CN109390666A - 单件式双频带天线以及接地面 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种成本效益的、高度可调谐的、紧凑的、双频带全向天线元件，包括：馈送连接点；电耦合到馈送连接点的短路支路；电耦合到短路支路的接地面；电耦合到短路支路和馈送连接点的高频带辐射单元；以及电耦合到短路支路和馈送连接点的低频带辐射单元，其中，馈送连接点、短路支路、接地面、高频带辐射单元和低频带辐射单元作为单个单片结构而存在，其中，高频带辐射单元和低频带辐射单元被架高于接地面并且被安置在短路支路的相对侧，并且其中，馈送连接点与接地面绝缘，以提供电流从馈送连接点经过高频带辐射单元和短路支路或者经过低频带辐射单元和短路支路的路径。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月2日提交的题为“高度可调谐的单件式双频带天线以及接地面(HIGHLY TUNABLE ONE PIECE DUAL BAND ANTENNA AND GROUND PLANE)”的美国临时专利申请号62/540,374的优先权。美国临时专利申请号62/540,374特此通过引用结合在此。
技术领域
本发明总体上涉及射频(RF)通信硬件。更具体地，本发明涉及一种单件式双频带天线以及接地面。
背景技术
在企业接入点内，嵌入式天线通常被紧固至大小可调的接地面。然而，此种方法有时是必要的(例如，为了保持无线电的灵敏度)，存在更便宜的解决方案，其中天线包括其自身的辐射部分和接地面部分。在这方面，已经开发出了一些天线，包括美国公开号2016/0149303中所披露的天线。然而，这种天线是不适合的，因为其具有定向辐射特性。
鉴于上述情况，存在对经改进天线的持续、正在进行的需求。
发明内容
本申请提供了一种成本效益的、高度可调谐的、紧凑的、双频带全向天线元件，该天线元件包括其自身的可以由单件金属板进行冲压并成型的辐射单元和接地面段。该天线元件可以被调谐以在多个频带上的不同激励点环境中操作，并且可以以多种方式被终止到馈送连接点。该天线元件可以具有轻量且紧凑的形状因数，从而允许将该天线元件舒适地放置和支撑在接入点产品内。一些实施例可以实现适合用于在吊顶式企业Wi-Fi接入点中进行部署的高效双频带响应和全向辐射图案。
具体来说，根据本申请的第一个实施例提供了一种元件，包括：馈送连接点；电耦合到所述馈送连接点的短路支路；电耦合到所述短路支路的接地面；电耦合到所述短路支路和所述馈送连接点的高频带辐射单元；以及电耦合到所述短路支路和所述馈送连接点的低频带辐射单元，其中，所述馈送连接点、所述短路支路、所述接地面、所述高频带辐射单元和所述低频带辐射单元作为单个单片结构而存在，其中，所述高频带辐射单元和所述低频带辐射单元被架高于所述接地面并且被安置在所述短路支路的相对侧，并且其中，所述馈送连接点与所述接地面绝缘，以提供电流从所述馈送连接点经过所述高频带辐射单元和所述短路支路或者经过所述低频带辐射单元和所述短路支路的路径。根据本申请的第二个实施例提供了一种方法，包括：将单件金属冲压并成型为单个单片结构，所述单个单片结构包括：馈送连接点、短路支路、接地面、高频带辐射单元和低频带辐射单元；将所述高频带辐射单元和所述低频带辐射单元架高于所述接地面并且使之位于所述短路支路的相对侧；将所述馈送连接点与所述接地面绝缘，以创建电流从所述馈送连接点经过所述高频带辐射单元和所述短路支路或者经过所述低频带辐射单元和所述短路支路的路径；以及将同轴电缆的屏蔽件耦合到所述接地面，并且将所述同轴电缆的中间导体耦合到所述馈送连接点，其中，所述短路支路电耦合到所述馈送连接点，所述接地面电耦合到所述短路支路，所述高频带辐射单元电耦合到所述短路支路和所述馈送连接点，并且所述低频带辐射单元电耦合到所述短路支路和所述馈送连接点。
