CN110199434B - 四端口螺旋天线小型化 - Google Patents

Abstract

本发明描述了具有四个独立端口的四线螺旋天线，用于降低高度。所述QHA包括绕在公共纵向天线轴上的四个导电螺旋迹线。所述导电螺旋迹线用于在选择的频段上进行发送或接收。每个所述导电螺旋迹线通过各自的发射线连接到所述天线的各自的端口。所述QHA还包括与所述导电螺旋迹线绝缘且叠加在所述导电螺旋迹线上的至少一个导电组件。所述至少一个导电组件用于在所述频段内提供阻抗匹配。

Description

四端口螺旋天线小型化

交叉申请

本发明要求2017年1月12日递交的发明名称为“四端口螺旋天线小型化”的第15/404,898号美国专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及具有四个独立端口的四线螺旋天线(quadrifilar helical antenna，简称为QHA)的小型化，包括用于多入多出(multiple-input multiple-output，简称为MIMO)通信系统和其他无线通信系统。

背景技术

四线螺旋天线(QHA)由四个独立的螺旋迹线组成，具有四个独立的端口。QHA可由金属丝和导电条构成，或可以印在缠绕成圆柱形以通过合适的馈电网络产生圆形极化辐射的介电片上。QHA已被用于天线分集、陆地移动卫星(land mobile satellite，简称为LMS)通信以及其他卫星通信和导航系统。

QHA已被用作多入多出(MIMO)系统中应用的二元、三元或二乘二元阵列中的圆极化(circularly polarized，简称为CP)单端口天线振子。在MIMO应用中，通常实现仅具有两个独立物理端口的天线振子。与具有四个空间上分开的半波长偶极子的MIMO系统相比，在单天线MIMO系统中已经使用了四端口QHA天线振子。将多端口QHA用作天线阵列中的天线振子有助于减小所述天线阵列的总尺寸，这有利于小型化以及降低成本。

2015年8月28日递交的发明名称为“多线螺旋天线”的第14/839，192号美国专利申请案中描述了多端口QHA设计示例，其全部内容以引入的方式并入本文。通过修改该设计，可以得到有益效果，例如，降低天线高度、优化辐射图、减少端口之间的耦合和/或保持较宽的阻抗带宽。

发明内容

此处描述的各种示例提供了能够在MIMO和其他合适的应用中增加天线端口的数量的QHA设计。与现有技术中的QHA相比，通过在本文描述的示例中加入一个或多个电容(例如，金属)导电组件，本发明的QHA可以具有更紧凑的尺寸、优化的辐射图、足够宽的阻抗带宽且降低了成本。也可以增大容量(例如，用比特/秒为单位进行测量)与信噪比(signal-to-noise ratio，简称为SNR)之比。在一些示例中，与现有技术中的QHA相比，可以降低近70％的天线高度、优化辐射图、降低对端端口的耦合以及增加天线阻抗和图样带宽。

所公开的示例性QHA可以使四端口天线振子能够用于天线阵列(例如，用于大规模MIMO应用)，这可以使得阵列面板的尺寸与使用双端口天线振子的阵列相比得到减小(例如，在一些示例中，减小约42％的尺寸)。

在一些示例中，本发明描述了QHA。所述QHA包括绕在公共纵向天线轴上的四个导电螺旋迹线。所述导电螺旋迹线用于在选择的频段上进行发送或接收。每一个所述导电螺旋迹线通过各自的发射线连接到所述天线的各个端口。所述QHA还包括与所述导电螺旋迹线绝缘且叠加在所述导电螺旋迹线上(或下)的至少一个导电组件。所述至少一个导电组件用于在所述频段内提供阻抗匹配。

在一些示例中，本发明描述了天线阵列。所述天线阵列包括多个四端口QHA。每个QHA包括绕在公共纵向天线轴上的四个导电螺旋迹线。所述导电螺旋迹线用于在选择的频段上进行发送或接收。每个所述导电螺旋迹线通过各自的发射线连接到所述天线的各个端口。每个QHA还包括与所述导电螺旋迹线绝缘且叠加在所述导电螺旋迹线上(或下)的至少一个导电组件。所述至少一个导电组件用于在所述频段内提供阻抗匹配。

在一些示例中，本发明描述了制备QHA的方法。所述方法包括：在柔性介电材料的第一表面上设置四个导电螺旋迹线，其中每个导电螺旋迹线具有一个尾部以及各自的发射线，其中所述发射线连接到所述天线的各个端口。所述导电螺旋迹线用于在选择的频段上进行发送或接收。所述方法还包括：在所述柔性介电材料的第二表面上设置至少一个导电组件。所述至少一个导电组件被设置为与所述导电螺旋迹线绝缘且叠加在所述导电螺旋迹线上。所述至少一个导电组件用于在所述频段内提供阻抗匹配。所述方法还包括：将导电螺旋迹线缠绕在所述柔性介电材料上，使得所述导电螺旋迹线围绕公共纵向天线轴形成螺旋绕组。

