專利名稱：微帶天線基本單元以及使用該基本單元的微帶天線陣單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于無線通信中發(fā)送/接收端的高頻微帶天線部分，尤其涉及移動(dòng)通信中微帶天線基本單元以及使用該基本單元的微帶天線陣單元。
目前，在無線通信，特別是移動(dòng)通信中經(jīng)常使用微帶天線。一般情況下，是在作為介質(zhì)板的敷銅板一個(gè)表面上腐蝕出一定形狀的貼片，從而構(gòu)成微帶天線。由于這種微帶天線采用的是單片結(jié)構(gòu)，并且選擇的是敷銅板，導(dǎo)致其帶寬較窄，增益較低。
本發(fā)明的目的在于提供一種頻帶寬、增益高的微帶天線基本單元。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種微帶天線陣單元，使其帶寬進(jìn)一步增加。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元，它包含有設(shè)置有耦合孔徑以及微帶饋線的高頻介質(zhì)基片，其中，耦合孔徑設(shè)置在介質(zhì)基片的上表面上，微帶饋線設(shè)置在介質(zhì)基片的下表面上，并垂直平分所述耦合孔徑在下表面上的投影。微帶饋線具有長度為電磁波波長的1/4的微帶匹配調(diào)節(jié)支節(jié)。此外，該微帶天線基本單元還包含至少兩個(gè)依次層疊在高頻介質(zhì)基片上的諧振層，其中，第一諧振層包含中部聚苯乙烯泡沫層，設(shè)置在所述高頻介質(zhì)基片上，其上表面上設(shè)置有圓形的凹模，凹模的圓周上間隔相等地交替設(shè)置有兩個(gè)凹槽和兩個(gè)凸槽；激勵(lì)輻射元，由圓形金屬薄片制成，而且其大小和形狀如此設(shè)置，從而被匹配地嵌入中部聚苯乙烯泡沫層的凹模中；第二諧振層包含上部聚苯乙烯泡沫層，設(shè)置在中部聚苯乙烯泡沫層上，其上表面上設(shè)置有形狀和大小與中部聚苯乙烯泡沫層中的凹模的形狀和大小相同的凹模，并且將上部聚苯乙烯泡沫層的厚度設(shè)置得與中部聚苯乙烯泡沫層的厚度不同；寄生輻射元，由與激勵(lì)輻射元相同的金屬材料制成，并且具有和激勵(lì)輻射元相同的形狀、大小和厚度的，該寄生輻射元匹配地嵌入上部聚苯乙烯泡沫層的凹模中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種微帶天線陣單元，包含第一微帶天線基本單元、第二微帶天線基本單元、用于將輸入功率均分給第一微帶天線基本單元和第二微帶天線基本單元的饋電功率分配部分，以及從饋電功率分配部分分別連接到第一和第二微帶天線基本單元的饋線，其中，第一和第二微帶天線基本單元在空間上正交，并且連接到第一和第二微帶天線基本單元的饋線長度相差1/4個(gè)工作波長，其中，微帶天線基本單元是本發(fā)明的第一個(gè)方面所提供的微帶天線基本單元。
由于本發(fā)明采用了多層結(jié)構(gòu)，通過雙諧振效應(yīng)使帶寬增加，并且由于在選材上采用了相對(duì)介電常數(shù)低的聚苯乙烯泡沫層等更為適宜的材料，使增益提高。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微帶天線基本單元的分解透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微帶天線陣單元的示圖。
下面，根據(jù)附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步的描述。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的微帶天線基本單元E的分解透視圖。如圖1所示，E表示用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元，由高頻介質(zhì)基片11、包含中部聚苯乙烯泡沫層12和激勵(lì)輻射元13的諧振層M，包含上部聚苯乙烯泡沫層14和寄生輻射元15的諧振層N層疊而成。
