專利名稱：帶有有限接地平面的拼片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及天線的改進(jìn)，尤其涉及帶有有限接地平面的拼片天線的有利方面。
在微帶拼片天線中，輻射器一般是由金屬拼片振子所提供，該拼片振子已經(jīng)利用微帶技術(shù)安裝在接地平面之上的介質(zhì)襯底上。由于它們的低折射率、低成本以及緊湊的尺寸，微帶拼片天線適用于各種微波天線以及天線陣列應(yīng)用中。例如，微帶拼片天線用作基于微波集成電路(MIC)或者單片式微波集成電路(NMIC)設(shè)計(jì)的輻射單元，這些集成電路諸如用于飛機(jī)以及衛(wèi)星通信，導(dǎo)彈以及火箭的天線系統(tǒng)，以及個(gè)人通信系統(tǒng)(PCS)的無線應(yīng)用。然而，一個(gè)與微帶拼片天線相關(guān)的問題在于，例如與使用偶極陣子的天線設(shè)計(jì)相比，它們一般具有有限的波束寬度。此外，當(dāng)前的微帶拼片天線設(shè)計(jì)并不提供用以調(diào)節(jié)天線波束寬度的緊湊、節(jié)省費(fèi)用的機(jī)制。
參照

圖1可以較好地理解現(xiàn)有技術(shù)，圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微帶拼片天線10的剖視圖。如圖1所示，天線10包括一個(gè)方形的拼片振子12，一個(gè)接地平面14以及一個(gè)微帶饋送線16，這些裝置位于由一對介質(zhì)襯底18和20的上、下表面所定義的平行平面上。拼片振子12安裝在上層襯底18的上表面上，接地平面14安裝在上層襯底18的下表面與下層襯底20的上表面之間，饋送線16安裝在下層襯底20的下表面上。固定的金屬板反射器22設(shè)置在天線10的下部，以反射射向天線10頂部的輻射。饋送線16和拼片振子12之間的耦合由接地平面14上小的長方形開口24提供，該開口橫穿饋送線16。由于這種耦合技術(shù)，示于圖1的設(shè)計(jì)被稱作“開口耦合的拼片天線”。也使用了其他設(shè)計(jì)，即使用不同的技術(shù)將饋送線耦合到拼片振子。
在當(dāng)前的開口耦合的拼片天線設(shè)計(jì)中，接地平面14明顯地大于開口24，以便從電磁的角度來看，接地平面14起到相對于開口24的有限表面的作用。這有助于饋送線16和拼片振子12的隔離。此外，有限接地平面的使用使得天線的分析更加容易，因?yàn)榭梢允┘拥刃Ю碚摗?br> 天線的輻射圖在天線應(yīng)用中是非常重要的。它包括多個(gè)參數(shù)以特征化天線的性能，這些參數(shù)包括增益、3dB(半功率)波束寬度、旁瓣電平、前后(F/B)比，極化、交叉極化電平以及行(line)。3dB波束寬度參數(shù)是表示輻射能量覆蓋范圍的主要參數(shù)。常規(guī)拼片天線的波束寬度大約為60°到70°。
由于它們的高度集成，拼片振子業(yè)已被成功地使用，以形成用于高方向性應(yīng)用的大的陣列。然而，其他應(yīng)用需要比當(dāng)前可得到的60°到70°更大的波束寬度。例如，一般的三部分蜂窩系統(tǒng)需要覆蓋120°的地理性區(qū)域。在一個(gè)時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)中，基站要求105°到110°的3dB波束寬度，并且時(shí)分多址(CDMA)系統(tǒng)要求90°的3dB波束帶寬。由于常規(guī)拼片振子的波束帶寬限制，在這些應(yīng)用中通常使用一個(gè)偶極振子。
此外，在某些應(yīng)用中需要可以調(diào)節(jié)天線的波束帶寬。帶有角反射器的偶極振子可以通過用機(jī)械方法調(diào)節(jié)反射器的角度，來提供波束寬度控制。然而，這種方法要求復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這些機(jī)械結(jié)構(gòu)可能費(fèi)用很高，并且可能導(dǎo)致不希望的大的外殼尺寸以容納這些結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種帶有增強(qiáng)的波束寬度特性的微帶拼片天線。在第一實(shí)施例中，天線包括一個(gè)拼片振子以及一個(gè)接地平面，其中該拼片振子與該接地平面通過一個(gè)第一介質(zhì)襯底分開。該天線還包括一個(gè)信號饋送線，該饋送線與接地平面通過一個(gè)第二介質(zhì)襯底分開，該信號饋送線由該接地平面與拼片振子屏蔽開。信號饋送線通過一個(gè)接地平面上的橫穿該信號饋送線的開口而耦合到拼片振子，該接地平面起到相對于該開口的有限表面的作用。根據(jù)本發(fā)明其他方面，通過調(diào)節(jié)信號饋送線后面的放射器的位置可以調(diào)節(jié)天線的波束寬度。因而，本發(fā)明提供了一個(gè)有效的方式來實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的寬波束寬度，該寬度例如可以用于三扇區(qū)結(jié)構(gòu)的無線系統(tǒng)中。
本發(fā)明的其他特征以及優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的詳細(xì)描述并參照附圖而變得清楚。
