CN101118987B - 具有集成放大器的缝隙型天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有集成放大器的缝隙型天线18，包括：具有地层G的基板S；轴向辐射开口缝隙天线18；连接到馈电线10的功率分配器10、11、12；连接与到功率分配器的每个输出的放大器14，使得以相反相位给所述放大器供电，放大器的输出连接到直接耦接到缝隙型天线18的激励点19的功率合并电路16、19。

Description

具有集成放大器的缝隙型天线
技术领域
本发明涉及一种具有集成放大器的天线，更具体地涉及诸如Vivaldi天线或类似类型的天线的开口缝隙(open slot)天线，其与集成在同一基板上的功率放大器相连接。
背景技术
根据IEEE 802 11a/b/g标准工作并且在2.4GHz和5GHz频带上工作的WiFi技术当前保持用于非常高速率的无线传输的最佳地位，特别是在家用环境中。
几种视频流，特别是例如电台或机顶盒(STB)与诸如膝上型计算机、电视机或其它设备的诸多终端之间的高分辨率的传输，需要使用高阶调制以获得标准所允许的最大速率，即54Mbps。诸如64-QAM调制的高阶调制在功率放大器的输出功率方面比标准调制的要求更高。实际上，给定接收质量的C/N关系(载波与噪声比)随着调制阶数而增加。此外，调制阶数越高，对非线性的耐受性越弱，而功率放大器的功率回退(back-off)必定更明显。功率回退对应于与为保证放大器的线性工作而在1dB压缩点定义的功率放大器的输出功率相关的裕量。
最后，在Wi-Fi***中使用的、包括多个载波的、具有非恒定包络线的OFDM调制，对于功率放大器的非线性特别敏感。
因此，考虑现有技术的功率放大器，所有这些限制意味着：在根据目标产品的成本和功耗限制的情况下，当前难以发射各种规则所允许的最大功率。
具体地，在5GHz(5.47GHz-5.825GHz)高频带中，在欧洲允许发射高达30dBm的EIRP(等效全向辐射功率)以及在美国允许发射高达35dBm的EIRP。当使用具有8-10dBi等级(order)的中等方向性(moderate directivity)的天线，并考虑2dB的传输损耗时，需要考虑大于22dBm的功率回退的线性输出功率。然而，利用当前可用的功率放大器，不可能获得大于18dBm的线性输出功率。因此，有趣的是：能够将两个或更多个提供18dBm等级的线性输出功率的放大器组合以获得目标功率。
因此，如图1中所示，提出使用具有以推挽(Push-Pull)结构放置的两个放大器的结构以获得目标输出功率。
图1图示具有使用推挽放大器结构的集成放大器的Vivaldi型天线。更详细地，在具有地层(ground plane)G的相同的基板S上，产生了包括连接到放大电路的Vivaldi型天线7的结构。使用微带技术经由根据Knorr技术的电磁耦接，将此天线在激励点8处连接到激励线6。因此，微带线6在与地层G的表面相对的基板表面上实现。推挽结构的放大器电路实施两个混合环(hybrid ring)2和5(其表示被简化)。实际上，在此图中未示出必须被布置在每个环的两个(0°/180°)入口之间的充电电阻。更具体地、如图1中所示，附图标记1指被设计用来连接到天线的激励电路的输入端口。输入端口1连接到具有0°-180°功率分配器功能的第一混合环2。因此，在混合环2的两个输出3上，获得幅度相同但相位相反的信号。每个输出3通过最接近工作波长的相同尺寸的阻抗匹配线连接到功率放大器4。每个功率放大器4的输出连接到第二混合环5的输入，充当功率合并电路。此混合环5连接到Vivaldi型天线的激励线6。此实施两个混合环的推挽结构，导致链接到两个混合环所占据的表面的很大的尺寸。此结构也造成由混合环所提供的附加损耗和与混合环的带宽相关的频率带宽的某些限制。
