CN101091287B - 三极化贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包括两个贴片(2，3)的天线装置，其中，第一贴片(2)具有第一边缘(8)，以及第二贴片(3)具有第二边缘(9)，其中的第一(18)、第二(19)、第三(20)和第四(21)馈电点设置用于对第二贴片馈电。在第一操作模式中，馈电点(18，19，20，21)的每一个基本上彼此同相地被馈电，从而在第一(8)与第二边缘(9)之间建立的隙缝(37)中产生第一恒定电场(38)。在第二操作模式中，第一(18)和第二(19)馈电点彼此异相180°被馈电，从而在隙缝(37)中产生具有正弦变化的第二电场(39)。在第三操作模式中，第三(20)和第四(21)馈电点彼此异相180°被馈电，从而在隙缝(37)中产生具有正弦变化的第三电场(40)。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线装置，包括第一和第二贴片，各贴片以导电材料制作，并具有第一和第二主表面，其中的贴片重叠放置，其中的第一贴片位于顶部，使得所有所述主表面基本上相互平行，在天线装置中，第一贴片具有第一边缘，以及第二贴片具有第二边缘，此外，天线装置包括馈电装置，所述馈电装置包括第一、第二、第三和第四馈电点，所述馈电点设置用于在发射以及在接收时对第二贴片馈电，各定位于离基本上与相应的第一和第二主表面垂直穿过贴片的第一虚线某个距离处，在其中，第二和第三虚线垂直于第一线条穿过并与第一线条相交，第二线条也与第一和第二馈电点相交，以及第三线条也与第三和第四馈电点相交，第二和第三线条相互之间形成一个角度α，角度α基本上为90°，使得接连的馈电点的顺时针顺序为第一、第三、第二和第四。
背景技术
对无线通信***的需求稳定增长，并且仍然不断增长，以及在这个增长中已经取得许多技术进步。为了通过采用不相关的传播路径来获得无线***增加的***容量，MIMO(多输入多输出)***被认为构成用于提高容量的优选技术。例如通过若干发射和接收天线，MIMO采用多个分开的独立信号路径。预期结果是具有用于接收以及发射的多个不相关天线端口。
对于MIMO，希望估算信道并不断地更新这个估算。这种更新可通过以先前已知的方式连续发射所谓的导频信号来执行。信道的估算产生信道矩阵。如果多个发射天线Tx向多个接收天线Rx发射构成发射信号向量的信号，则所有Tx信号在Rx天线的每一个中被求和，并且通过线性组合，形成接收信号向量。通过把接收信号向量与逆信道矩阵相乘，对信道进行补偿，并获得原始信息，即，如果准确的信道矩阵为已知，则能够获得准确的发射信号向量。因此，信道矩阵用作分别Tx与Rx天线的天线端口之间的耦合。这些矩阵具有大小M×N，其中M是Tx天线的输入(天线端口)的数量，以及N是Rx天线的输出(天线端口)的数量。这是MIMO***领域的技术人员先前已知的。
为了让MIMO***有效运行，需要不相关的或者至少基本上不相关的发射信号。术语“不相关的信号”在这个上下文中的含意在于，辐射图基本上是正交的。如果一个天线最适宜以至少两个正交极化接收和发射，则这对于那个天线是可行的。如果不止两个正交极化将用于一个天线，则必要的是，它用于具有多个独立传播路径的所谓富散射环境中，因为不然，它无法从不止两个正交极化中获益。富散射环境被认为在许多电磁波重合空间中的单个点时出现。因此，在富散射环境中，可利用不止两个正交极化，因为多个独立传播路径使天线的所有自由度能够得到利用。
用于MIMO***的天线可利用空间分隔、即物理分隔，以便实现天线端口上的接收信号之间的低相关。但是，这产生不适合例如手持终端的大阵列。实现不相关信号的另一种方式是通过极化间隔，即一般发送和接收具有正交极化的信号。
已经提出把三个正交偶极子用于具有三个端口的MIMO天线，但是这样一种天线的制造复杂，并且在例如用于MIMO***之类(大约2GHz的在较高频率使用时需要许多空间。已经考虑多达六个端口，如已公布申请US2002/0190908中所公开的那样，但是相交偶极子以及附随的回路元件仍然是难以对于较高频率以适当成本实现的复杂结构。
