專利名稱：三極化貼片天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種天線裝置，包括第一和第二貼片，各貼片以導電材料制作，并具有第一和第二主表面，其中的貼片重疊放置，其中的第一貼片位于頂部，使得所有所述主表面基本上相互平行，在天線裝置中，第一貼片具有第一邊緣，以及第二貼片具有第二邊緣，此外，天線裝置包括饋電裝置，所述饋電裝置包括第一、第二、第三和第四饋電點，所述饋電點設置用于在發(fā)射以及在接收時對第二貼片饋電，各定位于離基本上與相應的第一和第二主表面垂直穿過貼片的第一虛線某個距離處，在其中，第二和第三虛線垂直于第一線條穿過并與第一線條相交，第二線條也與第一和第二饋電點相交，以及第三線條也與第三和第四饋電點相交，第二和第三線條相互之間形成一個角度α，角度α基本上為90°，使得接連的饋電點的順時針順序為第一、第三、第二和第四。
背景技術：
對無線通信系統(tǒng)的需求穩(wěn)定增長，并且仍然不斷增長，以及在這個增長中已經取得許多技術進步。為了通過采用不相關的傳播路徑來獲得無線系統(tǒng)增加的系統(tǒng)容量，MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng)被認為構成用于提高容量的優(yōu)選技術。例如通過若干發(fā)射和接收天線，MIMO采用多個分開的獨立信號路徑。預期結果是具有用于接收以及發(fā)射的多個不相關天線端口。
對于MIMO，希望估算信道并不斷地更新這個估算。這種更新可通過以先前已知的方式連續(xù)發(fā)射所謂的導頻信號來執(zhí)行。信道的估算產生信道矩陣。如果多個發(fā)射天線Tx向多個接收天線Rx發(fā)射構成發(fā)射信號向量的信號，則所有Tx信號在Rx天線的每一個中被求和，并且通過線性組合，形成接收信號向量。通過把接收信號向量與逆信道矩陣相乘，對信道進行補償，并獲得原始信息，即，如果準確的信道矩陣為已知，則能夠獲得準確的發(fā)射信號向量。因此，信道矩陣用作分別Tx與Rx天線的天線端口之間的耦合。這些矩陣具有大小M×N，其中M是Tx天線的輸入(天線端口)的數(shù)量，以及N是Rx天線的輸出(天線端口)的數(shù)量。這是MIMO系統(tǒng)領域的技術人員先前已知的。
為了讓MIMO系統(tǒng)有效運行，需要不相關的或者至少基本上不相關的發(fā)射信號。術語“不相關的信號”在這個上下文中的含意在于，輻射圖基本上是正交的。如果一個天線最適宜以至少兩個正交極化接收和發(fā)射，則這對于那個天線是可行的。如果不止兩個正交極化將用于一個天線，則必要的是，它用于具有多個獨立傳播路徑的所謂富散射環(huán)境中，因為不然，它無法從不止兩個正交極化中獲益。富散射環(huán)境被認為在許多電磁波重合空間中的單個點時出現(xiàn)。因此，在富散射環(huán)境中，可利用不止兩個正交極化，因為多個獨立傳播路徑使天線的所有自由度能夠得到利用。
用于MIMO系統(tǒng)的天線可利用空間分隔、即物理分隔，以便實現(xiàn)天線端口上的接收信號之間的低相關。但是，這產生不適合例如手持終端的大陣列。實現(xiàn)不相關信號的另一種方式是通過極化間隔，即一般發(fā)送和接收具有正交極化的信號。
已經提出把三個正交偶極子用于具有三個端口的MIMO天線，但是這樣一種天線的制造復雜，并且在例如用于MIMO系統(tǒng)之類(大約2GHz)的在較高頻率使用時需要許多空間。已經考慮多達六個端口，如已公布申請US2002/0190908中所公開的那樣，但是相交偶極子以及附隨的回路元件仍然是難以對于較高頻率以適當成本實現(xiàn)的復雜結構。
