電介質諧振器天線的製作方法
2023-05-24 07:58:46
專利名稱：電介質諧振器天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過配置能夠以例如EH11δ模態(mode)、TE02δ模態、TE02模態、TE01模態和混和模態運行的電介質諧振器天線(DRA)，本發明還涉及這樣一些DRA的陣列，其中通過配置單個DRA元件的模態使所有陣列模態都具有被設計用來符合特定應用的需求的特殊屬性。
電介質諧振器天線的介紹電介質諧振器天線是以選定的發射和接收頻率發射或接收無線電波的諧振器天線裝置，它可在例如移動遠程通信中得到使用。通常，DRA由配置於或接近於接地基底的許多電介質材料(電介質諧振器)組成，能量通過插入電介質材料的單極探針或設在接地基底中的單極孔徑饋線(aperture feed)(孔徑饋線是一種設在由電介質材料覆蓋的接地基底之中的不連續的且通常為矩形形狀的饋線，當然橢圓形、長方形、梯形「H」形狀，「-」形狀、或蝴蝶/蝴蝶結形狀及這些形狀的組合也是適當的。孔徑饋線可以由位於接地基底遠離電介質材料的一側上的條帶形饋線進行激勵，條帶形饋線可以採用微帶傳輸線、接地或不接地的共面傳輸線、三極板(triplate)、開槽線等形式)被傳入和傳出電介質材料。直接連接到微帶傳輸線並由其激活也是可能的。作為一種選擇，雙極探針可以被插入到電介質材料中，在這種情況下就不需要接地基底。如在作為例子的本申請人的共同未決的第09/431,548號美國專利申請以及KINGSLEY，S.P.和O′KEEFE，S.G.的出版物(題為「探針饋電式電介質諧振器天線的光束控制和單脈衝處理」，IEE學報-雷達聲納和導航，146，3，121-125，1999)中所述的那樣，通過提供多饋線並按照一定順序或以各種組合形式激勵它們，可形成可連續或逐漸增加地控制的一個或多個波束。上述參考文獻的全部內容通過引用被併入本申請。
DRA的諧振特性尤其依賴於電介質材料體的形狀和大小，此外還依賴於饋線的形狀、大小和位置。應當認識到在DRA中，是電介質材料受到激勵以進行諧振，這歸功於電介質材料中產生的位移電流。這與介電裝載天線形成對比，其中傳統的導電輻射元件被包含在用於修改輻射元件的諧振特性的電介質材料中，但是不會在電介質材料中產生位移電流並且不會產生電介質材料的諧振。
DRA可以採取多種形式，並且可由包括陶瓷介質在內的各種候選材料製成。
電介質諧振器天線陣列的介紹從1983年人們第一次對電介質諧振器天線(DRA)進行系統學習起[LONG，S.A.，MCALLISTER，M.W.，and SHEN，L.C.「The ResonantCylindrical Dielectric Cavity Antenna」，IEEE Transactions on Antennas andPropagation，AP-31，1983，pp 406-412(LONG，S.A.，MCALLISTER，M.W.和SHEN，L.C.的「諧振圓柱式介電諧振腔天線」，IEEE天線和傳播學報，AP-31，1983，第406-412頁)]，由於它們發射效率高，與最常使用的傳輸線具有良好的匹配，並且具有小的物理尺寸，所以人們對它們的輻射圖的興趣逐漸增加[MONGIA，R.K.and BHARTIA，P.「DielectricResonator Antennas-A Review and General Design Relations for ResonantFrequency and Bandwidth″，International Journal of Microwave andMillimetre-Wave Computer-Aided Engineering，1994，4，(3)，pp 230-247，(MONGIA，R.K.和BHARTIA，P.的「電介質諧振器天線-諧振頻率和帶寬的評論和常規設計」，微波和毫米波計算機輔助工程國際雜誌，1994，4，(3)，第230-247頁)]。
根據目前的報導，大部分結構都使用裝在接地基底或地平面上的電介質材料片，所述電介質材料片或者由位於地平面中的單孔徑饋電激勵[ITTIPB300N，A.，MONGIA，R.K.，ANTAR，Y.M.M.，BHARTIA，P.andCUHACI，M″Aperture Fed Rectangular and Triangular DielectricResonators for use as Magnetic Dipole Antennas″，Electronics Letters，1993，29，(23)，pp 2001-2002(ITTIPB300N，A.，MONGIA，R.K.，ANTAR，Y.M.M.，BHARTIA，P.和CUHACI，M的「用於磁偶極子天線的孔徑饋電式矩形和三角形電介質諧振器」，電子學報1993，29，(23)，第2001-2002頁)]或由插入電介質材料的單極探針激勵[MCALLISTER，M.W.，LONG，S.A.and CONWAY G.L.