專利名稱:用于利用輻射分集接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種利用輻射分集來(lái)接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備,能夠在無(wú)線傳輸領(lǐng)域中使用,特別是在諸如家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、體育館、電視臺(tái)、演出地點(diǎn)或類似場(chǎng)所等封閉或半封閉環(huán)境中的傳輸?shù)那闆r下,而且還能夠在諸如移動(dòng)電話等需要最小尺寸的天線系統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用。
背景技術(shù):
在已知的高比特率無(wú)線傳輸系統(tǒng)中,由發(fā)射機(jī)所發(fā)射的信號(hào)通過(guò)多個(gè)不同的路線到達(dá)接收機(jī)。當(dāng)在接收機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行組合時(shí),在具有不同長(zhǎng)度的所遵循路徑的不同無(wú)線電波之間的相位差導(dǎo)致了干涉圖,這可能會(huì)引起衰減的趨勢(shì)或信號(hào)的顯著惡化。而且,衰減趨勢(shì)的位置在時(shí)間上發(fā)生改變,取決于環(huán)境的變化,例如,新物體或過(guò)路人的存在。由路徑的多重性所引起的該衰減趨勢(shì)可能會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的質(zhì)量和系統(tǒng)性能的顯著惡化。
為了對(duì)抗該衰減趨勢(shì),最經(jīng)常采用的技術(shù)是一種已知為空間分集的技術(shù)。特別地,該技術(shù)在于利用與開(kāi)關(guān)單元相連的具有較寬空間覆蓋范圍的一對(duì)天線,例如,“片”型的兩個(gè)天線。這兩個(gè)天線空間分隔必須大于或等于λ0/2的距離,其中λ0是與天線的工作頻率相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。利用這種類型的天線,可以示出兩個(gè)天線同時(shí)處于衰減條件的概率非常低。而且,開(kāi)關(guān)單元通過(guò)利用監(jiān)控電路來(lái)檢查接收到的信號(hào),允許選擇與表現(xiàn)出最高信號(hào)電平的天線相連的分支。然而,該解決方案的主要缺陷在于由于其需要在輻射天線之間的最小間距,以確保通過(guò)每個(gè)輻射元件所看到的信道響應(yīng)的適當(dāng)?shù)娜ハ嚓P(guān),因此,天線系統(tǒng)的體積非常龐大。
已經(jīng)提出了不同的解決方案來(lái)減小天線系統(tǒng)的尺寸,同時(shí)仍然確保適當(dāng)?shù)姆旨?。一些解決方案已經(jīng)成為以THOMSON多媒體許可貿(mào)易公司的名義所遞交的幾個(gè)專利申請(qǐng)的目的。特別地,這些解決方案在于使用通過(guò)線槽轉(zhuǎn)換提供的槽型的多個(gè)天線,并且包括允許獲得輻射分集的裝置,特別地,包括根據(jù)接收到的信號(hào)的電平,使切換到天線之一或另一個(gè)上的二極管。
此外,在2001年第五期卷49的標(biāo)題為“Diversity antenna forexternal mounting on wireless handsets”的IEEE文章中,還提出了在移動(dòng)電話領(lǐng)域,將λ/4槽與單極相連,以產(chǎn)生分集輻射系統(tǒng)。然而,所提出的系統(tǒng)是相對(duì)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)明的目的是提出一種利用輻射分集來(lái)接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備的新解決方案,具有極為緊湊的結(jié)構(gòu),同時(shí)還表現(xiàn)出具有非常好的互補(bǔ)性的輻射圖。本發(fā)明還提出了一種利用輻射分集來(lái)接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備,具有相對(duì)較低的制造成本。
