專利名稱：電介質(zhì)諧振器天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過配置能夠以例如EH11δ模態(tài)(mode)、TE02δ模態(tài)、TE02模態(tài)、TE01模態(tài)和混和模態(tài)運行的電介質(zhì)諧振器天線(DRA)，本發(fā)明還涉及這樣一些DRA的陣列，其中通過配置單個DRA元件的模態(tài)使所有陣列模態(tài)都具有被設(shè)計用來符合特定應(yīng)用的需求的特殊屬性。
電介質(zhì)諧振器天線的介紹電介質(zhì)諧振器天線是以選定的發(fā)射和接收頻率發(fā)射或接收無線電波的諧振器天線裝置，它可在例如移動遠程通信中得到使用。通常，DRA由配置于或接近于接地基底的許多電介質(zhì)材料(電介質(zhì)諧振器)組成，能量通過插入電介質(zhì)材料的單極探針或設(shè)在接地基底中的單極孔徑饋線(aperture feed)(孔徑饋線是一種設(shè)在由電介質(zhì)材料覆蓋的接地基底之中的不連續(xù)的且通常為矩形形狀的饋線，當然橢圓形、長方形、梯形“H”形狀，“<->”形狀、或蝴蝶/蝴蝶結(jié)形狀及這些形狀的組合也是適當?shù)摹？讖金伨€可以由位于接地基底遠離電介質(zhì)材料的一側(cè)上的條帶形饋線進行激勵，條帶形饋線可以采用微帶傳輸線、接地或不接地的共面?zhèn)鬏斁€、三極板(triplate)、開槽線等形式)被傳入和傳出電介質(zhì)材料。直接連接到微帶傳輸線并由其激活也是可能的。作為一種選擇，雙極探針可以被插入到電介質(zhì)材料中，在這種情況下就不需要接地基底。如在作為例子的本申請人的共同未決的第09/431,548號美國專利申請以及KINGSLEY，S.P.和O′KEEFE，S.G.的出版物(題為“探針饋電式電介質(zhì)諧振器天線的光束控制和單脈沖處理”，IEE學(xué)報-雷達聲納和導(dǎo)航，146，3，121-125，1999)中所述的那樣，通過提供多饋線并按照一定順序或以各種組合形式激勵它們，可形成可連續(xù)或逐漸增加地控制的一個或多個波束。上述參考文獻的全部內(nèi)容通過引用被并入本申請。
DRA的諧振特性尤其依賴于電介質(zhì)材料體的形狀和大小，此外還依賴于饋線的形狀、大小和位置。應(yīng)當認識到在DRA中，是電介質(zhì)材料受到激勵以進行諧振，這歸功于電介質(zhì)材料中產(chǎn)生的位移電流。這與介電裝載天線形成對比，其中傳統(tǒng)的導(dǎo)電輻射元件被包含在用于修改輻射元件的諧振特性的電介質(zhì)材料中，但是不會在電介質(zhì)材料中產(chǎn)生位移電流并且不會產(chǎn)生電介質(zhì)材料的諧振。
DRA可以采取多種形式，并且可由包括陶瓷介質(zhì)在內(nèi)的各種候選材料制成。
電介質(zhì)諧振器天線陣列的介紹從1983年人們第一次對電介質(zhì)諧振器天線(DRA)進行系統(tǒng)學(xué)習(xí)起[LONG，S.A.，MCALLISTER，M.W.，and SHEN，L.C.“The ResonantCylindrical Dielectric Cavity Antenna”，IEEE Transactions on Antennas andPropagation，AP-31，1983，pp 406-412(LONG，S.A.，MCALLISTER，M.W.和SHEN，L.C.的“諧振圓柱式介電諧振腔天線”，IEEE天線和傳播學(xué)報，AP-31，1983，第406-412頁)]，由于它們發(fā)射效率高，與最常使用的傳輸線具有良好的匹配，并且具有小的物理尺寸，所以人們對它們的輻射圖的興趣逐漸增加[MONGIA，R.K.and BHARTIA，P.“DielectricResonator Antennas-A Review and General Design Relations for ResonantFrequency and Bandwidth″，International Journal of Microwave andMillimetre-Wave Computer-Aided Engineering，1994，4，(3)，pp 230-247，(MONGIA，R.K.和BHARTIA，P.的“電介質(zhì)諧振器天線-諧振頻率和帶寬的評論和常規(guī)設(shè)計”，微波和毫米波計算機輔助工程國際雜志，1994，4，(3)，第230-247頁)]。
根據(jù)目前的報導(dǎo)，大部分結(jié)構(gòu)都使用裝在接地基底或地平面上的電介質(zhì)材料片，所述電介質(zhì)材料片或者由位于地平面中的單孔徑饋電激勵[ITTIPB300N，A.，MONGIA，R.K.，ANTAR，Y.M.M.，BHARTIA，P.andCUHACI，M″Aperture Fed Rectangular and Triangular DielectricResonators for use as Magnetic Dipole Antennas″，Electronics Letters，1993，29，(23)，pp 2001-2002(ITTIPB300N，A.，MONGIA，R.K.，ANTAR，Y.M.M.，BHARTIA，P.和CUHACI，M的“用于磁偶極子天線的孔徑饋電式矩形和三角形電介質(zhì)諧振器”，電子學(xué)報1993，29，(23)，第2001-2002頁)]或由插入電介質(zhì)材料的單極探針激勵[MCALLISTER，M.W.，LONG，S.A.and CONWAY G.L.″Rectangular Dielectric ResonatorAntenna″，Electronics Letters，1983，19，(6)，pp 218-219(MCALLISTER，M.W.，LONG，S.A.和CONWAY G.L.的“矩形電介質(zhì)諧振器天線”，電子學(xué)報，1983，19，(6)，第218-219頁)]。利用傳輸線進行直接激勵也有一些作者進行了報導(dǎo)[KRANENBURG，R.A.and LONG，S.A.″Microstrip Transmission Line Excitation of Dielectric ResonatorAntennas″，Electronics Letters，1994，24，(18)，pp 1156-1157(KRANENBURG，R.A.和LONG，S.A.的“電介質(zhì)諧振器天線的微帶傳輸線激勵”，電子學(xué)報，1994，24，(18)，第1156-1157頁)]。
