同軸耦合縫隙天線的制作方法
【專利摘要】一種裝置，包括一個細長的構件，構件包括布置在構件內的介電材料，如空氣或其它合適的介電材料，并具有軸向布置在介電材料內的微帶。構件可能有一系列的縫隙，其按照預定的間隔放置，每個縫隙具有橫向于微帶布置方向的一部分，并具有平行于微帶布置方向的一部分。在操作中，來自微帶的射頻功率根據(jù)所需的輻射模式輻射出縫隙。一些實施例可以具有貼片天線陣列,所述陣列的放置使其在與縫隙的輻射模式互補的方向上輻射。所述縫隙可以是非對稱或對稱的，以實現(xiàn)所需的輻射模式。一些實施例提供了水平極化的全向輻射。當添加了貼片陣列時，該結構可以提供雙（垂直和水平）極化。
【專利說明】同軸耦合縫隙天線
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般而言涉及天線，特別是微波系統(tǒng)的天線設計。
【背景技術】
[0002]常規(guī)縫隙天線含有通常為平板的金屬表面，并在其上切割出孔或縫隙。當板被驅動頻率作為天線而驅動時，該縫隙輻射出電磁波，其方式與偶極子天線類似。縫隙的形狀和尺寸，以及驅動頻率，確定輻射的分布模式。通常，無線電波是由一個波導提供，并且天線由波導中的縫隙組成。當需要對輻射模式有更大的控制時，在UHF和微波頻率通常使用縫隙天線，而不是線天線?？p隙天線可廣泛應用于雷達天線以及手機基站天線?？p隙天線可以在以下方面提供優(yōu)勢:大小，設計簡單性，穩(wěn)健性，以及制造成本。
[0003]常規(guī)的貼片天線是一個窄頻帶，寬波束天線，它的制作方法是在與絕緣介電基片相接合的微量的金屬上蝕刻出天線元件圖案，例如印刷電路板，并且有連續(xù)的金屬層與基片的另一面結合，形成接地平面。常見的微帶天線的形狀是正方形，長方形，圓形和橢圓形，但其他連續(xù)的形狀也可以實現(xiàn)。一些常規(guī)的貼片天線不使用介電基片，相反，它們包括了使用電介質隔片安裝在底面之上的金屬貼片，這導致了更寬的帶寬。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明公開了一種裝置，包括一個細長的構件，該構件包括一介電材料，如布置在該構件內的空氣或其它合適的介質，以及軸向設置在該介電材料內的微帶。微帶可在電路板上，或可以使用絕緣材料將其放置在構件之內。該構件的寬度可以是所需的操作頻率的波長的大致一半。該構件可能會有一系列的以預定間隔距離布置的縫隙，每個縫隙具有橫向于微帶的布置方向的一部分，以及一個或更多個部分平行于微帶的布置方向。在一些實施例中，縫隙的形狀決定了由縫隙輻射出的功率的量以及輻射的方向。縫隙可以布置在構件的不止一個側面上。
[0005]在操作中，應用于微帶的RF (射頻)功率根據(jù)所需的輻射模式通過縫隙輻射?？p隙可以是非對稱或對稱的，以實現(xiàn)所需的輻射模式。一些實施例中也可能有貼片天線的陣列，其布置使其在與縫隙的輻射模式互補的方向上輻射。貼片陣列和縫隙的組合可以使全向輻射模式得以實現(xiàn)。一些實施例提供了水平極化的全向輻射，并且，當添加了貼片天線陣列時，該結構可以提供雙(垂直和水平)極化。
[0006]本發(fā)明的建造和操作方法以及其額外的目標和優(yōu)勢將從以下描述的具體的實施方案中結合附圖得到最好的理解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1示出了某種概念，其可用于同軸耦合微帶縫隙天線的設計與建造。
[0008]圖2顯示了根據(jù)本披露的同軸耦合微帶縫隙天線的某些方面的實施例。
[0009]圖3顯示了有4個縫隙的支撐結構，每個縫隙具有不同長度的輻射區(qū)域。[0010]圖4示出了根據(jù)本披露的某些方面的同軸耦合微帶縫隙天線實施例。
【具體實施方式】
[0011]發(fā)明的一般性
[0012]本申請應該以其最一般的形式被理解。這包括，但不限于，以下:
[0013]所提及的特定的技術也包括可供選擇的更一般的技術，特別是當討論本發(fā)明的某些方面，或如何做出或使用本發(fā)明時。
[0014]所提及的“首選”的技術通常意味著發(fā)明人打算利用這些技術，并認為它們對于所預期的應用來說是最好的。這并不排除其他技術用于本發(fā)明，并不意味著這些技術一定是必要的或將是在所有情況下的首選。
