CN106558762B - 天线 - Google Patents
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Abstract
一种在通信系统中使用的天线，该天线包括：连接到接地面的多个板，其中当所述多个板被至少两个电信号激励时，所述多个板被布置为发射至少两个电磁信号，每个电磁信号具有独立的谐振频率。
Description
技术领域
本发明涉及在通信系统中使用的天线，但不限于一种适于在两个频率运行的通信系统中的平行板天线。
背景技术
在无线电信号通信系统中，信息被变换为无线电信号，以便以电磁波或辐射的形式传送。这些电磁信号进一步以合适的天线发射和/或接收。
一般来说，天线被设计为在特定的频率或频率范围工作。在一些通信系统中，信号发生器可以产生多个频率的电信号。从而，在不同操作频率或频率范围运行的多个天线可以用于发射和/或接收不同频率中的电磁信号。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种在通信系统中使用的天线，该天线包括：连接到接地面的多个板，其中当所述多个板被至少两个电信号激励时，所述多个板被布置为发射至少两个电磁信号，每个电磁信号具有独立的谐振频率。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个板中的每个板与彼此平行。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个板包括多个折叠板。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个折叠板中的每个折叠板包括多个板部分，并且其中多数多个板部分中的每个板部分与彼此平行。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个折叠板位于背对背配置中的接地面上。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个板包括多个直板。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个板位于接地面上并且所述多个板中的每对板之间有预定间隔。
在第一方面的一个实施方式中，所述至少两个电磁信号中的一个电磁信号的第一谐振频率由所述预定间隔确定。
在第一方面的一个实施方式中，该天线还包括探针馈电器，该探针馈电器被布置为为所述多个板馈电。
在第一方面的一个实施方式中，所述探针馈电器为L型并且包括竖直部分，该竖直部分连接到水平部分。
在第一方面的一个实施方式中，所述探针馈电器位于所述多个板中的一对板之间。
在第一方面的一个实施方式中，该天线还包括耦合到所述探针馈电器的半环套。
在第一方面的一个实施方式中，所述半环套被布置为抑制所述多个板内的交叉极化场。
在第一方面的一个实施方式中，该天线还包括位于所述多个板的侧面处的多个隆起。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个隆起被布置为抑制从所述法布里-珀罗谐振天线发射的至少两个电磁信号中的一个电磁信号的旁瓣。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个板、所述接地面、以及所述探针馈电器的组合被布置为作为法布里-珀罗谐振天线来运行。
在第一方面的一个实施方式中，所述法布里-珀罗谐振天线被布置为在毫米波频率范围中运行。
在第一方面的一个实施方式中，该天线还包括被布置为为所述多个板馈电的馈线条。
在第一方面的一个实施方式中，所述馈线为钩形并且包括水平的臂部和开口的短桩部分。
在第一方面的一个实施方式中，所述馈线条穿过所述多个板中的至少两个板的厚度以及所述多个板中的至少两个板之间的距离。
在第一方面的一个实施方式中，所述馈线条伸出所述多个板上的孔。
在第一方面的一个实施方式中，所述多个板、所述接地面以及所述馈线条的组合被布置为作为波导谐振天线来运行。