應(yīng)用一系列DRAs構(gòu)造天線陣列的思想已經(jīng)由一些作者提了出來，例如，具有兩個柱式單饋電DRA的陣列已在文獻中被描述[CHOW，K.Y.，LEUNG，K.W.，LUK，K.M.AND YUNG，E.K.N.“Cylindricaldielectric resonator antenna array”，Electronics Letters，1995，31，(18)，pp1536-1537(CHOW，K.Y.，LEUNG，K.W.，LUK，K.M.和YUNG，E.K.N.的“柱形電介質(zhì)諧振器天線陣列”，電子學(xué)報，1995，31，(18)，第1536-1537頁)]，并且被擴展到4個DRA的矩形矩陣[LEUNG，K.W.，LO，H.Y.，LUK，K.M.AND YUNG，E.K.N.″Two-dimensional cylindricaldielectric resonator antenna array″，Electronics Letters，1998，34，(13)，pp1283-1285(LEUNG，K.W.，LO，H.Y.，LUK，K.M.和YUNG，E.K.N.的“二維柱形電介質(zhì)諧振器天線陣列”，電子文學(xué)，1998，34，(13)，第1283-1285頁)]。四個交叉DRA的矩形矩陣也被進行了研究[PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.and CUHACI，M.“Array of circular-polarized crossdielectric resonator antennas”，Electronics Letters，1996，32，(19)，pp 1742-1743，(PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.和CUHACI，M.的“圓極化交叉電介質(zhì)諧振器天線陣列”，電子文學(xué)，1996，32，(19)，第1742-1743頁)]。單饋電DRA的長線性陣列與電介質(zhì)波導(dǎo)[BIRAND，M.T.ANDGELSTHORPE，R.V.″Experimental millmeter array using dielectricradiators fed by means of dielectric waveguide″，Electronics Letters，1983，17，(18)，pp 633-635(BIRAND，M.T.和GELSTHORPE，R.V.的“利用由電介質(zhì)波導(dǎo)饋電的電介質(zhì)輻射器的試驗性的毫米陣列，電子學(xué)報，1983，17，(18)，第633-635頁)]或微波傳輸帶[PETOSA，A.，MONGIA，R.K.，ITTIPIBOON，A.AND WIGHT，J.S.″Design of microstrip-fed series arrayof dielectric resonator antennas″，Electronics Letters，1995，31，(16)，pp1306-1307(PETOSA，A.，MONGIA，R.K.，ITTIPIBOON，A.和WIGHT，J.S.的“電介質(zhì)諧振器天線的微帶饋電系列陣列的設(shè)計”，電子學(xué)報，1995，31，(16)，第1306-1307頁)]的饋電相結(jié)合的調(diào)研被開展開來。最近的研究組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了提高微帶饋電DRA陣列帶寬的方法[PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.和LAROSE，R.“Bandwidthimprovement for microstrip-fed series array of dielectric resonatorantennas”，Electronics Letters，1996，32，(7)，pp 608-609(PETOSA，A.，ITTIPIBOON，A.，CUHACI，M.和LAROSE，R.的“電介質(zhì)諧振器天線的微帶饋電系列的陣列帶寬提高”，電子學(xué)報，1996，32，(7)，第608-609頁)]。近來已經(jīng)開始對可用于形成柱形電介質(zhì)諧振器天線的多列同相天線陣的不同構(gòu)造進行研究[WU，Z.；DAVIS，L.E.AND DROSSOS，G.″Cylindrical dielectric resonator antenna arrays″，ProceedingsOFICAP-LLTH International Conference on Antennas and Propagation，2001，p.668.(WU，Z.；DAVIS，L.E.和DROSSOS，G.的“柱形電介質(zhì)諧振器天線陣列”，關(guān)于天線和傳播的ICAP第11次國際會議學(xué)報，2001，第668頁)]。
上述論文主要聚焦于對DRA元件陣列的饋電機制的方法和檢查為各種應(yīng)用的這些陣列帶來的益處的方法，指出這一點是非常重要的。上述這些公開都沒有討論本申請?zhí)岢龅乃枷?，即，產(chǎn)生特定的DRA激勵模態(tài)(mode)，用以產(chǎn)生特定的遠場圖形，進而構(gòu)成特定的陣列幾何形狀。
