CN109616770B - 宽带kandoian(坎多伊恩)环形天线 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种环形天线，包括：多个环形片段，多个环形片段中的每一个包括对应的传输段、对应的返回段以及对应的辐射段，其中，多个环形片段中的每一个的对应传输段电耦合至同轴电缆传输线的输入馈电点，其中，多个环形片段中的每一个的对应传输段电容性地耦合至对应辐射段，其中，多个环形片段中的每一个的对应辐射段电容性地耦合至对应返回段，其中，多个环形片段中的每一个的对应返回段电耦合至对应的短路点，并且其中，多个环形片段中的每一个的对应短路点电耦合至同轴电缆传输线的返回部分。该天线的阻抗带宽可以通过电容性地耦合至该天线上的辐射段而增强，由此确保该天线在较宽频带上的高效操作。

Description

宽带KANDOIAN(坎多伊恩)环形天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月29日提交的并且题为“BROADBAND KANDOIANLOOPANTENNA(宽带KANDOIAN环形天线)”的美国临时专利申请号62/565,896的优先权，美国临时专利申请号62/565,896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，本发明涉及宽带Kandoian环形天线。
背景技术
对于更大比特容量解决方案的日益增长的需求使得需要将更大数量的天线并置于单个产品壳体或有限地理区域内。随着并置天线数量的增加，天线可以被映射到一个或多个RF收发器的可能性也在增加。若干架构是已知的。首先，所有这些并置天线可以连接至单个无线电。其次，并置天线可以在相同频谱中进行操作的多个无线电之间被划分。第三，并置天线可以在频率相对接近的不同频带中进行操作的多个无线电之间被划分。第四，并置天线可以在相隔较远的不同频带中进行操作的多个无线电之间被划分。
一定的天线隔离量(大约25dB)期望用于不同架构中的每一种。然而，取决于并置天线如何被映射至(多个)收发器，不同架构中的每一种对于天线隔离可能具有不同的要求以确保期望的系统水平性能。例如，包括在相同频谱中进行操作的多个无线电之间被划分的并置天线的架构需要连接至不同无线电的并置天线之间的最大天线隔离，因为不同的无线电将以其他方式不可避免地彼此干扰。
实现天线隔离的空间最有效且能量最高效的方式是使映射至不同无线电的多组天线交叉偏振。多组中的一个可以被设计用于辐射并接收竖直偏振的辐射，并且多组中的另一个可以被设计用于辐射并接收水平偏振的辐射。在此方面，已知Kandoian环形天线(诸如在美国专利号2,490,815中披露的天线)在强烈水平偏振的方位角平面中具有高度全向的辐射图案。图1中示出了展示了本领域已知的一个这种Kandoian环形天线的输入阻抗与频率的简图。已知的Kandoian环形天线可以在单一频率下(例如，5.5GHz)很好地进行匹配，但是所产生的匹配结果将遭受较窄的带宽，并且系统效率和/或稳定性可能在特定带内频率下被损害。
发明内容
鉴于上述情况，存在对经改进天线的持续、正在进行的需求。本申请提供了一种宽带Kandoian环形天线。具体来说，根据本申请的实施例提供了一种环形天线，包括：多个环形片段，所述多个环形片段中的每一个包括对应的传输段、对应的返回段以及对应的辐射段，其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应传输段电耦合至同轴电缆传输线的输入馈电点，其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应传输段电容性地耦合至所述对应辐射段，其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段电容性地耦合至所述对应返回段，其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应返回段电耦合至对应的短路点，并且其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应短路点电耦合至所述同轴电缆传输线的返回部分。相对于本领域已知的天线，该天线的阻抗带宽可以通过电容性地耦合至该天线上的辐射段而增强，由此确保该天线在较宽频带上的高效操作。该天线可以包括可以产生圆形电流分布的高度对称安排，该圆形电流分布与受恒定电流源驱动的较小环形天线的分布相似。该圆形电流分布可以产生良好的辐射图案，例如，当该天线集成在吊顶式接入点中时，并且圆形电流可以照射将该天线与邻近的竖直偏振天线元件解耦的强烈水平偏振的电场进行辐射，从而允许将该天线与竖直偏振元件进行并置，同时整体系统水平性能几乎不降级。
附图说明
图1是展示了本领域已知的Kandoian环形天线的输入阻抗与频率的简图；
图2是展示了根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线的输入阻抗与频率的简图；
图3A是根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线的顶部透视图；
图3B是根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线的底部透视图；
图4是根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线的平面图；
图5是图4中展示的宽带Kandoian环形天线的5.5GHz等效电路的框图；