″Rectangular Dielectric ResonatorAntenna″，Electronics Letters，1983，19，(6)，pp 218-219(MCALLISTER，M.W.，LONG，S.A.和CONWAY G.L.的「矩形電介質諧振器天線」，電子學報，1983，19，(6)，第218-219頁)]。利用傳輸線進行直接激勵也有一些作者進行了報導[KRANENBURG，R.A.and LONG，S.A.″Microstrip Transmission Line Excitation of Dielectric ResonatorAntennas″，Electronics Letters，1994，24，(18)，pp 1156-1157(KRANENBURG，R.A.和LONG，S.A.的「電介質諧振器天線的微帶傳輸線激勵」，電子學報，1994，24，(18)，第1156-1157頁)]。
應用一系列DRAs構造天線陣列的思想已經由一些作者提了出來，例如，具有兩個柱式單饋電DRA的陣列已在文獻中被描述[CHOW，K.Y.，LEUNG，K.W.，LUK，K.M.AND YUNG，E.K.N.「Cylindricaldielectric resonator antenna array」，Electronics Letters，1995，31，(18)，pp1536-1537(CHOW，K.Y.，LEUNG，K.W.，LUK，K.M.和YUNG，E.K.N.的「柱形電介質諧振器天線陣列」，電子學報，1995，31，(18)，第1536-1537頁)]，並且被擴展到4個DRA的矩形矩陣[LEUNG，K.W.，LO，H.Y.，LUK，K.M.AND YUNG，E.K.N.″Two-dimensional cylindricaldielectric resonator antenna array″，Electronics Letters，1998，34，(13)，pp1283-1285(LEUNG，K.W.，LO，H.Y.，LUK，K.M.和YUNG，E.K.N.的「二維柱形電介質諧振器天線陣列」，電子文學，1998，34，(13)，第1283-1285頁)]。四個交叉DRA的矩形矩陣也被進行了研究[PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.and CUHACI，M.「Array of circular-polarized crossdielectric resonator antennas」，Electronics Letters，1996，32，(19)，pp 1742-1743，(PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.和CUHACI，M.的「圓極化交叉電介質諧振器天線陣列」，電子文學，1996，32，(19)，第1742-1743頁)]。單饋電DRA的長線性陣列與電介質波導[BIRAND，M.T.ANDGELSTHORPE，R.V.″Experimental millmeter array using dielectricradiators fed by means of dielectric waveguide″，Electronics Letters，1983，17，(18)，pp 633-635(BIRAND，M.T.和GELSTHORPE，R.V.的「利用由電介質波導饋電的電介質輻射器的試驗性的毫米陣列，電子學報，1983，17，(18)，第633-635頁)]或微波傳輸帶[PETOSA，A.，MONGIA，R.K.，ITTIPIBOON，A.AND WIGHT，J.S.″Design of microstrip-fed series arrayof dielectric resonator antennas″，Electronics Letters，1995，31，(16)，pp1306-1307(PETOSA，A.，MONGIA，R.K.，ITTIPIBOON，A.和WIGHT，J.S.的「電介質諧振器天線的微帶饋電系列陣列的設計」，電子學報，1995，31，(16)，第1306-1307頁)]的饋電相結合的調研被開展開來。最近的研究組已經發現了提高微帶饋電DRA陣列帶寬的方法[PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.和LAROSE，R.「Bandwidthimprovement for microstrip-fed series array of dielectric resonatorantennas」，Electronics Letters，1996，32，(7)，pp 608-609(PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.和LAROSE，R.的「電介質諧振器天線的微帶饋電系列的陣列帶寬提高」，電子學報，1996，32，(7)，第608-609頁)]。近來已經開始對可用於形成柱形電介質諧振器天線的多列同相天線陣的不同構造進行研究[WU，Z.；DAVIS，L.E.AND DROSSOS，G.″Cylindrical dielectric resonator antenna arrays″，ProceedingsOFICAP-LLTH International Conference on Antennas and Propagation，2001，p.668.(WU，Z.；DAVIS，L.E.和DROSSOS，G.的「柱形電介質諧振器天線陣列」，關於天線和傳播的ICAP第11次國際會議學報，2001，第668頁)]。
