CN112787108A - 具有增加带宽的微带贴片天线 - Google Patents

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CN112787108A CN202011230773.0A CN202011230773A CN112787108A CN 112787108 A CN112787108 A CN 112787108A CN 202011230773 A CN202011230773 A CN 202011230773A CN 112787108 A CN112787108 A CN 112787108A
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Abstract

本发明的主题是“具有增加带宽的微带贴片天线”。一种微带天线阵列包括：薄衬底；放置在衬底的第一侧上的两个或多于两个微带辐射贴片，每个辐射贴片包括：输入端口；在纵向方向上延伸的辐射贴片宽度；在横向方向上延伸的辐射贴片长度，其中横向方向垂直于纵向方向，并且其中纵向和横向方向在辐射贴片的平面中；沿着辐射贴片宽度的中点的辐射贴片横向轴；以及沿着辐射贴片长度的中点的辐射贴片纵向轴，其中两个或多于两个辐射贴片在纵向方向上间隔开，使得每个辐射贴片的辐射贴片纵向轴沿着公共纵向轴对齐；以及放置在衬底的第一侧上的一个或多个寄生贴片，其中寄生贴片的数量比辐射贴片的数量少至少一个。

Description

具有增加带宽的微带贴片天线
本公开涉及微波天线，特别涉及微带贴片天线阵列。
特别是在1至10 GHz范围中的高频无线电传输和微波传输对具有低功耗的高速数据传输非常重要。此外，印刷电路板（PCB）上组件的增加的密度要求减小PCB上各个组件的尺寸以促进进一步的组件密度增加的进步。
微带贴片天线正变得日益有用，因为它们能被直接印刷到电路板上，并且它们的低外形和小尺寸使它们特别适合其中诸如空间和重量之类的参数非常重要的应用。现有的贴片天线通常是低成本且易于制作的。
从第一方面来看，本发明提供了一种微带天线阵列，其包括：薄衬底；放置在衬底的第一侧上的两个或多于两个微带辐射贴片，每个辐射贴片包括：输入端口；在纵向方向上延伸的辐射贴片宽度；在横向方向上延伸的辐射贴片长度，其中横向方向垂直于纵向方向，并且其中纵向和横向方向在辐射贴片的平面中；沿着辐射贴片宽度的中点的辐射贴片横向轴；以及沿着辐射贴片长度的中点的辐射贴片纵向轴，其中两个或多于两个辐射贴片在纵向方向上间隔开，使得每个辐射贴片的辐射贴片纵向轴沿着公共纵向轴对齐；以及放置在衬底的第一侧上的一个或多个寄生贴片，其中寄生贴片的数量比辐射贴片的数量少至少一个，每个寄生贴片包括：在纵向方向上延伸的寄生贴片宽度；在横向方向上延伸的寄生贴片长度；沿着寄生贴片宽度的中点的寄生贴片横向轴；以及沿着寄生贴片长度的中点的寄生贴片纵向轴，其中一个或多个寄生贴片在纵向方向上间隔开，使得每个寄生贴片的寄生贴片纵向轴沿着公共纵向轴对齐，其中每个寄生贴片定位于两个辐射贴片之间，并且其中每个寄生贴片的寄生贴片横向轴定位于每个寄生贴片两侧的两个辐射贴片的辐射贴片横向轴之间的中点。
第一方面的优点是将贴片天线阵列的带宽增加约50%或更多，这取决于所用贴片的特定材料和构造。此外，使用薄衬底具有增加结构灵活性和降低制造成本的优点。
微带是一种类型的传输线，其可用于传输微波、太赫兹或高频无线电波。微带结构可以使用技术人员已知的常规方法制作在印刷电路板（PCB）上或者作为单片微波集成电路（MMIC）的一部分。此类方法包括但不限于研磨、网版印刷和化学蚀刻。因此，微带贴片天线可以通过那些技术之一形成在PCB上。
