專利名稱：具有從地平面和/或從至少一個輻射元件延伸的導電柱的平面天線、及對應的生產(chǎn)方法
技術領域：
本發(fā)明的領域是包括由電介質(zhì)與地平面分離的至少一個輻射元件(也稱作“補片”、平面圖案、輻射圖案或印刷圖案)的類型的平面天線的領域。
我們的時代當前正在經(jīng)歷移動網(wǎng)絡，并且更一般地說，所有“無線”網(wǎng)絡，的顯著擴展。由于這樣的系統(tǒng)帶來對于多個方面，如連接靈活性、移動性、調(diào)配或網(wǎng)絡擴充的可能性，的吸引人的影響，所以這種擴展在將來應該繼續(xù)以高度顯著的方式增長。
事實上，在所有這些系統(tǒng)中，輻射元件起關鍵元件的作用，就其而論，要求的規(guī)范日益嚴格。顯然與這些天線相關的電氣性能的所有領域需要不斷優(yōu)化，但也有滿足日益苛刻標準的需要，如空間要求、這些元件的重量或成本。
天線小型化當前因此代表有意義的挑戰(zhàn)，并且在這個領域中在國際水平下正在進行大量工作。這種小型化事實上提供了大量優(yōu)點，在這些優(yōu)點可以下列舉的是天線可容易地建造成機載設備(具體地說，在移動設備內(nèi))、網(wǎng)聯(lián)這些輻射元件的較大靈活性(由于它們的小尺寸)、特別是便于寬束操縱系統(tǒng)的并入的較寬圖形孔徑、等等。
在用來并入天線的不同工藝中，平面方案當今似乎特別適當，以便滿足所有要求技術參數(shù)。這種平面手段事實上供給設計者在具有特別小尺寸的有效方案的開發(fā)方面的足夠靈活性。
借助于在天線領域中完全傳統(tǒng)誤用的語言，“平面天線”(或使用平面工藝實施的天線)認為是-實際上是平面的兩根天線，就其而論，地平面和輻射元件是平面，
-和實際上不是平面的天線，換句話說，對于該天線，地平面和/或至少一個輻射元件不是平面，但模型化到給定三維(3D)形狀，以便在形狀上與支撐相符。
上述第二種類的平面天線(實際上不是平面的天線)一般，但不是必須地，使用印刷工藝制成。這解釋為什么在歷史上，在表達“平面天線”中已經(jīng)選擇了形容詞“平面的(planar)”，來表示具有基于三維(3-D)波導管的傳統(tǒng)天線結構的對立物。本發(fā)明落在這種框架內(nèi)，并且在上述意義上更準確地涉及原始平面天線方案，和涉及一種其允許基本印刷圖案(換句話說，也稱作補片的輻射元件)的物理尺寸顯著減小的制造方法。
背景技術：
平面天線尺寸的減小是使它們更容易使用和并入現(xiàn)代系統(tǒng)中的主要問題。
至今實施的大多數(shù)方案的基本原理在于增加印刷圖案的等效電氣長度，從而它可在要求的頻率下輻射，同時減小其物理尺寸(即，其表面或其體積)。
為此，最常用的結構對應于-具有刻槽的補片型方案，這些槽允許信號的電氣路徑在平面圖案上延長(見例如專利文件WO01/31739和WO01/17063)，或-輻射圖案折回以便得到緊湊性的方案(見例如專利文件WO02/052680、WO01/63695及US6,483,462B2)應該注意，這些不同概念也可以在同一結構中組合(見例如專利文件WO02/101874)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的具體目的在于，提供一種與至今用來增大天線的印刷圖案(輻射元件或補片)的等效電氣長度的那些相差很大的技術，以便得到非常緊湊的平面天線。
本發(fā)明的另外目的在于，提供這樣一種直接實施并且便宜的技術。
本發(fā)明的進一步目的在于，提供這樣一種可應用于任何種類的平面輻射結構，如基本“半波補片”或“四分之一波補片”天線、“環(huán)形補片”天線、“刻槽補片”天線，PIFA(平面倒置-F天線)天線、等等，的技術。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供這樣一種與包括幾個輻射元件堆疊的平面天線一樣好地應用于具有單一輻射元件的平面天線的技術。
本發(fā)明的又一個目的在于，提供一種基于非常直接集成技術、用于平面天線的制造的對應方法，該方法允許找到非常低成本方案，完全適應在客戶市場的擴展。
這些不同目的、和以后將出現(xiàn)的其它目的根據(jù)本發(fā)明通過使用一種類型的平面天線滿足，該類型的平面天線包括由電介質(zhì)與地平面分離的至少一個輻射元件。根據(jù)本發(fā)明，天線還包括導電柱的至少一個組合件，這些導電柱連接到屬于包括地平面和所述至少一個輻射元件的組的元件的至少一個上，并且從其延伸；以便對于給定諧振頻率減小所述至少一個輻射元件的至少一個物理尺寸。
本發(fā)明的一般原理因此簡單地包括把柱布置在平面天線的地平面上和/或一個或多個輻射元件(補片)上。
在本發(fā)明的上下文中，術語柱在一般意義上使用，因為它能夠分解成不同的變形(并且具體地但不是排它地，如在下面的公開中詳細敘述的那樣，處于突起形式的，孔或接片)。
電介質(zhì)用來指空氣或特性接近空氣的固體材料，像例如塑料、或泡沫型等的材料。
如下面詳細解釋的那樣，關于圖3，這些柱具有局部修改電磁場的分布、和允許輻射元件的至少一個物理尺寸(長度和/或?qū)挾?對于固定諧振頻率減小的效果。
下文指明導電柱的不同組合件。顯然，有本發(fā)明的多個可想象實施例，每個與這些組合件的一個或多個的不同組合相對應。也應該注意，本發(fā)明應用在包括單個輻射元件的天線結構上，或應用在包括幾個輻射元件堆疊的天線結構上。