上述論文主要聚焦於對DRA元件陣列的饋電機制的方法和檢查為各種應用的這些陣列帶來的益處的方法，指出這一點是非常重要的。上述這些公開都沒有討論本申請提出的思想，即，產生特定的DRA激勵模態(mode)，用以產生特定的遠場圖形，進而構成特定的陣列幾何形狀。
分成一半的DRA的介紹在設計用於可攜式移動通訊系統(如，行動電話手持裝置和類似物)的微型電介質諧振器天線時存在的問題是，必須利用高介電材料以使得天線在物理上小到足夠與可攜式移動通訊系統兼容。此舉通常會導致天線在帶寬方面太小。因此，識別具有低輻射品質因數的DRA幾何結構和模態是非常重要的，因此，這些DRA幾何結構和模態本質上是寬帶輻射裝置。人們認識到分成一半的柱形DRA是這樣的裝置已經有一些時間了，見[JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.AND GLISSON A.W.″Numericalanalysis of dielectric resonator antennas excited in the quasi-TE-modes″，Electronics Letters，1993，29，(21)，pp 1810-1811(JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.和GLISSON A.W.的「由準TE模態激勵的電介質諧振器天線的數字分析」，電子學報，1993，29，(21)，第1810-1811頁)]或[KAJFEZ，D.AND GUILLON，P.(Eds)″Dielectric resonators″，Artech House，Inc，Norwood，MA，1986(KAJFEZ，D.和GUILLON，P.(Eds)的「電介質諧振器」，阿泰克豪司公司，Norwood MA，1986)]。本申請的
圖1示出了分成一半的DRA幾何結構，其來源於[KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIO S.″Characteristics of half volume TE mode cylindricaldielectric resonator antennas″，to be published in IEEE Transactions onAntennas and Propagation，January 2002(KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIO S的「半容積TE模態柱形電介質諧振器天線的特性」，待出版的IEEE天線和傳播的學報，2002)]。圖1示出了接地的導電基底，半柱形電介質諧振器位於其上，半柱形電介質諧振器的矩形表面3鄰近於導電基底1。電介質諧振器2具有的厚度為d，半徑為a，並且通過插入到矩形表面3中距表面3的中心點一定距離的單探針獲得饋電。諧振器2還具有一對半圓形表面5。這些分成一半的天線的帶寬作為特定的研究對象[KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.AND GLISSON A.W.″Study ofbroadband dielectric resonator antennas″，Published in Antenna applicationsSymposium，1999，p.45(KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.和GLISSON A.W.的「電介質諧振器的研究」，天線應用研討會出版，1999，第45頁)]，並且已有報導，某些結構可以具有高達35％的帶寬。
