CN1954461A - 紧密多层平板式天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多个阵列元件的天线阵列，所述天线阵列包括：第一阵列元件(204A)，其具有第一悬浮辐射器(207A)和第一接地导体(206A)，所述第一悬浮辐射器相对于第一接地导体移位。所述天线也包括与第一阵列元件相邻的第二阵列元件(204B)，所述第二阵列元件具有第二悬浮辐射器(207B)和第二接地导体(206B)，其中，所述第二悬浮辐射器相对于所述第二接地导体移位。在所述天线中，所述第一接地导体与所述第二接地导体相邻，并且相对于所述第二接地导体移位，所述第一接地导体位于第一层上，所述第二接地导体位于第二层上，以形成至少两层的接地导体。

Description

紧密多层平板式天线阵列
技术领域
本发明总的涉及天线阵列。具体上，它涉及具有含多层接地导体的阵列元件的天线阵列。
背景技术
在天线阵列的阵列元件之间的相互耦合非常影响在无线通信应用中的这些阵列的性能。所影响的性能包括信号对干扰加噪声比率(SINR)和在自适应阵列的情况下的到达方向(DOA)估计。
因此，在天线阵列的设计期间，相互耦合的问题是重要的考虑。相互耦合除了影响上述的阵列性能之外，还相反地(adversely)确定阵列的尺寸。
通常，相互耦合可以由于在旁瓣电平、零移(shift of null)和光栅瓣(gratinglobe)的出现上的增加而导致使得阵列的辐射模式变差。
在平板式天线阵列中的相互耦合主要是由于空间波、高阶波、表面波和漏泄波。一般，对于传统的具有公共平面接地导体的平板式天线阵列，增加在平板式阵列元件之间的间隔或元件之间的间隔导致降低或弱化相互耦合。但是，元件之间的较大间隔导致较大的阵列的横向尺寸。较大的阵列横向尺寸导致其中应用这样的阵列的无线通信系统的较高的安装成本。
因此，需要横向紧密的平板式天线阵列，它被适当地配置来降低在平板式阵列元件之间的相互耦合。
发明内容
以下公开本发明的实施例，所述实施例用于通过使用多层配置来减小具有减小的或弱的相互耦合的天线阵列的横向尺寸。具体上，公共接地导体——在传统天线阵列中通常是平面和单层的——通过折叠或起皱而成为多层，以在保持元件之间的间隔的同时减小在平板式阵列元件之间的横向间隔。
按照本发明的一个方面，公开了一种具有多个阵列元件的天线阵列，所述天线阵列包括第一阵列元件，其具有第一悬浮辐射器和第一接地导体，所述第一悬浮辐射器相对于第一接地导体移位(displace)。所述天线也包括与第一阵列元件相邻的第二阵列元件，所述第二阵列元件具有第二悬浮辐射器和第二接地导体，其中，所述第二悬浮辐射器相对于所述第二接地导体移位。在所述天线阵列中，所述第一接地导体与所述第二接地导体相邻，并且相对于所述第二接地导体移位。所述第一接地导体位于第一层上，所述第二接地导体位于第二层上，以形成至少两层的接地导体。
按照本发明的另一个方面，公开了一种用于配置具有多个阵列元件的天线阵列的方法，所述方法包括步骤：提供第一阵列元件，其具有第一悬浮辐射器和第一接地导体，所述第一悬浮辐射器相对于第一接地导体移位；以及提供与第一阵列元件相邻的第二阵列元件，所述第二阵列元件具有第二悬浮辐射器和第二接地导体，其中，所述第二悬浮辐射器相对于所述第二接地导体移位。所述方法也包括步骤：将所述第一接地导体布置为与所述第二接地导体相邻，并且相对于所述第二接地导体移位；并且，将所述第一接地导体布置在第一层上，将所述第二接地导体位于第二层上，以形成至少两层的接地导体。
附图说明
以下参见附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1(a)是具有平板式阵列元件和平面接地导体的传统平板式天线阵列的立体图，
图1(b)和(c)是按照本发明的实施例的两个平板式天线阵列的立体图，所述两个平板式天线阵列具有平板式阵列元件和成皱的接地导体，由此，将平板式天线阵列的横向尺寸与图1(a)的传统平板式天线阵列的横向尺寸相对比；
