CN110521058B - 天线装置和天线阵列 - Google Patents

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Abstract

提出一种具有电路板和至少一个布置在电路板上的且可通过电路板或布置在其上的耦合窗激发的天线辐射器的天线装置，天线辐射器构造成，具有至少两个优选彼此正交的极化和至少两个相互接连的或彼此不同且彼此间隔开的谐振频率范围，其中，天线辐射器具有：至少一个实施成谐振器的布置在电路板上的电介体，其具有第一相对介电常数的第一电介体，至少一个具有第二相对介电常数的第二电介体，其中，第一相对介电常数大于第二相对介电常数，第二电介体成型为，使其布置在至少一个第一电介体上，其至少在其中一个谐振频率范围中使电场在正交于主辐射方向的平面中成束或分散。此外还提出一种天线阵列。

Description

天线装置和天线阵列
技术领域
本发明涉及一种天线装置以及相应的天线阵列。
背景技术
在移动通信中总是开发出更新的无线电技术，从而对于无源天线系统来说会更快地触及到系统的技术边界，尤其是容量边界。解决方案是采用多个具有多个发射和接收放大器的单个辐射器的阵列来实现用于波束控制和波束成型(英语称为Beamsteering和Beamforming)或者也用于MIMO运行的可控天线。在MIMO运行中使用多个发射和接收模块尤其在发射器和接收器之间没有直接通视的情况下特别有利。近年来有源天线的使用已被视为解决移动通信中的容量、传输、提高数据速率等许多问题的解决方案。到目前为止由于以下原因具有多个收发器的有源天线阵列尚未被广泛接受。多个有源构件在成本和可靠性方面都是一个巨大的挑战。此外，高达3dB的双滤波器的高插入损耗
Figure GDA0003140243720000011
和放大器的在0.2...2W的低功率范围内的低效率使得有源天线阵列的整体效率非常差。而且，目前还没有用于在没有高滤波器消耗的情况下的多带运行的解决方案，因此为了减少滤波器消耗，例如对每个发射和接收带必须实现单独的有源天线阵列。这是由于通常不能实现，即使出于空间原因也使用于不同带的辐射器彼此物理分离。
较高代的网络技术，例如为LTE技术引入的MIMO技术(英语为multiple-in-multiple-out多输入多输出)此时产生了关于HF性能的其他问题，因为必须传输越来越高的数据速率等。在MIMO中使用多个相同结构的天线或天线模块，传输在频率、时间和空间的维度中进行。一方面，通过经由多个、优选为正交极化的天线发射和接收信号，发送器和接收器获得所谓的信号差异，即关于发送的信号的进一步信息，从而实现系统的更高的性能。另一方面发送器和接收器通过多个天线的互连和对准获得改进的信噪比，由此同样实现了更高的系统性能。通过该技术可显着提高无线连接的质量和数据速率。MIMO已经在4G标准中使用并且在未来将提高到下一个被称为大规模(Massive)MIMO的级别。
待解决的问题是提供具有高度矫正效果(Richtwirkung)的紧凑的宽带天线组。在此已知的次优的解决方案为，例如电介的谐振天线(dielektrische Resonatorantennen)。其通常基于辐射器，其中激发具有高相对介电常数的电介体。其由于通过辐射器小型化带来的高集成密度而使得阵列天线可以非常紧凑，这尤其是在具有多个辐射器系统和/或频带的天线中是有利的，例如在有源天线和/或多频带/多端口天线中。由于单个辐射器间的距离小，尤其是在波束成形和/或MIMO应用中高传输速率也是可能的。然而由于电介的谐振器的相对介电常数高和/或辐射器小型化和/或由此带来的小的辐射器体积，它们仅实现了低的矫正效果和带宽，特别是在双极双频带运行中。
用于双极化天线的谐振器天线例如可从Ayaskanta Panigrahi，S.K.Behera(inMicrowave,Optical and Communication Engineering(ICMOCE),2015InternationalConference on 18-20Dec.2015,Seiten 13-16,DOI:10.1109/ICMOCE.2015.7489679)的出版物“IEEE：Dual-linearly polarized dielectric resonator antenna array for Land S band applications”中得知。此外已知通过使用电介的透镜可以实现矫正效果的改善。例如在欧洲专利EP0871239B1中公开了这种天线装置，该天线装置具有平面的电介的传输线路和与其耦合的电介的谐振器。还已知交错布置的电介的谐振器天线可以降低滤波器消耗，如欧洲专利EP 1908147 B1中公开的那样。
