超宽带天线或天线构件 【技术领域】
本发明涉及超宽带单级天线或在垂直于天线的中央对称轴的平面上具有全向辐射的天线元件。
本发明尤其适用于超宽带无线电领域。
背景技术
移动无线电应用的发展和新的电信标准的发展需要越来越高的数据传输速度。
目前，追求高速的基于3.1GHz～10.6GHz频段之间的超宽带技术目标应用是一个不错的选择。
在围绕超宽带技术的电信装置的发展架构中，专用天线已经被开发出来。
除了这些天线必须是超宽带的这一事实以外，它们还必须具有提供大覆盖范围、高性能的全向辐射，也就是，除其它性能以外，要保持它们工作性能的稳定性(方向性、增益、等等)。
在特定的平面中的超宽带单级天线是已知的。
尽管这些天线可以覆盖较宽的频段，但是它们的全向特性会随着频率的增强而衰减，这样在获取越来越高的速度方面，它们的应用受到了限制。
为了增强超宽带天线的全向特性，最近已经开发出一些新的结构。
尽管它们有着高性能，但是这些天线实施起来仍然复杂和昂贵，而且还经常不能满足全向辐射所要达到的强制要求。
【发明内容】
本发明旨在提供一种制造简单并且成本不高的超宽带单级天线或具有全向辐射的天线元件结构。
为此，本发明提供了一种全向超宽带天线，其包括至少两个金属构件，它们相对于地平面布置，并且分布在位于天线中心的垂直于所述地平面的对称轴周围。
本发明所述天线的特征在于，所述金属构件中的每一个在其底部均有窄的接近于点状的几何形状，该几何形状沿着所述金属构件的对称轴向金属构件上端方向张开，并且所述金属构件的指向是按照从金属构件的公共点(18)延伸出并背向于地平面的方向。
本发明还涉及包括至少一个所述超宽带单极天线的电信装置。
本发明还旨在提供一种包括至少两个金属构件的全向超宽带单级天线的制造方法，其中，所述金属构件是在一块相同的金属板上切取的一片。
【附图说明】
结合相关附图，并根据本发明随后的简单例示和非限制性描述，本发明的其它特征和优点也将显而易见。
图1为一种三臂分支天线的结构示意图。
图2为一种三臂分支天线元件的示意图。
图3为示例性的一个分支的示意图，该分支具有非直线的纵向和横向剖面。
图4为示例性的多种天线分支的型式示意图。
图5为示例性的多种天线分支的纵向剖面的示意图。
图6为示例性的多种天线分支的横向剖面的示意图。
图7为图1所示的三臂分支天线的一实施例的示意图。
图8为一种四臂分支天线的尺寸图。
图9为图8所示的四臂分支天线的适应响应示意图。
图10为图8所示的四臂分支天线地方位面的八个方向上的传输响应示意图。
对一个或多个实施方式及其应用的描述
结构
图1示例性的揭示一种全向超宽带单级天线，它包括三个金属构件14，15和16，在接下来的描述中我们将称其为分支。
总的来说，本发明所述的天线，包括n个分支，这里的n指的是大于或者等于2。
所述天线的分支被规则地分布在天线中心的对称轴AA’周围。需要注意的是，所述分支构成了一个单级。
所述分支相对于地平面11布置。天线的对称轴AA’垂直于地平面11。
依照一个具体型式，所述天线的分支的指向背向于地平面11的位置方向。
更一般地说，如图2所示，所述天线的分支的指向是按照从所述金属构件和平面P的公共点17延伸出并背向于平面P的方向，后者垂直于天线的对称轴AA’。
所述分支通过与点17相连的同轴探针12馈电，其中点17为处在所有分支底部的所有分支的公共点。探针12的外导体13与地平面11连接。
所述分支有着相同的几何形状和剖面并且有对称轴BB’。
所述分支还有一个特性，即，它们底部，也就是与发射探针12相连的下端，具有非常窄的接近于点状的几何形状；在它们上端则呈更大的张开的几何形状。