高頻介質(zhì)基片11的上表面上設(shè)置有耦合孔徑11a，下表面上設(shè)置有微帶饋線11b，設(shè)置耦合孔徑11a具有以下優(yōu)點(diǎn)它使微帶天線的輻射部分與設(shè)置在下表面上的饋電電路相分離；通過耦合孔徑實(shí)現(xiàn)縫隙饋電，從而減小微帶天線尺寸；由于耦合孔徑和饋電電路位于兩個(gè)表面上，故便于有源器件的排列，從而有利于有源微帶天線陣的設(shè)計(jì)；以及由于將耦合孔徑設(shè)置在上表面上，故能夠獲得比直接電磁耦合高的耦合效率等作用。
另外，設(shè)置在所述介質(zhì)基片11的下表面上的所述微帶饋線11b垂直平分所述耦合孔徑11a在下表面上的投影，本實(shí)施例中，微帶饋線11b的阻抗為50歐姆，這種饋線可以克服同軸電纜直接饋電方式(背饋)由于基片的厚度帶來的寄生電感，避免了為擴(kuò)展頻帶不得不增添電容補(bǔ)償而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化。并且，所述微帶饋線11b具有長度為電磁波波長的1/4的微帶匹配調(diào)節(jié)支節(jié)11d，用于調(diào)節(jié)阻抗匹配。另外，在本實(shí)施例中，高頻介質(zhì)基片11的相對(duì)介電常數(shù)εr是3.38，由于介電常數(shù)較高，并且介質(zhì)基片可以制得較薄，采用這種介質(zhì)基片，可以達(dá)到減低饋電電路的輻射損耗、減小饋電電路尺寸，以及便于SMA電纜座的焊接的目的。
在高頻介質(zhì)基片11的設(shè)置了耦合孔徑11a的表面上，設(shè)置中部聚苯乙烯泡沫層12，其上表面上設(shè)置有圓形的凹模12b，所述凹模12b的圓周上間隔相等地交替設(shè)置有兩個(gè)凹槽12c和兩個(gè)凸槽12d。與常規(guī)的介質(zhì)厚片相比，本發(fā)明采用的聚苯乙烯泡沫層12的相對(duì)介電常數(shù)較低，從而降低腔體諧振品質(zhì)因數(shù)，增加帶寬，同時(shí)，表面波損耗也小。并且在制造中使用這種聚苯乙烯泡沫層12，成本很低。
13表示激勵(lì)輻射元，它由圓形金屬薄片制成，而且其大小和形狀如此設(shè)置，從而被匹配地嵌入上述中部聚苯乙烯泡沫層12的凹模12b中，由此保證了組合時(shí)激勵(lì)輻射元13的正確位置。其半徑由下面公式求得r＝40×1.6/fmm，其中f是電磁波的頻率，單位是GHz。本實(shí)施例中，激勵(lì)輻射元13可以使用鋁或銅等金屬材料制成，這不但降低了生產(chǎn)成本，并且減小了介質(zhì)損耗。
另外，圓形形狀以及圓周上的兩組微擾凹槽和微擾凸槽，能夠?qū)崿F(xiàn)單饋點(diǎn)圓極化，從而簡化了饋電電路。十分有利于構(gòu)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微帶天線陣，并且兩組微擾凹槽和微擾凸槽還在其嵌入上述聚苯乙烯泡沫層12時(shí)，起到定位作用。在本實(shí)施例中，微擾凹槽13a、微擾凸槽13b的面積Δs由下式求得Δs＝s/1.841Q其中，s為圓形面積，Q為腔體品質(zhì)因數(shù)。
聚苯乙烯泡沫層12和激勵(lì)輻射元13構(gòu)成第一諧振層M。
14表示設(shè)置在所述中部聚苯乙烯泡沫層12上的上部聚苯乙烯泡沫層，其上表面上設(shè)置有形狀和大小與所述中部聚苯乙烯泡沫層12中的所述凹模12b的形狀和大小相同的凹模14b，其作用與上述凹模12b的作用相同，用于固定嵌入其中的寄生輻射元15(下面將描述)。并且所述上部聚苯乙烯泡沫層14的厚度與所述中部聚苯乙烯泡沫層12的厚度不同，用來調(diào)整微帶天線基本單元E的帶寬。
15表示由與所述激勵(lì)輻射元13相同的金屬材料制成，并且具有和所述激勵(lì)輻射元13相同的形狀、大小和厚度的寄生輻射元，其中，微擾凹槽15a和微擾凸槽15b的作用與微擾凹槽13a和微擾凸槽13b的作用相同，實(shí)現(xiàn)單饋點(diǎn)極化以及定位功能。在組裝時(shí)，將所述寄生輻射元15匹配地嵌入上部聚苯乙烯泡沫層14的凹模14b中。這種設(shè)計(jì)簡化了加工，減低了成本。
聚苯乙烯泡沫層14和寄生輻射元15構(gòu)成第二諧振層N。