还已知电介体可以用作双极化的棒状辐射器并且可以具有基于前进波的辐射器的特性，这可以在至今尚未公开的德国专利申请DE 10 2016 002 588.3中看到以及在出版物“Wideband Dual-Circularly-Polarized Dielectric Rod Antenna for Applicationsin V-band Frequencies von M.W.Rousstia et al.und für die ICT Proceedings vom27-28.11.2013”中看到。
但是，迄今尚没有在多频带运行中实现高矫正效果、高带宽和紧凑布置的解决方案。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种天线装置和相应的阵列，通过其在紧凑布置的方式中在双极双频带运行中提供改进的天线图和带宽。本发明可有利地应用在移动通信领域中并且在此尤其是应用在频率范围为0.3Ghz-15Ghz、在此尤其是频率范围为0.5Ghz-6Ghz的移动通信基站天线中。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征实现。优选的实施方式是从属权利要求的内容。
提出了一种具有正交极化和多个谐振频率范围的紧凑的天线，下面称为天线装置。该天线装置具有至少两个电介体。第一电介体主要产生谐振频率范围而第二电介体提高谐振频率范围的带宽或使低谐振频率范围的矫正效果匹配高谐振频率范围。
由此根据第二电介体的实施方式，天线装置可具有电介的谐振器天线的特性和电介的棒状天线的特性。尤其是通过电介体的构造可增大谐振频率范围，使得谐振频率范围重叠。当天线装置主要实施成电介的谐振器天线时，天线装置典型地具有彼此间隔开的谐振频率范围并且在主要实施成电介的棒状辐射器时具有重叠的谐振频率范围。
根据应用、即波束成型和/或波束控制，高的3dB的半值宽度可以比高的矫正效果更为有利。天线的矫正效果下降到最大值的一半(因数0.5≈3dB)时的角区域定义为半值宽度(HPBW或3dB张角)。
特征是，在两个电介体之间的相对介电常数有非常大的差异。
提出了一种具有电路板和至少一个布置在电路板上并且可通过电路板或布置在其上的耦合窗(Kopplungsfenster)激发的天线辐射器的天线装置，天线辐射器构造成，其具有至少两个优选为彼此正交的极化和至少两个相互关联的或彼此不同且彼此间隔开的谐振频率范围，其中，天线辐射器具有：至少一个实施成谐振器的布置在电路板上的具有第一相对介电常数的第一电介体，至少一个具有第二相对介电常数的第二电介体，其中，第一相对介电常数大于第二相对介电常数，以及其中，第二电介体如此成型，使其如此布置在至少一个第一电介体上：其至少在其中一个谐振频率范围中使电场在正交于主辐射方向的平面中成束或分散。
本发明的其他特征和优点从下面对本发明的实施例的描述中、根据示出本发明细节的附图得到。各个特征可单独地或将多个特征以任意结合的方式在本发明的变型中实现。
附图说明
下面根据附图详细阐述本发明的优选实施方式。
图1a和1b示出了根据本发明的一种实施方式的天线装置的分解图和剖视图。
图2a和图2b示出了根据本发明的另一实施方式的天线装置的构件的分解图和剖视图。
图3a和图3b示出了根据本发明的一种实施方式的用于单个天线辐射器以及用于两个连接在一起的天线辐射器的电路板的示意图。
图4至图13示出了用于具有和没有第二电介体的实施方式的电气值。
图14a至图14b示出了根据本发明的一种实施方式的天线阵列的视图和剖视图。
图15a至图15b示出了用于具有和没有第二电介体的实施方式的天线图。
图16a至图16c示出了根据本发明的另一实施方式的天线阵列的视图和剖视图。
图17a至图17e示出了根据本发明的不同实施方式的天线装置的尺寸。
图17f示出了根据本发明的一种实施方式的棒状辐射器的竖向剖视图。
图18a至图18d示出了根据本发明的另一实施方式的不同成型的且设有机械止动部的第二电介体的剖视图。
图19至图20分别示出了根据本发明的不同实施方式的天线阵列的视图和剖视图。
图21示出了根据本发明的另一实施方式的天线阵列的剖视图。
图22a和图22b示出了用于图21中所示的天线阵列的不同厚度的棒状辐射器的天线图。
在后续的附图说明中对相同的元件或功能采用相同的附图标记。
具体实施方式
根据本发明的天线装置具有至少两个极化、优选为正交的极化以及至少两个接连的或彼此不同的且彼此间隔开的、即至少两个未接连的谐振频率范围。优选分别将具有高于6dB、优选高于10dB、更为优选高于14dB的失配衰耗的接连区域定义为辐射器的谐振频率范围。波长信息
Figure GDA0003140243720000051
通常是辐射器的最低谐振频率范围的中间频率。
