CN1252175A - 微带天线和阵列天线 - Google Patents

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C·林德奎斯特
L·托尔斯藤森
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Abstract

用于和/或包括天线,尤其包括例如微带天线的微波天线中的一个装置,用来控制天线波瓣和全部或部分抑制双极化天线单元极化之间的交叉耦合。一个金属框(100),其侧面为所需要的波瓣宽度而能够被形成角度,被放置在天线的接地板(190)上面的每个天线单元(150)周围。围绕天线单元的金属框的形状和位置也控制天线的波瓣。以此方式,能够以所需要的方式控制天线波瓣而不管天线接地板的大小,其取决于例如用于天线的所需要的微带分配网络。

Description

微带天线和阵列天线
本发明技术领域
本发明涉及用于和/或构成天线的装置，尤其用于微波天线，用其能够执行天线波瓣的控制和调整。本发明也涉及用于和/或构成天线的装置，尤其用于微波天线，用其能够减少或完全避免在双极化辐射天线单元中极化之间的耦合。发明背景
移动电话的发展已经产生了对简单和便宜天线大量生产的需要，尤其用于基站。移动电话利用的位于微波范围的频率范围，为此通常使用的天线类型是微带天线。微带天线包括安装到接地板前面的辐射天线单元。一个基站通常使用大量天线以便覆盖一个小区。不同的移动电话经营者利用不同的小区规划方法，导致对特别带有不同波瓣宽度的天线的需要。控制微带天线波瓣宽度一个已知方法是调整接地板的尺寸。如果需要大的波瓣宽度，就限制接地板的尺寸。在需要大的波瓣宽度的情况下减小接地板尺寸的一个主要缺点是这样也限制了利用微带分配网络作为辐射单元的馈电网络的可能性。因此，带有宽波瓣的天线大体上不能利用微带分配网络作为馈电网络或只能在非常有限的范围内使用。如果需要，在大多数情况下带有窄波瓣的天线能够利用微带分配网络作为馈电网络，尤其就制造方面和这些天线的成本来说是有利的。为控制波瓣宽度调整接地板尺寸的另一个主要缺点是天线的形状和尺寸会受到影响，也就是不同的天线必须设计和制造成不同需要的波瓣宽度。调整天线的形状和尺寸引发大量随后的问题，例如不同气象保护(天线罩)和改变安装设计的需要。
为实现更好和更可靠的覆盖，这在移动电话中尤其重要，使用极化分集。天线尤其是微波天线最好使用双极化辐射单元，与使用单极化辐射单元相比可减少天线的制造成本和尺寸。这就需要尤其在移动电话中需要带有±45°极化的天线，因为这种极化类型体现出具有许多优点，例如相对于0/90°极化而言更对称传播/衰减。不幸地，与0/90°极化的天线相比制造带有双极化辐射单元并具有极化之间足够绝缘也就是低交叉耦合的±45°极化的天线尤其是微带天线证明是困难的。
发明概述
本发明的一个目的是说明一个用于和/或形成天线的装置，尤其是例如微带天线的微波天线，用于控制天线的波瓣宽度和如果适当的话控制波瓣方向而不必调整天线接地板的尺寸。
本发明的另一个目的是说明一个用于和/或形成天线的装置，尤其是例如微带天线的微波天线，其完全或部分抑制双极化辐射单元的极化之间交叉耦合的出现。
根据本发明，上述目的是通过一个用于和/或形成天线尤其是例如微带天线的微波天线的装置实现的，用于控制天线波瓣和完全或部分抑制双极化天线单元的极化之间交叉耦合的出现。一个侧面可以弯曲用于所需要的波瓣宽度的金属框被放置在天线接地板上的每个天线单元周围。金属框围绕天线单元的形状和位置也控制天线波瓣。以此方式，能够以所需要的方式控制天线波瓣而不管天线接地板的尺寸，其取决于例如用于天线的所需要微带分配网络。
根据本发明，上述目的也可通过用于接收和发射主要在微波频率范围内的电磁信号带有相对于天线的法线方向上的天线波瓣的天线装置来实现。该天线包括一个接地板和至少一个天线单元。接地板包括一个第一侧面和一个第二侧面。天线单元被安装在距接地板的第一侧面预定距离处和天线单元由来自接地板第二侧面的馈电装置馈电。天线单元可是例如探针馈电或狭缝馈电。
根据本发明，金属框被安装在接地板第一侧面上围绕天线单元在接地板第一侧面上的投影以便利用接地板第一侧面上的金属框的形状和位置来控制天线波瓣的尺寸和方向。天线单元被合适地安装与金属框相连，即金属框也可以作为天线单元的支架。金属框适合于包括一第一和第二侧面。金属框的第二侧面面对天线单元的投影。金属框的第一和第二侧面至少沿一边合适地相互电连接以形成沿金属框的一条线。该边合适地为金属框的顶部边/边-线。