附图说明
图1是根据所披露实施例的单件式双频带天线以及接地面的透视图；
图2是图1的单件式双频带天线以及接地面的模拟电压驻波比的简图；
图3是图1的单件式双频带天线以及接地面在2.45GHz下操作的方位角平面辐射图案的简图；
图4是图1的单件式双频带天线以及接地面在2.45GHz下操作的仰角平面辐射图案的简图；
图5是图1的单件式双频带天线以及接地面在5.5GHz下操作的方位角平面辐射图案的简图；
图6是图1的单件式双频带天线以及接地面在5.5GHz下操作的仰角平面辐射图案的图形。
图7是根据所披露实施例的单件式双频带天线以及接地面的透视图；
图8是图7的单件式双频带天线以及接地面的模拟电压驻波比的简图；
图9A是根据所披露实施例的单件式双频带天线以及接地面的透视图；
图9B是根据所披露实施例的单件式双频带天线以及接地面的透视图；
图9C是根据所披露实施例的单件式双频带天线以及接地面的透视图；
图10是展示了根据所披露实施例的单件式双频带天线以及接地面在2.45GHz下操作的表面电流分布的简图；并且
图11是展示了根据所披露的实施例的单件式双频带天线以及接地面在5.5GHz下操作的表面电流分布的简图。
具体实施方式
尽管本发明具有许多不同形式的实施例，但是在附图中示出并且将在本文中详细描述其具体实施例，以理解本披露被认为是对本发明的原理的例示。其不旨在将本发明限制为具体的所展示实施例。
本文所披露的实施例可以包括单件式双频带天线以及一体式接地面，其在本文被称为“该元件”。有利地，本文所披露的元件可以是成本效益的、紧凑的、双频带的、高效的、全向的、高度可调谐的以在多个频带上进行操作，并且包括其自身的接地面，该接地面被简单地终止到馈送连接且容易地支撑在接入点产品内。例如，如本领域已知的较大接地面可以由作为天线自身零件的较小接地面来替代，从而减少生产成本和零件计数。在一些实施例中，本文所披露的元件还可以被热熔接于天线罩，从而消除诸如塑料支撑件、螺钉、铆钉等安装硬件，并且进一步减少生产成本和零件计数。
根据所披露的实施例，该元件可以由单件金属板冲压并成型为单个单片结构。此外，该元件可以采用各种馈送技术。例如，在一些实施例中，可以从该元件的接地面的顶侧馈送该元件，从而最小化该元件的整体高度并且简化同轴电缆的附接。可替代地，在一些实施例中，可以从该元件的接地面的底侧馈送该元件，从而部分地使同轴电缆与该元件的辐射单元屏蔽，以最小化共模耦合。在一些实施例中,该元件可以实现适合用于在吊顶式应用的竖直极化全向辐射图案。在又其他实施例中，本文所披露的元件可以被集成到具有或不具有单独较大接地面的接入点中。
在一些实施例中，该元件的辐射单元的第一部分可以在第一频带中操作，诸如例如低频带，包括2.4GHz频带(2.412GHz-2.483GHz)，并且该元件的辐射单元的第二部分可以在第二频带中操作，诸如例如高频带，包括5GHz频带(5.15GHz-5.875GHz)。尽管结合这些特定频带描述了本文所披露的元件，但应理解的是，该元件不限于此并且可以被调谐到本领域普通技术人员将已知且期望的其他频带，以在跨各种无线技术的不同激励点环境中实现高效率。
在一些实施例中，辐射单元的第一部分可以是在低频带频率设计频率处的四分之一波长倒F天线，并且是在高频带设计频率处的一半波长那么长。此外，在一些实施例中，辐射单元的第二部分可以是在高频带设计频率处的经折叠四分之一波长单极天线或其他四分之一波长谐振结构，并且在低频带设计频率表现为到低频电流的电短路分流器。
