CN1175520C - 双频带印刷天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种紧凑的印刷天线，这种印刷天线包括由一些介质层叠置的两个具有垂直微带的馈线、一个接地层、一个包括多个与在接地层内形成的第一耦合槽垂直的导电条的第一辐射元和一个叠在第一辐射元上包括多个与第一导电条十字交叠和与一个在接地层内形成的第二耦合槽垂直的导电条的第二辐射元。例如，这些辐射元可以在DCS-1800和GSM无线电话频带内以很好正交的场进行辐射。

Description

双频带印刷天线
互见相关申请
本申请是2000年11月9日递交的PCT国际申请No.PCT/FR00/03134的继续，而该申请是以1999年11月12日递交的法国申请No.99-14329为基础的。
技术领域
本发明涉及一种用于发送和/或接收电信信号的网络基本线路天线，这种天线能够辐射双极化的无线电电场，也就是说能够以双极化进行工作和能够在两个频带内进行工作。
背景技术
这样的天线设计成能在遵从DCS-1800标准的蜂窝无线电通信网的第一频带和遵从GSM-900标准的蜂窝无线电通信***的第二频带内进行工作。
在Frederic Croq和David M.Pozar的“采用缝隙耦合的并联振子的微带天线的多频工作原理”(“Multifrequency Operation of MicrostripAntennas Using Aperture Coupled Parallel Resonators”，IEEETRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，Vol.40，No.1，November 1992，pages 1367 to 1374)这篇文章中揭示了一种微带天线，这种微带天线包括两个介质层，在这两个介质层之间有一个接地导体层，微带微波馈线和辐射元分别配置在这两个介质层的相应外表面上。辐射元包括多个与在接地导体层上形成的耦合槽垂直的长度不同的平行导电条。概括地说，2N个导电条对称地分布在槽的横轴的两侧，构成由槽对称激励的在N个频率上谐振的2N个偶极子。
在Lakhdar Zaid等人的“采用层叠四分之一波长元的双频宽带天线”(“Dual-Frequency and Broad-Band Antennas with StackedQuarter Waelength Elements”，IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION，Vol.47，No.4，April 1999，第654-660页)这篇文章中揭示了一种由两个层叠的沿两个相对侧面或一个共同侧面短路的四分之一波长元形成的双频带天线。
以上两篇文章中所揭示的天线在中心频率为几个G量级的情况下提供了小于10％的带宽(驻波比小于1.5)。
发明内容
本发明的目的是提供一种能在两个频带内工作的印刷天线，在每个频带的10％带宽上驻波比小于1.5，两个频带的电磁场极化相互正交，使得在一个频带内的信号不会干涉在另一个频带内的信号。
按照本发明设计的印制电路天线，如在本申请人的欧洲专利EP-B-484241和在P.Brachat等人的文章“微带线馈电的双极化槽耦合印刷天线”(“Dual-Polarization Slot-Coupled Printed Antennas Fedby Stripline”，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION，Vol.43，No.7，July 1995，第738-742页)中所揭示的那样，包括：一个第一介质层，一个第二介质层，一个具有一个配置在第一介质层的一个外表面上的第一微波条和一个配置在第一和第二介质层之间的接地导体层的第一微波馈线，以及一个配置在第二介质层的另一个表面上的包括多个第一窄导电条的第一辐射元，这些第一窄导电条与接地导体层内的一个使第一馈线与第一辐射元耦合的第一耦合槽垂直。
本发明在以上这种在单个频带内工作的单极化印刷天线结构的基础上作了改进，按照本发明设计的天线包括：一个由一个配置在第一层的外表面上与第一微带垂直的第二微带和所述接地导体层组成的第二微波馈线，一个有一个表面贴着第一辐射元的的第三介质层，以及一个配置在第三介质层的另一个表面上的包括多个第二窄导电条的第二辐射元，这些窄导电条十字交叠在第一导电条上，与接地导体层内一个使第二馈线与第二辐射元耦合的第二耦合槽垂直。