有利地，天線包括導電柱的第一組合件，這些導電柱連接到地平面上，并且向所述至少一個輻射元件延伸而不連接到其上。
在屬于包括單個輻射元件的類型的天線的情況下，它有利地包括導電柱的第二組合件，這些導電柱連接到所述單個輻射元件上，并且向所述地平面延伸而不連接到其上。
在屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少兩個輻射元件堆疊的類型的天線的情況下，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，天線有利地包括導電柱的第三組合件，這些導電柱連接到所述主輻射元件的第一表面上，并且向所述地平面延伸而不連接到其上。
在屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少兩個輻射元件堆疊的類型的天線的情況下，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，天線有利地包括導電柱的第四組合件，這些導電柱連接到所述主輻射元件的第二表面上，并且向所述輻射元件中的另一個延伸而不連接到其上。
在屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少三個輻射元件堆疊的類型的天線的情況下，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，離地平面最遠的輻射元件稱作上部輻射元件，除主輻射元件和上部輻射元件之外的每個輻射元件稱作中間輻射元件，天線對于中間輻射元件的至少一個，有利地包括導電柱的第五組合件，這些導電柱連接到所述中間輻射元件的第一表面上，并且向所述輻射元件中的另一個延伸而不連接到其上，該另一個沿主輻射元件向上部輻射元件的所述堆疊的伸展的方向跟隨所述中間輻射元件。
在屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少三個輻射元件堆疊的類型的天線的情況下，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，離地平面最遠的輻射元件稱作上部輻射元件，除所述主輻射元件和所述上部輻射元件之外的每個輻射元件稱作中間輻射元件，天線對于中間輻射元件的至少一個，有利地包括導電柱的第六組合件，這些導電柱連接到所述中間輻射元件的第二表面上，并且向所述輻射元件中的另一個延伸而不連接到其上，該另一個沿主輻射元件向上部輻射元件的所述堆疊的伸展的方向先于所述中間輻射元件。
在是包括由電介質(zhì)彼此分離的至少兩個輻射元件堆疊的類型的天線的情況下，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，離地平面最遠的輻射元件稱作上部輻射元件，除所述主輻射元件和所述上部輻射元件之外的每個輻射元件稱作中間輻射元件，天線有利地包括導電柱的第七組合件，這些導電柱連接到所述上部輻射元件的第一表面上，并且向所述輻射元件的另一個延伸而不連接到其上，該另一個沿主輻射元件向上部輻射元件的所述堆疊的伸展的方向先于所述上部輻射元件。
有利地，從地平面、從輻射元件之一分別延伸的導電柱組合件，與從輻射元件之一或從輻射元件中的另一個分別延伸的導電柱的另一個組合件交錯。
有利地，對于導電柱組合件連接到其上的每個輻射元件，所述輻射元件不連接到在其中所述輻射元件與電源裝置相連接的區(qū)域中的任何導電柱上。
有利地，同一導電柱組合件的導電柱以矩陣形式分布。
根據(jù)一個便利特征，導電柱至少一個組合件連接到其上的至少一個輻射元件是沿其兩個主軸線具有對稱性的類型的，并且在該類型中，所述導電柱以遵守所述對稱性的布置而分布。
以這種方式，完全可能的是，按照兩個橫交線性偏振、或者甚至按照圓偏振，使用本發(fā)明的天線?；趯щ娭_發(fā)的方案因此本身對用于任何類型要求偏振的天線的使用不是障礙。
優(yōu)選地，天線屬于的組包括半波輻射元件型的平面天線、四分之一波輻射元件型的平面天線、環(huán)形輻射元件型的平面天線、刻槽輻射元件型的平面天線、倒置-F輻射元件型的平面天線。
有利地，天線屬于的組包括平面天線、和由于地平面的和/或輻射元件的至少一個的非平面性不是平面的天線。
在本發(fā)明的第一具體實施例中，連接到地平面上或輻射元件之一上的導電柱的至少一個，是在第一導電元件中形成的和從所述第一導電元件的主體延伸的導電突起，所述主體形成所述地平面或所述輻射元件。
在本發(fā)明的第二具體實施例中，連接到輻射元件的至少一個上的導電柱的至少一個是導電接片，該導電接片從第二導電元件的至少一個偏心部分上切出，并且相對于第二導電元件的中央部分折回，所述中央部分形成所述輻射元件。
有利地，天線還包括所述第一或第二導電元件的至少一個支撐元件，該支撐元件由介電材料制成，并且允許地平面相對于輻射元件的至少一個定位，或允許所述輻射元件相對于地平面或輻射元件的至少另一個定位。
在本發(fā)明的第三具體實施例中，連接到地平面上或輻射元件的至少一個上的導電柱的至少一個，是從介電材料層的第一表面延伸的導電孔，所述第一表面攜帶所述地平面或所述至少一個輻射元件，所述導電孔從所述第一表面延伸，并且在所述介電材料層的第二表面上不露出，所述導電孔的表面涂有導電材料。
