CN109659675A - 双频带天线 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种双频带天线，包括：单极天线；贴片天线，其电容耦合到单极天线；以及非导电框架，支撑单极天线，并且充当单极天线与贴片天线之间的电介质。该天线可以被部署在Wi‑Fi接入点中并且被调谐以在多种驱动点环境中高效地操作，可以被调谐以在阻抗带宽超过80％的情况下高效运行而辐射图案几乎没有变化。该天线可以在低频带中在TM20圆形贴片模式下操作，并且在高频带中在宽带四分之一波长单极模式下操作，并且该TM20圆形贴片模式和该四分之一波长单极模式都可以辐射强循环磁场，该强循环磁场可以产生优秀的全向辐射图案并将该天线与附近的水平极化天线元件解耦，从而允许该天线与水平极化元件并置，而几乎没有降低整体系统级性能。

Description

双频带天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月20日提交的名称为“CAPACITIVELYCOUPLED DUAL BANDANTENNA(电容耦合双频带天线)”的美国临时专利申请号62/560,990的优先权。美国临时专利申请号62/560,990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。具体地，本发明涉及电容耦合的双频带天线。
背景技术
对更大比特容量解决方案的不断增长的需求推动了在单个产品外壳或有限的地理区域内并置更多数量的天线的需要。随着并置天线的数量增加，天线可以映射到一个或多个RF收发器的可能性的数量增加。已知几种不同的架构。首先，所有并置天线可以连接到单个无线电。其次，并置天线可以在以同一频谱操作的多个无线电之间进行划分。第三，并置天线可以在以频率相对接近的不同频带中操作的多个无线电之间进行划分。第四，并置天线可以在以间隔相对较远的不同频带中操作的多个无线电之间进行划分。
对于这些不同架构中的每一种，需要一定量的天线隔离(大约25dB)。然而，取决于并置天线如何映射到(多个)收发器，这些不同架构中的每一种可能对天线隔离具有不同的要求以确保期望的系统级性能。例如，包括在同一频谱中操作的多个无线电之间划分的并置天线的架构要求在连接到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否则不可避免地彼此干扰。
当并置天线在多个无线电之间划分时，实现天线隔离的最具空间有效和能量高效的方式是使映射到不同无线电的多组天线交叉极化。一组可以被设计成辐射和接收竖直极化辐射，并且另一组可以被设计成辐射和接收水平极化辐射。更大的天线元件极化纯度导致天线组之间的更大隔离。
诸如美国专利号8,963,793中披露的天线等一些天线在本领域中是已知的。然而，具有上述标识的架构的已知天线具有至少两个缺点。首先，这种已知天线包括与同轴电缆、包括用于支脚或孔眼的单独部件的复杂连接，以及与大量金属块状物热结合的馈送。其次，这种已知天线对2.4GHz的天线罩负载敏感，从而限制了天线可以驻留的产品。
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。本申请提供了一种鲁棒的双频带全向天线。在一些实施例中，该天线可以被部署在Wi-Fi接入点中并且被调谐以在多种驱动点环境中高效地操作，并且在一些实施例中，该天线可以被调谐以在阻抗带宽超过80％的情况下高效运行，而辐射图案几乎没有变化。该天线可以在低频带中在TM20圆形贴片模式下操作，并且在高频带中在宽带四分之一波长单极模式下操作，并且该TM20圆形贴片模式和该四分之一波长单极模式都可以辐射强循环磁场，该强循环磁场可以产生优秀的全向辐射图案并将该天线与附近的水平极化天线元件解耦，从而允许该天线与水平极化元件并置，而几乎没有降低整体系统级性能。根据本申请的一个实施例提供了一种双频带天线，包括：单极天线；贴片天线，其电容耦合到所述单极天线；以及非导电框架，支撑所述单极天线，并且充当所述单极天线与所述贴片天线之间的电介质。
