專利名稱：圓形極化的陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圓形極化的陣列天線。
背景技術(shù)：
對在毫米波區(qū)域(等效于在30-300GHZ頻率范圍)中操作的天線存在商用需求。 在用于高清電視數(shù)據(jù)的無線傳輸和用于高速因特網(wǎng)接入的無線個域網(wǎng)(WPAN)中，以及在 視頻點(diǎn)播以及用于替代固定線纜傳輸?shù)亩叹嚯x高數(shù)據(jù)率傳輸中，可以找到這種天線的應(yīng)用。 對于在毫米波長以下(下至IGHz)操作用于無線局域網(wǎng)(WLAN)的天線，也存在類 似需求。對圓形極化天線感興趣，因?yàn)槠洳恍枰葬槍€性極化天線的方式來對準(zhǔn)/定 向，以發(fā)送或接收無線電波。圓形極化天線僅需要被導(dǎo)向另一圓形(或線性)極化天線。典型地，在毫米波頻率操作的已知圓形極化天線依賴于低溫共燒陶瓷(LTCC)材 料，并使用由波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)饋電的孔徑陣列，如在Uchimura，H.，Shino, N.，and Miyazato, K. ,"Novel circular polarized antenna array substrates for 6OGHz-band,”2005 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,pp. 1875-1878,12-17 June 2005 中 所述。圓形極化天線的另一示例由 K. -L. Wong, J. -Y. Wu and C. -K. Wu, "A circularly polarized patch-loaded square-slot antenna", Microwave and Optical Technology Letters, vol 23，no. 6，pp. 363-365，Dec. 20，1999 所教導(dǎo)。Wong 等人教導(dǎo)了一種載有補(bǔ)片 的方槽天線，使用矩形補(bǔ)片作為擾動元件，以由圓形極化輻射的兩個正交的相移諧振模的 槽來進(jìn)行激勵。同樣感興趣的是在圓形極化天線中實(shí)現(xiàn)高增益和寬帶寬，這不能通過上述兩種示 例性已知天線來實(shí)現(xiàn)。1989年6月27日發(fā)布的、Tsao等人的美國專利No. 4，843，400教導(dǎo)了一種在單個 波導(dǎo)上安裝的輻射補(bǔ)片元件的陣列，實(shí)現(xiàn)了比單天線元件的情況更大的孔徑的合成。P. S. Hall ^ifei "Application of sequential feeding to wide bandwidth, circularly polarised microstrip patch arrays，，，IEE Proc.，Vol. 136，Pt. H, No. 5， Oct. 1989,pp. 390-398描述了對圓形極化的微帶補(bǔ)片天線的饋電的順序旋轉(zhuǎn)以及與饋電相 位的合適偏移耦合的陣列帶來帶寬和純度方面的顯著改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)并改進(jìn)一個或多個高增益和寬帶寬，使其易于進(jìn)行劃 算的大量生產(chǎn)，或提供一種有用的備選方案。相應(yīng)地，提供了一種天線，包括單層介電基片；
