專利名稱：用于毫米波信號的縫隙天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于輻射和/或接收毫米波信號的縫隙天線。具體地，本發(fā) 明涉及一種縫隙天線，其適于發(fā)射和減接收職通信系統(tǒng)中工作在高頻范圍、
比如GHz頻率范圍或者毫米波長范圍的電磁信號，并適合用于高數(shù)據(jù)率通信。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提出這樣一種縫隙天線，其用于輻射和/或接收毫米 波信號，具有簡單的結(jié)構(gòu)因而可以低#生產(chǎn)，同時仍然適于被使用在高頻帶 寬中且適于高數(shù)據(jù)率應(yīng)用。
戰(zhàn)目的艦如在所附3紋權(quán)禾腰求1中所定義的用于輻射和/或接收毫米 波(mm-wave)信號的天線來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的天線包括基底、形成于所述 基底上的平面接觸層和在所述平面接MM上形成為縫隙(slot)的輻射元件，所 述縫隙包括中間部分和兩個外部部分，所述兩個外部部分通過所述中間部分連 接且遠離所述中間部分延伸，所述天線還包括饋送結(jié)構(gòu)，適于向所述縫隙的中 間部，送信號。
因此本發(fā)明的天線具有簡單的結(jié)構(gòu)且可以低成本制造，同時仍然為高頻帶 寬中的高 率應(yīng)用提供很好的性能。
應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的天線可以用作單純的接收天線或者單純的輻射/發(fā) 射天線，或者也可以應(yīng)用于從，輻射以及由，接收電磁信號的應(yīng)用中。
本發(fā)明的天線特別適用于高頻帶寬應(yīng)用，即GHz頻率范圍的應(yīng)用，如20 至120GHz之間的頻率范圍。因為這些頻率范圍提供大頻率帶寬可用性，它們 典型地使高數(shù)據(jù)率應(yīng)用成為可能。但是，根據(jù)需要的應(yīng)用，本發(fā)明的天線也可 以在不同的頻率范圍和帶寬中使用。由此，皿變化本發(fā)明天線的量度，如本 天線的不同元件的寬度、長度和比例，可以特別適合于分別所需要的頻率范圍 和帶寬。此外，本發(fā)明的天線的簡單結(jié)構(gòu)和低成本解決方案使得該天線特別有 用于消費電子應(yīng)用。然而，如果需要和/或必要，本發(fā)明的天線也可以用在其它 應(yīng)用中。
4本發(fā)明有利的輔助特征在/Al權(quán)利要求中限定。 有利地，縫隙的兩個外部部分相互平行。更有利地，中間部分和兩個外部 部h起形成u形。換言之，縫隙具有u形皿。這種形狀由于其導(dǎo)致具有線
性極化(linear polarization)的電磁信號輻射而是有利的。具有線性極化的信號 對室內(nèi)應(yīng)用是有利的，特別是對具有視線信號(line of sight)的室內(nèi)和也對非視 線信號。然而，這種織微在所選擇的室夕卜應(yīng)用也可以是有禾啲。縫隙的U 形微導(dǎo)致在約百分之十工作頻率附近的相當大的頻率帶寬。例如，在工作頻 率為大約60GHz的情況下，在這種^^情況下，所獲得的頻率帶寬大約6GHz。 更有利地，縫隙的兩個外部部分的每一個的寬度髓遠離中間部分的方向增加。 M31兩個外部部分的這種錐形化，可以減少天線阻抗且與饋送結(jié)構(gòu)的阻抗相匹 配，其典型地為50,。
可替代地，縫隙的兩個外部部分的每一個的寬度可以保持恒定，即不錐形 化(untapered)。
更有利地，縫隙的兩個外部部分具有相同的長度和寬度。換言之，兩個外 部部分關(guān)于在兩個外部部分之間延伸且垂直于縫隙的中間部分的對稱軸是制 稱的。更有利地，縫隙的兩個外部部分的每一個的寬度大于中間部分寬度的兩 倍。更有利地，兩個外部部分之間的距離、即中間部分的長度大于兩個外部部 將一個的寬度。更有利地，兩個外部部分的每一M度大于寬度(longerthan wide)。