由于它们具有曲率，使得所述分支还具有3维的轮廓。
它们，一方面，沿着它们的纵向轴BB’，同时，另一方面，沿着相对于轴BB’的横向方向，都具有一定的曲率。
在图1的示例中，所述天线的分支14，15和16对应于三角形的几何型式，在背向地平面的方向(或者更一般地说背向平面P的方向)上具有纵向的弯曲剖面。
所述天线提供了多种可能性用于定义其结构。
特定可能性就是可以选择天线分支数目、它们的占空比、它们的特定的几何形状和剖面(纵向的和横向的)、它们的物理尺寸、以及在天线对称轴AA’周围的分支的分布。
图3揭示了一种指向背对平面P的方向的分支。在图中，所述分支有着呈非直线的纵向剖面42和呈非直线型的横向剖面41；当然，这些剖面也可以呈直线型。
分支的纵向剖面指的是沿着包含轴BB’和AA’的平面剖切的分支的截面；分支的横向剖面指的是沿垂直于轴AA’的平面剖切的分支截面。
图4以非限制性的方式示例性地揭示了分支可以被赋予的多种可能的型式(或表面)。
分支的几何形状相对于对称轴BB’是张开的。
在图4a中，分支具有一种等腰三角形的形状。该三角形也可以是等边的。在图4a的情况下，分支在三角形的底边方向上张开。三角形的高是分支的对称轴BB’。
在图4b中，分支具有相对于分支的对称轴BB’内凹的边的型式。
在图4c和图4d中，分支具有相对于分支的对称轴BB’外凸的边的型式。
在图4e中，分支具有相对于分支的对称轴BB’呈波浪状的边的型式。
在图4所述的分支型式中，需要注意的是，其上端相对于下端可以是呈笔直的，或外凸的或内凹的。
这里再次说明，所述分支的下端是接近于点状的部分，所述分支上端则是一个张开的部分。
一旦分支的型式被选定，它们将被构型出来并使它们位于背向地平面11的方向上，或者更一般地说位于背向垂直于天线对称轴AA’的平面P的方向上，该天线对称轴AA’穿过所有分支的公共点。
图5以非限制性的方式示例性地揭示了分支可以被赋予的有关纵向剖面42的多种可能性。
图5a所示的剖面42是呈直线、笔直型的。
剖面42可以是呈内凹的(参见图5b)；该凹度明显的可以或大或小。剖面42也可以是呈外凸的(参见图5c)或者是呈波浪状的(参见图5d或5e)。
这些剖面有着弯曲的外部特性从而可以促进所述天线分支在背向地平面11所处的位置方向定位向上指向，地平面11所处的位置是它们将被相对布置的位置。
图6为示例性的多种横向剖面41的示意图。它们是从上方看到的剖面。
图6a所示的剖面是呈笔直的。剖面41可以是呈内凹的(参见图6b或图6c)；该凹度明显的可以或大或小。剖面41也可以是呈外凸的(参见图6e)或者是呈波浪状的(参见图6d)。
通过对分支数目、它们的占空比、它们的物理尺寸、以及它们在天线对称轴AA’周围的空间分布的选择，可以优化最小工作频率、带宽、自适应程度和天线的外部辐射模式，以及超过整个频段的范围时这种模式的稳定性和相关工作性能(方向性、增益、等等)。
通过应用本发明所述的天线，就可以获得尽可能宽的带宽。
所述宽带特性必须与全向辐射联系在一起，在这种情况下，在垂直于天线对称轴AA’的平面上，没有与频率相关的辐射特性的杂散。
分支在物理上的长度取决于天线的最小工作频率。
带宽取决于分支的给定几何形状和剖面。
自适应程度也与天线分支的几何形状和剖面标准相关。
所述分支在底部还设有一个非常窄的接近于点状的几何形状，并且在它们的末端张开，这些有助于促进本发明所述的天线自适应。
此外，这种特定的几何形状也可以增强所述天线的超宽带特性。
辐射的样式尤其与天线的对称性联系在一起，其中天线的对称性与各臂分支在对称轴AA’周围的分布有关。
