專利名稱：天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種天線，例如超寬帶天線，尤其是用在天線中的一種無
源(parasitic)天線元件。
背景技術：
超寬帶(Ultra-wideband,簡稱UWB )是跨過非常寬的頻帶(3.1GHz 至10.6GHz)傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)的一種無線電技術。它利用超低的傳輸功率， 一般小于-41dBm/MHz,所以該技術在其他傳輸頻率(諸如，現(xiàn)有的Wi-Fi、 GSM和藍牙)之下可以完全地隱藏。這意味著超寬帶能夠和其他射頻技術 共存。然而，這存在將通信限制到一般為5米到20米的距離的限制。
存在對于UWB的兩種方法時域方法，其從具有UWB特性的脈沖波 形構造信號，以及頻域調(diào)制方法，其在多個(頻率)帶上使用傳統(tǒng)的基于 FFT的正交頻分復用(OFDM)，稱為MB-OFDM。兩種UWB方法導致均 光譜分量覆蓋頻譜中非常寬的帶寬，因此稱術語超寬帶，由此帶寬占用中 心頻率的20%以上， 一般至少500MHz。
超寬帶連同非常寬帶寬的這些特性意味著UWB是用于在家庭或辦公 室環(huán)境中提供高速無線通信的理想技術，從而，通信設備彼此之間相距在 20米范圍內(nèi)。
圖1示出用于超寬帶通信的多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM)系統(tǒng)中 的頻帶的布置。該MB-OFDM系統(tǒng)包括每個均為528MHz的14個子頻帶， 并且將在子頻帶之間的每312ns的跳頻作為訪問方法。在每個子頻帶中， 可以采用OFDM和QPSK或DCM編碼來傳輸數(shù)據(jù)。需要注意的是，在5GHz 附近的子頻段(當前為5.1-5.8 GHz)空著，以避免干擾現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)， 例如802.11 a WLAN系統(tǒng)、安全代理通信系統(tǒng)或航空業(yè)。
十四個子頻帶被分成五個頻帶組具有3個528 MHz的子頻帶的四個528 MHz的子頻帶的一個頻帶組。如圖l所示，第 一頻帶組包括子頻帶l,子頻帶2和子頻帶3。典型UWB系統(tǒng)將在頻帶組 的子頻帶之間采用跳頻，這樣第一數(shù)據(jù)符號在頻帶組的第一頻率子頻帶中 的第一 312.5ns持續(xù)時間間隔內(nèi)被傳輸，第二數(shù)據(jù)符號在頻帶組的第二頻率 子頻帶中的第二 312.5ns持續(xù)時間間隔內(nèi)被傳輸，以及第三數(shù)據(jù)符號在頻帶 組的第三頻率子頻帶中的第三312.5ns持續(xù)時間間隔內(nèi)被傳輸。因此，在每 個時間間隔內(nèi)，數(shù)據(jù)符號在具有528 MHz帶寬的各個子頻帶中被傳輸，例 如，子頻帶2具有以3960 MHz為中心的528 MHz的基帶信號。
UWB系統(tǒng)的基本時序結構是超幀。 一個超幀由256個介質(zhì)訪問隙 (MAS)組成，其中，每個MAS均具有限定的持續(xù)時間，例如256^is。每 個超幀始于持續(xù)一個或多個連續(xù)MAS的信標周期(Beacon Period )。信標 周期中第一MAS的開始被稱為"信標周期開始"。
超寬帶的技術特性意味著它正在被開發(fā)用于數(shù)據(jù)通信領域中的應用。 例如，聚焦于電纜替代的多種應用存在于下列環(huán)境中
-PC和外圍設備之間的通信，即，諸如硬盤驅(qū)動、CD刻錄機、打印
機、掃描儀等外部設備等。 -家庭娛樂設備，諸如電視機和無線裝置連接的設備、無線揚聲器等。 -手持設備和PC之間的通信，例如移動電話和PDA,數(shù)碼相機和MP3 播放器等。