只要改善控制天线波瓣的可能性，在金属框第一侧面与通过该边的接地板第一侧面的法线之间的边上可以形成第一角度。第一角度被认为正的，从穿过该边的接地板的第一侧面的法线和离开天线单元。也可以形成第二角度，这种情况下，在金属框的第二侧面与穿过该边的接地板的第一侧面的法线之间的边上形成该角度。第二角度被认为是正的，从穿过该边的接地板的第一侧面的法线面对天线单元。第一角度可以是正的和大于零以便由此控制天线波瓣。第二角度可以是正的和大于零以便由此控制天线波瓣。这些角度可以每个调整使另一角度为零或使两个角度都不是零。在某些应用中，第一角度是正的(大于零)和第二角度是负的(小于零)并具有小于第一角度的绝对值可能有利，以便由此控制天线波瓣。在其它应用中，第二角度是正的和第一角度是负的并具有小于第二角度的绝对值可能有利，以便由此控制天线波瓣。在某些情况下，如果围绕金属框至少一个角度值至少改变一次可能有利，以便由此控制天线波瓣。
该边可以适合地平放在接地板与天线单元主要放置的平行平面之间。另外，该边主要平放在天线单元放置的平面中，该平面与接地板平行。另外，该边平放在天线单元放置的平面之外，相对与平行的接地板。也可以想象到围绕金属框沿接地板的法线该边离接地板的距离改变，以便由此控制天线波瓣，这意味着该边可以位在低于、高于或与天线单元在相同平面内(或另外的有一个或多个改型的组合)围绕金属框的路线。
金属框可以与接地板电连接或电绝缘。金属框可以主要对准接地板第一侧面上的天线单元投影的中心或取决于应用而围绕接地板第一侧面上的天线单元投影对称安装。在本发明的实施例中，天线是一个微带天线，其中天线单元是狭缝耦合贴片，如果适用的话，也是例如±45°双极化的。金属框的边线对天线单元的极化或偏振是平行的或成直角。在某些使用方型贴片的应用中，如果金属框的边线形成方型可能是合适的。天线可以有利地成为阵列天线，带有至少两个天线单元，每个单元具有其自己的金属框。
上述目的也通过用于主要在微波频率范围内接收和发射电磁信号的阵列天线装置实现，带有相对阵列天线法线方向的天线波瓣。该阵列天线包括一个接地板和至少两个微带天线单元。接地板包括一个第一侧面和一个第二侧面。微带天线单元安装得与接地板的第一侧面离开(在前面/上面)一个预定的距离，并且是±45°双极化狭缝耦合贴片，该贴片由来自接地板第二侧面的微带分配网络馈电。根据本发明，金属框围绕接地板第一侧面上的每个微带天线单元的投影安装在接地板的第一侧面上。天线波瓣的尺寸和方向由接地板第一侧面上的金属框的形状和位置控制。金属框包括一个第一和一个第二侧面以金属框的第二侧面面对相应微带天线单元的投影。金属框的第一和第二侧面至少沿着一条边相互电连接，该边沿金属框形成一条线。该边适合地为金属框上的顶边/边线。在金属框的第一侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线之间的边上形成第一角度，和在金属框的第二侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线之间的边上形成第二角度。在某些应用中，第一和第二角度的至少一个围绕金属框改变是有利的。围绕金属框形成一条线的金属框的该边可以沿整条线与微带天线单元等距离，或金属框在微带天线单元的投影周围对称放置以便由此控制天线波瓣的方向。不同微带天线单元的相应金属框不必相同。
本发明就天线而言与现有技术相比具有许多优点，和尤其是使用微带分配网络作为天线的辐射单元的馈电网络的例如微带天线的微波天线。天线的辐射单元可以例如是缝隙、狭缝耦合贴片或偶极子。本发明通过只改变金属框侧面的倾斜角、高度或位置(或这些的组合)控制波瓣宽度(波瓣尺寸)，该金属框围绕天线中的每个辐射单元放置。本发明也通过确定金属框中的天线单元的中心或通过金属框相反侧面上的不同的高度和角度来控制相对天线法线的天线波瓣的方向。以此方式，能够成大批地设计和随后制造天线，和然后能够根据需要在生产后期容易地针对尤其波瓣宽度定做天线。本发明也部分或完全消除了双极化辐射单元中极化之间的交叉耦合。这是通过本发明对每个极化方向产生镜象对称环境实现的，结果是在没有第二极化中的成分能够被激励。以此方式，使用带有±45°双极化辐射天线单元的微带天线成为可能。根据本发明，也减少了阵列天线中不同天线单元之间的交叉耦合。这意味着本发明针对例如大量制造的用于移动电话系统的基站天线是所关心的。附图简要说明
为清楚的目的下面以非限制的方式并参照附图更详细地描述本发明，其中
