圆极化天线阵列的制作方法

圆极化天线阵列
发明领域
1.所描述的实施例总体涉及无线通信。更具体地，所描述的实施例涉及用于圆极化天线阵列的天线元件的系统、方法和装置。
2.背景
3.无线通信涉及电磁波从发射器的一个或更多个天线传播到接收器的一个或更多个天线。然而，大多数天线仅仅辐射线性极化电磁波。
4.期望有用于有助于圆极化无线波束的生成的天线阵列的天线元件的方法、装置和系统。
5.概述
6.实施例包括天线元件。对于实施例，天线元件包括馈线层、邻近馈线层的第一基板、邻近第一基板的接地层、邻近接地层的第二基板以及邻近第二基板的第三层。馈线层包括导电叉状物，其包括适于电连接到同轴线的中心导体的导电手柄、与导电手柄的端部部分相交的导电横截面、以及多个导电指状物(连接到导电横截面的每个端部部分的导电指状物和连接到导电横截面的中心部分的导电指状物)。对于实施例，矩形槽形成在接地层中，其中矩形槽的长度垂直于导电手柄。对于实施例，第三层包括四个寄生元件，其中每个寄生元件通过短路通孔电连接到接地层。
7.另一个实施例包括天线阵列。对于实施例，天线阵列包括组织成行和列的多个天线元件。
8.另一个实施例包括无线收发器。对于实施例，无线收发器包括天线阵列、无线电和控制器。对于实施例，天线阵列包括多个天线元件，并且操作以形成圆极化定向波束。对于实施例，无线电连接到天线阵列。对于实施例，控制器操作以控制无线信号通过无线电和通过由天线阵列形成的圆极化波束的接收和发送。
9.在一些实施例中，提供了一种天线元件，该天线元件包括：馈线层，该馈线层包括导电叉状物，该导电叉状物包括：适于电连接到同轴线的中心导体的导电手柄；与导电手柄的端部部分相交的导电横截面；多个导电指状物，包括连接到导电横截面的每个端部部分的导电指状物和连接到导电横截面的中心部分的导电指状物；邻近馈线层的第一基板；邻近第一基板的接地层，其中矩形槽形成在接地层中，其中矩形槽的长度垂直于导电手柄；邻近接地层的第二基板；邻近第二基板的第三层，第三层包括四个寄生元件，其中每个寄生元件通过短路通孔电连接到接地层。
10.在一些实施例中，无线信号优选地通过具有最大波长λ
最大
、最小波长λ
最小
和中心波长λ
中
的天线元件进行传送。
11.在一些实施例中，导电手柄的长度优选在(λ
最小
)/2的制造公差内。
12.在一些实施例中，导电横截面的长度优选在(λ
最小
)/2的制造公差内。
13.在一些实施例中，多个导电指状物中的每一个导电指状物的长度优选在(λ
最小
)/8的制造公差内。
14.在一些实施例中，第一基板的宽度优选在(λ
最小
)/10的制造公差内。
15.在一些实施例中，第二基板的宽度优选在(λ
最小
)/4的制造公差内。
16.在一些实施例中，导电手柄的宽度优选地基于同轴线的输出阻抗来选择。
17.在一些实施例中，槽的长度优选在(λ
最小
)/2的制造公差内。
18.在一些实施例中，槽的宽度优选在(λ
最小
)/8的制造公差内。
19.在一些实施例中，天线元件的宽度和长度优选在(λ
中
)/2的制造公差内。
20.在一些实施例中，天线元件优选地是形成天线阵列的多个天线元件之一。
21.在一些实施例中，天线阵列优选地包括单馈点圆极化天线阵列。
22.在一些实施例中，天线阵列的每个天线元件的导电手柄优选地电连接到圆极化天线阵列的单馈点。
23.在一些实施例中，第三层的四个寄生元件中的两个寄生元件优选地包括截角贴片，其中截角贴片的内边缘具有在(λ
最大
)/2的制造公差内的长度。
24.在一些实施例中，第三层的四个寄生元件中的两个寄生元件优选地包括三角形t骨贴片，其中三角形t骨贴片的t的宽度和长度在(λ
最大
)/4的制造公差内。
25.在一些实施例中，寄生元件优选地包括椭圆贴片，其中椭圆贴片的较大半径在(λ
最大
)/4的制造公差内，以及椭圆贴片的较小半径在(λ
最小
)/4的制造公差内。
