CN1608333B - 圆形极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于接收和/或发送电磁信号的设备，包括至少一个收发和/或发送电磁信号的装置，所述装置由槽型天线(12)和与所述天线槽进行电磁耦合的馈线(13)组成，从而将用于接收和/或发送电磁信号的装置与利用所述信号的装置相连，所述馈线在按照使电磁波表现出圆形极化的方式选择的两个点处与所述槽进行电磁耦合。

Description

圆形极化天线
技术领域
本发明涉及一种接收和/或发送电磁信号的设备，更具体地，涉及一种包括由槽型天线组成的接收和/或发射装置的设备，所述槽型天线能够在无线传输领域中使用，特别是在家庭网络中，而且还作为表现出宽频带的圆形极化天线的基本元件。
背景技术
具体地，在无线家庭网络中，对于本领域的技术人员而言公知的是，考虑到在到达接收机之前信号所经受的多次反射，发射波的偏振未得到保持。由此，天线不需要表现出高纯度的极化。然而，所要求的频率带宽可能较大。具体地，对于在5GHz处的无线家庭网络，在欧洲，已经根据BRAN/HIPERLAN2标准分配了两个分离的频带，而在美国，已经根据IEEE-802.11A标准分配了两个分离的频带。由此，为了完全覆盖这些频带，对于欧洲而言，天线必须在至少575MHz的带宽上工作，而对于美国而言，则必须在至少675MHz的带宽上工作。结果，频带必须分别为工作频率的大约11％和大约12.3％。
此外，如果想要利用这些天线低成本和大量地制造设备，为了考虑变化对衬底参数的影响和制造公差对天线的中心频率的影响，需要额外的余量。因此，所寻求的相对带宽具有15％到20％的量级。
而且，为了制造低成本和小型天线，已知的是，使用印刷天线型的天线。然而，印刷天线工作在较窄的频带。更具体地，带宽方面的性能，即，其中在天线的激励点处的反射系数S11小于-10dB的频带主要由诸如相对介电常数、厚度等所使用的衬底参数和辐射元件的选择来固定，所述辐射元件可以是贴片(patch)、槽等。
然而，在印刷天线中，已知的是，槽型天线能够低成本地获得表现出比其他印刷结构相对更大带宽的简单天线结构。
还已知的是，槽型天线，更具体地，由环状或多边形槽构成的天线可以根据圆形极化来辐射。在这种情况下，可以按照两种方式来获得圆形极化。
1/通过利用相同幅度和表现出90°的相移的正交线性极化来在两点处激励两个波，如在以THOMSON多媒体公司的名义申请的专利WO94/19842中所公开的那样；
2/通过在一个点进行激励，产生通过在位于离激励点45°的平面上引入诸如凹进或突起的干扰而获得的圆形极化。
在图1a和1b中示出了该类型的天线，图1a和1b分别涉及环状槽型天线的从上方看到的平面图及截面图，所述天线由微带线馈电，配备了凹进以获得圆形极化。
更准确地，天线由在其一个面上已经沉积了金属层3的衬底1形成，在所述金属层3中，已经制成了环状槽型的辐射元件2。该环状槽通过由衬底1的另一面上的金属沉积所制成的馈线3进行馈电。该馈线通过在馈线3和槽2之间的点A处的电磁耦合对辐射元件2进行馈电。在点A和该线的末端之间的线的尺寸大约为λm/4，其中，λm是针对该线的波导波长。
如在图1a中所示，槽2表现出平放在位于离激励点A实质上为45°处的平面上的两个径向相对的凹进4.因此，该干扰能够在频域中分离两个初始退化的正交模式.
如果将能够获得圆形极化的上述两个方法进行比较，可以意识到，当通过在两个点处激励来获得圆形极化时，与当通过环状槽中的干扰来产生圆形极化时相比，可以在更宽的频带上获得更好质量的圆形极化。
利用在两点处激励的方法能够获得较好的椭圆率或具有加宽的适配频带的ARBW(表示轴比带宽)。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种用于接收和/或发送电磁信号的新设备，包括辐射元件，所述辐射元件由环状槽天线和馈线组成，从而能够在与利用现有技术设备所获得的带宽大得多的匹配带宽上获得圆形极化。
因此，本发明的主题是一种用于接收和/或发送电磁信号的设备，包括至少一个收发和/或发送电磁信号的装置，所述装置由环状槽型天线和与所述天线槽进行电磁耦合的馈线组成，从而将用于接收和/或发送电磁信号的装置与利用所述信号的装置相连，其特征在于：馈线在按照使电磁波表现出圆形极化的方式选择的两个点处与所述槽进行电磁耦合。
根据优选的实施例，
-两个耦合点之间的槽的长度与λs/4实质上相等，其中，在具有周长λs的槽的情况下，λs是槽中的波导波长，即，槽周长的四分之一，
-两个耦合点之间的馈线长度与k’λm/4实质上相等，其中λm是在馈线下的波导波长，而k’是奇数，以及
-馈线的末端和第一耦合点之间的长度模λm/2与λm/8实质上相等，其中λm是在馈线下的波导波长，并且在开路时终止。
因此，按照如上所述的结构，考虑到沿着在开路时终止的馈线的电磁场的分布、以及在所述槽与馈线的相交点处的相同几何结构，通过具有相同幅度和90°相移的信号来激励在点A1和A2处的槽。这些条件允许获得针对接收和/或发送电磁信号的圆形极化。
根据本发明的另一特征，所述设备包括用于接收和/或发送电磁信号的多个装置，所述装置由彼此内部嵌套的槽型天线和馈线组成，所述馈线在按照使由每一个装置发射的电磁波表现出圆形极化的方式选择的两个点处与每一个装置的所述槽进行电磁耦合。
而且，所述馈线是微带线或共面线。由槽型天线组成的接收和/或发送电磁信号的装置包括环状或诸如方形、矩形、菱形等多边形的槽。
附图说明
通过阅读各种实施例，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，将参考附图来给出该描述，其中
图1a和1b分别示出了根据现有技术的设备的从上方看到的平面图和截面图。
图2a和2b分别示出了根据本发明的设备的第一实施例的从上方看到的平面图和截面图。
图3是给出了作为图2中的设备的频率的函数的、以dB表达的反射系数S11的模数的曲线.
