天线元件及天线元件的阵列的制作方法

专利名称：天线元件及天线元件的阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线元件，更具体地，涉及一种在使信号强度最大并减少干扰的超宽带网络中使用的天线元件。
背景技术：
超宽带(ultra-wideband)是在非常宽的频率范围(3. 1至10. 6GHz)内传输数字 数据的无线电技术。通过在大带宽上散布RF能量，所传输的信号实际上不能被传统的频率 选择RF技术检测到。然而，低传输功率将通信距离限制为通常小于10至15米。对于UWB存在两种方法时域方法，其根据具有UWB性能的脉冲波形构建信号； 以及频域调制方法，在多(频)带上使用传统的基于FFT的正交频分复用(OFDM)，称为 MB-0FDM。UWB方法导致覆盖频谱内的非常宽带宽的频谱成分，因此称为术语超宽带，从而带 宽占用百分之二十以上的中心频率，通常为至少500MHz。超宽带的这些性能(与非常宽带宽结合)意味着UWB为用于在家庭或办公室环境 中提供高速无线通信的理想技术，从而正在通信的设备在另一设备的10-15m的范围内。图1示出了用于超宽带通信的多带正交频分复用(MB-OFDM)系统中的频带布置。 MB-OFDM系统包括每个均为528MHz的14个子带，并且在子带之间使用每312. 5ns的跳频作 为接入方法。在每个子带内，采用OFDM和QPSK或DCM编码来传输数据。注意，5GHz周围的 子带(目前为5. 1-5. 8GHz)被保留为空值，以避免与现有窄带系统(例如，802. IlaWLAN系 统，安全机构通信系统或航空工业)的干扰。14个子带被组织成五个带组，四个带组具有三个528MHz的子带，一个带组具有两 个528MHz的子带。如图1所示，第一带组包括子带1、子带2和子带3。典型UWB系统将在 带组的子带之间采用跳频，使得第一数据符号在带组的第一频率子带内在第一 312. 5ns持 续时间间隔内被传输，第二数据符号在带组的第二频率子带内在第二 312. 5ns持续时间间 隔内被传输，以及第三数据符号在带组的第三频率子带内在第三312. 5ns持续时间内被传 输。从而，在每个时间间隔期间，数据符号在具有528MHz带宽的各自子带内被传输，例如， 具有以3960MHz为中心的528MHz基带信号的子带2。超带宽的技术性能意味着其被部署用于数据通信领域内的应用。例如，存在集中 于以下环境中的电缆替换的多种应用-PC和外围设备(即，诸如硬盘驱动器、CD刻录器、打印机、扫描仪等的外部设备) 之间的通信。_家庭娱乐设备，诸如电视和通过无线设备、无线扬声器等连接的设备。-手持设备和PC之间的通信，例如移动电话和PDA、数字相机和MP3播放器等。用在超带宽系统中的天线布置通常是全向的，这意味着无线信号将从有源辐射元 件向所有方向发射，并且许多全向性天线被设计成支持在3. 1到10. 6GHz的整个UWB带宽 上的操作。这使得来自特定环境(例如，住宅)中的一个设备的数据传送与来自另一设备的数据传送相互干扰。因此，在这种高速通信网络中需要方向性。在目标在于非常高数据率应用的未来系统中，在使用许多较高增益元件方面有许 多优点，其中每个元件均覆盖指定的角度区域(angular sector) 0尽管可以使用可提供超 带宽网络所需要的宽带宽的行波元件，但这种元件的阵列相对较大。天线也可以包括扼流元件，其被设置成例如由于地平面使天线的操作与不利的衍 射效果相隔离。这种扼流元件用于抑制沿金属结构流动的电流。因此，本发明的目的在于提供天线元件以及用在超带宽系统中的天线布置，其克 服了上述传统布置的问题。

发明内容
发明人已经发现，通过以与辐射元件有关的特定方式配置频率整形设备，频率整 形设备可以对由辐射元件发射的信号起到宽带效应(broad-banding effect)的作用，而不 是阻止该信号。根据本发明的第一方面，提供一种用于超宽带网络的天线元件，该天线元件包括 辐射元件，用于响应于在馈电点接收的信号在频率范围内辐射信号；以及频率整形设备， 定位在辐射元件的馈电点附近，频率整形设备被配置为具有用作辐射元件的宽带设备的轮廓。优选地，该频率整形设备包括位于馈电点附近的多个单独的频率整形部。优选地，多个单独的频率整形部包括同心配置的表面。优选地，多个同心配置的表面具有各自的高度，沿垂直于天线元件的底板的方向 测量同心配置的表面的高度。