26.在一些实施例中，四个寄生元件中的两个寄生元件的椭圆贴片优选地具有相对于四个寄生元件中的另两个寄生元件的较小半径旋转90度的较大半径。
27.在一些实施例中，寄生元件中的两个寄生元件的短路通孔优选地与槽直接邻近地电连接到接地层的环形圈(annular rings)，以及寄生元件中的两个寄生元件不与槽直接邻近地电连接到接地层。
28.在一些实施例中，提供了一种天线阵列，该天线阵列包括：被组织成行和列的多个天线元件，每个天线元件包括：馈线层，该馈线层包括导电叉状物，该导电叉状物包括：适于电连接到同轴线的中心导体的导电手柄；与导电手柄的端部部分相交的导电横截面；多个导电指状物，包括连接到导电横截面的每个端部部分的导电指状物和连接到导电横截面的中心部分的导电指状物；邻近馈线层的第一基板；邻近第一基板的接地层，其中矩形槽形成在接地层中，其中矩形槽的长度垂直于导电手柄；邻近接地层的第二基板；邻近第二基板的第三层，第三层包括四个寄生元件，其中每个寄生元件通过短路通孔电连接到接地层。
29.应当理解的是，本文中描述的适于结合到本发明的一个或更多个方面或实施例中的任何特征都旨在可推广到本公开的任何和所有方面和实施例。根据结合附图进行的、以示例的方式示出所描述的实施例的原理的下面的详细描述，所描述的实施例的其他方面和优点将变得明显。
30.附图简述
31.图1示出了根据实施例的与多个不同设备无线通信的收发器。
32.图2示出了根据实施例的天线阵列。
33.图3示出了根据实施例的天线元件。
34.图4示出了线性极化电场振荡和圆极化电场振荡。
35.图5示出了根据实施例的馈线层的俯视图。
36.图6示出了根据实施例的天线元件的侧视图。
37.图7示出了根据实施例的接地层的俯视图。
38.图8示出了根据实施例的第三层的俯视图。
39.图9示出了根据另一实施例的第三层的俯视图。
40.图10示出了根据另一实施例的第三层的俯视图。
41.描述
42.所描述的实施例包括用于天线元件的方法、装置和系统。天线元件的至少一些实施例适于形成圆极化相控阵天线。天线元件被配置为控制(减少)天线阵列的天线元件之间的耦合，以及操作以形成圆极化电场。
43.图1示出了根据实施例的与多个不同设备122、124、126无线通信的收发器100。对于实施例，收发器包括控制器110、无线电130和天线阵列150。天线阵列150是可控的，以形成定向波束，该定向波束允许收发器100与多个不同的设备122、124、126无线通信。对于实施例，通过控制传递通过天线阵列150的每个天线元件的信号的相位和/或幅度来控制由天线阵列150形成的波束的方向。
44.图2示出了根据实施例的天线阵列210。对于实施例，天线阵列210包括多个天线元件251-259。对于实施例，天线阵列210的天线元件251-259被组织成行和列。此外，如前所述，天线阵列210的天线元件251-259基于通过天线元件251-259传送的信号的相位和幅度调整进行操作以形成波束。
45.图3示出了根据实施例的天线元件。对于实施例，天线元件包括馈线层310、接地层320和第三层330。此外，天线元件包括位于馈线层310和接地层320之间的第一基板362以及位于接地层320和第三基板364之间的第二基板364。
46.对于实施例，馈线层310包括导电叉状物311。对于实施例，导电叉状物311包括导电手柄312，导电手柄312适于电连接到同轴线的中心导体。也就是说，导电手柄312的端部部分315延伸到天线元件的边缘，并且电连接到中心导体，从而将天线元件连接到电子电路，在电子电路中通过天线元件发送或接收无线信号。
47.对于实施例，导电叉状物311另外地包括导电横截面313，该导电横截面313与导电手柄312的端部部分(即，与端部部分315相对的端部部分)相交。