本發(fā)明也涉及一種制造平面天線的過程，該類型的平面天線包括由電介質(zhì)與地平面分離的至少一個輻射元件。根據(jù)本發(fā)明，該方法包括實施導電柱的至少一個組合件的階段，這些導電柱連接到屬于包括地平面和所述至少一個輻射元件的組的元件的至少一個上，并且從其延伸；以便對于給定諧振頻率減小所述至少一個輻射元件的至少一個物理尺寸。
在本發(fā)明的第一具體實施例中，對于導電柱的組合件連接到其上的地平面和/或輻射元件的至少一個，方法包括如下階段實施第一導電元件，它包括-主體，形成所述地平面或所述輻射元件；和-至少一個導電突起，從所述主體延伸，從而形成連接到地平面上或輻射元件之一上的導電柱之一。
在本發(fā)明的第二具體實施例中，對于導電柱的組合件連接到其上的輻射元件的至少一個，方法包括如下階段-實施第二導電元件，它包括形成所述輻射元件的中央部分；-從所述第二導電元件的偏心部分切出至少一個導電接片；-所述至少一個導電接片相對于中央部分折回，從而形成連接到輻射元件之一上的導電柱之一。
有利地，過程還包括階段使用由介電材料制成的至少一個支撐元件，相對于天線的另一個元件定位所述第一或第二導電元件。
在本發(fā)明的第三具體實施例中，對于導電柱的組合件連接到其上的地平面和/或輻射元件的至少一個，方法包括如下階段-在介電材料層中實施至少一個孔，所述至少一個孔從所述層的第一表面延伸，并且在所述層的第二表面上不露出；-導電材料的涂層選擇性地涂敷到*所述第一表面的至少一部分上，從而形成所述地平面或所述輻射元件；和*所述至少一個孔的表面上，從而得到導電孔，該導電孔形成連接到地平面上或輻射元件之一上的導電柱之一。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將由本發(fā)明優(yōu)選實施例的和附圖的描述顯現(xiàn)，該描述純粹作為例子并且決不是限制性地給出，在附圖中圖1表示根據(jù)本發(fā)明、使柱分布在輻射元件下的半波補片型平面天線的例子的立體圖；圖2是沿軸線B-B′在圖1中的天線的剖視圖；圖3的上部部分是沿軸線A-A′在圖1中的天線的剖視圖，使得有可能解釋定位在輻射元件下的柱的效果，并且圖3的下部部分是柱的效果的電氣模型；圖4表示根據(jù)本發(fā)明、使柱分布在輻射元件下的四分之一波補片型平面天線的例子；圖5表示根據(jù)本發(fā)明、使柱分布在輻射元件下的環(huán)形補片型平面天線的例子；圖6表示基于三維(3-D)金屬元件和定位支撐的使用、用根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第一實施例得到的天線的例子；圖7表示基于具有金屬鍍非露出孔的介電基片層的使用、用根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第二實施例得到的天線的例子；圖8提供來自根據(jù)本發(fā)明的半波補片類型的平面天線的實驗結果的說明，該平面天線用根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第二實施例得到；圖9提供來自傳統(tǒng)半波補片類型的平面天線的實驗結果的說明，該平面天線具有與根據(jù)本發(fā)明的、其結果表明在圖8中的天線相同的尺寸；圖10提供來自根據(jù)本發(fā)明的四分之一波補片類型的平面天線的實驗結果的說明，該平面天線用根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第二實施例得到；圖11提供來自傳統(tǒng)四分之一波補片類型的平面天線的實驗結果的說明，該平面天線具有與根據(jù)本發(fā)明的、其結果表明在圖10中的天線相同的尺寸；圖12是根據(jù)本發(fā)明、具有兩個堆疊輻射元件的天線構造的剖視圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明具有一個輻射元件的天線的變形的剖視圖，其中地平面和單個輻射元件的下表面具有導電柱；圖14是根據(jù)本發(fā)明具有兩個輻射元件的天線的變形的剖視圖，其中地平面和主輻射元件的兩個表面具有導電柱；圖15是根據(jù)本發(fā)明具有一個輻射元件的天線的另一種變形的剖視圖，其中地平面是平的，并且單個輻射元件是共形的(conformed)；圖16是根據(jù)本發(fā)明具有兩個輻射元件的天線的另一種變形的剖視圖，其中地平面和兩個輻射元件是共形的；圖17是根據(jù)本發(fā)明具有一個輻射元件的天線的另一種變形的立體圖，使以接片形式制成的柱分布在輻射元件的周緣上；及圖18是根據(jù)本發(fā)明具有三個輻射元件的天線的另一種變形的剖視圖，其中主輻射元件的一個表面和中間輻射元件的兩個表面具有導電柱。
具體實施例方式
在圖1至7、12及17中，同一元件從一張圖至下一張保持同一附圖標記(具體地說，1用于輻射元件，2用于地平面，3用于在輻射元件與地平面之間的電介質(zhì)，及4用于導電柱)。
傳統(tǒng)平面天線包括至少一個輻射元件和地平面。至少一種電介質(zhì)分離最靠近地平面的輻射元件和地平面本身，并且把輻射元件彼此分離。“電介質(zhì)”認為指空氣或擁有較接近空氣的特性的固體材料，像例如塑料、泡沫等等的材料。
