插管装置宽带天线阵列的制作方法

本发明涉及宽带天线阵列，特别是涉及用于减小撞击无线电波的预估的到达角(aoa)中的任何误差或模糊度，和/或用于减轻对相位关系的任何影响而设计和配置的超宽带天线阵列，该相位关系来自于天线与阵列中其他天线的互耦。

背景技术：

本发明涉及通信系统，尤其涉及宽带或超宽带(uwb)通信系统。这种数字无线通信系统的用途的数量和种类正在迅速增加，对于此类系统的要求是紧凑、低功耗和精确。在此类系统中提供位置信息的有用参数是在天线阵列平面处的撞击无线电波(如图1所示)的到达角(aoa)。可以通过测量作为天线阵列元素的两个或更多接收天线的输出处的到达相位差(pdoa)来估算aoa。对于±90度aoa间隔(即，对于天线阵列的整个前半球)，希望避免或最小化aoa相对于所测量pdoa的任何不明确。

但是，天线阵列中的天线(元件)之间的互耦，特别是在具有贴片元件的阵列中，可能会影响元件的辐射方向图。互耦表示阵列附近元件的几何形状对元件电流分布的影响，因此也影响其辐射方向图。特别地，具有贴片元件的阵列中的互耦，在此将被视为示例阵列，主要是由于存在阵列的公共接地平面。在低于入射无线电波一半波长的电气距离处，相邻元件之间的互耦可能会很强。由于阵列中的强互耦，耦合对元件的总辐射图的影响可能很大。

由于aoa估计阵列中的互耦而导致的辐射方向图问题在于，每个阵列元件的辐射方向图都不相同。这样，它使pdoa不仅具有aoa的功能，而且还具有撞击无线电波极化的功能。因此，在不知道极化的情况下无法正确估计aoa。这进一步成为问题，因为由于撞击无线电波源的任意空间取向，撞击无线电波的极化可能是任意的。

因此，需要设计一种用于aoa估计的天线阵列，以使输出pdoa尽可能少地依赖于撞击无线电波的极化。当基于宽带信号执行aoa估计时，计算aoa的准确性信号源的位置可以大大改善。但是，宽带信号处理对接收阵列的天线设计的要求具有挑战性(即相位线性，群延迟角变化和阵列元件的保真度因素)。对此问题最常见的解决方案是在均匀线性阵列的两端引入虚设元件。在阵列中间的有源元件之间测量pdoa。虚设元件用于抵消有源元件的辐射方向图的来自互耦的部分。然而，所需的虚设元件的数量可能相当大，这使得阵列的长度对于许多应用来说是不可接受的。

因此，天线阵列设计被认为仍然需要改进。

技术实现要素：

根据本发明，从第一个主要方面出发，提供了一种用于检测具有工作波长的入射无线电波的天线阵列，包括：

多个天线元件，这些天线元件设置成具有天线元件的周期性重复的阵列；

其中，每个天线元件包括狭缝，该狭缝被成形为使得相应的天线元件的极化是非线性的并具有第一轴和与第一轴正交的第二轴；以及

其中，狭缝的第一轴和第二轴的每个具有入射无线电波的工作波长的大约0.05–0.2倍的范围内的长度，并且第一轴的长度与第二轴的长度之比在大约1–2.5之间。

因此，本发明的实施例提供了一种宽带线性阵列，其具有很少依赖于撞击波的极化的pdoa特性。此外，优化了阵列元件的群延迟，使其随aoa变化很小，从而允许将阵列用于精确的无线电距离估计。该阵列结构紧凑且外形小巧，便于集成到各种设备中。阵列的每个元件的相位线性度和群延迟角变化在整个系统的工作带宽上都得到控制。这些特性可防止宽带信号通过天线传播到处理单元时发生失真。

