CN1312597A - 带有有限接地平面的拼片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有增强的波束宽度特性的微带拼片天线。该天线包括一个拼片振子,一个接地平面以及一个信号馈送线,该拼片振子与该接地平面通过第一介质衬底分开,该馈送线与接地平面通过第二介质衬底分开,该信号馈送线由该接地平面与拼片振子屏蔽开。信号馈送线通过接地平面上的横穿该信号馈送线的开口而耦合到拼片振子,接地平面起到相对于该开口的有限表面的作用。因而本发明提供了一个有效的方式来实现可调节的宽波束宽度。

Description

带有有限接地平面的拼片天线
本发明一般涉及天线的改进，尤其涉及带有有限接地平面的拼片天线的有利方面。
在微带拼片天线中，辐射器一般是由金属拼片振子所提供，该拼片振子已经利用微带技术安装在接地平面之上的介质衬底上。由于它们的低折射率、低成本以及紧凑的尺寸，微带拼片天线适用于各种微波天线以及天线阵列应用中。例如，微带拼片天线用作基于微波集成电路(MIC)或者单片式微波集成电路(NMIC)设计的辐射单元，这些集成电路诸如用于飞机以及卫星通信，导弹以及火箭的天线系统，以及个人通信系统(PCS)的无线应用。然而，一个与微带拼片天线相关的问题在于，例如与使用偶极阵子的天线设计相比，它们一般具有有限的波束宽度。此外，当前的微带拼片天线设计并不提供用以调节天线波束宽度的紧凑、节省费用的机制。
参照图1可以较好地理解现有技术，图1示出了根据现有技术的微带拼片天线10的剖视图。如图1所示，天线10包括一个方形的拼片振子12，一个接地平面14以及一个微带馈送线16，这些装置位于由一对介质衬底18和20的上、下表面所定义的平行平面上。拼片振子12安装在上层衬底18的上表面上，接地平面14安装在上层衬底18的下表面与下层衬底20的上表面之间，馈送线16安装在下层衬底20的下表面上。固定的金属板反射器22设置在天线10的下部，以反射射向天线10顶部的辐射。馈送线16和拼片振子12之间的耦合由接地平面14上小的长方形开口24提供，该开口横穿馈送线16。由于这种耦合技术，示于图1的设计被称作“开口耦合的拼片天线”。也使用了其他设计，即使用不同的技术将馈送线耦合到拼片振子。
在当前的开口耦合的拼片天线设计中，接地平面14明显地大于开口24，以便从电磁的角度来看，接地平面14起到相对于开口24的有限表面的作用。这有助于馈送线16和拼片振子12的隔离。此外，有限接地平面的使用使得天线的分析更加容易，因为可以施加等效理论。
天线的辐射图在天线应用中是非常重要的。它包括多个参数以特征化天线的性能，这些参数包括增益、3dB(半功率)波束宽度、旁瓣电平、前后(F/B)比，极化、交叉极化电平以及行(line)。3dB波束宽度参数是表示辐射能量覆盖范围的主要参数。常规拼片天线的波束宽度大约为60°到70°。
由于它们的高度集成，拼片振子业已被成功地使用，以形成用于高方向性应用的大的阵列。然而，其他应用需要比当前可得到的60°到70°更大的波束宽度。例如，一般的三部分蜂窝系统需要覆盖120°的地理性区域。在一个时分多址(TDMA)系统中，基站要求105°到110°的3dB波束宽度，并且时分多址(CDMA)系统要求90°的3dB波束带宽。由于常规拼片振子的波束带宽限制，在这些应用中通常使用一个偶极振子。
此外，在某些应用中需要可以调节天线的波束带宽。带有角反射器的偶极振子可以通过用机械方法调节反射器的角度，来提供波束宽度控制。然而，这种方法要求复杂的机械结构，这些机械结构可能费用很高，并且可能导致不希望的大的外壳尺寸以容纳这些结构。
