專利名稱：天線輻射單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用輻射單元的超高頻域內(nèi)的通信天線傳輸無(wú)線電波的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
已經(jīng)針對(duì)諸如GSM、DCS/PCS、UMTS等的移動(dòng)通信服務(wù)開(kāi)發(fā)了各種形狀的輻射單元。特別地，其中的一種是稱之為“蝴蝶”單元的輻射單元，其中通過(guò)兩個(gè)偶極子以45°的正交極化相互交叉形成該單元。這些單元在無(wú)線性能、產(chǎn)業(yè)化能力、生產(chǎn)成本以及魯棒性方面呈現(xiàn)出各種優(yōu)點(diǎn)。這是為什么在低于2. 5GHz的應(yīng)用中，這些單元被大量使用的原因。對(duì)于高頻段來(lái)說(shuō)，輻射單元的尺寸以及安裝方式受到很大的限制，因此由于其尺寸和機(jī)械性能的原因，該型單元有其一定的局限性。這就是為什么例如對(duì)于WIMAX天線(頻段2. 3-2. 7GHz和3. 3-3. 8GHz)來(lái)說(shuō)，使用印刷在電介質(zhì)基板上的輻射單元。這一解決方法的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以使得制造精確，具有重復(fù)性，并且對(duì)不同頻段都適用。然而，在帶寬和波束寬度方面，特別是在水平面，尤其是當(dāng)放置輻射單元的地平面尺寸有限時(shí)(小于對(duì)應(yīng)于天線工作頻率的波長(zhǎng)Xtl)，這些輻射單元呈現(xiàn)出不足之處。特別需要說(shuō)明的是，為了滿足與信號(hào)的數(shù)字處理相關(guān)的要求，針對(duì)帶寬，新服務(wù)的要求更高，其需要更大可能的增益，以及更緊湊環(huán)境下輻射單元之間非常高程度的絕緣。一種擴(kuò)展輻射單元帶寬的解決方法包括優(yōu)化輻射單元的形狀，從而使其具有寬帶特性以及更好的輻射圖案穩(wěn)定性。輻射單元的環(huán)境也得到了改進(jìn)改進(jìn)了地平面和側(cè)壁的形狀，增加了特殊形狀以優(yōu)化輻射圖案(穩(wěn)定性，波束寬度，交叉極化水平)和耦合圖案(輻射單元之間或者輻射單元的列之間)。然而，新服務(wù)(多媒體，4G電話，2-66GHZ寬帶移動(dòng)接入系統(tǒng))的出現(xiàn)，其需要在高頻段和非常緊湊的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行多極化操作，使得現(xiàn)有的輻射單元呈現(xiàn)出各種局限性，即便是從優(yōu)化的形狀中得到了一定的好處的那些輻射單元也呈現(xiàn)出各種局限性。因此，用戶的需求對(duì)大帶寬的高方向性天線還是造成了一定的壓力。此外，當(dāng)包含輻射單元相鄰列的時(shí)候，移動(dòng)應(yīng)用需要在單元之間呈現(xiàn)出低耦合的高緊湊解決方法。因此，從精確性、可靠性、成本以及性能的立場(chǎng)上出發(fā)需要對(duì)這些單元進(jìn)行修改。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種天線，其在無(wú)線電性能、可靠性以及產(chǎn)品成本方面，相比于現(xiàn)有技術(shù)有改進(jìn)。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種非常緊湊的多極化天線(垂直，水平，或者±45°正交)，其在鄰近的輻射單元之間耦合率相對(duì)較小，盡管有簡(jiǎn)化形式的因素。本發(fā)明還提出了一種天線輻射單元，較之已知的現(xiàn)有技術(shù)的輻射單元，其帶寬擴(kuò)展，其增益增加。本發(fā)明還提出了一種制造天線輻射單元的簡(jiǎn)單、易執(zhí)行的方法。
