天線陣列及其制造方法

專利名稱：天線陣列及其制造方法
技術領域：
本發明涉及天線陣列，更具體來說，涉及全向天線陣列。
背景技術：
通常將射頻天線設計為陣列以提供足夠的增益。全向天線的類型包括串聯饋送陣列(series fed array)、同線同軸(COCO)天線等。然而，與天線陣列關聯的功率饋送網絡通常很復雜。例如，典型地，線性陣列針對功率饋送使用分布式饋送網絡/功率分配器。這種類型的功率饋送網絡很復雜，這是因為天線方向圖(antenna pattern)和增益取決于物理和網絡參數，使得很難實現正確的相位和幅值以得到最大的方位增益并最小化旁瓣。一些物理參數包括元件數量及其間距。一些饋送網絡參數包括在各天線饋電處的功率信號的相位和幅值以及輸送功率的饋送網絡的阻抗。此外，這種類型的陣列天線往往不易于擴展、難以制造、脆、并且由于各個組件中的制造誤差的累積而在性能上受到限制。
因此，希望提供這樣的全向天線其具有更低誤差、更不脆并且具有增加的可擴展性，但是保持簡單COCO天線的所有優點而不保持其任何缺點(例如，需要使同軸傳輸線內外導體反轉并需要其固定驅動點阻抗，這通常需要匹配網絡)。

發明內容
為了實現根據本發明目的的優點，提出了一種全向平面陣列天線。該全向平面陣列天線包括具有第一和第二側的基板。第一側包括呈交替圖案的多個第一側窄元件和多個第一側寬元件。第二側包括呈交替圖案的多個第二側寬元件和多個第二側窄元件。
根據以下對如附圖所示的本發明優選實施例的更具體的描述，本發明的上述和其他特征、效果以及優點將顯見。


結合附圖，根據以下詳細說明可以顯見本發明的以上和其他目的以及優點，其中，相同的標號始終表示相同的部分，附圖中圖1是根據本發明的全向線性陣列天線的頂側平面圖；圖2是圖1所示的全向線性陣列天線的底側平面圖；圖3是圖1和2所示的全向線性陣列天線的側視圖；圖4示出了圖1的頂側平面圖，其中以虛線示出圖2的底側平面圖；圖5是一流程圖，示出了使得本發明與其實施例相一致的方法；圖6是一流程圖，示出了使得本發明與其另一實施例相一致的另一方法；圖7是圖1-3所示的天線的示圖，其包括電磁場表示；圖8是用于制造與本發明相一致的天線的另一方法的流程圖800；圖9示出了與本發明一實施例相一致的具有多個寬度的天線900；以及圖10是與圖9的天線相關聯的輻射方向圖的圖示表示。
具體實施例方式
圖1和2以及以下段落描述了本發明某些實施例。為了簡化對這里所描述的各種子部分的描述，只要可能，就使用相同的字符標識相同的部分或塊。更具體來說，針對同線同軸天線描述本發明，然而，本領域的技術人員將理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可以得到其他天線陣列。
參照圖1和2，示出了本發明的示例全向線性陣列天線100。圖1示出了天線100的頂側平面圖。圖2示出了天線100的底側平面圖。
參照圖1，示出了基板102。盡管被示出為具有總體上矩形形狀，但是基板102不必一定是矩形的，而可以是所希望的其他形狀，如隨機形狀、正方形、圓形以及橢圓形等。除其他功能以外，基板102提供了導體(如下所述)之間的分隔。然而，除了固體基板以外，如以下將進一步闡述的，基板102可以大部分由空氣(或其他氣體)或真空間隙組成，其中帶有一個或多個介電桿或柱以提供一些支承，來保持多個導體之間的分隔。此外，如下所述，基板102很大程度上是可選的，因為導體之間的短路部或其他導電連接部可以代替基板用作支承元件。在任何情況下，基板102具有第一側或頂側104。位于該第一側104上的是導電片106。如所示出的，導電片106具有至少一個饋送元件108、至少一個端接元件110以及至少一個窄元件112。窄元件112長度為L，當把諸如介電特性的基板特性考慮在內時，該長度通常約為天線操作頻率下的一半波長。該窄元件通常具有寬度WN。當把基板特性考慮在內時，饋送元件108和端接元件110具有天線操作頻率下的約四分之一波長的有效長度。