更有利地，饋送結(jié)構(gòu)是布置在所述基底與平面?zhèn)鲗?dǎo)層相對的側(cè)上的微帶饋 線。因此，與懷送結(jié)構(gòu)被置于與輻射元件相同的層中的結(jié)構(gòu)相比較，饋送結(jié)構(gòu) 與輻射元件的解耦具有抑制天^#性中的旁瓣(side lobe)的優(yōu)勢。因此，在本 發(fā)明的天線中，只有輻射縫隙的形狀決定天線輻射圖樣，因為旁 射被大大 減小了，因此輻射圖樣的軸比被大大減小，因此本發(fā)明天線特別有利的是被用 在可以實現(xiàn)高增益和輻射束可以被控制的天線陣列中。
更有利地，平面?zhèn)鲗?dǎo)層和/或m^構(gòu)是印制元件。通過將平面?zhèn)鲗?dǎo)層(例 如銅層)印制(print)到單層基底上，縫隙可以通過簡單的蝕刻技術(shù)簡單地被 嫩U，這樣就實現(xiàn)了低絲結(jié)構(gòu)。如果附加地簡單的50 ,微帶饋線被印制在 基底的相對側(cè)上、即印制在與平面?zhèn)鲗?dǎo)層相對的另一側(cè)上，則實現(xiàn)簡單的、低 ^的饋送結(jié)構(gòu)。更有利地，本發(fā)明的天線具有反射器平面，其布置在離與平面?zhèn)鲗?dǎo)層相對 的基底側(cè)的預(yù)定距離處。布置在天線下的這種g器平面有利于避免背面輻射， 且對把輻射圖樣導(dǎo)向平面?zhèn)鲗?dǎo)層和縫隙所在的基底側(cè)是有幫助的，因此增加了 一個方向上的天線增益。在皿器平面和基底之間可以提供低介電材料或空氣。
有利地，平面?zhèn)鲗?dǎo)層的長度和寬度尺寸在工作頻率的半波長范圍內(nèi)。這些 尺寸使得本發(fā)明的天線非常適用于毫米波頻率范圍中的應(yīng)用。
本發(fā)明進一步涉及包括多個根據(jù)本發(fā)明的天線的織陣列。因此，有利地， 多個織具有共同的基底且輻射方向可以改變。例如，天線陣列可以包括波束 控制元件，其適于改變每一個天線的輻射方向。有利地，波束控制元件因此包 括移相器，其適于面向^^，信號進fi^。
特別地，將饋送結(jié)構(gòu)布置在與平面?zhèn)鲗?dǎo)層所在的側(cè)相對的基底側(cè)上及由此
使鵬網(wǎng)絡(luò)和輻射結(jié)構(gòu)解耦，抑制了輻射圖樣(radiationpartem)的旁瓣，使得 可以實現(xiàn)非常高增益的天線陣列。此外，由于(如果有的話)只有非常小的旁 瓣出現(xiàn)，可以提供非常可靠的具有高精度的波束控制。


本發(fā)明將基于關(guān)于附圖對tt^實施例的以下描述被進一步地解釋，其中
圖1 ^根據(jù)本發(fā)明的天線的實施例的透視圖，
圖2 ，圖1的實施例的平面?zhèn)鲗?dǎo)層和m結(jié)構(gòu)的透視圖，
圖3 g圖1和2的實施例的頂視圖，
圖4 ，前面圖的天線的天線增，頻率的圖，
圖5表示前面圖的天線在E平面的極座標圖，
圖6表示前面圖的天線在H平面的極座標圖，
圖7 ^/于前面圖的M的電壓駐波比對頻率，
圖8表示根據(jù)本發(fā)明的波束控制殘陣列的實施例的透視圖，
圖9表示圖8的波束控律沃線陣列的功能塊圖，
圖10表示圖8和9的實施例的天線增艦頻率的圖，禾口
圖11表示具有所控制的波束的圖8和9的天線陣列的極座標圖。
具體實施例方式
圖1 ，本發(fā)明的用于輻射和/或接收毫米波信號的天線1的實施例的透視 圖。天線在預(yù)定的工作頻率帶寬內(nèi)具有高增益定向輻射圖樣，且可以連接至例如無線RF (射頻)收發(fā)器的模擬 電路。天線被設(shè)計成有利地工作在GHz 的頻率范圍，具體地說是在20至120GHz的頻率范圍，更具體地說是在50至 70GHz的頻率范圍，最具體地說是在59至65GHz的頻率范圍。但是，天線工 作并不局限于這些頻率范圍，而是可以通過相應(yīng)地減小或者增大天線量度和比 的大小而被用于工作在不同的頻率范圍。
，l包括基底2，其可以由任何適合的豐才料形成，比如電介質(zhì)材料，似 物，且可以形成為單層。平面?zhèn)鲗?dǎo)層3形成在基底2上，例如m印制駄， 在基底2的上側(cè)形成銅層。在平面?zhèn)鲗?dǎo)層3中形成輻射元件4，其具有縫隙的形 狀。該縫隙由例如1^啦術(shù)形成。