本发明所解决的客观问题是提供适合于MIMO***的天线装置，天线装置能够以三个基本上不相关的极化进行发射和接收。天线装置还应当以低成本的细小结构制作，并且仍然适合于例如MIMO***中所使用的之类的较高频率。
发明内容
这个客观问题通过根据本介绍的天线装置来解决，天线装置的特征还在于：在第一操作模式中，馈电点的每一个基本上彼此同相地被馈电，导致在第一与第二边缘之间所建立的隙缝中得到第一恒定电场，其中第一电场还被引导在所述边缘之间；在第二操作模式中，第一和第二馈电点基本上彼此180°异相地被馈电，从而在隙缝中产生第二电场，其中第二电场还被引导在所述边缘之间，并且沿隙缝具有正弦变化；以及在第三操作模式中，第三和第四馈电点基本上彼此180°异相地被馈电，从而在隙缝中产生第三电场，其中的第三电场还被引导在所述边缘之间，并且沿隙缝具有正弦变化。
在相关权利要求书中公开优选实施例。
若干优点通过本发明实现，例如：
-获得低成本三极化天线装置。
-以平面技术制作的三极化天线成为可能，从而避免占面积的天线装置。
-获得易于制造的三极化天线。
附图说明
现在参照附图更详细地描述本发明，附图包括
图1a说明根据本发明的天线装置的第一实施例的示意简化透视图；
图1b说明根据本发明的天线装置的第一实施例的示意侧视图；
图1c说明根据本发明的天线装置的第一实施例的示意顶视图；
图2a说明在第一操作模式中、根据本发明的天线装置的贴片上的场分布的示意简化侧视图；
图2b说明在第二操作模式中、根据本发明的天线装置的贴片上的场分布的示意简化侧视图；以及
图2c说明在第三操作模式中、根据本发明的天线装置的贴片上的场分布的示意简化侧视图。
具体实施方式
根据本发明，提供所谓的三模式天线装置。三模式天线装置设计用于发射三个基本上正交的辐射图。
如图1a-b所示，说明本发明的第一实施例，三模式天线装置1包括第一2和第二3贴片。各贴片2、3比较薄，其中具有中心点以及第一4、5和第二6、7主表面，其中的第一和第二主表面4、5、6、7基本上相互平行。贴片2、3以导电材料、如铜制作。贴片2、3的形状优选地为圆形并重叠放置，其中的第一贴片2位于顶部。贴片2、3还具有相应的第一和第二边缘8、9。
三模式的模式天线装置1还包括第一10、第二11、第三12和第四13同轴馈线，其中分别具有第一14、第二15、第三16和第四17中心导体。
第一14、第二15、第三16和第四17中心导体各与其外侧区域中的第一贴片2电接触，其中构成第一18、第二19、第三20和第四21馈电点。又参照图1c，第一18、第二19、第三20和第四21馈电点定位于离基本上垂直于主平面4、5、6、7穿过贴片2、3的中心的第一虚线22适当距离d。距离d优选地对于第一18、第二19、第三20和第四21馈电点基本上相同。
第二23和第三24虚线垂直于第一虚线24穿过，并且各与第一18、第二19、第三20和第四21馈电点相交，相互之间形成角度α。这是定义馈电点之间的角度α的一种方式，角度α基本上为90°。以上方式的馈电点之间的角度的定义在本文中还称作角位移。虚线22、23、24仅为了说明而被***，而不是实际装置1的组成部分。
因此，在具有半径d的圆的圆周上，在接连的馈电点18、20、19、21之间全部存在基本上90°的角位移。接连的馈电点19、21、18、20则以下列方式定位：第一18和第二19馈电点彼此相对，其中的第一虚线22设置在它们之间；以及第三20和第四21馈电点彼此相对，其中的第一虚线22设置在它们之间，接连的馈电点的顺时针顺序为第一18、第三20、第二19和第四21。
具有其中心导体14、15、16、17的馈电同轴线10、11、12、13是馈电装置的组成部分。
第一14、第二15、第三16和第四17中心导体与第一贴片2没有电接触，并且大体上垂直于贴片2、3的主表面4、5、6、7延伸。第一10、第二11、第三12和第四13同轴馈线通过在第二贴片3中制作的、同轴馈线10、11、12、13可穿过的孔25、26、27、28穿过第二贴片3的外侧区域。
第一贴片2与附属中心导体14、15、16、17之间在对应馈电点18、19、20、21上的电接触例如通过焊接来获得。
