CN109390682A

CN109390682A - 超天线

Info

Publication number: CN109390682A
Application number: CN201810808824.XA
Authority: CN
Inventors: G·W·丹尼尔
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2019-02-26
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: BR102018014431A8; US10230169B2; TW201911649A; EP3439105A1; CN109390682B; JP6943816B2; EP3439105B1; TWI773788B; KR102378043B1; BR102018014431A2; CA3012151A1; CA3012151C; KR20190015099A; JP2019033479A; US20190044247A1

Abstract

描述一种便宜的小型可印刷超天线系统。除了小于现有天线之外，所述超天线相较于现有天线的改善之处在于其为全向的且具有更广泛的增益功能及更佳的效率。一些实施例包括具有环形状的主要元件和两个由所述主要元件围封的寄生元件。每个寄生元件可塑形为具有开口的环。所述两个寄生元件的所述开口可分别定位成邻近于所述主要元件的相对侧。

Description

超天线

技术领域

本公开涉及天线设计。更具体来说，本公开涉及小而便宜的全向可印刷超天线，其具有较宽的阻抗带宽和接近恒定的增益。

背景技术

无线通信为移动计算技术的关键组分。网络应用，如网页浏览、流媒体和数据消耗的其它形式正日益转向移动装置。另外，物联网(Internet of Things；IoT)的持续发展进一步刺激对更先进无线通信技术的需求。

在各种无线通信技术之间，天线设计仍是极其重要的部分。用于移动装置的许多天线是基于偶极天线或平面倒F天线(planar inverted-F；PIFA)设计，所述设计遭受许多缺点。一般来说，尤其在基于正交幅度调制(quadrature amplitude modulation；QAM)(其中幅度为信号的关键部分)的数字通信中，偶极天线常常需要天线的尺寸为对应于传输频率的波长的约一半。这类天线可能过大而无法在无性能损害下用于许多应用。此外，基于偶极的天线通常具有较窄的阻抗带宽，例如目标频率的约10％的带宽。因此，这些天线并非容易地适用于宽带宽应用并常常在用于不同环境时遭受性能下降。另外，常规天线可能不具有预期用途的理想方向性。

发明内容

本文中所描述的一个实施例提供一种天线。此天线包含具有环形状的主要元件和两个由主要元件围封的寄生元件。每个寄生元件塑形为具有开口的环。两个寄生元件的开口分别定位成邻近于主要元件的相对侧。