在基底2的相對傳導(dǎo)層3的側(cè)上提供鵬結(jié)構(gòu)5， fflil^述麟結(jié)構(gòu)，電磁 信號被供給至輻射元件4以便被發(fā)射，或者i!3i^述饋送結(jié)構(gòu)，由輻射元件4 接收到的電磁信號被供給至連接至l慣送結(jié)構(gòu)的M電路。此外，在離基底2的 衝共m結(jié)構(gòu)5的側(cè)的預(yù)超巨離處，設(shè)置反射器平面6，其由傳導(dǎo)的(例如金屬) 平面形成。g器平面作為電磁鵬紅作，用以反射由輻射元件4鄉(xiāng)和/或 接收的電磁波，從而消除或者抑制基底2背面的輻射，和增加在天線主方向上 的天線增益，所述主方向是垂直于傳導(dǎo)層3的平面指向遠離基底2的方向。但 是，也可能存在以下應(yīng)用，其中本發(fā)明的天線可以不具有這樣的目器平面6 來實施。
m結(jié)構(gòu)5可以是任何一種合適的饋送結(jié)構(gòu)，但其有利地被實施為Mil印 制技術(shù)施加于基底2的背面的微帶饋線。由此，微纖線有利地具有50歐姆的 阻抗。
本發(fā)明的天線1的工作原理如下。、M電磁波ffiil饋送結(jié)構(gòu)5引導(dǎo)至輻射 元件4。在輻射元件4、即縫隙中，、 電磁波的磁場分量在縫隙內(nèi)激勵出電場。 由此，為了在工作頻率處實現(xiàn)大的頻率帶寬，例如工作頻率百分之十的頻率帶 寬，根據(jù)本發(fā)明的輻射元件4包括中間部分4a和兩個外部部分4b,外部部分由 所述中間部分4a連接且遠離所述中間部分4a延伸，使得形皿隙天線。輻射 元件的具體皿被更加詳細地以圖2的平面?zhèn)鲗?dǎo)層3和饋送結(jié)構(gòu)5的透視圖中 和圖3的天線1的頂視圖來示出。
在所示出的殘l的實施例中，輻射元件4的縫隙通常具有U形微，其 中U形的兩個臂由所蹈啲外部部分4b形成，連接兩個外部部分4b的基部由
7中間部分4a形成。兩個外部部分4b通常相互平fi^延伸且垂直于中間部分4a。 所示出的縫隙U形皿使頻率帶寬約為工作頻率的百分之十，例如6GHz的頻 率帶寬和60GHz左右的工作頻率。在所示出的實施例中，中間部分4a和兩個 外部部分或臂4b之間的過渡部分是圓形的。但是，在不同的應(yīng)用中，中間部分 4a和兩個外部部分4b之間的過渡部分可以是具有角的矩形。
如圖2中所顯示的，平面?zhèn)鲗?dǎo)層的皿和從而基底2通常是矩形，具有等 長的邊rll和r12，呈IIIE方形。但是，也可以應(yīng)用不同的形狀，其中rll小于或 者大于rl2。
圖3是天線2的頂視圖，為了表示出饋送結(jié)構(gòu)5關(guān)于輻射元件4的布置， 也示出了解開(unlashed)基底2背面上的饋送結(jié)構(gòu)5的線。具體地，饋送結(jié)構(gòu) 5在示出的實施例中是印制微帶線,mit^弓l導(dǎo)信號遠離輻射元件4的中間部分 4a。由此，離結(jié)構(gòu)位于基底2的與平面?zhèn)鲗?dǎo)層3和縫隙4相對的背面上，從 而鵬結(jié)構(gòu)和輻射元件!鵬耦以便抑審腐射特性的旁瓣。由此麟結(jié)構(gòu)5從與 輻射元件4的兩個外部部分4b延伸的方向相反的方向上饋送信號至輻射元件4 的中間部分4a。在圖3中可視的兩維投影中，可以看出，為了確m^基底2 的良好耦合，饋送結(jié)構(gòu)5與輻射元件4的中間部分4a重疊。
平面?zhèn)鲗?dǎo)層3和從而基底2具有兩個對稱軸A和B ，它們把傳導(dǎo)層3在長 度和寬度的方向上分半。由此，饋送結(jié)構(gòu)5^對稱軸A且關(guān)于其對稱延伸， 輻射元件4的縫隙關(guān)于軸A鏡對稱地布置。換言之，輻射元件4的兩個外部部 分4b通常與軸A平行延伸且關(guān)于它,稱。輻射元件4的中間部分4a的基線 被布置在X^爾軸B上。換言之，中間部分4a的基線間的距離在這個方向上是傳 導(dǎo)層3的長度的一半。
通常地，如果兩個外部部分4b被fl^化，艮,果兩個外部部分4b的繊隨著 遠離中間部分4a而働B，這是辯啲。由此，^SIt元件的復(fù)P鵬的虛^r以被減小， 從而，1的總Pa^被敏J、且可以與例如50 ,6m^f自目匹配。