散布在饋送元件108、每個第一側窄元件112與端接元件110之間，存在具有第一側外邊沿116的第一側寬元件114。寬元件114也具有長度L。寬元件114具有寬度WL。寬元件的寬度根據窄元件的寬度而改變，以產生希望的驅動點阻抗(通常是50歐姆)，使得不需要匹配網絡。例如，寬度WL可以是5WN。更具體來說，寬元件的寬度比窄元件的寬度要大以利于天線的操作。改變這些寬度(寬元件寬度和窄元件寬度)得到希望的孔徑分布，以控制旁瓣電平。通常，寬元件114的寬度應當足夠寬，使得它們可以充當與位于相對側的近似窄元件對應的微帶傳輸線的“接地面”分部，典型地，該近似窄元件約為50歐姆，但并非必須是50歐姆。從另一角度來看，該寬部分應該足夠寬以呈現顯著的阻抗變化。
盡管通過一個窄元件112和兩個寬元件114示出了導電片106，但是可以具有更多或更少的窄元件112和寬元件114。注意，為方便起見在圖中一致地示出了寬元件和窄元件的寬度，但是在天線100的長度上，所有寬元件和/或窄元件的寬度不必是一致的。例如，多個寬元件114中的一個可以具有寬度WL，而其他寬元件114例如可以具有寬度WL+WN、5WN、3/4WL等。
在窄元件和寬元件的寬度部分地控制驅動點阻抗的情況下，參數L部分地控制設計操作頻率并且分部的數量確定了天線增益。此外，如果寬元件的寬度在不同分部之間變化，則天線方向圖形狀可以按某些希望的方式(如最小化旁瓣等)改變。
饋送元件108具有饋送孔118，饋送導線120通過該饋送孔118。饋送導線120接合到導體片106以向導電片106提供功率。饋送元件108還具有帶有短路部124的短接通孔122。短接通孔122和短路部124可以是單個導電元件。端接元件110具有短接通孔126和短路部128。
下面參照圖2，示出了基板102。基板102具有帶有導電片206的第二側204。第一側104與第二側204之間的距離d(圖3)應當是電學薄的(electrically thin)。基板的厚度對天線參數將存在二階效應，但是與自由空間波長相比該厚度是電學薄的。此外，電學薄是與寬度的窄分部是傳輸線段(如本發明的50歐姆傳輸線阻抗)的情況對應的厚度。第二側204具有第二側寬元件214和第二側窄元件212。第二側寬元件214具有第二側外邊沿216。第二側寬元件214大體上對準在第一側窄元件112的下方。類似地，第二側窄元件212大體上對準在第一側寬元件114的下方。術語“下方”是相對的，根據天線100的結構，“下方”實際上可以是“左方”、“右方”或“上方”。
短接通孔122位于一個第二側寬元件214中，而短接通孔126位于另一第二側寬元件214中。將包含有短接通孔122和126的寬元件大體上分別對準在饋送元件108和端接元件110的下方。短路部124和短路部128提供了饋送元件108與對應的第二側寬元件214f之間的電短路和端接元件110與對應的第二側寬元件214t之間的電短路。天線100還具有位于第二側204的功率饋送孔118。功率饋送孔118允許饋送導線120通過并向導電片106供電。可以將導電片206相應地連接到地或屏蔽部。通常，饋送導線120和功率饋送孔118將大體上位于饋送元件108與第一側寬元件114之間的過渡部220的下方。