附图说明
图1是根据所披露实施例的电容耦合双频带天线及其安装硬件的分解图；
图2是根据所披露实施例的电容耦合双频带天线的透视图；
图3是根据所披露的实施例的在2.45GHz下操作的电容耦合双频带天线的方位平面中的模拟辐射图案的曲线图；
图4是根据所披露的实施例的在2.45GHz下操作的电容耦合双频带天线的仰角平面中的模拟辐射图案的曲线图；
图5是根据所披露的实施例的在5.5GHz下操作的电容耦合双频带天线的方位平面中的模拟辐射图案的曲线图；
图6是根据所披露的实施例的在5.5GHz下操作的电容耦合双频带天线的仰角平面中的模拟辐射图案的曲线图；
图7是根据所披露的实施例的电容耦合双频带天线的模拟电压驻波比的曲线图；
图8是根据所披露的实施例的电容耦合双频带天线的方位平面中的极化鉴别的曲线图；
图9是展示了根据所披露的实施例的在2.45GHz下操作的电容耦合双频带天线的电流分布的曲线图；
图10是展示了根据所披露的实施例的在5.5GHz下操作的电容耦合双频带天线的电流分布的曲线图；
图11是展示了根据所披露的实施例的在2.45GHz下操作的电容耦合双频带天线的三维辐射图案的曲线图；并且
图12是展示了根据所披露的实施例的在5.5GHz下操作的电容耦合双频带天线的三维辐射图案的曲线图。
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电容耦合双频带天线。例如，本文所披露的电容耦合双频带天线可以包括组合有四分之一波长单极天线和TM20模式圆形贴片天线的混合天线。此外，在一些实施例中，本文所披露的电容耦合双频带天线可以包括可以被用于并集成在吊顶式多输入多输出(MIMO)接入点中的强竖直极化全向天线元件，该接入点包括具有低外形轮廓的竖直极化全向天线元件和水平极化的全向天线元件两者。更进一步地，在一些实施例中，强竖直极化全向天线元件可以在方位平面中的多个方向上辐射几乎纯的竖直极化，并且可以在5GHz频带上与至少50mm或2英寸的距离处的强水平极化天线元件良好隔离(至少40dB)。在美国申请号15/944,950中披露了一种这样的水平极化天线元件。
有利地，本文所披露的电容耦合双频带天线可以实现与美国专利8,963,793中披露的天线所实现的性能相当的高性能水平。然而，本文所披露的电容耦合双频带天线可以提供若干附加优点。首先，本文所披露的电容耦合双频带天线可以包括塑料载体(非导电框架)，其可以改善天线的机械强度。其次，天线设计可以消除对用于促进馈电电缆的端接的接地馈电接片或孔眼的附加零件的需要，并且可以消除馈电电缆被热结合到大量金属块状物的需要。第三，本文所披露的电容耦合双频带天线可以包括形成在天线的一部分中的窗口，以允许馈电电缆的中心导体简单、直接地连接到天线的内表面。
有利地，本文所披露的电容耦合双频带天线对2.4GHz的天线罩负载或接地平面放置不是特别敏感，从而允许电容耦合双频带天线在多个不同的驱动点环境中实现高性能水平。在这方面，在一些实施例中，可以调整本文所披露的电容耦合双频带天线的尺寸以产生不同的谐振频率响应，而天线的辐射图案几乎没有变化。例如，在一些实施例中，本文所披露的电容耦合双频带天线可以产生适合于部署在吊顶式接入点中的嵌入式天线的辐射图案。此外，在一些实施例中，本文所披露的电容耦合双频带天线可以被调谐为在多个不同频带中操作，并且在一些实施例中，本文所披露的电容耦合双频带天线可以与多种无线技术结合使用，包括BLE、LTE、UWB、Wi-Fi等。例如，在一些实施例中，本文所披露的电容耦合双频带天线可以被调谐为在相当大的带宽(>80％)上具有2:1的电压驻波比，而天线的辐射图案几乎没有变化。
