[发明专利]具有差分馈电的微型平衡天线

说明书

技术领域

[0001]本发明通常涉及天线系统，特别涉及具有差分馈电的平衡天线 系统。本发明还涉及宽带宽操作的卫星天线系统。

发明背景

[0002]现有技术系统，包括客户系统和商业系统，通常采用非平衡天 线来传输和接收射频(RF)信号。大多数非平衡天线具有不对称发射部分， 并由非平衡传输线(如同轴电缆或微带线)或源进行馈电。一个非平衡天 线的例子是普通单极天线(monopole antenna)系统，其有单个天线元件(一 个具有1/4自由空间波长长度的垂直直金属杆，)，被一个平直水平接 地平面镜像。现有技术系统为什么采用非平衡天线有几种理由。例如，大 多数商业可用测量设备被设计用来测量非平衡天线。而且，对一个具体设 计而言，一个非平衡天线尺寸小于相应的平衡天线。通常，差不多是一半。 例如，一个单极天线()是在相同频带上使用的偶极天线()的一半尺寸。再者，经过四五十年的非平衡天线工程和研究， 使得大多数设计者更加熟悉或了解非平衡系统。

[0003]许多当前的无线应用包括一个低噪声放大器(LNA)或功率放 大器(PA)，其与一个天线元件相连用于信号接收或传输。PAs/LNAs通常 有差分的、平衡的输出/输入端口。在信号接收路径里，为了将一个非平衡 天线元件连接到平衡的LNA输入，现有技术系统在它们之间包括一个平 衡不平衡转换器(balun)。在这种应用里，balun接收一个非平衡输入，并 将其转换成一个平衡输出，由此将天线元件匹配到LNA，但是会出现一些 损耗。在窄带应用里，损耗可能在一个可接受范围内。但是，适合用于宽 带应用的balun倾向于产生一些设备可能无法接受的损耗。而且，具有宽 带特征的balun通常很复杂，并且往往增加设计和制造成本。所以，非平 衡天线性能大受一个相连的接地平面的几何图形的影响，特别是对在 0.25-2范围的接地平面尺寸，因此要求尽力设计不仅要制作一个能够 容纳设备电路的接地平面，而且要制造一个具有期望RF性能的接地平面。

[0004]相比较而言，现有技术的平衡天线系统往往体积很大，所以通 常会限制在低损耗比空间更重要的应用里。而且，平衡天线系统经常采用 复杂的阻抗匹配电路，其设计费用高昂和/或很难设计。

发明概述

[0005]本发明的各种实施例包括使用平衡天线系统进行通信的系统 和方法。以下讨论描述了一个或多个例子。在一个实施例里，天线系统包 括两个金属部分，其被一个电容性间隙隔开，其中第一部分通过一对传输 线被连接到差分输入，被命名为“馈电元件”，第二部分通过间隙被馈电元 件电磁耦合，作为“寄生元件”。示范的天线系统，如馈电和寄生元件，是 不接地的，并提供宽频性能。而且，系统在几何图形上是对称的。来自差 分输入的RF能量激励并谐振馈电元件，随后是通过电磁耦合的寄生元件。 馈电和寄生元件相互作用并在各自具体频率上发生谐振，产生RF能量辐 射。

[0006]本实施例可以被设计用来在一个或多个频带上提供性能，包括 至少一个宽频，其由馈电和寄生元件的谐振频带重叠形成。所以，示范实 施例可以适用于宽频应用，包括诸如超宽频(UWB)设备。UWB根据地 理位置不同而不同，包括大部分频谱，例如在美国是从3.1GHz到10.6GHz， 而在香港是3.1GHz到4.7GHz。

[0007]在馈电元件和寄生元件之间是一个电介质间隙，其可以被设计 成用来提供整个天线系统的阻抗匹配，从而可以不需要一个复杂的阻抗匹 配网络。而且，本示范天线系统的平衡属性无需一个有损耗的balun，balun 在现有技术系统里会降低性能。

[0008]一些实施例使用一个平直的寄生元件，其靠近位于馈电元件， 通过使寄生元件的形状与馈电元件的形状一致，该实施例的面积可以变得 更小。在一个例子里，寄生元件“围绕”馈电元件，由此围住至少部分馈 电元件，并最小化天线系统的宽度。

[0009]在一个示范方法里，来自一对传输线的平衡信号，被发送到馈 电元件，使寄生元件和/或馈电元件在一个或多个频带上发生谐振。另外， 电介质间隙产生一些电抗(reactance)，以及适当的平衡馈电位置，提供天 线系统的阻抗匹配。