CN101114729A

CN101114729A - 平面天线

Info

Publication number: CN101114729A
Application number: CNA2007101397225A
Authority: CN
Inventors: 山雅城尚志; 马庭透; 安德雷·安德连科
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2008-01-30
Also published as: US20080158086A1; JP2008035219A; EP1885023A1; JP4863804B2; KR20080011060A; TW200812148A; US7501992B2

Abstract

本发明提供一种平面天线。该平面天线包括：将向其馈送电力的线性辐射天线元件(1)；和不向其馈送电力的多个线性寄生天线元件(2a、2b)。将所述寄生天线元件(2a、2b)设置在所述辐射天线元件(1)与所述寄生天线元件(2a、2b)在不直接接触的情况下相互交叉的位置处。所述寄生天线元件位于所述辐射天线元件(1)与所述寄生天线元件(2a、2b)相互交叉的方向上，并且将所述多个寄生天线元件(2a、2b)的作为与所述辐射天线元件(1)相交叉的部分的各交叉部分(12)弯曲成使得所述寄生天线元件(2a、2b)的交叉部分(12)与所述辐射天线元件(1)相平行。结果，可以按照简单的结构提供一种可以获得良好的圆偏振波的平面天线。此外，还可以使平面天线小型化。

Description

平面天线

技术领域

本发明涉及平面天线。具体地说，本发明涉及适合于用作形成在电介质基板上的天线以产生圆偏振波的技术。

背景技术

最近，诸如汽车之类的交通工具(可移动物体)通常配备有用于高频带GPS(全球定位系统)的天线和用于接收卫星数字广播的卫星无线电波的天线。此外，存在对用于在ETC(电子收费)系统(其自动收取高速公路和收费公路的费用)中收发无线电波和在VICS(交通工具信息通信系统)(其提供交通信息)中收发无线电信标的天线的需求。

在要由可移动物体收发的这种无线电波中，在GPS无线电波、用于进行卫星广播的卫星无线电波以及ETC无线电波中使用圆偏振波。针对圆偏振波的大部分现有的天线是贴片天线(平面天线)。

图10是示出现有平面天线的实施例结构的示意平面图，在以下专利文献1中公开了该平面天线。图10的用于接收右手圆偏振波的平面天线包括安装在未示出的电介质(透明膜)上的正方形环形天线[辐射(供电)元件]120和线性导电体[寄生(非供电)元件]140。将线性导电体140(其为未耦合到环形天线120的独立导体)弯曲成分成两部分：第一部分140A和第二部分140B。标号160和170表示用于向环形天线120提供电力的馈电端子，标号270表示将馈电端子160和170连接到环形天线120的连接导体；标号CP表示环形天线120的中心点。

如图10所示，将寄生元件140置于环形天线120的外部并布置成靠近环形天线120。更具体地说，将第一部分140A设置成平行于环形天线120的一侧；将第二部分140B设置成平行于连接馈电端子160与170之间的中点和环形天线120的与该中点相对的顶点的直线。

参照以下专利文献1的段落[0069]，以下将对寄生元件140进行描述。没有寄生元件140的环形天线120，具体地说是周长(天线导体的总长度)等于一个波长的环形天线120只可以接收垂直方向上的电场分量(横向分量)(即，不可能完全接收电场方向随时间变化的圆偏振波)。布置成靠近环形天线120的寄生元件140使得环形天线120可以接收圆偏振波的垂直分量。

即，寄生元件140的第二部分140B吸收圆偏振波的垂直分量，并由靠近环形天线120的天线导体的第一部分140A将该接收到的垂直分量耦合到环形天线120的天线导体。结果，环形天线120同相地接收圆偏振波的垂直和横向分量。换句话说，只使用第二部分140B，难以将所接收到的圆偏振波传送到环形天线120。因此，为了将所接收到的圆偏振波有效地传送到环形天线120，寄生元件140设置有第一部分140A。

此外，以下专利文献2和3公开了其他现有天线结构。

专利文献2涉及包括一个以上叠置环形天线元件的薄且平的天线结构。专利文献2的天线能够同时从两个方向产生左手圆偏振波和右手圆偏振波。

专利文献3涉及一种在天线的平面上设置有大的正方形天线阵的天线结构。在该大天线的内部，布置有小偶极天线、环形天线以及平面天线，使得由于这些天线的干涉而形成的天线方向性是最优的。

