專利名稱：多層縫隙耦合的天線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多層縫隙耦合的天線裝置，其中通過被形成在金屬化層上的縫隙在信號端口與天線單元之間傳送能量。
從信號源對天線單元的饋電通?？赏ㄟ^傳導(dǎo)(即，在源與單元之間的直接連接)或通過電磁耦合過程而進行，后者包括所謂的縫隙耦合技術(shù)。雖然前者本身簡單，以及可以在單層組件中實現(xiàn)，而后者需要使用多層的金屬化加電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
多層縫隙耦合天線結(jié)構(gòu)本身是熟知的，其中一個例子顯示于

圖1a和1b。在圖1a和1b上，多層結(jié)構(gòu)包括一個基片(電介質(zhì)載體或泡沫材料)10和兩個電介質(zhì)層11，12。信號饋送線13被夾在基片與電介質(zhì)層11之間，接地面14被夾心在電介質(zhì)層11與12之間，在接地面上形成一個縫隙或孔15。最后，天線單元(“貼片”)16被沉積在電介質(zhì)12的上表面，而基片的下表面可配備有接地金屬化層17。
從這種結(jié)構(gòu)得到多個好處。首先，因為較大部分饋電線通過接地金屬化層而與天線貼片隔離開，來自該裝置的寄生輻射被減小。在接地面14的兩邊也有可能采用不同的電介質(zhì)材料，例如具有不同的介電常數(shù)的電介質(zhì)材料，這樣，電電介質(zhì)的性能可以對于天線裝置的信號饋送部件與天線部件都進行最佳化?？p隙的尺寸被定為使得它不引起諧振。而且，因為耦合是通過縫隙的輻射，而不是通過導(dǎo)體的傳導(dǎo)，所以可以避免需要貫穿接觸(“通孔”)和容納它們的開孔。
然而，使用與直接耦合結(jié)構(gòu)不同的縫隙耦合結(jié)構(gòu)的一個具體的缺點是，在多層組件制造過程中不可避免地引入的公差會造成天線性能的惡化，這主要影響天線工作的中心頻率和它的輸入阻抗特性。
按照本發(fā)明的第一方面，提供了多層縫隙耦合天線裝置，依次包括天線單元；第一電介質(zhì)層；形成在接地面上的第一和第二耦合縫隙；第二電介質(zhì)層；與相應(yīng)耦合縫隙相聯(lián)系并被連接到信號饋送端口的第一和信號饋送線，每個饋電線有一個正交地橫跨它的相應(yīng)縫隙的部分，這些部分的末端遠(yuǎn)離信號饋送端口，指向相反方向。因為末端部分指向相反方向，在天線制作期間饋電線相對于它們各自耦合縫隙的任何橫向位移將在相反的意義上影響耦合，由此減小任何位移的影響。
優(yōu)選地，第一和第二饋電線藉助于功分器被連接到信號饋送端。
有利地，在一個實施例中，第一和第二耦合縫隙包括互相間隔開的并沿公共軸放置的細(xì)長孔口，第一和第二饋電線與它們的相應(yīng)孔口正交放置，饋電線的自由端位于公共軸的相對側(cè)。
替換地，第一和第二耦合縫隙包括互相間隔開并互相平行放置的細(xì)長孔口，第一和第二饋電線與它們的相應(yīng)孔口正交，饋電線的自由端指向互相遠(yuǎn)離的方向。
在再一個實施例中，第一和第二耦合縫隙包括互相間隔開并互相平行放置的細(xì)長孔口，第一和第二饋電線具有與相應(yīng)孔口正交的各自的第一部分，和與相應(yīng)孔口平行的各自的繼續(xù)部分。
優(yōu)選地，在以上任一個實施例中，在使用時，從信號饋送端口發(fā)送到一個縫隙的功率基本上等于從信號饋送端口發(fā)送到另一個縫隙的功率，在一個縫隙處的饋送信號的相位與在另一個縫隙處的饋送信號的相位基本上相差π弧度。
有利地，天線裝置還包括被形成在接地面上的第三或多個耦合縫隙，以及與相應(yīng)的第三或多個耦合縫隙有關(guān)并被連接到至少一個另外的信號饋送端口的第三或多個饋電線。
在具體的優(yōu)選實施例中，天線裝置包括第三和第四耦合縫隙以及各自有關(guān)的第三和第四饋電線，第三和第四饋電線藉助于另一個功分器被連接到另一個信號饋送端口。
