CN107210540A - 用于天线阵列的多模馈电网络 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于天线阵列或组合天线的双模馈电网络。两个传输线结构根据两个不同的电磁传播模式，例如TE、TM、TEM和准TEM模式传播信号。所述两种传输线结构可操作地耦合到所述天线阵列的不同组件。一个传输线结构可为带线或微带，并且另一个传输线结构可为波导，如基片集成波导。所述两个传输线结构可分叉以到达天线阵列的多个元件。传输线可共享共同特征，如通过将带线内嵌于波导。

Description

用于天线阵列的多模馈电网络
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年1月22日提交的名称为“用于天线阵列的多模馈电网络”的14/602,759号美国专利申请的优先权的权益，其内容通过引用结合于本申请中。
技术领域
本发明涉及射频(RF)前端领域，特别是涉及使用多个电磁传播模式以用于馈电天线阵列的馈电网络。
背景技术
多频带天线和天线阵列可使用极为接近的不同类型的天线元件来实现。但是，通常会要求不同的天线元件彼此隔离，以提升天线阵列的性能。这是具挑战性的，因为用于多频带阵列的不同元件的馈线通常也都极为接近。此外，现有的多频带阵列及其馈电网络多为复杂的三维结构，其价格昂贵且具有有限的适用性。
因此，需要一种不受现有技术的一种或多种限制的、用于天线阵列的馈电网络结构。
此背景信息的提供是为了揭示与本发明可能相关的信息。任何上述信息不应被认为或解释为构成与本发明有关的现有技术。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于天线阵列的多模馈电网络。根据本发明的一方面，提供了一种用于天线阵列的馈电网络，所述天线阵列包括至少两个不同集合的天线元件。所述馈电网络包括：耦合到第一集合的天线元件的第一信号传输结构，以及耦合到第二集合的天线元件的第二信号传输结构。所述第一信号传输结构配置用于根据第一电磁传播模式传播信号，且所述第一电磁传播模式对应于横电磁(TEM)模式或准TEM模式。所述第二信号传输结构根据第二电磁传播模式传播信号，且所述第二电磁传播模式对应于横电波(TE)和横磁波(TM)模式其中之一。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用包括至少两个不同类型的元件的天线阵列进行无线通信的方法。所述方法包括：向第一类型的天线元件中传播信号和/或传播来自第一类型的天线元件的信号。根据第一电磁传播模式，通过第一信号传输结构传播所述信号。所述第一电磁传播模式对应于横电磁(TEM)模式或准TEM模式。所述方法还包括：向第二类型的天线元件传播信号和/或传播来自第二类型的天线元件的信号。根据第二电磁传播模式，通过第二信号传输结构传播所述信号，所述第二电磁传播模式对应于横电(TE)和横磁(TM)模式其中之一。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括用于天线阵列的馈电网络的无线设备，所述馈电网络包括配置用于根据第一电磁传播模式来传播信号的第一传输线结构，所述第一电磁传播模式对应于横电磁(TEM)或准TEM模式。所述第一传输线结构可操作地耦合到所述天线阵列的第一集合的天线元件。所述馈电网络还包括根据第二电磁传播模式传播信号的第二传输线结构，所述第二电磁传播模式对应于横电(TE)和横磁(TM)模式其中之一。所述第二传输线结构可操作地耦合到所述天线阵列的第二集合的天线元件，其中所述第二集合的天线元件不同于所述第一集合的天线元件。
附图说明
结合附图，本发明的进一步特征和优势将从下文的具体描述中变得明显，其中：
图1示意性地示出了根据本发明一些实施例的双频带天线阵列。
图2示出了根据本发明的一个实施例的第一传输线结构和第二传输线结构。
图3示出了根据本发明另一实施例的第一传输线结构和第二传输线结构。
图4示出了根据本发明再一实施例的第一传输线结构和第二传输线结构。
图5示出了根据本发明又一实施例的第一传输线结构和第二传输线结构。
图6A示出了根据本发明的又一实施例的位于两个不同的层上的传输线结构的第一部分。
图6B示出了第一传输线结构的第二部分，其中形成有通孔以互相连接图6A所示的两个不同的层。
图6C示出了根据本发明又一实施例的第二传输线结构。
图7示出了根据本发明实施例的馈电网络与组合天线元件之间的互联。
图8示出了根据本发明实施例的与传输线结构的根部耦合的转换电路。
图9示出了根据本发明实施例的无线通信方法。
图10A至图10F示出了根据本发明实施例的分支的传输线结构的第一子部以及相关性能方面。
图11A至图11F示出了根据本发明实施例的分支的传输线结构的第二子部以及相关性能方面。