发明内容
本发明提出了一种集成功率放大器的、具有开口缝隙天线的新结构，更具体地是具有使用Knorr型线/缝隙变换的任何天线。
本发明因此涉及一种具有集成放大器的天线，该天线在配备有地层的基板上包括：轴向辐射开口缝隙天线、在输入处连接到馈电线且在输出处连接到两个放大器的功率分配器，使得以相反相位给该两个放大器供电，所述放大器的输出连接到包括第一微带线的功率合并电路的输入，其特征在于所述第一微带线与缝隙型天线的缝隙在所述缝隙型天线的激励点处直接耦接。
根据一个实施例，第一微带线与缝隙天线的缝隙的耦接是电磁耦接。第一微带线优选地与缝隙天线的缝隙在所述第一微带线的中间耦接。
此外，功率分配器包括在输入处与馈电线耦接并在输出处与第二微带线耦接的缝隙，第二微带线的每个端点连接到放大器的输入。在此情况下，缝隙和馈电线之间、或缝隙和第二微带线之间的耦接优选地是Knorr型的电磁耦接。此外，功率分配器的缝隙优选地是长3λ/4的缝隙线，其中λ是工作中心频率波长。
根据本发明的另一特征，轴向辐射缝隙天线是Vivaldi型天线、印刷偶极子天线、不变或线性外形(profile)的辐射孔径、或使用Knorr型的线/缝隙变换的任何其它天线。
附图说明
当阅读不同实施例的描述时，将看到本发明的其它特征和优点，该描述参照附图实现，其中：
已经描述的图1是根据现有技术的具有集成功率放大器的Vivaldi型天线的实施例的概略平面图。
图2是根据本发明的第一实施例的、具有集成放大器的Vivaldi型天线的概略平面图。
图3是与图1的天线一起使用的分配器部分的放大的概略平面图。
图4(a)图示了传输和回波损耗，图4(b)图示了图3的分配器的输入端口和每个输出端口之间的相位。
图5是根据本发明的具有集成放大器的Vivaldi型天线的第二实施例的概略顶视平面图。
图6A、图6B和图6C是示出根据图5的、在多层基板上实现天线及其相关电路的不同导电层级的平面图。
图7是如仿真的天线部分的透视图。
图8示出了天线的两个入口之间的阻抗匹配和隔离曲线。
图9示出了具有天线的0°/180°激励的天线的辐射模式。
具体实施方式
现在将参照图2至图4描述本发明的第一实施例。
因此，如图2中所示，在具有地层G的基板S上，实现了轴向辐射缝隙型天线，在此情况下更具体地是Vivaldi型天线18。此外，在相同的基板上，已经集成了功率放大电路。更详细地、如图2所示，功率放大电路包括使用微带技术实现的馈电线10。此馈电线10根据Knorr型耦接与第一缝隙线11电磁耦接。缝隙线11在输出处与第一微带线12耦接。通过使用Knorr型电磁耦接在微带线的中间实现微带线12与缝隙线11的耦接。此外，为了实现装配的阻抗匹配，在缝隙线11的每个端点和微带线10的尾端提供“短截线”13。此装配组成功率分配器，允许在线12的两个端点P(0°)和P(180°)获得幅度相同但相位相反的信号。
在图3中更详细地图示了功率分配器，并参照示出传输和回波损耗的图4a和示出端口之间的、依赖频率的相位差的图4b解释其功能。因此，观察到：在非常宽的频带上，微带线12的两个输出端口P(0°)和P(180°)之间的相位差保持等于180°。实际上，由于此结构对于缝隙完全对称，且没有谐振元件，因此两个端口之间的相差在非常大的带宽上恒定。这不是混合环的情况，其通过长度与四分之一波长成比例的元件来形成尺寸。
在图4a中还可注意：此结点在传输损耗方面有较好性能，传输损耗在宽频带上小于1dB。
