專利名稱：用于移動衛(wèi)星應(yīng)用的平面天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種用于利用移動衛(wèi)星系統(tǒng)的車輛移動應(yīng)用的天線，更具體地，涉及具有錐形輻射圖的微帶饋電環(huán)形貼片天線(fed annularpatch antenna)，這種錐形輻射圖在水平線以上的低仰角范圍內(nèi)具有很高的方向性。這種天線通常被設(shè)計為用于衛(wèi)星通信的車頂(car-top)天線。本發(fā)明還涉及多系統(tǒng)天線(multi-system antenna)。
背景技術(shù)：
近年來，許多用于交通工具(汽車、飛機等)的新的基于衛(wèi)星的服務(wù)已經(jīng)被投入使用。這些服務(wù)包括諸如衛(wèi)星通信或全球定位系統(tǒng)等許多應(yīng)用。需要通常被設(shè)置在車輛頂部的小型天線來接收這些類型的服務(wù)以及交通和緊急或安全信息數(shù)據(jù)。這些服務(wù)不僅可能在不同的頻率上操作，并且天線的輻射圖要求也不相同。例如，可以經(jīng)由同步衛(wèi)星系統(tǒng)提供電信，所述同步衛(wèi)星系統(tǒng)要求天線束在歐洲緯度的仰角在20°到60°之間，而全球定位系統(tǒng)要求天線束在天頂仰角。
有效交通工具前端的發(fā)展要求天線在所期望的仰角角度具有很高的方向性、平坦曲線、輕重量、低成本，以及優(yōu)選地適合于曲面。
不要設(shè)想利用全向天線所組成的方案，這是由于其低增益。也不要設(shè)想利用用于跟蹤衛(wèi)星的相控陣組成的另一種方案，因為對于標(biāo)準(zhǔn)消費者終端而言，其太昂貴了。對于用于交通工具移動應(yīng)用的天線的這些前端電路開發(fā)而言，印刷天線毫無疑問是最適合的天線類型。
用戶終端天線的需求密切依賴于相關(guān)的空間段。幾種已有和可預(yù)見的服務(wù)將基于對地靜止的空間段，這要求用戶段天線具有中等增益(2-3到6-7分貝)。可以將用于這些應(yīng)用的常用用戶段天線劃分為兩個主要子集低緯度和高緯度。低緯度應(yīng)用要求天線具有指向豎直方向的寬束，并且其設(shè)計沒有任何特別的困難。在高緯度，可以看到同步衛(wèi)星的仰角在66°到22°之間。在這種情況下，用于移動應(yīng)用的用戶天線在約45°的仰角處必須具有最大的方向性，并且其在方位角必須是全向的。換言之，這些用戶天線必須具有錐形輻射圖。
對于用于移動衛(wèi)星系統(tǒng)的平面用戶終端天線的設(shè)計而言，產(chǎn)生錐形輻射圖的印刷天線非常有意義。在較高模式中共振的圓形和環(huán)形貼片也是獲取這樣的輻射圖的常用候選。
在美國專利申請2003/0210193中公開了一種現(xiàn)有技術(shù)方案。此文獻涉及低姿態(tài)圓盤形的二天線組件100，如圖11所示，其包括第一圓極化環(huán)形天線和共中心地位于所述環(huán)形天線中的第二直線式單極天線。所述天線組件100占據(jù)了具有中心軸的圓柱形體積。
環(huán)形天線包括被調(diào)諧為操作的二階模式(TM21)的金屬共振環(huán)，其由金屬饋電柱103和與其串聯(lián)的電容器104進行饋電。通過將低介電常數(shù)塑料或介電環(huán)107放在共振環(huán)101之下，介質(zhì)加載所述環(huán)形天線以減小其物理尺寸。所述單極天線包括位于中心軸相對側(cè)的兩個金屬柱105，以及在該金屬柱頂端支撐的金屬盤106。由PCB 108提供對饋電柱103、金屬單極柱105以及對金屬接地面109的機械支撐。
所述環(huán)形天線和單極天線都以錐形輻射圖進行輻射，所述圓錐圖的軸通常垂直于天線組件100的平板頂面，其中所述天線組件包括金屬共振環(huán)101和金屬盤106。
然而，美國專利申請2003/0210193表現(xiàn)出一些缺陷。首先，如前面提到，對用于移動衛(wèi)星通信的用戶終端天線的最重要的要求之一是在所期望的區(qū)域中心，例如，約40-45°，具有在所期望的仰角，即，例如在20°到60°之間的錐形輻射圖的天線。在美國專利申請2003/0210193所示的天線組件中，所述環(huán)形天線和單極天線均經(jīng)由金屬饋電柱103和105激勵，其中，所述金屬饋電柱103和105在接地面109和對應(yīng)的輻射元件101和106之間延伸。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)已經(jīng)示出了，這樣的金屬饋電柱在所述錐形輻射圖中引入了微擾。相比理論上所期望的，所得到的方向圖較為不同質(zhì)，并且，減小了輻射振幅。因此，所得到的天線效率更低。