图12示出了根据本发明实施例提供的包括双模传输线结构的手持无线设备。
图13示出了根据本发明实施例提供的包括双模传输线结构的无线路由器。
应注意到，在全部附图中，相同的特征由相同的附图标记进行标识。
具体实施方式
定义
本文中所用的术语“约”是指标称值变化+/-10％。应理解，不管是否特别提及，这种变化总是包含于本文给出的一个给定值中。
除非另有定义，这里使用的所有科技术语与本发明所属领域任何一个技术人员通常理解的意义相同。
本发明的各种实施例包含波导结构和多导体传输线结构其中之一或两者，该波导结构和多导体传输线结构对应于两种不同类型的信号传输结构。在一些实施例中，利用印刷电路板(PCB)特征来实现这些结构。例如，所述波导结构可以包括基片集成波导(SIW)，并且所述多导体传输线结构可以包括带线、微带或类似结构。本领域技术人员将容易理解，用于波导的电磁传播模式可为横电(TE)或横磁(TM)模式，然而用于多导体传输线的电磁传播模式可为横电磁(TEM)模式或准TEM模式。利用不同的模式馈电不同的天线元件可以有助于不同天线元件间的彼此隔离。例如，因为TEM模式和/或由相应多导体传输线传播的频率通常不能由波导来维持，传输线馈电信号和/或其谐波会被阻碍耦合到波导上。同样地，因为TE模式和TM模式不易由带线、微带或类似多导体传输线来维持，波导馈电信号和/或其谐波会被阻碍耦合到传输线上。
本文所使用的术语“多导体传输线”指的是一种信号传输线，例如：带线、微线、同轴电缆、共面波导等，区别于通常包含用以定向电磁能量的单导管的波导。不同的传输线可包括基本上为线性或具有有限横截面的第一导体，以及具有较大横截面且操作类似于接地面的第二导体，这两个导体以一定距离隔开以利于信号传播，例如：以TEM或准TEM模式传播。
使用多层PCB实施的波导和多导体传输线结构可以提供紧凑且低成本的实施方式，特别是当天线元件也作为多层PCB的特征而被实施的时候。进一步地，当该天线阵列包括二维排列的天线元件时，例如，平面、矩形网格图案或同心圆形图案，该PCB实施方式会是有用的。
在不同的实施例中，信号传输结构可被形成作为多层印刷电路板(PCB)的合适导电特征，例如，通过蚀刻导电层、提供通孔、盲孔、埋孔等形成的特征。这种PCB实施方式可以是适当紧凑的以包含于无线通信设备中，例如：移动通信终端、手持式设备、无线路由器、移动基站、微微小区、无线接入点等，同时也适用于低成本批量生产。
本发明的一方面提供了一种用于天线阵列的馈电网络及相关方法。该天线阵列包括至少两个不同集合的天线元件，其可以具有不同尺寸、不同类型、和/或在不同频带下运行。馈电网络提供了第一信号传输结构，例如多导体传输线结构，其耦合到第一集合的天线元件，第一信号传输结构被配置为根据第一电磁传播模式来传播信号，如横电磁(TEM)模式或准TEM模式。馈电网络还提供第二信号传输结构，例如波导结构，其耦合到第二集合的天线元件，第二信号传输结构被配置为根据第二、不同的电磁传播模式来传播信号，如横电(TE)或横磁(TM)模式。不同传播模式的使用有助于或提高了两种信号传输结构的信号隔离，例如在该结构中的天线耦合点和/或馈电点处。
在不同的实施例中，第一集合的一个或多个天线元件可与第二集合中相应的天线元件位于一处以形成一个或多个组合天线元件。第一集合和第二集合的天线元件可分别对应于组合天线元件的第一部分和第二部分。因此，这种组合天线元件可以被视为同时耦合到第一信号传输结构和第二信号传输结构，例如第一信号传输结构和第二信号传输结构分别耦合到组合天线元件的第一部分和第二部分。至少部分为了服务位于一处的天线元件，所述信号传输结构可彼此集成，例如以共享共同特征，如下文所述。
利用两种信号传输结构分别馈电两个集合的天线元件，可以有利于相应天线阵列的期望阻抗匹配以及期望间距。例如：定制每个信号传输结构以为其相应类型的天线元件提供有效的、阻抗匹配的馈电，而不是试图将单一的信号传输结构与两种不同类型的天线元件进行匹配。
在一些实施例中，由双模馈电网络馈电的天线阵列可为双频带天线阵列。在本发明的不同实施例中，阵列中一些天线元件工作的第一频带不同于阵列中的另一些天线元件工作的第二频带。在不同的实施例中，这两个频带可由大频差或小频差区分开。在一些实施例中，这两个频带可以至少有部分是重叠的。双模馈电网络可被用于在这两个工作频率下馈电天线阵列的元件。在一些实施例中，这两个工作频率对应于本地多点分配业务(LMDS)频带，例如26GHz至31GHz频带，以及一个或者多个E-频带，如71GHz至76GHz频带和81GHz至86GHz频带。在一个实施例中，LMDS频带的一个代表频率为约28GHz，E-频带的一个代表频率为约84GHz。显见，频率84GHz约为频率28GHz的3倍，相当于两个代表频率的整数倍。
