具有双L型探针的宽频带贴片天线

摘要

所描述的天线包括一个贴片，该贴片位于接地板之上并与之相分隔，及一对L形探针，该探针位于贴片及接地板之间。每一个探针都包括一个与贴片及接地板平行的部分，及一个与贴片及接地板垂直的部分，天线进一步具有以同功率及同相位对两个探针进行激励的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及贴片天线，特别是涉及由双L型探针馈电的宽频带贴片天线。本发明可进一步扩展到包括多个贴片天线的天线阵。

背景技术

近年来，微带贴片天线在各种领域得到广泛应用。微带贴片天线具有很多优点，包括成本低、尺寸小和重量轻，这使得它们很适合应用于如个人通信系统等中。

传统的微带(microstrip)贴片天线包括一个具有特定几何形状(如圆形，矩形，三角形)的贴片，该贴片与接地板相互分离，并以电介质将其相互分隔。通常应用同轴馈电的方法对贴片进行馈电。

然而，微带贴片天线有一个缺点，即它们的带宽相对较小，一般不适于在带宽较大的条件下应用。近年来，已采取一些方法以尝试增加微带贴片天线的带宽。例如，现有的提议包括，增加一个寄生贴片(parasitic patch)以对被动贴片(driven patch)进行电磁耦合(R.O.Lee，K.F.Lee，J，Bobinchak Electronics Letters，9，24，1987，Vol.23，No.20，1017-1072)；在电容间隙(capacitive gap)中使用较厚的衬底，通过该电容间隙以消除探针的电感(P.S.Hall Electronics Letters，5，21，1987，Vol.23，No.11，606-607)；及在贴片天线中应用一个U形槽(K.F.Lee等IEEProc.Microw.Antennas Propag.，Vol.144 No.5，10，1997)。

然而，针对上述问题所有的现有技术方法都不理想。在被动贴片上面安放寄生贴片会增加天线的厚度，这并不符合人们的希望。电容间隙需要很高精度进行制造。引入U形槽会使天线交叉极化较高，而且不能应用于圆极化辐射。

现有技术的另一个例子如US472443(Nysen)中所示。Nysen描述了一种贴片天线，其中的带状线馈电元件与贴片进行电磁耦合，而且其中微带的一端(与贴片相平行)与同轴电缆(与贴片相垂直)的内导体相连接。在这种设计中，只有微带与贴片相耦合，而天线的带宽并不大。

US6593887(这里以参考的形式并入本文)描述了一种贴片天线，该贴片天线由安放于贴片与接地板之间的L形探针进行驱动。该探针的一部分与贴片及接地板垂直，另一部分与贴片及接地板平行。两部分的长度经过精心选择，以使第一部分的感抗被第二部的容抗所抵消。这种设计很有效，然而US6593887所述的天线可获得仅为大约7.5dBi的增益，而且天线交叉极化在大约-15dB时仍旧很高。因而有必要设计一种新型的贴片天线，以期至少能减轻上述的问题，并且在交叉极化相对较低的同时提供较高的增益。

发明内容

根据本发明提供一种天线，该天线包括一个贴片，该贴片安放于接地板之上并与接地板相分隔，及一对L形探针，探针安放于上述的贴片和上述的接地板之间，每一个上述的探针都包括一个与贴片及接地板平行的部分，和一个与贴片及接地板垂直的部分；及以同功率和同相位对上述两个探针进行激励的方法。

更为理想的是，这些探针与传输线相连接，馈电器与传输线在后者的中心位置相连接，探针连接于传输线相对的两端，而两个探针与馈电器的距离相同。在优选的实施例中，每一个探针连接于传输线上，其与传输线各自一端的距离为λ/4，而两个馈电器的分隔距离为λ/2，其中λ为天线预期的中心工作波长。

传输线可以是一条微带线(microstrip line)，与接地板相分隔就更为理想，例如可使用金属或电介质分隔物进行分隔。

在优选的实施例中，探针是定向的，这样它们平行的部分与贴片的边缘成直角。更为理想的是，探针相对于贴片是对称的，借此，每一个探针均安放于与贴片边缘相同距离的部位。

贴片可以是任何合适的形状，例如圆形或三角形，但矩形最为合适。当贴片为矩形时，其长边的尺寸可为0.7λ到1.1λ，短边的长度可为大约0.4λ，其中λ为天线预期的中心工作波长。