本發(fā)明所解決的客觀問題是提供適合于MIMO系統(tǒng)的天線裝置，天線裝置能夠以三個基本上不相關的極化進行發(fā)射和接收。天線裝置還應當以低成本的細小結構制作，并且仍然適合于例如MIMO系統(tǒng)中所使用的之類的較高頻率。

發(fā)明內容
這個客觀問題通過根據本介紹的天線裝置來解決，天線裝置的特征還在于在第一操作模式中，饋電點的每一個基本上彼此同相地被饋電，導致在第一與第二邊緣之間所建立的隙縫中得到第一恒定電場，其中第一電場還被引導在所述邊緣之間；在第二操作模式中，第一和第二饋電點基本上彼此180°異相地被饋電，從而在隙縫中產生第二電場，其中第二電場還被引導在所述邊緣之間，并且沿隙縫具有正弦變化；以及在第三操作模式中，第三和第四饋電點基本上彼此180°異相地被饋電，從而在隙縫中產生第三電場，其中的第三電場還被引導在所述邊緣之間，并且沿隙縫具有正弦變化。
在相關權利要求書中公開優(yōu)選實施例。
若干優(yōu)點通過本發(fā)明實現(xiàn)，例如-獲得低成本三極化天線裝置。
-以平面技術制作的三極化天線成為可能，從而避免占面積的天線裝置。
-獲得易于制造的三極化天線。


現(xiàn)在參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，附圖包括圖1a說明根據本發(fā)明的天線裝置的第一實施例的示意簡化透視圖；圖1b說明根據本發(fā)明的天線裝置的第一實施例的示意側視圖；圖1c說明根據本發(fā)明的天線裝置的第一實施例的示意頂視圖；圖2a說明在第一操作模式中、根據本發(fā)明的天線裝置的貼片上的場分布的示意簡化側視圖；圖2b說明在第二操作模式中、根據本發(fā)明的天線裝置的貼片上的場分布的示意簡化側視圖；以及圖2c說明在第三操作模式中、根據本發(fā)明的天線裝置的貼片上的場分布的示意簡化側視圖。
具體實施例方式
根據本發(fā)明，提供所謂的三模式天線裝置。三模式天線裝置設計用于發(fā)射三個基本上正交的輻射圖。
如圖1a-b所示，說明本發(fā)明的第一實施例，三模式天線裝置1包括第一2和第二3貼片。各貼片2、3比較薄，其中具有中心點以及第一4、5和第二6、7主表面，其中的第一和第二主表面4、5、6、7基本上相互平行。貼片2、3以導電材料、如銅制作。貼片2、3的形狀優(yōu)選地為圓形并重疊放置，其中的第一貼片2位于頂部。貼片2、3還具有相應的第一和第二邊緣8、9。
三模式的模式天線裝置1還包括第一10、第二11、第三12和第四13同軸饋線，其中分別具有第一14、第二15、第三16和第四17中心導體。
第一14、第二15、第三16和第四17中心導體各與其外側區(qū)域中的第一貼片2電接觸，其中構成第一18、第二19、第三20和第四21饋電點。又參照圖1c，第一18、第二19、第三20和第四21饋電點定位于離基本上垂直于主平面4、5、6、7穿過貼片2、3的中心的第一虛線22適當距離d。距離d優(yōu)選地對于第一18、第二19、第三20和第四21饋電點基本上相同。
第二23和第三24虛線垂直于第一虛線24穿過，并且各與第一18、第二19、第三20和第四21饋電點相交，相互之間形成角度α。這是定義饋電點之間的角度α的一種方式，角度α基本上為90°。以上方式的饋電點之間的角度的定義在本文中還稱作角位移。虛線22、23、24僅為了說明而被插入，而不是實際裝置1的組成部分。
