阅读说明：本技术 槽线体积天线 (Slot line volume antenna ) 是由 J.T.阿波斯托罗斯 W.穆约斯 J.冯 于 2018-02-23 设计创作，主要内容包括：一种槽馈电体积天线结构,所述槽馈电体积天线结构通过馈电点的选择性连接而在三个轴中激活天线波束。(slot fed volumetric antenna structure that activates an antenna beam in three axes through selective connection of feed points.)

槽线体积天线

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年2月24日提交的标题为“Slot Line ORIAN Antenna”、序列号为62/463，086的共同待决美国临时专利申请的优先权，并且还涉及2016年11月29日提交的标题为“Super Directive Array of Volumetric Antenna Elements for Wireless DeviceApplications”、序列号为15/362，988的共同待决美国专利申请。特此将这些申请中的每一个的全部内容通过引用并入。

背景技术

技术领域

本申请涉及无线通信，并且特别涉及具有可控波束方向的体积天线元件。

背景信息

无线设备设计中的一个重要考虑因素是天线。操作频率、带宽、大小约束和受周围环境扰动的可能性经常决定天线配置。诸如蜂窝电话的手持无线设备通常使用单极天线。然而，单极天线的增益通过附近人类用户的接近而显著降低。定向天线或波束天线在一个或多个指定方向上辐射或接收更大的功率。定向天线因此允许增大的性能以及来自不需要的源的减小的干扰。

实现定向天线的一个方式是利用相控阵。相控阵包括多个具有审慎相位关系的几何布置的辐射元件。应用于不同元件的相移是变化的，以便在不使用移动部件的情况下操纵波束的定向模式。所谓的智能天线是相控阵的另一个应用，其中数字信号处理器可以动态（on the fly）计算相移。

诸如美国联邦通信委员会（FCC）之类的政府监管机构指定了针对从无线设备放射的辐射的最大特定吸收率（SAR）。这样的规章以及对集中射频放射所导致的潜在不利健康影响的普遍担忧已限制了定向天线的广泛采用。智能电话、平板设备和类似的无线设备当然必须符合既定的射频放射限制。

物联网（IoT）设备中的最新发展预示着一个未来，其中数十亿对象经由无线网络而具有对因特网的访问。对于使得物理设备，车辆，建筑物以及具有嵌入式电子器件、软件、传感器和致动器的其他项目网络互联的不断推进将使得许多不同类型的对象能够收集和交换数据。该趋势将越来越多地要求无线设备选择性地通信，以避免不必要的干扰并且减少对有限可用无线频谱使用的竞争。

如上面引用的标题为“Super Directive Array of Volumetric AntennaElements for Wireless Device Applications”、序列号为15/362，988的共同待决专利申请中描述的某些类型的定向天线一般被配置成由四个贴片元件形成的一对交叉偶极子。这样的天线元件可以被折叠起来，并且因此特别好地适合于沿着诸如蜂窝电话、平板设备和膝上型计算机之类的无线设备的边缘安装。

发明内容

本文描述的体积天线元件可以被配置成沿着一个或多个轴并且在多个极化上提供定向辐射。

更特别地，体积元件可以各自限定三维空间。在一个设计中，体积元件包括由导电材料贴片组成的平面矩形辐射器。两个导电材料贴片可以沿着第一（或“顶”）平面放置。其他贴片被放置在定位在第一平面的任一侧的两个相邻垂直（或“侧”）平面中，通过间隙或槽与顶贴片间隔开。因此，贴片一般在横截面中形成限定体积的“u”形。跨顶贴片的一端放置电感器，并且跨相对端放置短截线。

在一些实现方式中，四个导电贴片可以放置在顶平面中，所述贴片中的每一个通过槽而与其他贴片分离。

馈电点至顶平面元件和侧平面元件的选择性连接激活了沿着三个轴之一的辐射波束。

在其他方面中，多个这样的体积天线元件可以被布置成作为被驱动元件或寄生元件连接。在一个这样的实现方式中，三个体积元件被设置在外壳的每一侧上，中心元件是被驱动元件，并且寄生元件被放置在中心被驱动元件的任一侧上。在该实现方式中，寄生元件可以诸如通过将其相应的谐振频率调谐得低于或高于中心被驱动元件而可控制为反射或定向的。选择性地驱动寄生元件还可以提供多输入/多输出（MIMO）操作。

在一些布置中，所述元件可以各自是一对交叉偶极子，或者甚至是两对或更多对交叉偶极子。在这些实现方式中，交叉偶极子可以被耦合到可以选择性地提供不同极化的组合电路。可以由可选馈电网络来提供圆、水平和/或垂直极化。