下面參照圖4，可以看出，第二側寬元件214大體上對準饋送元件108、第一側窄元件112以及端接元件110。類似地，第一側寬元件114大體上對準第二側窄元件212。該布置允許通孔122和短路部124將饋送元件108短接到對準的第二側寬元件214，并允許通孔126和短路部128將端接元件110短接到對準的第二側寬元件214。例如使用常規同軸纜線連接、連接器或傳輸線將功率饋線120連接到常規天線電源，但是可以使用任何常規功率饋送部。此外，盡管示出了一個第一側窄元件112和兩個第一側寬元件114，以及三個第二側寬元件214和兩個第二側窄元件112，但是通過添加或去除窄元件和寬元件可以提高或降低天線100的增益。此外，可以具有預制有與這里的描述相一致的導電跡線圖案的帶。可以按預定量將該帶的多個分部劃分出來并焊接、熔接、粘附或通過其他方式接合到基板以提供特定增益，其中可以將帶的一個分部用于基板的一側，而將帶的另一分部用于基板的相對側，如圖4所示地對準相對的分部。然后使用常規方法進行必要的連接。另選地，該帶可以配備有已位于帶兩側的交替導電分部，然后將該帶剪至針對所需增益的希望長度并施加到機械支承用基板以便于進行必要的連接。從以上討論顯見，可以針對各種希望的頻率，如用于無線局域網(WiFi)應用的2.4GHz、用于蜂窩通信應用的860MHz等，配備這種性質的帶。
如上所述，在又一實施例中，可以剪切金屬或模壓金屬以設計導電分部。在該實施例中，可以將這兩個導電片例如通過介電柱或通過短路部124和126機械地分隔開來，使得交替側之間的空間主要由空氣組成，而非由如上所述的剛性介電基板組成。對于高功率應用，如蜂窩通信基站或高功率無線電(例如，FM等)廣播塔，該實施例可能尤其有用。
如本領域的技術人員將認識到的，窄元件112和212模擬了傳輸線。寬元件114和214的邊沿116和216充當輻射元件。
盡管可以使用各種長度，但是認為天線100在以下情況下達到最佳狀態根據1/4波長的長度設計饋送元件108和端接元件110，根據1/2波長的長度設計第一側窄元件112、第一側寬元件114、第二側窄元件212以及第二側寬元件214。通過利用這些分部長度的天線，當窄元件模擬50歐姆的微帶傳輸線時，電流(輻射源)和電場可能如圖7所示。微帶傳輸線上的電流消失了因此不會產生輻射。如果切斷微帶線并在各半波長段處翻轉(flip)微帶線，則“接地面”上的電流將如全向天線所需的那樣全部排列起來(line up)。在各寬分部的邊沿處的電流進行輻射以建立天線。位于任一端的短路部的長為四分之一波長，其使得反射波在第一寬處是同相的，以使不連續性變窄，使得諧振結構使各寬分部上的電流如所需的那樣保持成一線，以建立全向天線。圖7是圖3厚度為d、具有側104和204的擴展，示出了天線的電磁場。盡管所示天線100不需要匹配電路，然而，如本領域的技術人員在閱讀本公開內容時將認識到的，另選設計可能需要安裝匹配網絡。對各寬元件寬度的調節會改變天線方向圖。此外，改變各元件的長度會改變該方向圖。
該新天線的一些優點包括與其他設計相比更容易制造；與其他設計相比在頻率上更可擴展；與其他設計相比更緊湊；以及與常規可比全向天線相比成本較低。此外，當使用統一的傳輸線和交替輻射分部序列時，可以將該天線設計成針對不同頻率選擇性地對天線的多個分部進行調諧。這在寬帶應用中很有用，例如，針對第一頻率對天線進行調諧，然后針對稍微偏離第一頻率的第二頻率對天線進行調諧，這將允許寬帶應用。即使不進行偏移調諧，如圖1-3所示，該方向圖例如使得可以使用比常規可比天線更寬的頻率，使得在例如801.11a和Hyperlan區中可以將天線100例如用作三頻帶天線。本發明的天線接受不平衡饋送(如共軸電纜)，因此不需要類似于其他常規設計的不平衡變換器。
參照圖5對制造天線100的方法500進行描述。首先，在步驟502，使用注模從非可鍍敷塑料形成基板102。在步驟504，將第二注(shot)可鍍敷塑料模制到基板102上。然后在步驟506，將基板102鍍以導電材料，如銅。由于鍍層只會附著在可鍍敷塑料上，所以可以形成天線100。制造天線100的另選方法包括刻蝕、金屬箔和沖壓、壓印(embossing)等。
