CN105556748B - 塞式天线和天线结构件以及与其相关联的天线组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合于被设置在接地面上的天线结构件，所述天线结构件包括：由介电材料制成的三维支承基体，所述三维支承基体被局部挖空且包括在近端和远端之间延伸的外周壁，所述支承基体限定内部容腔；第一导电图案，所述第一导电图案印刻在所述支承基体的外周壁上，所述第一导电图案包括下端和上端，所述下端适合于连接至接地面；第二导电图案，所述第二导电图案容纳在所述基体的容腔中，所述第二图案被导电地连接至所述第一图案的上端。

Description

塞式天线和天线结构件以及与其相关联的天线组件

技术领域

本发明涉及射频天线，特别地涉及可在无线电通信系统中使用的那些射频天线。

背景技术

天线是无线电通信装置的基本元件。

无线电应用的发展和新的电信标准的发展需要能够结合至各种硬件中的天线。

因此，在尺寸、体积和重量方面具有特别高的性能的天线方案特别地为了旨在用于VHF或者UHF频率范围中的应用的天线方案而研发。

特别地，在这些频率范围中，所涉及的波长是长的，从而通常导致庞大的天线方案。

文件GB 2 292 638公开了一种由圆柱形介电棒(具有高于5的高相对介电常数)形成的天线，所述棒被穿孔以便允许电源结构穿过其中。所述天线包括在所述棒的外表面上的多个放射元件，所述放射元件在电源和接地面之间并联连接。

发明内容

本发明提供了一种可易于生产的紧凑的天线方案。

为了该目的，根据第一方面，本发明提供了一种适合于被设置在接地面上的天线结构件，所述天线结构件包括：

三维承载基体，所述三维承载基体由局部穿孔的介电材料制成，并且包括在近端和远端之间延伸的外周壁，所述承载基体限定内部容腔；

第一导电图案，所述第一导电图案被印刻在所述承载基体的外周壁上，所述第一导电图案具有下端和上端，所述下端适合于连接至接地面；以及

第二导电图案，所述第二导电图案容纳在所述基体的容腔中，所述第二图案被导电地连接至所述第一图案的上端。

以下是所述天线结构件的可以单独或者组合地应用的其他方面：

-所述承载基体具有回转圆柱、截头圆锥、立方体、具有六边形基部的直立棱柱、截头棱锥或者具有弯曲轮廓的体积部的形状；

-所述第一图案是导电线或者导电条带；

-所述第一图案被印刻在所述外周壁上，以便盘绕成围绕所述承载基体的螺旋件；

-所述第一图案具有曲折形状、正弦曲线形状、由直线和弯曲形状的组合形成的形状或者由一个或多个不规则图案组成的形状；

-所述第二图案被配置成至少部分地封闭所述承载基体的远端；

-所述第二导电图案具有从以下组中选择的横向轮廓(横剖面)，所述组为：直线、顶帽、成系列的直线、成系列的直线和曲线以及成系列的曲线；

-所述第二导电图案包括：具有在下端和上端之间延伸的外周壁的空心部段，所述部段延伸至由所述承载基体限定的内部容腔中；以及从所述部段的上端延伸至所述承载基体的远端的凸缘；和/或

-所述第二导电图案还具有完全关闭所述部段的下端的底部。

根据第二方面，本发明提供了一种天线，所述天线包括接地面和根据本发明的第一方面并且被设置在所述接地面之上的天线结构件，所述第一导电图案的下端被连接至所述接地面。

本发明的天线还包括适合于向所述天线结构件供电的激发探针，所述激发探针通过所述激发探针的中心导体、经由在所述外周壁上沿着所述第一导电图案定位的连接点连接至所述第一导电图案。

根据第三方面，本发明提供了一种天线阵列，所述天线阵列包括：接地面；多个相同的、根据本发明第一方面的天线结构件；以及激发探针，所述激发探针通过所述激发探针的中心导体连接至多个天线结构件中的仅仅一个天线结构件的第一导电图案，于是被激发的所述天线结构件限定所述天线阵列的初级元件，至少一个其他的天线结构件限定至少一个未被直接供电的“无源”次级元件。

以下是本发明的天线阵列的可以单独或者组合地应用的其他方面：

-所述天线阵列包括两个天线结构件，所述两个天线结构件在所述接地面上并排地设置并且以小于所述天线阵列的工作波长λ的一部分(几分之一)、特别地小于λ/20的距离分隔开；