图1是根据所披露实施例的电容耦合双频带天线20及其安装硬件的分解图，并且图2是电容耦合双频带天线20的透视图。如所看到的，电容耦合双频带天线20可以包括单极天线22、非导电框架24和贴片天线26，并且安装硬件可以包括紧固件28。单极天线22可以包括圆柱形桶，该圆柱形桶具有开口顶部30、形成在其一侧中的侧窗31、形成在其底部中的馈送孔32、以及位于开口顶部30的圆周上的唇缘34。贴片天线26可包括外圆环36、一对支脚38、一对支腿40、一对重叠接片42、多个弯曲接片44、以及挤压孔46。在一些实施例中，圆柱形桶可以由黄铜或某种其他易于拉制的金属制成，非导电框架24可以由聚碳酸酯、尼龙或介电常数约为2.8至3的某种其他的塑料制成，并且贴片天线26可以由镍银、黄铜或易于冲压以形成外圆环36的某种其他金属制成。
在一些实施例中，电容耦合双频带天线20可以如下组装。单极天线22可以热熔接到非导电框架24，使得非导电框架24物理地支撑单极天线22，并且如与单极天线22组合的非导电框架24可以放置在贴片天线26的外圆环36上方并且由这些多个弯曲接片44保持就位，从而电容地耦合单极天线22和贴片天线26。在这方面，这些多个弯曲接片44可以确保在组装期间易于操作者进行处理。然后，单极天线22、非导电框架24和贴片天线26可以放置在保证馈送孔和安装孔的紧密对准的固定装置中，并且同轴电缆48的屏蔽件可以焊接到一对重叠接片42的至少一个上。例如，挤出孔46可以在一对重叠接片42之一的底部居中，并且穿过一对重叠接片42中的另一个的顶部的中心，以提供同轴电缆48的屏蔽件可以焊接到的表面(1)以及可以将同轴电缆的中心导体引导到单极天线22的表面(2)。接下来，同轴电缆48的中心导体(例如，RF导体)可以通过馈送孔32进行馈送并通过以下方式电耦合至单极天线22：将焊料馈送到圆柱形桶的开口顶部30或侧窗31中，同时铁加热圆柱形桶的外部以使焊料流动。最后，电容耦合双频带天线20可以使用紧固件28在电容耦合双频带天线20上的附接点处(例如，在贴片天线26的一对支脚38上和非导电框架24上的预切孔处)固定到底盘和/或接地平面。
紧固件28的各种实施例是可能的，包括螺钉和螺母、铆钉或本领域普通技术人员已知的任何其他紧固装置。在一些实施例中，紧固件28可以将电容耦合双频带天线20自上而下或自下而上附接到底盘和/或接地平面。
在一些实施例中，单极天线20和贴片天线26中的每一个可以是电容耦合双频带天线20的对应辐射部分。例如，同轴电缆48的中心导体可以电耦合到单极天线20并且被激励以在单极天线22上提供电流流动，响应于此，该单极天线可以辐射处于5GHz(或高)频带中的第一信号。单极天线22可以电容耦合到贴片天线26并且在贴片天线26上感应电流流动，响应于此，该贴片天线可以辐射处于2.45GHz(或低)频带中的第二信号。
在一些实施例中，单极天线22可以形成电容耦合双频带天线20的谐振高频(例如，5GHz)部分。此外，在一些实施例中，贴片天线26的一对支腿40可以形成短路，可以在5.5GHz下从单极天线22移位大约四分之一波长，并且在电气上可以比5.5GHz(z维度)下的四分之一波长更短，从而避免在高频带中降低单极天线22固有的全向性。更进一步地，在一些实施例中，电容耦合双频带天线20可以包括电容间隙，该电容间隙可以从单极天线22的唇缘34延伸到贴片天线26的外圆环36。在一些实施例中，电容间隙经由一对支腿40之一到地的径向长度在5.5GHz下可以约为四分之一波长，从而在单极天线22的末端处维持必要的开路条件。
在一些实施例中，在2.4GHz(低频带)下，单极天线22的圆柱形桶可以形成阻抗变换器，该阻抗变换器可以减小在TM20辐射模式下操作的贴片天线26的输入阻抗。此外，在一些实施例中，单极天线22的唇缘34与贴片天线26的外圆环36之间的电容间隙可以是控制输入电抗的阻抗匹配参数。例如，电容间隙内的介电负载可以降低间隙电抗。在这方面，对非导电框架24进行成形可以影响低频带谐振频率和高频带谐振频率、低频带谐振和高频带谐振的带内Q因子、以及电容耦合双频带天线20的整体阻抗带宽。