本发明的一个方面提供了一种带有增强的波束宽度特性的微带拼片天线。在第一实施例中，天线包括一个拼片振子以及一个接地平面，其中该拼片振子与该接地平面通过一个第一介质衬底分开。该天线还包括一个信号馈送线，该馈送线与接地平面通过一个第二介质衬底分开，该信号馈送线由该接地平面与拼片振子屏蔽开。信号馈送线通过一个接地平面上的横穿该信号馈送线的开口而耦合到拼片振子，该接地平面起到相对于该开口的有限表面的作用。根据本发明其他方面，通过调节信号馈送线后面的放射器的位置可以调节天线的波束宽度。因而，本发明提供了一个有效的方式来实现可调节的宽波束宽度，该宽度例如可以用于三扇区结构的无线系统中。
本发明的其他特征以及优点可以通过下面的详细描述并参照附图而变得清楚。
图1示出了根据现有技术的微带拼片天线的部分剖视图；
图2示出了根据本发明微带拼片天线的第一实施例的部分剖视图；
图3A到3D分别示出了根据本发明微带拼片天线的俯视图、侧视图、前视图和仰视图；
图4示出了示于图3A到3D的天线的上衬底层的仰视图；
图5A到5C分别示出了图3A到3D所示天线的下衬底层的俯视图、侧视图、前视图和仰视图。
本发明提供了一种带有增强的波束宽度特性的微带拼片天线。该天线具有一个拼片振子以及一个接地平面，其中该拼片振子与该接地平面通过一个第一介质衬底分开，以及一个信号馈送线，该馈送线与接地平面通过一个第二介质衬底分开。该信号馈送线由该接地平面与拼片振子屏蔽开，并且信号馈送线通过一个接地平面上的横穿该信号馈送线的开口而耦合到拼片振子。如下所述，该接地平面起到相对于该开口的有限表面的作用。
图2示出了根据本发明微带拼片天线的第一实施例的部分剖视图。图2的拼片天线30包括一个拼片振子32，一个有限接地平面34，以及一个微带馈送线36，这些装置位于由上衬底38和下衬底40所定义的平行平面上。反射器42用于向天线30的顶部反射辐射。拼片振子32通过有限接地平面34上的长方形开口44耦合到微带馈送线36。
有限接地平面34的大小是这样选择的，即它起到相对于开口44的有限表面的作用。接地平面宽度的上限是由边缘饶射情况所控制的，在本发明的实施例中，该边缘饶射情况是从接地平面的边缘到辐射焦散线，即拼片振子32的距离来得到的。因此，在本发明的实施例中，“有限”接地平面34的定义是这样的，即接地平面34的宽度小于工作频率(0.5入)波长的一半，以便可以测量由于变化的反射器位置造成的波束宽度的变化。而且，接地平面34的宽度大于拼片振子32宽度的1.5倍，以实现良好的电压驻波比(VSWR)性能。
尽管有限接地平面的使用使天线30的分析变得复杂，但是业已发现该有限接地平面34明显地增强了天线30的波束宽度。如下文将进一步描述的，业已发现通过使用适当大小的有限接地平面，可以将天线的波束宽度增加到85°。
业已发现天线30的波束宽度能力可以通过修改拼片振子32的形状而得到改善。在当前的拼片天线中，拼片振子一般是方形的。然而，业已发现对于有限接地平面34而言，使用一个长方形拼片振子是非常有利的，其中拼片振子34的宽度为其长度的60％或者更窄。(应该注意的是，在宽波束宽度的应用中，60％的宽度满足了有限接地平面的上述准则。)结合有限接地平面34的长方形拼片振子34的使用使得天线30波束宽度增加到90°。
而且，图2的天线30提供了一种用于调节天线波束宽度的系统。利用有限接地平面34，业已发现可以通过调节反射器相对于微带馈送线36的位置，来调节天线30的波束宽度。使反射器42离开馈送线36将增加围绕反射器的辐射的“溢出”，从而导致波束宽度的增加。通过仔细地调节反射器的高度，波束宽度可以在80°到110°的范围内调节，而不会失谐天线的阻抗匹配。在示于图2的本发明实施例中，反射器的调节是通过将反射器安装到数字步进电动机来实现的，该步进电动机由一个微处理器控制器48来操作。应该认识的是，其他间隔控制调节器也可以被设计出，并且被适当地使用。
