低剖面覆蓋式天線的制作方法

技術領域

本發明涉及無線通信技術領域，尤其是一種低剖面覆蓋式天線。

背景技術：

無線電頻率（RF）網絡通信利用全向天線，同樣，擴展頻率戰術瞄準網絡技術依賴全向天線。此外，國防部雙向通信系統需要雙模式定向/全向天線陣，具有360度方位角覆蓋、用于抗干擾功能的高增益，針對反介入、抗抵賴（A2AD）威脅。

網絡系統中的全向天線具有減少的幅度，因為低增益、寬束使系統易于受到干擾，以及太巨大而不能安裝在交通工具上。

本技術領域未知的是被構形用以在1-10GHz工作的超寬帶（UWB）共形、低剖面、高增益、雙模式天線。本技術領域公開的天線輻射單元典型地具有在最低頻率四分之一波長的最小值（λ/4 在 1 GHz）。單極輻射單元體形太高而能在1 GHz或更小頻率工作。而且，需要同地協作傳輸（Tx）和接收（Rx）扇形陣使陣尺寸加倍問題。此外，傳統的對數周期（LP）陣概念需要剛性、平面、非共形印刷電路板（PCB）；例如，剛性LP陣技術包括具有心形輻射圖的LP偶極陣、具有端射輻射圖的LP單極陣以及具有心形線的LP微帶陣。現有的單極LP陣在1.0GHz是高的。

平衡對跖維瓦爾第天線（BAVA）MCA-BAVA圓形天線陣具有足夠的瞬時帶寬，但是也顯示高品質零位，其惡化了扇形高度覆蓋。

因此，如果提供一種適合于用作在同一表面的低剖面、UWB陣天線的裝置，將是有利的。

技術實現要素：

一方面，本發明公開的實施例是針對天線陣，其包括：一柔性微帶、帶線或共面波導PCB饋源層和多個連接至柔性微帶PCB饋源層的輻射單元。所述輻射單元可以包括規模大小的輻射單元的LP陣。所述輻射單元既可以整合在多層撓性或剛撓性PCB內，或被構形作為連接至一共接地層撓性電路的單個元件。

應當理解，前文總說明以及下文詳細描述僅僅是示例和示范性的，不應該限制權利要求的范圍。引入并作為說明書一部分的附圖，僅僅是本發明所公開的示范性的實施例，與總說明一起描述本發明的概念。

附圖說明

通過參考下列附圖，本領域技術人員可更好理解本發明所公開的概念，其中：

圖1表示適用于實施此處公開的發明構思的實施例的計算機系統；

圖2表示心形輻射圖樣；

圖3表示單極、端射輻射圖樣；

圖4表示本發明公開一個實施例所述的輻射單元陣的俯視圖；

圖5表示本發明公開的一個實施例所述的多臂輻射單元的透視圖；

圖 6表示本發明公開的一個實施例所述的圓盤輻射單元的透視圖；

圖7A表示包括印制倒F型天線的一部分的透視圖；

圖7B表示包括倒F型天線的一部分的透視圖；

圖8A表示本發明公開的一個實施例所述的輻射單元的側視圖；

圖8B表示本發明公開的另一個實施例所述的輻射單元的側視圖；

圖9表示適用于實施此處公開的發明構思的實施例的基片和輻射單元卡片的俯視圖；

圖10表示適用于實施此處公開的發明構思的實施例的基片和輻射單元卡片的俯視圖；

圖11表示適用于實施此處公開的發明構思的實施例的基片和輻射單元卡片的俯視圖；

圖12表示適用于實施此處公開的發明構思的實施例的基片和輻射單元卡片的俯視圖；

圖13表示適用于實施此處公開的發明構思的一個實施例的輻射單元的側視圖；

圖14表示適用于實施此處公開的發明構思的一個實施例的輻射單元陣俯視圖；

圖15表示適用于實施此處公開的發明構思的一個實施例輻射單元陣側視圖；

圖16表示適用于實施此處公開的發明構思的一個實施例輻射單元陣側視圖。

具體實施方式

在不同實施例中本發明所公開概念的特點僅僅是示范性的，通過如下描述及參照如下附圖，這些將進一步描述本發明的概念。應當理解，以上概述及以下詳述僅為本發明的示范和解釋，并不用以限制本發明，這些附圖描述的僅僅是本發明所公開的示范性的實施例，不能被視為限制本發明的范圍。為了清楚的目的，實施例中涉及本技術領域公知的技術材料沒有進行詳細描述，以避免說明書不必要的模糊。