參照圖6對制造天線100的另一方法600進行描述。首先，在步驟602，制備包括交替窄分部和寬分部的預制導體帶。在步驟604，將該預制導體帶剪切成第一導體和第二導體。然后在步驟606，制備基板。在步驟608，將第一導體耦合到基板的第一側。在步驟610，將第二導體耦合到基板的第二側。最后，在步驟612，根據需要制備饋送通孔和短接通孔。
參照圖8對制造天線100的又一方法800進行描述。首先，在步驟802，制備預制導電片。在步驟804，如上所述地布置該預制導電片。最后，在步驟806，將饋送通孔和短接通孔加入該布置，它們可以提供分隔。可選地，在步驟808，可以布置用于結構支承的附加介電柱(或介電基板)支承件。
如上所述，天線100可以包括沿導體長度具有多個寬度的各種窄元件112、212和各種寬元件114、214。圖9示出了具有如所示的交替寬度W1、W2、W3以及W4的天線900。圖10示出了與天線900相關聯的輻射方向圖1000。
盡管參照本發明優選實施例具體示出并描述了本發明，但是本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可以在形式和細節上進行各種其他改變。
權利要求
1.一種天線，其包括基板，具有第一側和第二側；第一導體，被耦合到基板的第一側；第二導體，被耦合到基板的第二側；第一導體包括饋送元件、至少一個第一側寬元件以及端接元件；第二導體包括至少一個第二側窄元件和多個第二側寬元件；所述多個第二側寬元件大體上對準在至少所述饋送元件和所述端接元件的下方；所述至少一個第二側窄元件大體上對準在所述至少一個第一側寬元件的下方；所述饋送元件包含到所述多個第二側寬元件中的一個的短路部；所述端接元件包含到所述多個第二側寬元件中的另一個的短路部；以及連接到所述饋送元件的功率饋送部。
2.如權利要求1所述的天線，其中，所述至少一個第一側寬元件包括多個第一側寬元件；所述至少一個第二側窄元件包括多個第二側窄元件；并且還包括至少一個第一側窄元件；其中，所述多個第二側寬元件中的至少一個大體上對準在所述至少一個第一側窄元件的下方。
3.如權利要求1所述的天線，其中，所述功率饋送部大體上約為所述饋送元件與所述多個第一側寬元件中的一個之間的過渡段。
4.如權利要求3所述的天線，其中，所述功率饋送部是具有功率導體和外護層的同軸電纜，所述功率導體耦合到所述饋送元件，而所述外護層耦合到第二導體。
5.如權利要求3所述的天線，其中，所述至少一個第一側窄元件位于所述多個第一側寬元件的交替元件之間。
6.如權利要求3所述的天線，其中，所述至少一個第一側窄元件包括多個第一側窄元件。
7.如權利要求6所述的天線，其中，所述多個第一側寬元件包括M個第一側寬元件，所述多個第一側窄元件包括N個第一側窄元件，其中M大于N。
8.如權利要求7所述的天線，其中，M等于N+1。
9.如權利要求2所述的天線，其中，所述至少一個第一側窄元件具有長度L。
10.如權利要求1所述的天線，其中，所述至少一個第一側寬元件具有長度L′。
11.如權利要求9所述的天線，其中，所述多個第一側寬元件具有長度L′。
12.如權利要求11所述的天線，其中，L等于L′。
13.如權利要求12所述的天線，其中，所述饋送元件和所述端接元件具有長度L″。
14.如權利要求13所述的天線，其中，L″等于L/2。
15.如權利要求14所述的天線，其中，L等于1/2波長。
16.如權利要求15所述的天線，其中，L被針對基板的介電特性進行調節。
17.如權利要求9所述的天線，其中，所述至少一個第一側窄元件具有寬度W。
18.如權利要求1所述的天線，其中，所述至少一個第一側寬元件具有寬度W′。
19.如權利要求17所述的天線，其中，所述多個第一側寬元件具有寬度W′。