因此,本發(fā)明的主題是一種利用輻射分集接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備,其特征在于所述設(shè)備在通用襯底上包括由封閉曲線形成的至少一個(gè)槽型的天線,與第一供電線進(jìn)行電磁耦合;以及與襯底平行地進(jìn)行輻射的天線,例如在橫模或類似模式下操作的單極型、螺旋線型,位于槽型天線內(nèi)并與第二供電線相連,所述第一和第二供電線通過(guò)切換裝置與利用電磁波的裝置相連。
上述用于接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備利用了以下事實(shí)由封閉曲線形成的槽型天線(此后稱之為槽型天線)以及工作在橫模下的單極或螺旋線型的天線表現(xiàn)出實(shí)質(zhì)上全向的輻射圖,其中最小值分別針對(duì)槽型天線位于襯底的平面中,而針對(duì)其他天線,則沿著單極或螺旋線的軸。因此,從一個(gè)天線到另一天線的切換允許對(duì)通過(guò)天線的信道響應(yīng)進(jìn)行修改,并且使系統(tǒng)受益于分集增益。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例,按照微帶技術(shù)或共面技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)第一供電線。此外,第一供電線的末端和電磁耦合點(diǎn)之間的長(zhǎng)度等于kλm/4,其中k是奇整數(shù),而λm是在具有λm=λ0/ϵreff]]>的中心工作頻率處的供電線上的導(dǎo)波波長(zhǎng),其中λ0是自由空間長(zhǎng)度,而εreff是所述線的有效介電常數(shù)。按照微帶技術(shù)或由同軸線來(lái)實(shí)現(xiàn)第二供電線。當(dāng)按照微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)所述線時(shí),在處于槽的外部部分和內(nèi)部的部分之間的槽型天線處進(jìn)行連接,例如,由具有等于按照微帶技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的線的寬度的大約2到3倍的寬度的導(dǎo)電插件來(lái)形成所述連接,從而不與提供激勵(lì)的微帶線的操作相互干擾。此外,為了使由于導(dǎo)電連接的存在而造成的槽型天線的槽內(nèi)的干擾最小,所述連接位于針對(duì)槽的電短路電路平面中,因此,所述平面是提供單極或螺旋線天線的激勵(lì)的微帶線與所述槽型天線相交的平面。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例,所述槽型天線由圓形的環(huán)形槽形成,或者由周長(zhǎng)等于k’λs的封閉曲線形成,其中k’是整數(shù),λs是工作頻率處的槽中的波長(zhǎng),和/或由諸如方形和矩形的多邊形槽形成。根據(jù)本發(fā)明的另一特征,利用輻射分集來(lái)接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備可以包括彼此互鎖的多個(gè)槽型天線,從而加寬操作頻帶或允許多帶應(yīng)用。
通過(guò)閱讀參考附圖所示出的各個(gè)實(shí)施例的描述,本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯,其中,-圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的示意透視圖,-圖2和3分別是第一實(shí)施例的橫截面圖和頂視圖,-圖4和5分別示出了針對(duì)根據(jù)圖1到3的設(shè)備,單極和槽型天線的輻射圖的透視圖,-圖6示出了以dB為單位繪制的S參數(shù)的曲線,所述S參數(shù)是針對(duì)根據(jù)圖1到3的設(shè)備的不同“端口”之間的頻率的函數(shù),-圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例的橫截面圖,-圖8是針對(duì)第二實(shí)施例的與圖6所示曲線相同的曲線,-圖9和10示出了針對(duì)根據(jù)圖7的設(shè)備的槽和單極天線的輻射圖。
具體實(shí)施例方式
為了簡(jiǎn)化描述,在附圖中,相同元件帶有相同的參考符號(hào)。