本文描述的本發明構思受美國專利No.7,907,098啟示，在此引入作為參考。

參照圖1，適用于實施此處公開的發明構思的實施例的計算機系統100，包括處理器102和與處理器102連接的存儲器104，用于具體執行處理程序可執行代碼。天線106通過天線106中的饋源層連接至處理器102，所述饋源層被構形用以激勵天線106中的單元，以產生傳輸信號或通過天線106接收信號。本發明公開所述的實施例的天線106對雙向和全向模式有用。

本發明公開所述的一些實施例的天線106包括：一柔性饋源層，其與一表面一致，例如飛行器或船只機身或汽車或卡車的車體；大體上剛性輻射單元，其間隔地附著至所述柔性饋源層。剛性輻射單元的集合可以被組織成接收（Rx）扇區，而另一輻射單元集合可以被組織成傳輸（Tx）扇區。在Tx和Rx二者中雙向和全向模式是可行的。

參考圖2和3，表示心形輻射圖樣（圖2）和單極輻射圖樣（圖3），也稱為端射輻射圖樣。符合期望的LP線性陣具有“端射”輻射用于最佳近地平線覆蓋的低角度輻射覆蓋。LP陣內的單個單元需要單極類“端射”輻射圖樣。大多數印制輻射單元具有心形“cos(θ)”輻射圖樣，其在非常低海拔角度不能很好地工作。輻射單元的LP布置既對心形或單極輻射都有用。

參考圖4，表示此處本發明公開本發明構思的一個實施例所述的陣400的俯視圖。所述輻射單元被組織成以406和408限定的有源區。406和408之間的所述有源區的工作頻率由406和408之間區域內的輻射單元的帶寬限定。在一個示例性實施例中，所述有源區的帶比率由外周（406）半徑與內半徑（408）限定。帶寬通過內和外半徑內的輻射單元的帶寬進行限制。所述有源區跨越所述陣的LP維遷移啟動UWB操作。附加的全向輻射單元402和404可以設置在陣400的直接中心，以時限同時定向和全向Tx和Rx以增加覆蓋度。

在本發明的一些實施例中，陣400被構形為若干個LP線性陣扇區410和412.扇區410和412可以通過輻射單元402和404的相對方向進行限定。此外，輻射單元402和404可以限定Rx扇區410和Tx扇區412，各分別具體被構形用于Rx和Tx操作。束寬可以保持恒定，因為406和408之間的所述有源區作為波長的函數跨所述陣遷移。柵瓣不是個關注點，雷達跨扇區是低的，因為本公開實施例所述的陣400沒有布拉格散射。

輻射單元402和404的圖樣可以精確地被映射到一彎曲表面有計算曲率并產生具有期望形狀的陣。

輻射單元402和404可以包括印制微帶天線、倒F天線（IFA）、印制倒F天線（印制IFA）、平面倒F天線（PIFA）、單極天線、圓盤（C形盤）天線、半環形天線、槽腔單元、或任何其它總體上符合此處特征和限制的輻射單元。

在一個實施例中，微帶輻射單元402和404的陣400，例如圖14所示，可以包括階形阻抗饋源并具有在2.04GHz至3.3GHz頻率范圍內小于-8.6 dB的回波損耗，同時顯示更高仰角覆蓋范圍的心形輻射圖樣特性。另一個實施例包括平面倒F 天線的陣400，如圖8-12所示，所述陣400可具有在0.9GHz至2.69GHz頻率范圍內小于-10 dB的回波損耗，同時顯示最優低仰角覆蓋范圍的端射輻射圖樣特性。此外，此處公開的本發明構思的實施例所述的陣400可以根據具體工作頻率具有可變輻射性能。具體而言，輻射性能可改變超過2.5GHz。

