帶有有限接地平面的拼片天線的製作方法
2023-05-14 20:18:51
專利名稱：帶有有限接地平面的拼片天線的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及天線的改進，尤其涉及帶有有限接地平面的拼片天線的有利方面。
在微帶拼片天線中，輻射器一般是由金屬拼片振子所提供，該拼片振子已經利用微帶技術安裝在接地平面之上的介質襯底上。由於它們的低折射率、低成本以及緊湊的尺寸，微帶拼片天線適用於各種微波天線以及天線陣列應用中。例如，微帶拼片天線用作基於微波集成電路(MIC)或者單片式微波集成電路(NMIC)設計的輻射單元，這些集成電路諸如用於飛機以及衛星通信，飛彈以及火箭的天線系統，以及個人通信系統(PCS)的無線應用。然而，一個與微帶拼片天線相關的問題在於，例如與使用偶極陣子的天線設計相比，它們一般具有有限的波束寬度。此外，當前的微帶拼片天線設計並不提供用以調節天線波束寬度的緊湊、節省費用的機制。
參照
圖1可以較好地理解現有技術，圖1示出了根據現有技術的微帶拼片天線10的剖視圖。如圖1所示，天線10包括一個方形的拼片振子12，一個接地平面14以及一個微帶饋送線16，這些裝置位於由一對介質襯底18和20的上、下表面所定義的平行平面上。拼片振子12安裝在上層襯底18的上表面上，接地平面14安裝在上層襯底18的下表面與下層襯底20的上表面之間，饋送線16安裝在下層襯底20的下表面上。固定的金屬板反射器22設置在天線10的下部，以反射射向天線10頂部的輻射。饋送線16和拼片振子12之間的耦合由接地平面14上小的長方形開口24提供，該開口橫穿饋送線16。由於這種耦合技術，示於圖1的設計被稱作「開口耦合的拼片天線」。也使用了其他設計，即使用不同的技術將饋送線耦合到拼片振子。
在當前的開口耦合的拼片天線設計中，接地平面14明顯地大於開口24，以便從電磁的角度來看，接地平面14起到相對於開口24的有限表面的作用。這有助於饋送線16和拼片振子12的隔離。此外，有限接地平面的使用使得天線的分析更加容易，因為可以施加等效理論。
天線的輻射圖在天線應用中是非常重要的。它包括多個參數以特徵化天線的性能，這些參數包括增益、3dB(半功率)波束寬度、旁瓣電平、前後(F/B)比，極化、交叉極化電平以及行(line)。3dB波束寬度參數是表示輻射能量覆蓋範圍的主要參數。常規拼片天線的波束寬度大約為60°到70°。
由於它們的高度集成，拼片振子業已被成功地使用，以形成用於高方向性應用的大的陣列。然而，其他應用需要比當前可得到的60°到70°更大的波束寬度。例如，一般的三部分蜂窩系統需要覆蓋120°的地理性區域。在一個時分多址(TDMA)系統中，基站要求105°到110°的3dB波束寬度，並且時分多址(CDMA)系統要求90°的3dB波束帶寬。由於常規拼片振子的波束帶寬限制，在這些應用中通常使用一個偶極振子。
此外，在某些應用中需要可以調節天線的波束帶寬。帶有角反射器的偶極振子可以通過用機械方法調節反射器的角度，來提供波束寬度控制。然而，這種方法要求複雜的機械結構，這些機械結構可能費用很高，並且可能導致不希望的大的外殼尺寸以容納這些結構。
本發明的一個方面提供了一種帶有增強的波束寬度特性的微帶拼片天線。在第一實施例中，天線包括一個拼片振子以及一個接地平面，其中該拼片振子與該接地平面通過一個第一介質襯底分開。該天線還包括一個信號饋送線，該饋送線與接地平面通過一個第二介質襯底分開，該信號饋送線由該接地平面與拼片振子屏蔽開。信號饋送線通過一個接地平面上的橫穿該信號饋送線的開口而耦合到拼片振子，該接地平面起到相對於該開口的有限表面的作用。根據本發明其他方面，通過調節信號饋送線後面的放射器的位置可以調節天線的波束寬度。因而，本發明提供了一個有效的方式來實現可調節的寬波束寬度，該寬度例如可以用於三扇區結構的無線系統中。
