CN1615561A - 用于利用辐射分集接收和/或发射电磁波的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用辐射分集来接收和/或发射电磁波的设备。所述设备在通用衬底(3)上包括：由封闭曲线形成的至少一个槽型的天线(1)，被称为槽型天线，与第一供电线(6)进行电磁耦合；以及与衬底(2)平行地进行辐射的天线(2)，位于槽型天线内并与第二供电线(7)相连，所述第一和第二供电线通过切换装置与利用电磁波的装置相连。所述设备尤其可以应用于无线传输领域。

Description

用于利用辐射分集接收和/或发射电磁波的设备

技术领域

本发明涉及一种利用辐射分集来接收和/或发射电磁波的设备，能够在无线传输领域中使用，特别是在诸如家庭无线网络、体育馆、电视台、演出地点或类似场所等封闭或半封闭环境中的传输的情况下，而且还能够在诸如移动电话等需要最小尺寸的天线***的无线通信***中应用。

背景技术

在已知的高比特率无线传输***中，由发射机所发射的信号通过多个不同的路线到达接收机。当在接收机对这些信号进行组合时，在具有不同长度的所遵循路径的不同无线电波之间的相位差导致了干涉图，这可能会引起衰减的趋势或信号的显著恶化。而且，衰减趋势的位置在时间上发生改变，取决于环境的变化，例如，新物体或过路人的存在。由路径的多重性所引起的该衰减趋势可能会导致接收信号的质量和***性能的显著恶化。

为了对抗该衰减趋势，最经常采用的技术是一种已知为空间分集的技术。特别地，该技术在于：利用与开关单元相连的具有较宽空间覆盖范围的一对天线，例如，“片”型的两个天线。这两个天线空间分隔必须大于或等于λ0/2的距离，其中λ0是与天线的工作频率相对应的波长。利用这种类型的天线，可以示出：两个天线同时处于衰减条件的概率非常低。而且，开关单元通过利用监控电路来检查接收到的信号，允许选择与表现出最高信号电平的天线相连的分支。然而，该解决方案的主要缺陷在于：由于其需要在辐射天线之间的最小间距，以确保通过每个辐射元件所看到的信道响应的适当的去相关，因此，天线***的体积非常庞大。

已经提出了不同的解决方案来减小天线***的尺寸，同时仍然确保适当的分集。一些解决方案已经成为以THOMSON多媒体许可贸易公司的名义所递交的几个专利申请的目的。特别地，这些解决方案在于：使用通过线槽转换提供的槽型的多个天线，并且包括允许获得辐射分集的装置，特别地，包括根据接收到的信号的电平，使切换到天线之一或另一个上的二极管。

此外，在2001年第五期卷49的标题为“Diversity antenna forexternal mounting on wireless handsets”的IEEE文章中，还提出了：在移动电话领域，将λ/4槽与单极相连，以产生分集辐射***。然而，所提出的***是相对复杂的三维结构。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种利用辐射分集来接收和/或发射电磁波的设备的新解决方案，具有极为紧凑的结构，同时还表现出具有非常好的互补性的辐射图。本发明还提出了一种利用辐射分集来接收和/或发射电磁波的设备，具有相对较低的制造成本。

因此，本发明的主题是一种利用辐射分集接收和/或发射电磁波的设备，其特征在于所述设备在通用衬底上包括：由封闭曲线形成的至少一个槽型的天线，与第一供电线进行电磁耦合；以及与衬底平行地进行辐射的天线，例如在横模或类似模式下操作的单极型、螺旋线型，位于槽型天线内并与第二供电线相连，所述第一和第二供电线通过切换装置与利用电磁波的装置相连。

上述用于接收和/或发射电磁波的设备利用了以下事实：由封闭曲线形成的槽型天线(此后称之为槽型天线)以及工作在横模下的单极或螺旋线型的天线表现出实质上全向的辐射图，其中最小值分别针对槽型天线位于衬底的平面中，而针对其他天线，则沿着单极或螺旋线的轴。因此，从一个天线到另一天线的切换允许对通过天线的信道响应进行修改，并且使***受益于分集增益。

