CN102460830A - 用于移动手持电话和计算机网络的电小超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

用于在瞬时超宽带应用中使用的天线结构(1020)，该结构使用能增加匹配带宽且减小损耗效应的同轴至同轴孔径连接。有益的是，该天线结构使用顶部加载圆盘(27)以增加其电容效应。该结构体积小，使其可用在移动手持电话和计算机网路中。

Description

用于移动手持电话和计算机网络的电小超宽带天线
技术领域
本发明涉及天线结构，特别涉及一种可操作于宽频率范围的电小天线，尤其涉及一种适合在瞬时超宽带应用中使用的电小天线。
背景技术
超宽带(UWB)是一种无线电技术，其允许用户在非常宽的频率范围内传送大量数据。超宽带***应用于很多领域，例如高速短距离无线通信、计算机网络、雷达和地理定位***、成像以及医疗***。
近年来，人们在能够操作于宽带宽或多个频率的电小高效天线的进展方面具有很大的兴趣，其中电小通常被认为意味着天线具有不大于λ/10的尺寸。对利用单个电小便携式天线来监测电磁频谱的能力具有很高的期望。因此，要求天线具有下列电学和物理特性：紧凑、轻便、坚固、低成本以及覆盖至少20MHz-6GHz频率范围的超宽带频率响应。该带宽将允许覆盖传统的HF和UHF频带，同时将操作扩展到更高频无线局域网(WLAN)和未来的3G/4G(3-5GHz)频谱。但是，具有合理的辐射有效性和操作于如此宽带宽的电小天线的实现具有挑战性，已提出主张将特性的不同组合进行优化的各种各样的解决方案。过去，只有通过聚集许多不同的天线，例如线形、圆盘锥形和蝶形天线的组合，才能实现全覆盖；但是这需要高昂、庞大的馈电网络。可替换地，采用位于接地面上方的不同高度处的多个单极天线。但是，该方案不能提供瞬时的UWB能力，反而当发射和接收数据时单极天线工作于阶跃时间序列。
例如探测和测量***的特殊应用需要全方位辐射图。特别地，对于这些应用，一种选择是集中于单极和偶极天线，本发明是对单极天线的发展。
已知传统单极天线的阻抗带宽性能可通过在顶部加载附加的电容套(capacitivesleeve)得到改进。McLean等人(McLean，J.，Foltz，H.，and Crook，G.，“Broadband，Robust Low-profile Monopole Incorporating Top Loading，Dielectric Loading，and aDistributed Capacitive Feed Mechanism”，IEEE International Symposium on Antennas andPropagation，July，pp.1962-1965，1999)提出了一种具有电容套的传统顶部加载单极天线的直接连接导线柱馈电部。所提出的对顶部加载单极天线的孔径耦合导线柱馈电部使用在电抗斜率中的伴生频率变化，这增加了阻抗匹配带宽。电容套进而增大了顶部加载结构的电容效应，因而减小了Q因子，这增加了带宽但具有损耗效应。希望在没有损耗效应的情况下进一步增加匹配带宽。
发明内容
本发明的目的之一为提供一种电小天线结构，其具有增加的阻抗匹配带宽和降低的损耗效应。
从而本发明提供一种用于在UWB网络中使用的天线结构，该天线结构包括接地面、同轴馈电部和天线振子(antenna element)，其中该天线振子包括：
圆筒形导电壳，该圆筒形导电壳通过第一电介质材料与该接地面隔离；
第二电介质材料，该第二电介质材料包含在该圆筒形导电壳内部；
导电芯，该导电芯从该同轴馈电部延伸，通过该第一电介质材料，进入该第二电介质材料；以及
顶部加载结构，该顶部加载结构电连接至该圆筒形导电壳且与该导电芯电绝缘，
该天线振子被构成为短路同轴段。
采用同轴至同轴的孔径连接允许匹配带宽增加，同时损耗效应减小。术语“同轴”用于指构造有精确的导体尺寸和间距以有效地用作射频传输线的屏蔽电力电缆。同轴线能够传播横电磁波(TEM)，允许沿电缆传播理论上达到18GHz的RF带宽。任何在相对尺寸上的突变会造成反射增加，降低传输功率的质量。由于这一原因，优选的是，同轴馈电部的芯延伸超出接地面，以用作天线振子的芯，而无需尺寸上的变化或任何形式的连接。顶部加载天线振子增加了天线的电容效应，以致于物理结构可以在高度上减小。这允许天线的芯用作高度小于四分之一波长的单极天线馈电部，却没有生成通常与将高度降低到低于λ/4相关联的异相反射的有害影响。