本發明的其他特徵以及優點可以通過下面的詳細描述並參照附圖而變得清楚。
圖1示出了根據現有技術的微帶拼片天線的部分剖視圖；圖2示出了根據本發明微帶拼片天線的第一實施例的部分剖視圖；圖3A到3D分別示出了根據本發明微帶拼片天線的俯視圖、側視圖、前視圖和仰視圖；圖4示出了示於圖3A到3D的天線的上襯底層的仰視圖；圖5A到5C分別示出了圖3A到3D所示天線的下襯底層的俯視圖、側視圖、前視圖和仰視圖。
本發明提供了一種帶有增強的波束寬度特性的微帶拼片天線。該天線具有一個拼片振子以及一個接地平面，其中該拼片振子與該接地平面通過一個第一介質襯底分開，以及一個信號饋送線，該饋送線與接地平面通過一個第二介質襯底分開。該信號饋送線由該接地平面與拼片振子屏蔽開，並且信號饋送線通過一個接地平面上的橫穿該信號饋送線的開口而耦合到拼片振子。如下所述，該接地平面起到相對於該開口的有限表面的作用。
圖2示出了根據本發明微帶拼片天線的第一實施例的部分剖視圖。圖2的拼片天線30包括一個拼片振子32，一個有限接地平面34，以及一個微帶饋送線36，這些裝置位於由上襯底38和下襯底40所定義的平行平面上。反射器42用於向天線30的頂部反射輻射。拼片振子32通過有限接地平面34上的長方形開口44耦合到微帶饋送線36。
有限接地平面34的大小是這樣選擇的，即它起到相對於開口44的有限表面的作用。接地平面寬度的上限是由邊緣饒射情況所控制的，在本發明的實施例中，該邊緣饒射情況是從接地平面的邊緣到輻射焦散線，即拼片振子32的距離來得到的。因此，在本發明的實施例中，「有限」接地平面34的定義是這樣的，即接地平面34的寬度小於工作頻率(0.5入)波長的一半，以便可以測量由於變化的反射器位置造成的波束寬度的變化。而且，接地平面34的寬度大於拼片振子32寬度的1.5倍，以實現良好的電壓駐波比(VSWR)性能。
儘管有限接地平面的使用使天線30的分析變得複雜，但是業已發現該有限接地平面34明顯地增強了天線30的波束寬度。如下文將進一步描述的，業已發現通過使用適當大小的有限接地平面，可以將天線的波束寬度增加到85°。
業已發現天線30的波束寬度能力可以通過修改拼片振子32的形狀而得到改善。在當前的拼片天線中，拼片振子一般是方形的。然而，業已發現對於有限接地平面34而言，使用一個長方形拼片振子是非常有利的，其中拼片振子34的寬度為其長度的60％或者更窄。(應該注意的是，在寬波束寬度的應用中，60％的寬度滿足了有限接地平面的上述準則。)結合有限接地平面34的長方形拼片振子34的使用使得天線30波束寬度增加到90°。
而且，圖2的天線30提供了一種用於調節天線波束寬度的系統。利用有限接地平面34，業已發現可以通過調節反射器相對於微帶饋送線36的位置，來調節天線30的波束寬度。使反射器42離開饋送線36將增加圍繞反射器的輻射的「溢出」，從而導致波束寬度的增加。通過仔細地調節反射器的高度，波束寬度可以在80°到110°的範圍內調節，而不會失諧天線的阻抗匹配。在示於圖2的本發明實施例中，反射器的調節是通過將反射器安裝到數字步進電動機來實現的，該步進電動機由一個微處理器控制器48來操作。應該認識的是，其他間隔控制調節器也可以被設計出，並且被適當地使用。
因此，本發明提供了一種有效方式來實現三扇區配置的各種無線系統的可調節的寬波束寬度，這些無線系統需要覆蓋120°的地理性區域。它不僅將常規拼片天線的波束寬度從60°-70°擴展到90°，而且提供了可以方便調節的波束寬度。因而本發明使得拼片天線可以用於諸如三扇區基站輻射器的應用中。因此，常規的偶極天線可以由這些低成本、低折射率以及高度集成的拼片天線所取代。
