圆极化贴片天线、天线阵列以及包括这种天线和阵列的设备的制作方法

圆极化贴片天线、天线阵列以及包括这种天线和阵列的设备的制作方法
【专利摘要】为了在无线网络中使用，一种用于无线网络中的装置包括：天线，包括具有两个被截短的相对角的第一贴片元件，以及连接到第一贴片元件的第一侧并且被配置为向第一贴片元件馈电的第一微带线。所述第一微带线与第一贴片元件的第一侧大体上形成45°的角度。所述天线还包括具有两个被截短的相对角的第二贴片元件，以及连接到第二贴片元件的一侧的第二微带线。所述第二微带线能够与第二贴片元件的所述一侧大体上形成45°的角度。所述贴片元件可以级联并且形成天线阵列。一个贴片元件可以表示主贴片元件，并且另一贴片元件可以表示寄生贴片元件。
【专利说明】圆极化贴片天线、天线阵列以及包括这种天线和阵列的设备

【技术领域】
[0001]此公开一般涉及无线通信。更具体地，此公开涉及圆极化贴片天线(patchantenna)、天线阵列以及包括这种天线和阵列的设备。

【背景技术】
[0002]贴片天线常规地用于发送和接收无线信号的各种设备中。贴片天线典型地包括传导材料的扁矩形“贴片”，其与较大的传导“接地面”分离。贴片天线常常具有低剖面和低成本，并且贴片天线与印刷电路板(PCB)制造工艺高度兼容。因为这些及其他原因，贴片天线已经在商业和军事应用中使用了数十年。


【发明内容】

[0003]解决方案
[0004]此公开提供圆极化贴片天线、天线阵列以及包括这种天线和阵列的设备。
[0005]在第一实施例中，用在无线网络中的装置包括天线，该天线具有(i)具有被截短的两个相对角的第一贴片元件，以及(ii)连接到第一贴片元件的第一侧并且被配置为向第一贴片元件馈电的微带线。第一微带线与第一贴片元件的第一侧大体上形成45°的角度。
[0006]在第二实施例中，系统包括天线，该天线具有(i)具有被截短的两个相对角的第一贴片元件，以及(ii)连接到第一贴片元件的第一侧并且被配置为向第一贴片元件馈电的第一微带线。该系统还包括被配置为经由天线以无线方式通信的收发器。该第一微带线与第一贴片元件的第一侧大体上形成45°的角度。
[0007]在第三实施例中，方法包括使用天线发送输出的无线信号和/或接收输入的无线信号。所述天线包括(i)具有两个被截短的相对角的第一贴片元件，以及(ii)连接到第一贴片元件的第一侧并且被配置为向第一贴片元件馈电的第一微带线。所述第一微带线与第一贴片元件的第一侧大体上形成45°的角度。
[0008]从以下附图、描述和权利要求中，其他技术特征对本领域技术人员可以是明显的。
[0009]在下面做出发明的详细说明之前，有益地是阐明遍及此专利文献使用的特定词汇的定义:术语“包括”和“包含”以及其派生词意味着包括而不是限制。术语“或”是广泛的，意味着和/或。短语“与...相关联”以及其派生词，可以指的是包括，包括在之内，与...互连，包含，被包容在...之内，连接到或与...连接，耦接到或与...耦接，可与...通信，与...合作，交错，并列，邻近于，绑定到...或与...绑定，具有，具有...的性质，等等。术语“控制器”意味着任一设备、系统或控制至少一个操作的其部分。控制器可以实现在硬件或实现在硬件和固件和/或软件的组合中。应该注意到，与任一特定控制器相相关联的功能可以本地地或远程地集中或分布。当与项目列表一起使用时，短语“至少一个”意味着可以使用列表项中的一个或多个的不同组合，并且可以仅需要列表中的一个项。例如，“A、B并且C中的至少一个”包括以下组合中的任何一个:A、B、C、A和B，A并且C、B和C以及A和B和C。提供特定其他词汇和短语的定义以用于本专利文件的通篇文档，本领域普通技术人员应当理解，即便不是在大多数情况下，那么在许多情况下，这些定义也适用于现有的以及将来的对这些所定义词汇和短语的使用。

【专利附图】

【附图说明】
[0010]为了更全面地理解本公开，现提供结合附图的以下描述，附图中相同的附图标记代表相同的部件:
[0011]图1示出根据本公开的示例无线网络；
[0012]图2示出根据本公开的示例演进节点B(eNodeB)；
[0013]图3不出根据本公开的不例用户设备；
[0014]图4到图41示出根据本公开的使用成角度的馈线的示例圆极化贴片天线和天线阵列；以及
[0015]图42A到图56示出根据本公开的使用串联馈线的示例圆极化贴片天线以及天线阵列。
具体实施例
[0016]下面讨论的图1到图56以及在本发明专利文件中用来描述本发明原理的各种实施例仅仅是示例性的，不应以限制本发明发明范围的方式进行解释。本领域技术人员将理解，可以在任何类型的适当布置的设备或系统中实现本发明的原理。
[0017]图1示出根据本公开的示例无线网络100。如图1中所示，无线网络100包括演进节点 B(eNB) 101、eNB 102 和 eNB 103。eNB 101 与 eNB 102 和 eNB 103 通信。eNB 101 还与诸如互联网、专有IP网络、或其他数据网络之类的网络协议(IP)网络130通信。在本示例中，eNB 102和eNB 103能够经由eNB 101接入IP网络130。
[0018]eNB 102向eNB 102的覆盖区域120之内的用户设备(UE)提供(经由eNB 101)到IP网络130的无线宽带接入。这里的UE包括UE 111，其可以位于小型企业中；UE 112，其可以位于公司中；UE 113，其可以位于WiFi热点中；UE 114，其可以位于第一住宅中；UE115，其可以位于第二住宅中;以及UE 116，其可以是移动设备(诸如蜂窝电话、无线膝上型计算机、无线个人数字助理)。UE 111-116中的每一个可以表示移动设备或固定设备。eNB103向eNB 103的覆盖区域125之内的UE提供(经由eNB 101)到IP网络130的无线宽带接入。这里的UE包括UE 115和UE 116。在一些实施例中，eNB 101-103中的一个或多个可以使用LTE或LTE-A技术相互通信并与UE 111-116通信。
