向于微带的部分，并且每个所述缝隙具有平行于微带的第一部分和第二部分，其中，至少一个缝隙的平行于微带的第一部分和第二部分长度相同，至少另一个缝隙平行于微带的第一部分和第二部分长度不相同。

2.根据权利要求1的装置，其中介电材料是空气。

3.根据权利要求1的装置，其中多个缝隙的横向于微带的部分以预定的射频的一个波长间隔开而布置。

4.根据权利要求1的装置，其中最接近构件中心的缝隙的平行于微带的部分是对称的，而离中心最远的缝隙的平行于微带的部分是不对称的。

5.根据权利要求1的装置，其中微带布置在电路板上。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的装置，还包括：一个或更多个贴片天线，该贴片天线布置在所述细长的构件的外部。

7.根据权利要求6的装置，其中一个或更多个贴片天线排列成第一阵列。

8.根据权利要求7的装置，还包括布置在所述细长的构件上、与所述第一阵列相对的第二贴片天线阵列。

9.根据权利要求8的装置，其中所述细长的构件的宽度为预定的射频的半波长。