[专利文献1]日本特开2005-102183号公报

[专利文献2]日本特开2005-72716号公报

[专利文献3]日本特开平9-260925号公报

然而，专利文献1所公开的技术的缺点在于：由于天线结构的原因，分布于寄生元件140的电场很弱，使得难以获得足够好的圆偏振特性。这可能是因为简单地安装在电介质基板上的线性天线(例如，偶极天线)会产生在沿电介质基板的表面的方向上的束，使得在与电介质基板的表面相交叉的方向(即，沿厚度的方向)上的辐射强度很弱。

在此，专利文献2的技术的目的是同时产生左手和右手圆偏振波。在专利文献3中，可以将多个天线紧密地或者集中地置于窄区域内，由此使得可以进行小型化，并且该发明的目的是避免来自汽车内部的噪声。因此，这些申请无一以获得良好的圆偏振特性为目的。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的一个目的是提供一种具有简单的结构的实现了良好的圆偏振特性的平面天线。此外，本发明的还一目的是使平面天线小型化。在此，本发明的应用决不应当局限于诸如汽车那样的可移动物体，本发明还可应用于RFID(射频识别)系统、POS系统、用于进行产品防盗保护的安全系统以及其他无线电通信系统。

为了实现以上目的，根据本发明，使用以下平面天线。

(1)作为通用特征，提供了一种平面天线，该平面天线包括：待向其供应电力的线性辐射天线元件；和不向其供应电力的多个线性寄生天线元件，其中将所述寄生天线元件设置在所述辐射天线元件与所述寄生天线元件在不直接接触的情况下相互交叉的位置处，所述寄生天线元件位于所述辐射天线元件与所述寄生天线元件相互交叉的方向上，并且其中将所述多个寄生天线元件的作为与所述辐射天线元件相交叉的部分的各交叉部分弯曲成使得所述寄生天线元件的交叉部分与所述辐射天线元件相平行。

(2)作为优选特征，所述辐射天线元件形成在电介质基板的一侧，并且所述多个寄生天线元件形成在所述电介质基板的另一侧。

(3)作为另一优选特征，将所述多个寄生天线元件中的每一个都设置成垂直于所述辐射天线元件。

(4)作为还一优选特征，将所述多个寄生天线元件中的两个设置在相对于所述辐射天线元件的馈电点对称的位置处。

(5)作为再一优选特征，所述辐射天线元件和所述多个寄生天线元件都是偶极天线元件。

(6)作为又一优选特征，所述辐射天线元件和所述多个寄生天线元件的长度分别等于或接近于待由所述辐射天线元件和所述多个寄生天线元件收发的无线电波的半波长。

(7)作为又一优选特征，所述寄生天线元件的除所述交叉部分以外的至少一部分被形成为曲折线。

根据本发明，至少获得了任一以下效果和好处。

(1)部分地由于将寄生天线元件设置在并位于使得寄生天线元件与辐射天线元件在不接触的情况下相交叉(优选的是相垂直或大致垂直)的方向上，并且部分地由于将其间的交叉部分弯曲成使得交叉部分与辐射天线相平行，因此可以使辐射天线和寄生天线生成其偏振波面彼此相交叉的偏振波分量。因此，可以按照小尺寸(面积)(例如，待收发波长的半波长×半波长的程度的尺寸)来实现可以生成良好的圆偏振波的平面天线。

(2)此外，寄生天线的除上述交叉部分以外的呈曲折线的形状的部分将使平面天线小型化。

通过参照附图仔细阅读以下说明，将明白本发明的以上和其他目的和特征。以下将参照附图对本发明的优选实施方式进行更详细的描述。附图是例示性的而不对本发明的范围具有限制性。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施方式的平面天线的示意立体图；

图2是将图1的平面天线的天线元件放大的示意立体图；

图3是图1和图2的带有天线元件的尺寸的平面天线的示意立体图；

图4是示出在图3所示的尺寸的假设下对平面天线的模拟结果的示例的图；

图5是示出图1的平面天线的改进实施例的示意立体图；

图6是示出图5的带有天线元件的尺寸的平面天线的平面图；

图7是在图5所示的尺寸的假设下对平面天线的模拟结果(轴比)；

图8是在图5所示的尺寸的假设下的平面天线的阻抗史密斯圆图；

图9是例示了在图5所示的尺寸的假设下的平面天线的增益特性的图；以及

图10是例示了现有平面天线的实施例的示意平面图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的优选实施方式进行更详细的描述。