在一些實施例中，阻抗帶寬可大于包括陣400的輻射單元402和404的基本模式輻射圖樣，建議更高操作模式可以在上頻帶限工作以加寬陣400整體工作頻帶，但是具有輻射圖樣的改變，以及天線過渡成另一更高模式輻射。

參考圖5，表示多臂輻射單元500，如倒F圓盤的透視圖。在此類輻射單元500中，多個天線臂502各通過至少一個連接件504連接至柔性饋源層，并被包圍在低損耗介電材料中。多臂彎曲單極天線被用于增加輻射單元500的終端端口阻抗接近50歐姆，以彌補其極端不足有效高度。所述輻射單元500可以具有冶金連接至所述柔性饋源層的局部接地層。所述輻射單元500也可以具有多個氣孔506以降低材料的有效介電常數并減小重量。至少一個端口504被激勵，剩余的端口被短路，或者多個端口504被激勵用于不同輻射圖樣，對于垂直極化的單極。

輻射單元500是陣中的單個“圓盤”輻射單元。每個輻射單元500包含多個天線臂502，以通過歸零所述阻抗的電抗部分并匹配所述阻抗的電阻部分最大化阻抗匹配至期望的阻抗，如50歐姆RF電路。

底面驅動“圓盤”1/2環，如圖13所示，可能用于水平極化輻射。此外，LP圓極化輻射可能具有復饋連接單元504，對應于輻射單元500內的不同天線臂502。

在一些實施例中，輻射單元500可以包括最小介電包裝以最小化介電載荷，通過增加介電結構內空氣區域。此外，鐵氧體材料和超材料可以用于介電包裝以進一步使導電最小化。

參考圖6，表示本發明公開的一個實施例所述的C形盤輻射單元600的透視圖。C形盤輻射單元600是PCB兼容天線單元，在一個實施例中，C形盤輻射單元600包括通過多個電感柱604連接至下金屬板608的上金屬板602 。上金屬板602與下金屬板608通過介電材料606隔離。介電材料606可以具有大約2.5的介電常數。

C形盤輻射單元600可以包括四個電感柱604，其具有大約C形盤輻射單元600的工作波長的0.0044的直徑。此外，C形盤輻射單元600的直徑和高度可以分別是C形盤輻射單元600的工作波長的大約0.25和大約0.018。

C形盤輻射單元600具有低剖面并產生單極輻射圖樣。地面驅動的C形盤輻射單元600的低剖面最小化LP陣中向前或向后模式的相消干涉。C形盤輻射單元600的電感負荷允許非常曉的陣結構，易于LP擴展性。

參考圖7A和7B，表示包括IFA或印制IFA的輻射單元的透視圖。在一個實施例中，輻射單元包括接地層701之上的介電基片和多個印制IFA702。平面IFA線的寬度控制阻抗匹配，不必要利用PIFA702的平面部分的寬度。

在另一個實施例中，輻射單元包括基片700之上的介電接地層701和多個印制IFA704。多個印制IFA702 或IFA704中的每個IFA包括通過短路單元714連接至接地層701的諧振器706，并通過饋源單元710連接至饋源層。在至少一個實施例中，饋源單元710通過同軸饋源712連接至饋源層。同軸饋源712可以利用諸如聚四氟乙烯（PTFE，當前作為杜邦公司Teflon售賣）的絕緣體與接地層701隔離。IFA已經證明回波損耗小于-9.1dB，在1.07GHz到2.46GHz頻率范圍內。