图4是给出了图1和2的设备的椭圆率的曲线；以及
图5和6是根据本发明的两个变化的实施例的从上方看到的平面图。
具体实施方式
首先将参考图2到4来描述本发明的第一实施例。
如图2a和2b所示，根据本发明的用于接收和/或发送圆形极化的电磁信号的设备由环状槽型天线12构成，所述环状槽型天线由通过在端口1处与本领域的技术人员所公知的、利用信号的装置相连的馈线13的电磁耦合来馈电。
更具体地，具有厚度t＝17.5E-3mm的涂覆金属11已经沉积在衬底10上，所述衬底10诸如由表现出高度H＝0.81mm、介电常数Er＝3.38、TanD＝0.0027的Roger 4003衬底组成。
如在图2b中所示，已经在该涂覆金属中制成了环状槽12。如图2a所示，环状槽12表现出λs量级的周长。因此，该环状槽工作在其基本模式下。在所示的实施例中，对λs进行选择，从而使中心工作频率大约为5.8GHz。
如在这些附图中所示出的，已经通过将衬底10的相反面上的涂覆金属沉积到包括涂覆金属11的面上，制成了馈线。对该馈线13进行定位，以使其在位于彼此之间90°的两个点A1、A2处与槽12进行电磁耦合。因此，在两个点A1和A2之间的槽长度与λs/4实质上相等，其中在具有周长λs的槽的情况下，λs是槽中的波导波长，即，槽的周长的四分之一。
而且，根据本发明，在两个耦合点A1和A2之间的激励线13的长度与k’λm/4实质上相等，其中λm是馈线13的波导波长，而k’是奇数。在所示出的实施例中，馈线13由微带线组成。为了获得该值，对微带线的宽度进行优化。
之后，根据本发明，馈线13的末端和耦合点A1之间的波长模λm/2与λm/8实质上相等，其中，λm是馈线13的波导波长。该馈线13终止于开路。而且，超过点A2的该馈线的超过部分能够将环状槽与所使用的测量设备相匹配。
对上述类型的结构已经进行了仿真。所述仿真在如上所述的Rogers 4003衬底上进行，具有以下的特性：环状槽表现出内径φin＝12.6和外径φex＝13和阻抗Zs＝108.5Ω。由微带技术所制成的馈线13表现出阻抗Zm＝134.5欧姆、宽度为0.2mm的特性，并且在平行于该馈线离切点1.895mm的距离处切割环状槽。在这种情况下，由图3所示的曲线给出了针对反射率S11的仿真结果。可以意识到，在-10dB处，获得了对应于工作频率的19.8％的频带，即，大于传统***的频带，并且能够符合欧洲和美国标准的限制。
而且，图4中示出了椭圆率，即，针对如图1所示的传统设备的AR-BW，所述传统设备由具有凹进的槽组成，以及针对如图2所示的根据本发明的设备的AR-BW，根据本发明的设备由与按照指定方式放置的馈线耦合的槽组成。图4中所获得的结果示出了两个天线的AR-BW等价于工作频率的略微位移。
因此，按照根据本发明的结构，在保持完全令人满意的圆形极化的同时，获得了宽带操作。
现在将参考图5和6来描述本发明的其他实施例。
图5示出了另一实施例的从上方看到的平面图，所述实施例包括用于接收和发送具有圆形极化的电磁波的两个相互嵌套的装置。
更具体地，其中示出了第一环状槽20和第二环状槽21，两个槽由微带技术所制成的公共馈线22来进行馈电。该馈线22与能够获得圆形极化波的根据标准的槽20和21进行电磁耦合。
更具体地，线22按照以下方式在点P1和P2处与环状槽20耦合，所述方式为P1和P2之间的长度与k’λm/4实质上相等，其中，λm是该馈线的波导波长。将P2和P1之间的槽20的长度选择为λs/4的量级，其中，λs取决于在其基本模式下天线20的工作频率f1，并且P2和处于开路的线22的末端之间的馈线22模λm/2与λm/8实质上相等，其中，λm是在馈线22下的波导波长。
而且，线22还在按照以下方式所选择的两点P3和P4处与槽21进行电磁耦合，所述方式为：P4和P3之间的线的长度与k”λm/4实质上相等，P4和P3之间的槽的长度与λ’s/4实质上相等，其中，λ’s取决于在其基本模式下天线21的工作频率f2，并且在P4和线22的末端之间的长度模λm/2与λm/8实质上相等。在这种情况下，两个槽20、21的周长给出了两个天线的两个工作频率，并且馈线22与两个槽之间的特定耦合能够在诸如f1和f2的两个不同频率处获得具有圆形极化的操作。
在上述实施例中，按照以下方式来嵌套两个槽20、21，所述方式为：在开路和具有槽20的两个相交点P2-P1的中点之间的频率f1处的微带线的长度L1等于在开路和具有槽21的两个相交点P3-P4的中点之间的频率f2处的微带线的长度L2。