如圖1到3所示,用于接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備基本上包括槽型天線1,由封閉曲線,更特別的是環(huán)形槽形成;天線2,與槽的平面平行地輻射,即所示實(shí)施例中的單極。單極2位于槽型天線1的中心。更具體地,如圖2和3所示,本發(fā)明的設(shè)備包括由其頂部表面已經(jīng)金屬化的介電材料3制成的襯底。通過(guò)脫去圍繞成圓的金屬層4的金屬來(lái)構(gòu)造環(huán)形槽1,所述圓的直徑取決于設(shè)備的工作波長(zhǎng),更具體地,所述圓的周長(zhǎng)等于k’λs,其中λs是處于工作頻率下的槽中的波長(zhǎng),而k’是整數(shù)。
另外,在環(huán)形槽的中心處設(shè)置了直徑為D的圓形開(kāi)口5。該開(kāi)口容納還經(jīng)過(guò)襯底3的、在其中心部分中的單極2。在單極2下,在襯底3的底面上設(shè)置了環(huán)形金屬安裝盤(pán)5。更具體地,如圖3所示,根據(jù)由Knorr所描述的方法,由與端口1相連的微帶線6來(lái)激勵(lì)環(huán)形槽1。在襯底的底面上構(gòu)造該微帶線6。在其自由端6’和與槽2的電磁耦合點(diǎn)之間,其具有長(zhǎng)度Lm=kλm/4,其中,λm是在線上的波長(zhǎng),而k是奇整數(shù)。
類似地,在所示的實(shí)施例中,由微帶線7來(lái)激勵(lì)單極2。
如圖3所示,為了確保針對(duì)激勵(lì)單極2的微帶線7的接地平面的連續(xù)性,在形成環(huán)形槽1的內(nèi)盤(pán)和外環(huán)之間進(jìn)行連接。利用具有寬度w的導(dǎo)電插件8來(lái)進(jìn)行該連接,所述寬度w足夠大(其寬度等于提供激勵(lì)的印制線的寬度的大約2到3倍),以使其不與提供激勵(lì)的微帶線的操作發(fā)生干擾。為了使由于該金屬插件的存在而造成的在環(huán)形槽處的干擾最小,所述金屬插件位于針對(duì)槽的電短路平面中,因此,該平面是提供單極的激勵(lì)的線與環(huán)形槽相交的平面。
如圖4和5所示,環(huán)形槽1和單極2表現(xiàn)出實(shí)質(zhì)上全向的并且相對(duì)互補(bǔ)的輻射特性,其中,對(duì)于環(huán)形槽,最小值m位于襯底的平面中(在這種情況下,沿著軸ox),而對(duì)于單極,則沿著單極的軸(在這種情況下,是軸oz)。因此,從一個(gè)端口向另一個(gè)端口的切換(利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的切換設(shè)備,例如開(kāi)關(guān),位于用于提供線6和7和用于處理信號(hào)的部分之間,由諸如信號(hào)電平、信噪比之類的控制信號(hào)來(lái)控制)允許對(duì)通過(guò)天線的信道響應(yīng)進(jìn)行修改,并且使系統(tǒng)受益于分集增益。因此,例如,如果主導(dǎo)接收信號(hào)沿ox軸到達(dá),將表示通過(guò)切換到與單極相連的入口,經(jīng)由與槽相連的入口來(lái)接收弱信號(hào),極有可能的是,假定方向ox與單極圖中的最大值相對(duì)應(yīng),將接收具有相當(dāng)大的電平的信號(hào)??梢詫?duì)稱輻角應(yīng)用于主導(dǎo)信號(hào)沿oz軸到達(dá)的情況,例如,在多級(jí)通信的情況下。
在這種情況下,在環(huán)形槽1和單極2之間的耦合保持為較弱,假定i)輻射圖的互補(bǔ)性(輻射圖之一的最大值的方向沿另一輻射圖的最小值的方向);(ii)由槽和單極天線所發(fā)射的場(chǎng)的正交性。
因此,可以期望最小相互干擾位于兩個(gè)輻射元件之間,即使其幾乎占據(jù)了相同的物理空間。
為了確保諸如上述的發(fā)射/接收設(shè)備的正確操作,已經(jīng)針對(duì)在大約5.8GHz的中心頻率處的操作,完全地選擇了該發(fā)射/接收設(shè)備的尺寸,然后,利用來(lái)自Ansoft的HFSS仿真包對(duì)其進(jìn)行了仿真。參考在圖1到3中的示意圖,由環(huán)形槽1和單極2所產(chǎn)生的天線系統(tǒng)具有以下尺寸·Rint=6.4mm(槽的內(nèi)徑)·Rext=6.8mm(槽的外徑)·Ws=0.4mm(槽的寬度,Ws=Rext-Rint)·Wm1=0.3mm(給槽供電的微帶線的寬度)·lm1=8.25mm(給端口1和線/槽轉(zhuǎn)換之間的槽供電的微帶線的長(zhǎng)度)·lm1’=8.25mm(給線/槽轉(zhuǎn)換和處于開(kāi)路的線的末端之間的槽供電的微帶線的長(zhǎng)度)·D=2mm(在槽的中心處脫去金屬的直徑)·L=13.21mm(單極的長(zhǎng)度)·□=30mm(接地平面的直徑)·□monopole=1mm(形成單極的金屬導(dǎo)線的直徑)·Wm2=0.2mm(給單極供電的微帶線的寬度)·lm2=8.4mm(給端口2和線/槽轉(zhuǎn)換之間的單極供電的微帶線的長(zhǎng)度)·lm2’=8.8mm·插件1.2mm長(zhǎng)(或者槽長(zhǎng)度的3%)·將直徑為2mm的金屬盤(pán)放置在單極下(這有利于該單極與其供電線的焊接)所使用的襯底由具有相對(duì)介電常數(shù)□r=3.38和厚度h=0.81mm的Rogers 4003制成。