图6是根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线及其重叠铜带的半透明透视图；
图7是展示了根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线的电场分布的简图；
图8是展示了根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线的电压驻波比的简图；
图9是展示了根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线的电流分布的简图；
图10是展示了根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线在5.5GHz下操作的方位角平面中的辐射图案的简图；
图11是展示了根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线在5.5GHz下操作的仰角平面中的辐射图案的简图；
图12是展示了根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线在5.5GHz下操作的辐射图案的三维简图；并且
图13是展示了根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线的辐射的方位角平面中的水平偏振辐射与竖直偏振辐射之比的简图。
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一种宽带Kandoian环形天线，该天线可以将本领域已知的Kandoian环形天线的操作带宽延长至适合于在整个高频无线带(例如，5150MHz至5875MHz的5GHz频带)上进行操作而无任何降级的范围。例如，在一些实施例中，本文所披露的宽带Kandoian环形天线可以被调谐为在大于20％的较宽百分比带宽上进行操作，其中电压驻波比为2:1并且远场辐射图案几乎没有变化。虽然不进行限制，但是应当理解的是，本文所披露的系统和方法可以结合包括并置天线的架构来使用，这些并置天线被划分成映射至在频率相对接近的不同频带中进行操作的多个唯一无线电的多组。例如，在一些实施例中，本文所披露的宽带Kandoian环形天线可以是可以在包括竖直偏振天线元件和水平偏振天线元件两者的系统中使用的强烈水平偏振的天线元件，诸如需要低轮廓、强烈偏振的全向天线元件的Wi-Fi接入点。
虽然不进行限制，但是应当理解的是，本文所披露的系统和方法可以集成于在高频无线带(诸如5GHz频带)上进行操作的吊顶式Wi-Fi接入点中，并且强烈水平偏振的全向天线可以与在至少50mm或2英寸的距离处在操作频带上的强烈竖直偏振的天线(诸如在美国临时专利申请号62/669,990中披露的天线)很好地隔离(例如，比其大40dB)。例如，在一些实施例中，本文所披露的宽带Kandoian环形天线可以在方位角平面中辐射较高的水平偏振度，并且具有适合于部署在吊顶式Wi-Fi接入点中的嵌入式天线的辐射图案。
根据所披露的实施例，本文所披露的宽带Kandoian环形天线的辐射段可以例如使用美国专利号14/807,648(被公开为美国公开号2017/0025764)中披露的用于电容性耦合的系统和方法中的一些来电容性地耦合。在一些实施例中，印刷在基板顶侧的天线元件可以电容性地耦合至印刷在基板底侧的辐射段。
图3A是根据所披露实施例的宽带Kandoian环形天线24的顶部透视图，并且图3B是宽带Kandoian环形天线24的底部透视图。天线24可以包括印刷电路板26、多个环形片段28、紧固元件30以及同轴电缆32。在一些实施例中，天线24可以由印刷在印刷电路板26的基板上的铜带来实现，并且在一些实施例中，该基板可以是使用本领域已知的标准印刷电路板制备技术制造的0.028英寸厚的FR4基板。
在一些实施例中，多个环形片段28中的每一个可以包括：对应传输段34，电耦合至同轴电缆32的输入馈电点；对应返回段36，电耦合至对应短路点，该对应短路点耦合至同轴电缆32的外部或返回部分；以及对应辐射段38，电容性地耦合在对应传输段34与对应返回段36之间。在一些实施例中，多个环形片段28中的每一个可以被印刷在印刷电路板26的基板上。例如，如图6中可见的，多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38可以被印刷在基板的第一平面上，诸如基板的底部，并且多个环形片段28中的每一个的对应传输段34和对应返回段36可以被印刷在基板的与该第一平面平行的第二平面上，诸如基板的顶部。在一些实施例中，多个环形片段28中的每一个可以围绕印刷电路板28的中心而均匀分布，并且在一些实施例中，多个环形片段28中的每一个的对应传输段34可以包括对应的分布式阻抗匹配部39。
在一些实施例中，紧固元件30可以用于将天线24固定在产品或壳体内。例如，如图3A和图3B中可见的，紧固元件30可以包括非导电间隔物40、非导电紧固件42和通用紧固件44，以便将天线24固定在产品或壳体内。在一些实施例中，非导电间隔物40可以包括螺纹尼龙间隔物，非导电紧固件42可以包括尼龙螺丝，并且通用紧固件44可以包括不锈钢螺丝。例如，在一些实施例中，非导电间隔物40可以将印刷电路板26与接地平面间隔开，非导电紧固件42可以将印刷电路板26从印刷电路板26的顶部固定至非导电间隔物40，并且非导电间隔物40可以使用通用紧固件44来紧固至接地平面。在一些实施例中，印刷电路板26可以以多个不同的高度安装在接地平面上并与该接地平面间隔开，并且在一些实施例中，印刷电路板26可以使用咬合程序或热熔操作来直接安装到天线罩上。