在一些实施例中，辐射单元的第一部分可以在2:1的电压驻波比下实现大约为6％的低频带阻抗带宽，并且在方位角平面中实现完全全向的辐射图案。此外，在一些实施例中，可以通过将辐射单元的第一部分架高于元件的接地面来增加低频带阻抗带宽。仍进一步地，在一些实施例中，辐射单元的第一部分可以在高频带设计频率处具有相对于50欧姆的相对较高的输入阻抗。然而，当辐射单元的第一部分在长度上处于或接近半波长的倍数时，辐射单元的第一部分可以在高频带设计频率处具有相对较高的输入阻抗。因此，本文所披露的一些实施例可以利用在高频带设计频率与低频带设计频率之间的二倍频率比。
在一些实施例中，将元件的辐射单元耦合到元件的接地面的短路支路在长度上可以在如关于高频带设计频率而测量的八分之一波长与四分之一波长之间。此外，在一些实施例中，短路支路的电纳以及辐射单元的第二部分到接地的分流电容可以控制高频带阻抗匹配的质量和带宽。
图1是根据所披露实施例的元件100的透视图。元件100可以包括：馈送连接点110、电耦合到馈送连接点110的短路支路112、电耦合到短路支路112的接地面114、电耦合到短路支路112和馈送连接点110的高频带辐射单元116、以及电耦合到短路支路112和馈送连接点110的低频带辐射单元118。馈送连接点110、短路支路112、接地面114、高频带辐射单元116和低频带辐射单元118可以作为单个单片结构而存在，并且在一些实施例中，该单个单片结构可以由单件金属进行冲压并成型。
如图1中可见的，高频带辐射单元116和低频带辐射单元118可以被架高于接地面114且被安置在短路支路112的相对侧上。可以调节高频带辐射单元116和低频带辐射单元118离接地面114的对应高度，以在特定操作频率下调谐阻抗匹配。例如，可以改变高频带辐射单元116离接地面114的第一高度，以调谐元件100在高频带上的输入阻抗，并且可以改变低频带辐射单元118离接地面114的第二高度，以调谐元件100在低频带上的输入阻抗。在一些实施例中，低频带辐射单元118可以具有第一长度，该第一长度为在高频带设计频率处如从短路支路112的中间到低频带辐射单元118的末端而测量的波长的一半；高频带辐射单元116可以具有第二长度，该第二长度为在高频带设计频率处如从短路支路112的中间到高频带辐射单元116的末端而测量的波长的四分之一；并且短路支路112可以具有第三波长，该第三波长为在高频带设计频率处的波长的四分之一。在一些实施例中，高频带辐射单元116和低频带辐射单元118中的每一个可以包括垂直于接地面114的对应平面段。
如图1中可见的，馈送连接点110可以与接地面114绝缘，以提供电流从馈送连接点110经过(1)高频带辐射单元116和短路支路112或者经过(2)低频带辐射单元118和短路支路112的路径。例如，在一些实施例中，当高频信号被馈送到馈送连接点110时，低频带辐射单元118可以具有相对较高的输入阻抗，该输入阻抗使得电流经过高频带辐射单元116和短路支路112。然而，当低频信号被馈送到馈送连接点110时，高频带辐射单元116可以具有较小的辐射长度并且表现为电短路分流器，从而使电流能够流过低频带辐射单元118和短路支路112。以这种方式，元件100可以创建分布式去耦电路，该分布式去耦电路迫使低频电流流向低频带辐射单元118并且迫使高频电流流向高频带辐射单元116。
例如，图10是展示了图1的元件100在2.45GHz下的表面电流分布的简图，并且图11是展示了元件100在5.5GHz下操作的表面电流分布的简图。如所见的，低频电流可以主要流过低频带辐射单元118和短路支路112，而高频电流可以主要流过高频带辐射单元116并且在短路支路112几乎终止时流向接地面114。然而，在一些实施例中，很少有高频电流在短路支路112与高频带辐射单元116和低频带辐射单元118的连接附近流过该短路支路，因为短路支路112在高频带设计频率处具有相对较高的输入阻抗。
