CN101459284B - 天线装置 - Google Patents

Abstract

平面天线装置安装在包括有介电层和上下夹持所述介电层的两个导体层的板上。上导体层包括，第一辐射元件，其具有经过通孔连接到下导体层形成的地的端部，具有开口端部的第二辐射元件，通过电阻连接至所述第一和第二辐射元件的相应基部的第一和第二接地导体，以及配置为馈送能量至第一和第二辐射元件的馈电线。

Description

天线装置

相关申请交叉引用

[1]本发明包含有涉及2007年12月11日提交至日本专利局的日本专利申请JP2007-319568的主题，其全部内容通过引用包含于此。

技术领域

[2]本发明涉及用于发射和接收无线电信号的天线装置，尤其涉及通过平面导体的简单组合形成的天线装置，其包括彼此面对设置且其间插有绝缘材料的辐射导体和接地导体。

[3]更具体地说，本发明涉及平面结构天线装置，其可安装在通用印刷板材料或类似材料的多层结构，所述多层结构包括例如导体、介电材料和导体的各层，并尤其涉及减小其发射导体面积且展示出宽带特性的平面结构的天线装置。

背景技术

[4]在使用无线电波通信方法的无线通信中，使用电流流过天线时产生的辐射场来发射信号。天线具有多种类型。具有宽带特性的天线可用于通信中，其通过在诸如超宽带(Ultra Wide Band，UWB)的超宽频带上传播信号来发射和接收信号。此外，小尺寸天线有助于减小无线装置的尺寸和重量。

[5]具体地，满足更薄天线要求的天线配置包括配置为使得辐射导体和接地导体彼此面对设置且其间插有绝缘材料的天线装置，即微带贴片天线(microstrip patch antenna)(此后简称贴片天线)。辐射导体的形状没有具体确定，但在绝大多数情况下是矩形或圆形。插在辐射导体和接地导体板之间的绝缘材料厚度通常被设置为等于或小于无线电频率波长的十分之一。这样，贴片天线可被成型为相当薄的形状。进一步地，可通过在绝缘材料基底敷铜箔的膜两侧刻蚀处理来制备贴片天线，并且这样可相对容易的制作。也就是说，制作贴片天线相对容易。

[6]例如，已经提出了磁微带贴片天线，其中在相应位置上适当地布置用于使辐射导体和接地导体导通的短路导体板，以抑制在不期望的模式的激发，从而抑制带端的辐射模式的干扰，并且其中具有相对介电常数为1或更高且具有包括磁性层和空气层的交替分层结构的多层结构的磁性材料被用于填充辐射导体板和接地导体板之间的空隙，从而实现在大带宽中的单向性(例如，参见美国专利申请号2005/253756)。

[7]普通的印刷板具有两个导体板将薄介电板上下夹在中间的结构。如果构建所述印刷板，使得下导体板作为地(GND)，且上导体板成型为矩形或圆形并馈以电功率，则可以形成贴片天线并与电路板轻易地集成。

[8]图10和图11例示在印刷板上形成的贴片天线的典型配置例子(图10为从一侧观察的贴片天线的截面视图，而图11为从倾斜的上面观察的贴片天线的视图)。在印刷板中，导体层包括例如铜或银，并且介电层包括例如玻璃环氧树脂或特氟隆(Teflon，注册商标)。在如图10和图11所示的板结构中，其中介电层被夹在导体层之间，使用了双面板。可替换地，还可以使用多层板(例如，导体和介电材料的交替分层结构)。

[9]如图所示，所述贴片天线可被视为非平衡馈送平面天线，且通常与视作谐振器的上导体板形成的天线(辐射元件)一起设计。进一步地，认为沿导体板末端边缘流动的电流等于流过延伸穿过介电材料的并行传输线的电流。因此，根据介电材料的相对介电常数，贴片天线具有波长缩短效应。如果假定辐射元件的长度L等于辐射元件的宽度W，则在下面公式(1)的基础上设计贴片天线。

$L=W=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{2}\·\·\·\left(1\right)$

