CN101465471B - 天线装置 - Google Patents

Abstract

平面天线装置包括介电层和将所述介电层上下夹在中间的两个导体层。所述下导体层用作地，且其中所述上导体层形成辐射元件，辐射元件具有其中四个或更多个不同尺寸的辐射元件片被连接至馈电线的结构。

Description

天线装置

相关申请交叉引用

本发明含有涉及2007年12月18日提交到日本专利局的日本专利申请JP2007-326392的主题内容，其全部内容通过引用而包含于此。 技术领域 本发明涉及用于传输和接收无线电信号的天线装置，并且具体涉及由平面导体的简单组合形成的天线装置，平面导体包括彼此面对且其间插有绝缘材料的辐射导体板和接地导体板。 背景技术 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传输信号。天线具有各种类型。在通信中可使用具有宽带特性的天线，其通过在诸如UWB(超宽频带)的超宽频带上传播信号来传输和接收信号。此外，小尺寸天线有助于减小无线装置的尺寸和重量。 

具体地说，满足更薄天线要求的天线配置包括，配置为使得辐射导体板和接地导体板彼此面对且其间插入有绝缘材料的天线装置，即微带贴片天线(此后简称为贴片天线)。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的。插入辐射导体板和接地导体板之间的绝缘材料的厚度通常设定为等于或小于无线电频率的波长的十分之一。因此，贴片天线可形成为充分薄的形状。进一步地，可通过在两面都包覆铜箔的绝缘材料基底上执行刻蚀处理来制作贴片天线，并且这样可较轻易进行制作。也就是说，制作贴片天线相对比较容易。 

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层叠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)。 

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源，则可以形成贴片天线并与电路板轻易地集成。 

图15和图16图示在印刷板上形成的贴片天线的典型配置例子(图15是从上看的印刷板的视图，而图16是斜视印刷板的视图)。图中例示的贴片天线通常设计为具有由作为谐振器的上导体板(辐射元件)形成的天线。此外，沿导体板末端边沿流动的电流被认为等于流过延伸穿过介电材料的并行传输线的电流。因此，贴片天线具有相应于介电材料的相对介电常数的波长减小效应。如果假定辐射元件的长度L等于辐射元件的宽度W，则贴片天线可通过下面公式来表示。 方程1  $L=W=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{2}...\left(1\right)$

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。上述公式(1)表明，如果天线(辐射元件)的长度或宽度被减小至有效波长的一半，则发生共振以辐射共振频率的无线电波长。 

近些年的通信系统可分为窄频带通信和宽频带通信。可以由贴片天线辐射的频率成分包括下面公式(2)基于有效波长λ_g和其更高次谐波成分确定的频率f。 方程2  $f=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_g}...\left(2\right)$

即，贴片天线通常趋于在窄频带中操作，并且因此被认为不适于例如PAN(Personal Area Network个人局域网)系统，后者的操作频带必须是宽的。取决于设计参数，具有2或更小的VSWR(电压驻波比)的带宽通常在百分之几的量级。由于该缺陷，存在难于在宽频带通信中使用贴片天线的问题。 

在其背表面的介电多层板上包括地的平面贴片天线具有窄频带。因此，在现有技术的贴片天线中，为了保证宽频带特性，通常使用天线背表面不包括地的结构。然而，在这种情况下，设计的电子装置的外壳的结构是复杂的。 

此外，在过去的假设长距离通信的许多无线通信技术中，只要考虑天线在远场中的行为就足够了。然而，近些年来，假定近距离范围通信的情况正在增加。因此，有必要理解在天线的近场中发生的现象，其中通信距离等于或小于波长。 

发明内容

期望提供由平面导体简单组合形成的高级贴片天线配置的天线装置，包括彼此面对布置且其间插有绝缘材料的辐射导体板和接地导体板。 

进一步期望提供由平面导体简单组合形成的高级贴片天线配置的天线装置，并且具有1.5GHz或更大的操作带宽。 

进一步期望提供由平面导体简单组合形成的高级贴片天线配置的天线装置，并且可甚至在通信距离等于或小于波长的近场中操作。 

做出本发明时已经考虑了上述问题。根据本发明实施例的平面天线装置包括介电层和将该介电层上下夹在中间的两个导体层。下导体层用作地，上导体层形成具有如下结构的辐射元件，其中不同尺寸(即，不同宽度和长度)的4个或更多辐射元件片在辐射元件的宽度方向上连接到馈电线。 