本發(fā)明的目標(biāo)是一種包含至少一個(gè)天線輻射單元的天線，該天線包括至少一個(gè)偶極子，包含基座和臂，并且印制在具有高介電常數(shù)的平面基板的一個(gè)表面上，至少一條導(dǎo)線，向所述偶極子饋電，并且印制在偶極子的基板上，至少一個(gè)寄生單元，印制在偶極子的基板上，并且平行于偶極子的臂放置，至少一個(gè)寄生單元放置在一個(gè)平面內(nèi)，該平面垂直于承載著輻射單元的基板的平面，并且平行于輻射單元的偶極子的臂，所述寄生單元夾在輻射單元行之間。這里，術(shù)語(yǔ)寄生單元是指導(dǎo)電單元，放置在偶極子之上方，沒(méi)有直接或者間接地通過(guò)偶極子饋電。它經(jīng)常用術(shù)語(yǔ)“導(dǎo)向器”表示。通過(guò)在偶極子上方增加寄生單元可以獲得增益和帶寬的增加。特別需要注意的是，輻射單元的形狀(例如，偶極子/寄生單元的排列，曲線形或者錐形形狀，偶極子的分形設(shè)計(jì))與輻射圖案空間穩(wěn)定性和帶寬阻抗(例如，優(yōu)化交叉極化，拒絕頻帶)的關(guān)聯(lián)。輻射單元已經(jīng)精確到可以在利用高頻，尤其是高于2. 5GHz的那些頻率的新電信服務(wù)中使用。特別是，在平面基板上印制單元的技術(shù)提供了很大的自由和新特性，尤其適用于無(wú)線天線的應(yīng)用。根據(jù)第一種變形，天線包含兩個(gè)交叉的偶極子，這兩個(gè)偶極子分別包含兩個(gè)線性對(duì)應(yīng)的臂，以及與每個(gè)偶極子關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)寄生單元，偶極子和寄生單元印制在包含正交平面的基板上。根據(jù)第二種變形，天線的輻射單元并排地印制在一個(gè)公共平面基板上，以形成一個(gè)行。根據(jù)一種實(shí)施方式，寄生單元具有分形圖案。根據(jù)另一種實(shí)施方式，輻射單元具有分形圖案。根據(jù)一種實(shí)施方式，天線包含至少兩個(gè)疊加寄生單元，印制在偶極子的基板上，并且平行于偶極子的臂。根據(jù)另一種實(shí)施方式，天線還包含一個(gè)干擾單元，放置一個(gè)平面內(nèi)，該平面垂直于承載著輻射單元的基板的平面，并且平行于輻射單元偶極子的臂，所述干擾單元夾在輻射單元行之間。干擾單元的作用在于，通過(guò)在電磁場(chǎng)中引入干擾，使得兩個(gè)輻射單元之間的耦
合最小化。該發(fā)明能夠改善天線的無(wú)線電性能，尤其是改善方向性，增加帶寬，提高多帶操作能力，以及提高單元相鄰列之間的去耦。本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是給出一種方法，用于制造該天線的輻射單元，包含在相同平面電介質(zhì)基板上印制至少一個(gè)偶極子和至少一個(gè)寄生單元的至少一個(gè)步驟，以及在垂直于承載輻射單元的基板的平面的平面電介質(zhì)基板上印制至少一個(gè)干擾單元的步驟。該制造方法的一個(gè)好處在于，簡(jiǎn)單易執(zhí)行，使得有可能獲得一個(gè)可靠?jī)r(jià)廉的輻射單元。按照該方式制造的輻射單元，能夠裝配出更加可靠更加精確的天線，盡管增加了寄生單元數(shù)量，而且附加了干擾單元。


