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CN102439792A - 双鳍天线 - Google Patents

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CN102439792A CN2010800181219A CN201080018121A CN102439792A CN 102439792 A CN102439792 A CN 102439792A CN 2010800181219 A CN2010800181219 A CN 2010800181219A CN 201080018121 A CN201080018121 A CN 201080018121A CN 102439792 A CN102439792 A CN 102439792A
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J·赫梅吕
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Abstract

本发明涉及一种宽带天线，包括：地平面(PM)；至少一个组件，该组件包括：垂直于所述地平面(PM)布置的介电材料层(P)，所述层具有给定的厚度；布置在所述层(P)的一面上的第一金属元件(11)；布置在所述层(p)的相对于所述第一金属元件所布置的面的一面上的第二金属元件(12)，使得所述金属元件不面向彼此；与所述两个金属元件中的一个相结合的电源线，该电源线从金属元件的最靠近天线的中心对称轴(Δ)的边缘延伸朝向地平面(PM)。

Description

双鳍天线
技术领域
本发明涉及宽带天线，更具体地，涉及可安装在无线通信网络的基站上的宽带天线。
背景技术
天线是无线通信网络不可缺少的元件。
因此，要寻求特别是在带宽和辐射纯度方面具有特定性能的、并且制造复杂度低的天线方案。
在等于波长的四分之一的距离上起到反射器的作用的面向地平面安装的双极型天线方案通常是已知的。
这些总长度等于波长的一半的双极子通常包括两个同一直线上的股(strands)并且通过不平衡电压器(balun)供电。两个股平行于反射平面放置。
然而，现有的天线不具有很多用来调整天线的自由度以在希望的频带内获得好的性能，并且制造起来复杂。
发明内容
本发明提出了一种宽带天线方案，该天线包括多个用于调整天线的自由度，并且该天线可以简单的方式低成本地制造。
根据第一方面，本发明涉及一种宽带天线，包括：地平面；至少一个组件，该组件包括：垂直于所述地平面布置的介电材料层，所述层具有一厚度；布置在所述层的一面上的第一金属元件；布置在所述层的相对于所述第一金属元件所布置的面的一面上的第二金属元件，使得所述金属元件不面向彼此；与所述两个金属元件中的一个相关联的电源线，该电源线从金属元件的最靠近天线的中心对称轴的边缘延伸朝向地平面。
该天线可进一步具有以下特征：
-该天线包括第一组件和第二组件，其中与每个组件相关联的介电材料层彼此垂直；
-所述电源线包括从所述金属元件延伸的平行于所述地平面的第一部分，并且包括连接到所述第一部分且垂直于所述地平面从所述第一部分延伸朝向所述地平面的第二部分；
-所述第二部分包括第一区域和第二区域，所述第二区域的宽度大于所述第一区域的宽度，从而确保电容功能。
-所述电源线是由与该电源线相关联的金属元件的材料相同的材料制成的。
-金属元件具有选自以下组的几何特征：矩形几何特征或鳍型几何特征，其中连接于地平面的底部窄，且在地平面之上的端部张开。
-所述介电材料层是空气或包括衬底。
-所述电源线连接到形成用于为天线供电的装置的通电探头。
根据本发明的第二方面，本发明涉及一种基站，包括根据本发明的第一方面所述的至少一个宽带天线。
附图说明
根据以下说明，本发明的其他特征和优点将更加明显，以下说明仅为描述而非限制，并应参考附图来阅读，其中：
图1描述了根据本发明的天线的第一实施例；
图2描述了根据本发明的天线的第二实施例；
图3描述了根据本发明的天线的第三实施例；
图4a和4b分别描述了根据本发明的第二实施例的天线在笛卡尔坐标系和史密斯圆图上的匹配水平；
图5a、5b和5c描述了根据本发明的第二实施例的天线在2GHz、2.5GHz和3GHz的频率下在平面E中共极化(实线)和交叉极化(虚线)的图；
图6a、6b和6c描述了根据本发明的第二实施例的天线在2GHz、2.5GHz和3GHz的频率下在平面H中的共极化(实线)和交叉极化(虚线)的图；
图7描述了根据本发明的第二实施例的天线在2GHz-3GHz频带内获得的增益；
图8a和8b分别描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线中的第一个在笛卡尔坐标系和史密斯圆图中的匹配水平；
图9a、9b和9c描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线中的第一个在2GHz、2.5GHz和3GHz的频率下在平面E中的共极化(实线)和交叉极化(虚线)的图；
图10a、10b和10c描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线中的第一个在2GHz、2.5GHz和3GHz的频率下在平面H中的共极化(实线)和交叉极化(虚线)的图；
图11描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线中的第一个的增益；
图12a和12b分别描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线中的第二个在笛卡尔坐标系和史密斯圆图中的匹配水平；
图13a、13b和13c描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线中的第二个在2GHz、2.5GHz和3GHz的频率下在平面E中的共极化(实线)和交叉极化(虚线)的图；
图14a、14b和14c描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线中的第二个在2GHz、2.5GHz和3GHz的频率下在平面H中的共极化(实线)和交叉极化(虚线)的图；
图15描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线中的第二个的增益；
