CN107615588B - 贴片天线系统 - Google Patents

Abstract

贴片天线系统。提供了一种具有更宽的带宽、更好的角度轴比和受控辐射图案的贴片天线。中心固定的贴片天线被电抗性或电阻性负载外围单极子包围，作为表面波激励寄生辐射器。环绕的单极子可以与贴片印刷在同一基板上，并且可采取螺旋(针轮)形状。

Description

贴片天线系统

技术领域

本发明涉及一种贴片天线系统。

背景技术

贴片天线由于其平面构造以及易于与电路板集成而通常被认为是用于高性能GNSS多频带天线。贴片天线具有许多要注意的缺点，包括例如窄带宽和高方向性。因为贴片天线基于平面谐振器，所以它们通常在一个特定频率下最佳操作。尽管已经使用了几种技术来增加可用于贴片天线的带宽，但是仍然难以实现所需的带宽。当基板材料和给定的物理尺寸有限时，尤其如此。贴片天线需要特定尺寸(通常是一半的导波波长)以在操作频率下谐振，因此波束宽度(以及因此的辐射图案滚降)通常使用给定的材料和技术来固定。

发明内容

现有技术的缺点通过提供具有外围寄生单极子圆形阵列的贴片天线来克服。天线例示性地包括三个元件。第一元件包括贴片天线。该贴片天线可以包括单层或堆叠层贴片天线。第二元件包括一组电抗性/电阻性负载的单极子，其对称地围绕所述贴片天线。所述单极子可以被特定相位延迟线终止。第三元件包括接地平面。

附图说明

参照以下附图来描述以上和其它优点，在附图中，相同的附图标记表示相同或功能上相似的元件：

图1是根据本发明的例示性实施方式的示例性天线的立体图；

图2A是根据本发明的例示性实施方式的示例性天线的俯视立体图；

图2B是根据本发明的例示性实施方式的示例性天线的侧立体图；

图3是根据本发明的例示性实施方式的TM表面波沿着金属/空气表面的传播的视图；

图4是例示根据本发明的例示性实施方式的贴片天线激励表面波与天线的相互作用的视图；

图5A是根据本发明的例示性实施方式的由垂直线单极子包围的贴片天线的立体图；

图5B是根据本发明的例示性实施方式的由倒L型单极子包围的贴片天线的立体图；

图5C是根据本发明的例示性实施方式的由印刷的带状倒L型螺旋单极子包围的贴片天线的立体图；

图5D是根据本发明的例示性实施方式的由倒L型螺旋单极子的多阵列包围的贴片天线的立体图；

图6是例示根据本发明的例示性实施方式的天线的主动回波损耗的曲线图；

图7是例示根据本发明的例示性实施方式的辐射图案的一组曲线图；

图8A是根据本发明的例示性实施方式的替代辐射图案的视图；

图8B是根据本发明的例示性实施方式的替代辐射图案的视图；以及

图8C是根据本发明的例示性实施方式的替代辐射图案的视图。

具体实施方式

根据本发明的例示性实施方式构造的贴片天线利用针轮形环绕单极子辐射器来激发由贴片激发的表面波。这种天线相对于现有技术具有几个优点。第一，根据本公开的原理制造的天线由于多个环绕单极子辐射器的耦合而具有大幅改善的带宽。第二，根据本公开的原理的贴片天线提供由于表面波电流操纵而导致的减小的交叉极化。另外，通过使用多个馈源(feed)和顺序旋转激励的螺旋形针轮环绕辐射器来改善圆形极化。第三，根据本公开的天线提供了波束成形能力，因为环绕辐射器的位置、形状和折射系数可以有所变化，从而改变辐射图案。

图1是根据本发明的例示性实施方式的示例性天线105的立体图100。视图100概括地示出根据例示性实施方式的贴片天线的各种元件。图2A是天线105的俯视立体图200A，其更详细地例示了根据本发明的例示性实施方式的各种元件。天线105例示性地包括接地平面205，一个或更多个贴片天线220覆加在该接地平面205上。一个或更多个馈送点225可操作地连接到贴片天线220。多个单极子210围绕贴片天线220布置。在某些例示性实施方式中，单极子可以用相位延迟线215终止。

图2B是根据本发明的例示性实施方式的示例性天线的侧立体图200B。如可以看出的，一个或更多个贴片天线220可以以堆叠构造进行布置。示出了三个贴片天线；然而，应当注意，在替代实施方式中，可以利用任何数量。因此，对三个天线220的描述和例示应仅被认为是示例性的。