接地平面，位于基片的上表面并僅覆蓋所述上表面的一部分；多個天線元件，也位于基片的所述上表面，每個天線元件具有在接地平面中形成 的槽元件以及位于每個槽元件內(nèi)的相應(yīng)加載元件，所述天線元件被布置為規(guī)則陣列，其中 每個相應(yīng)槽元件在空間上相對于相鄰的槽元件依次旋轉(zhuǎn)，所述加載元件在激勵下產(chǎn)生擾 動；微帶饋電網(wǎng)絡(luò)，位于基片的下側(cè)，以向每個槽元件提供激勵，并包括不同長度的 饋電件，與所述槽元件的空間旋轉(zhuǎn)共同地依次電旋轉(zhuǎn)；以及單個微帶饋電點(diǎn)，延伸至所述基 片的邊緣以進(jìn)行連接；以及反射面，位置與基片的下側(cè)平行并與基片的下側(cè)分開；以及其中，所述接地平面延伸以覆蓋整個微帶饋電陣列。 優(yōu)選地，接地平面將基片覆蓋至以下程度除了所述接地平面覆蓋所述饋電點(diǎn)的 位置，接地平面的邊緣與基片的邊緣之間操作頻率的至少1/2波長未被覆蓋。反射器典型 地至少具有與所述基片一樣大的表面積。規(guī)則陣列典型地至少具有2X1的尺寸?？梢蕴?供外殼，該外殼在基片邊緣支撐所述基片，并支撐或并入所述反射器?；湫偷赜梢壕Ь?合物材料形成。公開了其他方面。


圖IA和IB分別是已知載有補(bǔ)片的方槽天線元件的平面視圖和正視圖。圖2是4X2陣列天線組件實(shí)施例的部分視圖。圖3是示出了微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的4X2陣列天線組件的平面視圖。圖4是4X2陣列天線組件輸入處的所計(jì)算的反射系數(shù)。圖5是4X2陣列天線組件的所計(jì)算的實(shí)現(xiàn)增益。圖6是4X2陣列天線組件的所計(jì)算的軸比。圖7示出了在φ二0°時4X2陣列天線組件的所計(jì)算的RHCP輻射圖。圖8示出了在φ=90°時4X2陣列天線組件的所計(jì)算的RHCP輻射圖。圖9是具有延伸的饋線和接地平面的4X2陣列天線組件的平面視圖。圖10是圖9的組件的另一視圖。圖11是載有補(bǔ)片的方槽天線組件的2X2陣列的平面視圖。圖12是載有補(bǔ)片的方槽天線組件的4X4陣列的平面視圖。圖13是載有補(bǔ)片的方槽天線組件的8X2陣列的平面視圖。圖14是載有補(bǔ)片的方槽天線組件的另一 2X2陣列的平面視圖。圖15示出了各種其他天線元件實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式介紹圖IA和IB示出了上述的、Wong等人教導(dǎo)的已知天線元件。天線10由在接地平 面14中形成的長L的方槽12組成。接地平面14由接觸至液晶聚合物(LCP)基片16表面 的金屬化形成?；?6厚度為h。槽的長軸相對于接地平面14的邊緣旋轉(zhuǎn)45度。槽12載有尺寸為W乘Ll的導(dǎo)電矩形補(bǔ)片18。槽12由寬度Wf的微帶線20來饋電，微帶線20在 基片16的相對側(cè)接觸至槽12。饋線20的探測部分的長度dp允許對天線10的阻抗進(jìn)行調(diào) 諧。導(dǎo)電反射器22位于距基片16的下表面距離h2處。反射器22將槽天線的輻射限制在 正ζ方向。在不存在反射器22的情況下，天線10將沿正和負(fù)ζ方向幾乎均等地進(jìn)行輻射。 典型地，距離h2的長度是設(shè)計(jì)帶寬中心頻率處的四分之一波長。通過調(diào)整補(bǔ)片18的長寬比(Ll/w)，實(shí)現(xiàn)對槽12的對稱性的擾動，使得此時可以 在矩形槽12中激勵兩個正交模，兩個正交模以正確的相移耦合在一起，以產(chǎn)生圓形極化輻 射。1^1/^的典型值為2.6。Ll典型地為0.7L。4X2陣列實(shí)施例
圖2是載有補(bǔ)片的方槽天線的4X2陣列的構(gòu)成組件30的平面視圖。該組件30 已經(jīng)被設(shè)計(jì)為針對無線個域網(wǎng)(WPAN)應(yīng)用在從57至66GHz上操作。接地平面32的尺寸 是長=16. 34_，寬=8. 17_。單層介電基片36的尺寸是長=24_，寬=15. 83_，厚度為 100 μ m。基片36由LCP材料形成，具有介電常數(shù)=3. 2并且tan δ = 0. 004。適合的基片 是 Rogers ULTRALAM 3850，或 Nippon Steel Chemical Co. Ltd 的 Espanex L 系列。顯而易見，接地平面32僅在基片36的總表面積的一部分上延伸。如以下所述，這 對于將天線封裝在外殼中而言是重要的。接地平面32的邊緣與基片36的邊緣之間的距離 應(yīng)當(dāng)至少為1/2波長，以避免外殼不適當(dāng)?shù)赜绊懡M件30的輻射特性。一般而言，通過數(shù)值仿真軟件將接地平面所占的面積優(yōu)化為給出最佳天線性能。 