所述至少一个导电组件可以包括至少一个导电环和/或导电贴片。可以有一组导电贴片，也可以有不止一组导电贴片。

附图说明

现在将通过示例参考示出本申请的示例实施例的附图，其中：

图1A为现有技术中的示例性QHA的示意图；

图1B为展示图1A中的QHA的散射参数(S参数)的图；

图1C为展示图1A中的QHA的辐射图的图；

图2为具有导电贴片的示例性QHA的示意图；

图3为具有导电环的示例性QHA的示意图；

图4A为另一示例性QHA的示意图，所述示例性QHA具有调谐用于2.3GHz至2.7GHz频段的导电环；

图4B～图4E为图4A中的QHA的辐射图和S参数与现有技术中的QHA的辐射图和S参数的对比图；

图5A为另一示例性QHA的示意图，所述示例性QHA具有调谐用于2.3GHz至2.7GHz频段的导电贴片；

图5B～图5E为图5A中的QHA的辐射图和S参数与现有技术中的QHA的辐射图和S参数的对比图；

图6A为另一示例性QHA的示意图，所述示例性QHA具有调谐用于2.3GHz至2.7GHz频段的导电环；

图6B～图6C为展示图6A中的QHA的辐射图和S参数的图；

图7A为另一示例性QHA的示意图，所述示例性QHA具有调谐用于2.3GHz至2.7GHz频段的导电贴片；

图7B～图7C为展示图7A中的QHA的辐射图和S参数的图；

图8A为另一示例性QHA的示意图，所述示例性QHA具有调谐用于1.9GHz至2.3GHz频段的导电贴片；

图8B～图8E为图8A中的QHA的辐射图和S参数与现有技术中的QHA的辐射图和S参数的对比图；

图9A为另一示例性QHA的示意图，所述示例性QHA具有调谐用于3.4GHz至3.6GHz频段的导电贴片；

图9B～图9C为展示图9A中的QHA的辐射图和S参数的图；

图10A为包含图5A中的QHA的天线阵列的示意图；

图10B～图10C为展示图10A中的阵列中的端口1开启的天线振子的辐射图和S参数的图；

图10D为双端口天线的天线阵列与四端口天线的天线阵列的对比示意图；

图11为一个示例性QHA的特写示意图，所述示例性QHA的发射线有尖锐的弯曲部分；

图12A为具有非圆柱体几何形状且包括导电环的示例性QHA的示意图；

图12B～图12E为图12A中的QHA的辐射图和S参数与现有技术中的QHA的辐射图和S参数的对比图；

图13为具有上板的示例性QHA的示意图；

图14为具有上环的示例性QHA的示意图；

图15为具有外壳的示例性QHA的示意图；

图16为由同心介电层构成的示例性QHA的示意图；

图17为具有多个导电环的示例性QHA的示意图；

图18A为具有两组导电贴片的示例性QHA的示意图；

图18B～图18C为展示图18A中的QHA的辐射图和S参数的图；

图19A为具有中心杆的示例性QHA的示意图；

图19B～图19C为图19A中的QHA的辐射图和S参数与不具有中心杆的QHA的辐射图和S参数的对比图；

图20为制备所公开的QHA的示例性方法的流程图。

在不同的附图中可以使用相似的附图标记来表示相似的部件。

具体实施方式

图1A示出了现有技术的四线螺旋天线(QHA)10的示例，例如，如申请号为14/839，192的美国专利申请案中所描述的，通过引用将该专利申请结合在内。所述QHA 10包括四个螺旋缠绕的导电螺旋迹线12(也称为绕组或绕丝)，其中所述每个导电螺旋迹线12通过各自的发射线16连接到各自的端口14。每个导电螺旋迹线12的底座可以被延伸，高度可以被抬升，如上述专利申请中所述。每个导电螺旋迹线12独立馈电，以形成四端口QHA 10。四端口QHA也可以称为四端口天线或四边形天线。所述导电螺旋迹线12与相邻导电螺旋迹线12之间以90°的角度隔开，长度相等，且在相同的方向上以相同的倾斜度缠绕。在所示示例中，所述QHA 10安装在接地层18上，在该示例中，所述接地层18是可以用作导电反射器的金属接地层18。所述接地层18可有助于使辐射图的旁瓣朝向正前方(远离所述接地层18)，而在一些示例中，可以省略所述接地层18。所述导电螺旋迹线12可以设置为形成为中空圆柱体的介电材料上的线，或者例如将所述导电螺旋迹线12围绕支撑面进行缠绕。通常情况下，所述导电螺旋迹线12可以由任何合适的导电材料形成，例如铜。

所述QHA 10的高度h1可以小于工作频率的一个波长λ。例如，所述QHA 10的高度h1可以为0.75λ。当工作频率为2.5GHz时，所述QHA 10的高度h约为90mm。图1B示出了示例性QHA 10在2.3GHz至2.7GHz范围内的工作频率上的散射参数(S参数)。图1C示出了示例性QHA10在2.5GHz工作频率上的辐射图。在2.3GHz至2.7GHz的工作范围内，所述示例性QHA 10具有约16％的宽阻抗带宽，且最大耦合度约为–10dB。然而，可能需要优化辐射图，并降低天线高度。

在下文提供的示例中，描述了包含导电贴片或导电环等电容组件的各种QHA设计。此类设计能够降低QHA的高度，同时可以优化辐射图。不同的设计可以针对不同的感兴趣的频段进行调谐，这可能与5G无线应用特别相关。下表更详细地描述了已讨论的一些示例：

图2是示出包含导电贴片210的示例性QHA 200的示意图。所述示例性QHA 200包括多个导电螺旋迹线202，在这种情况下，是包括四个导电螺旋迹线202，所述导电螺旋迹线202可以通过在介电材料上打印或蚀刻而成。例如，可以通过蚀刻柔性介电材料(例如，DuPont^TM

AP柔性电路材料，其介电常数(dielectric constant，简称为DK)为3.4、厚度为0.127mm)形成所述导电螺旋迹线202，所述柔性介电材料然后可以被缠绕成圆柱形。所述导电螺旋迹线202可以以其他方式形成，例如，通过围绕支撑面缠绕导线或带，或者通过蚀刻同轴介质电缆。