[0019]虚线示出覆盖区域120和125的近似范围，其仅出于例示和说明的目的而被示出为近似圆。取决于像eNB的配置以及与自然和人工障碍相关联的无线电环境中的变化这样的因素，覆盖区域120和125可以具有其他的形状，包括不规则的形状。
[0020]取决于网络类型，其他公知术语，诸如“基站”或“接入点”，可以被用来代替用于组件101-103中的每一个的“演进节点B”或“eNB”。为了方便起见，本文中使用术语“演进节点B”和“eNB”以指示提供到远程无线设备的无线接入的网络基础设施组件。同时，取决于网络类型，其他公知术语，诸如“移动站”(MS)、“用户站(SS)、“远程终端”(RT)、“无线终端”(WT)和“用户装置”，可以被用来代替用于组件111-116中的每一个的“用户设备”或“UE”。为了方便起见，此处使用术语“用户设备”和“UE”来指示以无线方式接入eNB的远程无线设备，不管该UE是移动设备(例如，蜂窝电话)还是通常认为的固定设备(例如，台式计算机或自动贩售机等)。
[0021]如下面更详细地描述的，每个eNB 101-103和/或每个UE 111-116可以包括至少一个圆极化(CP)贴片天线。可以使用单个贴片天线，或可以使用多个贴片天线(诸如在阵列中)。这些贴片天线可以支持宽带、单层、单馈电、高效天线解决方案。这些贴片天线还非常适合于低成本的毫米波(MMW)相位扫描阵列。可以完全去除冗余反馈网络(虽然这不是必要的)，并且可以利用单层印刷电路板(PCB)制造技术制造整个天线或阵列。与传统的CP贴片天线解决方案相比，如下所述的天线和阵列对于民用产品或其他产品更实用，诸如其中期望或需要相位扫描的那些产品。
[0022]虽然图1示出无线网络100的一个示例，但是可以对图1做出多种改变。例如，网络100可以以任何合适的排列包括任何数量的eNB和任何数量的UE。此外，eNB 101可以直接与任何数量的UE通信并且向那些UE提供到网络130的无线宽带接入。进一步，eNB101可以提供到其他或额外的外部网络(诸如外部电话网)的接入。另外，无线网络100的组成和排列仅作为图解之用。如下所述的天线和天线阵列可被用于参加无线通信的任何其他合适的设备或系统。
[0023]图2示出根据本公开的示例eNodeB 101。相同或类似结构可被用于图1的eNB102-103。如图2中所示，eNB 101包括基站控制器(BSC) 210和一个或多个基站收发器子系统(BTS) 220。BSC 210管理eNB 101的资源，包括BTS 220。每个BTS 220包括BTS控制器225、信道控制器235、收发器接口(IF) 245、RF收发器250和天线阵列255。信道控制器235包括多个信道元件240。每个BTS 220还可以包括切换控制器260和存储器270，不过这些组件可以位于BTS 220外部。
[0024]BTS控制器225包括能够运行与BSC 210通信的操作程序的处理电路和存储器，并且控制BTS 220的整体操作。在正常情况下，BTS控制器225指导信道控制器235的操作，其中信道元件240沿前向信道和反向信道执行双向通信。收发器IF 245在信道控制器240和RF收发器250之间传送双向信道信号。RF收发器250 (其可以表示集成的或单独的发送器和接收器单元)经由天线阵列255发送和接收无线信号。天线阵列255从RF收发器250向eNB 101的覆盖区域中的UE发送前向信道信号。天线阵列255还向收发器250发出从eNB 101的覆盖区域中的UE接收到的反向信道信号。
[0025]如下所述，eNB 101的天线阵列255包括至少一个CP贴片天线。尤其，天线阵列255可以支持包括扫描天线的MMW天线的使用。此外，可以使用标准PCB制造技术制造天线阵列255。
[0026]虽然图2示出eNB 101的一个示例，但是可以对图2做出多种改变。例如，图2中的多个组件可以被组合、进一步细分、或被省略，并且可以根据特定需要添加额外的组件。此外，虽然图2示出eNB 101作为基站操作，但是eNB可以被配置为作为其他类型的设备(诸如接入点)操作。
[0027]图3示出根据本公开的示例UE 116。相同或类似结构可被用于图1的UE111-116。如图3中所示，UE 116包括天线305、RF收发器310、发射(TX)处理电路315、麦克风320和接收(RX)处理电路325。UE 116还包括扬声器330、主处理器340、输入/输出(I/O)接口 345、键区350、显示器355和存储器360。存储器360包括基本操作系统(OS)程序361和一个或多个应用362。应用362可以支持多种功能，诸如语音通信、网络浏览、生产型应用(productivity applicat1n)以及游戏。
[0028]RF收发器310从天线305接收通过eNB发送的传入RF信号。RF收发器310下转换输入的RF信号以生成中频(IF)或基带信号。IF或基带信号被发出给RX处理电路325，其生成经处理的基带信号(诸如通过对基带或中频信号进行滤波、解码、和/或数字化)。例如，RX处理电路325可以将经处理的基带信号发送给扬声器330 (诸如，语音数据)或主处理器340 (诸如，网络浏览数据)以用于进一步处理。
[0029]TX处理电路315从麦克风320接收模拟或数字话音数据或从主处理器340接收其他输出的基带数据(例如，网络数据、电子邮件数据、交互式视频游戏数据)。TX处理电路315编码、多路复用、和/或数字化输出的基带数据以生成经处理的基带或IF信号。RF收发器310从TX处理电路315接收输出的经处理的基带或IF信号，并且将基带或IF信号上转换为经由天线305发射的RF信号。
[0030]主处理器340运行基本OS程序361以便控制UE 116的整体操作。例如，主处理器340可以根据公知原理控制通过RF收发器310、RX处理电路325以及TX处理电路315的前向信道信号的接收和反向信道信号的发射。
[0031]主处理器340还能够运行其他处理和程序，诸如应用362。主处理器340可以基于多种输入(诸如来自OS程序361、用户或eNB的输入)运行这些应用362。在一些实施例中，主处理器340是微处理器或微控制器。存储器360可以包括任何合适的(多个)存储设备，诸如随机存取存储器(RAM)和快闪存储器或其他只读存储器(ROM)。