-所述阵列包括在所述接地面上成三角形地设置的三个天线结构件；和/或

-所述阵列包括至少一个适合于减小所述天线结构件之间的耦合的导电壁，所述导电壁形成所述天线结构件之间的电屏障。

本发明具有许多优点。

本发明的天线的尺寸相对于信号的波长是非常小的(即大约λ/50，或者甚至小于该值)。

这促进了诸如例如在VHF或者UHF频率范围中的远程读取应用的、在体积和重量上具有非常紧密的约束的任何应用中的使用。

因为所述两个导电图案在给定体积中紧密地搭叠，所以本发明使得能够获得用于设定的工作频率的极其紧凑的天线或者天线阵列。

此外，对于本发明来说，调整性能是非常简便的。特别地，工作频率非常易于调整，因为所述工作频率是所述第一导电图案的展开长度值的以及为所述第二导电图案所选择的纵横比和尺寸的函数。

此外，本发明的天线的失配损耗水平还可以通过相对于所述第一图案的下端(所述端自身被连接至地面)的所述第一图案上的激发点的位置的合适选择来容易地优化。

此外，对于本发明来说，非常易于制造并且低成本的天线方案或者天线阵列能够获得。

附图说明

本发明的其他特征、目的和优点将从纯粹是说明性和非限制性的并且必须参照附图来理解的以下说明中变得显而易见，其中：

-图1图解了根据本发明的一个实施例的天线；

-图2a、2b、2c、2d、2e、2f和2g图解了根据本发明的天线结构件的承载基体的多个形状；

-图3a、3b和3c图解了根据本发明的天线结构件的第一导电图案的多个形状；

-图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g和4h图解了根据本发明的天线结构件的第二导电图案的横向轮廓(横剖面)的形状；

-图5a、5b和5c分别图解了根据本发明的一个实施例的天线的立体图、沿着B-B’剖开的横截面视图和侧视图；

-图6图解了印刻在根据本发明的一个实施例的天线结构件的承载基体上的第一导电图案的立体图；

-图7图解了根据本发明的一个实施例的天线结构件的第二导电图案的立体图；

-图8图解了根据本发明的第一实施例的天线阵列；

-图9图解了根据本发明的第二实施例的天线阵列；以及

-图10图解了根据本发明的第三实施例的天线阵列。

在所有附图中，类似的元件被标注以相同的附图标记。

具体实施方式

天线

参照图1，根据本发明的天线A包括天线结构件Ai和接地面(地面)M，所述天线结构件被设置(安置)在接地面M之上(上方)。天线结构件Ai包括：三维承载基体S、第一导电图案M1和第二导电图案M2，所述三维承载基体S由局部(部分)穿孔的介电材料制成。

局部穿孔的基体S包括在近端S2和远端S3之间延伸的外周侧壁S1。此外，承载基体S限定可以以介电材料部分地填充的内部容腔S4。因而，内部容腔S4被外周壁S1包围。

承载基体S可以由其电特性优选地非常近似于空气的电特性、或者实际上简单地说非常近似于空气的诸如塑料或者泡沫塑料的介电材料制成。特别地，承载基体S的相对介电常数优选接近于1、即处于1和1.5之间。

第一图案M1被印刻(印接或印制)在承载基体S的外周侧壁S1上并且具有下端Einf和上端Esup，所述下端Einf适合于被连接至接地面M。

第二导电图案M2被配置成容纳在基体S的容腔S4中并且被导电地连接至第一图案M1的上端Esup。第二图案M2优选在三维表面上制造。这是典型的贴片导体图案的问题。所述三维表面可以是基体S的表面或者被插入至容腔S4中的单独元件的表面。

第二导电图案M2还被配置成像盖子一样封闭承载基体S的远端S3。

再次参照图1，所述天线包括同轴的激发探针10，所述激发探针10的中心导体11被连接至承载件S的外周壁S1上的第一导电图案M1的点P。

承载基体S可以是多种形状的，所述多种形状为：例如，回转圆柱(图2a)、截头圆锥(图2b)、球冠(图2c)、立方体(图2d)、具有六边形基部的直立棱柱(图2e)、截头棱锥(图2f)或者具有弯曲轮廓的任何种类的体积部(图2g)。