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微帶拼片天線的部分剖視圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明微帶拼片天線的第一實(shí)施例的部分剖視圖；圖3A到3D分別示出了根據(jù)本發(fā)明微帶拼片天線的俯視圖、側(cè)視圖、前視圖和仰視圖；圖4示出了示于圖3A到3D的天線的上襯底層的仰視圖；圖5A到5C分別示出了圖3A到3D所示天線的下襯底層的俯視圖、側(cè)視圖、前視圖和仰視圖。
本發(fā)明提供了一種帶有增強(qiáng)的波束寬度特性的微帶拼片天線。該天線具有一個(gè)拼片振子以及一個(gè)接地平面，其中該拼片振子與該接地平面通過一個(gè)第一介質(zhì)襯底分開，以及一個(gè)信號饋送線，該饋送線與接地平面通過一個(gè)第二介質(zhì)襯底分開。該信號饋送線由該接地平面與拼片振子屏蔽開，并且信號饋送線通過一個(gè)接地平面上的橫穿該信號饋送線的開口而耦合到拼片振子。如下所述，該接地平面起到相對于該開口的有限表面的作用。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明微帶拼片天線的第一實(shí)施例的部分剖視圖。圖2的拼片天線30包括一個(gè)拼片振子32，一個(gè)有限接地平面34，以及一個(gè)微帶饋送線36，這些裝置位于由上襯底38和下襯底40所定義的平行平面上。反射器42用于向天線30的頂部反射輻射。拼片振子32通過有限接地平面34上的長方形開口44耦合到微帶饋送線36。
有限接地平面34的大小是這樣選擇的，即它起到相對于開口44的有限表面的作用。接地平面寬度的上限是由邊緣饒射情況所控制的，在本發(fā)明的實(shí)施例中，該邊緣饒射情況是從接地平面的邊緣到輻射焦散線，即拼片振子32的距離來得到的。因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，“有限”接地平面34的定義是這樣的，即接地平面34的寬度小于工作頻率(0.5入)波長的一半，以便可以測量由于變化的反射器位置造成的波束寬度的變化。而且，接地平面34的寬度大于拼片振子32寬度的1.5倍，以實(shí)現(xiàn)良好的電壓駐波比(VSWR)性能。
盡管有限接地平面的使用使天線30的分析變得復(fù)雜，但是業(yè)已發(fā)現(xiàn)該有限接地平面34明顯地增強(qiáng)了天線30的波束寬度。如下文將進(jìn)一步描述的，業(yè)已發(fā)現(xiàn)通過使用適當(dāng)大小的有限接地平面，可以將天線的波束寬度增加到85°。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)天線30的波束寬度能力可以通過修改拼片振子32的形狀而得到改善。在當(dāng)前的拼片天線中，拼片振子一般是方形的。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)對于有限接地平面34而言，使用一個(gè)長方形拼片振子是非常有利的，其中拼片振子34的寬度為其長度的60％或者更窄。(應(yīng)該注意的是，在寬波束寬度的應(yīng)用中，60％的寬度滿足了有限接地平面的上述準(zhǔn)則。)結(jié)合有限接地平面34的長方形拼片振子34的使用使得天線30波束寬度增加到90°。
而且，圖2的天線30提供了一種用于調(diào)節(jié)天線波束寬度的系統(tǒng)。利用有限接地平面34，業(yè)已發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)反射器相對于微帶饋送線36的位置，來調(diào)節(jié)天線30的波束寬度。使反射器42離開饋送線36將增加圍繞反射器的輻射的“溢出”，從而導(dǎo)致波束寬度的增加。通過仔細(xì)地調(diào)節(jié)反射器的高度，波束寬度可以在80°到110°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而不會失諧天線的阻抗匹配。在示于圖2的本發(fā)明實(shí)施例中，反射器的調(diào)節(jié)是通過將反射器安裝到數(shù)字步進(jìn)電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，該步進(jìn)電動機(jī)由一個(gè)微處理器控制器48來操作。應(yīng)該認(rèn)識的是，其他間隔控制調(diào)節(jié)器也可以被設(shè)計(jì)出，并且被適當(dāng)?shù)厥褂谩?br> 因此，本發(fā)明提供了一種有效方式來實(shí)現(xiàn)三扇區(qū)配置的各種無線系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)的寬波束寬度，這些無線系統(tǒng)需要覆蓋120°的地理性區(qū)域。它不僅將常規(guī)拼片天線的波束寬度從60°-70°擴(kuò)展到90°，而且提供了可以方便調(diào)節(jié)的波束寬度。因而本發(fā)明使得拼片天線可以用于諸如三扇區(qū)基站輻射器的應(yīng)用中。因此，常規(guī)的偶極天線可以由這些低成本、低折射率以及高度集成的拼片天線所取代。