[0032]主处理器340耦接到I/O接口 345。I/O接口 345向UE 116提供连接到诸如膝上型计算机和便携计算机的其他设备的能力。I/O接口 345是这些附件和主处理器340之间的通信路径。主处理器340还耦接到键区350和显示单元355。UE 116的操作者使用键区350以将数据录入到UE 116中。显示器355可以是能够呈现来自网址的文字和/或至少有限的图形的液晶显示器。其他实施例可以使用其他类型的显示器，诸如还可以接收用户输入的触摸屏显示器。
[0033]如下所述，UE 116的天线305包括至少一个CP贴片天线。尤其，天线305可以表示包括扫描天线的MMW天线。此外，可以使用标准PCB制造技术制造天线305。
[0034]虽然图3示出UE 116的一个示例，但是可以对图3做出多种改变。例如，图3中的多个组件可以被组合、进一步细分、或被省略，并且可以根据特定需要添加额外的组件。此夕卜，虽然图3示出UE 116作为移动电话操作，但是UE可以被配置为作为其他类型的移动或固定设备操作。
[0035]图4到图41示出根据本公开的使用成角度的馈线的示例圆极化贴片天线和天线阵列。支持圆极化(CP)或双线偏振(LP)的各种传统贴片天线已经发展了很多年。这些天线可以减少由通信终端的不可预知的运动所引起的极化失配，因此对于依赖CP或双LP天线的基于空间和基于陆地的应用而言是有用的。
[0036]令人遗憾地，许多传统的CP或双LP天线表现出非常低的阻抗带宽和非常低的轴比带宽。一种用于解决这个问题的传统方法在天线的传导贴片和接地面之间使用较厚的空气或泡沫基底，但是这个方法对于低成本的大量生产不实用。另一传统方法使用用于激励单天线的多个馈电。然而，这典型地涉及使用增加天线的大小、复杂性和成本的多层馈电网络，同时降低天线效率。此方法还典型地不能与扫描阵列天线一起使用。还一其他传统方法使用诸如人造接地面、贴片槽外形、以及异形贴片，这些对于低成本的大量生产都不实用。图4到图41中示出的各种贴片天线和天线阵列有助于克服传统贴片天线的这些或其他问题。
[0037]如图4中所示，贴片天线400包括贴片元件402和微带线404。贴片元件402通常表示位于接地面(未示出)上的传导结构。贴片元件402表示用于辐射传出无线信号并且接收传入无线信号的天线400的一部分。微带线404通常表示向贴片元件402馈给电信号并且从贴片元件402接收电信号的传导线。注意，术语“微带”不暗示任何特定尺寸限制(诸如，一微米或若干微米)并且仅表示较小宽度。
[0038]本文中的贴片元件402通常是具有四个大概直边406的正方形或矩形。然而，贴片元件402被截短,意味着贴片元件402的至少一个角408已经被形成切口(notched)或被形成小平面(faceted)。贴片元件402因此被称为“角截短”的贴片。
[0039]贴片元件402和微带线404可以由任意合适的材料形成，诸如一种或多种金属或其他(多个)传导材料。此外，贴片元件402和微带线404可以以任意合适的方式形成，并且贴片元件402和微带线404可以在相同的制造步骤期间或在不同的制造步骤期间形成。另外，贴片元件402和微带线404每个可以具有任意合适的大小与形状，并且贴片元件402的(多个)角中的(多个)切口可以具有任意合适的大小与形状。
[0040]如图4中所示，微带线404以非直角(意味着角度不是90° )向贴片元件402馈电。为此，微带线404被认为相对于贴片元件402的一侧“倾斜”。在此示例中，微带线404以精确的45°或大体上的45°的角度向贴片元件402馈电。此外，微带线404在与贴片元件402的全部角“间隔开”的点处连接到贴片元件402，这意味着微带线的连接点与贴片元件402的角物理分离。微带线404可以朝向它连接到的边406的任一端倾斜，并且微带线404可以连接到贴片天线400的任意边406，使被截短的角408在它的左或右侧以用于不同的圆极化。
[0041]图5A和图5B示出贴片天线400的两个辐射状态。如这里可以看出的，贴片天线400能够沿多个方向辐射电场。
[0042]在图6中示出贴片天线400和两个传统的贴片天线之间的阻抗带宽(Sll)比较。在图6中，线602表示没有角截短并且微带线以90°对贴片馈电的正方形贴片天线的阻抗带宽。线604表示具有角截短并且微带线以90°向贴片馈电的正方形贴片天线的阻抗带宽。线606表示贴片天线400的阻抗带宽。如这里可以看出的，与其他贴片天线的带宽(没有角截短，0.5GHz或1.8% ;具有角截短，1.08GHz或3.9% )相比，贴片天线400示出显著改善的带宽(对于Sll〈-10dB，1.3GHz或4.7% )。结果，贴片天线400可以实现具有改善的阻抗匹配的较大带宽。此外，不能将具有角截短的正方形贴片的最佳匹配点置于它的带宽中心而不降低它的轴比(AR)性能。
[0043]在图7中示出贴片天线400和传统的贴片天线之间的视轴AR比较。在图7中，线702表示具有角截短并且微带线以90°向贴片馈电的正方形贴片天线的轴比。线704表示贴片天线400的轴比。这里，两个天线的AR带宽非常类似(0.37GHz或1.3% )。然而，如图7中的线704示出的贴片天线400的AR带宽围绕27.8GHz为中心，如图6中的线606示出的它的Sll带宽那样。具有90°馈电角的角截短的贴片在如图6中的线604所示的它的Sll带宽和图7中的线702所示的它的AR带宽之间表现出频率不对准。
[0044]多个贴片元件可以经由半波长线容易地连接以形成可以被用作天线阵列的串联谐振结构。在这些实施例中，一个贴片元件沿它的一侧被馈电，并且该贴片元件可以沿它的相对侧向其他贴片元件馈电。可以通过使用相应的贴片元件获得左旋圆极化(LHCP)或右旋圆极化(RHCP)。
[0045]这样的示例在图8中示出，其中贴片天线800包括第一贴片元件802和向第一贴片元件802馈电的第一微带线804。这些组件802-804可以与图4中的相应组件402-404相同或类似。