20.如權利要求17所述的天線，其中，所述至少一個第一側窄元件是多個第一側窄元件，并且該多個第一側窄元件具有多個寬度W。
21.如權利要求17所述的天線，其中，所述多個第一側寬元件包括多個寬度W′。
22.如權利要求17所述的天線，其中，所述饋送元件和所述端接元件具有寬度W″。
23.如權利要求22所述的天線，其中，W等于W″。
24.如權利要求22所述的天線，其中，寬度W″包括多個寬度W″。
25.如權利要求1所述的天線，其中，第一導體和第二導體包括預形成導電帶的多個剪切分部，其中，該導電帶包括與多個寬元件相交替的多個窄元件。
26.如權利要求1所述的天線，其中，所述基板具有厚度d。
27.一種天線，其包括基板，具有第一側和第二側；位于第一側的第一導體，具有第一端和第二端；第一導體的第一端是饋送元件；該導體的第二端是端接元件；在饋送元件與端接元件之間交替設有多個第一輻射用裝置和多個第一傳輸用裝置；第二導體交替地包括多個第二傳輸用裝置和多個第二輻射用裝置，使得所述多個第一輻射用裝置大體上位于所述多個第二傳輸用裝置的上方，并且所述多個第一傳輸用裝置大體上位于所述多個第二輻射用裝置的上方；以及耦合到所述饋送元件的功率饋送部。
28.如權利要求27所述的天線，其中，所述多個第一傳輸用裝置和多個第二傳輸用裝置包括具有至少一個寬度的導體；并且所述多個第一輻射用裝置和多個第二輻射用裝置包括具有至少一個相對較寬的寬度。
29.如權利要求28所述的天線，其中，所述多個第一傳輸用裝置、多個第一輻射用裝置、多個第二傳輸用裝置以及多個第二輻射用裝置具有長度L；并且所述饋送元件和所述端接元件具有長度L/2。
30.如權利要求27所述的天線，其中，所述饋送元件短接至所述多個第二側輻射元件中的一個；所述端接元件短接至所述多個第二側輻射元件中的另一個。
31.如權利要求27所述的天線，其中，至少一個第二傳輸用裝置位于所述饋送元件和所述端接元件中的每一個的下方。
32.一種天線，其包括第一導體；第二導體；用于設置第一導體與第二導體之間的分隔的裝置；第一導體包括第一端和第二端；第一導體的第一端是饋送元件；第一導體的第二端是端接元件；在饋送元件與端接元件之間設有至少一個第一輻射用裝置；第二導體交替地包括至少一個第一傳輸用裝置和多個第二輻射用裝置，使得所述至少一個第一輻射用裝置大體上位于所述至少一個第一傳輸用裝置的上方；以及耦合到所述饋送元件的功率饋送部。
33.如權利要求32所述的天線，其中，所述用于設置分隔的裝置包括至少一個基板。
34.如權利要求32所述的天線，其中，所述用于設置分隔的裝置包括至少一個短路部。
35.如權利要求32所述的天線，其中，所述用于設置分隔的裝置包括至少一個介電柱。
36.如權利要求32所述的天線，其中，所述至少一個第一輻射用裝置包括多個第一輻射用裝置；所述至少一個第一傳輸用裝置包括大體上對準在所述多個第一輻射用裝置的下方的多個第一傳輸用裝置；并且還包括至少一個第二傳輸用裝置，其中，所述多個第一輻射用裝置和所述至少一個第二傳輸用裝置交替布置在第一導體上，并且所述至少一個第二傳輸用裝置大體上對準在所述多個第二輻射用裝置中的至少一個的上方。
37.如權利要求32所述的天線，其中，所述至少一個第一傳輸用裝置至少具有第一相對窄寬度，所述至少一個第一輻射用裝置和所述多個第二輻射用裝置包括具有至少一個相對較寬寬度的導體。
38.一種天線，其包括第一導體；第二導體；用于設置第一導體與第二導體之間的分隔的裝置；第一導體包括饋送元件、至少一個第一側寬元件以及端接元件；第二導體包括至少一個第二側窄元件和多個第二寬元件；所述多個第二寬元件大體上對準在至少所述饋送元件和所述端接元件的下方；所述至少一個第二側窄元件大體上對準在所述至少一個第一側寬元件的下方；所述饋送元件包含到所述多個第二側寬元件中的一個的短路部；所述端接元件包含到所述多個第二側寬元件中的另一個的短路部；以及連接到所述饋送元件的功率饋送部。