图2(a)、(b)和(c)分别是按照本发明的一个实施例的在具有双层接地导体的平板式天线阵列中的相邻平板式阵列元件的正视图、侧视图和底视图；
图3和4是在图2(a)的平板式天线阵列上进行的研究的绘制结果；
图5(a)是按照本发明的一个实施例的矩形平板式天线阵列的立体图，所述矩形平板式天线阵列具有矩形平板式阵列元件和双层的、二维成皱的接地导体，
图5(b)是具有矩形平板式阵列元件和平面接地板的传统平板式天线阵列的立体图，其中，将图5(a)的矩形平板式天线阵列的横向尺寸与传统的矩形平板式天线阵列的横向尺寸相比较；
图6是图2(c)的双层接地导体的变化形式的图示；
图7(a)和7(b)是按照本发明的实施例的具有多层接地导体的平板式天线阵列的图示。
具体实施方式
以下参见附图来说明本发明的实施例，用于处理被适当配置来减少在阵列元件之间的相互耦合的横向紧密的天线阵列的需要。
图1(a)示出了具有平板式阵列元件104的传统矩形平板式天线阵列102的几何形状，所述平板式天线阵列104沿着传统矩形平板式天线阵列102的长度方向而排列在单行中。传统矩形平板式天线阵列102也包括矩形和单层公共接地导体106。
每个平板式阵列元件104包括悬浮平板式辐射器和对应的接地片，所述接地片是公共接地导体106的一部分。通过传统馈送部件向所述悬浮平板式辐射器提供信号。
每个平板式阵列元件104也与最接近的相邻平板式阵列元件104相隔距离D1，所述距离D1以下被称为元件之间的间隔D1。在这种情况下，元件之间的间隔D1等于横向间隔L1，它是在被投影到与公共接地导体106的平面平行的平面上的最接近的相邻平板式阵列元件104之间的间隔。
图1(b)和1(c)分别示出了按照本发明的两个不同实施例的两个矩形平板式天线阵列112和122，它们具有比在图1(a)中所示的传统矩形平板式天线阵列102小的横向尺寸。如图1(b)中所示的平板式天线阵列112包括平板式阵列元件114，它沿着矩形平板式天线阵列112的长度方向而排列在单行中。矩形平板式天线阵列112也包括矩形和双层公共接地导体116，它纵向折叠或成皱成均匀宽度的交错隆起118和凹槽116。所述隆起118被布置在同一平面中，并且与对应的平板式阵列元件114形成上层或平面，而凹槽119也被布置在同一平面上，并且与对应的平板式阵列元件114形成下层或平面。
每个平板式阵列元件114包括悬浮平板式辐射器和对应的接地片，所述接地片是平板式的，并且是公共接地导体116的一部分。通过传统馈送部件向所述悬浮平板式辐射器提供信号。
因为公共接地导体116是成皱的，因此，相对于两个最接近的相邻阵列元件114，元件之间的间隔D2大于横向间隔L2。通过使得元件之间的间隔D2基本上等于在传统矩形平板式天线阵列102中的元件之间的间隔D1，在这种情况下的在平板式阵列元件114之间的相互耦合不变差或增加。即使横向间隔L2小于在传统矩形平板式天线阵列102中的横向间隔L1，也是如此。
如图1(c)中的平板式天线阵列122包括平板式阵列元件124，并且具有对称的结构，所述平板式阵列元件124沿着矩形平板式天线阵列122的长度方向而排列在单行中。平板式天线阵列122也包括矩形和双层的公共接地导体126，它纵向折叠或成皱成交错的隆起128和凹槽129A和129B，所述凹槽129A和129B不是均匀的宽度。具体上，如在图1(c)中所示，在平板式天线阵列122中间，中央凹槽129A比侧凹槽129B宽，因为在中央凹槽129A中，布置了两个平板式阵列元件126。隆起128被布置在同一平面上，并且与对应的平板式阵列元件124形成上层或平面，而凹槽129A和129B也被布置在同一平面上，并且与对应的平板式阵列元件124形成下层或平面。
每个平板式阵列元件124包括悬浮平板式辐射器和对应的接地片，所述接地片是平板状的，并且形成公共接地导体126的一部分，通过传统馈送部件向所述悬浮平板式辐射器提供信号。
