刀片天線以及包括刀片天線的無線局域網的制作方法

本發明涉及適合于在無線局域網中使用的刀片天線，其包括至少一個刀片天線單元且優選為兩個刀片天線單元，其中每一單元包括：

-接地平面，

-第一刀片結構，其大體上垂直安裝到所述接地平面上，

其中所述接地平面和第一刀片結構至少部分地由導電材料制成且彼此電絕緣，進而形成刀片天線。

背景技術：

刀片天線通常用于收發無線電信號，且是從單極天線得出，所述單極天線是基于垂直定位到接地平面上的桿狀極。刀片天線不同于單極天線之處在于桿狀極被垂直定位到接地平面上的平面結構或刀片代替。刀片和接地平面都需要至少部分地由導電材料制成以便充當天線。

刀片天線一般來說已知具有寬帶特性，這使得它們對于在例如wifi等無線局域網(wlan)中使用來說先驗地較不具有吸引力。wifi標準通常使用2.4和5.0ghz的頻率用于無線電信號的發射。適合于例如wifi等wlan的天線應當具有關于以上兩個頻帶的充分界定的帶寬。另一方面，刀片天線具有相對高效率的有吸引力的性質，所述效率為由天線輻射的功率相對于由天線吸收(大部分為熱能)且不用于輻射目的的功率的比率。

技術實現要素：

本發明的目標是開發適合于在無線局域網中使用的刀片天線。另外，目標是提供可集成于接入點或橋接器中以在涵蓋室內和室外使用的wlan中使用的刀片天線。

以上目標通過提供如序文中所描述的刀片天線而滿足，其中每一刀片天線單元包括電介質材料的主體，其中刀片結構至少部分地嵌入所述主體中且所述主體充當用于由所述刀片天線接收或發射的電磁波的透鏡結構。通常，刀片結構完全嵌入于所述透鏡結構中。因此，根據本發明的刀片天線的主要輻射表面是指向周圍透鏡結構的外壁。

令人驚奇地，此透鏡結構的提供帶來適合于在涵蓋室內和室外使用的wlan用途中使用的刀片天線。刀片天線的使得其適合于既定使用的性質涵蓋操作帶寬、效率以及增益水平(即輻射方向圖的方向性)。下文進一步的實例中將展示一些具體實施例及其有利性質。

刀片天線可含有一個或多個刀片天線單元，這取決于既定用途。當刀片天線整體集成于壁裝式接入點中時，所述刀片天線包括兩個刀片天線單元是有利的。當集成于天花板安裝式接入點中時，所述刀片天線包括一個刀片天線單元是有利的。

當刀片天線包括兩個刀片天線單元時，其具有提供冗余的優點，即在其中一者故障的情況下的備用單元。并且，如果一個單元在收發信號中受到例如干擾的妨礙，那么另一單元對于其不同位置仍可為有效的。

優選地，根據本發明的刀片天線經設計以使得一個且優選地每一刀片天線單元包括

-第一刀片結構，其具有大體上由如下極函數界定的圓周：

其中a，b，n1≠0

且其中：

-ρd(φ)是位于xy平面中的曲線；以及

-φ∈[0，2∏)是角坐標。

此極函數也被稱作超形，其在頒于j.gielis的美國專利7,620,527中描述。所述專利闡釋了包含圓形和多邊形的大多數幾何形式和規則形狀可如何被描述為以上極函數的公式的特殊實現。通過旋轉對稱性(m1，m2)、指數(n1，n2.n3)和/或短軸和長軸(a，b)的選擇或所謂的調制，可實現廣泛多種自然且抽象的形狀。超形公式的詳細闡釋在為此目的參考的us’527專利中給出。

替代地，上文定義為ρd(φ)的極函數可被定義為若干極函數ρi的求和sf(θ)，如下：

其中

用于極函數ρd(φ)的此替代的定義sf(θ)在整個應用中對于本發明的所有實施例是有效的，其中ρd(φ)一直指示為極函數。在此下文隨后的ρd(φ)的參數的任何所指示偏好也適用于替代定義sf(θ)。