48.对于实施例，导电叉状物311另外地包括多个导电指状物314(连接到导电横截面313的每个端部部分的导电指状物和连接到导电横截面313的中心部分的导电指状物314)。
49.对于实施例，矩形槽322形成在接地层320中，其中矩形槽322的长度垂直于导电手柄312。也就是说，矩形槽322通过由第一基板362的宽度提供的间隔而从导电手柄312位移，但是矩形槽322被形成使得槽的长度垂直于导电手柄312的长度。
50.对于实施例，第三层330包括四个寄生元件360，其中每个寄生元件360通过对应的短路通孔350电连接到接地层320。
51.对于实施例，电信号被施加到天线元件的导电叉状物311的导电手柄312的一个端部部分315。向多个天线元件中的每个天线元件施加电信号有助于形成定向波束，该定向波束可用于无线信号的定向发送或接收。
52.对于至少一些实施例，槽的取向对于保持阵列的性能是重要的。对于实施例，如图3所示，槽被定向在馈线层311的h平面中。适当的取向允许有效的电磁能量耦合到寄生元件360。因此，这种取向操作以提高整个天线的辐射效率。
53.对于至少一些实施例，导电短路通孔350充当单极天线。对于实施例，导电短路通
孔350沿槽322(水平)的边缘等间距间隔开而在另一方向上间隔不相等。对于另一个实施例，导电短路通孔350的数量可以更多，但不少于4个。如果寄生元件没有连接到导电短路通孔350，那么寄生元件将不会辐射。这就是导电短路通孔350的数量应该多于或等于4的原因。可以调整导电短路通孔350之间的间距和导电短路通孔350的数量，以显著减少在使用它们的阵列中的表面波和元件耦合(两者都是不希望的现象)。
54.对于所描述的实施例，导电横截面313应该放置在导电手柄312的端部部分(端部部分315的相对端)。原因是为了最小化由导电横截面313引入的对导电手柄312的阻抗值的扰动。换句话说，通过将导电横截面313放置在导电手柄312的作为到同轴线的连接端的相对端，实现了天线元件的最宽工作带宽，其中天线元件的输入阻抗保持在50欧姆(或一些其他期望的输入阻抗)。
55.导电横截面313在天线的性能中起着重要作用。对于实施例，导电横截面313的取向垂直于导电手柄312。导电横截面313激发寄生元件360的高阶模式，以其他方式它不会被激发。这些高阶模式是生成圆极化波所必需的。也就是说，垂直于导电手柄312的导电横截面313的取向有助于激发生成圆极化波所需的高阶模式。
56.对于至少一些实施例，导电指状物314与每对导电短路通孔350之间的三个空间互补，其中导电横截面313与最后一对导电短路通孔350的空间互补。导电指状物314和导电短路通孔350之间的这种取向形成了补充天线元件的宽带性能的互补结构。
57.对于至少一些实施例，导电叉状物311的宽度被选择成有助于天线元件的输入阻抗与电连接到天线元件的任何系统相匹配。对于至少一些实施例，输入阻抗取决于导电叉状物311的宽度、系统频率、第一基板362的介电常数材料、第一基板362的厚度、金属层的厚度以及天线元件的天线阵列的印刷电路板(pcb)制造商的制造公差。这些参数由制造过程设定，并且它们的变化根据天线元件设计来适应。
58.对于至少一些实施例，接地导体(接地层320)的厚度由天线元件的pcb制造商决定。对于实施例，厚度的值是0.01mm
±
10％。
59.在电磁波波长为几毫米(与典型的pcb制造商公差能力相当)的高工作频率(诸如57.24ghz至65.88ghz)下，制造商公差成为设计过程的重要部分。pcb制造商公差对印制线宽度、印制线厚度、层厚度、基板的介电常数、层数、导电通孔尺寸和直径、通孔层(即，它们可以从哪一层钻孔到哪一层)施加了限制。对于实施例，这些数字是：印制线宽度大于0.15mm、最小印制线厚度为0.01mm、层厚度为0.127mm
±
0.01mm、介电常数为3
±
0.2、层数为6、最小通孔尺寸和直径为0.15mm。通孔对仅从顶部层到底部层以及从层1(顶部)到层2。