對于這樣的結(jié)構(gòu)，天線單元在形式上有利地是矩形，并且第一和第二耦合縫隙彼此相對地靠近矩形單元的兩個邊緣放置，第三和第四耦合縫隙彼此相對地靠近矩形單元的另兩個邊緣放置，饋電線有些部分被放置成與它們的相應(yīng)耦合縫隙垂直。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了多層縫隙耦合的天線裝置，依次包括天線單元，第一電介質(zhì)層，耦合縫隙裝置，第二電介質(zhì)層，以及被連接到信號饋送端口的信號饋送線裝置，其中信號饋送線裝置與耦合縫隙裝置被配置成在使用時能量在信號饋送端口與天線單元之間以推挽方式被傳送。
有利地，耦合縫隙裝置包括在接地面上的一對孔口，信號饋送線裝置包括與相應(yīng)孔口有關(guān)的一對饋電線以及被插入在饋電線與信號饋送端口之間的功分器，信號饋送線裝置被安排成，在使用時根據(jù)饋電線在縫隙處的位置，加到信號饋送端口的信號在饋電線之間基本上相等地并以相反的相位被劃分。
現(xiàn)在參照附圖，僅以舉例方式，描述本發(fā)明的實施例，其中圖1a和1b分別以截面?zhèn)纫晥D和分解平面圖顯示傳統(tǒng)的多層縫隙耦合天線裝置的結(jié)構(gòu)；圖2顯示饋電線在僅僅一個方向上相對于縫隙的放置時相反方向的誤差(偏移)的狀況；圖3a和3b分別是輸入反射系數(shù)相對頻率的曲線圖和思密斯圓圖(Smith Chart)，分別涉及到由于偏移引起的已知的天線裝置的特定的實現(xiàn)方案的性能的改變；圖4是按照本發(fā)明的天線裝置的第一實施例；圖5a和5b分別是關(guān)于圖4的天線裝置的輸入反射系數(shù)對頻率的曲線圖和思密斯圓圖；圖6是按照本發(fā)明的天線裝置的第二實施例；圖7是本發(fā)明的第二實施例的備選版本；圖8是按照本發(fā)明的天線裝置的第三實施例；以及圖9是按照本發(fā)明的天線裝置的第四實施例。
現(xiàn)在藉助于圖1a，1b，和2說明在多層組件制作中的公差的影響。
在按照本發(fā)明的天線裝置的生產(chǎn)中的制造步驟(在一個實現(xiàn)方案中)為如下(a)饋電線13被沉積在電介質(zhì)11上，留下未金屬化的電介質(zhì)11的另一個面；(b)接地面14被沉積在電介質(zhì)12上，然后在接地面上形成縫隙15；(c)貼片16被沉積在電介質(zhì)12的另一個面；(d)基片10的一個面被完全金屬化17，另一個面留下未被金屬化。最后，(e)電介質(zhì)11，電介質(zhì)12和基片10例如通過粘結(jié)過程互相被固定在一起。這引起的問題是電介質(zhì)11和12互相之間的精確的定位不能保證，這造成先前提到的公差。定位誤差、位移或“偏移”可以沿天線貼片16的面在兩個方向上發(fā)生，這被顯示于圖2，圖上偏移方向被表示為x和y。雖然通常希望避免在這些方向的任一個方向上的偏移，但在x方向上(即，垂直于縫隙)的偏移是特別要避免的，因為它們導(dǎo)致天線諧振頻率的很大的失諧，或以不同的術(shù)語表示，導(dǎo)致天線輸入阻抗的顯著的改變。這些影響在更高頻率上甚至是更顯著的。
在圖3a和3b中顯示對于天線性能的惡化影響的具體的例子，這關(guān)系到約28GHz(28.42GHz)的標(biāo)稱天線工作頻率和在x方向上+/-150μm的層的位移或“偏移”。相對頻率的輸入反射系數(shù)特性的改變是圖3a的主題，在圖上可看到，特性上的大約39dB的下降在零偏移時達到，當(dāng)出現(xiàn)所述的偏移時，情形變壞達16與19dB之間。而且，天線的中心頻率由于該偏移從它的標(biāo)稱值(28.42GHz)移到這個標(biāo)稱值的任一端的數(shù)值，諧振頻率的全部范圍近似為450MHz。相同的情形以不同的形式顯示于圖3b的思密斯圓圖。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，性能的這種惡化是由于饋電線起到具有某個標(biāo)稱阻抗特性的分支線的作用。分支線的長度的任何變化將改變這些特性，因此，影響天線裝置的總的運行。
由本發(fā)明提供的解決方案是利用與各個縫隙相結(jié)合的至少兩個饋電線，以及將這兩對或多對部件布置成以推挽結(jié)構(gòu)工作，由此抵消組件層中的任何偏移。
圖4上顯示體現(xiàn)本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)的第一個例子，圖中貼片16的軌跡包括兩個縫隙20，21和兩個分別相關(guān)的線22，23。饋電線22，23被連接到用于阻抗變換的各個傳輸線24，25，后者又被耦合到線段27，它的自由端用作為端口35。部件24，25和27一起代表功分器26，正如在本例的情形下，它可采用熟知的畸形的T接頭的形式。