在不同的实施例中，第一信号传输结构和第二信号传输结构中的一个或全部为分支结构，例如：对称分支结构。举例来说，为了提供一种传输线或波导以用于将阵列天线的多个天线耦合到普通的信号源或目的地，例如放大器或其他RF前端组件，相应的信号传输结构可包含至少一个分支点，例如：分叉点，在分叉点处信号传输结构可分支或分叉为多个分支，以向多条天线提供多条路径和/或提供来自多条天线的多条路径。这些分支可在其与相应天线元件耦合的点的附近终止。
进一步地，在不同的实施例中，第一信号传输结构和第二信号传输结构可共享一个或多个共同特征，比如接地面特征。例如，诸如带线的多导体传输线结构可位于诸如SIW的波导结构的内部。因此，该多导体传输线结构可谓内嵌于或集成于波导内。再例如，诸如微带的多导体传输线结构可位于诸如SIW的波导结构的上方，该传输线结构使用波导结构的导电平面作为其参考或接地面结构。在其他示例中，部分或者全部波导结构也可作为多导体传输线结构的一个导体工作。也就是说，多导体传输线的一个导体对应于波导结构的导电边界。这种布置有利于两种信号传输结构的交叉和/或共存，且有利于整个天线阵列馈电网络尺寸的减小。两种信号传输结构占用的结构部分和/或体积可以重叠或者被共享。进一步地，在一些实施例中，两种信号传输结构的整合有助于信号路径的重叠，从而这两种信号传输结构可被布线在公共点之间，同时占用一个有限的公共体积。进一步地，在一些实施例中，两种信号传输结构的整合本身可以允许一个信号传输结构通过另一个信号传输结构，不必需将一个信号传输结构的所有组件布线在另一个信号传输结构的上方或下方。
当一个组合天线元件耦合到两个不同传输线结构的两个不同分支上时，这些分支可共同终止。例如，当多导体传输线结构的一个分支内嵌于或集成于波导的分支内时就是这种情况。
应注意到，2007年10月，电子封装的电气性能的IEEE会议上的、作者A.Suntives和R.Abhari的论文“利用基片集成波导互联的双模高速数据传输”讨论了一种内嵌于基片集成波导的带线以建立双模或混合互连结构。然而，和上述论文相比，本发明实施例提供一种应用，两种信号传输结构共享共同特征，二者直接耦合到天线元件的一端，因此可用于馈电天线元件或者被天线元件馈电，且呈分支和潜在的对称信号传输结构。本发明实施例还可提供不同信号的双工至和/或来自天线阵列中不同集合的元件，例如：利用功率的分配和组合以及潜在的不同工作频率。不同的信号对应于不同的频带，例如，LMDS和E-频带，而非相同的频带。进一步地，本发明的实施例涉及到RF、微波以及毫米波应用中天线阵列的双模馈电。
应注意到，不同的实施例提供一种馈电双频带天线阵列的替代方式。即，并非利用单个宽带馈电网络耦合到在不同频率下工作的多个天线元件，而是可以提供两个交叉且相对窄带的馈电网络。
在不同的实施例中，两个信号线传输结构的交叉有利于提供一种在馈点或端口之间具有期望间距的天线馈电网络。此外，相较于其他一些未交叉的方法来说，交叉结构可允许更窄的端口间距。这对于服务有特定元件间间距要求的天线阵列有利，例如：在毫米波天线元件的阵列中，天线元件以工作波长的一半间隔开。一方面实现馈点之间的期望间距，这与两种独立结构相比，交叉的传输线结构占用的体积减少。另一方面是简化的布置，这是由于对分开的传输线减小了彼此避开的要求。由于PCB中特定的布局限制，这些考虑在信号线传输结构作为PCB上的层时尤为突出。
图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例提供的双频带天线阵列。所述天线阵列包括单频带天线元件110和双频带组合天线元件120。所示天线阵列可以为较大的天线阵列的一部分。单频带天线元件可工作于第一频带，而每个双频带天线元件可分别包括工作于第一频带的第一子元件以及工作于第二频带的第二子元件。
所示阵列天线元件之间的间距如下所述。第一频带包括第一代表频率，例如：与第一波长相关联的频带中心频率。同样地，第二频带包括第二代表频率，例如：与第二波长相关联的频带中心频率。相邻的单频带天线元件110之间以及相邻的单频带天线元件110和双频带天线元件120之间的元件间间距115与第一波长呈比例。例如，元件间间距115可以约等于第一波长的一半。这样，所有工作于第一频带的天线元件或子元件都以一个与第一波长呈比例的距离被分开。同样地，双频带天线元件120之间的元件间间距125与第二波长呈比例，例如：元件间间距125可以约等于第二波长的一半。这样，所有工作于第二频带的天线子元件都以一个与第二波长呈比例的距离被分开。最后，第一代表频率基本上为第二代表频率的整数倍，因此第二元件间间距125可为第一元件间间距的相同整数倍。例如，第一频带可对应于具有在约84GHz的第一代表频率的E-频带。同样地，第二频带可对应于具有在约28GHz的第二代表频率的LMDS频带。因此，第一代表频率为第二代表频率的约三倍，且第二元件间间距125为第一元件间间距115的约三倍。这样，天线阵列中的每第四元件为组合天线元件。可以使用频率的其他整数倍，得到其他阵列配置。例如，如果第一代表频率是第二代表频率的k整数倍，则矩形天线阵列中在水平方向和竖直方向上的每第k+1个元件可以是组合天线元件。在其他实施例中，所述代表频率可以是彼此的非整数倍。