在一个实施例中，体积天线元件被设置在无线设备内。无线设备可以包括具有正面、背面以及四个侧部或边缘的矩形外壳。该设备可以具有常见的“条形”形状因数，诸如Apple^TM iPhone^TM 或Android^TM智能电话。沿着外壳的一侧放置体积天线元件中的一个或多个。在该配置中，体积元件限定如下体积：该体积不仅涵盖沿着外壳边缘的空间，而且还涵盖到达设备主体中的空间。

附图说明

以下描述参照附图，其中：

图1图示了基本槽线元件；

图2示出了可以如何选择不同的馈电配置来沿着不同的轴生成场；

图3是三元件端射阵列；

图4是三元件阵列的模型的等距视图；

图5是模型的更详细视图；

图6A和6B是方位角和仰角模式；

图7图示了预期的SAR性能；以及

图8A和8B图示了具有一对馈电点的可选极化。

具体实施方式

在图1A的右上角示出了槽线天线元件100的一个示例实现方式。设置在第一平面中的一对导电材料贴片110-1、110-2通过槽被间隔开。每个贴片以L形被折叠起来，使得其他导电区段120-1、120-2定位在另一优选为垂直或正交的平面中。贴片110-1、120-1与贴片110-2、120-2成镜像。贴片可以是r，通常是为了与设备外壳的边缘相一致，如在图的中间中所示的那样。第一馈电点A被提供在一个贴片110-1的一端处，并且第二馈电点B被提供在另一个贴片110-2上。长度L通常是0.2波长，而高度H和宽度W在0.1波长范围中。

体积槽线元件100可以在与A、B馈电点相对的端上包括发夹短截线130，该发夹短截线130将有效长度延伸到1/4波长。跨馈电点放置的电感器140有助于使元件100谐振并匹配阻抗诸如至50 欧姆。

取决于馈电点的位置，槽线元件100能够作为偶极子操作，以展现沿着x、y或z轴的方向性。在馈电点A和B如图1A中所示定位在顶贴片110-1、110-2上的情况下，“端射”波束沿着z轴定向（即，电场（E场）沿着z轴），如图1B中所示。

如下面更详细地描述的，诸如圆、垂直或水平的任意类型的极化都是可能的。

图2示出了在针对体积天线元件200的稍微不同的配置的情况下，可以如何沿着x、y或z轴生成辐射波束。这里，有两个贴片210-1、210-2布置在顶平面中，并且两个附加的贴片230-1、230-2也在顶平面中，从而顶平面中总共四个贴片。侧贴片220-1、220-2沿着如图1A配置中的正交侧平面放置。该配置在六个导电贴片之间实现槽（由粗的深色线标识）。如所示出的，在贴片210-2和230-2上提供了附加的馈电点对C、D，并且在贴片210-2、230-2上提供了附加的馈电点对E、F。PIN二极管或类似的短路控制电路跨槽耦合，以选择馈电点A、B、C、D或E、F作为活动馈电点。

如图2中左侧的表格所指示，对馈电点A、B的选择生成沿z轴的电场的场，对馈电点C、D的选择生成沿x轴的场，并且对馈电点E、F的选择生成沿y轴的场。

槽线体积元件100或200唯一地适于被布置成阵列以创建行波结构。每个元件是辐射槽线，这准许每个元件充当用于序列中下一个元件的馈线。该特性消除了对于通常与行波天线相关联的单独传输线的需要。

在图3中示出了一个这样的阵列——用于WiFi应用的在2.45 GHz处工作的三元件单向端射阵列。图3是示出仅被设置在顶平面中的贴片310-1、310-2、410-1、410-2、510-1、510-2的俯视图；未示出每个元件的对应侧贴片。一对交叉连接320被提供在贴片310-1、410-2的相邻端之间以及在贴片310-2、410-1之间。对应的一对交叉连接330被提供在贴片310-1、510-2和贴片310-2、510-1的相邻端之间。结果以相对延迟来激发贴片元件上的电流，该相对延迟取决于贴片元件沿着阵列的长度维度距馈电点的相对距离。来自每个元件的所得场（该所得场当从A、B点馈电时在指示的方向上被生成）相干地组合，以在指示的方向上（即，朝向图3中的左侧）创建主天线波束350。以1.25英寸的指示元件间隔所构造的原型展现了325 MHz的带宽，并且在自由空间中是4 dBi的测量增益，当安装在平板计算机外壳的侧部上时，该测量增益预期是大约3.2 dBi。

主波束350的方向由馈电点A、B的位置控制。例如，可以通过替代地使用定位在贴片310-1、310-2相对端上的馈电点A’、B’来生成相对方向上的端射波束（图3中朝向右侧，如虚线箭头360所指示的）。