分成一半的DRA的介紹在設(shè)計用于便攜式移動通訊系統(tǒng)(如，移動電話手持裝置和類似物)的微型電介質(zhì)諧振器天線時存在的問題是，必須利用高介電材料以使得天線在物理上小到足夠與便攜式移動通訊系統(tǒng)兼容。此舉通常會導(dǎo)致天線在帶寬方面太小。因此，識別具有低輻射品質(zhì)因數(shù)的DRA幾何結(jié)構(gòu)和模態(tài)是非常重要的，因此，這些DRA幾何結(jié)構(gòu)和模態(tài)本質(zhì)上是寬帶輻射裝置。人們認識到分成一半的柱形DRA是這樣的裝置已經(jīng)有一些時間了，見[JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.AND GLISSON A.W.″Numericalanalysis of dielectric resonator antennas excited in the quasi-TE-modes″，Electronics Letters，1993，29，(21)，pp 1810-1811(JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.和GLISSON A.W.的“由準TE模態(tài)激勵的電介質(zhì)諧振器天線的數(shù)字分析”，電子學(xué)報，1993，29，(21)，第1810-1811頁)]或[KAJFEZ，D.AND GUILLON，P.(Eds)″Dielectric resonators″，Artech House，Inc，Norwood，MA，1986(KAJFEZ，D.和GUILLON，P.(Eds)的“電介質(zhì)諧振器”，阿泰克豪司公司，Norwood MA，1986)]。本申請的

圖1示出了分成一半的DRA幾何結(jié)構(gòu)，其來源于[KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIO S.″Characteristics of half volume TE mode cylindricaldielectric resonator antennas″，to be published in IEEE Transactions onAntennas and Propagation，January 2002(KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIO S的“半容積TE模態(tài)柱形電介質(zhì)諧振器天線的特性”，待出版的IEEE天線和傳播的學(xué)報，2002)]。圖1示出了接地的導(dǎo)電基底，半柱形電介質(zhì)諧振器位于其上，半柱形電介質(zhì)諧振器的矩形表面3鄰近于導(dǎo)電基底1。電介質(zhì)諧振器2具有的厚度為d，半徑為a，并且通過插入到矩形表面3中距表面3的中心點一定距離的單探針獲得饋電。諧振器2還具有一對半圓形表面5。這些分成一半的天線的帶寬作為特定的研究對象[KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.AND GLISSON A.W.″Study ofbroadband dielectric resonator antennas″，Published in Antenna applicationsSymposium，1999，p.45(KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.和GLISSON A.W.的“電介質(zhì)諧振器的研究”，天線應(yīng)用研討會出版，1999，第45頁)]，并且已有報導(dǎo)，某些結(jié)構(gòu)可以具有高達35％的帶寬。
分成一半的柱式DRAs形成陣列的應(yīng)用用于分成一半的柱形DRA的最常用的模態(tài)是TE或準TE模態(tài)，其輻射圖在文獻[KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.AND SAARIOS.″Characteristics of half volume TE mode cylindrical dielectric resonatorantennas″，to be published in IEEE Transactions on Antennas andPropagation，January 2002(KINGSLEY，S.P.，O′KEEFE S.G.和SAARIO S.的“半容積TE模態(tài)柱形電介質(zhì)諧振器天線的特性”，待在IEEE天線和傳播學(xué)報出版，雜志2002)或文獻[JUNKER，G.P.，KISHK，A.A.AND GLISSON A.W.″Numerical analysis of dielectric resonator antennasexcited in the quasi-TE modes″，Electronics Letters，1993，29，(21)，pp1810-1811(UNKER，G.P.，KISHK，A.A.和GLISSON A.W.的“準TE模態(tài)激勵的電介質(zhì)諧振器天線的數(shù)字分析”，電子學(xué)報，1993，29，(21)，第1810-1811頁)]里得到描述。在這種模態(tài)下，最大輻射方向沿著天線的長軸。為了從這些元件里形成天線陣列，需要并排地迭加元件2使其長的半圓形表面5相互平行如圖2a所示的一樣。這使得在元件2之間具有最小的耦合-這是好的陣列設(shè)計所需要的。這是一種形成具有垂直極化的水平陣列的好方法，但是，當天線陣列被垂直地轉(zhuǎn)動以形成例如移動通訊應(yīng)用所需類型的陣列時，陣列變成水平極化，如圖2b所示。通常說來，在許多移動通訊應(yīng)用中垂直極化優(yōu)于水平極化，因為它能夠以低的仰角提供較好的傳播。
