CN1159804C

CN1159804C - 微带天线基本单元以及使用该基本单元的微带天线阵单元

Info

Publication number: CN1159804C
Application number: CNB001195484A
Authority: CN
Inventors: 张亚斌; 黎滨洪; 高汉中
Original assignee: SHANGHAI LONGLIN COMMUNICATION TECHN CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI LONGLIN COMMUNICATION TECHN CO Ltd
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: CN1336701A

Abstract

本发明提供了一种用于无线通信中的，具有带宽大、增益高的特点的微带天线基本单元(E)以及使用这种微带天线基本单元的微带天线阵单元(C)。本发明的微带天线基本单元包含高频介质基片(11)，中部聚苯乙烯泡沫层(12)，激励辐射元(13)，上部聚苯乙烯泡沫层(14)，寄生辐射元(15)。本发明的微带天线阵单元(C)包含第一微带天线基本单元(E21)、第二微带天线基本单元(E22)、馈电功率分配部分(25)、馈线(23，24)，所述第一和第二微带天线基本单元(E21，E22)在空间上正交，并且连接到所述第一和第二微带天线基本单元(E21、E22)的馈线(23、24)的长度相差1/4个工作波长。

Description

微带天线基本单元以及使用该基本单元的微带天线阵单元

本发明涉及用于无线通信中发送/接收端的高频微带天线部分，尤其涉及移动通信中微带天线基本单元以及使用该基本单元的微带天线阵单元。

目前，在无线通信，特别是移动通信中经常使用微带天线。一般情况下，是在作为介质板的敷铜板一个表面上腐蚀出一定形状的贴片，从而构成微带天线。由于这种微带天线采用的是单片结构，并且选择的是敷铜板，导致其带宽较窄，增益较低。

本发明的目的在于提供一种频带宽、增益高的微带天线基本单元。

本发明的另一个目的在于提供一种微带天线阵单元，使其带宽进一步增加。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元，它包含有：设置有耦合孔径以及微带馈线的高频介质基片，其中，耦合孔径设置在介质基片的上表面上，微带馈线设置在介质基片的下表面上，并垂直平分所述耦合孔径在下表面上的投影。微带馈线具有长度为电磁波波长的1/4的微带匹配调节支节。此外，该微带天线基本单元还包含至少两个依次层叠在高频介质基片上的谐振层，其中，第一谐振层包含：中部聚苯乙烯泡沫层，设置在所述高频介质基片上，其上表面上设置有圆形的凹模，凹模的圆周上间隔相等地交替设置有两个凹槽和两个凸槽；激励辐射元，由圆形金属薄片制成，而且其大小和形状如此设置，从而被匹配地嵌入中部聚苯乙烯泡沫层的凹模中；第二谐振层包含：上部聚苯乙烯泡沫层，设置在中部聚苯乙烯泡沫层上，其上表面上设置有形状和大小与中部聚苯乙烯泡沫层中的凹模的形状和大小相同的凹模，并且将上部聚苯乙烯泡沫层的厚度设置得与中部聚苯乙烯泡沫层的厚度不同；寄生辐射元，由与激励辐射元相同的金属材料制成，并且具有和激励辐射元相同的形状、大小和厚度的，该寄生辐射元匹配地嵌入上部聚苯乙烯泡沫层的凹模中。

根据本发明的另一个方面，提供了一种微带天线阵单元，包含第一微带天线基本单元、第二微带天线基本单元、用于将输入功率均分给第一微带天线基本单元和第二微带天线基本单元的馈电功率分配部分，以及从馈电功率分配部分分别连接到第一和第二微带天线基本单元的馈线，其中，第一和第二微带天线基本单元在空间上正交，并且连接到第一和第二微带天线基本单元的馈线长度相差1/4个工作波长，其中，微带天线基本单元是本发明的第一个方面所提供的微带天线基本单元。

由于本发明采用了多层结构，通过双谐振效应使带宽增加，并且由于在选材上采用了相对介电常数低的聚苯乙烯泡沫层等更为适宜的材料，使增益提高。

图1是根据本发明一个实施例的微带天线基本单元的分解透视图；

图2是根据本发明一个实施例的微带天线阵单元的示图。

下面，根据附图，对本发明的实施例进行进一步的描述。

图1是根据本发明的微带天线基本单元E的分解透视图。如图1所示，E表示用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元，由高频介质基片11、包含中部聚苯乙烯泡沫层12和激励辐射元13的谐振层M，包含上部聚苯乙烯泡沫层14和寄生辐射元15的谐振层N层叠而成。

高频介质基片11的上表面上设置有耦合孔径11a，下表面上设置有微带馈线11b，设置耦合孔径11a具有以下优点：它使微带天线的辐射部分与设置在下表面上的馈电电路相分离；通过耦合孔径实现缝隙馈电，从而减小微带天线尺寸；由于耦合孔径和馈电电路位于两个表面上，故便于有源器件的排列，从而有利于有源微带天线阵的设计；以及由于将耦合孔径设置在上表面上，故能够获得比直接电磁耦合高的耦合效率等作用。

