CN107408756A - 介质谐振器天线元件 - Google Patents

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CN107408756A CN201580077016.5A CN201580077016A CN107408756A CN 107408756 A CN107408756 A CN 107408756A CN 201580077016 A CN201580077016 A CN 201580077016A CN 107408756 A CN107408756 A CN 107408756A
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塔瑞克·狄冉菲
吴柯
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Abstract

公开了一种用于发射或接收射频的介质天线元件。在一实施例中，所述介质天线元件包括基板、由所述基板支撑的微带元件以及至少一个第一介质覆盖层，该覆盖层置于所述基板上方并与所述基板间隔开，其中所述至少一个覆盖层包括介于2和10之间的介电常数。

Description

介质谐振器天线元件
相关申请
本专利申请要求于2015年3月30日提交的题为“介质谐振器天线元件”的14/673,734号美国专利申请的优先权，其全部内容在此通过引用如同全文复制一般并入本文。
技术领域
本发明一般涉及介质谐振器天线，并且在具体实施例中，涉及包括覆盖层的微带天线。
背景技术
微带天线很普遍并被广泛使用。它具有吸引人的特点，如重量轻，尺寸小，剖面低，易于制造，以及易于与有源组件集成。
发明内容
根据本发明一实施例，用于发射或接收射频的介质天线元件包括基板，由所述基板支撑的微带元件，和至少一个第一介质覆盖层，该至少一个第一覆盖层置于所述基板上方并与所述基板间隔开，其中所述至少一个覆盖层包括介于2和10之间的介电常数。
根据本发明一实施例，用于发射或接收射频的介质天线元件包括基板，由所述基板支撑的微带元件，和至少一个第一介质覆盖层，该至少一个第一覆盖层置于所述基板上方并与所述基板间隔开，其中所述至少一个第一覆盖层包括的厚度大体上为λ3/2的非零整数倍，且其中所述至少一个第一覆盖层与所述基板以距离t2间隔开，且其中所述距离t2大体上是λ2/2的非零整数倍，但不是λ2/2的非零整数倍+λ2/4。
根据本发明一实施例，一种设备包括用于发射或接收射频的介质天线元件，其中所述介质天线元件包括基板，由所述基板支撑的微带元件，和至少一个介质覆盖层，该至少一个覆盖层置于所述基板上方并与所述基板间隔开，其中所述至少一个覆盖层包括介于2和10之间的介电常数。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，现参考以下结合附图进行的描述，其中：
图1A示出了具有和不具有介质覆盖层的增益图；
图1B示出了根据一实施例的介质天线的透视图；
图2示出了根据一实施例的介质天线元件的截面图；
图3A示出了具有不同介电常数的介质天线元件的增益变化；
图3B示出了具有不同厚度的介质覆盖层的介质天线元件的增益变化；
图3C示出了具有不同厚度的介质覆盖层的介质天线元件的阻抗匹配；
图3D示出了介质覆盖层和板之间的不同距离的增益变化；
图3E示出了介质覆盖层和板之间的不同距离的前后比变化；
图3F示出了介质覆盖层和板之间的不同距离的交叉极化电平的变化；
图4A示出了根据另一实施例的介质天线元件的截面图；以及
图4B示出了两个透镜(介质覆盖层)相对于一个透镜(介质覆盖层)的增益。
具体实施方式
通常，与印刷天线相关的主要缺点之一是低增益。在接地基板上的典型赫兹偶极天线的增益约为6dB。尽管，近来通过添加覆盖层使印刷天线得以改进，但它们仍然在宽带宽上缺乏高增益。所述改进的天线包括基板上方的ε＞＞1(通常ε＝10且更高)和/或μ＞＞1(通常μ＝10且更高)的覆盖层。所述增益随ε或μ成正比例变化。然而，所述增益随所述带宽成反比变化，并且由于实际中天线操作的原因，需要为合理的宽带宽建立增益限制。