通過(guò)如下示例的實(shí)施方式，該發(fā)明其它的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將會(huì)變得更加清楚，該實(shí)施方式為非限制性的，僅僅是出于說(shuō)明目的而給出的，在附圖中，其中圖la，圖Ib和圖Ic表示了包含寄生單元的垂直極化輻射單元的示意主視圖，圖2a表示了包含類似于圖Ia到Ic中輻射單元的輻射單元的天線的局部視圖，圖2b為這些單元之一的詳細(xì)視圖，圖3表示了 y軸上的反射系數(shù)I根據(jù)X軸上的阻抗F的變化，I的單位是分貝，F(xiàn)的單位為歐姆，圖4為圖2中天線在垂直平面的輻射圖，圖5為圖2中天線在水平面的輻射圖，在圖4和圖5中，Y軸給出了輻射強(qiáng)度R，X軸給出了討論平面的輻射角度A，R的單位為dBi，A的單位為度。圖6描繪了包含多個(gè)寄生單元的輻射單元的示意主視圖，圖7a到圖7h為包含寄生單元的各種垂直極化輻射單元的示意主視圖，圖8a和圖Sb為包含具有分形形狀的寄生單元的垂直極化輻射單元的示意主視圖，圖9a和圖9b為包含寄生單元的交叉極化輻射單元的示意主視圖和后視圖，圖10表示了包含類似于圖9a和圖9b中交叉極化輻射單元的交叉極化輻射單元的天線的局部視圖，圖11描繪了包含具有分形形狀的偶極子和寄生單元的交叉極化輻射單元陣列的立體示意圖，圖12描繪了根據(jù)第一種變形，包含空間隔開(kāi)的寄生單元的交叉極化輻射單元陣列的立體示意圖，圖13描繪了根據(jù)第二種變形，包含空間隔開(kāi)的寄生單元的輻射單元陣列的立體示意圖，圖14描繪了根據(jù)第一種變形，平面垂直極化輻射單元陣列的立體示意圖，其中干擾單元放置在輻射單元行之間，圖15描繪了根據(jù)第二種變形，平面垂直極化輻射單元陣列的一種實(shí)施方式的立體示意圖，其中干擾單元放置在輻射單元行之間。
具體實(shí)施例方式圖Ia到圖Ic描繪了垂直極化輻射單元I的平面直線排列的一個(gè)實(shí)施方式。輻射單元I包含一個(gè)半波偶極子2，它由兩個(gè)通過(guò)槽3隔開(kāi)的半偶極子組成，每個(gè)半偶極子包含支撐著臂5的基座4。偶極子2的兩個(gè)臂5限定了輻射線。為了增加增益和帶寬，在該輻射線上面加了另一個(gè)輻射線，該另一個(gè)輻射線由未與偶極子2電連接的寄生或者“導(dǎo)向器”單元6形成。偶極子2由連接到平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)線7饋電，其中該不平衡轉(zhuǎn)換器未在圖中示出。帶狀偶極子2和寄生單元6印制在具有低介電常數(shù)e (l< e rr < 6)的基板8的一個(gè)表面上(圖Ib)，該基板例如為出自“TAC0NIC”公司的產(chǎn)品代碼為“TLX-08”的Teflon和玻璃板。導(dǎo)線7印制在電介質(zhì)基板8的反面(圖Ic)。圖2a和圖2b描繪了天線20的一部分，該天線20包括12個(gè)排列成行的圖Ia到圖Ic中描繪形式的輻射單元21。輻射單元21印制在基板22上，形成一個(gè)印制電路板(PCB) 23。印制電路板23固定在反射器24上，形成一個(gè)表面積減小的U型地平面。在這種情況下，形成反射器壁的側(cè)邊25之間的距離，例如，對(duì)于非常緊湊的天線20來(lái)說(shuō)，為0. 5k入0,其中I^Xci為天線工作頻率的波長(zhǎng)。圖2b給出了一個(gè)輻射單元21的放大圖。每個(gè)輻射單元21包含一個(gè)偶極子26，其臂27是相互等長(zhǎng)的，總長(zhǎng)度為U。偶極子26的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的臂27上方加有一個(gè)具有長(zhǎng)度L2的寄生單元28，其中L2小于Lp例如，這里長(zhǎng)度L2A^1的比率R等于0. 65。偶極子26和寄生單元28之間的距離D介于傳導(dǎo)波長(zhǎng)2的0. 07和0. 11之間，因此^ = A0/ V L，其中，L為使用的基板的介電常數(shù)，\為天線工作頻率的波長(zhǎng)。