在此，本发明决不应局限于以下例示的实施方式，而是可以在不脱离本发明的要旨的情况下提出各种改变或变型。

[A]一个优选实施方式

图1是示出根据本发明的一个优选实施方式的平面天线的结构的示意立体图。

图1的平面天线具有偶极天线元件(线性辐射天线元件)1，偶极天线元件1是设置在由玻璃或陶瓷等制成的电介质基板(以下还被简称为“电介质”或“基板”)10的一侧(图1的后侧)的线性导体。从馈电点1e向偶极天线元件1供应电力。此外，在基板10的另一侧(图1的正面)，以其间具有预定间隔的方式平行地或大致平行地设置有多个(两个)线性导体(线性寄生导体)2a和2b(以下也被称为“寄生天线2a、2b或天线2a、2b”)，将不对线性导体2a和2b供应电力。即，当基板10是透明的时，将天线1、2a以及2b布置成使得它们形成字母“H”的形状。

更具体来说，假设待收发的波长是λ，在基板10的一侧(XY平面)，沿与Y轴相平行的方向形成有总长度为0.5λ的辐射天线1。在基板10的另一侧(XY平面)，沿与辐射天线1相交叉的方向，优选地沿与辐射天线1相垂直或大致垂直的方向(沿与X轴相平行的方向)，在辐射天线1的相对端的附近(即，在与辐射天线1相交叉的位置处)形成有总长度均为0.5λ的寄生天线2a和2b。

此外，如按图2的放大方式所例示，寄生天线2a和2b中的每一个的一部分(例如中央部分)，更具体来说，从Z轴观察到的与辐射天线1相交叉(优选地相垂直)的部分被弯曲，以与辐射天线1相平行。该平行部分充当用于有效地执行与辐射天线1的电磁连接的连接部分12。

在此情况下，辐射天线1与寄生天线2a、2b隔开基板10的厚度。在图2中，在上述连接部分12中例示了这种情况。即，借助于电介质材料将辐射天线1与寄生天线2a、2b绝缘。在此，从Z轴观察，辐射天线1与寄生天线2a和2b看起来好像在连接部分12中是交叠的(相同的)。

按此方式，可以将本实施方式的平面天线实现为0.5λ×0.5λ尺寸(区域)。

图3示出了各种部分的尺寸的示例。在图3的示例中，所处理(收发)的电波的频率是950MHz(即，λ≈320mm)。天线1、2a以及2b中的每一个的长度均为0.5λ＝160mm。将寄生天线2a和2b中的每一个都设置成与辐射天线1相隔±60mm(即，在寄生天线2a与2b之间沿Y轴方向的间隔是120mm)。寄生天线2a和2b与辐射天线1之间的连接部分12(Y轴方向)是20mm，并且寄生天线2a和2b的其余部分在X轴方向上是70mm。此外，形成有辐射天线1的XY平面与形成有寄生天线2a和2b的XY平面在Z轴方向上相隔5mm(这对应于基板10的厚度是5mm)。

在此情况下，优选的是，基于在向辐射天线1供电时的电场强度分布，将寄生天线2a与2b之间在Y轴方向上的距离(间隔)设定为在辐射天线1与连接部分12之间提供良好连接效力的间隔。优选的是，可以将连接部分12置于当向辐射天线1供电时电场强度比其他部分更强的部分处。即，在沿辐射天线1的电场强度中，电场强度(绝对值)趋于从中点(在馈电点1e的附近)向端点(在±Y轴方向上)增大(在端点处取最大值)。由此，由于组合效力良好，因此优选地将寄生天线2a和2b中的每一个的上述连接部分12都设置在辐射天线1的端点的附近。

此外，通过诸如银印刷的印刷技术可以容易地形成天线(导体图案)1、2a、2b中的每一个。同时利用双侧印刷技术，可以减少制造步骤，从而降低制造成本(以下也是如此)。

在该类型的天线结构中，如果从馈电点1e向辐射天线1供电，那么沿±Z轴方向辐射电场，使得辐射天线1具有交叉偏振分量，并且寄生天线2a和2b中的每一个都具有其相位比以上偏振分量晚90°并且其偏振与以上偏振分量相差90°的其他偏振分量。