所需的是這樣一種諧振模態(tài)，該諧振模態(tài)在沿著半柱形介電元件的長軸分布的輻射圖里具有零值，以使多個這些元件能夠如圖2c所示一樣被配置。另外，通過將電介質(zhì)諧振器裝在接地基底(地平面)中的槽隙之上或者其附近而使模態(tài)受到激勵是優(yōu)選的，因為這是一種比使用探針饋電的方法更加簡單、便宜的產(chǎn)品組裝方法。所需的模態(tài)具有與HEM11δ模態(tài)同樣的輻射圖形狀，但其極化相反，HEM11δ模態(tài)在文獻[KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.AND GLISSON A.W.″Study of broadband dielectricresonator antennas″，published in Antenna applications Symposium，1999，p.45(KISHK，A.A.，JUNKER，G.P.和GLISSON A.W.的“電介質(zhì)諧振器天線的帶寬的研究”，天線應(yīng)用研討會出版，1999，第45頁)]中有報導(dǎo)。所需模態(tài)與由水平電偶極子產(chǎn)生的輻射圖相對應(yīng)并且是EH11δ模態(tài)。不幸的是，在學(xué)術(shù)印刷物上已有關(guān)于EH11δ是分成一半的柱形DRA的一種可能的模態(tài)的報導(dǎo)[MONGIA R.K.，et.al.″A half-split cylindrical dielectricresonator antenna using slot-coupling″，IEEE Microwave and Guided WaveLetters，1993，3，(2)，pp.38-39(MONGIA R.K.等人的“應(yīng)用槽隙耦合的分成一半的柱形電介質(zhì)諧振器天線”，IEEE微波和波導(dǎo)文學(xué)，1993，3，(2)第38-39頁)]，但還沒有出版物描述它是如何被激勵的。事實上，它是一種費力的激勵模態(tài)，因為對稱平面需要是磁性的而不是被電性的，因此不能使用包含探針或槽隙或相似饋電結(jié)構(gòu)的簡單的導(dǎo)電基底或地平面。

發(fā)明內(nèi)容
本申請的申請人發(fā)現(xiàn)了一種改進的DRA和一種在分成一半的柱形DRA中為EH11δ模態(tài)(mode)進行有效的槽隙饋電(slot feeding)的方法并在本專利申請中將其提出。這種方法還可以應(yīng)用到具有不同于分成一半的柱形的形狀的DRAs。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種電介質(zhì)諧振器天線，包括具有充分平坦的縱向表面的電介質(zhì)諧振器和具有相對設(shè)置的第一和第二表面的接地基底，并且電介質(zhì)基底與所述第二表面相鄰，其中i)所述接地基底包括以第一方向縱向地延伸并具有預(yù)定寬度的槽隙；ii)所述電介質(zhì)諧振器被布置成使得其縱向表面接近所述接地基底的所述第一表面，在所述縱向表面和所述第一表面之間具有間隙，并且所述縱向表面的一個端區(qū)覆蓋住所述槽隙的寬度；iii)所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面的主體部分(majority)上設(shè)有導(dǎo)電層，所述縱向表面的所述端區(qū)沒有所述導(dǎo)電層；以及iv)在所述接地基底的所述第二表面上的所述電介質(zhì)基底上設(shè)有帶狀饋線，所述帶狀饋線與所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面充分共同延展，并且延伸超過所述接地基底中的所述槽隙的寬度。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種制造電介質(zhì)諧振器天線的方法，所述電介質(zhì)諧振器天線包括具有充分平坦的縱向表面的電介質(zhì)諧振器和具有相對設(shè)置的第一和第二表面的接地基底，并且電介質(zhì)基底與所述第二表面相鄰，其中i)在所述接地基底中形成槽隙，所述槽隙縱向地以第一方向延伸并且具有預(yù)定的寬度；
ii)在所述接地基底的所述第二表面上的所述電介質(zhì)基底上設(shè)置帶狀饋線，所述帶狀饋線通常垂直于所述接地基底中的所述槽隙并且具有延伸超出所述槽隙的寬度的一端；iii)在所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面的主體部分(majority)上涂布導(dǎo)電層，并使所述縱向表面的一個端區(qū)沒有導(dǎo)電層；iv)將所述電介質(zhì)諧振器排列成使得其縱向表面布置在所述接地基底的所述第一表面附近，在所述縱向表面和所述第一表面之間具有間隙，并且所述縱向表面的所述端區(qū)覆蓋住所述槽隙的寬度；v)將所述電介質(zhì)諧振器天線連接到諧振分析儀，并且使所述電介質(zhì)諧振器在所述接地基底的第一表面的上方來回移動直到找到諧振位置為止，在所述諧振位置處，所述諧振分析儀探測到預(yù)定的諧振模態(tài)；vi)在所述諧振位置處用添加有導(dǎo)電金屬的粘合劑將所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面與所述接地基底的所述第一表面粘合在一起；以及vii)削減延伸超出所述接地基底中的所述槽隙的所述帶狀饋線的所述端，直到由所述諧振分析儀測量到的所述預(yù)定諧振模態(tài)與其它可能的諧振模態(tài)相比占有主導(dǎo)地位為止。
盡管也可以按照本發(fā)明實施方案的方式對包括TE02或TE02δ模態(tài)、TE01模態(tài)和混合模態(tài)在內(nèi)的其它模態(tài)實現(xiàn)激勵，但優(yōu)選地將所述DRA配置成以EH11δ諧振模態(tài)運行。所述諧振模態(tài)通常受到所述電介質(zhì)諧振器元件的尺寸和形狀的影響，但也可受到饋電機構(gòu)的結(jié)構(gòu)影響。
在本發(fā)明的運行實施方案中，可以在所述諧振器的所述縱向表面與所述接地基底的所述第一表面之間的所述間隙中充分地填充以導(dǎo)電粘合劑，盡管所述間隙中原則上也可以用適當?shù)牟牧咸畛洌諝夂推渌倪m當材料。但是，如果需要的是磁性對稱面的而不是電性對稱平面，則需要有小的間隙(即便是只有幾微米)以用來激勵預(yù)定的諧振模態(tài)。
