雙頻帶印刷天線的制作方法

專利名稱：雙頻帶印刷天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于發送和/或接收電信信號的網絡基本線路天線，這種天線能夠輻射雙極化的無線電電場，也就是說能夠以雙極化進行工作和能夠在兩個頻帶內進行工作。
背景技術：
這樣的天線設計成能在遵從DCS-1800標準的蜂窩無線電通信網的第一頻帶和遵從GSM-900標準的蜂窩無線電通信系統的第二頻帶內進行工作。
在Frederic Croq和David M.Pozar的“采用縫隙耦合的并聯振子的微帶天線的多頻工作原理”(“Multifrequency Operation of MicrostripAntennas Using Aperture Coupled Parallel Resonators”，IEEETRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，Vol.40，No.1，November 1992，pages 1367 to 1374)這篇文章中揭示了一種微帶天線，這種微帶天線包括兩個介質層，在這兩個介質層之間有一個接地導體層，微帶微波饋線和輻射元分別配置在這兩個介質層的相應外表面上。輻射元包括多個與在接地導體層上形成的耦合槽垂直的長度不同的平行導電條。概括地說，2N個導電條對稱地分布在槽的橫軸的兩側，構成由槽對稱激勵的在N個頻率上諧振的2N個偶極子。
在Lakhdar Zaid等人的“采用層疊四分之一波長元的雙頻寬帶天線”(“Dual-Frequency and Broad-Band Antennas with StackedQuarter Wavelength Elements”，IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION，Vol.47，No.4，April 1999，第654-660頁)這篇文章中揭示了一種由兩個層疊的沿兩個相對側面或一個共同側面短路的四分之一波長元形成的雙頻帶天線。
以上兩篇文章中所揭示的天線在中心頻率為幾個G量級的情況下提供了小于10％的帶寬(駐波比小于1.5)。

發明內容
本發明的目的是提供一種能在兩個頻帶內工作的印刷天線，在每個頻帶的10％帶寬上駐波比小于1.5，兩個頻帶的電磁場極化相互正交，使得在一個頻帶內的信號不會干涉在另一個頻帶內的信號。
按照本發明設計的印制電路天線，如在本申請人的歐洲專利EP-B-484241和在P.Brachat等人的文章“微帶線饋電的雙極化槽耦合印刷天線”(“Dual-Polarization Slot-Coupled Printed Antennas Fedby Stripline”，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION，Vol.43，No.7，July 1995，第738-742頁)中所揭示的那樣，包括一個第一介質層，一個第二介質層，一個具有一個配置在第一介質層的一個外表面上的第一微波條和一個配置在第一和第二介質層之間的接地導體層的第一微波饋線，以及一個配置在第二介質層的另一個表面上的包括多個第一窄導電條的第一輻射元，這些第一窄導電條與接地導體層內的一個使第一饋線與第一輻射元耦合的第一耦合槽垂直。
本發明在以上這種在單個頻帶內工作的單極化印刷天線結構的基礎上作了改進，按照本發明設計的天線包括一個由一個配置在第一層的外表面上與第一微帶垂直的第二微帶和所述接地導體層組成的第二微波饋線，一個有一個表面貼著第一輻射元的的第三介質層，以及一個配置在第三介質層的另一個表面上的包括多個第二窄導電條的第二輻射元，這些窄導電條十字交疊在第一導電條上，與接地導體層內一個使第二饋線與第二輻射元耦合的第二耦合槽垂直。
