CN1249853C - 工作在至少两个频率范围内的补件天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工作于至少两个频率范围内的优化补件天线，其特征在于：a)具有一个反射器(1)，b)在反射器(1)之上和/或在反射器(1)之前设置至少两个补件辐射装置(5，7)，即一个用于较低频率范围的补件辐射装置(5)和一个用于较高频率范围的补件辐射装置(7)，c)用于较低频率范围和用于较高频率范围的补件辐射装置(5，7)分别包括至少一个具有相应缝隙结构(11，13)的有源馈电补件(5a，7a)和一个安装在馈电补件上方的、电容耦合的无源遮盖补件(5b，7b)，d)用于较低频率范围及用于较高频率范围的补件辐射装置(5，7)设置在一块基板上，e)用于较低频率范围的下面的补件辐射装置(5)的最上面的遮盖补件(5b)同时构成在其上构造的用于较高频率范围的补件辐射装置(7)的基板，f)至少两个在相应馈电补件(5a，7a)中的缝隙结构(11，13)分别通过一根相应的馈电电缆结构(15a，15b)进行馈电。

Description

工作在至少两个频率范围内的补件天线
技术领域
本发明涉及工作在至少两个频率范围内的一种补件天线。
背景技术
众所周知，为了实现信息的传输，在移动无线领域中提供不同的频率范围供使用，例如在欧洲使用900MHz频带和1800MHz频带。尤其是在美国实现了在所谓1900MHz频带内的无线传输。对于计划在将来使用的UMTS标准，提供了2000MHz频带。
除了可工作于两个频率范围内的、已知的偶极子天线外，主要还已知有平面状天线，即所谓的补件天线(Patch Antenna)。
EP 0999608 A1也公开了一种补件天线，它除了包括多功能天线外还包括安装在接地或反射器上的多个补件辐射器，它被配置来接收相应的电磁波，以采集卫星定位系统(GPS)的位置数据。补件辐射器在此安装在一个共用的接地上。
专利文件US-A-6054953也公开了一种补件天线，它包括一个基板。在基板上安装了一个用于低频范围传输的补件和另一个用于高频范围传输的补件。用于较低频带传输的补件同时作为用于位于它上方的、用于较高频带传输的补件的有源馈电补件。馈电通过基板中的一个共用的十字形缝隙结构实现。为了改善耦合，在基板中馈电位置和用于低频带传送的补件之间还安装了一个无源的耦合补件。
上述这种天线的电性能还存在缺点，因为它们不能实现所需带宽的传输。
以下文献也提出了其它类型的补件天线：Song，H.J.等著：“Ku-Band 16×16 planar Array with Aperture-Coupled Microstrip-PatchElements”，IEEE Antennas and propagation Magazine，Vol.40，No.5，1998年10月，第25至29页，以及Rathi，V.等著：“Improved Couplingfor Aperture Coupled Microstrip Antennas”，IEEE Transaction onAntennas and propagation，Vol.44，No.8，1996年8月，第1196至1998页，以上文献描述了不同的用于馈电的缝隙设计。然而这些缝隙在此用于馈电线与补件之间的缝隙耦合。
发明内容
本发明的目的在于给出一种工作在至少两个频率范围内的补件天线，它设计得尽可能平坦，具有非常大的带宽，且同时具有尽可能好的辐射特性。
上述任务根据本发明这样来完成：