39.如權利要求38所述的天線，其中，所述用于設置分隔的裝置包括基板。
40.如權利要求38所述的天線，其中，所述用于設置分隔的裝置包括所述短路部。
41.如權利要求38所述的天線，其中，所述用于設置分隔的裝置包括至少一個介電柱。
42.一種制造天線陣列的方法，該方法包括以下步驟設置具有第一側和第二側的基板；將第一導體耦合到第一側，該第一導體包括至少一個饋送元件、至少一個端接元件、至少一個窄元件以及多個寬元件；以及將第二導體耦合到第二側，該第二導體包括多個窄元件和多個寬元件，其中，所述耦合第二導體的步驟包括以下步驟將第二導體布置成使得第一導體寬元件在第二導體窄元件的上方并且第一導體窄元件在第二導體寬元件的上方。
43.如權利要求42所述的方法，其中，所述設置基板的步驟包括以下步驟第一注模成形步驟，用于從非可鍍敷塑料模制基板的非可鍍敷部分；第二注模成形步驟，用于從可鍍敷塑料模制基板的可鍍敷部分；并且其中，所述耦合第一導體的步驟和耦合第二導體的步驟包括對基板進行鍍敷的步驟。
44.如權利要求42所述的方法，其中，所述耦合第一導體的步驟和耦合第二導體的步驟包括以下步驟對第一表面涂敷導體并對第二表面涂敷導體；在該導體上布置抗刻蝕材料；施用刻蝕劑以對導體材料進行刻蝕；以及去除抗刻蝕材料，從而形成第一導體和第二導體。
45.如權利要求42所述的方法，其中，所述耦合第一導體的步驟和耦合第二導體的步驟包括設置金屬箔作為所述導體并將該金屬箔沖壓在基板上。
46.如權利要求42所述的方法，其中，所述耦合第一導體的步驟和耦合第二導體的步驟包括壓印步驟。
47.一種制造天線陣列的方法，該方法包括以下步驟設置具有第一側和第二側的基板；從預形成導體的第一長度剪切出第一導體，其中，該第一長度可以根據天線的希望增益確定；從預形成導體的第二長度剪切出第二導體，其中，該第二長度可以根據天線的希望增益確定；以及將第一導體耦合到第一側并將第二導體耦合到第二側。
48.如權利要求47所述的方法，其中，所述預形成導體包括導電帶。
49.如權利要求47所述的方法，其中，按交替寬分部和窄分部布置所述預形成導電帶。
50.一種制造天線陣列的方法，該方法包括以下步驟設置具有饋送元件、至少一個相對寬分部以及端接元件的第一導體；設置具有多個相對寬分部和至少一個相對窄分部的第二導體；將第一導體布置在第二導體的上方，使得所述饋送元件和端接元件大體上對準第二導體的相對寬分部并且第一導體的相對寬分部大體上對準第二導體的相對窄分部；以及設置用于按如在所述布置步驟中所布置的狀態將第一導體與第二導體分隔開來的裝置。
51.如權利要求50所述的方法，其中，所述用于設置分隔的裝置是基板，并且所述布置步驟包括將第一導體和第二導體布置在基板上的步驟。
52.如權利要求50所述的方法，還包括以下步驟布置多個短路部，使得該多個短路部提供用于分隔的裝置。
53.如權利要求50所述的方法，其中，所述用于分隔的裝置包括至少一個介電柱。
全文摘要
本發明提供了一種天線陣列。該天線陣列包括基板，該基板具有第一側和與該第一側相對的第二側。該第一側具有包括多個窄元件和多個寬元件的第一導體。該第二側具有包括多個窄元件和多個寬元件的第二導體。使得第一導體窄元件位于第二導體寬元件的上方，并且第一導體寬元件位于第二導體窄元件的上方。第一導體還包括饋送元件和端接元件。
文檔編號H01Q21/10GK1768447SQ200480008992
公開日2006年5月3日 申請日期2004年4月6日 優先權日2003年4月8日
發明者布萊恩·R·貝特曼, 蘭迪·班克羅夫特 申請人:圣韻無限通訊技術有限公司