另外，设置在所述介质基片11的下表面上的所述微带馈线11b垂直平分所述耦合孔径11a在下表面上的投影，本实施例中，微带馈线11b的阻抗为50欧姆，这种馈线可以克服同轴电缆直接馈电方式(背馈)由于基片的厚度带来的寄生电感，避免了为扩展频带不得不增添电容补偿而导致结构的复杂化。并且，所述微带馈线11b具有长度为电磁波波长的1/4的微带匹配调节支节11d，用于调节阻抗匹配。另外，在本实施例中，高频介质基片11的相对介电常数εr是3.38，由于介电常数较高，并且介质基片可以制得较薄，采用这种介质基片，可以达到减低馈电电路的辐射损耗、减小馈电电路尺寸，以及便于SMA电缆座的焊接的目的。

在高频介质基片11的设置了耦合孔径11a的表面上，设置中部聚苯乙烯泡沫层12，其上表面上设置有圆形的凹模12b，所述凹模12b的圆周上间隔相等地交替设置有两个凹槽12c和两个凸槽12d。与常规的介质厚片相比，本发明采用的聚苯乙烯泡沫层12的相对介电常数较低，从而降低腔体谐振品质因数，增加带宽，同时，表面波损耗也小。并且在制造中使用这种聚苯乙烯泡沫层12，成本很低。

13表示激励辐射元，它由圆形金属薄片制成，而且其大小和形状如此设置，从而被匹配地嵌入上述中部聚苯乙烯泡沫层12的凹模12b中，由此保证了组合时激励辐射元13的正确位置。其半径由下面公式求得：r＝40×1.6/fmm，其中f是电磁波的频率，单位是GHz。本实施例中，激励辐射元13可以使用铝或铜等金属材料制成，这不但降低了生产成本，并且减小了介质损耗。

另外，圆形形状以及圆周上的两组微扰凹槽和微扰凸槽，能够实现单馈点圆极化，从而简化了馈电电路。十分有利于构成结构复杂的微带天线阵，并且两组微扰凹槽和微扰凸槽还在其嵌入上述聚苯乙烯泡沫层12时，起到定位作用。在本实施例中，微扰凹槽13a、微扰凸槽13b的面积Δs由下式求得：

Δs＝s/1.841Q

其中，s为圆形面积，Q为腔体品质因数。

聚苯乙烯泡沫层12和激励辐射元13构成第一谐振层M。

14表示设置在所述中部聚苯乙烯泡沫层12上的上部聚苯乙烯泡沫层，其上表面上设置有形状和大小与所述中部聚苯乙烯泡沫层12中的所述凹模12b的形状和大小相同的凹模14b，其作用与上述凹模12b的作用相同，用于固定嵌入其中的寄生辐射元15(下面将描述)。并且所述上部聚苯乙烯泡沫层14的厚度与所述中部聚苯乙烯泡沫层12的厚度不同，用来调整微带天线基本单元E的带宽。

15表示由与所述激励辐射元13相同的金属材料制成，并且具有和所述激励辐射元13相同的形状、大小和厚度的寄生辐射元，其中，微扰凹槽15a和微扰凸槽15b的作用与微扰凹槽13a和微扰凸槽13b的作用相同，实现单馈点极化以及定位功能。在组装时，将所述寄生辐射元15匹配地嵌入上部聚苯乙烯泡沫层14的凹模14b中。这种设计简化了加工，减低了成本。

聚苯乙烯泡沫层14和寄生辐射元15构成第二谐振层N。

另外，在本实施例中，为了固定这种多层结构，分别在高频介质基片11、中部聚苯乙烯泡沫层12和上部聚苯乙烯泡沫层14的四个角上设置了四个组合定位孔11c、12a、14a，当然，也可以使用其它现有的定位方式。

上述各部分组合即构成一完整的基本单元，由于它具有多层结构，获得较宽的频带。其主要性能为：增益不小于9dB，百分比带宽为9％(当电压驻波比VSWR≤1.5时)。

虽然在本实施例中只采用了两个谐振层M和N的组合，但根据本发明的上述原理，为了达到理想的频带宽度，还可以适当增加谐振层的数量，例如在高频介质基片上依次层叠3个或4个谐振层。

