[发明专利]带有嵌入式阻抗变换器的拼片天线以及制造该天线的方法

说明书

本发明一般涉及天线的改进，尤其涉及带有嵌入式阻抗变换器的拼片天线的有利方面。

在一般的微带拼片天线中，辐射器单元是由一个金属拼片所提供，该金属拼片安装在接地平面之上的介质衬底上。由于微带拼片天线的多种合乎要求的特征，它们在天线领域起着重要的作用。这些特征包括它们的低折射率、减少的重量、相对低的制造成本、极化分集以及相对容易的集成处理，这使得多个相同的拼片被分组成多个阵列，并与电路单元相集成。

为了有效地工作，天线的输入阻抗应该与其传输馈送线的阻抗相匹配。有多种技术用于实现微带拼片天线中的阻抗匹配。图3和下文描述了使用同轴馈送的拼片天线，其中阻抗匹配一般是通过调节拼片振子馈送点的位置实现的。然而，如下文所讨论的，可用于该方法的阻抗匹配的范围受到拼片振子物理尺寸的限制。

尽管通过改变拼片天线的设计参数，而不是改变拼片天线的大小来得到所需要的阻抗匹配在理论上是可能的，但是这些变化通常都不切实际。微带拼片天线的输入阻抗是由多种因素以及介质常数所确定的，这些因素包括拼片的尺寸、衬底的高度。然而，在调节这些因素时可能存在着相对有限的灵活性。例如，天线的介质负载以及天线的尺寸可能是由天线所需要的波束宽度和谐振特性所决定的。

参照图1到图3可以更好地理解现有技术，图1到图3示出了当前用于馈电一个微带天线的三种基本的技术。它们分别包括传输线馈电、开口馈电和同轴馈电。

图1示出了使用传输线馈电技术的拼片天线10的透视图。如图1所示，天线10包括一个基本上为方形的拼片振子12，该拼片振子安装在位于接地平面16顶部的介质衬底14上。到拼片振子12的馈送线18安装在与拼片振子12相同的衬底14上，并且利用插入到振子12中的插口20，直接连接到拼片振子12的边缘。传输线馈电是一种非常简单的馈电微带拼片的方法。阻抗匹配是通过调节插口20的尺寸来实现的。

传输线馈电方法受到多种问题的破坏，首先，由于馈送线和拼片振子处于同一电平(level)上，它们不能被同时优化。其次，该结构中的馈送线起到了另一个辐射器的作用，它产生了杂散辐射，并且导致了交叉极化鉴别和方向图性能的降低。此外，为了控制来自馈送线的辐射，线路宽度不能太宽，否则将导致衬底相对地薄。一般来说，业已知道微带天线的带宽与衬底的厚度成比例。因此，这种类型的馈电导致了窄带宽的结构。

图2示出了利用开口馈电方法的拼片振子30的部分剖视图。天线30包括一个拼片振子32，该振子安装在位于接地平面36顶部的第一介质衬底34上。微带馈送线38安装在位于接地平面36下面的第二介质衬底40的下表面上。微带馈送线38与拼片振子32之间的耦合是由接地平面40上的隙缝42实现的，其中微带馈送线38穿过该隙缝42。最后，金属板反射器44一般设置在另一个天线振子的下面，以减少来自接地平面36中隙缝开口42的杂散辐射。

开口馈电方法克服了与传输线馈电方法相关的多种缺陷，这些缺陷包括来自微带馈电线的杂散辐射以及基本的带宽限制，因为微带馈送线38在接地平面38的下面，并且可以被独立地设计。然而，由于反射器44的存在，多种平行的模式(parallel modes)可以被容易地激励，并且在接地平面和反射器之间传播。这些平行模式降低了天线辐射效率。因此，开口馈电结构中的一个主要挑战在于如何抑止平行模式。

图3示出了利用同轴馈电方法的拼片天线50的透视图。天线50包括一个安装在介质衬底54顶部的拼片振子52。接地平面56紧靠介质衬底54的下表面。最后，同轴馈送线58垂直地固定在接地平面56的下表面上。同轴馈送线58的外导体60电耦合到接地平面56，同轴馈送线58的内导体62电耦合到拼片振子52的下侧。输入阻抗是馈送线在拼片振子52中位置的函数。因此，通过适当地定位馈送线58，拼片天线50的阻抗可以与馈送线相匹配。由于同轴馈送线58直接向辐射单元，即拼片振子52传送电流，就提供了比开口馈电结构更稳定的信号耦合。此外，对于同轴馈电方法而言，它很少涉及在需要较高介质负载以实现诸如更宽波束宽度的某些电性能特性的情况下平行模式的激励。

在图3所示的同轴馈电方法中，馈电的位置在匹配拼片振子的输入阻抗时是互关重要的，尤其是因为确定输入阻抗的其他因素，诸如拼片的尺寸、衬底的高度、以及介质常数可能是由所需要的天线技术规范所决定的，这些技术规范诸如天线的波束宽度以及谐振频率。然而，在某些情况下，可能非常困难或者不可能发现可利用的拼片尺寸中的所需要匹配馈送点。因而，可用于给定微带拼片天线的阻抗匹配范围是有限的。