因此，本发明提供了一种有效方式来实现三扇区配置的各种无线系统的可调节的宽波束宽度，这些无线系统需要覆盖120°的地理性区域。它不仅将常规拼片天线的波束宽度从60°-70°扩展到90°，而且提供了可以方便调节的波束宽度。因而本发明使得拼片天线可以用于诸如三扇区基站辐射器的应用中。因此，常规的偶极天线可以由这些低成本、低折射率以及高度集成的拼片天线所取代。
而且，利用本发明，可以使蜂窝网络中的小区边界变得可以调节，以便根据诸如白天、季节以及地理性区域的这些变量来管理和优化小区负载。这种方法可以通过使用带有上述波束宽度控制能力的基站天线来实现。
图3A到3D分别示出了根据本发明天线50的其他实施例的俯视图、侧视图、前视图和仰视图。该天线包括一个拼片振子52，一个有限接地平面54，一个微带馈送线56，这些装置都位于上和下介质衬底50和60上。图4示出了更加详细的拼片振子52，该拼片振子为相对窄的长方形，并且被安装到上介质衬底58的下表面。图5A示出了更加详细的有限接地平面54，该接地平面安装到下介质衬底60的上表面。微带馈送线56由同轴馈送线62所馈电，同轴馈送线的外导体电连接到有限接地平面54，同轴馈送线的内导体电连接到微带馈送线66。最后，金属反射器68用于向天线50的顶部反射辐射。反射器68包括第一对翼形部件70，这对部件围绕下衬底60向上延展，以及第二对翼形部件72，这对部件围绕同轴馈送线62向下延展。如图3D所示，反射器68包括一个孔88，同轴馈送线穿过该孔。
在该天线的实施例中，上衬底58和下衬底60之间是由一组4个垫片84分开。这就在拼在振子52和接地平面54之间产生了一层空气。如果需要的话，这层空气可由一个固体衬底所取代。第2组4个垫片86用于将下衬底60与反射器板68分开。在本发明的实施例中，反射器板68是可调节的，4个垫片84由一个可拆卸的固定部件所取代，这个可拆卸的固定部件可以使反射器板68准确地相对于上衬底58和下衬底60移动，同时保持与这些部件的相互平行关系，在该实施例中，反射器板68的移动是利用微处理器控制的步进电动机控制的，如图2所示。
图4示出了带有安装于其上的金属拼片振子52的上衬底58的仰视图。如上所述，根据本发明，拼片振子52的形状是相对窄的长方形，其宽度是其长度的60％或更小。然而，也可以利用一个方形拼片振子52来实现本发明。
图5A示出了下衬底60的俯视图。有限接地平面54安装在衬底60上，并且在其中心上包括一个长方形开口90。在示于图5A的实施例中，开口90仅贯穿接地平面54。它并不贯穿衬底60，尽管如果需要的话，它也可以这样做。如上所述，接地平面54相对于开口90的尺寸是这样的，即接地平面54起到相对于开口90的有限表面的作用。
图5B和5C分别示出了下衬底60的仰视图和侧视图。微带馈送线56直接安装在下衬底60的下表面上，并且在接地平面54上穿过开口90。如上所述，开口90并不完全贯穿衬底60。同轴馈送线62垂直地安装到下衬底60。其内导体66电耦合到微带馈送线56。其外导体64穿过下衬底60，并且电耦合到衬底60另一侧上的接地平面54。
尽管上述描述包括了使本领域技术人员能够实现本发明的各种细节，但应该认识的是，这些描述本质上是示意性的，得益于这些教导的本领域技术人员将会知道多种变化和修改。因此本发明只是由在此所附的权利要求书限定，而且权利要求书应该被理解的如现有技术所允许的那样宽。

Claims (21)

1．一种天线，包括：
一个拼片振子；
一个接地平面，其通过一个第一介质衬底与该拼片振子分开；