在至少一個實施例中，介電基片700包括介電常數大約為2.2、厚度約為1.575 mm的介電材料。

參考圖8A和8B，表示此處公開的本發明構思的實施例所述的輻射單元的側視圖。在一個實施例中，IFA或印制IFA802連接至基片800。IFA或印制IFA802包括連接至短路單元808、814和饋源/輻射單元810、816的諧振器806。饋源/輻射單元810和816連接至基片饋源層單元812，用以施用信號給諧振器806。基片饋源層單元812可以是同軸饋源/輻射單元，并可進一步連接至微帶饋源層。在一個實施例中，基片800是柔性印刷電路板，包括介電材料和金屬接地層801。在另一個實施例中，金屬接地層可插在印制IFA802與介電基片800之間，此處同軸電纜820穿過所述金屬接地層和連接線810至818。

小型IFA或印制IFA802(單極長度小于λ/8)的有效高度主要通過饋源/輻射單元810和816以及饋源層單元812進行限定，其通常促成輻射抗性（如50歐姆）。

在至少一個實施例中，每個基片饋源層單元812通過阻抗匹配單元818連接至饋源層，阻抗匹配單元818被構形用以傳遞電流給基片饋源層單元812，并提供阻抗匹配。此外，IFA或印制IFA 802可以包括從饋源/輻射單元810至阻抗匹配單元818的阻抗匹配的垂直轉換器820。此處天線包括LP尺度的多個輻射單元，連接至所述多個輻射單元的阻抗匹配單元818也是LP尺度的。阻抗匹配單元818和垂直轉換器820被整合進反饋阻抗匹配和垂直轉換的微帶、帶狀線、共面波導（以及其它類型或平面傳輸線）。此組件包括LP“晶胞”，其是根據LP理論的T比例。

本公開實施例所述的輻射單元可以是符合對數周期（LP）天線理論的T擴展性。例如，在一個實施例中，包括多個印制IFA802，其被構形具有0.894的T和小于-10dB的回波損耗，在約0.9GHz至2.69GHz的頻率范圍內。

參考圖9，表示適用于實施此處公開的本發明構思的實施例的基片900和輻射單元卡片902、904、906、908、910和912的俯視圖。每個輻射單元卡片902、904、906、908、910和912包括連接至基片饋源層單元820的印制IFA。輻射單元卡片902、904、906、908、910和912可以從最小單元902至最大單元918增加尺寸，由柔性天線中的扇區數限定。此外，輻射單元卡片902、904、906、908、910和912之間相鄰的距離可以根據LP比例因子進行增加。輻射單元卡片902、904、906、908、910和912可以限定所述柔性天線的同軸區域。本領域的普通技術人員應該理解，根據需要，每個輻射單元卡片902、904、906、908、910和912可以連接至不同基片饋源層單元820，每個基片饋源層單元820連接至饋源線918（微帶或帶狀線等）。基片饋源層單元820可以包括同軸饋源。

參考圖10，表示適用于實施此處公開的本發明構思的實施例的基片1000和輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010的俯視圖。每個輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010包括連接至諸如同軸饋源的基片饋源層單元1020的印制IFA。輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010可以與相鄰的輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010偏置。輻射單元卡片1002、1004、1006、1008從最小單元1002至最大單元1018增加尺寸，由柔性天線中的扇區數限定。輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010之間相鄰的距離可以根據LP比例因子進行增加。本領域的普通技術人員應該理解，根據需要，每個輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010可以通過不同基片饋源層單元1020連接至饋源層。此外，每個基片饋源層單元1020可以通過饋源線1018連接；當相應減小相關輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010的頻率時，所述饋源線根據LP比例因子在輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010之間增加長度。為了獲取饋源線1018中的LP比例因子，可以利用不同形狀的饋源線1018。偏置的輻射單元卡片1002、1004、1006、1008和1010布局有利于緊湊刑物理天線陣，同時保持寬頻帶電氣性能。此構形也使輻射單元之間的寄生互耦最小化，以提升寬頻帶性能。

