CN101185197A - 单馈点多频多极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单馈点多频多极化天线。该天线能够接收左旋圆极化(LHCP)信号和右旋圆极化(RHCP)信号二者，并将两个信号在单个馈点上输出。该天线包括两个共平面的同心贴片。内贴片为大体上的方形。外贴片具有内边缘和外边缘，两个边缘均为方形。两个贴片彼此间没有物理接触。单个馈点与所述内贴片连接。所述内贴片接收LHCP信号，并且两个贴片一起接收RMCP信号。

Description

单馈点多频多极化天线

技术领域

本发明涉及天线，更具体地涉及用于接收多个频率和多极化(polarization)的信号的天线。

背景技术

在日益发展的无线世界中，天线正在变得越来越普遍。这一情况在汽车中尤为突出，汽车典型地包括用于AM无线电广播、FM无线电广播、卫星无线电广播、蜂窝式电话和GPS中的一个或更多个的天线。这些信号具有不同的频率和极化。例如，与卫星无线电广播相关的信号(例如，商标XM和Sirius)的范围为2.320GHz到2.345GHz并且被左旋圆极化(LHCP)；与全球定位系统(GPS)相关的信号的范围为1.574GHz到1.576GHz并且是被右旋圆极化(RHCP)。

已经研发了其中多个天线在多个馈点上接收多个信号以及输出多个信号的天线包(antenna package)。然而，无法令人满意的是这些天线包复杂而且昂贵，并且多馈点也是不理想的。尽管这些现有技术的天线包已经被实施并且开始普及，但是对于更加简单、紧凑而且低成本的设计的天线的需求日益增加。

发明内容

本发明中克服了上述多个问题，在本发明中，单独天线通过单个馈点接收多频率和多极化的信号，并通过所述单个馈点输出这些信号。

在所公开的实施方式中，天线包括共平面的内贴片和外贴片。所述外贴片围绕所述内贴片。这两个贴片彼此物理间隔开。单个馈点与所述内贴片连接。所述内贴片在第一频率与第一天线极化感应发生共振。所述外贴片在第二频率与第二天线极化感应发生共振。所述第一频率和所述第二频率是不同的。所述第一天线极化感应和所述第二天线极化可以相同或不同。两个信号都在所述单个馈点上被输出。

在进一步的优选实施方式中，所述两个贴片是位于衬底上的金属化层。

本发明的天线相对简单而且价格不高，更易于实施并且高效。其使得能够在单个馈点上输出具有不同频率以及不同极化的信号。

通过参照对本实施方式和附图的描述将更容易地理解和认识本发明的这些和其他目的、优点和特征。

附图说明

图1是天线的俯视立体图；

图2是天线的未示出衬底的仰视立体图；

图3是天线的俯视平面图；

图4是天线以及可想到的附接在其上的信号处理元件的示意图；

图5-14是例示了天线的性能的图和表。

具体实施方式

图1-3例示了根据本发明的当前实施方式构造的天线，并总体上将天线标记为10。该天线包括衬底12、内贴片(inner patch)14、外贴片(outer patch)16和单个馈点或引线18。内贴片14和外贴片16被安装在衬底12上。单个馈点18贯穿衬底12延伸并且连接至内贴片14。内贴片14接收具有第一频率和第一极化的信号，而内贴片14和外贴片16一起接收具有第二频率和第二极化的信号。所述的这两个频率和极化是不同的。这两个信号都在单个馈点18上输出。

衬底12对于熟悉天线领域的技术人员来说是公知的。衬底可以由诸如塑料或陶瓷的任意适用的不导电材料制成。衬底12支撑天线10的其余元件。

在图1-3中包括了X、Y和Z方向以简化在三个视角中的定向。X轴和Y轴位于两个共平面贴片14和16的平面内。Z轴与所述贴片的平面垂直，并且延伸贯穿所述贴片的中心。

当在平面图(具体参见图3)中观察时，内贴片14基本上或大体上为方形。因为是方形，所以其具有四个拐角20a、20b、22a和22b。如针对圆极化信号的天线的常规情况那样，在对角线上相对的两个拐角20a、20b基本是直角，而在对角线上相对的另外两个拐角22a、22b基本为非直角。在本实施方式中，拐角22a、22b与内贴片14的侧边呈45°锐角。熟悉本领域的技术人员可以想到形成非直角拐角22a、22b的其他适用技术。

像围绕内贴片14的相框那样成型外贴片16。外框16具有大体上为方形的内边缘24以及大体上为方形的外边缘26。该两个边缘24和26大体上是同心的。

外贴片16的内边缘24大体上为方形并且包括四个拐角30a、30b、32a和32b。在对角线上相对的两个拐角30a、30b基本为直角，而在对角线上相对的另外两个拐角32a、32b基本为非直角。非直角拐角32a、32b与内贴片14上的非直角拐角22a、22b靠近或相邻。