另外，在本實(shí)施例中，為了固定這種多層結(jié)構(gòu)，分別在高頻介質(zhì)基片11、中部聚苯乙烯泡沫層12和上部聚苯乙烯泡沫層14的四個(gè)角上設(shè)置了四個(gè)組合定位孔11c、12a、14a，當(dāng)然，也可以使用其它現(xiàn)有的定位方式。
上述各部分組合即構(gòu)成一完整的基本單元，由于它具有多層結(jié)構(gòu)，獲得較寬的頻帶。其主要性能為增益不小于9dB，百分比帶寬為9％(當(dāng)電壓駐波比VSWR≤1.5時(shí))。
雖然在本實(shí)施例中只采用了兩個(gè)諧振層M和N的組合，但根據(jù)本發(fā)明的上述原理，為了達(dá)到理想的頻帶寬度，還可以適當(dāng)增加諧振層的數(shù)量，例如在高頻介質(zhì)基片上依次層疊3個(gè)或4個(gè)諧振層。
為了進(jìn)一步提高微帶天線的性能，本發(fā)明在上述基本單元的基礎(chǔ)上又提供了一種微帶天線陣單元，它是將成對(duì)的基本單元按一定的方向排列，并按一定的相位饋電而構(gòu)成的。
如圖2所示，C表示微帶天線陣單元，它包含一對(duì)相同的第一和第二微帶天線基本單元E21和E22、用于將輸入功率均分給第一和第二微帶天線基本單元E21和E22的饋電功率分配部分25，以及從饋電功率分配部分25分別連接到第一和第二微帶天線基本單元E21和E22，從而分別對(duì)它們饋電的饋線23和24，其阻抗為50歐姆。其中，第一和第二微帶天線基本單元E21和E22在空間上正交，以實(shí)現(xiàn)圓極化。連接到第一微帶天線基本單元E21的饋線23和連接到第二微帶天線基本單元E22的饋線24的長度相差1/4個(gè)工作波長，從而能夠向第一和第二微帶天線基本單元E21和E22提供產(chǎn)生圓極化所必須的相位差，并且可以消除因?yàn)椴黄ヅ涠鸬姆瓷洳ā?br> 和微帶天線基本單元E相比，本實(shí)施例中的這種微帶天線陣單元C性能更優(yōu)良，其增益可以獲得3dB的改善，帶寬可以拓寬1.5倍左右。
順便說，如果適當(dāng)選取兩個(gè)微帶天線基本單元E21和E22的極化特性，本實(shí)施例的微帶天線陣單元可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶線極化。
在實(shí)際應(yīng)用中，在空間和饋電電路復(fù)雜性許可的條件下，圖2中也可以類似地增加微帶天線基本單元的對(duì)數(shù)，從而獲得進(jìn)一步的性能改善。
雖然已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了具體的描述，但是，應(yīng)該知道，在所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可以有各種修改和變化，它們均應(yīng)視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元(E)，包含高頻介質(zhì)基片(11)，其上表面上設(shè)置有耦合孔徑(11a)，下表面上設(shè)置有微帶饋線(11b)，所述微帶饋線(11b)垂直平分所述耦合孔徑(11a)在下表面上的投影，并且，所述微帶饋線(11b)具有長度為所述工作波長的1/4的微帶匹配調(diào)節(jié)支節(jié)(11d)；其特征在于，所述微帶天線基本單元(E)還包含至少兩個(gè)依次層疊在所述高頻介質(zhì)基片(11)上的諧振層(M)和(N)，其中，諧振層(M)包含中部聚苯乙烯泡沫層(12)，設(shè)置在所述高頻介質(zhì)基片(11)上，其上表面上設(shè)置有圓形的凹模(12b)，所述凹模(12b)的圓周上間隔相等地交替設(shè)置有兩個(gè)凹槽(12c)和兩個(gè)凸槽(12d)；激勵(lì)輻射元(13)，由圓形金屬薄片制成，而且其大小和形狀如此設(shè)置，從而可被匹配地嵌入所述中部聚苯乙烯泡沫層(12)的所述凹模(12b)中；諧振層(N)包含上部聚苯乙烯泡沫層(14)，設(shè)置在所述中部聚苯乙烯泡沫層(12)上，其上表面上設(shè)置有形狀和大小與所述中部聚苯乙烯泡沫層(12)中的所述凹模(12b)的形狀和大小相同的凹模(14b)，并且所述上部聚苯乙烯泡沫層(14)的厚度與所述中部聚苯乙烯泡沫層(12)的厚度不同；寄生輻射元(15)，由與所述激勵(lì)輻射元(13)相同的金屬材料制成，并且具有和所述激勵(lì)輻射元(13)相同的形狀、大小和厚度，并且所述寄生輻射元(15)匹配地嵌入所述上部聚苯乙烯泡沫層(14)的所述凹模(14b)中。