图1a、1b、2a和图2b分别示出了本发明的两个不同实施方式的天线装置的分解图以及天线装置的剖视图。示出了电路板100的布置在不是一定配备给天线装置的载体101上的第一部件以及布置在第一部件上的第二部件。在电路板100的第二部件上布置第一电介体1。在该第一电介体1之上布置第二电介体2，第二电介体用作集成的透镜或具有前进波的辐射器和/或用作电介质的棒状辐射体，适合于使辐射成束和/或使辐射器去耦和/或扩展谐振频率。具有前进波的辐射器(英语称为Traveling Wave Antenna TWA)是在导向结构上使用前进波作为其主要辐射机制的天线。该天线组别的子分类是表面波天线，英语为Surface Wave Antenna(SWA)，电介质的棒状辐射器也属于此。
如在图17c和图17d中所示，第一电介体1或者容纳在第二电介体2中，即集成地、与其直接接触，如图17a所示；或经由气隙、尤其是在波传播方向上以小于0.15波长的尺寸如图所示地与第二电介体以电磁方式耦合，如在图17b或图17f中(后面将详细描述)所示。
如在图2a或图2b可见，第二电介体2也可具有空气切口或材料凹口21。各个构件和其功能将在下面详细描述。
电路板
下面参考图3a至图3b阐述电路板100的构造。如在图3a至图3b中所示，电路板100优选是多层电路板，但是也可以其他方式实施。上述第一部件和第二部件用于激发布置在电路板100、确切地说第二部件上的并且实施为谐振器的第一电介体1。在图3a中最上部所示，电路板100的第一和第二部件彼此连接。在此可见，在中间凹出十字形的区域，该区域设有导体电路或微带(Mikrostreifenleitung)，从而在此可实现第一电介体1的对称激发。图3a中间的示意图是从上方看示出的电路板100的视图，其中未示出(载体)衬底。图3a下部视图是示出的电路板100的底部，其中，在此可看见通过区域111，即，包括至电路板100的其他层中的内层连接部的区域。其他的内层连接部也可尤其设置在暴露的微带的端部和/或附近，从而更好地匹配天线和/或使微带与例如在图1a和图2a中示出的且优选实施成两个彼此正交的缝隙的耦合窗102更好地耦合。
图3b示出了一种电路板100，其实施成实现两个单个辐射器(天线辐射器)在微带技术103中的互相连接。这用于在互相连接的平面中实现远场成束。
例如也如图1a和图2a中可见，图3a(以及图3b)中示出的电路板100包括在电路板金属部和金属的电路板载体之间的可选缝隙112。缝隙可如此选择，缝隙激发和/或一同辐射在期望的谐振频率范围中的第一电介体1或第二电介体2并因此对天线辐射器的电特性提供好处。电路板100的载体101(例如参见图1a和图1b)优选由金属构成，但是也可是电介质。在可选的实施方式中该载体101可用于固紧电介体1和/或2，例如将电介体拧紧或牢固粘接在载体上或以其他方式固定。
代替微带技术中的波导体和在衬底上侧的例如实施成缝隙的耦合窗102，也可想到其他的波导和主体激发部。尤其例如可想到CPW(共平面形波导)、CSL(共平面带状线)、SIW(衬底集成波导)类型的波导，其分别在衬底上侧具有或没有耦合窗102。此外，代替多层电路板100也可想到更为有利的双层电路板。在这种情况下例如可经由空桥(Airbridge)实现线路交叉。
第一电介体
上述第一电介体1优选如此布置在电路板100的第二部件上，通过电路板100使得第一电介体1关于其横截面的中点对称地激发。这适用于可使用的所有形状，在此，出于成本原因简单的形状或横截面，例如圆柱形、方形等是优选的。电介体1在电路板100上以及尤其在电路板100中的优选实施为缝隙的耦合窗102上对称地被激发。有利地，电介体1覆盖耦合窗的面的至少75％、更为优选至少90％，因为覆盖越大，激发越好。
此外，第一电介体1优选具有的相对介电常数为εr1≥12、更为优选εr1≥15。在此，第一电介体1不限于由一件构成，其也可由多个部分构成，多个部分总体上具有相应要求的相对介电常数。即，尤其是混合材料也是可能的。例如第一电介体由玻璃、玻璃陶瓷或其他合适的具有要求的相对介电常数的材料或合适的材料混合物构成。
第二电介体
上述第二电介体2作为集成的透镜或棒状辐射器或电介质布置在第一电介体1上，即，第二电介体容纳第一电介体1本身或完全地包围第一电介体(除了位于电路板100上的部分)或直接连接在其上，即与其接触。第二电介体2优选具有的相对介电常数2≤εr2≤5、更为优选2≤εr2≤3.5。第二电介体2对此同样不限于由一件构成，而是可由多个部分构成，多个部分总体上具有相应要求的相对介电常数。即，尤其是混合材料也是可能的。例如第二电介体2由塑料或玻璃、玻璃陶瓷、其混合物或其他合适的具有要求的相对介电常数的材料或合适的材料混合物构成。通过选择材料，确切地说通过选择合适的εr设定带宽。因此也可在谐振频率范围之间同时实现滤波器作用，从而可取消通常所需的后续的滤波器或可由较少选择性的滤波器来替代。由此不仅节省成本，而且也需要较少空间。