图1表示根据本发明的带有狭缝耦合双极化贴片的±45°极化的微带阵列天线的正视图，
图2表示图1中天线的侧视图，
图3A-E表示根据本发明天线的不同实施例的截面图，
图4表示根据本发明带有偶极子作为辐射单元的单极化天线的视图，
图5表示根据本发明带有偶极子作为辐射单元的单极化天线的正视图，
图6表示根据本发明带有偶极子作为辐射单元的双极化天线的正视图，
优选实施例说明
为说明本发明，下面参照附图1-6描述其应用的几个例子。
图1表示根据本发明设计的阵列天性的一部分的正视图。图中的阵列天性是±45°极化的微带天线，其适合于使用在移动电话系统中作为基站天线。在此例中，狭缝耦合双极化贴片150被用作辐射天线单元。贴片150平放在例如接地板190的缝隙之上。根据本发明，金属框100平放在辐射天线单元150周围。贴片150的边离金属框100以λ/20到λ/2的数量级(在此λ是波长)平放。金属框100可以电连接到接地板190或与接地板190电绝缘，取决于所需要的天线特性。
图2表示根据本发明的微带天线的侧视图。侧视图可以是例如与根据图1的天线类似的天线。在此，微带分配网络被表示出，包括一个分配网络294、一个接地板290和一个支撑基片292。在此示为狭缝耦合贴片250的辐射天线单元250通常也具有一个支撑基片252。贴片250通常离开接地板290以λ/10的数量级平放。根据本发明，金属框200安放在相对接地板290的接地板上的相应辐射天线单元250投影的周围。金属框200的顶边208在此表示在侧视图中平放在接地板290与贴片250之间。金属框200适合于高于接地板290λ/40到λ/4的数量级的高度，这意味着金属框200的顶边208将平放在接地板290与贴片250之间，处于与贴片250相同的平面或在贴片250之上或前面。
图3A到3E表示了根据本发明天线的不同实施例的截面图。截面图可以是例如根据图1或2的天线。辐射天线单元在此也作为狭缝耦合贴片350而表示，其被放置得离开接地板390不远。只表示了带有基片392的接地板390。图3A表示了金属框301具有第一侧面330离开辐射天线单元成一角度带有侧面与接地板法线309(在此情况下法线与金属框的第二侧面331相同)之间的角度α305，该法线穿过金属框的顶边308。角度α305(-90°＜α＜180°)是决定波瓣宽度(在90°到0°范围之内波瓣展宽和从90°以上波瓣被压缩)的参数和在图3-6中表示为正数和在图1和2中表示为0°。当角度α305大于零所出现的空腔302可以是空气、支撑基片或任何其它电介质。金属框301也可以全部由金属制造，这意味着空腔302充满金属。
图3B表示金属框301短于接地板390与贴片350之间的距离，即金属框301的顶边308平放在接地板390与一个平面之间，该平面与接地板平行和辐射天线单元贴片350主要平放在其中。图3C表示金属框301高于接地板390与贴片350之间的距离。图3A，3D和3E表示带有这样高度金属框301、303即金属框301、303的顶边308主要平放在放置贴片350相同的平面中。较高的金属框给出较宽的天线波瓣。金属框301在高度上围绕金属框302可以是不对称的。天线波瓣则将指向金属框较高的方向。根据本发明，天线波瓣也能够通过围绕天线单元不对称地放置金属框301来控制，在此例子中，贴片350，也就是一个或两个方型金属框的侧面比其它两个或三个更靠近天线单元。天线波瓣转向天线单元更靠近金属框的方向。也能够通过调整金属框的周长来控制天线波瓣，即周长越小金属框越靠近天线单元给出的天线波瓣越宽/大。
图3D表示金属框朝着贴片350的侧面与接地板法线309之间的角度β306(-180°＜β＜90°)，在此情况下表示大于0°，该法线穿过金属框顶边308，也可以用于控制波瓣(当然也可能角度β306是负的带有小于角度α的绝对值)。
图4表示带有单极化偶极子451作为接地板490之上的天线单元的例子。在此，根据控制波瓣宽度的本发明只需要两个金属墙405。在此，金属墙405能够被使用以便单独控制例如形成阵列天线的每个单独辐射天线单元451的波瓣宽度。在某些条件下，对于双极化天线单元也仅使用两个金属墙可以足够用了。
图5表示带有接地板590之上的单极化偶极子551的例子，类似于图4的例子。在此，表示了金属框501根据本发明用于控制天线波瓣。
图6表示根据本发明的带有接地板690之上的双极化偶极子651和带有金属框601的例子。
本发明涉及天线，和尤其涉及例如微带天线的微波天线，和它们的波瓣的控制及增加使用双极化天线单元情况下的极化之间的绝缘。也表示了金属框如何放置在天线接地板之上，围绕每个辐射天线单元的投影能够通过金属框的位置和形状控制天线波瓣的宽度和方向和也消除或减少双极化天线单元中极化之间的交叉耦合。