第一图案M1可以是多种形状的。图3a、3b和3c图解了带有多种形状的第一图案M1的承载基体S的外周侧壁S1的展开视图，所述第一图案M1的多种形状为：多匝螺旋形(图3a)、多曲折几何形状(图3b)或者实际上任意形状(图3c)。所述第一图案M1的形状也可以是直线和弯曲形状的组合、或者实际上由一个或多个不规则图案(未示出)组成的形状、或者正弦曲线形状(未示出)。

第一导电图案M1可以是导电线或者实际上导电条带。

在导电线的情况下，所述导电线的直径在0.25mm和5mm之间并且优选为1mm。

在导电条带的情况下，所述条带的宽度在0.5mm和10mm之间并且优选为2mm。

此外，所述导电线或者导电条带的展开长度是可以用来调整工作频率的元素之一。该长度越大，则相应天线的频率越低。

第二图案M2也可以是多种形状的。图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g和4h图解了第二图案M2的横向轮廓(横剖面)的形状，所述形状为：直线(图4a)、顶帽(图4b)、成系列或一连串的直线(图4c和4e)、成系列或一连串的直线和曲线(图4d和4f)以及成系列或一连串的曲线(图4g和4h)。

如图4b、4c、4d、4e、4f、4g和4h中所示，第二图案M2可以具有穿过承载基体S的内部容腔S4的内部地朝向承载基体S的近端S2延伸的部分。

此外，第二图案M2可以具有如图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g和4h中的情况的无穿孔(结构)的纵横比或者实际上在其中心处穿孔(例如，环)。

因此，承载基体S的容腔被用于承载和容纳在导电方面尽可能长的总体导电图案，以便使天线能够在最低可用频率下工作。

参照图5a、5b与5c和图6与图7，根据本发明的一个优选实施例的天线将于现在描述。

根据该优选实施例，承载基体S在形状上是圆柱形的，并且第一导电图案M1是螺旋件(螺旋形的)。

此外，承载基体S是回转圆柱体，所述回转圆柱体的横向横截面等同于具有直径d的圆盘，其中直径d<<λ，并且所述回转圆柱体的高度等于h，其中h<<λ(其中λ是与相应天线的工作频率相关联的波长)。

第一图案M1包括盘绕在承载基体S的外周侧壁S1上的多匝(多个环圈)。

第二图案M2在此处是整体上印刻于由承载基体S所限定的容腔S4内部的贴片。

第二导电图案M2由三个部分组成：

-具有在下端C2和上端C3之间延伸的外周侧壁C1的空心部段C；

-从所述部段的上端C3延伸至承载基体S的远端S3的凸缘C’；以及

-完全封闭部段C的下端的底部C”。

底部C”的特征在于一个表面，所述表面的外部周边对应于部段C的下端C2。

凸缘C’此处呈现具有外径d和内径d’(其中0＜d’＜d)的环形导电图案的形式，其由具有直径d’和高度h’(其中0＜h’＜h)的管状导电部段C完成，所述管状导电部段C在其基部处被底部C”封闭，所述底部C”呈现具有直径d’的导电圆盘的形式。将会注意到，在该精确情况下，第二导电图案M2封闭承载基体S的整个上部。

此外，部段C延伸至由承载基体限定的内部容腔S4中，并且底部C”被容纳在同一容腔的内部。

因此，第二图案M2如同处于承载基体S之上(上方)、具有插入承载基体S的内部容腔的内部的部分(即，部段C和底部C”)的颠倒的帽。所述颠倒的帽从而形成三维承载件。

因为其结构，所述天线被说成是被称为“塞式”天线的天线。

第一和第二导电图案M1、M2被导电地连接：第二图案M2特别地被导电地连接至第一导电图案M1的上端Esup。

根据该优选实施例的天线的原型被研发和测试。

该原型具有以下特征：不包括接地面M，通过使第一导电图案M1与第二导电图案M2相联合(关联)来形成的放射(辐射)元件被容纳在具有等于30mm的直径以及等于20mm的高度的圆柱形容腔中。

假设所测得的工作频率具有193MHz(对应于1554mm的波长λ)的值，则所述天线的最大尺寸(即30mm的承载基体S的直径)为大约λ/52，从而这意味着相当紧凑的天线。此外，在该193MHz的频率下，所述天线是理想匹配的(即，失配损耗＜-25dB)，并且其通频带的宽度(对于低于-10dB的失配损耗来说)为1.3MHz。