在此实施例的变型中，主要元件具有基本上矩形形状。

在此实施例的变型中，主要元件的长边基本上等于所需传输波长的四分之一。

在此实施例的变型中，主要元件的短边基本上等于所需传输波长的八分之一。

在此实施例的变型中，主要元件包含充当馈电点的开口。主要元件的开口安置在约主要元件的长边的中点处。

在此实施例的变型中，天线的标称阻抗为约100欧姆。

在此实施例的变型中，主要元件和寄生元件包含印刷在表面上的导电墨水。

在此实施例的变型中，主要元件和寄生元件包含沉积在衬底上的金属迹线。

在此实施例的变型中，主要元件被配置成直接由微分RF信号驱动。

附图说明

图1展示根据本发明的一个实施例的超天线系统的示例性几何形状。

图2A说明根据本发明的一个实施例的共振超天线系统的另一示例性几何形状。

图2B说明根据本发明的一个实施例的共振超天线系统的另一示例性几何形状。

图3说明根据本发明的一个实施例的超天线系统中的瞬时电流。

图4A呈现根据本发明的一个实施例，说明示例性超天线辐射方向图的二维图式。

图4B呈现根据本发明的一个实施例，说明示例性超天线辐射方向图的三维透视图。

图5说明根据本发明的一个实施例，覆盖若干谱带的示例性回波损耗光谱。

图6A说明根据本发明的一个实施例，安装在墙壁上时超天线系统的运行。

图6B说明根据本发明的一个实施例，在具有不同厚度和材料的墙壁环境中运行时超天线系统的稳固性。

图7A说明根据本发明的一个实施例利用超天线系统的示例性装置。

图7B说明根据本发明的一个实施例利用超天线的多输入多输出(multiple-inputand multiple-output；MIMO)系统。

图7C说明根据本发明的一个实施例，在相控阵系统内使用超天线。

图8说明根据本发明的一个实施例，示例性网络内超天线系统的运行。

在图式中，相同参考标号指代相同图式元件。

具体实施方式

呈现以下描述以使所属领域的技术人员能够制备并且使用实施例，并且在特定应用以及其要求的背景下提供以下描述。所属领域的技术人员将易于清楚对所公开的实施例的各种修改，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文中本所定义的一般原理可以应用于其它实施例和应用。因此，本发明不限于所展示的实施例，而是应符合与本文本所公开的原理以及特征一致的最宽范围。

概述

本发明的实施例通过提供小而便宜的天线系统解决与基于偶极的天线的大尺寸、窄带宽和定向性相关的问题，所述天线系统可以用导电墨水印刷在衬底上。除了小于常规天线之外，所公开的天线系统可以为全向的，具有较宽的增益窗口和较佳的效率，并且因此在不同操作环境中为稳固的。所公开的天线系统可以包括主天线元件和电感耦合到主天线元件的共振器。主天线元件可以包括位于平面上的导电电路(其可以是迹线)。共振器可以包括位于同一平面上并围封在主天线元件的导电电路内的两个非交叉共振元件。因为本发明天线系统利用类似于用于超材料的那些原理的原理，所以此天线系统也可以被称作“超天线”。

本发明超天线系统可以实现较宽带宽，用微分RF信号直接馈送，并通过包括两元件电感耦合共振器促进显著减小的尺寸。具体地说，现有偶极或环路天线通常具有共振频率波长约一半的高度(假设天线竖直安置)。相比之下，所公开的超天线系统可以具有共振波长约四分之一的高度。因此，超天线为可比偶极天线的尺寸的约一半。

此外，所公开的天线系统可以在大得多的带宽内提供平坦增益轮廓(共振频率的约40％)。系统可以在不同环境中运行并可包容较宽的阻抗变化。另外，此超天线系统可以用微分RF信号直接馈送，这避免对平衡-不平衡变压器的需要。因此需要较少的组件，这降低生产成本。

所公开超天线的小尺寸、变通性和低成本使其对于移动应用，尤其IoT而言为极佳的。具体来说，超天线系统非常适合用于多输入多输出(MIMO)装置。举例来说，对于如路由器的Wi-Fi装置，超天线使其在小路由器内包括多个高性能天线技术上和经济上可行，从而提供多个无线通道。超天线可以使用常规工艺制造(例如通过蚀刻沉积于膜或衬底上的Cu)，这可以产生可以焊接组件的挠性电路。超天线也可以印刷在衬底(如聚萘二甲酸乙二醇酯或PEN)上，作为电路的部分或作为可以连接于其它装置的独立单元。

这些期望特性归因于超天线的独特设计。如下文将描述，所公开的天线系统以两元件共振器机制为特征，其中两个寄生元件与主天线元件相互作用并彼此相互作用。此多元件共振系统可以表现为紧密耦合的阵列的家族。

超天线系统的设计

图1展示根据本发明的一个实施例的超天线系统的示例性几何形状。在此实例中，超天线系统100包括主天线元件104和两个寄生元件106和108。主天线元件104可以是环形天线，其通过馈电电路102馈送微分RF信号。寄生元件106和108并列安置在与主天线元件104相同的平面中并由主天线元件104围封。寄生元件106和108可以被相同或基本上相同地塑形。在一个实施例中，寄生元件106和108中的每一个塑形为如分别具有开口112和114的环(例如呈类似于字母“C”的形状)。此外，开口112和114可定位在主天线元件104内的相对侧(即接近沿着主天线元件104的较长侧的两个末端)。寄生元件106和108彼此绝缘并与主天线元件104绝缘，并且安置地充分接近于主天线元件104，使得在运行期间可以在其中感应交流电。