[10]这里，ε_eff表示介电基底的有效介电常数，且λ_g表示有效波长。可基于介电基底的介电常数和厚度h以及天线的宽度值W(＝天线长度L)来确定有效介电常数ε_eff。从上述公式(1)中可以理解，如果天线(辐射元件)的长度或宽度被减小至有效波长λ_g的一半，则发生共振以辐射共振频率的辐射无线电波长。进一步地，如果在偏离具有尺寸W×L的辐射元件中心的位置提供馈送点，则可以达到阻抗匹配。

[11]可基于基底的介电常数和厚度h以及辐射元件的宽度值W来确定介电基底的有效介电常数ε_eff。因此，如果介电基底的介电常数增大，则由于波长缩短效应，可以减小贴片天线的尺寸。

[12]然而，存在对介电常数的限制。实际上，贴片天线必须覆盖印刷板上尺寸W×L的面积。这是因为，在贴片天线中，增大了宽度W以减小天线的阻抗并因此加宽天线的频带。因此，增大了天线的面积。

[13]此外，在介电多层板上的其背面包括地的平面贴片天线通常具有窄带(沿形成辐射元件的导体板的末端边缘流动的电流被认为等于流过延伸穿过介电层的并行传输线的电流。进一步地，电流的波长受到介电材料的相对介电常数的控制。即，可传输和可接收的无线电波的频带被限制在由介电材料的预定介电常数所控制的狭窄范围)。可由贴片天线辐射的频率成分包括由下面公式(2)基于上面公式(1)所述的有效波长λ_g和其更高次谐波成分而确定的频率f。所述频率成分不表示宽的频带。

$f=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_g}\·\·\·\left(2\right)$

[14]在过去许多无线通信技术中，其假定长距离通信，只有考虑到远场天线的行为才能满足。然而，近年来，假定近距离通信的情况正在增加。因此，理解在天线近场中发生的现象变得必要，其中通信距离等于或短于波长。

[15]目前假设几年来的通信系统被分为窄带通信和宽带通信。贴片天线通常趋于在窄带中运行，并且因此被认为不适于例如个人局域网(Personal Area Network，PAN)系统，其运行频带必须为宽的。依赖于设计参数，具有2或更小的电压驻波比(Voltage Standing WaveRatio，VSWR)的带宽通常在百分之几的量级。由于该缺点，在宽带通信中很难使用贴片天线。

[16]如果在介电多层板上的天线背面提供地，则天线的频带被缩窄。因此，为了保证相关技术的贴片天线中的宽带特性，通常使用天线背面上不包括地的结构。然而，在这种情况下，电子装置的外壳结构设计是复杂的。

发明内容

[17]期望提供具有包括导体、介电材料和导体的各个层的多层结构的可安装在通用印刷板材料上的高级平面结构天线装置。

[18]进一步期望提供高级平面结构的天线装置，能够减小其辐射导体的面积并表现出宽的频带特性。

[19]做出本发明时已经对上述问题加以考虑。根据本发明的一个实施例的平面天线装置安装在板上，所述板包括介电层和上下夹持所述介电层的两个导体层。所述上导体层包括，第一辐射元件，其具有一端部通过通孔连接至下导体层形成的地，具有开放端部的第二辐射元件，第一和第二接地导体通过电阻连接至第一和第二辐射元件的相应基部，以及配置为馈送能量给第一和第二辐射元件的馈电线。这里假定第一和第二辐射元件通过相应电阻连接至所述馈电线，各电阻具有考虑到所述馈电线阻抗的适当的电阻值。

[20]作为满足薄天线要求的天线装置，贴片天线是已知的。在具有薄介电板被上下夹在两个导体板之间的结构的普通印刷板中，如果下导体板被用作地，并且如果对上导体板进行诸如刻蚀的处理以形成辐射元件，则可以制造出贴片天线。

[21]然而，贴片天线的有效波长λ_g由导体尺寸，即辐射导体的宽度W和长度L来确定。因此，贴片天线通常趋于在窄带中运行，并且因此被认为不适于宽带通信。进一步地，近年来，用于近距离通信的机会一直在增加。因此，必须理解在通信距离等于或短于波长的天线近场中发生的现象。