當前UWB設計利用了全向天線。在未來的系統(tǒng)中，以非常高的數(shù)據(jù) 速率應用為目標，具有使用大量高增益元件的益處，每個元件均覆蓋特定 角度的扇區(qū)。盡管能夠選擇行波元件提供所需要的寬帶寬，但是這種元件 的陣列相對較大。
因此，需要一種容易用于在特定方向上發(fā)射并且寬頻率范圍上的天線。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種無源天線元件，包括位于天線 元件的底部附近的第一開關，用于選擇性地將天線元件耦合至地平面以抑 制第一電流模式；以及沿天線元件設置的第二開關，用于選擇性地將天線元件劃分成第一部分和第二部分，從而抑制更高階電流模式。
無源天線元件具有在寬頻率范圍內(nèi)選擇性地反射或者透過的優(yōu)點。此 外，無源天線元件還具有成本低的優(yōu)點，這是因為它可以被印制在印刷電 路板(PCB)上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種天線陣列，包括在所附權利要 求中限定的至少 一個無源天線元件。


為了更好地理解本發(fā)明，以及更清楚地示出本發(fā)明如何有效實施，現(xiàn)
在將通過示例的方式參考以下附圖進行描述，其中
圖1示出多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA )規(guī)定的MB-OFDM系統(tǒng)的頻譜；
圖2示出天線陣列；
圖3示出無源天線元件；
圖4a和圖4b是示出關于共振單極天線的當前模式的示意圖； 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的無源天線元件；以及 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的無源天線元件。
具體實施例方式
圖2示出天線陣列10。天線陣包括具有全向中央輻射單元12的地平 面11。全向中央輻射元件12由多個無源元件14圍繞，例如，以環(huán)形陣式 設置。盡管中央輻射元件12是全向的，但是本領域技術人員可以認識到， 通過適當?shù)貙o源元件14進行偏壓，可以使中央輻射單元12發(fā)射的能量 定向于特定扇區(qū)。
偏壓通過在每個無源元件14的底部處的開關16來實現(xiàn)。
圖3更詳細地示出無源元件14之一。
無源元件14包括在印刷電路板(PCB)上的單極天線18。單極天線 18經(jīng)由開關16 (例如，PIN二才及管)電連4妾至天線陣列的地平面11。 PIN 二極管16由控制電壓VI和V2的施加來控制。
因此，通過打開(opening)或閉合(closing)開關16，可以使單極天線18對不同頻率進行反射或透過(transparent)。這將在圖4a和圖4b中更詳細i也示出。
圖4a示出了連接到地平面11的單極天線18，其中，開關16(未示出)閉合。在這種配置下，單極天線18在接近四分之一波長諧振頻率的頻率處是高反射的。這由圖4a中的虛線示出。這種表現(xiàn)取決于元件在四分之一波長諧振處主要支持單一余弦電流模式的事實。
圖4b示出了連接至地平面11的同一單極天線18，但是其中，開關16(未示出)是打開的。在這種配置下，盡管四分之一波長諧振的反射受到抑制，從而使得單極天線18在這樣的頻率處透過，但是單極天線18在更高的頻率(例如，當開關16閉合時，圖4a中的諧振頻率的兩倍，以及其他更高數(shù)量級)處是高反射的。
從上述可以看出，由這種類型的天線提供的帶寬受無源元件的諧振特性限制；這影響了它們的反射率，并且(更重要的是)影響了它們的透明度特性。
本發(fā)明通過沿單極元件提供第二開關，允許抑制參考圖4b描述的更高階頻率。
參見圖5，本發(fā)明的基本形式包括第二開關19，其可以由將單極天線18連接到地平面11的底部開關16分別控制(例如使用控制信號V3 )。例如，第二開關19大致設置在元件18的中間。因而，如果兩個開關16、 19都打開，不僅四分之一波長頻率被抑制，而且第一更高階頻率(例如，半波長諧振)也被抑制。
