CN1706075A - 定向天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本文提供了一种定向天线阵列，其包括驱动元件和与该驱动元件分开的第一寄生元件，该第一寄生元件和/或驱动元件的宽度大于定向天线阵列自由空间波长的0.5％。选择地或者与之相联系地，定向天线阵列包括一个不平衡变压器结构，其被设置成将驱动元件与电磁能量源和电磁吸收器中的至少一个相偶连，且该不平衡变压器结构包括偶极结构，从偶极结构延伸出来的第一馈点和从第一寄生元件延伸出来的第二馈点。

Description

定向天线阵列
技术领域
本发明大体上涉及天线，更特别地涉及定向天线阵列(directionalantenna array)。
背景技术
Yagi-Uda天线首次在H.Yagi的一篇英文文献中被说明(见Yagi，“Beam Transmission of the Ultra Short Waves”，Proc.IRE.Vol.16，pp715-741，June 1928)。这些方向偶极天线通常被称作Yagi天线，已经使用许多年并且有许多应用。例如，可以使用Yagi天线接受电视信号，进行点对点通讯和其它的电子学应用。
基本的Yagi天线典型地包括驱动元件，其通常是半波偶极子(half-wave dipole)，由一个电磁能量源驱动或者驱动一个电磁能量吸收器(sink)。该天线还典型地包括与驱动元件一起排列的非驱动的或寄生(parasitic)的元件。这些非驱动的或寄生的元件一般包括位于该驱动元件一侧上的反射器元件和至少一个位于该驱动元件另一侧上的导向器元件(也就是驱动元件插入到反射器元件和导向器元件之间)。驱动元件、反射器元件和导向器元件通常沿着天线轴以一种空间关系布置，且一个或多个导向器元件沿着发射或接收的方向从驱动元件延伸。驱动元件、反射器元件和导向器元件的长度以及这些天线元件之间的距离确定了天线系统孔位方向(bore site direction)上天线系统的最大有效各向同性辐射功率(EIRP)(也就是定向增益)。
当前的天线设计趋势反映了对低轮廓(low profile)定向天线构型的希求，希望在提供高度定向的天线方向图(antenna pattern)的同时能够适应各种形状的可移动或便携式单元，例如Yagi天线所能够实现的。此外，当前的天线设计趋势反映了对在施加外力，例如表面冲击，之后仍能保持结构形状和完整性的天线的希求。这种天线设计在便携式或手持式装置中，例如移动电话、卫星电话和自动识别系统(AutoID)的遥控询问器如RFID系统的射频识别(RFID)询问器，是特别理想的。
因此，人们希望提供一种低轮廓定向天线，其在提供高度定向的天线方向图的同时能够符合任何数目的形状。此外，人们还也希望提供一种天线，其在施加外力之后仍能保持结构形状和完整性。进一步，人们希望能够为便携式或手持式装置提供这样的天线。而且，通过联系附图和前述的技术领域和背景，本发明期望的特色和特征将从随后的详细说明中变得显而易见。
发明内容
根据本发明的第一示例性实施例提供了一种方向阵列天线。该方向阵列天线包括一个驱动元件和一个与驱动元件分开的第一寄生元件。该第一寄生元件和/或驱动元件的宽度优选地大于定向天线阵列自由空间(free-space)波长的百分之零点五(0.5％)。
选择地或者与第一示例性实施例相联系，根据第二示例性实施例提供了一种方向阵列天线。该定向天线阵列包括一个不平衡变压器结构，其被设置成将驱动元件与电磁能量源和电磁吸收器的至少一个相偶连，且该不平衡变压器结构包括偶极结构，从偶极结构延伸出的第一馈点和从第一寄生元件延伸出的第二馈点。
附图说明
在下文中将联系如下的附图对本发明进行说明，其中类似的数字指示类似的元件，并且：
图1是根据本发明一个示例性实施例的方向阵列天线的平面图；
图2是方向阵列天线的平面图，其除了如图1所示的寄生元件之外还有其他的寄生元件；
图3是根据本发明一个示例性实施例的图1所示方向阵列天线非平面折叠构型的第一个实例；
图4是根据本发明一个示例性实施例的图1所示方向阵列天线非平面折叠构型的第二个实例；
图5是根据本发明一个示例性实施例的图1所示定向天线阵列的不平衡变压器结构；