图2的示例中的导电螺旋迹线202均匀隔开，相邻导电螺旋迹线202之间的角度间隔为90°。所述导电螺旋迹线202的绕组数量、倾斜度、长度、宽度和缠绕方向可以彼此相似。在图2的示例中，每个所述导电螺旋迹线202的长度小于工作频率的一个波长λ(例如，为λ/4)，形成小于一匝且沿着长度方向上的宽度基本恒定。需要说明的是，虽然每个导电螺旋迹线202缠绕不到完整的一个匝，但所述导电螺旋迹线202仍然被认为是绕所述QHA 200的公共中心纵向z轴螺旋缠绕的。在其他示例(包括下面进一步讨论的一些示例)中，所述导电螺旋迹线202可以形成小于一个或多个匝，宽度可变和/或可分为两个或多个宽度相等或不等的分支。通常情况下，可以选择所述导电螺旋迹线202的尺寸和配置，以使用适当的调谐技术将期望的天线特性实现为天线设计的一部分。通过引用结合在本申请中的申请号为14/839，192的美国专利申请案中描述了合适的导电螺旋迹线202的示例尺寸和配置。例如，所述QHA 200的调谐可以利用模拟技术进行。

每个导电螺旋迹线202通过各自的发射线206连接到各自的端口204。在本示例中，四个导电螺旋迹线202各自独立地馈电到各自的端口204，从而形成四端口QHA 200。所述QHA 200可以安装在接地层208上。所述接地层208可以由任何合适的导电材料制成，且可以用作导电反射器。每个导电螺旋迹线202可以通过各自的端口204连接到天线馈电网络(未示出)，用于发送或接收信号。

所述QHA 200包括一个或多个导电组件，在本示例中，所述导电组件为所述导电贴片210，其与所述导电螺旋迹线202电绝缘。例如，图2中的所述QHA 200包括四个导电贴片210。所述导电贴片210的位置使得每个所述导电螺旋迹线202至少部分地被所述导电贴片210叠加。例如，如图2所示，每个导电螺旋迹线202可以部分地被另一个导电贴片210叠加。在一些示例中，单个导电贴片210可以叠加两个或多个导电螺旋迹线202。在一些示例中，单个导电螺旋迹线202可以被两个或多个导电贴片210叠加。所述导电贴片210的数量可以大于或小于所述导电螺旋迹线202的数量。在本发明中，术语“叠加”用于指示当透过所述介质或支撑面进行投射时，所述导电螺旋迹线202将与导电贴片210重叠；“叠加”并不一定意味着所述导电螺旋迹线202和所述导电贴片210物理上有接触；“叠加”不需要所述导电螺旋迹线202和所述导电贴片210按照任何顺序形成，并且所述导电贴片210可以被描述为叠加在所述导电螺旋迹线202上或叠加在所述导电螺旋迹线202下。所述导电螺旋迹线202和所述导电贴片210可以彼此绝缘。

所述导电贴片210可以通过印在与设置有所述导电螺旋迹线202的表面相对的所述介质基板的表面上形成。或者，可以通过将所述贴片210夹在两个介质层(例如，所述导电贴片210设置在双层介质的内层上)之间来形成所述导电贴片210，所述导电螺旋迹线202可以设置在所述两个介质层的外表面上。在一些示例中，所述导电贴片210可以印在一个介质层上，所述导电螺旋迹线202可以印在另一个介质层上，然后两个介质层可以层叠在一起。可以使用任何能够使所述导电贴片210与所述导电螺旋迹线202电绝缘且叠加于所述导电螺旋迹线202的形成所述导电贴片210的合适方法。

所述导电贴片210在长度、宽度和/或倾斜度上可以彼此相似。在图2的示例中，沿着所述导电贴片210的长度方向，其宽度基本上是一致的，但是在另一些示例中，所述导电贴片210的宽度可以是可变的或者可以具有不同的几何形状(包括不规则的几何形状)。如图所示，所述导电贴片210的倾斜度为0°，即，所述导电贴片210的纵轴通常与所述QHA 200的底部平行。

虽然图2示出了四个导电贴片210，在一些示例中，可以使用更长的导电贴片，使得一个较长的导电贴片能代替两个或多个较短的导电贴片210。

可以选择所述导电贴片210的位置、尺寸和配置以将期望的天线特性实现为天线设计中调谐的一部分。这种调谐可结合所述导电螺旋迹线202设计的调谐进行。

与现有技术中的QHA相比，所述QHA 200的高度h2能够降低，所述天线的特性能够得以保持或优化。例如，与现有技术中调谐至相同频段上的QHA相比，包含所述导电贴片210可以优化所述QHA 200的辐射图和降低天线高度h2，并且仍然保持端口间的期望耦合以及较大的阻抗带宽。下面进一步讨论示例仿真，以展示这种性能特征。

图3为另一示例性QHA 300的示意图，其中，用导电环替换所述导电贴片。图3的QHA300包括四个导电螺旋迹线302，所述导电螺旋迹线302通过各自的发射线306连接到各自的端口304并且安装在接地层308上。该QHA 300类似于图2中的QHA 200(具有如上所述的尺寸和配置上的可选变化)。所述QHA 300的导电组件不是一个或多个导电贴片，而是叠加于所有导电螺旋迹线302上的导电环310。从概念上讲，所述导电环310可以被认为是完全围绕所述QHA 300的周长延伸的导电贴片。所述导电环310可以采用与上述导电贴片210类似的方式设置。

如图3所示，所述导电环310自始至终可以有基本恒定的宽度。在其他示例中，所述导电环310的宽度可变。虽然被描述成一个环形，所述导电环310可以是非圆形的几何形状。例如，所述导电环310可以围绕正方形或其他规则或不规则的几何形状的周长。所述导电环310的倾斜角可以是非0°，或者可以是0°，即基本平行于所述接地层308(图3中的示例所示)。不管所述导电环310的倾斜度是多少，所述导电环310都是以所述QHA 300的纵向z轴为中心的。可以选择所述导电环310的位置、尺寸和配置以将期望的天线特性实现为天线设计中调谐的一部分。这种调谐可结合所述导电螺旋迹线302设计的调谐进行。