作为满足更薄天线要求的天线装置，贴片天线是已知的。在 具有薄介电板被两个导体板上下夹在中间的结构的普通印刷板中，如果下导体板被用作地，并且如果上导体板受到诸如刻蚀的处理而形成辐射元件，可制成贴片天线。 

然而，贴片天线的有效波长λ_g由导体尺寸(即，辐射元件的宽度W和长度L)决定。因此，贴片天线通常趋于在窄带中操作，并且因此被认为不适于宽带通信。此外，近年来，用于近距离通信的机会不断增加。因此，有必要了解在通信距离等与或小于波长的天线近场中发生的现象。 

同时，根据本发明实施例的天线装置，其类似于在贴片天线中那样被配置为包括介电层和将该介电层上下夹在中间的两个导体层，下导体层用作地，并且上导体层形成的辐射元件配置为使得不同尺寸(即，不同宽度和长度)的四个或更多辐射元件片在辐射元件的宽度方向上连接至馈电线。 

根据本发明实施例的天线装置，包括多个不同宽度和长度的辐射元件片。因此，当各个辐射元件片作为谐振器运行并辐射无线电波时，辐射元件片之间的无线电波的有效波长不同。因此，天线装置在各个有效波长中运行，并且因此具有宽频带特性。 

此外，在理想的点电荷中，电场的衰减同距离的平方成反比，并且因此被假定为在远场中通信。同时，根据本发明的实施例的天线装置包括不同宽度和长度的多个辐射元件片。因此，电荷的形状是复杂的。因此，出现了电场成分的衰减与距离的三次方或四次方成反比。即，由于距离导致的成分衰减是很迅速的。因此，实现了近场中的通信。 

这里，当辐射元件包括N个分别具有宽度W₀、W₁、…、W_N-1和长度L₀、L₁、…、L_N-1并且在宽度方向上连接至具有宽度W_N的馈电线的辐射元件片时，可选择各个辐射元件片的宽度和长度以用于所期望传输的频率决定的有效波长λ_g，如下面公式(3)至(8)所示(其中，N表示大于或等于5的整数，并且W_i的下标表示从0到N-1的整数范围，根据到馈电线的距离减小的顺序将其作为序号分配 给每个辐射元件片)。此外，考虑到传输线的阻抗，可选择适当值作为馈电线的宽度W_N。 方程3 L₀≈λ_g/2…(3)  $\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i+W_N/2\≈{\mathrm{\λ}}_g/2...\left(4\right)$ W₀＞W₁＞…＞W_N-2…(5) L₀＞L₁＞…＞L_N-2…(6) W₀≈W_N-1…(7) L₀≈L_N-1…(8) 

也就是说，距离馈电线最远的辐射元件片的宽度和长度以及相邻于馈电线的辐射元件片的宽度和长度被设置为基本相等且最大值，并且辐射元件片的长度L₀和L_N-1被设置为基本等于λ_g/2。此外，设置所有辐射元件片的宽度以及馈电线的半宽度的总和基本等于λ_g/2。 

从公式(3)到(8)可以理解，本发明实施例应用的平面天线的面积可小于现有技术的方形贴片天线的面积W×L(参见图15和图16)。 

如同在反射特性S11中所观察到的那样(见图7)，根据本发明实施例的平面天线装置不引发强烈的谐振。因此，可以说天线装置不是作为其中驻波被限制仅在辐射元件上特定部分的谐振天线，而是作为其中磁场(电流)在不同长度的导体部分中传播的行波天线。本发明认为该特性是加宽天线装置频带的一个因素。 

此外，在根据本发明的实施例的平面天线装置中，如同在传输特性S21中所观察到的那样(见图7)，在近场中的可传输频带是宽的，并且相对带宽(fractional bandwidth)是宽的。因此，即使如果天线装置被配置为在天线背表面上包括地，也能保证宽频带特性。因此，该天线装置有助于简化电子装置的外壳结构的设计。 