虽然图3中示出了端射阵列，但是应当理解，垂射馈电布置也是可能的，所述垂射馈电布置沿着其他轴生成波束。如同在上面引用的序列号为15/362，988的美国专利申请中描述的体积元件一样，元件阵列可以围绕无线设备外壳的所有四个角放置，以提供不同方向上的波束。

也可以为水平、垂直和其他极化模式提供耦合到A、B、C、D或E、F馈电点的馈电网络。参见已发布的美国专利9,118,116和9,013,360中的组合网络。下面详细描述了提供极化模式的另一个方案。

虽然所描绘的布置使用以横截面U形布置的两个贴片，但是应当理解，诸如L形之类的其他形状也是有效的。

还可能的是，在交叉/馈电点处***延迟元件、曲折线或其他结构，以进一步辅助在较低频率范围处进行谐振调谐。

我们已经发现，该布置对诸如用户的手之类的附近电介质结构的存在相对不敏感。这是因为被驱动的A、B贴片相反地退出（180度异相）。

创建了三元件阵列的高频电磁场仿真（HFSS）模型。图4是模型的等距视图，而图5是馈电端的特写视图，其示出了馈电点510、电感器520（这里设置为2nH）和发夹连接530。贴片540和发夹530被建模为铜导电材料；将贴片放置在由10密耳厚度的RO3003形成的电介质衬底之上。（交叉点已被建模但是未在这些图中被示出）。

图6A和6B中分别示出了针对在2.45 GHz处的操作的所得仰角和方位角模式绘图。示出了方向性和增益绘图；通过仿真预测5 dBi的峰值增益。

还预期该设计将满足由美国联邦通信委员会（FCC）和其他机构颁布的针对移动设备的特定吸收率（SAR）放射要求。图7是由该模式预测的预期SAR放射的绘图（以瓦特/千克为单位）；放射是在距人的头部2mm的距离处确定的。

（以下对极化的讨论摘自“JUICY FRUIT”专利申请。这是最相关的方式吗

）。

线阵列还可以提供不同的极化，诸如圆（右手或左手）、垂直、水平或这样的极化中的一些或全部的组合。图8A和8B图示了可以如何实现不同的组合网络来提供这些不同的极化模式。这里所示的两个交叉偶极子贴片602-A、602-B和602-C、602-D对应于图3中所示的贴片310-1、410-2和410-1、310-2。开关802-A和802-B提供选择性地控制第一偶极子（由贴片602-A、602-B形成）的能力。这些开关将馈电点连接到相邻贴片上的不同位置。例如，开关802-A准许将用于贴片604-A的馈电连接到相邻贴片602-C上的三个不同位置（其包括位置808-2、809-2和810-2）以及贴片602-D上的第四位置808-1中的一个。类似地，开关802-B选择性地将贴片602-B上的馈电点连接到贴片602-D上的三个位置808-1、809-1和810-1之一或连接到贴片602-C上的点808-2。点809-1和809-2通过90°移相器连接到其相应的贴片。点810-1和810-2通过-90°移相器连接到相应的贴片。

图8B的表格示出了用于每个开关802-A、802-B的四个不同的可选位置以及在E平面和H平面中的所得极化。例如，将开关802-A放置在位置2中（将其连接到点808-2）并将开关802-B连接到位置1（连接到点808-1）提供了在E平面中的水平极化以及在H平面中的垂直极化。在开关802-A处于位置808-1中并且开关802-B处于位置808-2中的情况下，提供相反的水平和垂直极化。为90°移相器或-90°移相器选择的开关位置分别提供右手圆极化或左手圆极化。

因此，图8A和8B图示了导电贴片可以如何提供不同的极化。相邻寄生元件（没有连接到馈电点A、B的那些）类似地由数字控制器850控制（其中应理解馈电点A和B没有连接到驱动电路）。

也可以为其他C、D和E、F活动馈电配置提供类似的操作，以提供用于在其他两个轴中操作的极化。

控制器850可以包括数字逻辑电路、门阵列、可编程微处理器、数字信号处理器或控制开关802状态的其他电路。在某些实施例中，垂直、水平或圆极化状态的选择可以取决于检测到的操作环境。在一个示例中，控制器850可以在初始模式中尝试各种可能的极化。然后，由控制器850选择具有最高接收功率的极化模式用于后续操作。在其他实施例中，当其他传感器指示设备在运动中时，可以选择圆极化。这样的输入可以来自加速度计、GPS或向控制器850提供输入的其他传感器。在另一个模式中，不同方向的扫描可以用来指示设备处于多径环境中。例如，如果从两个或更多个方向接收到强信号，则该设备可以如同其在城市环境中那样***作。在该情况下，控制器可以启用垂直极化模式。然而，如果没有检测到多径，则可以启用水平极化。