本發(fā)明的一般原理除這種類型的傳統(tǒng)平面天線之外，包括連接到地平面和/或一個或多個輻射元件上并且從地平面和/或一個或多個輻射元件延伸的多個導電柱，以便對于給定諧振頻率減小所述至少一個輻射元件的至少一個物理尺寸。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明、使導電柱僅分布在輻射元件下的半波補片型平面天線的一個例子的立體圖。這些柱4連接到輻射元件1上，并且向地平面2延伸而不連接到它上。在這個例子中，天線由位于半波長度的兩個分離端處的兩個輻射槽5建模(圖3)。
柱例如按照稱作矩陣的空間分布而分布，如圖2中所示，圖2是沿軸線B-B′的在圖1中的天線的剖視圖。這種分布可以是均勻的或不均勻。一般地說，柱的任何類型的布置是可想象的，而不脫離本發(fā)明的框架。
圖3的上部部分是沿軸線A-A′在圖1中的天線的剖視圖，使得有可能解釋定位在輻射元件下的柱的效果。在輻射元件1與地平面2之間的電場的分布以虛線箭頭表示。圖3的下部部分是定位在輻射元件1下的柱4的效果的電氣模型化。
在電氣方面，定位在輻射圖案1與地平面2之間、并且只連接到這個輻射圖案1上的柱4，具有局部修改電磁場分布的作用，因此有返回到這些柱4與輻射圖案1的不同連接點的等效電容性效應(局部電容C)的增大。因此，在輻射圖案1上的信號相速減小，這允許對于固定諧振頻率減小輻射圖案1的至少一個物理尺寸(長度和/或?qū)挾?(見下面關于解釋這個的數(shù)學推理的提示)。應該注意，長度和/或?qū)挾鹊倪@種減小直接取決于在輻射圖案1下的柱4的數(shù)量，并且取決于其位置和尺寸(長度和直徑)。因而，例如，柱的數(shù)量和長度增加得越多，尺寸減小得越多。
為了弄清楚上文，應該記住，就輻射元件而論，相速v_是局部電容C和局部電感L的函數(shù) 因此，C的增大允許v_減小。
此外，在給定諧振頻率fres下，天線必須等效于給定電氣長度φ。例如對于半波補片型天線φ＝180°。
事實上，φ＝β×lphysique，其中β＝(2πfres/v_)，并且lphysique是天線的物理長度。因此，φ＝2πfres(lphysique/v_)。
對于給定fres和φ，如果v_減小，那么lphysique也減小，所以實現(xiàn)天線的小型化。此外，C增大得越多，v_減小得越多，并因此lphysique減小得越多。
不必具有均勻的柱組合件。優(yōu)選地可設想，設計形式和尺寸不同的柱。
為了把功率供給到根據(jù)本發(fā)明的平面天線，所有傳統(tǒng)激勵裝置是可設想的，不管是通過連接到輻射元件的邊緣之一上并且起正確地適應天線的阻抗轉換器作用的直接線段、通過直接連接到在輻射元件的表面上的等效“50Ω”點的探針還是通過基于電磁耦合的激勵方案。
在所有情況下，為了不妨礙與放置在天線上游的信號處理電路的這種連接，在必要的場合在由在輻射元件與電源裝置之間的這種互連局部涉及的區(qū)域下不添加任何柱就足夠了。
另一方面，在圖1中的例子中，考慮沿輻射元件1的兩個主軸線(在圖2中的X、Y)的對稱性。換句話說，根據(jù)考慮這種對稱性的布置而分布柱。因此優(yōu)選地可能是，根據(jù)兩個交叉線性偏振、或甚至在圓偏振中使用天線?；趯щ娭_發(fā)的方案因此本身對用于任何類型要求的偏振的天線的使用不是障礙。
強調(diào)由本發(fā)明的技術供給的優(yōu)點的充分程度的另一個基本點，就任何其它類型的平面天線在于其實施的容易性。的確，在輻射元件下導電柱的原理可沒有特別困難地適應非常不同的平面天線構造和幾何形狀，不管對于具有地返回的平面圖案、對于開出溝槽的或環(huán)形圖案、對于刻槽圖案還是以非常一般的方式，對于本領域的技術人員已知的任何其它類型的平面結構。
為了說明這點，根據(jù)本發(fā)明具有柱的平面天線的兩個其它例子在圖4和5中給出有一種四分之一波補片型的平面天線，使地返回(給出附圖標記6)位于支撐晶片3之一上(圖4)，并且有一種環(huán)形補片型的平面天線(圖5)。
關于根據(jù)本發(fā)明具有柱的平面天線的材料實施例，幾種直接制造方法是可設想的，這種簡單性是用于特別降低這些元件的成本的基本標準。
根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第一實施例現(xiàn)在將相對于圖6呈現(xiàn)。在這個第一實施例中，輻射元件(補片)1和柱4制成為單個導電元件7(例如金屬元件)，通過加工、敲打、或用于三維金屬元件制造的任何其它方法得到。換句話說，導電元件7的主體形成輻射元件1，并且導電柱4是在導電元件中形成的并且從這個元件的主體延伸的導電突起。
這個元件然后轉移到一個或多個支撐元件8，允許它相對于下部地平面定位。優(yōu)選方案包括，在支撐處8以這樣一種方式使用其本質(zhì)使它接近空氣的介電材料，從而這個支撐或這些支撐從電磁觀點看盡可能透明。例如推薦泡沫型材料的使用，對于這種材料，電氣特性完全符合要求的技術參數(shù)(例如來自ROEHM的聚甲基丙烯酸酯亞胺泡沫ROHACELL對于5GHz，εr＝1.11并且tgδ＝7×10-4)。在一種實施例變形中，由其制出支撐元件的介電材料，是例如通過已知技術之一容易成形的塑料材料。
圖6表示基于三維金屬元件7(集成輻射元件1和柱4)和定位支撐8的使用、用根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第一實施例得到的天線的例子。在導電柱4連接到其上的輻射元件1與地平面2之間的空間中包括的電介質(zhì)3是例如空氣。
