CN1768447B

CN1768447B - 天线阵列及其制造方法

Info

Publication number: CN1768447B
Application number: CN2004800089927A
Authority: CN
Inventors: 布莱恩·R·贝特曼; 兰迪·班克罗夫特
Original assignee: Centurion Wireless Technologies Inc
Current assignee: Laird Technologies Inc
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: EP1611638A2; WO2004093240A2; CN1768447A; KR20060008313A; US20040201525A1; US20070052593A1; US7518554B2; EP1611638A4; WO2004093240A3; TW200503325A

Abstract

本发明提供了一种天线阵列。该天线阵列包括基板，该基板具有第一侧和与该第一侧相对的第二侧。该第一侧具有包括多个窄元件和多个宽元件的第一导体。该第二侧具有包括多个窄元件和多个宽元件的第二导体。使得第一导体窄元件位于第二导体宽元件的上方，并且第一导体宽元件位于第二导体窄元件的上方。第一导体还包括馈送元件和端接元件。

Description

天线阵列及其制造方法

技术领域

本发明涉及天线阵列，更具体来说，涉及全向天线阵列。

背景技术

通常将射频天线设计为阵列以提供足够的增益。全向天线的类型包括串联馈送阵列(series fed array)、同线同轴(COCO)天线等。然而，与天线阵列关联的功率馈送网络通常很复杂。例如，典型地，线性阵列针对功率馈送使用分布式馈送网络/功率分配器。这种类型的功率馈送网络很复杂，这是因为天线方向图(antenna pattern)和增益取决于物理和网络参数，使得很难实现正确的相位和幅值以得到最大的方位增益并最小化旁瓣。一些物理参数包括元件数量及其间距。一些馈送网络参数包括在各天线馈电处的功率信号的相位和幅值以及输送功率的馈送网络的阻抗。此外，这种类型的阵列天线往往不易于扩展、难以制造、脆、并且由于各个组件中的制造误差的累积而在性能上受到限制。

因此，希望提供这样的全向天线：其具有更低误差、更不脆并且具有增加的可扩展性，但是保持简单COCO天线的所有优点而不保持其任何缺点(例如，需要使同轴传输线内外导体反转并需要其固定驱动点阻抗，这通常需要匹配网络)。

发明内容

为了实现根据本发明目的的优点，提出了一种全向平面阵列天线。该全向平面阵列天线包括具有第一和第二侧的基板。第一侧包括呈交替图案的多个第一侧窄元件和多个第一侧宽元件。第二侧包括呈交替图案的多个第二侧宽元件和多个第二侧窄元件。

根据以下对如附图所示的本发明优选实施例的更具体的描述，本发明的上述和其他特征、效果以及优点将显见。

附图说明

结合附图，根据以下详细说明可以显见本发明的以上和其他目的以及优点，其中，相同的标号始终表示相同的部分，附图中：

图1是根据本发明的全向线性阵列天线的顶侧平面图；

图2是图1所示的全向线性阵列天线的底侧平面图；

图3是图1和2所示的全向线性阵列天线的侧视图；

图4示出了图1的顶侧平面图，其中以虚线示出图2的底侧平面图；

图5是一流程图，示出了使得本发明与其实施例相一致的方法；

图6是一流程图，示出了使得本发明与其另一实施例相一致的另一方法；

图7是图1-3所示的天线的示图，其包括电磁场表示；

图8是用于制造与本发明相一致的天线的另一方法的流程图800；

图9示出了与本发明一实施例相一致的具有多个宽度的天线900；以及

图10是与图9的天线相关联的辐射方向图的图示表示。

具体实施方式

图1和2以及以下段落描述了本发明某些实施例。为了简化对这里所描述的各种子部分的描述，只要可能，就使用相同的字符标识相同的部分或块。更具体来说，针对同线同轴天线描述本发明，然而，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以得到其他天线阵列。

参照图1和2，示出了本发明的示例全向线性阵列天线100。图1示出了天线100的顶侧平面图。图2示出了天线100的底侧平面图。

参照图1，示出了基板102。尽管被示出为具有总体上矩形形状，但是基板102不必一定是矩形的，而可以是所希望的其他形状，如随机形状、正方形、圆形以及椭圆形等。除其他功能以外，基板102提供了导体(如下所述)之间的分隔。然而，除了固体基板以外，如以下将进一步阐述的，基板102可以大部分由空气(或其他气体)或真空间隙组成，其中带有一个或多个介电杆或柱以提供一些支承，来保持多个导体之间的分隔。此外，如下所述，基板102很大程度上是可选的，因为导体之间的短路部或其他导电连接部可以代替基板用作支承元件。在任何情况下，基板102具有第一侧或顶侧104。位于该第一侧104上的是导电片106。如所示出的，导电片106具有至少一个馈送元件108、至少一个端接元件110以及至少一个窄元件112。窄元件112长度为L，当把诸如介电特性的基板特性考虑在内时，该长度通常约为天线操作频率下的一半波长。该窄元件通常具有宽度WN。当把基板特性考虑在内时，馈送元件108和端接元件110具有天线操作频率下的约四分之一波长的有效长度。

