帶有嵌入式阻抗變換器的拼片天線以及製造該天線的方法
2023-05-14 20:09:41
專利名稱：帶有嵌入式阻抗變換器的拼片天線以及製造該天線的方法
技術領域：
本發明一般涉及天線的改進，尤其涉及帶有嵌入式阻抗變換器的拼片天線的有利方面。
在一般的微帶拼片天線中，輻射器單元是由一個金屬拼片所提供，該金屬拼片安裝在接地平面之上的介質襯底上。由於微帶拼片天線的多種合乎要求的特徵，它們在天線領域起著重要的作用。這些特徵包括它們的低折射率、減少的重量、相對低的製造成本、極化分集以及相對容易的集成處理，這使得多個相同的拼片被分組成多個陣列，並與電路單元相集成。
為了有效地工作，天線的輸入阻抗應該與其傳輸饋送線的阻抗相匹配。有多種技術用於實現微帶拼片天線中的阻抗匹配。圖3和下文描述了使用同軸饋送的拼片天線，其中阻抗匹配一般是通過調節拼片振子饋送點的位置實現的。然而，如下文所討論的，可用於該方法的阻抗匹配的範圍受到拼片振子物理尺寸的限制。
儘管通過改變拼片天線的設計參數，而不是改變拼片天線的大小來得到所需要的阻抗匹配在理論上是可能的，但是這些變化通常都不切實際。微帶拼片天線的輸入阻抗是由多種因素以及介質常數所確定的，這些因素包括拼片的尺寸、襯底的高度。然而，在調節這些因素時可能存在著相對有限的靈活性。例如，天線的介質負載以及天線的尺寸可能是由天線所需要的波束寬度和諧振特性所決定的。
參照
圖1到圖3可以更好地理解現有技術，圖1到圖3示出了當前用於饋電一個微帶天線的三種基本的技術。它們分別包括傳輸線饋電、開口饋電和同軸饋電。
圖1示出了使用傳輸線饋電技術的拼片天線10的透視圖。如圖1所示，天線10包括一個基本上為方形的拼片振子12，該拼片振子安裝在位於接地平面16頂部的介質襯底14上。到拼片振子12的饋送線18安裝在與拼片振子12相同的襯底14上，並且利用插入到振子12中的插口20，直接連接到拼片振子12的邊緣。傳輸線饋電是一種非常簡單的饋電微帶拼片的方法。阻抗匹配是通過調節插口20的尺寸來實現的。
傳輸線饋電方法受到多種問題的破壞，首先，由於饋送線和拼片振子處於同一電平(level)上，它們不能被同時優化。其次，該結構中的饋送線起到了另一個輻射器的作用，它產生了雜散輻射，並且導致了交叉極化鑑別和方向圖性能的降低。此外，為了控制來自饋送線的輻射，線路寬度不能太寬，否則將導致襯底相對地薄。一般來說，業已知道微帶天線的帶寬與襯底的厚度成比例。因此，這種類型的饋電導致了窄帶寬的結構。
圖2示出了利用開口饋電方法的拼片振子30的部分剖視圖。天線30包括一個拼片振子32，該振子安裝在位於接地平面36頂部的第一介質襯底34上。微帶饋送線38安裝在位於接地平面36下面的第二介質襯底40的下表面上。微帶饋送線38與拼片振子32之間的耦合是由接地平面40上的隙縫42實現的，其中微帶饋送線38穿過該隙縫42。最後，金屬板反射器44一般設置在另一個天線振子的下面，以減少來自接地平面36中隙縫開口42的雜散輻射。
開口饋電方法克服了與傳輸線饋電方法相關的多種缺陷，這些缺陷包括來自微帶饋電線的雜散輻射以及基本的帶寬限制，因為微帶饋送線38在接地平面38的下面，並且可以被獨立地設計。然而，由於反射器44的存在，多種平行的模式(parallel modes)可以被容易地激勵，並且在接地平面和反射器之間傳播。這些平行模式降低了天線輻射效率。因此，開口饋電結構中的一個主要挑戰在於如何抑止平行模式。
圖3示出了利用同軸饋電方法的拼片天線50的透視圖。天線50包括一個安裝在介質襯底54頂部的拼片振子52。接地平面56緊靠介質襯底54的下表面。最後，同軸饋送線58垂直地固定在接地平面56的下表面上。同軸饋送線58的外導體60電耦合到接地平面56，同軸饋送線58的內導體62電耦合到拼片振子52的下側。輸入阻抗是饋送線在拼片振子52中位置的函數。因此，通過適當地定位饋送線58，拼片天線50的阻抗可以與饋送線相匹配。由於同軸饋送線58直接向輻射單元，即拼片振子52傳送電流，就提供了比開口饋電結構更穩定的信號耦合。此外，對於同軸饋電方法而言，它很少涉及在需要較高介質負載以實現諸如更寬波束寬度的某些電性能特性的情況下平行模式的激勵。