更精确地说，通过辐射天线1产生了具有沿Y轴方向的偏振(水平偏振)分量的电场(Ey场)，并且该电场在连接部分12处与寄生天线2a和2b相结合。结果，使得电流在寄生天线2a和2b中的每一个中流动。在此，由于寄生天线2a和2b从连接部分12起沿±X轴方向延伸，因此生成了具有沿X轴方向的偏振(垂直偏振)的电场(Ex场)。

结果，在Z轴方向上，通过将上述Ey场与Ex场组合起来，生成了电场，即，圆偏振[在此情况下是右手圆偏振(RHCP)]场。换句话说，为了通过寄生天线2a、2b生成与由辐射天线1(其为线性天线元件)生成的偏振波(水平偏振波)相交叉的偏振波(垂直偏振波)，上述平面天线形成沿与辐射天线1相交叉的方向延伸的线性部分，由基板10(电介质材料)将该线性部分与辐射天线1绝缘开。

在此，通过对寄生天线2a、2b的形状[与辐射天线1相连接的连接部分12的形状(平行部分的长度)]、辐射天线1与寄生天线2a与2b之间沿Z轴方向的距离(基板10的厚度)、沿Y轴方向的位置进行调节，可以对垂直交叉的交叉电场分量的强度和相位进行调节，从而使得可以实现理想的圆偏振波。

图4示出了在给定了在图3中描述的尺寸并且天线1、2a以及2b中的每一个都是完全导电体并且不存在基板10[即，在形成有辐射天线1的XY平面与形成有寄生天线2a、2b的XY平面之间的空间填充有空气(介电常数ε_r＝1)]的假设下，在向辐射天线1提供950 MHz的无线电信号的情况下的模拟结果[轴比(AR)]。

如图4所示，假设在电波(束)与+Z轴之间形成的角度是θ，当θ＝0°(360°)、180°时轴比取最小值(3dB的量级)。在此情况下，显然获得了沿平面天线的前后侧方向(±Z轴方向)的良好的圆偏振波。

按此方式，根据本实施方式的平面天线，通过如图1到3所示组合地布置作为一个辐射元件的辐射天线1和作为多个(两个)寄生元件的偶极天线元件2a和2b，使辐射天线1与寄生元件2a和2b的偏振面垂直地交叉，并且可以生成在相位上相差90°的偏振分量。

因此，可以实现可以按照0.5λ×0.5λ的程度的小型化面积生成沿表面和背面方向的良好的偏振波的平面天线。由此，可以使平面天线的小型化成为可能。结果，当使用本平面天线作为用于RFID标签的读/写器(RW)天线时，可以识别位于大区域中的RFID标签。

[B]变型实施例

图5是图1的平面天线的改进实施例的示意立体图。与图1到图3所例示的平面天线相比，在图5的平面天线中，将上述寄生天线2a、2b的多个部分弯曲成曲折状(见标号21)。此外，将形成有这些寄生天线2a和2b的面(XY平面)与形成有辐射天线1的面(XY平面)沿Z轴方向分开(绝缘)1.5mm的程度(上述基板10的厚度为1.5mm)。

更具体来说，如图6的示意平面图所示，辐射天线1(沿Y轴方向)的长度是136mm(大约为0.5λ)，并且寄生天线2a和2b(沿X轴方向)的长度是109mm。寄生天线2a与2b之间的长度是100mm，位于辐射天线1与寄生天线2a和2b之间的连接部分12的长度是20mm。连接部分12的端部与寄生天线2a和2b的曲折线21之间(沿X轴方向)的长度是25mm。曲折线21沿Y方向的长度是10mm，并且它们沿X轴方向的长度(间距)是5mm。寄生天线2a和2b的端部与曲折线之间的长度是10mm。当然，这些尺寸只表示示例值，可以适当地进行改变。

在此情况下，在本实施例中，通过诸如银印刷的印刷技术可以容易地形成天线(导体图案)1、2a以及2b中的每一个。同时利用双侧印刷技术，可以减少制造步骤，从而降低制造成本(以下也是如此)。

即，通过辐射天线1产生了具有沿Y轴方向的偏振(水平偏振)分量的电场(Ey场)，并且该电场在连接部分12处与寄生天线2a和2b相结合。结果，使得电流在寄生天线2a和2b中的每一个中流动。在此，由于寄生天线2a和2b从连接部分12起沿±X轴方向延伸，因此生成了具有沿X轴方向的偏振(垂直偏振)的电场(Ex场)。

