CN108701903B - 双偏振平面超宽带天线 - Google Patents

Abstract

描述了一种紧凑型平面天线，其具有：用第一信号馈电线(14)驱动的单极元件(11)，充当位于平坦基板(13)的第一侧面(131)上的第一(单极)子天线，以及第一接地导体(12)，也充当从动部件，或位于基板(13)的第二侧面(132)的环形天线，其中第一接地导体(12)连接到第二信号馈电线(15)，并且第二接地导体(16)位于基板(13)的第一侧面(131)上，能够形成第二(环形)子天线。

Description

双偏振平面超宽带天线

技术领域

本发明涉及一种天线，更具体地涉及在例如无线通信中使用的GHz范围内能操作的紧凑和平面型天线。

背景技术

理论单极天线包括垂直于名义上无限或几乎无限的接地平面布置的单极。也有已知的大致平面的单极天线，其中名义上无限的接地平面与单极共面布置，都安装到(电介质)基板的表面上。单极天线的从动元件或有源元件通过信号馈电线与发送和/或接收装置的其他部件相连，该信号馈电线可以实现为平面波导，中心导体或信号馈电线两侧通过接地馈电线路屏蔽。在许多设计中，单极天线的从动元件与将其连接到其余天线元件的信号馈电线的宽度相比具有增加的宽度。例如，单极天线的从动元件可以从天线的馈电点扩张成三角形或者拓宽为圆形、矩形或其他形状。这种拓宽通常是为了具有更宽的带宽而进行的，参见例如S.M.Naveen等人的“Compact Wideband Rectangular Monopole Antenna forWireless Applications(用于无线应用的紧凑型宽带矩形单极天线)”，WirelessEngineering and Technology，2012,3,240-243http://dx.doi.org/10.4236/ wet.2012.34034，2012年10月在线发布。

另外的天线设计例如在以下文献中进行了描述：R.Lech等人的“CoplanarWaveguide Fed Ultra-Wideband Antenna Over the Planar and Cylindrical Surfaces(共平面波导馈电超平面和圆柱表面超宽带天线)”2014年4月6日至11日在荷兰海牙举行的2014年第8届欧洲天线与传播会议(EuCAP 2014)上发表，第3737-3740页。

应该理解的是，上述参考文献仅示出了已知设计的一些示例，并且在公开文献中描述了其他各种各样的其他示例。但是，尽管设计这种天线的一般原理是已知的，但它的目标仍然是获得更紧凑和更强大的天线，以满足例如对诸如电话、路由器、中继站等的较小的移动和固定通信设备的需求。还期望设计新的紧凑型天线来支持MIMO(多输入/多输出)通信模式。

发明概述

提供适用于MIMO通信和其他用途的宽带紧凑型天线，基本上如结合至少一个附图所示和/或所描述的，并且如权利要求中更完整地阐述的。

根据以下描述和附图，将更全面地理解本发明的这些和其它优点、方面和新颖特征以及其所示实施方案的细节。

附图说明

借助于以示例的方式给出并由附图示出的实施方案的描述将更好地理解本发明，其中：

图1示出了现有技术的天线的俯视图；

图2示出了图1的横截面III-III；

图3示出了图1的横截面II-II；

图4示出了根据本发明的实施例的天线的示例性俯视图；

图5示出了图4的天线的仰视图；

图6示出了图5的细节；并且

图7A，B示出了根据本发明的其他实施例的天线的仰视图。

发明详述

在图1至图3中示出了典型的平面天线10。图1示出了俯视图，而图2示出了剖面图III-III，并且图3示出了剖面图II-II。该布置中的接地平面由围绕内部区域的圆环形接地导体2形成。圆形单极导体1在接地导体2的内半径r2内安装到基板3上。两者共面地布置在基板3的同一侧31上，而基板的相对侧32没有导电结构。

