CN1177390C - 园极化v-形槽天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆极化天线，其包括一个平面介质基片(1)，该基片包括一个前介质表面(5)和一个后介质表面(6)，至少一个子天线装置，其包括一第一构件(2)和一第二构件(3)，用于辐射和接收圆极化电磁信号，和至少一段传输线(4)将信号从所说至少一个子天线装置传送到所说至少一个子天线装置，其中该天线的特征在于该子天线装置的第一和第二构件(2，3)是在基片(1)的前介质表面(5)上彼此垂直成V-形状配置的槽，以及传输线(4)被配置在基片(1)的后介质表面(6)上。这种结构提供了能低成本生产的简单配置，并且特别由于馈电***和辐射单元的去耦，适用于在平面阵列天线中使用。
Description
技术领域
本发明涉及辐射和接收园极化的电磁信号特别是微波或毫米波频率的园极化的电磁信号的天线。
背景技术
对于高数据率应用，例如微波或毫米波范围的无线通信***，这种天线特别地受到关注该类型的典型应用是卫星-地球-通信，室内无线LANS或室外LOS专用的链接。这些应用要求只能在例如15GHz-60GHz很高的频率范围才允许的大的带宽。园极化是必要的以便使用户忽视监视天线定向的要求。
现有技术中描述提供园极化的天线。在本领域中平面天线主要利用微带技术，例如在EP 0 215 240 B1中，描述了一种园极化微波平面阵列天线。这种天线包括夹在两个金属层之间的一个基片。在两个金属层中形成开口。在这些开口中，依靠基片提供激励探针。这种设计天线的缺点在于其结构格外复杂，以及为遵照要求的容差，探针准确地同金属层中的开口对准。这种复杂结构和对准要求附加制造步骤和先进技术。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供能应用在毫米波频率的天线，其具有良好的效率和简单的结构。
本发明的目的由这样一种天线来实现，其包括一个平面介质基片，该基片包括一个前介质表面和后介质表面，至少一个子天线装置，其包括一第一构件和一第二构件，用于辐射和接收园极化电磁信号，和至少一段传输线将信号从至少一个子天线装置传送到所说至少一个子天线，由此该天线的特征在于该子天线装置的第一和第二构件是在基片的前介质表面上彼此垂直成V-形状配置的槽，以及该传输线被配置在基片的后介质表面上。
按本发明的这种天线的主要优点在于其结构简单和馈电网络与辐射构件即槽的去耦。由这样一种事实给出该平面天线结构的简单性，即馈电线路与子天线装置都在一个介质基片的相对侧上形成。因此对该发明的配置而言单个层基片基本已经足够。因此不要求上层路径的额外的对准。而对于孔径耦合的补片路径天线而言这种对准是必须遵循的。由于对高频率这种容差很小，因此这种对准是令人生厌的任务。略去加工这种天线时这样一种对准的可能性就可以使用廉价的技术，从而降低了总成本。可以使用简单的平面技术，印刷技术和/或简单且廉价的照像平板印刷工艺过程。对于商业上成功的天线，强烈要求结构简单和成本低下并与本发明结构相符合。此外本发明的平面印刷天线很容易同有源器件在同一基片的集成。
特别对于阵列结构的馈电线路可以连接到一个附加的馈电网络，该馈电网络配置在子天线装置的基片的相对面，其保证天线的辐射只取决于子天线装置，即辐射槽，该辐射槽是容易控制的。
馈电线路可以是微带结构，最好配置在基片的相对面，相对每个槽低于45°角。对于馈线的该位置，其耦合部分可垂直于馈电线路方向，以允许两槽之间的功率的均匀分布。子天线装置结构包括两个彼此垂直配置的槽，并以V-形状配置，垂直槽能辐射电磁信号的水平分量，水平槽能辐射其垂直分量。如此能用简单结构得到天线的园极化辐射。
按本发明的天线的进一步有利的特征在从属权利要求中加以限定。