可選地，第二開關19可以被設置在沿著天線元件18的不同位置處。這將導致不同的更高階頻率被抑制。因此，根據(jù)需要抑制的頻率來選擇第二開關19的定位。
需要注意的是，將控制信號V3連接至第二開關19的偏壓元件可以是具有高阻值的導線，從而減少RF電流到控制電路的耦合。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的無源天線元件20。
元件20包括第一開關，例如PIN二^L管22，其位于元件的底部附近，將地平面連接至并聯(lián)的兩個外部導體24、 26。第一控制電壓V1和第二控制電壓V2分別被施加至PIN 二極管22的一側，從而控制PIN 二極管22的切換。
兩個外部導體24、 26連接至第二開關，例如PIN二極管28。第二PIN二極管28依次連接至單極天線元件30。
天線元件20還包括位于兩個外部導體24、 26之間的中心導體32,使得外部導體24、 26和中心導體32的結合形成共面波導。第三控制電壓V3被施加到中心導體32,中心導體32的一端連接于第二 PIN二極管28和單極天線元件30之間，從而4吏中心導體32對第二開關28進行偏壓。通過這種方式，使用電壓V2和V3來控制第二PIN二極管28。共面波導具有類似于短長度同軸電纜的電學特性，并且共面波導^^皮如此設計使得當直流偏壓電流流入所述中心導體32時，RF電流主要由兩個外部導體24、 26承載。
因此可以看出，無源天線元件20具有第一開關和第二開關其中的一個在底部(PIN二極管22)，并且另一個大致在無源元件的中間(PIN二極管28)。在本實施例中，無源元件的下半部分被實現(xiàn)為具有中心導體32的共面波導。這不僅提供了用于對第二 PIN 二極管28進行偏壓的傳統(tǒng)方法，而且外部導體24、 26還提供屏蔽以及減少RF能量到偏壓電路的耦合。換句話說，偏壓信號V3被保護以免受到RF信號在該結構附近的輻射。
中心導體32可以使用曲折線32作為共面波導的中心導體來實現(xiàn)。曲折線32優(yōu)選為高阻值的。這具有進一步降低RF能量到偏壓電路的耦合的效果。另外，曲折線的電感將偏壓電路與天線的中點去耦合，從而消除偏壓對天線的性能可能產(chǎn)生的任何負載效應。
盡管在圖6中未示出，但是需要注意的是，用于控制電壓V2的偏壓元件還可以結合曲折線和RF扼流圈，以防止RF能量到控制信號V2的耦合。用于更低的二極管22的RF扼流圈可以通過將RF扼流圈設置在地平面之下來提供。類似地，曲折線和RF扼流圏還可以與偏壓元件一起使用用于控制電壓VI。
盡管PIN二極管已經(jīng)用于示出說明書中的開關，但是本領域技術人員可以認識到，可以使用其他開關。例如，微電機械系統(tǒng)(EMES )開關或者GaAs FET開關可以作為替換物。在操作中，無源天線元件將被提供為基本上參考圖2所描述的天線陣列的一部分。也就是說，中心輻射元件由根據(jù)本發(fā)明的無源元件的環(huán)形圍繞。這些無源元件可以被偏壓，以反射或透過寬頻率范圍，并且從而增大或減小特定方向上的信號強度。然而，包括根據(jù)本發(fā)明的至少一個無源元件的任何天線陣列都被認為在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
因此，在此描述了在寬頻率范圍內(nèi)選擇性地反射或透過的無源天線元件。這通過提供用于選擇性地將天線元件耦合至地平面以抑制第一電流模式的位于天線元件的底部附近的第一開關，以及用于選擇性地將天線元件劃分為第一部分和第二部分的沿著天線元件設置的第二開關來實現(xiàn)，從而抑制更高階電流模式。
當天線元件被印制在PCB上時，天線元件成本低。結合這樣的無源天線元件的天線可以在更寬頻率范圍內(nèi)操作，從而可以在寬帶寬內(nèi)操作。這樣，天線元件特別適于在超寬帶系統(tǒng)中使用。
盡管優(yōu)選實施例描述了無源元件在地平面(作為反射體)和打開電路(變得透明)之間進行切換，但是需要注意的是，無源元件還可以被切換到信號源以用作輻射體。