參考圖11，表示適用于實施此處公開的本發明構思的實施例的基片1100和輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110的俯視圖。每個輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110包括連接至諸如同軸饋源的基片饋源層單元1120的印制IFA。輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110從最小單元1102至最大單元1118增加尺寸，由柔性天線中的扇區數限定。輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110可以被定向在相對某些固定部位的角1122。例如，輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110可以被相對于線1126定向，其限定期望的傳輸方向，盡管任何地標是適用的。輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110之間的距離可以根據LP比例因子進行增加。此外，輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110可以連接至不同基片饋源層單元1120，或者根據需要，輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110的集合可以連接至若干基片饋源層單元1120 的集合。此外，每個基片饋源層單元1120可以通過饋源線1118連接；所述饋源線根據LP比例因子在輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110之間增加長度。為了獲取饋源線1118中的LP比例因子，可以利用不同形狀的饋源線1118。旋轉的輻射單元卡片1102、1104、1106、1108和1110布局有利于緊湊刑物理天線陣，同時保持寬頻帶電氣性能。

參考圖12，表示適用于實施此處公開的本發明構思的實施例的基片1200和輻射單元卡片1202、1204、1206、1208和1210的俯視圖。每個輻射單元卡片1202、1204、1206、1208和1210包括連接至諸如同軸饋源的基片饋源層單元1220的印制IFA。輻射單元卡片1202、1204、1206、1208和1210可以從最小單元1202至最大單元1218增加尺寸，由柔性天線中的扇區數限定。第一組輻射單元卡片1202、1206和1210可以被定向在相對某些固定部位的第一角1222。第二組輻射單元卡片1204和1208可以被定向在相對某些固定部位的第二角1224。圖12表示第一角1222和第二角1224相對于線1226，其限定期望的傳輸方向，盡管任何地標是適用的。第一角1222和第二角1224的大小可以相等。在另一個實施例中，第一角1222和第二角1224可以跨越整個陣獨立地調整以產生期望的輻射圖樣、或優化具體應用的輻射圖樣。此外，根據需要，每個輻射單元卡片1202、1204、1206、1208和1210可以連接至不同基片饋源層單元1220。此外，每個基片饋源層單元1220可以通過饋源線1218連接；所述饋源線根據LP比例因子在輻射單元卡片1202、1204、1206、1208和1210之間增加長度。為了獲取饋源線1218中的LP比例因子，可以利用不同形狀的饋源線1218。旋轉的輻射單元卡片1202、1204、1206、1208和1210布局有利于緊湊刑物理天線陣，同時保持寬頻帶電氣性能。

參考圖13，表示適用于實施此處公開的本發明構思的另一實施例所述的輻射單元的側視圖。在一個實施例中，半環電線1306連接至基片1300。在一個實施例中，基片1300包括基底層，所述半環形天線1306通過介電材料短路所述接地層。所述半環形天線1306包括連接至基片饋源層單元1312的電線段彎曲面板，用以施用信號給所述半環形天線1306。基片饋源層單元1312可以是微帶饋源層的一部分。在一個實施例中，基片1300是柔性印刷電路板，具有印制在基片1300上的基片饋源層單元1312。

參考圖14，表示適用于實施此處公開的本發明構思的一實施例所述的輻射單元1404的陣1400的俯視圖。所述陣1400包括柔性印刷電路板微帶層1402。柔性印刷電路板微帶層1402可以具有4.8或更小的介電常數。每個輻射單元1404包括連接至所述柔性印刷電路板微帶層1402的大體剛性微帶輻射單元1406。輻射單元1404與印刷電路板饋源隔離能夠增加陣設計過程中靈活性，因為輻射單元1404可包括不同材料，相比饋源傳輸線或接地層結構，例如具有不同介電常數或其它屬性的材料。輻射單元1404可以根據期望的輻射圖樣改變尺寸。在至少一個實施例中，每個輻射單元1404通過某些因素（T），如0.952的因素，相比之前的輻射單元1404改變尺寸。在一個實施例中輻射單元1404被構形用以產生1.6：1帶寬并在2.04GHz至3.3GHz頻率范圍內工作。本公開的實施例所述的天線可具有小于-8.5dB的回波損耗和3：1電壓駐波比。

LP兼容輻射單元1404具有屬性，如T可擴展性、心形輻射圖樣、有吸引力阻抗帶寬，并易于作為圓盤實施，此處所述輻射單元被包裹在介電材料內。

一些單元，如微帶貼片衍生產品和C形盤天線輻射單元1404，能被整體制造成多層柔性PCB。包括此類單元的陣1400可以具有降低的結構剛度。利用柔性饋源組件，安裝在柔性PCB饋源層上的局部剛性輻射單元1404允許高電氣性能。