现有技术文献讲述了覆盖层和基板之间的距离应为波长的四分之一，并且地和覆盖层之间的距离应为波长的一半，以便为高增益提供谐振条件。然而，这两个距离之间的关系很复杂。
本申请的实施例在宽带宽上提供改善的谐振增益。进一步的实施例提供一种设置或堆叠在微带元件上方的介质覆盖层(或介质层)，其中所述介质覆盖层具有小于10的介电常数。所述介质覆盖层是天线的一部分。介质覆盖层的不同厚度和介电常数对天线效率和增益具有显著影响。其他实施例通过在距离由所述基板支撑的所述微带元件一段选定的距离处堆叠介质覆盖层来提供天线效率和增益的改善。图1A示出了介质天线元件相对于常规天线元件的的改进。
这些布置的优点在于可以增加天线的增益，而不会增加平面结构的尺寸和占用面积，进而不会增加板的尺寸和占用面积。所述介质覆盖层可以用作透镜，以集中发射的射频并提高所述增益。
图1B示出了根据一实施例的具有介质天线的天线阵列10的透视图。所述阵列10可以包括置于板11上的32×32介质天线元件或16×16介质天线元件。在其他实施例中，所述介质天线阵列10可以包括其他布置。所述介质天线元件可以是介质微带天线。
空气或泡沫间隔层12位于板11和覆盖层板或介质板13之间。介质覆盖层13可以经由支撑结构(未示出)固定或附着到板11。在其他实施例中，当泡沫置于板11和介质覆盖层板13之间时，间隔层12可不包括支撑结构。图1B示出了作为间隔层12厚度的厚度t2和介质覆盖层板13厚度的厚度t3。介质板13的厚度t3可以与λg/2成正比，并且间隔层12的厚度t2可以与λ0/2成正比。在一些实施例中，介质层13具有的介电常数ε3介于2和10之间、2和8之间或介于2和5之间。在其他实施例中，介质板13具有的介电常数ε3介于2和3之间。
介质覆盖层13可以经由间隔层12连接到板11，间隔层12包括如塑料支撑件的绝缘支撑件。所述塑料支撑件可以是尼龙螺钉，其包括如尼龙螺母的调节部件以相对于板11调节覆盖层13。介质覆盖层13可以经由引脚或其他间隔物连接到板11。所述引脚或间隔物可以通过粘合材料，例如粘合剂膏或胶带来固定到介质覆盖层13和板11。或者，介质覆盖层13可以包括一体化的绝缘支撑件，例如由与介质覆盖层13相同的材料和/或相同的工艺制成的间隔物。
所述绝缘支撑件可以布置在天线阵列10的边缘周围或天线阵列10的角上。在替代实施例中，所述绝缘支撑件可以布置在阵列10中(例如，在天线元件之间)和/或围绕天线阵列10的边缘。在一些实施例中，介质覆盖层13形成为具有中空空间的壳体。
在一些实施例中，天线阵列10配置为在10GHz到720GHz的频率范围内运作。在其他实施例中，天线阵列10可以在10GHz到80GHz的频率范围内运作，或者，在50GHz到70GHz之间的频率上运作。在另一些替代实施例中，天线阵列10可以在10GHz到30GHz的范围内运作。
天线阵列10的优点在于其结合了高增益和宽通带性能。此外，天线阵列10显示出优异的前后比水平，最佳交叉极化电平，出色的阻抗匹配水平和其他引人注目的性能水平。因此，与介质天线的常规布置相比，所述增益在较宽的频带上要高得多。
图2示出了天线阵列10的单个介质天线元件100的截面图。从图1可以看出，所述介质天线元件可以描述为具有四层(层1-4)的层布置。这些层布置在彼此的顶部。层1包括基板或板110，层2包括包含空气或泡沫的间隔层120，层3包括介质覆盖层130，以及层4包括自由空气140。天线元件150置于基板110上，嵌入基板110中或由基板110支撑。
通过使用由基板110支撑的天线元件150和具有适当的介电常数ε3(例如，ε3在2和3之间)的介质覆盖层130，并改变它们之间的距离t2，可以满足谐振条件并且可以获得高增益。谐振增益的值是覆盖层130的厚度t3和间隔层的厚度t2(或板110和覆盖层130之间的距离)的函数。本发明的一些实施例可以示出最佳距离t2约为λ0/2，并且最佳距离t3约为λg/2。
