CN1322390A

CN1322390A - 贴片天线设备

Info

Publication number: CN1322390A
Application number: CN98814323A
Authority: CN
Inventors: 威利·沃皮奥
Original assignee: Nokia Networks Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1998-11-18
Publication date: 2001-11-14
Also published as: WO2000030213A1; US20020047802A1; JP2002530909A; BR9814083A; EP1131857A1; AU2153299A

Abstract

一个贴片天线,包括一个导电接地板(1)、一个放置在所述导电接地板(1)上方并与之平行的导电贴片(2),一个用于向所述贴片天线馈入信号的馈电导体(6),以及一个绝缘衬底材料(5),位于导电接地板(1)和导电贴片(2)之间,其中馈电导体(6)与绝缘衬底材料(5)的一侧相连,导电贴片(2)与所述绝缘衬底材料(5)的另一侧相连。位于贴片和接地板之间的绝缘材料的作用在于增强交叉极化分离以及匹配天线阻抗。因而,可通过简单而经济的方式在贴片天线中实现交叉极化分离以及带宽增加。此外,还可以使用普通的探针馈线和同轴电缆并采用精确的小电容。

Description

贴片天线设备

本发明涉及一个贴片天线设备，该设备可用于移动通信网络的自适应天线阵列中。

移动通信系统用户的数量正在迅速增长，因而需要增加用户密集地区的信道容量，同时增大人烟稀少地区中小区的范围。

移动通信系统利用可适用于许多方面的UHF频率范围，但仍无法为用户提供足够的信道。采用功率控制和时分多址(TDMA)技术的蜂窝系统已经显著地改善了信道容量。此外，控制天线辐射模式被视为一种前景非常好的改善蜂窝系统容量的方式。

如果使用天线阵列，则可通过电子方式控制天线辐射模式。因此，对于移动通信和无线信道发声器，要求有能够用于自适应控制天线系统的天线阵列以及这些阵列的天线组件。

当使用阵列模式控制来开发无线系统时，应注意到信号的延迟扩展以及角度扩展。这两项均可借助于天线阵列测得，其中，接收到的脉冲的幅度和相位由信道发声器系统进行测量和存储，从而给出接收到的脉冲的角度和时间。

鉴于在自适应天线和信道发声器中使用类似的阵列和组件的事实，本发明同时涉及这两类天线组件。

自适应天线阵列比较复杂，而且本身的尺寸很大。然而，移动通信系统的天线应当是小巧且价格合理的。尺寸限制是对手持移动单元最重要的限制。膝上型电脑、车载设备以及基站则可以为天线阵列或无限制的天线位置留有更多余地。

在基站中，要求使用宽带天线。但是，根据天线辐射物理学的原理可知，宽带天线应当比较大。在移动单元中，可使用小型的、以电子方式调谐的窄带天线。

在即将问世的UMTS(Universal Mobile TelecommunicationSystem，统一移动通信系统)中，要求有20％的相对带宽(1880...2280MHz)。某些应用可能只使用可用带宽的一部分，但由于双工距离是190MHz，最小带宽是10％。在IRC下，要求信道发声器载频为2154MHz，带宽为100MHz(5％)。

鉴于尺寸限制，优选情况下，使用微带贴片天线组件作为这类移动通信系统的阵列结构的天线组件。但是，常规的贴片天线只有很窄的带宽，因而需要使用特殊技术，方可实现所需的带宽。

此外，基站天线组件应当能够分离两个极化，其中，应在±30°角之间实现20dB的交叉极化鉴别(XPD)。这也是期望移动单元的天线能够实现的。由于具有不同极化的两个平面波以不同方式传播，分离两个极化的可能性使极化分集成为可能。

一种可能实现极化分集的方式是在放置贴片天线时使其指向相反的方向，其中极化由馈线的相位差来控制。

另一种途径是使用可以在正交方向上激励的半波贴片天线，从而同时激励出两个独立的极化。因此，两个馈线可用于同一天线，每个极化一个。当两个极化都由同一天线组件接收到时，每个极化的位置都相同，这是信道发声器测量中的一个优势。需要使用厚的衬底来实现宽的带宽。但是，在使用探针馈线时，衬底厚会导致极化纯度降低，即，交叉极化增加。

一种可能解决此问题的方式是在薄的衬底上使用一个半波贴片，并再在下方贴片上使用一个衬底厚些的半波贴片作为第二个谐振器，从而加宽带宽。向下方贴片馈入信号时，使用不会造成过多交叉极化的短探针。这样的贴片天线称为层叠式半波贴片天线。

在贴片天线(特别是层叠式贴片天线)中，阻抗匹配是获得所需的高带宽的关键任务。阻抗匹配通常由一个组件电容器(片状电容器)完成。但是，这样的组件电容器要求使用损耗高且难于设计的微带电路馈入系统。