为了进一步提高微带天线的性能，本发明在上述基本单元的基础上又提供了一种微带天线阵单元，它是将成对的基本单元按一定的方向排列，并按一定的相位馈电而构成的。

如图2所示，C表示微带天线阵单元，它包含一对相同的第一和第二微带天线基本单元E21和E22、用于将输入功率均分给第一和第二微带天线基本单元E21和E22的馈电功率分配部分25，以及从馈电功率分配部分25分别连接到第一和第二微带天线基本单元E21和E22，从而分别对它们馈电的馈线23和24，其阻抗为50欧姆。其中，第一和第二微带天线基本单元E21和E22在空间上正交，以实现圆极化。连接到第一微带天线基本单元E21的馈线23和连接到第二微带天线基本单元E22的馈线24的长度相差1/4个工作波长，从而能够向第一和第二微带天线基本单元E21和E22提供产生圆极化所必须的相位差，并且可以消除因为不匹配而引起的反射波。

和微带天线基本单元E相比，本实施例中的这种微带天线阵单元C性能更优良，其增益可以获得3dB的改善，带宽可以拓宽1.5倍左右。

顺便说，如果适当选取两个微带天线基本单元E21和E22的极化特性，本实施例的微带天线阵单元可以实现宽频带线极化。

在实际应用中，在空间和馈电电路复杂性许可的条件下，图2中也可以类似地增加微带天线基本单元的对数，从而获得进一步的性能改善。

虽然已经根据本发明的实施例，参照附图，对本发明进行了具体的描述，但是，应该知道，在所附的权利要求书的范围内，可以有各种修改和变化，它们均应视为在本发明的范围内。

Claims

1.一种用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元(E)，包含：

高频介质基片(11)，其上表面上设置有耦合孔径(11a)，下表面上设置有微带馈线(11b)，所述微带馈线(11b)垂直平分所述耦合孔径(11a)在下表面上的投影，并且，所述微带馈线(11b)具有长度为工作波长的1/4的微带匹配调节支节(11d)；其特征在于，所述微带天线基本单元(E)还包含：

至少两个依次层叠在所述高频介质基片(11)上的第一谐振层(M)和第二谐振层(N)，其中，

第一谐振层(M)包含：

中部聚苯乙烯泡沫层(12)，设置在所述高频介质基片(11)上，其上表面上设置有圆形的第一凹模(12b)，所述第一凹模(12b)的圆周上间隔相等地交替设置有两个凹槽(12C)和两个凸槽(12d)；

激励辐射元(13)，由圆形金属薄片制成，而且其大小和形状如此设置，从而可被匹配地嵌入所述中部聚苯乙烯泡沫层(12)的所述第一凹模(12b)中；第二谐振层(N)包含：

上部聚苯乙烯泡沫层(14)，设置在所述中部聚苯乙烯泡沫层(12)上，其上表面上设置有形状和大小与所述中部聚苯乙烯泡沫层(12)中的所述第一凹模(12b)的形状和大小相同的第二凹模(14b)，并且所述上部聚苯乙烯泡沫层(14)的厚度与所述中部聚苯乙烯泡沫层(12)的厚度不同；

寄生辐射元(15)，由与所述激励辐射元(13)相同的金属材料制成，并且具有和所述激励辐射元(13)相同的形状、大小和厚度，并且所述寄生辐射元(15)匹配地嵌入所述上部聚苯乙烯泡沫层(14)的所述第二凹模(14b)中。

2.如权利要求1所述的用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元，其特征在于所述激励辐射元(13)和寄生辐射元(15)的半径r由下面公式求得：r＝40×1.6/fmm，其中f是电磁波的频率(GHz)。

3.如权利要求1所述的用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元，其特征在于，所述激励辐射元(13)和寄生辐射元(15)由铝制成。

4.如权利要求1所述的用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元，其特征在于，所述激励辐射元(13)和寄生辐射元(15)由铜制成。

5.如权利要求1所述的用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元，其特征在于，所述高频介质基片(11)、中部聚苯乙烯泡沫层(12)和上部聚苯乙烯泡沫层(14)分别包含四个设置在它们四个角上的组合定位孔(11c，12a，14a)。

6.如权利要求1所述的用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元，其特征在于所述微带馈线(11b)的阻抗为50欧姆。

7.如权利要求1所述的用于发送和接收电磁波的微带天线基本单元(E)，其特征在于所述高频介质基片(11)的相对介电常数为3.38。

8.一种微带天线阵单元(C)，包含第一微带天线基本单元(E21)、第二微带天线基本单元(E22)、用于将输入功率均分给所述第一微带天线基本单元(E21)和所述第二微带天线基本单元(E22)的馈电功率分配部分(25)，以及从所述馈电功率分配部分(25)分别连接到所述第一和第二微带天线基本单元(E21，E22)的第一馈线(23)和第二馈线(24)，其中，所述第一和第二微带天线基本单元(E21，E22)在空间上正交，并且所述第一馈线(23)和第二馈线(24)的长度相差1/4个工作波长，其特征在于，所述第一和第二微带天线基本单元(E21，E22)是如权利要求1所述的微带天线基本单元(E)。