由于有了第二輻射元，按照本發明設計的這種天線能在兩個不同的頻率以相互正交的極化進行工作。例如，第一輻射元在DCS 1800無線電話網頻帶內進行輻射，而第二輻射元在GSM無線電話網的頻帶內進行輻射。按照本發明設計的這種天線，由于采用了一個由組成第一和第二輻射元的第一導電條和第二導電條形成的柵格的構思，具有與在EP-B-484241中所揭示的現有技術的天線相同的帶寬特性和相同的極化純度。將第一導電條與第二導電條垂直配置避免了第一輻射元輻射的極化無線電電場與第二輻射元輻射的極化無線電電場的任何干涉。
而且，按照本發明設計的印制電路天線是很緊湊的，因為兩個饋線具有一個共同的包括兩個耦合槽的接地導體層和配置在第一介質層的同一個表面上的微帶，而這兩個輻射元的導電條是相互十字交疊的。
本發明涉及一種包括多個第一天線的天線陣，這些第一天線的較短的第一導電條相互平行，而這些第一天線的第二導電條也相互平行。
對于這種在兩個頻帶內都有交叉極化的天線陣來說，它還包括多個第二天線，這些第二天線的較短的第一導電條和第二導電條分別與第一天線的第一導電條和第二導電條共面和垂直。
第一天線分成一些列，與第二天線分成的那些列相互交錯。


從以下結合相應附圖對本發明的優選實施例的說明中可以更清楚地看到本發明的其他特征和優點。在這些附圖中圖1為按照本發明設計的雙頻帶印制電路天線的一個實施例的平面圖；圖2為圖1的雙頻帶天線沿拆線II-II切剖的剖視圖；圖3為在圖1和2所示的雙頻帶天線中饋線層和帶耦合槽的接地層的平面圖；圖4為圖1和2所示的雙頻帶天線內的一個較小的與頻率較高的頻帶關聯的第一輻射元的平面圖；圖5為圖1和2所示的雙頻帶天線內的一個較大的與頻率較低的頻帶關聯的第二輻射元的平面圖；圖6為由兩列按照本發明設計的基本印刷天線組成的一個在兩個頻帶內都輻射十字交叉場的一維陣列的示意性透視圖；以及圖7為由一些按照本發明設計的基本印刷天線組成的一個二維陣列的示意性透視圖。
具體實施例方式
以下將就圖1至5以幾乎實際尺寸所例示的按照本發明的優選實施例設計的一個基本的雙頻帶印刷天線進行說明，作為例子所提供的一些數值用于一個設計成能在一個稱為上頻帶的與遵從DCS-1800標準的無線電話通信相應的從1710MHz至1880MHz的第一頻帶B1和在一個稱為下頻帶的與遵從GSM標準的無線電話通信相應的從890MHz至960MHz的第二頻帶B2工作的天線。
如圖2所示，這個雙頻帶天線具有三個重疊的介質層第一層1，是相對介電常數εr1＝2.2、厚度e1＝1.5mm的Duroid層；第二層2，是相對介電常數εr2＝1.05、厚度e2＝15mm的介電泡沫塑料層第三層3，是相對介電常數εr3＝1.05、厚度e3＝20mm的介電泡沫塑料層。這個天線有四個疊置的導體層N-1至N2，由這三個介質層隔開，如圖1中剖面線所示。層N-1在天線底面(即第一介質層1的外表面)上，包括兩個垂直的微帶41和42，分別為頻帶B1(上頻帶)和B2(下頻帶)的微波饋線。微帶41和42可以延伸到輻射元71和72的相互垂直的對稱縱軸A1A1和A2A2的“交迭”點O處。如圖3所示，層N0處在第一和第二介質層1和2之間，它包括一個接地導體層5，其中形成了一個與第一微帶41垂直、相對第一微帶41對稱的第一耦合槽61和一個與第二微帶42垂直、相對第二微帶42對稱的第二耦合槽62。第一槽61長為28.7mm，比長為59mm的第二槽62短。微帶41和42延伸到分別超出耦合槽61和62基本上不到相應波長的1/4。也示于圖4的第三層N1包括一個打了斜線的第一輻射元，它由5個平行的窄金屬條71組成，這些金屬條71與第一槽61垂直，在第一槽61上方與之耦合，而并沒有遮住第二槽62，這些金屬條71相對第一微帶41縱向的對稱軸平面A1A1均勻對稱分布。也示于圖5的第四層N2包括一個打了斜線的第二輻射元，它由4個平行的窄金屬條72組成，這些窄金屬條72與第二槽62垂直，在第二槽62上方與之耦合，并且在金屬條71上方與金屬條71十字交叉，這些金屬條72相對第二微帶42縱向的對稱軸平面A2A2均勻對稱分布。第二金屬條72因此與第一金屬條71垂直。
在第三介質層3上的金屬條71上面覆蓋有一個薄的第四電介質層8，從而為天線提供了一個保護層。