進一步，出于在車頂應(yīng)用中集成這樣的天線組件的目的，取決于所述車頂材料是玻璃、金屬或者塑料，以及取決于車頂設(shè)計是平板、曲線形還是具有任何異樣形狀，此天線組件的性態(tài)將受到顯著影響。因為美國專利申請2003/0210193中公開的天線是依賴接地面的，需要利用金屬基座來調(diào)整所述天線輻射圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于通過提供一種具有低姿態(tài)的天線組件以克服上述缺點，其中，能夠非常接近或者甚至接觸任何類型的移動支架來設(shè)置所述天線組件，并且，其有具有令人滿意的效率的同質(zhì)的錐形輻射圖。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的天線組件。于是，利用通過開口(opening)以非接觸方式向貼片輻射元件提供信號能量或從其接收信號能量的饋線來獲得更加同質(zhì)的錐形輻射圖。然而，非接觸耦合妨礙對于與第一電接地面連接的金屬基座的使用。因此，進一步為其配備了額外的泡沫層或空氣層的安排，以及第二接地面，其能夠顯著地減小在其中嵌入了所述天線組件的車輛支架所造成的影響，并使得可以減小在所述車輛和天線組件之間的最小要求距離。
在從屬權(quán)利要求中考慮了其它的優(yōu)勢特征。例如，使用特定的介電層使得在低仰角角度具有優(yōu)化的輻射，并且，進一步減小了天線的尺寸。進一步，通過利用與所述貼片輻射元件相連接的饋線槽，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案的通過饋電柱進行激勵相比，可以增加天線帶寬。此外，通過利用特定的槽部署安排，所述圓極化效率特別高。
本發(fā)明的另一個目的涉及用于交通工具終端的平面多功能天線系統(tǒng)，其能夠同時滿足幾種移動衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用的要求。
為了實現(xiàn)所述其它目的，本發(fā)明還涉及根據(jù)權(quán)利要求19的多系統(tǒng)天線組件。該想法具體在于，使用由環(huán)的中心部分和/或外周余留的空間集成其它元件，從而無需增加尺寸和生產(chǎn)成本，即可訪問不同的系統(tǒng)。
利用從屬權(quán)利要求給出所述多系統(tǒng)天線組件的優(yōu)勢特征。


根據(jù)附圖中闡明的，從以下對優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點將變得更加明顯，所述附圖中圖1A是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的單天線組件(simple antennaassembly)的截面圖；圖1B是其布局被加印(overprinted)的根據(jù)第一實施例的單天線組件的示意性頂視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第一種變型的單天線組件的截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第二種變型的單天線組件的截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第三種變型的單天線組件的截面圖；圖5是朝向輻射元件的槽排列的示意性頂視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的單天線組件的截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明任何前述實施例的第一多系統(tǒng)天線組件的頂視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的第二多系統(tǒng)天線組件的截面圖；圖9A-9B示出了介質(zhì)襯底(dielectric substrate)的不同的可能形狀；圖10A-10C示出了槽的不同的可能形狀；如所述，圖11是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的二天線組件的三維視圖。
具體實施例方式
首先，注意到，僅為闡明此后將描述的幾個實施例的目的而給出所述附圖，并且，將不同的天線組件的截面圖分為不同的層，且在相同的附圖中不必用同樣的比例尺來表示它們。
在以下實施例中，所述天線組件是用于移動衛(wèi)星通信的微帶貼片天線，優(yōu)選地，其在二階模式(TM21)共振，在標(biāo)題為“Circularly polarized conicalpatterns from circular microstrip antennas”(IEEE Transactions andantennas propagation，vol.Ap-32，No.p，September 1994)的出版論文中詳細(xì)描述了所得到的計算得出的輻射圖，通過引用包含于此。