一般而言，大小與陣列間隔、陣元數(shù)目以及槽和基片材料的類型成比例。天線組件30具有8個天線元件40-54 (每個等效于圖1的天線10)，其中每個天線 元件由槽60-74以及補(bǔ)片80-94形式的加載元件組成。天線元件40-54在空間上關(guān)于公共 的槽軸依次旋轉(zhuǎn)。方槽60-74的尺寸的典型范圍是1. 69mm至1. 86mm。補(bǔ)片80-94的尺寸的典型范圍 是1. 22mm至1. 45mmX0. 43mm至0. 48mm。陣列中的天線元件間隔典型地是χ方向3. 86mm(對 于 61. 5GHz 為 0. 79 λ )，y 方向 3. 41mm(對于 61. 5GHz 為 0. 70 λ )。針對接地平面32、補(bǔ)片80-86和饋電網(wǎng)絡(luò)100，使用9μ m的金屬化厚度。金屬化 的傳導(dǎo)率是3X107S/m。位于基片36下方的反射器(未示出)應(yīng)當(dāng)具有等于或大于基片36的尺寸，并由 典型為1. 25mm的空氣間隙分開。圖3示出了在基片36下側(cè)的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)100，其中接地平面32以及載有補(bǔ)片 的方槽天線元件40-54的4X2陣列以陰影示出，并疊加在饋電網(wǎng)絡(luò)100上以示出其相對位 置。針對每個天線元件40-54給出由饋電網(wǎng)絡(luò)100提供的相對(電)相移。這些相移與矩 形補(bǔ)片80-94的空間依次旋轉(zhuǎn)相符。相應(yīng)探測器與槽60-74之間的角度與槽的長軸實(shí)質(zhì)上 成45°?？梢匀萑?/-1°至+/-5°之間的變化。饋電網(wǎng)絡(luò)100被形成為兩個(2X2)子陣列102、104，由從來自輸入饋線108的主 接頭106開始的一系列功率分配T接頭構(gòu)成。微帶饋電網(wǎng)絡(luò)100的特征阻抗近似為71 Ω (不 含T接頭)，與高度100 μ m的LCP基片上123 μ m的線寬相對應(yīng)。對每個天線元件40-54的 各個饋電件的長度發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)電延遲，得到相對相位差，如圖所示?？梢允褂靡阎墓饪碳夹g(shù)來制造天線組件30，其中基片36起初具有兩個表面上的完全金屬化，并且，適當(dāng)?shù)貙⒔饘倩コ詣?chuàng)建接地平面32、補(bǔ)片80-94和饋電網(wǎng)絡(luò)100。2X2子陣列102、104中的每一個使用天線元件的依次旋轉(zhuǎn)來增大軸比帶寬。饋電 網(wǎng)絡(luò)將相等量的能量傳送至天線元件40-54。2X2子陣列中的每個元件的相位延遲隨著元 件在空間上關(guān)于公共方槽軸旋轉(zhuǎn)而依次增大90° (即0°、90°、180°、270° )。這種依次 旋轉(zhuǎn)增大了各個子陣列102、104的總體軸比帶寬。通過使用兩個陣列，與一個陣列相比增 大了天線的總體增益，并且縮減了輻射圖的帶寬(在這種情況下，在φ=0°平面中)。陣列天線組件30的設(shè)計(jì)性能如下
最小實(shí)現(xiàn)增益(57-66GHZ) 14. 7dBic 最大軸比(57-66GHz) 2. 84dB·最大反射系數(shù)，S11 (57-66GHZ) :_14· 9dB·阻抗帶寬(其中反射系數(shù)小于-IOdB)從 49. 16GHz 延伸至 77. 16GHz (44% )。天線組件30被認(rèn)為對制造中的容限誤差，尤其是大至士 100 μ m的LCP基片的頂 表面和底表面中的金屬化圖案的偏移，具有良好的不敏感性。在期望低成本制造(其中可 能不嚴(yán)格控制容限)的情況下，這尤其有利。圖4是天線組件30的輸入(S卩，饋線108的端部)處的所計(jì)算的反射系數(shù)的圖。 在指定的操作帶寬上，反射系數(shù)小于-14. 9dB，從而提供了與硅集成電路的完好匹配的連接
