用于提供频率灵敏表面天线的系统和方法与流程

本发明一般性地涉及在射频(rf)传输和通信中使用的天线。更具体地，本发明涉及一种用于宽带天线的多表面接地平面装置和方法，其采用频率选择性表面来优化宽带天线范围内的较高频率，并且特别适用于数据和语音的蜂窝通信，可以与任何喇叭式宽带天线一起使用。

背景技术：

电子设备如智能电话、手机、笔记型电脑、平板电脑等通常经由无线射频(rf)通信与蜂窝塔、计算机网络、互联网调制解调器、蓝牙等通信。这通过使用一个或多个天线来实现，所述天线具有辐射器元件电子地集成到装置中，并且被配置为预期目的在预定波长发射和接收的任务。

通信的频带可以根据无线网格中实现的无线通信类型而广泛变化，如用于紧急服务的蜂窝或wifi或数字通信。增益的系统要求和单独使用的频率也可以根据fcc和客户的需要而变化。此外，可能需要水平、垂直或圆形极化方案来增加带宽或连接。

然而，由网格或其他来源提供的无线通信类型仅在接收用户装置能够接收传输和蜂窝塔天线可以从远程用户的低功率装置接收传输时有效。即使随着智能电话和其他装置的技术进步，用户经常继续有网络接收欠佳的经历。这完全或部分归咎于移动通信公司在特定区域中提供的蜂窝网格可用性和质量，以及接收装置本身的天线质量。移动电话供应商通常受限于可以建立蜂窝网格的数量和位置。这些网格通常被认为影响社区和公共区域的美观。因此，增加更多或构造更大的网格以向客户提供改进的网络接收往往受到限制。

目前还没有高度信号敏感且易于构造的装置用于改进或用于无线通信塔，例如适于从rf频率的宽带将接收最大化的蜂窝天线，其在较低和较高频率均具有极好的接收和吞吐量。大多数这样的天线是具有有限宽带性能的偶极天线。现有技术中已经提出了宽带喇叭式天线。然而，由于物理构造的各个方面，许多这样的宽带天线在所提供的rf频谱较低或较高端可遭受信号消失或性能欠佳。因此，它们不一定在天线能够工作的所有频率或频带提供最佳的rf接收和传输。

因此，虽然当前存在与无线技术相关的技术，但是仍然存在挑战。因此，用其他技术来增强或甚至替换当前技术可在本领域带来进步。

技术实现要素：

本发明一般性地涉及在射频(rf)传输和通信中使用的天线。更具体地，本发明涉及一种用于宽带天线的多表面接地平面装置和方法，其采用频率选择性表面来优化宽带天线范围内的较高频率，并且特别适用于数据和语音的蜂窝通信，可以与任何喇叭式宽带天线一起使用。

至少一些实施方式涉及用于改善采用rf通信装置的电子装置的rf接收和传输的宽带天线装置和方法。本发明的实施方式与宽带平面喇叭式天线或辐射器元件结合使用，提供沿着所提供的整个频谱的rf信号的极好吞吐量。此外，这样的天线和接地平面不以宽带天线提供的较低端频率为代价舍弃天线的rf范围的较高端频率，反之亦然。

本文公开和描述的本发明的实施方式针对现有技术中在使用接地平面的平面基板上形成的宽带天线的缺点提供了解决方案。本文的方法和装置通过提供一种天线装置来实现上述目的，该天线装置独特地提供接地平面的配置和结构，其通过天线元件在基本上全部由宽带天线配置提供的带宽使发射和接收的rf信号最大化。

在至少一些实施方式中，本发明的辐射器元件或广播和接收使用由印刷电路技术形成的平面天线元件，但是本文公开的新颖的接地平面配置适用于由此提供的其它rf天线。天线元件是二维结构，并且形成在诸如mylar、玻璃纤维、rexlite、聚苯乙烯、聚酰胺、teflon、玻璃纤维或任何其它适合于预期目的的材料的介电基板上。

参与阵列的一个或多个宽带天线以增强的rf发射和接收获得效益，其利用新颖的接地平面装置和方法，将独特的两层接地平面定位成与天线的辐射器元件相邻。

在基板上形成的天线辐射器元件、电容贴片或感应带和馈线可以是任何合适的导电材料，例如铝，铜，银，金，铂或适合于预期目的的任何其它导电材料。形成元件的导电材料通过任何已知的技术粘附到基板。

在特别优选的实施例中，天线辐射器元件使用vivaldi型喇叭天线形成，其在广泛的频率范围提供宽带rf接收。最低频率由喇叭边缘之间的最宽点确定，而最高频率由沿着形成的天线的开口区域的相对侧定位的两个最接近边缘确定。