根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第二實施例現(xiàn)在將相對于圖7呈現(xiàn)。這個第二方案更多地符合用來實施標準印刷電路的技術。
它涉及，在天線的支撐基片3(它可能是泡沫、塑料材料等等，換句話說，除空氣之外的介電材料層)中直接鉆出非露出孔(通孔)，并且以選擇方式用導電材料涂敷這個基片的上表面(從而形成輻射元件1)、和從這個上表面延伸的孔的內(nèi)側(從而形成導電柱4)。換句話說，導電柱4這里以導電孔的形式嵌入。
在優(yōu)選實施例中，導電材料涂層包括金屬鍍敷。這種金屬鍍敷能以直接方式例如通過導電涂料的沉積或通過電化學沉積而實現(xiàn)。顯然，對于本領域的技術人員已知的任何技術可用來施加導電材料涂層。
在電氣方面，導電孔(通孔4)具有與在以前方案中的導電柱(導電突起)類似的效果，所以減小輻射元件1的尺寸。
這個元件(其上表面攜帶輻射元件1并且具有多個金屬鍍敷孔4的支撐基片3)然后經(jīng)其下表面與地平面2產(chǎn)生接觸，以得到最終天線結構。
應該注意，對于這個第二方案，也優(yōu)選的是，挑選泡沫型的基片，該基片如以前指出的那樣具有完全適于平面天線實施的電氣特性，并且此外非常容易地適于根據(jù)要求形狀的三維構造。在一種實施例變形中，支撐基片是由已知模壓技術之一容易成形的塑料材料。
圖7表示基于介電基片3的使用、用根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第二實施例得到的天線的例子，該介電基片3的上表面攜帶輻射元件1，并且具有形成導電柱4的多個金屬鍍敷孔。
根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的第三實施例現(xiàn)在將相對于圖17呈現(xiàn)。在這個第三實施例中，輻射元件(補片)和柱以如下方式制成
-實施導電元件171(例如金屬箔)，它包括形成輻射元件1的中央部分；-從這個導電元件的周緣(換句話說，在這個元件的偏心部分中，與中央部分相鄰)切出多個導電接片；-導電接片相對于中央部分折回，從而形成連接到輻射元件1上的導電柱4。一旦折回(例如與形成輻射元件的中央部分正交地)，導電接片4就例如定位在形成支撐元件170的基片的晶片上。
圖17表示基于制成折回導電接片的、用根據(jù)本發(fā)明的天線制造方法的這個第三實施例得到的天線的例子，該導電接片形成導電柱4。
輻射元件相對于地平面或反之亦然通過一個或多個支撐的使用被定位，該支撐可具有與在圖6中表示的那些相同的樣式。在優(yōu)選實施例中，支撐元件中只不過是介電基片170的晶片，其高度稍大于接片的高度，從而避免在接片與地平面之間的任何接觸。
為了使根據(jù)本發(fā)明的小型平面天線有效，制成在圖7中表示的天線類型的、根據(jù)本發(fā)明的第一天線原型。這是印刷在尺寸50×50×10mm3的泡沫材料上并且轉移到100×100mm2的地平面上的半波補片型的方案。在這個基片中，圓柱形幾何形狀(直徑Φ＝2mm并且高度h＝7.5mm)的非露出孔均勻地鉆在泡沫塊的整個上表面上。在當前情況下，這個上表面和孔的內(nèi)側通過銀基導電涂料(參照Spraylat 59983730)的直接沉積金屬鍍敷。在偏振水平下，形成選擇以集成直接線性偏振天線，該天線那么只要求一個激勵點。后者通過同軸探針的使用而實現(xiàn)，該同軸探針在其端部處連接到在輻射元件的上表面上的等效“50Ω”點上。
完全可設想的是，具有其中孔具有可變形狀和尺寸的設計。
圖8給出來自根據(jù)本發(fā)明的這個第一平面天線原型的實驗結果的說明。天線的特征在于適應性和沿優(yōu)選輻射軸線的傳輸。傳輸測量基于在開發(fā)原型與基準天線(在當前情況下，印刷偶極子)之間的直接鏈路估算的實施。應該注意，由于這種鏈路估算在無回波腔室中得不到，所以表示的結果允許僅定性地表示輻射。
作為比較，也印刷在泡沫上并且具有與以前輻射元件相同尺寸(50×50×10mm3)的直接傳統(tǒng)半波補片天線的測量表示在圖9中。為了允許在兩種天線之間的這種比較，在與以前一種全部類似的條件下測量鏈路估算。
如可在圖8和9中看到的那樣，根據(jù)本發(fā)明的天線(具有非露出孔)的諧振頻率遠小于傳統(tǒng)天線的諧振頻率。事實上可注意到這個諧振頻率的值的25％的減小(換句話說，Δf＝665MHzfrminia.＝1.969GHz，代替frclassi.＝2.634GHz)。除頻率的這種顯著移動外，適應水平、帶寬及輻射基本上保持正確，如由對于兩種天線測量的響應表示的那樣。本發(fā)明的技術(添加導電柱4)因此導致用來小型化印刷圖案的(輻射元件)的顯著潛力。
為了強調(diào)本發(fā)明技術的通用性質(zhì)，制成第二小型天線原型有一種四分之一波補片天線，使地返回位于支撐晶片之一上。如在以前情況下那樣，它是在選擇的泡沫材料中分布的孔(通孔)的原理。這種天線印刷在尺寸25×25×10mm3的基片上，并且轉移到100×100mm2的地平面上。非露出孔仍然具有圓柱形幾何形狀(Φ＝2mm并且h＝7.5mm)。地返回由5mm寬接片實施，該接片印刷在泡沫支撐基片的晶片之一上，并且在其端部處連接到地平面上。激勵由連接到“50Ω”點上的同軸探針得到。
圖10提供來自根據(jù)本發(fā)明的這個第二平面天線的實驗結果的說明。這個第二原型的特征也在適應和傳輸。