当衬底在厚度上相比衬底上天线的频率的波长（特别是相对于电介质衬底中天线的波长λ d ）小得多时，衬底可以被认为是“薄”的。这个波长根据自由空间中的信号波长λ 0通过衬底材料的相对介电常数ε r 而被修正，其中
Figure 584469DEST_PATH_IMAGE001
。因此，具有较高介电常数的介质将导致电介质中较短的信号波长。薄衬底可以包括单层衬底材料，其中该材料可以具有约1.0mm或更小（诸如0.5mm、0.2mm或0.1mm）的厚度。诸如Duroid、Teflon或FR4之类的衬底材料可以适用于薄膜贴片天线。薄衬底可以相比于较厚的单层衬底或多层衬底更有柔性。对于贴片天线阵列使用薄衬底可以允许阵列形成在圆形物体周围，或者适合于以其他方式使用较厚衬底的阵列将难以符合的空间。
微带结构可以形成在PCB的导电层上，该导电层是在PCB衬底的顶部上的导电材料层。与衬底的厚度相比，导电层可以相对薄。微带结构的形状在导电层的平面中可以是二维的，并且该结构可以通过蚀刻或研磨PCB的导电层以去除不想要的导电材料来形成。导电平面中的每个微带结构可以具有均匀的厚度。
接地层在衬底的与导电层相对的侧上。接地层可以是厚度均匀的，并且可以由与导电层相同的材料形成。接地层可以是无缺陷的或者可以具有形成在其表面中的缺陷。接地层可以覆盖它被放置在的侧上的所有衬底。
寄生元件或无源辐射器是不电连接到任何其他组件的导电元件。换句话说，寄生组件没有输入端口，并且不被直接驱动。
微波贴片天线包括在衬底上形成的至少两个辐射贴片。该结构作为整体（包括两个或多于两个辐射贴片）可以被统称为“阵列”。辐射贴片可以在衬底上以单行形成。每个辐射贴片可以在相同的衬底上被定向在相同的方向上。每个辐射贴片可以在衬底的纵向方向上沿着公共纵向轴相等地间隔开。每个辐射贴片可以沿着公共纵向轴规则地间隔开，使得每个相邻辐射贴片的辐射横向轴与彼此等距。两个相邻辐射贴片之间的距离可以是大约0.5λ 0，或者可以在0.25λ 0至0.75λ 0的范围中。备选地，在多于两个辐射贴片的阵列中，两个辐射贴片之间的距离可以不规则。
每个辐射贴片可以具有相等的尺寸，也就是说，每个辐射贴片的辐射贴片宽度和辐射贴片长度是相同的。备选地，辐射贴片可以具有在各个辐射贴片或贴片子集之间不同的辐射贴片宽度和/或辐射贴片长度。
寄生贴片可以是在辐射贴片的平面中形成为单个连续贴片的导电材料。备选地，术语“寄生贴片”可以指包括若干组件的结构。也就是说，寄生贴片可以包括衬底上的导电材料带和一个或多个VIA，其中VIA是衬底的一侧上的导电金属和衬底的另一侧上的接地平面之间的电连接，并且可以是通孔，其中用导电材料涂覆孔的边缘。又备选地，寄生贴片可以指包括在辐射贴片的平面中在衬底上形成的两个或多于两个导电材料带的结构。
一个或多个VIA可以沿着寄生贴片纵向轴放置，并将寄生贴片的导电金属部分划分成两个四分之一波长λ d /4谐振部分。四分之一波长λ d /4部分可以通过一个或多个VIA耦合在一起。这种耦合可以产生附加的谐振频率f 3。在两个或多于两个VIA的情况下，VIA之间的距离和VIA的直径被调谐，以在两个四分之一波长λ d /4谐振部分之间提供必要的耦合。VIA可以被定位成形成其他长度的谐振部分。