在一个实施例中，主天线元件104可以具有矩形或基本上矩形形状，其中其较长边基本上等于(例如在±10％内)或略微长于(例如不超过110％)所需传输波长的四分之一，并且其较短边基本上等于(例如±10％内)、略微长于(例如不超过110％)、或略微短于(例如不小于90％)所需波长的八分之一。对于许多应用而言，竖直极化辐射为期望的(因为大多数传输和接收天线竖直安置)。假设超天线竖直安置(例如沿着竖直保持的典型智能手机的长度)，那么超天线的高度约为所需传输波长的四分之一，并且宽度约为此波长的八分之一。相比之下，常规的竖直安置的偶极天线在竖直方向上将需要波长的一半。超天线的空间节约可以为显著的。

此外，假设超天线100对于大多数应用而言竖直安置，那么寄生元件106和108两个可以是水平取向的矩形导电路径。寄生元件106的底边缘可以安置地略微高于主天线元件104的水平中间平面110，并且寄生元件108可以略微安置地略微低于中间平面110。寄生元件106和108两者可以由主天线元件104完全围封。寄生元件106可以在其顶侧中间具有开口112；类似地，寄生元件108可以在底侧上具有尺寸大致相同的开口114，使得寄生元件106和108围绕主天线元件104的中间平面110为镜像。

另外，开口103安置在接近主天线元件104的较长边中的一个的中心。开口103可以充当微分馈电点并耦合到馈电电路102，其可以将微分RF信号馈给到超天线103。在一个实施例中，开口103在超天线中产生100欧姆标称阻抗。此标称阻抗可以通过修改超天线100的几何形状(例如改变开口103的尺寸，和/或改变超天线100的长度/宽度)来调节(例如调节到75欧姆或300欧姆)从而符合不同应用的要求。

在一些实施例中，可以改变开口112和114的尺寸，和使寄生元件106和108与主要元件104分离的空间。这类结构变化允许超天线具有不同阻抗。具体来说，超天线可以针对共振频率、带宽和/或定向性优化以用于给定应用。

如果超天线100使用传导迹线(例如在膜上蚀刻或印刷的导电材料)实施，那么这类迹线的宽度可以采取各种值。举例来说，用于主天线元件104和寄生元件106和108两者的导电迹线的宽度可以在0.1mm到10mm的范围内。其它范围也为可能的。

在运行期间，主天线元件104中的开口103充当微分RF信号的入口，其中输入功率的一半以零相角馈送至开口103的一个分支中并且输入功率的另一半以180°相角馈送到开口103的另一分支。信号电流中的一个朝外流动到主天线元件104的环路的一个侧面中，而另一信号电流从环路的另一侧向内流动。主天线元件104的导电路径极为接近寄生元件106和108的侧面路径，进而感应两者中的电流。此感应电流在元件106和108两者中产生共振，这继而产生呈环形图案的高度竖直极化的全向辐射，其中增益超过具有两倍长度的偶极。

超天线系统不限于图1中所示的几何形状，并可以具有包括主天线元件和电感耦合到主天线元件的共振器的配置。图2A说明根据本发明的一个实施例的共振超天线系统的另一示例性几何形状。在一些实施例中，主天线元件可以含有断口202和204，其可与导电共振器中的断口112和114排成一行。因此，主天线元件不必形成闭合电路，或可以是线或偶极天线元件。

包括主天线元件和导电共振器的超天线的形状不必限于矩形。图2B说明根据本发明的一个实施例的共振超天线系统的另一示例性几何形状。在此实例中，超天线的主要元件可以是曲面或圆环210、方形或另一形状，或可以是三维的。在一些实施例中，共振器极其接近以电感耦合到主要元件104，但不由元件104围封。举例来说，在主要元件是偶极而非矩形的一些实施例中，共振器可以包含布置于偶极周围的若干元件。

超天线系统的运行

图3说明根据本发明的一个实施例的超天线系统中的瞬时电流。如所展示，电源302可在所需载波频率下驱动超天线。如此实例中所展示，来自电源302的电流可以馈给到主天线元件304中。取决于驱动信号的瞬时极性，电流可围绕主要元件304顺时针或逆时针进行。因为寄生元件306和308非常接近于主要元件304，所以主要元件304中的AC电流可以感应寄生元件306和308中的瞬时电流。基于楞次定律(Lenz's law)，感应电流将抵抗由主要元件304中的电流引起的磁通量变化。具体来说，两个寄生元件中的两种电流可以沿同一方向(即顺时针或逆时针两种)行进，其由主要元件304中的电流变化决定。