而且，利用本發明，可以使蜂窩網絡中的小區邊界變得可以調節，以便根據諸如白天、季節以及地理性區域的這些變量來管理和優化小區負載。這種方法可以通過使用帶有上述波束寬度控制能力的基站天線來實現。
圖3A到3D分別示出了根據本發明天線50的其他實施例的俯視圖、側視圖、前視圖和仰視圖。該天線包括一個拼片振子52，一個有限接地平面54，一個微帶饋送線56，這些裝置都位於上和下介質襯底50和60上。圖4示出了更加詳細的拼片振子52，該拼片振子為相對窄的長方形，並且被安裝到上介質襯底58的下表面。圖5A示出了更加詳細的有限接地平面54，該接地平面安裝到下介質襯底60的上表面。微帶饋送線56由同軸饋送線62所饋電，同軸饋送線的外導體電連接到有限接地平面54，同軸饋送線的內導體電連接到微帶饋送線66。最後，金屬反射器68用於向天線50的頂部反射輻射。反射器68包括第一對翼形部件70，這對部件圍繞下襯底60向上延展，以及第二對翼形部件72，這對部件圍繞同軸饋送線62向下延展。如圖3D所示，反射器68包括一個孔88，同軸饋送線穿過該孔。
在該天線的實施例中，上襯底58和下襯底60之間是由一組4個墊片84分開。這就在拼在振子52和接地平面54之間產生了一層空氣。如果需要的話，這層空氣可由一個固體襯底所取代。第2組4個墊片86用於將下襯底60與反射器板68分開。在本發明的實施例中，反射器板68是可調節的，4個墊片84由一個可拆卸的固定部件所取代，這個可拆卸的固定部件可以使反射器板68準確地相對於上襯底58和下襯底60移動，同時保持與這些部件的相互平行關係，在該實施例中，反射器板68的移動是利用微處理器控制的步進電動機控制的，如圖2所示。
圖4示出了帶有安裝於其上的金屬拼片振子52的上襯底58的仰視圖。如上所述，根據本發明，拼片振子52的形狀是相對窄的長方形，其寬度是其長度的60％或更小。然而，也可以利用一個方形拼片振子52來實現本發明。
圖5A示出了下襯底60的俯視圖。有限接地平面54安裝在襯底60上，並且在其中心上包括一個長方形開口90。在示於圖5A的實施例中，開口90僅貫穿接地平面54。它並不貫穿襯底60，儘管如果需要的話，它也可以這樣做。如上所述，接地平面54相對於開口90的尺寸是這樣的，即接地平面54起到相對於開口90的有限表面的作用。
圖5B和5C分別示出了下襯底60的仰視圖和側視圖。微帶饋送線56直接安裝在下襯底60的下表面上，並且在接地平面54上穿過開口90。如上所述，開口90並不完全貫穿襯底60。同軸饋送線62垂直地安裝到下襯底60。其內導體66電耦合到微帶饋送線56。其外導體64穿過下襯底60，並且電耦合到襯底60另一側上的接地平面54。
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，包括一個拼片振子；一個接地平面，其通過一個第一介質襯底與該拼片振子分開；一個信號饋送線，其通過一個第二介質襯底與接地平面分開，並且該信號饋送線由接地平面與拼片振子屏蔽開；該信號饋送線通過一個接地平面上的開口電磁耦合到拼片振子，其中信號饋送線穿過該開口，該接地平面起到相對於該開口的有限表面的作用。
2．根據權利要求1的天線，其中接平面的寬度小於工作頻率波長的一半，從而可以測量由於變化的反射器位置而造成的波束寬度變化。
3．根據權利要求1的天線，其中該拼片振子為長方形，該長方形的寬度是其長度的60％或更小。