[0046]贴片天线800还包括通过第二微带线808耦接到第一贴片元件802的第二贴片元件806。这些组件806-808可以与相应组件802-804相同或类似，但是贴片元件802和806可以具有不同的大小或形状，并且微带线804和808可以具有不同的长度。这里的微带线804,808相对于它们所馈电的贴片元件802、806以精确地或大体上的45°倾斜。
[0047]在该配置中，天线800可以被看作两个元件串联耦接的CP天线阵列。图9A和图9B示出贴片天线800的两个辐射状态。贴片元件802、806经由半波长微带线808同相谐振，允许保留CP特性。
[0048]在图10中示出贴片天线800和两个传统的贴片天线之间的Sll比较。在图10中，线1002表示具有90°馈电的串联耦接的两个元件LP贴片阵列的阻抗带宽。线1004表示具有90°馈电的串联耦接的两个元件CP贴片阵列的阻抗带宽。线1006表示贴片天线800的阻抗带宽。如在图10中的可以看出的，贴片天线800保持图4中的单个元件实施例的带宽改善(1.24GHz或4.4% )。线1004示出90°馈电的角截短的贴片阵列的带宽显著地缩小(0.6GHz或2.1%)。线1002示出90°馈电的非角截短的贴片阵列的带宽仍然具有非常窄的带宽(0.39GHz或1.4% )。
[0049]在图11中示出贴片天线800和传统的贴片天线之间的视轴AR比较。在图11中，线1102表示具有90°馈电的串联耦接的两个元件CP贴片阵列的轴比。线1104表示贴片天线800的轴比。与图4的单个元件实施例相比，图8的串联耦接的两个元件实施例具有改善的AR带宽(0.46GHz或1.6% )。然而，线1102示出具有90°馈电的串联耦接的两个元件CP贴片阵列在图10中的它的阻抗带宽与图11中的它的AR带宽之间具有严重的不对准。
[0050]通常，通过使用以大体上45°倾斜的馈线连接角截短的贴片元件以用于CP辐射，这有助于减少或消除贴片元件的任意突出的辐射边。与现有方法相比，这为天线提供更多的固有CP谐振。此外，用于连接贴片元件的冗余馈线可以被替换为贴片元件之间的简单的半波长微带线，其显著地减少天线大小并增加天线的辐射效率。这使得能够创建实用的并且与传统的LP贴片阵列相比表现出更宽的带宽的串联耦接的CP贴片阵列。
[0051]串联耦接的贴片元件的数量可以增加到任意合适的元件数量。例如，如图12中所示，贴片天线1200包括第一贴片元件1202、第一微带线1204、第二贴片元件1206以及第二微带线1208。贴片天线1200还包括通过第三微带线1212耦接到第二贴片元件1206的第三贴片元件1210。这里的贴片元件和微带线可以与图8中的贴片元件和微带线相同或类似。微带线1204、1208、1212相对于它们馈电的贴片元件以精确地或大体上的45°倾斜。
[0052]在该配置中，天线1200可以被看作三元件串联耦接的CP天线阵列。图13A和图13B示出贴片天线1200的两个辐射状态。贴片元件1202、1206、1210经由半波长微带线1208、1212同相谐振。
[0053]如图14中所示，贴片天线1400包括组件1402-1412，其可以与图12中的相应组件相同或类似。贴片天线1400还包括通过第四微带线1416耦接到第三贴片元件1410的第四贴片元件1414。微带线1404，1408、1412、1416相对于它们馈电的贴片元件以精确地或大体上的45°倾斜。
[0054]在该配置中，天线1400可以被看作四元件串联耦接的CP天线阵列。图15A和图15B示出贴片天线1400的两个辐射状态。贴片元件1402、1406、1410、1414经由半波长微带线1408、1412、1416同相谐振。
[0055]图16比较贴片天线800、1200、1400的阻抗带宽，并且图17比较贴片天线800、1200、1400的AR带宽。图18A示出贴片天线1200在28GHz处的辐射图，并且图18B示出贴片天线1400在28GHz处的辐射图。如这里可以看出的，天线的阻抗带宽随着天线中的贴片元件的数量增加而增加。对于图14中的四元件实施例，阻抗带宽是1.6GHz或5.6%，其与薄到2.4% λ的PCB基底上的传统设计相比显著改善。相比之下，AR带宽随着贴片元件的数量变化通常保持相同。天线的CP辐射图通常平滑和对称，并且天线增益随着贴片元件的数量增加而增加。
[0056]在贴片天线800、1200、1400中，每当贴片元件耦接到两个微带线时，那些微带线在贴片元件的相对侧上耦接到贴片元件。这允许贴片元件形成贴片元件的串联耦接的阵列，其中一个贴片元件向下一贴片元件馈给信号。然而，还可能创建主贴片耦接到寄生贴片的天线。寄生贴片元件表示与主贴片元件相比在X平面或Y平面中翻转的贴片元件，意味着寄生贴片元件的截短的角与主贴片元件的截短的角相对。
[0057]这样的示例在图19中示出，其中贴片天线1900包括主贴片主件1902和向主贴片主件1902馈电的主微带线1904。贴片天线1900还包括通过第二微带线1908耦接到主贴片元件1902的寄生贴片元件1906。这里的微带线1904、1908相对于它们馈电的贴片元件以精确地或大体上的45°倾斜，并且微带线1908是半波长线。
[0058]在该配置中，微带线1904和1908沿主贴片元件1902的相邻的边耦接到主贴片元件1902。这创建主贴片元件1902和寄生贴片元件1906之间的寄生关系，而不是如图8、图12和图14中的简单的串联耦接关系。
[0059]图20Α和图20Β示出贴片天线1900的两个辐射状态。如这里可以看出的，对于工作循环的一部分，辐射主要从主贴片元件1902发生(图20Α)，而对于工作循环的另一部分，辐射更平均地分布在主贴片元件1902和寄生贴片元件1906之间。
[0060]如图21中所示，不同的辐射状态之间切换的能力实现更宽的AR带宽，其中线2102表示天线1900的阻抗带宽并且线2104表示天线1900的AR带宽。如这里看出的，可以获得IGHz或3.6% AR带宽，其与传统方法相比得到显著改善。使用单层2.4% λ基底，这个AR带宽先前被认为不可能，除非采用多馈电网络。注意，对于这个特定情况，AR性能无法微调，并且轻微的AR带宽改善可以预期具有更好的调谐。图22中示出天线1900在28GHZ处的辐射图。