在一优选实施例中，子天线装置的第一或第二构件在长度上不相等。子天线装置的构件配置成彼此垂直的V-形槽。槽最好是矩形的，在V-形相会点具有将它们连接的一个桥接部分。然而也可以用其他的方式实现按本发明的天线，只要使槽的形状允许要求电磁信号激励，并且在它们纵方向通过槽的中心延长的线彼此垂直。在本发明的一个实施例中，子天线装置的第一和第二构件的每一个的宽度从其馈电侧到其相对侧增加。因此，对于在其垂直的纵方向延伸的两个槽的中心线每个槽是锥形的。
是该子天线装置的两个槽的和，即槽的总长度约为槽中的一个波导波长。但是如果两槽长度不等，则在垂直和水平槽的分量之间或V-形的臂间整个槽中激励的场具有90°相位差。这将导致分别由水平和垂直臂辐射的垂直和水平分量之间的90°的相移。由于这个相位移，在校正的工作频率上能获得园极化的辐射。
传输线具有多种设计方案以对天线进行匹配。馈电线路最好是微带线。在一个实施例中，传输线可以包括至子天线装置第一构件的第一线和至子天线装置第二构件的第二线，所说第一和第二线彼此共面。在另一个实施例中，该馈电线路包含一个锥形部分。这种馈电线路结构例如对于组抗的实部不可能调到馈电线路的特征阻抗的场合特别有利。对于这些情况，当阻抗的实部低时，低阻抗微带线用在耦合区并通过锥形结构对要求的微带线进行匹配。自然地也可以用其他已知的匹配类型。
子天线装置和传输线都配置在一个介质基片上，该介质基片的介电常数最好εr≥1。用作介质基片的合适材料例如是特氟隆-纤维玻璃(Teflon-fiberglass)，其介电常数为2.17。子天线装置是槽，最好在介质基片的一个面上的涂敷金属区中形成。它们可以通过金属化基片的一面并用已知的刻蚀技术在该金属上刻蚀槽得到。馈电结构是通过按要求的形状将金属加到基片的相对面得到。
按本发明的天线有利地还包括一个反射器装置，通常由反射器板或平面表示的反射器装置与介质基片的背面相间平行。在所说反射器装置或板和基片所说背面间，应放置低损材料。即使本发明天线工作不要任何反射器装置，但可以附加这种装置，以便增加天线的宽边增益并消除后背辐射。
在包括多个天线单元的相控阵天线阵列中，本发明天线特别适用于配置为一个天线单元。通过将若干每个包括两个垂直槽的子天线装置配置在一个基片上和用配置在该基片相对面上的馈电网络对其馈电就可获得平面相控阵天线阵列。对于这样一种阵列配置，本发明的优点特别明显。在离开子天线装置的基片相对面上配置馈电线路提供了馈电网络和辐射结构去耦的可能性。对于普通天线，特别对于阵列配置，由馈电网络监视不希望有的寄生辐射分量。这些分量明显降低轴向率(axial ratio)并由此是不希望有的。相反在按本发明的天线中，馈电网络和子天线装置是完全去耦的，因此辐射仅取决于良好可控的子天线装置，即辐射槽。多径效应的反射将明显衰减。
附图说明
以下将借助参照公开附图的优选实施例更详细地说明本发明。其中：
图1表示本发明第一实施例的示意顶视图，
图2表示本发明第二实施例的示意顶视图，
图3表示按本发明的天线的示意剖面图，
图4表示本发明第三实施例的示意顶视图，
图5表示本发明第四实施例的示意顶视图，
图6表示天线反射损耗对频率的模拟结果，
图7表示按本发明的两个天线的轴向率的模拟结果，
图8表示两天线向上方向的增益对频率的模拟结果，
图9表示按本发明的具有反射器装置的天线的水平槽方向的辐射
图的模拟结果，
图10表示按本发明的无反射器装置的天线的水平槽方向的辐射图的模拟结果。
具体实施方式
图1表示按本发明的天线的示意顶视图，在共面的介质基片1的前表面5上有槽2，3凸块和在介质基片1的后表面6上有馈电线路4。对于按本发明的天线，槽2，3可以通过蚀刻已加到基片1的前表面5的金属层7在该介质基片1的前表面5上形成。槽2和3成彼此垂直成V形状配置。
在图1所示的示例中，槽2，3每个是矩形状的，并通过桥接部分8连接到它们的馈电边。桥接部分8在宽度上小于槽2和3。按照该两个槽2和3的这种连接，子天线装置2，3，8的整个形状对于扁平V形的底端部12是V-形状的。槽2长度为Ls2和槽3长度有Ls3。在所示的实施例中槽3稍长于槽2，并且两槽的宽度为Ws。但是，如果提供的天线，其中子天线装置的第一槽的宽度比垂直于该第一槽配置的第二槽的宽度小，仍然属于本发明的范围之内。如从图1可推导出的，两槽2和3之间的角度为90°。