与图2中的示例类似，在图3的示例中包括所述导电环310可以降低所述QHA 300的高度h3、优化辐射图，同时与现有技术中调谐至同一频段上的QHA相比，仍然保持端口间的期望耦合以及较大的阻抗带宽。下面进一步讨论示例仿真，以展示这种性能特征。

通常，包含导电组件(例如，一个或多个导电贴片210或导电环310)可以优化天线特性。导电组件可以是金属的，也可以由任何其他合适的导电材料制成。使用所述导电环310而不使用导电贴片210可以得到不同的天线性能。例如，使用所述导电环310而不使用导电贴片210，可以在1.9GHz至2.3GHz频段上围绕基于正方形的QHA设计时提供更理想的辐射图。选择要使用的导电组件的配置，或者是否应使用导电环310和导电贴片210的组合，可以是天线设计中调谐的一部分，和/或取决于支撑结构的几何形状(例如，基于正方形或基于圆圈)，并且可以通过模拟执行。

现在讨论一些示例性仿真结果，以说明此处所公开的示例性QHA的性能。这些模拟仅供说明，不用作限制或约定。

图4A示出了具有导电环410的示例性QHA400。在2.3GHz至2.7GHz频段上模拟该QHA400的性能，并在下文中讨论了在2.5GHz的工作频率下的结果。通过适当的调谐，选择0.75λ的天线高度。本示例中的所述导电环410的宽度为2mm＝0.017λ，且安装高度为45mm＝0.375λ(从所述QHA 400的底部测量到所述环410的下边缘)。可以将所述示例性QHA 400的模拟与针对现有技术中与其尺寸和配置相同但不包含导电环的QHA(未示出)执行的模拟进行比较。

图4B和图4C分别示出了与现有技术中QHA的辐射图和散射参数(S参数)的比较。与之进行比较的图4A中的所述QHA 400的辐射图和S参数如图4D和图4E所示。从这些图中可以看出，包含所述导电环410可以优化辐射图，在2.3GHz至2.7GHz的频段上阻抗匹配小于–12dB。

图5A示出了具有四个导电贴片510的示例性QHA 500。该示例性QHA 500调谐用于2.3GHz至2.7GHz的频段。一般情况下，QHA的尺寸可以采用以下等式计算：

H＝Lax+Lfd+0.5*(Wb+2)*cos(α)

α＝a sin(Lax/Le)

Trace length＝Lt+Lfd+Le

其中，H为QHA的总高度，Le为绕圆柱体N匝的长度，Lfd为每个导电螺旋迹线的发射高度，Lt为尾部长度，Wb为每个导电螺旋迹线的宽度，R为圆柱体的半径。需要说明的是，每个导电螺旋迹线502的总长度为Le+Lfd+Lt之和，而N是长度Le的匝数(即，计算N时不包括Lfd和Lt)。

在2.5GHz的工作频率上，所述示例性QHA500的高度为39mm＝0.325λ，直径为42mm＝0.350λ。在该示例中，每个导电贴片510的长度为16.5mm＝0.138λ，宽度为7mm＝0.058λ，且每个贴片510的安装高度为26mm＝0.217λ(从所述QHA 500的底部测量到所述贴片510的下边缘)。每个导电螺旋迹线502的总长度为85mm，即为Le＝70mm＝0.583λ、发射高度10mm和尾部长度5mm之和。每个导电螺旋迹线502的宽度为9mm。从所述QHA 500的尾部和发射高度算起，每个导电螺旋迹线502有0.5匝，倾斜角为19.5°。

对于图5A中的所述QHA 500，2.3GHz至2.7GHz频段中的S参数如下：

可以将所述示例性QHA 500的模拟与针对现有技术中与其尺寸和配置相同但不包含导电贴片的QHA(未示出)执行的模拟进行比较。图5B和5C分别示出了现有技术中的QHA和所述示例性QHA 500的S参数。可以看出，包含所述导电贴片510能够增大所述QHA 500的阻抗匹配。

图5D示出了现有技术中的QHA的天线振子(其端口1处于开启状态)在2.3GHz、2.5GHz和2.7GHz工作频率上的辐射图。与之进行比较的图5E示出了所述示例性QHA 500在相同工作频率下的相应辐射图(其端口1处于开启状态)。可以看出，包含所述导电贴片510能够优化所述QHA 500的辐射图。

图6A示出了具有导电环610的示例性QHA 600。该示例性QHA 600调谐用于2.3GHz至2.7GHz的频段。在2.5GHz的工作频率上，所述示例性QHA 600的高度为39mm＝0.325λ，直径为42mm＝0.350λ。在该示例中，所述导电环610的宽度为2mm＝0.017λ，安装高度为30mm＝0.25λ(从所述QHA 600的底部测量到所述环610的下边缘)。所述示例性QHA 600的尺寸与图5A中的所述示例性QHA 500的尺寸相同，不同之处在于使用导电环610而不是导电贴片510。

可以将所述示例性QHA 600的模拟与针对现有技术中与其尺寸和配置相同但不包括导电环的QHA(与上文与所述示例性QHA 500进行比较的现有技术中的QHA相同)执行的模拟进行比较。在2.3GHz至2.7GHz频段上的S参数如下：

图6B是所述示例性QHA 600的模拟S参数的图。可以将图6B与示出现有技术中的QHA的S参数图的图5D进行比较。图6C示出了所述示例性QHA 600在2.3GHz、2.5GHz和2.7GHz工作频率上的辐射图。图5D示出了与之进行比较的现有技术中的QHA的辐射图。从这些模拟结果中可以看出，与现有技术中的QHA相比，所述QHA 600的回波损耗以及辐射图特征得到了优化。