散布在馈送元件108、每个第一侧窄元件112与端接元件110之间，存在具有第一侧外边沿116的第一侧宽元件114。宽元件114也具有长度L。宽元件114具有宽度WL。宽元件的宽度根据窄元件的宽度而改变，以产生希望的驱动点阻抗(通常是50欧姆)，使得不需要匹配网络。例如，宽度WL可以是5WN。更具体来说，宽元件的宽度比窄元件的宽度要大以利于天线的操作。改变这些宽度(宽元件宽度和窄元件宽度)得到希望的孔径分布，以控制旁瓣电平。通常，宽元件114的宽度应当足够宽，使得它们可以充当与位于相对侧的近似窄元件对应的微带传输线的“接地面”分部，典型地，该近似窄元件约为50欧姆，但并非必须是50欧姆。从另一角度来看，该宽部分应该足够宽以呈现显著的阻抗变化。

尽管通过一个窄元件112和两个宽元件114示出了导电片106，但是可以具有更多或更少的窄元件112和宽元件114。注意，为方便起见在图中一致地示出了宽元件和窄元件的宽度，但是在天线100的长度上，所有宽元件和/或窄元件的宽度不必是一致的。例如，多个宽元件114中的一个可以具有宽度WL，而其他宽元件114例如可以具有宽度WL+WN、5WN、3/4WL等。

在窄元件和宽元件的宽度部分地控制驱动点阻抗的情况下，参数L部分地控制设计操作频率并且分部的数量确定了天线增益。此外，如果宽元件的宽度在不同分部之间变化，则天线方向图形状可以按某些希望的方式(如最小化旁瓣等)改变。

馈送元件108具有馈送孔118，馈送导线120通过该馈送孔118。馈送导线120接合到导体片106以向导电片106提供功率。馈送元件108还具有带有短路部124的短接通孔122。短接通孔122和短路部124可以是单个导电元件。端接元件110具有短接通孔126和短路部128。

下面参照图2，示出了基板102。基板102具有带有导电片206的第二侧204。第一侧104与第二侧204之间的距离d(图3)应当是电学薄的(electrically thin)。基板的厚度对天线参数将存在二阶效应，但是与自由空间波长相比该厚度是电学薄的。此外，电学薄是与宽度的窄分部是传输线段(如本发明的50欧姆传输线阻抗)的情况对应的厚度。第二侧204具有第二侧宽元件214和第二侧窄元件212。第二侧宽元件214具有第二侧外边沿216。第二侧宽元件214大体上对准在第一侧窄元件112的下方。类似地，第二侧窄元件212大体上对准在第一侧宽元件114的下方。术语“下方”是相对的，根据天线100的结构，“下方”实际上可以是“左方”、“右方”或“上方”。

短接通孔122位于一个第二侧宽元件214中，而短接通孔126位于另一第二侧宽元件214中。将包含有短接通孔122和126的宽元件大体上分别对准在馈送元件108和端接元件110的下方。短路部124和短路部128提供了馈送元件108与对应的第二侧宽元件214f之间的电短路和端接元件110与对应的第二侧宽元件214t之间的电短路。天线100还具有位于第二侧204的功率馈送孔118。功率馈送孔118允许馈送导线120通过并向导电片106供电。可以将导电片206相应地连接到地或屏蔽部。通常，馈送导线120和功率馈送孔118将大体上位于馈送元件108与第一侧宽元件114之间的过渡部220的下方。

下面参照图4，可以看出，第二侧宽元件214大体上对准馈送元件108、第一侧窄元件112以及端接元件110。类似地，第一侧宽元件114大体上对准第二侧窄元件212。该布置允许通孔122和短路部124将馈送元件108短接到对准的第二侧宽元件214，并允许通孔126和短路部128将端接元件110短接到对准的第二侧宽元件214。例如使用常规同轴缆线连接、连接器或传输线将功率馈线120连接到常规天线电源，但是可以使用任何常规功率馈送部。此外，尽管示出了一个第一侧窄元件112和两个第一侧宽元件114，以及三个第二侧宽元件214和两个第二侧窄元件112，但是通过添加或去除窄元件和宽元件可以提高或降低天线100的增益。此外，可以具有预制有与这里的描述相一致的导电迹线图案的带。可以按预定量将该带的多个分部划分出来并焊接、熔接、粘附或通过其他方式接合到基板以提供特定增益，其中可以将带的一个分部用于基板的一侧，而将带的另一分部用于基板的相对侧，如图4所示地对准相对的分部。然后使用常规方法进行必要的连接。另选地，该带可以配备有已位于带两侧的交替导电分部，然后将该带剪至针对所需增益的希望长度并施加到机械支承用基板以便于进行必要的连接。从以上讨论显见，可以针对各种希望的频率，如用于无线局域网(WiFi)应用的2.4GHz、用于蜂窝通信应用的860MHz等，配备这种性质的带。