這些結果可與來自四分之一波補片型的傳統(tǒng)天線的那些相比較，該傳統(tǒng)天線除了非露出孔的存在之外，幾何形狀完全類似于第二原型的幾何形狀，并且性能在圖11中給出。
如圖10和11中所示，對于根據(jù)本發(fā)明的天線(具有非露出孔)可再次觀察到向低頻率的清楚移動，所以有輻射元件(基片印刷圖案)的尺寸的顯著減小的可能性。在這種情況下，諧振頻率已經(jīng)下降約20％(Δf＝265MHzfrminia.＝1.210GHz，代替frclassi.＝1.475GHz)。天線的其它性能方面初看起來似乎未受干擾。
此外，本發(fā)明的一般原理(在輻射元件的表面下添加柱，以便對于固定諧振頻率減小其至少一個物理尺寸(長度和/或?qū)挾?)也可應用于具有多個堆疊元件的平面天線。
將記住，這個種類的多元件天線例如用于寬帶用途，或同樣地用于多頻率用途。
作為例子，圖12表示根據(jù)本發(fā)明、具有兩個堆疊輻射元件的天線構造的剖視圖。
這種天線包括由第一電介質(zhì)3與地平面2分離的主輻射元件1、和由第二電介質(zhì)9與主輻射元件1分離的上部輻射元件10。
主輻射元件定義為是最接近地平面的輻射元件。上部輻射元件定義為是離地平面最遠的輻射元件。
在這個例子中，根據(jù)本發(fā)明的小型化的概念(柱124的添加)僅應用于主輻射元件1。換句話說，上部輻射元件10不連接到任何柱上。
一般地說，天線可以包括任何數(shù)量的堆疊輻射元件，并且本發(fā)明的概念(添加導電柱)可以應用于在堆疊中的所有輻射元件，或僅應用于其一個或多個。
如在以上已經(jīng)提到那樣，本發(fā)明的概念(添加導電柱)也可以獨立地或與對于一個或多個輻射元件的應用相組合地應用于地平面(把柱添加到其面對輻射元件布置的表面上)。換句話說，在本發(fā)明的上下文中，如下不同情形是可設想的-只有地平面具有導電柱；-只有一個或多個輻射元件具有導電柱；-地平面和一個或多個輻射元件具有導電柱。這種構造允許更進一步減小輻射元件的最終尺寸。
圖13是根據(jù)本發(fā)明具有一個輻射元件的天線的變形的剖視圖。地平面132具有導電柱135。單個輻射元件131的下表面也具有導電柱134。那么有第一柱134的矩陣分布在輻射元件131下方且僅連接到其上，并且有第二柱135的矩陣分布在地平面上方且僅連接到這個平面上。這兩個矩陣位于在上部輻射元件與下部地平面之間的區(qū)域中。為了避免在兩個矩陣的柱之間的任何接觸，第一柱與第二柱錯開。
在這種情況下，以前所描述的柱(相對于圖3)的電氣效應被強化，這允許相應地減小對于固定頻率的輻射元件的物理尺寸(長度和/或?qū)挾?。
為了使這種原理有效，制成使柱連接到輻射元件上和連接到地平面上的天線原型。這是印刷在尺寸50×50×10mm3的泡沫材料上并且轉移到100×100mm2的地平面上的半波補片型的方案。與相同尺寸的傳統(tǒng)半波補片(換句話說，沒有柱)相比，諧振頻率的減小那么非常顯著這個頻率事實上從對于傳統(tǒng)天線的2.634GHz下降到對于本發(fā)明的天線的1.225GHz，給出大于53％的減少。這因此導致用于基本印刷圖案的超小型化的可能性。
在包括幾個輻射元件堆疊的情況下，本發(fā)明的概念(添加導電柱)也同時應用于同一輻射元件的兩個表面(除在堆疊中的最后一個，換句話說，離地平面最遠的一個)。換句話說，同一輻射元件可以包括從其下表面延伸的第一柱、和從其上表面延伸的第二柱。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的天線的一種變形的剖視圖，該天線包括地平面142和兩個輻射元件141、147。地平面142具有導電柱144。上部輻射元件147不具有柱。主輻射元件141在其下表面上具有第一導電柱146，并且在其上表面上具有第二導電柱145。
圖18是根據(jù)本發(fā)明的天線的另一種變形的剖視圖，該天線包括地平面180和三個輻射元件主輻射元件181(見以上定義)、上部輻射元件183(見以上定義)及中間輻射元件182。中間輻射元件定義為在主輻射元件與上部輻射元件之間放置的輻射元件。地平面180和上部輻射元件183不具有柱。主輻射元件181在其下表面上具有導電柱184。中間輻射元件182在其下表面上具有第一導電柱185，并且在其上表面上具有第二導電柱186。一般說，同一輻射元件在其表面上都具有導電柱的事實允許天線小型化得更多。在同一天線中，當然可能有多個輻射元件，這些輻射元件在其兩個表面上具有導電柱。
本發(fā)明應用于任何類型的平面天線(在一般意義上以上已經(jīng)討論)，換句話說，與應用于實際上是平面的平面天線同樣好地應用于實際上不是平面的平面天線(由于地平面和/或至少一個輻射元件不是平面但根據(jù)給定三維形狀符合的事實)。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的天線的另一種變形的剖視圖，該天線包括平的地平面152、和輻射元件151，該輻射元件151具有導電柱154，并且是共形的(換句話說，具有非平面三維形狀)。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的天線的另一種變形的剖視圖，該天線包括地平面162，它具有導電柱164并且是共形的；和兩個輻射元件161、167，它們每一個具有導電柱165、166并且是共形的。包括在上部輻射元件167與地平面162之間、具有附圖標記161的輻射元件叫做主輻射元件。