基板110可以是电路板或印刷电路板。板110可以包括具有介电常数ε1的介质基板。板110可以包括位于板110的背面上的接地平面160，而天线元件150位于板110的前侧。或者，接地平面160可位于板110内或横向邻近于天线元件150。接地平面160包括如金属(例如，铝，铜，或其合金)的导电材料。不包括接地平面160的板110的厚度为t1。在一些实施例中，厚度t1可以是0.2mm至5mm，更具体地，可以是0.2mm至2mm，或者0.5mm。
天线元件150可以是平面天线元件或准平面天线元件。天线元件150可以是微带。所述微带可以是矩形贴片、环形贴片或椭圆贴片。天线元件150可以是诸如八木(Yagi)天线或孔径天线的偶极天线。天线元件150可以嵌入在板110中或置于板110上。所述天线元件可以具有1μm-50μm或15μm-30μm的厚度。
间隔层120包括空气，泡沫或空气和泡沫的组合，其将板110与介质覆盖层130分隔开。包括空气的间隔层120具有约为1的介电常数ε2，包括泡沫的间隔层120具有接近1的介电常数ε2，例如在1和1.6之间。
泡沫聚乙烯(RG-58/U) 1.30
泡沫聚乙烯(RG-58/AU) 1.37
泡沫聚乙烯(RG-8/U) 1.16
泡沫聚乙烯(RG-59/U) 1.20
泡沫聚乙烯(RG-11/U) 1.20
聚乙烯(RG-174/U) 1.52
间隔层120可以具有厚度t2。为了获得最佳增益，可以根据下面提供的公式为选定的频率或频率范围选择厚度t2。在一些实施例中，间隔层120的厚度t2可以在1mm和10mm之间。
介质覆盖层130包括介质材料。可以选择具有不同介电常数ε3的介质材料，视天线元件的设计和应用而定。介电常数ε3可以约为3(例如ε3＝2.9)或介于2和3之间。在一些实施例中，介电常数ε3在2和10之间，在2和8之间，或者在2和5之间。即使介质覆盖层130的不同介电常数ε3的增益相似，但正如从图3A可知，相比于更高的介电常数，较低的介电常数预示更高的增益。这与常规认知相反，后者通常要求介电常数ε3为10或更大。
介质覆盖层130可以是绝缘材料。所述绝缘材料可以是特氟龙(Teflon)，陶瓷，硅，尼龙，玻璃，石英或这些材料的组合。在实施例中，绝缘材料可以是罗杰斯公司(RogersCorporation)的6002。
在一些实施例中，介质覆盖层130包括多个介质层。所述多个介质层可以包括具有相同介电常数的层或具有不同介电常数的层。在一实施例中，具有较高介电常数的层面向板110，而在另一个实施例中，具有较高介电常数的层背向所述板。
此外，介质覆盖层130可以具有厚度t3。图3B示出了厚度t3对增益的影响。所述增益可以随着厚度t3而增加。当将介质覆盖层130的厚度t3设置为半波长λg(λg是覆盖层130中的波长)的非零整数倍时，可以实现谐振条件并因此实现高增益。厚度t3可以根据以下公式来选择：
其中n是非零整数。图3B示出了当n＝2时的增益比n＝1时更高。
图3C示出了对于介质覆盖层130的不同厚度t3在电源端口S11处的阻抗匹配。可以看出，当厚度t3约为λg/2的非零整数倍时，介质覆盖层130在宽带宽(例如，60GHz-66GHz)上具有小于约20％的反射(-10dB)。在一些实施例中，当覆盖层130的厚度t3是λg/4的奇数整数倍时，介质天线元件的性能可能较差。因此，在一些实施例中，不推荐具有厚度为λg/4，3λg/4或5λg/4等的厚度t3。
因此，当将介质覆盖层130的厚度t3设置为：
时，可实现宽带宽上的高增益。
为了宽带宽上的最佳增益，介质覆盖层厚度t3可以设置为n＝1，并因此大体上λg/2。大体上λg/2意味着λg/2的+/-5％或更小，并且大体上λg/2的非零整数倍意味着λg/2的非零整数倍的+/-5％或更小。在一些实施例中，介质覆盖层厚度t3可以是1mm至10mm，或更具体地，1mm至2mm，或者1.5mm。
为了良好的增益，可以通过将距离t2设置到适当的位置来满足另一谐振条件。介质覆盖层130相对于板110的位置可以根据以下公式来设置：