[22]同时，根据本发明的实施例的天线装置，其被配置为包括介电层和类似贴片天线中那样上下夹持所述介电层的两个导体层，下导电层被用作地，且上导电层形成第一和第二辐射元件，其分别作为开放端和接地端，并且相应于频率的变化而彼此相反地操作。

[23]当天线被视为传输线时，从电力传输的角度来看，必须提供在宽频带上匹配的阻抗并从而阻止反射扩大天线的频带。在根据本发明的实施例的天线装置中，第一和第二幅射元件形成LC(电感-电容)电路，并且因此可用作阻抗转换器。在仅包括作为开放端的第一辐射元件的配置中，已用频带的变化导致阻抗的变化。结果，发生阻抗失配。同时，如果第一辐射元件与作为接地端的第二辐射元件组合起来，阻抗的变化被抵消。相应地，期望在宽带上维持阻抗匹配的效果。

[24]这里，用于能使辐射元件作为LC谐振电路运行的第一和第二辐射元件各自的通常长度L是有效波长λ_g的四分之一。此外，如果第一和第二辐射元件的每一个的宽度W大于或等于所述辐射元件作为LC电路实现阻抗匹配的线宽度，则该宽度W是足够的。

[25]如果通用天线被配置为使用其辐射元件来执行阻抗匹配，该天线很难在宽带中操作。此外，在相关技术的贴片天线中，增加辐射元件的线宽度W以减小辐射元件的阻抗并从而拓宽天线的频带。因此，增加了天线的面积。同时，在根据本发明实施例的平面天线中，分别作为开放端和接地端并相应于频率的变化而彼此相反地操作的两个辐射元件被组合以形成LC电路。此外，线宽度W可以被确定，使得以这样形成的LC电路的阻抗Z_trans实现阻抗匹配。也就是说，没有必要增加辐射元件的线宽度W来拓宽天线的频带。相应地，平面天线可减小辐射导体的面积并表现出宽带特性。

[26]本发明可提供高级的平面结构的天线装置，其可安装在包括导体、介电材料和导体层的多层结构的通用印刷板材料上。

[27]本发明可进一步提供高级平面结构的天线装置，其能减小其辐射导体的面积并表现出宽带特性。

[28]根据本发明的实施例的天线装置是安装在印刷板材料上的平面天线。该天线装置包括两个辐射元件，每个辐射元件的长度小于由传输带的最低频率决定的波长的四分之一。因此，相比于相关技术中具有由有效波长λ_g决定的尺寸W×L的贴片天线而言，根据本发明实施例的天线装置中可以更多地减小天线所占的面积。

[29]这里，诸个辐射元件之一具有连接至地的一端，并且其它辐射元件具有开口端。如果每个辐射元件的宽度都设置为小于线宽的一半以馈送能量，可进一步增强减小天线所占面积的效果。

[30]如果根据本发明实施例的天线装置被用于形成无线通信装置，则该无线通信装置可被用于在近年的要求在短距离上执行宽带通信的通信系统中执行高速和大容量通信。

[31]通过参考基于本发明实施例和稍后描述附图的描述，本发明的进一步目的、特征和优点将变得清晰。

附图说明

图1是例示利用静电场或感生电场的使用电场耦合的非接触通信系统的配置例子的图；

图2是例示抽象的传输线的图；

图3是例示在各辐射元件中产生的电压波状态的图；

图4是例示在图1中例示的平面天线的等价电路的图；

图5是例示图1中例示的平面天线作为传输线的图；

图6是例示图1中例示的平面天线的各组件及其尺寸的图；

图7是例示来自图1中例示的平面天线的无线电波辐射的仿真结果的图；

图8是例示图1中例示的平面天线的传输特性的图；

图9A和图9B是示出图1中例示的平面天线的布置视图和方向图；

图10是例示在印刷板上形成的贴片天线的典型配置例子(相关技术)；以及

图11是例示在印刷板上形成的贴片天线的典型配置例子(相关技术)。

具体实施方式

[32]下面将参照附图详细描述本发明的实施例。

[33]图1例示了从上方看的根据本发明实施例的天线装置。图中例示的天线装置被配置为包括两个辐射元件307和308，通孔309，辐射元件之一308的一端穿过该通孔309连接至下层地(未示出)，通过电阻306和305连接至辐射元件307和308的相应基部的接地导体303和302，以及对辐射元件307和308馈送能量的馈电线301。类似于贴片天线，该天线装置是可安装在包括有被两个导体层上下夹持的薄介电层的印刷板上的平面天线。导体层包括例如铜或银，并且介电层包括例如玻璃环氧树脂或特氟隆(注册商标)。此外，馈电线301包括例如微带线、共面线或同轴电缆。