在一些实施例中，元件100可以在高频带和低频带两种情况下实现完全全向的辐射图案，并且可以实现超过25％的足以覆盖UNII-1频带、UNII-2频带、UNII-3频带和UNII-4频带的高频带阻抗带宽。就此而言，图2是图1的元件100的模拟电压驻波比的简图，图3是元件100在2.45GHz下操作的方位角平面辐射图案的简图，图4是元件100在2.45GHz下操作的仰角平面辐射图案的简图，图5是元件100在5.5GHz下操作的方位角平面辐射图案的简图，并且图6是元件100在5.5GHz下操作的仰角平面辐射图案的简图。这种辐射图案对于部署在吊顶式接入点中的天线而言是理想的。
如本文所披露的，元件100可以采用各种馈送技术。就此而言，图1示出了元件100是从接地面114的顶侧被馈送的。如图1中可见的，同轴电缆20的屏蔽件可以耦合到接地面114的顶侧，并且同轴电缆20的中间导体可以耦合到馈送连接点110，该馈送连接点可以是通过将该馈送连接点110架高于接地面114而与接地面114绝缘。
相反，图7展示了从接地面的底侧被馈送的元件200。元件200与图1的元件100类似，并且可以作为单个单片结构而存在，该单个单片结构形成：馈送连接点210、电耦合到馈送连接点210的短路支路212、电耦合到短路支路212的接地面214、电耦合到短路支路212和馈送连接点210的高频带辐射单元216、以及电耦合到短路支路212和馈送连接点210的低频带辐射单元218。然而，如图7中可见的，同轴电缆20可以从接地面214下方馈送元件200，使得同轴电缆20的屏蔽件可以直接焊接到接地面214的底侧，并且同轴电缆20的中间导体可以直接焊接到馈送连接点210上。如所见的，可以通过将馈送连接点210路由通过接地面214的切口部分220而使馈送连接点210与接地面214绝缘，从而在接地面214下方发生与接地面的中间导体的连接。有利地，将同轴电缆20耦合到接地面214的底侧可以部分地使同轴电缆20与高频带辐射单元216和低频带辐射单元218屏蔽，以减小来自该同轴电缆的共模耦合。就此而言，图8是图7的元件200的模拟电压驻波比的简图。
图9A展示了另一个元件300，该元件从接地面的顶侧被馈送、但包括增加机械稳定性并减小制作复杂性的附加段。元件300与图1的元件100类似，并且可以作为单个单片结构而存在，该单个单片结构形成：馈送连接点310、电耦合到馈送连接点310的短路支路312、电耦合到短路支路312的接地面314、电耦合到短路支路312和馈送连接点310的高频带辐射单元316、以及电耦合到短路支路312和馈送连接点310的低频带辐射单元318。然而，如图9A中可见的，高频带辐射单元316可以包括与接地面314平行的第一平面段322以及与接地面314垂直的第二平面段323，并且低频带辐射单元318可以包括与接地面314平行的第三弯曲平面段。高频带辐射单元316的第一平面段322和第二平面段323以及低频带辐射单元318的第三弯曲平面段的取向可以增强元件300的机械稳定性并简化其制作。另外，接地面314可以包括安装点324，用于经由如本领域普通技术人员可以理解的任何安装技术(热熔接、塑料支撑件、螺钉、铆钉等)将元件300耦合到外部结构(例如，更大的接地面、天线罩、安装支架等)。
图9B展示了另一个元件400，该元件从接地面的顶侧被馈送、并且包括增加元件400的机械稳定性的附加段。元件400分别与图1和图9A的元件100、300类似，并且可以作为单个单片结构而存在，该单个单片结构形成：馈送连接点410、电耦合到馈送连接点410的短路支路412、电耦合到短路支路412的接地面414、电耦合到短路支路412和馈送连接点410的高频带辐射单元416、电耦合到短路支路412和馈送连接点410的低频带辐射单元418、以及安装点424。然而，如图9B中可见的，短路支路412可以从与接地面414相邻的宽端到与高频带辐射单元416和低频带辐射单元418相邻的窄端逐渐变细，以增强元件400的机械稳定性。此外，高频带辐射单元416和低频带辐射单元418中的每一个可以包括平行于接地面414的对应平面段。