外贴片16的外边缘26大体上为方形并且包括四个拐角34a、34b、36a和36b。在对角线上相对的两个拐角34a、34b基本为直角，而在对角线上相对的另外两个拐角36a、36b基本为非直角。非直角拐角36a、36b远离内贴片14上的非直角拐角22a、22b。与内贴片的非直角拐角类似，非直角拐角32a、32b、36a和36b相对于内边缘24的侧边呈45°角。熟悉本领域的技术人员可以想到其他适用的形状。

外贴片16的内边缘24与内贴片14间隔开。另外，内贴片14和外贴片16围绕公共中心轴Z同心定位。因此，内贴片14和外贴片16限定了位于二者之间的间隙40，从而使得内贴片14和外贴片16彼此物理分离。该间隙的宽度在围绕内贴片14的周界上基本是均匀的。该间隙在拐角22a、22b、32a、32b处变宽。

在当前实施方式中，内贴片14和外贴片16是直接形成在衬垫12上的金属化层。每个贴片都是平坦的，并且两个贴片是基本同心的。

通过反复试验(trial-and-error)处理可以调整内贴片14和外贴片16的相对尺寸、形状和定向。在图中示出的内贴片14和外贴片16例示了已被调整为在各性能参数之间提供了权衡的当前实施方式。熟悉本领域的人员将认识到可以不同地调整各贴片以在多个性能参数之间实现权衡。

单个馈点18仅与内贴片14连接。馈点18延伸贯穿衬底12。如针对圆极化信号的天线的常规情况那样，偏离内贴片14的中心地连接该馈点18。

操作

天线10在单个馈点18上输出具有不同频率和不同极化的两个不同信号。内贴片14独立地操作以接收例如与卫星无线电广播相关的左旋圆极化(LHCP)信号。内贴片14和外贴片16一起操作以接收例如与GPS信号相关的右旋圆极化(RHCP)信号。

图4是示出了与放大器50和双通带滤波器52连接的天线10的示意图。放大器50可以是本领域技术人员公知的任意合适设计。同样，双通带滤波器52可以是本领域技术人员公知的任意合适设计。当天线10用于卫星无线电广播信号和GPS信号时，该两个通带位于卫星无线电广播信号的范围2.320到2.345GHz，和GPS信号的范围1.574到1.576GHz。可以将双通带滤波器52的输出54提供给卫星无线电广播接收器和/或GPS单元。

图5-14为例示了当前实施方式的天线的性能的图和表。图5是示出了所述共平面贴片的阻抗的史密斯表。该表示出了所述共平面贴片具有双共振，在每个共振处都具有圆极化感应(circularly polarized sense)(人们无法根据阻抗判断圆极化感应，但是可以断定该极化感应是圆形的还是线性的)。标记R1、X1和R2、X2分别表示在GPS和XM频带阻抗的实部和虚部。将阻抗值相对于50欧姆进行归一化。

图6例示了所述共平面贴片的回波损耗(以dB计算)。该图示出了对于实际应用，天线在两个谐振频率处都进行了良好匹配(回波损耗大于10dB)。标记X1、Y1和X2、Y2分别代表谐振的频率和以dB计算的回波损耗。

图7是在XM频率范围在金属化的共平面贴片上的表面RF电流分布。白色对应于最大表面电流，而黑色对应于最小表面电流。谐振结构是具有作为“热点(hot spots)”的斜切拐角的内贴片，其中该例示显示该电流分布基于针对斜切边缘的探针位置给出了LHCP辐射。另外，如在外贴片上的表面电流分布最小的事实所显示的，该外贴片没有发生谐振。

图8是在GPS频率范围在金属化的共平面贴片上的表面RF电流分布的例示。同样，白色对应于最大表面电流，而黑色对应于最小表面电流。谐振结构是具有作为“热点”的斜切拐角的外贴片，其中该例示显示该电流分布基于针对斜切边缘的探针位置给出了RHCP辐射。另外，如在内贴片上的表面电流分布最小的事实所显示的，该内贴片没有发生谐振。

图9示出了在GPS频率范围中的共平面贴片的辐射图案。以dBic表示增益(参考圆极化的、理论上各向同性辐射器的天线增益(分贝))。曲线C1为RHCP(被称为天线的共极化)，而曲线C2是LHCP(被称为天线的交叉极化)。RHCP的振幅比LHCP的振幅高的多。该辐射图案割线是所谓的作为仰角θ的函数的增益，该仰角θ是在球形坐标中关于图2所示的正z-轴测得的。最大增益出现在θ＝0度处，该处还被称为天线的视轴(boresight)。这是贴片天线的一种典型的辐射图案。另外，该特定的割线位于0度的方位角Φ处。关于图2所示的正x-轴来测量Φ。