在圖3所示的同軸饋電方法中，饋電的位置在匹配拼片振子的輸入阻抗時是互關重要的，尤其是因為確定輸入阻抗的其他因素，諸如拼片的尺寸、襯底的高度、以及介質常數可能是由所需要的天線技術規範所決定的，這些技術規範諸如天線的波束寬度以及諧振頻率。然而，在某些情況下，可能非常困難或者不可能發現可利用的拼片尺寸中的所需要匹配饋送點。因而，可用於給定微帶拼片天線的阻抗匹配範圍是有限的。
本發明解決了上述問題以及其他問題，本發明的一個方面提供了一種天線，該天線具有一個安裝在襯底上的拼片振子，一個接地平面，以及一個阻抗變換器，該阻抗變換器在該拼片振子和接地平面之間。該拼片振子電連接到阻抗變換器的第一端，一個饋送線通過接地平面電連接到阻抗變換器的第二端。阻抗變換器的使用使得阻抗匹配將被實現，而不會被拼片振子的物理限制所限制。根據本發明的另一個方面，拼片振子安裝在第一襯底表面上，接地平面安裝在第二襯底表面上，接地平面通過多個襯底層與拼片振子分開。一個阻抗變換器嵌入在相鄰的襯底層之間，這些襯底層在拼片振子和接地平面之間，並且一個導電通路將阻抗變換器的第一端連接到拼片振子上的饋送點。該天線還包括一個同軸饋送線，該同軸饋送線具有一個電連接到接地平面的外導體，以及一個電連接到阻抗變換器第二端的內導體，以便信號通過阻抗變換器在同軸饋送線和拼片振子之間傳送。
本發明的其他特徵和優點通過下文的詳細描述並參照附圖而變得清楚。
圖1示出了根據利用傳輸線饋電的現有拼片天線的透視圖；圖2示出了根據利用開口饋電的現有拼片天線的部分剖視圖；圖3示出了根據利用同軸饋電的現有拼片天線的透視圖；圖4A示出了根據本發明帶有一個嵌入式阻抗變換器的拼片天線第一實施例的部分剖視圖；圖4B示出了圖4A所示的拼片天線的俯視圖；圖4C示出了沿平面C-C的圖4A和圖4B所示天線的截面圖；圖5A示出了根據本發明帶有一個嵌入式阻抗變換器的拼片天線其他實施例的俯視圖；圖5B示出了圖5A所示天線的仰視圖；圖5C示出了沿平面C-C的圖5A和圖5B所示天線的截面圖；圖6示出了圖5A到圖5C所示天線的上襯底層的仰視圖；圖7示出了不帶有上襯底層的圖5A到圖5C所示天線的俯視圖；圖8示出了圖5A到圖5C所示天線的中間襯底層的仰視圖；圖9示出了不帶有中間襯底層的圖5A到圖5C所示天線的俯視圖。
本發明的一個方面提供了一種微帶拼片天線，該天線包括一個安裝在襯底上的拼片振子，一個接地平面，以及一個阻抗變換器，該阻抗變換器在拼片振子和接地平面之間。拼片振子電連接到阻抗變換器的第一端，一個饋送線電通過接地平面連接到阻抗變換器的第二端。業已發現這種技術可以明顯地改進給定微帶拼片天線可利用的阻抗匹配範圍。一般的同軸饋送線可以具有大約50Ω的阻抗。一般的帶有中心饋送點的拼片振子可以具有150-200Ω範圍的阻抗。如上所述，在現有技術中，阻抗匹配是通過將拼片振子的饋送點從其中心移走而實現的。然而，這意味著可利用的阻抗匹配範圍受到拼片物理尺寸的限制。只要一個獨立的阻抗變換器消除這種物理限制，就可在拼片振子的尺寸由其他設計依據所限制的情況中實現阻抗匹配。
而且，本發明可以用於解決微帶拼片天線的已知固有缺陷，即有限的帶寬。通過將下文描述的寬帶匹配技術與現有的寬帶方法相結合，這種技術就可以用於增強帶寬性能。
圖4示出了根據本發明第一實施例的拼片天線70的部分剖視圖。圖4B示出了天線70的俯視圖，圖4C示出了沿平面C-C的天線70的截面圖。為了示意的目的，圖4A示出了一個透明的拼片振子72以及第一襯底74。天線70包括一個安裝在介質襯底74的上表面的拼片振子72，該介質襯底74具有上層76和下層78。阻抗變換器80夾層地設置在上層76和下層78之間。在本發明的當前優選實施例中，阻抗變換器80被實現為一個金屬帶，其有效地增加了線路的寬度，從而降低了天線負載阻抗，以便它匹配信號輸入阻抗。阻抗變換器80的大小是通過運行模擬計算出來的，以得到所需要的阻抗特性。下襯底層78的下表面包括一個接地平面82。同軸饋送線84垂直地固定在接地平面82的下表面上，該同軸饋送線84具有一個內導體86以及一個外導體88。阻抗變換器82的一端通過一個通路90連接到拼片振子上的饋送點。阻抗變換器80的另一端連接到同軸饋送線84的內導體86。因此，信號從同軸饋送線84經過變換器80和通路90傳送到拼片72。