可以被认为形成天线10的从动或有源元件的圆形单极导体1可以经由信号馈电线4和同轴连接器6的中央引脚8电耦合到发射/接收电路(未示出)。接地导体2类似地通过接地馈电线5和同轴连接器6的屏蔽件7电耦合到发射/接收电路的地。接地导体2和接地连接器线5屏蔽信号馈电线4耦合到布置在环形接地导体2的开口中的单极导体1。天线特性主要取决于接地导体2和单极导体1之间的分离距离，特别是取决于以下几何参数：单极导体1的半径r1，环形接地导体2的外半径r3和内半径r2，单极导体1的馈电点101到环形接地导体2的内边界21的距离Df以及信号馈电线4到两侧的接地连接器线路5之间的距离Dg。单极导体1的馈电点101被定义为单极导体1从信号馈电线4的(例如恒定的)宽度开始变宽的点。换句话说，馈电点101可以被理解为由于馈电线4和单极导体1通常是一个物理导体/部件，因此存在从信号馈电线4到单极导体1的过渡的点。

图4和图5是根据本发明的示例的天线10的实施方案的示意图。图4示出了天线10的实施方案的俯视图，而图5示出了相同天线10的相应仰视图。天线10的导电区域在相应视图中可见时以阴影线示出，当位于相应视图中的(隐藏)侧时以虚线勾画。

图4和图5的天线10包括具有第一侧面131和第二侧面132的基板13。在第一(顶部)侧面131上示出了第一驱动元件或单极导体11，第一信号馈电线14在馈电点141处融合或耦合到单极导体11。在第一侧面131上进一步示出的是与称为第二接地导体16的天线10的接地电势的连接，所述第二接地导体16可以是带沿着或平行于第一侧面131的一个边缘的传导材料条，例如，在延伸到内边界160的单极导体11的左侧或右侧。在侧面131上还示出第一接地导体的内周d1和外周d2为虚线，因为第一接地导体12安装到基板13的另一个(底部)侧面132上。

与第一接地导体12一起，在基板13的第二侧面132上安装有在馈电点151处与第一接地导体12连接的第二信号馈电线15。还与第一接地导体12连接的是接地连接器125，这可以通过导电材料带将接地导体连接到基板的边缘(并且进一步经由未示出的连接器或引脚到天线10的接地电位)来实现。

馈电点(第一馈电点141或第二馈电点151)可表示信号馈电线14,15分别合并/加宽成单极导体11和区域第一接地导体12的大致区域。

基板13通常由电介质材料制成。基板13及其尺寸，特别是其厚度，取决于所需的应用来选择。基板13的电磁特性，特别是其介电常数，也影响天线10的特性。因此，在选择天线的其他设计参数时必须考虑基板13的特性。在该实施例中，基板13可以是具有面对的主侧面或面131,132的薄平面矩形长方体或平行六面体，诸如平片或平板。优选地，第一侧面131和第二侧面132是彼此平行和/或平坦的。然而，基板13也可以是用于特定应用的弯曲形状。在所示的实施方案中，基板13可以是刚性板，例如具有恒定的厚度。然而，基板13也可以是像箔那样的柔性材料和/或可以具有变化的厚度。基板13的厚度是指第一侧面131与第二侧面132之间的分离距离。

如图4和5所示，侧面131上的第一从动元件或单极导体11可以是覆盖有实心或至少连续的导电材料层的延伸区域。特别地，单极导体11可以是如图所示的实心近似盘形区域，但是可以设想其他形状。应该注意的是，术语“单极”在本文中不是专门用作严格的技术术语，而是作为包括所有类型的紧凑驱动天线元件的术语，其中单极天线具有最广泛的使用范围。具有更多寄生卫星的紧凑偶极子或更复杂的天线元件也可以用作单极导体11。

因此，单极导体11的形状不限于圆形，如本领域技术人员将清楚的那样。它可以是椭圆形、三角形、矩形、多角形、分形或任何其他形状。例如，单极导体11的外周d0的形状可以与第一接地导体12的外周d2和/或内周d1中的一个相似地形成。单极导体11的形状也可以不同于接地导体12。第一单极导体11的面积以及因此其外周d0的大小被最好地选择为使其落入第一接地导体12的内周d1的投影内。