已發現所述刀片結構的此設計增強了刀片天線對于其既定用途的合適性。

優選地，在根據本發明的刀片天線中，至少一個刀片結構具有大體上由如下極函數界定的圓周：

其中m1＝m2＝4，且凸度參數n1、n2、n3相等且具有在1與4之間選擇的值。作為一個替代方案，在以上公式中m1＝m2＝4時，凸度參數n1、n2、n3可具有在1與4之間的范圍內的不同值。

關于進一步偏好，根據本發明的刀片天線被設計成使得一個且優選每一刀片天線單元包括：

-大體上垂直安裝到接地平面上的一個或多個第二刀片結構，其至少部分地由導電材料制成且與所述接地平面電絕緣，且至少部分地嵌入于所述透鏡結構中。

每刀片天線單元的此多個刀片結構提升了刀片天線的性能。

具體來說優選的是，一個且優選每一第二刀片結構具有大體上由如下極函數界定的圓周：

其中a，b，n1≠0

且其中：

-ρd(φ)是位于xy平面中的曲線；以及

-φ∈[0，2∏)是角坐標。

當根據本發明的刀片天線包括第一和第二刀片結構時，優選的是至少兩個且更優選地全部都是實際上相同的。除更容易制造之外，以此方式還進一步增強天線的功能。

在根據本發明的刀片天線的特殊實施例中，一個且優選每一刀片天線單元的一個且優選每一刀片結構被劃分為導電連接的兩個主要部分，更優選地所述刀片結構被劃分為上部部分和下部部分。所述劃分使得所述兩個主要部分對于其大部分來說并不彼此導電連接。

將刀片結構劃分為兩個部分的優點在于，可選擇所述劃分以使得每一個別部分的尺寸適合于在兩個不同頻率收發無線電信號，也被稱作雙頻帶能力。

在數學意義上，根據本發明的刀片天線可描述為由若干布爾型運算修改的超形。舉例來說，通過條帶的布爾型減法，產生狹槽，其將所述超形劃分為下部和上部部分，這是刀片天線結構的以上特征劃分為兩個主要部分的特殊實施例。

任選地，通過條帶的布爾型加法，每一下部部分具備呈靠近所述狹槽的條帶的形式的延伸。

在根據本發明的刀片天線的另一個優選實施例中，一個且優選每一刀片天線單元的一個且優選每一第二刀片結構在共同縱向軸線上與第一刀片結構相交。優選地，刀片結構的相交使得至少兩個刀片結構處于彼此大體上垂直的定向。

每刀片天線單元的刀片結構的此配置整體提升了刀片天線的性能。確切地說，兩個相交葉片的垂直定向增強了天線的全方向性。

在根據本發明的刀片天線的特定實施例中，一個且優選每一刀片天線單元的一個且優選每一刀片結構經配置以在5ghz頻帶中操作，其中所述結構的長度在4與12mm之間。

在根據本發明的刀片天線的另一特定實施例中，一個且優選每一刀片天線單元的一個且優選每一刀片結構經配置以在2.4ghz頻帶中操作，其中所述結構的長度在8與24mm之間。

在根據本發明的刀片天線中優選的是，一個且優選每一刀片天線單元的透鏡結構的高度小于或等于30mm，優選為25mm或更小。

此高度限制常常是必要的，以將刀片天線集成到用于wlan目的的接入點或橋接器裝置中。

出于用于將刀片天線集成于接入點或橋接器裝置中的有限空間的同一原因，下文指示刀片天線的更優選的尺寸。

在根據本發明的刀片天線中進一步優選的是，一個且優選每一刀片天線單元的透鏡結構具有圓柱形形狀且優選地具有10到15mm的直徑。

在根據本發明的刀片天線的優選實施例中，一個且優選每一刀片天線單元的透鏡結構的電介質材料具有在2與90之間的值的介電常數。

在根據本發明的刀片天線中進一步優選的是，一個且優選每一刀片天線單元的透鏡結構具有折射率n，其中n≠1。

有利的是，在根據本發明的刀片天線中，一個且優選每一刀片天線單元的接地平面是具有10到15mm的直徑的大體上圓形平面。

在根據本發明的刀片天線中，優選的是一個且優選每一刀片天線單元經配置以在第一頻帶和第二頻帶中通信。此雙頻帶刀片天線優選地包括用于在兩個頻帶之間切換的至少一個處理器。