參考圖15，表示適用于實施此處公開的本發明構思的實施例的輻射單元1502、1504、1506、1508、1510和1512的陣的側視圖。在一個實施例中，所述陣是輻射單元1502、1504、1506、1508、1510和1512的LP線性陣。每個輻射單元1502、1504、1506、1508、1510和1512可以與相鄰的輻射單元1502、1504、1506、1508、1510和1512按照T比例因子尺寸不同。每個輻射單元1502、1504、1506、1508、1510和1512連接至柔性饋源層1500。所述柔性饋源層1500可以包括柔性印刷電路板，其被構形用以符合諸如交通工具的表面的安裝表面。因為剛性輻射單元1502、1504、1506、1508、1510和1512，此實施例所述的陣將是局部剛性的，但是由于柔性饋源層1500，所述陣整體是柔性的。

本公開實施例所述的輻射單元可以是T可擴展性，例如，在一個實施例中，包括被構形為約0.952的T的陣，所述的天線在約2.04GHz至3.3GHz頻率范圍內可具有小于-8.5dB的回波損耗。

參考圖16，表示適用于實施此處公開的本發明構思的實施例的輻射單元1602、1604、1606和1608的陣的側視圖。所述輻射單元的腔被凹進在天線接合的局部接地結構下面，即地面交通工具的引擎蓋或擋泥板或飛行器的機身。在一個實施例中，所述陣是輻射單元1602、1604、1606和1608的LP縫隙陣。每個輻射單元1602、1604、1606和1608是安裝至彎曲表面上的共接地層的腔輻射單元1602、1604、1606和1608。腔輻射單元1602、1604、1606和1608可以與相鄰的輻射單元1602、1604、1606和1608按照T比例因子尺寸不同。此外，輻射單元1602、1604、1606和1608可以包括裂縫腔單元1604、十字槽腔單元1608、環孔腔單元1608或任何其它變體腔輻射單元1602、1604、1606和1608。在一個實施例中，所述輻射單元1602、1604、1606和1608包括單一類型腔輻射單元，在另一個實施例中，所述輻射單元1602、1604、1606和1608包括不同類型腔輻射單元1602、1604、1606和1608的混合。此陣構形能更廣泛地利用任何類型的背腔單元，即，背腔螺旋天線、背腔交叉偶極，等等。

腔輻射單元1602、1604、1606和1608中的每個通過在接地層遠端表面連接至腔輻射單元1602、1604、1606和1608的柔性PCB饋源層饋源，以使每個腔輻射單元1602、1604、1606和1608在底面被連接至所述接地層且在頂面連接至所述柔性PCB饋源層。腔輻射單元1602、1604、1606和1608可以是負載材料或超材料，以使腔大小最小并減少散射。超材料基狹縫單元不需要背腔，或利用“薄”材料負載備腔是可預期的。輻射單元1602至1608的腔區域可以被凹進車輪表面。

此處公開的本發明構思的實施例所述的天線是電力上小型并具有高增益和引人注目期望的輻射圖樣。此外，在該陣內分布式Tx和Rx是可能的。而且，在一些實施例中，天線陣可以在至少L波段工作。

此處公開的本發明構思的實施例所述的LP陣具有比常規陣更低的剖面，其被構形用以在相似帶寬工作。此外，此處公開的本發明構思的實施例所述的天線陣整合至諸如交通工具的彎曲表面，顯示出優異的低仰角（近地平線）輻射特性。

應該相信，此處公開的本發明構思及其伴隨的諸多優點通過本發明所公開的實施例將被理解，但是顯而易見的，那些現有技術，根據所公開的技術，所做出的變更、修改及其他方面都不超出本發明的發明構思范圍，因此，所附的權利要求是包含在其范圍內所有的這些變化和修改，這些都是在本發明的發明構思范圍之內。