/接口。圖5是天線30組件的所計(jì)算的實(shí)現(xiàn)增益。在指定的操作帶寬上，所實(shí)現(xiàn)的增益大 于14.7dBic，以向典型的WPAN應(yīng)用(如HDTV信號的傳輸)提供所必需的信號電平。圖6是天線組件30的所計(jì)算的軸比。在指定帶寬上，軸比小于2. 84dB，從而確保 了圓形極化輻射的純度，并減小了與線性極化天線相關(guān)聯(lián)的天線定向誤差。圖7是在φ=0°時天線組件30的所計(jì)算的右旋圓形極化輻射圖(是圖3中的X-Z 平面)。在指定帶寬上旁瓣電平低于-10dB，并且，輻射圖的波束寬度比φ=90°平面(y-z平 面)的波束寬度要窄，被視為適于WPAN應(yīng)用。圖8是在φ=90°時天線組件30的所計(jì)算的右旋圓形極化輻射圖(是圖3中的y-Z 平面)。在指定帶寬上旁瓣電平低于-10dB，并且，輻射圖的波束寬度相對較寬，確保相對容 易在WPAN應(yīng)用中對準(zhǔn)天線?，F(xiàn)在參照圖9，示出了另一天線30’。接地平面32’為“T形”，以延伸至基片36的 邊緣，從而容納延伸的微帶饋線108’。還示出了支撐外殼120。外殼提供了基片36的結(jié)構(gòu) 完整性，并可以由金屬或塑料材料制成。圖10是示出了饋電網(wǎng)絡(luò)100的天線30’的視圖。 元件被示為線框輪廓，以顯得透明。通過數(shù)值仿真優(yōu)化來確定引線33的最優(yōu)寬度Wgnd，并 且對于本實(shí)施例，選擇5mm的寬度。通過這種布置，在基片邊緣提供了饋電端口 110和接地 返回路徑，使得容易進(jìn)行外部連接(最經(jīng)常連接至需要靠近天線的集成電路)。此外，接地 平面的引線33防止饋線108’輻射。外殼的底座(圖10中省略)形成反射器，因此需要由 導(dǎo)電材料制造。根據(jù)天線所需的增益，陣列大小也可以變化，以適于其他應(yīng)用。在本實(shí)施例4X2 陣元中，所需增益為14dBic。然而，其他應(yīng)用可能需要較低的定向輻射性能，并將使用較少的陣元。為了提高增益并減小天線的波束寬度，可以使用更多的元件(例如4X4、8X8、 16\16、8父2、16父2等等)。為了最佳的軸比帶寬性能，需要最小2X2陣元來實(shí)現(xiàn)以90度 為間隔的、元件的完整的依次旋轉(zhuǎn)。具有依次旋轉(zhuǎn)的2X1陣列也是可能的，但是軸比帶寬 小于2X2陣列，而優(yōu)于單個元件。2X2陣列組件實(shí)施例圖11示出了 2X2陣列天線組件130，其中元件被示為線框輪廓，以顯 得透明。接 地平面132在基片134的一部分上延伸。參照饋電網(wǎng)絡(luò)144和饋電端口 146，以陰影示出了 天線元件136-142。4X4陣列組件實(shí)施例圖12示出了 4X4陣列天線組件150，其中元件被示為線框輪廓，以顯得透明。接 地平面152在基片154的一部分上延伸。參照饋電網(wǎng)絡(luò)188和饋電端口 189，以陰影示出了 天線元件156-186。8X2陣列組件實(shí)施例圖13示出了 8X2陣列天線組件190，其中元件被示為線框輪廓，以顯得透明。接 地平面192在基片194的一部分上延伸。參照饋電網(wǎng)絡(luò)228和饋電端口 230，以陰影示出了 天線元件196-226。備選2 X 2陣列組件實(shí)施例還可以改變所使用的陣列布局。再次參照圖11，注意，方槽的邊緣與χ和y軸相比 成45度，微帶饋線與這些軸平行。還可以具有與χ和y軸平行的槽邊緣，微帶饋線成45度。 針對圖14所示的2X2陣列天線組件示意了這種變化。槽的這種朝向允許陣元136’-142’ 的更緊密的間隔，并使用更緊湊的饋電網(wǎng)絡(luò)144’。示出了饋電端口 146’。更緊密的元件間 隔有利于減小輻射圖中的旁瓣電平，并在相控陣應(yīng)用中控制波束時避免光柵瓣。其他實(shí)施例圖15示出了基本陣元的一些可能變化的圖，其中(a)載有補(bǔ)片的正方形槽(圖3 和4)、(b)載有補(bǔ)片的圓形槽、(c)載有橢圓的圓形槽、(d)載有補(bǔ)片的矩形槽、(e)載有圓 的矩形槽、(f)載有橢圓的矩形槽、(g)載有橢圓的橢圓形槽、(h)載有圓的橢圓形槽、(i) 載有補(bǔ)片的橢圓形槽、(j)載有補(bǔ)片的五邊形槽、(k)載有橢圓的五邊形槽、(1)載有補(bǔ)片的 六邊形槽、(m)載有橢圓的六邊形槽、(η)載有補(bǔ)片的七邊形槽、(ο)載有橢圓的七邊形槽、 (P)載有補(bǔ)片的八邊形槽、以及(q)載有橢圓的八邊形槽。