任選地，一旦被安裝在所述接地基底上，所述電介質(zhì)諧振器外露的表面可被去除(可能通過銼削或磨削)用以通過提高模態(tài)的頻率來加強EH11δ諧振模態(tài)或其它諧振模態(tài)。例如，在電介質(zhì)諧振器具有分成一半的柱形結(jié)構(gòu)并且其矩形基底面為所述縱向表面的情況下，電介質(zhì)諧振器的彎曲表面的頂部可通過磨削或銼削被去除，從而留下平坦的上表面。優(yōu)選地，當應(yīng)用這種技術(shù)時，所述電介質(zhì)諧振器最初具有較大的尺寸(由此具有比所需頻率低的諧振頻率)，因此，磨削或銼削處理通過將EH11δ模態(tài)或其它諧振模態(tài)的諧振頻率增大至所需的頻率，從而幫助調(diào)諧DRA。
在當前的優(yōu)選實施方案中，所述電介質(zhì)諧振器為分成一半的柱形諧振器，其矩形基底面即為所述縱向表面。然而，在經(jīng)過適當?shù)亩ㄎ缓驼{(diào)諧之后，其它的電介質(zhì)諧振器幾何形狀也可以產(chǎn)生所需的EH11δ諧振模態(tài)或其它模態(tài)。本申請的申請人發(fā)現(xiàn)，在分成一半的柱形諧振器具有被變平或經(jīng)過磨削的彎曲表面、和/或具有錐形或斜側(cè)面的情況下，它可以在帶寬等發(fā)面有所提高。其它可能的電介質(zhì)諧振器的幾何形狀包括矩形和三角形(例如，長方形或三棱形)。它們可以被變平或經(jīng)過磨削或進過斜切和/或具有錐形或斜側(cè)面。
所述介電基底可以是用于制造印刷電路板(PCBs)的類型。
所述帶狀線饋線優(yōu)選地為微帶線饋線。
所述諧振分析儀可以是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
所述導(dǎo)電涂層可以使用金屬化的涂料，例如添加有銀的涂料，并且優(yōu)選地被涂布兩層。然而，根據(jù)用于諧振器的材料，也可以將不同的金屬和它們的組合物涂布在不同的電介質(zhì)諧振器上。在優(yōu)選的實施方案中，所述電介質(zhì)諧振器由陶瓷材料制成，但也可以采用其它適當?shù)碾娊橘|(zhì)材料。
除了槽隙饋電以外，也可使用直接微帶饋電機構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供了一種電介質(zhì)諧振器天線，包括電介質(zhì)諧振器，其具有充分平坦的縱向表面；電介質(zhì)基底，其具有相對設(shè)置的第一和第二表面，所述第二表面上設(shè)有導(dǎo)電地平面，所述第一表面上設(shè)有直接微帶饋線，所述直接微帶饋線隨著所述第一表面縱向延伸，所述電介質(zhì)諧振器被裝在所述第一表面上，以使所述電介質(zhì)諧振器的所述平坦的縱向表面與所述直接微帶饋線接觸，并且隨其共同延展。
優(yōu)選地，所述直接微帶饋線沿著所述電介質(zhì)基底的所述第一表面延伸超出所述諧振器的所述縱向表面，從而形成一個伸出部分(overhang)。所述伸出部分的長度可被改變以用于將DRA調(diào)諧至特定的頻率。所述伸出部分可以在所述電介質(zhì)基底的平面中是卷曲的或是直的。所述伸出部分可以連接到電容器(事實上，所述伸出部分本身就起到了電容器的作用)以用于附加的調(diào)諧。
所述電介質(zhì)諧振器的縱向平表面的全部或部分可配以導(dǎo)電層，例如導(dǎo)電涂料或類似物。在只有部分所述縱向平表面上設(shè)有導(dǎo)電層的情況下，所述導(dǎo)電層優(yōu)選地被涂布成與所述直接微帶饋線的寬度相匹配。可以在所述縱向平表面的角部設(shè)置小的導(dǎo)電材料墊，以提高所述電介質(zhì)基底的所述第一表面上的機械穩(wěn)定性。作為一種選擇，所述縱向平表面上也可以沒有導(dǎo)電層。
根據(jù)所述電介質(zhì)諧振器的幾何形狀和在所述電介質(zhì)諧振器上的導(dǎo)電層的存在或不存在或者其構(gòu)形，本發(fā)明第三方面所述的DRA可以被用來以EH模態(tài)、TE01模態(tài)、TE02模態(tài)或組合模態(tài)進行諧振。
直接微帶饋電(direct microstrip feeding)的益處是，它可以獲得良好的帶寬，并且同時具有可以保持使電介質(zhì)基底的第二表面上具有導(dǎo)電地平面的益處(就是說，其通過地平面的輻射低，并且具有好的抗DRA失調(diào)性)。本發(fā)明第三方面提供的DRA非常易于制造。
建立EH11δ模態(tài)的主要益處之一是，如上所述，以這種模態(tài)運行的多個DRA能夠組成如圖2c所示的陣列。在這種陣列中，DRA元件2以端對端的線性陣列方式放置，優(yōu)選地，所述陣列作為整體而相對于地球的重力垂直放置。所述陣列運行良好，因為每個DAR元件沿著其縱向表面的方向有零位或近似零位值，因此，在運行其間，相鄰的DRA元件在很大程度上不會產(chǎn)生電磁耦合。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，提供了一種由符合本發(fā)明的第一或第三方面的電介質(zhì)諧振器天線組成的陣列，在所述陣列中，所述天線被排列成使所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面充分地共線(colinear)。
所述陣列優(yōu)選地被配置成使所述縱向表面在給定的平面內(nèi)充分地共線，并且所述電介質(zhì)諧振器朝向同一方向。所述陣列優(yōu)選地被配置為垂直陣列，即，所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面充分地共線并通常垂直于給定的地球地平面。
當所述線性陣列被垂直地布置時，每一個所述DRA元件的輻射圖在水平面內(nèi)近似是全方向的，因此它提供了良好的方位角覆蓋。另外，每一個DRA元件的仰角輻射圖定義了非常精確的波束寬度(在某些情況下正好是55度)，由此也能夠為移動通訊應(yīng)用提供良好的輻射圖控制。該垂直線性陣列能給出窄的仰角輻射圖，并且，如果每一單個的DRA元件也在仰角方面具有盡可能窄的輻射圖以使所述元件不會朝著所述陣列沒有指向的方向輻射能量，則所述陣列是最具有效率的。