[0061]可以在许多方面扩展寄生贴片元件的使用。例如，多于一个寄生贴片元件可以串联连接到主贴片元件的一侧以实现更大的辐射增益。例如，图23示出具有使用微带线2304馈电的主贴片元件2302的贴片天线2300。贴片天线2300还包括三个串联连接的寄生贴片元件2306，每个通过微带线2308耦接到主贴片元件2302或在前的寄生贴片元件2306。这里的微带线2304、2308相对于它们馈电的贴片元件以精确地或大体上的45°倾斜。
[0062]寄生贴片元件还可以耦接到主贴片元件的多个侧。例如，图24示出具有通过微带线2404馈电的主贴片元件2402的贴片天线2400。贴片天线2400还具有两个寄生贴片元件。一个寄生贴片元件2406通过微带线2408耦接到主贴片元件2402的一侧，并且另一寄生贴片元件2410通过微带线2412耦接到主贴片元件2402的另一侧。此外，每个微带线是相对于它馈电的贴片元件以精确地或大体上的45°倾斜的半波长线。
[0063]图25A和图25B示出天线2400的两个辐射状态。对于它的工作循环的一部分，主贴片元件2402生成大部分辐射(图25A)。对于它的工作循环的另一部分，三个贴片元件2402,2406,2410辐射几乎相同的能量(图25B)。
[0064]像期望的那样，如图26中所示，天线2400还示出显著改善的AR带宽，其中线2602表示天线2400的阻抗带宽并且线2604表示天线2400的AR带宽。获得了 1.23GHz或4.4%AR带宽，其甚至比图19中示出的实施例中的那些更大。图27示出天线2400在28GHz处的福射图。
[0065]一个或多个主贴片元件和多个寄生贴片的各种组合也是可能的。例如，图28示出具有通过微带线2804馈电的一个主贴片元件2802的贴片天线2800。贴片天线2800还包括四个寄生贴片元件2806，两个寄生贴片元件2806在主贴片元件2802的两个相对侧串联连接。每个寄生贴片元件2806使用微带线2808被馈电。
[0066]图29示出具有通过微带线2904馈电的第一主贴片元件2902的贴片天线2900。第二主贴片元件2906通过微带线2908与第一主贴片元件2902串联耦接。第一贴片天线2902通过微带线2912耦接到第一寄生贴片元件2910，并且第二主贴片元件2906通过微带线2916耦接到第二寄生贴片元件2914。
[0067]图30公开了具有两个串联耦接的主贴片元件3002和3006的类似贴片天线3000。每个主贴片元件3002和3006分别耦接到寄生贴片元件3010和3014。这里的寄生贴片元件3010、3014排列在天线3000的相对侧。
[0068]在图31中，天线3100包括串联耦接的主贴片元件3102和3106，每个分别耦接到两个寄生贴片元件3110、3114和3118、3122。在图32中，天线3200包括三个串联耦接的主贴片元件3202、3206、3210，每个耦接到两个寄生贴片元件3214-3234。
[0069]通常，贴片元件的任一边(除用于向贴片元件馈电的边之外)可用于连接到另一贴片元件，而不考虑其他贴片元件是主贴片元件(连接在馈线的对侧)还是寄生贴片元件(连接在馈线的邻侧)。上面描述的图仅表示可以组合主贴片元件和寄生贴片元件的一些方式，并且任何或其他结构可以被用作更大天线的子阵列。
[0070]也可以“重用”天线中的元件，诸如当连接到主贴片元件的侧边的寄生贴片元件被串联连接到其他主贴片元件时，形成可重用的元件阵列配置。这样的示例示出在图33中，其中天线3300包括贴片元件的三个子集3302-3306。每个子集3302-3306包括两个串联耦接的主贴片元件，并且每个主贴片元件耦接到两个寄生贴片元件。如这里可以看出的，寄生贴片元件3308-3310耦接到子集3302-3304中的主贴片元件。类似地，寄生贴片元件3312-3314耦接到子集3304-3306中的主贴片元件。在半循环操作中，耦接在主贴片元件之间的寄生贴片元件可用于“锁定”输入端口 3316-3320之间的电磁(EM)耦合。如图34中所示，这可以致使输入端口 3316-3320之间的非常少量的互耦。然而，这个特定设置缩小了阻抗和AR带宽。图35中示出天线3300在28.3GHz处的辐射图。
[0071]也可以将上面描述的多种贴片天线组合成为更大的天线。例如，图36示出贴片天线阵列3600，其中天线阵列3600包括多个贴片天线1200。如上所述，每个贴片天线1200包括三个串联耦接的贴片元件。这里的贴片天线1200可以表示用于相位扫描阵列的子阵列。各种天线1200的贴片元件在图36中以三角形点阵形式排列，不过可以使用其他配置(诸如矩形、六角形、圆形或线性点阵)。
[0072]图37示出另一贴片天线阵列3700，其中天线阵列3700包括多个贴片天线2400。天线2400可以形成用于相位扫描阵列的子阵列。如上所述，每个贴片天线2400包括一个主贴片元件和两个寄生贴片元件。各种天线2400的贴片元件在这里以三角形点阵形式排列，不过可以使用其他配置(诸如矩形、六角形、圆形或线性点阵)。
[0073]图38示出使用贴片天线1200和贴片天线2400 二者的贴片天线阵列3800，其可以形成用于相位扫描阵列的子阵列。多个天线1200、2400的贴片元件以三角形点阵形式排列，不过可以使用其他配置(诸如矩形、六角形、圆形或线性点阵)。贴片天线阵列3800使能容易地对各种馈线进行布线，如图38中的中心子阵列3802没有闭合(意味着它不被馈电)，而剩余子阵列的馈线可以被直接拉到阵列的两侧。
[0074]在这个示例中，使用十六个子阵列(第十七个子阵列3802未使用)。在特定实施例中，如图39中所示，相互端口耦合可以低于-25dB并且可以获得4.3% Sll带宽。图40A-图401示出对于在宽边处、在方位角30° /仰角0°处、以及在方位角0° /仰角-10°处的平均波束的天线阵列3800在27.7GHz,28GHz和28.3GHz处的辐射图。如图41中所示，天线阵列3800的一个实施例的效率可以是大约80%。