在该等式公式中，λ2是间隔层中的波长(如果使用空气，则为自由空间λ0)，并且n是整数。图2d示出了当介质覆盖层130设置在具有n＝1，2，3等局部最大值的位置时，正向增益增大。可以针对约为与λ2/2成正比的t2的厚度优化交叉极化电平，并且可以针对与λ2/2成正比的厚度t2优化前后比。这在图3E和3F中示出。在一些实施例中，所述前后比可以被定义为最大正向增益方向和与之反向180度的另一方向之间的增益差。所述正向增益方向被认为与覆盖层130正交，并远离表面进入层4(空气)，反向增益方向被认为与板110正交，且远离所述板的底面。间隔层的厚度t2可以大体上为λ2。大体上λ2/2意味着λ2/2的+/-5％或更小。
因此，厚度t2可以针对λ2/2进行优化，而非如对于常规天线装置所建议的λ2/4。在一些实施例中，厚度t2大体上是λ2/2的非零整数倍，但不是λ2/2的非零整数倍+λ2/4，例如与λ2/4，3λ2/4或5λ2/4等成正比。在一些实施例中，可以选择用于频带的介质覆盖层的厚度t3，使得覆盖层130中的波长λg是所述频带的中间波长，和/或可以选择间隔层120的厚度t2，使得间隔层中的波长λ2是所述频带的中间波长。例如，对于50GHz-70GHz频带(中频为60GHz)，覆盖层130的厚度t3为约2.9mm(对于介电常数ε3为2.9的覆盖层)，并且间隔物120层的厚度t2约为5mm。类似地，用于71GHz-76GHz频带的覆盖层130的厚度t3约为2.4mm(介电常数ε3为2.9)，并且间隔层120的厚度t2约为4mm。此外，用于81GHz-86GHz频带的覆盖层的厚度t3约为2mm(介电常数ε3为2.9)，间隔层120的厚度t2约为3.6mm。最后，用于92GHz-95GHz频带的覆盖层130的厚度t3约为1.9mm(介电常数ε3为2.9)，并且间隔层120的厚度t2约为3.2mm。
图4A示出了介质天线元件200的另一实施例。该实施例中，介质天线元件200具有两个透镜而非一个透镜。
图4A示出了天线阵列10的单个介质天线元件200的截面图。从图4A可以看出，所述介质天线元件可以描述为具有六层(层1-6)的层布置。这些层被布置在彼此的顶部。层1包括基板或板210，层2包括包含空气或泡沫的第一间隔层220，层3包括第一介质覆盖层230，层4包括包含空气或泡沫的第二间隔层240，层5包括第二介质覆盖层250，并且层6包括自由空气260。天线元件270置于基板210上，嵌入基板210中或由基板210支撑。前四层可以具有与图2中的四层相同的属性和特征。第一和第二介质覆盖层230，250的材料和介电常数可以相同或不同。介质覆盖层230，250的厚度t3和t5可以相同或不同。间隔层220，240的距离t2和t4可以相同或不同。因为在一些实施例中，所述第一和第二覆盖层的介电常数ε3和ε5不同，因此从这些覆盖层中经过的光的波长λg(例如，λ3和λ5)也不同。类似地，由于所述第一和第二间隔层的介电常数ε2和ε4可以不同，因此穿过间隔层的光的波长λ2和λ4可以不同。在其他实施例中，所述覆盖层的介电常数相同，并且所述间隔层的介电常数相同。在另一些其他实施例中，所述覆盖层的介电常数不同(相同)，并且所述间隔层的介电常数相同(不同)。
天线元件200包括板210，第一介质覆盖层230，其具有适当的第一厚度t3和适当的第一介电常数ε3(例如，介于2至3之间的ε3)，第二介质覆盖层250，其具有适当的第二厚度t5和适当的第二介电常数ε5(例如，介于2至3之间的ε5)，并且第一和第二间隔层220，240的适当距离t2和t4可以满足宽带宽上的高增益。所述谐振增益的值和所述通带的宽度是覆盖层230，250的厚度t3和t5以及间隔层220，240的厚度t2和t4的函数。
这种布置的优点在于具有两个透镜的介质天线的增益可以比具有单个透镜的介质天线的增益更高。此外，另一个优点在于辐射图的3dB光束宽度可以更小。这可以从图4B中看到。
本发明的实施例可以提供具有三个或更多个介质覆盖层的介质天线。
本发明的实施例可以应用于汽车应用，例如汽车雷达，或通信应用，如基站或用户设备(例如，手持设备)中的收发器应用。