因此，在具有半徑d的圓的圓周上，在接連的饋電點18、20、19、21之間全部存在基本上90°的角位移。接連的饋電點19、21、18、20則以下列方式定位第一18和第二19饋電點彼此相對，其中的第一虛線22設置在它們之間；以及第三20和第四21饋電點彼此相對，其中的第一虛線22設置在它們之間，接連的饋電點的順時針順序為第一18、第三20、第二19和第四21。
具有其中心導體14、15、16、17的饋電同軸線10、11、12、13是饋電裝置的組成部分。
第一14、第二15、第三16和第四17中心導體與第一貼片2沒有電接觸，并且大體上垂直于貼片2、3的主表面4、5、6、7延伸。第一10、第二11、第三12和第四13同軸饋線通過在第二貼片3中制作的、同軸饋線10、11、12、13可穿過的孔25、26、27、28穿過第二貼片3的外側區(qū)域。
第一貼片2與附屬中心導體14、15、16、17之間在對應饋電點18、19、20、21上的電接觸例如通過焊接來獲得。
參照圖1a，饋電裝置還包括第一29和第二30四端口90°3 dB混合結以及第一31和第二32 90°移相器。每個四端口90° 3 dB混合結29、30具有四個端子A、B、∑和Δ。如果Δ端子連接到其特性阻抗，則∑端子上的輸入信號在A和B端子上分為兩個信號，各信號具有相同幅度，其中的相位在A端子上移位-90°。另一方面，如果∑端子連接到其特性阻抗，則Δ端子上的輸入信號在A和B端子上分為兩個信號，各信號具有相同幅度，其中的相位在A端子上移位+90°。所述功能是互易的。為了清楚起見，第一29和第二30四端口90° 3 dB混合結以及第一31和第二32 90°移相器僅在圖1a中示出。
第一四端口90° 3 dB混合結29包括差端子Δ1、和端子∑1以及兩個信號端子A1和B1。此外，第二四端口90°3 dB混合結30包括差端子Δ2、和端子∑2以及兩個信號端子A2和B2。和端子∑1和∑2在和連接點33’上連接到共同和信號端口33。差端子Δ1、Δ2分別連接到第一34和第二35差端口。
此外，如圖1a示意所示，從第一29和第二30 90° 3dB混合結引出的饋電網絡的同軸饋線10、11、12、13在四個饋電點18、19、20、21對第一貼片2饋電，除了第一31和第二32移相器之外，其中的同軸饋線10、11、12、13具有相等長度。信號端子A1通過第一同軸饋線10經由第一移相器31連接到第一饋電點18，以及信號端子A2通過第三同軸饋線12經由第二移相器32連接到第三饋電點20。此外，信號端子B1通過第二同軸饋線11連接到第二饋電點19，以及信號端子B2通過第四同軸饋線13連接到第四饋電點21。
通過饋電裝置，在第一、第二和第三操作模式中，貼片2、3可通過三種不同的方式來激勵，使得能夠發(fā)射三個正交輻射圖。
在下面所述的所有操作模式中，第二貼片3則用作第一貼片2的地平面。
對于第一操作模式，和信號端口33把信號饋送到和連接點33’，其中的信號首先相等地劃分并進一步以相同相位饋送到90°3 dB混合結29、30的相應和端口∑1和∑2。90° 3dB混合結29、30則把相應輸入信號分為相等部分，它們分別在相應信號端子A1和B1以及A2和B2上輸出，其中在端子A1和A2上的信號移位-90°。來自A1和A2的信號通過相應的90°移相器31、32饋送，它們可能是分立組件或者是對應于90°的同軸饋線長度的調節(jié)。這意味著，在相應移相器31、32之后，來自端子A1和A2的信號移位+90°，從而產生總相移-90°+90°＝0°。因此，所有四個饋電點18、19、20、21被同相地饋電。