图7A示出了具有四个导电贴片710的示例性QHA 700。该示例性QHA 700调谐用于2.3GHz至2.7GHz的频段。在2.5GHz的工作频率上，所述示例性QHA 700的高度为28mm＝0.233λ，直径为50mm＝0.417λ。在该示例中，每个导电贴片710的长度为31.4mm＝0.262λ，宽度为7mm＝0.058λ，且每个贴片710的安装高度为6mm＝0.05λ(从所述QHA 700的底部测量到所述贴片710的下边缘)。每个导电螺旋迹线702的总长度为45mm，即为Le＝30mm＝0.250λ、发射高度10mm和尾部长度5mm之和。每个导电螺旋迹线702的宽度为7mm。每个导电螺旋迹线702有0.17匝，不包括所述发射高度和所述尾部长度。每个导电螺旋迹线702起始于不包括反射器的所述QHA 700的底部，倾斜角为27°。

该QHA 700的仿真基于双Pyralux AP层的使用，其中所述导电贴片710夹在介质层之间。在2.3GHz至2.7GHz的频段中，相邻端口之间的耦合小于–9dB。图7B是示出所述示例性QHA 700的模拟S参数的图。图7C示出了所述示例性QHA 700在2.5GHz工作频率上、不同激励条件下的辐射图。

图8A示出了具有导电贴片810的示例性QHA 800。该示例性QHA 800调谐用于1.9GHz至2.3GHz的频段。在2.1GHz的工作频率上，所述示例性QHA 800的高度为36mm＝0.252λ，直径为50mm＝0.350λ。在该示例中，每个导电贴片810的长度为19.64mm＝0.137λ，宽度为7mm＝0.049λ，且每个导电贴片810的安装高度为26mm＝0.182λ(从所述QHA 800的底部测量到所述贴片810的下边缘)。每个导电螺旋迹线802的总长度为102.9mm，即为Le＝84.9mm＝0.5943λ、发射高度10mm和尾部长度8mm之和。每个导电螺旋迹线802的宽度为7mm。每个导电螺旋迹线802有0.5225匝，不包括所述发射高度和所述尾部长度。所述导电螺旋迹线802起始于不包括反射器的所述QHA 800的底部，倾斜角为14.8°。

在该频段上，所述示例性QHA 800的S参数如下：

可以将所述示例性QHA 800的模拟与针对现有技术中与其尺寸和配置相同但不包括导电贴片的QHA执行的模拟进行比较。图8B是所述示例性QHA 800的模拟S参数的图。图8B可以与示出了与之进行比较的现有技术中的QHA的S参数图的图8D进行比较。图8C示出了当端口1被激励时，所述示例性QHA 800在2.1GHz工作频率上的辐射图。图8E示出了与之进行比较的现有技术中的QHA的辐射图。从这些模拟结果中可以看出，与现有技术中的QHA相比，所述QHA 800的S参数以及辐射图得到了优化。

图9A示出了具有导电贴片910的示例性QHA 900。该示例性QHA 900调谐用于3.4GHz至3.6GHz的频段。在3.5GHz的工作频率上，所述示例性QHA 900的高度为38.4mm＝0.448λ，直径为50mm＝0.583λ。在该示例中，每个导电贴片910的长度为28.6mm＝0.334λ，宽度为5.5mm＝0.064λ，且每个导电贴片910的安装高度为14mm＝0.163λ(从所述QHA 900的底部测量到每个贴片910的下边缘)。每个导电螺旋迹线902的总长度为74.7mm，即为Le＝60.7mm＝0.4249λ、发射高度10mm和尾部长度4mm之和。每个导电螺旋迹线902的宽度为6.15mm。每个导电螺旋迹线902有0.3529匝，不包括所述发射高度和所述尾部长度。所述导电螺旋迹线902起始于不接触所述反射器的所述QHA 900的底部，倾斜角为24°。

在此工作频率下，相对导电螺旋迹线的间距为0.583λ，隔离度小于–15dB；相邻导电螺旋迹线的间距为0.412λ，隔离度小于–10dB。

图9B是示出所述示例性QHA 900的模拟S参数的图。图9C示出了当端口1被激励时，所述示例性QHA 900在3.4GHz、3.5GHz和3.6GHz工作频率上的辐射图。

此处公开的示例性QHA可以用作单独的天线，或者可以用于天线阵列中。由于所公开的示例性QHA能够优化辐射图和S参数，因此可以在紧密排列的天线阵列中使用此类四端口QHA，并且阵列中天线间的干扰仍可以是可接受的程度。天线阵列中的QHA可以具有相同的设计，也可以包括不同的设计。结合现有技术中的QHA，天线阵列可以包括所公开的QHA的示例。

图10A示意性地示出了包括此处公开的多个QHA的示例性天线阵列1000。在所示的示例中，在所述天线阵列1000中使用图5A中的单层QHA 500的组合双层变式的实现方式。如俯视图所示，五个此类QHA这样设置：四个QHA围绕着一个中心QHA。每个QHA都是一个四端口天线，因此所述天线阵列1000中共有20个端口。所述示例性天线阵列1000可以适用于2.3GHz至2.7GHz的频段，包括2.5GHz的工作频率。所述阵列1000是垂直间隔为60mm、水平间隔为120mm的错位阵列。对于2.5GHz的工作频率，60mm相当于0.5λ。图10B是所述天线阵列1000中的QHA的模拟S参数的图。图10C示出了当端口1被激励时，所述天线阵列1000中的QHA在2.3GHz、2.5GHz以及2.7GHz工作频率上的辐射图。与单个QHA的辐射图相比，所述辐射图仅有些许改变。S参数上的改变也几乎察觉不到。这些模拟结果表明，此处公开的示例性QHA使得在天线阵列中可以使用四端口QHA。