天线元件的周期性重复可以处于最小距离，该最小距离在入射无线电波的工作波长的0.25到0.75倍或工作波长的选定分数(fraction)的整数倍的范围内。

根据本发明的实施例，优化阵列的元件的元件间间距，以减轻元件之间的互耦的影响(该影响否则可能影响pdoa)和/或以避免相对于所测量pdoa估计的aoa的不明确。

狭缝的形状可以是以下之一：多边形，可选地为菱形；和圆形。多个天线元件中的一个或多个的形状可以是以下中的一种：多边形；和圆形。这些形状的一种或多种或各种组合可以使天线阵列特别有效。狭缝和/或天线元件可以采取其他合适的形状。

天线阵列可以是线性的。天线阵列可以是二维的。多个天线元件可以布置在网格中，可选地，其中网格是正方形，可选地，其中网格是矩形。

天线阵列可以包括正好或至少两个天线元件，或者正好或至少三个天线元件，或者正好或至少四个天线元件，或者正好或至少五个天线元件，或者正好或至少六个天线元件。

多个天线元件可以包括两个或更多个贴片天线元件。

天线阵列可以形成为印刷电路板或在印刷电路板上形成。

狭缝可包括插入其中的传导构件，可选地，其中传导构件是金属化的。传导构件可以基本上是菱形的，尽管它可以采用其他合适的形状。

天线阵列可以通过以下一个或多个来接收电信号：一个或多个同轴电缆；以及一个或多个垂直互连接入(via，verticalinterconnectaccess)和一个或多个共面波导(cpw)迹线(co-planarwaveguidetrack)；以及一个或多个via和一个或多个微带(microstrip)。

天线阵列可以是宽带阵列。天线阵列可以是超宽带(uwb)阵列。天线阵列可具有至少大约10％的分数带宽(fractionalbandwidth)。天线阵列可具有大约10％的分数带宽。

狭缝可以被成形为使得对应的天线元件是双极化的。

根据本发明，在第二主要方面，提供了一种天线系统，其包括第一主要方面的两个或更多个天线阵列，并且具有所提及的任何可选特征。

两个或更多个天线阵列中的第一个可以位于第一平面中，并且两个或更多个天线阵列中的第二个可以位于第二平面中，并且其中第一平面可以平行于第二平面。

两个或更多个天线阵列可以背对背设置，可选地，以相反的方向设置。

两个或更多个天线阵列中的第一个的第一天线元件可以与两个或更多个天线阵列中的第二个的第二天线元件具有公共轴，可选地，其中，第一和第二天线元件沿该轴接收电信号。

根据本发明，在第三主要方面，提供了一种配置用于检测具有工作波长的入射无线电波的天线阵列的方法，包括：

设置第一天线元件；

设置第二天线元件，第二天线元件与第一天线元件相间隔；

其中，每个天线元件包括狭缝，并且该方法还包括：

使所述狭缝成形为使得对应的天线元件的极化是非线性的并且具有第一轴和与所述第一轴正交的第二轴；以及

使所述狭缝成形为使得所述狭缝的第一轴和第二轴的长度大约在入射无线电波的工作波长的0.05–0.2倍的范围内，并且第一轴的长度与第二轴的长度之比大约在1–2.5之间。

第二天线元件可以与第一天线元件间隔最小距离，该最小距离在入射无线电波的工作波长的大约0.25–0.75倍或工作波长的选定分数的整数倍的范围内。

根据本发明，在第四主要方面中，提供了一种确定撞击在第一主要方面的天线阵列上的无线电波的到达角(aoa)的方法，并且具有所提及的任何可选特征，可选地，其中天线阵列在第二主要方面的天线系统中，并且具有提及的任何可选特征，包括：

检测撞击在天线阵列上的无线电波；

测量两个或更多个天线元件输出处的到达相位差(pdoa)；以及

根据所测量pdoa确定撞击无线电波的aoa。

附图说明

现在仅通过举例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1表示来自源的撞击在天线元件阵列上的无线电波，该阵列可以是根据本发明实施例的天线阵列；

