陣列天線及其圓極化天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陣列天線，其包括若干按照一定規(guī)律排列的圓極化天線，所述圓極化天線包括一平面狀接地層、與接地層相平行的一輻射單元及安裝在接地層上的信號傳輸線。所述接地層上設(shè)有一安裝孔，信號傳輸線包括電性絕緣地經(jīng)過安裝孔并沿大致垂直于接地層方向延伸的中心導(dǎo)線以及電性連接至接地層的接地導(dǎo)線，輻射單元面向接地層設(shè)有供中心導(dǎo)線耦合的饋入點(diǎn)，所述陣列天線上的若干圓極化天線共享同一接地層。
【專利說明】陣列天線及其圓極化天線
[0001]【【技術(shù)領(lǐng)域】】
本發(fā)明是關(guān)于一種圓極化天線和具有該圓極化天線的陣列天線，尤其是涉及一種用于傳輸毫米波的圓極化天線和具有該圓極化天線的指向性陣列天線。
[0002]【【背景技術(shù)】】
隨著數(shù)據(jù)交換速率需求的不斷提升，特別是全高清視頻傳輸需求的出現(xiàn)，基于厘米波的無線傳輸技術(shù)已逐漸不能滿足需求。從21世紀(jì)初開始，無線通訊領(lǐng)域?qū)诤撩撞?，特別是60GHz頻段毫米波無線通訊技術(shù)的研究取得了顯著的進(jìn)步，相對于IEEE 802.11 a/b/g/n使用的2.4GHz頻段和5GHz頻段而言，60GHz頻段擁有更多的可用帶寬。
[0003]請參閱2010年11月9日公告的美國專利第US 7，830，312號，該專利揭示了一種應(yīng)用在60GHz頻段的毫米 波天線，所述毫米波天線包括平行設(shè)置的第一襯底及第二襯底，第一襯底及第二襯底上分別設(shè)有陣列天線。為了使分別位于第一襯底及第二襯底上的陣列天線之間耦合在一起，該毫米波天線采用了若干由金屬材料構(gòu)成的通孔連接在兩者之間，這種組裝方法首先要求將第一襯底及第二襯底上的若干陣列天線與若干通孔分別對齊，這種通過金屬線路實(shí)現(xiàn)不同平面之間信號傳輸?shù)年嚵刑炀€組裝過程較為復(fù)雜。
[0004]【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，衰減量小的陣列天線。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種陣列天線，其包括一平面狀接地層，與接地層平行設(shè)置的一信號輻射體及一信號傳輸線，所述接地層上設(shè)有一安裝孔，信號傳輸線包括中心導(dǎo)線及電性連接至接地層的接地導(dǎo)線，所述中心導(dǎo)線電性絕緣地經(jīng)過所述安裝孔沿大致垂直于接地層方向朝信號輻射體延伸，信號輻射體包括若干間隔設(shè)置并平行于接地層的輻射單元，所述輻射單元朝接地層垂直延伸設(shè)有與中心導(dǎo)線耦合的輻射柱。
[0006]所述信號輻射體還包括設(shè)置在接地層與輻射單元之間的反射層，反射層上設(shè)有若干通孔可容納輻射柱通過。
[0007]所述接地層與反射層的周邊圍設(shè)有將兩者相連的金屬側(cè)緣，接地層、反射層及金屬側(cè)緣三者大致構(gòu)成一封閉的輻射空間。
[0008]所述輻射單元大致成圓形并于該圓形的周邊設(shè)有一對對稱的凹口，所述若干輻射單元位于同一平面。
[0009]所述輻射柱偏離輻射單元的中心并與中心導(dǎo)線平行。
[0010]輻射柱設(shè)置在以中心導(dǎo)線為軸心的圓周上，與中心導(dǎo)線距離相同的若干輻射柱將其所在的圓周等分。
[0011 ] 與中心導(dǎo)線距離相同的輻射柱具有相同的長度。
[0012]所述輻射柱的長度隨著離中心導(dǎo)線的距離增加而增加，但始終輻射單元與接地層之間的距離。