在这个最简形式的天线构造中，采用的第一和第二电介质材料可为空气。以电介质材料包围天线振子的芯，增加了垂直电流矩，提高了辐射效率，减小了馈电点电抗和馈电点电压，这减小了Q因子，从而增加了带宽能力。材料的介电值取决于其介电常数。所用材料的选择涉及其更高或更低的电容效应。空气的介电值为1，这小于介电值为2的PTFE(聚四氟乙烯)，因为PTFE具有更高的介电常数。增大第二电介质材料的介电常数可提高天线结构的性能。本发明的一个特定实施方式使用空气作为第一电介质材料，使用PTFE作为第二电介质材料。本领域技术人员将可以理解到可使用电介质材料的其他组合。此外，用第三电介质材料包裹天线振子可进一步降低Q因子，由此增加带宽。使用固体电介质材料还提供结构性支撑且增加了坚固性。
顶部加载结构可以在形状和构造方面变化，并且可以由任何金属材料制成。最简单的形式为电连接到圆筒形导电壳(其由半刚性同轴线的外壳体的一段构成)的短路端帽。但是，可以使用其他形式，例如导线、螺旋线和板等。优选实施方式采用扩大的“礼帽”圆盘结构。该圆盘还可细分为多个离散的部分，如Goubau顶部加载天线(IEEE Transactions on Antennas and Propagation Vol.AP-30，No.1，January 1982)，各部分间具有间隙以进一步增大天线结构的电容，因而进一步降低天线的物理高度。
确保圆筒形导电壳与接地面之间具有间隙以及采用空气作为第一电介质材料使得天线结构的电容效应增加，从而带宽能力增加而损耗效应减小。通过调整顶部加载结构与导电芯的端部G1之间的间隙以及圆筒形导电壳与接地面G2之间的间隙，还可使得天线结构的良好调谐以确保得到理想的阻抗匹配带宽。
天线结构可进一步包括多个径向鳍部，这些径向鳍部用作空间极化滤波器。鳍部可以包括用作高阻抗表面的快或慢表面波结构。使用鳍部降低了用固体电介质材料包围天线的需要。此外，鳍部还用作频率依赖空间极化滤波器以有助于信号的隔离和方向性。通过提供阵列，尤其是这种天线结构的环形阵列，可以获得方向定位能力。
通过提供预先选择的不同高度的多个天线结构，天线设计者可使工作在阶跃序列下的带宽能力倍增。
通过将多个天线结构接地至金属基板可以构成宽带电磁带隙(EBG)表面。在这一应用中，天线结构被缩放为适当的子波长λ/10-λ/20尺寸且被排列为二维散射表面，以用于散射入射场。相比于已知的EBG表面，这样的电磁带隙表面呈现出增加的带宽。此外，多个二维表面可以叠置以形成三维栅格，每个表面的电磁带隙被排列为不相同但是交叠，因而扩展了EBG的工作频率范围。
附图说明
将参考附图采用示例的方式对本发明进行说明，其中：
图1示出了传统宽带λ/4圆盘加载单极天线结构的横截面；
图2示出了位于接地面上方16mm高度的传统宽带λ/4圆盘加载单极天线的回波损耗带宽响应；
图3示出了根据本发明的天线结构的横截面示意图；
图4示出了根据本发明的优选天线结构的横截面示意图；
图5示出了图4所示天线结构的回波损耗响应；
图6示出了对于图4的天线结构在2.4GHz处测量的E平面；
图7示出了对于图4的天线结构在3.0GHz处测量的E平面；
图8示出了对于图4的天线结构在3.6GHz处测量的E平面；
图9示出了对于图4的天线结构在4.2GHz处测量的E平面；
图10示出了对于图4的天线结构在4.8GHz处测量的E平面；
图11示出了对于图4的天线结构的仿真增益结果；
图12示出了图4的天线结构的物理电路图；
图13示出了图4的天线结构的等效电路图；
图14示出了图2的电路模型响应与图4的测量回波损耗之间的对比；
图15示出了具有附加的矩形空间极化鳍部的图4的优选天线结构的横截面示意图；以及
图16示出了包括不同高度的多个天线结构的天线阵列的横截面示意图。
具体实施方式
图1示出代表现有技术的顶部加载单极天线结构1的横截面。在这个结构中，同轴馈电部2包括外壳3和内导线4。内导线4连接到电连接器6。单极天线7连接到电连接器6的另一侧，电连接器6可为简单的焊接(solder)连接部。外壳3连接到接地面5。顶部加载结构8连接到单极天线7的与接地面5相距最远的端部。
图2提供了对位于接地面上方16mm高度的传统宽带λ/4圆盘加载单极天线的回波损耗带宽响应。曲线示出，在0.5GHz处，100％的信号功率从电缆和单极天线的电连接部处被反射回来，原因在于完全的阻抗匹配。在3.8至4.8GHz之间，具有-10dB的增益，表示1GHZ的带宽内仅有5％的功率被反射回来。图2可用于与图4示出的本发明的优选实施方式的性能进行对比。
