CN1312599A - 带有嵌入式阻抗变换器的拼片天线以及制造该天线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线,该天线具有一个安装在衬底上的拼片振子,一个接地平面,以及一个阻抗变换器,该阻抗变换器在该拼片振子和接地平面之间。该拼片振子电连接到阻抗变换器的第一端,一个馈送线通过接地平面电连接到阻抗变换器的第二端。阻抗变换器的使用使得阻抗匹配将被实现,而不会被拼片振子的物理限制所限制。

Description

带有嵌入式阻抗变换器的拼片天线以及制造该天线的方法

本发明一般涉及天线的改进，尤其涉及带有嵌入式阻抗变换器的拼片天线的有利方面。

在一般的微带拼片天线中，辐射器单元是由一个金属拼片所提供，该金属拼片安装在接地平面之上的介质衬底上。由于微带拼片天线的多种合乎要求的特征，它们在天线领域起着重要的作用。这些特征包括它们的低折射率、减少的重量、相对低的制造成本、极化分集以及相对容易的集成处理，这使得多个相同的拼片被分组成多个阵列，并与电路单元相集成。

为了有效地工作，天线的输入阻抗应该与其传输馈送线的阻抗相匹配。有多种技术用于实现微带拼片天线中的阻抗匹配。图3和下文描述了使用同轴馈送的拼片天线，其中阻抗匹配一般是通过调节拼片振子馈送点的位置实现的。然而，如下文所讨论的，可用于该方法的阻抗匹配的范围受到拼片振子物理尺寸的限制。

尽管通过改变拼片天线的设计参数，而不是改变拼片天线的大小来得到所需要的阻抗匹配在理论上是可能的，但是这些变化通常都不切实际。微带拼片天线的输入阻抗是由多种因素以及介质常数所确定的，这些因素包括拼片的尺寸、衬底的高度。然而，在调节这些因素时可能存在着相对有限的灵活性。例如，天线的介质负载以及天线的尺寸可能是由天线所需要的波束宽度和谐振特性所决定的。

参照图1到图3可以更好地理解现有技术，图1到图3示出了当前用于馈电一个微带天线的三种基本的技术。它们分别包括传输线馈电、开口馈电和同轴馈电。

图1示出了使用传输线馈电技术的拼片天线10的透视图。如图1所示，天线10包括一个基本上为方形的拼片振子12，该拼片振子安装在位于接地平面16顶部的介质衬底14上。到拼片振子12的馈送线18安装在与拼片振子12相同的衬底14上，并且利用***到振子12中的插口20，直接连接到拼片振子12的边缘。传输线馈电是一种非常简单的馈电微带拼片的方法。阻抗匹配是通过调节插口20的尺寸来实现的。

传输线馈电方法受到多种问题的破坏，首先，由于馈送线和拼片振子处于同一电平(level)上，它们不能被同时优化。其次，该结构中的馈送线起到了另一个辐射器的作用，它产生了杂散辐射，并且导致了交叉极化鉴别和方向图性能的降低。此外，为了控制来自馈送线的辐射，线路宽度不能太宽，否则将导致衬底相对地薄。一般来说，业已知道微带天线的带宽与衬底的厚度成比例。因此，这种类型的馈电导致了窄带宽的结构。

图2示出了利用开口馈电方法的拼片振子30的部分剖视图。天线30包括一个拼片振子32，该振子安装在位于接地平面36顶部的第一介质衬底34上。微带馈送线38安装在位于接地平面36下面的第二介质衬底40的下表面上。微带馈送线38与拼片振子32之间的耦合是由接地平面40上的隙缝42实现的，其中微带馈送线38穿过该隙缝42。最后，金属板反射器44一般设置在另一个天线振子的下面，以减少来自接地平面36中隙缝开口42的杂散辐射。

开口馈电方法克服了与传输线馈电方法相关的多种缺陷，这些缺陷包括来自微带馈电线的杂散辐射以及基本的带宽限制，因为微带馈送线38在接地平面38的下面，并且可以被独立地设计。然而，由于反射器44的存在，多种平行的模式(parallel modes)可以被容易地激励，并且在接地平面和反射器之间传播。这些平行模式降低了天线辐射效率。因此，开口馈电结构中的一个主要挑战在于如何抑止平行模式。