作为另一种备选方案，寄生贴片可以包括放置在辐射贴片之间的两个或多于两个寄生微带线。也就是说，寄生贴片可以包括在横向方向形成的两个或多于两个微带线。横向微带线可以是平行的，并且它们可以具有相等宽度。两个或多于两个寄生微带线的长度可以约为中心工作频率f 0下衬底中的信号的一半波长λ d /2。寄生微带线和辐射贴片之间的间隙GP可以被调谐，以在辐射贴片之间提供一定强度的耦合k。寄生微带线可以通过间隙GPML耦合在一起。这种耦合可以产生附加的谐振频率f 3。寄生微带线之间的间隙GPML可以被调谐以在它们之间提供必要的耦合。这种耦合可以使得单个响应中的纹波被最小化。
寄生贴片结构可以具有总寄生贴片宽度和总寄生贴片长度，其中这些尺寸可以涵盖导电平面中寄生贴片中的所有组件。这些总长度可以包括寄生贴片的附加特征，诸如VIA，或者可以覆盖由多于一个寄生微带线形成的贴片的范围。寄生贴片可以不与导电平面中的辐射贴片中的任何辐射贴片物理接触。
一个或多个寄生贴片中的至少一个寄生贴片可以关于公共纵向轴对称。
一个或多个寄生贴片中的至少一个寄生贴片可以关于它的寄生贴片横向轴对称。
两个或多于两个辐射贴片中的至少一个辐射贴片可以关于它的辐射贴片横向轴对称。
第一方面的微带阵列可以使用微带馈电（microstrip feed），其是由相同导电层上的微带线对微带天线的激励。可以备选地以若干其他非限制性方式对微波贴片天线馈电，所述其他非限制性方式诸如：直接在贴片的末端；使用嵌入馈电（inset feed）；使用四分之一波长阻抗匹配传输线；从下面使用同轴电缆或探针馈电；使用耦合馈电；或者使用孔径馈电。馈电的特定类型可取决于贴片天线的特定应用，并且不限于这里提到的那些。任何馈线可以连接到辐射贴片的输入端口。每个输入端口可以有单独的馈电。备选地，多个输入端口可以具有公共馈电。在一些示例实施例中，可以存在连接到多个辐射贴片的输入端口的公共馈电网络。例如，两个相邻辐射贴片（在它们之间具有寄生贴片）可以通过公共馈电网络联合，因此将它们形成为一个互连结构，其中公共馈电网络连接两个输入端口。
现在将仅通过示例的方式并参考附图来描述本公开的某些实施例，附图中：
图1A是现有技术微带天线阵列的顶视图。
图1B是现有技术微带天线阵列的侧视图。
图2A是示例微带天线阵列的顶视图。
图2B是示例微带天线阵列的侧视图。
图3A是另一个示例微带天线阵列的顶视图。
图3B是另一个示例微带天线阵列的侧视图。
图4A是又一个示例微带天线阵列的顶视图。
图4B是又一个示例微带天线阵列的侧视图。
图5示出了现有技术天线阵列的和示例天线阵列中的每个天线阵列的S参数。
图6示出了现有技术和示例天线阵列中的每个天线阵列的辐射贴片的输入处的电压驻波比（VSWR）的图表。
图7示出了应用于微带天线阵列的球面极坐标系。
图8A和8B是现有技术贴片天线阵列的辐射图案，并且对于示例阵列中的每个示例阵列，基于图7中示出的坐标系，处于角度
Figure 609932DEST_PATH_IMAGE003
=0和
Figure 592931DEST_PATH_IMAGE003
=90。
在图1A和1B中呈现现有技术贴片天线阵列100，其中图1A示出阵列100的顶视图以显示辐射贴片102的布置，并且图1B示出阵列100的侧视图。现有技术贴片天线阵列100包括由单层衬底材料形成的衬底104、在衬底104的底侧上形成接地层106的导电材料层以及在衬底104的顶侧108上的多个辐射贴片102。每个辐射贴片102具有输入端口110、在纵向方向上延伸的辐射贴片宽度WRP和在横向方向上延伸的辐射贴片长度LRP。多个辐射贴片102中的每个辐射贴片沿着公共纵向轴C间隔开，并且被定向成使得辐射贴片102中的每个辐射贴片的输入端口110被定向在相同的方向上。