工作在至少两个频率范围内的补件天线，具有以下特点：具有一个反射器，在反射器上构造和/或在反射器前面设置至少两个补件辐射装置，即用于低频率范围的补件辐射装置和用于高频率范围的补件辐射装置，用于低频率范围和用于高频率范围的补件辐射装置分别包括至少一个具有相应缝隙结构的有源馈电补件和一个设置在馈电补件上方的、电容耦合的无源遮盖补件，用于较低频范围及用于高频率范围的补件辐射装置设置在一块基板上，位于下面的用于低频率范围的补件辐射装置的最上面的遮盖补件同时构成在其上构造的用于高频率范围的补件辐射装置的基板，在至少一个馈电补件中构造一个缝隙结构，该缝隙结构包括一个H形缝隙结构，以及至少两个在相应馈电补件中的缝隙结构分别通过一根相应的馈电电缆结构进行馈电，其中，为了获得调整到不同频率范围上的补件辐射装置之间更好的退耦，设置有绑结线，所述绑结线平行地紧挨着相应的连接线。
根据本发明的补件天线基本上可工作在至少两个频率范围内。其构造原理同样适用于构造能在多于两个的频率范围内工作的天线，例如能在3个频率范围内工作的天线。同时整个结构保持最高的平坦度，而且本发明天线还具有极好的天线性能。
根据本发明，在反射器上设置至少两个相互堆叠设置的补件辐射装置，其中每个补件辐射装置包含至少一个有源的馈电补件和一个设置于其上的电容耦合的无源遮盖补件。上面的用于低频率范围的遮盖补件同时作为用于高频率范围的馈电补件的基板。从而对每个频率范围实现独立的馈电。
我们知道，按照现有技术，在一个矩形缝隙上实现对一个馈电补件的馈电，其中在缝隙的一侧上连接同轴电缆的外导体，内导体在中央并垂直于缝隙方向越过缝隙并连接到补件上缝隙的相对一侧。按照本发明，补件辐射器具有一个至少接近于H形的缝隙结构，或者包含至少一个H形缝隙结构。已经表明这样可以改善辐射特性并增加带宽。
在本发明的一个具有优点的实施方式中，对每个有源辐射补件的电缆馈电最好在中央实现，并且电缆在馈电位置前，最好在馈电补件的中央接地，也就是说，在中央经过相应馈电补件的边缘向下连接到反射器板上。
在本发明的另一改进型中，为了改善匹配(驻波比)及增加带宽，在至少一个补件辐射器上，最好是在最上面的馈电补件区上，在H形缝隙的中间缝隙区域中有一个直角的弯角。一个支脚至少在H形缝隙结构的中央缝隙的部分长度上以一定间距平行地遮盖中央缝隙，并且垂直的支脚垂直地返回到馈电补件上，并在那里固定于中央缝隙的边缘区上。
在本发明一个具有优点的改进型中或在本发明的一个可选实施例中，以意想不到的方式发现了一个解决方案，此方案可以进一步减少水的敏感性对天线的影响。为此在位于最上面的、调整到最高频率上的系统遮盖补件中的一部分面积被切去。最好由此采用框形的遮盖补件结构。
此外，可以保证结构高度的进一步最小化，以将较高频率系统的馈电补件集成到较低频率系统的遮盖补件中。为此较低频系统的遮盖补件的一部分被切去，并且馈电补件被安插到此缺口中。
为此也可以这样实现：将较低频率系统的遮盖补件设计成盆形的(wannenfrmig)，并且在此盆形结构中可置入较高频率系统的馈电补件。
如已说明的那样，各个馈电系统分别用一个馈电电缆进行馈电，从而两个系统中的每一个都具有一个独立的连接器。然而分开的馈电电缆可以通过一个集成在天线中的双工滤波器或经过一个电缆网络结合到一起，这样整个天线只有一个连接器。
取决于所需的天线频率范围，补件辐射器的频率比可以例如是1∶2。
最好用于最低频率范围的补件辐射装置的基板由反射器构成。然而它也可以是位于反射器之上或位于反射器前方的基板，它同样还作为反射器工作。
此外可采取补充措施来获得调整于到同频率范围上的补件辐射器的改进的退耦，也可应用绑结线，它们平行地紧挨着相应的连接线。
附图说明
下面借助附图所示实施例详细说明本发明。附图中：
图1：一个根据本发明的补件天线的示范透视图；
图2：图1中的实施例在单个支撑件区域中的横截面图；
图3a：用于低频率范围的补件辐射器的有源馈电补件的顶视图；
图3b：图3a所示补件辐射器的相应底视图；
图4：下面的补件辐射器的遮盖补件顶视图；
图5a：用于高频率范围的补件辐射装置的馈电补件的顶视图；
图5b：图5a所示馈电补件的底视图；
图6：上面的馈电补件的一个相对图2截面旋转90°的垂直截面图。
具体实施方式