以上相對于圖6、7及17已經(jīng)呈現(xiàn)了應用于具有導電柱的輻射元件制造的制造技術的三個例子。在第一技術中，導電柱是導電突起(圖6)。在第二技術中，導電柱是導電孔(圖7)。在第三技術中，導電柱是導電接片(圖17)。第一和第二技術可用來制造包括柱的地平面。另一方面，給定地平面具有總是大于輻射元件的尺寸，第三技術(接片)不能應用于包括導電柱的地平面的制造。
應該注意，在以導電孔的形成制成柱的情況下，同一層介電基片可以在其下表面上攜帶地平面(或第一輻射元件)，并且在其上表面上攜帶輻射元件(或第二輻射元件)。連接到地平面(或連接到第一輻射元件)上的柱以第一導電孔的形式制成，該第一導電孔從基片層的下表面延伸，并且在基片層的上表面上不露出。連接到輻射元件(或連接到第二輻射元件)上的柱以第二導電孔的形式制成，該第二導電孔從基片層的下表面延伸，并且在基片層的下表面上不露出。
也應該注意，上述制造技術可組合。例如，對于地平面或輻射元件，可實施導電元件，該導電元件一方面包括形成第一導電柱的導電突起，并且另一方面包括形成第二導電柱的折回導電接片。
當然，本發(fā)明不限于上述實施例例子。可以預期通過利用柱的數(shù)量、尺寸、形狀及布置允許天線尺寸更進一步小型化的其它變形。
在能夠在使用平面天線的任何應用領域(移動用途、衛(wèi)星通信用途、無線RF用途等等)在非常不同的頻率范圍中(從幾百MHz至幾十GHz)可以實施本發(fā)明的一般原理。
權利要求
1.一種平面天線，包括由電介質(zhì)(3)與地平面(2)分離的至少一個輻射元件(1)，其特征在于它還包括導電柱的至少一個組合件(4；124；134；144至146；154；164至166；184至186)，這些導電柱連接到屬于包括地平面和所述至少一個輻射元件的組的元件的至少一個上，并且從其延伸；以便對于給定諧振頻率減小所述至少一個輻射元件的至少一個物理尺寸。
2.根據(jù)權利要求1所述的天線，其特征在于它包括導電柱的第一組合件(135；144；164)，這些導電柱連接到地平面上，并且向所述至少一個輻射元件延伸而不連接到其上。
3.根據(jù)權利要求1和2任一項所述的天線，屬于包括單個輻射元件的類型，其特征在于它包括導電柱的第二組合件(4；134；154)，這些導電柱連接到所述單個輻射元件上，并且向所述地平面延伸而不連接到其上。
4.根據(jù)權利要求1和2任一項所述的天線，屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少兩個輻射元件堆疊的類型，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，其特征在于它包括導電柱的第三組合件(124；146；165；184)，這些導電柱連接到所述主輻射元件的第一表面上，并且向所述地平面延伸而不連接到其上。
5.根據(jù)權利要求1至4而除權利要求3之外的任一項所述的天線，屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少兩個輻射元件堆疊的類型，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，其特征在于它包括導電柱的第四組合件(145)，這些導電柱連接到所述主輻射元件的第二表面上，并且向所述輻射元件中的另一個延伸而不連接到其上。
6.根據(jù)權利要求1至5而除權利要求3之外的任一項所述的天線，屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少三個輻射元件堆疊的類型，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，離地平面最遠的輻射元件稱作上部輻射元件，除主輻射元件和上部輻射元件之外的每個輻射元件稱作中間輻射元件，其特征在于它對于中間輻射元件的至少一個，包括導電柱的第五組合件(186)，這些導電柱連接到所述中間輻射元件的第一表面上，并且向所述輻射元件中的另一個延伸而不連接到其上，該另一個沿主輻射元件向上部輻射元件的所述堆疊的伸展的方向跟隨所述中間輻射元件。
7.根據(jù)權利要求1至6而除權利要求3之外的任一項所述的天線，屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少三個輻射元件堆疊的類型，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，離地平面最遠的輻射元件稱作上部輻射元件，除所述主輻射元件和所述上部輻射元件之外的每個輻射元件稱作中間輻射元件，其特征在于它對于中間輻射元件中的至少一個，包括導電柱的第六組合件(185)，這些導電柱連接到所述中間輻射元件的第二表面上，并且向所述輻射元件中的另一個延伸而不連接到其上，該另一個沿主輻射元件向上部輻射元件的所述堆疊的伸展的方向先于所述中間輻射元件。
8.根據(jù)權利要求1至7而除權利要求3之外的任一項所述的天線，屬于包括由電介質(zhì)彼此分離的至少兩個輻射元件堆疊的類型，最靠近地平面的輻射元件稱作主輻射元件，離地平面最遠的輻射元件稱作上部輻射元件，除所述主輻射元件和所述上部輻射元件之外的每個輻射元件稱作中間輻射元件，其特征在于它包括導電柱的第七組合件(166)，這些導電柱連接到所述上部輻射元件的第一表面上，并且向所述輻射元件中的另一個延伸而不連接到其上，該另一個沿主輻射元件向上部輻射元件的所述堆疊的伸展的方向先于所述上部輻射元件。