第一接地导体12包括作为一层沉积在基板13的第二侧面132上的导电材料。相对侧面132上的第一接地导体12可以是覆盖有固体或至少一个连续的导电材料层的扩展区域。如下面详细解释的那样，由第一接地导体12覆盖的区域可以包围没有导电材料的中央或内部区域。第一接地导体12大致为环形。本领域技术人员将会理解，可以使用基本上包围表面132的中心区域的任何其他形状的第一接地导体12。包围区域可以是椭圆形、三角形、矩形、多角形或任何其他近似或几乎闭合的形状。

在所示的实施方案中，第一接地导体12由分别具有内周d1和外周d2的两个同心圆形边界限定。因此，第一接地导体12可以基本上是环形的。当用作天线10的从动元件时，第一接地导体12可以被认为是环形天线元件。

单极馈电线路14、第二信号馈电线15和接地连接器125由导电材料制成并且在其近端分别连接到单极导体11和第一接地导体12，并且在其远处连接到天线10的元件之外的结构和元件，如图4和5所示，特别是分别连接到信号端口和地电位。

除其他之外，天线10的特性(例如输入阻抗或反射系数)取决于基板13的厚度、基板13的电磁特性以及接地导体12和单极导体11的几何布置和形状。在所示的实施例中，几何布置的参数尤其是d0，d1和d2。基板13的电磁特性包括例如介电常数、磁导率和损耗角正切。

虽然图4和图5中的各种导电元件或结构安装在基板13的两侧面131,132上，但是可以应用关于它们相对于彼此的布置的某些约束来优化天线10的性能。

其中一个这样的约束可以是第一和第二信号馈电线14,15相对于它们的分别从单极导体11和第一接地导体12的中心大致延伸的轴线以80至100度的角度或者甚至以85至95度的角度基本上垂直地定向。换句话说，如果信号馈电线之一，例如，馈电线14形成为基本上位于基板13的一个边缘的中间的导电材料的窄条，第二信号馈电线15可以是基本上位于基板的两个相邻边缘中的一个的中间的类似条带(除了位于基板的相对侧面之外)。馈电线14,15基本上垂直以产生两个正交极化并且因此实现两个信号馈电线14,15(并且因此天线10的信号输入端口)之间的期望的隔离。

此外，基板13的底部侧面132上的第一接地导体12可以具有内周d1，该圆周d1包围没有第一接地导体12的完全包围位于基板13的另一(顶部)侧面131上的单极导体11的外周d0的部分的区域。

另一个约束可以是第二接地导体16和第二信号馈电线15位于基板13的同一边缘(尽管在不同的侧面上)。

另一个约束可以是第二接地导体16可以在从基板13的边缘朝向基板13的中部的方向上延伸直至边界线160，然而这样的边界线160不与第一接地导体12的外径d2接触或重叠，如投影到第一侧面131上并且由图4中的虚线表示。

例如，另一个约束可以是馈电点141接近或甚至在第一接地导体12的内径d1内，如投影到第一侧面131上并且由图4中的虚线表示。

例如，馈电点141处或馈电点151处的输入阻抗可被设计为匹配期望的阻抗。通常选择所需的阻抗以匹配发射和/或接收电路(未示出)。经常使用的值例如是50欧姆或75欧姆。

可能需要将天线10操作为两个基本上独立的(子)天线，特别是作为具有相互交叉极化接收/发射特性的两个天线。这些(子)天线中的第一个可以由第一单极导体11与第一单极馈电线14和第一接地导体12的形成。这些天线中的第二个可以由第一接地导体12与第二单极馈电线15形成，作为具有寄生元件和第二接地导体16的环形天线工作。

