專利名稱：天線陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線陣列，尤其是用于移動(dòng)通信的天線陣列，其包括第一和第二天線。
背景技術(shù)：
從US 6,426,723可以知道具有第一天線和第二天線的天線陣列。兩個(gè)天線排列在已經(jīng)印刷的印刷電路板上。這兩個(gè)天線是PIFA型的，平面轉(zhuǎn)換F天線。在該文獻(xiàn)中所描述的實(shí)施例的例子中，將這兩個(gè)天線調(diào)諧到PCS頻率帶1850-1990MHz。為了提供極化分集，所述天線設(shè)計(jì)為相互垂直。這個(gè)天線陣列用于膝上型電腦中的應(yīng)用。所示出的天線具有7×30×10mm3和10×27×10mm3的尺寸。
開發(fā)是朝著電子器件變得更小進(jìn)行的。為了這個(gè)原因，就期望元件的小型化，尤其是緊湊天線單元的實(shí)現(xiàn)。特別是對(duì)于移動(dòng)通信中的應(yīng)用，天線或多個(gè)天線的尺寸是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種天線陣列，其具有緊湊的結(jié)構(gòu)，并適合于移動(dòng)通信中的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是通過專利權(quán)利要求1和7所指定的特征實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)權(quán)利要求1的天線陣列具有至少第一和第二天線。這兩個(gè)天線具有在應(yīng)用的第一和第二范圍之間的諧振頻率。此外，這兩個(gè)天線的這些諧振頻率的位置是相互不同的。這個(gè)天線陣列的兩個(gè)天線都能夠分別工作在應(yīng)用的第一和第二范圍。因此，即使是在其中一個(gè)天線故障的情況下，也可能進(jìn)行進(jìn)一步的傳輸和接收。兩個(gè)天線的同時(shí)工作能夠提供不同的輻射域。
此外，通過合適的選擇相互關(guān)聯(lián)的天線排列，能夠采用指定目標(biāo)的方式改變輻射域。在一些應(yīng)用中，尤其是平行排列，對(duì)于有效安裝空間的使用，可以是優(yōu)選的排列。
通過采用合適的包含功率分配器的驅(qū)動(dòng)電路操作天線陣列，提供給天線的功率能夠劃分成特定的分割比例。通過將整個(gè)信號(hào)分離為兩個(gè)子信號(hào)，天線陣列的輻射域能夠采用面向目的的方式進(jìn)行變化。
通過將額外的可變移相器添加到驅(qū)動(dòng)電路中，能夠采用指定目標(biāo)的方式改變天線陣列的輻射域。
采用可變移相器，能夠在工作中修改相位偏移。其結(jié)果是，能夠進(jìn)行從全向輻射域到定向輻射域的轉(zhuǎn)換。全向輻射域?qū)τ诮邮展ぷ魇蔷哂袃?yōu)勢(shì)的，定向輻射域?qū)τ诎l(fā)射工作是具有優(yōu)勢(shì)的。通過對(duì)輻射域進(jìn)行定向，就能夠使用更加有效地使用所提供的功率，還降低了用戶對(duì)輻射的曝露。
更多的具有優(yōu)勢(shì)的措施在進(jìn)一步的從屬權(quán)利要求中描述。以下將參考以下實(shí)施例描述本發(fā)明。


在附圖中圖1示出了具有平行排列的兩個(gè)介質(zhì)天線的天線陣列；圖2示出了具有正交排列的兩個(gè)介質(zhì)天線的天線陣列；圖3給出了用于TD-SCDMA系統(tǒng)的散射參數(shù)的表示；圖4示出了電子驅(qū)動(dòng)電路；圖5給出了效率(η)的圖形表示，以及作為相位差的函數(shù)的方向性(D)；圖6給出了具有平行天線排列的S-參數(shù)的表示；圖7該處了具有正交天線排列的S-參數(shù)的表示；具體實(shí)施方式