参照图1a，馈电装置还包括第一29和第二30四端口90°3dB混合结以及第一31和第二32 90°移相器。每个四端口90°3dB混合结29、30具有四个端子A、B、∑和Δ。如果Δ端子连接到其特性阻抗，则∑端子上的输入信号在A和B端子上分为两个信号，各信号具有相同幅度，其中的相位在A端子上移位-90°。另一方面，如果∑端子连接到其特性阻抗，则Δ端子上的输入信号在A和B端子上分为两个信号，各信号具有相同幅度，其中的相位在A端子上移位+90°。所述功能是互易的。为了清楚起见，第一29和第二30四端口90°3dB混合结以及第一31和第二32 90°移相器仅在图1a中示出。
第一四端口90°3dB混合结29包括差端子Δ1、和端子∑1以及两个信号端子A1和B1。此外，第二四端口90°3dB混合结30包括差端子Δ2、和端子∑2以及两个信号端子A2和B2。和端子∑1和∑2在和连接点33’上连接到共同和信号端口33。差端子Δ1、Δ2分别连接到第一34和第二35差端口。
此外，如图1a示意所示，从第一29和第二30 90°3dB混合结引出的馈电网络的同轴馈线10、11、12、13在四个馈电点18、19、20、21对第一贴片2馈电，除了第一31和第二32移相器之外，其中的同轴馈线10、11、12、13具有相等长度。信号端子A1通过第一同轴馈线10经由第一移相器31连接到第一馈电点18，以及信号端子A2通过第三同轴馈线12经由第二移相器32连接到第三馈电点20。此外，信号端子B1通过第二同轴馈线11连接到第二馈电点19，以及信号端子B2通过第四同轴馈线13连接到第四馈电点21。
通过馈电装置，在第一、第二和第三操作模式中，贴片2、3可通过三种不同的方式来激励，使得能够发射三个正交辐射图。
在下面所述的所有操作模式中，第二贴片3则用作第一贴片2的地平面。
对于第一操作模式，和信号端口33把信号馈送到和连接点33’，其中的信号首先相等地划分并进一步以相同相位馈送到90°3dB混合结29、30的相应和端口∑1和∑2。90°3dB混合结29、30则把相应输入信号分为相等部分，它们分别在相应信号端子A1和B1以及A2和B2上输出，其中在端子A1和A2上的信号移位-90°。来自A1和A2的信号通过相应的90°移相器31、32馈送，它们可能是分立组件或者是对应于90°的同轴馈线长度的调节。这意味着，在相应移相器31、32之后，来自端子A1和A2的信号移位+90°，从而产生总相移-90°+90°＝0°。因此，所有四个馈电点18、19、20、21被同相地馈电。
又参照图2a，为了清楚起见，示出贴片而没有馈电装置，由于来自信号端子B1和B2的输出完全没有相移，这产生注入在第一和第二3贴片的相应边缘8、9之间建立的圆周隙缝37的恒定磁流回路36。
这个磁流36对应于第一电场38，全部在第一2和第二3贴片的圆周上，其中的第一电场31是恒定的并且在隙缝37中基本上垂直于第一2和第三3贴片的主表面4、5、6、7定向。在图2a中，这采用多个箭头来表示。
对于第二操作模式中，参照图1a，信号经由第一差端口34馈送到第一90°3dB混合结29的第一差端子Δ1。第一90°3dB混合结29则把输入信号分为相等部分，它们分别在相应信号端子A1和B1上输出，其中在端子A1上的信号移位+90°。来自A1的信号则通过第一90°移相器31馈送。这意味着，在第一移相器31之后，来自端子A1的信号移位+90°，从而产生总相移90°+90°＝180°。
又参照图2b，因为来自信号端子B1的输出完全没有相移，所以这使得以相等幅度、但在相对的第一18和第二19馈电点上180°的相位差对第一贴片2馈电。
这又在第一2与第二3贴片的相应边缘8、9之间建立的圆周隙缝37中产生基本上垂直于第一2和第二3贴片的主表面4、5、6、7定向的第二电场39，第二电场39在第一2和第二3贴片的整个圆周上具有正弦变化。电场39在图2b中表示为具有与电场的强度对应的长度的多个箭头，其中，箭头表示在随时间以谐波方式改变时的瞬时电场分布。
参照图1a，第三操作模式对应于第二操作模式，但是，在这里，信号经由第二差端口34馈送到第二90°3dB混合结30的第二差端子Δ2。这导致在相对的第三20和第四21馈电点上以相等幅度但180°的相位差对第一贴片2馈电。
