[发明专利]三维天线阵列和结构

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信系统，更具体地说，涉及一种用于上述系统的天线。

背景技术

众所周知的，通信系统支持无线和/或有线连接的通信设备间进行无线和有线连接通信。这些通信系统包括了从全国移动电话和/或国际移动电话到互联网到点对点家庭无线网络再到射频识别(RFID)系统。每种类型的通信系统都依据一个或多个通信标准构建继而运行。例如，射频(RF)无线通信系统运行中依据的标准包括RFID、IEEE 802.11、蓝牙，高级移动电话系统(AMPS)、数字AMPS、全球移动通讯系统(GSM)、码分多址(CDMA)、WCDMA、本地多点分配系统(LMDS)、多路多点分配系统(MMDS)、LTE、WiMAX和/或上述各种的变形，但并不仅限于此。在另一个范例中，红外(IR)通信系统在运行中依据的一个或多个标准包括IrDA(红外数据组织)，但并不仅限于此。

包括移动电话、双向无线通信、个人数字助理(PDA)、个人计算机(PC)、笔记本电脑、家庭娱乐装置、RFID阅读器、RFID标签等在内的无线通信设备根据RF无线通信系统的类型与其它通信设备直接地或间接地进行通信。直接通信(又称为点对点通信)中，参与的无线通信设备调谐其接收器和发射器到同一信道或相同的多个信道(例如，无线通信系统中多个射频(RF)载波的一个)，并在该/这些信道上通信。间接通信中，每个无线通信设备经由指定信道与相关基站(例如，移动电话服务)和/或相关接入点(例如，家庭网络或建筑内网络)直接通信。为完成无线通信设备间的无线通信连接，相关基站和/或相关接入点相互间进行通信，方式包括直接地、通过系统控制器、通过公共交换电话网络、通过互联网地和/或一些其它广域网。

参与无线通信的每个RF无线通信设备可以内置无线收发器(即接收器和发射器)，也可以连接相关无线收发器(例如，服务家庭和/或建筑内无线通信网络的基站、RF调制解调器等)。已熟知的是，接收器连接天线，并且包含低噪声放大器，一个或多个中频级、过滤级、和数据恢复级。低噪声放大器通过天线接收入站RF信号并放大。一个或多个中频级通过混合放大的RF信号和一个或多个本地振荡将放大的RF信号转换成基带信号或中频(IF)信号。过滤级从频带信号中滤去天线不需要的基带信号或IF信号后生成过滤信号。数据恢复级依据特定的无线通信标准从过滤信号恢复原始数据。

同样熟知的，发射器包含数据调制级、一个或多个中频级和功率放大器。数据调制级依据特定的无线通信标准将原始数据转换成基带信号。一个或多个中频级通过混合基带信号和一个或多个本地振荡生成RF信号。功率放大器在经天线发射前放大该RF信号。

由于无线通信的无线部分都是从天线开始和结束，所以正确设计的天线结构是无线通信设备的重要部件。已熟知的，天线结构设计有工作频率对应的所需阻抗(如50Ohms)、中心为所需工作频率的所需带宽、所需长度(例如，对单极天线取工作频率的四分之一波长)。进一步熟知的是，天线结构包括单极或双极天线、分集天线结构、相同极化、不同极化和/或任何数量的其它电磁性质。

RF接收器上的一种流行天线结构是三维室外螺旋天线，像拉伸的弹簧。室外螺旋天线提供磁性全方位单极天线。其它类型的三维天线包括长方形、角形等形状的孔径天线；三维双极天线的形状包括锥形、筒形、椭圆形等；反射天线包含平面反射器、角反射器或抛物线反射器。这些三维天线的问题是它们无法在基板中实质的二维空间内实施，例如集成电路(IC)和/或支撑IC的印刷电路板(PCB)。

已知的二维天线包含弯曲的图样或微带构造。为了有效天线操作，天线长度应在单极天线中取四分之一波长以及双极天线中取二分之一波长，波长λ＝c/f，其中c是光速，f是频率。例如，1/4波长的天线在900MHz时的总长度约为8.3厘米(即0.25*(3×10⁸m/s)/(900×10⁶c/s)＝0.25*33cm，其中m/s为米每秒，c/s 为周期每秒)。另一个范例中，1/4波长的天线在2400MHz时的总长度约为3.1厘米(即0.25*(3×108m/s)/(2.4×109c/s)＝0.25*12.5em)。