因此，本发明的一个目标便是提供一个具有高带宽和高度交叉极化分离的贴片天线设备，其中，将通过简单而经济的方式来完成阻抗匹配。

这一目标可通过一个贴片天线设备来实现，该设备包括：

一个导电接地板；

一个导电贴片，位于导电接地板上方并与其平行；

一个馈电导体，用于向所述贴片天线馈入信号；以及

一个绝缘衬底材料，位于导电接地板与导电贴片之间，其中馈电导体与所述绝缘衬底材料的一侧相连，所述导电贴片与所述绝缘衬底材料的另一侧相连。

于是，通过在导电贴片和接地板之间提供绝缘衬底，可在贴片天线内形成一个衬底电容来补偿馈电导体的电感或者生成双谐振结构，从而增加天线组件的带宽。

此外，由于电容器可以缩短馈电导体的有效长度，因而由绝缘衬底材料形成的衬底电容器可起到减少交叉极化鉴别(XPD)的作用。

优选情况下，馈电导体是由同轴馈线的中心导体构成的，其中，中心导体从导电接地板伸向绝缘衬底材料的一侧。这时，可将同轴连接器固定到导电接地板上，但要固定在与中心导体伸出来的那一侧相对的一侧上，其中中心导体通过所述导电接地板的一个通孔与所述的同轴连接器相连。于是，可将普通探针馈线和同轴电缆一同使用，由于不需要使用微波传输带电路馈线系统，因而达到了降低生产成本的目的。

优选情况下，绝缘衬底材料可以是一个绝缘板，它有一个涂有金属层的下表面，还可以有一个涂有金属层的上表面，其中，绝缘板与导电贴片和导电接地板并行放置。

导电贴片可以是矩形半波贴片。这时，绝缘板的上表面可以与半波板直接接触，接触位置处于贴片的中心与半波板的一个边的中点之间，同时，馈电导体与位于绝缘板下表面的金属层相连。这样，由于绝缘板的厚度缩短了导电接地板与半波贴片之间的馈电导体的长度，半波贴片天线中本身就比较低的交叉极化程度将进一步降低。

可以在贴片的中心与半波板另一个边的中点之间的位置上放置第二个绝缘板，以便为另一个极化提供一个第二馈线，其中，另一个边与这个边正交。因此，可以在一个贴片天线的两个正交方向上激励出的两个独立极化中实现较高的带宽和较低的交叉极化程度。

优选情况下，会在半波贴片上再放置一个第二矩形半波贴片。因此，可将层叠式贴片天线的带宽优势与绝缘馈线的优势结合起来，从而在高带宽的情况下实现更低的XPD。

另外，导体贴片还可以是在一端短接的四分之一波贴片。这时，绝缘衬底材料形成了集成电容器，根据该电容器的容量和机械尺寸的不同，它既可以补偿探针电感，也可以生成双谐振结构。这两种情况都会使贴片天线的带宽增加。

而且，位于导电贴片和导电接地板之间的电容器会减少XPD。

优选情况下，绝缘衬底材料是一个绝缘板，它有涂有金属层的上、下表面，而且与短接端相距一段预定的距离。馈电导体可以与涂有金属层的下表面相连，其中四分之一波贴片通过另一个馈电导体与涂有金属层的下表面相连。

贴片天线可安装在蜂窝通信网络的基站的天线阵列中。

在下文中，将针对优选实施例并参照附图更详细地介绍本发明，在附图中：

图1显示了层叠式半波贴片天线的原理图，该天线的两个馈线分别用于两个极化；

图2显示了依据本发明的优选实施例阐述的层叠式半波贴片天线的馈入部分；

图3显示了H平面内测得的一个辐射模式图，这是从依据本发明的优选实施例阐述的层叠式半波贴片天线获得的；以及

图4显示了H平面内测得的一个辐射模式图，这是从依据现有技术中的层叠式半波贴片天线获得的。

在下文中，将基于有两个馈线的层叠式半波贴片天线(如图1所示)介绍本发明中贴片天线的优选实施例。

在图1中，贴片天线由两个半波贴片2和3构成，贴片2和3平行放置，位于接地板1上方。

在优选实施例中，由于期望天线用于信道发声器系统，因而将天线的中心频率设计为2154MHz，带宽设计为±50MHz。

贴片2、3和接地板1由0.5mm厚的铜板制成。下方贴片2的尺寸为60mm×60mm，上方贴片3的尺寸为54mm×54mm。下方贴片2包括两个探针馈线部分4，这部分在图1中用阴影线标出。接地板的尺寸为100mm×100mm。