根据优选的实施例，按照微带技术或共面技术来实现第一供电线。此外，第一供电线的末端和电磁耦合点之间的长度等于kλm/4，其中k是奇整数，而λm是在具有 $\mathrm{\λm}=\mathrm{\λ}0/\sqrt{{\mathrm{\ϵr}}_{\mathrm{eff}}}$ 的中心工作频率处的供电线上的导波波长，其中λ0是自由空间长度，而ε_reff是所述线的有效介电常数。按照微带技术或由同轴线来实现第二供电线。当按照微带线来实现所述线时，在处于槽的外部部分和内部的部分之间的槽型天线处进行连接，例如，由具有等于按照微带技术所实现的线的宽度的大约2到3倍的宽度的导电插件来形成所述连接，从而不与提供激励的微带线的操作相互干扰。此外，为了使由于导电连接的存在而造成的槽型天线的槽内的干扰最小，所述连接位于针对槽的电短路电路平面中，因此，所述平面是提供单极或螺旋线天线的激励的微带线与所述槽型天线相交的平面。

根据优选的实施例，所述槽型天线由圆形的环形槽形成，或者由周长等于k’λs的封闭曲线形成，其中k’是整数，λs是工作频率处的槽中的波长，和/或由诸如方形和矩形的多边形槽形成。根据本发明的另一特征，利用辐射分集来接收和/或发射电磁波的设备可以包括彼此互锁的多个槽型天线，从而加宽操作频带或允许多带应用。

附图说明

通过阅读参考附图所示出的各个实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中，

-图1是本发明第一实施例的示意透视图，

-图2和3分别是第一实施例的横截面图和顶视图，

-图4和5分别示出了针对根据图1到3的设备，单极和槽型天线的辐射图的透视图，

-图6示出了以dB为单位绘制的S参数的曲线，所述S参数是针对根据图1到3的设备的不同“端口”之间的频率的函数，

-图7是本发明第二实施例的横截面图，

-图8是针对第二实施例的与图6所示曲线相同的曲线，

-图9和10示出了针对根据图7的设备的槽和单极天线的辐射图。

具体实施方式

为了简化描述，在附图中，相同元件带有相同的参考符号。

如图1到3所示，用于接收和/或发射电磁波的设备基本上包括：槽型天线1，由封闭曲线，更特别的是环形槽形成；天线2，与槽的平面平行地辐射，即所示实施例中的单极。单极2位于槽型天线1的中心。更具体地，如图2和3所示，本发明的设备包括由其顶部表面已经金属化的介电材料3制成的衬底。通过脱去围绕成圆的金属层4的金属来构造环形槽1，所述圆的直径取决于设备的工作波长，更具体地，所述圆的周长等于k’λs，其中λs是处于工作频率下的槽中的波长，而k’是整数。

另外，在环形槽的中心处设置了直径为D的圆形开口5。该开口容纳还经过衬底3的、在其中心部分中的单极2。在单极2下，在衬底3的底面上设置了环形金属安装盘5。更具体地，如图3所示，根据由Knorr所描述的方法，由与端口1相连的微带线6来激励环形槽1。在衬底的底面上构造该微带线6。在其自由端6’和与槽2的电磁耦合点之间，其具有长度Lm＝kλm/4，其中，λm是在线上的波长，而k是奇整数。

类似地，在所示的实施例中，由微带线7来激励单极2。

如图3所示，为了确保针对激励单极2的微带线7的接地平面的连续性，在形成环形槽1的内盘和外环之间进行连接。利用具有宽度w的导电插件8来进行该连接，所述宽度w足够大(其宽度等于提供激励的印制线的宽度的大约2到3倍)，以使其不与提供激励的微带线的操作发生干扰。为了使由于该金属插件的存在而造成的在环形槽处的干扰最小，所述金属插件位于针对槽的电短路平面中，因此，该平面是提供单极的激励的线与环形槽相交的平面。