如此处所公开的，在天线阵列中使用四端口QHA可以减小所述阵列的尺寸，特别是对于大规模MIMO应用而言。例如，图10D示出了使用两端口天线的天线阵列1050与此处所公开的示例性QHA等使用四端口天线的天线阵列1060之间的对比。为了具有128个端口，需要64个两端口天线(例如，设置成8行8列)。相比之下，为了在所述天线阵列1060中包括128个端口，只需要32个四端口QHA。图10D中，每个阵列1050、1060中的天线交错排列，方位间隔为0.5λ，高度间隔为1λ。对于2.1GHz的工作频率，λ＝142.8mm。所述两端口天线的阵列1050的面积需为21λ²。相比之下，所述四端口QHA的阵列1060的面积需为12.25λ²，从而减小了大约42％的面积。

以上讨论了包括导电组件的各种示意性QHA配置。可以执行合适的调谐(例如，使用模拟或其他天线设计技术)以选择合适的设计参数(例如，导电螺旋迹线的尺寸、导电组件的尺寸、配置和/或位置、和/或QHA的整体尺寸)以实现所期望的天线特性(例如，调谐S参数以及形成辐射图)。下面将描述其他可能的变化。下述变化可以包含在前述讨论的一些或全部示例中，这种变化可以结合在一起以实现期望的天线特性。

图11是示例性QHA 1100的一部分的特写图，其中，通过具有大于90°的尖锐弯曲部分(即，具有最小弯曲半径或弯曲半径为0)的发射线1106对导电螺旋迹线1102进行馈电。所述发射线1106包括尖锐弯曲部分可以使得所述导电螺旋迹线1102沿着所述导电螺旋迹线1102的长度连接到不同的连接点，这可以为调谐和阻抗匹配提供更大的设计自由度。所述发射线1106的尖锐弯曲部分对所述QHA 1100的特性没有显著影响。

图12A示出了示例性QHA 1200，其中，导电螺旋迹线1202绕在非圆柱几何体上，在这种情况下，是绕在正方体上。该示例中的导电组件是导电环1210，同样是个正方体。对于2.3GHZ至2.7GHz的频段，所述QHA 1200包括37.2mm x 37.2mm且高度为39mm的正方形底座。该QHA 1200可以基于具有直径为42mm的圆形底座的圆柱形QHA。可以设计所述QHA 1200的所述正方形底座的面积等于直径为42mm的圆形底座的面积。在本示例中，所述导电环1210的宽度为2mm，且安装高度为30mm(从所述QHA 1200的底部测量到所述环1210的下边缘)。

可以将所述示例性QHA 1200的特性与针对现有技术中与其尺寸和配置相同但不包含导电环1210的QHA(未示出)的特性进行比较。图12B和图12C分别示出了所述示例性QHA1200的S参数与现有技术中的QHA的S参数。可以看出，与现有技术中的QHA相比，所述示例性QHA 1200的S参数得到了优化。图12D和图12E分别示出了在2.3GHz和2.5GHz的工作频率上，所述示例性QHA 1200的辐射图和现有技术中的QHA的辐射图。可以看出，与现有技术中的QHA相比，所述示例性QHA 1200的辐射图得到了优化。

通常情况下，导电螺旋迹线可以围绕合适的几何体设置，例如包括正方体、球体、圆柱体或椎体。可以使用椎体。相应地，可以通过塑形介电材料或其他支撑平面实现所述QHA的不同的几何体。应该理解的是，在本发明中，螺旋天线和导电螺旋迹线并不严格局限于圆形的或圆柱形的几何体。围绕非圆柱体几何体的绕线也可以被称为“螺旋”。所述QHA的合适几何体的选择可以作为天线调谐的一部分执行，以获得期望的辐射图(例如，利用模拟技术)。下面讨论的图13至图19C示出了为了形成辐射图而与导电贴片一起实现的设计变化。尽管是单独讨论的，这些变化可以结合在一起使用。

图13是包括上板1312的另一示例性QHA 1300的示意图。为了简洁起见，未示出导电贴片。例如，所述上板1312可以由与所述导电螺旋迹线1302相同的导电材料制成。所述上板1312位于垂直于所述QHA 1300的纵轴的平面上，以所述QHA 1300的纵轴为中心。所述上板1312与所述导电螺旋迹线1302间隔开且与其绝缘。

图14是包括上环1414的另一示例性QHA 1400的示意图。为了简洁起见，未示出所述导电贴片。例如，所述上环1414可以由与所述导电螺旋迹线1402相同的导电材料制成。所述上环1414位于垂直于所述QHA 1400的纵轴的平面上，所述QHA 1400的纵轴穿过所述上环1414的中心。所述上环1414与所述导电螺旋迹线1402间隔开且与其绝缘。

图15是包括包围所述导电螺旋迹线1502的导电(例如，金属)外壳1516的另一示例性QHA 1500。所述外壳1516与所述导电螺旋迹线1502间隔开且与其绝缘。所述外壳1516可以是固体表面，或可以由条带材料构成(例如，类似于架子或笼子)。

图16是另一示例性QHA 1600的示意图，其中所述导电螺旋迹线1602和导电组件(在这种情况下，是导电贴片1610)设置在同心介质圆柱体上。在此示例中，所述导电螺旋迹线1602和导电贴片1610可以分开印在不同的介电材料上，然后单独的介电材料可以彼此缠绕，以获得图16所示的同心设置。

在一些示例上，单个导电螺旋迹线可以被不止一个导电组件叠加。例如，图17示出了包括多个导电环1710的示例性QHA 1700，在这种情况下，所述示例性QHA 1700包括四个导电环1710。因此，每个导电螺旋迹线1702被所述导电螺旋迹线1702上的不同位置上的四个导电环1710叠加。在此示例中，所述四个导电环1710中的每一个的尺寸相同，但位于所述QHA 1700的不同纵向位置上。在其他示例中，所述导电环1710的尺寸可以不同(例如，宽度不同)和/或设置可以不同。