下方贴片2位于接地板1上方2mm，上方贴片3位于下方贴片2上表面之上5mm，位于接地板1之上2.5mm。

在这类天线中，由于两个贴片2和3如同两个耦合的谐振器，因而会产生双谐振，从而实现较宽的带宽。

此外，这类天线易于调谐，原因是上方贴片3和下方贴片2可以通过塑料螺钉和螺栓相连，因而能够通过添加或去除下方贴片2和/或上方贴片3下面的垫片或者通过用不同大小的贴片替换下方贴片2和/或上方贴片3的方式来进行调谐。

图2显示了图1所示的层叠式贴片天线的部分侧视图。贴片天线使用探针作为信号馈入，该探针实际上就是同轴电缆的中心导体6，同轴电缆的外部导体或屏蔽层在接地板1处被剥下，中心导体通过接地板1上的一个通孔从所述接地板1上伸出来。

对于两个馈入部分(它们可以位于下方贴片2中相应的边或边部分的中点)，会在下方贴片2的下表面上放置一个衬底5，因而形成一个绝缘馈线或馈电线电容器。因此，可使中心导体或探针导体6作到尽可能短。特别地，探针导体6与位于衬底5下表面上的金属层8相连。于是，衬底5夹在两个金属层之间，形成了该馈电线电容器。金属层8可以通过对衬底5各表面进行相应的金属化而形成，其中，下方贴片2的下表面在衬底5的另一个表面上形成金属层。

应注意，根据阻抗匹配情况不同，馈入部分可以位于下方贴片2的中心与其各边中点之间的连线上的任意位置。

在本实施例中，衬底5的尺寸为10mm×10mm×1.27mm，在探针导体6的尖端部分与下方贴片2之间采用压力接触方式。此外，衬底5由介电常数ε_r＝2.33的材料制成，因而得到的馈电线电容器的电容C＝1.62pF。这时，探针从接地板1的表面伸出的长度仅为0.7mm。

在接地板1的另一侧，提供了一个同轴探针连接器7，同轴电缆可以作为信号线与该连接器相连。

图3显示了图1和图2中的层叠式贴片天线在H平面内的辐射模式。上方的实线表示同极化辐射模式，下方的虚线表示交叉极化辐射模式，其中在一个馈线处测量收到的信号，在另一个馈线处则接有50Ω的负载。同极化辐射模式表示了与被测量馈线相对应的极化成分的接收电平，交叉极化辐射模式则显示了要在另一个馈线处接收的极化成分的接收电平。

由图3可知，最大的交叉极化电平比相对应的同极化电平低-25.6dB。此外，在扫描角度为-57°到+78°之间时，XPD，即同极化电平和交叉极化电平之间的对数差大于20dB。

与此相对照，图4显示了在没有绝缘馈线的常规层叠式贴片天线的H平面内测得的相应的辐射模式。这时，在纵轴方向上，最大的交叉极化电平比相应的同极化电平低-23dB。扫描角为-48°到+33°之间时，XPD大于20dB。

于是，由图3和图4可知，电容器馈线使最大交叉极化电平降低了-2.6dB，同时增大了XPD大于20dB时的扫描角的范围。

使用单个馈线天线装置可以获得最佳交叉极化分离。此外，绝缘馈线应当相对较小并尽量保证在正中央，以便实现良好的交叉极化分离。

在贴片天线的正常操作中，会有匹配的接收机与另一个馈线相连，因而是在另一馈线接有匹配负载的情况下进行测量。匹配的馈线将吸收交叉极化能量，而且会有等量的能量被辐射回去，从而将H平面内交叉极化辐射模式中间的下沉部分拉平。

好的阻抗匹配可以减小交叉极化成分以及参数S₂₁，原因是有更多的功率辐射出去，传输给另一个馈线的功率就少了，因此功率重新辐射也会减少。

绝缘馈线的生产过程简单，而且其本身十分坚固。另外，本行业中通常倾向于使用电接触，原因是组件间可以用导线相连。

于是，具有绝缘馈线的层叠式贴片天线为无线信道发声器中的双极化阵列提供了切实可行的解决方案。

但是，应注意，如图2所示的绝缘馈线不局限于图1所示的层叠式半波贴片天线。它还可以用于四分之一波贴片天线，其中，导电贴片位于导电接地板上方并在一端短接。于是，该贴片中的一部分与接地板平行，而短接部分使平行部分与接地板相连。这时，探针馈线还可以是同轴连接器的中心导体(如图2所示)。

构成馈电线电容器的绝缘衬底材料可以放置在探针导体的中部或上方。还可以采用在绝缘衬底的上、下表面涂金属层的方式来形成馈电线电容器。如果是将馈电线电容器放置在探针导体的中部，那么涂有金属的电容器上表面将通过额外的探针导体与四分之一波贴片相连。