如图4和5所示，环形槽1和单极2表现出实质上全向的并且相对互补的辐射特性，其中，对于环形槽，最小值m位于衬底的平面中(在这种情况下，沿着轴ox)，而对于单极，则沿着单极的轴(在这种情况下，是轴oz)。因此，从一个端口向另一个端口的切换(利用本领域的技术人员所公知的切换设备，例如开关，位于用于提供线6和7和用于处理信号的部分之间，由诸如信号电平、信噪比之类的控制信号来控制)允许对通过天线的信道响应进行修改，并且使***受益于分集增益。因此，例如，如果主导接收信号沿ox轴到达，将表示通过切换到与单极相连的入口，经由与槽相连的入口来接收弱信号，极有可能的是，假定方向ox与单极图中的最大值相对应，将接收具有相当大的电平的信号。可以将对称辐角应用于主导信号沿oz轴到达的情况，例如，在多级通信的情况下。

在这种情况下，在环形槽1和单极2之间的耦合保持为较弱，假定：

i)辐射图的互补性(辐射图之一的最大值的方向沿另一辐射图的最小值的方向)；

(ii)由槽和单极天线所发射的场的正交性。

因此，可以期望最小相互干扰位于两个辐射元件之间，即使其几乎占据了相同的物理空间。

为了确保诸如上述的发射/接收设备的正确操作，已经针对在大约5.8GHz的中心频率处的操作，完全地选择了该发射/接收设备的尺寸，然后，利用来自Ansoft的HFSS仿真包对其进行了仿真。参考在图1到3中的示意图，由环形槽1和单极2所产生的天线***具有以下尺寸：

·R_int＝6.4mm(槽的内径)

·R_ext＝6.8mm(槽的外径)

·W_s＝0.4mm(槽的宽度，W_s＝R_ext-R_int)

·W_m1＝0.3mm(给槽供电的微带线的宽度)

·l_m1＝8.25mm(给端口1和线/槽转换之间的槽供电的微带线的长度)

·l_m1’＝8.25mm(给线/槽转换和处于开路的线的末端之间的槽供电的微带线的长度)

·D＝2mm(在槽的中心处脱去金属的直径)

·L＝13.21mm(单极的长度)

·□＝30mm(接地平面的直径)

·□_monopole＝1mm(形成单极的金属导线的直径)

·W_m2＝0.2mm(给单极供电的微带线的宽度)

·l_m2＝8.4mm(给端口2和线/槽转换之间的单极供电的微带线的长度)

·l_m2’＝8.8mm

·插件1.2mm长(或者槽长度的3％)

·将直径为2mm的金属盘放置在单极下(这有利于该单极与其供电线的焊接)

所使用的衬底由具有相对介电常数□r＝3.38和厚度h＝0.81mm的Rogers 4003制成。

图6示出了在给环形槽供电的线的输入处的反射效率(S11)和给单极供电的线的输入处的反射效率(S22)、以及在两个端口1和2之间的耦合效率(S21)的仿真结果。可以观察到两个天线的较好匹配，以及在两个入口之间好于19dB的隔离，尽管两个辐射元件，即，槽1和单极2极其靠近。

在这种情况下，在图4和5中分别示出了在单极和环形槽入口处所获得的辐射图。尽管单极图略微失真，但可以观察到，天线***仍然按照需要进行操作，换句话说，实质上是全向的互补图案，最小值对于单极沿着oz轴，而对于环形槽位于ox轴。

如图7所示，根据一种变体，由在端口2处相连的同轴线来激励单极。在该变体2中，单极的激励位于衬底接地平面9一侧上。在这种情况下，在衬底3的下表面上形成接地平面9。在该接地平面上形成由环形槽1所构成的天线。现在，在衬底的上表面上实现了由微带线6所形成的供电线，产生如先前实施例中所示的激励。已经利用来自Ansoft的HFSS包，对如下所示的特定实现尺寸执行了专用于该变体的仿真：

·R_int＝6.4mm(槽的内径)

·R_ext＝6.8mm(槽的外径)

·W_s＝0.4mm(槽的宽度，W_s＝R_ext-R_int)

·W_m1＝0.3mm(给槽供电的微带线的宽度)