优选地，多个同心配置的表面具有不同的高度。优选地，辐射元件包括全向单极(monopole)。优选地，天线元件还包括反射部件，其相对于辐射元件进行定位，使得由辐射元件 辐射的RF信号在指定方向上被反射。优选地，反射部件包括寄生元件。优选地，寄生元件是单极的形式。根据本发明的第二方面，提供了一种用于超宽带网络的天线阵列，该天线阵列包 括多个天线元件，每个天线元件如上所述。优选地，多个天线元件被配置成每个元件都用于各自的角度区域。优选地，多个天线元件以环形进行配置。优选地，天线阵列还包括开关，其连接至多个天线元件中的每一个，用于将在输入 端接收的信号提供给所选的多个天线元件中的一个或多个。优选地，开关的操作通过在开关的控制输入端接收的控制信号来控制。优选地，天线阵列还包括天线罩，其被定位为围绕多个天线元件的每一个。出于安 全和/或美观方面的原因，可以设置该天线罩。


通过仅参照以下附图的实例来描述本发明，其中
图1示出了用于超带宽通信的多带正交频分复用(MB-0FDM)系统中的频带的布 置；图2示出了根据本发明的具有频率整形设备的天线元件的截面图；图3示出了根据本发明的可选频率整形设备；图4是根据本发明的天线布置的框图；图5是根据本发明第一实施例的天线布置的透视图；图6是根据本发明又一实施例的天线布置的透视图；图7是根据本发明又一实施例的天线布置的透视图；以及图8是根据本发明又一实施例的天线布置的透视图。
具体实施例方式尽管在下文中进一步针对超带宽网络中的使用来描述本发明，但应该理解，本发 明可以适用于其他类型的无线通信网络。图2示出了根据本发明的天线元件2的截面图。元件2包括全向单极形式的辐射 元件4，其被设置成基本垂直于底板6。天线元件2还包括频率整形设备8，其被设置成“适应”来自DC供给线的辐射元 件4的馈线中的交流电。频率整形设备8形成有预定轮廓，使得频率整形设备8影响大频 率范围内从辐射元件4辐射的场(field)。因此，频率整形设备8用作辐射元件4的宽带 设备(broad-banding device)，其提供大带宽范围内(尤其是用于超宽带网络的带宽范围 内)的良好回程损耗特性。在优选实施例中，频率整形设备8包括多个频率整形部8a、8b、8c、8d和8e，频率 整形部8a、8b、8c、8d和8e有效地形成各自布置在辐射元件4的馈电点周围的表面。多个 频率整形部8a、8b、8c、8d和8e优选地包括同心表面，并且具有距离底板6的不同高度。多 个频率整形部8a、8b、8c、8d和8e可以是单独的部分或整体设备。例如，当形成为整体设备 时，可使用独立的同心槽来形成多个频率整形部8a、8b、8c、8d和8e，其中，相邻槽相交的部 分具有不同的厚度。可选地，整体部分可形成为使得从频率整形设备的一个部分向下一部 分看去高度成阶梯变化。应该理解，频率整形设备的整形部数量可少于或多于图2所示实例的整形部。此 外，假如至少两个频率整形部具有不同的高度，则两个以上的频率整形部可具有相等的高度。多个频率整形部8a、8b、8c、8d和8e的不同高度用于改变由辐射元件4辐射的信 号的带宽特性。因此，多个频率整形部8a、8b、8c、8d和8e用于提高天线元件2的带宽。优选地，频率整形设备位于辐射元件的基底附近，例如，安装在结构6上。尽管频率整形设备被示出为在底部具有平坦的基底，其中各个频率整形部具有在 该平坦的基底上方延伸的不同高度，但应该注意，可改变设备的方向，使得平坦的基底设置 在频率整形设备的顶部，其中各个频率整形部具有在该平坦的顶部下方延伸的不同高度。辐射元件4通过支撑结构16被保持在频率整形设备8周围。在一个实施例中，支 撑结构16包括部分16a、16b和16c。部分16a、16b和16c可以是单独的部分或一个整体结 构。在可选实施例中，支撑结构16仅包括一个部分(例如，部分16a)，在由部分16b和16c