此外，L1与kλm1/4(k是奇数)实质上相等，而L2与kλm2/4(k是奇数)实质上相等，因此，根据L1与L2的比率以及值k’和k”的选择，可以针对嵌套的槽设想各种结构，其可以是诸如在某点处的切线，或者表现出小圆齿的馈线结构。
现在将参考图6来描述本发明的另一实施例。在这种情况下，槽30由诸如菱形的多边形构成，所述槽30由馈线31进行馈电，所述馈线31按照符合根据本发明的构造标准的方式来切割菱形。
通过参考特定实施例，已经描述了本发明。然而，对于本领域的技术人员显而易见，槽型天线的形状可以按照多种方式来修改，具体地，所述槽可以由方形、矩形或其他任何类似的多边形来构成，并且馈线也可以由诸如共面技术等不同的技术来制成。

Claims (8)

1.一种用于接收和/或发送电磁信号的设备，包括至少一个接收和/或发送电磁信号的装置，所述装置由至少一个环状槽型天线(12，20，21，30)和单根馈线(13，22，31)组成，所述馈线与所述至少一个环状槽型天线的至少一个槽进行电磁耦合，从而将用于接收和/或发送电磁信号的装置与利用所述信号的装置相连，馈线交叉穿过所述至少一个槽，并与所述至少一个槽中的每一个槽分别在两个点(A1，A2；P1，P2，P3，P4)处进行电磁耦合，其中，对于所述至少一个槽中的每一个槽而言，该槽在两个耦合点之间的长度与该槽的周长的四分之一相等。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：按照以下方式来选择在槽型天线的所述槽和馈线之间的电磁耦合的两个点，所述方式为：
-两个耦合点之间的槽的长度与λs/4相等，其中，在具有周长λs的槽的情况下，λs是槽中的波导波长，以及
-两个耦合点之间的馈线长度与k’λm/4相等，其中λm是馈线的波导波长，而k’是奇数，以及
-馈线在一个末端以开路终止，并且馈线的所述末端和与该末端相邻的耦合点之间的长度与λm/8+kλm/2相等，其中λm是馈线的波导波长，k≥0且为整数。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述设备包括用于接收和/或发送电磁信号的多个装置，所述装置由彼此内部嵌套的槽型天线(20，21)和单根馈线(22)组成，所述馈线与每一个槽分别在两个点(P1，P2；P3，P4)处进行电磁耦合，每个槽在馈线与所述槽的两个耦合点之间的长度与所述槽的周长的四分之一相等。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述馈线是微带线或共面线。
5.一种用于接收和/或发送电磁信号的设备，包括至少一个接收和/或发送电磁信号的装置，所述装置由至少一个多边形状槽型天线和单根馈线组成，所述馈线与所述至少一个多边形状槽型天线的至少一个槽进行电磁耦合，从而将用于接收和/或发送电磁信号的装置与利用所述信号的装置相连，馈线交叉穿过所述至少一个槽，并与所述至少一个槽中的每一个槽分别在两个点处进行电磁耦合，其中，对于所述至少一个槽中的每一个槽而言，该槽在两个耦合点之间的长度与该槽的周长的四分之一相等。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：按照以下方式来选择在槽型天线的所述槽和馈线之间的电磁耦合的两个点，所述方式为：
-两个耦合点之间的槽的长度与λs/4相等，其中，在具有周长λs的槽的情况下，λs是槽中的波导波长，以及
-两个耦合点之间的馈线长度与k’λm/4相等，其中λm是馈线的波导波长，而k’是奇数，以及
-馈线在一个末端以开路终止，并且馈线的所述末端和与该末端相邻的耦合点之间的长度与λm/8+kλm/2相等，其中λm是馈线的波导波长，k≥0且为整数。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：所述设备包括用于接收和/或发送电磁信号的多个装置，所述装置由彼此内部嵌套的槽型天线和单根馈线组成，所述馈线与每一个槽分别在两个点处进行电磁耦合，每个槽在馈线与所述槽的两个耦合点之间的长度与所述槽的周长的四分之一相等。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：所述馈线是微带线或共面线。
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