分成一半的柱式DRAs形成陣列的應用用於分成一半的柱形DRA的最常用的模態是TE或準TE模態，其輻射圖在文獻[KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIOS.″Characteristics of half volume TE mode cylindrical dielectric resonatorantennas″，to be published in IEEE Transactions on Antennas andPropagation，January 2002(KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.和SAARIO S.的「半容積TE模態柱形電介質諧振器天線的特性」，待在IEEE天線和傳播學報出版，雜誌2002)或文獻[JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.AND GLISSON A.W.″Numerical analysis of dielectric resonator antennasexcited in the quasi-TE modes″，Electronics Letters，1993，29，(21)，pp1810-1811(UNKER，G.P.，KISHK，A.A.和GLISSON A.W.的「準TE模態激勵的電介質諧振器天線的數字分析」，電子學報，1993，29，(21)，第1810-1811頁)]裡得到描述。在這種模態下，最大輻射方向沿著天線的長軸。為了從這些元件裡形成天線陣列，需要並排地迭加元件2使其長的半圓形表面5相互平行如圖2a所示的一樣。這使得在元件2之間具有最小的耦合-這是好的陣列設計所需要的。這是一種形成具有垂直極化的水平陣列的好方法，但是，當天線陣列被垂直地轉動以形成例如移動通訊應用所需類型的陣列時，陣列變成水平極化，如圖2b所示。通常說來，在許多移動通訊應用中垂直極化優於水平極化，因為它能夠以低的仰角提供較好的傳播。
所需的是這樣一種諧振模態，該諧振模態在沿著半柱形介電元件的長軸分布的輻射圖裡具有零值，以使多個這些元件能夠如圖2c所示一樣被配置。另外，通過將電介質諧振器裝在接地基底(地平面)中的槽隙之上或者其附近而使模態受到激勵是優選的，因為這是一種比使用探針饋電的方法更加簡單、便宜的產品組裝方法。所需的模態具有與HEM11δ模態同樣的輻射圖形狀，但其極化相反，HEM11δ模態在文獻[KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.AND GLISSON A.W.″Study of broadband dielectricresonator antennas″，published in Antenna applications Symposium，1999，p.45(KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.和GLISSON A.W.的「電介質諧振器天線的帶寬的研究」，天線應用研討會出版，1999，第45頁)]中有報導。所需模態與由水平電偶極子產生的輻射圖相對應並且是EH11δ模態。不幸的是，在學術印刷物上已有關於EH11δ是分成一半的柱形DRA的一種可能的模態的報導[MONGIA R.K.，et.al.″A half-split cylindrical dielectricresonator antenna using slot-coupling″，IEEE Microwave and Guided WaveLetters，1993，3，(2)，pp.38-39(MONGIA R.K.等人的「應用槽隙耦合的分成一半的柱形電介質諧振器天線」，IEEE微波和波導文學，1993，3，(2)第38-39頁)]，但還沒有出版物描述它是如何被激勵的。事實上，它是一種費力的激勵模態，因為對稱平面需要是磁性的而不是被電性的，因此不能使用包含探針或槽隙或相似饋電結構的簡單的導電基底或地平面。
發明內容
本申請的申請人發現了一種改進的DRA和一種在分成一半的柱形DRA中為EH11δ模態(mode)進行有效的槽隙饋電(slot feeding)的方法並在本專利申請中將其提出。這種方法還可以應用到具有不同於分成一半的柱形的形狀的DRAs。
根據本發明的第一個方面，提供了一種電介質諧振器天線，包括具有充分平坦的縱向表面的電介質諧振器和具有相對設置的第一和第二表面的接地基底，並且電介質基底與所述第二表面相鄰，其中i)所述接地基底包括以第一方向縱向地延伸並具有預定寬度的槽隙；ii)所述電介質諧振器被布置成使得其縱向表面接近所述接地基底的所述第一表面，在所述縱向表面和所述第一表面之間具有間隙，並且所述縱向表面的一個端區覆蓋住所述槽隙的寬度；iii)所述電介質諧振器的所述縱向表面的主體部分(majority)上設有導電層，所述縱向表面的所述端區沒有所述導電層；以及iv)在所述接地基底的所述第二表面上的所述電介質基底上設有帶狀饋線，所述帶狀饋線與所述電介質諧振器的所述縱向表面充分共同延展，並且延伸超過所述接地基底中的所述槽隙的寬度。
根據本發明的第二個方面，提供了一種製造電介質諧振器天線的方法，所述電介質諧振器天線包括具有充分平坦的縱向表面的電介質諧振器和具有相對設置的第一和第二表面的接地基底，並且電介質基底與所述第二表面相鄰，其中i)在所述接地基底中形成槽隙，所述槽隙縱向地以第一方向延伸並且具有預定的寬度；