同轴电缆32可以将天线24连接至接地平面下方的无线电板上的无线电，并且如图3A和图3B中可见的，同轴电缆32可以包括中心导体46和外部遮蔽件。在一些实施例中，同轴电缆32可以是端接在RF连接器中的1.32mm或1.37mm的同轴电缆，以使得中心导体46可以被焊接至印刷电路板26的顶侧并且外部遮蔽件可以被焊接至印刷电路板26的底侧。
图4是天线24的平面图。当处于发射模式时，同轴电缆32可以在5GHz与6GHz之间的载波频率下由宽带RF信号来激励，并且来自同轴电缆32的电力可以被划分到本文所披露的多个环形片段28中的每一个。在一些实施例中，天线24可以包括四个环形片段28。如图4中可见的，多个环形片段28中的每一个可以包括对应的短路点60。在此方面，辐射条件可以通过以下方式来强制执行：(1)将多个环形片段28中的每一个的对应短路点60与对应辐射段38的中心之间的距离设定为大约是5.5GHz信号波长的一半；以及(2)将多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38的长度设定为大约是5.5GHz信号波长的四分之一。
图5是图4中所展示的天线24的5.5GHz等效电路50的框图，并且可以有助于理解天线24的操作。然而，应当理解的是，等效电路50仅近似于天线24在5.5GHz下的输入阻抗。如图5中可见的，具有例如247-j145欧姆的负载阻抗的四个辐射段中的每一个可以连接至共面带传输线，该共面带传输线由对应传输段34和对应返回段36的铜带组成并且具有大约150欧姆的特性阻抗。这四个辐射段中的每一个还可以使用串联电感器和电容器或其他分布式匹配网络来进行匹配。等效电路50的限制是：串联部件之间没有长度并且因此没有相位旋转通过它们。然而，等效电路50的电压驻波比与图4中展示的天线24的电压驻波比相似。
此外，等效电路50具有比天线24更大的阻抗带宽，因为天线24的多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38比等效电路50的RC负载电路更复杂。例如，在一些实施例中，图4中展示的天线24的多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38可包括通过将对应辐射段38与对应传输段34和对应返回段36重叠而形成的两个准集总串联电容器。质量阻抗匹配可优化准集总串联电容器的特定位置和电抗。
例如，如图6中可见的，多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38的第一部分52可以与多个环形片段28中的对应环形片段的对应传输段34的第二部分54重叠并电容性地耦合，并且多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38的第三部分56可以与多个环形片段28中的该对应环形片段的对应返回段36的第四部分58重叠并电容性地耦合。在一些实施例中，由重叠的第一部分52、第二部分54、第三部分56和第四部分58而形成的这些串联电容器中的每一个可以提供与形成电容器的板的表面积呈负相关的电抗，即重叠的铜带的量，并且在一些实施例中，天线24的直径以及重叠部分52、54、56、58的表面积可以构成关键的阻抗匹配参数。
本领域已知的Kandoian环形天线的电场分布包括在其辐射分支上的特定点处的良好限定峰值。有利地，如图7中可见的，将天线24的准集总串联电容器放置在电场的已知峰值62处可以通过降低多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38的输入电抗来延长天线24的操作带宽。在此方面，图2是展示了天线24的输入阻抗与频率的简图。如图2中可见的，与本领域已知的Kandoian环形天线相比，输入阻抗可以随频率而更缓慢地变化，这在图1中被展示。这种缓慢的输入阻抗变化可以允许天线24在较宽频带上以较高的匹配效率直接连接至50欧姆的传输线。
图7是展示了天线24的电场分布的简图，并且图8是展示了天线24的电压驻波比的简图。如上所解释的并且如图7中可见的，电场的峰值62可以与由多个环形片段28中的每一个的对应传输段34、对应返回段36和对应辐射段38的重叠部分52、54、56、58而形成的准集总串联电容器的位置相对应。在一些实施例中，与天线24在5.85GHz下操作相比，天线24在5.15GHz下操作可以具有相对较长的辐射长度，并且在一些实施例中，天线24在5.15GHz下操作可以跨多个环形片段28的元件而产生更大的边缘电场，该边缘电场产生与所计算的平行板值相比更大的有效串联电容。在更进一步的实施例中，5.85GHz下的输入阻抗可以具有比5.15GHz更大的电容电抗，但是频率的增加可以帮助减慢其变化，从而增加天线24的带宽。例如，在一些实施例中，多个环形片段28中的每一个的对应传输段34、对应返回段36和对应辐射段38的输入阻抗在5.15GHz下可以为194-j17欧姆并且在5.85GHz下可以为158-j223欧姆。在一些实施例中，天线24可以连接至同轴电缆32并且在50欧姆的参考阻抗下实现1.5:1的电压驻波比。
图9是展示了根据所披露实施例的环形天线24的电流分布的简图。在一些实施例中，当从多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38的中心到对应短路点的距离为5.5GHz信号波长的一半时，可以在多个环形片段28中的每一个的对应辐射段38的中心点处强制执行高电流条件。此外，在一些实施例中，天线24的直径可以是5.5GHz信号波长的一半，并且展现出与相位弯曲偶极中的两个间隔180o的半波长相似的特性。在一些实施例中，天线24的电流分布可以是圆形的，并且循环电流可以辐射方位角平面中的水平偏振电场并且可以近似于受恒定电流驱动的较小圆形环形天线的电流分布。在一些实施例中，受天线24辐射的电场可以水平地偏振并且在方位角平面中是全向的，并且大体上贯穿空间偏振