本发明可提供由平面导体的简单组合形成的高级贴片天线 配置的天线装置，包括布置为彼此面对且其间插入有绝缘材料的辐射导体板和接地导体板。 

本发明可进一步提供由平面导体的简单组合形成的高级贴片天线配置的天线装置，并且即使在通信距离小于或等于波长的近场中，也可以在1.5GHz或更大的带宽中操作。 

根据本发明实施例的平面天线装置表现出现有技术的天线装置所没有的宽频带特性，并且还可在邻近环境中操作。此外，该平面天线装置可通过接地表面维持如下特性，诸如平面天线的原始指向性和电学部件的稳定性。 

根据本发明实施例的天线装置还可在通信距离大约等于或小于波长的近场中操作。 

在根据本发明的实施例的天线装置中，由多个辐射元件片形成的辐射元件的形状基本上由谐振频率决定。此外，通过平面导体的简单组合形成该天线装置。因此，天线装置很容易设计。此外，通过导体和夹在其间的介电层的组合来实现天线的层状结构。因此，天线装置可安装在普通印刷板材料上。 

即，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，则在要求在短距离上执行宽带通信的近年来的通信系统中，该无线通信装置可有助于增强和改善信号质量。 

通过参考基于本发明实施例和稍后描述的附图的进一步详细描述，本发明进一步的目的、特征和优点将变得清晰。 附图说明 图1是例示根据本发明实施例的天线装置的配置的图； 图2是例示根据本发明实施例的天线装置的配置的图； 图3是用于解释由多个辐射元件片形成的辐射元件的具体形状的图； 图4例示一种状态，其中以30mm的天线间距布置两个贴片天线，使得天线的各辐射元件彼此面对； 图5是示出图4例示的天线对的反射特性和传输特性的相应仿真结果的图； 图6例示一种状态，其中以30mm的天线间距布置图1和图2例示的两个平面天线，使得天线的各辐射元件彼此面对； 图7是示出图6例示的天线对的反射特性和传输特性的相应仿真结果的图； 图8是例示来自图1和图2例示的平面天线的无线电波辐射的图； 图9是例示图1和图2例示的平面天线在4.5GHz频率下的电场强度分布的图； 图10是例示图1和图2例示的平面天线在4.5GHz频率下的磁场强度分布的图； 图11是例示图1和图2例示的平面天线在5.0GHz频率下的电场强度分布的图； 图12是图11是例示图1和图2例示的平面天线在5.0GHz频率下的磁场强度分布的图； 图13是例示图1和图2例示的平面天线在5.5GHz频率下的电场强度分布的图； 图14是例示图1和图2例示的平面天线在5.5GHz频率下的磁场强度分布的图； 图15是例示形成在印刷板上的贴片天线的典型配置例子的图(从上看的印刷板的视图)；以及 图16是例示形成在印刷板上的贴片天线的典型配置例子的图(倾斜看的印刷板的视图)。 

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的实施例。 

图1和图2例示了根据本发明实施例的天线装置的配置。图中例示的天线装置是具有如下结构的平面天线，其中类似于在贴片天 线中那样，在印刷板中薄介电层被两个导体层上下地夹在中间，并且其中下导体层被用作地(GND)而上导体层被用作辐射元件并馈以电源(图1是从上面观察的印刷板的视图，而图2是倾斜观察的印刷板的视图)。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)。 

由上导体层形成的辐射元件具有如下结构，其中不同尺寸(即不同宽度和长度)的多个(4个或更多)辐射元件片501到504在辐射元件的宽度方向上连接到馈电线505(见图3)。 

这样配置的平面天线包括不同宽度和长度的多个辐射元件片。因此，当各辐射元件片作为谐振器而操作并辐射无线电波时，辐射元件片之间的无线电波的有效波长不同。因此，平面天线在各个有效波长内操作，并且因此可以具有宽频带特性。 

此外，在理想的点电荷中，电场衰减与距离的平方成反比，并且因此假设了在远场的通信。同时，在包括多个不同尺寸的辐射元件片的平面天线中，电荷的形状是复杂的。因此，出现了电场成分的衰减与距离的三次方或四次方成反比。也就是说，由于距离引起的成分衰减是迅速的。因此，实现了近场中的通信。 