圖1A是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的單天線組件的截面圖。按照所述結(jié)構(gòu)，天線組件1優(yōu)選地占據(jù)薄盤形或圓柱形體積，其具有中心軸(D)以及可以劃分為連續(xù)層的高度，所述連續(xù)層各自為圓形或環(huán)形。
從圖1A的頂部離開，往下，天線組件1包括環(huán)形貼片輻射元件2，優(yōu)選地，將其印刷或蝕刻在形成第一層L1的環(huán)狀環(huán)氧膜上，所述第一層L1確保貼片輻射元件2固定在整個天線組件上。環(huán)狀環(huán)氧膜L1被粘在由塑料材料形成的第一介質(zhì)襯底層L2上。然而，可以省除環(huán)狀環(huán)氧膜L1，而將貼片輻射元件2直接粘到塑料層L2上。根據(jù)圖1A所示的實施例，塑料層L2是環(huán)形，在其中間有盤形空隙3。然而，如之后關(guān)于圖9A-9B所描述，此塑料層L2可以有能夠改變其性態(tài)的不同形狀。
在第一介電層L2之下，有第二介電層L3，優(yōu)選地，其由通常稱為PTFE的聚四氟乙烯制成。此第二介電層L3兩面都被噴涂金屬。上金屬面4將第一介電層L2與第二介電層L3相分離，被用作天線組件1的第一電導(dǎo)通接地面(electrically conducting ground plane)4，而下金屬板5被用來支撐所述天線的微帶電路，這包括線路6、連接器(未示出)、有源元件(也未示出)、等等。形成所述微帶電路的不同元件為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，因此在此不進行詳細(xì)描述，所述元件的設(shè)計取決于具體所期望的應(yīng)用。金屬面4和5能夠被用來同時蝕刻至少一個開口7，優(yōu)選地，所述開口為槽，并且分別地，所述微帶電路具體地具有至少一個微帶或饋線6。
很重要的是，注意到在開口7和貼片輻射元件2之間安放第一介電層L2，并且饋線6通過開口7以非接觸的方式向貼片輻射元件2提供信號能量或從其接收信號能量。
上述組件形成了用于移動衛(wèi)星通信的微帶貼片天線，其被設(shè)計以用來有利地安排在車頂應(yīng)用中。然而，在本發(fā)明中已經(jīng)證明，這樣的天線組件1受到車頂材料和形狀的顯著影響。實際上，取決于所述車頂材料是金屬、玻璃還是塑料，以及車頂形狀是平面還是曲面，這種直接設(shè)置在車頂上的天線組件的性態(tài)會有顯著不同。因此，為了確保槽耦合的(slot-coupled)天線組件的同質(zhì)的性態(tài)，需要在天線和車頂之間提供至少25毫米(milimeter)的空隙。當(dāng)然，對于汽車制造商而言，這樣的空隙要求是不可接受的。因此，為了消除這種在天線和車頂之間的空隙要求，配備了第三介電層L4，諸如空氣層或泡沫層，在其之下安放作為背面屏蔽板的第二接地面8。與第二接地面8相關(guān)的第三介電層L4使得能夠在車頂直接安放所述天線組件，或者甚至將天線組件嵌入內(nèi)部。
圖1B是根據(jù)圖1A所示的第一實施例的單天線組件的頂視圖。為簡明起見，僅示出圖1A的天線的一些層。
我們找到安放在第一介質(zhì)襯底L2(不可見)上方的由環(huán)氧膜L1支撐的環(huán)形貼片輻射元件2。如前所述，所述第一電導(dǎo)通接地面(未示出)具有至少一個槽形的并且至少部分面向環(huán)形貼片輻射元件2的開口7。因此，至少一根饋線6被槽隙耦合到環(huán)形貼片輻射元件2。
為了獲得雙圓極化(CP)，即，同時具有左和右圓極化，需要沿著所述貼片輻射元件放置兩個激勵點，因此，所述電導(dǎo)通接地面優(yōu)選地包括兩個槽7，并且其在通過混合連接器饋電的兩個微帶線6之下。槽7成角度地移動，以獲得左和右圓極化。有利地，與中心軸(D)成135°角沿著環(huán)形貼片2放置槽7。但是，也可以通過將所述兩個激勵槽以45°角放置來獲得這兩個圓極化，然而，所得到的錐形束將缺乏同質(zhì)，即，沿著所述輻射圖的錐形切口的方向性級別(level of directivity)將出現(xiàn)波動。此外，為了優(yōu)化在方位角的所述輻射圖的同質(zhì)性，優(yōu)選地，在圓形接地面上蝕刻所述槽?？勺⒁獾?，也可以是四個槽的變型。那么，相對于中心軸(D)對稱地安放所述另外的兩個槽。
再次考慮圖1A，為了增加所述天線的帶寬和效率，需要在環(huán)形貼片輻射元件2和電導(dǎo)通接地面4之間使用相對比較厚的介電層L2。在所述第一實施例中，例如，由塑料環(huán)或者最終由例如6毫米塑料制成的圓盤組成此層L2。在此塑料層上，可以粘接已將所述貼片印刷或蝕刻在其上的環(huán)氧膜L1。