一般而言，天線元件的槽元件可以是具有η個邊的任何多邊形，其中η大于3。該 多邊形可以由平面金屬橢圓或平面金屬補(bǔ)片來加載，其中橢圓或補(bǔ)片的長軸和短軸之間的 比率確定了圓形極化，從而確定了元件的軸比。加載元件也可以是具有η個邊的多邊形(η 大于3)，該多邊形包含對其形狀的擾動，使得它也可以具有長軸和短軸來控制天線的軸比。
權(quán)利要求
一種天線，包括單層介電基片；接地平面，位于基片的上表面并且僅覆蓋所述上表面的一部分；多個天線元件，也位于基片的所述上表面，每個天線元件具有在接地平面中形成的槽元件以及位于每個槽元件內(nèi)的相應(yīng)加載元件，所述天線元件被布置為規(guī)則陣列，其中每個相應(yīng)槽元件在空間上相對于相鄰的槽元件依次旋轉(zhuǎn)，所述加載元件在激勵下產(chǎn)生擾動；微帶饋電網(wǎng)絡(luò)，位于基片的下側(cè)，用以向每個槽元件提供激勵，并包括不同長度的饋電件，與所述槽元件的空間旋轉(zhuǎn)共同地依次電旋轉(zhuǎn)；以及單個微帶饋電點(diǎn)，延伸至所述基片的邊緣以進(jìn)行連接；以及反射面，位置與基片的下側(cè)平行并與基片的下側(cè)分開；以及其中，所述接地平面延伸以覆蓋整個微帶饋電陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其中，所述接地平面將所述基片覆蓋至以下程度接地 平面的邊緣與基片的邊緣之間操作頻率處的至少1/2波長未被覆蓋，但所述接地平面覆蓋 所述饋電點(diǎn)的位置除外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的天線，其中，所述反射器至少具有與所述基片一 樣大的表面積。
4.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的天線，其中，所述規(guī)則陣列至少具有2X1的尺寸。
5.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的天線，還包括外殼，所述外殼在基片邊緣支撐所述 基片，并支撐或并入所述反射器。
6.根據(jù)之前任一權(quán)利要求所述的天線，其中，所述基片由液晶聚合物材料形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圓形極化的陣列天線(30)。單層介電基片(36)具有位于基片的上表面并僅覆蓋上表面的一部分的接地平面(32)。多個天線元件(40-54)也位于基片的所述上表面。每個天線元件具有在接地平面中形成的槽元件(60-74)以及位于每個槽元件內(nèi)的相應(yīng)加載元件(80-94)。所述天線元件被布置為規(guī)則陣列，其中每個相應(yīng)槽元件在空間上相對于相鄰的槽元件依次旋轉(zhuǎn)，所述加載元件在激勵下產(chǎn)生擾動。微帶饋電網(wǎng)絡(luò)(100)位于基片的下側(cè)，以向每個槽元件提供激勵，并包括不同長度的饋電件，與所述槽元件的空間旋轉(zhuǎn)共同地依次電旋轉(zhuǎn)。單個微帶饋電點(diǎn)(108)延伸至所述基片的邊緣以進(jìn)行連接。反射面的位置與基片的下側(cè)平行并與基片的下側(cè)分開。所述接地平面延伸以覆蓋整個微帶饋電陣列。
文檔編號H01Q1/38GK101971420SQ200980104050
公開日2011年2月9日 申請日期2009年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月4日
發(fā)明者伊恩·馬克斯韋爾·戴維斯, 安德魯·雷金納德·威利, 約翰·蘇厄德·科特, 英杰·杰伊·郭 申請人:聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究機(jī)構(gòu)