贴片天线在形成在金属贴片和接地平面之间的谐振槽环处辐射。由于用于天线的电介质基板通常具有截短的边缘，因此它并不支持电介质/金属界面界定的表面波的传播。然而，贴片边缘中的散射场会沿着空气-金属(接地平面)表面发射TM表面波。图3是TM表面波沿着金属/空气表面的传播的图示300。这样的表面波在光学中也被称为表面等离子体激元，并且在微波频率下，它以非常低的衰减因子在周围空间中延伸很大距离。这样的波的H场(磁场)横向于传播方向，其中，对应的纵向表面电流在金属导体上流动；而E场(电场)与分布在金属顶部的振荡(在辐射波的频率下)电荷相关联，因此形成沿着纵向方向垂直跳进和跳出表面的环。该环以几乎自由空间的光速传播。因此其通常被描述为表面电流，而不是微波中的表面波，事实上，它们与任何导体上的正常交流电流没有太大差异。

表面波从形成的贴片-槽环一直行进到截短的接地平面的边缘，然后将发生衍射，其中，所述表面波重新辐射到空间，就像金属边缘是点源一样。这些辐射有助于天线在所有方向(上半球、下半球和地平线)的远场。对于GNSS应用，这些意外的辐射通常增加了来自多路的噪声信号或附近干扰的接收。已经使用了诸如阻塞环和电阻式隐形接地平面的几种技术来抑制或衰减TM表面电流的传播。平坦金属片上的波的表面阻抗如下式进行推导：

其中，σ是金属电导率，δ是趋肤深度。根据该等式，导体表面通常表现出低表面阻抗。

图4是根据本发明的例示性实施方式的贴片天线激励表面波与天线的相互作用的图示400。例示性地，表面波由贴片天线产生，然后在其到达地的边缘之前行进并撞击周围的单极子元件。根据RLC回路的负载阻抗(Z_L R//L//C RL|jX_L，它是R、L和C的组合，可被设计成控制其与端口处的单极子的输入阻抗的匹配)，寄生单极子中感生出的表面波信号中的某个部分首先被引导通过相位延迟线，并然后被反射(散射)和重新辐射。单极子处的反射系数是

其中，Z₀是延迟线的特征阻抗。如果负载是阻性的(R只在负载回路中，X_L＝0)，则表面波功率中的某部分衰减：

在短路(Z_L＝0)的情况下，在单极子端口处发生全反射并且单极子“捕获的”功率被完全重新辐射：

如果负载是无损耗(R_L＝0)并且电抗性的，则反射系数读作：

其中，是端接负载对Z₀的归一化电抗。根据该等式，得知通过改变延迟线的电抗值和长度，使被反射信号的相位是可控制的：

等式(6)揭示了两点。第一，可通过调谐电抗负载来改变来自每个单极子的重新辐射信号的相位。第二，当负载电抗较小时，与非常大的电抗相比，相位有更显著的改变。

重新辐射的功率的大小也将取决于单极子的结构，例如，单极子的高度和形状限定了要引入多少功率以及辐射效率。通常，寄生元件接近谐振以更有效地重新辐射表面波，即，当单极子的总长度接近多个四分之一导波波长时，系统达到最高效率。

假设中心贴片的激励电流为I_n并且对应的辐射远场为并且外围N个单极子沿环等距离间隔，根据圆形天线阵列理论，总辐射电场被写为来自所有辐射器的分布场的叠加

其中，k是自由空间波数，k_N是表面波波数(k_N≈k)，d是从中心贴片到环绕的单极子环的距离(环的半径)，Γ_n是寄生单极子n处的反射系数，并且表示由单个单极子元件[1]辐射的场。通过改变贴片与周围单极子之间的距离和反射系数(幅度和相位)，可合成某种类型的辐射图案。基于这一原理，单馈电抗性波束转向或空转向(null-steered)天线成为可能。

该构思可类似于反射阵列来解释，其中，电抗性端接天线元件放置在面向源激励器的反射器位置处，以实现非常高的增益或可转向的波束天线阵列。在当前方案中，所述源是由天线产生的表面波，并且反射器阵列与所述源位于同一平面中。另一方面，该单极子结构也可以解释为将表面波散射到空间的高阻抗表面(阻抗远高于表面波阻抗)。

由于这个过程，环绕的寄生单极子充当主贴片天线的负载，降低了贴片谐振器的质量(Q)因子。这导致天线的带宽显著增加。另外，这个过程造成天线的近场和远场改变，因此天线的辐射图案可以有所变化。这种变化的一个示例在于，滚降可以减小或增大。如本领域技术人员将理解的，这对于GNSS应用来说，有时候是期望的。另外，由于通过有意添加寄生辐射器来操纵接地边缘处的不需要的衍射，因此可以改善低仰角处的轴向比。