需要長的槽7將能量從微帶線6耦合到貼片輻射元件2上。標(biāo)準(zhǔn)矩形槽所需要的尺寸將大于環(huán)形貼片2的寬度，這將增加在激勵端口，即，所述槽之間的耦合程度，并因而將降低圓極化的質(zhì)量。
因此，為了避免這個問題，已經(jīng)設(shè)計出了一些具有折疊臂的特殊槽。優(yōu)選地，折疊每個槽7，直到完全面對環(huán)形貼片輻射元件2。圖10A-10C示出了一些可能的設(shè)計。
根據(jù)上述第一實施例的優(yōu)選例，以下給出了具有不同層(L1-L4)的高度的數(shù)組。并且還給出了各層的介電常數(shù)(Dc)，也稱為電容率。

根據(jù)所述第一個具體例子，所述天線的整體高度或厚度非常薄，但是，由層L1和L2形成的所述介質(zhì)襯底的介電常數(shù)大于2。
圖1B所示的半徑R1、R2、R3和R4分別對應(yīng)于環(huán)形介電層的外半徑(R1)、環(huán)形貼片的外半徑(R2)、環(huán)形貼片的內(nèi)半徑(R3)，以及介電層的內(nèi)半徑(R4)。半徑Ri是在中心軸和槽的中點之間的距離。有利地，所述直徑(對應(yīng)于兩倍半徑R2)稍大于所期望的應(yīng)用的半波長。
關(guān)于在同質(zhì)的泡沫層上實現(xiàn)類似設(shè)計，可以將所述天線的直徑尺寸減小約30％，將厚度減小約60％。因此，此第一優(yōu)選例的主要優(yōu)點在于所得到的天線高度非常薄，盡管與此后關(guān)于第二和第三實施例所描述的后續(xù)方案相比，其效率稍低。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第一種變型的單天線組件的截面圖。將不再詳細(xì)描述和圖1A中共有的元件。
前述第一實施例和此第二實施例的主要區(qū)別在于在環(huán)形貼片輻射元件2和電導(dǎo)通接地面4之間放置的介質(zhì)襯底。實際上，在所述第二實施例中，基于由具有不同特征的材料所組成的夾合的介電層L21和L22提供介質(zhì)襯底。所述具有不同介電常數(shù)和厚度的介電層L21和L22的特定組成允許合成在環(huán)形貼片2和第一接地面4之間的介質(zhì)襯底的介電常數(shù)，因而優(yōu)化所述天線的尺寸及其性態(tài)。
之前的研究表明使用高介電常數(shù)的襯底不僅可以減小這些天線的尺寸，還會影響錐形束的傾斜度。此方法的缺點在于使用高介電常數(shù)襯底會顯著減小天線效率。對處于較高階模式的環(huán)形貼片的輻射機制的分析表明將介質(zhì)損耗與具有自由空間波長的天線的物理尺寸的較差組合結(jié)合在一起，會導(dǎo)致天線效率非常低下。
在所示例子中，由塑料的第一層L21和泡沫或空氣的第二層L22形成所述介質(zhì)襯底。然后所述介質(zhì)襯底所得到的介電常數(shù)被調(diào)整為期望值。例如，在本發(fā)明范圍內(nèi)已經(jīng)表明，對于效率更高的天線，所述介質(zhì)襯底的介電常數(shù)在1和2之間。利用介電常數(shù)大于2的塑料層，以及介電常數(shù)接近1的泡沫層，通過改變介電層L21和L22的高度可以使得所述介質(zhì)襯底的介電常數(shù)在1和2之間。
圖5是圖2、3和4的頂視圖，其表示朝向環(huán)形貼片輻射元件的槽排列。從此視圖可以看出，并沒有在所述環(huán)形貼片的正中間安排所述槽，而是將之移動到該環(huán)形貼片的內(nèi)周。通過沿著所述環(huán)形貼片移動所述槽來調(diào)整天線匹配。然而，為了優(yōu)化兩個圓極化的接收，兩個槽需要保持135°角，這很重要。
半徑R1和R2對應(yīng)于外部，分別對應(yīng)于環(huán)形貼片的內(nèi)半徑。半徑Ri對應(yīng)于所述槽關(guān)于中心軸(D)的平均半徑。有利地，半徑R2略大于所期望的波長的四分之一。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第二種變型的單天線組件的截面圖。與圖2一樣，此后將只對此天線組件的新元件進行詳細(xì)描述。
與圖2所示的天線組件的主要區(qū)別也是在環(huán)形貼片輻射元件2和電導(dǎo)通接地面4之間放置的第一介質(zhì)襯底。在此第二變型中，由三個層(L21-L23)組成所述第一介質(zhì)襯底。在接地面4中蝕刻的槽7(僅示出一個)和環(huán)形貼片2之間，在環(huán)氧或塑料制成的兩個層L21和L23之間放置著一個泡沫層夾層L22。在所示例子中，在塑料層L21上直接蝕刻所述環(huán)形貼片，但是也可以在很薄的環(huán)氧膜上蝕刻所述貼片。