图9C展示了又另一个元件500，该元件从接地的底侧被馈送、并且包括增加元件500的机械稳定性的附加段。元件500与图7的元件200类似，并且可以作为单个单片结构而存在，该单个单片结构形成：馈送连接点510、电耦合到馈送连接点510的短路支路512、电耦合到短路支路512的接地面514、电耦合到短路支路512和馈送连接点510的高频带辐射单元516、以及电耦合到短路支路512和馈送连接点510的低频带辐射单元518。然而，如图9C中可见的，元件500可以耦合到外部结构22。此外，高频带辐射单元516和低频带辐射单元518中的每一个可以包括平行于接地面514的对应平面段。
在一些实施例中，本文所披露的多个元件可以并置于产品中并形成阵列。例如，图1、图7、图9A、图9B和图9C的元件100、200、300、400、500中的任何元件分别可以是包括这些元件中的两个或更多个元件的多输入多输出(MIMO)天线阵列中的元件。
尽管以上已经详细地描述了几个实施例，但其他修改是可能的。例如，可以向所描述的系统添加其他部件或从其中移除其他部件，并且其他实施例可以在本发明的范围内。
根据前述内容，将观察到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现许多变体和修改。将理解，并不旨在或应推断关于本文所描述的特定系统或方法的限制。当然，旨在覆盖如落入本发明的精神和范围内的所有这种修改。
Claims (19)
1.一种元件，包括：
馈送连接点；
电耦合到所述馈送连接点的短路支路；
电耦合到所述短路支路的接地面；
电耦合到所述短路支路和所述馈送连接点的高频带辐射单元；以及
电耦合到所述短路支路和所述馈送连接点的低频带辐射单元，
其中，所述馈送连接点、所述短路支路、所述接地面、所述高频带辐射单元和所述低频带辐射单元作为单个单片结构而存在，
其中，所述高频带辐射单元和所述低频带辐射单元被架高于所述接地面并且被安置在所述短路支路的相对侧，并且
其中，所述馈送连接点与所述接地面绝缘，以提供电流从所述馈送连接点经过所述高频带辐射单元和所述短路支路或者经过所述低频带辐射单元和所述短路支路的路径。
2.如权利要求1所述的元件，进一步包括同轴电缆，所述同轴电缆具有耦合到所述接地面的屏蔽件以及耦合到所述馈送连接点的中间导体。
3.如权利要求2所述的元件，其中，所述屏蔽件耦合到所述接地面的顶侧，并且其中，所述馈送连接点是通过将所述馈送连接点架高于所述接地面而与所述接地面绝缘。
4.如权利要求2所述的元件，其中，所述屏蔽件耦合到所述接地面的底侧，并且其中，所述馈送连接点是通过将所述馈送连接点路由通过所述接地面的切口部分而与所述接地面绝缘，从而在所述接地面下方发生与所述中间导体的连接。
5.如权利要求1所述的元件，其中，所述高频带辐射单元包括与所述接地面平行的第一平面段以及与所述接地面垂直的第二平面段。
6.如权利要求1所述的元件，其中，所述低频带辐射单元包括与所述接地面平行的弯曲平面段。
7.如权利要求1所述的元件，其中，所述低频带辐射单元包括与所述接地面垂直的平面段。
8.如权利要求1所述的元件，其中，所述短路支路从与所述接地面相邻的宽端到与所述高频带辐射单元和所述低频带辐射单元相邻的窄端逐渐变细。