在第一方面的一个实施方式中，所述波导谐振天线被布置为在微波频率范围中运行。
在第一方面的一个实施方式中，所述至少两个电磁信号中的一个电磁信号的第二谐振频率由所述多个板的高度确定。
在第一方面的一个实施方式中，所述接地面和所述多个板是一体地集成的。
在第一方面的一个实施方式中，所述接地面和所述多个板由单一金属块制成。
在第一方面的一个实施方式中，所述单一金属块包括铝。
附图说明
现在通过参考附图来描述本发明的实施方式，其中：
图1是根据本发明的一个实施方式的天线的透视图；
图2A是图1的天线的正视图；
图2B是图2A的天线的顶视图；
图2C是图2A的天线的侧视图；
图3A是根据本发明的一个实施方式的天线的正视图；
图3B是图3A的天线的顶视图；
图3C是图3A的天线的侧视图；
图4A是显示了图1的天线的WRA的测量和模拟反射系数的示图；
图4B是显示了图1的天线的FPRA的测量和模拟反射系数的示图；
图5A是显示了图1的天线的WRA的测量和模拟辐射图的示图；
图5B是显示了图1的天线的FPRA的测量和模拟辐射图的示图；
图6A是显示了图1的天线的WRA的测量和模拟天线增益的示图；
图6B是显示了图1的天线的FPRA的测量和模拟天线增益的示图；
图7A是显示了图1的天线的WRA的测量天线效率的示图；以及
图7B是显示了图1的天线的FPRA的测量天线效率的示图。
具体实施方式
发明人通过其研究、实验和经验，得出在设计双频天线的过程中，较低和较高频率部分可以单独设计并且然后水平或垂直地合并到一起。该方法明显增大了总的天线尺寸。可替换地，天线可以被设计为由一组天线板组成，该组天线板可以以不同的谐振频率运作，以减少天线的尺寸。
参考图1，显示了在通信系统中使用的天线100的一个实施方式，该天线包括：连接到接地面(ground plane)104的多个板102，其中当所述多个板102被至少两个电信号激励时，所述多个板102被布置为发射至少两个电磁信号，每个电磁信号具有独立的谐振频率。
在该实施方式中，天线100可以通过经由天线端口106(优选为经由连接到天线100的两个分离的端口)接收电信号作为法布里-珀罗谐振天线(Fabry-Perot resonatorantenna,FRPA)和波导谐振天线(Waveguide resonator antenna,WRA)来运行。优选地，FPRA被布置为在毫米波频率范围中运行，而WRA被布置为在微波频率范围中运行，因此天线100可以同时在毫米波频率和微波频率中同时运行。
参考图2A到图2C，在该实施方式中，天线100包括连接到接地面104的两个板102。板102被放置为与彼此平行，并且与接地面104垂直。天线端口106与具有平行板102的表面104A相对地设置在接地面104上，并且被布置为经由馈线条108或探针馈电器110电磁耦合到板102，从而当端口106连接到信号发射器或接收器(未显示)时，平行板102可以接收来自两个(或在一些其他示例性实施方式中的任意其他合适数量)天线端口106中的一个或多个天线端口的一个或多个电信号。响应于接收到来自端口106即由天线馈电器(108、110)馈送且由电信号激励的电信号，平行板102被布置为发射与从天线端口106接收到的电信号中的每个电信号相关联的电磁信号。优选地，接地面104是侧边长度为LG的方形接地面104，并且被设置为伸出相对表面，从而使得一侧上的天线端口106连接到相对侧104B上的天线100的其他组件(例如馈电器)。可替换地，接地面104也可以是任意形状的。
在一个示例性实施方式中，板102是由金属制成的，并且接地面104和多个板102是单片集成的。例如，接地面104和多个板是由单个金属块(例如铝)制成的。这可以简化天线100的组装，并且可以减少可导致天线100的性能降级或偏移的工艺变化。体积为LG×LG×HP的铝块可用于制作天线100。可替换地，诸如三维打印之类的方法可以用于制作集成的接地面和板。可替换地，板和接地面可以分离地制作，并且然后通过任意合适的方法例如焊接、锡焊或使用其他附着方式合并组件来组装或耦合到一起。