换言之，上述实施例描述了一种紧凑型天线，其可以设计为两个(子)天线并且作为两个(子)天线工作，其中一个(子)天线的接地的至少部分充当第二(子)天线的从动元件。

作为两个(子)天线系统的天线10的可能操作进一步在图6中示出。图6示出了图5的馈电点区域151的细节。第一接地导体12、馈电点151和第二信号馈电线15可以基本上类似于图4和图5中描述的那些元件。在图6中，示出了第一接地导体12、第二信号馈电线15和馈电点151的截面。进一步示出了通过由单极导体11与第一信号馈电线14和第一接地导体12形成的第一(子)天线的工作而产生的电流I0，I1，I2。感应的电流I0根据第一接地导体12中的阻抗Z1在馈电点151处分裂，根据阻抗Z2在第二单极馈电线15的馈电点151处分裂。

上述结构可以理想地用上述结构的材料、位置和尺寸来实现，该结构设计使得对于在第一接地导体12作为接地的情况下通过第一(子)天线的操作产生的在第一接地导体12中流动的任何电流I0，对于通过信号馈电线15的馈电点151处的电流具有比接地导体12的其余部分中的复数阻抗Z1高得多的阻抗Z2。然后，电流I0被有效地限制在接地导体12而没有泄漏到第二单极馈电线15中。换言之，与馈电点151处的节点之后的总电流I0和电流I1相比，电流I2可以忽略不计，其中I0＝I1+I2。对于施加到馈电线15的信号，阻抗被设计为标称输入阻抗，例如，50欧姆，而阻抗Z1的幅度可以例如约为0.01欧姆。

当通过第二信号馈电线15驱动或馈送作为环形天线的第一接地导体12时，第二接地导体16用作第二馈送线15和第一接地导体12的接地。第一接地导体12的半径、接地导体12的尺寸以及接地连接器125的位置和尺寸可被设计成使得在给定的工作频率范围内，接地连接器125表现为开路，即在接地连接器的位置处(在第一接地连接器12周围的两个方向上，实际上是环形天线)具有RF波的波长的四分之一的奇数倍。

另外，第二信号馈电线15通常电容地或电感地耦合到内部单极天线11(在基板13的另一侧面131上)。当激励第一信号馈电线或信号输入端口14并由此实现更宽的带宽时，该耦合有助于缩小天线的总尺寸或部分地消除第一接地导体12对单极导体11的影响。然而，感应电流的一小部分将流过线14。因此通过线14泄漏的电流量可以作为两个信号馈电线或输入端口14,15之间的隔离的指示。取决于如上所述的一般设计参数，例如可能在2.0-2.7GHz的宽带宽内在输入端口之间实现优于30dB的隔离。对于1.7GHz-2.0GHz的频率范围，隔离度仍然可以优于22dB。

进一步发现，通过向天线10的底部侧面132上的接地导体12添加或寄生导电路径延伸部，可以进一步改善在更宽频率范围上的信号输入端口15的隔离。

在图图7A，7B的实施例中，示出了安装在基板13的第二侧面132上的第一接地导体12，第二信号馈电线15在馈电点151处连接到第一接地导体12。还连接到第一接地导体12的是接地连接器125，其可以通过导电材料带将接地导体连接到基板的边缘(并且还经由未示出的连接器或引脚连接到天线10的地电位)来实现。另外，接地导体12还包括导电路径延伸部126。如图7A所示的导电路径延伸部126可以是从接地导体12的外周边分支出的作为盲延伸部或寄生元件的导电材料带。