2.如權(quán)利要求1所述的用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元，其特征在于所述激勵(lì)輻射元(13)和寄生輻射元(15)的半徑r由下面公式求得r＝40×1.6/fmm，其中f是電磁波的頻率(GHz)。
3.如權(quán)利要求1所述的用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元，其特征在于，所述激勵(lì)輻射元(13)和寄生輻射元(15)由鋁制成。
4.如權(quán)利要求1所述的用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元，其特征在于，所述激勵(lì)輻射元(13)和寄生輻射元(15)由銅制成。
5.如權(quán)利要求1所述的用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元，其特征在于，所述高頻介質(zhì)基片(11)、中部聚苯乙烯泡沫層(12)和上部聚苯乙烯泡沫層(14)分別包含四個(gè)設(shè)置在它們四個(gè)角上的組合定位孔(11c，12a，14a)。
6.如權(quán)利要求1所述的用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元，其特征在于所述微帶饋線(11b)的阻抗為50歐姆。
7.如權(quán)利要求1所述的用于發(fā)送和接收電磁波的微帶天線基本單元(E)，其特征在于所述高頻介質(zhì)基片(11)的相對(duì)介電常數(shù)為3.38。
8.一種微帶天線陣單元(C)，包含第一微帶天線基本單元(E21)、第二微帶天線基本單元(E22)、用于將輸入功率均分給所述第一微帶天線基本單元(E21)和所述第二微帶天線基本單元(E22)的饋電功率分配部分(25)，以及從所述饋電功率分配部分(25)分別連接到所述第一和第二微帶天線基本單元(E21，E22)的第一饋線(23)和第二饋線(24)，其中，所述第一和第二微帶天線基本單元(E21，E22)在空間上正交，并且所述第一饋線(23)和第二饋線(24)的長度相差1/4個(gè)工作波長，其特征在于，所述第一和第二微帶天線基本單元(E21，E22)是如權(quán)利要求1所述的微帶天線基本單元(E)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于無線通信中的,具有帶寬大、增益高的特點(diǎn)的微帶天線基本單元(E)以及使用這種微帶天線基本單元的微帶天線陣單元(C)。本發(fā)明的微帶天線基本單元包含高頻介質(zhì)基片(11),中部聚苯乙烯泡沫層(12),激勵(lì)輻射元(13),上部聚苯乙烯泡沫層(14),寄生輻射元(15)。本發(fā)明的微帶天線陣單元(C)包含第一微帶天線基本單元(E21)、第二微帶天線基本單元(E22)、饋電功率分配部分(25)、饋線(23,24),所述第一和第二微帶天線基本單元(E21,E22)在空間上正交,并且連接到所述第一和第二微帶天線基本單元(E21、E22)的饋線(23、24)的長度相差1/4個(gè)工作波長。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK1336701SQ00119548
公開日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2000年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月1日
發(fā)明者張亞斌, 黎濱洪, 高漢中 申請(qǐng)人:上海龍林通信技術(shù)有限公司