图1以简要透视图示出天线的整个结构，该天线具有一个反射器板，即具有一个反射器1，在所示实施例中它具有一个位于两个相对的长边上的、基本上垂直于反射器板平面伸展的边条1′。
在所示实施例中，在此反射器1上有两个补件辐射装置，即用于低频率范围，例如GSM频率范围(870-960MHz)的第一个补件辐射装置5和位于其上方的较小尺寸的另一个补件辐射装置7，它用于高频率范围，例如用于PCN和UMTS频率范围(1710MHz，2170MHz等)。
两个补件辐射装置5和7中的每一个被构造成双补件辐射装置，并分别具有一个有源的馈电补件5a或7a和一个位于其上面的、仅电容耦合并从而无源的遮盖补件5b或7b。
图3a和3b示出较大尺寸且用于低频率范围的馈电补件5a。由图可见，馈电补件被设计成矩形板，在其中加工出了一个H形缝隙结构11。其中中央缝隙在垂直于反射器1的方向上延伸，在所示实施例中垂直于反射器1的边条1′。在此中央缝隙11a的两端是与其垂直的、在两侧穿过的平行缝隙11b。特别是由图3b所示底视图可见，对馈电补件5a的电缆馈电单独通过一根同轴馈电电缆15a实现，该电缆在反射器1上面，即沿着边条1′、然后在馈电补件5a的边缘上向中央沿伸，并从那里向H形缝隙结构11的方向前进。并且电缆最好至少近似地在底侧面上在中央缝隙11a的轴向延伸方向上向中央缝隙方向前进，然后以V形或U形线路绕过首先遇到的平行缝隙11b的一个端点前进。同轴电缆最好终止在缝隙一侧上中央缝隙11a的中央，在这里与外导体115a电气连接，内导体115b垂直于中央缝隙11a的纵向延伸方向在此缝隙上面前进，并在中央缝隙相对的一侧上与馈电补件电气连接。
由图3a和3b可见，除了原来的馈电电缆15a外，还有另外两根绑结线215a，分别在原来的馈电电缆15a的部分长度的左边和右边，其中两根绑结线215a具有不同的长度。两根绑结线中的每一根至少平行于馈电电缆15a的端部段设置，使得相应的内导体215″a平行于馈电电缆15a的内导体115″a跨过中央缝隙11a，且在缝隙11a相对的一侧与补件电气连接，同时在缝隙前相应绑结线215a的外导体215′a与补件电气连接。
借助于两个表面不导电的柱状间距固定器21，馈电补件安装在反射器1上，并且位于上面的遮盖补件5b安装在同轴的间距固定器22上方，遮盖补件的横向尺寸近似相等，而纵向尺寸一般短一些。
在下面的补件辐射装置5的遮盖补件上设置另一个补件辐射装置7，它也被构造成具有一个馈电补件7a和一个覆盖在它上面的遮盖补件7b的双补件装置。并且用于低频率范围的下面的补件辐射装置5的遮盖补件同时也构成用于其上方构造的高频率范围补件辐射装置7的基板。
补件辐射装置7与补件辐射装置5一样包括一个尺寸明显较小的矩形馈电补件7a，它同样具有一个H形缝隙结构13，该结构具有一个中央缝隙13a和两个在中同缝隙两端经过中央缝隙分别向两侧前进的平行缝隙13b，使得中央缝隙13a平行于下面的补件辐射装置5的中央缝隙11a并位于其上面。像下面的补件辐射装置5一样实现馈电，即通过一个独立的馈电电缆15b，它同样从中央缝隙13a的中央部位出发，经V形或U形线路(弯角15′b)绕过平行缝隙11b的端部到达馈电补件7a的中部，并从那里沿中央缝隙13a的延长线方向尽可能对称地敷设至馈电补件13a的边缘。其中电缆从反射器1的相对的一侧引到馈电补件，即与馈电电缆15a一样从其相对的一侧引出。
由图5b所示实施例可见，其中设置了一根绑结线215b，它开始于弯角15′b旁，平行于馈电电缆15b，其内导体215″b与馈电电缆15b的内导体115″b平行地跨过缝隙13a，并连接在馈电补件的相对一侧上，外导体215′b与馈电电缆15b的外导体115′b一样在同一侧上与补件连接。
上述馈电补件7a通过两个错开设置的、且最好都位于通过中央缝隙的垂直平面中的柱状间距固定器23安装并固定在遮盖补件5b上。