[0013]本發(fā)明的目的還在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單的陣列圓極化天線。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種圓極化天線，其包括一平面狀接地層，與接地層平行設(shè)置的一輻射單元，及一信號傳輸線，所述接地層設(shè)有一安裝孔，信號傳輸線包括電性絕緣地經(jīng)過安裝孔并沿大致垂直于接地層方向延伸的中心導(dǎo)線以及電性連接至接地層的接地導(dǎo)線，所述輻射單元面向接地層設(shè)有供中心導(dǎo)線耦合的饋入點(diǎn)。
[0015]所述輻射單元大致成圓形并于該圓形的周邊設(shè)有一對對稱的凹口，所述輻射單元偏離其中心垂直延伸設(shè)有輻射柱，所述饋入點(diǎn)系位于輻射柱上。
[0016]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所揭示的陣列天線及其圓極化天線因具有簡單的結(jié)構(gòu)而易于組裝，且具有在較大的帶寬范圍內(nèi)衰減量小的優(yōu)點(diǎn)。
[0017]【【專利附圖】

【附圖說明】】
圖1為符合本發(fā)明圓極化天線的立體分解圖。
[0018]圖2為圖1所示圓極化天線軸化比率隨操作頻率變化的模擬曲線圖。
[0019]圖3為圖1所示圓極化天線的峰值增益與操作頻率之間的關(guān)系示意圖。
[0020]圖4為圖1所示圓極化天線的輻射場型圖。
[0021]圖5為圖1所示圓極化天線的史密斯圖(Smith Chart)。
[0022]圖6為圖1所示圓極化天線的回波損耗隨操作頻率變化的模擬曲線圖。
[0023]圖7為符合本發(fā)明第一實(shí)施方式的陣列天線的立體分解圖。
[0024]圖8為圖7所示陣列天線另一視角的立體分解圖。
[0025]圖9為圖7所示陣列天線的仰視圖。
[0026]圖10為圖9所示陣列天線沿A-A方向的剖視圖。
[0027]圖11為圖7所示陣列天線的軸化比率隨操作頻率變化的模擬曲線圖。
[0028]圖12為圖7所示陣列天線的峰值增益與操作頻率之間的關(guān)系示意圖。
[0029]圖13為符合本發(fā)明第二實(shí)施方式的陣列天線的仰視圖。
[0030]圖14為符合本發(fā)明第三實(shí)施方式的陣列天線的仰視圖。
[0031]圖15為圖13及圖14所示不同陣列天線軸化比率隨操作頻率變化對比圖。
[0032]圖16為圖13及圖14所示不同陣列天線峰值增益隨操作頻率變化曲線對比圖。
[0033]圖17為符合本發(fā)明第四實(shí)施方式的陣列天線的仰視圖。
[0034]圖18為圖17所示陣列天線的軸化比率隨操作頻率變化的模擬曲線圖。
[0035]圖19為圖17所示陣列天線的峰值增益與操作頻率之間的關(guān)系示意圖。
[0036]圖20為符合本發(fā)明第五實(shí)施方式的陣列天線的仰視圖。
[0037]圖21為圖20所示陣列天線的軸化比率隨操作頻率變化的模擬曲線圖。
[0038]圖22為圖20所示陣列天線的峰值增益與操作頻率之間的關(guān)系示意圖。
[0039]圖23為符合本發(fā)明第六實(shí)施方式的陣列天線的仰視圖。
[0040]圖24為符合本發(fā)明第七實(shí)施方式的陣列天線的仰視圖。
[0041]圖25為圖23所示符合本發(fā)明第六實(shí)施方式的陣列天線的側(cè)視圖。
[0042]圖26為圖23及圖24所示不同陣列天線的軸化比率隨操作頻率變化的模擬曲線圖。
[0043]圖27為圖23及圖24所示不同陣列天線的峰值增益隨操作頻率變化的模擬曲線圖。
[0044]【【具體實(shí)施方式】】