由于有了第二辐射元，按照本发明设计的这种天线能在两个不同的频率以相互正交的极化进行工作。例如，第一辐射元在DCS 1800无线电话网频带内进行辐射，而第二辐射元在GSM无线电话网的频带内进行辐射。按照本发明设计的这种天线，由于采用了一个由组成第一和第二辐射元的第一导电条和第二导电条形成的栅格的构思，具有与在EP-B-484241中所揭示的现有技术的天线相同的带宽特性和相同的极化纯度。将第一导电条与第二导电条垂直配置避免了第一辐射元辐射的极化无线电电场与第二辐射元辐射的极化无线电电场的任何干涉。
而且，按照本发明设计的印制电路天线是很紧凑的，因为两个馈线具有一个共同的包括两个耦合槽的接地导体层和配置在第一介质层的同一个表面上的微带，而这两个辐射元的导电条是相互十字交叠的。
本发明涉及一种包括多个第一天线的天线阵，这些第一天线的较短的第一导电条相互平行，而这些第一天线的第二导电条也相互平行。
对于这种在两个频带内都有交叉极化的天线阵来说，它还包括多个第二天线，这些第二天线的较短的第一导电条和第二导电条分别与第一天线的第一导电条和第二导电条共面和垂直。
第一天线分成一些列，与第二天线分成的那些列相互交错。
附图说明
从以下结合相应附图对本发明的优选实施例的说明中可以更清楚地看到本发明的其他特征和优点。在这些附图中：
图1为按照本发明设计的双频带印制电路天线的一个实施例的平面图；
图2为图1的双频带天线沿拆线II-II切剖的剖视图；
图3为在图1和2所示的双频带天线中馈线层和带耦合槽的接地层的平面图；
图4为图1和2所示的双频带天线内的一个较小的与频率较高的频带关联的第一辐射元的平面图；
图5为图1和2所示的双频带天线内的一个较大的与频率较低的频带关联的第二辐射元的平面图；
图6为由两列按照本发明设计的基本印刷天线组成的一个在两个频带内都辐射十字交叉场的一维阵列的示意性透视图；以及
图7为由一些按照本发明设计的基本印刷天线组成的一个二维阵列的示意性透视图。
具体实施方式
以下将就图1至5以几乎实际尺寸所例示的按照本发明的优选实施例设计的一个基本的双频带印刷天线进行说明，作为例子所提供的一些数值用于一个设计成能在一个称为上频带的与遵从DCS-1800标准的无线电话通信相应的从1710MHz至1880MHz的第一频带B1和在一个称为下频带的与遵从GSM标准的无线电话通信相应的从890MHz至960MHz的第二频带B2工作的天线。
如图2所示，这个双频带天线具有三个重叠的介质层：第一层1，是相对介电常数εr1＝2.2、厚度e1＝1.5mm的Duroid(注册商标，一种陶瓷-聚四氟乙烯化合物)层；第二层2，是相对介电常数εr2＝1.05、厚度e2＝15mm的介电泡沫塑料层：第三层3，是相对介电常数εr3＝1.05、厚度e3＝20mm的介电泡沫塑料层。这个天线有四个叠置的导体层N-1至N2，由这三个介质层隔开，如图1中剖面线所示。层N-1在天线底面(即第一介质层1的外表面)上，包括两个垂直的微带41和42，分别为频带B1(上频带)和B2(下频带)的微波馈线。微带41和42可以延伸到辐射元71和72的相互垂直的对称纵轴A1A1和A2A2的“交迭”点O处。如图3所示，层N0处在第一和第二介质层1和2之间，它包括一个接地导体层5，其中形成了一个与第一微带41垂直、相对第一微带41对称的第一耦合槽61和一个与第二微带42垂直、相对第二微带42对称的第二耦合槽62。第一槽61长为28.7mm，比长为59mm的第二槽62短。微带41和42延伸到分别超出耦合槽61和62基本上不到相应波长的1/4。也示于图4的第三层N1包括一个打了斜线的第一辐射元，它由5个平行的窄金属条71组成，这些金属条71与第一槽61垂直，在第一槽61上方与之耦合，而并没有遮住第二槽62，这些金属条71相对第一微带41纵向的对称轴平面A1A1均匀对称分布。也示于图5的第四层N2包括一个打了斜线的第二辐射元，它由4个平行的窄金属条72组成，这些窄金属条72与第二槽62垂直，在第二槽62上方与之耦合，并且在金属条71上方与金属条71十字交叉，这些金属条72相对第二微带42纵向的对称轴平面A2A2均匀对称分布。第二金属条72因此与第一金属条71垂直。