在這種情況下，偶極子26和寄生單元28的組合使得能夠改善無(wú)線電性能，尤其是帶寬的寬度。通過(guò)圖3中的曲線30描繪了反射系數(shù)I根據(jù)阻抗F的變化，I的單位是分貝，F(xiàn)的單位為歐姆。在WIMAX應(yīng)用的3. 3-3. 8GHz頻段(頻段寬度的14%)內(nèi)，天線必須以對(duì)應(yīng)于基線31的1.37的駐波比ROS工作，其中基線31表示為實(shí)線。在給定的頻率范圍內(nèi)天線的工作是穩(wěn)定的，這是因?yàn)榍€30完全位于基線31之下——尤其是在3. 51-3. 696GHz的頻率范圍的情況下。在圖4中，垂直無(wú)線電輻射圖(曲線40，用實(shí)線表示)表示了在垂直平面內(nèi)輻射強(qiáng)度R根據(jù)輻射角度A的變化，R的單位是dBi，A的單位是度。在垂直平面內(nèi)，在主極化中在中間強(qiáng)度(R = _3dBi)上，可獲得等于6度的束寬。在交叉極化中，曲線41 (用虛線表示)在很低的水平，比在主極化中觀察到的結(jié)果要小約33dB。圖5描繪了水平無(wú)線電輻射圖(曲線50，用實(shí)線表示)。圖中給出了在水平面內(nèi)輻射強(qiáng)度R根據(jù)輻射角度A的變化，R的單位是dBi，A的單位是度。盡管天線20的地平面24的表面積很小，但是在水平面中束寬卻接近90°。在交叉極化中，曲線51(用虛線表示)在很低的水平，比在主極化中觀察到的結(jié)果要小約33dB。圖6描繪了垂直極化輻射單元60直線排列的另一種實(shí)施方式。輻射單元60包含一個(gè)半波偶極子61，它由兩個(gè)單獨(dú)的偶極子組成，每個(gè)偶極子包含支撐著臂63的基座62，半波偶極子由導(dǎo)線64饋電。偶極子61的兩個(gè)臂63限定輻射線。為了增加增益和帶寬，該輻射線上方加有另外兩條分別通過(guò)低寄生單元65和高寄生單元66形成的輻射線。添加的寄生單元65和66相互沒(méi)有電連接，也沒(méi)有連接至偶極子61。輻射單元60印制在電介質(zhì)基板67上。圖7a到圖7h給出了能夠被寬帶輻射單元采用的形狀的例子，該寬帶輻射單元包含一個(gè)其上方加有寄生單元的偶極子，并且印制在電介質(zhì)基板上。對(duì)于每個(gè)例子，圖中描繪出了偶極子之上方加有單個(gè)寄生單元。當(dāng)然，對(duì)于包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的寄生單元的輻射單元，這些形狀仍然有效。圖7a和圖7b示出了其偶極子為喇叭形(稱之為“蝶形領(lǐng)結(jié)”)的輻射單元70 ;在圖7b中，寄生單元71也采用該形式。圖7c和圖7d示出了其偶極子為末端膨脹形(稱之為“狗骨頭”)的輻射單元72;在圖7d中，寄生單元73也采用該形式。圖7e和圖7f示出了其偶極子為末端曲線形(稱之為“翅膀”)的輻射單元74 ;在圖7f中，寄生單元75也采用該形式。圖7g和圖7h示出了輻射單元76，77，其偶極子的基座通過(guò)錐形槽78，79分成兩個(gè)部分，其中在圖中，兩個(gè)錐形槽方向相反。由于錐形槽78，79由不同寬度的多部分形成，所以此類錐形槽稱之為多部分錐形槽?；迳系挠≈萍夹g(shù)同樣使得有可能基于分形圖案來(lái)制造輻射單元80，81 (如圖8所示)，以提高帶寬和多頻性能。例如，輻射單元80的寄生單元82采用分形圖案。例如，輻射單元81的寄生單元83采用分形圖案。兩個(gè)臂84同樣采用分形圖案。這使得有可能很容易獲得二維的輻射單元的任何形狀。在寬帶和多帶應(yīng)用中，使用分形圖案尤其有優(yōu)勢(shì)。圖9系統(tǒng)地描繪了印制在基板91上的輻射單元90，其中基板91由兩個(gè)正交平面92，93組成。