本發(fā)明所揭示的圓極化天線及其陣列天線工作于極高頻無線網(wǎng)絡(luò)用以收發(fā)60GHz頻段對應(yīng)的毫米波信號。如圖1所示為符合本發(fā)明的圓極化天線100包括一由片狀金屬構(gòu)成的平面狀接地層40、與接地層40相平行的一輻射單元30及安裝在接地層40上的信號傳輸線5。
[0045]所述接地層40上設(shè)有安裝孔401，信號傳輸線5包括經(jīng)過該安裝孔401的中心導(dǎo)線51、電性連接至接地層40的接地導(dǎo)線52、位于接地導(dǎo)線52與中心導(dǎo)線51之間的第一絕緣層53及包覆在接地導(dǎo)線52外的第二絕緣層50，中心導(dǎo)線51沿大致垂直于接地層40的方向朝輻射單元30延伸。
[0046]所述輻射單元30大致成片狀的圓形并在其周邊設(shè)有一對凹口 302，該凹口 302沿輻射單元30的中心對稱設(shè)置。輻射單元30偏離其中心朝接地層40垂直延伸設(shè)有輻射柱311。高頻信號直接從輻射柱311上的任意位置作為饋入點(diǎn)輸入，中心導(dǎo)線51與輻射柱311中間不需要波導(dǎo)。中心導(dǎo)線51與輻射柱311均系由柱狀金屬構(gòu)成，是以，中心導(dǎo)線51的末端直接與輻射單元30電性接觸以替代輻射柱311也能形成圓極化天線(未圖示)。
[0047]圖2所示為圓極化天線100在主波束方向上的軸化比率與操作頻率之間關(guān)系的模擬曲線圖，從圖中可以看出，單一的輻射單元30在約為59.35 GHz至60.70 GHz之間的頻段內(nèi)，其主波束方向上的軸化比率低于2 dB，也可以理解為本發(fā)明所揭示的圓極化天線100對應(yīng)軸化比率為2 dB的頻寬約為1.35 GHz。
[0048]圖3所示為圓極化天線100的峰值增益(Peak Gain)在50 GHz至70 GHz頻段內(nèi)的模擬曲線圖，其中測試曲線801為理論峰值增益，測試曲線802系為計(jì)算反射損失后的峰值增益，從圖中可以看出，符合本發(fā)明的輻射單元30在增益為10以上具有較寬的頻寬。
[0049]圖4所示為圓極化天線100的輻射場型模擬曲線，其中測試曲線803為水平面上的輻射場型示意曲線，測試曲線804是豎直方向上的輻射場型示意曲線，可見，符合本發(fā)明的輻射單元30在整個空間上均具有較好的輻射效果。圖5所示為圓極化天線100在60 GHz頻段左右的史密斯圖(Smith Chart)，圖6所示為圓極化天線100在50 GHz至70 GHz頻段的回波損耗與頻率的關(guān)系模擬曲線圖，從第6圖可看出，該圓極化天線100對應(yīng)天線的回波損耗小于-10 dB的頻寬大約從57.7 GHz到67.8 GHz0
[0050]請參考圖7至圖10，綜合所示為符合本發(fā)明所提供的第一實(shí)施方式的陣列天線1000，所述陣列天線1000包括一接地層40、與接地層40相平行的一信號輻射體200及安裝在接地層40上的信號傳輸線5。為了獲得較好的收發(fā)效果，本實(shí)施方式中，接地層40系來自一接地輻射體400。
[0051]所述接地輻射體400包括所述接地層40以及自接地層40整個周邊朝信號輻射體200延伸的環(huán)狀側(cè)緣42，環(huán)狀側(cè)緣42內(nèi)部形成一空腔60，接地輻射體400還包括填充在空腔60內(nèi)的絕緣材料41。絕緣材料41朝信號輻射體200開設(shè)有若干固持孔410，然，絕緣材料41作為一種波導(dǎo)載體并非系本發(fā)明的必要特征，在其它實(shí)施方式中本發(fā)明還可選擇性地使用空氣作為波導(dǎo)。