又参照图2c，为了清楚起见，示出贴片而没有馈电装置，这又在第一2与第二3贴片的相应边缘8、9之间建立的圆周隙缝37中产生基本上垂直于第一2和第二3贴片的主表面4、5、6、7定向的第三电场40，第三电场40在第一2和第二3贴片的整个圆周上具有正弦变化。采用电场的相同参考方向，如果第二电场39以正弦变化，则第三电场40以余弦变化。这意味着，第三电场40还与第二电场39垂直，这将在稍后更详细地进行说明。
以对于第二操作模式的相同方式，第三电场40在图2c中表示为具有与电场的强度对应的长度的多个箭头，其中，箭头表示在随时间以谐波方式改变时的瞬时电场分布。
因此，三模式天线装置1在这时以三种不同方式来激励，因而得到具有第一38、第二39和第三40电场的三种不同模式，构成理想地全部相互正交的口径场。
对应的辐射图也是正交的，并且相关等于零，其中的相关ρ可写作
在上式中，Ω表示表面，以及符号“*”表示它是复共轭。对于辐射图的积分，Ω表示包括全部空间角的封闭面，以及当这个积分等于零时，辐射图之间没有相关，即辐射图相互正交。分母是效应归一化项。
在确定辐射图为正交时，能够采用口径场。在考虑口径场时，Ω表示口径表面。边缘8、9之间的口径场是正交的，因为在一个周期内的常数(第一模式)乘以正弦变化(第二或第三模式)的积分等于零。此外，在一个周期内的两个正交正弦变化sine*cosine(第二和第三模式)的积分也等于零。因为这些场38、39、40在天线装置1的口径上是正交的并且对应于天线1的口径电流(未示出)，其中的口径电流也是正交的，所以远场还包括正交场向量，如本领域的技术人员已知的那样。
具有三个至少基本上正交的辐射图是非常符合需要的，因为这使信道矩阵中的行是无关的。这又意味着，本发明适用于MIMO***。
通过重叠，所有操作模式可同时进行操作，因而允许三模式天线装置发射三个基本上正交的辐射图。
馈电装置的实际实现并不重要，而是可通过技术人员显而易见的方式进行改变。本发明的重要特征在于，以三种操作模式向贴片2、3馈电，其中，第一操作模式导致在第一2与第二3贴片之间的圆周隙缝38上得到电场38。其它操作模式在第一2与第二3贴片之间的圆周隙缝37上产生具有场强度的正弦变化的两个电场39、40，其中，这些电场之一相对于另一个旋转90°。这个功能不受馈电装置的设计或者如何构思馈电点18、19、20、21限制。它们例如可通过非接触方式、即通过本领域已知的电容耦合获得电连接。
由于互易性，对于所述的三模式天线装置1的发射属性，存在对应的相等接收属性，如本领域的技术人员已知的那样，从而允许三模式天线装置通过三种基本上不相关的操作模式进行发送以及接收。
本发明不限于以上所述的实施例，这些实施例只应当看作是本发明的实例，并且可在所附权利要求书的范围内自由改变。
其它类型的贴片可能可考虑用来代替所述的那些贴片。例如，贴片可能具有其它形状，例如正方形、矩形或八角形。三个贴片之间也可具有不同形状，即，第一贴片可能是八角形，第二贴片是正方形等。贴片可以用例如铜、铝、银或金等的任何适当导电材料制作。贴片还可由薄金属片来制作，并且仅通过空气分隔，通过适当护圈(未示出)固定就位。或者，贴片可从镀铜叠层中蚀刻。
贴片的任何种类的馈电均落入本发明的范围之内，在其中，不同种类的探头馈电是最优选的。以上所述的电容探头馈电是这样一种备选方案。
第一虚线与相应馈电点之间的距离d不需要对于每一个馈电点都相同，而是可适当地改变。馈电点的定位通过所需的阻抗来确定。换言之，距离d一般进行变化，以便获得预期阻抗匹配。
第一虚线不需要穿过贴片的中心区域，而是可在任何适当位置穿过贴片。
馈电网络还可通过许多不同方式来实现，这些方式是本领域的技术人员显而易见的。贴片可通过以下方式馈电：可获得其它相互正交的极化，例如右旋圆极化和/或左旋圆极化。
Claims (9)