[0075]与传统设计相比，天线阵列3600-3800表现出更高的天线效率，更小的可达到的元件间距，并且改善的子阵列成形灵活性。此外，天线阵列的各种实施例仅使用单层配置，其显著地降低生产成本同时提供显著提高的天线带宽。
[0076]在图4到图41中示出的全部天线实施例中，天线或天线阵列中向贴片元件馈电的一个、一些或全部微带线可以以大体上或精确地45°的角度倾斜。45°角度有助于保证贴片元件的边中没有一个向来自它的馈线的传入电场突出。这感生更大的固有圆极化操作并且因此得到更大的带宽。图4到图41中的每个贴片元件和微带线可以由任意合适的(多个)材料并且以任意合适的方式形成。例如，传导材料可以沉积在基底(诸如PCB)上并且被蚀刻以形成天线的多个传导结构。特定制造技术包括标准PCB处理技术、互补金属氧化物半导体(CMOS)制造技术、以及低温共烧陶瓷(LTCC)制造技术。此外，在具有贴片元件和馈线的天线中，不要求贴片元件或微带线共享共同形状或大小。可以使用具有不同大小或形状的贴片元件或微带线的天线。上面描述的天线和天线阵列可被用于任意合适的设备或系统中，包括图1的eNB 101-103和UE 111-116。
[0077]虽然图4到图41示出使用成角度的馈线的圆极化贴片天线和天线阵列的示例，但是可以对图4到图41做出各种改变。例如，虽然图4到图41示出多个贴片天线和天线阵列，但是天线和阵列中的贴片元件的数量和排列仅作为图解之用。任一数量的贴片元件可以以任意合适的方式排列以支持天线或阵列的期望的操作，并且贴片元件可以或可以不以子阵列排列。此外，示出辐射图、带宽图、视轴图的图及示出天线和天线阵列的潜在的操作的其他图是非限制的。这些图仅意味着示出此公开可能与一些传统的设备进行比较的特定实施例的可能的功能方面。这些图不意味着全部传统的或发明的设备以那些图中示出的特定方式操作。
[0078]图42A到图56示出根据本公开的使用串联馈线的示例圆极化贴片天线以及天线阵列。在上面描述的圆极化贴片天线和天线阵列中，通过另一贴片元件向一个贴片元件常规地馈给信号。从连接到全部那些贴片元件的公共信号线向多个贴片元件串联馈电也是可能的。这可以使用单层CP贴片元件和非旋转的馈电方法执行。
[0079]CP或双LP天线的一个使用是在毫米波(MMW)通信系统中，其使用从约30GHz到约300GHz的射频(RF)信号。在图1中示出了示例系统。为了建立UE和eNB之间的稳定的信号路径，两个设备中的高增益天线阵列可以补偿链路损失并减少电力消耗。此外，CP或双LP天线可被用于eNB的天线阵列255以减少或最小化由于UE并eNB之间的极化失配所致的损失。
[0080]在诸如消费者电子设备的大小和成本约束的平台中，常常使用平面天线阵列，因为它们适合标准PCB制造技术并且可以容易地使与其他组件结合。使用多个贴片天线的阵列常常是便宜的并且具有良好的辐射图。
[0081 ] 不幸地，单个标准贴片天线具有固线性偏振，其在设计CP或双LP天线阵列中带来困难。解决该问题的一种传统方法涉及提供信号给顺序旋转馈电的多个贴片天线，这可以串行或并行执行。
[0082]然而,这个方法常常涉及使用两个基底,其增加天线阵列的大小和成本。此外，当向多个贴片天线连续地馈给信号时，这常常涉及复杂的设计以保证每个传输线路段的阻抗同时匹配传递到每个贴片天线的信号的相位和幅度。另外，使用顺序旋转馈给的天线阵列典型地缺乏扫描能力，具有较低效率，并且遭受天线振子之间的互耦(其可能使馈电网络的幅度和相位匹配失谐)。图42A到图56中示出的多种贴片天线和天线阵列有助于克服传统贴片天线的这些或其他问题。
[0083]如图42A中所示，贴片天线4200包括两个贴片元件4202-4204，其表示角截短的贴片元件。贴片元件4202-4204通过微带线4206馈电，该微带线4206相对于贴片元件4202-4204以大体上或精确地45°倾斜(但是还可以使用其他馈电角度)。微带线4206可以是半波长线或四分之一波长线，或甚至任意长度的(多个)线以用于阻抗匹配。微带线4206还可以是直的或弯曲的。
[0084]每个微带线4206耦接到串联馈线4208，其包括多个阻抗变换器(具有改变馈线4208的宽度的形式)。串联馈线4208还可以形成为没有任何阻抗变换器，诸如当每个馈电点之间的线长度是半波长的整数倍时。这里使用阻抗变换器以重新平衡馈入到每个贴片元件中的信号振幅，其可能由于来自馈线4208的欧姆损耗而稍有不同。馈线4208中间的曲线被用于减少贴片元件4202-4204的馈电点之间的间隔并且从而减少贴片元件4202-4204之间的间隔。馈线4208中间的直线部分也可以被使用。
[0085]在图42A中，每个贴片元件4202-4204的顶角和底角被截短，并且微带线4206从左侧激励贴片元件4202-4204。这在天线4200中激励RHCP。在图42B中，除贴片元件4222-4224具有被截短的左角和右角之外，贴片天线4220具有类似结构，并且微带线4226从左侧激励贴片元件4222-4224。这在天线4220中激励LHCP。在图42C中，贴片天线4240具有与天线4200类似的结构，但是微带线4246从右侧激励贴片元件4242-4244。这在天线4240中激励LHCP。在图42D中，贴片天线4260具有与天线4220类似的结构，但是微带线4266从右侧激励贴片元件4262-4264。这在天线4260中激励RHCP。这些天线4200、4220、4240、4260中的任何一个可以被用作更大天线中的子阵列，诸如相位扫描阵列。这些天线使用串联馈线4208作为用于耦接到馈线4208的全部贴片元件的“总线”。馈线4208同相地馈给贴片元件。
[0086]图43示出具有90°馈线的角截短的贴片元件在220 Ω阻抗处(线4302)与具有45°馈线的角截短的贴片元件在140 Ω阻抗处(线4304)之间的Sll比较。两个天线被优化以提供它们的最好阻抗和AR带宽。明显地，图42A到图42D中示出的馈电技术提供更好的带宽和更大的合理阻抗。