4．根據權利要求1的天線，還包括一個貼近該信號饋送線的反射器，用以反射來自該信號饋送線的輻射，該反射器被這樣設置，即信號饋送線位於接地平面和反射器之間。
5．根據權利要求4的天線，其中反射器的位置是可調節的，反射器位置的調節產生天線波束寬度中的變化。
6．根據權利要求5的天線，其中反射器的位置是由一個步進電動機調節的。
7．根據權利要求6的天線，其中步進電動機是由一個基於微處理器的控制器操作的。
8．根據權利要求1的天線，還包括一個同軸饋送線，其外導體連接外接地平面，其內導體連接到信號饋送線。
9．一種天線，包括一個拼片振子，其安裝在第一襯底的上表面上；一個接地平面，其安裝在第一襯底的下表面與第二襯底的上表面之間；一個信號饋送線，其安裝在第二襯底的下表面上；該信號饋送線通過一個接地平面上的開口耦合到拼片振子，其中信號饋送線穿過該開口，接地平面起到相對於該開口的有限表面的作用。
10．根據權利要求9的天線，其中接地平面的寬度小於工作頻率波長的一半，從而可以測量由於變化的反射器位置而造成的波束寬度變化。
11．根據權利要求9的天線，其中該拼片振子為長方形，該長方形的寬度是其長度的60％或更小。
12．根據權利要求9的天線，還包括一個貼近該信號饋送線的反射器，用以反射來自該信號饋送線的輻射，該反射器被這樣設置，即信號饋送線位於接地平面和反射器之間。
13．根據權利要求12的天線，其中反射器的位置是可調節的，反射器位置的調節產生天線波束寬度中的變化。
14．一種天線，包括一個拼片振子，其安裝到第一襯底的下表面上；一個接地平面，其安裝到第二襯底的上表面上，該拼片振子和接地平面由一層空氣分開；一個信號饋送線，其安裝到第二襯底的下表面上；該信號饋送線通過一個接地平面上的開口耦合到拼片振子，其中信號饋送線穿過該開口，接地平面起到相對於該開口的有限表面的作用。
15．根據權利要求14的天線，其中接地平面的寬度小於工作頻率波長的一半，從而可以測量由於變化的反射器位置而造成的波束寬度變化。
16．根據權利要求14的天線，其中該拼片振子為長方形，該長方形的寬度是其長度的60％或更小。
17．根據權利要求14的天線，還包括一個貼近該信號饋送線的反射器，用以反射來自該信號饋送線的反射，該反射器被這樣設置，即信號饋送線位於接地平面和反射器之間。
18．根據權利要求17的天線，其中反射器的位置是可調節的，反射器位置的調節引起天線波束寬度的變化。
19．一種製造天線的方法，包括步驟(a)將一個拼片振子安裝在一個第一襯底上；(b)將一個信號饋送線安裝在一個第二襯底上；(c)通過一個接地平面分開該拼片振子和該信號饋送線；(d)將該信號饋送線電磁通過一個接地平面上的開口與拼片振子電磁耦合，其中該信號饋送線穿過該開口，該接地平面起到相對於開口的有限表面的作用。
20．根據權利要求19的方法，還包括(e)設置一個反射器，以便信號饋送線在接地平面和反射器之間。
21．根據權利要求20的方法，還包括(f)通過調節反射器的位置來調節天線的波束寬度。
全文摘要
本發明提供了一種帶有增強的波束寬度特性的微帶拼片天線。該天線包括一個拼片振子,一個接地平面以及一個信號饋送線,該拼片振子與該接地平面通過第一介質襯底分開,該饋送線與接地平面通過第二介質襯底分開,該信號饋送線由該接地平面與拼片振子屏蔽開。信號饋送線通過接地平面上的橫穿該信號饋送線的開口而耦合到拼片振子,接地平面起到相對於該開口的有限表面的作用。因而本發明提供了一個有效的方式來實現可調節的寬波束寬度。
文檔編號H01Q13/08GK1312597SQ01108320
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