圖6示出了在給環(huán)形槽供電的線的輸入處的反射效率(S11)和給單極供電的線的輸入處的反射效率(S22)、以及在兩個(gè)端口1和2之間的耦合效率(S21)的仿真結(jié)果??梢杂^察到兩個(gè)天線的較好匹配,以及在兩個(gè)入口之間好于19dB的隔離,盡管兩個(gè)輻射元件,即,槽1和單極2極其靠近。
在這種情況下,在圖4和5中分別示出了在單極和環(huán)形槽入口處所獲得的輻射圖。盡管單極圖略微失真,但可以觀察到,天線系統(tǒng)仍然按照需要進(jìn)行操作,換句話說(shuō),實(shí)質(zhì)上是全向的互補(bǔ)圖案,最小值對(duì)于單極沿著oz軸,而對(duì)于環(huán)形槽位于ox軸。
如圖7所示,根據(jù)一種變體,由在端口2處相連的同軸線來(lái)激勵(lì)單極。在該變體2中,單極的激勵(lì)位于襯底接地平面9一側(cè)上。在這種情況下,在襯底3的下表面上形成接地平面9。在該接地平面上形成由環(huán)形槽1所構(gòu)成的天線?,F(xiàn)在,在襯底的上表面上實(shí)現(xiàn)了由微帶線6所形成的供電線,產(chǎn)生如先前實(shí)施例中所示的激勵(lì)。已經(jīng)利用來(lái)自Ansoft的HFSS包,對(duì)如下所示的特定實(shí)現(xiàn)尺寸執(zhí)行了專用于該變體的仿真·Rint=6.4mm(槽的內(nèi)徑)·Rext=6.8mm(槽的外徑)·Ws=0.4mm(槽的寬度,Ws=Rext-Rint)·Wm1=0.3mm(給槽供電的微帶線的寬度)·lm1=8.25mm(給端口1和線/槽轉(zhuǎn)換之間的槽供電的微帶線的長(zhǎng)度)·lm1’=8.25mm(給線/槽轉(zhuǎn)換和處于開(kāi)路的線的末端之間的槽供電的微帶線的長(zhǎng)度)
·D=2mm(在槽的中心處脫去金屬的直徑)·L=12.4mm(單極的長(zhǎng)度)·□=30mm(接地平面的直徑)·□monopole=1mm(形成單極的金屬導(dǎo)線的直徑)所使用的襯底由具有相對(duì)介電常數(shù)□r=3.38和厚度h=0.81mm的Rogers 4003制成。
圖8中示出了兩個(gè)入口處的匹配、以及兩個(gè)端口之間的隔離。曲線S21示出了較好的隔離,而曲線S11和S22示出了在5.8GHz的工作頻率處的較好匹配。圖9和10分別示出了在如上所述的用于發(fā)射和/接收電磁波的設(shè)備的槽和單極入口處的輻射圖。可以觀察到,利用同軸線的單極激勵(lì)具有避免了單極和槽型天線的激勵(lì)線的交叉的優(yōu)點(diǎn),示出了比由微帶線進(jìn)行激勵(lì)的情況更好的隔離(大于22dB的隔離),并且單極圖不再發(fā)生失真。以增加天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的代價(jià)(在襯底的相對(duì)面上的具有不同類型的槽和單極入口同軸線和微帶線)獲得了該優(yōu)點(diǎn)。
另外的修改可以包括諸如作為單極的替代,使用在橫模下操作的螺旋線,使用雙槽或多槽,以便加寬頻帶或用于多帶應(yīng)用,替代Knorr型供電,使用槽的切線供電,并且使用環(huán)形槽的變形以進(jìn)一步減小其尺寸,其中,該環(huán)形槽還可以采用方形、矩形或其他多邊形的形式,同時(shí)仍然保持在以上所給出的定義的范圍內(nèi)。類似地,單極或螺旋線可以由相同類型的天線來(lái)替代,所述天線位于槽型天線的中心,并且按照與襯底平行的方向進(jìn)行輻射。可以將槽型天線的供電線實(shí)現(xiàn)為微帶技術(shù)或共面技術(shù)中的線。另外,在環(huán)形槽的情況下,槽型天線可以具有諸如凹口等裝置,以使其在交叉極化的模式下操作。
權(quán)利要求