60.对于实施例，馈线层311利用适配器从导电手柄312的端部部分315的微带馈线过渡到同轴连接。
61.图4示出了线性极化电场振荡412和圆极化电场振荡414。天线辐射的电磁波传递特定的极化。电场的极化是指在一个恒定位置的一个周期内的电场的振荡。极化可以是线性的、圆的或椭圆的。在线性极化中，电场的尖端描绘成线(traces a line)。类似地，在圆极化中，电场描绘成圆(traces a circle)。大多数天线只是辐射线性极化。为了生成圆极化，必须满足几个条件。
62.线性极化波可以沿着任何轴对齐。例如，如果电场的运动平行于地球表面，则称为水平极化。同样，如果电场垂直于地球表面振荡，那么我们有一个垂直极化。为了接收具有
特定极化的信号，接收器天线必须具有完全相同的极化。如果信号的极化和天线的极化不一样，那么就会出现极化失配。极化失配会完全阻碍信号的接收。例如，垂直极化天线不接收水平极化信号。线性极化取决于天线的取向。换句话说，通过简单地将天线旋转90度，垂直极化可以变成水平极化。极化的取向关系在许多无线应用中是不利的，因为已建立的链路由于极化失配而容易阻塞。
63.另一方面，圆极化(cp)波与天线的取向无关。cp波具有抗极化失配的能力。尽管cp天线有其优点，但在大带宽(大于2％的相对带宽)上确实很难实现。
64.包括所描述的天线元件的天线阵列在大带宽上提供cp电磁波。这至少部分是由于包括所描述的天线元件的天线阵列的天线元件之间相对较低的耦合而实现的。
65.图5示出了根据实施例的馈线层310的俯视图。对于至少一些实施例，至少部分基于通过天线元件发送和/或接收的电磁信号的频率来选择天线元件的特征尺寸。如图5的表格510内所包括的，天线元件的至少一些特征尺寸取决于通过天线元件传播的电磁信号的波长(λ)。至少一些定义包括：
66.λo：自由空间中电磁波的波长。
67.λ：基板内电磁波的波长。基板的电介质取决于制造工艺。
68.对于实施例，指状物在长度上相等，以最小化不想要的高阶模式辐射。
69.带宽：最高支持频率减去最低支持频率。
70.λ
中
：带宽的中心处的波长。
71.λ
最小
：最高频率处的波长。
72.λ
最大
：最低频率处的波长。
73.如前所述，对于至少一些实施例，馈线层310的导电叉状物311包括适于电连接到同轴线的中心导体的导电手柄312。此外，如图所示，导电手柄312的尺寸被选择成使得导电手柄312的长度为l2，其中l2为(λ
最小
)/2。此外，对于至少一些实施例，导电手柄312的宽度是w
反馈
，其中w
反馈
至少部分基于导电手柄312电连接的同轴线的中心导体。对于实施例，w
反馈
被选择为0.3mm(毫米)
±
10％。
74.应当理解，天线元件的不同导电元件的形成受制于制造加工公差。也就是说，由于加工公差，没有一个指定的尺寸能够是精确的。
75.如前所述，对于至少一些实施例，馈线层310的导电叉状物311包括与导电手柄312的端部部分相交的导电横截面313。对于实施例，导电横截面313被选择为具有长度l1，其中l1为(λ
最小
)/2。
76.如前所述，导电横截面313被放置在导电手柄312的端部，以最小化导电横截面313对导电手柄312的输入阻抗值以及因此对天线元件的输入阻抗值引入的扰动。此外，如前所述，对于实施例，导电横截面313的取向垂直于导电手柄312。导电横截面313激发寄生元件360的高阶模式，以其他方式它不会被激发。这些高阶模式是生成圆极化波所必需的。也就是说，垂直于导电手柄312的导电横截面313的取向有助于激发生成圆极化波所需的高阶模式。
77.如前所述，对于至少一些实施例，馈线层310的导电叉状物311包括多个导电指状物314(连接到导电横截面313的每个端部部分的导电指状物314和连接到导电横截面313的中心部分的导电指状物314)。对于实施例，导电指状物314被选择为具有长度l3，其中l3是