ii)在所述接地基底的所述第二表面上的所述電介質基底上設置帶狀饋線，所述帶狀饋線通常垂直於所述接地基底中的所述槽隙並且具有延伸超出所述槽隙的寬度的一端；iii)在所述電介質諧振器的所述縱向表面的主體部分(majority)上塗布導電層，並使所述縱向表面的一個端區沒有導電層；iv)將所述電介質諧振器排列成使得其縱向表面布置在所述接地基底的所述第一表面附近，在所述縱向表面和所述第一表面之間具有間隙，並且所述縱向表面的所述端區覆蓋住所述槽隙的寬度；v)將所述電介質諧振器天線連接到諧振分析儀，並且使所述電介質諧振器在所述接地基底的第一表面的上方來回移動直到找到諧振位置為止，在所述諧振位置處，所述諧振分析儀探測到預定的諧振模態；vi)在所述諧振位置處用添加有導電金屬的粘合劑將所述電介質諧振器的所述縱向表面與所述接地基底的所述第一表面粘合在一起；以及vii)削減延伸超出所述接地基底中的所述槽隙的所述帶狀饋線的所述端，直到由所述諧振分析儀測量到的所述預定諧振模態與其它可能的諧振模態相比佔有主導地位為止。
儘管也可以按照本發明實施方案的方式對包括TE02或TE02δ模態、TE01模態和混合模態在內的其它模態實現激勵，但優選地將所述DRA配置成以EH11δ諧振模態運行。所述諧振模態通常受到所述電介質諧振器元件的尺寸和形狀的影響，但也可受到饋電機構的結構影響。
在本發明的運行實施方案中，可以在所述諧振器的所述縱向表面與所述接地基底的所述第一表面之間的所述間隙中充分地填充以導電粘合劑，儘管所述間隙中原則上也可以用適當的材料填充，包括空氣和其它的適當材料。但是，如果需要的是磁性對稱面的而不是電性對稱平面，則需要有小的間隙(即便是只有幾微米)以用來激勵預定的諧振模態。
任選地，一旦被安裝在所述接地基底上，所述電介質諧振器外露的表面可被去除(可能通過銼削或磨削)用以通過提高模態的頻率來加強EH11δ諧振模態或其它諧振模態。例如，在電介質諧振器具有分成一半的柱形結構並且其矩形基底面為所述縱向表面的情況下，電介質諧振器的彎曲表面的頂部可通過磨削或銼削被去除，從而留下平坦的上表面。優選地，當應用這種技術時，所述電介質諧振器最初具有較大的尺寸(由此具有比所需頻率低的諧振頻率)，因此，磨削或銼削處理通過將EH11δ模態或其它諧振模態的諧振頻率增大至所需的頻率，從而幫助調諧DRA。
在當前的優選實施方案中，所述電介質諧振器為分成一半的柱形諧振器，其矩形基底面即為所述縱向表面。然而，在經過適當的定位和調諧之後，其它的電介質諧振器幾何形狀也可以產生所需的EH11δ諧振模態或其它模態。本申請的申請人發現，在分成一半的柱形諧振器具有被變平或經過磨削的彎曲表面、和/或具有錐形或斜側面的情況下，它可以在帶寬等發麵有所提高。其它可能的電介質諧振器的幾何形狀包括矩形和三角形(例如，長方形或三稜形)。它們可以被變平或經過磨削或進過斜切和/或具有錐形或斜側面。
所述介電基底可以是用於製造印刷電路板(PCBs)的類型。
所述帶狀線饋線優選地為微帶線饋線。
所述諧振分析儀可以是矢量網絡分析儀。
所述導電塗層可以使用金屬化的塗料，例如添加有銀的塗料，並且優選地被塗布兩層。然而，根據用於諧振器的材料，也可以將不同的金屬和它們的組合物塗布在不同的電介質諧振器上。在優選的實施方案中，所述電介質諧振器由陶瓷材料製成，但也可以採用其它適當的電介質材料。
除了槽隙饋電以外，也可使用直接微帶饋電機構。
根據本發明的第三個方面，提供了一種電介質諧振器天線，包括電介質諧振器，其具有充分平坦的縱向表面；電介質基底，其具有相對設置的第一和第二表面，所述第二表面上設有導電地平面，所述第一表面上設有直接微帶饋線，所述直接微帶饋線隨著所述第一表面縱向延伸，所述電介質諧振器被裝在所述第一表面上，以使所述電介質諧振器的所述平坦的縱向表面與所述直接微帶饋線接觸，並且隨其共同延展。
優選地，所述直接微帶饋線沿著所述電介質基底的所述第一表面延伸超出所述諧振器的所述縱向表面，從而形成一個伸出部分(overhang)。所述伸出部分的長度可被改變以用於將DRA調諧至特定的頻率。所述伸出部分可以在所述電介質基底的平面中是捲曲的或是直的。所述伸出部分可以連接到電容器(事實上，所述伸出部分本身就起到了電容器的作用)以用於附加的調諧。
所述電介質諧振器的縱向平表面的全部或部分可配以導電層，例如導電塗料或類似物。在只有部分所述縱向平表面上設有導電層的情況下，所述導電層優選地被塗布成與所述直接微帶饋線的寬度相匹配。可以在所述縱向平表面的角部設置小的導電材料墊，以提高所述電介質基底的所述第一表面上的機械穩定性。作為一種選擇，所述縱向平表面上也可以沒有導電層。
根據所述電介質諧振器的幾何形狀和在所述電介質諧振器上的導電層的存在或不存在或者其構形，本發明第三方面所述的DRA可以被用來以EH模態、TE01模態、TE02模態或組合模態進行諧振。
直接微帶饋電(direct microstrip feeding)的益處是，它可以獲得良好的帶寬，並且同時具有可以保持使電介質基底的第二表面上具有導電地平面的益處(就是說，其通過地平面的輻射低，並且具有好的抗DRA失調性)。本發明第三方面提供的DRA非常易於製造。