本发明不限于上述的实施例，能够在下面的权利要求书范围内进行修改。

Claims (27)

1.用于主要在微波频率范围内接收和发射电磁信号的微带天线，带有相对微带天线法线方向上的天线波瓣，该微带天线包括一个接地板(190，290，390)和至少一个天线单元(150，250，350)，该接地板(190，290，390)包括一个第一侧面和一个第二侧面，该天线单元(150，250，350)安装得与接地板的第一侧面离开一个预定距离，和天线单元由来自接地板第二侧面的馈电装置(294)馈电，特征在于一个金属框(100，200，301，303)被放置在接地板第一侧面上在接地板第一侧面上的天线单元的投影周围以便由此利用接地板第一侧面上的金属框的形状和位置来控制天线波瓣的尺寸和方向。
2.根据权利要求1的微带天线，特征在于天线单元(150，250，350)相对于金属框(100，200，301，303)放置。
3.根据权利要求1或2的微带天线，特征在于金属框(100，200，301，303)包括一个第一和一个第二侧面，其中金属框的第二侧面面对天线单元的投影和其中金属框的第一和第二侧面至少沿一条边(208，308)相互电连接以形成沿金属框的一条线。
4.根据权利要求3的微带天线，特征在于在金属框第一侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线(309)之间的边(308)上形成一个第一角度(305)，其中第一角度被认为是正的，从穿过该边的接地板第一侧面的法线离开天线单元，和特征在于第一角度大于零以便由此控制天线波瓣。
5.根据权利要求3或4的微带天线，特征在于在金属框第二侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线(309)之间的边(308)上形成一个第二角度(306)，其中第二角度认为是正的，从穿过该边的接地板的第一侧面的法线朝着天线单元，和特征在于第二角度大于零以便由此控制天线波瓣。
6.权利要求3的微带天线，特征在于在金属框第一侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线(309)之间的边(308)上形成一个第一角度(305)，其中第一角度被认为是正的，从穿过该边的接地板第一侧面的法线离开天线单元，和特征在于在金属框第二侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线(309)之间的边(308)上形成一个第二角度(306)，其中第二角度认为是正的，从穿过该边的接地板的第一侧面的法线朝着天线单元，和特征在于第一角度大于零和特征在于第二角度是负的带有小于第一角度的绝对值，以便由此控制天线波瓣。
7.根据权利要求3的微带天线，特征在于在金属框第一侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线(309)之间的边(308)上形成一个第一角度(305)，其中第一角度被认为是正的，从穿过该边的接地板第一侧面的法线离开天线单元，和特征在于在金属框第二侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线(309)之间的边(308)上形成一个第二角度(306)，其中第二角度认为是正的，从穿过该边的接地板的第一侧面的法线朝着天线单元，和特征在于第二角度大于零和特征在于第一角度是负的带有小于第二角度的绝对值，以便由此控制天线波瓣。
8.根据权利要求4到7中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于至少一个角度(305，306)围绕金属框(100，200，301，303)在数值上改变至少一次，以便由此控制天线波瓣。
9.根据权利要求3到8中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于边(308)位于接地板(190，290，390)与天线单元(150，250，350)主要放置的平行平面之间。
10.根据权利要求3到8中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于边(308)主要位于天线单元(150，250，350)放置的平面中，和该平面平行于接地板(190，290，390)。