而且，利用本發(fā)明，可以使蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)邊界變得可以調(diào)節(jié)，以便根據(jù)諸如白天、季節(jié)以及地理性區(qū)域的這些變量來管理和優(yōu)化小區(qū)負(fù)載。這種方法可以通過使用帶有上述波束寬度控制能力的基站天線來實(shí)現(xiàn)。
圖3A到3D分別示出了根據(jù)本發(fā)明天線50的其他實(shí)施例的俯視圖、側(cè)視圖、前視圖和仰視圖。該天線包括一個(gè)拼片振子52，一個(gè)有限接地平面54，一個(gè)微帶饋送線56，這些裝置都位于上和下介質(zhì)襯底50和60上。圖4示出了更加詳細(xì)的拼片振子52，該拼片振子為相對窄的長方形，并且被安裝到上介質(zhì)襯底58的下表面。圖5A示出了更加詳細(xì)的有限接地平面54，該接地平面安裝到下介質(zhì)襯底60的上表面。微帶饋送線56由同軸饋送線62所饋電，同軸饋送線的外導(dǎo)體電連接到有限接地平面54，同軸饋送線的內(nèi)導(dǎo)體電連接到微帶饋送線66。最后，金屬反射器68用于向天線50的頂部反射輻射。反射器68包括第一對翼形部件70，這對部件圍繞下襯底60向上延展，以及第二對翼形部件72，這對部件圍繞同軸饋送線62向下延展。如圖3D所示，反射器68包括一個(gè)孔88，同軸饋送線穿過該孔。
在該天線的實(shí)施例中，上襯底58和下襯底60之間是由一組4個(gè)墊片84分開。這就在拼在振子52和接地平面54之間產(chǎn)生了一層空氣。如果需要的話，這層空氣可由一個(gè)固體襯底所取代。第2組4個(gè)墊片86用于將下襯底60與反射器板68分開。在本發(fā)明的實(shí)施例中，反射器板68是可調(diào)節(jié)的，4個(gè)墊片84由一個(gè)可拆卸的固定部件所取代，這個(gè)可拆卸的固定部件可以使反射器板68準(zhǔn)確地相對于上襯底58和下襯底60移動，同時(shí)保持與這些部件的相互平行關(guān)系，在該實(shí)施例中，反射器板68的移動是利用微處理器控制的步進(jìn)電動機(jī)控制的，如圖2所示。
圖4示出了帶有安裝于其上的金屬拼片振子52的上襯底58的仰視圖。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，拼片振子52的形狀是相對窄的長方形，其寬度是其長度的60％或更小。然而，也可以利用一個(gè)方形拼片振子52來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
圖5A示出了下襯底60的俯視圖。有限接地平面54安裝在襯底60上，并且在其中心上包括一個(gè)長方形開口90。在示于圖5A的實(shí)施例中，開口90僅貫穿接地平面54。它并不貫穿襯底60，盡管如果需要的話，它也可以這樣做。如上所述，接地平面54相對于開口90的尺寸是這樣的，即接地平面54起到相對于開口90的有限表面的作用。
圖5B和5C分別示出了下襯底60的仰視圖和側(cè)視圖。微帶饋送線56直接安裝在下襯底60的下表面上，并且在接地平面54上穿過開口90。如上所述，開口90并不完全貫穿襯底60。同軸饋送線62垂直地安裝到下襯底60。其內(nèi)導(dǎo)體66電耦合到微帶饋送線56。其外導(dǎo)體64穿過下襯底60，并且電耦合到襯底60另一側(cè)上的接地平面54。
盡管上述描述包括了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的各種細(xì)節(jié)，但應(yīng)該認(rèn)識的是，這些描述本質(zhì)上是示意性的，得益于這些教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員將會知道多種變化和修改。因此本發(fā)明只是由在此所附的權(quán)利要求書限定，而且權(quán)利要求書應(yīng)該被理解的如現(xiàn)有技術(shù)所允許的那樣寬。
權(quán)利要求
1．一種天線，包括一個(gè)拼片振子；一個(gè)接地平面，其通過一個(gè)第一介質(zhì)襯底與該拼片振子分開；一個(gè)信號饋送線，其通過一個(gè)第二介質(zhì)襯底與接地平面分開，并且該信號饋送線由接地平面與拼片振子屏蔽開；該信號饋送線通過一個(gè)接地平面上的開口電磁耦合到拼片振子，其中信號饋送線穿過該開口，該接地平面起到相對于該開口的有限表面的作用。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其中接平面的寬度小于工作頻率波長的一半，從而可以測量由于變化的反射器位置而造成的波束寬度變化。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其中該拼片振子為長方形，該長方形的寬度是其長度的60％或更小。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的天線，還包括一個(gè)貼近該信號饋送線的反射器，用以反射來自該信號饋送線的輻射，該反射器被這樣設(shè)置，即信號饋送線位于接地平面和反射器之間。