在第三介质层3上的金属条72上面覆盖有一个薄的第四电介质层9，从而为天线提供了一个保护层。
因此，按照本发明设计的这个印刷天线以紧凑的方式将两个分别工作在频带B1和B2的子天线合并在一起。这个印刷天线通常最大长度为130mm(沿金属条72的纵轴)，而最大宽度为80mm(沿金属条71的纵轴)。
第一子天线包括与50Ω的阻抗匹配的微带馈线41、耦合槽61和辐射元金属条71。第一子天线工作在频率较高的频带B1，所辐射的电场的极化与金属条71平行，即与耦合槽61垂直。这5个金属条71刻写在一个58mm长、50mm宽的矩形内，相邻金属条的间隔为0.75mm。
第二印刷子天线包括与50Ω的阻抗匹配的微带馈线42、耦合槽62和辐射元金属条72。第二子天线工作在频率较低的频带B2，所辐射的电场的极化与金属条72平行，即与耦合槽62垂直，因此完全与第一子天线产生的极化电场垂直。因此，第二子天线产生的在第二频带B2内的无线电电场完全与第一子天线产生的在频带B1内的无线电电场正交，这就避免了在这两个频带之间无线电电场的互相干扰。第二子天线的金属条72相对接地导体层5的间隔为厚度e2+e3，大于第一子天线的金属条71相对接地导体层5之间的厚度e2，因为第二子天线所辐射的频带B2比第一子天线的频带B1低。同样，由于耦合槽的尺寸基本上与频带的中心频率成反比，因此第一耦合槽61的各项尺寸分别小于第二耦合槽62的各项尺寸。通常，每个金属条B2长114mm，宽10mm，与另一个金属条相隔2mm。
实际上，层N-1至N2的这些微带、接地层和金属条都是蚀刻在相应的介质层的表面上的。
具体地说，耦合槽61和62呈U形，分别相对微带41和42的纵轴对称，因此各有两个与相应辐射元的金属条71、72平行的外侧支611、612，长度分别为9mm和18.2mm，如图3所示。这有助于减小微带辐射元71、72的总尺寸和限制辐射进入接地层5，同时还保证了有一个比较宽的频带B1、B2。
金属条71没有遮盖第二槽62，否则会使在低频频带B2工作的第二辐射元短路。金属条72没有完全遮住打了斜线的金属条71，特别是在它们的纵向端部处，否则会使在高频带B1辐射的第一辐射元短路。这对金属条72的宽度有非常严格的限制，这通常由耦合槽62的尺寸给出。这个尺寸具有半波长的数量级。为了使槽尽可能短，耦合槽作成倾斜的。
第二辐射元内离开最远的两个金属条72沿着它们的长度的没有被金属条71遮盖的部分由附加的分支金属条8加了一倍，这两个分支金属条8分别叠在第二耦合槽62的相应外侧支612上。这样配置分支金属条8也有助于加宽频带B2和保证频带B2的馈线42与辐射元72之间的正确耦合。
测量表明，上述按照本发明设计的印刷天线在两个频带B1和B2的10％以上的带宽上驻波比小于1.5，在两个频带辐射的极化场之间的去耦至少为-30dB(这具体是由于有金属条71和72所形成的两个极化栅的空间滤波作用)，两个频带的辐射方向图分别在与金属条71和72的栅格面垂直的通过它们的对称轴A1A1和A2A2的相应主平面内基本对称。
如果将多个按照本发明设计的基本印刷天线并置在一起形成一个工作频带为B1和B2的双极化阵列，就可以保持如上所述的印刷天线的无线电电气性能。诸如馈线41和42之类的这些馈线有益地隔着接地层5配置在这些由金属条71和72的栅格组成的辐射元的对面，防止了在频带B1和B2内发送的信号之间的相互干扰。
天线阵的第一实施例包括一列同样定向的第一印制电路天线C1和一列同样定向而与第一天线的取向垂直的第二天线C2，或者概括地说，包括交替排列的都在如图6所示的层N-1至N2上蚀刻的列C1和C2。在第一列C1内，第一天线的第一金属条71垂直配置以辐射垂直极化电场，由一个公共的微带馈线4V1馈电，而第一天线的第二金属条72水平配置以辐射水平极化电场，由一个公共的微带馈线4H1馈电。相对称地，在第二列C2内，第二天线的第一金属条71水平配置，由一个公共的微带馈线4H2馈电，以辐射一个水平极化电场，这个电场因此与由第一列C1中的在共同的第一频带B1内工作的金属条71辐射的电场垂直；同样，在第二列C2内，第二天线的第二金属条72配置成与第一列C1内的第二金属条72垂直，以便辐射一个与第一列C1内的在共同的第二频带B2内工作的金属条72辐射的电场垂直的垂直极化电场，在列C2内的金属条72由公共的微带馈线4V2馈电。为相应天线馈电的微带馈线各具有树形结构，在每个节点处有一个功率分配器。