图2表示根据本发明实施例的包括五个天线元件的线性天线阵列；

图3表示根据本发明实施例的接地平面截断和互耦对元件间相位相干的影响；

图4表示根据本发明实施例的菱形狭缝宽带贴片天线的五元件阵列；

图5表示根据本发明实施例的具有菱形金属插入物的宽带圆形狭缝天线的五元件阵列；

图6表示根据本发明实施例的在阵列的背面上的微带，以通过馈电通孔而对贴片天线馈电，阵列具有透明基板以便于参考；

图7表示具有不透明基板的图6的阵列；

图8表示本发明的实施例在阵列的整个前半球上的有效性的图；

图9表示根据本发明实施例的二乘二阵列布置。

在附图中，只要可能，相似的元件将被相似地编号。然而，该做法仅是为了便于参考并且避免数字的不必要的泛滥，并且无意图暗示或建议本发明要求实施例中的功能或结构相同。

具体实施方式

如图1所示，包括多个天线或元件12的天线阵列10具有限定阵列10的前半球16和后半球18的阵列平面14。来自源50的无线电波52以到达角(aoa)撞击在阵列10的元件12上。确定aoa提供了撞击在阵列10的元件12上的无线电波的传播方向的测量方法。通过测量阵列10中两个或更多个元件12的到达相位差(pdoa)来确定aoa。

图2表示包括五个天线元件12的线性天线阵列10，它们是宽带天线。当然，本发明的实施例不限于具有五个天线元件，并且根据本发明可以提供更少(两个、三个或四个元件12)或更多个(六个元件12或更多)。附加地或替代地，阵列10不限于线性阵列，并且可以具有其他构造，诸如元件12的网格或其他合适的设置。线性阵列10中的每个元件12是双极化元件12。针对每个元件12示出了垂直电场分量22和水平电场分量24以及所产生的电场分量26。

如图3中进一步示出的，接地平面截断和互耦对元件间相位相干的影响受到线性阵列10的元件12的配置的限制。如上所述，阵列10的每个元件12都是双极化的。这使得阵列10能够对具有任意极化的入射信号52敏感。对于撞击波52的任何极化，电场极化22、24、26在相位上是相干的，如图3所示。来自接地平面边缘的衍射的影响以及阵列10的元件12之间的互耦对阵列元件12之间的相位关系的影响是有限的。此行为在整个要求系统准确估计撞击信号52的源50的aoa的宽频带上适用。

出于至少两个原因，优化了元件12之间的间隔(元件间的间隔)。首先，优化的间隔减轻了可能影响pdoa的互耦的影响。附加地或替代地，优化的间隔避免了相对于测量的pdoa在估计的aoa中的不明确。在系统的整个操作带宽上控制阵列10的每个元件12的相位线性度和群延迟角变化。这些特性防止了宽带信号52通过天线12到达处理单元时的失真。