因为公共接地导体126成皱，因此，相对于两个最接近的相邻平板式阵列元件124，在平板式阵列元件124——而不是在所述中央凹槽中布置的那些——之间的元件之间的间隔D3大于横向间隔L3。通过使得元件之间的间隔D3基本上等于在传统矩形平板式天线阵列102中的元件之间的间隔D1，在这种情况下在平板式阵列元件124之间的相互耦合不变差或提高。即使横向间隔L3小于在传统矩形平板式天线阵列102中的横向间隔L1，也是如此。在中央凹槽129A中的两个平板式阵列元件124的情况下，元件之间的间隔D4和横向间隔L4相等，并且也可以分别等于元件之间的间隔D1和横向间隔L1。
图2(a)、2(b)和2(c)示出按照本发明的一个实施例的矩形平板式天线阵列202和其中的两个方形平板式阵列元件204A和204B的几何和结构细节。为了研究目的，构造这样的一个实施例，其参照具有X、Y和Z轴的坐标系，所述坐标系用于绘制由所述研究得到的结果，并且所述实施例形成基本单元，由此形成按照本发明的实施例的大的平板式天线阵列。因此，所述研究用于提供结果，在下文中该结果被用于证明本发明的实施例的设计功能和可行性。
矩形平板式天线阵列202包括平板式阵列元件204A和204B，它们沿着矩形平板式天线阵列的长度方向相邻排列。矩形平板式天线阵列202也包括矩形和双层公共接地导体206，它在纵向上被折叠成三个平坦的平板状接地片206A、206B和206C，它们连续并且最好是整体的。接地片206A和206B分别形成下层和上层，并且接地片206C是连接位于不同层上的接地片206A和206B的接合接地片。
每个平板式阵列元件204A和204B分别包括悬浮的平板式辐射器207A和207B与对应的接地片206A和206B。经由传统馈送部件、通过馈送点208向悬浮平板式辐射器207A和207B提供信号。在这种情况下，平板式阵列元件204A和204B通过表面安装的适配器(SMA)212经由使用同轴探头210传统部件而被馈送。确定在对应的接地片206A和206B之上的悬浮平板式辐射器207A和207B的高度以及馈送点208的位置以便得到良好的阻抗匹配。
接合接地片206C以角度θ倾斜。平板式阵列元件204B位于在平板式阵列元件204A之上的高度H上，并且悬浮平板式辐射器207A和207B的每个分别位于对应的接地片206A和206B的上方的高度h上。
图3示出了关于矩形平板式天线阵列202的、测量和仿真S参数之间的对比，其中，获得了测量和仿真之间的良好相关性。在图4中示出了对于具有平坦公共接地导体206(θ＝0°)和台阶式公共接地导体206(θ＝90°)的情况的相互耦合的对比，其中距离d＝2s是变化的。在台阶式公共接地导体206的情况下的相互耦合比在平坦公共接地导体206的情况下的相互耦合弱10dB以上，甚至对于最小横向距离d也是如此。对于台阶式接地导体206，在这样的元件之间的距离比元件之间的距离d大得多，这是由于高度H最好大约是0.5λr，其中，λr是在自由空间中的工作波长。
图5(a)和图5(b)分别示出了按照本发明另一实施例的双层、二维起皱平板式天线阵列502和传统平面平板式天线阵列504。这些阵列的阵列元件可以是其他类型的辐射器，诸如微波传输带接线天线(microstrip patch antenna)、斜槽单极天线(tapered slot monopole)或单极天线。接合接地片的倾斜角可以从0到90°改变。
与传统平面平板式天线阵列相关联的双层、二维成皱的平板式天线阵列(两者都是方形的并且同时保持相同的元件之间的间隔)的横向大小上的预期减小，可能大于总的横向面积的51％或大于每个横向尺寸的30％。本发明的实施例可以方便地应用于天线阵列应用，特别是大型军事相移阵列和商用自适应阵列以及多输入多输出子系统。例如，当前的和未来的自适应阵列可能变得在无线通信系统(诸如3G和更高代的蜂窝无线通信系统)中非常常用。减小尺寸和被抑制的相互耦合有益于所述天线阵列和甚至具有在天线阵列的性能上的改善和安装空间上的减少的系统，从而带来低成本。