图18A示出了示例性QHA 1800，其中，导电贴片1810的数量是导电螺旋迹线1802的两倍，使得每个导电螺旋迹线1802被位于其长度方向上不同位置上的两个不同的导电贴片1810叠加。在所示的示例中，每个导电贴片1810的尺寸都相同。在所述QHA 1800的两个不同纵向位置上有两组导电贴片1810，所述两组导电贴片1810之间存在角度偏移。在其他示例中，所述导电贴片1810可以有不同的尺寸(例如，所述两组具有两种不同的宽度)和/或配置。图18B是示例性QHA 1800的S参数的图。图18C示出了所述示例性QHA 1800在2.1GHz、2.3GHz、2.5GHz以及2.7GHz工作频率上的辐射图。图18B和图18C可以与图8B和图8C中针对所述QHA 800所示的相应示图进行对比，其具有相同的尺寸但只包括一组导电贴片810。可以看出，使用两组导电贴片1810可以将耦合度减小到小于–10dB(如图18B中的虚线所示)，即，提高端口隔离度。

图19A示出了包括导电贴片1910且还包括沿着所述QHA 1900的纵轴的中心导电杆1918的示例性QHA 1900。在该示例中，针对2.1GHz的工作频率，所述导电杆1918的高度为36mm＝0.252λ，直径为3mm＝0.021λ。图19B示出了所述示例性QHA 1900的S参数与尺寸与其相同、包括导电贴片1910但不包括中心杆1918的QHA(未示出)的S参数的比较。图19C示出了当端口1开启时，所述示例性QHA 1900在2.1GHz工作频率上的辐射图与图8C所示的不包括杆的QHA的辐射图的比较。可以看出，包括所述中心杆1918可以减少辐射旁瓣，同时S参数可以仅受到轻微影响。

图20是制备所公开的示例性QHA的示例性方法2000的流程图。所述方法2000可以适用于所述QHA的导电螺旋迹线设置在柔性介电材料上的示例。

在步骤2002中，在柔性介电材料的第一表面上设置导电螺旋迹线。在上述示例中，所述介电材料可以是介电常数为3.4、厚度为0.127mm的双Pyralux AP层。可以使用合适的蚀刻技术将所述导电螺旋迹线蚀刻在所述介电材料的一个表面上。所述导电螺旋迹线可以和发射线一起蚀刻。

在步骤2004中，在同一个或不同的介电材料的第二表面设置一个或多个导电组件(例如，一个或多个导电贴片和/或导电环)。如上所述，所述一个或多个导电组件与所述导电螺旋迹线绝缘并叠加在所述导电螺旋迹线上。例如，所述导电螺旋迹线和所述导电组件可以设置在同一介电材料的不用表面上(例如，通过蚀刻或其他合适的技术)。在一些示例中，所述导电组件可以设置在双层介质的内层，使得所述一个或多个导电组件夹在介质层之间，所述导电螺旋迹线可以设置在双层介电材料的外层。在一些示例中，所述导电组件可以设置在介电材料上与所述导电螺旋迹线分隔开，两个介电材料可以层压在一起或彼此缠绕(下述步骤2006)。

在步骤2006中，缠绕所述介电材料，使得所述导电螺旋迹线形成绕公共纵向天线轴的螺旋迹线，以形成QHA。所述介电材料可以是完全独立支撑的，或者是绕着另一种支撑材料或结构。可以使用任何合适的粘合剂将所述介电材料的两端结合在一起形成管状结构。所述介电材料可以制成不同的几何形状，如圆柱体、方形管，以调谐所述QHA。当所述导电螺旋迹线和所述导电组件设置在不同介电材料上时，所述不同的介电材料可以缠绕在一起，例如，形成两个同心管。

在步骤2008中，将所述介电材料安装在接地层上。这可能涉及到将所述发射线连接到所述接地层上限定的端口上。在形成天线阵列的过程中，可以在同一个接地层上安装多个天线。可以基于应用选择是否使用接地层以及接地层的大小。

在上述示例中，提供了一定的示例尺寸和配置，然而，这只是出于说明目的，并不构成限定。通常情况下，将导电组件合入到所述QHA以及导电组件的位置、尺寸和方向是可以选择的(例如，使用合适的天线调谐技术)以提供期望的阻抗匹配、辐射图和/或期望的频段和/或工作频率上的隔离。所述QHA的其他方面，例如所述导电螺旋迹线的尺寸和大小，可以以类似的方式进行选择，以实现期望的天线特性。

此处描述的各种示例性QHA可以用于发射或接收，这视情况而定。每个QHA可以用作一个独立的二端口、三端口、四端口或五端口天线，或者可用于MIMO天线阵列等。通常情况下，所述示例性QHA可以用于任何可以使用四端口天线的应用中，包括基站或电信网络回程上的任意位置。

此处公开的示例性QHA可以在5G无线网络中使用，例如，在物流网(InternetofThings，简称为IoT)应用中使用。在所述QHA中包括导电组件可以减小单个QHA以及天线阵列的尺寸，这可以使各个产品中的天线合并在一起。例如，所公开的QHA的示例可以合入到流量天线、在道路上以及人行井盖上安装的天线、桌面天线、路灯杆上的天线以及其他室内和室外移动和静止的计算设备和基础设施设备中。可以设计所公开的示例性QHA，使其工作于WiFi、蓝牙、蜂窝、工业科学与医学(industrial scientific and medical，简称为ISM)、宽带和/或扩频通信的频率上。将所述示例性QHA广泛合入到各种产品中的能力可以增大通信容量，可以将其用作为信号放大器。