每个辐射贴片102还包括沿着辐射贴片宽度WRP的中点的辐射贴片横向轴T。从图1A中最左边的辐射贴片开始并向右移动，对于N个辐射贴片102，辐射贴片102可以被标记为RP1、RP2 … RPN。从RP1和RP2之间的距离开始并向右移动的两个相邻贴片102的横向轴T之间的距离于是可以被标记为SRP1、SRP2 … SRP（N-1）。
通过电导矩阵（G矩阵）或散射矩阵（S矩阵）来表征贴片102之间的互耦合。
辐射贴片布置的两个矩形微带贴片之间的互导为[1]：
Figure 175091DEST_PATH_IMAGE004
J 0–第一类零阶贝塞尔函数；
Z–贴片之间的中心到中心间距，并且等于阵列步长SRP；
W–辐射贴片的宽度；
L–辐射贴片的长度；
λ 0–是自由空间中的波长；
ε–自由空间的介电常数；
μ–自由空间的磁导率。
在图1A和1B中示出的现有技术阵列100中，元件之间的空间中的场主要是横向电（TE）模式，并且没有强的主模表面波激励。因此，存在元件之间的减少的耦合。当耦合小时，贴片辐射器的谐振频率接近于未耦合天线的谐振频率f 0。
当耦合强度增加时，耦合贴片的两个谐振频率f 1和f 2出现。用耦合系数k来描述耦合强度，能从以下公式计算该耦合系数k：
Figure 989463DEST_PATH_IMAGE005
f 1–耦合天线的较低谐振频率；
f 2–耦合天线的较高谐振频率。
为了改进辐射贴片之间的耦合，使用了寄生贴片。在有源辐射贴片之间放置谐振结构（寄生贴片）增加辐射贴片之间的耦合，并提供了辐射器的相互失谐。有源辐射贴片是经由辐射贴片的输入端口用信号来进行馈电的辐射贴片。
图2A和2B中示出了具有寄生贴片的微带贴片天线阵列200的一个示例。微带天线阵列200包括薄衬底204和放置在衬底204的第一侧208上的两个或多于两个微带辐射贴片202。每个辐射贴片202包括输入端口210、在纵向方向上延伸的辐射贴片宽度WRP和在横向方向上延伸的辐射贴片长度LRP，其中横向方向垂直于纵向方向，并且纵向和横向方向在辐射贴片202的平面中。每个贴片202还包括沿着辐射贴片宽度WRP的中点的辐射贴片横向轴TRP和沿着辐射贴片长度的中点的辐射贴片纵向轴。两个或多于两个辐射贴片202在纵向方向上间隔开，使得每个辐射贴片202的辐射贴片纵向轴沿着公共纵向轴C对齐。
微带贴片阵列200还包括放置在衬底204的第一侧208上的一个或多个寄生贴片212，其中寄生贴片212的数量比辐射贴片202的数量少至少一个。每个寄生贴片212包括在纵向方向上延伸的寄生贴片宽度WPP、在横向方向上延伸的寄生贴片长度LPP、沿着寄生贴片宽度的中点的寄生贴片横向轴TPP以及沿着寄生贴片长度的中点的寄生贴片纵向轴。一个或多个寄生贴片212在纵向方向上间隔开，使得每个寄生贴片212的寄生贴片纵向轴沿着公共纵向轴C对齐。
每个寄生贴片212定位于两个辐射贴片202之间，并且每个寄生贴片的寄生贴片横向轴TPP定位于每个寄生贴片212两侧的两个辐射贴片202的辐射贴片横向轴TRP之间的中点。
寄生贴片212具有这样的尺寸，使得在辐射贴片202之间提供必要的耦合k。寄生贴片的长度LPP近似接近在中心工作频率f 0下衬底中的一半波长λ d /2。寄生贴片宽度WPP和辐射贴片之间的间隙GP被调谐以提供辐射贴片202之间的一定强度的耦合k。