[0015]所提及的有關一些實施例中的所考慮到的原因和影響，不排除在其他實施例中其他可能的原因或影響。
[0016]所提及的使用特定的技術的理由當情況表明該原因或技術不適用時不排除其他原因或技術，甚至完全相反的原因或技術。
[0017]此外，本發(fā)明不局限于任何特定的實施例和實例所公開了的具體詳情。許多其他的變化是可能的，并且仍然是在本發(fā)明的內容、范圍、和精神之中，而且本領域的技術人員在閱讀這個申請后會了解這些變化。
[0018]如下描述有關部件和安排的具體實例，從而簡化本披露。這些，當然僅僅是例子，并不用來限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在各種實例中重復使用參考數(shù)字和/或字母。這種重復是為了簡潔和明晰的目的，其本身并不能規(guī)定所描述的各實施例和/或配置之間的關系。
[0019]本申請中下列術語和短語應該以其最一般的形式理解。這些術語或短語的一般含義是說明性的，沒有任何限制性。
[0020]術語定義
[0021]術語“天線”，“天線系統(tǒng)”等，泛指任何設計為發(fā)射或接收電磁輻射的轉換器裝置。換句話說，天線把電磁輻射轉換成電流或相反。通常一個天線是一個或更多個導體的排列，其對所被施加的交變電壓和相關的交變電流產(chǎn)生響應，以生成輻射電磁場，或能夠被放置在一個電磁場中，使該場會在天線中引起交變電流，以及天線終端之間的電壓。
[0022]“無線通信系統(tǒng)” 一般是指發(fā)送器和接收器之間的EMF(電磁場)的結合。例如但不限于，許多無線通信系統(tǒng)的操作中，發(fā)送器和接收器使用對頻率約為2.4GHz和5GHz的載波的調制。然而，在本發(fā)明中，沒有特別的理由做出這樣的限制。例如但不限于，無線通信系統(tǒng)的操作可能至少部分地使用極為不同的EMF頻率，例如，ELF (極低頻率)或用光(例如，激光)，其有時被用于衛(wèi)星或航天器通信。
[0023]“接入點”，“AP”，等等，一般是指任何能在無線通信系統(tǒng)中操作的裝置，其中它們的通信之中至少一些可能是與無線站的通信。例如，一個“AP”可以是一個裝置，其能夠與無線站進行無線通信，可與其他AP進行有線或無線通信，并且能夠與控制單元進行有線或無線通信。此外，一些例子中AP可能使用L2/L3網(wǎng)絡(例如，外聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)，或內部網(wǎng))與無線通信系統(tǒng)的外部的裝置通信。然而，在本發(fā)明中，沒有特別的理由做出這樣的限制。例如，一個或更多個AP可能無線通信，而零個或更多個AP可能選擇使用有線通信鏈路進行通?目。
[0024]“過濾器”等，一般指的是信號處理技術，無論是模擬，數(shù)字，或以其它方式，其使調制到不同的載波頻率上的信號得以分離，其效果是那些信號可以被單獨處理。
[0025]僅僅是作為一個例子而言，在同時使用頻率為大約為2.4GHz范圍以及約5GHz范圍的系統(tǒng)中，單個針對上述約2.4GHz范圍的帶通，高通，或低通濾波器是可能足以把上述約2.4GHz的范圍從上述約5GHz的范圍區(qū)分開來的，但這樣的一個帶通，高通，低通濾波器對區(qū)分上述約2.4GHz范圍內的每一特定頻道而言，或對區(qū)分上述大約5GHz范圍內的每個特定頻道而言是有缺點的。在這種情況下，第一組信號濾波器可以用來把這些共同位于約
2.4GHz范圍內的頻道和那些共同位于約5GHz范圍內的頻道區(qū)分開來。第二組信號濾波器可以分別區(qū)分在大約2.4GHz范圍內的個別頻道，而第三組信號濾波器可以分別區(qū)分在大約5GHz范圍內的個別頻道。
[0026]“隔離技術”，“隔離”等，一般是指任何裝置或技術，其涉及，當信號在一個頻道上傳輸?shù)臅r候，降低在另一個同時傳輸?shù)念l道上察覺到的噪音的量。這有時被稱為“串話”，“干擾”，或“噪音”。