需要注意的是，分支的数目越多，天线的辐射的全向特性越显著。
事实上，当增加分支的数目时，天线的结构可以做到更加的对称。
此外，发射探针12的直径和长度可以构成附加的调节装置，从而可以特别用于优化天线的自适应程度。
分支相对于地平面的布置这种特性(例如占空比、尺寸)也有助于优化天线的工作性能。
制造方法
为了有助于减少最终天线的成本，制造所述天线的方法必须简单。
一种简单经济的方案是，可以采用一块金属板(例如铜板)并在其上切割出这些天线分支。
这种天线制造方法的经济性，其部分原因是由于天线分支是在同一块金属板上共同切割出来而获得的。
图7为在金属板51上天线的三臂分支被切割成一件52的示意图。
天线三臂分支中的每一臂分支均有一个对称轴BB’。
需要注意的是，发射探针所处的位置17位于所有分支的公共点。
使用的金属板51的厚度非常小，例如最多大约几百微米。
一旦天线的分支被这样切取获得，为了使它们达到想要的曲率从而可以使它们指向背对地平面11的方向，其中分支是相对于地平面11而布置的，于是必须对分支进行成型。对天线分支赋予的各种剖面已经进行过论述(特别参见图5和图6)。
紧接着，利用焊点或通过粘接，将其与发射探针12相连，为了允许发射探针12通过，其外导体13先行贯穿，并地平面11连接。
地平面11例如可以圆形或正方形的形状呈现。它也可以在一块金属板上切取获得。地平面11可以是与所述天线成为一体的电信箱体的外壳。
事实上，分支在其下端具有接近于点状的几何形状，由此易于与发射探针连接，有助于天线生产的简易性。
如以上已经提到的那样，具体如几何形状、剖面、分支的尺寸这样的形式有助于为调节天线的参数提供多种自由度。
原型
为了证实所述的天线结构有效，与不同n值关联的多个原型被实现出来并经过适应测试。
所要达到的全向辐射也被验证及证实。
作为一个示例，特别提出一种四臂分支天线。
这种原型的分支61是三角形的，安装在具有正方形的几何形状的地平面11上方。所述四臂分支共同被同轴探针12激发。
如图8所示，所述分支的每一臂分支具有高为24mm、其上缘宽为15mm的等腰三角形形状；在三角形的低点处这些分支的剖面被弯曲。
在地平面上方安装单极天线后，天线的实际高度为20mm。在这种情况下，所述天线占用的总的体积(不包括地平面)因而是24×24×20mm3。
地平面11是尺寸为60×60mm2的正方形的平面。
所述天线的馈电是通过标准的“50欧姆”的同轴接头来实现的，位于所述接头中央的发射探针12的直径为1.28mm、高度为1mm。
图9为本发明所述的天线的适应响应示意图，反射系数模Su作为以GHz为单位表述的频率的函数。所述天线在非常优异的自适应下工作；在最少从3GHz到26GHz的这么宽的频带上，反射系数模Su在-10dB附近或更小。
这些也揭示了本发明所述的天线的超宽带特性。
所述天线也通过辐射连接的建立在所述两个相隔30cm的相同天线之间进行传输测试。
图10为沿着规则分布在方位面(垂直于天线的对称轴AA’)的八个方向上的传输测量结果的示意图；反射系数模作为以GHz为单位表述的频率的函数。
对于各个方向的测试，所述传输响应在最少从3GHz到26GHz这么宽的频带上都是相同的。
这些传输响应事实上都揭示了在所述方位面上，所述辐射是全向的。
因此，所述天线具有一个较小的体积，允许其集成到与超宽带技术相关的无线电信操作装置中。
此外，分支的各种特性(几何形状、尺寸、剖面)使其可以根据对天线的各种可能的调节而具有多种可能性，其中所述对天线的各种可能的调节有助于其集成到电信装置中的灵活性。