此外，在根據本發明的刀片天線中優選的是，一個且優選每一刀片天線單元包括具有大體上由如下極函數界定的基本輪廓的透鏡結構：

其中a，b，n1≠0

且其中：

-ρd(φ)是位于xy平面中的曲線；以及

-φ∈[0，2∏)是角坐標。

此透鏡結構進一步貢獻于刀片天線對于既定目的的合適性。

當根據本發明的刀片天線包括至少兩個刀片天線單元時，優選的是每一單元的個別接地平面位于共同平面中或平行平面上。關于特定偏好，此刀片天線進一步特征在于刀片天線單元通過優選為電絕緣材料的間隔結構而固定到彼此。

在根據本發明的包括至少兩個刀片天線單元的刀片天線中，優選的是刀片天線單元的接地平面位于共同平面中且彼此處于60到100mm、優選地70到90mm的距離。

當刀片天線包括根據本發明的間隔結構時，優選地所述間隔結構具有15mm或更小的寬度。此外，所述間隔結構優選地由電介質聚合物制成，具體來說由復合材料fr4制成。

當根據本發明所述刀片天線含有一個刀片天線單元時，優選的是一個且更優選每一刀片結構具有大體上圓形或橢圓形的圓周。

此設計已證實最適合于在頻帶天線是天花板安裝時使用。

此天花板安裝式頻帶天線優選地具有圓柱形透鏡結構，所述結構具有12到30mm的直徑以及15到30mm的高度。接地平面優選地具有與所述圓柱形透鏡結構的底部平面相比大體上較大的直徑。

所述刀片天線的透鏡結構優選地當選定電介質材料是熱塑性聚合物時通過在刀片天線上的注射模制來構造。所述電介質也可以是熱固性聚合物，且在所述情況下可使用熱固性聚合物的領域中的全部已知方法來制作刀片周圍的透鏡。替代地，所述透鏡可由模塊化元件形成，所述模塊化元件組裝于刀片天線周圍且保持在一起以使得獲得包圍的透鏡主體，所述主體由所述組裝的模塊化元件構成。

制造金屬刀片結構的有效方式是通過在薄電介質層上的金屬層的光刻印刷。在透鏡結構的后續包覆模制期間，電介質層對金屬刀片結構提供機械支撐。天線單元通過聚合物鉚釘或者替代地通過適當選擇的自粘膠帶而固定于相關接地平面上。

優選地，所述金屬刀片結構是通過在薄電介質層的兩側上沉積相同形狀的金屬層而形成。當兩個金屬刀片結構組合于一個刀片天線單元中時，優選的是這兩個金屬刀片結構沿著其中央縱向線的二分之一具有切口，以使得所述兩個結構可通過使所述切口滑動進入彼此而機械地固定在一起。

替代地，所述金屬刀片結構可使用其中形成固體金屬刀片結構的任何適當過程形成，其中不存在額外電介質層。所述刀片結構可例如通過金屬片的切割而形成，或者通過使用具有適當幾何形狀的掩模在合適的剛性或柔性載體上的金屬結構的電化學形成而形成。

在接地平面的背側上，通過使用焊接到微帶技術的匹配線的同軸電纜而實現天線前端和電連接。

優選地，根據本發明的刀片天線集成于用于無線局域網的接入點或橋接器裝置中。因此，wlan裝置適合于墻壁或天花板安裝(取決于刀片天線單元的數目)，且具有用于收發無線電信號的有吸引力的性能。