在使用時，輸入信號在端口35開始，并被分成兩個部分，分別由線22和23載送。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，觀察到兩個條件，現(xiàn)在結(jié)合兩個虛擬端口(在線22上的端口36和在線23上的端口37)的存在說明這兩個條件。第一條件是從端口35發(fā)送到端口36的功率的幅度基本上等于從端口35發(fā)送到端口37的功率的幅度。以S參量(傳輸幅度)表示|Sport36，port35|(dB)＝|Sport37，port35|(dB)＝-3dB(無損耗)另外，在縫隙20，21下的推挽饋電的方式下，在端口36處的相位與在端口37處的相位相比較之間的差別是|π|。以S參量(傳輸幅度)表示phase(Sport36，port35)-phase(Sport37，port35)＝|π|在縫隙20，21下的推挽信號與相反的饋電方向(從左端的端口36，從右端的端口37)相組合，導(dǎo)致貼片16通過兩個縫隙20，21的附加饋電。天線裝置的各個部件的實際實現(xiàn)方案，即，饋電線的長度d，c，縫隙的長度和寬度，在縫隙外的耦合線的延伸臂d，b，畸形的T接頭的寬度h，j，k，邊緣的長度f，g等的確定，將遵循早已很好地建立的原理，例如，在J.R.James和P.S.Hall的“Handbook of MicrostripAntennas”，Peter Peregrinus，London，1989中列出的，在本專利申請中不再描述。
為了節(jié)省組件中的空間，縫隙20，21在每個末端處提供以延伸部分28，29，這用來增加縫隙的有效長度，通過例如在Jean-FrancoisZurcher和Fred E.Gardiol的“Broadband Patch Antennas”，ArtechHouse，Boston，1995中描述的方式。
通過剛才描述的結(jié)構(gòu)，在x方向上的任何偏移將影響串聯(lián)的兩個縫隙(推挽結(jié)構(gòu))，這導(dǎo)致一個分支的伸長和另一個分支的相應(yīng)的縮短，結(jié)果，最后凈影響被大大地減小，且天線裝置的頻率和阻抗特性被保持為幾乎是恒定的。圖5a和5b以曲線圖/圓圖的形式顯示最后得到的性能，在圖上可以看到，在輸入反射系數(shù)上所需要的下降，雖然在全部三種情形下(即，-150μm，0μm，和+150μm)不絕對是恒定的，但無論如何遠(yuǎn)低于被偏移影響的。在全部偏移范圍內(nèi)輸入阻抗的實際改變現(xiàn)在約為50.6Ω-48.1Ω＝2.5Ω，僅僅是5.0％的改變。這應(yīng)當(dāng)與在未補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)(圖3a和3b)中在57.7Ω與41.4Ω之間的變化(32.6％)相比較。中心頻率的相應(yīng)的改變是40MHz，與未補償情形下的1.58％相對照，它合計只有0.14％改變。
圖6和7上顯示本發(fā)明的兩個替換的實施例，其中這時縫隙30，31在x方向上占用貼片16的大多數(shù)長度，以及饋電線32，33/40，41沿y方向上延伸。在本例中補償?shù)钠茖⑽挥趛方向，而不是x方向。再次地，饋電線的驅(qū)動將理想地遵從先前所述的兩個與相位和幅度有關(guān)的條件。
雖然至今為止只顯示和描述了具有兩對饋電線和縫隙的天線裝置，但本發(fā)明確實也設(shè)想使用兩對以上的饋電線和縫隙。圖8上顯示本發(fā)明的實現(xiàn)方案，包括以推挽方式運行的一對饋電線/縫隙結(jié)構(gòu)42，43，這正如已結(jié)合其他實施例描述的，以及附加的饋電線/縫隙結(jié)構(gòu)44，它雖然沒有對偏移補償效果作出貢獻，但無論如何確實提供給天線以按相對的極化(即，在x方向)運行的信號饋送，這樣做的好處是，貼片可用兩個不同的頻率被饋電。給天線饋電是兩個端口45，46。在圖9中，另一個實施例采用按一種極化配置的縫隙/饋電線對50，51，和按另一種極化配置的縫隙/饋電線對52，53，同時輸入信號被加到各個端口54和55，信號再從這些端口以推挽方式被加到各個饋電的縫隙-橫截部分?，F(xiàn)在在x和y方向進行補償偏移。正如在圖8的結(jié)構(gòu)中，兩個端口可被做成載送不同的頻率，但這時這兩個饋電信號被做成對于它們各自的有關(guān)的偏移基本是不敏感的。
