CN107148702A - 刀片天线以及包括刀片天线的无线局域网 - Google Patents
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Abstract
一种适合于在无线局域网中使用的刀片天线，包括至少一个刀片天线单元且优选为两个刀片天线单元，其中每一单元包括：‑接地平面，‑第一刀片结构，其大体上垂直安装到所述接地平面上，其中所述接地平面和第一刀片结构至少部分地由导电材料制成且彼此电绝缘，进而形成刀片天线，‑电介质材料主体，所述刀片结构至少部分地嵌入所述电介质材料主体中且所述电介质材料主体充当用于由所述刀片天线接收或发射的电磁波的透镜结构。
Description
技术领域
本发明涉及适合于在无线局域网中使用的刀片天线，其包括至少一个刀片天线单元且优选为两个刀片天线单元，其中每一单元包括：
-接地平面，
-第一刀片结构，其大体上垂直安装到所述接地平面上，
其中所述接地平面和第一刀片结构至少部分地由导电材料制成且彼此电绝缘，进而形成刀片天线。
背景技术
刀片天线通常用于收发无线电信号，且是从单极天线得出，所述单极天线是基于垂直定位到接地平面上的杆状极。刀片天线不同于单极天线之处在于杆状极被垂直定位到接地平面上的平面结构或刀片代替。刀片和接地平面都需要至少部分地由导电材料制成以便充当天线。
刀片天线一般来说已知具有宽带特性，这使得它们对于在例如WiFi等无线局域网(WLAN)中使用来说先验地较不具有吸引力。WiFi标准通常使用2.4和5.0GHz的频率用于无线电信号的发射。适合于例如WiFi等WLAN的天线应当具有关于以上两个频带的充分界定的带宽。另一方面，刀片天线具有相对高效率的有吸引力的性质，所述效率为由天线辐射的功率相对于由天线吸收(大部分为热能)且不用于辐射目的的功率的比率。
发明内容
本发明的目标是开发适合于在无线局域网中使用的刀片天线。另外，目标是提供可集成于接入点或桥接器中以在涵盖室内和室外使用的WLAN中使用的刀片天线。
以上目标通过提供如序文中所描述的刀片天线而满足，其中每一刀片天线单元包括电介质材料的主体，其中刀片结构至少部分地嵌入所述主体中且所述主体充当用于由所述刀片天线接收或发射的电磁波的透镜结构。通常，刀片结构完全嵌入于所述透镜结构中。因此，根据本发明的刀片天线的主要辐射表面是指向周围透镜结构的外壁。
令人惊奇地，此透镜结构的提供带来适合于在涵盖室内和室外使用的WLAN用途中使用的刀片天线。刀片天线的使得其适合于既定使用的性质涵盖操作带宽、效率以及增益水平(即辐射方向图的方向性)。下文进一步的实例中将展示一些具体实施例及其有利性质。
刀片天线可含有一个或多个刀片天线单元，这取决于既定用途。当刀片天线整体集成于壁装式接入点中时，所述刀片天线包括两个刀片天线单元是有利的。当集成于天花板安装式接入点中时，所述刀片天线包括一个刀片天线单元是有利的。
当刀片天线包括两个刀片天线单元时，其具有提供冗余的优点，即在其中一者故障的情况下的备用单元。并且，如果一个单元在收发信号中受到例如干扰的妨碍，那么另一单元对于其不同位置仍可为有效的。
优选地，根据本发明的刀片天线经设计以使得一个且优选地每一刀片天线单元包括
-第一刀片结构，其具有大体上由如下极函数界定的圆周：
其中a，b，n1≠0
且其中：
-ρd(φ)是位于XY平面中的曲线；以及
-φ∈[0，2∏)是角坐标。
此极函数也被称作超形，其在颁于J.Gielis的美国专利7,620,527中描述。所述专利阐释了包含圆形和多边形的大多数几何形式和规则形状可如何被描述为以上极函数的公式的特殊实现。通过旋转对称性(m1，m2)、指数(n1，n2.n3)和/或短轴和长轴(a，b)的选择或所谓的调制，可实现广泛多种自然且抽象的形状。超形公式的详细阐释在为此目的参考的US’527专利中给出。
替代地，上文定义为ρd(φ)的极函数可被定义为若干极函数ρi的求和SF(θ)，如下：
其中