因此，这种天线可用于在VHF和UHF频率下研发的应用。

天线阵列

参照图8、9和10，本发明还涉及一种天线阵列，所述天线阵列包括接地面M；诸如上述天线结构件的多个相同的天线结构件Ai(i≥2)；以及激发探针10，所述激发探针10被连接至多个天线结构件A1、A2中的仅仅一个天线结构件的第一导电图案M1的点P，以便向仅仅一个天线结构件直接供电(供能)。

因此被激发的所述天线结构件限定所述天线阵列的初级元件，至少一个其他的天线结构件限定至少一个未被直接供电的“无源”次级元件。

因此，所述天线阵列包括天线和至少一个位于所述天线的附近处的天线结构件(其起到无源元件的作用)。

相对于所述天线，所述天线阵列具有更宽的通频带。

图8图解了包括两个天线结构件A1、A2的天线阵列，所述两个天线结构件A1、A2中的一个设置在另一个旁边。

在该实施例中，所述配置在于使第一和第二天线结构件A1、A2相联合(关联)，所述第一和第二天线结构件A1、A2相对于彼此以相对于信号波长λ非常小的距离D定位，这样做以便为所述天线阵列保持特别小的总体尺寸。

在该实施例中，对于与1554mm的波长λ相对应的193MHz的工作频率来说，所述两个结构件之间的距离D(即，结构件A1、A2的中心对称轴线之间的距离)为70mm，即大约λ/22(并且，因此D<<λ)。将会注意到，所述结构件之间的该非常大的接近程度通过所使用的天线结构件的微型特征(所述天线结构件在尺寸方面为大约λ/52)而成为可能。

再次参照图8中的实施例，被同轴的激发探针10直接供电的第一天线结构件A1起到在连接点P处被激发探针10的中心导体11供电的初级放射元件的作用。所述被直接供电的第一天线结构件A1被电磁耦合至具有相同配置(形态)的第二天线结构件，但是对于所述第二天线结构件自身而言其未被直接供电。

因此，该第二天线结构件起到“无源”次级元件的作用，所述“无源”次级元件最初与第一天线结构件A1在同一共振频率下工作，并且被定位在所述第一天线结构件A1的直接环境中，以便被物理地耦合至所述第一天线结构件A1。

由于两个天线结构件A1、A2的结合，于是第一天线结构件A1的电响应是具有彼此相对接近的频率值的双频率响应。

所述频率的差距取决于第一天线结构件A1和第二天线结构件A2之间的耦合水平的值(高低)。该水平越低，所述频率越接近。总而言之，利用被耦合至第二天线结构件A2的第一天线结构件A1，与两极通频带滤波器的响应相当的响应因此被获得，并且从而我们因此获得相对于如果仅仅使用第一天线结构件将会获得的通频带的通频带的显著加宽。

为了正好在整个耦合至第二天线结构件A2的第一天线结构件A1的通频带上维持良好的失配损耗，参与电响应的两个共振频率必须彼此非常接近，因而先验地(priori)需要天线结构件A1、A2之间的非常低水平的耦合。

可以通过增大所述两个天线结构件之间的距离D来非常简便地满足该条件，但是这对所述天线阵列的紧凑性不利。

为了使得所述天线阵列的紧凑特征能够通过选择相对于波长λ具有非常小的值的距离D来保持，所述耦合的下降可以借助于两个天线结构件A1、A2之间的电屏障(电屏蔽件)的存在来简便地实现，该屏障可能例如使用在其基部处导电地连接至接地面的导电壁100来生成，如图9中所示。在该情况下，导电壁100的位置和其几何形状及尺寸允许所述耦合的值(高低)被调整并且因此允许通频带中的电响应的形状被精细地控制。

有可能通过增加天线结构件来增大通频带的宽度。

如以上在两个元件的情况下所说明的，基本原理于是在于通过建立(exploit)该初级元件A1至所有其他“无源”次级元件Ai(i＞1)的耦合来构造初级元件的多极通频带滤波器式的电响应。在该结构中，天线结构件的数量n、它们在接地面上的几何布置、以及导电壁的数量、位置及特征是关于这种天线阵列的设计和优化的自由参数。

举例来说，图10图解了包括在接地面M上成三角形地设置的三个天线结构件A1、A2、A3以及包括两个导电壁的天线阵列。

如图9中所示的天线阵列的原型被研发和测试。

该原型对应于两个天线结构件(例如图5a中所示的实施例的天线)的联合。

相对于根据图5a中所示的实施例的天线，获得了超过50％的通频带的增大。

该原型的每个天线结构件的尺寸为λ/52。所述天线阵列在193MHz的频率下工作。所述两个天线结构件以70mm(即，λ/22)的距离D分开，并且允许所述两个元件之间的耦合水平被控制的电屏障是定位在所述两个天线结构件之间的单个矩形导电壁(具有30×70mm²的尺寸)。