權(quán)利要求
1.多層縫隙耦合天線裝置，依次包括天線單元(16)；第一電介質(zhì)層(12)；形成在接地面上的第一和第二耦合縫隙(20，21；30，31)；第二電介質(zhì)層(11)；與各個耦合縫隙相聯(lián)系的和被連接到信號饋送端口的第一和第二饋電線(22，23；32，33)，每個饋電線有一個正交地橫跨它的相應(yīng)縫隙的部分，這些部分的末端遠(yuǎn)離信號饋送端口，指向相反方向。
2.按照權(quán)利要求1的天線裝置，其中第一和第二饋電線(22，23；32，33)借助于功分器(25，26，27)被連接到信號饋送端口。
3.按照權(quán)利要求2的天線裝置，其中第一和第二耦合縫隙包括互相間隔開并沿公共軸放置的細(xì)長孔口(20，21)，第一和第二饋電線(22，23)與它們的相應(yīng)孔口正交，饋電線的自由端位于公共軸的相對側(cè)。
4.按照權(quán)利要求2的天線裝置，其中第一和第二耦合縫隙包括互相間隔開并互相平行放置的細(xì)長孔口(30，31)，第一和第二饋電線(32，33)與它們的相應(yīng)孔口正交，饋電線的自由端指向互相遠(yuǎn)離的方向。
5.按照權(quán)利要求2的天線裝置，其中第一和第二耦合縫隙包括互相間隔開并互相平行放置的細(xì)長孔口(30，31)，第一和第二饋電線(32，33)具有與相應(yīng)的孔口正交的各自的第一部分(40，41)，和與相應(yīng)孔口平行放置的各自的繼續(xù)部分。
6.按照任何前述權(quán)利要求的天線裝置，其中，在使用時，從信號饋送端口發(fā)送到一個縫隙的功率基本上等于從該信號饋送端口發(fā)送到另一個縫隙的功率，并且在一個縫隙處的饋電信號的相位與在另一個縫隙處的饋電信號的相位基本上相差π弧度。
7.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的天線裝置，還包括被形成在接地面上的第三或多個耦合縫隙(44)，以及與各個第三或多個耦合縫隙有關(guān)并被連接到至少一個另外的信號饋送端口(46)的第三或多個饋電線(44)。
8.按照權(quán)利要求7的天線裝置，包括第三和第四耦合縫隙以及各自相關(guān)的第三和第四饋電線，第三和第四饋電線借助于另一個功分器被連接到另一個饋電端口。
9.按照權(quán)利要求8的天線裝置，其中天線單元在形式上是矩形，第一和第二耦合縫隙(50，51)彼此相對地靠近矩形單元的兩個邊緣放置，且第三和第四耦合縫隙(52，53)彼此相對地靠近矩形單元的另兩個邊緣放置，饋電線有些部分被放置成與它們的各個耦合縫隙相垂直。
10.多層縫隙耦合的天線裝置，依次包括天線單元(16)，第一電介質(zhì)層(12)，耦合縫隙裝置(15)，第二電介質(zhì)層(11)，以及被連接到信號饋送端口的信號饋送線裝置(13)，其中信號饋送線裝置與耦合縫隙裝置被配置成，在使用時能量在信號饋送端口與天線單元之間以推挽方式被傳送。
11.按照權(quán)利要求10的天線裝置，其中耦合縫隙裝置包括在接地面上的一對孔口，信號饋送線裝置包括與相應(yīng)孔口有關(guān)的一對饋電線以及被插入在饋電線與信號饋送端口之間的功分器，信號饋送線裝置被安排成，在使用時根據(jù)饋電線在縫隙處的位置，加到信號饋送端口的信號在饋電線之間基本上相等地并以相反的相位被劃分。
全文摘要
多層縫隙耦合天線裝置采用至少兩對縫隙－饋電線對的推挽結(jié)構(gòu)，由此饋電線由公共信號源進行驅(qū)動，并被配置成為很大地補償由于層偏移造成的天線中心頻率和輸入阻抗的改變。
文檔編號H01Q9/04GK1550053SQ02806037
公開日2004年11月24日 申請日期2002年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月5日
發(fā)明者M·蒙克, M 蒙克 申請人:馬科尼通訊股份有限公司