所述陣列的另一個優(yōu)點是可以構(gòu)造幾乎是全方向的垂直單極型天線，但是所述天線可獲得比使用偶極子獲得的增益更高的增益。典型的電偶極子具有的峰值元件增益是2dBi，舉例來說，5個這樣的偶極子具有總的峰值增益約是9dBi。本發(fā)明實施方案的DRA所獲得的增益可多達4dBi(甚至可以潛在地獲得更高的增益)，這樣，在仍然保持偶極子的良好方位角覆蓋的同時，這些元件的陣列總的增益值將約為11dBi。在將來，有可能通過對DRA元件做出進一步改進而使其增益更進一步的提高。
為了更好地理解本發(fā)明并說明它是如何被實施的，下面將參照附圖通過舉例的方式進行說明，在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的分成一半的柱形DRA；圖2a是如圖1所示的三個DRA構(gòu)成的水平陣列的平面圖；圖2b是如圖1所示的三個DRA構(gòu)成的垂直陣列的側(cè)視圖；圖2c是期望的垂直陣列結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖3顯示本發(fā)明的設(shè)有槽隙饋線的DRA的垂直斷面；圖4顯示圖3所示的DRA的電介質(zhì)諧振器的縱向表面；圖5顯示用于構(gòu)造圖3所示DRA的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的第一信號軌跡；圖6顯示用于構(gòu)造圖3所示DRA的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的第二信號軌跡；圖7顯示利用水平極化測得的圖3所示DRA的y-z共極性遠場輻射圖；圖8顯示利用水平極化測得的圖3所示DRA的x-y共極性遠場輻射圖；圖9顯示利用水平極化測得的圖3所示DRA的x-z共極性遠場輻射圖；圖10顯示本發(fā)明的具有直接微帶饋線的DRA。
圖1，2a，2b和2c在介紹本申請時已經(jīng)論述過了。
圖3顯示了本發(fā)明的優(yōu)選的DRA，其包括接地的導(dǎo)電基底1，在接地的導(dǎo)電基底1的上方設(shè)有分成一半的柱形陶瓷電介質(zhì)諧振器2，分成一半的柱形陶瓷電介質(zhì)諧振器2具有設(shè)置在所述接地基底1的正上方的縱向矩形表面3。接地的導(dǎo)電基底1包括形成在其內(nèi)的槽隙6，所述槽隙6以充分垂直于諧振器2的縱向表面(longitudinal surface)3的方向縱向地延伸，縱向表面3的一端7置于槽隙6的上方。接地基底1位于電介質(zhì)基底8的第一側(cè)面上，電介質(zhì)基底8可以是印刷電路板(PCB)。微帶饋線9設(shè)在電介質(zhì)基底8的第二側(cè)面，微帶饋線9與電介質(zhì)諧振器2的縱向表面3同時充分延展，并且稍微伸出超過槽隙6的寬度。饋線9伸出超過槽隙6的寬度的部分10被定義為“伸出部分(overhang)”。除了端區(qū)7之外的諧振器2的縱向表面3的所有部分被涂布以金屬化的涂料11，如圖4所示。金屬化涂料11可以添加有銀和其它金屬，并且優(yōu)選地被涂布成兩個涂層?？v向表面3的端區(qū)7可在涂布之前被遮蓋以使端區(qū)7沒有涂料11。另外，縱向表面3通過金屬化粘合劑100粘合在接地基底1上，該金屬化粘合劑100也可添加有銀。
現(xiàn)在將對經(jīng)過本申請人構(gòu)造和測試的本發(fā)明的一個實施方案進行描述。具有約110的相對介電常數(shù)和7.5mm的半徑以及20mm長×7mm寬的縱向表面3的分成一半的柱形陶瓷電介質(zhì)諧振器2被安裝到具有長為18mm、寬為2mm的槽隙6的接地基底1之上。在將諧振器2安裝到接地基底1上之前，除了端區(qū)7的所有縱向表面3被涂布以兩層添加有銀的涂料11，端區(qū)7的長度至少與槽隙6的寬度一樣大。微帶饋線9被裝于PCB 8的另一側(cè)，以與諧振器的縱向表面3共同延展，并且伸出超過所述槽隙6為伸出部分10的長度，伸出部分10的長度大約是1到2mm。接地基底1利用添加有銀的粘合劑100安裝在標準FR4 PCB 8上。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)該DRA以2382MHz的頻率運行(諧振)。峰值增益是2.9dBi，在-10DB點處的S11回波損耗(return loss)是144MHZ，在-3DB點處的S21發(fā)射帶寬是幾百MHZ。
當構(gòu)造上述的DRA時，執(zhí)行各種調(diào)諧操作。在用涂料11涂布縱向表面3之后，但在用粘合劑100固定諧振器2之前，諧振器2被大致地置于接地基底1的上方，接地基底1被連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)(未標出)。然后諧振器2在接地基底1的上方來回移動直到VNA顯示出如圖5所示的軌跡12為止。軌跡12顯示了主諧振模態(tài)(resonance mode)13(它不是所需的EH11δ模態(tài))以及位于14處的小傾斜(dip)(它即為所需的EH11δ模態(tài))。
一旦發(fā)現(xiàn)正確的位置，諧振器2的縱向表面3被利用添加有銀的粘合劑100與接地基底1粘合在一起。VNA保持與DRA連接以保證能夠再次找到正確的定位，然后使粘合劑100干燥。
一旦粘合劑100干燥，饋線9的伸出部分10被削減到小于2mm的長度以調(diào)諧DRA。當伸出部分10正在被削減或縮短時，VNA顯示如圖6所示的軌跡15，軌跡15具有作為所需的EH11δ模態(tài)的主諧振模態(tài)16(與圖5相比較)，以及在17處的大大降低的傾斜(它對應(yīng)于圖5中不想要的諧振模態(tài)13)。