图2示出了依照本发明一个实施例的第一对称传输线结构210和第二对称传输线结构220，用于可操作地耦合于图1所示的天线阵列。所述第一传输线结构210包括多个分支，用于耦合到单频带天线元件110和组合天线元件120的第一子元件。第二传输线结构220包括多个分支，用于耦合到组合天线元件120的第二子元件。
在所示的本实施例中，第一传输线结构210可为分支的多导体传输线，如带线，而第二传输线结构220可为分支的波导，如SIW。在不同的区域，例如：在区域230中，多导体传输线中的一部分与波导中相应的部分位于一处。在此类区域230中，多导体传输线与波导共享共同特征，且带线的另一个导体可对应于波导导体。例如，带线的一个导体可布线于所述波导的内部。在多导体传输线离开波导的地方，对带线的导体进行布线使其通过波导的侧壁中形成的间隙可有利于所述离开。对于SIW，此间隙可形成于2个通孔之间，所述通孔的作用是作为形成SIW侧壁通孔的围栏的一部分。分支的传输线结构的根部端口240可操作地耦合到RF前端的其他组件上。利用通孔，带线的替代离开可以穿过波导结构的顶部或底部中形成的缝隙。
图3示出了依照本发明另一实施例的第一对称传输线结构310和第二对称传输线结构320，用于可操作地耦合到图1所示的天线阵列。如前所示，第一传输线结构310包含有分支，用于耦合到单频带天线元件110和组合天线元件120的第一子元件。第二传输线结构320包含有分支，用于耦合到组合天线元件120的第二子元件。分支的传输线结构的根部端口340可操作地耦合到RF前端的其他组件上。
在所示的本实施例中，第一传输线结构310可为分支的波导结构，如SIW，而第二传输线结构320可为分支的多导体传输线，如带线。在不同区域中，如在区域330中，多导体传输线的一部分与波导的相应部分位于一处。如参考图2所述的，在此类区域330中，多导体传输线与波导共享共同特征。
比较图2和图3可见，本发明的一些实施例包括：波导结构，其布线至具有较小元件间间距的相对更高频率的天线元件，以及多导体传输线结构，其布线至具有更大元件间间距的相对更低频率的天线元件。本发明的其他实施例包括：多导体传输线结构，其布线至具有较小元件间间距的相对更高频率的天线元件，以及波导结构，其布线至具有更大元件间间距的相对更低频率的天线元件。在任何一种情况下，这两种传输线结构中每个都具有不同数量的(可能是对称的)分支，以馈电阵列中以不同元件间间距或节距设置的不同数量的天线元件。这样，一个传输线结构的分支数量可小于其他传输线结构的分支数量。
本发明的不同实施例提供了一对交叉的信号线传输结构，每个都包含不同数量的端口，这些端口在空间上以不同节距或端口间间距设置于阵列中。进一步地，在一些实施例中，第一个信号线传输结构的一些端口与第二个信号线传输结构的一些端口位于一处。因此，一些天线元件可以双模方式被馈电，而其他天线元件以单模方式被馈电。
在一些实施例中，多层PCB中的两层被蚀刻有匹配的分支结构，这些匹配的分支结构可以对称的方式布线至待由一对交叉的信号线传输结构服务的所有端口。在这样的一个实施例中，在匹配的分支结构之间或者外部的另一个PCB层被蚀刻有一个相对较窄分支“条状”导体，该导体可以与匹配的分支结构相同的对称方式进行布线，以提供可布线至所有端口的带线或微带。在本实施例中，进一步地提供了一个通孔围栏，以实现布线至部分端口的SIW。在另一实施例中，另一PCB层被蚀刻有相对较窄分支的“条状”导体，其位于匹配的分支结构之间且可布线至部分端口以提供带线或微带，同时提供了通孔围栏以实现可以布线至全部端口的SIW。在任何一种情况下，通孔结构连接匹配的分支结构的边缘，在一些情况下，当SIW被布线至部分端口时，通孔结构穿过匹配的分支端口内部，如图6A至图6C所示，此处会讨论更多细节。
图4示出了根据本发明再一实施例的第一对称传输线结构410和第二对称传输线结构420，用于可操作地耦合到图1所示的天线阵列。再有，第一传输线结构410包含有分支，用于耦合到单频带天线元件110和组合天线元件120的第一子元件。第二传输线结构420包含有分支，用于耦合到组合天线元件120的第二子元件。如参照图3，第一传输线结构410为分支的波导结构，如SIW，而第二传输线结构420为分支的多导体传输线，如带线。然而，与图3相比，图4的排列方式为多导体传输线的所有部分与波导的相应部分位于一处。这种排列方式减轻了潜在的信号丢失、信号反射、信号漏泄等，这是由于传输线的布线为离开并返回波导，比如，带线导体布线通过在SIW中的通孔之间的间隙。如前所述，多导体传输线可与波导共享共同特征。分支的传输线结构的根部端口440可操作地耦合到RF前端的其他组件上。