为了实现有效的介电常数，即两个电介体1和2的总体介电常数为εr＝20，即，εr＝|εr1-εr2|＝20，例如可想到以下变型：其中一个主体具有的相对介电常数εr＝10，另一主体具有的相对介电常数为εr＝30，例如额外通过气孔、材料凹口、不同的材料厚度等。两个电介体1和2也可组成单个的主体，即甚至由同一种材料构成，在此，在这种情况下相对介电常数通过不同程度的气泡而变化。也可想到材料与注入的颗粒材料的组合，从而改变相对介电常数。此外可使用以不同的εr分层的多个电介体，所谓的洋葱式结构，从而实现所需的相对介电常数。
通常第二电介体2的关于形状和材料组成的实施方式优选的是，借助第二电介体2使至少一个谐振频率范围增大和/或提高矫正效果和/或增大半值宽度，或使至少两个谐振频率范围增大和/或提高和/或调整矫正效果和/或天线图，和/或使最低的谐振频率范围在主辐射方向上比高的谐振频率具有矫正效果和/或天线图的更多提高，和/或最低的谐振频率具有与高的谐振频率范围的天线图较高的相似度。该前提条件可通过第二电介体2的材料和形状的合适组合实现，如在实施方式中所示。
在图18a至图18d中示例性地示出了第二电介体2的替代形状，其中在此也示出了气泡或材料凹口21，其形状根据应用而相应地选择，例如垂直于射出平面具有恒定的延展度或没有恒定的延展度，例如在图18b中所示。
如上所述，第二电介体2也可构造成没有气泡或材料凹口21，因为两个类似的天线图在两个不同的谐振频率范围中也可实现没有空气切口(Lufteinschnitt)或材料凹空21。但是空气切口或材料凹口21尤其具有以下优点，即可借助第二电介体2的简单形状实现两个谐振频率范围的天线图并且第一电介体1可更简单地装入或集成。
此外，可选地额外使用第三电介质3，以改变天线图，如图16所示。第三电介体3的相对介电常数在此如此选择，即，εr3＝εr2±5。第三电介体3的形状和长度或体积在此尤其与其相对介电常数以及应用相关。
此外，通过(至少一个)空气切口或(至少一个)材料凹口21轻松改变天线图，其中，最低的谐振频率范围在主辐射方向上的增益比高的谐振频率范围更少地受到影响。
图18a至图18d还示出了在第二电介体2之内的机械止动部22，其用于使第一电介体1固紧在其中。可替代地，可有集成在第二电介体2中的保持部或固定部。机械止动部22可与第二电介体2构造成一体，但是例如也可作为单独的嵌件固定在其中。
此外，可想到使至少一个主体表面部分金属化或将金属物体引入电介体1或2中的至少一个中。
第一电介体1的表面或第二电介体2的内侧例如可金属化，从而产生寄生的谐振，并且由此扩展至少一个谐振频率范围或至少部分地阻断一个谐振频率范围。第二电介体2的表面例如可被金属化，以为特定的频率改变天线图并且尤其提高或降低在特定频率区域中的矫正效果。
第二电介体2例如构造成集成的透镜或第一电介体1被直接地嵌入第二电介体2中，如在图17a和图17c中示出，透镜使至少一个谐振频率范围在正交于主辐射方向的平面中成束。透镜在超半球的集成的透镜或椭圆形的集成的透镜的横截面中可为相似的。此外，透镜在会聚透镜或菲涅耳透镜或折射率梯度透镜的横截面中是相似的，以及在横截面中具有至少两个不同的相对介电常数，在此，该差异优选由不同的材料致密化产生并且更优选由材料凹口(空气)产生。
也可使用没有透镜曲率的第二电介体2，如在图17b或17d、17e、或17f中示出，从而例如仅使用棒状部件，或使第一电介体1直接嵌入在第二电介体2中，如图17f中所示。在此气隙在第一电介体1和第二电介体2之间，从而第一电介体和第二电介体以电磁方式相联，如上所述。在这种情况下第二电介体2如所述地从电介的(集成的)透镜退化成电介的棒状辐射器。为此需要注意，在高度H上的厚度D可变化，其中，对于第二电介体2的最大厚度D和高度H有如下的与天线的最低的谐振频率范围的中间频率的波长λ和第二电介体2的有效的相对介电常数εr2的关系：
Figure GDA0003140243720000091
和/或
Figure GDA0003140243720000092
有利地，以下的在最大的厚度(D)和高度(H)之间的关系为：如果实施成透镜或辐射器，D＝(1.0±0.5)x H，和/或如果实施成辐射器，D＝(0.5±0.25)xH。因此可实现天线装置的紧凑尺寸。