在基片1的反面提供馈电线路4，用于引导激励波到槽2和槽3或从其引导激励波。在图1的实施例中，馈电线路4是一种微带馈电线路，宽度W不变。配置馈电线路4，使其以45°角通过在槽2和3之间形成的90°角。长度L3是同槽2和3限定的区域相重叠的馈电线路部分。可以调整长度L3以便使耦合平面中复数阻抗的虚部最小。这样该天线的结构可有效地同馈电线路的特性阻抗相匹配，该特性阻抗例如可以是50Ω。与长度L3的部分相对的馈电线路4的终端可以连接到一个馈电网络(未示)。使用本发明的天线不要求混合器或功率分配器用作馈电网络。
槽(Ls1+Ls2)的总长度近似一个槽中的导波波长。槽Ws的长度以及宽度可以调整，以便产生耦合的阻抗的校正实部和产生园极化波场分量的校正相位角。
以下是天线的功能。激励波通过微带线4引导到槽2和3。该微带线4机械上不连接到槽2和3。在槽2和3的地区中，导波的磁场分量多少有一些激励槽2和3中的电场。如上所说，当适当地调整槽2和3的长度时得到在校正工作频率上的园极化辐射。
在图2中表示本发明的第二实施例。在该实施例中也在基片1的前介质面上提供槽2和3。在该实施例中应用的馈电线路具有第一部分9，其端接到锥形的第二部分10并产生更宽的带11。该更宽的带11部分重叠由槽2和3越过的地区。该重叠部分将被看作是短截线并具有长度L3。然而该更亮的带11还进一步越过槽2和3的V-形结构的扁平端12向着锥形部分10延伸。可以调整短截线L3的长度，以使得在该耦合平面内的复数阻抗的虚部最小化。放置在短截线和锥形体10之间的更宽的带11部分的长度比该短截线更短。该中间部分的长度必须进行调整以保证平齐地引导激励波至槽区。馈电线路4的与锥形部分10相对的第一部分9的终端能连接到一个馈电网络。
在图3中表示按本发明的天线的示意性截面图。基片1用金属层7复盖其前表面5上。在该层中配置槽2和3(在图3中仅表示槽2)。在基片1的相反侧表示后介质表面6，微带线4形式的馈电线路。馈电线路最好是加到后表面6的一条金属线。然而在本发明范围内也可以是用加到基片1的后表面6的金属层槽形成馈电线路4。
图3所示实施例是这样一个实施例，其中介质基片由一种低损材料13支撑，在其相对边配置金属反射器板形式的反射器装置14。反射器板14平行于基片1的后表面6。低损材料13可以是聚氨基甲酸(乙)酯，充满空气的自由空间或介质常数接近1但最好小于1.2的某些其他低损材料。该反射器装置用来增强天线的宽边增益。由此反射器平面到介质基片1的后表面的距离可以进行相应地调整。该反射器平面的距离，具体地其至基片1的中心的距离最好约为中心频率(工作频带)的1/4(电)波长。
图4表示本发明的第三个实施例。该实施例基本上相应于图2中所示实施例。只是在图4中槽2和3是锥形的。宽度Ws从槽的馈电侧到其相对侧增加。调整槽的宽度Ws1和Ws2以及长度Ls2和Ls3以得到耦合平面中阻抗的校正实部以及园极化波场分量的校正相位角。
图5表示本发明第四个实施例。在该实施例中馈电线路表示成由两个分开的线路15和16组成的共面馈电线路。线路15和16配置在基片1后表面6上，而槽2和3配置在其前表面5上。在所示实施例中，槽2和3不是互连的。电路15供应槽3，而电路16供应槽2。
由图1到图5所示的任何实施例都适用于在相控阵天线结构中。
已进行了模拟实验，以指示按本发明的天线的最好的工作值。对图2中所示的天线，工作在60GH2。考虑了有和无反射平面的情况。所使用的天线的几何和电参量表示在下表中：
| 测量 | 天线(1)(有反射器平面) | 天线(2)(无反射器平面) |
| D1 | 0.127mm | 0.127mm |
| εr | 2.2 | 2.2 |