以上述的方式，公开了被适当配置以减小在平板式阵列元件之间的相互耦合的横向紧密的平板式天线阵列。虽然仅仅公开了本发明的多个实施例，但是对于本领域内的技术人员来说，很明显，根据此公开，可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下进行多种改变和/或修改。例如，可以由任何形状的良好电导片构造在天线阵列中的辐射器，所述形状诸如矩形、三角形、椭圆、多边形、环形或线。可以以相对于对应接地片的任何角度来安装辐射器。可以使用同轴线、微波传输带线、孔径耦合或波导来向辐射器馈送。在连接相同者的不同层的两个最接近的相邻接地片之间的结合处可以是任何类型，诸如S形、凹形、凸形或如图6中所示的多台阶形。公共接地导体也可以被折叠或成皱以形成如图7中所示的多层，因此提供多层的天线阵列。可以由良好电导的和电介质材料或印刷电路板(PCB)来构造公共接地导体。天线阵列可以是平面的或与弯曲表面相似，每层是平坦的或与弯曲表面相似。

Claims (16)

1.一种具有多个阵列元件的天线阵列，所述天线阵列包括：
第一阵列元件，其具有第一悬浮辐射器和第一接地导体，所述第一悬浮辐射器相对于第一接地导体移位；
与所述第一阵列元件相邻的第二阵列元件，所述第二阵列元件具有第二悬浮辐射器和第二接地导体，其中，所述第二悬浮辐射器相对于所述第二接地导体移位，
其中，所述第一接地导体与所述第二接地导体相邻，并且相对于所述第二接地导体移位，所述第一接地导体位于第一层上，所述第二接地导体位于第二层上，以形成至少两层的接地导体。
2.按照权利要求1的天线阵列，其中，所述第一阵列元件与第二阵列相邻紧密相邻。
3.按照权利要求1的天线阵列，其中，所述第一接地导体与第二接地导体连续。
4.按照权利要求1的天线阵列，其中，在所述第一阵列元件和所述第二阵列元件之间的元件之间的间隔大于其间的横向间隔。
5.按照权利要求1的天线阵列，其中，所述天线阵列是平板式天线阵列。
6.按照权利要求5的天线阵列，其中，第一和第二阵列元件的每一个是平板式阵列元件。
7.按照权利要求6的天线阵列，其中，所述第一和第二接地导体的每个是接地片。
8.按照权利要求7的天线阵列，其中，第一接地片与第二接地片连续。
9.一种用于配置具有多个阵列元件的天线阵列的方法，所述方法包括步骤：
提供第一阵列元件，其具有第一悬浮辐射器和第一接地导体，所述第一悬浮辐射器相对于第一接地导体移位；
提供与所述第一阵列元件相邻的第二阵列元件，所述第二阵列元件具有第二悬浮辐射器和第二接地导体，其中，所述第二悬浮辐射器相对于所述第二接地导体移位；
将所述第一接地导体布置为与所述第二接地导体相邻，并且相对于所述第二接地导体移位；以及
将所述第一接地导体布置在第一层上，将所述第二接地导体位于第二层上，以形成至少两层的接地导体。
10.按照权利要求9的方法，其中，将所述第一接地导体布置为与所述第二接地导体相邻、并且相对于所述第二接地导体移位的步骤包括：将所述第一阵列元件布置为与所述第二阵列元件紧密相邻。
11.按照权利要求9的方法，还包括步骤：提供与第二接地导体连续的第一接地导体。
12.按照权利要求9的方法，还包括步骤：提供在第一阵列元件和第二阵列元件之间的元件之间的间隔，并且使得它大于其间的横向间隔。
13.按照权利要求9的方法，还包括步骤：提供作为平板式天线阵列的所述天线阵列。
14.按照权利要求13的方法，包括步骤：提供第一和第二阵列元件的每个来作为平板式阵列元件。
15.按照权利要求14的方法，包括步骤：提供第一和第二接地导体的每个来作为接地片。
16.按照权利要求15的方法，包括步骤：提供与第二接地导体连续的第一接地导体。
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