图16描述了根据本发明的第三实施例嵌套的两个天线之间的隔离水平。
具体实施方式
图1描述了一种宽带天线，该宽带天线包括地平面PM以及至少两个金属元件11、12，该至少两个金属元件11、12的底部连接到地平面PM并且垂直地延伸到地平面。
金属元件具有几μm或几十μm量级(对于刻蚀在预金属化衬底上的元件)、或者甚至几百μm量级(对于用切除金属模类型技术制造的元件)的小厚度。
天线进一步包括电源线21。该电源线优选地为已知类型的50Ω微带线，其采用一个或两个金属元件作为该线的参考地平面。
天线包括中心对称轴Δ。
金属元件是分开的，金属元件之间的空间形成了中心耦合缝(该缝布置在天线的中心对称轴上)。
在该天线中，限定了由金属元件和电源线形成的组件E1。
该组件E1主要包括垂直于地平面(PM)布置的介电材料层。
每个金属元件放置在介电材料层的表面上。特别地放置金属元件以使得金属元件不会面向彼此。
介电层的厚度为几百μm到几mm量级。
电源线的下端连接到通电探头31，通电探头31穿过为此穿通的地平面。该探头优选地为50Ω同轴探头，探头的外导体32连接到地平面。
电源线由第一部分21’和第二部分21”形成，第一部分21’从金属元件11延伸，与金属元件11关联且平行于地平面，第二部分21”连接于第一部分，从第一部分21’延伸，且垂直地朝向地平面。
该电源线进一步包括在第二部分21”上的区域21’”，该区域的宽度大于第一部分21’的宽度和第二部分21”的宽度，从而确保电容匹配效果。区域21’”优选地位于与50Ω通电探头的连接点附近。
金属元件和电源线可共同印刷在介电衬底上。
衬底当然垂直于地平面，并起到上文所述的介电材料层的作用。
在这种情况下，由金属元件11和电源线形成的组件被印刷在衬底的一表面上，从而使印刷在另一表面上的金属元件12作为电力线的地平面。
第一实施例
图1描述了天线的第一实施例(前文总体描述过)。
在该实施例中，金属元件11、12是矩形的。
第二实施例
图2描述了天线的第二实施例。
在该实施例中，金属元件从地平面开始向外张开。
该张开是线性的，优选地，最接近于天线的中心对称轴Δ的边是垂线。
金属元件大体为梯形，每个金属元件形成鳍。
这样的金属元件在几何学方面具有很多可能性。
通常，这些元件对应于具有从底部到顶部的凸起表面的张开的图形。
第三实施例
图3描述了第三实施例。
在该实施例中，天线包括4个金属元件，且天线是双极型的。
该天线特别包括第一组件E1和第二组件E2，每个组件由两个金属元件和相关联的电源线形成。
第一组件E1对应于第一介电材料层P，第二组件对应于第二介电材料层P’。
两个介电材料层P、P’彼此垂直，每个层上的金属元件11、12、13、14是相同的。
介电材料层的材料相同。
换言之，在该实施例中，金属元件在中心耦合缝处垂直地嵌套，金属元件之间没有任何接触。
该实施例可看作是前述的第二实施例的两个天线的嵌套。
嵌套的金属元件是相同的，且不同之处仅在于与该电源线共面的金属元件上的电源线的连接点的位置、以及电容匹配线的位置和尺寸。
与元件上的这些连接点相关的不同的高度使得两个天线能够组合而天线之间没有任何的电接触。考虑到外部电路，每个天线在电源线的下端通过例如外部50Ω同轴电缆保持通电。这样，就能够按照两个垂直交叉的线性极化来操作该结构。
性能
第一原型
制造并实验表征了根据第二实施例的天线。
该天线在中心为2.5GHz的频带内工作。
两个金属元件以及具有电容匹配线部分的50Ω微带供电线共同印刷在介电衬底上，该介电衬底的介电常数εr＝2.55，厚度h＝800μm。
该衬底垂直于较低的正方形地平面放置，在该地平面中制造了钻孔从而能够安装确保天线的外部供电的50Ω同轴电缆。
图4a和4b分别给出了在笛卡尔坐标系中和史密斯圆图上的匹配水平。应注意，在从2GHz到高于3GHz范围的宽频带内，该匹配水平保持在-10dB以下，该频率范围对应于40％以上的相对宽带。
考虑辐射特性，图5a、5b和5c描述了在2GHz、2.5GHz和3GHz频率下，平面E(即包含具有天线的衬底且垂直于地平面的平面)中的共极化(实线)和交叉极化(虚线)的图。在这些不同的曲线中，可以看到良好的辐射性能随频率的变化，其中特别地在天线的主辐射轴(即在方向θ＝0°)中具有很低的交叉极化水平。在从2GHz到3GHz的整个频带上，主轴上的该交叉极化水平保持低于共极化水平超过25dB。此外，在平面E中的相对的相当大的孔径角上保持这样低的交叉极化值。
按照与前面的附图相同的方式，图6a、6b和6c给出了在天线的平面H(即垂直于天线的衬底且垂直于地平面的平面)内的共极化(实线)和交叉极化(虚线)的辐射图。在该情况中，关于共极化水平的结论与在平面E中获得的结果完全相同。
图7描述了在2GHz-3GHz的频带内获得的增益。该增益显示了在2.2GHz频率处的最大值6.6dB。
第二原型
进一步制造并实验表征了如图3所述的基于两个垂直交叉天线的双极型示例性方案(见第三实施例)。
对于该结构，后文中称为“第一天线”的两个天线之一与第二实施例中描述的天线完全相同。称为“第二天线”的另一天线与前一天线的区别仅在于50Ω微带线的连接点的位置更高，且电容匹配线区域有轻微的修改。
在电场分布方面，针对两个嵌套的天线中的每一个所获得的分布与针对每个天线分开而获得的分布相同。
在仅为第一天线通电的情况下，图8-11分别描述了在笛卡尔坐标系(图8a)和史密斯圆图(图8b)中的匹配、平面E(图9a、9b、9c)和平面H(图10a、10b、10c)中的共极化和交叉极化的辐射图、以及天线的增益(图11)。
与天线的电场分布一样，这些性能与针对单个天线获得的性能(参见第一原型的性能)十分一致。
相似地，在仅为第二天线通电的情况中，图12-15分别描述了在笛卡尔坐标系中(图12a)和史密斯圆图上(图12b)的匹配、平面E(图13a、13b、13c)和平面H(图14a、14b、14c)内的共极化和交叉极化的辐射图、以及天线的增益(图15)。
即便第二天线与第一天线略有不同，获得的结果总是与图8-11中描述的结果高度一致。其结论是无论哪一种极化存在，电性能都是十分可比的。
图16最后描述了在2GHz-3GHz频带上第一天线和第二天线之间的耦合水平。
可以看到，两个天线之间的隔离保持的很好，因为在整个该频带上，耦合总是保持小于-30dB。
对于这种双极型的组合的两天线的结构，两个天线之间非常强的隔离是该方案的主要优点。
上文所述的天线也可用于卫星链路范围，或者在通信网络的基站上实现，且可用于10GHz和15GHz之间的频带上。