图5示出了根据本发明实施例的第一传输线结构和第二传输线结构的透视图。与图4类似，第一传输线结构为波导结构510，如SIW，而第二传输线结构为分支的多导体传输线结构520，如带线。而且，基本上，多导体传输线520的整个图示部分均集成于波导结构510内。这些传输线结构均在多层PCB内实现，例如，其中第一PCB层和第二PCB层上分别蚀刻有波导结构510的上、下表面并在PCB内的预定节距提供通孔以互联上、下表面，以及第一、第二层之间的第三PCB层蚀刻有带线导体特征。该带线可位于上、下表面之间的中心位置，或者该带线可以是距离其中一个表面较另一表面更近的偏移带线。类似地，在一些实施例中，带线可用微带代替，该微带在第一层和第二层之上或之下进行布线，因此处于SIW之外。分支的传输线结构的根部端口540可操作地耦合到RF前端的其他组件上。
如图5所示的传输线结构也可耦合到如图1所示的天线阵列。因为图1的天线阵列中的每第四元件为组合天线元件，所以传输线结构可由基本上对称序列的分叉分支形成。同样地，若天线阵列是这样一种天线阵列，其中每第k个元件为组合天线元件，k为2的幂次方，那么可以使用基本上对称序列的分叉分支。否则，可能需要一个不同的分支排列。应注意，k为2的幂次方适用于当双频带天线阵列的较高代表频率小于较低代表频率的2次幂的情况。如图5所示，多导体传输线结构520的4个终端或端口522的间距是波导结构510的16个终端或端口512的间距的约四倍。
当在LMDS和E-频带上馈电信号时，下述为一个适用于图5所示的传输线结构的波导和带线尺寸的示例。该波导宽度约为55密耳(或1.4mm)，带线宽度约为6密耳(或0.15mm)。
图6A至图6C示出了根据本发明另一实施例的第一传输线结构和第二传输线结构。相较于图5，SIW布线至部分传输线输出端口，而带线布线至所有传输线输出端口。图6A示出了一结构660，其以匹配的方式被蚀刻在PCB的两个不同层上。为了实现图5中的结构，连接通孔可以连接这些匹配结构的全部周边，且分支带线结构可布线于这些连接通孔之间。然而，在本实施例中，连接通孔以图6B所示的模式给出，由此实现分支SIW结构665，其布线至四个角端口670，而非图示的所有16个潜在的端口。具体地，通孔路径穿过结构660的内部。图6C示出了在PCB的另一层上设置的分支结构685，以完成分支带线或微带传输线，其布线至所有16个端口。如图所示，对于带线的情况，分支结构685的一些部分布线通过通孔围栏中的间距680，可以通过通孔布置形成此间距以利于布线。可替换地，通过将通孔在出口点处耦合至带线，可使带线从两个参考面之间分开或离去，所述通孔会通过其中一个参考面内的缝隙。
在不同的实施例中，第一传输线结构和第二传输线结构基本上对称。例如，从公共馈电端口到所提供的分支传输结构的每个天线连接端口的路径长度可基本上相等。另外，从公共馈电端口到所提供的分支传输结构的每个天线连接端口的路径形状也基本上相同。此外，沿着每条路径的分支模式和分支数量可基本上相同。在一些实施例中，一个或多个上述对称结构可有助于将连接至传输线结构的每个天线元件以基本同相，例如由于基本上相等的路径长度，以及分支之间基本上相等的功率分配而工作。本领域的工作人员将容易理解，关于表示对称、相等、相似术语的上述使用的词基本上分别含有一定变化范围的对称、相等、相似。例如该词基本上可以提供约5％的变化。然而，应理解，根据多模馈电网络的具体要求，在一些实例中，对称、相等、相似的5％变化会导致一个不希望的相位误差水平，而在其他示例中，对称、相等、相似中5％的变化则可以被接受。因此，更多的变化水平将被考虑在所述词基本上的定义的范围内。
本发明的一些实施例提供此处描述的包括双模传输结构的多层PCB。该PCB在多个层上可以包括对应于双模传输结构的蚀刻导电特征，例如：包括第一传输结构与第二传输结构交叉。该PCB还包括附加组件，例如：贴片天线元件、波导天线元件、用于耦合到其他信号处理电子器件的特征等，或上述组合。
在一个实施例中，以示例的顺序，PCB可以至少包括蚀刻有阵列中形成的多个微带贴片天线(MPA)元件的外部层、蚀刻有分支SIW结构的上接地面的第一内部层、蚀刻有到SIW结构内部的分支带线结构的第二内部层、以及蚀刻有分支SIW结构的下接地面的第三内部层。该PCB还包括将带线结构可操作地耦合至多个MPA元件的盲孔，所述孔被布线通过分支SIW结构的上接地面中的缝隙。缝隙还可以形成在分支SIW结构的上接地面上中以提供用于波导天线元件。波导天线元件可包含于组合天线元件和附加天线元件中的一个或两者。该附加天线元件可与组合天线元件交叉。进一步地，埋孔可被提供用于连接分支SIW结构的上接地面和下接地面以提供SIW。