如圖4A到4C所示，同軸饋送線84被這樣定位，即它位於拼片振子72中心的下方，此處的輸入阻抗等於零。由於變換器80的存在，用於阻抗匹配的通路90的位置不像常規同軸饋電結構那樣至關重要。也可以設計出阻抗變換器80匹配於通路90和同軸饋送線84之間的阻抗。
圖5A和5B分別示出了根據本發明其他實施例的微帶拼片天線100的俯視圖和仰視圖。圖5C示出了沿平面C-C的圖5A和5B所示天線100的截面圖。如圖5A到5C所示，天線100包括一個安裝在介質襯底104的上表面上的拼片振子102，該拼片振子102具有一個上層106，一個中層108以及一個下層110。如下文所討論的，三層襯底的使用便於製造工藝的實現。阻抗變換器112夾在中襯底層108和下襯底層110之間。下襯底層110的下表面利用銅或者其他導體覆層，以形成一個接地平面114。外金屬底板116固定在接地平面114的外側。同軸饋送線118垂直地安裝在底板116的中心。同軸饋送線118的外導體120連接到接地平面114，同軸饋送線118的內導體122連接到阻抗變換器112的第一端。阻抗變換器112的第二端通過一個通路124電連接到拼片振子102上的饋送點126。在本發明的實施例中，通路124是一個導電金屬管，其從上襯底層106延伸到中襯底層108。
圖6示出了上襯底層106的仰視圖，圖7示出了不帶有上襯底層106的天線100組成部分的俯視圖。圖8示出了中襯底層108的仰視圖，圖9示出了不帶有上襯底層106和中襯底層108的天線100組成部分的俯視圖。如圖6和圖7所示，上襯底層106的下表面以及中襯底層108的上表面是空白的，它們上面沒有安裝金屬部件。如圖8和圖9所示，阻抗變換器包括一個安裝在中襯底層108的下表面上的上面部分112a，以及一個安裝在下襯底層110的上表面上的下面部分112b。在已製造的天線中，阻抗變換器的上面部分112a和下面部分112b彼此之間電接觸，並且起到一個整體結構的作用。
可以看出，上襯底層106和中襯底層108每個都有一個空白的表面以及另一個在其上安裝金屬天線部件的表面。這種方法簡化了天線的製造，因為用於製造這些金屬部件的工藝僅需要在每個襯底的一側實現。當然，如果需要的話，上襯底層106和中襯底層108可以組合成一個襯底層。而且，其他製作技術也可以用於將阻抗變換器嵌入在襯底上，而不是將變換器夾在襯底層之間。在本發明的這種實施例中，也可以利用僅具有一層的襯底。
本發明提供了一種有效的阻抗匹配技術，以用於同軸饋電的微帶拼片天線的設計，從而打開了利用同軸饋電結構來實現寬帶設計的大門。因此，天線設計者可以將注意力集中於得到小的電壓駐波比(VSWR)軌跡，而無須擔心其在史密斯圓圖中的位置。相反，它們可以依賴於嵌入式變換器，以帶來用於帶寬匹配的、到史密斯圓表中心的軌跡。這種方法將與開口饋電結構相關的匹配技術的優點與穩定性，以及同軸饋電結構的效率相結合。
儘管上述描述包括了使本領域技術人員能夠實現本發明的各種細節，但應該認識的是，這些描述本質上是示意性的，得益於這些教導的本領域技術人員將會知道多種變化和修改。因此，本發明只是由在此所附的權利要求書限定，而且權利要求書應該被理解的如現有技術所允許的那樣寬。
權利要求
1．一種天線，包括一個安裝在襯底上的拼片振子；一個接地平面；一個在該拼片振子和接地平面之間的阻抗變換器，該拼片振子電連接到該阻抗變換器的第一端；以及一個穿過接地平面電連接到阻抗變換器第二端的饋送線。