如同在常规偶极或环形天线中，主要元件304中的电流可以形成驻波。此驻波在对应于主要元件304的周长的波长下共振，如先前所论述。因此，寄生元件306和308中的感应电流也形成驻波。寄生元件306和308进而表现地如振荡电路元件，将电能存储在超天线的主回路304的附近内并以电磁辐射形式发射所存储的能量。这些共振机制如同在紧密耦合的阵列中一样强化信号传输，从而提供具有较高效率和较佳、较宽增益，具有小尺寸的超天线。另外，在一些实施例中，与常规偶极天线相比，系统可以在无独立的平衡-不平衡变压器下运行。这是因为主天线元件形成闭合电路回路，使得平衡-不平衡变压器的等效物包括于天线内。

超天线的特征和性能

图4A呈现根据本发明的一个实施例，说明示例性超天线辐射方向图的二维图式。如所展示，超天线可发射呈环形图案的竖直极化的全向辐射。图4B呈现根据本发明的一个实施例，说明示例性超天线辐射方向图的三维透视图。如所展示，环形辐射方向图410可以具有围绕穿过超天线的竖直轴线(即平行于主要元件的高度的轴线)的圆柱形对称性。

此对称性对于传输和接收两者而言导致系统的高度各向同性或全向可操作性。此外，超天线可以极为接近地平面运行，并且仍维持此全向图案。与并未提供各向同性辐射方向图的现有系统(例如用于移动电话的典型天线)相比，此各向同性是所公开系统的另一优势并因此可以在某些方向上提供次佳增益。

所公开的系统具有平坦广泛的增益函数，使其能够在直到峰值频率(即增益最大化所处于的频率)的约40％的带宽范围内运行。平坦增益可归因于系统的阻抗带宽和其极宽的辐射方向图带宽两者。在数字通信系统中，在较宽频率范围内更加平坦和恒定的增益轮廓通常产生较佳的误码率(bit error rate；BER)性能。图5说明根据本发明的一个实施例，覆盖若干谱带的示例性回波损耗光谱。在此实例中，阻抗带宽针对在约2.6GHz下达到峰值的回波损耗函数具有约600MHz的宽度。此外，峰值回波损耗低于-25dB，对应于仅约0.3％反射。所公开的超天线的宽阻抗带宽可以用于双频段运行。

这类平坦增益函数使天线有效应对具有不同阻抗的不同环境，例如以用于接近地平面或印刷电路板运行，或安装在不同类型或厚度的墙壁上。图6A说明根据本发明的一个实施例，安装在墙壁上时超天线系统的运行。如所展示，超天线602可以是装置(例如智能家电)的一部分，安装在由适当厚度的干式墙制成的墙壁604上。

图6B说明根据本发明的一个实施例，在具有不同厚度和材料的墙壁环境中运行时超天线系统的稳固性。如所展示，超天线610可以安装在墙壁612上、或接近墙壁612运行，所述墙壁可能显著厚于墙壁604，并且可能由如煤渣砌块的更致密材料制成。由于超天线的较宽增益带宽，系统可以附近墙壁604或612有效运行。

示例性应用

图7A说明根据本发明的一个实施例利用共振超天线系统的示例性装置。举例来说，个人计算装置702可以包括与Wi-Fi网络或与其它装置连通的超天线系统704。同样地，智能家电或IoT装置706可以使用超天线708与网络或其它装置连通。用户可以通过经由天线704和708直接通信或经由网络来使用便携式电脑702控制智能恒温器706。

图7B说明根据本发明的一个实施例利用超天线的多输入多输出(MIMO)系统。在此实例中，Wi-Fi路由器或MIMO装置710可以含有超天线712A、712B和712C以使用多径传播传输多个数据流。所公开的超天线尤其适用于MIMO应用，因为其小尺寸允许多个天线轻易装入如路由器710的装置，从而提供多个通信通道。