此外，也可如此选择第二电介体2的形状，即，可进行所谓的“混合波束成型”，即，优选两个天线辐射器的相互连接，在其中竖向的成束主要通过单个辐射器的相互连接实现并且水平的成束主要通过至少一个第二电介体2实现，其中，第二电介体2如此构造，使得其仅成束在正交于主辐射方向的平面。在此有利的是，第二电介体2构造成，其本身容纳两个天线辐射器，参见例如图14a和14b或16a至16c的实施例。如从附图中可见，根据所提出的要求可为第二电介体2选择不同的形状。第二电介体2也可在天线辐射器未相互连接或耦合的情况下如此构造，使得多个第二电介体2相互连接，从而实现简化安装和更大的封装密度，如在图19a、19b中所示。但是对于尤其在具有很小的列间距的天线组中单个辐射器间距、即在一个阵列的各个天线辐射器之间的间距很小的情况可为有利的是，第二电介体2没有或几乎没有碰触，如在图20a/20b和图21示例性示出的实施例中的情况。如在图19a/19b、20a/20b和21的不同实施例中所示，由此多个天线辐射器可依次且并排地、即以行列的方式布置、优选彼此错开。这使得能够进一步提高封装密度以及使列之间更好地脱耦。例如在图19a和20a作为A1示出的在水平方向上的间距小于在图19a和20a中作为A2示出的在竖向方向上的间距。在行和/或列之间的间距A1和/或A2优选小于或等于使用的最低谐振频率范围的中间频率的波长的0.75、更为优选小于或等于该波长的0.5。
在图19a中示出了用于从2.3GHz至2.7GHz和3.4GHz至3.8GHz的谐振频率范围的一种实施方式。在此，例如45mm的列间距A1相当于在使用的最低谐振频率范围的中间频率(2600MHz)中的约
Figure GDA0003140243720000101
以及在下一更高使用的谐振频率范围的中间频率(3600MHz)中的约
Figure GDA0003140243720000102
≤0.50λ的单个辐射器间距看作为对于具有高的主波瓣摆动区域的波束成型应用以及波束控制应用的理想间距，因为此时避免了次级主波瓣(光栅波瓣)。在图20a中示出了用于从2.3GHz至2.7GHz和3.4GHz至3.8GHz的谐振频率范围的一种实施方式。在此也选择A1约45mm的列间距。在两个实施方式中可选择约70mm的行间距A2。也可用这些实施方式覆盖从2.5GHz至2.7GHz和3.4GHz至3.6GHz的谐振频率范围。
如在图19a和图20a中可见，根据应用选择第二电介体2的形状。目的是非常紧凑的结构、尤其是在天线组中的非常低的单个辐射器间距，在此，第二电介体2在单个辐射器间距为≤0.7λ、更为优选≤0.5λ的情况下可构造成介电的棒状辐射器和/或用于成束的和/或用于谐振频率扩展的电介质。
在图21中示出了天线阵列，其中，第二电介体2实施为棒状辐射器，其呈现为具有前进波的辐射器的下部形状。如也在图20a/20b中所示，第二电介体2没有碰触，即它们彼此间隔开地布置。如也在图17e中所示，棒状辐射器具有高度H和厚度或宽度D，其中，在此示出的情况下厚度D相当于棒状辐射器的直径。在此也可覆盖从2.3GHz至2.7GHz和3.4GHz至3.8GHz或从2.5GHz至2.7GHz和3.4GHz至3.6GHz的谐振频率范围。图22a和图22b示出了用于在图21中所示的实施方式的天线图，其中，在图22a中的棒状辐射器在2.6GHz(左侧示意图)中以及在3.5GHz(右侧示意图)中具有的高度H为80mm以及厚度D为30mm，并且在图22b中的棒状辐射器在2.6GHz(左侧示意图)中以及在3.5GHz(右侧示意图)中具有的高度H为80mm以及厚度D为40mm。图22a或22b中的左侧绘图示出了在对具有环境的双块进行应用极化的情况下在端口1(P1)处的用于2.6GHz的天线图。图22a或22b中的右侧绘图示出了在对具有环境的双块进行应用极化的情况下在端口1(P1)处的用于3.5GHz的天线图。
值得注意的是，主波瓣和第一副波瓣在3D远场图中根据第二电介体2的厚度D改变。在图22a中，在3.5GHz下的高频率具有失真的主波瓣以及高的副波瓣，而在图22b中在2.6GHz下的低频率具有失真的主波瓣以及高的副波瓣。失真的主波瓣以及位于替代辐射束的平面中的第一副波瓣可归因为多个第二电介体2的电磁耦合，如在图22中根据在辐射器相互连接和成束的剖切平面中的E场(上部示意图)所述。
第二电介体2的电磁耦合可有针对性地用于借助主体2的厚度D或更为一般地借助主体的形状在两个谐振频率范围之间改变矫正效果以及半值宽度和/或获得在至少两个相互接连的或彼此不同的并且彼此间隔开的谐振频率范围中的类似的天线图。因此尤其可在辐射束或辐射器相互连接的平面中，通常水平的和/或竖直的平面中产生更为相似的和/或副波瓣优化的天线图。
第二电介体2可以组布置方式融合成唯一部件或与其叠置，例如如图14、16和19所示。此外，第二电介体可用作载体或用于固紧第一电介体1。因为第二电介体2可融合成一个主体，其可由一个部件制成并且承载第一电介体1或集成第一电介体。此外，电路板100以及电路板载体101由单个部件制成。尤其电路板载体101也可用于固紧和固定第二电介体2。
图15a和图15b示出了相互连接(参见图3b)的或如图14/14b所示的耦合的天线辐射器的3D远场示意图，即矫正效果的绝对值，其中，图15a示出了没有第二电介体2的天线图布置，并且图15b示出了具有第二电介体2的天线图布置。可清楚看出，在图15b通过使用第二电介体2对天线图进行调整。