图10与图9类似，但方位角Φ＝90度。最大共极化RHCP出现在天线的视轴处。

图11示出了在GPS频率范围中在仰角θ＝0处(即视轴处)作为方位角Φ的函数的增益。曲线C3为RHCP，而曲线C4是LHCP。RHCP(共极化)至少比LHCP(交叉极化)高17.5dB，这表明在GPS频率范围的天线被右旋圆极化。

图12示出了在XM频率范围中的辐射图案(以dBic表示增益)。曲线C5是被称为天线的共极化的LHCP，而曲线C6是被称为交叉极化的RHCP。LHCP的振幅比RHCP的振幅高的多。该辐射图案割线同样被称为“作为仰角θ的函数的增益”。最大增益出现在θ＝0度处，该处也是天线的视轴。而且，这是贴片天线的一种典型的辐射图案。另外，该割线位于0度的方位角Φ处。

图13与图12类似，所不同的是方位角Φ＝90度。最大共极化LHCP出现在天线的视轴处。

图14示出了在XM频率范围中在仰角θ＝0处(即视轴处)作为方位角Φ的函数的增益。曲线C7为LHCP，而曲线C8是LHCP。LHCP(共极化)至少比RHCP(交叉极化)高13dB，这表明天线被左旋圆极化。

上述描述是针对本发明的当前实施方式进行的。在不脱离本发明的如所附权利要求所限定的精神和较宽方面的情况下可以进行各种变型和更改，所附权利要求将根据包括等效物的法律原则的专利法的原理进行解释。

Claims (17)

1.一种天线，该天线包括：

大体上为平面的第一天线振子；

大体上为平面的第二天线振子，该第二天线振子围绕所述第一天线振子，所述第一天线振子和第二天线振子是大体上共面的；以及

馈点，该馈点与所述第一天线振子和第二天线振子的仅其中一个连接，从而在所述馈点上出现了具有不同频率和不同极化的至少两个信号。

2.根据权利要求1所述的天线振子，其中，所述不同的极化是多个圆极化。

3.根据权利要求1所述的天线振子，其中，所述第一天线振子和第二天线振子彼此间物理分离。

4.根据权利要求1所述的天线振子，其中：

所述第一天线振子大体上为方形；并且

所述第二天线振子具有大体上为方形的内边缘和大体上为方形的外边缘。

5.根据权利要求4所述的天线振子，其中，所述第二天线振子的所述内边缘和所述第一天线振子限定了宽度大体上均匀的间隙。

6.根据权利要求1所述的天线振子，其中，所述馈点被连接至所述第一天线振子。

7.一种天线，该天线包括：

第一天线振子，其适于接收具有第一频率和第一极化的第一信号；

第二天线振子，其适于接收具有与所述第一频率不同的第二频率和第二极化的第二信号；以及

单个馈点，该馈点与所述天线振子的仅其中一个连接，从而在所述馈点上出现了所述第一信号和所述第二信号。

8.根据权利要求7所述的天线振子，其中，所述第一极化和第二极化为圆形。

9.根据权利要求7所述的天线振子，其中，所述第一天线振子和第二天线振子彼此间没有物理接触。

10.根据权利要求7所述的天线振子，其中，所述第二天线振子围绕所述第一天线振子。

11.根据权利要求7所述的天线振子，其中，所述第一天线振子和第二天线振子大体上为平面并且二者是大体上共平面的。

12.根据权利要求11所述的天线振子，其中：

所述第一天线振子大体上为方形；并且

所述第二天线振子包括大体上方形的内边缘和大体上方形的外边缘，所述第一天线振子和第二天线振子大体上是同心的。

13.根据权利要求12所述的天线振子，其中，所述第二天线振子的所述内边缘和所述第一天线振子限定了大体上均匀的间隙。

14.根据权利要求7所述的天线振子，其中，所述单个馈点被连接至所述第一天线振子。

15.一种天线，该天线包括：

大体上为平面的第一天线振子，该第一天线振子大体上为方形并具有四个拐角，所述拐角中沿对角线彼此相对的两个拐角为非直角；

大体上为平面的第二天线振子，该第二天线振子大体上与所述第一天线振子共平面并且围绕所述第一天线振子，所述第二天线振子具有内边缘和外边缘，所述内边缘和所述外边缘二者都大体上为方形，所述内边缘和外边缘大体上为同心的，所述内边缘和外边缘的每一个上的拐角中的沿对角线彼此相对的其中两个拐角为非直角，所述内边缘的所述两个拐角与所述第一天线振子的所述两个拐角彼此相邻，所述外边缘的所述两个拐角远离所述第一天线振子的所述两个拐角；并且

馈点，该馈点仅与所述第一天线振子物理连接，所述第二天线振子不具有馈点。

16.根据权利要求15所述的天线振子，其中，所述第一天线振子和第二天线振子彼此间没有物理接触。

17.根据权利要求15所述的天线振子，其中，所述第二天线振子的所述内边缘和所述第一天线振子限定了宽度大体上均匀的间隙。

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