在第二方面中，本發明涉及一種包括多個刀片天線的無線局域網，其中每一個別刀片天線符合前述技術方案中的一者。

此多個刀片天線使得有可能建置多輸入多輸出(mimo)系統。在mimo系統中，多個天線放置在通信系統的輸入和輸出側以提升帶寬效率，且因此數據速率的加速。

附圖說明

將通過附圖的描述進一步闡釋本發明，其中：

-圖1示出了根據本發明的刀片天線的優選實施例；

-圖2示出了根據本發明的刀片天線的另一優選實施例；

-圖3示出了集成于接入點中的刀片天線的優選實施例。

具體實施方式

圖1示出了適合于壁裝式接入點(wlan)的刀片天線1的三維圖片，所述刀片天線包括兩個相同的刀片天線單元3，其中每一單元包括：

-接地平面5，

-第一刀片結構7，其大體上垂直安裝到接地平面5上，

-第二刀片結構9，其大體上垂直安裝到接地平面5上。

刀片結構7、9以及接地平面5由導電材料制成。所述兩個刀片結構處于彼此的大體上垂直定向上。每一刀片結構7、9被劃分為通過桿10導電連接的上部部分和下部部分。第二刀片結構9在與桿10一致的共同軸線上連接到第一刀片結構7。刀片結構7、9在底部銷8處會聚，所述底部銷導電連接到間隔結構14的底側上提供的饋電線(未圖示)。底部銷8延伸通過接地平面5的中心中的電介質材料的絕緣圓盤6。因此，整個刀片結構7、9安裝到接地平面5上，同時與接地平面電絕緣。

刀片結構7、9的總體圓周大體上由用于gielis公式的超形的極函數界定：

其中m1＝m2＝4，且凸度參數n1、n2、n3相等且具有2.5的所選值。此外，所述超形由若干布爾型運算修改：

通過條帶的布爾型減法產生狹槽，其將所述超形劃分為下部部分和上部部分。通過條帶的布爾型加法，每一下部部分具備呈靠近所述狹槽的條帶的形式的延伸。

此外，每一刀片天線單元3包括透鏡結構12，其呈電介質材料的圓柱形主體12的形式，其中刀片結構7、9封閉于所述透鏡結構中且所述透鏡結構充當用于由刀片天線1接收或發射的電磁波的透鏡結構。透鏡結構12的底部平面覆蓋接地平面5。

所述兩個刀片天線單元3通過間隔結構14固定到彼此，所述間隔結構為例如用于印刷電路板的電絕緣材料，優選地為復合fr4。在所述間隔結構的底側處的電線不可見，所述電線對刀片結構7、9提供電饋送。

圖2示出了適合于用于wlan的天花板安裝式接入點的刀片天線20的三維圖片，所述刀片天線包括一個刀片天線單元23，其包括：

-接地平面25，

-第一刀片結構27，其大體上垂直安裝到接地平面25上，

-第二刀片結構29，其大體上垂直安裝到接地平面25上。

刀片結構27、29以及接地平面25由導電材料制成。所述兩個刀片結構處于彼此的大體上垂直定向上。每一刀片結構27、29被劃分為導電連接的上部部分和下部部分。第二刀片結構25在共同縱向軸線34上連接到第一刀片結構27。刀片結構27、29的總體圓周大體上是圓形。接地平面25具有比透鏡結構32的底部平面顯著更大的直徑，例如4或5倍大。

類似于圖1，刀片結構27、29在底部銷(未圖示)處會聚，所述底部銷導電連接到接地平面25下方提供的饋電線。所述銷延伸通過接地平面25，同時使用包圍著通過接地平面的銷的絕緣結構而與接地平面電絕緣。

圖3示出了集成于用于wlan的壁裝式接入點30中的刀片天線1的三維圖片。所述圖片示出了用于在接入點30中裝配刀片天線1的有限空間。刀片天線1與圖1中描畫的刀片天線相同。

實例

圖1中描繪的刀片天線1具有以下性質：

-在2.4ghz和5.0ghz處的雙頻帶操作；

-在2.4ghz處的89％以及在5.0ghz處的96％的效率；

-在2.4ghz處的3.3dbi以及在5.0ghz處的3.2dbi的峰值增益電平。

圖2中描繪的刀片天線20具有以下性質：

-在2.4ghz和5.0ghz處的雙頻帶操作；

-在2.4ghz處的95％以及在5.0ghz處的95％的效率；

-在2.4ghz處高于2.0dbi以及在5.0ghz處高于3.0dbi的峰值增益電平。