图3示出根据本发明的天线结构10的一个实施方式的横截面示意图。在这个结构中，半刚性同轴馈电部11包括外壳12和内导线13。外壳12连接到接地面14。内导线13在接地面14上方延伸以用作导电芯13a。导电芯13a与圆筒形导电壳16同中心地位于圆筒形导电壳16内部，并且构成为第二半刚性同轴段15。第二半刚性同轴段15进一步包括为金属端帽17形式的顶部加载结构。电介质材料18位于第二半刚性同轴段15的内部容积内。在这一特定实施方式中，电介质材料18为PTFE。在导电芯13a的端部与端帽17之间具有间隙G1。在圆筒形导电壳16与接地面14之间具有第二间隙G2。电介质材料19位于圆筒形导电壳16与接地面14之间。在这一特定实施方式中，电介质材料19为空气。
图4示出本发明的天线结构20的优选实施方式的横截面示意图。在该结构中，半刚性同轴馈电部21包括外壳22和内导线23。外壳22连接到接地面24。内导线23在接地面24上方延伸以用作导电芯23a。导电芯23a与圆筒形导电壳26同中心地位于圆筒形导电壳26内部且构成为第二半刚性同轴段25。第二半刚性同轴段25进一步包括顶部加载圆盘27。电介质材料28位于第二半刚性同轴段25的内部容积内。在该实施方式中，电介质材料28为PTFE。在顶部加载圆盘27与导电芯23a的端部之间具有间隙G1。在圆筒形导电壳26与接地面24之间具有间隙G2。电介质材料29位于圆筒形导电壳26与接地面24之间。在这一特定实施方式中，电介质材料为空气。
对天线结构采用下列尺寸以用于实验测量。“礼帽”或圆盘具有24mm的直径，并且用作16mm长的同轴传输线区段的短路板。同轴传输线具有直径7mm的特氟纶(Teflon)内芯(εr＝2.1，tanδ＝0.0001)，并且由***接地面的另一同轴线馈电。该传输线的内导线在接地面上方延伸19mm的长度。
图5示出依照图4示出的本发明的优选天线结构的回波损耗响应。图5将天线结构的测量回波损耗示出为圆筒形导电壳26的最低点与接地面24之间的距离的函数。天线在2.1-5.1GHz的频带上呈现出小于10dB的回波损耗(或者在2.3∶1的带宽上VSWR≤1.92∶1)，这与传统的宽带λ/4圆盘加载单极天线(见图2)相比具有三倍的改进。为匹配带宽，可以通过调节间隙G2(参考图4设置)至大约6.5mm来实验上优化馈电。实验原型和其封装复制品显示电性能可重复以及用于室外时设计的耐用性是可行的。
图6-10示出优选天线结构在五个不同频率2.4GHz、3.0GHz、3.6GHz、4.2GHz和4.8GHz测量时的辐射方向图。天线的辐射方向图与直观期望的(即，在水平面上具有辐射最大值的偶极子的方向图)一致。在室内消音室中，在已描述的五个频率下从+90°至-90°测量E主平面共极化和交叉极化场方向图。图6-10示出的结果表明天线结构具有优异的全向性能，交叉极化很小(≤15dB)。中心频率3.6GHz处的共极化场方向图中的下降表示旁瓣的出现。从波长与圆盘尺寸的相对比例上可预期旁瓣的存在。现有技术中已有可用于减小旁瓣的技术，但是要以引入损耗为代价。
图11示出图4所示的天线结构的针对增益-频率所测量的计算机模拟结果，其中在HFSS中模拟。800MHz以下增益为负值，在1.8-4.0GHz具有5dB的平稳增益。在5GHz以上天线结构显示出某种谐振增益特性。增益与作为频率函数的天线电尺寸一致。
表1示出优选天线结构在2.1GHz、3.5GHz和4.8GHz频率处的增益的实验室测量值。这些与图11的HFSS结果一致。
 频率[GHz]   天线增益[dB]
  2.1   4.5
  3.5   4.8
  4.8   5.1
表1
使用实验Wheeler帽技术来测量图4的天线结构的辐射效率。该测量通过将天线置于密封屏蔽金属罩内完成，该金属罩使远场辐射短路却不显著影响近场。铝制成的“金属帽”用作圆波导的短路段。圆筒的直径为50cm、高度为30cm。利用公式(1)可以计算出天线效率η，其中RFreespace为未设置金属帽时的输入电阻，Rcap为在天线上设置了金属帽时的输入电阻：
η = R Freespace - R Cap R Freespace × 100 % - - - ( 1 )
