专利名称：具有微带馈电孔耦合区的高隔离度的双极化天线的制作方法
用于无线电信系统的基站具有接收线性极化电磁信号的能力。然后这些信号由基站中的接收机进行处理和馈送到电话网。实际上，如果所发送的信号在频率上与接收信号是不同的，则接收信号的同一天线还可以被用于发送信号。
无线通信系统会迂到多径衰落的问题。分集接收经常被用于克服严重的多径衰落问题。而分集技术要求至少传送相同信息，但具有非相关的多径衰落的两个信号路径。在电信工业的基站中使用多种分集技术，包括空间分集、方向分集、极化分集、频率分集、和时间分集。空间分集系统从需要由有效距离分开的两个天线的空间的不同点接收信号。极化分集利用正交极化提供非相关的路径。
正如现有技术中已然公知的那样，天线极化的检测或方向是从固定轴测量的并可以根据系统的要求改变。实际上，极化的检测可以在从垂直极化(0度)到水平极化(90度)。当前，在系统中最常用的极化类型是垂直/水平和+45°/-45°极化(倾斜极化)。但是，其它的极化角度也可以利用。如果天线接收或发送通常是正交的两种极化信号，则它们还可以被称为双极化天线。
双极化天线必须满足某种端口对端口耦合或隔离的规范。典型的端口对端口隔离规范是-30dB。另外，许多双极化天线由于较低的制造成本和希望的小的外型被设计成与孔径耦合的辐射片集成的微带线。本发明公开了一种装置，利用放置在平板天线的非辐射侧的某些简单的无源耦合微带，降低双极化天线系统的端口对端口隔离度。
一般，双极化天线必须满足-30dB的隔离规范，以便满足市场的要求。不满足这一规范则意味着系统的集成商必须使用较高性能的滤波器，而这样的滤波器则导致更高的成本和降低天线增益。因为本发明满足-30dB的隔离规范，所以本发明克服这些问题。
再有，基站铁塔在地区上的视觉影响已经变成一种社会问题。减小这些铁塔的尺寸已经变成人们的希望和因此减小这些铁塔在地区中的视觉影响。铁塔的尺寸和规模可以通过利用具有较少天线的基站铁塔来实现。如果利用双极化天线和极化分集，则这目的可以实现。这种系统可以替带要求各对垂直极化天线的空间分集系统。一些研究表明，对于市区环境中，极化分集可以提供空间分集的等效信号质量。对于位于市区环境的绝大多数基站，双极化天线很可能将用于替代常规的垂直极化天线对。
本发明的主要目的是提供一种天线阵，该天线阵包括连接到正交配置的一些微带线上的馈电网络和这些微带线的至少某些具有置于各个微带线之一的至少一部分之上的寄生耦合微带。
本发明的另外一个目的是提供产生双极化信号的一种天线阵。
本发明的再一个目的是提供一种天线阵，该天线阵改善一组同相信号的和与一组正交极化信号的和之间的隔离。
本发明还有一个目的是提供一种减少所要求天线数量的天线，因此提供一种具有最小尺寸和规模的富于美感的结构。
本发明再有一个目的提供大约-30dB的端口隔离规范。
本发明还有一个目的的提供更为紧凑的双极化天线。
本发明再有一个目的是提供一种能够在85°方位角半功率波束宽度(“HPBW”)模式下提供大约-30dB隔离的天线。
本发明还再有一个目的是提供一种经由在PCB的非辐射侧上的寄生耦合微带能够抵消天线系统的残余耦合使得天线侧瓣不起作用的天线。
本发明的这些和其它目的是由一种经改善的天线系统提供的，该天线系统包括一个馈电网络，该馈电网络被连接到各个正交配置的微带线上和至少这些微带线的某些具有置于各个微带线之一的至少一部分的上的寄生微带线，通过各个支座设置在凹槽相邻的一个辐射片，该辐射片产生第一电磁场，该第一电磁场在寄生耦合微带上激励电流，该电流激励第二电磁场，该第二电磁场抵消该第一电磁场。
在各个附图中
图1a是包括馈电网络和一对一般正交的微带线对的的印制板的第一面的顶视图；图1b是包括9对一般正交的微带线对的印制板的第一面的顶视图；图2a是图1a的印制板的第二面的顶视图；图2b是图1b的印制板的第二面的顶视图；图3a是各个辐射片及其相应寄生瓣的顶视图3b是表示按图2b的印制电路板配置的辐射片的侧视图；图3c是表示按图2b的印制电路板配置的辐射片的侧视图；图3d是图1a的跨接线的部分侧剖面图；图4a是表示在正交微带线对之上的寄生耦合微带的印制电路板的第一面的顶视图；图4b是表示在正交微带线对之上的寄生耦合微带的印制电路板的第一面的顶视图；图4c是表示在正交微带线对之上的寄生耦合微带的印制电路板的第一面的顶视图；图5是在图4a处的剖面图。