与天线元件互联
此处描述的分支馈电网络的多个终端的每一个均可以多种方式可操作地耦合到阵列中的多个天线元件。本领域技术人员容易理解用于可操作地将给定类型的传输线耦合到给定类型的天线元件的不同技术。然而，当将一对集成的传输线可操作地耦合到组合天线元件中位于一处的一对天线元件时，需要仔细考虑以保证充分实现每个耦合的功能。
图7示出了根据本发明实施例的馈电网络和组合天线元件之间的互联，其中放大了纵向尺寸以便于参考。该馈电网络包括：含有上导电面740和下导电面745的波导，以及内嵌于该波导的带线730。该波导在其侧面也被界定，例如，在SIW情况下，由通孔围栏(未显示)界定。组合天线元件包括波导天线元件750和贴片天线元件710。
如图所示，波导天线元件750至少部分由波导的上导电面740中形成的缝隙提供。其他结构特征作为波导天线元件750的一部分被提供，例如，在缝隙周围并向外延伸形成的通孔和/或蚀刻导电特征，以及波导的接线端帽，如通孔围栏。
同样如图所示，贴片天线元件710配置于PCB层上，其与波导分离，并利用穿过波导表面中形成的缝隙的通孔720耦合至带线730。该波导表面还可以起到接地或参考面的作用，作为贴片天线元件的平衡面(counterpoise)。这可被视作为传输线结构交叉带来的另一个好处。
与其他系统组件的互联
此处描述的馈电网络可用于将天线阵列中的元件耦合至RF前端的其他组件上，如功率放大器、低噪声放大器等。这些天线元件可在分支的传输线结构的根部端口，例如，分别在图2至图5中所示的根部端口240、340、440和540耦合至馈电网络。在一些实施例中，每个传输结构是分离的，且耦合至不同的信号处理和/或信号产生电子器件上。
图8示出了根据本发明实施例的耦合至传输线结构的输入节点的转换电路，该传输线结构包括两条集成传输线，例如内嵌于SIW的带线。该转换电路包括双工器810，其配置用于接收宽带信号815以及使信号分叉，例如：利用功率分配器元件820，如T型接头。可从与两条集成传输线相关联的公共端口接收宽带信号。双工器810还包括耦合至功率分配器元件820的一对带通滤波器830、835。每个带通滤波器均耦合至天线阵列馈电网络中的一个传输线结构，且配置用于通过与其所耦合的传输线结构的另一端处所耦合的天线元件的工作频带相对应的信号频率分量。因此，例如，所述带通滤波器可配置用于通过分别对应于LMDS频带和E-频带的信号频率分量。
如本领域技术人员所容易理解的，其他组件，诸如阻抗匹配元件、开关、传输和/或接收放大器，例如功率放大器和低噪声放大器等，可耦合至所述转换电路，以处理从此处发送的或从此处接收的信号。
图9示出了根据本发明实施例的无线通信方法。该方法包括根据第一电磁传播模式传播910第一信号。该信号通过可操作地耦合到第一集合的天线元件的第一传输线结构传播。第一电磁传播模式可为TEM或准TEM模式，且相应地，第一传输线结构可为多导体传输线结构，如PCB的带线或微带。该方法还包括根据第二电磁传播模式传播920第二信号，该第二电磁传播模式不同于所述第一电磁传播模式。第二信号通过可操作地耦合至第二集合的天线元件的第二传输线传播，该第二集合的天线元件不同于所述第一集合的天线元件。该第二电磁传播模式可为TE或TM模式，且相应地，所述第二传输线结构可为波导结构，如PCB的SIW。在不同的实施例中，第一信号和第二信号可同时传播。不同的传输线结构之间的隔离有利于同时传播，例如：至少部分归功于模式隔离。
图10A为根据本发明实施例的分支结构的第一子部，其包括集成于SIW结构1010的带线结构1000。SIW结构可配置用于E-频带中的信号传输，而带线结构可配置用于LMDS频带中的信号传输。如图所示，SIW结构的所有分支包括带线结构的相应分支。第一子部可形成分支的传输线结构的一部分，例如图5的结构的中心部分。所述SIW结构和带线结构可被视作一对集成的四路功率分配器结构。图10B至图10F示出了所述第一子部的相关性能方面，包括通过所述结构的仿真和/或建模得到的S-参数频率响应。
从图5、图10A和图11A中还可见的是传输线结构的分支点处的曲线，此处可减少潜在的信号反射。进一步地，波导结构在分支点处变窄，由于应用了合适的阻抗匹配，这可进一步有利于信号传播。
图10B用图表示出了图10A的SIW结构1010的S-参数。第一曲线1020实际上代表多条接近同时出现的曲线，其示出了S21a、S31a、S41a、S51a，即图10A所示的SIW四路功率分配器的每个输出端口的传输系数，其中端口1为位于中下方的输入端口，端口2至端口5为剩余端口。第二曲线1025示出了S11a，即图10A所示的SIW四路功率分配器的输入端口的反射系数。