與圖2一樣，介質(zhì)襯底(L21-L23)的介電常數(shù)在1和2之間可以增加天線效率。通過改變介電層L21、L22和L23的高度可以獲得這樣的介電常數(shù)。
根據(jù)上述第二變型的優(yōu)選例，以下給出了不同層(L21-L23以及L3-L4)的尺寸的數(shù)組。并且還給出了各層的介電常數(shù)(Dc)，也稱為電導(dǎo)率。

關(guān)于在同質(zhì)的泡沫層上實現(xiàn)的類似設(shè)計，可以將所述天線的直徑尺寸減小約20％，將厚度減小約45％。具體地，此多層介質(zhì)襯底為低仰角優(yōu)化了環(huán)形貼片的尺寸縮減，并且使其相對前述情況具有更寬的輻射束。所述介電常數(shù)的有效實驗值在1.7和1.9之間。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的第三種變型的單天線組件的截面圖。此第三種變型是在環(huán)形貼片輻射元件2和電導(dǎo)通接地面4之間放置的第一介質(zhì)襯底的另一種變型。在此第三種變型中，為了獲得具有利用不同層的高度可予以調(diào)整的介電常數(shù)的介質(zhì)襯底，且該介質(zhì)襯底的性態(tài)尤其關(guān)于輻射圖更加同質(zhì)，所述介質(zhì)襯底被設(shè)置有五層(L21-L25)。在所示例子中，在塑料層L21上直接蝕刻環(huán)形貼片。
因而，在接地面4中的槽7(僅示出一個)和環(huán)形貼片2之間，夾著三個塑料層L21、L23和L25以及兩個泡沫層L22和L24。各泡沫層嵌在兩個塑料層之間。已經(jīng)實現(xiàn)了此組合的介質(zhì)襯底，以進一步優(yōu)化所述天線的性態(tài)，并進一步減小其尺寸。
根據(jù)上述第二變型的優(yōu)選例，以下給出了不同層(L21-L25以及L3-L4)的尺寸的數(shù)組。并且還給出了各層的介電常數(shù)(Dc)，也稱為電導(dǎo)率。

關(guān)于根據(jù)圖3所述的后一種方案，將所述天線直徑減小約10％，將其厚度減小約30％。具體地，此多層介質(zhì)襯底為低仰角進一步優(yōu)化了環(huán)形貼片的尺寸，并且，相比前述情況，得到更寬的輻射束。所述介電常數(shù)的有效實驗值約為1.9。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的單天線組件的截面圖。在此第三實施例中，與兩個第一實施例的主要區(qū)別在于饋電裝置，其被電磁耦合到所述環(huán)形貼片，而不是通過槽耦合。
離開所述天線組件1的頂部，往下，我們找到環(huán)形貼片輻射元件2，其被蝕刻在薄環(huán)氧膜(未示出，對應(yīng)于第一實施例中的L1)上或者被直接蝕刻在第一介質(zhì)襯底的塑料層L21上。所述第一介質(zhì)襯底至少包括兩層(L21-L23)。在所示例子中，由在兩個塑料層L21和L23之間放置的一個環(huán)氧或環(huán)氧和泡沫層L22的夾層形成所述介質(zhì)襯底。在所述第一介質(zhì)襯底之下，我們找到第二介質(zhì)襯底L3，有利地，其由PTFE層形成。所述PTFE層被在兩個表面4和5噴涂金屬，并將被用于在底部的微帶電路(饋線、連接器、有源元件，等)上蝕刻。在頂部，所述金屬噴鍍形成了第一電接地面4，在其中蝕刻了至少一個、優(yōu)選地兩個小圓圈10(未示出)，以使得垂直金屬引腳11穿過。在所述第一介質(zhì)襯底的中間環(huán)氧層L22中蝕刻了另一個饋線12。垂直金屬引腳11被連接在PTFE層L3的金屬噴涂的底部的饋線6和在第一介質(zhì)襯底中嵌入的饋線12之間。因而，信號被電磁耦合(非電接觸)在上饋線12和環(huán)形貼片輻射元件2之間。
最后，在底部金屬噴涂5之下，設(shè)置了泡沫或空氣層L4，連同第二導(dǎo)電接地面8一起，作為背屏蔽板?？梢詼p小此泡沫層L4的厚度和直徑，并從而減小所述天線的整體尺寸。由于尺寸減小，將略微降低所述天線的效率，但是，由于電磁耦合饋電比槽耦合饋電的效率略高，可以部分補償此損失。相比現(xiàn)有技術(shù)文獻US 2003/0210193中使用的金屬饋電柱，在此的柱短得多，不會影響所述天線的輻射圖。
根據(jù)上述第三實施例的優(yōu)選例，以下給出了不同層(L1、L21-L23以及L3-L4)的尺寸的數(shù)組。并且還給出了所述不同層的介電常數(shù)(Dc)，也稱為電導(dǎo)率。

注意到，與槽耦合相比，電磁耦合較少受到所述天線的支撐物(例如，車頂)的影響，因此，可以進一步減小層L4的高度。