Figure BDA0001815378120000081
在此方面，在一些实施例中，本文所披露的实施例的高度对称本质可以紧密地近似于理论圆形环形天线的示例性辐射图案。
图10、图11和图12是展示了天线24的辐射图案的不同简图。例如，图10是展示了天线24在5.5GHz下操作的方位角平面中的辐射图案的简图，图11是展示了天线24在5.5GHz下操作的仰角平面中的辐射图案的简图，并且图12是展示了天线24在5.5GHz下操作的辐射图案的三维简图。如图11和图12中示出的，辐射图案可以包括由构造性反射离开接地平面而引起的仰角平面中的向上倾斜，并且在一些实施例中，这种向上倾斜可能是期望的，诸如当天线24部署在吊顶式Wi-Fi接入点中时。
最后，图13是展示了天线24的方位角平面中的水平偏振辐射与竖直偏振辐射之比的简图。所展示的平坦响应表明天线24与任何其他天线之间的隔离在天线24旋转时是不变的，该隔离在并置多个天线元件时可以是有价值的特征，因为这种特征减小了最佳参数空间。
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 (6)

1.一种环形天线，包括：
多个环形片段，所述多个环形片段中的每一个包括对应的传输段、对应的返回段以及对应的辐射段，
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应传输段电耦合至同轴电缆传输线的输入馈电点，
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应传输段电容性地耦合至所述多个环形片段中的对应环形片段的所述对应辐射段，
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段电容性地耦合至所述多个环形片段中的对应环形片段的所述对应返回段，
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应返回段电耦合至所述多个环形片段中的对应环形片段的对应的短路点，并且
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应短路点电耦合至所述同轴电缆传输线的返回部分，
其中，所述多个环形片段中的每一个被印刷在印刷电路板的基板上，
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段被印刷在所述基板的第一平面上，并且其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应传输段和所述对应返回段被印刷在所述基板的与所述第一平面平行的第二平面上，
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段的对应第一部分与所述多个环形片段中的对应环形片段的所述对应传输段的对应第二部分重叠，以与重叠的所述第一部分和所述第二部分之间的所述基板一起，形成对应的第一串联电容，
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段的对应第三部分与所述多个环形片段中的所述对应环形片段的所述对应返回段的对应第四部分重叠，以与重叠的所述第三部分和所述第四部分之间的所述基板一起，形成对应第二串联电容，
其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段的对应第一部分与所述多个环形片段中的对应环形片段的所述对应传输段的对应第二部分、并且所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段的对应第三部分与所述多个环形片段中的对应环形片段的所述对应返回段的对应第四部分在所述环形天线的电场的峰值点处重叠，并且所述环形天线的电流分布是圆形的。
2.如权利要求1所述的环形天线，其中，所述多个环形片段中的每一个围绕所述印刷电路板的中心而均匀分布。
3.如权利要求1所述的环形天线，其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应短路点与所述多个环形片段中的对应环形片段的所述对应辐射段的中心之间的距离是5.5GHz信号波长的一半。
4.如权利要求1所述的环形天线，其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段的长度是5.5GHz信号波长的四分之一。
5.如权利要求1所述的环形天线，其中，所述多个环形片段中的每一个的所述对应传输段包括对应的阻抗匹配部。
6.如权利要求1所述的环形天线，其中，所述多个环形片段中的每一个的对应第一串联电容和对应第二串联电容提供电抗，所述电抗与所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段的对应第一部分的、所述多个环形片段中的对应环形片段的所述对应传输段的对应第二部分的、所述多个环形片段中的每一个的所述对应辐射段的对应第三部分的、所述多个环形片段中的对应环形片段的所述对应返回段的对应第四部分的对应表面积成负相关，并构成阻抗匹配参数。
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