图1和图2例示了平面天线，其中矩形辐射元件片在辐射元件的宽度方向连接起来以形成单个辐射元件。然而，本发明的宗旨不限于辐射元件片的任何特定数量或形状。例如，期望理解导体的形状可以是曲线的。 

将参照图3来描述多个辐射元件片501至504形成的辐射元件的特定形状。 

当辐射元件片501到504分别具有宽度Wa、Wb、Wc和Wd，以及长度La、Lb、Lc和Ld时，为了减小到馈电线505的距离，为有效波长λ_g选择辐射元件片501到504的宽度和长度，所述有效波长λ_g由所期望传输的频率决定，如下面公式(9)到(14)所示，其中We表示馈电线505的宽度。 方程4 L_a≈λ_g/2…(9) W_a+W_b+W_c+W_d+W_e/2≈λ_g/2…(10) W_a＞W_b＞W_c…(11) L_a＞L_b＞L_c…(12) W_a≈W_d…(13) L_a≈L_d…(14) 

这里，考虑到传输线的阻抗，可选择适当的值作为馈电线505的宽度We。 

从上面公式(9)到(14)可以理解，图1和图2例示的平面天线可提供小于现有技术的方形贴片天线面积W×L(见图15和图16)的面积。 

如上所述，根据本发明实施例的平面天线装置表现出现有技术的天线装置所没有的宽频带特性，并且还可在邻近的环境中操作。此外，该平面天线可通过接地表面来维持诸如平面天线的原始指向性和电学部件稳定性的特征。 

随后，为了描述在图1和图2所例示的平面天线的近场中的特性，下面将比照现有技术的贴片天线的仿真结果来描述该平面天线的仿真结果。 

图4例示了一种状态，其中以30mm的天线间距来布置两个贴片天线，使得天线的各辐射元件彼此面对。假设图中例示的贴片天线具有图15和图16所例示的现有技术的设计。同时，图6例示了一种状态，其中类似地以30mm的天线间距布置图1和图2所例示的两个平面天线，使得天线的各辐射元件彼此面对。假设在每个天线中，中心频率被设置为大约5GHz。此外，图5示出了图4例示的天线对的反射特性S11和传输特性S21的相应仿真结果。此外，图7示出了图6例示的天线对的反射特性S11和传输特性S21的相应仿真结果。 

反射特性S11是表示天线谐振的量。通常认为该量的值越小，谐振越强。同时，传输特性S21是表示两个天线间传输了多少电能的量。通常认为该量的值越大，输入信号就越有效的被传输到输出侧。 

[48]在图7的反射特性S11中观察到，没有产生强的谐振。即，可以说图1和图2例示的平面天线不是作为其中驻波仅被限制在辐射元件特定部分的谐振天线，而是作为其中磁场(电流)在不同长度的导体部分中传播的行波天线。本发明人认为该特性是拓宽平面天线频带的一个因素。 

[49]此外，通过比较图5和图7的传输特性S21可以确定，图1和图2例示的平面天线的可传输频带在近场中是宽的。此外，在大约5GHz频率下，图15和图16例示的贴片天线的相对带宽(＝频带除以中心频率)仅为大约10％，而图1和图2例示的平面天线可具有大约30％的相对带宽。 

[50]通常，在介电多层板上在其背表面包括地的平面贴片天线具有窄频带(沿着形成辐射元件的导体板末端边沿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，并且电流的波长受介电材料的介电常数支配。即，可传输和可接收的无线电波的频带被限制在介电材料的预定的介电常数所支配的狭窄范围)。因此，为了保证图15和图16例示的现有技术的贴片天线中的宽带特性，通常使用天线背表面不包括地的结构。同时，如上所述，图1和图2例示的平面天线在天线背表面包括地，并且同时具有宽频带特性。因此，该平面天线有助于简化电子设备的外壳结构的设计。 

[51]图8例示了来自图1和图2所例示的平面天线的无线电波的辐射。其中，类型：远场，相邻：允许(kR＞＞1)，监视器：远场(f＝5.0)[1]，分量：绝对值，输出：指向性，频率：5，辐射效率：0.9421，总效率：0.4170，Dir.：6.346dBi。在图中，天线辐射的电磁场强度以灰度级示出。该图示出了从白色区域的无线电波的最强辐射，并且还使用接近黑色的颜色示出了强度的降低。从图中可以理解，辐射的方向垂直于天线表面。此外，介电基底的接地表面上不太可能产生无线电波。因此，平面天线的指向性能够设置在向前方向。 