9.如权利要求1所述的元件，其中，所述低频带辐射单元包括第一长度，所述第一长度为低频带设计频率处的波长的四分之一并且为高频带设计频率处的波长的一半；所述高频带辐射单元包括第二长度，所述第二长度为所述高频带设计频率处的波长的四分之一；并且所述短路支路包括第三长度，所述第三长度在所述高频带设计频率处的波长的八分之一与四分之一之间，其中，所述第一长度是从所述短路支路的中间到所述低频带辐射单元的末端进行测量的，并且其中，所述第二长度是从所述短路支路的所述中间到所述高频带辐射单元的末端进行测量的。
10.如权利要求1所述的元件，其中，改变所述高频带辐射单元离所述接地面的第一高度，以调谐所述元件在高频带中的输入阻抗，并且其中，改变所述低频带辐射单元离所述接地面的第二高度，以调谐所述元件在低频带中的输入阻抗。
11.如权利要求1所述的元件，其中，当高频信号被馈送到所述馈送连接点时，所述低频带辐射单元具有使得电流经过所述高频带辐射单元和所述短路支路的相对较高的阻抗，并且其中，当低频信号被馈送到所述馈送连接点时，所述高频带辐射单元表现为电短路分流器，从而使电流经过所述低频带辐射单元和所述短路支路。
12.如权利要求1所述的元件，其中，所述单个单片结构是通过对单件金属进行冲压和成型而制成的。
13.如权利要求1所述的元件，其中，所述接地面耦合到外部结构。
14.一种方法，包括：
将单件金属冲压并成型为单个单片结构，所述单个单片结构包括：馈送连接点、短路支路、接地面、高频带辐射单元和低频带辐射单元；
将所述高频带辐射单元和所述低频带辐射单元架高于所述接地面并且使之位于所述短路支路的相对侧；
将所述馈送连接点与所述接地面绝缘，以创建电流从所述馈送连接点经过所述高频带辐射单元和所述短路支路或者经过所述低频带辐射单元和所述短路支路的路径；以及
将同轴电缆的屏蔽件耦合到所述接地面，并且将所述同轴电缆的中间导体耦合到所述馈送连接点，
其中，所述短路支路电耦合到所述馈送连接点，所述接地面电耦合到所述短路支路，所述高频带辐射单元电耦合到所述短路支路和所述馈送连接点，并且所述低频带辐射单元电耦合到所述短路支路和所述馈送连接点。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：
将所述低频带辐射单元成型为包括第一长度，所述第一长度为低频带设计频率处的波长的四分之一并且为高频带设计频率处的所述波长的一半；
将所述高频带辐射单元成型为包括第二长度，所述第二长度为所述高频带设计频率处的所述波长的四分之一；以及
将所述短路支路成型为包括第三长度，所述第三长度为所述高频带设计频率处的所述波长的四分之一，
其中，所述第一长度是从所述短路支路的中间到所述低频带辐射单元的末端进行测量的，并且
其中，所述第二长度是从所述短路支路的所述中间到所述高频带辐射单元的末端进行测量的。
16.如权利要求14所述的方法，进一步包括：所述单个单片结构创建分布式去耦电路，所述分布式去耦电路迫使低频电流流向所述低频带辐射单元并且迫使高频电流流向所述高频带辐射单元。
17.如权利要求14所述的方法，进一步包括：
将所述同轴电缆的所述屏蔽件耦合到所述接地面的顶侧；以及
通过将所述馈送连接点架高于所述接地面而使所述馈送连接点与所述接地面绝缘。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括：
将所述同轴电缆的所述屏蔽件耦合到所述接地面的底侧；以及
通过将所述馈送连接点路由通过所述接地面的切口部分而使所述馈送连接点与所述接地面绝缘，从而在所述接地面下方发生与所述中间导体的连接。
19.如权利要求14所述的方法，进一步包括：将所述接地面耦合到外部结构。
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