1.一種利用輻射分集接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備,其特征在于所述設(shè)備在通用襯底(3)上包括由封閉曲線形成的至少一個(gè)槽型的天線(1),被稱為槽型天線,與第一供電線(6)進(jìn)行電磁耦合;以及與襯底(2)平行地進(jìn)行輻射的天線(2),位于槽型天線內(nèi)并與第二供電線(7)相連,所述第一和第二供電線通過(guò)切換裝置與利用電磁波的裝置相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其特征在于按照微帶技術(shù)或共面技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)第一供電線(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備,其特征在于第一供電線(6)的末端和電磁耦合點(diǎn)之間的長(zhǎng)度等于kλm/4,其中k是奇整數(shù),而λm是在具有λm=λ0/ϵreff]]>的中心工作頻率處的供電線上的導(dǎo)波波長(zhǎng),其中λ0是自由空間長(zhǎng)度,而εreff是所述線的有效介電常數(shù)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一個(gè)所述的設(shè)備,其特征在于按照微帶技術(shù)或由同軸線來(lái)實(shí)現(xiàn)第二供電線(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備,其特征在于當(dāng)按照微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)所述線時(shí),在處于槽的外部的部分和處于內(nèi)部的部分之間的槽型天線處進(jìn)行連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備,其特征在于由具有等于按照微帶技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的線的寬度的2到3倍的寬度的導(dǎo)電插件8來(lái)形成所述連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5和6任一個(gè)所述的設(shè)備,其特征在于所述連接位于針對(duì)槽的電短路電路平面中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7任一個(gè)所述的設(shè)備,其特征在于所述槽型天線由圓形的環(huán)形槽形成,或者由等于k’λs的周長(zhǎng)的封閉曲線形成,其中λs是在工作頻率處的槽中的波長(zhǎng),并且k’是整數(shù),或者由諸如方形和矩形的多邊形槽形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8任一個(gè)所述的設(shè)備,其特征在于與襯底平行地進(jìn)行輻射的天線(2)由工作在橫模下的單極或螺旋線形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備,其特征在于所述設(shè)備可以包括彼此互鎖的多個(gè)槽型天線。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10的任一個(gè)所述的設(shè)備,其特征在于與襯底平行地進(jìn)行輻射的天線(2)位于一個(gè)或多個(gè)槽型天線的中心處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用輻射分集來(lái)接收和/或發(fā)射電磁波的設(shè)備。所述設(shè)備在通用襯底(3)上包括由封閉曲線形成的至少一個(gè)槽型的天線(1),被稱為槽型天線,與第一供電線(6)進(jìn)行電磁耦合;以及與襯底(2)平行地進(jìn)行輻射的天線(2),位于槽型天線內(nèi)并與第二供電線(7)相連,所述第一和第二供電線通過(guò)切換裝置與利用電磁波的裝置相連。所述設(shè)備尤其可以應(yīng)用于無(wú)線傳輸領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01Q9/32GK1615561SQ03802239
公開(kāi)日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月14日
發(fā)明者弗蘭克·圖朵, 阿里·盧齊耳, 菲利普·米納爾, 弗朗索瓦絲·萊博熱 申請(qǐng)人:湯姆森許可貿(mào)易公司