如上所述，在又一实施例中，可以剪切金属或模压金属以设计导电分部。在该实施例中，可以将这两个导电片例如通过介电柱或通过短路部124和126机械地分隔开来，使得交替侧之间的空间主要由空气组成，而非由如上所述的刚性介电基板组成。对于高功率应用，如蜂窝通信基站或高功率无线电(例如，FM等)广播塔，该实施例可能尤其有用。

如本领域的技术人员将认识到的，窄元件112和212模拟了传输线。宽元件114和214的边沿116和216充当辐射元件。

尽管可以使用各种长度，但是认为天线100在以下情况下达到最佳状态：根据1/4波长的长度设计馈送元件108和端接元件110，根据1/2波长的长度设计第一侧窄元件112、第一侧宽元件114、第二侧窄元件212以及第二侧宽元件214。通过利用这些分部长度的天线，当窄元件模拟50欧姆的微带传输线时，电流(辐射源)和电场可能如图7所示。微带传输线上的电流消失了因此不会产生辐射。如果切断微带线并在各半波长段处翻转(flip)微带线，则“接地面”上的电流将如全向天线所需的那样全部排列起来(line up)。在各宽分部的边沿处的电流进行辐射以建立天线。位于任一端的短路部的长为四分之一波长，其使得反射波在第一宽处是同相的，以使不连续性变窄，使得谐振结构使各宽分部上的电流如所需的那样保持成一线，以建立全向天线。图7是图3厚度为d、具有侧104和204的扩展，示出了天线的电磁场。尽管所示天线100不需要匹配电路，然而，如本领域的技术人员在阅读本公开内容时将认识到的，另选设计可能需要安装匹配网络。对各宽元件宽度的调节会改变天线方向图。此外，改变各元件的长度会改变该方向图。

该新天线的一些优点包括：与其他设计相比更容易制造；与其他设计相比在频率上更可扩展；与其他设计相比更紧凑；以及与常规可比全向天线相比成本较低。此外，当使用统一的传输线和交替辐射分部序列时，可以将该天线设计成针对不同频率选择性地对天线的多个分部进行调谐。这在宽带应用中很有用，例如，针对第一频率对天线进行调谐，然后针对稍微偏离第一频率的第二频率对天线进行调谐，这将允许宽带应用。即使不进行偏移调谐，如图1-3所示，该方向图例如使得可以使用比常规可比天线更宽的频率，使得在例如801.11a和Hyperlan区中可以将天线100例如用作三频带天线。本发明的天线接受不平衡馈送(如共轴电缆)，因此不需要类似于其他常规设计的不平衡变换器。

参照图5对制造天线100的方法500进行描述。首先，在步骤502，使用注模从非可镀敷塑料形成基板102。在步骤504，将第二注(shot)可镀敷塑料模制到基板102上。然后在步骤506，将基板102镀以导电材料，如铜。由于镀层只会附着在可镀敷塑料上，所以可以形成天线100。制造天线100的另选方法包括刻蚀、金属箔和冲压、压印(embossing)等。

参照图6对制造天线100的另一方法600进行描述。首先，在步骤602，制备包括交替窄分部和宽分部的预制导体带。在步骤604，将该预制导体带剪切成第一导体和第二导体。然后在步骤606，制备基板。在步骤608，将第一导体耦合到基板的第一侧。在步骤610，将第二导体耦合到基板的第二侧。最后，在步骤612，根据需要制备馈送通孔和短接通孔。

参照图8对制造天线100的又一方法800进行描述。首先，在步骤802，制备预制导电片。在步骤804，如上所述地布置该预制导电片。最后，在步骤806，将馈送通孔和短接通孔加入该布置，它们可以提供分隔。可选地，在步骤808，可以布置用于结构支承的附加介电柱(或介电基板)支承件。

如上所述，天线100可以包括沿导体长度具有多个宽度的各种窄元件112、212和各种宽元件114、214。图9示出了具有如所示的交替宽度W1、W2、W3以及W4的天线900。图10示出了与天线900相关联的辐射方向图1000。

