CN100358183C - 多频段平面天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多频段平面天线，它包括尺寸为R1的第一隙缝，工作于第一频率f1，并由定位在Im1的馈线(12)馈电，使隙缝处在馈线的短路平面内，并且至少有尺寸为R2的第二隙缝(11)，工作于第二频率f2，第二隙缝由馈线Im2馈线。

Description

多频段平面天线

技术领域

本发明涉及宽频段和/或多频段平面天线，特别是适合于移动或家用无线网络的天线。

背景技术

在移动或家用无线网络配置的结构内，天线设计遇到了特别的难题，它是由于配给这些网络的各种频率而引起。特别是如下表不完全的统计所示，无线技术很多，它们所用的频率更多。

技术	应用	频段(GHz)
			GSM	移动电话	0.9
DCS 1800	移动电话	1.8
			UMTS	通用移动系统	1.9-2.0-2.1
DECT-PHS	家用网络	1.8
			Bluetooth	家用网络	2.4-2.48
Home RF	家用网络	2.4 ISM
			Europe BRAN/HYPERLAN2	家用网络	(5.15-5.35)(5.47-5.725)
US-IEEE 802.11	家用网络	2.4
			US-IEEE 802.11a	家用网络	(5.15-5.35)(5.725-5.825)

因此，最近20年安装了使用各种频段的移动电话系统，它既与操作者有关，也与所使用的国家有关。特别是最近，对于某种技术，出现了用同样衍生的技术规范和洲与洲各不相同的频率的无线家用网络的发展。

从用户的观点，多种频段由于对每一网络需要使用不同的连接设备而造成获得它们服务的障碍。这就是为什么制造厂商致力于使其设备与几种技术或标准兼容来减少设备主机的原因。于是，在几年前，我们看到双频电话的出现，它既可与900MHz的GSM相连，也能与1.8GHz的DCS相连。此外，无线家用网络领域内标准的多样性导致频段的划分，它们或者相距很远，或者相邻，依所用的标准而定。

未来，一方面由于数字比特率激增要求更宽的频谱，另一方面频点缺少，它就需要设备能工作于几个频段和/或宽频段。

此外，当人们在室外时，作为移动电话，回家后作为一项家用设备形成家用网络的部分，开发便携式设备是有用的，即蜂窝网络/家用网络兼容设备。

于是，需要开发能工作于几个频段以实现这种兼容并比较紧凑的天线。

目前已知的平面天线，如图1所示，它由工作于给定频率f的环状隙缝1组成，该隙缝1由微带线2馈电。

根据模拟和试验，很明显，如果微带线/辐射隙缝的过渡制成隙缝在微带线的短路平面内，也就是说在电流最大的区域内，那么环状隙缝将在所有频率奇数倍的频率谐振，与贴片型天线的线馈结构不同，后者的谐振出现在基频的偶数倍。这种工作状态证明下面的设计原则是正确的，它用来设计图1所示的天线。

在这种情况下，

λ_s＝2ПR

Im＝λ_m/4

Zant≈300Ω

其中，λ_s和λ_m为隙缝中和微带线中的波长，Zant是天线的输入阻抗。此外，I’m代表微带线得到与50欧姆匹配所需的长度，W_s和W_m分别为隙缝和微带线的宽度。

于是，图1型天线制在《CHUKOH FLU》基底上，(εr＝2.6，tgδ＝0.002，h＝0.8毫米，铜箔厚度＝15微米，R＝7毫米，W_s＝0.25毫米，Im＝9.26毫米，工作于5.8GHz的基频的情况下，观测到图2所示的频率工作特性，在5.8GHz观测到谐振，接着在17GHz观测到第二谐振，即在3f处，反射系数在11GHz区间内保持平坦。

发明内容

基于上面所述的特性，本发明提供一种新型宽频带和/或多频段平面天线的简单紧凑的结构。

一种多波段平面天线，包括：在基片上的相对于一点的环状或对称的第一隙缝，第一隙缝的圆周的尺寸是R1，工作在第一频率f1，其特征在于还包括相对于一点的环状或对称的至少一个第二隙缝，第二隙缝的圆周的尺寸是R2，工作在第二频率f2，第二隙缝与第一隙缝部分重叠，第一和第二隙缝由公共馈线馈电，所述公共馈线跨过馈线的短路平面内的每个隙缝。