图3示出了利用同轴馈电方法的拼片天线50的透视图。天线50包括一个安装在介质衬底54顶部的拼片振子52。接地平面56紧靠介质衬底54的下表面。最后，同轴馈送线58垂直地固定在接地平面56的下表面上。同轴馈送线58的外导体60电耦合到接地平面56，同轴馈送线58的内导体62电耦合到拼片振子52的下侧。输入阻抗是馈送线在拼片振子52中位置的函数。因此，通过适当地定位馈送线58，拼片天线50的阻抗可以与馈送线相匹配。由于同轴馈送线58直接向辐射单元，即拼片振子52传送电流，就提供了比开口馈电结构更稳定的信号耦合。此外，对于同轴馈电方法而言，它很少涉及在需要较高介质负载以实现诸如更宽波束宽度的某些电性能特性的情况下平行模式的激励。

在图3所示的同轴馈电方法中，馈电的位置在匹配拼片振子的输入阻抗时是互关重要的，尤其是因为确定输入阻抗的其他因素，诸如拼片的尺寸、衬底的高度、以及介质常数可能是由所需要的天线技术规范所决定的，这些技术规范诸如天线的波束宽度以及谐振频率。然而，在某些情况下，可能非常困难或者不可能发现可利用的拼片尺寸中的所需要匹配馈送点。因而，可用于给定微带拼片天线的阻抗匹配范围是有限的。

本发明解决了上述问题以及其他问题，本发明的一个方面提供了一种天线，该天线具有一个安装在衬底上的拼片振子，一个接地平面，以及一个阻抗变换器，该阻抗变换器在该拼片振子和接地平面之间。该拼片振子电连接到阻抗变换器的第一端，一个馈送线通过接地平面电连接到阻抗变换器的第二端。阻抗变换器的使用使得阻抗匹配将被实现，而不会被拼片振子的物理限制所限制。根据本发明的另一个方面，拼片振子安装在第一衬底表面上，接地平面安装在第二衬底表面上，接地平面通过多个衬底层与拼片振子分开。一个阻抗变换器嵌入在相邻的衬底层之间，这些衬底层在拼片振子和接地平面之间，并且一个导电通路将阻抗变换器的第一端连接到拼片振子上的馈送点。该天线还包括一个同轴馈送线，该同轴馈送线具有一个电连接到接地平面的外导体，以及一个电连接到阻抗变换器第二端的内导体，以便信号通过阻抗变换器在同轴馈送线和拼片振子之间传送。

本发明的其他特征和优点通过下文的详细描述并参照附图而变得清楚。

图1示出了根据利用传输线馈电的现有拼片天线的透视图；

图2示出了根据利用开口馈电的现有拼片天线的部分剖视图；

图3示出了根据利用同轴馈电的现有拼片天线的透视图；

图4A示出了根据本发明带有一个嵌入式阻抗变换器的拼片天线第一实施例的部分剖视图；

图4B示出了图4A所示的拼片天线的俯视图；

图4C示出了沿平面C-C的图4A和图4B所示天线的截面图；

图5A示出了根据本发明带有一个嵌入式阻抗变换器的拼片天线其他实施例的俯视图；

图5B示出了图5A所示天线的仰视图；

图5C示出了沿平面C-C的图5A和图5B所示天线的截面图；

图6示出了图5A到图5C所示天线的上衬底层的仰视图；

图7示出了不带有上衬底层的图5A到图5C所示天线的俯视图；

图8示出了图5A到图5C所示天线的中间衬底层的仰视图；

图9示出了不带有中间衬底层的图5A到图5C所示天线的俯视图。

本发明的一个方面提供了一种微带拼片天线，该天线包括一个安装在衬底上的拼片振子，一个接地平面，以及一个阻抗变换器，该阻抗变换器在拼片振子和接地平面之间。拼片振子电连接到阻抗变换器的第一端，一个馈送线电通过接地平面连接到阻抗变换器的第二端。业已发现这种技术可以明显地改进给定微带拼片天线可利用的阻抗匹配范围。一般的同轴馈送线可以具有大约50Ω的阻抗。一般的带有中心馈送点的拼片振子可以具有150-200Ω范围的阻抗。如上所述，在现有技术中，阻抗匹配是通过将拼片振子的馈送点从其中心移走而实现的。然而，这意味着可利用的阻抗匹配范围受到拼片物理尺寸的限制。只要一个独立的阻抗变换器消除这种物理限制，就可在拼片振子的尺寸由其他设计依据所限制的情况中实现阻抗匹配。