Claims (15)

1.一种天线结构件，所述天线结构件适合于被设置在接地面(M)上，并包括：

三维承载基体(S)，所述三维承载基体(S)由局部穿孔的介电材料制成，并且包括在近端(S2)和远端(S3)之间延伸的外周壁(S1)，所述承载基体(S)限定内部容腔(S4)；

通过使第一导电图案(M1)与第二导电图案(M2)相联合来构成的放射元件；

所述第一导电图案(M1)被印刻在所述承载基体(S)的外周壁上，所述第一导电图案(M1)具有下端(Einf)和上端(Esup)，所述下端(Einf)适合于连接至接地面(M)；以及

所述第二导电图案(M2)容纳在所述基体(S)的容腔(S4)中，所述第二导电图案(M2)被导电地连接至所述第一导电图案(M1)的上端(Esup)。

2.如前述权利要求所述的天线结构件，其特征在于，所述承载基体具有回转圆柱、截头圆锥、立方体、具有六边形基部的直立棱柱、截头棱锥或者具有弯曲轮廓的体积部的形状。

3.如前述权利要求之一所述的天线结构件，其特征在于，所述第一导电图案(M1)是导电线或者导电条带。

4.如权利要求1至2之一所述的天线结构件，其特征在于，所述第一导电图案(M1)被印刻在所述外周壁上，以便盘绕成围绕所述承载基体的螺旋件。

5.如权利要求1至2之一所述的天线结构件，其特征在于，所述第一导电图案(M1)具有曲折形状、正弦曲线形状、由直线和弯曲形状的组合形成的形状或者由一个或多个不规则图案组成的形状。

6.如权利要求1至2之一所述的天线结构件，其特征在于，所述第二导电图案(M2)被配置成至少部分地封闭所述承载基体(S)的远端(S3)。

7.如权利要求1至2之一所述的天线结构件，其特征在于，所述第二导电图案(M2)具有从以下组中选择的横向轮廓，所述组为：单一直线、顶帽、成系列的直线、成系列的直线和曲线以及成系列的曲线。

8.如权利要求1至2之一所述的天线结构件，其特征在于，所述第二导电图案(M2)包括：

具有在下端(C2)和上端(C3)之间延伸的外周壁(C1)的空心部段(C)，所述部段延伸至由所述承载基体(S)限定的内部容腔(S4)中；以及

从所述部段的上端(C3)延伸至所述承载基体(S)的远端(S3)的凸缘(C’)。

9.如权利要求8所述的天线结构件，其特征在于，所述第二导电图案(M2)还具有完全关闭所述部段(C)的下端的底部(C”)。

10.一种天线，其包括接地面(M)和根据前述权利要求之一并且被设置在所述接地面之上的天线结构件(Ai)，所述第一导电图案(M1)的下端(Einf)被连接至所述接地面(M)。

11.如权利要求10所述的天线，其特征在于，所述天线包括适合于向所述天线结构件(Ai)供电的激发探针(10)，所述激发探针(10)通过所述激发探针的中心导体(11)、经由在所述外周壁(S1)上沿着所述第一导电图案(M1)定位的连接点(P)连接至所述第一导电图案(M1)。

12.一种天线阵列，所述天线阵列包括：

接地面(M)；

多个相同的、如权利要求1至9之一所述的天线结构件；以及

激发探针(10)，所述激发探针(10)通过所述激发探针(10)的中心导体(11)连接至所述多个天线结构件中的仅仅一个天线结构件的第一导电图案(M1)，于是被激发的所述天线结构件限定所述天线阵列的初级元件，至少一个其他的天线结构件限定至少一个未被直接供电的“无源”次级元件。

13.如前述权利要求所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括两个天线结构件，所述两个天线结构件在所述接地面上并排地设置并且以小于所述天线阵列的工作波长λ的一部分、典型地小于λ/20的距离分隔开。

14.如权利要求12所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括在所述接地面上成三角形地设置的三个天线结构件。

15.如权利要求12至14之一所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括至少一个适合于减小所述天线结构件之间的耦合的导电壁，所述导电壁形成所述天线结构件之间的电屏障。