图5A至图5D例示了本发明的各种替代实施方式。示例性视图500A(图5A)是由垂直线单极子210包围的贴片天线220。在替代实施方式中，单极子可以连接到相位延迟线215。视图500B(图5B)是替代实施方式，其中，单极子210呈倒L的形状。图5C是替代实施方式的俯视立体图，其中，贴片天线被印刷的带状倒L螺旋单极子包围。图5D是由多阵列的倒L单极子包围的贴片天线的俯视立体图500D。如通过图5A至图5D将理解的，可以根据本发明的替代实施方式利用单极子的各种布置。因此，本发明不应被视为限于本文中描述的那些具体示例。

根据所需的辐射性能，环绕的单极子可以采用垂直线、倒L(或倒F)和印刷的倒L螺旋的形状(形成针轮形状)。除此之外，可以组合一个、两个或更多个具有不同长度的环绕的单极子阵列，以根据等式7中给出的总辐射来提供用于形成波束的更大灵活性；更多的阵列可以提供更多的操作频率；不同的顺时针螺旋取向可以控制不同的极化；并且相邻阵列之间的相互作用可显示出更多的外来电磁带隙效应，这对于多路拒绝是有用的。

本发明针对GNSS应用利用具有增大的带宽、改善的辐射图案和减小的滚降的贴片天线系统。通过改变负载电路，可以控制辐射图案。天线只需要在具有多个正交馈源的中心贴片天线元件上馈送。该设计具有许多优点，包括例如增大的带宽、降低的交叉极化、变化的辐射图案以及低成本。

图6是将根据本发明的实施方式的有和没有针轮螺旋形寄生外围单极子的四线馈源堆叠GNSS贴片天线的有源回波损耗进行比较的图表600。图表600示出天线的阻抗带宽明显改善，在大多数情况下，这是有利的。应该注意，应该将利用针轮螺旋形寄生外围单极子的单个阵列只当作示例性实施方式。

图7是将具有一个与没有寄生针轮单极子的新天线中的一个的极辐射图案进行比较的图表700。通过使用所提出的结构，轴比减小，并且也可提高低仰角多路。另外的研究表明，使用电阻负载或添加一些特别设计的单极子图案，前后比显著增加。

从以上实现的增益辐射图案比较中证实，水平(0＝90°)右旋圆形极化增益针对L1(1575.4MHz)频率提高了2.2dB并且针对L2(1227.6MHz)频率提高了2.6dB。

应当注意，本文中描述的结果仅作为示例来说明，并且可以根据系统要求按特定设计来操纵辐射图案，特别是通过使用寄生元件的多阵列和/或使用不同的负载电路。例如，图8A示出了具有较高方向性的实现的RHCP辐射图案(在顶点处为9.4dBic增益，并且在地平线处快速下降17.4dB至-8dBic)和低背面交叉极化辐射。图8B是另一个示例，例示了RHCP辐射表示近圆锥形图案，在顶点处为0.2dBic低，而在地平线处高达-0.5dBic，这对于低气候覆盖而言是理想的。图8C中示出了第三个示例，其中，RHCP辐射图案在上半球几乎是全向的，从顶点到地平线的增益滚降仅为大约5dB。

寄生天线元件可被作为简单的迹线印刷在与一个或几个贴片相同的层上。易于与具有调谐或开关能力的无源或有源负载电路集成。

虽然本文中已经描述了各种实施方式，但是应当注意，可在保持本公开的精神和范围的同时，使用多种变型来利用本发明的原理。因此，这些示例不应该被视为有限的，而应该被当作示例。

Claims (8)

1.一种贴片天线系统，该贴片天线系统包括：

接地平面；

一个或更多个贴片天线，所述一个或更多个贴片天线位于所述接地平面上方；以及

多个单极子，所述多个单极子包围所述一个或更多个贴片天线，并且被成形为具有垂直腿和水平腿的倒L形状，其中，所述倒L的所述水平腿遵循以所述一个或更多个贴片天线为中心的基本上圆形的布置，并且其中，所述水平腿中的每一个在与所述接地平面平行的平面中部分与其它水平腿中的至少一个重叠。

2.根据权利要求1所述的贴片天线系统，其中，所述一个或更多个贴片天线包括单层贴片天线。

3.根据权利要求1所述的贴片天线系统，其中，所述一个或更多个贴片天线包括布置在堆叠层中的所述一个或更多个贴片天线。

4.根据权利要求1所述的贴片天线系统，该贴片天线系统还包括可操作地连接到所述多个单极子的多个相位延迟线。

5.根据权利要求1所述的贴片天线系统，其中，所述多个单极子被成形为垂直线。

6.根据权利要求1所述的贴片天线系统，其中，所述多个单极子被成形为倒L形状。

7.根据权利要求1所述的贴片天线系统，其中，所述多个单极子被成形为形成针轮形状的印刷的倒L螺旋。

8.根据权利要求1所述的贴片天线系统，其中，所述多个单极子被构造为具有不同长度的单极子的一个或更多个阵列。