根据本发明允许多频段工作的特征，第二隙缝位于馈线的短路面内。

更可取的是，该天线包含N个隙缝，每一隙缝的尺寸使其工作于频率f_i，i从1至N，每一隙缝由馈线馈电，使其都在馈线的短路面内。

根据本发明允许宽频带工作的另一个特点，两个隙缝在某点余切，馈线或者与这一点在同一线，或者在这一点的对面，这两个隙缝同心点的一边。

按照一个实施例，每一隙缝的长度这样选择，使隙缝在频率f_i谐振。每一隙缝可以是相同或不同的形状，与其一点对称。更可取的是，每一隙缝为圆形或方形。隙缝上配置辐射圆极化波的装置，所述装置包括凹槽。在这种情况下，依据馈线的位置，将产生左旋或右旋圆极化波。

附图说明

本发明的其它特点和优点，在阅读了各种实施例的说明之后变得明显，这些说明以附图的参考给出，其中：

图1已经说明代表已知环状隙缝天线的俯视图。

图2表示在图1的天线的情况下，反射系数与频率的函数关系。

图3是本发明的双频平面天线的俯视图。

图4表示在图3天线的情况下，作为频率的函数的反射系数。

图5是本发明的三个频率平面天线的俯视图。

图6a至6c是本发明的另一实施例的宽频段平面天线的俯视图。

图7表示图1，3，5和6的天线的各种带宽曲线。

图8a，8b和8c表示可用于本发明的天线的各种隙缝形状。

具体实施方式

为了在图中描述的简单起见，同样的单元用同样的标记。

如图3所示，根据本发明的双频天线包括第一环状隙缝10，选择半径R1，使其工作于第一基频f1。因此，半径R1等于λ_S1/2π，其中λ_S1是隙缝10中的波长。隙缝10的宽度W_S1。该天线还包括第二环状隙缝11，选择半径R2，使其工作于第二基频f2，半径R2等于λ_S2/2π。在本实施例中，选择f2接近于2f1，但是其它比例也是可以设想的。

根据本发明，两个环形隙缝10和11由单个微带线12馈电。这一微带线这样放置，使这两隙缝位于该馈线的短路平面内。因此，馈线12越过隙缝11的长度Im2等于k(λm22/4)，越过隙缝10的长度Im1等于k(3λm2/4)＝k(λm1/4)，其中λm2是频率为f2的微带线中的波长，λm1是频率为f1的波长，k为奇整数。此外，长度I’m代表需要与50欧姆阻抗Zant匹配的微带线长度，Zant约为300欧姆，线宽Wm。通常，该线长度使在短路面内的隙缝等于kλm/4，λm是由隙缝确定的工作频率下微带线中的波长。

图4所示是一种结构的反射系数，例如图3中的结构，具有如下参数：

R1＝16.4毫米，  W_S1＝0.4毫米，  Im1＝20毫米，  f1＝2.4GHz

R2＝7.4毫米，   W_S2＝0.4毫米，  Im2＝9.25毫米，f2＝5.2GHz

在这种情况下，微带线的宽度Wm＝0.3毫米，长度I’m＝20毫米。这一组件已制于基底R4003上(εr＝3.38，h＝0.81毫米)。

上述结构模拟的结果示于图4中，注意新结构在2.4GHz很好匹配(S11＝-22dB)和在5.2GHz(S11＝-12dB)S11完全校正的双频工作。

此外，用上述结构，观测到在2.4GHz的辐射与单独隙缝的辐射相似且完全对称。在5.2GHz，辐射稍有一点不对称，但非常有限。

图5所示是工作于三个波段模式的实施例。在这种情况下，三个环状隙缝21，22，23工作于基频f1，f2，f3，它们都由同一条微带线20馈电。这些隙缝用上面给出的设计原侧制造，于是，每一环状隙缝的半径为Ri(i＝1，2，3)＝λ_Si/2π，其中λ_Si是每一隙缝的波长。同样，短路面定位于1m3＝k(λ3/4)，Im2＝k(λ1/4)，其中λ1，λ2，λ3分别为微带线中频率为f1，f2，f3时的波长，k为奇整数。长度I’m用来与50欧姆匹配。

图6a，6b和6c所示是根据本发明的平面天线的其它实施例。在图6a和6b中，两个环状隙缝R’1和R’2归并于某一点。它们的尺寸设计成工作于相邻频率。这样，如图6a所示，该天线包括余切于A点的两个环状隙缝R’1和R’2。

在这一实施例中，两隙缝R’1和R’2由在点A边的一条公共线馈电。这两隙缝基本上在馈线的短路面内，且长度I’m和I’m’这样选择，使I’m等于Kλ’m/4，其中λ’m是微带线中的波长，k是奇整数，I’m’使与50欧姆匹配。