在一种设计方案中，第二电介体2也可与电路板载体101和/或电路板100连接，例如通过螺旋连接部和/或插接连接部和/或粘接剂连接。
空气切口
如在图2a和图2b中所示，第二电介体2可具有空气切口或材料凹口21。其使得能够调整在两个不同的谐振频率范围中的天线增益和/或天线图。尤其是在4G/5G的传输方法中，例如在基站为使用者、例如人员或物体指派两个带时，例如在LTE载波聚合技术中，在两个不同的谐振频率范围中的非常相似的天线增益和/或类似的天线图被看作是有利的。
但是也可在没有空气切口或材料凹口21的情况下例如通过复杂的透镜形状实现在两个不同的谐振频率范围中的两个类似的天线图。因为空气切口或材料凹口21不是必须的，并且也存在在两个带中要求最大增益而不是类似增益或最大增益是有利的应用，因此空气切口或材料凹口21是可选的特征。空气切口或材料凹口使得能够调整两个不同的谐振频率范围中的天线增益和/或天线图。
空气切口或材料凹口21的优点尤其可实现第二电介体2具有简单形状的两个谐振频率范围的天线图。此外，材料凹口降低了材料损耗，因为在自由空间中的电磁波的波衰减小于在有损耗的材料中，并且第一电介体1可简单地装入第二电介体2中或与其融合。
图4a至图4c示出了没有第二电介体2的天线辐射器的电气值，而图5a至图5c示出了具有第二电介体2和空气切口或材料凹口21的天线辐射器的对应电气值。示出了S参数的数值，其中，S1.1和S1.2称为失配衰耗(匹配)并且指示天线的谐振频率范围。S2.1和S2.2称为传输，并且指示两个天线端口的耦合/去耦。
图4b或图4c以及图5b或图5c在史密斯图中示出了S参数的数值和相位。S1.1和S2.2称为复合天线阻抗并且指示天线的带宽和带宽潜力。图4b和图5b示出了2.2至2.7GHz的频率范围，图4c和5c示出了3.4至3.8GHz的频率范围。一般适用的是，曲线越紧凑且居中于1的值附近，匹配越好，并且在圆上的曲线越接近1，带宽潜力越高。如从图4和图5之间的比较可看出，第二电介体2的使用改善了匹配和带宽潜力。这也可从图6a(没有第二电介体2)和图6b(具有第二电介体2)中针对两个不同的频率2.6GHz和3.5GHz看出。3D远场示意图示出了矫正效果的绝对值。在3D远场图中，P1称为激发端口，Phi称为方位角，Theta表示仰角。可以看出，通过使用第二电介体2明显改进了对天线图的调整。
图7a和图7b又是在没有(图7a)和具有(图7b)第二电介体2和空气切口或材料凹口21的情况下在水平和竖直的天线图部分中示出了矫正效果的电气值，即在主辐射方向上的矫正效果的有效极化分量(+/-45°)的值。图8a和图8b又是在没有(图8a)和具有(图8b)第二电介体2和空气切口或材料凹口21的情况下在水平和竖直的天线图部分中示出了半值宽度的相应的值，即，矫正效果减小3dB的角区域。又可看出，通过使用第二电介体2明显改进了对天线图的调整。
第一电介体1优选在使用的所有谐振频率范围内通过缝隙和具有混合场分布、即具有定向的天线图的HEM11的圆柱形状被激发。第一和第二电介体1、2的组合优选地具有HEM11模式，HEM12模式或HEM21模式。HEM12模式和HEM21模式尤其对于另一第三谐振频率范围特别有意义。有利地，激发的HEM模式落入以下频率范围F之一中：F(n,f0)＝(n+1)*0.5*f0±0.15*(n+1)*0.5*f0，其中，n是自然数(1、2、3、4……)，而f0是单位为GHz的最低的最优的谐振频率范围的中间频率。
在有利的实施方式中，最低的谐振频率范围借助HEM111模式激发并且下一较高的谐振频率范围借助HEM112模式激发。在此对于在电路板100中的缝隙112的HEM模式激发来说特别优选的是第一电介体1的圆柱体形状。通过用HEM111场分布(模式)激发得到具有在主辐射方向上、即垂直于E和H场分量中的高的矫正效果的定向和直线极化的天线图。
在一种实施方式中，第一电介体1具有圆柱形状并且优选在所有的谐振频率范围中以混合场分布、HEM11场分布(模式)激发或以HEM11模式激发至少两个使用的谐振频率范围。特别优选地，最低的谐振频率范围以HEM111模式激发并且下一较高的谐振频率范围以HEM112模式激发。在HEM11n命名法中的最后一个索引n在这种情况下给出在与H场平面正交的平面中的半波长的数量和/或E场半弧的数量。
在图9a和图9b中在没有(图9a)和具有(图9b)第二电介体2和空气切口或材料凹口21的情况下示出了在以HEM111模式(图9b)和HEM111(图9a)(在2.6GHz和0°相位的情况下)激发的有效极化的剖切平面中的E场，并且在图10a和图10b中在没有(图10a)和具有(图10b)第二电介体2和空气切口或材料凹口21的情况下示出了在以HEM112/HEM113模式(图10b)和HEM113(图10a)(在3.5GHz和0°相位的情况下)激发的有效极化的剖切平面中的E场。