圖1示出了具有第一天線3和第二天線5的天線陣列。介質(zhì)塊狀天線7用作天線3、5，所述介質(zhì)塊狀天線縮寫為DBA。這些介質(zhì)天線7包括電介質(zhì)材料的基片10。在所示的實(shí)施例中，采用了具有介電常數(shù)為εr＝20,6的基片。典型的材料是適合高頻的的基片，其具有低損耗并對(duì)高頻特性幾乎沒有溫度依賴性。這樣的材料稱為NP0-材料，或者是所謂的SL材料。可替換的是，通過將陶瓷顆粒嵌入到聚合物基體中，也能夠使用適合HF的塑料或者陶瓷-塑料的混合物。
基片10具有接地金屬噴鍍11作為諧振結(jié)構(gòu)9和高頻輸入13。諧振結(jié)構(gòu)9放置在基片10的下方。諧振結(jié)構(gòu)9的一端與印刷電路板19的接地金屬噴鍍20接觸。印刷電路板19還稱為PCB(印刷電路板)。
諧振結(jié)構(gòu)9的另一端連接到位于PCB上的另外的稱為調(diào)諧短截線17的印刷布線結(jié)構(gòu)上。因此調(diào)諧短截線17形成介質(zhì)塊狀天線7的諧振結(jié)構(gòu)9的金屬噴鍍的擴(kuò)展。這兩個(gè)金屬性印刷線的總長(zhǎng)度，介質(zhì)基片10上的接地金屬噴鍍11以及調(diào)諧短截線17基于基片10和PCB 9的介電常數(shù)，分別定義了天線3，5的最低工作頻率或者諧振頻率。如果必要，通過減小調(diào)諧短截線17的長(zhǎng)度，能夠?qū)⒅C振頻率移動(dòng)到較高的頻率上。能夠機(jī)械地或者采用激光實(shí)現(xiàn)所述減小。采用調(diào)諧短截線17，相同的DBA能夠被調(diào)諧到不同的應(yīng)用范圍，而不用必須修改天線的設(shè)計(jì)?？梢蕴鎿Q的是，特殊設(shè)計(jì)的天線也能夠用于單獨(dú)的應(yīng)用范圍。
在本實(shí)施例中，所采用的基片10具有10.5×2.4×1mm3的尺寸，印刷電路板19具有90×35mm2的尺寸。其他尺寸也都是可能的。如果在印刷電路板上由足夠的空間(安裝空間)，并且/或者如果需要天線用于大約2GHz之外的頻率范圍，則可以替換的是，整個(gè)諧振結(jié)構(gòu)(以及HF-饋送)也能夠直接定位在PCB上。
天線3、5的高頻輸入13包括另外的金屬噴鍍13，金屬噴鍍13同樣放置在基片10的下面，并且典型地連接到50Ω微帶線上，作為高頻線13。天線的輸入結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)為，使得它具有50Ω的輸入阻抗。通過對(duì)天線設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)修改，能夠?qū)崿F(xiàn)其他輸入阻抗。
采用高頻輸入13與諧振結(jié)構(gòu)9之間的電容性耦合，激勵(lì)天線3，5的諧振。通過改變50Ω的輸入13與諧振金屬噴鍍11之間的距離，能夠采用指定目標(biāo)的方式對(duì)天線3，5的阻抗匹配進(jìn)行設(shè)定。如果該距離增加，即，電容性耦合降低，則對(duì)諧振器的耦合降低，造成亞臨界耦合。隨著各個(gè)距離的降低以及因此造成的電容性耦合的放大，超臨界地對(duì)諧振器進(jìn)行耦合。
在這個(gè)天線陣列中，兩個(gè)天線相互平行排列。脫離圖1所示的陣列，平行排列的天線也能夠在接近PCB的邊緣處相互偏離地排列。
特別是，在傳輸和接收工作的過程中，不是拿在手中而是例如放在桌子上的系統(tǒng)中，出現(xiàn)這樣的陣列。