·l_m1＝8.25mm(给端口1和线/槽转换之间的槽供电的微带线的长度)

·l_m1’＝8.25mm(给线/槽转换和处于开路的线的末端之间的槽供电的微带线的长度)

·D＝2mm(在槽的中心处脱去金属的直径)

·L＝12.4mm(单极的长度)

·□＝30mm(接地平面的直径)

·□_monopole＝1mm(形成单极的金属导线的直径)

所使用的衬底由具有相对介电常数□r＝3.38和厚度h＝0.81mm的Rogers 4003制成。

图8中示出了两个入口处的匹配、以及两个端口之间的隔离。曲线S21示出了较好的隔离，而曲线S11和S22示出了在5.8GHz的工作频率处的较好匹配。图9和10分别示出了在如上所述的用于发射和/接收电磁波的设备的槽和单极入口处的辐射图。可以观察到，利用同轴线的单极激励具有避免了单极和槽型天线的激励线的交叉的优点，示出了比由微带线进行激励的情况更好的隔离(大于22dB的隔离)，并且单极图不再发生失真。以增加天线结构的复杂性的代价(在衬底的相对面上的具有不同类型的槽和单极入口：同轴线和微带线)获得了该优点。

另外的修改可以包括诸如：作为单极的替代，使用在横模下操作的螺旋线，使用双槽或多槽，以便加宽频带或用于多带应用，替代Knorr型供电，使用槽的切线供电，并且使用环形槽的变形以进一步减小其尺寸，其中，该环形槽还可以采用方形、矩形或其他多边形的形式，同时仍然保持在以上所给出的定义的范围内。类似地，单极或螺旋线可以由相同类型的天线来替代，所述天线位于槽型天线的中心，并且按照与衬底平行的方向进行辐射。可以将槽型天线的供电线实现为微带技术或共面技术中的线。另外，在环形槽的情况下，槽型天线可以具有诸如凹口等装置，以使其在交叉极化的模式下操作。

Claims (11)

1.一种利用辐射分集接收和/或发射电磁波的设备，其特征在于所述设备在通用衬底(3)上包括：由封闭曲线形成的至少一个槽型的天线(1)，被称为槽型天线，与第一供电线(6)进行电磁耦合；以及与衬底(2)平行地进行辐射的天线(2)，位于槽型天线内并与第二供电线(7)相连，所述第一和第二供电线通过切换装置与利用电磁波的装置相连。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：按照微带技术或共面技术来实现第一供电线(6)。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：第一供电线(6)的末端和电磁耦合点之间的长度等于kλm/4，其中k是奇整数，而λm是在具有 $\mathrm{\λm}=\mathrm{\λ}0/\sqrt{{\mathrm{\ϵr}}_{\mathrm{eff}}}$ 的中心工作频率处的供电线上的导波波长，

其中λ0是自由空间长度，而εr_eff是所述线的有效介电常数。

4.根据前述权利要求任一个所述的设备，其特征在于：按照微带技术或由同轴线来实现第二供电线(7)。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：当按照微带线来实现所述线时，在处于槽的外部的部分和处于内部的部分之间的槽型天线处进行连接。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：由具有等于按照微带技术所实现的线的宽度的2到3倍的宽度的导电插件8来形成所述连接。

7.根据权利要求5和6任一个所述的设备，其特征在于：所述连接位于针对槽的电短路电路平面中。

8.根据权利要求1到7任一个所述的设备，其特征在于：所述槽型天线由圆形的环形槽形成，或者由等于k’λs的周长的封闭曲线形成，其中λs是在工作频率处的槽中的波长，并且k’是整数，或者由诸如方形和矩形的多边形槽形成。

9.根据权利要求1到8任一个所述的设备，其特征在于：与衬底平行地进行辐射的天线(2)由工作在横模下的单极或螺旋线形成。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述设备可以包括彼此互锁的多个槽型天线。

11.根据权利要求1到10的任一个所述的设备，其特征在于：与衬底平行地进行辐射的天线(2)位于一个或多个槽型天线的中心处。

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