又參照圖2a，為了清楚起見，示出貼片而沒有饋電裝置，由于來自信號端子B1和B2的輸出完全沒有相移，這產生注入在第一和第二3貼片的相應邊緣8、9之間建立的圓周隙縫37的恒定磁流回路36。
這個磁流36對應于第一電場38，全部在第一2和第二3貼片的圓周上，其中的第一電場31是恒定的并且在隙縫37中基本上垂直于第一2和第三3貼片的主表面4、5、6、7定向。在圖2a中，這采用多個箭頭來表示。
對于第二操作模式中，參照圖1a，信號經由第一差端口34饋送到第一90° 3 dB混合結29的第一差端子Δ1。第一90° 3dB混合結29則把輸入信號分為相等部分，它們分別在相應信號端子A1和B1上輸出，其中在端子A1上的信號移位+90°。來自A1的信號則通過第一90°移相器31饋送。這意味著，在第一移相器3 1之后，來自端子A1的信號移位+90°，從而產生總相移90°+90°＝180°。
又參照圖2b，因為來自信號端子B1的輸出完全沒有相移，所以這使得以相等幅度、但在相對的第一18和第二19饋電點上180°的相位差對第一貼片2饋電。
這又在第一2與第二3貼片的相應邊緣8、9之間建立的圓周隙縫37中產生基本上垂直于第一2和第二3貼片的主表面4、5、6、7定向的第二電場39，第二電場39在第一2和第二3貼片的整個圓周上具有正弦變化。電場39在圖2b中表示為具有與電場的強度對應的長度的多個箭頭，其中，箭頭表示在隨時間以諧波方式改變時的瞬時電場分布。
參照圖1a，第三操作模式對應于第二操作模式，但是，在這里，信號經由第二差端口34饋送到第二90° 3 dB混合結30的第二差端子Δ2。這導致在相對的第三20和第四21饋電點上以相等幅度但180°的相位差對第一貼片2饋電。
又參照圖2c，為了清楚起見，示出貼片而沒有饋電裝置，這又在第一2與第二3貼片的相應邊緣8、9之間建立的圓周隙縫37中產生基本上垂直于第一2和第二3貼片的主表面4、5、6、7定向的第三電場40，第三電場40在第一2和第二3貼片的整個圓周上具有正弦變化。采用電場的相同參考方向，如果第二電場39以正弦變化，則第三電場40以余弦變化。這意味著，第三電場40還與第二電場39垂直，這將在稍后更詳細地進行說明。
以對于第二操作模式的相同方式，第三電場40在圖2c中表示為具有與電場的強度對應的長度的多個箭頭，其中，箭頭表示在隨時間以諧波方式改變時的瞬時電場分布。
因此，三模式天線裝置1在這時以三種不同方式來激勵，因而得到具有第一38、第二39和第三40電場的三種不同模式，構成理想地全部相互正交的口徑場。
對應的輻射圖也是正交的，并且相關等于零，其中的相關ρ可寫作 在上式中，Ω表示表面，以及符號“*”表示它是復共軛。對于輻射圖的積分，Ω表示包括全部空間角的封閉面，以及當這個積分等于零時，輻射圖之間沒有相關，即輻射圖相互正交。分母是效應歸一化項。
在確定輻射圖為正交時，能夠采用口徑場。在考慮口徑場時，Ω表示口徑表面。邊緣8、9之間的口徑場是正交的，因為在一個周期內的常數(shù)(第一模式)乘以正弦變化(第二或第三模式)的積分等于零。此外，在一個周期內的兩個正交正弦變化sine*cosine(第二和第三模式)的積分也等于零。因為這些場38、39、40在天線裝置1的口徑上是正交的并且對應于天線1的口徑電流(未示出)，其中的口徑電流也是正交的，所以遠場還包括正交場向量，如本領域的技術人員已知的那樣。
具有三個至少基本上正交的輻射圖是非常符合需要的，因為這使信道矩陣中的行是無關的。這又意味著，本發(fā)明適用于MIMO系統(tǒng)。通過重疊，所有操作模式可同時進行操作，因而允許三模式天線裝置發(fā)射三個基本上正交的輻射圖。