應當注意的是，上述實施例僅是示例性的而不用于限制本發(fā)明，并且在不脫離所附權利要求的范圍的情況下，本領域技術人員能夠設計出許多可選實施例。單詞"包括"并不排除權利要求中所列之外的部件或方法，
"一，，或"一個"不排除多個，并且單個處理機或其他單元可以實現(xiàn)權利要求中所述的多個單元的功能。權利要求中的任何參考標記不能解釋成限制其權利要求的保護范圍。
權利要求
1、一種無源天線元件，包括第一開關，位于所述天線元件的底部附近，用于將所述天線元件選擇性地耦合至地平面來抑制第一電流模式；以及第二開關，沿著所述天線元件設置，用于選擇性地將所述天線元件劃分為第一部分和第二部分來抑制更高階電流模式。
2、 根據(jù)權利要求1所述的無源天線元件，其中，所述第二開關大致位 于所述天線元件的中間，使得所述第一部分和所述第二部分在長度上基本 相等。
3、 根據(jù)權利要求l或2所述的無源天線元件，其中，所述第一部分包 括共面波導。
4、 根據(jù)權利要求3所述的無源天線元件，其中，所述共面波導包括用 于對所述第二開關進行偏壓的中心導體。
5、 根據(jù)權利要求4所述的無源天線元件，其中，所述共面波導的所述 中心導體是高阻值的，從而防止RF能量與所述中心導體耦合。
6、 根據(jù)權利要求4或5所述的無源天線元件，其中，所述共面波導的 所述中心導體是電感的。
7、 根據(jù)權利要求4至6任一所述的無源天線元件，其中，所述共面波 導的所述中心導體是曲折線。
8、 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的無源天線元件，其中，所迷第一 開關和所述第二開關中的至少一個包括PIN二極管。
9、 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的無源天線元件，其中，所述第 一開關和所述第二開關中的至少一個包括微電機械開關。
10、 根據(jù)權利要求1至7任一所述的無源天線元件，其中，所述第一 開關和所述第二開關中的至少一個包括GaAs FET開關。
11、 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的無源天線元件，其中，所述第 一開關由第一偏置電壓和第二偏置電壓控制。
12、 根據(jù)權利要求11所述的無源天線元件，其中，所述第二開關由所述第二偏置電壓和第三偏置電壓來控制。
13、 根據(jù)權利要求11或12所述的無源天線元件，其中，所述偏置電壓中的兩個或更多使用曲折線連接到所述第一開關和所述第二開關。
14、 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的無源天線元件，其中，所述無 源天線元件被印制在印刷電路板上。
15、 一種天線陣，包括前述權利要求中任一項所述的至少一個無源天線元件。
全文摘要
一種無源天線元件(20)包括第一開關和第二開關其中的一個位于底部(PIN二極管22)，并且另一個大致在無源天線元件的中間(PIN二極管28)。該無源天線元件的下半部分被實現(xiàn)為具有中心導體(32)的共面波導。這不僅提供了用于對第二PIN二極管(28)進行偏壓的傳統(tǒng)方法，而且外部導體(24，26)提供屏蔽并減少RF能量到偏壓電路的耦合。位于天線元件的底部附近的第一開關被提供用于選擇性地將該天線元件耦合至地平面來抑制第一電流模式。沿著天線元件的第二開關選擇性地將該天線元件劃分成第一部分和第二部分，從而抑制更高階電流模式。
文檔編號H01Q19/22GK101641830SQ200880007852
公開日2010年2月3日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權日2007年3月30日
發(fā)明者尼爾·威廉姆斯, 邁克爾·菲利浦裴科斯, 迪恩·肯普 申請人:Iti蘇格蘭有限公司