2．一種天線，包括一個安裝在介質襯底的第一表面上的拼片振子；一個安裝在介質襯底的第二表面上的接地平面；一個嵌入在該拼片振子和接地平面之間的介質襯底中的阻抗變換器；一個將阻抗變換器的第一端連接到拼片振子上饋送點的通路，該通路穿過該介質襯底延伸；一個具有一個外導體和一個內導體的同軸饋送線，其外導體電連接到接地平面，其內導體電連接到阻抗變換器的第二端，以便信號通過阻抗變換器在同軸饋送線和拼片振子之間傳送。
3．根據權利要求2的天線，其中該同軸饋送線垂直固定在接地平面上。
4．根據權利要求3的天線，其中該同軸饋送線在拼片振子下面的中心處。
5．根據權利要求2的天線，其中該阻抗變換器匹配該通路和該同軸饋送線之間的阻抗。
6．根據權利要求2的天線，其中該介質襯底包括多層，並且阻抗變換器嵌入在拼片振子和接地平面之間的相鄰層之間。
7．一種天線，包括一個第一介質襯底；一個安裝在該第一介質襯底的上表面的拼片振子；一個固定在第一介質襯底之下的第二介質襯底，且第二介質襯底的上表面與第一介質襯底的下表面相鄰；一個嵌入在第二介質襯底的上表面與第一介質襯底的下表面之間的阻抗變換器；一個將阻抗變換器的一端與拼片振子上的饋送點相連接的通路，該通路穿過第一介質襯底延伸；一個安裝在第二介質襯底的下表面的接地平面；一個具有一個外導體和一個內導體的同軸饋送線，其外導體電連接到接地平面，其內導體電連接到阻抗變換器的第二端，並且內導體穿過第二襯底而延伸，以便信號通過阻抗變換器在同軸饋送線和拼片振子之間傳送。
8．根據權利要求7的天線，其中該同軸饋送線垂直固定在接地平面上。
9．根據權利要求8的天線，其中該同軸饋送線在拼片振子下面的中心處。
10．根據權利要求7的天線，其中該阻抗變換器匹配該通路和該同軸饋送線之間的阻抗。
11．一種天線，包括一個第一介質襯底；一個安裝在該第一介質襯底上表面上的拼片振子；一個固定在該第一介質襯底之下的第二介質襯底，並且該第二介質襯底的上表面與第一介質襯底的上表面相鄰；一個固定在該第二介質襯底之下的第三介質襯底，並且該第三介質襯底的上表面與第二介質襯底的下表面相鄰；一個嵌入在第三介質襯底的上表面與第二介質襯底的下表面之間的阻抗變換器；一個將該阻抗變換器的一端與拼片振子上的饋送點電連接的通路，該通路穿過第一和第二介質襯底延伸；一個安裝在第三介質襯底的下表面的接地平面；一個具有一個外導體和一個內導體的同軸饋送線，其外導體電連接到該接地平面，其內導體電連接到阻抗變換器的第二端，並且該內導體穿過第三襯底而延伸，以便信號通過阻抗變換器在同軸饋送線和拼片振子之間傳送。
12．根據權利要求11的天線，其中該同軸饋送線垂直固定到接地平面。
13．根據權利要求12的天線，其中該同軸饋送線在拼片振子下面的中心處。
14．根據權利要求11的天線，其中該阻抗變換器匹配該通路和該同軸饋送線之間的阻抗。
15．根據權利要求11的天線，其中該阻抗變換器包括一個上面部分和一個下面部分，並且該阻抗變換器的上面部分安裝在第二介質襯底的下表面上，其下面部分安裝在第三介質襯底的上表面上。
16．一種製造天線的方法，包括以下步驟(a)將一個拼片振子安裝到第一襯底的表面上；(b)將一個接地平面安裝到第二襯底的表面上；(c)將阻抗變換器嵌入在拼片振子和接地平面之間的相鄰襯底層之間；(d)將阻抗變換器的第一端連接到拼片振子上的饋送點；(e)將同軸饋送線的外導體連接到接地平面，同軸饋送線的內導體連接到阻抗變換器的第二端，以便信號通路阻抗變換器在同軸饋送線和拼片振子之間傳送。
17．根據權利要求16的方法，還包括(f)利用阻抗變換器來匹配通路和同軸饋送線之間的阻抗。
全文摘要
本發明提供了一種天線,該天線具有一個安裝在襯底上的拼片振子,一個接地平面,以及一個阻抗變換器,該阻抗變換器在該拼片振子和接地平面之間。該拼片振子電連接到阻抗變換器的第一端,一個饋送線通過接地平面電連接到阻抗變換器的第二端。阻抗變換器的使用使得阻抗匹配將被實現,而不會被拼片振子的物理限制所限制。
文檔編號H01Q13/08GK1312599SQ0110832
公開日2001年9月12日 申請日期2001年2月27日 優先權日2000年2月29日
發明者常立春(音譯), 詹姆斯·A·豪瑟爾, 蔡明儒 申請人:朗迅科技公司