尽管本发明描述了具有一定顺序的步骤的方法和流程，但是可以适当地省略或改变所述方法和流程的一个或多个步骤。一个或多个步骤可以适当地按照除所描述的顺序以外的顺序进行。

尽管至少部分地以方法描述了本发明，本领域普通技术人员将理解，本发明还指向各种通过硬件组件、软件或两者的任意组合执行所描述的方法的至少一些方面和特征的组件。相应地，本发明的技术方案可通过软件产品的形式体现。合适的软件产品可以存储在预先记录的存储设备或其他类似的非易失性或非瞬时性计算机可读介质中，例如包括DVD、CD-ROM、USB闪存盘、可移动硬盘或其他存储介质。所述软件产品包括有形地存储在其上的指令，使得处理设备(例如，个人计算机、服务器或网络设备)能够执行本文公开的方法的示例。

本发明可以以其他具体形式体现，而不背离权利要求的主题。所描述的示例实施例在各方面都仅仅是示意性的，而不是限制性的。可以组合上述一个或多个实施例中的选定特征以创建未明确描述的备选实施例、适合于在本发明的范围内理解此类组合的特征。

公开的范围内的所有值和子范围也是公开的。此外，尽管此处公开和示出的系统、设备和流程可以包括特定数量的元件/组件，但是可以修改所述系统、设备和组件以包括此类元件/组件中的附加或更少的元件/组件。例如，尽管所公开的元件/组件中的任一个可以被单独引用，但可以修改此处所公开的实施例以包括多个此类元件/组件。此处描述的主题意在涵盖和包含技术上的所有合适的变化。

Claims (20)

1.一种螺旋天线，其特征在于，包括：

围绕所述天线的公共纵向天线轴缠绕的多个导电螺旋迹线，用于在频段上发射或接收信号；其中

每个所述导电螺旋迹线通过各自的发射线连接到所述天线的各个端口；以及

与所述导电螺旋迹线绝缘且至少部分地叠加于至少一个所述导电螺旋迹线的至少一个导电组件；

其中所述至少一个导电组件包括至少一个导电贴片，每个所述导电贴片的长度都短于纵向天线轴的一匝。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述导电螺旋迹线设置为支撑介电材料的第一表面上的迹线。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述至少一个导电组件设置在所述支撑介电材料上与所述第一表面相对的第二表面上。

4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述支撑介电材料为双层介电材料，所述至少一个导电组件设置在所述支撑介电材料的两层之间。

5.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述至少一个导电组件被设置为其他介电材料上的迹线。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的天线，其特征在于，所述导电螺旋迹线绕在非圆柱几何体上。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的天线，其特征在于，所述至少一个导电组件包括导电环。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的天线，其特征在于，所述至少一个导电组件包括多个导电贴片。

9.根据权利要求1-5中任意一项所述的天线，其特征在于，还包括沿着所述纵向天线轴的中心导电杆。

10.根据权利要求1-5中任意一项所述的天线，其特征在于，所述天线安装在接地层。

11.根据权利要求1-5中任意一项所述的天线，其特征在于，每一条所述发射线都具有尖锐的弯曲部分。

12.根据权利要求1-5中任意一项所述的天线，其特征在于，还包括垂直于所述天线轴设置的上导板，所述天线轴穿过所述导板的中心，所述导板与所述导电螺旋迹线隔开。

13.根据权利要求1-5中任意一项所述的天线，其特征在于，还包括垂直于所述天线轴设置的上导电环，所述天线轴穿过所述环的中心，所述环与所述导电螺旋迹线隔开。

14.一种天线阵列，其特征在于，包括：

多个螺旋天线，所述每个螺旋天线包括：

围绕公共纵向天线轴缠绕的多个导电螺旋迹线，其中所述导电螺旋迹线用于在频段上发射或接收信号；

每个所述导电螺旋迹线通过各自的发射线连接到所述天线的各自的端口；以及

与所述导电螺旋迹线绝缘且至少部分叠加于至少一个所述导电螺旋迹线的至少一个导电组件；

其中所述至少一个导电组件包括至少一个导电贴片，每个所述导电贴片的长度都短于纵向天线轴的一匝。

15.根据权利要求14所述的天线阵列，其特征在于，所述至少一个导电组件包括导电环。

16.根据权利要求14所述的天线阵列，其特征在于，所述至少一个导电组件包括多个导电贴片。

17.根据权利要求14-16中任意一项所述的天线阵列，其特征在于，所述导电螺旋迹线设置在支撑介电材料的第一表面上，所述至少一个导电组件设置在所述支撑介电材料的与所述第一表面相对的第二表面上。

18.根据权利要求14-16中任意一项所述的天线阵列，其特征在于，所述导电螺旋迹线设置为双层支撑介电材料的第一表面上的迹线，所述至少一个导电组件设置在所述支撑介电材料的两层之间。

19.一种制备螺旋天线的方法，其特征在于，所述方法包括：

在柔性介电材料的第一表面上设置多个导电螺旋迹线，其中所述每个导电螺旋迹线设置有各自的发射线，所述发射线用于连接到所述天线的各自的端口，所述导电螺旋迹线用于在频段上发送或接收信号；

在所述柔性介电材料的第二表面上设置至少一个导电组件，所述至少一个导电组件被设置成与所述导电螺旋迹线绝缘，并且至少部分地叠加在所述导电螺旋迹线中的至少一个上，其中所述至少一个导电组件包括至少一个导电贴片，每个所述导电贴片的长度都短于纵向天线轴的一匝；以及

将所述导电螺旋迹线缠绕在所述柔性介电材料上，使得所述导电螺旋迹线围绕公共纵向天线轴形成螺旋绕组。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括：将所述缠绕后的介电材料安装在接地层，并将所述发射线路连接到所述接地层上的相应端口。

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