在上述馈电补件7a上同样也构造了一个尺寸还小一些的遮盖补件7b，它通过另外的间距固定器24相对于承载它的馈电补件7a固定。此遮盖补件7b设计成具有一个中央开孔27的框形结构，并固定在边框28侧面平行于位于其下方的中央缝隙11a、13a的两块搭板29上方，搭板支撑在间距固定器24上。通过位于最上面的遮盖补件7b的这种矩形结构产生完全意想不到的效果：匹配(驻波比)得到明显改善并且对雨水的敏感性明显减小，从而在整个天线装置被外罩(塑料罩等)遮盖时明显减小了雨水对天线的影响。
按照实施例，两根馈电电缆15a、15b在反射器1的纵向方向上引至一个连接端子板，其上有两个连接器35a、35b，用于对两个补件辐射装置的馈电。例如在图1中它可以位于右侧，并且固定在反射器板右侧并垂直于反射器面向上伸出的连接器板例如与两个反射器边条1′相邻，相应的馈电电缆15a和15b可终止在相应的接插连接器处。同样也可以将两根馈电电缆15a、15b通过一个双工器结合到一起，从而只需一个连接器。如通常那样，图中未详细示出，在整个装置上安装一个外罩作为保护装置。
为进一步理解，还需指出，尤其从图5a、也可从图6的截面图看出，在最上面的馈电补件7a上平行于相应中央缝隙13a有一个横截面为直角的导电弯角37，它的平行横档37a平行于反射器平面，它平行地以一定间距遮盖中央缝隙，并且弯角的起承载作用的垂直支脚37b在一个边侧上平行于中央缝隙13a被机械固定和连接在相应的馈电补件7a上。

Claims (20)

1.工作在至少两个频率范围内的补件天线，具有以下特点：
-具有一个反射器(1)，
-在反射器(1)上构造和/或在反射器(1)前面设置至少两个补件辐射装置(5，7)，即用于低频率范围的补件辐射装置(5)和用于高频率范围的补件辐射装置(7)，
-用于低频率范围和用于高频率范围的补件辐射装置(5，7)分别包括至少一个具有相应缝隙结构(11，13)的有源馈电补件(5a，7a)和一个设置在馈电补件上方的、电容耦合的无源遮盖补件(5b，7b)，
-用于低频率范围及用于高频率范围的补件辐射装置(5，7)设置在一块基板上，
-位于下面的用于低频率范围的补件辐射装置(5)的最上面的遮盖补件(5b)同时构成在其上构造的用于高频率范围的补件辐射装置(7)的基板，
-在至少一个馈电补件(5a，7a)中构造一个缝隙结构，该缝隙结构包括一个H形缝隙结构(11，13)，以及
-至少两个在相应馈电补件(5a，7a)中的缝隙结构(11，13)分别通过一根相应的馈电电缆结构(15a，15b)进行馈电，
其特征在于，
-为了获得调整到不同频率范围上的补件辐射装置(5，7)之间更好的退耦，设置有绑结线(215a，215b)，所述绑结线平行地紧挨着相应的连接线。
2.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，各馈电电缆(15a，15b)在H形缝隙结构中的中央缝隙(11a，13a)的延伸方向上从馈电补件(5a，7a)边缘敷设至相应的中央缝隙(11a，13a)，并且绕过H形缝隙结构中的两个平行缝隙(11b，13b)中邻近的一个的相应端部段敷设至相应的中央缝隙(11a，13a)。
3.如权利要求1或2所述的补件天线，其特征在于，相应馈电补件(5a，7a)的馈电在至少接近补件的中央处并对称地实现。
4.如权利要求1或2所述的补件天线，其特征在于，馈电电缆(15a，15b)从相应的馈电补件(5a，7a)的至少接近中央处出发，经过相应馈电补件(5a，7a)的边沿向下引至反射器(1)上。
5.如权利要求1或2所述的补件天线，其特征在于，在至少一个具有H形缝隙结构的馈电补件(5a，7a)上，平行于中央缝隙(13a)设置有一个横截面呈直角的导电弯角(37)，其平行横档(37a)平行于中央缝隙(13a)，以一定间距遮盖中央缝隙(13a)，并且承载弯角的垂直支脚(37b)在一个边侧上平行于中央缝隙(13a)机械固定并电气连接在相应的馈电补件(7a)上。