图6是根据本发明一个示例性实施例的如图3所示的方向阵列天线，其具有一个弹性体(elastomer)复盖物(cover)；
图7是如图1所示的方向阵列天线，其具有孔隙；
图8是具有根据本发明一个示例性实施例的图6所示定向天线阵列的便携式/手持式装置。
发明详述
下面的详细说明在本质上仅仅是举例，并不趋向于限制发明或者本发明的应用和使用。而且，也不趋向于受到任何在前述的技术领域、背景、简明提要中以及在随后的详细说明中表述的或提示的理论的限制。
参考图1，提供了根据本发明一个示例性实施例的定向天线阵列100的平面图。大体上，定向天线阵列100包括驱动元件102和至少一个(1)寄生元件或导向器元件104，并且除了导向器元件104之外还优选地具有第二寄生元件或反射器元件106。尽管除了驱动元件102之外，图1中只显示了两个寄生元件(即导向器元件104和反射器元件106)，但根据本发明的示例性实施例可以提供任何数目的寄生元件。例如，图2所示的定向天线阵列200具有四个附加(4)的寄生元件(202，204，206，208)，它们可以是除图1所示的导向器元件104和反射器元件106之外的一个或多个附加导向器或反射器元件。选择地，定向天线阵列100可由如下组成(即不多也不少)：一个驱动元件和一个反射器元件；一个驱动元件和一个导向器元件；一个驱动元件和多个反射器元件，一个驱动元件和多个导向器元件，或一个驱动元件与一个或多个导向器元件和反射器元件的组合。此外，这些一个或多个附加的导向器或反射器元件可以是共面元件或者异面元件，例如三角形反射体系统，其中第一反射器和第二反射器分别位于第三反射器的上面和下面。
继续参考图1，驱动元件102优选地是中心馈给半波偶极天线(center-fed，half-wave dipole antenna)的等同物。导向器元件104位于驱动元件102的一侧并与悬臂(boom)108相连，反射器元件106优选地位于导向器元件102的另一侧并与另一个悬臂110相连，从而驱动元件102插入在导向器元件104和反射器元件106之间。此外，导向器元件102和反射器元件106被布置成与驱动元件102至少是基本上平行的关系，更优选地是与驱动元件102保持平行关系。
在该示例性实施例中，定向天线阵列100是Yagi天线。因此，如本领域技术人员已知的，定向天线阵列100的设计包括选择驱动元件102、导向器元件104和/或反射器元件106的参数，并且定向天线阵列100的附加寄生元件的其他参数也是要选择的因素。例如，定向天线阵列的设计可包括选择元件间的空间间隔(例如驱动元件102与导向器元件104之间的空间间隔(Sdir1)112和驱动元件102与反射器元件106间的空间间隔(Sref)114)，元件长度(例如，驱动元件长度(Ldir)116，导向器元件长度(Ldir1)118和反射器元件长度(Lref)120)，元件宽度，其在本文中应包括元件的直径(例如，驱动元件宽度(Wdir)122，导向器元件宽度(Wdir1)124和反射器元件宽度(Wref)126)。然而，根据本领域普通技术人员已知的技术，在定向天线阵列100的设计中也可使用其他的参数和附加天线结构的参数(例如，支架宽度(Wb1)128，(Wb2)130)。
根据本发明的一个示例性实施例，驱动元件宽度(Wdir)122、导向器元件宽度(Wdir1)124和反射器元件宽度(Wref)126其中之一的至少一部分大于定向天线阵列100操作频率自由空间波长的0.5％，其中操作频率自由空间波长在这里应称作自由空间波长，优选地称作定向天线阵列100中心频率的自由空间波长。优选地，驱动元件宽度(Wdir)122、导向器元件宽度(Wdir1)124和反射器元件宽度(Wref)126其中之一的至少一部分大于定向天线阵列100自由空间波长的1％。更优选地，驱动元件宽度(Wdir)122、导向器元件宽度(Wdir1)124和反射器元件宽度(Wref)126其中之一的至少一部分大于定向天线阵列100自由空间波长的2％，最优选地大于4％。驱动元件102优选地某一部分的宽度(即Wdir122)大于定向天线阵列100自由空间波长的0.5％，优选地大约自由空间波长的1％，更优选地大于2％，最优选地大于4％。