[0087]图44A和图44B示出贴片天线4200的两个辐射状态。两个辐射状态处于0° (图44A)和90° (图44B)的输入相位。对于具有0°相位的状态，贴片边“ I”和“3”具有最强辐射，而在贴片边“2”和“4”处什么也没发生。对于具有90°相位的状态，贴片边“2”和“4”具有最强辐射，而在贴片边“I”和“3”处什么也没发生。在这些图中，串联馈线4208中的点“a”和“c”之间的线的总长度是λ，所以从点“a”到底部看到的阻抗与从点“c”到底部看到的阻抗(Rp)相同。在这种情况下，在点“a”和“c”处的两个贴片元件接收大体上相同量的能量，并且在点“a”的左侧看到的阻抗是两个贴片元件的并联阻抗(Rp/2)。
[0088]在此示例中，点“a”和“b”或点“c”和“d”之间的一段微带线4206是λ/4。从它的关联贴片元件的点“a”或点“c”到底部看到的阻抗是Rp = Ro2/Re，其中Ro表示点“a”和“b”或点“c”和“d”之间的微带线4206的阻抗并且Re表示正好在边“I”处的贴片阻抗。λ /2微带线4206还可以使用在点a”和“b”或点“c”和“d”之间，在这种情况下Rp = Re。对于90°馈电角截短的贴片，Re在它的共振频率处是复数，并且点“a”和“b”或点“c”和“d”之间的线长度将需要被调整以便忽略(tune out)Re的虚数部分。
[0089]这里示出的方法的另一个优点是串联馈电配置不需要如一些传统方法需要(诸如，其中2X2阵列配置是强制的)的固定数量的贴片元件来创建结构单元。图42A到图42D中示出的实施例使用两个贴片元件以获得结构单元。当需要更多贴片元件串联时，从点“a”到点“c”简单的复制串联馈线4208足够确保贴片元件之间的大体上的等能量平衡。然而，从点“a”的左边看到的阻抗改变为Rp/n，其中η是由串联馈线4208激励的贴片元件的数量。
[0090]如图45Α到图4?中所示，具有两个线性偏振贴片元件的结构还可以被从串联馈线在90°处馈电。如在图45Α和图45Β中可以看出的，描绘了两个辐射状态的电场分布。当输入相位是90°时，几乎没有能量进入贴片元件。辐射仅发生在贴片边“I”和“3”(顶边和底边)的0°输入相位处。然而,如图45C和图45D中所示，具有两个线性偏振贴片元件的结构可以与具有两个串联供电贴片元件的天线配对以实现CP辐射。
[0091]耦接到串联馈线的贴片元件的数量可以变化以创建多个结构单元。例如，图46示出具有耦接到串联馈线4608的三个贴片元件4602-4606的贴片天线4600。因为馈线4608在到贴片元件4602-4606的每个馈电点处具有大体上相同的阻抗特性，所以串联馈线4608可以简单地重复自身以同时向更多贴片元件馈电。可以实现具有多于三个贴片元件的结构单元，并且事实上可以使用串联馈线向贴片元件的任一组合馈电。注意，图42A到图42D中示出的不同的角截短和左/右馈电侧可被用在图46中或具有多于两个贴片元件的任一其他结构单元中。
[0092]贴片元件还可以在串联馈线的多侧耦接到串联馈线。这样的示例在图47中示出，其中天线4700包括耦接到串联馈线4704的八个贴片元件4702(串联馈线4704的每侧上有四个)。在本实施例中，连接到贴片元件4702的微带线4706已经被弯曲，但是可以使用直的微带线。此外，与图42A到图42D不同的角截短和馈电方向可被用于图47中，并且可以使用比八个贴片元件4702或多或少的贴片元件。图48示出天线4700的辐射状态。
[0093]在图47中，两个贴片元件在沿串联馈线的多个位置中的每一个处连接到串联馈线。然而，如图49中所示，天线4900的贴片元件4902还可以以十字交叉方式被馈电。在这个技术中，贴片元件4902沿馈线4904的长度在馈线4904的交替侧连接到串联馈线4904。还可以使用具有不同数量的贴片元件的其他实施例。
[0094]贴片元件的多个结构单元还可以耦接到串联馈线以创建更复杂的贴片元件图案。例如，多个串联馈电的结构单元可以以级联配置连接到串联馈线。这样的示例在图50中示出，其中贴片天线5000包括耦接到中心串联馈线5004的六个结构单元5002。每个结构单元5002包括连接到本地串联馈线的三个串联馈电的贴片元件。其他实施例可以使用任意数量的上述讨论的各种结构单元的级联。此外，可以使用具有以不同配置级联的结构单元的其他实施例。另外，还可以使用级联的级联。
[0095]全部这些实施例可以用作用于更大天线的子阵列，诸如相位扫描阵列。由于结构单元的几何灵活性，可以实现不同的相位扫描阵列。例如，图51示出贴片天线阵列5100，其包括使用贴片天线4200形成的子阵列。这里，每个子阵列包括从串联馈线的相同侧被馈电的两个贴片元件。此外，子阵列被排列以使得贴片元件具有对角线阵列点阵，但是还可以使用其他点阵(诸如三角形、矩形、圆形或六角形的点阵)。在图52A中示出天线阵列5100的模拟阵列视轴增益和轴比对比频率，并且图52B到图52D中分别示出具有在方位角0° /仰角0°处、在方位角-30° /仰角0°处、以及在方位角0° /仰角-20°处的扫描波束的天线阵列5100在28GHz处的辐射图。
[0096]作为另一示例，图53示出贴片天线阵列5300，其包括使用贴片天线4700形成的子阵列。这里，每个子阵列包括八个贴片元件，四个贴片元件从串联馈线的每侧被馈电。此夕卜，子阵列被排列以使得贴片元件具有三角形阵列点阵，但是还可以使用其他点阵(诸如对角线、矩形、圆形或六角形的点阵)。在图54A中示出天线阵列5300的模拟阵列视轴增益和轴比对比频率，并且图54B到图54D中分别示出具有在方位角0° /仰角0°处、在方位角-25° /仰角0°处、以及在方位角0° /仰角-7°处的扫描波束的天线阵列5300在28GHz处的辐射图。
[0097]图55示出贴片天线阵列5500，其包括使用贴片天线4900形成的子阵列。这里，每个子阵列包括四个十字交叉的贴片元件。这是一维的四元件线性阵列，因为存在沿行排列的四个子阵列。这个配置的一个优点是一个子阵列的孔径的一部分被两个附近的子阵列重用，并且可以提高仰角扫描范围。