因此，按照本發明設計的這個印刷天線以緊湊的方式將兩個分別工作在頻帶B1和B2的子天線合并在一起。這個印刷天線通常最大長度為130mm(沿金屬條72的縱軸)，而最大寬度為80mm(沿金屬條71的縱軸)。
第一子天線包括與50Ω的阻抗匹配的微帶饋線41、耦合槽61和輻射元金屬條71。第一子天線工作在頻率較高的頻帶B1，所輻射的電場的極化與金屬條71平行，即與耦合槽61垂直。這5個金屬條71刻寫在一個58mm長、50mm寬的矩形內，相鄰金屬條的間隔為0.75mm。
第二印刷子天線包括與50Ω的阻抗匹配的微帶饋線42、耦合槽62和輻射元金屬條72。第二子天線工作在頻率較低的頻帶B2，所輻射的電場的極化與金屬條72平行，即與耦合槽62垂直，因此完全與第一子天線產生的極化電場垂直。因此，第二子天線產生的在第二頻帶B2內的無線電電場完全與第一子天線產生的在頻帶B1內的無線電電場正交，這就避免了在這兩個頻帶之間無線電電場的互相干擾。第二子天線的金屬條72相對接地導體層5的間隔為厚度e2+e3，大于第一子天線的金屬條71相對接地導體層5之間的厚度e2，因為第二子天線所輻射的頻帶B2比第一子天線的頻帶B1低。同樣，由于耦合槽的尺寸基本上與頻帶的中心頻率成反比，因此第一耦合槽61的各項尺寸分別小于第二耦合槽62的各項尺寸。通常，每個金屬條B2長114mm，寬10mm，與另一個金屬條相隔2mm。
實際上，層N-1至N2的這些微帶、接地層和金屬條都是蝕刻在相應的介質層的表面上的。
具體地說，耦合槽61和62呈U形，分別相對微帶41和42的縱軸對稱，因此各有兩個與相應輻射元的金屬條71、72平行的外側支611、612，長度分別為9mm和18.2mm，如圖3所示。這有助于減小微帶輻射元71、72的總尺寸和限制輻射進入接地層5，同時還保證了有一個比較寬的頻帶B1、B2。
金屬條71沒有遮蓋第二槽62，否則會使在低頻頻帶B2工作的第二輻射元短路。金屬條72沒有完全遮住打了斜線的金屬條71，特別是在它們的縱向端部處，否則會使在高頻帶B1輻射的第一輻射元短路。這對金屬條72的寬度有非常嚴格的限制，這通常由耦合槽62的尺寸給出。這個尺寸具有半波長的數量級。為了使槽盡可能短，耦合槽作成傾斜的。
第二輻射元內離開最遠的兩個金屬條72沿著它們的長度的沒有被金屬條71遮蓋的部分由附加的分支金屬條8加了一倍，這兩個分支金屬條8分別疊在第二耦合槽62的相應外側支612上。這樣配置分支金屬條8也有助于加寬頻帶B2和保證頻帶B2的饋線42與輻射元72之間的正確耦合。
測量表明，上述按照本發明設計的印刷天線在兩個頻帶B1和B2的10％以上的帶寬上駐波比小于1.5，在兩個頻帶輻射的極化場之間的去耦至少為-30dB(這具體是由于有金屬條71和72所形成的兩個極化柵的空間濾波作用)，兩個頻帶的輻射方向圖分別在與金屬條71和72的柵格面垂直的通過它們的對稱軸A1A1和A2A2的相應主平面內基本對稱。
如果將多個按照本發明設計的基本印刷天線并置在一起形成一個工作頻帶為B1和B2的雙極化陣列，就可以保持如上所述的印刷天線的無線電電氣性能。諸如饋線41和42之類的這些饋線有益地隔著接地層5配置在這些由金屬條71和72的柵格組成的輻射元的對面，防止了在頻帶B1和B2內發送的信號之間的相互干擾。
天線陣的第一實施例包括一列同樣定向的第一印制電路天線C1和一列同樣定向而與第一天線的取向垂直的第二天線C2，或者概括地說，包括交替排列的都在如圖2所示的層N-1至N2上蝕刻的列C1和C2。在第一列C1內，第一天線的第一金屬條71垂直配置以輻射垂直極化電場，由一個公共的微帶饋線4V1饋電，而第一天線的第二金屬條72水平配置以輻射水平極化電場，由一個公共的微帶饋線4H1饋電。相對稱地，在第二列C2內，第二天線的第一金屬條71水平配置，由一個公共的微帶饋線4H2饋電，以輻射一個水平極化電場，這個電場因此與由第一列C1中的在共同的第一頻帶B1內工作的金屬條71輻射的電場垂直；同樣，在第二列C2內，第二天線的第二金屬條72配置成與第一列C1內的第二金屬條72垂直，以便輻射一個與第一列C1內的在共同的第二頻帶B2內工作的金屬條72輻射的電場垂直的垂直極化電場，在列C2內的金屬條72由公共的微帶饋線4V2饋電。為相應天線饋電的微帶饋線各具有樹形結構，在每個節點處有一個功率分配器。