6.如权利要求5所述的补件天线，其特征在于，所述的导电弯角(37)设置在用于最高频率范围的馈电补件(7a)上。
7.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，位于最上面的遮盖补件(7b)被设计成框形的，形成一个中央开孔(27)。
8.如权利要求7所述的补件天线，其特征在于，位于最上面的遮盖补件(7b)形成一个矩形边框(28)。
9.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，用于低频率范围的一个补件辐射装置(5)的遮盖补件(5b)同时也作为用于相对高频率范围的一个补件辐射装置的基板，它在中部区域有一个开孔，用于高频率范围的补件辐射装置(7)的馈电补件(7a)集成设置在此开孔中。
10.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，用于低频率范围的一个补件辐射装置(5)的遮盖补件(5b)同时也作为用于相对更高频率范围的一个补件辐射装置的基板，它在中部区域有一个盆形槽，用于高频率范围的补件辐射装置(7)的馈电补件(7a)集成设置在此槽中。
11.如权利要求9或10所述的补件天线，其特征在于，用于高频率范围的补件辐射装置(7)的馈电补件(7a)以与用于低频率范围的遮盖补件(5b)相同的高度被设置。
12.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，分别用于低频率范围和高频率范围的有源和无源补件的尺寸如此确定：使得工作在两个不同频率范围内的补件辐射装置(5，7)的频率比为1∶2。
13.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，至少一个或多个或所有的补件辐射装置(5，7)对于每个频率范围具有多于两个的补件。
14.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，为了固定补件(5a，5b，7a，7b)，设置有由不导电的和/或电介质材料构成的支撑物或间距固定器。
15.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，用于固定补件的间距固定器、支撑物或固定件(21，22，23，24)设置在其纵向边或横向边的中央，并且是导电的。
16.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，用于多个补件的多根馈电电缆(15a，15b)借助于双工滤波器被连接到一个总输入端。
17.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，两个或更多个补件辐射装置组合成一个阵列，并且在两个补件辐射装置之间的中央处分别设置和/或连接用于高频率范围的其它辐射元件。
18.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，馈电电缆(15a，15b)至少在其端部区域中具有与其平行敷设的绑结线(215a，215b)，它们的内导体(215a，215b)跨过中央缝隙(11a，13a)，并在与其外导体(215a，215b)相对的一侧上与补件连接。
19.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，设置在最下面的、用于传输最低频率范围的辐射装置(5)的基板由反射器(1)构成。
20.如权利要求1所述的补件天线，其特征在于，设置在最下面的、用于传输最低频率范围的辐射装置(5)设置在反射器(1)的前面。
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