饋電裝置的實際實現(xiàn)并不重要，而是可通過技術人員顯而易見的方式進行改變。本發(fā)明的重要特征在于，以三種操作模式向貼片2、3饋電，其中，第一操作模式導致在第一2與第二3貼片之間的圓周隙縫38上得到電場38。其它操作模式在第一2與第二3貼片之間的圓周隙縫37上產生具有場強度的正弦變化的兩個電場39、40，其中，這些電場之一相對于另一個旋轉90°。這個功能不受饋電裝置的設計或者如何構思饋電點18、19、20、21限制。它們例如可通過非接觸方式、即通過本領域已知的電容耦合獲得電連接。
由于互易性，對于所述的三模式天線裝置1的發(fā)射屬性，存在對應的相等接收屬性，如本領域的技術人員已知的那樣，從而允許三模式天線裝置通過三種基本上不相關的操作模式進行發(fā)送以及接收。
本發(fā)明不限于以上所述的實施例，這些實施例只應當看作是本發(fā)明的實例，并且可在所附權利要求書的范圍內自由改變。
其它類型的貼片可能可考慮用來代替所述的那些貼片。例如，貼片可能具有其它形狀，例如正方形、矩形或八角形。三個貼片之間也可具有不同形狀，即，第一貼片可能是八角形，第二貼片是正方形等。貼片可以用例如銅、鋁、銀或金等的任何適當導電材料制作。貼片還可由薄金屬片來制作，并且僅通過空氣分隔，通過適當護圈(未示出)固定就位。或者，貼片可從鍍銅疊層中蝕刻。
貼片的任何種類的饋電均落入本發(fā)明的范圍之內，在其中，不同種類的探頭饋電是最優(yōu)選的。以上所述的電容探頭饋電是這樣一種備選方案。
第一虛線與相應饋電點之間的距離d不需要對于每一個饋電點都相同，而是可適當?shù)馗淖儭ｐ侂婞c的定位通過所需的阻抗來確定。換言之，距離d一般進行變化，以便獲得預期阻抗匹配。
第一虛線不需要穿過貼片的中心區(qū)域，而是可在任何適當位置穿過貼片。
饋電網絡還可通過許多不同方式來實現(xiàn)，這些方式是本領域的技術人員顯而易見的。貼片可通過以下方式饋電可獲得其它相互正交的極化，例如右旋圓極化和/或左旋圓極化。
權利要求
1.包括第一(2)和第二(3)貼片的天線裝置，各貼片(2，3)以導電材料制作，并具有第一(4，5)和第二(6，7)主表面，所述貼片(2，3)堆疊設置，其中所述第一(2)貼片位于頂部，使得所有所述主表面(4，5；6，7)基本上相互平行，在所述天線裝置(1)中，所述第一貼片(2)具有第一邊緣(8)，以及所述第二貼片(3)具有第二邊緣(9)，此外，所述天線裝置(1)包括饋電裝置，所述饋電裝置包括第一(18)、第二(19)、第三(20)和第四(21)饋電點，所述饋電點(18，19，20，21)設置用于在發(fā)射時以及在接收時對所述第二貼片饋電，各饋電點(18，19，20，21)定位于離基本上垂直于所述相應的第一(4，5)和第二(6，7)主表面穿過所述貼片(2，3)的第一虛線(22)距離(d)處，在其中，第二(23)和第三(24)虛線垂直于所述第一虛線(22)穿過并與第一虛線(22)相交，并且其中所述第二虛線(23)還與所述第一(18)和第二(19)饋電點相交，以及其中所述第三虛線(24)還與所述第三(20)和第四(21)饋電點相交，所述第二(23)和第三(24)線條相互之間形成角度(α)，所述角度(α)基本上為90°，使得接連的饋電點的順時針順序為所述第一(18)、所述第三(20)，所述第二(19)和所述第四(21)，其特征在于在第一操作模式中，所述饋電點(18，19，20，21)中每一個基本上彼此同相地被饋電，導致在所述第一(8)與第二邊緣(9)之間建立的隙縫(37)中得到第一恒定電場(38)，所述第一電場(38)還被