[0027]“空區(qū)”，“空”，等等，一般是指這樣的區(qū)域:一個操作中的天線(或天線部件)對這些特定的區(qū)域相對而言幾乎沒有電磁場效應。這就產(chǎn)生這樣的效果:在這些區(qū)域內發(fā)射或接收的EMF (電磁場)輻射相對而言往往不受該操作中的天線(或天線部件)的其他區(qū)域內發(fā)射或接收的EMF輻射的影響。
[0028]“無線電”(radio)，等等，一般是指(I)能夠同時使用多個天線、頻率、或一些其他的技術的聯(lián)合或結合進行無線通信的裝置，或(2)涉及同時使用多個天線，頻率，或一些其他的技術的聯(lián)合或結合的無線通信的技術。
[0029]“無線站”(WS)，“移動站”(MS)，等等，通常指的是能夠在無線通信系統(tǒng)中進行操作的裝置，其中它們的通信中至少一部分可能采用無線通信技術。
[0030]短語“貼片”和“貼片天線”一般是指由單一的金屬貼片懸掛在地平面上形成的天線。該組件可以被包含在一個塑料天線罩里面，以保護天線結構免受損壞。貼片天線通常是建造在介電基片之上，以提供電隔離。
[0031]短語“雙極化”一般是指天線或系統(tǒng)，其輻射以兩種模式極化的電磁輻射。一般來說，該兩種模式為水平輻射和垂直輻射。
[0032]詳細說明
[0033]圖1示出了某些可用于同軸耦合微帶縫隙天線的設計與建造的概念100。圖1A，IB和IC代表了“俯視圖”，圖1D代表了 “側視圖”。在圖1A中，微帶110設置為與縫隙112相垂直。微帶可以通過在基片上設置一層薄的導電材料而形成，如電路板或薄膜?？p隙112是由導電材料113的開口所形成(由圖1D顯示)。微帶110和縫隙112由電介質114進一步分離，同時，微帶110和縫隙112保持它們之間的垂直關系。在一些實施例中，電介質114可能是空氣間隙或電路板材料。在操作中，當RF (射頻)能量在微帶110上被引發(fā)后，它將由縫隙112輻射出去。
[0034]在圖1B中，縫隙112的一部分布置為垂直于微帶110，該部分被指定為部分112a。圖1B中的該縫隙還具有兩個平行于微帶110的部分，它們被指定為部分112b以及112c。在某些實施例中，這些平行的部分可以是有相同的長度，而其它實施例可能使用不同程度的長度差異。和圖1A—樣，微帶110和縫隙112是由電介質114分離，該電介質可能是空氣。
[0035]圖1C中，微帶110被布置在縫隙116附近?？p隙116是被顯示為布置在縫隙112的相對的另一邊?？p隙116有一個和微帶110相垂直的部分，以及和微帶110平行的其它部分。在某些實施例中，縫隙116的平行部分可以和縫隙112的平行部分相一致，而在其它實施例中，如圖所示，縫隙116的平行部分可以和縫隙112的平行部分互補。圖1C中的雙面實施例以一個側視角在圖1D中顯示出來。在圖1D中，微帶110布置在第一導電結構113(其具有縫隙112，如圖1D的上部所顯示)和在縫隙112相對的另一邊布置的第二導電結構118 (其可能與結構113 —體形成)之間。如圖1D的底部所顯示，該第二結構118具有縫隙116。
[0036]本說明書中提到的“一個實施例” “一實施例”，“一實施例子”等，表明所描述的實施例可能具有一個特定的特征，結構或特點，但每個實施例不一定具有該特定的特征，結構或特點。此外，這樣的短語不一定是指同一個實施例。此外，當一個特定的特征，結構或特點是在一個實施例中被描述，那么本領域普通技術人員也有能力認識到，該特定的特征，結構或特點在其他實施例中也是可以實現(xiàn)的，不管這是否被明確地被描述出來。本說明書的部分是使用本領域普通技術人員向其他本領域普通技術人員傳達他們的工作實質時常用的術語來描述的。
[0037]圖2顯示了根據(jù)本披露的同軸耦合微帶縫隙天線的某些方面的一個實施例。圖2中的天線結構210是表現(xiàn)為大致矩形。天線結構210可由擠制鋁制成，也可以由其它導電材料，或任何滿足特定設計要求的材料制成。天線結構210在兩個表面(正面和背面)上具有縫隙。每個縫隙包括第一垂直組成部分212、平行組成部分214、和平行組成部分216?？p隙可以從天線結構210上軋出或切割出來。
[0038]天線結構210的中心布置有微帶218。微帶218可以使用墊片(未顯示)加以固定，或者微帶可以是布置在印刷電路板(未示出)上，該電路板可滑動到天線結構210的中心。在某些實施例中，小片或其他支撐元件可以在天線結構210的內部形成，用于保持微帶218。微帶218和天線結構210被連接到一個無線電發(fā)射機或接收機(未顯示)上。微帶218的布置使得縫隙的垂直組成部分212被排列為與微帶218大致垂直。平行組成部分214和216被排列為與微帶平行。微帶218和縫隙之間的空間是一介電材料，如空氣。