由于本文的天线元件配置的超宽带性质，接地平面的高度对于实现优化特定频率的rf增益特别重要。由于本文公开的平面喇叭天线提供了具有非常宽的带宽的超宽带天线，可能难以找到相对于天线元件的最佳地面高度，去同时优化例如由lte/小区通信采用的低频范围和高频pcs频带，以优化增益。位于宽带天线或阵列后面和相邻的传统平面接地平面装置并不总是运作良好地使宽带元件将在其中操作的rf频率的整个范围的rf信号吞吐量最大化。

在特别适用于lte、小区、pcs频带和上lte/aws频带的本文的装置和方法中，提供了独特的两层接地平面，其具有第一层优化700-990兆赫中的较低频带，其中较大的接地平面在形成喇叭天线的槽下方大约四英寸。

然而，当接地平面位于槽之下四英寸，对于公开的天线元件的频率，pcs/aws的较高频带不能很好地执行，其对于较低频带范围最为适合。在极小结果的多个配置之后，使用在第二接地平面水平上的独特频率选择性表面(fss)解决了该问题，其被置于较低的接地平面之上，在本文所使用的喇叭天线的槽之下大约0.25”的距离处。

这种独特的双层接地平面配置和方法，优化上pcs/aws频带，但同时对于低频lte/小区来说是隐形的，并可通过低频lte/小区。导电区域彼此对齐，并与辐射器元件或天线元件的喇叭对齐；各导电区域的长度适于所需频率，其在该第二层接地平面上设于介电材料上，提供了一种装置和方法，可实现较高频率的最大增益，例如宽带天线元件1900兆赫的区域中的pcs频率。

因此，用于辐射或天线元件的接地平面的独特构造和双层配置提供两个分开的优化rf反射表面，两者均可以就辐射器元件或天线提供服务的rf频带分别调整频率和优化。

关于上述说明，在详细解释本文公开的具有分层接地平面的宽带天线的至少一个优选实施例之前，需要理解的是本发明并不限于之后描述或图解的结构细节的应用及组件的排列。

这里描述的本发明能够用于其他实施例或能够以对于本领域技术人员显而易见的各种方式实践或实施。另外也应理解，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为限制。

因此，本领域的技术人员会理解，本公开所基于的概念可易于用作设计用于实现本公开的装置的若干目的的其它结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求被看作包括这类等效构造和方法，只要它们没有背离本发明的精神和范围。

本发明的目的是提供一种宽带发射和接收天线装置，其采用双层接地平面，被配置为在天线的整个频谱上将广播和接收性能最大化。

本发明的另一个目的是提供一种方法配置被调整到相邻宽带天线的频率范围的多层接地平面表面，以将这些频率上的增益最大化。

本发明的这些和其它特征和优点将在下面的描述和所附权利要求中阐述或将变得更加显而易见。所述特征和优点可通过所附权利要求中特别指出的仪器和组合来实现和获得。此外，本发明的特征和优点可以通过本发明的实践来获悉，或者从如下所述的描述中是显而易见的。

附图说明

为了得到本发明的上述和其它特征和优点的方式，将通过参考在附图中说明的本发明的特定实施例来对本发明进行更具体的描述。应该理解，这些附图仅描绘了各典型实施例，因此其不应被认为是对本发明范围的限制，本发明将通过使用附图用附加特征和细节来描述并解释，在附图中：

图1示出了本装置和方法的一个优选模式的立体图，当中示出了形成在非导电基板上的天线或辐射器元件、以及由金属接地平面支撑的成角度的第一接地平面层；

图2是天线元件的优选模式的第一侧的视图，示出了形状像香槟杯的开口或未覆盖介电材料的区域；

图3再次是图1的装置的俯视立体图，示出了图2的天线在两侧被第一层接地平面包围，该第一层接地平面具有多个线形导电表面；

图4示出了装置的另一模式的视图，其具有替代配置的辐射器元件阵列，并且示出了第一表面接地平面和第二表面接地平面；

图5示出了具有上覆的馈线和连接点的优选天线或辐射器元件的视图，并且示出了典型的第一层配置，其中所形成的线以辐射器元件的下倾开口区域为中心；

图6示出了天线或辐射器元件阵列的俯视立体图，其位于两行相对的周围接地平面的第一层部分中互相平行的线形导电材料之间；

图7示出了图6的装置的侧面立体图，示出了用于两层接地平面的装置和方法可与任何vivaldi喇叭式辐射器元件一起使用，其以阵列示出。

图8示出了以图7的阵列形成的装置的另一俯视立体图；以及

图9是vivaldi喇叭式辐射器宽带元件的阵列的俯视图，其置于周围的第一层接地平面之间，第一层接地平面由介电板上的导电线形成，导电线的长度适于为天线或辐射器元件带来所需的频率增强。

具体实施方式

本发明一般性地涉及在射频(rf)传输和通信中使用的天线。更具体地，本发明涉及一种用于宽带天线的多表面接地平面装置和方法，其采用频率选择性表面来优化宽带天线范围内的较高频率，并且特别适用于数据和语音的蜂窝通信，可以与任何喇叭式宽带天线一起使用。