引導在所述邊緣(8，9)之間；在第二操作模式中，所述第一(18)和所述第二(19)饋電點基本上彼此異相180°被饋電，從而在所述隙縫(37)中產生第二電場(39)，所述第二電場(39)還被引導在所述邊緣(8，9)之間，并且沿所述隙縫(37)具有正弦變化；以及在第三操作模式中，所述第三(20)和所述第四(21)饋電點基本上彼此異相180°被饋電，從而在所述隙縫(37)中產生第三電場(40)，所述第三電場(40)還被引導在所述邊緣(8，9)之間，并且沿所述隙縫(37)具有正弦變化。
2.如權利要求1所述的天線裝置，其特征在于，所述三種操作模式可同時操作。
3.如權利要求1所述的天線裝置，其特征在于，所述第一(18)和第二(19)饋電點相對于所述第三(20)和第四(21)饋電點以這樣的相位被饋電，使得所述第二(39)和第三(40)電場基本上相互正交。
4.如以上權利要求中的任一項所述的天線裝置，其特征在于，所述饋電裝置還包括第一(29)和第二(30)四端口90°3dB混合結以及第一(31)和第二(32)90°移相器，在其中，所述第一四端口90°3dB混合結(29)包括差端子Δ1、和端子∑1以及兩個信號端子A1和B1，以及所述第二四端口90° 3dB混合結(30)包括差端子Δ2、和端子∑2以及兩個信號端子A2和B2，其中，所述和端子∑1和∑2在和連接點(33)上連接到共同和信號，此外，所述信號端子A1通過第一同軸饋線(10)經由所述第一移相器(31)連接到所述第一饋電點(18)，所述信號端子A2通過第三同軸饋線(12)經由所述第二移相器(32)連接到所述第三饋電點(20)，所述信號端子B1通過第二同軸饋線(11)連接到所述第二饋電點(19)，以及所述信號端子B2通過第四同軸饋線(13)連接到所述第四饋電點(21)。
5.如權利要求4所述的天線裝置，其特征在于，所有同軸饋線(10，11，12，13)都具有相等長度。
6.如以上權利要求中的任一項所述的天線裝置，其特征在于，所述貼片(2，3)關于所述第一虛線(22)對稱。
7.如以上權利要求中的任一項所述的天線裝置，其特征在于，所述貼片(2，3)具有基本上相同的形狀。
8.如權利要求7所述的天線裝置，其特征在于，所述貼片(2，3)基本上為圓形。
9.如以上權利要求中的任一項所述的天線裝置，其特征在于，所述第一虛線(22)與所述第二貼片(2)的各個饋電點(18，19，3 20，21)之間的所述距離(d)基本上相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括兩個貼片(2，3)的天線裝置，其中，第一貼片(2)具有第一邊緣(8)，以及第二貼片(3)具有第二邊緣(9)，其中的第一(18)、第二(19)、第三(20)和第四(21)饋電點設置用于對第二貼片饋電。在第一操作模式中，饋電點(18，19，20，21)的每一個基本上彼此同相地被饋電，從而在第一(8)與第二邊緣(9)之間建立的隙縫(37)中產生第一恒定電場(38)。在第二操作模式中，第一(18)和第二(19)饋電點彼此異相180°被饋電，從而在隙縫(37)中產生具有正弦變化的第二電場(39)。在第三操作模式中，第三(20)和第四(21)饋電點彼此異相180°被饋電，從而在隙縫(37)中產生具有正弦變化的第三電場(40)。
文檔編號H01Q21/00GK101091287SQ200480044710
公開日2007年12月19日 申請日期2004年12月27日 優(yōu)先權日2004年12月27日
發(fā)明者L·曼霍爾姆, F·哈里森 申請人:艾利森電話股份有限公司