[0052]信號輻射體200包括間隔設(shè)置在以中心導(dǎo)線51為軸心的第一圓周(未圖示)上的六個輻射單元30，以及設(shè)置在接地層40與輻射單元30之間的一反射層20，所述反射層20上對應(yīng)輻射單元30設(shè)有若干通孔201，所述輻射單元30朝接地層40延伸設(shè)有穿過通孔201的輻射柱301，輻射柱301被設(shè)置成在空間上與中心導(dǎo)線51平行耦合。反射層20與所述接地層40及其環(huán)狀側(cè)緣42構(gòu)成一大致封閉的空間以減少高頻信號的散逸損失，有益于輻射柱301及中心導(dǎo)線51之間的信號傳輸。優(yōu)選地，該等六個輻射單元30的輻射柱301將所述第一圓周等分為六份。
[0053]如圖11所示為陣列天線1000在其主波束方向上的軸化比率與天線操作頻率之間關(guān)系的模擬曲線圖，從圖中可以看出，陣列天線1000在約為59.20 GHz至60.85 GHz之間的頻段內(nèi)，其主波束方向上的軸化比率低于2 dB。結(jié)合圖2可以看出，將六個輻射單元30陣列所得的陣列天線1000對應(yīng)軸化比率為2 dB的頻寬相對于圓極化天線100對應(yīng)軸化比率為2 dB的頻寬增加了 0.3 GHz，該改善從圖12中可以更為明顯的看出，圖12是符合本發(fā)明陣列天線1000的峰值增益(Peak Gain)在50 GHz至70 GHz頻段內(nèi)的仿真圖，其中測試曲線805為理論峰值增益，測試曲線806表示包括反射損失在內(nèi)的增益值，明顯地，第一實(shí)施方式的增益為10的頻寬幾乎占據(jù)了除66 GHz至67 GHz頻段以外的整個50 GHz至70GHz頻段。
[0054]如圖13所示為符合本發(fā)明的第二實(shí)施方式的仰視圖，是在第一實(shí)施方式的基礎(chǔ)上增加十二個輻射單元23形成在陣列天線1000的外圍以獲得陣列天線2000，輻射單元23設(shè)置在以中心導(dǎo)線51為圓心的第二圓周上(未圖示)，輻射單元23的輻射柱231將所述第二圓周十二等分。所述輻射單元23與所述輻射單元30形狀大小相同，但所延伸出的輻射柱231長度稍大于福射柱301的長度,長度關(guān)系可參考圖25。福射單兀23具有與福射單兀30的凹口 302相同大小的對稱設(shè)置的一對凹口 232，所述凹口 302與凹口 232的開口方向—致。
[0055]圖14是符合本發(fā)明的第三實(shí)施方式的仰視圖，該實(shí)施方式所揭示的陣列天線2001是在第二實(shí)施方式的基礎(chǔ)上將凹口 232的指向調(diào)整為與凹口 302垂直，其余特征與第二實(shí)施方式中的陣列天線2000相同。
[0056]圖15是本發(fā)明第二實(shí)施方式所揭示的陣列天線2000及第三實(shí)施方式所揭示的陣列天線2001的軸化比率與天線操作頻率之間關(guān)系的仿真曲線對比圖，其中測試曲線901是對應(yīng)第二實(shí)施方式的陣列天線2000，測試曲線902對應(yīng)第三實(shí)施方式的陣列天線2001，籍此可以看出，第三實(shí)施方式在軸化比率小于2 dB的頻寬上優(yōu)于第二實(shí)施方式。圖16是符合本發(fā)明的第二實(shí)施方式與第三實(shí)施方式在57 GHz至63 GHz頻段內(nèi)的增益曲線對比圖，其中測試曲線903是第二實(shí)施方式的增益隨頻率變化圖，測試曲線904是第三實(shí)施方式的增益隨頻率變化圖。
[0057]第圖17是符合本發(fā)明的第四實(shí)施方式的仰視圖，在第二實(shí)施方式的基礎(chǔ)上增加十八個輻射單元33形成在第二實(shí)施方式的外圍以形成陣列天線3000，輻射單元33設(shè)置在以中心導(dǎo)線51為圓心的第三圓周上(未圖示)，輻射單元33同樣設(shè)有偏離中心的輻射柱331并將所述第三圓周十八等分。所述輻射單元33與所述輻射單元30及輻射單元23的形狀大小相同，但是，所延伸出的輻射柱331長度稍大于輻射柱231的長度，可直接參考圖25所示的長度關(guān)系。輻射單元33具有與輻射單元30的凹口 302相同大小且對稱設(shè)置的一對凹口 332，所述陣列天線3000上的凹口 332與凹口 232及凹口 302的開口方向一致。