Claims (9)

1.一种宽带天线，包括：
-地平面(PM)；
-至少一个组件，该组件包括：
○垂直于所述地平面(PM)布置的介电材料层(P)，所述层具有一厚度；
○布置在所述层(P)的一面上的第一金属元件(11)；
○布置在所述层(p)的相对于所述第一金属元件所布置的面的一面上的第二金属元件(12)，使得所述金属元件不面向彼此；所述第一金属元件和第二金属元件具有凸起表面；
○与所述两个金属元件中的一个相关联的电源线，该电源线从金属元件的最靠近天线的中心对称轴(Δ)的边缘延伸朝向地平面(PM)。
2.根据权利要求1所述的天线，包括第一组件(E1)和第二组件(E2)，其中与每个组件相关联的介电材料层(P，P’)彼此垂直。
3.根据前述任意一项权利要求所述的天线，其中所述电源线包括从所述金属元件延伸的平行于所述地平面的第一部分，并且包括连接到所述第一部分且垂直于所述地平面从所述第一部分延伸朝向所述地平面的第二部分。
4.根据权利要求3所述的天线，其中所述第二部分包括第一区域和第二区域，所述第二区域的宽度大于所述第一区域的宽度，从而确保电容功能。
5.根据前述任意一项权利要求所述的天线，其中所述电源线是由与该电源线相关联的金属元件的材料相同的材料制成的。
6.根据前述任意一项权利要求所述的天线，其中所述金属元件具有选自以下组的几何特征：
-矩形几何特征；
-鳍型几何特征，其中连接于地平面的底部窄，且在地平面之上的端部张开。
7.根据前述任意一项权利要求所述的天线，其中所述介电材料层是空气或包括衬底。
8.根据前述任意一项权利要求所述的天线，其中所述电源线连接到形成用于为天线供电的装置的通电探头(31)。
9.一种无线通信网络的基站，包括根据前述任意一项权利要求所述的至少一个天线。
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