本发明在蜂窝通信系统的有用的。本发明的一个实施例工作在820-960MHz的蜂窝频段。一般，蜂窝电话用户发送一个电磁信号到包含多个天线的基站。虽然在蜂窝基站中是有用的，但是本发明还可以用于所有类型的天线系统。
现在参照附图1a和1b，一种双极化天线10被形成在在印制电路板(“PCB”)12的第一面。在一个实施例中，PCB12大约0.062″厚，具有介电常数3.0。PCB12一面一般含有正交的微带线13a-I对和馈电网络14。馈电网络14连接到微带线16和18，每个产生一种极化。一般正交的微带线馈送两种正交的极化。因此，微带是正交的是不严格的，而仅各微带线馈送两种正交的极化。对于本专业技术人员可以设计出实现两个正交极化的不同微带构型。因此，本说明书将仅针对所说明的为一般正交微带对的实施例。
在本发明的一个实施例中，天线10被端接在分别由微带对16和18的终端表示的9个开放电路上。微带16和18基本上是彼此的镜像。但是，微带线16和18不相交。再有，微带线16是不连续的。微带线16的第一部分经如图3d所示的跨接线利用一个焊接线20连接到微带线16的第二部分，避免与微带线18相接触。如图1a所示，微带线16和18大约是互相成垂直的。然而，为了优化天线的性能，其它构型也是可能的。
如图1b所示，9个一般正交的微带线对13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g、13h和13i被排列开形成一个天线。延迟线32连接到各个微带线和提供相位延迟，使得所有的微带线的一般正交对按照同相位接收和发送。
现在参照图2a和2b,PCB12的第二面，除了凹槽bay22外，都被诸如铜之类的薄的导电层所覆盖。凹槽bay22是通过从PCB上的4叶三叶草形状的区域去掉铜泊形成的非导电区。该区扩展为从三叶草区域的中心延伸的4个三角形区21a-d。此外，槽38也是通过从PCB12的第二面上去掉铜泊形成的非导电区。电磁信号通过凹槽bay22进行耦合和激励一个利用介电质支座26从PCB分离的导电辐射片patch24，这两者被表示在图3a和3b。在另外的一个实施例中，图3b和3c的介电质支座26可以由介电质海棉来代替。由于利用的非对称的馈电网络，存在着在凹槽22的各个口28之间耦合的一定量的电磁波。
在图3a和3b所表示的分别是辐射片24的顶视图和侧视图。图3b还表示一个同轴电缆，该电缆电气连接天线到接收机或发射机。表示在图3a的是各个寄生瓣34。寄生瓣24利用合成树脂的支座36连接到PCB 12上，如图3c的侧视图所示。表示在图3c的侧视图和图3a的顶视图的寄生瓣24使表示在图2a的凹槽22模糊不清。表示在图3a和图3c的寄生瓣34提供一个较宽的辐射束beam。因此，寄生瓣34提供较宽的85°的方位角的HPBW模式。但是，寄生瓣34的引入将隔离问题带入该天线系统。这种隔离问题可能无法利用其它平面天线的寄生线的构型予以补偿。因此，寄生瓣34的引入要求加入一个寄生耦合微带30，以便抵消掉天线系统的残余耦合和实现-30dB的隔离。
参照图4a，表示出PCB12的第一面和寄生耦合微带30被放置在微带16和18之上。PCB12的第一面是非辐射面。因此，寄生耦合微带30的引入不会改变当前天线的各个侧瓣。这不像使用这种线用于隔离寄生线在天线侧瓣的作用。利用寄生线的天线引入寄生线在天线的辐射侧和因此这些线起改变天线的各个侧瓣的作用。这种缺点被利用寄生耦合微带30克服了。