在一些实施例中，所公开的超天线系统可以用于相控阵以用于需要坚固定向性的应用，如雷达。使用相控阵中的超天线涉及将信号传送到一组按预定模式布置的超天线，其中移相器将相位后移引入超天线之间。图7C说明根据本发明的一个实施例，在相控阵系统内使用超天线。在此实例中，相控阵包括六个超天线并使用相长和相消干涉在期望方向上引导信号传输。超天线的小形状因子允许相控阵装入紧凑型移动装置。此外，系统的宽操作带宽和极为接近其它元件运行的能力较适用于相控阵。在一些实施例中，系统可以使用近孔口馈电点代替直接馈电点以驱动超天线，这可以进一步提高系统的性能。

图8说明根据本发明的一个实施例，示例性网络内超天线系统的运行。如所展示，无线路由器802可以耦合到互联网804和网络806，其可以包括Wi-Fi、局域网(local-areanetwork；LAN)、蜂窝式广域网(wide-area network；WAN)、射频识别(Radio-frequencyidentification；RFID)或其它通信技术。无线路由器802可以包括用于MIMO传输的多个超天线，如图7B中所示。多个装置可以参与网络804，如计算机808和移动装置810，以及IoT装置或智能电器，如智能恒温器812，和智能照明系统814。

这些装置可以与路由器802连通或经由网络806连通，或可以直接使用通过所公开的超天线系统传输和接收的无线信号彼此通信(例如机器对机器(machine-to-machine；M2M)或其它通信协议)。举例来说，移动装置810可以将来自用户的指令发送到智能家电812，例如以调节恒温器的设定。同样地，当用户进入建筑物并开启灯光时，智能照明系统814和智能恒温器812可以通信，例如以执行预先存在的规则从而自动开启加热和冷却系统。超天线的较宽带宽能够使其尤其有效地应对不同环境，如具有不同厚度和材料的墙壁。因此，可能天花板或靠墙安装的照明系统814和恒温器812仍然可以根据所公开的系统和方法可靠有效地彼此通信。

本文中所描述的方法和系统也可以整合到硬件模块或设备中。这些模块或设备可以包括(但不限于)专用集成电路(application-specific integrated circuit；ASIC)芯片、现场可编程门阵列(field-programmable gate array；FPGA)、芯片上系统(system ona chip；SoC)和/或现在已知或后续研发的其它电路装置。当启动硬件模块或设备时，这些硬件模块或设备执行其内部所包括的电路功能。

仅出于说明以及描述的目的已呈现各种实施例的前文描述。这些描述并不意图为详尽的或将本发明限制于所公开的形式中。因此，许多修改以及变化对于所属领域的从业者来说将是显而易见的。另外，以上公开内容并不意图限制本发明。

Claims

1.一种天线，包含：

具有环形状的主要元件；和

两个由所述主要元件围封的寄生元件，其中每个寄生元件塑形为具有开口的环，并且其中所述两个寄生元件的所述开口分别定位成邻近于所述主要元件的相对侧。

2.根据权利要求1所述的天线，其中所述主要元件具有基本上矩形形状。

3.根据权利要求2所述的天线，其中所述主要元件的长边基本上等于所需传输波长的四分之一。

4.根据权利要求2所述的天线，其中所述主要元件的短边基本上等于所需传输波长的八分之一。

5.根据权利要求1所述的共振天线，其中所述主要元件和所述寄生元件包含印刷在表面上的导电墨水。

6.根据权利要求1所述的共振天线，其中所述主要元件和所述寄生元件包含沉积在衬底上的金属迹线。

7.一种天线系统，包含耦合到天线的平衡传输线，其中所述天线包含：

具有环形状的主要元件；和

8.根据权利要求7所述的天线系统，其中所述主要元件具有基本上矩形形状。

9.根据权利要求8所述的天线系统，其中所述主要元件的长边基本上等于所需传输波长的四分之一。

10.根据权利要求8所述的天线系统，其中所述主要元件的短边基本上等于所需传输波长的八分之一。