在本说明书中，方向介词上、向上、下、向下、前、后、顶部、上部、底部、下部、左、右其他此类术语是指可以这样取向的装置，并且描述在附图中这样出现的装置并且仅是为了方便而使用的。此类方向和位置术语并不旨在是限制性的，或并不旨在暗示在此的装置必须以任何特定取向来使用或定位。

现在参考图1-9中的附图，其中类似的部件由相同的附图标记表示，在图1中可以看到装置10和方法的特别优选模式的立体图，其描绘了形成在非导电介电基板上的天线元件12或辐射器元件。

本文还示出了多层接地平面配置和方法。第一接地平面16与直立天线元件12成一定角度定位，其由介电材料形成，上面设有互相分隔且互相平行的线17形导电材料。由金属表面形成的第二接地平面18水平或层位于天线元件12的底部，在本实施例中，与平面vivaldi型喇叭天线元件12的槽20的水平大约相距4英寸，提供宽带rf接收和传输性能，所述性能在这里通过第一接地平面16得以增强。目前，围绕天线元件12的100度弯曲已经证明可使第一接地平面16操作良好。

图2是在介电基板上由导电材料21形成的天线元件12的一个优选模式的第一侧的视图，描述了形状像香槟杯的开口23或未覆盖介电材料的区域，其在测试中作为宽带辐射器元件或天线元件12表现优秀。开口23的两侧从界定天线元件12的最低频率的最宽点28逐渐收窄，直至界定天线元件12的最高rf频率的最窄分离点20。在较高端频率的接收和传输通过本文公开的第一接地平面16显着增强，所述第一接地平面16由具有线17形导电材料的介电材料形成。

图3再次是图1的装置的俯视立体图，示出了图2的天线在两侧被第一层接地平面包围，该第一层接地平面具有多个线17形导电表面，形成第一接地平面的反射表面。该表面当前定位在开口23下方大约1/4英寸。线17的宽度当前约为so密耳、长度约为3.19英寸，线的宽度、长度以及其在形成第一接地平面层的介电材料上的间隔，均可被调整以增强不同的频带或频率范围。

图4示出了装置10的另一优选模式和使用分层或堆叠接地平面的方法的视图，其中第一接地平面16置于与第二接地平面18相隔一段距离的位置；第一接地平面16由具有互相平行的线17形导电材料的介电基板形成，第二接地平面18由金属或导电表面形成。如图所示，当线互相平行并且具有基本上相同的长度，并且当线17的中心与所形成的开口最窄点30的中心对齐时，线17当前最有效地增强所选择的频率。

图5示出了优选的天线或辐射器元件12的视图，其具有由介电基板的未覆盖区域限定的开口23以及从最宽到最窄间隔限定开口23的相对侧边。该宽带元件12具有450-1900兆赫的优良性能，并且可以被描述为具有开口23，开口23具有香槟杯顶部的外观，具有上覆的馈线和连接点，并且示出了典型的第一层配置，其中所形成的线以辐射器元件12的下倾开口区域为中心。如上所述，范围的高端频率通过使用双层接地平面的本装置10和方法得以增强，其在最接近元件12的层由导电材料形成多条确定长度的对齐的线。线17的中心当前与开口23的中心区域的最窄点30对齐。

图6示出了天线或辐射器元件12阵列的俯视立体图，其位于两行相对的由介电基板形成的第一接地平面16之间，介电基板上有多行互相平行的线17形导电材料在周围接地平面的第一层上。图中还示出了较低水平的第二接地平面18，其与元件12和第一接地平面16以共生关系运作。图7中可以看到该装置的这种模式的侧视图，以及平行线17的中心部分与天线或辐射器元件12的中心对齐。

图8和图9示出了类似于图6和图7的阵列的其它视图，示出了为安装于中心的天线元件12形成接地平面的两层方法和装置，其可适用于任何vivaldi喇叭式元件，并如上所述特别适用于图2所示的元件12。

尽管在此已经参考其特定实施例示出和描述了装置和方法的所有基本特征和功能，但是在前述公开内容中的修改、各种变化和替换是预期的，并且显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以采用本发明的一些特征而不相应地使用其他特征。还应当理解的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以进行各种替换、修改和变化。因此，所有这些修改、变化和替换都包括在由所附权利要求所限定的本发明的范围之内。

因此，如本文所述，本发明的实施例包括在射频(rf)传输和通信中使用的天线。更具体地，本发明涉及一种用于宽带天线的多表面接地平面装置和方法，其采用频率选择性表面来优化宽带天线范围内的较高频率，并且特别适用于数据和语音的蜂窝通信，可以与任何喇叭式宽带天线一起使用。

在不脱离其精神或本质特征的情况下，本发明可以其它特定形式来体现。所描述的示例在所考虑的所有的方面都只是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围是由其所附的权利要求来指示的，而不是由上文的描述来指示的。在权利要求的等效范围及含义内的所有改变均包含于本发明范围之内。