圖7到圖9中顯示的是三個主要的DRA輻射圖，它們都是利用相對于接地基底1的水平極化測得的。圖7顯示出水平面中的輻射圖幾乎是全方向的。圖8(x軸是垂直方向的，y軸是從左到右)顯示出了輻射圖中的零位或接近零位的位置18，該零位或接近零位的位置18證實上述DRA正在像水平電偶極子一樣在起作用，這時，在x軸方向具有有效的零位值，因此能夠構(gòu)建出元件的線性陣列，如圖2c所示。當上述線性陣列被垂直旋轉(zhuǎn)后，水平極化變成垂直極化，因此給予移動通訊應(yīng)用以所需的陣列模態(tài)。最后，圖9(z軸是垂直方向的)顯示出每一DRA的仰角輻射圖正好具有55度的波束寬度，因此為移動通訊應(yīng)用提供了對輻射圖的良好控制。
圖10是一種可選的DRA結(jié)構(gòu)，其中所需的諧振模態(tài)可被激勵。分成一半的柱形陶瓷電介質(zhì)諧振器20(其彎曲的表面21經(jīng)過磨削以提供平頂22)的平坦的縱向表面被裝在電介質(zhì)基底23的第一側(cè)面。電介質(zhì)基底23與第一側(cè)面相對的第二側(cè)面裝有導(dǎo)電地平面24。電介質(zhì)基底23的第一側(cè)面設(shè)有直接傳導(dǎo)的微帶饋線25，它從諧振器20的縱向表面下經(jīng)過并隨其共同延展且通常與其平行。直接傳導(dǎo)的微帶饋線25設(shè)有安裝在電介質(zhì)基底23的第二側(cè)面上并且經(jīng)由信號引腳27與饋線25電接觸的連接器26。上述連接器26還包括用于連接到傳導(dǎo)地平面24的接地線28，接地線28和信號引腳27互相絕緣。饋線25沿著電介質(zhì)基底23的第一表面延伸以超出諧振器20以用于提供伸出部分29?？梢愿淖兩斐霾糠?9的長度以通過提供不同的電容效應(yīng)而把DRA調(diào)諧到特定的頻率。伸出部分29在基底23的平面上顯示為彎曲的構(gòu)形，但是作為一種選擇它也可以是直的構(gòu)形。諧振器20的縱向表面可用金屬涂料(未示出)完全涂布，或者沿著饋線25的饋線部分地被涂布，或者根本不帶有金屬涂料。
本發(fā)明優(yōu)選的特征能應(yīng)用于本發(fā)明的所有方面并且可以任何組合的方式使用。
在本文的說明書和權(quán)利要求書中，詞語“包括(comprise)”和“包含(contain)”及其變體(如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”)的意思是“包括但不限于”，且不意圖排除其它組分、整體、部分、添加物或步驟。
權(quán)利要求
1.一種電介質(zhì)諧振器天線，包括具有充分平坦的縱向表面的電介質(zhì)諧振器和具有相對設(shè)置的第一和第二表面的接地基底，并且電介質(zhì)基底與所述第二表面相鄰，其中i)所述接地基底包括以第一方向縱向地延伸并具有預(yù)定寬度的槽隙；ii)所述電介質(zhì)諧振器被布置成使得其縱向表面接近所述接地基底的所述第一表面，在所述縱向表面和所述第一表面之間具有間隙，并且所述縱向表面的一個端區(qū)覆蓋住所述槽隙的寬度；iii)所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面的主體部分上設(shè)有導(dǎo)電層，所述縱向表面的所述端區(qū)沒有所述導(dǎo)電層；以及iv)在所述接地基底的所述第二表面上的所述電介質(zhì)基底上裝有帶狀饋線，所述帶狀饋線與所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面充分共同延展，并且延伸超過所述接地基底中的所述槽隙的寬度。
2.如權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，所述天線在其運行期間以EH11δ模態(tài)諧振。
3.如權(quán)利要求1或2所述的天線，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器具有半柱形結(jié)構(gòu)，所述半柱形結(jié)構(gòu)具有的矩形基底面為所述縱向表面。
4.如權(quán)利要求1或2所述的天線，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器由半柱形電介質(zhì)諧振器構(gòu)成，所述半柱形電介質(zhì)諧振器具有矩形的基底面和與所述矩形基底面相對的表面，所述矩形基底面為所述縱向表面，所述與矩形基底面相對的表面被變平以形成一個平頂。
5.如權(quán)利要求1或2所述的天線，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器具有長方形的結(jié)構(gòu)，所述長方形結(jié)構(gòu)具有的矩形基底面為所述縱向表面。
6.如權(quán)利要求1或2所述的天線，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器具有三棱形的結(jié)構(gòu)，所述三棱形的結(jié)構(gòu)具有的矩形基底面為所述縱向表面。
7.權(quán)利要求1或2所述的天線，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器由三棱形電介質(zhì)諧振器構(gòu)成，所述三棱形電介質(zhì)諧振器具有矩形的基底面和與所述矩形基底面相對的表面，所述矩形基底面為所述縱向表面，所述與矩形基底面相對的表面被變平以形成一個平頂。
8.如前述任意一項權(quán)利要求所述的天線，其特征在于，所述導(dǎo)電層為金屬化涂料。
9.如前述任意一項權(quán)利要求所述的天線，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器的縱向表面利用添加有導(dǎo)電材料的粘合劑與所述接地基底粘合在一起，所述粘合劑定出了所述表面之間的間隙。