用于极函数ρd(φ)的此替代的定义SF(θ)在整个应用中对于本发明的所有实施例是有效的，其中ρd(φ)一直指示为极函数。在此下文随后的ρd(φ)的参数的任何所指示偏好也适用于替代定义SF(θ)。
已发现所述刀片结构的此设计增强了刀片天线对于其既定用途的合适性。
优选地，在根据本发明的刀片天线中，至少一个刀片结构具有大体上由如下极函数界定的圆周：
其中m1＝m2＝4，且凸度参数n1、n2、n3相等且具有在1与4之间选择的值。作为一个替代方案，在以上公式中m1＝m2＝4时，凸度参数n1、n2、n3可具有在1与4之间的范围内的不同值。
关于进一步偏好，根据本发明的刀片天线被设计成使得一个且优选每一刀片天线单元包括：
-大体上垂直安装到接地平面上的一个或多个第二刀片结构，其至少部分地由导电材料制成且与所述接地平面电绝缘，且至少部分地嵌入于所述透镜结构中。
每刀片天线单元的此多个刀片结构提升了刀片天线的性能。
具体来说优选的是，一个且优选每一第二刀片结构具有大体上由如下极函数界定的圆周：
其中a，b，n1≠0
且其中：
-ρd(φ)是位于XY平面中的曲线；以及
-φ∈[0，2∏)是角坐标。
当根据本发明的刀片天线包括第一和第二刀片结构时，优选的是至少两个且更优选地全部都是实际上相同的。除更容易制造之外，以此方式还进一步增强天线的功能。
在根据本发明的刀片天线的特殊实施例中，一个且优选每一刀片天线单元的一个且优选每一刀片结构被划分为导电连接的两个主要部分，更优选地所述刀片结构被划分为上部部分和下部部分。所述划分使得所述两个主要部分对于其大部分来说并不彼此导电连接。
将刀片结构划分为两个部分的优点在于，可选择所述划分以使得每一个别部分的尺寸适合于在两个不同频率收发无线电信号，也被称作双频带能力。
在数学意义上，根据本发明的刀片天线可描述为由若干布尔型运算修改的超形。举例来说，通过条带的布尔型减法，产生狭槽，其将所述超形划分为下部和上部部分，这是刀片天线结构的以上特征划分为两个主要部分的特殊实施例。
任选地，通过条带的布尔型加法，每一下部部分具备呈靠近所述狭槽的条带的形式的延伸。
在根据本发明的刀片天线的另一个优选实施例中，一个且优选每一刀片天线单元的一个且优选每一第二刀片结构在共同纵向轴线上与第一刀片结构相交。优选地，刀片结构的相交使得至少两个刀片结构处于彼此大体上垂直的定向。
每刀片天线单元的刀片结构的此配置整体提升了刀片天线的性能。确切地说，两个相交叶片的垂直定向增强了天线的全方向性。
在根据本发明的刀片天线的特定实施例中，一个且优选每一刀片天线单元的一个且优选每一刀片结构经配置以在5GHz频带中操作，其中所述结构的长度在4与12mm之间。
在根据本发明的刀片天线的另一特定实施例中，一个且优选每一刀片天线单元的一个且优选每一刀片结构经配置以在2.4GHz频带中操作，其中所述结构的长度在8与24mm之间。
在根据本发明的刀片天线中优选的是，一个且优选每一刀片天线单元的透镜结构的高度小于或等于30mm，优选为25mm或更小。
此高度限制常常是必要的，以将刀片天线集成到用于WLAN目的的接入点或桥接器装置中。
出于用于将刀片天线集成于接入点或桥接器装置中的有限空间的同一原因，下文指示刀片天线的更优选的尺寸。
在根据本发明的刀片天线中进一步优选的是，一个且优选每一刀片天线单元的透镜结构具有圆柱形形状且优选地具有10到15mm的直径。
在根据本发明的刀片天线的优选实施例中，一个且优选每一刀片天线单元的透镜结构的电介质材料具有在2与90之间的值的介电常数。
在根据本发明的刀片天线中进一步优选的是，一个且优选每一刀片天线单元的透镜结构具有折射率n，其中n≠1。
有利的是，在根据本发明的刀片天线中，一个且优选每一刀片天线单元的接地平面是具有10到15mm的直径的大体上圆形平面。
在根据本发明的刀片天线中，优选的是一个且优选每一刀片天线单元经配置以在第一频带和第二频带中通信。此双频带刀片天线优选地包括用于在两个频带之间切换的至少一个处理器。