此外，在兩個外部部分4b被錐形化的情況下，兩個外部部分在其端部的寬 度wl大于中間部分4a的寬度w2。有利地，兩個外部部分4b的端部的寬度wl 大于中間部分4a的寬度w2的兩倍。此外，中間部分4a的長度13大于兩個外 部部分4b的端部的寬度wl。換言之，兩個外部部分4b之間的距離大于相應(yīng)的 寬度wl。此外，輻射元件4的總寬度w3大于其長度12，由此兩個外部部分4b中的每一個均具有長度12，其長于它的寬度wl 。平面?zhèn)鲗?dǎo)層3和輻射元件4的 所示形狀和尺寸特別適用于輻射和接收50至70GHz頻率范圍的信號。圖4示 出了在圖1， 2和3中所示的本發(fā)明天線1的實施例的天線增m頻率的圖。可 以看出，在如所說明的單天線1的情況下，在55至65GHz之間可以達到高于 8dBi的天線增益。圖4標纖1在E平面中的極座標圖，而圖5^^1 在H平面中的極座標圖?？梢钥闯?，圖l, 2和3中所示的實施例的織1示出 在E平面中大于80度的、和在H平面中62度的3dB HPBW(比最大增益小3dB 處的半功率波束寬度)。圖6表示ft^天線1的匹配的VSWR (電壓駐波比)， 其在59至65GHz的頻率帶寬中小于2，從而實現(xiàn)約為工作頻率(約62GHz)
的百分之十的帶寬。
圖8 g天線陣列10的實施例的透視圖，其中可以實施本發(fā)明的天線1 。 圖8的天線陣列10示出四個天線1以方形結(jié)構(gòu)在共同的基底7上的實施。換言 之，共同的基底7，例如是與基底2相似的單層基底，具有印制在其頂側(cè)上的四 個平面?zhèn)鲗?dǎo)層，針平面?zhèn)鲗?dǎo)層都包括輻射元件4。殘陣列10的離結(jié)構(gòu)與 關(guān)于圖1, 2和3的天線1所示和解釋的饋送結(jié)構(gòu)5相對應(yīng)。類似地，天線陣列 10也可以包括Mtt器平面8，其例如是位于離基底7預(yù)定距離的金屬層。但是， g器平面8也可以根據(jù)應(yīng)用被省略。關(guān)于圖1 ， 2和3的天線1所解釋的所有 元件、功能和特性也應(yīng)用于在圖8中所示的包括數(shù)U線1的天線陣列10。替 代于四個天線1，在本發(fā)明的天線陣列10可以提供更多或更少個數(shù)的天線1。 由此，天線陣列10可能具有例如4.5mm的相同長度r13和寬度r14的方形結(jié)構(gòu)。 但是，天線陣列10也可能具有不同的長度和寬度。
圖9表示具有四傾線1的天線陣列10的功能塊圖。每一個天線1具有所 分配的移相元件9，例如移相器組(phase-shifterbank)，利用其可以改變相應(yīng)天 線的相位以便改^^陣列10的總輻射圖樣。由此，改變W^線1的相位輸 入，然后控制W^線1的M^I射圖樣，天線陣列10的總輻射圖樣可以在主 瓣方向附近的具體角度范圍內(nèi)被控制，該主瓣方向(main lobe direction)是垂直 于織1的平面?zhèn)鲗?dǎo)層的平面遠離基底7的方向。圖9標為了實現(xiàn)棘控制 可能性對具體的實施和電路的建議。^移相器9 MRF開關(guān)11連接至其相 應(yīng)的，。鈔卜，*移相器9 MM另一 RF開關(guān)12連接至相應(yīng)的功分器(power divider) 13。兩個功分器13被連接至主功分器14。功分器14和13用于劃分(在^ffl天線io作為，天線陣列的情況下)或者合并(在使用天線陣列10作為
接收天線陣列的情況下)相等信號強度至四個天線1 (在發(fā)射情況下)或者至模
擬RF前端(在接收瞎況下)。另外，與關(guān)于圖1, 2和3的天線1所解釋的皿 結(jié)構(gòu)5相同，比如微帶線的饋送結(jié)構(gòu)(未示出)被用作^天線1的m線。
為了得到所期望的波束控制圖樣方向，用移相器9對 ^線1處的信號 相位進行移位。為了控制波束圖樣，任何種類的寬帶寬微帶移相器都可以被使 用和實施于纖陣列10。圖10標圖8的天線陣列的織陣歹贈益對頻率的圖。 可以看出，天線陣列10在55和65GHz之間的頻率范圍內(nèi)提供大于12dBi的增 益。圖11 ^控制角為30度的，極座標圖。
因此對于具有波束控制的天線陣列(比如天線陣列10)的實施由于簡單和 低成本結(jié)構(gòu)和在GHz頻段中的高增益，本發(fā)明的天線1的皿教導(dǎo)是特別有用 和有利的。
權(quán)利要求
1、適于輻射和/或接收毫米波信號的天線(1)，包括基底(2)，在所述基底(2)上所形成的平面?zhèn)鲗?dǎo)層(3)，和在所述平面?zhèn)鲗?dǎo)層(3)中作為縫隙所形成的輻射元件(4)，所述縫隙包括中間部分(4a)和兩個外部部分(4b)，所述兩個外部部分由所述中間部分(4a)連接且遠離所述中間部分(4a)延伸，所述天線(1)進一步包括適于給所述縫隙的所述中間部分(4a)饋送信號的饋送結(jié)構(gòu)(5)。