而且，本发明可以用于解决微带拼片天线的已知固有缺陷，即有限的带宽。通过将下文描述的宽带匹配技术与现有的宽带方法相结合，这种技术就可以用于增强带宽性能。

图4示出了根据本发明第一实施例的拼片天线70的部分剖视图。图4B示出了天线70的俯视图，图4C示出了沿平面C-C的天线70的截面图。为了示意的目的，图4A示出了一个透明的拼片振子72以及第一衬底74。天线70包括一个安装在介质衬底74的上表面的拼片振子72，该介质衬底74具有上层76和下层78。阻抗变换器80夹层地设置在上层76和下层78之间。在本发明的当前优选实施例中，阻抗变换器80被实现为一个金属带，其有效地增加了线路的宽度，从而降低了天线负载阻抗，以便它匹配信号输入阻抗。阻抗变换器80的大小是通过运行模拟计算出来的，以得到所需要的阻抗特性。下衬底层78的下表面包括一个接地平面82。同轴馈送线84垂直地固定在接地平面82的下表面上，该同轴馈送线84具有一个内导体86以及一个外导体88。阻抗变换器82的一端通过一个通路90连接到拼片振子上的馈送点。阻抗变换器80的另一端连接到同轴馈送线84的内导体86。因此，信号从同轴馈送线84经过变换器80和通路90传送到拼片72。

如图4A到4C所示，同轴馈送线84被这样定位，即它位于拼片振子72中心的下方，此处的输入阻抗等于零。由于变换器80的存在，用于阻抗匹配的通路90的位置不像常规同轴馈电结构那样至关重要。也可以设计出阻抗变换器80匹配于通路90和同轴馈送线84之间的阻抗。

图5A和5B分别示出了根据本发明其他实施例的微带拼片天线100的俯视图和仰视图。图5C示出了沿平面C-C的图5A和5B所示天线100的截面图。如图5A到5C所示，天线100包括一个安装在介质衬底104的上表面上的拼片振子102，该拼片振子102具有一个上层106，一个中层108以及一个下层110。如下文所讨论的，三层衬底的使用便于制造工艺的实现。阻抗变换器112夹在中衬底层108和下衬底层110之间。下衬底层110的下表面利用铜或者其他导体覆层，以形成一个接地平面114。外金属底板116固定在接地平面114的外侧。同轴馈送线118垂直地安装在底板116的中心。同轴馈送线118的外导体120连接到接地平面114，同轴馈送线118的内导体122连接到阻抗变换器112的第一端。阻抗变换器112的第二端通过一个通路124电连接到拼片振子102上的馈送点126。在本发明的实施例中，通路124是一个导电金属管，其从上衬底层106延伸到中衬底层108。

图6示出了上衬底层106的仰视图，图7示出了不带有上衬底层106的天线100组成部分的俯视图。图8示出了中衬底层108的仰视图，图9示出了不带有上衬底层106和中衬底层108的天线100组成部分的俯视图。如图6和图7所示，上衬底层106的下表面以及中衬底层108的上表面是空白的，它们上面没有安装金属部件。如图8和图9所示，阻抗变换器包括一个安装在中衬底层108的下表面上的上面部分112a，以及一个安装在下衬底层110的上表面上的下面部分112b。在已制造的天线中，阻抗变换器的上面部分112a和下面部分112b彼此之间电接触，并且起到一个整体结构的作用。

可以看出，上衬底层106和中衬底层108每个都有一个空白的表面以及另一个在其上安装金属天线部件的表面。这种方法简化了天线的制造，因为用于制造这些金属部件的工艺仅需要在每个衬底的一侧实现。当然，如果需要的话，上衬底层106和中衬底层108可以组合成一个衬底层。而且，其他制作技术也可以用于将阻抗变换器嵌入在衬底上，而不是将变换器夹在衬底层之间。在本发明的这种实施例中，也可以利用仅具有一层的衬底。

本发明提供了一种有效的阻抗匹配技术，以用于同轴馈电的微带拼片天线的设计，从而打开了利用同轴馈电结构来实现宽带设计的大门。因此，天线设计者可以将注意力集中于得到小的电压驻波比(VSWR)轨迹，而无须担心其在史密斯圆图中的位置。相反，它们可以依赖于嵌入式变换器，以带来用于带宽匹配的、到史密斯圆表中心的轨迹。这种方法将与开口馈电结构相关的匹配技术的优点与稳定性，以及同轴馈电结构的效率相结合。

尽管上述描述包括了使本领域技术人员能够实现本发明的各种细节，但应该认识的是，这些描述本质上是示意性的，得益于这些教导的本领域技术人员将会知道多种变化和修改。因此，本发明只是由在此所附的权利要求书限定，而且权利要求书应该被理解的如现有技术所允许的那样宽。

Claims (17)