[34]图2例示了抽象的传输线。如图所示，传输线包括信号源Vcc和负载阻抗Z。信号电流I通过负载阻抗Z流入地。已知如果负载阻抗Z等于信号源Vcc的阻抗Zcc，则可实现理想的电能传输。当天线被视作一个传输线时，负载阻抗Z被认为是真空阻抗(120π[Ω])。

[35]在图1例示的平面天线中，由短线柱形成辐射元件之一307作为开放端，并且被认为是在辐射元件307和下层接地导体之间形成的电容C。同时，由短线柱形成另一个辐射元件308作为接地端，并且被认为是电感L。图3例示了在辐射元件307和308中产生的电压波的状态。即，如图4所例示的那样来配置图1中例示的平面天线的等价电路，其中两个辐射元件307和308形成LC谐振电路。

[36]这里，如果被视作LC电路的天线阻抗被表示为Z_trans，图1中例示的平面天线可被认为是如图5所示的传输线，其中Z_line表示包括共面线等的馈电线301的阻抗(＝50[Ω])，并且ZL表示真空阻抗(120π[Ω])。

[37]从电能传输的角度来看，在图5所例示的传输线中必须提供在宽带上匹配的阻抗并从而防止反射。两个辐射元件307和308形成LC电路，并且因此可被用作阻抗转换器。也就是说，下面的公式(3)成立。

Z_trans ²＝Z_line×Z_L           …(3)

[38]如果将Z_line＝50[Ω]和Z_L＝120π[Ω]代入上面的公式(3)，在宽带中的天线阻抗Z_trans优选大约137[Ω]，如下所示。

$Z_{\mathrm{trans}}=\sqrt{6000\mathrm{\π}}\≈137\left[\mathrm{\Ω}\right]\·\·\·\left(4\right)$

[39]两个辐射元件307和308形成阻抗转换器。再次参照图1，辐射元件之一307作为开口端。在仅包括辐射元件307的配置中，已用频带中的变化导致阻抗的变化。同时，如果辐射元件307与作为接地端的辐射元件308相组合，则由于辐射元件308响应于频率的操作与辐射元件307的操作相反，所以阻抗的变化被抵消。因此，期望在宽带上维持天线阻抗Z_trans基本恒定的效果。

[40]使辐射元件作为LC谐振电路运行的两个辐射元件307和308各自的一般长度L为有效波长λ_g的四分之一。此外，两个辐射元件307和308各自的宽度W可设置为线宽w₁₃₇，在该宽度下LC谐振电路的阻抗Z_trans为大约137[Ω]。

[41]在普通的天线中，使用阻抗Z_trans执行阻抗匹配。因此，普通的天线不适于在宽带中运行。此外，在相关技术的贴片天线中(参见图10和图11)，增加辐射元件的线宽W以减小阻抗Z_trans并因此加宽贴片天线的频带。然而，该配置增大了贴片天线的面积。同时，在根据本实施例的平面天线中，作为开口端和接地端的两个辐射元件307和308分别相应于频率的变化而彼此相反操作，被组合以形成LC电路。此外，可确定线宽W使得在这样形成的LC电路的阻抗Z_trans下实现阻抗匹配。即，不必增加辐射元件的线宽W以拓宽天线的频带。换句话说，平面天线可减小辐射导体的面积并表现出宽频带特性。

[42]参照图6示出了图1中例示的平面天线的相应组件的尺寸，具体描述将被添加至上述描述中。

[43]作为接地端的辐射元件308的长度L1和宽度W9分别被设置为等于作为开口端的辐射元件307的长度L2和宽度W7。然后，布置两个辐射元件308和307彼此间隔宽度w5，并且分别通过电阻305和306连接至馈电线301。