11.根据权利要求3到8中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于该边位于天线单元(150，250，350)放置的平面之外，相对平行于接地板(190，290，390)。
12.根据权利要求3到8中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于该边(308)沿接地板法线离接地板(190，290，390)的距离围绕金属框改变，以便由此控制天线波瓣。
13.根据权利要求1到12中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于金属框与接地板(190，290，390)电连接。
14.根据权利要求1到12中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于金属框与接地板(190，290，390)电绝缘。
15.根据权利要求1到14中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于金属框主要被对准接地板第一侧面上的天线单元的投影中心。
16.根据权利要求1到14中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于金属框对称安装在接地板第一侧面上的天线单元的投影周围。
17.根据权利要求1到16中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于天线单元(150，250，350)是狭缝耦合的贴片。
18.根据权利要求1到17中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于天线单元(150，250，350)是双极化的。
19.根据权利要求1到18中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于金属框的边线与极化天线单元(150，250，350)的极化或偏振平行或成直角。
20.根据权利要求1到19中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于金属框的边线形成一个方型。
21.根据权利要求1到20中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于微带天线是带有至少两个天线单元(150，250，350)的阵列天性，每个天线单元具有其自己的金属框。
22.根据权利要求1到21中的任何一个权利要求的微带天线，特征在于天线单元(150，250，350)是±45°双极化狭缝耦合贴片。
23.用于主要在微波频率范围内接收和发射电磁信号的阵列天线，带有相对阵列天线法线方向上的天线波瓣，该阵列天线包括一个接地板和至少两个微带天线单元，该接地板包括一个第一侧面和一个第二侧面，该微带天线单元安装得与接地板的第一侧面离开一个预定距离和是±45°双极化狭缝耦合贴片，并由来自接地板第二侧面的微带分配网络馈电，特征在于一个金属框被放置在接地板第一侧面上在接地板第一侧面上的每个微带天线单元的投影周围，以便由此利用接地板第一侧面上的金属框的形状和位置来控制天线波瓣的尺寸和方向，其中金属框包括一个第一和一个第二侧面，金属框的第二侧面面对相应微带天线单元的投影，和其中金属框的第一和第二侧面至少沿一条边相互电连接，以形成沿金属框的一条线，和其中在金属框第一侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线之间的边上形成第一角度，和其中在金属框第二侧面与穿过该边的接地板第一侧面的法线之间的边上形成第二角度。
24.根据权利要求23的阵列天线，特征在于至少第一和第二角度的一个围绕金属框改变。
25.根据权利要求23或24的阵列天线，特征在于形成围绕金属框的金属框的边是与沿整个线的微带天线单元等距离的。
26.根据权利要求23到25中的任何一个权利要求的阵列天线，特征在于至少一个微带天线单元的金属框不对称地围绕微带天线单元的投影安放，以便由此控制天线波瓣的方向。
27.根据权利要求23到26中的任何一个权利要求的阵列天线，特征在于不同微带天线单元的相应的金属框是不相同的。
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