| D2 | 1.4mm | -- |
| 馈电阻抗 | 50Ω | 50Ω |
| 耦合阻抗 | 25Ω | 25Ω |
| W1 | 0.4mm | 0.4mm |
| W2 | 0.gmm | 0.8mm |
| L1 | 0.7mm | 0.7mm |
| L2 | 0.3mm | 0.3mm |
| L3 | 1.47mm | 1.47mm |
| Ws | 0.17mm | 0.17mm |
| Ls2 | 2.315mm | 2.265mm |
| Ls3 | 2.075mm | 1.965mm |
由使用基于MPIE(混合位函数积分方程)的平面软件得到的运行这些天线的模拟结果在图6-10中表示。
图6中表示对按本发明天线的以dB为单位的反射系数S11和以GHz为单位的频率的关系曲线。复盖50-70GHz频段。虚线表示具有反射器平面的天线(1)的输入反射系数，而实线表示不具有反射器平面的天线(2)的输入反射系数。从图6可以导出，具有和不具有反射器平面的天线在58和64GHz之间都是良好匹配的。如果耦合阻抗表示出接近25Ω的实部，则结果将使人惊喜。
图7表示按本发明天线在上述频率上的轴向比。对于有反射器平面的天线，在所要求的60GHz频率上轴向比可以低于1dB。
在图8中表示用有和无反射器平面的天线得到的增益。从图明显看到具有反射器平面的天线的增益约比无反射器平面的天线增益高2dB。在图9和10中表示用有和无反射器平面的天线得到的不同的增益。从图可导出具有反射器平面的天线的辐射特性几乎是对称的，而对于不具有反射器平面的天线的特性可以观察到小的不对称分量。后者在相反方向还辐射一个大的不希望出现的功率量。因此可以理解为如图8中所示的增益对无反射器的天线在主方向只有1.2dBi，而如果使用有反射器平面的天线，则在主方向能得到3.3dBi的增益。理论上，反射器平面增加3dB的天线增益。但损失一些功率，这是因为在由上金属层和反射器平面构成的平行波导中将激励起一种模式。这些模式能够在激励区使用短路销钉来加以抑制。
Claims (8)
1.一种天线，包括：
平板介质基片(1)，包括前和后介质表面(5，6)，
至少一个子天线装置，包括第一第二构件(2，3)，用于辐射和接收园极化电磁信号，
至少一段传输线装置(4)，用于从至少一个子天线装置传送信号和将信号传送到所说至少一个子天线装置，其特征在于子天线装置的第一和第二构件(2，3)是在基片(1)的前介质表面(5)上彼此垂直成V-形式配置的槽，以及传输线装置(4)被配置在基片的后介质表面(b)上；
子天线装置的第一或第二构件(2，3)的长度彼此不同。
2.按权利要求1的天线，其特征在于子天线装置的第一和第二构件(2，3)每个的宽度(Ws)从其馈电边到相对边增加。
3.按权利要求1或2的天线，其特征在于形成子天线第一和第二构件的槽(2，3)是在介质基片的表面(5，6)之一上用金属涂敷区形成的槽。
4.按权利要求1-3之一的天线，其特征在于天线还包括一个反射器装置(14)，相间并平行于介质基片(1)的后表面(6)，低损材料(13)配置在所说反射器装置(14)和基片(1)的所说后平面(6)之间。
5.按上述权利要求之一的天线，其特征在于馈电线路表示成微带结构。
6.按上述权利要求之一的天线，其特征在于馈电线路包括锥形部分(10)。
7.按权利要求1-6之一的天线，其特征在于传输线路装置(4)包括第一线路(16)，用于传送信号到子天线装置的第一构件(2)和从子天线装置的第一构件(2)传送信号，以及第二线路(15)，用于传送信号到子天线装置的第二构件(3)和从子天线装置的第二构件(3)传送信号，所说第一和第二线路(15，16)彼此共平面。
8.按上述权利要求之一的天线，其特征在于在包括多个天线单元的相控阵天线中被配置为一个天线单元。
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