图10C用图表示出了图10A中的带线结构1000的S-参数。第一曲线1030实际上代表多条接近同时出现的曲线，其示出了S21b、S31b、S41b、S51b，即图10A所示的带线四路功率分配器的每个输出端口的传输系数，其中端口1为位于中下方的输入端口，端口2至端口5为剩余端口。第二曲线1035示出了S11b，即图10A所示的带线四路功率分配器的输入端口的反射系数。
图10D用图表示出了S-参数，表示图10A的SIW结构1010和带线结构1000之间的模式隔离。曲线1040示出了SIW传输线的输入端口和带线的输入端口之间的耦合系数。
图10E示出了SIW的第一子部中的E-频带RF能量的场分布。显见，此RF能量基本上在SIW所有所示的端口之间耦合。
图10F示出了SIW的第一子部中的LMDS频带RF能量的场分布。显见，此RF能量基本上局限于内嵌在SIW中的带线附近，并基本上在带线的所有所示的端口之间耦合。
图11A示出了根据本发明实施例的分支结构的第二子部，其包括集成于SIW结构1110的带线结构1100。SIW结构可配置用于E-频带中的信号传输，而带线结构可配置用于LMDS频带中的信号传输。如图所示，与图10相对比，只有SIW结构的一个分支包括带线结构的相应分支。该第二子部可形成分支的传输线结构的一部分，如图5所示结构的边缘部分。SIW结构和带线结构可被视为一对集成的功率分配器结构。图11B至图11F示出了第一子部的性能相关方面，包括通过所述结构的仿真和/或建模得到的S-参数频率响应。
图11B用图表示出了图11A的SIW结构1110的S-参数。第一曲线1120实际上代表多条接近同时出现的曲线，其示出了S21a、S31a、S41a、S51a，即在图11A所示的SIW四路功率分配器的每个输出端口的传输系数，其中端口1是位于中下方的输入端口，端口2至端口5为剩余端口。第二曲线1125示出了S11a，即图11A所示的SIW四路功率分配器的输入端口的反射系数。
图11C用图表示出了图1iA所示的带线结构1100的S-参数。第一曲线1130实际上代表多条接近同时出现的曲线，其示出了S21b，即图11A所示的带线的传输系数。第二曲线1135示出了S11b，即图11A所示带线的反射系数。
图11D用图表示出了表示图11A所示的SIW结构1110和带线结构1100之间的模式隔离的S-参数。曲线1140示出了SIW传输线的输入端口和带线的输出端口之间的耦合系数。
图11E示出了在SIW的第一子部内的E-频带RF能量的场分布。显见，该RF能量基本上在SIW所有所示端口之间耦合。
图11F示出了在SIW的第一子部内的LMDS频带RF能量的场分布。显见，此RF能量基本上被局限于内嵌在SIW中的带线附近，且仅基本上耦合在布线带线的2个端口之间。
图12示出了根据本发明实施例的包括馈电网络的手持无线设备1200。该馈电网络可为双模传输线结构。无线设备包括具有天线元件阵列的PCB 1210，以及可操作地耦合至该天线元件阵列的分支的双模传输线结构1220。该手持无线设备1200可包括多种可操作地互联的电子元件，其可包括信号处理组件、控制组件、RF前端组件、微处理器、微控制器、存储器(随机存取存储器、flash存储器等)、集成电路等中的一个或多个。
图13示出了根据本发明实施例的包括馈电网络的无线路由器1300。该馈电网络可为双模传输线结构。该无线路由器包括具有天线元件阵列的PCB 1310，以及可操作地耦合至该天线元件阵列的分支的双模传输线结构1320。该无线路由器1300可包括多种可操作地互联的电子元件，其可包括信号处理组件、控制组件、RF前端组件、微处理器、微控制器、存储器(随机存取存储器、flash存储器等)、集成电路等中的一个或多个。
虽然本发明的描述是参考了其具体特征和实施例，但很明显，可以在不偏离本发明的情况下做出多种修改和组合。因此，说明书和附图可以简单地被认作是对附加的权利要求所定义的发明的说明，且被期望于包括落入本发明范围内的任意和所有修改、改变、组合或等同物。

Claims (20)

1.一种用于天线阵列的馈电网络，包括：
第一传输线结构，配置用于根据第一电磁传播模式传播信号，所述第一电磁传播模式对应于横电磁(TEM)或准TEM模式，所述第一传输线结构可操作地耦合到所述天线阵列的第一集合的天线元件；以及
第二传输线结构，配置用于根据第二电磁传播模式传播信号，所述第二电磁传播模式对应于横电(TE)和横磁(TM)模式的其中之一，所述第二传输线结构可操作地耦合到所述天线阵列的第二集合的天线元件，所述第二集合的天线元件不同于所述第一集合的天线元件。
2.根据权利要求1所述的馈电网络，其中所述第一传输线结构为多导体传输线结构，所述第二传输线结构为波导结构，且其中，所述多导体传输线的一个导体对应于所述波导结构的传导边界。