10.一種制造電介質(zhì)諧振器天線的方法，所述電介質(zhì)諧振器天線包括具有充分平坦的縱向表面的電介質(zhì)諧振器和具有相對設(shè)置的第一和第二表面的接地基底，并且電介質(zhì)基底與所述第二表面相鄰，其中i)在所述接地基底中形成槽隙，所述槽隙縱向地以第一方向延伸并且具有預(yù)定的寬度；ii)在所述接地基底的所述第二表面上的所述電介質(zhì)基底上設(shè)置帶狀饋線，所述帶狀饋線通常垂直于所述接地基底中的所述槽隙并且具有延伸超出所述槽隙的寬度的一端；iii)在所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面的主體部分上涂布導(dǎo)電層，并使所述縱向表面的一個端區(qū)沒有導(dǎo)電層；iv)將所述電介質(zhì)諧振器排列成使得其縱向表面布置在所述接地基底的所述第一表面附近，在所述縱向表面和所述第一表面之間具有間隙，并且所述縱向表面的所述端區(qū)覆蓋住所述槽隙的寬度；v)將所述電介質(zhì)諧振器天線連接到諧振分析儀，并且使所述電介質(zhì)諧振器在所述接地基底的第一表面的上方來回移動直到找到諧振位置為止，在所述諧振位置處，所述諧振分析儀探測到預(yù)定的諧振模態(tài)；vi)在所述諧振位置處用添加有導(dǎo)電金屬的粘合劑將所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面與所述接地基底的所述第一表面粘合在一起；以及vii)削減延伸超出所述接地基底中的所述槽隙的所述帶狀饋線的所述端，直到由所述諧振分析儀測量到的所述預(yù)定諧振模態(tài)與其它可能的諧振模態(tài)相比占有主導(dǎo)地位為止。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定諧振模態(tài)是EH11δ諧振模態(tài)。
12.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器具有半柱形結(jié)構(gòu)，所述半柱形結(jié)構(gòu)帶有矩形的基底面和彎曲的表面，所述矩形的基底面為所述縱向表面。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器的彎曲的表面被變平以形成一個平頂。
14.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器具有三棱形的結(jié)構(gòu)，所述三棱形的結(jié)構(gòu)具有矩形的基底面和與所述矩形基底面相對的頂端，所述矩形的基底面為所述縱向表面。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器的所述頂端被變平以形成一個平頂。
16.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器具有長方形結(jié)構(gòu)，所述長方形結(jié)構(gòu)具有矩形的基底面，所述矩形的基底面為所述縱向表面。
17.如權(quán)利要求10到16中的任意一項所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電層由金屬化涂料涂布而成。
18.如權(quán)利要求10到17中的任意一項所述的方法，其特征在于，所述諧振分析儀是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
19.如權(quán)利要求12或14或從屬與它們的任何權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器的所述彎曲的表面或頂端通過銼削或磨削被變平，從而使得所述天線的諧振頻率增加。
20.一種電介質(zhì)諧振器天線，包括電介質(zhì)諧振器，其具有充分平坦的縱向表面；電介質(zhì)基底，其具有相對設(shè)置的第一和第二表面，所述第二表面上設(shè)有導(dǎo)電地平面，所述第一表面上設(shè)有直接微帶饋線，所述直接微帶饋線隨著所述第一表面縱向延伸，所述電介質(zhì)諧振器被裝在所述第一表面上，以使所述電介質(zhì)諧振器的所述平坦的縱向表面與所述直接微帶饋線接觸，并且隨其共同延展。
21.如權(quán)利要求20所述的天線，其特征在于，所述直接微帶饋線沿著所述電介質(zhì)基底的所述第一表面延伸超出所述電介質(zhì)諧振器的縱向表面從而提供一個伸出部分。
22.如權(quán)利要求21所述的天線，其特征在于，所述伸出部分在所述電介質(zhì)基底的平面中是彎曲的。
23.如權(quán)利要求21所述的天線，其特征在于，所述伸出部分完全是直的。
24.如權(quán)利要求20到23中的任意一項所述的天線，其特征在于，所述電介質(zhì)諧振器的全部縱向平表面上設(shè)有導(dǎo)電層。
25.如權(quán)利要求20到23中任意一項所述的天線，其特征在于，只有所述電介質(zhì)諧振器的縱向平表面與所述直接微帶饋線接觸的部分上設(shè)有導(dǎo)電層。
26.如權(quán)利要求23或25所述的天線，其特征在于，所述導(dǎo)電層為金屬化的涂料。
27.如權(quán)利要求20到26中的任意一項所述的天線，其特征在于，所述天線在其運行的過程當中以EH模態(tài)諧振。
28.一種由權(quán)利要求1到9或20到27中任意一項所述的、或利用如權(quán)利要求10到19中任意一項所述的方法制造出的電介質(zhì)諧振天線的陣列，在所述陣列中，所述天線被排列成使所述電介質(zhì)諧振器的所述縱向表面充分地共線。
29.如權(quán)利要求28所述的陣列，其特征在于，所述縱向表面按照通常與給定的地球地平面垂直的方向?qū)R。
30.如權(quán)利要求29所述的陣列，其特征在于，所述陣列產(chǎn)生具有垂直極化的輻射圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于以EH
文檔編號H01Q9/04GK1643729SQ03806714
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月26日
發(fā)明者西蒙·菲利普·金斯利, 史蒂文·格雷戈里·奧基夫, 提姆·約翰·帕爾默, 詹姆士·威廉·金斯利 申請人:安蒂諾瓦有限公司