图3A和3B中示出了微带贴片天线阵列300的另一个示例。天线阵列300的构造类似于前面示例的构造，因为辐射贴片302是相同的，并且寄生贴片312包括导电金属带，每个寄生贴片312定位于两个辐射贴片302之间。也就是说，寄生贴片的长度LPP近似接近于在中心工作频率f 0下衬底中的一半波长λ d /2。寄生贴片的宽度WPP和辐射贴片之间的间隙GP被调谐以提供辐射贴片之间的一定强度的耦合k。
图3中示出的寄生贴片312还包括每个贴片312中的两个VIA 314。VIA 314是寄生贴片312的导电金属部分和接地平面之间穿过衬底的电连接。VIA 314在寄生贴片312的导电金属部分的区域内并沿着公共纵向轴C定位。VIA 314沿着寄生贴片纵向轴放置，并将寄生贴片312的导电金属部分划分成两个四分之一波长λ d /4谐振部分316。四分之一波长λ d /4部分316通过VIA 314耦合在一起。这种耦合产生附加的谐振频率f 3。VIA 314之间的距离和它们的直径被调谐，以在两个四分之一波长λ d /4谐振部分316之间提供必要的耦合。
图4A和4B中示出了微带贴片天线阵列400的又一个示例。在这个示例中，辐射贴片402与前面两个示例中的相同。这个示例中的寄生贴片412包括放置在辐射贴片402之间的两个寄生微带线414。寄生微带线的长度LPML近似接近在中心工作频率f 0下衬底中信号的一半波长λ d /2。每个寄生微带线具有宽度WPML。寄生微带线和辐射贴片之间的间隙GP被调谐，以在辐射贴片402之间提供一定强度的耦合k。寄生微带线414通过间隙GPML耦合在一起。这种耦合产生附加的谐振频率f 3。寄生微带线之间的间隙GPML被调谐以在它们之间提供必要的耦合。
图5中示出了现有技术天线阵列的和示例中的每个示例的S参数。S参数表征辐射贴片之间的互耦合，并且S21参数指示与放入系统中的能量相比的在系统的输出处的功率损耗或增益。
图6示出了现有技术和以上示例天线阵列中的每个天线阵列的辐射贴片的输入处的电压驻波比（VSWR）的图表。在VSWR为1.92时，输入功率的10%被反射，并且这是可以认为天线与输入馈线阻抗匹配的水平。在该值下，从图表中能清楚地看出，示例贴片阵列中的每个贴片阵列的带宽显著宽于现有技术阵列的带宽。
图7示出了球面极坐标系，其中x轴与公共纵向轴共线，y轴平行于横向方向，并且z轴在从衬底和天线向上的方向上，并垂直于导电平面。坐标轴的原点在两个辐射贴片之间的中点处。
图8A和8B是现有技术贴片天线阵列的辐射图案，并且对于示例阵列中的每个示例阵列，基于图7中示出的坐标系，角度为
Figure 811926DEST_PATH_IMAGE003
=0和
Figure 16642DEST_PATH_IMAGE003
=90。辐射贴片和寄生贴片之间的互耦合导致辐射贴片的辐射特性G(θ)的轻微失真，并使辐射贴片的增益降低不高于1.5dB，这适用于许多应用。
在一些实施例中，两个相邻辐射贴片与它们之间的寄生贴片可以通过公共馈电网络而联合，因此将它们形成为一个互连结构。在这种情况下，两个相邻辐射贴片的输入端口可连接在一起，并接合到公共馈电网络。馈电网络可以被配置成为离开辐射贴片的信号提供必要的幅度和相位分布。这样的结构减轻了由辐射贴片之间的互耦合引起的辐射特性的失真，使得几乎没有增益降低（低于0.5分贝）。对于这种类型的天线（其中两个辐射贴片具有共同的馈电网络），寄生贴片可以是任何之前描述的类型。该天线可用作具有增加带宽的单个独立天线，或者用作更大天线阵列的一部分（子阵列），所述更大天线阵列具有多对辐射贴片，每对具有互连的输入端口。在由此类子阵列组成的天线阵列中，在两个相邻的子阵列之间可以存在寄生贴片，或者可以消除寄生贴片。

Claims (15)