建立EH11δ模態的主要益處之一是，如上所述，以這種模態運行的多個DRA能夠組成如圖2c所示的陣列。在這種陣列中，DRA元件2以端對端的線性陣列方式放置，優選地，所述陣列作為整體而相對於地球的重力垂直放置。所述陣列運行良好，因為每個DAR元件沿著其縱向表面的方向有零位或近似零位值，因此，在運行其間，相鄰的DRA元件在很大程度上不會產生電磁耦合。
根據本發明的第四個方面，提供了一種由符合本發明的第一或第三方面的電介質諧振器天線組成的陣列，在所述陣列中，所述天線被排列成使所述電介質諧振器的所述縱向表面充分地共線(colinear)。
所述陣列優選地被配置成使所述縱向表面在給定的平面內充分地共線，並且所述電介質諧振器朝向同一方向。所述陣列優選地被配置為垂直陣列，即，所述電介質諧振器的所述縱向表面充分地共線並通常垂直於給定的地球地平面。
當所述線性陣列被垂直地布置時，每一個所述DRA元件的輻射圖在水平面內近似是全方向的，因此它提供了良好的方位角覆蓋。另外，每一個DRA元件的仰角輻射圖定義了非常精確的波束寬度(在某些情況下正好是55度)，由此也能夠為移動通訊應用提供良好的輻射圖控制。該垂直線性陣列能給出窄的仰角輻射圖，並且，如果每一單個的DRA元件也在仰角方面具有儘可能窄的輻射圖以使所述元件不會朝著所述陣列沒有指向的方向輻射能量，則所述陣列是最具有效率的。
所述陣列的另一個優點是可以構造幾乎是全方向的垂直單極型天線，但是所述天線可獲得比使用偶極子獲得的增益更高的增益。典型的電偶極子具有的峰值元件增益是2dBi，舉例來說，5個這樣的偶極子具有總的峰值增益約是9dBi。本發明實施方案的DRA所獲得的增益可多達4dBi(甚至可以潛在地獲得更高的增益)，這樣，在仍然保持偶極子的良好方位角覆蓋的同時，這些元件的陣列總的增益值將約為11dBi。在將來，有可能通過對DRA元件做出進一步改進而使其增益更進一步的提高。
為了更好地理解本發明並說明它是如何被實施的，下面將參照附圖通過舉例的方式進行說明，在附圖中圖1是現有技術的分成一半的柱形DRA；圖2a是如圖1所示的三個DRA構成的水平陣列的平面圖；圖2b是如圖1所示的三個DRA構成的垂直陣列的側視圖；圖2c是期望的垂直陣列結構的側視圖；圖3顯示本發明的設有槽隙饋線的DRA的垂直斷面；圖4顯示圖3所示的DRA的電介質諧振器的縱向表面；圖5顯示用於構造圖3所示DRA的矢量網絡分析儀的第一信號軌跡；圖6顯示用於構造圖3所示DRA的矢量網絡分析儀的第二信號軌跡；圖7顯示利用水平極化測得的圖3所示DRA的y-z共極性遠場輻射圖；圖8顯示利用水平極化測得的圖3所示DRA的x-y共極性遠場輻射圖；圖9顯示利用水平極化測得的圖3所示DRA的x-z共極性遠場輻射圖；圖10顯示本發明的具有直接微帶饋線的DRA。
圖1，2a，2b和2c在介紹本申請時已經論述過了。
圖3顯示了本發明的優選的DRA，其包括接地的導電基底1，在接地的導電基底1的上方設有分成一半的柱形陶瓷電介質諧振器2，分成一半的柱形陶瓷電介質諧振器2具有設置在所述接地基底1的正上方的縱向矩形表面3。接地的導電基底1包括形成在其內的槽隙6，所述槽隙6以充分垂直於諧振器2的縱向表面(longitudinal surface)3的方向縱向地延伸，縱向表面3的一端7置於槽隙6的上方。接地基底1位於電介質基底8的第一側面上，電介質基底8可以是印刷電路板(PCB)。微帶饋線9設在電介質基底8的第二側面，微帶饋線9與電介質諧振器2的縱向表面3同時充分延展，並且稍微伸出超過槽隙6的寬度。饋線9伸出超過槽隙6的寬度的部分10被定義為「伸出部分(overhang)」。除了端區7之外的諧振器2的縱向表面3的所有部分被塗布以金屬化的塗料11，如圖4所示。金屬化塗料11可以添加有銀和其它金屬，並且優選地被塗布成兩個塗層。縱向表面3的端區7可在塗布之前被遮蓋以使端區7沒有塗料11。另外，縱向表面3通過金屬化粘合劑100粘合在接地基底1上，該金屬化粘合劑100也可添加有銀。
現在將對經過本申請人構造和測試的本發明的一個實施方案進行描述。具有約110的相對介電常數和7.5mm的半徑以及20mm長×7mm寬的縱向表面3的分成一半的柱形陶瓷電介質諧振器2被安裝到具有長為18mm、寬為2mm的槽隙6的接地基底1之上。在將諧振器2安裝到接地基底1上之前，除了端區7的所有縱向表面3被塗布以兩層添加有銀的塗料11，端區7的長度至少與槽隙6的寬度一樣大。微帶饋線9被裝於PCB 8的另一側，以與諧振器的縱向表面3共同延展，並且伸出超過所述槽隙6為伸出部分10的長度，伸出部分10的長度大約是1到2mm。接地基底1利用添加有銀的粘合劑100安裝在標準FR4 PCB 8上。經過測試，發現該DRA以2382MHz的頻率運行(諧振)。峰值增益是2.9dBi，在-10DB點處的S11回波損耗(return loss)是144MHZ，在-3DB點處的S21發射帶寬是幾百MHZ。
當構造上述的DRA時，執行各種調諧操作。在用塗料11塗布縱向表面3之後，但在用粘合劑100固定諧振器2之前，諧振器2被大致地置於接地基底1的上方，接地基底1被連接到矢量網絡分析儀(VNA)(未標出)。然後諧振器2在接地基底1的上方來回移動直到VNA顯示出如圖5所示的軌跡12為止。軌跡12顯示了主諧振模態(resonance mode)13(它不是所需的EH11δ模態)以及位於14處的小傾斜(dip)(它即為所需的EH11δ模態)。