[44]选择辐射元件308和307各自的长度L1和L2(＝L)，使得下面公式成立。

$0<L<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{4}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(5\right)$

[45]数值λ_g/4被设置为所期望传输的最低频率。

[46]此外，可选择辐射元件307和308的相应宽度W7和W9(＝W)，使得下面公式(6)成立。

$w_{137}\&le;W<\frac{w5}{2}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(6\right)$

[47]在上面公式(6)中，w₁₃₇表示在作为传输线的平面天线中达到阻抗匹配的线宽度，即，在该宽度下天线的阻抗Z_trans的值为大约137[Ω](如前所述)。

[48]因此，根据图1所例示的平面天线，辐射元件的最大面积表示为w5×L1。期望能够理解，该值充分小于图10和图11中例示的相关技术的贴片天线的辐射元件的面积W×L。

[49]图7例示了来自图1例示的平面天线的无线电波辐射的仿真结果。这里，介电材料310的表面提供有在馈送方向沿辐射元件307延伸的y轴，和垂直于y轴方向的x轴，以及在该表面向上法线方向提供的z轴。

[50]在图7中看到，图1中例示的平面天线具有同辐射元件的入射方向相反的辐射方向，并且因此具有入射方向的指向性倒退。

[51]此外，图8例示了图1中例示的平面天线的传输特性S21。传输特性是表示在所布置的两个天线之间传输了多少电能的量。

[52]在图中所示的曲线图中可以看出，平面天线可在从7GHz到8GHz、9.5GHz到12GHz、以及16GHz到20GHz的频带中传输电能，并且因此具有充分宽的频带特性。普通的贴片天线的分数带宽(fractional bandwidth)大约为10％。相反地，图1中例示的平面天线在7GHz到8GHz、9.5GHz到12GHz、以及16GHz到20GHz的频带分别具有分数带宽13％、23％和22％。因此，可以说平面天线的频带是充分宽的。

[53]此外，图8例示了当天线被布置在所述指向性方向(即，在-y方向)时得到的特性，以及当天线被布置为偏离所述指向性方向(即，具有z方向偏移量的-y方向)时得到的特性。例如，在10GHz频率附近观察到天线布置在所述指向性方向和天线布置偏离所述指向性方向之间的数值的不同。该结果还表明平面天线具有指向性方向，并且该指向性影响传输特性。

[54]此外，图9A示出了图1中例示的平面天线的天线布置视图，且图9B示出了图9A所例示的天线布置中的平面天线的指向性的图。

[55]在图9A中所示的x’轴和y’轴定义、并且具有z’轴作为垂直轴的平面(见天线布置图)中，假设在Phi方向发生旋转，并且+x’、+y’、-x’和-y’分别表示0度、90度、180度和270度。图9B的指向性图示出了位于185度主波瓣和85度的半值角(在3dB的角宽度)。

[56]本领域普通技术人员应当理解，在所附的权利要求及其等价范围内，根据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和改变。

Claims (3)

1.一种平面天线装置，安装在包括有介电层和上下地夹持所述介电层的两个导体层的板上，其中上导体层包括：

第一辐射元件，所述第一辐射元件的端部穿过通孔连接至下导体层形成的地；

第二辐射元件，具有一开口端部；

第一和第二接地导体，通过电阻连接至第一和第二辐射元件的相应基部；和

馈电线，配置为对所述第一和第二辐射元件供电，

其中所述第一辐射元件的长度等于所述第二辐射元件的长度，并且所述第一辐射元件和所述第二辐射元件被布置为彼此间隔固定宽度。

2.根据权利要求1的天线装置，

其中所述第一和第二辐射元件各自的长度(L)小于有效波长(λ_g)的四分之一，以及

其中所述第一和第二辐射元件各自的线宽度(W)大于或等于第一线宽度(w₁₃₇)，在该第一线宽度(w₁₃₇)下，所述第一和第二辐射元件形成的电感-电容谐振电路的阻抗大约为137Ω。

3.根据权利要求1的天线装置，

其中所述第一和第二辐射元件通过所述电阻连接至所述馈电线，每个所述电阻都具有考虑到馈电线阻抗的适当的电阻值。

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