在图11a和图11b中在没有(图11a)和具有(图11b)第二电介体2和空气切口或材料凹口21的情况下示出了在以HEM111模式(图11b)和HEM111(图11a)(在2.6GHz和90°相位的情况下)激发的有效极化的剖切平面中的E场，并且在图12a和图12b中在没有(图12a)和具有(图12b)第二电介体2和空气切口或材料凹口21的情况下示出了在以HEM112/HEM113模式(图12b)和HEM113(图12a)(在3.5GHz和90°相位的情况下)激发的有效极化的剖切平面中的E场。
在此可见，在使用第二电介体2时，得到明显更限定的、即更少分布的E场。尤其在较高频率处，E场集中在空气切口中。此外可以看出，通过使用第二电介体2使第一电介体1中的场分布改变，尤其在低的谐振频率范围内。第一电介体1借助于第二电介体2尤其在低的谐振频率范围内起较小的电作用。
图13示出了电气值，特别是根据本发明的具有包括空气切口21(左上/下)和没有空气切口21(右上/下)的天线辐射器的天线装置在3.6GHz下的3D远场以及方向特征R，如例如在图1a或图2a所示。
从电气值中可得出如下结论，具有高的相对介电常数εr1的第一电介体1产生两个谐振频率范围，而具有低的相对介电常数εr2的第二电介体2提高该两个谐振频率范围的带宽并且使低的谐振频率范围的矫正效果、即远场图匹配高的谐振频率范围。根据第二电介体2的形状和大小可实现不同的带宽和矫正效果，其中，带宽和/或矫正效果越高，滤波作用和/或单个辐射器尺寸越低，反之亦然。由此模块化的方案是可能的，即仅更换或改变第二电介体2，以获得特定的带宽和矫正效果。
通过此处的天线装置的实施方式可实现紧凑的天线组或天线阵列，即具有小的列间距的天线阵列，其同时具有高的带宽和非常好的矫正效果。
附图标记列表
10 天线辐射器
1或2 第一或第二电介体
21 空气切口
22 机械止动部
100 电路板
101 载体
102 耦合窗
103 微带技术(Mikrostreifenleitungstechnik)
111 通过区域(Via-Bereich)
112 缝隙
HPBW 半值宽度或3dB张角
R 方向性(Richtwirkung)。

Claims (18)

1.一种天线装置，具有
-电路板(100)，和
-至少一个布置在所述电路板(100)上的并且能通过所述电路板(100)或布置在该电路板上的耦合窗(102)激发的天线辐射器，所述天线辐射器构造成，具有至少两个为彼此正交的极化和至少两个相互接连的或彼此不同且彼此间隔开的谐振频率范围，其中，所述天线辐射器具有：
至少一个实施成谐振器的布置在所述电路板(100)上的具有第一相对介电常数εr1的第一电介体(1)，
至少一个实施为集成的透镜或棒状辐射器或电介质的第二电介体(2)，所述第二电介体(2)具有第二相对介电常数εr2，其中，
所述第一相对介电常数εr1大于第二相对介电常数εr2，所述第二相对介电常数εr2的范围为：2≤εr2≤5，以及其中，
所述第二电介体(2)成型为，使其如此布置在至少一个第一电介体(1)上，使得该第二电介体至少在其中一个谐振频率范围中使电场在正交于主辐射方向的平面中成束或分散。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，对于所述第一相对介电常数εr1以及对于所述第二相对介电常数εr2适用：
|εr1-εr2|≥10，和/或其中，
对于所述第一相对介电常数εr1适用：εr1≥12，以及其中，对于所述第二相对介电常数εr2适用：2≤εr2≤3.5。
3.根据前述权利要求中任一项所述的天线装置，其中，对于所述第二电介体(2)的最大厚度D和高度H有如下的与所述天线的最低的谐振频率范围的中间频率的波长λ和所述第二电介体(2)的有效相对介电常数εr2的关系：
Figure FDA0003140243710000011
和/或
Figure FDA0003140243710000021
4.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，对于所述第二电介体(2)的最大厚度D和高度H在该最大厚度D和高度H之间有如下关系：
如果实施成透镜或辐射器，D＝(1.0±0.5)*H；
或
如果实施成辐射器，D＝(0.5±0.25)*H。
5.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，所述第一电介体(1)的激发关于其横截面的中点对称地进行。
6.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，所述电路板(100)具有耦合窗(102)，以及其中，所述第一电介体(1)覆盖所述耦合窗(102)的至少75％。