此外，在根据本发明的刀片天线中优选的是，一个且优选每一刀片天线单元包括具有大体上由如下极函数界定的基本轮廓的透镜结构：
其中a，b，n1≠0
且其中：
-ρd(φ)是位于XY平面中的曲线；以及
-φ∈[0，2∏)是角坐标。
此透镜结构进一步贡献于刀片天线对于既定目的的合适性。
当根据本发明的刀片天线包括至少两个刀片天线单元时，优选的是每一单元的个别接地平面位于共同平面中或平行平面上。关于特定偏好，此刀片天线进一步特征在于刀片天线单元通过优选为电绝缘材料的间隔结构而固定到彼此。
在根据本发明的包括至少两个刀片天线单元的刀片天线中，优选的是刀片天线单元的接地平面位于共同平面中且彼此处于60到100mm、优选地70到90mm的距离。
当刀片天线包括根据本发明的间隔结构时，优选地所述间隔结构具有15mm或更小的宽度。此外，所述间隔结构优选地由电介质聚合物制成，具体来说由复合材料FR4制成。
当根据本发明所述刀片天线含有一个刀片天线单元时，优选的是一个且更优选每一刀片结构具有大体上圆形或椭圆形的圆周。
此设计已证实最适合于在频带天线是天花板安装时使用。
此天花板安装式频带天线优选地具有圆柱形透镜结构，所述结构具有12到30mm的直径以及15到30mm的高度。接地平面优选地具有与所述圆柱形透镜结构的底部平面相比大体上较大的直径。
所述刀片天线的透镜结构优选地当选定电介质材料是热塑性聚合物时通过在刀片天线上的注射模制来构造。所述电介质也可以是热固性聚合物，且在所述情况下可使用热固性聚合物的领域中的全部已知方法来制作刀片周围的透镜。替代地，所述透镜可由模块化元件形成，所述模块化元件组装于刀片天线周围且保持在一起以使得获得包围的透镜主体，所述主体由所述组装的模块化元件构成。
制造金属刀片结构的有效方式是通过在薄电介质层上的金属层的光刻印刷。在透镜结构的后续包覆模制期间，电介质层对金属刀片结构提供机械支撑。天线单元通过聚合物铆钉或者替代地通过适当选择的自粘胶带而固定于相关接地平面上。
优选地，所述金属刀片结构是通过在薄电介质层的两侧上沉积相同形状的金属层而形成。当两个金属刀片结构组合于一个刀片天线单元中时，优选的是这两个金属刀片结构沿着其中央纵向线的二分之一具有切口，以使得所述两个结构可通过使所述切口滑动进入彼此而机械地固定在一起。
替代地，所述金属刀片结构可使用其中形成固体金属刀片结构的任何适当过程形成，其中不存在额外电介质层。所述刀片结构可例如通过金属片的切割而形成，或者通过使用具有适当几何形状的掩模在合适的刚性或柔性载体上的金属结构的电化学形成而形成。
在接地平面的背侧上，通过使用焊接到微带技术的匹配线的同轴电缆而实现天线前端和电连接。
优选地，根据本发明的刀片天线集成于用于无线局域网的接入点或桥接器装置中。因此，WLAN装置适合于墙壁或天花板安装(取决于刀片天线单元的数目)，且具有用于收发无线电信号的有吸引力的性能。
在第二方面中，本发明涉及一种包括多个刀片天线的无线局域网，其中每一个别刀片天线符合前述技术方案中的一者。
此多个刀片天线使得有可能建置多输入多输出(MIMO)系统。在MIMO系统中，多个天线放置在通信系统的输入和输出侧以提升带宽效率，且因此数据速率的加速。
附图说明
将通过附图的描述进一步阐释本发明，其中：
-图1示出了根据本发明的刀片天线的优选实施例；
-图2示出了根据本发明的刀片天线的另一优选实施例；
-图3示出了集成于接入点中的刀片天线的优选实施例。
具体实施方式
图1示出了适合于壁装式接入点(WLAN)的刀片天线1的三维图片，所述刀片天线包括两个相同的刀片天线单元3，其中每一单元包括：
-接地平面5，
-第一刀片结构7，其大体上垂直安装到接地平面5上，
-第二刀片结构9，其大体上垂直安装到接地平面5上。
刀片结构7、9以及接地平面5由导电材料制成。所述两个刀片结构处于彼此的大体上垂直定向上。每一刀片结构7、9被划分为通过杆10导电连接的上部部分和下部部分。第二刀片结构9在与杆10一致的共同轴线上连接到第一刀片结构7。刀片结构7、9在底部销8处会聚，所述底部销导电连接到间隔结构14的底侧上提供的馈电线(未图示)。底部销8延伸通过接地平面5的中心中的电介质材料的绝缘圆盘6。因此，整个刀片结构7、9安装到接地平面5上，同时与接地平面电绝缘。