图4中所示的结果是使用电磁软件IE3D(Zeland)，通过仿真在Rogers4003型(εr＝3.38mm，h＝0.81mm以及＝17.5μm)的基板上实现的图3的结构而获得的。对于功率分配器，馈电线10由特征阻抗50ohm、宽度1.85mm的微带线和宽度1.06mm、长度6.65mm的阻抗匹配微带组成。分配器的输出微带线12具有1.56mm的宽度和13.3mm的长度。短截线13用于阻抗匹配。在微带线10的端点处的径向短截线具有2.9mm的半径和80°的孔径，缝隙线的每个端点处使用的两个径向缝隙短截线具有相同的尺寸。此外，缝隙线11具有0.4mm的宽度和11.5mm的长度。
如图2中所示，分配器的输出微带线的每个端点通过阻抗匹配线15在功率放大器14的输入处连接。所使用的放大器优选地是在B级中(in class B)工作的功率放大器。然而，可使用其它类型的放大器。每个放大器14的输出分别链接到后面描述的功率合并电路的输入。为了保证两个信道之间的相位平衡，在所示的实施例中，在放大器之前和之后提供的微带线15和17的段具有严格相等的长度。
此外，如图2中所示并根据本发明的本质特征，合并电路直接与缝隙型天线的激励点，即Vivaldi天线18的激励点19相耦接。更具体地，合并电路包括微带线16，其在Vivaldi天线18的激励点19的层级电磁耦接到Vivaldi天线18的缝隙。该耦接是Knorr型的电磁耦接，其在微带线16的中间实现。因此，微带缝隙结点从结构上合并了从两个功率放大器14输出处向Vivaldi天线18的激励缝隙线传递的功率。线段17的长度严格相等，经由微带线16的两个入口16a和16b到达的功率相位相反。此180°的相位差允许在缝隙的层级上功率的结构合并。
针对单独的结点实现的仿真示出，在相位相反的激励的情况下，Vivaldi型天线的增益在5GHz-6GHz的频带上在5dB和6.5dB之间变化，并在相位激励的情况下突然落到-7dB以下。此外，通过反映二次谐波，此结点帮助提高每个功率放大器的效率。实际上，缝隙“短截线”的Knorr型变换的阶数等于四分之一波长的倍数。因此，在变换平面中，缝隙“短截线”导致工作频率处的开路平面，其在其中使得能够进行耦接。然而，在两倍频率处此相同的“短截线”导致变换平面中的短路，因而使耦接最小化。这就移除了二次谐波。
现在将参照图5至图6描述本发明的另一实施例。
此实施例使用一般称为FR4的非常低成本的多层基板。此基板包括两个电介质层和三个金属化层：上层、中间层和下层。两个电介质层的厚度分别为0.26mm和0.41mm。第一外部导电层或上层允许印刷微带线和供电轨道(supply track)，如图6A中所示。在此上表面上还放置诸如放大器PA、扼流线圈(chock coil)和解耦电容器C的组件。缝隙线和轴向辐射缝隙型天线(即例示的实施例中的Vivaldi型天线20)被印刷在第二导电层或中间层上，更具体地如图6B所示。只有功率放大器的供电轨道21、22被印刷在图6C所示的第三导电层或下层上。此第三层允许给两个功率放大器PA馈电，同时避免与在上表面上印刷的RF轨道交叉。此外，在这些图中，“透孔(thru-hole)”或“孔”已被概略地表示，允许轨道的互连。
在此实施例中并如图5中所示，功率分配器和功率合并电路使用与如图2的实施例中所使用的原理相同的原理。然而，功率分配器的缝隙线和微带线的布置已被以这样的方式完成：在减少电路大小的同时，在功率放大器的输入和输出之间有充分的隔离。
实际上，如图5中所示，功率分配器的缝隙线23与Vivaldi型天线20的辐射缝隙垂直。此特定的排列允许通过辐射减少耦接，并因此避免放大器潜在的振荡问题。
更具体地，图5中的功率分配器包括馈电线24，其由宽度0.48mm、50ohm的特征阻抗线组成的外部部分T0和宽度0.25mm、长度6.9mm的开路微带线T1组成，所述外部部分T0经由宽度0.35mm、长度6.3mm的组成阻抗变换器的微带线T3延伸。此馈电线24根据Knorr耦接与由宽度0.25mm、长度7.2mm的两个开路缝隙线T2组成的缝隙线23电磁耦接，所述两个开路缝隙线T2通过宽度0.25mm、长度7.9mm的变换缝隙线T4链接，所述变换缝隙线T4与Vivaldi型天线20的缝隙线垂直。对于适当的工作，缝隙线23具有优选等于3λ/4的总长度，其中λ是工作频率波长。