在圖2中示出了在PCB上的天線的正交排列。所采用的天線結(jié)構(gòu)與參考圖1所述的天線沒有差異。參考圖7和8，描述了與平行排列的天線陣列相比，正交排列的天線陣列中不同輻射狀態(tài)。
能夠用圖4所示的驅(qū)動(dòng)電路21操作圖1和2所述的天線陣列1。這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路21也能夠用于操作其他天線陣列。
在圖3中，采用例子的方式詳細(xì)描述了為TD-SCDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的天線陣列的散射參數(shù)。根據(jù)圖2，使用了天線3，5的正交排列的天線陣列。
散射參數(shù)S11通常指天線3，散射參數(shù)S22通常指天線5。此外，在該圖示中加入了S12-參數(shù)，該S12-參數(shù)描述了兩個(gè)天線3，5的傳輸狀態(tài)。取代傳輸，也能夠采用隔離度。如果隔離度是100％，則傳輸就是0％。在本實(shí)施例中，最大傳輸是大約-15dB。傳輸不應(yīng)該低于-20dB并且不應(yīng)該高于-4dB.。
在本實(shí)施例中，應(yīng)用的第一范圍29是在1900-1920MHz范圍中，并且應(yīng)用的第二范圍31是在2010-2025MHz范圍中。采用這樣的方式對(duì)天線陣列1的兩個(gè)天線3，5進(jìn)行調(diào)諧使它們的頻率位于應(yīng)用的第一范圍29和第二范圍31之間。使得諧振頻率位于應(yīng)用范圍之間的這種方式的天線陣列的這種調(diào)諧，能夠用相同的方式轉(zhuǎn)移到其他系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)。最大功率消耗通常對(duì)應(yīng)于S11，2-參數(shù)的最小值。通過兩個(gè)天線確保天線陣列的發(fā)射和接收工作。即使是天線3，5中任意一個(gè)故障，也能夠維持發(fā)射和接收，這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)應(yīng)用范圍中的這兩個(gè)天線具有充分的阻抗匹配。這是一類緊急運(yùn)用，同時(shí)降低了天線陣列的發(fā)射和接收功率。
此外，在應(yīng)用的范圍(頻帶)中天線3，5的S-參數(shù)更小，-2dB，其通常對(duì)應(yīng)于通過高頻輸入13供給的功率的30％以上的天線3，5的功耗。通過以各個(gè)S-參數(shù)的最小值落在第一和第二頻帶之間的方式對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧，可以幾乎完全平等地在兩個(gè)頻帶中操作天線3，5中的每一個(gè)。
圖4示出了用于根據(jù)本發(fā)明的天線陣列1的示例性電子驅(qū)動(dòng)電路21，天線陣列1包括兩個(gè)分離的天線3，5。驅(qū)動(dòng)電路21包括功率分配器25和移相器23。通過使用該驅(qū)動(dòng)電路21，能夠同時(shí)控制兩個(gè)天線3，5。采用具有兩個(gè)以上天線的天線陣列，則必須相應(yīng)的修改該電路。對(duì)于n個(gè)天線，該修改可以由功率分配器進(jìn)行，功率分配器劃分為n個(gè)信道。為了提供所有n個(gè)信道的相互相位偏移，為n-1個(gè)信道提供移相器就足夠了。