优选地，多个板102包括多个折叠板102。参考图2A到图2C，每个折叠板102包括连接到接地面104的第一板部分102A和连接到第一板部分102A但是与接地面104相隔距离g的第二版部分102B。每个折叠板102的每个板部分102A和102B与彼此平行，从而使得接地面104上的每个板部分基本与彼此平行。
在一个示例中，所有板部分包括宽度WP。第一(接地)板部分102A具有高度HP，并且第二板部分102B具有高度(HP–g)，并且从接地板部分(水平地)偏移距离L1。折叠板102在背对背配置中与彼此相对地位于接地面104上，即第一折叠板102的第一(接地)板部分102A面对同一接地面上的第二折叠板102的接地板部分102A，并且折叠板102在接地面104上分离预定间隔dF。平行板102之间的预定间隔dF确定由天线100发射的电磁信号中的至少一个电磁信号的谐振频率，优选为天线100的FPRA部分的谐振频率。
如上所述，天线100可以作为FPRA来运行。在该实例中，天线100包括探针馈电器(probe feeder)110，例如L形探针或L探针。探针馈电器110被布置为为平行板102馈电。优选地，L探针110包括竖直部分(臂)110V，连接到水平部分(臂)110H，长度分别为LV和LH。L探针110位于接地板102之间，并且基本位于板102的两个相对侧102S的两个边缘的中心，具有的竖直部分110V耦合到设置于接地面104的相对表面104B上的天线端口106。另外，水平臂110H与基本上平行于接地面104上的平行板102的轴对齐。
交叉极化场(crosspolarized field)主要由L探针110的竖直臂上的电流引起，并且其可以通过引入与L探针110相对的电流而被抑制。优选地，天线100还包括耦合到探针馈电器110的半环套(half-ring sleeve)112，其中所述套112的内直径与L探针100伸出的孔104C相同。
可选地，天线100还包括位于多个板102的侧面102S处的多个隆起(ridge)114，并且所述隆起114被布置为抑制电磁信号的旁瓣(side lobe)。例如，如图2B所示，一对尺寸为LR×WR的隆起被制作成位于每个侧面开口处，用于抑制FPRA的旁瓣。这些隆起对WRA影响不大。
天线100也可以作为波导谐振天线WRA来运行，其被布置为在独立于FPRA的运行频率的频率范围或谐振频率例如微波频率范围中的频率运行。参考图2A到图2C，天线100还包括馈线条(strip feedline)108，其被布置为为多个板102馈电。在该示例中，馈电条108为钩形，并且包括水平臂部108A和开口的短桩(open stub)部分108B。馈线条108电耦合到天线100的一端，并且开口的短桩部分108B通过连接在两个竖直部分之间的水平臂部108A悬挂在接地面104上。优选地，水平臂部108A位于多个板102的或上方，并且馈线条108穿过板102的厚度以及板102之间的距离dF。如图2B所示，在板102上设置有孔102C，并且钩形馈线条108可以伸出设置在折叠板102上的这些孔102C。
在WRA结构中，板102高度HP任意地选为0.163λ0，其中λ0是WRA的谐振波长。因此，所述电磁信号中的一个电磁信号的谐振频率由板102的高度HP限定。在该示例中，激励钩条108从接地面104伸出，并且横跨两个折叠板102。如图2B所示，为了使得钩条108穿过折叠板102的水平部分，在每个折叠板102的顶部制作了尺寸为L1×W1的矩形洞102C。通过改变所述条的宽度WS和钩条从接地竖直板102的偏移t，可以得到50-Ω的钩形馈线条。通过调整钩条108的水平臂108A和开口的短桩108B的长度，很容易匹配WRA。
参考图3A-图3C，显示了天线300的另一实施方式，该天线300包括在通信系统中使用的天线100，该天线100包括：连接到接地面104的多个板302，其中当所述多个板302被至少两个电信号激励时，所述多个板302被布置为发射至少两个电磁信号，每个电磁信号具有独立的谐振频率。