附图说明

此处用示例及参考附图的方法对本发明的一些实施例进行说明，其中：

图1所示为：根据本发明的一个实施例设计的天线的基本几何形状的透视图，

图2所示为图1中的天线的俯视图，

图3(a)和3(b)所示为图2中的天线的侧视图，

图4显示了根据图1至图3的实施例制造的天线的增益(a)和驻波比(b)的实验结果，

图5(a)到(c)所示为馈电探针其它可能的方向，

图6(a)到(c)所示为贴片其它可能的形状，

图7(a)到(c)用示意图显示了应用堆栈贴片的一个实施例。

具体实施方式

首先参见图1，可以看到，根据本发明一个实施例，贴片1与接地板2相分开，但与之平行。贴片是矩形的，其宽度W(见图2)的范围为0.7λ到1.1λ，长度L(见图2)大约为0.4λ，其中λ为天线的中心工作波长。贴片1可由电介质材料，如一对塑料支柱3，来支撑安放于接地板2上，贴片与接地板的间距大约为0.1λ。

贴片1由两个相同的L形探针4进行馈送，每一个探针都有一部分与贴片及接地板垂直(“垂直部分”)，另一部分与贴片及接地板平行(“平行部分”)。对于每一个探针4，垂直部分与平行部分形成一个整体，垂直部分与平行部分两者均与贴片1相耦合。探针4的横截面可为方形、矩形、圆形或任何其它合适的形状。L形探针4是垂直定向的，这样，其垂直部分向贴片1的辐射边垂直延伸，如图1到图3所示。探针4的垂直部分靠近贴片1的辐射边安放；通过一个双向的同相等幅的功率分配器5将输入信号馈送给两个探针4。

然而，如图5(a)到(c)所示，也有可能对馈电探针4按其它方向进行定向。参见图5(a)，馈电探针4与垂直方向按夹角θ进行定向；而且如果这个角度为大约几十度，只要探针位于贴片之下且探针不互相接触，那么天线仍能有效地工作。探针4可如图5(a)所示的那样互相指向对方，也可互相背向对方，或者也可一个探针指向另一个探针，而第二个探针却背向第一个探针。探针4是平直的则更为合适，它们也可是其它的形状，如成某一角度(如图5(b))或是弧形的(图5(c))。

现在回到图1至图3的实施例，功率分配器5是一条直的微带线，该微带线由两个金属块6支撑于接地板2之上，这两个金属块分别位于微带线的两端，这样天线就可直流接地。功率分配器也可选择用介电材料进行支撑，而且实际上安装于接地板之上或之下均可。微带线由同轴馈电器7(coaxial launcher feed)接收输入信号，该同轴馈电器位于微带线的中点。每一个L形探针4与微带线最近的一端之间的距离为λ/4。为了获得较高的增益和较低的交叉极化，两个探针4分开的距离应为大约λ/2。

根据图1至图3的几何图形，按以下尺寸(参见图2及图3)制造了天线：

 参数            尺寸(mm)             尺寸(λ)

 a               5.8                  0.07λ

 b               15.5                 0.18λ

 c               2                    0.02λ

 d               2                    0.02λ

 e               2                    0.02λ

 f               3.8                  0.04λ

 g               10                   0.12λ

 Gw              100                  1.16λ

 G_L             100                  1.16λ

 H               8.4                  0.1λ

 L               30.5                 0.35λ

 S₀             43                   0.5λ

 S₁             20.1                 0.25λ

 W               55                   0.64λ

除了上述的参数之外，微带线5的厚度是0.3mm，而贴片1的厚度也是0.3mm。微带线和贴片两者均可超过此厚度，例如厚达1至2mm。而且，H值，在本例中为0.1λ，可在0.05λ与0.15λ之间变动，而Gw和G_L可分别为大于W和L的任意值。每一个探针的垂直部分的高度可根据贴片的高度H，贴片的宽度W及探针与贴片边缘的距离来确定，但通常探针的垂直部分的高度为0.05λ至0.1λ。

图4(a)和图4(b)分别显示了按以上参数制造的天线的增益和驻波比结果，可以看到该天线在3.4至3.7GHz范围内增益超过9dBi，且交叉极化较低。

参见图6(a)至图6(c)，就注意到贴片并不一定必须是方形或矩形，还可为其它可能的形状，如三角形(图6(a))，梯形(图6(b))或椭圆形(图6(c))。

这样就可看到，至少在优选的情况下，通过给天线提供两个相同的L形探针，且以同相位和同功率对这两个探针进行激励，就可得到较高的增益而且较低的交叉极化。还应注意到这种设计还可与图7(a)至图7(c)所示的堆栈贴片的几何图形相结合。在这个实施例中，在第一个贴片1的上方安放第二个贴片1’，第一个贴片1在接地板上方的高度为H₁，而第二个贴片1’在接地板上方的高度为H₂。通常H₁为0.05λ至0.08λ，而H₂为0.1λ至0.15λ。第二个贴片可比第一个贴片尺寸小或尺寸大，或与第一个贴片大小相同。另一种可能是应用多个双L耦合探针贴片以形成一个高增益天线阵。