7.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，所述第二电介体(2)具有至少一个从其上侧直至下侧贯通的空气切口(21)，所述空气切口构造且布置成，使得所述空气切口将所述第一电介体(1)容纳在该空气切口(21)中。
8.根据权利要求7所述的天线装置，其中，在所述空气切口(21)中设有机械止动部(22)，使得所述第一电介体(1)在安装之后固紧在电路板(100)和所述空气切口(21)的上侧之间。
9.根据权利要求8所述的天线装置，其中，在所述空气切口(21)中引入第三电介体(3)，该第三电介体(3)构造成用于改变天线图。
10.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，所述第二电介体(2)成型为，使得
-至少一个谐振频率范围增大和/或提高矫正效果和/或增大半值宽度，或
-至少两个谐振频率范围增大和/或提高和/或调整矫正效果和/或天线图，和/或
-最低谐振频率范围在主辐射方向上比高的谐振频率获得提高更多的矫正效果和/或天线图，和/或
-最低谐振频率范围的天线图具有与至少一个高的谐振频率范围的天线图的较高的相似度。
11.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，所述第二电介体(2)在其高度H的至少75％上具有方形和/或圆柱形和/或锥形和/或截锥形的形状。
12.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，所述第一电介体(1)具有圆柱形状并且与所述第二电介体(2)组合在至少两个谐振频率范围中以HEM11模式和/或HEM12模式和/或HEM21模式被激发，和/或所有激发的HEM模式都落入以下频率范围F中的其中一个中：
F(n,f0)＝(n+1)*0.5*f0±0.15*(n+1)*0.5*f0，
其中，n是自然数并且f0是单位为GHz的最低谐振频率范围的中间频率。
13.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，所述第一电介体(1)具有圆柱形状并且所使用的谐振频率范围中的至少两个以HEM11模式激发，其中，最低谐振频率范围以HEM111模式激发，而下一较高的谐振频率范围以HEM112模式激发。
14.一种天线阵列，由至少一个根据前述权利要求中任一项所述的天线装置构成，所述天线阵列以预定的间距(A1、A2)以行和/或列布置，其中，行和/或列之间的间距(A1、A2)小于等于所使用的最低的谐振频率范围的中间频率的波长的0.75。
15.根据权利要求14所述的天线阵列，其中，分别将两个天线辐射器连结成一个双块，使得在水平或竖直方向上实现辐射束，而在所述水平或竖直方向的对应的相反方向上主要通过布置在所述第一电介体(1)之上的第二电介体(2)实现辐射束。
16.根据权利要求14或15所述的天线阵列，其中，将多个第二电介体(2)彼此实体连接或进行电磁耦合。
17.根据权利要求16所述的天线阵列，其中，将所述第二电介体(2)彼此连接或耦合，使得在辐射器互连的平面中或在辐射束的平面中和/或在主辐射摆动的平面中，
-至少一个谐振频率范围经历增大和/或提高矫正效果和/或增大半值宽度，或
-至少两个谐振频率范围经历增大和/或提高和/或调整矫正效果和/或天线图，和/或
-最低谐振频率范围的天线图具有与至少一个高的谐振频率范围的天线图较高的相似度，和/或
-至少一个谐振频率范围的天线图具有优化的副波瓣。
18.根据权利要求17所述的天线阵列，其中，两个所述第二电介体(2)中的每一个都承载与其对应的第一电介体(1)和/或与所述电路板(100)连接。
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A novel Hemispherical Dielectric Resonator Antenna with rectangular slot and Defected Ground Structure for low cross polar and wideband applications;Biswajeet Mukherjee;《2013 Annual IEEE India Conference (INDICON)》;20140130;全文 *
Dielectric Resonator Antennas:A Historical Review and the Current State of the Art;Aldo Petosa 等;《IEEE Antennas and Propagation Magzine》;20101031;第52卷(第5期);第91-116页 *
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