輻射單元90包含兩個(gè)以±45°正交極化相互交叉的偶極子94，95。偶極子94，95在各自插槽點(diǎn)的交叉與基板91的平面92，93的交叉相一致。每個(gè)偶極子94，95上方加有寄生單元96，97。偶極子94，95包含一個(gè)線性對(duì)應(yīng)傳導(dǎo)基座98和臂99，兩者均印制在基板91的平面92，93的表面92a，93a上。偶極子94，95由印制在平面92的反面92b，93b的導(dǎo)線100饋電。圖10描繪了安裝在天線反射器99上的輻射單元90的立體圖。因而，有可能很容易獲得三維的輻射單元的任何形狀。圖11描繪了交叉極化輻射單元陣列。每個(gè)輻射單元110包含兩個(gè)偶極子111，兩個(gè)寄生單元112和兩個(gè)向偶極子饋電的導(dǎo)線(未示出)。對(duì)基板的每個(gè)正交平面113，114進(jìn)行了延伸，以服務(wù)作為用于印制相鄰輻射單元的基板。偶極子111包含采用分形圖案構(gòu)成的臂115。寄生單元112放置在偶極子111上方，并且也是利用分形圖案構(gòu)成的。因而，有可能很輕松靈活獲得與在3維中支撐的輻射單元相關(guān)聯(lián)的各種配置。這樣一種裝配呈現(xiàn)出了良好的機(jī)械抵抗力優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)槠矫婊ハ嗲度氡舜说木壒?。圖12描繪了一種減小水平面內(nèi)束寬的特殊有利的配置。在水平面121內(nèi)增加了附加的寄生單元120，其中水平面121放置在基板的正交平面123和122之上方，并且平行于偶極子的臂。在上方加有寄生單元125的偶極子124印制在基板的平行平面123上，以形成平行偶極子124行。特別地，注意到，承載位于由偶極子124形成的輻射線之上方的寄生單元125的垂直平面123的兩側(cè)上存在有附加寄生單元120。水平面121能夠特殊地為塑料制成的部分，該部分固定在基板122，123上，并且其上印制有附加寄生單元120。自然地，附加寄生單元120，或?qū)蚱鳎軌虿捎萌魏沃疤峒暗男螤?。水平?21的增加附加地呈現(xiàn)了使輻射單元陣列固定的優(yōu)勢(shì)，增加了天線的機(jī)械抵抗力。圖13示出了用于±45°正交極化的輻射單元的附加的寄生單元130的實(shí)施方式的一種特殊形式。這里，寄生單元130采用“平頭十字(Cross potent)”的形式，并且在電介質(zhì)基板的正交平面132，133的交叉之上方而放置在水平面131上，其中該電介質(zhì)基板上印制有在其上方加有寄生單元135的偶極子134。平頭十字的主軸136，137各自與電介質(zhì)基板的正交平面132，133重合。該電介質(zhì)基板上的印制技術(shù)使得有可能構(gòu)造包含平行行排列的輻射單元140的多帶天線。在圖14的例子中，輻射單元140印制在基板的平行平面141上，形成行。平面142形成列，垂直于平面141，承載干擾單元143，該干擾單元的目的在于，通過(guò)向電磁場(chǎng)中引入干擾，使輻射單元平行行之間的耦合最小化。干擾單元143是金屬的，并且?jiàn)A在電介質(zhì)基板之間，形成在平面142內(nèi)的列。對(duì)于單元行之間需要高絕緣的系統(tǒng)(例如MIMO應(yīng)用)而言，這一配置尤其有利。
根據(jù)圖15中描繪的一種變形，干擾單元150，這里為十字形狀，能夠被印制在同樣承載寄生單元152的水平面151上。水平面151放置在形成印制在電介質(zhì)基板上的輻射單元的列的平面153和形成印制在電介質(zhì)基板上的輻射單元的行的正交平面154的交線之上，意味著寄生單元156置于偶極子155之上。自然地，本發(fā)明不限于描述的實(shí)施方式，而是，在不脫離本發(fā)明精神的條件下，本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員可對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行許多變形。尤其是，在不脫離本發(fā)明范圍的條件下，有可能改變輻射單元的形狀，或者偶極子和/或寄生單元的形狀。也能夠使用不同性