(λ
最小
)/8。
78.如前所述，对于至少一些实施例，导电指状物314与每对导电短路通孔350之间的三个空间互补，第四对的空间由导电手柄312补充。导电指状物314和导电短路通孔350之间的这种取向形成了补充天线元件的宽带性能的互补结构。
79.对于至少一些实施例，天线阵列和馈线层310具有l4乘l5的尺寸，其中l4和l5具有(λ
中
)/2的尺寸。
80.如前所述，对于至少一些实施例，导电叉状物311的宽度被选择成有助于天线元件的输入阻抗与电连接到天线元件的任何系统相匹配。
81.图6示出了根据一个实施例的天线元件的侧视图。如前所述，天线元件包括馈线层310、接地层320和第三层330。此外，天线元件包括位于馈线层310和接地层320之间的第一基板362，以及位于接地层320和第三基板364之间的第二基板364。
82.对于至少一些实施例，第一基板362具有宽度l6。对于实施例，l6被选择为(λ
最小
)/10。此外，对于至少一些实施例，第二基板364具有宽度l7。对于实施例，l7被选择为(λ
最小
)/4。该长度(l7)允许导电短路通孔350作为单极天线辐射。
83.对于至少一些实施例，每一层的厚度基于pcb制造商的最小厚度能力。例如，pcb制造商的公差可以是0.127mm的最小厚度，照此图6中的第二基板364由粘合在一起的4层组成，达到0.508mm，这在图6中是(λ
最小
)/4或l7。
84.第一基板362也是如此。然而，期望l6(在制造能力范围内)尽可能小，以最小化电介质的损耗，并增加从馈线层310的导电叉状物311到接地层320的槽322的能量耦合。
85.图7示出了根据实施例的接地层320的俯视图。如图所示，接地层320包括槽790。槽790在接地层320中形成，并且包括穿过接地层320的导电层的槽(没有导电材料)。对于实施例，槽790被成形为矩形。对于实施例，矩形包括长度l
10
和宽度l9。如前所述，对于实施例，矩形的长度l
10
基本上垂直于馈线层310的导电柄312的长度l2。
86.通常，期望将所有导电短路通孔350与槽790的开口分开放置。然而，制造工艺要求导电环形圈792放置在导电短路通孔350周围。对于实施例，导电环形圈792的直径值为0.278mm。这样，导电环形圈792的一些部分可能遮蔽(obscure)槽790并降低性能。
87.期望导电短路通孔350中的两个导电短路通孔更靠近槽790的边缘，并且保持另外两个导电短路通孔350从边缘位移通孔位移794。这样，通过改变如h
槽
所示的槽的垂直位置，通过在一些天线性能(诸如效率)和导电环形圈792的位置之间进行权衡，来实现最佳性能。
88.对于实施例，槽长度l10是天线元件的工作通信频率的波长的一半，这使得它成为类似于半波长偶极天线的有效辐射器。
89.对于实施例，槽的长度l10被选择为(λ
最小
)/2。此外，对于实施例，槽的宽度l9被选择为(λ
最小
)/8。
90.对于至少一些实施例，槽790从接地平面的边缘位移h
槽
的距离，其中h
槽
被选择为(λ
中
)/2。
91.对于至少一些实施例，导电短路通孔350中的两个导电短路通孔邻近槽790物理接触导电接地层320。如图所示，导电短路通孔350中的两个导电短路通孔通过导电环形圈792接触导电接地层320，导电环形圈792突出在槽790上或到槽790中。
92.对于至少一些实施例，导电短路通孔350中的两个导电短路通孔从槽790位移通孔
位移794物理接触导电接地层320。
93.如图8、图9、图10所示，且通常，必须在寄生元件中的两个寄生元件上增加某种扩展。例如，在图8中，t形导体，而图9和图10示出了l形导体。
94.这些扩展是生成cp波所必需的。对于实施例，这些扩展还在寄生元件的不同电场分量之间提供必要的90
°
相移。