发现图4的天线结构的效率在2.3GHz处大约为95±1％。
图12和图13分别示出图4的天线结构的物理电路图和等效电路图。宽带性能的关键设计特点为通过改变G1和G2(参考图4设置)、电介质材料以及芯半径与壳体半径的比而实现的双调谐电路响应。天线设计领域的技术人员将理解如何改变这些参数从而优化双调谐电路响应。最终的性能取决于宽带谐振匹配网络的选择和保持匹配网络接近天线(负载)或者理想地与天线(负载)集成。针对图4的天线结构得出了双调谐谐振电路响应。
利用下列公式计算出一些电路元件的近似值，其中常数具有它们通常的含义，r和h与图12示出的天线几何尺寸相关。
Ca＝ε0πr2/h    (2)
Ca为简单圆盘加载单极天线的内部电容。
Ce = ϵ 0 r [ 8 + 2 3 ln ( 1 + 0.8 ( r / h ) 2 + ( 0.31 r / h ) 4 1 + 0.9 ( r / h ) ) ] - - - ( 3 )
Ce为圆盘加载单极天线的外部散射场电容。
Rr＝40(2πh/λ)2  (4)
其中Rr为小天线轴向导线的辐射电阻。
G＝ω2(Ce+Ca)2 Rr(5)
G为考虑Rr的频率依赖的并联电导项，以及
Ra = 60 h r - - - ( 6 )
Ra为等效孔径加载阻抗。
La = GRa ω 2 Ce - - - ( 7 )
其中，La为在适当的频率变化下电阻的电感值。同轴馈电部被建模为分布式短路同轴元件，因为可更确切地跟踪分布式短路同轴元件的等效频率变化。采用商用软件Ansoft
Figure BPA00001497474900074
(可从Ansoft获得)进行电路仿真，图14示出测量值同理论值的比较。显然，在测量和电路模型二者中都表现出了双调谐电路响应；尽管在较高频率歪斜。应该注意集总(lumped)电抗值的计算值仅为允许对图4的天线结构进行初始尺寸确定和设计的近似值或“一阶”值。
图15示出具有矩形空间极化鳍部30的图4的优选发明实施方式的横截面。示出了图4的公共特征，外壳22、接地面24、导电芯23a、圆筒形导电壳26和顶部加载圆盘27。鳍部30以规则的角度间隔包围天线结构，并且由在天线周围径向排列的高阻抗表面构成。
图16示出三个天线成直线阵列的优选天线结构的横截面。示出了图4的公共特征，接地面24和顶部加载圆盘27。间隙G1变化以提供非常宽的阶梯式带宽。

Claims (15)

1.一种用于在UWB网络中使用的天线结构，该天线结构包括接地面、同轴馈电部和天线振子，其中天线振子包括：
圆筒形导电壳，该圆筒形导电壳通过第一电介质材料与该接地面隔离；
第二电介质材料，该第二电介质材料包含在该圆筒形导电壳内部；
导电芯，该导电芯从该同轴馈电部延伸，通过该第一电介质材料，进入该第二电介质材料；以及
顶部加载结构，该顶部加载结构电连接至该圆筒形导电壳并与该导电芯电绝缘，
该天线振子被构成为短路同轴段。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其中，该第一电介质材料的介电常数小于或等于该第二电介质材料的介电常数。
3.根据权利要求1或2所述的天线结构，其中，该第一电介质材料为空气。
4.根据前述任一权利要求所述的天线结构，其中，该第二电介质材料为PTFE。
5.根据前述任一权利要求所述的天线结构，其中，该顶部加载结构为板。
6.根据权利要求5所述的天线结构，其中，该顶部加载板被细分为多个离散部分。
7.根据前述任一权利要求所述的天线结构，其中，该天线振子被包裹在第三电介质材料内。
8.根据前述任一权利要求所述的天线结构，该天线结构进一步包括相对于该天线振子径向设置的多个鳍部。
9.根据权利要求8所述的天线结构，其中，该鳍部包括高阻抗表面。
10.一种天线阵列，该天线阵列包括多个根据任一前述权利要求的天线结构。
11.根据权利要求10所述的天线阵列，其中，该多个天线结构包括多个高度的天线振子。
12.根据权利要求10或11所述的天线阵列，其中，该多个天线结构成直线构造排列。
13.根据权利要求10或11所述的天线阵列，其中，该多个天线结构成环形构造排列。
14.根据权利要求10或11所述的天线阵列，其中，该多个天线结构在二维散射阵列表面中被接地以提供电磁带隙表面。
15.一种实质上参考图3至图16所描述的天线结构。
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