3.根据权利要求2所述的馈电网络，其中所述多导体传输线结构包括第一多个分支，所述第一多个分支的每个分支在与所述第一集合的天线元件的相应一个元件的附近终止，且其中，所述波导结构包括第二多个分支，所述第二多个分支的每个分支在与所述第二集合的天线元件的相应一个元件的附近终止，且其中，所述第一多个分支的数量少于所述第二多个分支的数量。
4.根据权利要求3所述的馈电网络，其中所述第一多个分支的至少一个分支与所述第二多个分支的至少一个分支共同终止，所述第一多个分支的至少一个分支可操作地耦合到组合天线元件的第一部分，且所述第二多个分支的至少一个分支可操作地耦合到组合天线元件的第二部分，所述组合天线元件的第一部分包括所述第一集合的天线元件的元件，且所述组合天线元件的第二部分包括所述第二集合的天线元件的元件。
5.根据权利要求2所述的馈电网络，其中所述多导体传输线结构为在印刷电路板(PCB)内设置的带线结构或微带结构，所述波导结构为所述PCB内设置的基片集成波导(SIW)结构，所述第一集合的天线元件为微带贴片天线元件，所述第二集合的天线元件为波导天线元件，所述波导天线元件至少部分与所述SIW结构中形成的缝隙对应。
6.根据权利要求1所述的馈电网络，其中所述第一传输线结构包括第一多个分支，所述第一多个分支的每个分支耦合到所述第一集合的天线元件中的相应一个元件，且其中，所述第二传输线结构包括第二多个分支，所述第二多个分支的每个分支耦合到所述第二集合的天线元件的相应一个元件。
7.根据权利要求1所述的馈电网络，其中所述第一集合的天线元件的至少一个与所述第二集合的天线元件的至少一个相结合，以形成由所述第一传输线结构和所述第二传输线结构馈电的相应组合天线元件。
8.根据权利要求1所述的馈电网络，其中所述第一传输线结构为多导体传输线结构。
9.根据权利要求8所述的馈电网络，其中所述多导体传输线结构为在印刷电路板内设置的带线结构或微带结构。
10.根据权利要求1所述的馈电网络，其中所述第二传输线结构为波导结构。
11.根据权利要求10所述的馈电网络，其中所述波导结构为在印刷电路板内设置的基片集成波导结构。
12.根据权利要求1所述的馈电网络，进一步包括将所述第一传输线结构和所述第二传输线结构耦合到公共端口的双工器。
13.根据权利要求1所述的馈电网络，其中所述第一传输线结构和所述第二传输线结构中的至少一个包含多个对称分支。
14.根据权利要求13所述的馈电网络，其中所述多个对称分支提供从公共端口至各自的多个天线端口的相应多条路径，所述多条路径具有基本上相等的长度。
15.一种无线通信方法，包括：
根据第一电磁传播模式通过第一传输线结构传播信号，所述第一传输线结构可操作地耦合到第一集合的天线元件，所述第一电磁传播模式对应于横电磁(TEM)或准TEM模式；以及
根据第二电磁传播模式通过第二传输线结构传播信号，所述第二传输线结构可操作地耦合到第二集合的天线元件，所述第二集合的天线元件不同于所述第一集合的天线元件，所述第二电磁传播模式对应于横电(TE)和横磁(TM)模式其中之一。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一传输线结构为多导体传输线结构，所述第二传输线结构为波导结构，所述多导体传输线的一个导体对应于所述波导结构的一个传导边界，且其中通过所述第一传输线结构传播所述信号与通过所述第二传输线结构传播所述信号同时执行。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一传输线结构包括第一多个分支，所述第一多个分支的每个分支耦合到所述第一集合的天线元件的相应一个元件，且所述第二传输线结构包括第二多个分支，所述第二多个分支的每个分支耦合到所述第二集合的天线元件的相应一个元件，其中，通过所述第一传输线结构传播所述信号包括沿着所述第一多个分支传播所述信号，且其中，通过所述第二传输线结构传播所述信号包括沿着所述第二多个分支传播所述信号。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括双工宽带信号至所述第一传输线结构和所述第二传输线结构。
19.一种无线设备，包括：
用于天线阵列的馈电网络，其包括配置用于根据第一电磁传播模式传播信号的第一传输线结构，所述第一电磁传播模式对应于横电磁(TEM)或准TEM模式，所述第一传输线结构可操作地耦合到所述天线阵列的第一集合的天线元件，并且所述馈电网络包括根据第二电磁传播模式传播信号的第二传输线结构，所述第二电磁传播模式对应于横电(TE)和横磁(TM)模式其中之一，所述第二传输线结构可操作地耦合到所述天线阵列的第二集合的天线元件，所述第二集合的天线元件不同于所述第一集合的天线元件。
20.根据权利要求19所述的无线设备，其中所述无线设备是手持无线设备或无线路由器设备。
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