95.对于实施例，导电短路通孔350的直径为0.15mm，以及导电环形圈792的直径为0.178mm。
96.图8示出了根据实施例的第三层330的俯视图。如图所示，第三层330包括寄生元件360。对于实施例，寄生元件中的两个寄生元件包括截角贴片894，以及寄生元件中的两个寄生元件包括t骨贴片896。
97.对于实施例，两个截角贴片894中的每一个被形成为缺少一个角的近似正方形。对于实施例，正方形(没有去除角)的边的长度形成为l
11
，其中l
11
是(λ
最大
)/2。
98.对于实施例，两个t骨贴片896中的每一个形成为附接到t的三角形。对于实施例，t的主体的长度形成为l
13
，其中l
13
是(λ
最大
)/4，并且t的交叉部分(cross-portion)的长度形成为l
14
，其中l
14
是(λ
最大
)/4。
99.对于实施例，t的交叉部分的宽度是w1，其中w1在(λ
最小
)/10至(λ
最大
)/10的范围内。
100.两个截角贴片894和t骨贴片896中的每一个的角形成十字，其中十字的每一部分的宽度为l
12
，其中l
12
为(λ
最小
)/10。
101.如前所述，导电短路通孔350将每个寄生元件360电连接到导电接地层320。
102.图9示出了根据另一实施例的第三层330的俯视图。如图所示，第三层330包括寄生元件360。对于实施例，寄生元件中的两个寄生元件包括椭圆元件899，以及寄生元件中的两个寄生元件包括椭圆组合898。
103.对于至少一些实施例，椭圆元件具有较大的半径r1，其中r1是(λ
最大
)/4，以及椭圆元件具有较小的半径r2，其中r2是(λ
最小
)/4。
104.对于实施例，椭圆组合898包括具有与椭圆元件相同尺寸的椭圆，并且还包括l形，其中l形的基部部分具有长度l16，其中l16是(λ
最小
)/8，以及l形的较长部分具有长度l15，其中l15是(λ
中
)/2。
105.图10示出了根据另一实施例的第三层的俯视图。
106.对于实施例，通过天线阵列的每个天线元件传送的无线信号的频率覆盖57.24ghz到65.88ghz的范围。对于实施例，频率包括802.11ad ieee标准的通道1、2、3、4。
107.对于实施例，天线阵列包括4
×
8天线元件阵列。对于实施例，天线元件的垂直间距为2.50mm，水平间距为2.50mm。对于实施例，每个天线元件包括单馈点并生成圆极化电场。
108.对于实施例，天线阵列的尺寸是25mm
×
7.5mm
×
1mm，不包括连接器高度。
109.对于实施例，天线阵列的覆盖区域是在-60度《θ《60度和60度《θ《60度和内的半球，同时仍然保持圆极化，其中θ和表示两个不同平面中的覆盖区域。
110.对于至少一些实施例，天线元件使用低质量材料制造。
111.如前所述，根据实施例，图1示出了与多个不同设备122、124、126无线通信的收发器100。对于实施例，无线收发器100包括天线阵列150、无线电130和控制器。如前所述，天线
阵列可操作形成圆极化定向波束。无线电连接到天线阵列。控制器可操作以控制无线信号通过无线电和天线阵列的接收和发送。此外，天线阵列包括多个天线元件。如前所述，对于实施例，天线元件包括馈线层、邻近馈线层的第一基板、邻近第一基板的接地层、邻近接地层的第二基板以及邻近第二基板的第三层。馈线层包括导电叉状物，该导电叉状物包括适于电连接到同轴线的中心导体的导电手柄、与导电手柄的端部部分相交的导电横截面、以及多个导电指状物(连接到导电横截面的每个端部部分的导电指状物和连接到导电横截面的中心部分的导电指状物)。对于实施例，矩形槽形成在接地层中，其中矩形槽的长度垂直于导电手柄。对于实施例，第三层包括四个寄生元件，其中每个寄生元件通过短路通孔电连接到接地层。
112.尽管描述和示出了特定的实施例，但是实施例并不限于这样描述和示出的部件的特定形式或布置。所描述的实施例仅由权利要求限定。