寄生耦合微带30是利用制造PCB 12的相同的介电质PCB材料和仅在一面利用诸如铜之类的导电材料制造的。在一个实施例中，寄生耦合微带30是3.125″长和0.250″宽。如图4a所示，寄生耦合微带30被放置在微带线的跳线插入段的延迟线侧的微带线16和18之上。在这个实施例中，寄生耦合微带30利用表示在图4a-c的寄生耦合微带30上的两个穿过两个孔40的尼龙螺栓42安装在PCB12上。这些螺栓42是利用表示在图5的PCB的第二面的两个螺母44固定住的。寄生耦合微带30被支座在微带线16和18上，如图5所示。但是，在另外一个实施例中，寄生耦合微带30是利用黏合剂固定在PCB12上的，因此省去表示在图4a-c上寄生耦合微带30的两个孔40。寄生耦合微带30与微带线16和18分开地被放置在铜泊侧。信号从一种极化耦合到另外一种，而不损害辐射片24的返回折耗(VSWR)。按这种方式，本发明改善85°方位角HPBW模式的端口对端口隔离大约-8dB，即从-19dB到-27dB。此外，本发明没任何金属与金属的接触，这种接触能够恶化天线的交调失真(“IMD”)。
再有，可以改变寄生耦合微带的安排，并且仍然可以实现本发明的个目的。例如，在一个实施例中，寄生耦合微带可以在微带线的跨接插入线的延迟线侧的两个微带线上面，正如上面所描述的和如图4a所示。在另外的一个实施例中，寄生耦合微带可以在两个微带线的跨接插入线上，正如图4b所示。在再一个实施例中，寄生耦合微带可以在相对的延迟线侧的两个微带线上，正如图4c所示。
接下来，下面将要详细描述上述天线系统的工作。微带线的一般正交对的几何形状决定天线10的辐射特性，波束宽度，和阻抗。再有，这里描述的馈电网络和微带线对可以起到接收机和发射机的两种作用，即在不同于接收信号的频率发射信号。
为了电流的感应，寄生耦合微带30是导电的。入射到天线阵的一次电磁波或场在微带线16和18和寄生耦合微带30上感应电流。这些感应的电流产生一个弱的二次电磁场，该电磁场与一次电磁场相组合。将出现一种稳定状态，以至于最后的电磁场与一次电磁场是不同的。寄生耦合带的尺寸和位置是确定最后的电磁场的因素。换言之，本发明的隔离改善是通过在寄生耦合微带30激励的电流实现的，该微带线再辐射抵消从一种极化到另一种极化产生的使隔离变小的能量的能量寄生耦合微带被放置在天线10的各一般正交微带线对的至少某些微带线对上但是，寄生耦合微带不需要放置在该天线阵的每个微带线对上。而是，利用一种网络分析仪确定寄生耦合微带的最佳数量和位置。具体地，网络分析仪被这样使用，即可以测量任伺给定辐射片和寄生耦合微带的组态的隔离。在图1b的实施例中，9个一般正交的微带线对中的3个被表示出利用了寄生部件。
寄生耦合微带是合适的，以便不引起对诸如返回折耗(VSWR)恶化的过分影响，也不使寄生耦合微带过分地干扰正常天线阵的辐射图形。
两种说明性的模式曾被进行测试以确定方位角半功率波束宽度(“HPBW”)。在第一测试中，所测量的68°的方位角半功率波束宽度(“HPBW”)模式在图2a-b的凹槽22的各端口28之间大约是-23dB的残余耦合。而寄生耦合微带30的引入改善凹槽的各端口28之间的残余耦合从-23dB到-30dB。
相反，第二测试涉及85°的方位角HPBW模式。呈现更高的大约-19dB的耦合。本发明改善85°的方位角HPBW模式天线的端口到端口之间的隔离大约-8dB，即从-19dB到-27dB。再有，对68°模式的隔离度的改善也是利用本发明的寄生耦合微带30实现的。寄生耦合微带30被设置在邻近辐射片24，以便从种极化到另一种极化耦合能量和抵消掉天线系统的残余耦合。还有，寄生耦合微带30耦合各个极化之间的电磁波，但不有害地影响辐射片24的返回损耗(VSWR)，如果辐射片24的返回损耗恶化，则天线的分配也要恶化，因此降低了天线增益和增加了侧瓣。本发明克服了这些缺点。另外，本发明的寄生耦合微带30也不降低天线的极化水平。