在该实施方式中，接地面104、馈电器108、110、以及端口106基本上与图2A-图2C中显示的先前的实施方式相同，区别在于折叠板102由直板302代替。钩条缠绕在一对相邻板302周围，而不必伸出板上的任意孔。类似地，平行板302和接地面104可以通过用统一的铝块或其他合适的材料制作而优选地集成在一起。
这些实施方式的优点在于提供了具有较大无线电频率的新的紧凑型双频天线，其由一对折叠的平行板组成。该天线将微波平行板波导谐振天线(WRA)与毫米波法布里-珀罗谐振天线(FPRA)集成在一起，其谐振频率彼此独立。由于折叠结构，天线的轮廓(profile)低于常规的平行板波导谐振天线的轮廓。WRA部分由其顶部的钩形条激励，而FPRA由具有半环套的L探针激励。WRA和FPRA共享同一接地面。
双频天线可以通过使用一对折叠平行板将微波WRA与毫米波FPRA集成在一起来制作。有利的是，折叠平行板的使用减小了双频天线的轮廓。
WRA和FPRA的谐振频率由板高和折叠平行板之间的距离分别确定，很容易获得较大的频率比。
在先前讨论的一个示例性实施方式中，天线可以由单一的铝块制成。因此，无需使用焊接来将折叠平行板和接地面连接起来。
天线的WRA简单地由钩条馈电，其从接地面伸出，并且通过调整钩条的水平臂和开口的短桩的长度来匹配WRA。
FPRA由具有半环套的L探针来激励。半环套能够提供与L探针的竖直臂上的电流相对的竖直电流。由于两个竖直电流的抵消，FPRA的交叉极化场能够被令人满意地抑制。
在一个示例性实施例中，覆盖2.4-GHz和24-GHz ISM频带的双频天线100是通过使用ANSYS HFSS来设计和制作的。详细的尺寸如下：LG＝100mm,HG＝4mm,WP＝30mm,LP＝22.7mm,HP＝20mm,DP＝2mm,LR＝5mm,WR＝1mm,L1＝4mm,W1＝6.5mm,LS＝7.5mm,WS＝2.33mm,DS＝0.5mm,LH＝3mm,LV＝2.8mm,D1＝2mm,φ1＝6mm,dF＝6.7mm,t＝0.5mm,以及g＝1.6mm。
测量分为微波和毫米波部分。在前者中，S-参数通过使用安捷伦E5071C网络分析器(network analyser)来测量，而辐射模式、实现增益以及天线100效率由Satimo StarLab系统来测量。对于毫米波部分，S-参数通过使用E8361网络分析器来测量，而辐射模式和实现增益通过使用NSI测量系统来测量。由于天线100效率不能直接由NSI系统测量，所以FPRA的天线100增益根据其测量的实现增益和方向性来计算。
参考图4A和图4B，显示了提议的双频天线100的测量和模拟反射系数，在它们之间有合理的一致性。显示了WRA的测量和模拟的阻抗带宽(|S11|<-10dB)，其分别由9.7％(2.35-2.59GHz)和7.3％(2.37-2.55GHz)给出。它们之间的差异是由实验公差引起的。参考图4B，FPRA的测量和模拟的阻抗带宽分别是2.11％(23.91–24.42GHz)和2.23％(23.92–24.46GHz)。该带宽类似于其他FPRA的带宽。
参考图5A和图5B，显示了双频天线100的测量和模拟的辐射模式。从图中可见，正如预期的，对于WRA(图5A)和FPRA(图5B)部分得到了宽边辐射模式。对于每个部分，测量和模拟的交叉极化场在视轴方向(θ＝0°)中比其极化的对方弱至少25dB。
参考图6A和图6B，显示了在视轴方向(θ＝0°)中的双频天线100的测量和模拟的实现增益。对于FPRA和WRA部分在测量和模拟结果之间再次得到合理的一致性。参考图6A，WRA的测量和模拟峰值增益分别是7.23dBi(2.46GHz)30和7.40dBi(2.44GHz)。图6B中显示了FPRA的峰值增益。如图可见，测量和模拟峰值增益分别是11.26dBi(24.05GHz)和12.16dBi(24.15GHz)。该增益值类似于其他FPRA的增益值。结果显示了FPRA部分不受WRA部分的影响。