根据图6b的实施例，两环状隙缝在B点余切，由B点反面的馈线馈电。

在这种情况下，长度I”m2和I”m1这样选择，使隙缝R’1和R’2基本上在馈线的短路平面内。长度I”m’的选择，在其能产生与50欧姆的匹配。在图6c的情况下，两环状隙缝R’1和R’2是同心的，它们用微带技术由公共馈线馈电。此时，长度Im1和Im2这样选择，使R’1和R’2位于接近馈线的短路面，I’m使与50欧姆匹配。

上述各种结构的研究是借助于IE3D的模拟软件来做的。在所有情况下，假定地平面和基底的尺寸为无穷大。各种试验结构的几何特性列于下表。注意，多隙缝结构的使用伴有带宽的明显增加，实际上，后者从单隙缝的380MHz增加到对同心、嵌套的双隙缝的470MHz和450MHz。

天线类型	隙缝尺寸(mm)	微带线特征(mm)	频率(GHz)	带宽-dB(mhZ)
					单隙缝	R＝6.5	Im＝8.25	5.88	380(6.55％)
2个同心隙缝	R’1＝7.1R’2＝6.5	Im＝9.1-Im2＝8.25-I’m＝8.8	5.84	470(8％)
					3个同心隙缝	R1＝7.1R2＝6.5R3＝7.7	I’m1＝9.15-I’m2＝8.25I’m3＝9.75I”m＝8.8	5.8	550(9.8％)
馈线相对边的二个嵌套隙缝	R’1＝7.1R’2＝6.5	I”m1＝9.15-I”m2＝7.95-I”m’＝8.25	5.72	450(7.8％)
					3个嵌套隙缝	R1＝7.1R2＝6.5R3＝7.7	I”m1＝9.15-I”m2＝7.95I”m3＝10.34I”m’＝8.25	5.59	500(8.9％)

表2：天线的几何和电磁特性

增加第三隙缝能进一步增加带宽，与单隙缝的6.55％带宽相比，可获得9％的带宽。在所有情况下，最大带宽是用同心隙缝结构获得的。但是，这种结构引起低于结构工作频率1GHz的寄生振荡(见图7)。嵌套隙结构就不是这种情况，于是，根据应用对频谱的限制，嵌套隙缝结构优于同心隙缝。从辐射的观点看，各种结构保持了通常单个环状隙缝具有的方向图和效率。

这样，多隙缝结构的宽频带特性已在上述新型结构中得到验证，辐射并没有因这种布置而受到扰动。就波段而论最有效的结构相应于同心隙缝结构，但这一结构产生寄性振荡频率。嵌套多隙缝结构不是这种情况，虽然它的带宽不如同心隙缝结构那么宽，相对于单个隙缝，它仍然能获得明显的频宽增加。

隙缝的各种实例将参考图8a，8b，8c进行说明。在图8a中，隙缝为方形隙缝30，由线31馈电。在图8b中，隙缝1是圆形，它由线2馈电，并辐射线极化波。在图8c中，圆形隙缝1’配有凹槽1”，它由线2馈线。在这种情况下，隙缝辐射圆极化，依据馈线的配置，它可以是左旋或右旋。业内人士熟知，与隙缝的形状无关，它必须符合前面给出的设计原则。一般，隙缝相对于某一点对称，且其长度能使其在所选的基频辐射。

本发明已用微带技术制成的馈线作了描述，但馈线也可由同面技术制成。

Claims (5)

1.一种多波段平面天线，包括：在基片上的相对于一点的环状或对称的第一隙缝，第一隙缝的圆周的尺寸是R1，工作在第一频率f1，其特征在于还包括相对于一点的环状或对称的至少一个第二隙缝，第二隙缝的圆周的尺寸是R2，工作在第二频率f2，第二隙缝与第一隙缝部分重叠，第一和第二隙缝由公共馈线馈电，所述公共馈线跨过馈线的短路平面内的每个隙缝。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：包含N个相对于一点的环状或对称的部分重叠的隙缝(21，22，23)，其中N＞2，每一隙缝的尺寸使其工作于频率f_i，i从1至N变化，每一隙缝由公共馈线(20)馈电，所述公共馈线跨过馈线的短路平面内的每个隙缝。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：至少第一和第二隙缝(R’1，R’2)在某一点余切，馈线在该点或在完全相反的点与隙缝交叉。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：隙缝配以凹槽(1”)，使其能辐射圆极化波。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：馈线是微带线或同面技术制造的线。

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