一旦發現正確的位置，諧振器2的縱向表面3被利用添加有銀的粘合劑100與接地基底1粘合在一起。VNA保持與DRA連接以保證能夠再次找到正確的定位，然後使粘合劑100乾燥。
一旦粘合劑100乾燥，饋線9的伸出部分10被削減到小於2mm的長度以調諧DRA。當伸出部分10正在被削減或縮短時，VNA顯示如圖6所示的軌跡15，軌跡15具有作為所需的EH11δ模態的主諧振模態16(與圖5相比較)，以及在17處的大大降低的傾斜(它對應於圖5中不想要的諧振模態13)。
圖7到圖9中顯示的是三個主要的DRA輻射圖，它們都是利用相對於接地基底1的水平極化測得的。圖7顯示出水平面中的輻射圖幾乎是全方向的。圖8(x軸是垂直方向的，y軸是從左到右)顯示出了輻射圖中的零位或接近零位的位置18，該零位或接近零位的位置18證實上述DRA正在像水平電偶極子一樣在起作用，這時，在x軸方向具有有效的零位值，因此能夠構建出元件的線性陣列，如圖2c所示。當上述線性陣列被垂直旋轉後，水平極化變成垂直極化，因此給予移動通訊應用以所需的陣列模態。最後，圖9(z軸是垂直方向的)顯示出每一DRA的仰角輻射圖正好具有55度的波束寬度，因此為移動通訊應用提供了對輻射圖的良好控制。
圖10是一種可選的DRA結構，其中所需的諧振模態可被激勵。分成一半的柱形陶瓷電介質諧振器20(其彎曲的表面21經過磨削以提供平頂22)的平坦的縱向表面被裝在電介質基底23的第一側面。電介質基底23與第一側面相對的第二側面裝有導電地平面24。電介質基底23的第一側面設有直接傳導的微帶饋線25，它從諧振器20的縱向表面下經過並隨其共同延展且通常與其平行。直接傳導的微帶饋線25設有安裝在電介質基底23的第二側面上並且經由信號引腳27與饋線25電接觸的連接器26。上述連接器26還包括用於連接到傳導地平面24的接地線28，接地線28和信號引腳27互相絕緣。饋線25沿著電介質基底23的第一表面延伸以超出諧振器20以用於提供伸出部分29。可以改變伸出部分29的長度以通過提供不同的電容效應而把DRA調諧到特定的頻率。伸出部分29在基底23的平面上顯示為彎曲的構形，但是作為一種選擇它也可以是直的構形。諧振器20的縱向表面可用金屬塗料(未示出)完全塗布，或者沿著饋線25的饋線部分地被塗布，或者根本不帶有金屬塗料。
本發明優選的特徵能應用於本發明的所有方面並且可以任何組合的方式使用。
在本文的說明書和權利要求書中，詞語「包括(comprise)」和「包含(contain)」及其變體(如「包括(comprising)」和「包括(comprises)」)的意思是「包括但不限於」，且不意圖排除其它組分、整體、部分、添加物或步驟。
權利要求
1.一種電介質諧振器天線，包括具有充分平坦的縱向表面的電介質諧振器和具有相對設置的第一和第二表面的接地基底，並且電介質基底與所述第二表面相鄰，其中i)所述接地基底包括以第一方向縱向地延伸並具有預定寬度的槽隙；ii)所述電介質諧振器被布置成使得其縱向表面接近所述接地基底的所述第一表面，在所述縱向表面和所述第一表面之間具有間隙，並且所述縱向表面的一個端區覆蓋住所述槽隙的寬度；iii)所述電介質諧振器的所述縱向表面的主體部分上設有導電層，所述縱向表面的所述端區沒有所述導電層；以及iv)在所述接地基底的所述第二表面上的所述電介質基底上裝有帶狀饋線，所述帶狀饋線與所述電介質諧振器的所述縱向表面充分共同延展，並且延伸超過所述接地基底中的所述槽隙的寬度。
2.如權利要求1所述的天線，其特徵在於，所述天線在其運行期間以EH11δ模態諧振。
3.如權利要求1或2所述的天線，其特徵在於，所述電介質諧振器具有半柱形結構，所述半柱形結構具有的矩形基底面為所述縱向表面。
4.如權利要求1或2所述的天線，其特徵在於，所述電介質諧振器由半柱形電介質諧振器構成，所述半柱形電介質諧振器具有矩形的基底面和與所述矩形基底面相對的表面，所述矩形基底面為所述縱向表面，所述與矩形基底面相對的表面被變平以形成一個平頂。
5.如權利要求1或2所述的天線，其特徵在於，所述電介質諧振器具有長方形的結構，所述長方形結構具有的矩形基底面為所述縱向表面。
6.如權利要求1或2所述的天線，其特徵在於，所述電介質諧振器具有三稜形的結構，所述三稜形的結構具有的矩形基底面為所述縱向表面。
7.權利要求1或2所述的天線，其特徵在於，所述電介質諧振器由三稜形電介質諧振器構成，所述三稜形電介質諧振器具有矩形的基底面和與所述矩形基底面相對的表面，所述矩形基底面為所述縱向表面，所述與矩形基底面相對的表面被變平以形成一個平頂。
8.如前述任意一項權利要求所述的天線，其特徵在於，所述導電層為金屬化塗料。
9.如前述任意一項權利要求所述的天線，其特徵在於，所述電介質諧振器的縱向表面利用添加有導電材料的粘合劑與所述接地基底粘合在一起，所述粘合劑定出了所述表面之間的間隙。