2、 根據(jù)權(quán)禾腰求l的殘(1)，其中所述兩個外部部分(4b)相互平行。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的織(1)，其中所述中間部分(4a)和所述兩個 外部部分(4b)具有U形形狀。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1, 2或3的天線(1)，其中兩個外部部分(4b)的每一 個的寬度(wl)在遠離所述中間部分(4a)的方向上增加。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1， 2或3的天線(1)，其中兩個外部部分(4b)的每一 個的寬度是恒定的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的天線(1)，其中兩個外部部分(4b)具有相 同的長度(12)和寬度(wl)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的天線(1),其中兩個外部部分的每一個的寬 度(wl)大于所述中間部分(4a)的寬度(w2)的兩倍。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的天線(1)，其中兩個外部部分(4a)之間的 距離(13)大于兩個外部部分(4b)的每一個的寬度(wl)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的天線(1)，其中兩個外部部分(4b)的每一 個長大于寬。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l至9之一的天線(1)，其中所述饋送結(jié)構(gòu)(5)是布置 ^0 述基底(2)的與平面?zhèn)鲗?dǎo)層(3)相對的側(cè)上的微帶饋送線。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的^ 0)，其中所述平面?zhèn)鲗?dǎo)層(3)和 所述,結(jié)構(gòu)(5)是印制元件。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的M (1)，其中所述縫隙適于輻射具有線性極化的信號。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1至12之一的，(1),具有布置在離所述基底(2) 的與平面?zhèn)鲗?dǎo)層(3)相對的偵顧定距離處的^t器平面(6)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1至13之一的天線(1)，其中平面?zhèn)鲗?dǎo)層(9)的長度 和寬度尺寸在波長的一半的范圍內(nèi)。
15、 包括多個根據(jù)權(quán)禾腰求1至14之一的幾(1)的繊陣列00)，具 有共同的基底(7)，所述天線陣列(10)是可控制的。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15的天線陣列(10)，包括適于改變每一4^線(1)的 輻射方向的波束控制元件(9)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15或16的織陣列(10)，其中波束控制元件(9)包 括適于對^天線(1)的信號相位進行移位的移相器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適于輻射或接收毫米波信號的天線(1)，包括基底(2)、在所述基底(2)上所形成的平面?zhèn)鲗?dǎo)層(3)、在所述平面?zhèn)鲗?dǎo)層(3)上作為縫隙所形成的輻射元件(4)，所述縫隙包括中間部分(4a)和兩個外部部分(4b)，所述兩個外部部分由所述中間部分(4a)連接并且遠離所述中間部分(4a)延伸，所述天線進一步包括適于給所述縫隙的所述中間部分(4a)饋送信號的饋送結(jié)構(gòu)(5)。天線提供具有低成本結(jié)構(gòu)以及高增益。
文檔編號H01Q13/10GK101459285SQ20081019081
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者M·拉特尼 申請人:索尼株式會社