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的天線，其中反射器的位置是可調(diào)節(jié)的，反射器位置的調(diào)節(jié)產(chǎn)生天線波束寬度中的變化。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的天線，其中反射器的位置是由一個(gè)步進(jìn)電動機(jī)調(diào)節(jié)的。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的天線，其中步進(jìn)電動機(jī)是由一個(gè)基于微處理器的控制器操作的。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的天線，還包括一個(gè)同軸饋送線，其外導(dǎo)體連接外接地平面，其內(nèi)導(dǎo)體連接到信號饋送線。
9．一種天線，包括一個(gè)拼片振子，其安裝在第一襯底的上表面上；一個(gè)接地平面，其安裝在第一襯底的下表面與第二襯底的上表面之間；一個(gè)信號饋送線，其安裝在第二襯底的下表面上；該信號饋送線通過一個(gè)接地平面上的開口耦合到拼片振子，其中信號饋送線穿過該開口，接地平面起到相對于該開口的有限表面的作用。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的天線，其中接地平面的寬度小于工作頻率波長的一半，從而可以測量由于變化的反射器位置而造成的波束寬度變化。
11．根據(jù)權(quán)利要求9的天線，其中該拼片振子為長方形，該長方形的寬度是其長度的60％或更小。
12．根據(jù)權(quán)利要求9的天線，還包括一個(gè)貼近該信號饋送線的反射器，用以反射來自該信號饋送線的輻射，該反射器被這樣設(shè)置，即信號饋送線位于接地平面和反射器之間。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的天線，其中反射器的位置是可調(diào)節(jié)的，反射器位置的調(diào)節(jié)產(chǎn)生天線波束寬度中的變化。
14．一種天線，包括一個(gè)拼片振子，其安裝到第一襯底的下表面上；一個(gè)接地平面，其安裝到第二襯底的上表面上，該拼片振子和接地平面由一層空氣分開；一個(gè)信號饋送線，其安裝到第二襯底的下表面上；該信號饋送線通過一個(gè)接地平面上的開口耦合到拼片振子，其中信號饋送線穿過該開口，接地平面起到相對于該開口的有限表面的作用。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的天線，其中接地平面的寬度小于工作頻率波長的一半，從而可以測量由于變化的反射器位置而造成的波束寬度變化。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的天線，其中該拼片振子為長方形，該長方形的寬度是其長度的60％或更小。
17．根據(jù)權(quán)利要求14的天線，還包括一個(gè)貼近該信號饋送線的反射器，用以反射來自該信號饋送線的反射，該反射器被這樣設(shè)置，即信號饋送線位于接地平面和反射器之間。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的天線，其中反射器的位置是可調(diào)節(jié)的，反射器位置的調(diào)節(jié)引起天線波束寬度的變化。
19．一種制造天線的方法，包括步驟(a)將一個(gè)拼片振子安裝在一個(gè)第一襯底上；(b)將一個(gè)信號饋送線安裝在一個(gè)第二襯底上；(c)通過一個(gè)接地平面分開該拼片振子和該信號饋送線；(d)將該信號饋送線電磁通過一個(gè)接地平面上的開口與拼片振子電磁耦合，其中該信號饋送線穿過該開口，該接地平面起到相對于開口的有限表面的作用。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括(e)設(shè)置一個(gè)反射器，以便信號饋送線在接地平面和反射器之間。
21．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括(f)通過調(diào)節(jié)反射器的位置來調(diào)節(jié)天線的波束寬度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種帶有增強(qiáng)的波束寬度特性的微帶拼片天線。該天線包括一個(gè)拼片振子,一個(gè)接地平面以及一個(gè)信號饋送線,該拼片振子與該接地平面通過第一介質(zhì)襯底分開,該饋送線與接地平面通過第二介質(zhì)襯底分開,該信號饋送線由該接地平面與拼片振子屏蔽開。信號饋送線通過接地平面上的橫穿該信號饋送線的開口而耦合到拼片振子,接地平面起到相對于該開口的有限表面的作用。因而本發(fā)明提供了一個(gè)有效的方式來實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的寬波束寬度。
文檔編號H01Q13/08GK1312597SQ01108320
公開日2001年9月12日 申請日期2001年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月29日
發(fā)明者常立春(音譯), 詹姆斯·A·豪瑟爾, 蔡明儒 申請人:朗迅科技公司