根据本领域普通技术人员已知的技术，除了驱动元件102、导向器元件104和反射器元件106其中之一的至少一部分具有先前在本详细说明中描述的宽度和自由空间波长关系之外，元件的形状(即圆形，正方形，三角形，五边形，六边形，等等)、驱动元件长度(Ldir)116、反射器元件长度(Lref)120、导向器元件长度(Ldir1)118、导向器元件空间间隔(Sdir1)112和反射器元件空间间隔(Sref)114都要根据元件的电共振频率加以选择。例如，选择定向天线阵列100的参数使得导向器元件104的共振电频率优选地大于自由空间波长，而反射器元件106的共振电频率小于自由空间波长。
如本领域普通技术人员已知的，对于具有根据本发明示例性实施例的宽度与自由空间波长关系的定向天线阵列(即Yagi天线)存在着大量的设计变型。例如，表1给出了在大约902MHz-928MHz的频率范围上驱动元件102、导向器元件104和反射器元件106的优选悬臂宽度(Wb1)128和长度及空间间隔。
表1
  驱动元件   导向器元件   反射器元件
    宽度％宽度空间间隔％空间间隔长度％长度   0.56英寸4.35％0.89英寸不适用5.19英寸40.2％   0.49英寸3.8％2.75英寸14.4％5.04英寸39％   0.33英寸2.57％0.89英寸6.9％5.60英寸43.4％
其中％宽度、％空间间隔和％长度是自由空间波长的百分比，导向器空间间隔是驱动元件102和导向空间之间的空间间隔(Sdir1)112，反射器空间间隔是驱动元件102和反射器元件106之间的空间间隔(Sref)114。
根据本发明的示例性实施例，表1中给出的例证性实例及根据本发明设计的其他定向天线阵列优选地用单块材料形成，该单块材料的厚度在定向天线阵列100的操作频率下大于一个趋肤深度(skindepth)。该单块材料可以是任何的材料，例如弹簧钢、铍铜、不锈钢或其组合，该单块材料的电阻率优选地大于0.1×10-6欧姆-米，优选地电阻率大于0.2×10-6欧姆·米，更优选地大于0.4×10-6欧姆·米，再优选地大于0.8×10-6欧姆·米，最优选地大于1.0×10-6欧姆·米和2.0×10-6欧姆·米。例如，具有表1所示尺寸的定向天线阵列可以由厚度为大约1/16英寸的FR-10 P.C.板(PCB)和在PCB的至少一侧上形成的0.002英寸的铜带形成。
利用通过冲压、激光切割、水喷射切割或者其他方式由单块材料形成的定向天线阵列，驱动元件102优选地形成非平面折叠构型。例如，驱动元件的远端(distal end)(302，304)被折叠，从而提供相对于悬臂呈大约90度(90°)的角度以形成如图3所示的非平面折叠构型300。选择地，且仅作为实例，通过连续折叠驱动元件102的远端(302，304)直到该末端基本上贴近且优选地直接处于悬臂108之下，如图4所示，或者被折叠成除图4椭圆形之外的任何其他形状(圆形、方形、三角形等)，能够形成其他的非平面构型400。而且，导向器元件102和/或反射器元件104能够以和图3所示的驱动元件相似或相同的方式，与图4所示驱动元件不相似的不同方式，或者任何其他的方式加以折叠，从而提供特殊的天线特征或天线美学。
参考图1，驱动元件102优选地偶连于电磁能量源(未显示)和/或偶连于电磁能量源(未显示)。本发明的定向天线阵列100本质上是一种平衡天线(balanced antenna)，且定向天线阵列100优选地用一个不平衡变压器(balun)或不平衡变压结构500将电磁能量源和/或吸收器偶连于一个不平衡连接器(例如同轴传输线(未显示))。该不平衡变压结构500优选地被配置成使阻抗匹配射频(RF)能量沿任一个方向在同轴传输线中流动而不会将RF能量流到同轴传输线的外部。正如可以意识到的，流到同轴传输线外部的RF能量本质上是浪费的，且一般会恶化定向天线阵列的定向图，从而降低最大孔视增益(boresight gain)。