[0039]在操作中，RF能量會被施加在微帶218上。縫隙將作為RF能量的輻射器，并將輻射出的RF引導出縫隙。發(fā)明人考慮，連到微帶218的RF能量可以和天線結構210的中心與縫隙形成的腔形成阻抗匹配。此外，發(fā)明人考慮，縫隙這樣放置，使縫隙之間的間隔對應于連到微帶218的RF信號的波長。設計者可以使縫隙之間的間隔等于或接近單個波長，從而實現(xiàn)為特定的設計所需要的預定的RF操作范圍和RF輻射模式。在某些實施例中，有些縫隙可以按照單波長的間隔放置，而其它縫隙使用不同的間隔。
[0040]本披露不應該被理解為以任何方式限制縫隙的形狀。例如但不限于，縫隙可以實現(xiàn)為橫向于微帶的單一組成部分，或為不同的形狀，包括弧形，橫桿(ciOssbar)形，等等。此夕卜，使用這里描述的技術，也可以實現(xiàn)不規(guī)則的形狀和不相連接的組成部分的組合，其允許從該微帶進行輻射。
[0041]圖3顯示了一個同軸耦合微帶縫隙天線300的某個方面的另一個實施例。圖3A顯示了一個透視圖，圖3B顯示了一個剖視圖。在圖3中，一個細長的支撐結構310具有中空的中心。在該中心里面是一個電路板316，其具有一頂部微帶312。發(fā)明人考慮只使用頂部微帶312，然而，某些實施例中還可以采用底部微帶314。頂部和底部的微帶可以安置在電路板316上，該電路板由側撐318保持在支撐結構310的中心。可供選擇的，微帶312可由介電絕緣體固定。支撐結構310具有多個縫隙，每個縫隙具有水平部分，其垂直于微帶的軸的方位布置。在某些實施例中，支撐結構310可能在多個側面上具有縫隙，其對應于設置在支撐結構310內的任何微帶的位置。
[0042]支撐結構310的中空的中心的各方向上的尺寸一般符合同軸傳輸線的特性。因為明線傳輸線具有沿線傳播的電磁波會延伸到平行線周圍的空間這個特性，它們具有低的損耗，但是也有不良的特征。圖3的披露把電磁波限制在支撐結構310內的區(qū)域中以允許RF信號傳輸，從而解決了這些問題。阻抗匹配可以通過控制支撐結構310的中空中心的各方向上的尺寸而實現(xiàn)。
[0043]沿著支撐結構310的長有一些縫隙。在一些實施例中，支撐結構310在兩側具有縫隙。這些縫隙對支撐結構310的中空中心開放?？p隙通常包括水平的區(qū)域320，其橫向于微帶的軸線，沿著微帶的軸線方向的平行區(qū)域322，以及另一個沿著微帶的軸線方向的平行區(qū)域324。每個縫隙的形狀可能取決于縫隙在支撐結構上的位置。例如但不限于，平行區(qū)域322可能和平行區(qū)域324有不同的長度。在一些實施例中，每個縫隙的形狀取決于它相對于微帶的位置。
[0044]圖3顯示了一個支撐結構310，其具有4個縫隙，每個縫隙具有不同長度的平行區(qū)域。最接近支撐結構310中心的縫隙大致是對稱的，而離中心最遠的縫隙是不對稱的。每個縫隙的不對稱程度可以被用來產(chǎn)生所需的縫隙的輻射模式。一個縫隙的整體大小決定了該縫隙將輻射RF能量的總量，而控制縫隙的各方向上的尺寸則控制了輻射模式。例如但不限于，在支撐結構310上離微帶饋電點最遠的區(qū)域可以做一個更大的縫隙。同樣的，水平區(qū)域320也可能以不同的各方向上的尺寸建造，以達到所需的輻射模式。
[0045]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的某些方面的同軸耦合微帶縫隙天線的實施例。圖4中，空心結構410是由擠壓鋁形成，或用其它合適的導電材料形成中空管而制成。結構410包括位于該中空(未顯示)內的微帶。微帶通過連接電纜418連接到一個無線電發(fā)射機上。結構410上切割出多個縫隙412。這些縫隙對結構410的中空核心開放?？p隙412可能有不同的形狀，包括但不限于，一個沿著結構410的寬的開口部分，以及與結構410軸向對齊的部分。