[0058]圖18是符合本發(fā)明第四實(shí)施方式的陣列天線3000的軸化比率與操作頻率之間的模擬曲線圖，圖19是符合本發(fā)明第四實(shí)施方式的陣列天線3000的峰值增益在57 GHz至63GHz頻段內(nèi)隨頻率變化的模擬曲線圖，可見第四實(shí)施方式在57 GHz至63 GHz頻段上的增益可以達(dá)到16以上。
[0059]如圖20所示，為符合本發(fā)明第五實(shí)施方式的陣列天線3001，是從第四實(shí)施方式中，調(diào)整第二圓周上的輻射單元23的凹口 232的指向至與凹口 302及凹口 332的指向垂直所得。與陣列天線3000相比，第五實(shí)施方式是將位于中間第二圓周上的輻射單元23的凹口 232繞輻射柱231旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)，但是，籍此調(diào)整，可獲得更為理想的陣列天線。圖21是第五實(shí)施方式所描述的陣列天線3001的軸化比率隨頻率變化的模擬曲線圖，將圖21與圖18比較可明顯看出，經(jīng)過凹口 232指向改變之后的陣列天線軸化比率可以在57 GHz至63GHz頻段內(nèi)整體降低到4dB以下。圖22是第五實(shí)施方式的峰值增益在57 GHz至63 GHz頻段內(nèi)隨頻率變化的仿真圖，可見第五實(shí)施方式在57 GHz至63 GHz頻段上的增益可以進(jìn)一步提聞到22以上。
[0060]圖23所示為符合本發(fā)明第六實(shí)施方式的陣列天線4000，陣列天線4000是在第四實(shí)施方式的基礎(chǔ)上再增加二十四個輻射單元43，輻射單元43設(shè)置在以中心導(dǎo)線51為圓心的第四圓周上(未圖示)，輻射單元43設(shè)有偏離中心的輻射柱431并將所述第四圓周等分為二十四份。所述輻射單元43與所述輻射單元30的形狀大小相同，所延伸出的輻射柱431長度稍大于輻射柱331的長度但始終小于輻射單元43與接地層40之間的距離，為更清楚的體現(xiàn)出陣列天線5000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在圖25中將環(huán)狀側(cè)緣42消除或隱藏，但是，容易想到的是，在符合本發(fā)明的各實(shí)施例中，空腔60以周邊封閉屏蔽為最佳選擇。所述輻射單元43具有與輻射單元30上的凹口 302相同大小且對稱設(shè)置的一對凹口 432，所述凹口 432的指向平行于凹口 332、凹口 232及凹口 302的指向。
[0061]圖24是符合本發(fā)明第七實(shí)施方式的陣列天線5000，是由第六實(shí)施方式改良所得，是將陣列天線4000中第四圓周(未圖示)上的輻射單元43繞輻射柱431旋轉(zhuǎn)至凹口 432的開口方向垂直于凹口 332的開口方向，同時，將第二圓周上的輻射單元23繞輻射柱231旋轉(zhuǎn)至凹口 232的開口方向垂直于凹口 302的開口方向，其中凹口 302的開口方向是與凹口332的開口方向平行。