参考图5，显示了驱动元件102的放大图，其给出了根据本发明示例性实施例的不平衡变压器结构500的示例性实施例。不平衡变压器结构500优选地由单块材料形成，如本详细说明前面说明的，并且包括一个偶极结构502和两个馈点(也就是，第一馈点504和第二馈点506)，其被配置成接收不平衡连接器，该不平衡连接器在本实例中是同轴传输线。此外，不平衡变压器结构还优选地包括驱动元件102第一宽度(Wdri)122与驱动元件102的第二宽度(Wdri2)132之间的差异，如图1所示，其产生了电补偿，该电补偿能够被调节辅助(assist)RF能量的调零(nulling)，否则它会出现在同轴传输线的外导体上。例如，第一宽度(Wdri)122大于驱动元件102的第二宽度(Wdri2)132。然而，任何的不平衡连接器构型都能根据本发明加以使用。
继续参考图5，第一馈点506优选地从偶极结构502延伸，并优选地接收同轴传输线的中心导体(也就是，同轴传输线的中心导体与第一馈点506相连)。第二馈点504优选地从反射器元件106延伸，并接收同轴传输线的外导体(也就是，同轴传输线的外导体与第二馈点504相连)。然而，第一馈点506和第二馈点504也能够存在于定向天线阵列的其他位置。
偶极结构502优选地偏离(off)定向天线阵列的中心线508(也就是偏心的)，且偶极结构502优选地是一个锥形的(tapered)半折叠偶极子(one-half folded dipole)，其将RF能量馈给到驱动元件102上。锥形半折叠偶极子具有多种用途，包括但不仅限于，一种双重用途，即提供一种与驱动元件102的宽带锥形阻抗匹配类型，并且在附着点附近为同轴传输线的中心组合一个分路电容。这提供了大量的理想特征，包括但不仅限于，使电压驻波比(Voltage Standing WaveRatio)(VSWR)在更宽的工作带宽上显著降低。
不平衡变压器结构500的偏心附着被配置成以如下的方式发射所接收的信号，且在信号接收期间，天线互易性(reciprocity)原则表示各种原则的相同效力。在定向天线阵列发射电磁信号期间，同轴传输线中心导体发射的正电流通常会产生基本上相等大小的电流，并在第二馈点504发射到定向天线阵列内。然而，若不对不平衡变压器结构500进行校正操作，RF能量将会发射到同轴传输线的外导体。当驱动元件102以大约10(10)的电流Q工作时，这意味着循环RF能量比由传输线提供的能量大大约10倍，偏心馈点(504，506)产生少量的反相循环RF能量，并将之发射到同轴传输线的外导电上。
当适当地建立起馈点(504，506)的位置或电补偿时，就会消除倍发射到同轴传输线外导体上的复合RF能量。对由两个馈点(504，506)提供的电补偿进行精细调谐，无需用大量的技术改变定向天线阵列其他元件的共振频率，例如如图5所示地通过调节一个侧面上的长度并将一片导电带(conductive tape)放置在另一侧上来补偿驱动元件102和/或反射器元件106的电位。选择地，能够相应地调节这些元件左侧和右侧的相对宽度。电补偿过程完成，从而当外导体上能够感测最小和RF电流时，不平衡变压器结构500便基本上得到了平衡。
前面在本详细说明书中描述的定向天线阵列的不平衡变压器结构500、元件宽度和/或单块(monolithic)特性提供了多种期望的特点。例如，本发明的定向天线阵列具有低轮廓，并能够适合于各种形状。此外，本发明的定向天线阵列能够保持结构形状和完整性，包括在施加外力之后仍保持结构形状和完整性。
为了提高定向天线保持结构形状和完整性，包括在施加外力之后仍保持结构形状和完整性的能力，定向天线阵列600的一部分，更优选地定向天线阵列600的大部分或者基本上全部或全部都用弹性体602覆盖，如图6所示。定向天线阵列600能够配置成为弹性体602至少一部分提供结构支持，并且优选地，在定向天线阵列700的一个元件内，优选地全部元件内形成孔径702，如图7所示。这增加了定向天线阵列700经受住表面冲击的能力，这在多种环境和应用中是有利的。例如，该低轮廓和高低起伏(rugged)的定向天线阵列有利于多种电子应用，包括便携式或手持式设备，例如移动电话、卫星电话和自动识别系统(Auto ID)的遥控询问器如RFID系统的射频识别(RFID)询问器。