[0098]图56示出贴片天线阵列5600，其包括使用贴片天线4900形成的子阵列。这里，每个子阵列包括四个十字交叉的贴片元件。子阵列相互偏离，并且贴片元件形成具有重叠的子阵列孔径的三角形点阵。两个相邻子阵列之间的相位中心距离与矩形形状的子阵列元件的传统矩形点阵配置相比减少一倍。
[0099]在图42A到图56中示出的全部天线实施例中，天线或天线阵列中的贴片元件中的两个或更多通过公共串联馈线被串联馈电。这有助于保证大体上相等的能量被贴片元件辐射。图42A到图56中的每个贴片元件、微带线、和串联馈线可以由任意合适的(多个)材料，以任意合适的方式形成。例如，传导材料可以沉积在基底(诸如PCB)上并且被蚀刻以形成天线的多个传导结构。特定制造技术包括标准PCB处理技术、CMOS制造技术和LTCC制造技术。此外，在具有贴片元件、微带线和串联馈线的天线中，不要求贴片元件、微带线、或串联馈线共享共同形状或大小。可以使用具有不同大小、形状的贴片元件、微带线或串联馈线的天线。上面描述的天线和天线阵列可被用于任意合适的设备或系统中，包括图1的eNB 101-103 和 UE 111-116。
[0100]虽然图42A到图56示出使用串联馈线的圆极化贴片天线和天线阵列的示例，但是可以对图42A到图56做出各种改变。例如，虽然图42A到图56示出多个贴片天线和天线阵列，但是天线和阵列中的贴片元件的数量和排列仅作为图解之用。任意数量的贴片元件可以以任意合适的方式排列以支持天线或阵列的期望的操作，并且贴片元件可以或可以不以子阵列排列。此外，任意其他合适的单层CP贴片元件可以串联连接到串联馈线，诸如具有十字槽或E槽的那些。另外，示出辐射图、带宽图、视轴图的图及示出天线和天线阵列的潜在的操作的其他图是非限制的。这些图仅意味着示出此公开可能与一些传统的设备相比的特定实施例的可能的功能方面。这些图不意味着全部传统的或发明的设备以那些图中示出的特定方式操作。
[0101]虽然本公开已经描述了许多实施例，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。例如，注意，以上描述中给出的多个值(诸如角度、阻抗带宽、AR带宽、和组件维数)仅是近似值。另外，将来自一个或多个实施例的元件与来自一个或多个其他实施例的元件组合在本公开的范围内。意图是本公开包含这种改变和修改为属于所附权利要求的范围。
【权利要求】
1.一种用于无线网络中的装置，包括: 天线，包括具有两个被截短的相对角的第一贴片元件，以及连接到第一贴片元件的第一侧并且被配置为向第一贴片元件馈电的第一微带线； 其中所述第一微带线与第一贴片元件的第一侧大体上形成45°的角度。
2.如权利要求1所述的装置，其中: 所述天线还包括具有两个被截短的相对角的第二贴片元件，以及连接到第二贴片元件的一侧的第二微带线；以及 所述第二微带线与第二贴片元件的所述一侧大体上形成45°的角度。
3.所述的装置2所述的装置，其中: 所述第一贴片元件和第二贴片元件级联以形成串联耦接的天线阵列；以及 所述第二微带线连接到与第一贴片元件的第一侧相对的第一贴片元件的第二侧。
4.所述的装置2所述的装置，其中: 所述第一贴片元件包括第一主贴片元件； 所述第二贴片元件包括与第一贴片元件相比在X平面或Y平面中的一个中翻转的寄生贴片元件；以及 所述第二微带线连接到与第一贴片元件的第一侧相邻的第一贴片元件的第二侧。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述寄生贴片元件连接到第一主贴片元件和第二主贴片元件两者。
6.如权利要求1所述的装置，其中: 所述天线包括多个贴片元件和多个微带线；以及 至少一个贴片元件中的每一个在贴片元件的相对侧或相邻侧上连接到微带线中的两个。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述天线包括具有多个子阵列的天线阵列，所述第一贴片元件和第一微带线形成子阵列中的一个的至少一部分。
8.所述的装置7所述的装置，其中: 所述子阵列的第一子集中的每个子阵列包括串联耦接的贴片元件；以及所述子阵列的第二子集中的每个子阵列包括一个或多个主贴片元件以及一个或多个寄生贴片元件。
9.如权利要求2所述的装置，其中所述第一微带线和第二微带线连接到第一公共串联馈线，所述第一公共串联馈线被配置为向第一贴片元件和第二贴片元件传递大体上相等的能量。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述第一公共串联馈线包括第一馈电点和第二馈电点之间的弯曲部分，该第一馈电点将第一公共串联馈线连接到第一微带线，该第二馈电点将第一公共串联馈线连接到第二微带线。
11.如权利要求9所述的装置，其中所述贴片元件在第一公共串联馈线的相对侧上连接到第一公共串联馈线。
12.如权利要求9所述的装置，其中: 所述贴片元件、微带线和第一公共串联馈线形成结构单元；以及 所述天线包括连接到第二公共串联馈线的多个结构单元。
13.—种系统,包括: 天线，包括具有两个被截短的相对角的第一贴片元件，以及连接到第一贴片元件的第一侧并且被配置为向第一贴片元件馈电的第一微带线；以及收发器，被配置为经由天线以无线方式通信； 其中所述第一微带线与第一贴片元件的第一侧大体上形成45°的角度。
14.如权利要求13所述的系统，其中: 所述天线还包括具有两个被截短的相对角的第二贴片元件，以及连接到第二贴片元件并且连接到第一贴片元件的第二侧的第二微带线； 所述第一贴片元件的第一侧与第一贴片元件的第二侧相对或相邻；以及 所述第一贴片元件和第二贴片元件级联以形成串联耦接的天线阵列。
15.如权利要求13所述的系统，其中: 所述系统包括用户设备的一部分；以及 所述用户设备还包括: 处理器，被配置为运行一个或多个应用；以及 耦接到收发器的发送处理电路和接收处理电路。
【文档编号】H01Q1/24GK104335421SQ201380027807
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月28日 优先权日:2012年5月29日
【发明者】H.周, F.阿瑞安法尔 申请人:三星电子株式会社