1．一种天线，包括：

一个安装在衬底上的拼片振子；

一个接地平面；

一个在该拼片振子和接地平面之间的阻抗变换器，该拼片振子电连接到该阻抗变换器的第一端；以及

一个穿过接地平面电连接到阻抗变换器第二端的馈送线。

2．一种天线，包括：

一个安装在介质衬底的第一表面上的拼片振子；

一个安装在介质衬底的第二表面上的接地平面；

一个嵌入在该拼片振子和接地平面之间的介质衬底中的阻抗变换器；

一个将阻抗变换器的第一端连接到拼片振子上馈送点的通路，该通路穿过该介质衬底延伸；

一个具有一个外导体和一个内导体的同轴馈送线，其外导体电连接到接地平面，其内导体电连接到阻抗变换器的第二端，以便信号通过阻抗变换器在同轴馈送线和拼片振子之间传送。

3．根据权利要求2的天线，其中该同轴馈送线垂直固定在接地平面上。

4．根据权利要求3的天线，其中该同轴馈送线在拼片振子下面的中心处。

5．根据权利要求2的天线，其中该阻抗变换器匹配该通路和该同轴馈送线之间的阻抗。

6．根据权利要求2的天线，其中该介质衬底包括多层，并且阻抗变换器嵌入在拼片振子和接地平面之间的相邻层之间。

7．一种天线，包括：

一个第一介质衬底；

一个安装在该第一介质衬底的上表面的拼片振子；

一个固定在第一介质衬底之下的第二介质衬底，且第二介质衬底的上表面与第一介质衬底的下表面相邻；

一个嵌入在第二介质衬底的上表面与第一介质衬底的下表面之间的阻抗变换器；

一个将阻抗变换器的一端与拼片振子上的馈送点相连接的通路，该通路穿过第一介质衬底延伸；

一个安装在第二介质衬底的下表面的接地平面；

一个具有一个外导体和一个内导体的同轴馈送线，其外导体电连接到接地平面，其内导体电连接到阻抗变换器的第二端，并且内导体穿过第二衬底而延伸，以便信号通过阻抗变换器在同轴馈送线和拼片振子之间传送。

8．根据权利要求7的天线，其中该同轴馈送线垂直固定在接地平面上。

9．根据权利要求8的天线，其中该同轴馈送线在拼片振子下面的中心处。

10．根据权利要求7的天线，其中该阻抗变换器匹配该通路和该同轴馈送线之间的阻抗。

11．一种天线，包括：

一个第一介质衬底；

一个安装在该第一介质衬底上表面上的拼片振子；

一个固定在该第一介质衬底之下的第二介质衬底，并且该第二介质衬底的上表面与第一介质衬底的上表面相邻；

一个固定在该第二介质衬底之下的第三介质衬底，并且该第三介质衬底的上表面与第二介质衬底的下表面相邻；

一个嵌入在第三介质衬底的上表面与第二介质衬底的下表面之间的阻抗变换器；

一个将该阻抗变换器的一端与拼片振子上的馈送点电连接的通路，该通路穿过第一和第二介质衬底延伸；

一个安装在第三介质衬底的下表面的接地平面；

一个具有一个外导体和一个内导体的同轴馈送线，其外导体电连接到该接地平面，其内导体电连接到阻抗变换器的第二端，并且该内导体穿过第三衬底而延伸，以便信号通过阻抗变换器在同轴馈送线和拼片振子之间传送。

12．根据权利要求11的天线，其中该同轴馈送线垂直固定到接地平面。

13．根据权利要求12的天线，其中该同轴馈送线在拼片振子下面的中心处。

14．根据权利要求11的天线，其中该阻抗变换器匹配该通路和该同轴馈送线之间的阻抗。

15．根据权利要求11的天线，其中该阻抗变换器包括一个上面部分和一个下面部分，并且该阻抗变换器的上面部分安装在第二介质衬底的下表面上，其下面部分安装在第三介质衬底的上表面上。

16．一种制造天线的方法，包括以下步骤：

(a)将一个拼片振子安装到第一衬底的表面上；

(b)将一个接地平面安装到第二衬底的表面上；

(c)将阻抗变换器嵌入在拼片振子和接地平面之间的相邻衬底层之间；

(d)将阻抗变换器的第一端连接到拼片振子上的馈送点；

(e)将同轴馈送线的外导体连接到接地平面，同轴馈送线的内导体连接到阻抗变换器的第二端，以便信号通路阻抗变换器在同轴馈送线和拼片振子之间传送。

17．根据权利要求16的方法，还包括：

(f)利用阻抗变换器来匹配通路和同轴馈送线之间的阻抗。

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