尽管参照本发明优选实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上进行各种其他改变。

Claims

1.一种全向平面阵列天线，其包括：

基板，其具有第一侧和第二侧；

第一导体，其被耦合到基板的第一侧；

第二导体，其被耦合到基板的第二侧；

第一导体包括馈送元件、至少一个第一侧宽元件和一端接元件；

第二导体包括至少一个第二侧窄元件和多个第二侧宽元件；

所述多个第二侧宽元件与至少所述馈送元件和所述端接元件大体上对准，

所述至少一个第二侧窄元件与所述至少一个第一侧宽元件大体上对准；

所述馈送元件包含位于所述第一导体的第一端、到所述多个第二侧宽元件中的一个第二侧宽元件的短路部；

所述端接元件包含位于所述第一导体的第二端、到所述多个第二侧宽元件中的另一个第二侧宽元件的短路部；以及

连接到所述馈送元件的功率馈送部，

所述至少一个第一侧宽元件包括多个第一侧宽元件，并且所述功率馈送部大体上在所述馈送元件与所述多个第一侧宽元件中的一个之间的过渡段处。

2.如权利要求1所述的天线，其中，

所述至少一个第一侧宽元件包括多个第一侧宽元件；

所述至少一个第二侧窄元件包括多个第二侧窄元件；并且

该天线还包括至少一个第一侧窄元件，

其中，所述多个第二侧宽元件中的至少一个第二侧宽元件大体上对准在所述至少一个第一侧窄元件的下方。

3.如权利要求1所述的天线，其中，所述馈送元件耦合有电源，其中所述天线还包括至少一个具有1/2波长长度的侧窄元件，其中所述馈送元件和所述端接元件各具有1/4波长长度，并且其中所述多个第一侧宽元件、至少一个第二侧窄元件和所述多个第二侧宽元件各具有1/2波长长度。

4.如权利要求1所述的天线，其中，

所述天线还包括一个第一侧窄元件；

所述多个第一侧宽元件包括两个第一侧宽元件；

其中所述至少一个第二侧窄元件包括两个第二侧窄元件；以及

其中所述多个第二侧宽元件包括三个第二侧宽元件。

5.如权利要求1所述的天线，其中，所述功率馈送部是具有功率导体和外护层的同轴电缆，所述功率导体耦合到所述馈送元件，而所述外护层耦合到第二导体。

6.如权利要求1所述的天线，其中，所述至少一个第一侧窄元件位于所述多个第一侧宽元件的交替元件之间。

7.如权利要求1所述的天线，其中，所述至少一个第一侧窄元件包括多个第一侧窄元件。

8.如权利要求7所述的天线，其中，所述多个第一侧宽元件包括M个第一侧宽元件，所述多个第一侧窄元件包括N个第一侧窄元件，其中M大于N。

9.如权利要求8所述的天线，其中，M等于N+1。

10.如权利要求1所述的天线，该天线还包括至少一个具有长度L的第一侧窄元件。

11.如权利要求1所述的天线，其中，所述至少一个第一侧宽元件具有长度L′。

12.如权利要求10所述的天线，其中，所述至少一个第一侧宽元件包括多个具有长度L′的第一侧宽元件。

13.如权利要求12所述的天线，其中，L等于L′。

14.如权利要求13所述的天线，其中，所述馈送元件和所述端接元件具有长度L″。

15.如权利要求14所述的天线，其中，L″等于L/2。

16.如权利要求15所述的天线，其中，L等于1/2波长。

17.如权利要求16所述的天线，其中，L被针对基板的介电特性进行调节。

18.如权利要求10所述的天线，其中，所述至少一个第一侧窄元件具有宽度W。

19.如权利要求1所述的天线，其中，所述至少一个第一侧宽元件具有宽度W′。

20.如权利要求18所述的天线，其中，所述至少一个第一侧宽元件包括多个具有宽度W′的第一侧宽元件。

21.如权利要求18所述的天线，其中，所述至少一个第一侧窄元件是多个第一侧窄元件，并且该多个第一侧窄元件具有多个宽度W。

22.如权利要求18所述的天线，其中，所述至少一个第一侧宽元件包括多个第一侧宽元件，该多个第一侧宽元件具有多个宽度W′。

23.如权利要求18所述的天线，其中，所述馈送元件和所述端接元件具有宽度W″。

24.如权利要求23所述的天线，其中，W等于W″。

25.如权利要求23所述的天线，其中，宽度W″包括多个宽度W″。

26.如权利要求1所述的天线，其中，第一导体和第二导体包括预形成导电带的多个剪切分部，其中，该导电带包括与多个宽元件相交替的多个窄元件。

27.如权利要求1所述的天线，其中，所述基板具有厚度d。