1.包括第一(2)和第二(3)贴片的天线装置，各贴片(2，3)以导电材料制作，以及各贴片具有第一(4，5)和第二(6，7)主表面，所述贴片(2，3)堆叠设置，其中所述第一(2)贴片位于顶部，使得所有所述主表面(4，5；6，7)基本上相互平行，在所述天线装置(1)中，所述第一贴片(2)具有第一边缘(8)，而所述第二贴片(3)具有第二边缘(9)，此外，所述天线装置(1)包括馈电装置，所述馈电装置包括第一(18)、第二(19)、第三(20)和第四(21)馈电点，所述馈电点(18，19，20，21)设置用于在发射时以及在接收时对所述第二贴片馈电，各馈电点(18，19，20，21)被定位于距第一虚线(22)某一距离(d)处，所述第一虚线(22)穿过基本上垂直于所述第一(4，5)和第二(6，7)主表面的两块贴片(2，3)，在其中，第二(23)和第三(24)虚线垂直穿过所述第一虚线(22)并与第一虚线(22)相交，并且其中所述第二虚线(23)还与所述第一(18)和第二(19)馈电点相交，以及其中所述第三虚线(24)还与所述第三(20)和第四(21)馈电点相交，所述第二(23)和第三虚线(24)相互之间形成角度(α)，所述角度(α)基本上为90°，使得接连的馈电点的顺时针顺序为所述第一(18)、所述第三(20)，所述第二(19)和所述第四(21)，其特征在于：在第一操作模式中，所述馈电点(18，19，20，21)中每一个基本上彼此同相地被馈电，导致在所述第一(8)与第二边缘(9)之间建立的隙缝(37)中得到第一恒定电场(38)，所述第一恒定电场(38)还被引导在所述边缘(8，9)之间；在第二操作模式中，所述第一(18)和所述第二(19)馈电点基本上彼此异相180°被馈电，从而在所述隙缝(37)中产生第二电场(39)，所述第二电场(39)还被引导在所述边缘(8，9)之间，并且沿所述隙缝(37)具有正弦变化；以及在第三操作模式中，所述第三(20)和所述第四(21)馈电点基本上彼此异相180°被馈电，从而在所述隙缝(37)中产生第三电场(40)，所述第三电场(40)还被引导在所述边缘(8，9)之间，并且沿所述隙缝(37)具有正弦变化。
2.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述三种操作模式可同时操作。
3.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述第一(18)和第二(19)馈电点相对于所述第三(20)和第四(21)馈电点以这样的相位被馈电，使得所述第二(39)和第三(40)电场基本上相互正交。
4.如以上权利要求中的任一项所述的天线装置，其特征在于，所述馈电装置还包括第一(29)和第二(30)四端口90°3dB混合结以及第一(31)和第二(32)90°移相器，在其中，所述第一四端口90°3dB混合结(29)包括差端子Δ1、和端子∑1以及两个信号端子A1和B1，而所述第二四端口90°3dB混合结(30)包括差端子Δ2、和端子∑2以及两个信号端子A2和B2，其中，所述和端子∑1和∑2在和连接点(33)上连接到共同和信号，此外，所述信号端子A1通过第一同轴馈线(10)经由所述第一移相器(31)连接到所述第一馈电点(18)，所述信号端子A2通过第三同轴馈线(12)经由所述第二移相器(32)连接到所述第三馈电点(20)，所述信号端子B1通过第二同轴馈线(11)连接到所述第二馈电点(19)，而所述信号端子B2通过第四同轴馈线(13)连接到所述第四馈电点(21)。
5.如权利要求4所述的天线装置，其特征在于，所有同轴馈线(10，11，12，13)都具有相等长度。
6.如权利要求1、2、3、5中的任一项所述的天线装置，其特征在于，所述贴片(2，3)关于所述第一虚线(22)对称。
7.如权利要求1、2、3、5中的任一项所述的天线装置，其特征在于，所述贴片(2，3)具有基本上相同的形状。
8.如权利要求7所述的天线装置，其特征在于，所述贴片(2，3)基本上为圆形。
9.如权利要求1、2、3、5、8中的任一项所述的天线装置，其特征在于，所述第一虚线(22)与所述第二贴片(2)的各个馈电点(18，19，3，20，21)之间的所述距离(d)基本上相同。
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