[0062]圖26是符合本發(fā)明第六實(shí)施方式及第七實(shí)施方式的軸化比率與天線操作頻率之間關(guān)系的模擬曲線對比圖，其中測試曲線905是對應(yīng)陣列天線4000，測試曲線906對應(yīng)陣列天線5000，從該圖中可以看出，陣列天線5000在軸化比率小于2 dB的頻寬上優(yōu)于陣列天線4000。圖27是符合本發(fā)明第六實(shí)施方式及第七實(shí)施方式的天線在57 GHz至63 GHz頻段內(nèi)的增益曲線仿真圖，其中測試曲線907是陣列天線4000的增益隨頻率變化圖，測試曲線908是陣列天線5000的增益隨頻率變化圖，由圖可見，第七實(shí)施方式的陣列天線5000在57GHz至63 GHz頻段內(nèi)增益值均大于23優(yōu)于第六實(shí)施方式的陣列天線4000。
[0063]綜合以上實(shí)施方式的測試結(jié)果可以預(yù)見，陣列的輻射單元越多，天線的效果越好。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所揭示的陣列天線結(jié)構(gòu)簡單，衰減量小。在極高頻無線網(wǎng)絡(luò)中，具有較好的增益效果及較理想的帶寬。
【權(quán)利要求】
1.一種陣列天線，其包括一平面狀接地層，與接地層平行設(shè)置的一信號輻射體及一信號傳輸線，所述接地層上設(shè)有一安裝孔，信號傳輸線包括中心導(dǎo)線及電性連接至接地層的接地導(dǎo)線，其特征在于，所述中心導(dǎo)線電性絕緣地經(jīng)過所述安裝孔沿大致垂直于接地層方向朝信號輻射體延伸，信號輻射體包括若干間隔設(shè)置并平行于接地層的輻射單元，所述輻射單元朝接地層垂直延伸設(shè)有與中心導(dǎo)線耦合的輻射柱。
2.如權(quán)利要求1所述的陣列天線，其特征在于:所述信號輻射體還包括設(shè)置在接地層與輻射單元之間的反射層，反射層上設(shè)有若干通孔可容納輻射柱通過。
3.如權(quán)利要求2所述的陣列天線，其特征在于:所述接地層與反射層的周邊圍設(shè)有將兩者相連的金屬側(cè)緣，接地層、反射層及金屬側(cè)緣三者大致構(gòu)成一封閉的輻射空間。
4.如權(quán)利要求1所述的陣列天線，其特征在于:所述輻射單元大致成圓形并于該圓形的周邊設(shè)有一對對稱的凹口，所述若干輻射單元位于同一平面。
5.如權(quán)利要求1所述的陣列天線，其特征在于:所述輻射柱偏離輻射單元的中心并與中心導(dǎo)線平行。
6.如權(quán)利要求1所述的陣列天線，其特征在于:所述輻射柱設(shè)置在以中心導(dǎo)線為軸心的圓周上，與中心導(dǎo)線距離相同的若干輻射柱將其所在的圓周等分。
7.如權(quán)利要求1所述的陣列天線，其特征在于:與中心導(dǎo)線距離相同的輻射柱具有相同的長度。
8.如權(quán)利要求7所述的陣列天線，其特征在于:所述輻射柱的長度隨著離中心導(dǎo)線的距離增加而增加，但始終小于輻射單元與接地層之間的距離。
9.一種圓極化天線，其包括一平面狀接地層，與接地層平行設(shè)置的一輻射單元，及一信號傳輸線，所述接地層設(shè)有一安裝孔，信號傳輸線包括電性絕緣地經(jīng)過安裝孔并沿大致垂直于接地層方向延伸的中心導(dǎo)線以及電性連接至接地層的接地導(dǎo)線，其特征在于:輻射單元面向接地層設(shè)有供中心導(dǎo)線耦合的饋入點(diǎn)。
10.如權(quán)利要求9所述的圓極化天線，其特征在于:所述輻射單元大致成圓形并于該圓形的周邊設(shè)有一對對稱的凹口，所述輻射單元偏離其中心垂直延伸設(shè)有輻射柱，所述饋入點(diǎn)系位于輻射柱上。
【文檔編號】H01Q21/00GK103779668SQ201210397076
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月18日
【發(fā)明者】山口泰一, 林長青, 周銘璋, 侯云程, 張勝哲, 曾俊杰 申請人:富士康(昆山)電腦接插件有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司