参考图8，其图解了根据本发明一个示例性实施例的便携式/手持式设备800。该便携式/手持式设备800在本图解实例中是RFID系统的RFID询问器，包括处理模块804(例如，具有任何本领域普通技术人员已知数目的构型的RFID处理模块)和定向天线阵列802，其与先前在本详细说明书中描述的定向天线阵列802的一个或多个实施例一致。然而，本领域普通技术人员也能够意识到，根据本发明还能够形成其他电子系统的便携式/手持式设备，或者根据本发明能够形成非便携式非手持式设备。
尽管在前面的详细说明中给出了至少一个示例性实施例，但是应当意识到，还存在着大量的变型。还应当意识到，这些示例性实施例只是实例，并不趋向于在任何方面限制本发明的范围、应用性或构型。而是，前述的详细说明将为本领域的技术人员提供方面的路线图，以实现这些示例性实施例。应当理解，在不背离由附加权利要求和其法律上的等价物提出的本发明的范围的情况下，能够对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (44)

1.一种定向天线阵列，包括：
驱动元件；和
第一寄生元件，其与所述驱动元件分开，其中所述第一寄生元件和所述驱动元件中至少一个的宽度大于定向天线阵列自由空间波长的大约百分之零点五(0.5％)。
2.根据权利要求1的定向天线阵列，其中所述宽度大于定向天线阵列所述自由空间波长的大约百分之一(1％)。
3.根据权利要求1的定向天线阵列，其中所述宽度大于定向天线阵列所述自由空间波长的大约百分之二(2％)。
4.根据权利要求1的定向天线阵列，其中所述宽度大于定向天线阵列所述自由空间波长的大约百分之四(4％)。
5.根据权利要求1的定向天线阵列，进一步包括一个与所述驱动元件分开的第二寄生元件，其中所述第一寄生元件、所述驱动元件和所述第二寄生元件的至少一个的所述宽度大于定向天线阵列自由空间波长的大约百分之零点五(0.5％)。
6.根据权利要求1的定向天线阵列，进一步包括多个除了所述第一寄生元件和所述第二寄生元件之外的寄生元件。
7.根据权利要求1的定向天线阵列，其中所述第一寄生元件和所述第二寄生元件是至少基本上共面的元件。
8.根据权利要求1的定向天线阵列，其中所述第一寄生元件是一个反射器元件。
9.根据权利要求1的定向天线阵列，其中所述第二寄生元件是一个导向器元件。
10.根据权利要求1的定向天线阵列，其中所述驱动元件、所述第一寄生元件和所述第二寄生元件由单块材料形成。
11.根据权利要求12的定向天线阵列，其中所述单块材料的电阻率大于大约0.2×10-6欧姆-米。
12.根据权利要求12的定向天线阵列，其中所述单块材料是弹簧钢。
13.根据权利要求1的定向天线阵列，进一步包括在所述驱动元件、所述第一寄生元件和所述第二寄生元件中的多个孔径。
14.根据权利要求1的定向天线阵列，进一步包括至少覆盖所述驱动元件和所述第一寄生元件一部分的材料。
15.根据权利要求1的定向天线阵列，其中覆盖所述驱动元件和所述第一寄生元件至少一部分的所述材料是弹性体。
16.根据权利要求1的定向天线阵列，进一步包括一个不平衡变压器结构。
17.根据权利要求16的定向天线阵列，其中所述不平衡变压器结构包括：
一个偶极结构；
一个第一馈点，其从所述偶极结构延伸，和
一个第二馈点，其从所述第一寄生元件延伸。
18.根据权利要求17的定向天线阵列，其中所述偶极结构偏离定向天线阵列的中心线。
19.根据权利要求17的定向天线阵列，其中所述偶极结构是一个半折叠偶极子。
20.根据权利要求17的定向天线阵列，其中所述偶极结构是一个锥形结构。
21.一种定向天线阵列，包括：
第一寄生元件；
驱动元件，其与所述第一寄生元件分开；和
不平衡变压器结构，其被配置成将所述驱动元件偶连于电磁能量源和电磁吸收器中的至少一个，所述不平衡变压器结构包括：
一个偶极结构；
一个第一馈点，其从所述偶极结构延伸，和
一个第二馈点，其从所述第一寄生元件延伸。
22.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述偶极结构偏离定向天线阵列的中心线。
23.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述偶极结构是一个半折叠偶极子。