参考图7A和图7B，显示了双频天线100的测量天线100效率。参考图7A，WRA的最大效率95％在2.48GHz处得到，显示了WRA部分是很高效的天线100。图7B中显示了FPRA的计算出的天线100效率。如图可见，最高的天线100效率是在24.05GHz的78.5％，低于WRA的95％。这在考虑到FPRA的高得多的操作频率时是可接受的。
本领域技术人员可以理解，在不背离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对特定实施方式中显示的本发明进行多种改变和/或修改。因此，本实施方式被认为是在所有方面中示例性说明的而不是限制性的。
除非以其他方式指出，任何对这里包含的现有技术的引用都不被认为是认可该信息是公知常识。
Claims (20)
1.一种在通信系统中使用的天线，该天线包括：
连接到接地面的多个板，其中所述多个板中的每个板与彼此平行；
探针馈电器，所述探针馈电器位于所述多个板中的一对板之间；
钩形的馈线条，所述馈线条包括两个竖直部分以及连接在两个所述竖直部分之间的水平的臂部，其中，两个所述竖直部分中的一个定义为开口的短桩部分；所述馈线条的一端与所述天线的天线端口电耦合，所述开口的短桩部分通过所述水平的臂部悬挂在所述地面的上方；
其中，所述探针馈电器和所述馈线条均被布置为为所述多个板馈电，当所述多个板被至少两个电信号激励时，所述多个板被布置为发射至少两个电磁信号，每个电磁信号具有独立的谐振频率；
其中所述多个板、所述接地面、以及所述探针馈电器的组合被布置为作为法布里-珀罗谐振天线来运行，并且其中所述多个板、所述接地面以及所述馈线条的组合被布置为作为波导谐振天线来运行。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个板包括多个折叠板。
3.根据权利要求2所述的天线，其中所述多个折叠板中的每个折叠板包括多个板部分，并且其中多数多个板部分中的每个板部分与彼此平行。
4.根据权利要求3所述的天线，其中所述多个折叠板位于背对背配置中的接地面上。
5.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个板包括多个直板。
6.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个板位于接地面上并且所述多个板中的每对板之间有预定间隔。
7.根据权利要求6所述的天线，其中所述至少两个电磁信号中的一个电磁信号的第一谐振频率由所述预定间隔确定。
8.根据权利要求1所述的天线，其中所述探针馈电器为L型并且包括竖直部分，该竖直部分连接到水平部分。
9.根据权利要求1所述的天线，该天线还包括耦合到所述探针馈电器的半环套。
10.根据权利要求9所述的天线，其中所述半环套被布置为抑制所述多个板内的交叉极化场。
11.根据权利要求1所述的天线，其中所述法布里-珀罗谐振天线被布置为在毫米波频率范围中运行。
12.根据权利要求1所述的天线，该天线还包括位于所述多个板的侧面处的多个隆起。
13.根据权利要求12所述的天线，其中所述多个隆起被布置为抑制从所述法布里-珀罗谐振天线发射的至少两个电磁信号中的一个电磁信号的旁瓣。
14.根据权利要求1所述的天线，其中所述馈线条穿过所述多个板中的至少两个板的厚度以及所述多个板中的至少两个板之间的距离。
15.根据权利要求1所述的天线，其中所述馈线条伸出所述多个板上的孔。
16.根据权利要求1所述的天线，其中所述波导谐振天线被布置为在微波频率范围中运行。
17.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少两个电磁信号中的一个电磁信号的第二谐振频率由所述多个板的高度确定。
18.根据权利要求1所述的天线，其中所述接地面和所述多个板是一体地集成的。
19.根据权利要求18所述的天线，其中所述接地面和所述多个板由单一金属块制成。
20.根据权利要求19所述的天线，其中所述单一金属块包括铝。
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