9.根據(jù)權利要求1至8任一項所述的天線，其特征在于從地平面或從輻射元件之一分別延伸的導電柱組合件，與從輻射元件之一或從輻射元件中的另一個分別延伸的導電柱的另一個組合件交錯。
10.根據(jù)權利要求1至9任一項所述的天線，其特征在于對于導電柱組合件連接到其上的每個輻射元件，所述輻射元件不連接到在其中所述輻射元件與電源裝置相連接的區(qū)域中的任何導電柱上。
11.根據(jù)權利要求1至10任一項所述的天線，其特征在于同一導電柱組合件的導電柱以矩陣形式分布。
12.根據(jù)權利要求1至11任一項所述的天線，其特征在于導電柱的至少一個組合件連接到其上的至少一個輻射元件是沿其兩個主軸線呈現(xiàn)對稱性的類型的，并且所述導電柱以遵守所述對稱性的布置而分布。
13.根據(jù)權利要求1至12任一項所述的天線，其特征在于它屬于的組包括半波輻射元件型的天線、四分之一波輻射元件型的天線、環(huán)形輻射元件型的天線、刻槽輻射元件型的天線、倒置-F輻射元件型的天線。
14.根據(jù)權利要求1至13任一項所述的天線，其特征在于它屬于的組包括平面天線、和由于地平面的和/或輻射元件的至少一個的非平面性而不是平面的天線。
15.根據(jù)權利要求1至14任一項所述的天線，其特征在于連接到地平面上或輻射元件之一上的導電柱中的至少一個，是在第一導電元件(7)中形成的和從所述第一導電元件的主體延伸的導電突起，所述主體形成所述地平面或所述輻射元件。
16.根據(jù)權利要求1至15任一項所述的天線，其特征在于連接到輻射元件中的至少一個上的導電柱的至少一個是導電接片，該導電接片由第二導電元件(171)的至少一個偏心部分上切出，并且相對于第二導電元件的中央部分折回，所述中央部分形成所述輻射元件。
17.根據(jù)權利要求15和16任一項所述的天線，其特征在于它還包括所述第一(7)或第二(171)導電元件的至少一個支撐元件(8；170)，該支撐元件由介電材料制成，并且允許地平面相對于輻射元件中的至少一個定位，或允許所述輻射元件相對于地平面或輻射元件中的至少另一個定位。
18.根據(jù)權利要求1至17任一項所述的天線，其特征在于連接到地平面上或輻射元件中的至少一個上的導電柱中的至少一個，是從介電材料層的第一表面延伸的導電孔，所述第一表面攜帶所述地平面或所述至少一個輻射元件，所述導電孔從所述第一表面延伸，并且在所述介電材料層的第二表面上不露出，所述導電孔的表面涂有導電材料。
19.一種用來制造平面天線的方法，該類型的平面天線包括由電介質(zhì)(3)與地平面(2)分離的至少一個輻射元件(1)，其特征在于它包括實施導電柱(4)的至少一個組合件的階段，這些導電柱連接到屬于包括地平面和所述至少一個輻射元件的組的元件的至少一個上，并且從其延伸，以便對于給定諧振頻率減小所述至少一個輻射元件的至少一個物理尺寸。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于對于導電柱的組合件連接到其上的地平面和/或輻射元件的至少一個，所述方法包括如下階段實施第一導電元件，該第一導電元件包括-主體，形成所述地平面或所述輻射元件；和-至少一個導電突起，從所述主體延伸，從而形成連接到地平面上或輻射元件之一上的導電柱之一。
21.根據(jù)權利要求19和20任一項所述的方法，其特征在于對于導電柱的組合件連接到其上的輻射元件的至少一個，方法包括如下階段-實施第二導電元件，它包括形成所述輻射元件的中央部分；-從所述第二導電元件的偏心部分切出至少一個導電接片；-所述至少一個導電接片相對于中央部分折回，從而形成連接到輻射元件之一上的導電柱之一。
22.根據(jù)權利要求20、21任一項所述的方法，其特征在于它還包括階段使用由介電材料制成的至少一個支撐元件，相對于天線的另一個元件定位所述第一或第二導電元件。
23.根據(jù)權利要求19至22任一項所述的方法，其特征在于對于導電柱的組合件連接到其上的地平面和/或輻射元件的至少一個，該方法包括如下階段-在介電材料層中實施至少一個孔，所述至少一個孔從所述層的第一表面延伸，并且在所述層的第二表面上不露出；-導電材料的涂層選擇性地涂敷到*所述第一表面的至少一部分上，從而形成所述地平面或所述輻射元件；和*所述至少一個孔的表面上，從而得到導電孔，該導電孔形成連接到地平面上或輻射元件之一上的導電柱之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面天線，它包括由電介質(zhì)(3)與地平面(2)分離的至少一個輻射元件(1)。本發(fā)明的天線也包括導電柱的組合件(4)，這些導電柱以這樣一種方式連接到包括地平面和至少一個輻射元件的組的至少一個元件上并且從其延伸，從而減小對于給定諧振頻率的至少一個輻射元件的至少一個物理尺寸。
文檔編號H01Q9/04GK1998111SQ200580019034
公開日2007年7月11日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權日2004年4月30日
發(fā)明者讓-菲利普·庫佩茲, 克利斯蒂安·普爾森, 瑟爾格·皮耐爾 申請人:布列塔尼通信研究小組/國立高等工程師學校