24.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述偶极结构是一个锥形结构。
25.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述偶极结构进一步包括第一宽度的驱动元件和第二宽度的驱动元件。
26.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述第一寄生元件和所述驱动元件的至少一个的宽度大于定向天线阵列自由空间波长的大约百分之零点五(0.5％)。
27.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述宽度大于定向天线阵列所述自由空间波长的大约百分之一(1％)。
28.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述宽度大于定向天线阵列所述自由空间波长的大约百分之二(2％)。
29.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述宽度大于定向天线阵列所述自由空间波长的大约百分之四(4％)。
30.根据权利要求21的定向天线阵列，进一步包括一个与所述驱动元件分开的第二寄生元件，其中所述第一寄生元件、所述驱动元件和所述第二寄生元件的至少一个的所述宽度大于定向天线阵列自由空间波长的大约百分之零点五(0.5％)。
31.根据权利要求21的定向天线阵列，进一步包括多个除了所述第一寄生元件和所述第二寄生元件之外的寄生元件。
32.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述第一寄生元件和所述第二寄生元件是至少基本上共面的元件。
33.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述第一寄生元件是一个反射器元件。
34.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述第二寄生元件是一个导向器元件。
35.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述驱动元件、所述第一寄生元件、所述第二寄生元件和所述不平衡变压器结构由单块材料形成。
36.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述单块材料的电阻率大于大约0.2×10-6欧姆-米。
37.根据权利要求21的定向天线阵列，其中所述单块材料是弹簧钢。
38.根据权利要求21的定向天线阵列，进一步在所述驱动元件和所述第一寄生元件中包括多个孔径。
39.根据权利要求21的定向天线阵列，进一步包括至少覆盖所述驱动元件和所述第一寄生元件一部分的材料。
40.根据权利要求1的定向天线阵列，其中覆盖所述驱动元件和所述第一寄生元件至少一部分的所述材料是弹性体。
41.一种便携式/手持式设备，包括：
一个处理模块；和
一个定向天线阵列，其与所述处理模块偶连，所述定向天线阵列包括：
驱动元件；和
第一寄生元件，其与所述驱动元件分开，其中所述第一寄生元件和所述驱动元件中至少一个的宽度大于定向天线阵列自由空间波长的大约百分之零点五(0.5％)。
42.根据权利要求41的便携式/手持式设备，其中所述便携式/手持式设备是一个RFID询问器。
43.一种便携式/手持式设备，包括：
一个处理模块；和
一个定向天线阵列，其与所述处理模块偶连，所述定向天线阵列包括：
第一寄生元件；
驱动元件，其与所述第一寄生元件分开；和
不平衡变压器结构，其被配置成将所述驱动元件与电磁能量源和电磁吸收器中的至少一个偶连，所述不平衡变压器结构包括：
偶极结构；
第一馈点，其从所述偶级界哦故延伸，和
第二馈点，其从所述第一寄生元件延伸。
44.根据权利要求43的便携式/手持式设备，其中所述便携式/手持式设备是一个RFID询问器。
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