圖7是根據(jù)本發(fā)明前述實施例中任何一個的第一多系統(tǒng)天線組件21的部分頂視圖。在此多系統(tǒng)天線中，為至少兩個并且優(yōu)選地多于兩個的應(yīng)用配備了天線。一個非常有趣的特征是這種多系統(tǒng)天線的整體尺寸，其大約與此前所述的單應(yīng)用天線結(jié)構(gòu)的尺寸相同。因此，其非常適合于總是要求更多的功能性和更少的空間來加以實現(xiàn)的移動通信系統(tǒng)。
在所示例子中，所述多系統(tǒng)包括第一天線結(jié)構(gòu)，其包括經(jīng)由槽27槽耦合或者電磁耦合(圖7中未示出方案)到饋線26的環(huán)形貼片輻射元件22。當(dāng)在二階共振模式中使用時，所述第一天線結(jié)構(gòu)具有對于低仰角移動衛(wèi)星應(yīng)用非常有用和有效的錐形輻射圖。我們知道，使用以135°角呈角度移動的兩個槽7確保了對由類似WorldSpace的移動衛(wèi)星應(yīng)用所使用的右旋和左旋圓極化的非常有效的接收。
除了此第一天線結(jié)構(gòu)之外，多系統(tǒng)天線組件21進一步包括至少一個第二天線結(jié)構(gòu)，其用于接收來自另一個應(yīng)用的信號，或者最終接收來自第一期望應(yīng)用的轉(zhuǎn)發(fā)器的信號。
例如，所述第二天線結(jié)構(gòu)包括盤形貼片輻射元件33，其被共中心地放置在，例如，所述環(huán)形貼片的內(nèi)半徑以內(nèi)，并且優(yōu)選地，在垂直于中心軸(D)的平面內(nèi)與環(huán)形貼片22共面，并且有利地，其被設(shè)計在與所述環(huán)形貼片相同的襯底結(jié)構(gòu)上。此圓形貼片輻射元件33在基本模式中共振。
在對所述PTFE層的兩個金屬噴涂表面進行蝕刻處理以具體獲得所述第一天線的微帶電路34(如前所述)的同時，在所述PTFE層的底部金屬噴涂上蝕刻第二天線微帶電路35，并且在面向盤形貼片輻射元件33的上部金屬噴涂上蝕刻開口，例如，槽36。因而，也通過接地面中的槽36、37對圓形貼片輻射元件33饋電，并將其雙圓極化，以便與由諸如全球定位系統(tǒng)(GPS)和未來的伽利略系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的右旋圓極化(RHCP)，以及由諸如THURAYA的雙向移動通信系統(tǒng)所使用的左旋圓極化(LHCP)一起工作。
圖8是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的第二多系統(tǒng)天線組件的截面圖。在此第二多系統(tǒng)天線組件41中，除了已經(jīng)根據(jù)圖1A和1B描述過的第一天線貼片輻射元件42之外，進一步設(shè)置有至少一個另外的天線?？梢栽诘谝画h(huán)形介質(zhì)襯底45內(nèi)的空隙空間43中集成微型GPS天線44。有利地，諸如無線電FM天線46的第三天線可以被卷在天線組件41周圍。此方案的優(yōu)點在于，可以以非常低的價格獲得所述GPS和FM天線，并且能夠很容易地將其安裝在根據(jù)第一實施例描述的微帶貼片天線上。
圖9A-9B示出了根據(jù)所述第一實施例的天線組件以及所述第一多系統(tǒng)天線組件的第一介質(zhì)襯底的兩種可能形狀。我們找到在環(huán)形貼片輻射元件2和電導(dǎo)通接地面4之間放置的介電層L2，其中，未示出所述開口。
在圖9A中，介電層L2總體看是圓柱形，在所述圓柱周邊，安排至少一個環(huán)形凹口。
在圖9B中，介電層L2是截頭錐形，大基底被設(shè)置在環(huán)形貼片2的一側(cè)，小基底被設(shè)置在接地面4一側(cè)。
兩種方案都允許調(diào)整在環(huán)形貼片和接地面之間設(shè)置的介電層的介電常數(shù)。
圖10A-10C示出了槽的不同的可能形狀。為了獲得在饋線和環(huán)形貼片之間的優(yōu)化的槽耦合，由所述槽覆蓋的整個表面要完全面向所述環(huán)形貼片，這非常重要。
然而，由于需要長槽將能量從微帶線耦合到貼片輻射元件，則相對所述環(huán)形貼片的寬度而言，標(biāo)準(zhǔn)矩形槽所需要的尺寸太大，并且因此，將增加在激勵端口之間的偶合程度，從而會降低所述圓極化的質(zhì)量。因此，為了避免此問題，已經(jīng)設(shè)計了一些具有折疊臂的特殊槽。每個槽都被折疊，直到完全面向所述環(huán)形貼片輻射元件。
為此，圖10A示出了具有倒轉(zhuǎn)H形的槽的第一例。圖10B示出了C形槽的第二例。圖10C示出了具有鏡像T形(mirrored T-shaped)的槽的第三例。
作為最后的考慮，注意到，對于相同的共振模式，相比圓形貼片，環(huán)形貼片允許設(shè)計更小的天線。實際上，在高階模式的環(huán)形天線中，所述貼片的中心部分的場密度很低。由于這個原因，可以切除天線的這一部分，以獲得環(huán)形，并且不會影響天線的性能；然后將切下的部分用于其它應(yīng)用。另一方面，可以增加天線的電氣長度，從而，降低了天線的共振頻率。