在驅(qū)動(dòng)電路21中，功率分配器25將所示的高頻信號(hào)分割為兩個(gè)強(qiáng)度相等的子信號(hào)。與其不同的是，不同的信號(hào)權(quán)重也是可以的。將所述分割所獲得的其中一個(gè)信號(hào)直接引入第一天線3。將第二個(gè)信號(hào)通過移相器23引入第二天線5。理想地，移相器23是可變移相器，其根據(jù)控制信號(hào)在0-360°之間設(shè)定特定的相位位置。因此，兩個(gè)天線中任意一個(gè)通?？偸悄軌虮灰粋€(gè)信號(hào)控制，所述信號(hào)相對(duì)于另一個(gè)天線的信號(hào)進(jìn)行0-360°的相位偏移。
如果天線3，5相互之間僅僅需要一個(gè)特定的相位位置，則能夠通過特定長(zhǎng)度的高頻線(通常的50Ω)設(shè)定適當(dāng)?shù)南辔晃恢谩４烁哳l線的電學(xué)長(zhǎng)度導(dǎo)致發(fā)生固定的相位偏移。在需要多于一個(gè)的固定相位偏移的情況下，能夠通過開關(guān)矩陣連接不同電學(xué)長(zhǎng)度的幾個(gè)高頻印刷電路線，例如以PIN二極管的形式。根據(jù)必需的相位位置，能夠采用合適的控制信號(hào)選擇交換位置，所述控制信號(hào)激勵(lì)適當(dāng)?shù)母哳l線。在進(jìn)一步的執(zhí)行中，還能夠采用有源和/或者無(wú)源電子元件實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的高頻線。
如圖4所示，采用天線陣列1連同驅(qū)動(dòng)電路21，能夠提供可以主動(dòng)控制的天線陣列。通過改變輸入信號(hào)的相關(guān)相位和輸入到天線3，5中的各個(gè)功率的比例，以及通過天線3，5的相互位置，從而修改典型的輻射特性，例如方向和效率。
即使是沒有根據(jù)本發(fā)明的額外的配線，圖1所示的天線陣列對(duì)于寬帶單天線的解決方案也具有巨大的優(yōu)勢(shì)，這是由于采用兩個(gè)窄帶DBA在發(fā)送和接收帶寬(例如采用GDSM900，1800，1900)之間提供了大約10dB的特定的濾波效應(yīng)，否則不得不采用額外的濾波元件例如雙重濾波器或者開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)該濾波效應(yīng)。濾波器保證了信號(hào)的傳輸和接收是彼此分離的。
盡管減小了在圖2的正交天線排列中的單個(gè)元件之間的距離(與平行排列相比)，但是傳輸從-9.36dB降到-14.57dB。因此，所定義的兩個(gè)天線3，5之間的相互位置/定位能夠用于以指定目標(biāo)的方式調(diào)節(jié)傳輸。
除了天線陣列的傳輸特性的上述修改之外，輻射特性也能夠受到天線的相互之間的位置的影響。已經(jīng)可以看到，能夠?yàn)樯鲜鯰D-SCDMA天線陣列設(shè)置以下的特性。
采用對(duì)單個(gè)天線的分離控制，正交天線排列造成以下事實(shí)天線3排列為與印刷電路板的長(zhǎng)邊平行，并且在負(fù)y半軸空間輻射的更遠(yuǎn)。天線5排列為與印刷電路板的短邊平行，相反地在正y半軸空間輻射的更遠(yuǎn)。此外，能夠設(shè)置大約90°的極化的變化。
采用對(duì)單個(gè)天線的分離控制，平行天線排列造成以下事實(shí)與印刷電路板的長(zhǎng)邊平行的天線也在負(fù)y半軸空間輻射的更遠(yuǎn)。然而，與PCB的長(zhǎng)邊平行的天線5，在正負(fù)z軸空間輻射的更遠(yuǎn)。此外，也能夠設(shè)置大約90°的極化的變化。
除了對(duì)所期望最大化輻射的方向的主動(dòng)設(shè)定之外，尤其還能夠使用輻射極化的旋轉(zhuǎn)。能夠利用此效果，例如，在移動(dòng)電話器件中使用分集系統(tǒng)(這里具體的說(shuō)是極化分集)。