1.一种微带天线阵列（200；300；400），包括：
薄衬底（204）；
两个或多于两个微带辐射贴片（202；302；402），所述两个或多于两个微带辐射贴片（202；302；402）放置在所述衬底（204）的第一侧（208）上，每个辐射贴片（202；302；402）包括：
输入端口（210）；
在纵向方向上延伸的辐射贴片宽度（WRP）；
在横向方向上延伸的辐射贴片长度（LRP），其中所述横向方向垂直于所述纵向方向，并且其中所述纵向和横向方向在所述辐射贴片的平面中；
沿着所述辐射贴片宽度的中点的辐射贴片横向轴（TRP）；以及
沿着所述辐射贴片长度的中点的辐射贴片纵向轴，
其中所述两个或多于两个辐射贴片在所述纵向方向上间隔开，使得每个辐射贴片的所述辐射贴片纵向轴沿着公共纵向轴（C）对齐；以及
一个或多个寄生贴片（212；312；412），所述一个或多个寄生贴片（212；312；412）放置在所述衬底（204）的所述第一侧（208）上，其中寄生贴片的数量比辐射贴片的数量少至少一个，每个寄生贴片包括：
在所述纵向方向上延伸的寄生贴片宽度（WPP）；
在所述横向方向上延伸的寄生贴片长度（LPP）；
沿着所述寄生贴片宽度的中点的寄生贴片横向轴（TPP）；以及
沿着所述寄生贴片长度的中点的寄生贴片纵向轴，
其中所述一个或多个寄生贴片（212；312；412）在所述纵向方向上间隔开，使得每个寄生贴片的所述寄生贴片纵向轴沿着所述公共纵向轴（C）对齐，其中每个寄生贴片定位于两个辐射贴片（202；302；402）之间，并且其中每个寄生贴片的所述寄生贴片横向轴（TPP）定位于每个寄生贴片两侧的所述两个辐射贴片的所述辐射贴片横向轴（TRP）之间的中点。
2.如权利要求1所述的阵列，其中所述辐射贴片输入端口沿着所述辐射贴片横向轴定位。
3.如权利要求1或2所述的阵列，其中所述衬底具有1.0mm或更小的厚度。
4.如权利要求1、2或3所述的阵列，其中所述辐射贴片沿着所述公共纵向轴规则地间隔开。
5.如任一前述权利要求所述的阵列，其中相邻辐射贴片的所述辐射贴片横向轴被分开输入信号的大约一半波长，其中所述信号的所述波长由所述衬底修正。
6.如任一前述权利要求所述的阵列，其中所述寄生贴片长度大约为输入信号的一半波长，其中所述信号的所述波长由所述衬底修正。
7.如任一前述权利要求所述的阵列，其中所述一个或多个寄生贴片中的至少一个寄生贴片关于所述公共纵向轴对称。
8.如任一前述权利要求所述的阵列，其中所述一个或多个寄生贴片中的至少一个寄生贴片关于它的寄生贴片横向轴对称。
9.如任一前述权利要求所述的阵列，其中所述两个或多于两个辐射贴片中的至少一个辐射贴片关于它的辐射贴片横向轴对称。
10.如任一前述权利要求所述的阵列，其中所述寄生贴片宽度和辐射贴片之间的间隙GP被调谐以提供辐射贴片之间的一定强度的耦合k。
11.如任一前述权利要求所述的阵列，其中至少一个寄生贴片包括至少一个VIA。
12.如权利要求11所述的阵列，其中所述VIA沿着所述公共纵向轴定位。
13.如权利要求11或12所述的阵列，其中所述VIA被定位成将所述寄生贴片划分成两个四分之一波长λ d /4谐振部分。
14.如任一前述权利要求所述的阵列，其中所述寄生贴片之一包括两个或多于两个寄生微带线，所述线沿着所述公共纵向轴并且在两个辐射贴片之间间隔分开。
15.如权利要求14所述的阵列，其中所述两个或多于两个寄生微带线之间的间隙被调谐以在它们之间提供必要的耦合。
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