虽然已经参考说明性实施例对本发明进行了描述，但是本说明书并不旨在被解释为限制性的。在参考该描述后，这些说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (21)

1.一种用于发射或接收射频的介质天线元件，包括：
基板；
由所述基板支撑的微带元件；以及
至少一个第一介质覆盖层，置于所述基板上方并与所述基板间隔开，其中所述至少一个第一覆盖层包括介于2和10之间的介电常数。
2.根据权利要求1所述的介质天线元件，其中所述至少一个第一覆盖层包括介于2和5之间的介电常数。
3.根据权利要求1所述的介质天线元件，其中所述至少一个第一覆盖层包括介于2和3之间的介电常数。
4.根据权利要求1所述的介质天线元件，还包括至少一个第二介质覆盖层，所述第二覆盖层置于所述至少一个第一介质覆盖层上，并与所述至少一个第一介质覆盖层间隔开，所述至少一个第二覆盖层的介电常数介于2和10之间。
5.根据权利要求1所述的介质天线元件，其中，所述基板是印刷电路板。
6.根据权利要求1所述的介质天线元件，其中，所述至少一个第一介质覆盖层包括大体上为λg/2的厚度。
7.根据权利要求1所述的介质天线元件，其中所述至少一个第一介质覆盖层与所述基板以距离t2间隔开，并且其中所述距离t2大体上是λ0/2的非零整数倍，但不是λ0/2的非零整数倍+λ0/4。
8.根据权利要求1所述的介质天线元件，其中所述至少一个第一介质覆盖层包括多个介质层。
9.根据权利要求1所述的介质天线元件，其中，所述微带元件包括微带元件阵列。
10.根据权利要求1所述的介质天线元件，其中所述至少一个第一覆盖层通过间隔层与所述基板间隔开，并且其中所述间隔层包括空气或泡沫。
11.一种用于发射或接收射频的介质天线元件，包括：
基板；
由所述基板支撑的微带元件；以及
至少一个第一介质覆盖层，置于所述基板上方并与所述基板间隔开，其中所述至少一个第一覆盖层包括第一厚度t3，所述第一厚度t3大体上为λ3/2的非零整数倍，其中所述至少一个第一覆盖层与所述基板以第一距离t2间隔开，并且其中所述距离t2大体上是λ2/2的非零整数倍，但不是λ2/2的非零整数倍+λ2/4。
12.根据权利要求11所述的介质天线元件，其中所述至少一个第一覆盖层包括介于2和5之间的介电常数。
13.根据权利要求11所述的介质天线元件，其中所述至少一个第一覆盖层包括介于2和3之间的介电常数。
14.根据权利要求11所述的介质天线元件，还包括至少一个第二介质覆盖层，置于所述至少一个第一介质覆盖层上方并与所述至少一个第一介质覆盖层间隔开，其中所述至少一个第二覆盖层包括大体上为λ5/2的非零整数倍的第二厚度，并且其中所述至少一个第二覆盖层与所述至少一个第一覆盖层以距离t22间隔开，并且其中所述距离t2大体上是λ4/2的非零整数倍，但不是λ4/2的非零整数倍+λ4/4。
15.根据权利要求11所述的介质天线元件，其中，t3大体上为λ3/2，且t2大体上为λ0/2。
16.根据权利要求11所述的介质天线元件，其中，所述微带元件包括微带元件阵列。
17.根据权利要求11所述的介质天线元件，其中所述至少一个第一覆盖层通过间隔层与所述基板间隔开，并且其中所述间隔层包括空气或泡沫。
18.一种设备，包括：
介质天线元件，用于发射或接收射频，其中所述介质天线元件包括：
基板；
由所述基板支撑的微带元件；以及
至少一个介质覆盖层，置于所述基板上方并与所述基板间隔开，其中所述至少一个覆盖层包括介于2和10之间的介电常数。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述设备是基站。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述设备是用户设备。
21.根据权利要求18所述的设备，其中所述设备是汽车雷达。
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