因此，该天线的结构可被看作层叠式贴片天线，其中绝缘衬底还起到馈线的耦合电容器的作用。

探针的位置可用于确定辐射电阻。向辐射端移动探针移将增加辐射电阻。放置探针的位置应使得在谐振时天线阻抗的实部大约为90Ω。增加探针导体的直径可以减小其电感。

当需要高带宽且无须在一个组件内进行极化分离时，这样的四分之一波贴片天线可用在蜂窝基站中。可以针对移动电话改进该天线，例如，使用电容率更高的衬底材料以及减小高度。这些修改可以缩小天线的尺寸，但也会缩小带宽，这通常是与体积成比例的。通过使用本方案，可以针对所需的带宽将天线修改为尽可能最小的天线。

总体而言，贴片天线包括一个导电接地板，一个放置在所述导电接地板上方并与之平行的导电贴片，一个馈电导体用于向所述贴片天线馈入信号，以及一个绝缘衬底材料，位于导电接地板和导电贴片之间，其中馈电导体与绝缘衬底材料的一侧相连，导电贴片与所述绝缘衬底材料的另一侧相连。位于贴片和接地板之间的绝缘材料的作用在于增强交叉极化分离以及匹配天线阻抗。因而，可通过简单而经济的方式在贴片天线中实现交叉极化分离以及带宽增加。此外，还可以使用普通的探针馈线和同轴电缆并采用精确的小电容。

应当指出，本优选实施例中介绍的贴片天线不局限于使用上文中给出的尺寸和材料。任何适当的导电和绝缘材料均可用在贴片、接地板和绝缘衬底材料中。此外，绝缘馈线可以用于任何种类的贴片天线。因此，本发明的优选实施例可以在随附的权利要求规定的范围内有所变化。

Claims

1.一种贴片天线设备，包括：

a)一个导电接地板(1)；

b)一个导电贴片(2)，放置在所述导电接地板(1)上方并与之平行；

c)一个馈电导体(6)，用于向所述贴片天线馈入信号；以及

d)一个绝缘衬底材料(5)，位于导电接地板(1)和所述导电贴片(2)之间，其中所述馈电导体(6)与所述绝缘衬底材料(5)的一侧相连，所述导电贴片(2)与所述绝缘衬底材料(5)的另一侧相连。

2.根据权利要求1所述的贴片天线设备，其特征在于所述馈电导体是同轴馈线的中心导体(6)，所述中心导体(6)从所述导电接地板(1)伸向所述绝缘衬底材料(5)的所述一侧。

3.根据权利要求2所述的贴片天线设备，其特征在于同轴连接器(7)固定到所述导电接地板上，但要固定在与中心导体伸出来的那一侧相对的一侧上，其特征还在于所述中心导体(6)通过所述导电接地板(1)上的一个通孔与所述的同轴连接器(7)相连。

4.根据权利要求1到3中任意一项所述的贴片天线设备，其特征在于所述绝缘衬底材料是一个绝缘板(5)，具有一个涂有金属层的下表面，还可以有一个涂有金属层的上表面，所述绝缘板(5)与所述导电贴片(2)以及所述导电接地板(1)平行。

5.根据权利要求4所述的贴片天线设备，其特征在于所述导电贴片(2)是矩形的半波贴片。

6.根据权利要求4所述的贴片天线设备，其特征在于第二个矩形半波贴片(3)位于所述半波贴片(2)的上方。

7.根据权利要求5或6所述的贴片天线设备，其特征在于所述绝缘板(5)的上表面可以与所述半波贴片(2)直接接触，接触位置处于所述半波贴片(2)的中心与所述半波贴片(2)的一个边的中点之间，其特征还在于所述馈电导体(6)与位于绝缘板(5)下表面的金属层(8)相连。

8.根据权利要求7所述的贴片天线设备，其特征在于在所述半波贴片(2)的中心与所述半波贴片(2)另一个边的中点之间的位置上放置了第二个绝缘板和馈电导体，所述的另一个边与所述的边正交。

9.根据权利要求1到3中任意一项所述的贴片天线设备，其特征在于所述导电贴片(2)是在一端短接的四分之一波贴片。

10.根据权利要求9所述的贴片天线设备，其特征在于所述绝缘衬底材料是一个绝缘板，它有涂有金属层的上、下表面，而且与所述短接端相距一段预定的距离。

11.根据权利要求10所述的贴片天线设备，其特征在于所述馈电导体与所述涂有金属层的下表面相连，所述四分之一波贴片通过另一个馈电导体与所述涂有金属层的下表面相连。

12.根据权利要求1到11中任意一项所述的贴片天线设备，其特征在于所述贴片天线安装在蜂窝通信网络的基站的天线阵列中。