最后，可以理解，上述實施例僅用于闡明許多可能的具體實施例，其表明本發(fā)明的原理。根據(jù)這些原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員無需脫離本發(fā)明的范圍和精神即可輕易地得到各種經(jīng)過變型的其它設(shè)計。
權(quán)利要求
1.一種用于移動衛(wèi)星通信的微帶貼片天線(1)，包括具有至少一個開口(7；10)的第一電導(dǎo)通接地面(4)，至少一個貼片輻射元件(2)，至少一個第一介電層(L2；L21-L22；L21-L23；L21-L25)，此介電層位于所述第一電導(dǎo)通接地面和所述貼片輻射元件之間，更具體地，位于所述至少一個開口和所述貼片輻射元件之間，至少一個饋線(6)，用來通過所述開口以非接觸方式向所述貼片輻射元件提供信號能量或從其接收信號能量，以及位于所述饋線和所述第一電導(dǎo)通接地面之間的第二介電層(L3)，其中，所述天線進一步包括第二接地面(8)和位于所述第二接地面和所述饋線之間的第三介電層(L4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微帶貼片天線，其中，所述至少一個開口(7)是槽形，并且至少部分地面向環(huán)形的所述貼片輻射元件，并且其中，所述至少一個饋線被槽耦合到所述環(huán)形貼片輻射元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微帶貼片天線，其中，所述第一電導(dǎo)通接地面包括兩個成角度地移動的槽(7)，從而接收左旋和右旋圓極化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微帶貼片天線，其中，所述槽以135°成角度地移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求2到4中任何一項所述的微帶貼片天線，其中，每個所述槽被折疊，直到完全面向所述環(huán)形貼片輻射元件，所述槽優(yōu)選地是倒轉(zhuǎn)H形、C形或鏡像T形。
6.根據(jù)權(quán)利要求2到5中任何一項所述的微帶貼片天線，其中，所述天線基本上為圓柱形，并且其中所述輻射元件的外半徑(R2)略大于所期望的波長的四分之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求2到6中任何一項所述的微帶貼片天線，其中，所述第一介電層具有定義了內(nèi)部空隙區(qū)域(3)的環(huán)形幾何橫截面。
8.根據(jù)上述任何權(quán)利要求之一的微帶貼片天線，其中，所述至少一個第一介電層由至少一個塑料層組成，所述第二介電層由PTFE組成。
9.根據(jù)上述任何權(quán)利要求之一的微帶貼片天線，其中，在所述第一介電層和所述貼片輻射元件之間放置薄環(huán)氧層(L1)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到6、8或9中任何一項所述的微帶貼片天線，其中，所述第一介電層是截頭錐形，其具有小基底和大基底，所述大基底被安置在所述貼片輻射元件一側(cè)，且所述小基底被安置在所述第一電導(dǎo)通接地面一側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到6、8或9中任何一項所述的微帶天線，其中，所述第一介電層是圓柱形，其具有被設(shè)置在該圓柱周邊的至少一個環(huán)形凹口。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任何一項所述的微帶貼片天線，其中，至少兩個介電層(L21-L22；L21-L23；L21-L25)被放置在所述第一電導(dǎo)通接地面和所述貼片輻射元件之間，包括至少一個塑料層(L21)和一個泡沫層(L22)，并且其中，這至少兩層所引起的介電常數(shù)嚴(yán)格大于1且嚴(yán)格小于2，優(yōu)選地，在1.7和1.9之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的微帶貼片天線，其中，在所述第一電導(dǎo)通接地面和所述貼片輻射元件之間放置三個介電層(L21-L23)，包括兩個塑料或環(huán)氧層(L21，L23)和插在所述塑料層或環(huán)氧層之間的一個泡沫層(L22)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的微帶貼片天線，其中，在所述第一電導(dǎo)通接地面和所述貼片輻射元件之間放置五個介電層(L21-25)，包括三個塑料層(L21，L23，L25)和插在所述塑料