导电路径延伸部126连接到接地导体12的位置可以基本上位于馈电点151的对面，例如，从馈电点151沿着接地导体12的圆周在160至200度内。

如图7B中所示的导电路径延伸部127可以通过包括曲折的导电材料带而与图7A的导电路径延伸部126相比进一步延伸。

路径延伸部也可以在接地导体12内部内部实现，例如通过赋予接地导体12的截面蜿蜒形式而不是所示的实心形式。

接地导体12可以进一步包括特别是在导电路径延伸部126,127的位置处的隔离间隙(未示出)，其中间隙将接地导体12分成两个分支。

虽然以上已经描述了本发明的各种实施方案，但应该理解，它们仅作为实施例呈现，而不是限制。类似地，各种图可以描绘用于本发明的实施例结构或其他配置，其被完成以帮助理解可以包括在本发明中的特征和功能性。此外，应该理解的是，在一个或多个单独实施方案中描述的各种特征、方面和功能不限于它们适用于描述它们的特定实施方案，而是可以单独或以各种组合应用于本发明的一个或多个其他实施方案。特别是，在使用诸如“基本”之类的近似术语的情况下，应该理解，包括从严格的几何形状或取向起的例如10％或更少的微小变化。

Claims (14)

1.一种平面天线(10)，其具有位于基板(13)的第一侧面(131)上的单极导体(11)，所述单极导体(11)与第一信号馈电线(14)连接，并且具有位于基板(13)的第二侧面(132)的第一接地导体(12)，所述第一接地导体(12)通过接地连接器(125)连接到接地电位，其中所述第一接地导体(12)进一步与第二信号馈电线(15)连接，并且所述天线还包括位于基板(13)的第一侧面(131)上的与接地电位连接的第二接地导体(16)；其中，在操作中，在馈电点(151)处流过所述第一接地导体(12)进入所述第二信号馈电线(15)的电流(I2)的阻抗(R2)实质上高于流过所述第一接地导体(12)的电流(I0，I1)的阻抗。

2.根据权利要求1所述的天线，被设计为以两种相互交叉极化的模式发射/接收辐射。

3.根据权利要求1或2所述的天线，其中所述第一信号馈电线(14)和所述第二信号馈电线(15)定向成基本上彼此正交。

4.根据权利要求1或2所述的天线，其中，所述第一接地导体(12)包括导电材料的环。

5.根据权利要求1或2所述的天线，其中，所述单极导体(11)包括基本圆形的导电结构。

6.根据权利要求5所述的天线，其中，所述单极导体(11)的外径(d0)小于所述第一接地导体(12)的内径(d1)，使得当垂直投影到同一表面上时所述单极导体完全被第一接地导体(12)包围。

7.根据权利要求1或2所述的天线，其中，所述第二接地导体(16)是沿着所述基板(13)的两个边缘中的邻近和/或正交于所述基板(13)的边缘的一个与第一信号馈电线(14)一起定位的导电材料带。

8.根据权利要求7所述的天线，其中，第二接地导体(16)沿着从所述基板(13)的边缘朝向所述基板13的中间的方向延伸直至边界线(160)，而该边界线(160)不与所述第一接地导体(12)的外径d2接触或重叠。

9.根据权利要求1或2所述的天线，具有在与所述馈电点(151)基本相对的位置处从所述第一接地导体(12)的外周分叉的另外的寄生导电路径延伸部(126,127)。

10.根据权利要求9所述的天线，其中所述另外的寄生导电路径延伸部(127)包括曲折的导电材料带。

11.根据权利要求1或2所述的天线，其中所述第一和第二信号馈电线(14,15)被设计为具有相同的标称输入阻抗。

12.根据权利要求1或2所述的天线，其中在操作中，所述单极导体(11)与所述第一信号馈电线(14)和所述第一接地导体(12)以及接地连接器(125)形成第一子天线并且所述第一接地导体(12)与第二信号馈电线(15)和所述第二接地导体(16)形成用于发射/接收两个相互交叉极化信号的第二子天线。

13.根据权利要求1或2所述的天线，其中所述单极导体(11)与所述第一信号馈电线(14)和所述第一接地导体(12)以及接地连接器(125)有效地形成单极天线，并且其中，第一接地导体(12)与所述第二信号馈电线(15)和所述第二接地导体(16)有效地形成环形天线。

14.根据权利要求1或2所述的天线，所述天线是宽带天线。

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