6指定的区域内设置气隙。其它实施例可包括与部分16a、16b和16c不同的构造。支撑结构16可由介电材料形成。在一个实施例中，支撑结构包括介电常数与空气 的介电常数相似的介电材料。然而，应该理解，可根据天线的期望特性来选择介电材料的介 电常数。图3示出了根据本发明的可选频率整形设备8。频率整形设备8与图2所示的相 似，尽管在该实施例中，最靠近辐射元件4的独立的频率整形部8e大于(高于)相邻的频 率整形部8d。如上所述，本领域技术人员应该理解，对于频率整形设备8来说，不必精确地包括 5个独立的频率整形部，而是可以设置更多或更少的独立频率整形部。还应该理解，可根据 指定天线布局的特定频率特性来改变频率整形设备的轮廓(即，由独立的频率整形部8a、 8b,8c等形成)。此外，如上所述，应该理解，频率整形设备8可以是单一的整体结构，或者可以由 单独的各个频率整形设备结构形成。可使用铣削技术或机加工技术来制造单一整体结构形 式的频率整形设备8，以提供多个频率整形表面。在本发明的另一方面中，天线元件2包括附接至底板6的反射部件18。反射部件 18相对于辐射元件4进行定位，使得当辐射元件4被激活并辐射RF信号时，反射部件18将 入射的RF信号朝向辐射元件4向回反射。结果是，RF信号远离反射部件18在目标区域范 围内传播。在优选实施例中，反射部件18包括单极形式的寄生元件。在可选实施例中，反射 部件18可包括能够沿预定方向上反射RF信号的任何结构。此外，反射部件18的横截面形 状可以是圆形的、矩形的、正方形的、三角形的或任何其它形状。可根据被反射信号的期望 波束图来选择反射部件的横截面形状。在一个实施例中，反射部件18在其基底处具有支撑 结构19。注意，辐射元件4和反射部件18的相对高度可以与图中所示的不同。在本发明的又一方面中，如图4和图5所示，天线阵列20被设置成包括上述的多 个天线元件2。天线元件2被设置成使得每个元件2为各自的角度区域，这意味着，通过激 活特定的元件2，可沿期望方向辐射RF信号。优选地，元件2可以被设置成环状，尽管应该 理解也可以使用其它构造。在优选实施例中，如图4所述，RF开关22被设置为根据信号被传输的方向将在输 入端24接收的RF信号导向特定的天线元件2。开关22的操作被在控制输入端26处接收 的控制信息所控制。本领域的技术人员明白如何控制开关，因此这个方面不在本发明的应 用范围内。图4和图5的布局提供了具有360度方位角覆盖的天线阵列20。天线阵列20还可以设置有天线罩28，例如如图6、图7和图8所示，以保护天线元 件2，尤其是保护辐射元件4和反射部件18。天线罩本质上可以是不透明的，以增加本地环 境中天线布局的美观设计。图6、图7和图8示出了根据本发明的天线阵列20的可选实施，尤其示出了用于支 撑阵列20中的天线元件2的可选方法。图6的实施例与图5的相似，尽管每个频率整形设备8均被简化，以使频率整形设备8的可见表面是统一的，而不是如图5所示是一系列的同心圆。这具有减少天线阵列制造成本的优点。图6的频率整形设备8在支撑结构16下方包括一个或多个阶梯表面(未 示出)，由此形成与图2的频率整形部8d和Se相似的单独的频率整形部8d、8e。应该理 解，支撑结构16下方的频率整形部的数量可与图2所示的不同。例如，图6实施例中的频 率整形设备8可在支撑结构16下方具有更多的单独的频率整形设备，从而补偿可见部分仅 具有一个频率整形设备的事实。还应该注意到，在图6的实施例中，反射部件18不包括如 图5所示的支撑结构19。图7示出了一可选实施例，其中，与辐射部件4相关联的频率整形设备一体形成为 整体的频率整形设备8。整体的频率整形设备8在每个支撑结构16下方具有一个或多个 阶梯表面(未示出)，由此形成与图2的频率整形部8d和Se相似的单独的频率整形部8d、 Se。如上所述，应该理解，频率整形部的数量可以与图2所示的不同。图7的实施例示出了 反射部件18，它们被从频率整形设备8延伸的突出30支撑，而不是如图2和图5所示的具 有支撑结构19。图8的实施例与图7的相似，但是其具有直接由基底20支撑的反射部件18而没 有图5的支撑结构19。应该理解，多个特征可以在上述实施例之间互换。例如，图5的实施例可去除支撑 结构19，使得反射部件18直接安装在基底20上，反之亦然。频率整形设备8可由许多适当的材料形成。例如，频率整形设备可由经过加工而 形成期望轮廓的金属或合金(例如，铝)形成。接着，例如使用镍闪速熔炼(nickel flash) 电镀频率整形设备材料。频率整形设备可以进一步镀银，以提高其电性能。也可以使用其 它适当的材料，以形成频率整形设备，例如黄铜或金。根据又一实施例，频率整形设备可由 非金属(例如，塑料)加工形成，接着涂覆金属涂层。在某些环境下这是有利的，从而减少 了制造成本。因此，提供了用于超宽带系统的天线元件和天线阵列，克服了传统天线布局中的 问题。
权利要求
一种用在超宽带网络中的天线元件，所述天线元件包括辐射元件，用于响应于在馈电点接收到的信号在频率范围内辐射信号；频率整形设备，定位在所述辐射元件的所述馈电点附近，所述频率整形设备被配置为具有用作所述辐射元件的宽带设备的轮廓。