刀片结构7、9的总体圆周大体上由用于Gielis公式的超形的极函数界定：
其中m1＝m2＝4，且凸度参数n1、n2、n3相等且具有2.5的所选值。此外，所述超形由若干布尔型运算修改：
通过条带的布尔型减法产生狭槽，其将所述超形划分为下部部分和上部部分。通过条带的布尔型加法，每一下部部分具备呈靠近所述狭槽的条带的形式的延伸。
此外，每一刀片天线单元3包括透镜结构12，其呈电介质材料的圆柱形主体12的形式，其中刀片结构7、9封闭于所述透镜结构中且所述透镜结构充当用于由刀片天线1接收或发射的电磁波的透镜结构。透镜结构12的底部平面覆盖接地平面5。
所述两个刀片天线单元3通过间隔结构14固定到彼此，所述间隔结构为例如用于印刷电路板的电绝缘材料，优选地为复合FR4。在所述间隔结构的底侧处的电线不可见，所述电线对刀片结构7、9提供电馈送。
图2示出了适合于用于WLAN的天花板安装式接入点的刀片天线20的三维图片，所述刀片天线包括一个刀片天线单元23，其包括：
-接地平面25，
-第一刀片结构27，其大体上垂直安装到接地平面25上，
-第二刀片结构29，其大体上垂直安装到接地平面25上。
刀片结构27、29以及接地平面25由导电材料制成。所述两个刀片结构处于彼此的大体上垂直定向上。每一刀片结构27、29被划分为导电连接的上部部分和下部部分。第二刀片结构25在共同纵向轴线34上连接到第一刀片结构27。刀片结构27、29的总体圆周大体上是圆形。接地平面25具有比透镜结构32的底部平面显著更大的直径，例如4或5倍大。
类似于图1，刀片结构27、29在底部销(未图示)处会聚，所述底部销导电连接到接地平面25下方提供的馈电线。所述销延伸通过接地平面25，同时使用包围着通过接地平面的销的绝缘结构而与接地平面电绝缘。
图3示出了集成于用于WLAN的壁装式接入点30中的刀片天线1的三维图片。所述图片示出了用于在接入点30中装配刀片天线1的有限空间。刀片天线1与图1中描画的刀片天线相同。
实例
图1中描绘的刀片天线1具有以下性质：
-在2.4GHz和5.0GHz处的双频带操作；
-在2.4GHz处的89％以及在5.0GHz处的96％的效率；
-在2.4GHz处的3.3dBi以及在5.0GHz处的3.2dBi的峰值增益电平。
图2中描绘的刀片天线20具有以下性质：
-在2.4GHz和5.0GHz处的双频带操作；
-在2.4GHz处的95％以及在5.0GHz处的95％的效率；
-在2.4GHz处高于2.0dBi以及在5.0GHz处高于3.0dBi的峰值增益电平。
Claims (24)
1.一种适合于在无线局域网中使用的刀片天线，
包括至少一个刀片天线单元且优选为两个刀片天线单元，其中每一单元包括：
接地平面，
第一刀片结构，其大体上垂直安装到所述接地平面上，
其中所述接地平面和第一刀片结构至少部分地由导电材料制成且彼此电绝缘，进而形成刀片天线，
电介质材料主体，所述刀片结构至少部分地嵌入所述电介质材料主体中且所述电介质材料主体充当用于由所述刀片天线接收或发射的电磁波的透镜结构。
2.根据权利要求1所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元包括
第一刀片结构，其具有大体上由如下极函数界定的圆周：
其中
且其中：
ρd(φ)是位于XY平面中的曲线；以及
φ∈[0,2п)是角坐标。
3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元包括：
大体上垂直安装到所述接地平面上的一个或多个第二刀片结构，其至少部分地由导电材料制成且与所述接地平面电绝缘，且至少部分地嵌入于所述透镜结构中。
4.根据权利要求3所述的刀片天线，其中一个且优选每一第二刀片结构具有大体上由如下极函数界定的圆周：
其中
且其中：