10.一種製造電介質諧振器天線的方法，所述電介質諧振器天線包括具有充分平坦的縱向表面的電介質諧振器和具有相對設置的第一和第二表面的接地基底，並且電介質基底與所述第二表面相鄰，其中i)在所述接地基底中形成槽隙，所述槽隙縱向地以第一方向延伸並且具有預定的寬度；ii)在所述接地基底的所述第二表面上的所述電介質基底上設置帶狀饋線，所述帶狀饋線通常垂直於所述接地基底中的所述槽隙並且具有延伸超出所述槽隙的寬度的一端；iii)在所述電介質諧振器的所述縱向表面的主體部分上塗布導電層，並使所述縱向表面的一個端區沒有導電層；iv)將所述電介質諧振器排列成使得其縱向表面布置在所述接地基底的所述第一表面附近，在所述縱向表面和所述第一表面之間具有間隙，並且所述縱向表面的所述端區覆蓋住所述槽隙的寬度；v)將所述電介質諧振器天線連接到諧振分析儀，並且使所述電介質諧振器在所述接地基底的第一表面的上方來回移動直到找到諧振位置為止，在所述諧振位置處，所述諧振分析儀探測到預定的諧振模態；vi)在所述諧振位置處用添加有導電金屬的粘合劑將所述電介質諧振器的所述縱向表面與所述接地基底的所述第一表面粘合在一起；以及vii)削減延伸超出所述接地基底中的所述槽隙的所述帶狀饋線的所述端，直到由所述諧振分析儀測量到的所述預定諧振模態與其它可能的諧振模態相比佔有主導地位為止。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述預定諧振模態是EH11δ諧振模態。
12.如權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，所述電介質諧振器具有半柱形結構，所述半柱形結構帶有矩形的基底面和彎曲的表面，所述矩形的基底面為所述縱向表面。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述電介質諧振器的彎曲的表面被變平以形成一個平頂。
14.如權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，所述電介質諧振器具有三稜形的結構，所述三稜形的結構具有矩形的基底面和與所述矩形基底面相對的頂端，所述矩形的基底面為所述縱向表面。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述電介質諧振器的所述頂端被變平以形成一個平頂。
16.如權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，所述電介質諧振器具有長方形結構，所述長方形結構具有矩形的基底面，所述矩形的基底面為所述縱向表面。
17.如權利要求10到16中的任意一項所述的方法，其特徵在於，所述導電層由金屬化塗料塗布而成。
18.如權利要求10到17中的任意一項所述的方法，其特徵在於，所述諧振分析儀是矢量網絡分析儀。
19.如權利要求12或14或從屬與它們的任何權利要求所述的方法，其特徵在於，所述電介質諧振器的所述彎曲的表面或頂端通過銼削或磨削被變平，從而使得所述天線的諧振頻率增加。
20.一種電介質諧振器天線，包括電介質諧振器，其具有充分平坦的縱向表面；電介質基底，其具有相對設置的第一和第二表面，所述第二表面上設有導電地平面，所述第一表面上設有直接微帶饋線，所述直接微帶饋線隨著所述第一表面縱向延伸，所述電介質諧振器被裝在所述第一表面上，以使所述電介質諧振器的所述平坦的縱向表面與所述直接微帶饋線接觸，並且隨其共同延展。
21.如權利要求20所述的天線，其特徵在於，所述直接微帶饋線沿著所述電介質基底的所述第一表面延伸超出所述電介質諧振器的縱向表面從而提供一個伸出部分。
22.如權利要求21所述的天線，其特徵在於，所述伸出部分在所述電介質基底的平面中是彎曲的。
23.如權利要求21所述的天線，其特徵在於，所述伸出部分完全是直的。
24.如權利要求20到23中的任意一項所述的天線，其特徵在於，所述電介質諧振器的全部縱向平表面上設有導電層。
25.如權利要求20到23中任意一項所述的天線，其特徵在於，只有所述電介質諧振器的縱向平表面與所述直接微帶饋線接觸的部分上設有導電層。
26.如權利要求23或25所述的天線，其特徵在於，所述導電層為金屬化的塗料。
27.如權利要求20到26中的任意一項所述的天線，其特徵在於，所述天線在其運行的過程當中以EH模態諧振。
28.一種由權利要求1到9或20到27中任意一項所述的、或利用如權利要求10到19中任意一項所述的方法製造出的電介質諧振天線的陣列，在所述陣列中，所述天線被排列成使所述電介質諧振器的所述縱向表面充分地共線。
29.如權利要求28所述的陣列，其特徵在於，所述縱向表面按照通常與給定的地球地平面垂直的方向對齊。
30.如權利要求29所述的陣列，其特徵在於，所述陣列產生具有垂直極化的輻射圖。
全文摘要
本發明公開了一種適用於以EH
文檔編號H01Q9/04GK1643729SQ03806714
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月26日 優先權日2002年3月26日
發明者西蒙·菲利普·金斯利, 史蒂文·格雷戈裡·奧基夫, 提姆·約翰·帕爾默, 詹姆士·威廉·金斯利 申請人:安蒂諾瓦有限公司