[52]图9到图14以等高线方式例示了图1和图2例示的平面天线分别在4.5GHz、5.0GHz和5.5GHz下的电场强度分布和磁场强度 分布。 

图9中，类型：电场(峰)，监视器：电场(f＝4.5)[1]，分量：绝对值，最大：18732.9V/m at1.44/7.2/1.5，频率：4.5，相位：0度。 

图10中，类型：磁场(峰)，监视器：磁场(f＝4.5)[1]，分量：绝对值，最大-3d：67.7467A/m at-7.2011/-2.61387/0.725，频率：4.5，相位：90度。 

图11中，类型：电场(峰)，监视器：电场(f＝5.0)[1]，分量：绝对值，最大-3d：18130.4V/m at-5.9195/-6.90229/1.5，频率：5，相位：0度。 

图12中，类型：磁场(峰)，监视器：磁场(f＝5.0)[1]，分量：绝对值，最大-3d：47.41A/m at-14.1409/-0.474/0.725，频率：5，相位：90度。 

图13中，类型：电场(峰)，监视器：电场(f＝5.5)[1]，分量：绝对值，最大-3d：20731.9V/m at-14.1409/7.2/1.5，频率：5.5，相位：112.5度。 

图14中，类型：磁场(峰)，监视器：磁场(f＝5.5)[1]，分量：绝对值，最大-3d：75.0429A/m at-2.18659/-7.25/0.725，频率：5.5，相位：22.5度。在每个图中，以灰度级示出电场或磁场的强度。白色表示最高强度，而黑色表示最低强度。 

[53]首先，参照图9、11和13，在各个频率间比较图1和图2例示的平面天线的电场强度。根据比较可以理解，电场的最强区域随频率而变化。该结果表明辐射元件上的各种位置辐射不同频率的电场，并且该特性是用于加宽平面天线频带的一个因素。 

[54]随后，参照图10、12和14，在各个频率间比较图1和图2例示的平面天线的磁场贡献。根据比较可以理解，各自具有强磁场的区域分布在天线导体的边缘。如图7所示，在反射特性S11中的目标频带中缺少强谐振。因此，本发明的平面天线被认为是不作为其中驻波仅被限制在辐射元件上特定部分的谐振天线，而是作为其中磁场(电流)在不同长度的导体部分中传播的行波天线。此外，本发明人 认为该特性是用于加宽本平面天线频带的一个因素。 

[55]本领域普通技术人员应当理解，只要在所附的权利要求或其等同的范围内，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 (2)

1.一种平面天线装置，包括：

介电层；和

将所述介电层上下夹在中间的两个导体层，

其中下导体层用作地，以及

其中上导体层形成辐射元件，所述辐射元件具有其中四个或更多个不同尺寸的辐射元件片被连接至馈电线的结构，

其中所述辐射元件片分别成形为不同宽度和长度的矩形形状，并且在辐射元件的宽度方向被连接以形成单个辐射元件，

其中，当所述辐射元件包括分别具有宽度W₀、W₁、...、W_N-1和长度L₀、L₁、...、L_N-1并且在宽度方向连接至具有宽度W_N的馈电线的N个辐射元件片时，为由所期望传输的频率决定的有效波长λ_g选择所述辐射元件片的宽度和长度，如下面公式(1)到(6)所示：

L₀≈λ_g/2                        …(1)

$\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i+W_N/2\≈{\mathrm{\λ}}_g/2\·\·\·\left(2\right)$

W₀＞W₁＞…＞W_N-2                 …(3)

L₀＞L₁＞…＞L_N-2                 …(4)

W₀≈W_N-1                         …(5)

L₀≈L_N-1                         …(6)

其中N表示大于或等于5的整数，并且W_i的下标表示从0到N-1的范围的整数，其按照到馈电线的距离减小的顺序被分配给每个辐射元件片作为序号，以及

其中考虑传输线的阻抗来选择馈电线的适当宽度W_N。

2.根据权利要求1的平面天线装置，安装在印刷板材料或包括导体层和介电层的交替层叠的介电多层板上。

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