這種第一類型的陣列示于圖6，可以構成GSM和DCS無線電話網的雙極化雙頻帶基站的天線。作為天線朝向的函數，對于兩個正交極化，分別為水平和垂直極化或者分別與水平成-45°和+45°的極化，天線的方向圖在垂直方向上有一些波瓣而在水平方向上有一些寬的波瓣。
如圖7所示，雙極化和雙頻帶天線陣可以包括多個平行交錯配置在一個平面上的列C1和C2。這種二維天線陣列可以構成一個使用例如同步衛星或者非同步衛星的蜂窩無線電通信系統內的地面接收站的天線。
雖然本發明是結合微帶饋線進行說明的，但所屬技術領域的專業人員顯然知道怎樣用微帶線或同軸線來代替微帶饋線。對于微帶線來說，要在第一介質層1的底表面蝕刻層N-1(見圖2)下加一個輔助介質層，而在這個輔助介質層的底表面上印刷一個反射接地導體層。
權利要求
1.一種印刷天線，所述印刷天線包括一個第一介質層(1)，一個第二介質層(2)，一個具有一個配置在第一介質層的外表面上的第一微帶(41)和一個配置在第一和第二介質層之間的接地導體層(5)的第一微波饋線，以及一個配置在第二介質層的另一個表面上、包括多個與接地導體層內一個使第一饋線與第一輻射元耦合的第一耦合槽(61)垂直的第一窄導電條(71)的第一輻射元，所述天線的特征是它還包括一個由一個配置在第一介質層(1)的外表面上與第一微帶(41)垂直的第二微帶(42)和由所述接地導體層(5)構成的第二微波饋線；一個有一個表面貼著第一輻射元(71)的第三介質層(3)；以及一個配置在第三介質層的另一個表面上包括多個第二窄導電條(72)的第二輻射元，這些第二窄導電條(72)與第一導電條(71)十字垂直交疊，而且與接地導體層(5)內一個使第二饋線與第二輻射元耦合的第二耦合槽(62)垂直。
2.一種按照權利要求1所述的天線，其特征是所述第一輻射元(71)在一個第一頻帶內輻射，而所述第二輻射元(72)在一個比第一頻帶低的第二頻帶內輻射，第一耦合槽(61)的各項尺寸分別小于第二耦合槽(62)的各項尺寸。
3.一種按照權利要求1或2所述的天線，其特征是所述耦合槽(61，62)至少其中之一呈U形，帶有與相應輻射元的導電條(71，72)平行的外側支(611，612)。
4.一種按照權利要求3所述的天線，其特征是所述第二輻射元的兩個離開得最遠的導電條(72)各有一個分支導電條(8)，分別疊在第二耦合槽(62)的外側支(612)上。
5.一種天線陣，所述天線陣包括多個按照權利要求1所述的第一天線(C1)，這些天線(C1)的較短的第一導電條(71)相互平行，這些天線(C1)的第二導電條(72)也相互平行。
6.一種按照權利要求5所述的天線陣，其特征是它包括多個按照任何權利要求1至4所述的第二天線(C2)，這些第二天線(C2)的較短的第一導電條(71)和第二導電條(72)分別與第一天線(C1)的第一導電條(71)和第二導電條(72)共面和垂直。
7.一種按照權利要求6所述的天線陣，其特征是所述第一天線分成一些列(C1)，與第二天線分成的列(C2)按列交錯。
全文摘要
本發明提出了一種緊湊的印刷天線,這種印刷天線包括由一些介質層疊置的兩個具有垂直微帶的饋線、一個接地層、一個包括多個與在接地層內形成的第一耦合槽垂直的導電條的第一輻射元和一個疊在第一輻射元上包括多個與第一導電條十字交疊和與一個在接地層內形成的第二耦合槽垂直的導電條的第二輻射元。例如,這些輻射元可以在DCS－1800和GSM無線電話頻帶內以很好正交的場進行輻射。
文檔編號H01Q5/00GK1390373SQ0081553
公開日2003年1月8日 申請日期2000年11月9日 優先權日1999年11月12日
發明者帕特里克·布雷切特, 讓－皮埃爾·布洛特 申請人:法國電信公司