[发明专利]带有有限接地平面的拼片天线

说明书

本发明一般涉及天线的改进，尤其涉及带有有限接地平面的拼片天线的有利方面。

在微带拼片天线中，辐射器一般是由金属拼片振子所提供，该拼片振子已经利用微带技术安装在接地平面之上的介质衬底上。由于它们的低折射率、低成本以及紧凑的尺寸，微带拼片天线适用于各种微波天线以及天线阵列应用中。例如，微带拼片天线用作基于微波集成电路(MIC)或者单片式微波集成电路(NMIC)设计的辐射单元，这些集成电路诸如用于飞机以及卫星通信，导弹以及火箭的天线系统，以及个人通信系统(PCS)的无线应用。然而，一个与微带拼片天线相关的问题在于，例如与使用偶极阵子的天线设计相比，它们一般具有有限的波束宽度。此外，当前的微带拼片天线设计并不提供用以调节天线波束宽度的紧凑、节省费用的机制。

参照图1可以较好地理解现有技术，图1示出了根据现有技术的微带拼片天线10的剖视图。如图1所示，天线10包括一个方形的拼片振子12，一个接地平面14以及一个微带馈送线16，这些装置位于由一对介质衬底18和20的上、下表面所定义的平行平面上。拼片振子12安装在上层衬底18的上表面上，接地平面14安装在上层衬底18的下表面与下层衬底20的上表面之间，馈送线16安装在下层衬底20的下表面上。固定的金属板反射器22设置在天线10的下部，以反射射向天线10顶部的辐射。馈送线16和拼片振子12之间的耦合由接地平面14上小的长方形开口24提供，该开口横穿馈送线16。由于这种耦合技术，示于图1的设计被称作“开口耦合的拼片天线”。也使用了其他设计，即使用不同的技术将馈送线耦合到拼片振子。

在当前的开口耦合的拼片天线设计中，接地平面14明显地大于开口24，以便从电磁的角度来看，接地平面14起到相对于开口24的有限表面的作用。这有助于馈送线16和拼片振子12的隔离。此外，有限接地平面的使用使得天线的分析更加容易，因为可以施加等效理论。

天线的辐射图在天线应用中是非常重要的。它包括多个参数以特征化天线的性能，这些参数包括增益、3dB(半功率)波束宽度、旁瓣电平、前后(F/B)比，极化、交叉极化电平以及行(line)。3dB波束宽度参数是表示辐射能量覆盖范围的主要参数。常规拼片天线的波束宽度大约为60°到70°。

由于它们的高度集成，拼片振子业已被成功地使用，以形成用于高方向性应用的大的阵列。然而，其他应用需要比当前可得到的60°到70°更大的波束宽度。例如，一般的三部分蜂窝系统需要覆盖120°的地理性区域。在一个时分多址(TDMA)系统中，基站要求105°到110°的3dB波束宽度，并且时分多址(CDMA)系统要求90°的3dB波束带宽。由于常规拼片振子的波束带宽限制，在这些应用中通常使用一个偶极振子。

此外，在某些应用中需要可以调节天线的波束带宽。带有角反射器的偶极振子可以通过用机械方法调节反射器的角度，来提供波束宽度控制。然而，这种方法要求复杂的机械结构，这些机械结构可能费用很高，并且可能导致不希望的大的外壳尺寸以容纳这些结构。

本发明的一个方面提供了一种带有增强的波束宽度特性的微带拼片天线。在第一实施例中，天线包括一个拼片振子以及一个接地平面，其中该拼片振子与该接地平面通过一个第一介质衬底分开。该天线还包括一个信号馈送线，该馈送线与接地平面通过一个第二介质衬底分开，该信号馈送线由该接地平面与拼片振子屏蔽开。信号馈送线通过一个接地平面上的横穿该信号馈送线的开口而耦合到拼片振子，该接地平面起到相对于该开口的有限表面的作用。根据本发明其他方面，通过调节信号馈送线后面的放射器的位置可以调节天线的波束宽度。因而，本发明提供了一个有效的方式来实现可调节的宽波束宽度，该宽度例如可以用于三扇区结构的无线系统中。

本发明的其他特征以及优点可以通过下面的详细描述并参照附图而变得清楚。

图1示出了根据现有技术的微带拼片天线的部分剖视图；

图2示出了根据本发明微带拼片天线的第一实施例的部分剖视图；

图3A到3D分别示出了根据本发明微带拼片天线的俯视图、侧视图、前视图和仰视图；

图4示出了示于图3A到3D的天线的上衬底层的仰视图；

图5A到5C分别示出了图3A到3D所示天线的下衬底层的俯视图、侧视图、前视图和仰视图。