图3至图6是根据所披露实施例的电容耦合双频带天线20的模拟辐射图案的曲线图。具体而言，图3是在2.45GHz下操作的电容耦合双频带天线20的方位平面中的模拟辐射图案的曲线图，图4是在2.45GHz下操作的电容耦合双频带天线20的仰角平面中的模拟辐射图案的曲线图，图5是在5.5GHz下操作的电容耦合双频带天线20的方位平面中的模拟辐射图案的曲线图，并且图6是在5.5GHz下操作的电容耦合双频带天线20的仰角平面中的模拟辐射图案的曲线图。如所看到的，辐射图案在高频带和低频带中都是相似的，并且对于吊顶式接入点中的天线是理想的。
图7是根据所披露的实施例的电容耦合双频带天线20的模拟电压驻波比的曲线图，并且表明了电容耦合双频带天线20的双频带性质。图8是根据所披露的实施例的电容耦合双频带天线20的方位平面中的极化鉴别的曲线图。如所看到的，高交叉极化鉴别度(>20dB)的可以允许电容耦合双频带天线20与单个接入点产品内的水平极化天线元件并置并且良好隔离。
图9是展示了根据所披露的实施例的在2.45GHz下操作的电容耦合双频带天线20的电流分布(幅值和方向)的曲线图，并且图10是展示了根据所披露的实施例的在5.5GHz下操作的电容耦合双频带天线20的电流分布(幅值和方向)的曲线图。如所看到的，高电流点展示了在给定频率下操作的电容耦合双频带天线20的谐振部分。
图11是展示了根据所披露的实施例的在2.45GHz下操作的电容耦合双频带天线20的三维辐射图案的曲线图，并且图12是展示了根据所披露的实施例的在5.5GHz下操作的电容耦合双频带天线20的三维辐射图案的曲线图。如所看到的，辐射图案在高频带和低频带中都是相似的，并且对于嵌入在吊顶式接入点中的天线是理想的。
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 (9)

1.一种双频带天线，包括：
单极天线；
贴片天线，其电容耦合到所述单极天线；以及
非导电框架，支撑所述单极天线，并且充当所述单极天线与所述贴片天线之间的电介质。
2.如权利要求1所述的双频带天线，进一步包括馈电电缆，其中，所述馈电电缆的中心导体电耦合到所述单极天线，并且所述馈电电缆的屏蔽件端接于所述贴片天线的支脚处。
3.如权利要求1所述的双频带天线，进一步包括：
所述单极天线的唇缘与所述贴片天线之间的电容间隙，
其中，所述非导电框架的一部分填充所述电容间隙，并且
其中，通过所述贴片天线的短接腿接地的所述电容间隙的径向长度约为所述单极天线操作频率的四分之一波长。
4.如权利要求1所述的双频带天线，其中，所述单极天线辐射处于5GHz频带中的第一信号，并且所述贴片天线辐射处于2.4GHz频带中的第二信号。
5.如权利要求1所述的双频带天线，其中，所述单极天线包括具有开口顶部、侧窗和底部的圆柱形桶，其中，馈电电缆的中心导体通过所述圆柱形桶的底部中的孔进行馈送，并且通过焊料与所述圆柱形桶电耦合，其中所述焊料被通过所述开口顶部或所述侧窗沉积在所述圆柱形桶中并从所述圆柱形桶的外部被加热以使所述焊料流动。
6.如权利要求1所述的双频带天线，其中，所述贴片天线包括经由一对支腿耦合到一对支脚的外圆环，其中，所述一对支脚包括形成挤出孔的一对重叠接片，其中，馈电电缆通过所述挤出孔进行馈送，并且其中，所述馈电电缆的屏蔽件端接于所述一对重叠接片中的至少一个处。
7.如权利要求6所述的双频带天线，其中，所述一对支腿形成短路以强制执行TM20辐射模式，并且从所述单极天线移位大约所述单极天线的操作频率的四分之一波长。
8.如权利要求1所述的双频带天线，进一步包括通过多个紧固件耦合到所述贴片天线的接地平面。
9.如权利要求1所述的双频带天线，其中，所述单极天线由黄铜制成，所述贴片天线由镍银制成，并且所述非导电框架由聚碳酸酯制成。
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