缝隙线23在输出处与微带线25耦接，微带线25经由连接功率分配器的每个输出到功率放大器PA的特征阻抗50ohm、宽度0.48mm的两个微带线26延伸。微带线25的中间包括阻抗匹配部分25a，其加到分配器的中心节点以补偿分配器的输出之间的幅度不平衡。此外，线段26具有相等的长度。每个功率放大器PA的输出通过线段27连接到功率合并电路的输入，所述功率合并电路由在29中与Vivaldi型天线20电磁耦接的微带线28组成。放大器的输出线27具有50ohm的特征阻抗和0.48mm的宽度，并具有与最接近的波长相等的长度。
功率合并电路由微带线28组成，所述微带线28根据Knorr型耦接在Vivaldi型天线的缝隙的激励点29处电磁耦接。可在微带线28的中间找到激励点29。在这种情况下，微带线具有0.84mm的宽度和12.3mm的长度。Vivaldi天线，如图5所示，具有以下的尺寸：
锥形缝隙的开口a＝25.2mm，
Vivaldi天线的边缘b＝6mm，
锥形部分的长度d＝21.3mm，
激励缝隙的宽度e＝0.82mm，
激励缝隙的长度c＝9.8mm。
集成用于推挽功能的集成的地层的、如图7中所示的天线部分由HFSS电磁仿真器进行仿真。仿真的结果在图8和图9中示出。
图8示出了两个入口阻抗匹配和这两个入口之间的隔离。大约-6dB的阻抗匹配和优于-6dB的隔离在两个0°和180°入口的激励的情况下允许较好的效率。
图9示出了具有0°/180°处的天线激励的5.4GHz的增益辐射模式。此天线给出大于5.5dBi的增益。对于本领域技术人员这是明显的：此增益可通过调整Vivaldi天线的外形而改变。
对于本领域技术人员这是明显的：上面的尺寸被作为示例给出并示出本发明的可行性。它们并非限制性的。

Claims (6)

1.一种具有集成放大器的天线，在配备有地层(G)的基板(S)上包括：轴向辐射开口缝隙天线、功率分配器、连接到该功率分配器的两个放大器、以及功率合并电路，其特征在于：所述功率分配器(10、11、12；24、23、25)包括具有输入侧和输出侧的缝隙(11、23)，所述缝隙在输入处耦接到馈电线且在输出处耦接到具有两个端点的第二微带线(12、25)，所述第二微带线的每个端点都连接到一个放大器(14、PA)的输入，使得分别连接在所述第二微带线的一个端点处的两个放大器(14、PA)被以相反相位供电，所述两个放大器的输出分别连接到包括第一微带线(16、28)的功率合并电路(16、19；28、29)的输入，所述第一微带线在所述缝隙天线的激励点处与所述缝隙天线的缝隙直接耦接。
2.根据权利要求1的天线，其特征在于：所述第一微带线(16、28)与所述缝隙天线(18、20)的缝隙的耦接(19、29)是电磁耦接。
3.根据权利要求2的天线，其特征在于：所述第一微带线与所述缝隙天线的缝隙在所述第一微带线的中间耦接。
4.根据权利要求1的天线，其特征在于：所述功率分配器的缝隙和所述馈电线之间或所述功率分配器的缝隙和所述第二微带线之间的耦接是Knorr型电磁耦接。
5.根据权利要求1至4的任一项的天线，其特征在于：所述功率分配器的缝隙是长度为3λ/4的缝隙线，λ为工作频率波长的长度。
6.根据权利要求1至4的任一项的天线，其特征在于：所述轴向辐射开口缝隙天线是Vivaldi型天线、印刷偶极子、具有不变或线性外形的辐射孔径、或使用Knorr型的线/缝隙变换的任何其它天线。
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