層之間的兩個泡沫層(L22，L24)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微帶貼片天線，其中，在所述第一電導(dǎo)通接地面和所述貼片輻射元件之間放置三個介電層(L21-L23)，包括兩個塑料層(L21，L23)和插在所述塑料層之間的一個環(huán)氧層(L22)，其中，至少第二饋線(12)被蝕刻在所述環(huán)氧層(L22)中，且面向環(huán)形的所述貼片輻射元件，所述饋線被經(jīng)由穿過所述電導(dǎo)通接地面的所述開口(10)的金屬引腳(11)相連接，并且其中，所述第二饋線被電磁耦合到所述環(huán)形貼片輻射元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微帶貼片天線，其中，在所述環(huán)氧層和鄰近所述環(huán)形貼片輻射元件的塑料層之間插入泡沫層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的微帶貼片天線，其中，在所述貼片輻射元件和其鄰近塑料層之間放置薄環(huán)氧層(L1)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15到17中任何一項所述的微帶貼片天線，其中，所述電導(dǎo)通接地面具有兩個開口，兩個金屬引腳從這兩個開口將在所述電導(dǎo)通接地面和所述第三介電層之間放置的第一和第三饋線分別連接到在所述第一環(huán)氧層上蝕刻的并以135°成角度地移動的第二和第四饋線。
19.一種用于移動通信的多系統(tǒng)天線，包括第一電導(dǎo)通接地面，其具有至少第一(27)和第二(36，37)開口，環(huán)形貼片輻射元件(22)，以及與所述環(huán)形貼片輻射元件共中心地設(shè)置并與之共面的圓形貼片輻射元件(33)，在所述電導(dǎo)通接地面與所述環(huán)形和圓形貼片輻射元件之間，具體地，在所述第一和第二開口與所述環(huán)形和圓形貼片輻射元件之間放置的至少一個第一介電層，至少第一(26)和第二(38)饋線，分別通過所述第一和第二開口，以非接觸方式向所述環(huán)形和圓形貼片輻射元件提供信號能量或從其接收信號能量，在所述第一和第二饋線與所述電導(dǎo)通接地面之間放置的第二介電層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的多系統(tǒng)天線，其中，進一步包括第二接地面以及位于所述第二接地面和所述饋線之間的第三介電層。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的多系統(tǒng)天線，其中，成角度地移動兩個第一開口(26)，從而利用所述環(huán)形貼片輻射元件接收第一應(yīng)用的左旋和右旋圓極化。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的多系統(tǒng)天線，其中，成角度地移動兩個第二開口(36，37)，從而分別接收第二應(yīng)用、第三應(yīng)用的左旋和右旋圓極化。
23.一種多系統(tǒng)天線，其包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的微帶貼片天線，其中，其進一步包括在所述微帶貼片天線的所述內(nèi)部空隙區(qū)域中放置的另一個天線。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的多系統(tǒng)天線，其中，進一步包括由卷繞所述微帶貼片天線的彈性襯底形成的第三天線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于移動衛(wèi)星通信的微帶貼片天線(1)，包括具有至少一個開口(7)的第一電導(dǎo)通接地面(4)，至少一個貼片輻射元件(2)，至少一個第一介電層(L2)，此介電層位于所述第一電導(dǎo)通接地面和所述貼片輻射元件之間，更具體地，位于所述至少一個開口和所述貼片輻射元件之間，至少一個饋線(6)，用來通過所述開口以非接觸方式向所述貼片輻射元件提供信號能量或從其接收信號能量，以及位于所述饋線和所述第一電導(dǎo)通接地面之間的第二介電層(L3)，其中，所述天線進一步包括第二接地面(8)和位于所述第二接地面和所述饋線之間的第三介電層(L4)。
文檔編號H01Q1/32GK101065882SQ200480044211
公開日2007年10月31日 申請日期2004年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
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