这种第一类型的阵列示于图6，可以构成GSM和DCS无线电话网的双极化双频带基站的天线。作为天线朝向的函数，对于两个正交极化，分别为水平和垂直极化或者分别与水平成-45°和+45°的极化，天线的方向图在垂直方向上有一些波瓣而在水平方向上有一些宽的波瓣。
如图7所示，双极化和双频带天线阵可以包括多个平行交错配置在一个平面上的列C1和C2。这种二维天线阵列可以构成一个使用例如同步卫星或者非同步卫星的蜂窝无线电通信***内的地面接收站的天线。
虽然本发明是结合微带馈线进行说明的，但所属技术领域的专业人员显然知道怎样用微带线或同轴线来代替微带馈线。对于微带线来说，要在第一介质层1的底表面蚀刻层N-1(见图2)下加一个辅助介质层，而在这个辅助介质层的底表面上印刷一个反射接地导体层。

Claims (6)

1.一种双频带印刷天线，包括：一个第一介质层(1)，一个第二介质层(2)，一个具有一个配置在第一介质层的外表面上的第一微带(41)和一个配置在第一和第二介质层之间的接地导体层(5)的第一微波馈线，以及一个配置在第二介质层的另一个表面上、包括多个与接地导体层内一个使第一馈线与第一辐射元耦合的第一耦合槽(61)垂直的第一窄导电条(71)的第一辐射元，所述天线的特征是它还包括：一个由一个配置在第一介质层(1)的外表面上与第一微带(41)垂直的第二微带(42)和由所述接地导体层(5)构成的第二微波馈线；一个有一个表面贴着第一辐射元(71)的第三介质层(3)；以及一个配置在第三介质层的另一个表面上包括多个第二窄导电条(72)的第二辐射元，这些第二窄导电条(72)与第一导电条(71)十字垂直交叠，而且与接地导体层(5)内一个使第二馈线与第二辐射元耦合的第二耦合槽(62)垂直；其中所述第一辐射元(71)在一个第一频带内辐射，而所述第二辐射元(72)在一个比第一频带低的第二频带内辐射，第一耦合槽(61)的各项尺寸分别小于第二耦合槽(62)的各项尺寸。
2.按照权利要求1所述的天线，其特征是所述耦合槽(61，62)至少其中之一呈U形，带有与相应辐射元的导电条(71，72)平行的外侧支(611，612)。
3.按照权利要求2所述的天线，其特征是所述第二辐射元的两个离开得最远的导电条(72)各有一个分支导电条(8)，分别叠在第二耦合槽(62)的外侧支(612)上。
4.一种天线阵，包括多个第一双频带天线(C1)，每一个第一双频带天线(C1)包括：一个第一介质层(1)，一个第二介质层(2)，一个具有一个配置在第一介质层的外表面上的第一微带(41)和一个配置在第一和第二介质层之间的接地导体层(5)的第一微波馈线，以及一个配置在第二介质层的另一个表面上、包括多个与接地导体层内一个使第一馈线与第一辐射元耦合的第一耦合槽(61)垂直的第一窄导电条(71)的第一辐射元，所述天线的特征是它还包括：一个由一个配置在第一介质层(1)的外表面上与第一微带(41)垂直的第二微带(42)和由所述接地导体层(5)构成的第二微波馈线；一个有一个表面贴着第一辐射元(71)的第三介质层(3)；以及一个配置在第三介质层的另一个表面上包括多个第二窄导电条(72)的第二辐射元，这些第二窄导电条(72)与第一导电条(71)十字垂直交叠，而且与接地导体层(5)内一个使第二馈线与第二辐射元耦合的第二耦合槽(62)垂直；其中所述第一辐射元(71)在一个第一频带内辐射，而所述第二辐射元(72)在一个比第一频带低的第二频带内辐射，第一耦合槽(61)的各项尺寸分别小于第二耦合槽(62)的各项尺寸；并且所有第一双频带天线(C1)中的第一导电条(71)相互平行，以及所有第一双频带天线(C1)中的第二导电条(72)也相互平行。
5.按照权利要求4所述的天线阵，其特征是它包括多个与所述第一双频带天线(C1)结构相同的第二双频带天线(C2)，所有第二双频带天线(C2)的第一导电条(71)和第二导电条(72)分别与第一双频带天线(C1)的第一导电条(71)和第二导电条(72)共面和垂直。
6.按照权利要求5所述的天线阵，其特征是所述第一天线分成一些列(C1)，与第二天线分成的列(C2)按列交错。
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