質(zhì)和形狀的電介質(zhì)基板。最后，也可能預(yù)想與無(wú)線電頻率操作相兼容的任何印制方法。
權(quán)利要求
1.一種包含至少一個(gè)天線福射單元的天線，該天線包括 至少一個(gè)偶極子，包含基座和臂，并且印制在具有高介電常數(shù)的平面基板的一個(gè)表面上， 至少一條導(dǎo)線，向所述偶極子饋電，并且印制在偶極子的基板上， 至少一個(gè)寄生單元，印制在偶極子的基板上，并且平行于偶極子的臂放置， 其特征在于，至少一個(gè)寄生單元放置在一個(gè)平面內(nèi)，該平面垂直于承載著輻射單元的基板的平面，并且平行于輻射單元的偶極子的臂，所述寄生單元夾在輻射單元行之間。
2.如權(quán)利要求I中所述的天線，包含兩個(gè)交叉的偶極子，這兩個(gè)偶極子分別包含兩個(gè)線性對(duì)應(yīng)的臂，以及與每個(gè)偶極子關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)寄生單元，偶極子和寄生單元印制在包含正交平面的基板上。
3.如權(quán)利要求I和2之一中所述的天線，其中所述輻射單元并排地印制在一個(gè)共享平面基板上，以形成一個(gè)行。
4.如權(quán)利要求I到3之一中所述的天線，其中所述寄生單元具有分形圖案。
5.如權(quán)利要求I到3之一中所述的天線，其中所述輻射單元具有分形圖案。
6.如權(quán)利要求I到5之一中所述的天線，包含至少兩個(gè)疊加寄生單元，印制在偶極子的基板上，并且平行于偶極子的臂。
7.如權(quán)利要求I到6之一中所述的天線，還包含至少一個(gè)干擾單元，放置一個(gè)平面內(nèi)，該平面垂直于承載著輻射單元的基板的平面，并且平行于輻射單元偶極子的臂，所述干擾單元夾在輻射單元行之間。
8.—種構(gòu)造如權(quán)利要求I到3之一中所述輻射單元的方法，包括在相同平面電介質(zhì)基板上印制至少一個(gè)偶極子和至少一個(gè)寄生單元的至少一個(gè)步驟，以及在垂直于承載輻射單元的基板的平面的平面電介質(zhì)基板上印制至少一個(gè)干擾單元的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種天線(陣列)，其包括至少一個(gè)輻射單元(1)。該輻射單元(1)包括至少一個(gè)偶極子(2，124)，偶極子包括基座(4)和臂(5)，印制在具有高介電常數(shù)的安裝(基板8，122)的一個(gè)表面上。偶極子(2，124)由印制在基板(8，122)上的至少一條導(dǎo)線(7)供電。至少一個(gè)寄生單元(導(dǎo)向器，6，125)也印制在偶極子(2，124)的基板(8，122)上，并且其被放置為與偶極子(2，124)的臂(5)平行。至少一個(gè)另外附加寄生單元(120)放置在水平平面(121)中，該平面與支撐輻射單元(1)的基板(8，122)的平面垂直，并且平行于輻射單元的偶極子(2，124)的臂(5)。該附加寄生單元(120)插入在輻射單元(1)行之間。
文檔編號(hào)H01Q21/08GK102804495SQ201080025894
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者S·謝農(nóng), J-P·阿雷爾, A·伊拉里 申請(qǐng)人:阿爾卡特朗訊