因此，提供了一种双极化天线阵，该天线阵包括连接到各个之间配置的微带线的馈电网络和至少某些微带线具有放置在至少各个微带线之一上的寄生耦合微带。形成的天线阵测试双极化信号，改善了一组同相极化信号之和与一组正交极化信号之和之间的隔离，减小了所需天线的数量，从而提供了一种最小化尺寸和规模的富于美感的天线结构；提供了大约-30dB规范的端口对端口的隔离；提供了一种更为紧凑的双极化天线；提供了一种在85°的方位角半功率波束宽度(“HPBW”)模式型能够有大约-30dB隔离的天线；和提供了一种经在PCB的非辐射面的寄生耦合微带能够抵消天线系统的常用耦合，从而使得减小侧瓣影响的天线。
虽然本发明已经参照一个或多个实施例进行了描述，但本专业的技术人员将可以认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出许多改变。
权利要求
1．一种印制电路板上的双极化天线，所述天线包括多个正交配置的微带线；多个寄生耦合微带；馈电网络，所述馈电网络被连接到所述多个正交配置的微带线上，至少某些所述微带线具有选择性设置在至少所述微带线的一部分上的所述多个寄生耦合微带，所述微带线接收电磁波信号；一个凹槽，所述凹槽被导电材料的薄层所覆盖；一个辐射片，所述辐射片由支座装置配置为与所述凹槽相邻，所述电磁波信号通过所述凹槽进行耦合和激励所述辐射片，所述辐射片产生第一电磁场，第一电磁场在寄生耦合微带上激励电流，所述电流产生第二电磁场，所述第二电磁场抵消该第一电磁场。
2．权利要求1的双极化天线，其中所述支座装置是由泡沫海棉构成的。
3．权利要求1的双极化天线，其中所述支座装置是由多个支座装置构成的。
4．权利要求1的双极化天线，其中所述微带线是按正交对设置的。
5．权利要求1的双极化天线，其中所述凹槽是由铜构成的。
6．权利要求1的双极化天线，还包括耦合到所述印制电路板上的寄生瓣。
7．一种接收和发射电磁信号的方法，包括以下步骤提供多个正交设置的微带线；提供多个寄生耦合微带；提供一个馈电网络，连接所述馈电网络到多个正交设置的微带线；选择性地设置一些寄生耦合微带到所述微带线的某些的至少一部分上；提供一个凹槽，和利用导电材料覆盖所述凹槽；提供一个辐射片，和利用多个支座设置该辐射片到所述凹槽的邻近处；施加电磁信号到所述微带线上；通过所述凹槽耦合所述电磁信号和激励所述辐射片；响应所述激励产生第一电磁场；利用所述第一电磁场在寄生耦合微带激励电流；利用所述电流产生第二电磁场；利用所述第二电磁场抵消所述第一电磁场。
8．权利要求7的方法，其中所述微带线是按正交对设置的。
9．权利要求7的方法，还包括确定所述寄生耦合微带的的最佳数量和位置的步骤。
10．一种双极化天线，所述天线包括具有第一和第二面的印制电路板，所述第一面包括多个正交设置的第一和第二微带线，所述微带线被按正交对设置，所述第一微带线包括利用跨接器耦合的两部分；多个寄生耦合微带；一个馈电网络，所述馈电网络被连接到所述多个正交设置的微带线上，多个寄生耦合微带的某些选择性地被设置在至少某些所述微带线的至少一部分上，所述微带线接收电磁信号；印制电路板的第二面包括一个凹槽，所述凹槽被薄铜泊所覆盖；各个寄生瓣耦合到所述印制电路板；一个辐射片，所述辐射片通过多个支座设置在与是凹槽相邻的位置，所述电磁信号通过所述凹槽进行耦合和激励所述辐射片，所述辐射片产生第一电磁场，该第一电磁场在寄生耦合微带上激励电流，所述电流激励第二电磁场，所述第二电磁场抵消该第一电磁场；和其中端口对端口的隔离实现大约-30dB。
全文摘要
一种在印制电路板上的双极化天线,该天线包括多个正交设置的微带线;多个寄生耦合微带;一个馈电网络,该馈电网络被连接到多个正交设置的微带线上;多个寄生耦合微带的某些选择性地被设置在至少某些所述微带线的至少一部分上,该微带线接收电磁信号;一个凹槽,该凹槽被薄铜泊所覆盖;和一个辐射片,该辐射片通过多个支座设置在该凹槽的相邻位置,电磁信号通过该凹槽耦合并且激励该辐射片,该辐射片产生第一电磁场,第一电磁场在寄生耦合微带上激励电流,该电流产生第二电磁场,该第二电磁场抵消该第一电磁场。
文档编号H01Q1/38GK1212482SQ9812021
公开日1999年3月31日 申请日期1998年9月3日 优先权日1997年9月3日
发明者T·D·蒙特, R·J·布兰道 申请人:安德鲁公司