ρd(φ)是位于XY平面中的曲线；以及
φ∈[0,2п)是角坐标。
5.根据权利要求3或4所述的刀片天线，其中两个且优选全部所述第一和第二刀片结构是实际上相同的。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的一个且优选每一刀片结构被划分为导电连接的两个主要部分，更优选地所述刀片结构被划分为上部部分和下部部分。
7.根据前述权利要求3到6中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的一个且优选每一第二刀片结构在共同轴线上与所述第一刀片结构相交，优选地使得至少两个刀片结构处于彼此的大体上垂直定向上。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的一个且优选每一刀片结构经配置以在5GHz频带中操作，其中所述结构的长度在4与12mm之间。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的一个且优选每一刀片结构经配置以在2.4GHz频带中操作，其中所述结构的长度在8与24mm之间。
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的所述透镜结构的高度小于或等于30mm，优选为25mm或更小。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的所述透镜结构具有圆柱形形状以及优选地10到15mm的直径。
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的所述透镜结构的所述电介质材料具有2与90之间的介电常数。
13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的所述透镜结构具有折射率n，其中n≠1。
14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元的所述接地平面是具有10到15mm的直径的大体上圆形平面。
15.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元经配置以在第一频带和第二频带中通信。
16.根据权利要求15所述的刀片天线，其包括用于在两个频带之间切换的至少一个处理器。
17.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中一个且优选每一刀片天线单元包括透镜结构，所述透镜结构具有大体上由如下极函数界定的基本轮廓：
其中
且其中：
ρd(φ)是位于XY平面中的曲线；以及
φ∈[0,2п)是角坐标。
18.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中所述刀片天线包括至少两个刀片天线单元，所述至少两个刀片天线单元的个别接地平面位于共同平面中或平行平面上。
19.根据权利要求18所述的刀片天线，其中所述刀片天线单元通过优选为电绝缘材料的间隔结构固定到彼此。
20.根据权利要求18或19所述的刀片天线，其中所述刀片天线单元的所述接地平面位于彼此的60到100mm、优选地70到90mm的距离处。
21.根据权利要求19或20所述的刀片天线，其中所述间隔结构具有15mm或更小的宽度。
22.根据前述权利要求1到17中任一权利要求所述的刀片天线，其含有一个刀片天线单元，其中一个且优选每一刀片结构具有大体上为圆形或椭圆形的圆周。
23.根据前述权利要求中任一权利要求所述的刀片天线，其中所述刀片天线集成于用于无线局域网的接入点或桥接器装置中。
24.一种无线局域网，其包括多个刀片天线，其中每一个别刀片天线符合前述权利要求中的任一权利要求。
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