在以下，詳細(xì)給出了根據(jù)圖2的具有不同相位的正交排列的天線排列的輻射性能。為了實(shí)現(xiàn)該目的，使用了根據(jù)圖4的驅(qū)動(dòng)電路21。由功率分配器25將功率等分為兩個(gè)兩個(gè)相等部分。提供給天線的高頻輸入信號(hào)的相位位置是變化的。此外，僅僅討論了天線的兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差的情況。對(duì)于輻射域的描述采用示例性的頻率1955MHz。但是原理上，所觀察到的特性也適用于其他頻率。
以下的輻射域是采用不同的相位的。
Δ＝0°在相反空間中增加輻射(負(fù)X軸，與X軸大約旋轉(zhuǎn)對(duì)稱)Δ＝60°常規(guī)的類似偶極輻射情況Δ＝150°強(qiáng)定向輻射情況(正X軸，與X軸大約旋轉(zhuǎn)對(duì)稱)Δ＝-90°在負(fù)y半軸空間有著更強(qiáng)的輻射，與Y軸大約旋轉(zhuǎn)對(duì)稱因此，能夠以指定目標(biāo)的方式使用相位偏移的設(shè)定，以提供具有特定方向和輻射分布的輻射域。
參考兩個(gè)相位Δ＝60°和Δ＝150°，例如，移動(dòng)電話能設(shè)計(jì)為，一方面具有用于接收的全方向輻射模式(具有Δ＝60°的Rx)，另一方面具有用于發(fā)送的定向輻射模式(具有Δ＝150°的Tx)。因此，這就會(huì)基本上降低用戶遭受的輻射負(fù)荷。
在討論完天線排列對(duì)輻射行為的影響之后，以下參考圖5，給出了根據(jù)圖7被調(diào)諧到不同諧振頻率的天線3，5同步工作時(shí)，相位偏移對(duì)天線陣列的整體效率的影響。對(duì)于該研究，根據(jù)圖2的正交排列是基礎(chǔ)，其結(jié)果也能夠轉(zhuǎn)移到具有平行天線排列的天線陣列。
圖5示出了采用天線3，5的正交排列的效率以及方向性。效率η和方向D由天線增益G直接鏈接起來(lái)，并用以下表示G＝η·D。
將效率和方向性表示為天線陣列的兩個(gè)天線的輸入信號(hào)之間的相位偏移的函數(shù)。則第一天線3的信號(hào)的相位為常量。同時(shí)，第二天線的信號(hào)的相位在±180°內(nèi)以步長(zhǎng)30°進(jìn)行變化(或者相反)。所設(shè)定的相位繪制在橫軸上。在左邊的縱軸上，按照％繪制了效率，在右邊的縱軸上，繪制了與各向同性發(fā)射器相比的方向性。上面的虛曲線表示了經(jīng)過測(cè)量的方向值，下面的曲線表示了效率。能夠清晰的觀察到效率和方向性呈正弦曲線的情況。在兩個(gè)天線的輸入信號(hào)之間的絕對(duì)相位差為大約30°的情況下，找到了同時(shí)具有最大方向性的最優(yōu)效率，這導(dǎo)致最大的天線增益。該效率比具有最差的相位差的情況強(qiáng)了大約5％。
在圖6和圖7中示出了具有相互平行排列或者正交排列的天線的天線陣列的散射參數(shù)。
如以上已經(jīng)描述的，其中，在PCB19上天線3，5的方向改變了兩個(gè)天線3，5之間的絕緣性，以及基本輻射模式?；趹?yīng)用(例如頻率范圍)和其他限制例如器件/印刷電路板的尺寸，通過選擇合適的天線陣列，即使是沒有額外的布線，也能夠修改并優(yōu)化輻射特性。
在圖6和7中，散射參數(shù)，也稱為S-參數(shù)，是表示天線陣列1的，天線陣列1是為TD-SCDMA設(shè)計(jì)的。圖6采用了具有相互平行排列的天線的天線陣列，圖7采用了具有相互正交排列的天線的天線陣列。通過修改調(diào)諧短截線17的長(zhǎng)度，使得天線3，5以這樣一種方式進(jìn)行匹配天線3覆蓋了TD-SCDMA發(fā)射頻帶1900MHz-1920MHz，天線5覆蓋了TD-SCDMA接收頻帶2010MHz-20250MHz，或者反之亦然。