如图4所示，在该示例性设置中，阵列10的元件12是印刷的贴片天线12。每个元件12具有从辐射元件12切出的狭缝32。贴片天线12由接地平面和辐射元件12组成，辐射元件12可以悬浮或印刷在介电材料上。辐射元件12可以具有圆形或多边形形状；在该图中，辐射元件12是圆形的。狭缝32可以具有矩形或任意的几何形状，其具有两个主轴或主导轴，这两个主轴或主导轴基本上彼此正交(在操作公差内)。狭缝32包括两个主导轴(a1，a2)，并且本文所述的狭缝形状起作用且某些作用显著时，本发明的狭缝32并不旨在限于任何特定形状。本文未提及的其他形状可能不会显著影响阵列的功能，因此本发明旨在覆盖此类其他形状。在采用多边形形状，例如基本菱形的情况下，由于两个主导轴的位置和形状的微小变化都不会显著影响性能，因此多边形的一个或多个拐角和/或边缘为倒角和/或不规则和/或非线性，将仍然允许狭缝根据需要起作用。注意，根据巴比涅原理，阵列的单位元件可以是印刷的狭缝天线，其金属化构件插入到辐射孔中。这是在本发明的实施例的范围内。如上所述，图3的阵列10的狭缝天线12由接地平面和辐射孔组成，它们可以悬浮或印刷在介电材料上。辐射孔可以具有带有两个主正交轴(a1，a2)的圆形或多边形形状。每个轴的长度(a1，a2)可以在与无线电波52的工作带宽中心频率对应的波长的大约0.05倍和大约0.2倍之间变化。长轴(a1)和短轴(a2)之间的比可以在大约2.5与大约1之间变化。通过单位元件12的周期性重复而获得的阵列10具有在大约0.25倍与大约0.5倍波长之间的距离(d)，该波长对应于无线电波52的工作带宽的中心频率。距离(d)可以大于该距离，这可以给出可以使用各种方法解决的多个pdoa解决方案。图4是根据本发明实施例的示例，并且示出了开菱形狭缝32的宽带贴片天线12的五元件12阵列。狭缝32可以采用其他形状。图5是根据本发明的另一个实施例的示例，并且示出了开圆形狭缝32的宽带天线12的五元件12阵列，其中插入了菱形金属构件20。阵列10由印刷电路板(pcb)技术制成，以实现廉价的可制造性和紧凑性。

优化了贴片中的狭缝，以使aoa在±90度范围内、即在阵列的整个前半球中具有几乎恒定的群延迟。

由于上述机制，阵列10根据本发明在其输出上具有pdoa，该pdoa对于在±90度范围内、即在阵列10的整个前半球16中的aoa，会随着其撞击波52的极化而发生微小的变化。由于阵列元件12优化的几何形状，根据本发明的阵列10对于在±90度范围内、即在阵列10的整个前半球16中的aoa，具有几乎恒定的群延迟，因此这允许无关aoa而均可精确测距。对于具有狭缝32的贴片天线12，使用贴片天线12中的狭缝32的形状来改变天线12的否则强烈线性的极化。优化贴片12的狭缝32以实现天线12的大工作频带(大约10％的分数带宽)。如前所讨论的，贴片12的狭缝32被优化以使天线12对于在±90度范围内、即在阵列10的整个前半球16中的aoa的撞击波52的任何极化敏感。因此，与已知阵列相比，根据本发明的所示阵列10是有利的。

上面讨论的阵列10的天线12可以通过任何合适的方式馈电，例如通过同轴电缆，或者通过通孔和共面波导(cpw)迹线，或者如图6和7所示，通过通孔40和微带42。图6具有透明基板，因此通孔40可见，而图7具有非透明基板，因此看不到通孔40。如图6所示，在每个元件12的锚定点的后部的微带42通过馈电通孔40而对贴片12馈电。

图8是表示本发明一个实施例的实验结果的图，并且示出了该实施例在阵列10的整个前半球16上的有效性。y轴表示所测量的pdoa，x轴表示从–90到+90度的aoa。如图8所示，与理论的pdoa相比，无论极化是垂直的、水平的还是圆形的，本发明的实施例对撞击波52的极化具有很小的依赖性。

上面讨论了不同的阵列10，并且公开了各种实施例。根据本发明组合两个或更多个的阵列10也在本发明的范围内。例如，可以将多个阵列设置在不同的几何形状中，以便提供更好的角度覆盖范围。在图9中示出了一个示例，其中示出了二乘二阵列设置(顶层和底层)，每个阵列10包括两个元件12，它们是开菱形狭缝32的贴片天线12，并且示出了微带42以对相对层的元件12馈电。其他配置当然是可能的。

尽管以上在特定实施例的上下文中描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将容易认识到，可以在这样的实施例中进行许多修改以适应特定的实现。本发明的范围由所附权利要求书限定。