结果，在Z轴方向上，通过将上述Ey场与Ex场组合起来，生成了电场，即，圆偏振[在此情况下是右手圆偏振(RHCP)]场。通过对寄生天线2a和2b的形状[与辐射天线1相连接的连接部分12的形状(平行部分的长度)]、辐射天线1与寄生天线2a和2b之间沿Z轴方向的距离(基板10的厚度)、沿Y轴方向的位置进行调节，可以对垂直交叉的电场分量的强度和相位进行调节，从而获得接近于理想的圆偏振波的圆偏振波。

图7示出了在给定了在图5和图6中描述的尺寸并且天线1、2a以及2b中的每一个都是完全导电体并且不存在基板10[即，形成有辐射天线1的XY平面与形成有寄生天线2a、2b的XY平面之间的空间填充有空气(介电常数ε_r＝1)]的假设下，在向辐射天线1提供950MHz的无线电信号的情况下的模拟结果[轴比(AR)]。图8示出了在以上模拟条件下的阻抗史密斯圆图。图9示出了在以上模拟条件下的平面天线的增益特性。

图7和图9示出了以下情况。假设在电波(束)与+Z轴之间形成的角度是θ，那么在θ＝0°(360°)、180°的条件附近轴比剧烈地减小，并且获得了沿平面天线的前后侧方向(±Z轴方向)的良好的偏振波。图8示出了具有圆偏振波的典型形状(心形的一部分的形状：见标号30)的阻抗特性。

按此方式，根据本变型实施例的平面天线，寄生天线2a和2b的除连接部分12以外的部分呈曲折线形状。因此，按照比上述实施方式的尺寸更小的尺寸，可以实现可以在其正面和背面生成良好的圆偏振波的平面天线。

尽管在本实施例中寄生天线2a和2b的一部分呈曲折线的形状，但是它也可以呈锯齿或波的形状。

如上所述，根据本发明，通过由线性辐射天线与一个以上的寄生天线的组合而形成的结构，可以实现可以生成良好的圆偏振波的简单并且小型化的平面天线。因此，本发明在诸如RFID系统、POS系统以及用于进行产品防盗保护的安全系统之类的无线电通信技术中相当有用。

由于可以在不脱离本发明的基本特征的精神的情况下将本发明实现为多种形式，因此所给出的实施方式是例示性的而非限制性的，由于本发明的范围是由所附权利要求而非由权利要求之后的说明来限定，因此权利要求旨在包括落在权利要求的界限和范围或这种界限和范围的等同物内的所有改变。

Claims

1.一种平面天线，该平面天线包括：

将向其馈送电力的线性辐射天线元件(1)；和

不向其馈送电力的多个线性寄生天线元件(2a、2b)，

其中所述寄生天线元件(2a、2b)设置在所述辐射天线元件(1)与所述寄生天线元件(2a、2b)在不直接接触的情况下相互交叉的位置处，所述寄生天线元件位于所述辐射天线元件(1)与所述寄生天线元件(2a、2b)相互交叉的方向上，并且

其中将所述多个寄生天线元件(2a、2b)的作为与所述辐射天线元件(1)相交叉的部分的各交叉部分(12)弯曲成使得所述寄生天线元件(2a、2b)的交叉部分(12)与所述辐射天线元件(1)相平行。

2.根据权利要求1所述的平面天线，

其中所述辐射天线元件(1)形成在电介质基板(10)的一侧，并且

其中所述多个寄生天线元件(2a、2b)形成在所述电介质基板(10)的另一侧。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的平面天线，其中将所述多个寄生天线元件(2a、2b)中的每一个都设置成垂直于所述辐射天线元件(1)。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的平面天线，其中将所述多个寄生天线元件(2a、2b)中的两个设置在相对于所述辐射天线元件(1)的馈电点(1e)对称的位置处。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的平面天线，其中所述辐射天线元件(1)和所述多个寄生天线元件(2a、2b)都是偶极天线元件。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的平面天线，其中所述辐射天线元件(1)和所述多个寄生天线元件(2a、2b)的长度等于或接近于待分别由所述辐射天线元件(1)和所述多个寄生天线元件(2a、2b)来收发的无线电波的半波长。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的平面天线，其中所述寄生天线元件(2a、2b)的除所述交叉部分(12)以外的至少一部分(21)被形成为曲折线。