[0046]沿著結構410兩側布置有貼片天線陣列。可以通過連接電纜418提供RF激勵信號(RF excitation signal)給貼片天線。在一些實施例中，連接電纜418可饋入一個功率分配器，以便在將RF發(fā)送能量供應給貼片天線陣列之前分攤RF發(fā)送能量。一個本領域技術人員會認識到，貼片天線陣列輻射一個垂直極化波束，它與縫隙的輻射模式有不同的方向，因此提供了一個互補的輻射模式。例如但不限于，貼片陣列一般而言以一個間隔放置，這在每個貼片列的模式相結合時提供了良好的全方向性能。一些實施例中，可以使用大約半個波長的間隔距離。貼片天線陣列可能包括以大約一個波長間距分開的元件。一個本領域技術人員將認識到，陣列元件的數(shù)量和間距的一些變化可以用來實現(xiàn)一些所需要的輻射效果，如向下傾斜，或提供更多的帶寬，或兩者都是。[0047]操作中，全方向性能可以是雙極化的結果，其中第一極化(即水平)由縫隙提供，第二極化(即垂直)由貼片天線提供。微帶可由一個分離的RF饋送源所驅動，而貼片陣列可以通過另一個RF饋送源驅動。該貼片饋送源可通過一個功率分配器，以給每個陣列提供足夠的功率。
[0048]以上描述中提供了許多不同的實施本發(fā)明的不同特征的實施例。組成部分以及流程的具體實施例的描述幫助澄清了本發(fā)明。這些當然僅僅是實施例，并不對權利要求中描述了的發(fā)明做出限制。
[0049]盡管本發(fā)明在這里被說明為和描述成為體現(xiàn)在一個或更多個特定的例子中，不過本發(fā)明不限于所顯示的細節(jié)，因為可以在不脫離本發(fā)明的精神，以及在權利要求的范圍以及和其等同的范圍內做出各種修改和結構的變化。因此，對以下權利要求做寬泛的、與本發(fā)明的范圍相一致的解釋是適當?shù)摹?br> 【權利要求】
1.一種天線裝置，包括: 細長的構件，該構件包括布置在構件內部的介電材料； 在該介電材料內，延該構件軸向布置的微帶； 在構件內的多個縫隙，每個所述縫隙有橫向于微帶的部分，并且每個所述縫隙具有平行于微帶的部分。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，其中介電材料是空氣。
3.根據(jù)權利要求1的裝置，其中多個縫隙的橫向于微帶的部分以預定的射頻的一個波長間隔開而布置。
4.根據(jù)權利要求1的裝置，其中每個縫隙具有多于一個平行于微帶的部分。
5.根據(jù)權利要求4的裝置，其中縫隙平行于微帶的部分是對稱的。
6.根據(jù)權利要求4的裝置，其中縫隙平行于微帶的部分是不對稱的。
7.根據(jù)權利要求4的裝置，其中最接近構件中心的縫隙的平行于微帶的部分是對稱的，而離中心最遠的縫隙的平行于微帶的部分是不對稱的。
8.根據(jù)權利要求1的裝置，其中微帶布置在電路板上。
9.根據(jù)權利要求1-8的裝置，還包括:一個或更多個貼片天線，該貼片天線布置在所述細長的構件的外部。
10.根據(jù)權利要求9的裝置，其中一個或更多個貼片天線排列成第一陣列。
11.根據(jù)權利要求10的裝置，還包括布置在所述細長的構件上、與所述第一陣列相對的第二貼片天線陣列。
12.根據(jù)權利要求11的裝置，其中所述細長的構件的寬度為預定的射頻的半波長。
13.一種天線，包括: 提供水平極化輻射模式的第一部分，和 提供垂直極化輻射模式的第二部分。
14.根據(jù)權利要求13的天線，其中第一部分包括至少一個縫隙輻射元件。
15.根據(jù)權利要求13-14的天線，其中第二部分包括至少一個陣列天線。
16.根據(jù)權利要求15的天線，其中該陣列天線包括多于一個貼片天線。
17.一種方法，包括: 在構件上做出第一極化輻射元件， 在該構件上做出第二極化輻射元件，該第二極化輻射元件的輻射極化與第一極化輻射元件的輻射極化有90度的差異。
18.根據(jù)權利要求17的方法，其中第一極化輻射元件包括微帶和多于一個縫隙。
19.根據(jù)權利要求17的方法，其中第二極化輻射元件包括天線陣列。
20.根據(jù)權利要求19的方法，其中該天線陣列是貼片天線。
【文檔編號】H01Q13/08GK103811875SQ201310503057
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權日:2012年11月1日
【發(fā)明者】約翰·R·森福德 申請人:優(yōu)倍快網(wǎng)絡公司