從該比較中可以看出，采用平行排列，最大傳輸達(dá)到-9,36dB的值，采用正交排列，最大傳輸達(dá)到-14,57dB的值。
參考標(biāo)記1天線陣列2第一天線3第二天線7介質(zhì)天線9諧振結(jié)構(gòu)10基片11接地金屬噴鍍12高頻線13高頻輸入15接地連接17短截線19印刷電路板，PCB20接地金屬噴鍍21驅(qū)動(dòng)電路23移相器25功率分配器27最大功耗29第一應(yīng)用范圍31第二應(yīng)用范圍
權(quán)利要求
1.一種用于在兩個(gè)應(yīng)用范圍(29，31)中工作的天線陣列(1)，其包括第一和第二天線(3，5)，所述兩個(gè)天線的諧振頻率的位置相互不同，而這兩個(gè)諧振頻率落在兩個(gè)應(yīng)用范圍(29，31)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的天線陣列，其特征在于在應(yīng)用范圍(29，31)中的傳輸位于-20dB到-4dB之間。
3.如權(quán)利要求1所述的天線陣列，其特征在于在應(yīng)用范圍(29，31)中的傳輸位于-20dB到-6dB之間。
4.如權(quán)利要求1所述的天線陣列，其特征在于在應(yīng)用范圍(29，31)中的傳輸位于-20dB到-10dB之間。
5.如權(quán)利要求1所述的天線陣列，其特征在于兩個(gè)應(yīng)用范圍(29，31)都具有小于200MHz的距離。
6.如權(quán)利要求1或2所述的天線陣列，其特征在于兩個(gè)天線(3，5)在各個(gè)應(yīng)用范圍內(nèi)的反射小于-2dB。
7.一種天線陣列，其包括第一天線(3)和第二天線(5)，所述兩個(gè)天線相互平行排列。
8.如權(quán)利要求1或7所述的天線陣列，包括第一天線(3)和第二天線(5)和驅(qū)動(dòng)電路(21)，所述驅(qū)動(dòng)電路包括功率分配器(25)，并且優(yōu)選地包括可變移相器(23)。
9.如權(quán)利要求1或7所述的天線陣列，其特征在于第一天線(3)和第二天線(5)為介質(zhì)塊狀天線(7)。
10.如權(quán)利要求1或7所述的天線陣列，其特征在于第一天線(3)和第二天線(5)被布置成在印刷電路板(19)的表面上的表面放置器件。
11.如權(quán)利要求1或7所述的天線陣列，其特征在于天線(3，5)被布置的相互距離的最大值是10cm和最小值是2cm。
12.一種包括上述任一權(quán)利要求中所述的天線陣列(1)的通信器件。
13.一種用于操作根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的天線陣列的方法，其中兩個(gè)天線(3，5)同時(shí)被操作，并且采用功率分配器(25)執(zhí)行對(duì)提供給各個(gè)天線(3，5)的功率的分割。
14.一種用于操作根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的天線陣列(1)的方法，其中兩個(gè)天線(3，5)根據(jù)所期望的輻射模式在相位偏移的情況下工作。
全文摘要
用于在兩個(gè)應(yīng)用范圍(29，31)中工作的天線陣列，其包括第一和第二天線(3，5)，所述兩個(gè)天線的諧振頻率的位置相互不同，而這兩個(gè)諧振頻率落在兩個(gè)應(yīng)用范圍(29，31)之間。
文檔編號(hào)H01Q3/26GK1922759SQ200580005949
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月25日
發(fā)明者A·希爾格斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司