2.根据权利要求1所述的天线元件，其中，所述频率整形设备包括多个独立的频率整 形部。
3.根据权利要求2所述的天线元件，其中，所述多个独立的频率整形部包括同心的表面。
4.根据权利要求2或3所述的天线元件，其中，所述多个独立的频率整形部具有各自的 高度，在垂直于所述天线元件的底座的方向上测量各个频率整形部的高度。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的天线元件，其中，所述多个独立的频率整形部中 的至少两个具有不同的高度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的天线元件，其中，所述频率整形设备被定位在所 述辐射元件的所述馈电点附近。
7.根据权利要求6所述的天线元件，其中，所述频率整形设备安装在支撑所述辐射元 件的底座上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的天线元件，还包括用于支撑所述辐射元件的支撑结构。
9.根据权利要求8所述的天线元件，其中，所述支撑结构位于所述多个独立的频率整 形部中的一个或多个的上方。
10.根据权利要求8或9所述的天线元件，其中，所述支撑结构包括介电材料。
11.根据权利要求10所述的天线元件，其中，所述介电材料具有与空气的的介电常数 相似的介电常数。
12.根据前述权利要求中任一项所述的天线元件，其中，所述辐射元件包括全方向单极。
13.根据前述权利要求中任一项所述的天线元件，还包括反射部件，相对于所述辐射元件进行定位，使得由所述辐射元件辐射的RF信号沿预定 方向被反射。
14.根据权利要求13所述的天线元件，其中，所述反射部件包括寄生元件。
15.根据权利要求14所述的天线元件，其中，所述寄生元件为单极形式。
16.根据权利要求15所述的天线元件，还包括用于支撑所述反射部件的支撑结构。
17.根据前述权利要求中任一项所述的天线元件，其中，所述频率整形设备由金属或金 属合金形成。
18.根据权利要求1至13中任一项所述的天线元件，其中，所述频率整形设备由非金属 形成。
19.根据权利要求14或15所述的天线元件，其中，所述频率整形设备涂覆有金属或合金涂层。
20.根据前述权利要求中任一项所述的天线元件，其中，所述频率整形设备由单一件形成。
21.一种用在超宽带网络中的天线阵列，所述天线阵列包括 多个天线元件，每个元件均如前述权利要求中任一项所述。
22.根据权利要求21所述的天线阵列，其中，所述多个天线元件被设置成使得每个元 件为各自的角度区域服务。
23.根据权利要求22所述的天线阵列，其中，所述多个天线元件设置成环状。
24.根据权利要求21、22或23所述的天线阵列，其中，各个天线元件的频率整形设备被 配置为形成单个频率整形设备。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的天线阵列，还包括开关，连接至所述多个天线元件中的每一个，用于将在输入端接收到的信号提供给所 述多个天线元件中所选的一个或多个。
26.根据权利要求25所述的天线阵列，其中，通过在所述开关的控制输入端接收的控 制信号来控制所述开关的操作。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的天线阵列，还包括被设置成围绕所述多个天 线元件中的每一个的天线罩。
28.根据权利要求27所述的天线阵列，其中，所述天线罩是不透明的。
29.一种天线元件，所述天线元件基本为参照附图2、3、4、5、6、7和8如下文所述。
30.一种天线阵列，所述天线阵列基本为参照附图3、4、5、6、7和8如下文所述。
全文摘要
本发明提供了一种用在超宽带网络中的天线元件，该天线元件包括辐射元件，用于响应于在馈电点接收到的信号在频率范围内辐射信号；以及频率整形设备，靠近辐射元件的馈电点，用作辐射元件的宽带设备。多个天线元件可形成天线阵列。
文档编号H01Q21/20GK101849321SQ200880110765
公开日2010年9月29日 申请日期2008年10月13日 优先权日2007年10月12日
发明者尼尔·威廉斯, 迈克尔·菲利普帕基斯, 迪安·肯普 申请人:Iti苏格兰有限公司