一个信号馈送线，其通过一个第二介质衬底与接地平面分开，并且该信号馈送线由接地平面与拼片振子屏蔽开；
该信号馈送线通过一个接地平面上的开口电磁耦合到拼片振子，其中信号馈送线穿过该开口，该接地平面起到相对于该开口的有限表面的作用。
2．根据权利要求1的天线，其中接平面的宽度小于工作频率波长的一半，从而可以测量由于变化的反射器位置而造成的波束宽度变化。
3．根据权利要求1的天线，其中该拼片振子为长方形，该长方形的宽度是其长度的60％或更小。
4．根据权利要求1的天线，还包括：一个贴近该信号馈送线的反射器，用以反射来自该信号馈送线的辐射，该反射器被这样设置，即信号馈送线位于接地平面和反射器之间。
5．根据权利要求4的天线，其中反射器的位置是可调节的，反射器位置的调节产生天线波束宽度中的变化。
6．根据权利要求5的天线，其中反射器的位置是由一个步进电动机调节的。
7．根据权利要求6的天线，其中步进电动机是由一个基于微处理器的控制器操作的。
8．根据权利要求1的天线，还包括一个同轴馈送线，其外导体连接外接地平面，其内导体连接到信号馈送线。
9．一种天线，包括：
一个拼片振子，其安装在第一衬底的上表面上；
一个接地平面，其安装在第一衬底的下表面与第二衬底的上表面之间；
一个信号馈送线，其安装在第二衬底的下表面上；
该信号馈送线通过一个接地平面上的开口耦合到拼片振子，其中信号馈送线穿过该开口，接地平面起到相对于该开口的有限表面的作用。
10．根据权利要求9的天线，其中接地平面的宽度小于工作频率波长的一半，从而可以测量由于变化的反射器位置而造成的波束宽度变化。
11．根据权利要求9的天线，其中该拼片振子为长方形，该长方形的宽度是其长度的60％或更小。
12．根据权利要求9的天线，还包括：
一个贴近该信号馈送线的反射器，用以反射来自该信号馈送线的辐射，该反射器被这样设置，即信号馈送线位于接地平面和反射器之间。
13．根据权利要求12的天线，其中反射器的位置是可调节的，反射器位置的调节产生天线波束宽度中的变化。
14．一种天线，包括：
一个拼片振子，其安装到第一衬底的下表面上；
一个接地平面，其安装到第二衬底的上表面上，该拼片振子和接地平面由一层空气分开；
一个信号馈送线，其安装到第二衬底的下表面上；
该信号馈送线通过一个接地平面上的开口耦合到拼片振子，其中信号馈送线穿过该开口，接地平面起到相对于该开口的有限表面的作用。
15．根据权利要求14的天线，其中接地平面的宽度小于工作频率波长的一半，从而可以测量由于变化的反射器位置而造成的波束宽度变化。
16．根据权利要求14的天线，其中该拼片振子为长方形，该长方形的宽度是其长度的60％或更小。
17．根据权利要求14的天线，还包括：
一个贴近该信号馈送线的反射器，用以反射来自该信号馈送线的反射，该反射器被这样设置，即信号馈送线位于接地平面和反射器之间。
18．根据权利要求17的天线，其中反射器的位置是可调节的，反射器位置的调节引起天线波束宽度的变化。
19．一种制造天线的方法，包括步骤：
(a)将一个拼片振子安装在一个第一衬底上；
(b)将一个信号馈送线安装在一个第二衬底上；
(c)通过一个接地平面分开该拼片振子和该信号馈送线；
(d)将该信号馈送线电磁通过一个接地平面上的开口与拼片振子电磁耦合，其中该信号馈送线穿过该开口，该接地平面起到相对于开口的有限表面的作用。
20．根据权利要求19的方法，还包括：
(e)设置一个反射器，以便信号馈送线在接地平面和反射器之间。
21．根据权利要求20的方法，还包括：
(f)通过调节反射器的位置来调节天线的波束宽度。
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