CN101820102A - 天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天线，包括：偶极天线；以及无源天线元件，该无源天线元件平行于该偶极天线排列，并且具有线性结构和曲折结构，其中通过设置该偶极天线与无源天线元件之间的距离以及该曲折结构的形状和尺寸控制该偶极天线的指向性和回波损耗。

Description

天线
技术领域
本发明涉及一种天线，适于在例如无线LAN中使用的天线。
背景技术
偶极天线在水平面内是无指向性的。虽然无指向性具有保证水平面上所有方向上的辐射，但是也产生了难以在附近设置电散射体的问题。如果电散射体(金属体、任何其它电介质等)与天线的具有高辐射水平的周边部分重叠，则电磁耦合会使原本流向天线的电流流向电散射体。这会造成天线特征的恶化，例如天线的谐振频率的偏移以及天线的辐射效率的降低。
最近，从使装置紧凑和设计的观点看，需要一种内置的偶极天线。天线的加入使得金属壳、金属散热器、印刷线路板等靠近天线定位，从而引起上述天线特征的恶化。
能够解决这种问题的方案包括增加天线和无线电散射体之间的距离，以及在天线和无线电散射体之间插入无线电吸收体。增加距离的方法妨碍了整个天线的小型化，而插入无线吸收体不能减少成本。为了以较低的成本使偶极天线加入无线装置的较小的空间中，希望控制天线的指向性，以便在空间上回避附近的无线散射体。
作为控制天线的指向性的一种方式，已经提出使用线性无源天线元件控制天线的指向性(参见JP-A-2001-185947(专利文献1))。如图1A所示，专利文献1中描述的天线具有λ/2全长的公共偶极5(λ：对应于传输频率的波长)。而且，将每个具有λ/2长度的线性无源天线元件61至6n布置在与公共偶极5的轴间隔D2距离的位置，以便围绕公共偶极5。每个线性无源天线元件61至6n具有D1半径的截面。
将U形无源天线元件7布置在公共偶极5一端附近。U形无源天线元件7包括由具有D3半径和L3长度的柱形导体形成的底部7a，以及两个臂部7b，每个臂部由具有D3半径和L3长度的柱形导体形成。U形无源天线元件7用于将公共偶极5的阻抗与线性无源天线元件的阻抗匹配。
来自公共偶极5的电磁波在线性无源天线元件61至6n中产生谐振电流，以便从线性无源天线元件61至6n辐射的电磁波与从公共偶极5辐射的电磁波结合以改变辐射的方向性。
发明内容
即使仅装配线性无源天线元件61至6n中的一个，因为提供了U形无源天线元件7，专利文献1中描述的天线也不可避免地具有公共偶极5和U形无源天线元件7的立体(三维)排列。这阻止了天线具有平面(二维)结构。不能采用平面结构的事实妨碍了天线的小型化以及在印刷线路板上形成天线，而在印刷线路板上形成天线可以使成本降低。
因此，希望提供一种紧凑和低成本的天线，其指向性是可控的。
根据本发明的实施方式，提供一种天线，包括偶极天线，以及无源天线元件，该无源天线元件平行于该偶极天线排列，并且具有线性结构和曲折结构，其中通过设置该偶极天线与无源天线元件之间的距离以及该曲折结构的形状和尺寸控制该偶极天线的指向性和回波损耗。
根据本发明的另一个实施方式，提供一种天线，包括偶极天线，以及无源天线元件，该无源天线元件平行于该偶极天线排列，并且具有线性结构和螺旋结构，其中通过设置该偶极天线与无源天线元件之间的距离以及该螺旋结构的形状和尺寸控制该偶极天线的指向性和回波损耗。
根据本发明的又一个实施方式，提供一种天线，包括偶极天线，以及无源天线元件，该无源天线元件平行于该偶极天线排列，并且具有线性结构和折叠结构，其中通过设置该偶极天线与无源天线元件之间的距离以及该折叠结构的形状和尺寸控制该偶极天线的指向性和回波损耗。
根据本发明的实施方式，仅通过偶极天线和包括曲折结构、螺旋结构或折叠结构的无源天线元件就可以控制天线的指向性和回波损耗，因此该天线可以平面地构成或通过单个印刷线路板构成。这可以保证成本的降低。
附图说明
附图1A和1B是表示在先提出的天线的构造的透视图；
附图2A和2B分别是根据本发明第一实施方式的天线侧视图和顶视图；
附图3A和3B分别是根据本发明比较例的天线的侧视图和顶视图；
附图4是表示回波损耗的理论值的曲线图；
附图5是表示根据本发明第一实施方式的天线辐射图的轮廓线图；
附图6是表示具有附图3A和3B所示构造的天线的天线辐射图的轮廓线图；
附图7是本发明第二实施方式的第一个例子的侧视图；
附图8是表示本发明第二实施方式的第一个例子的天线辐射图的轮廓线图；
附图9是本发明第二实施方式的第二个例子的侧视图；
附图10是表示本发明第二实施方式的第二个例子的天线辐射图的轮廓线图；
附图11A和11B分别是根据本发明第三实施方式的天线的侧视图和顶视图；以及
附图12A、12B和12C分别是根据本发明第四实施方式的天线的侧视图、顶视图和透视图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的优选实施方式。该描述以下面的顺序给出。
<1.第一实施方式>
<2.第二实施方式>
<3.第三实施方式>
<4.第四实施方式>
虽然下面描述的实施方式是本发明技术上优先限定的优选特例，但是应当理解，本发明的范围不限于这些实施方式，除非另外特别地指定。
<1.第一实施方式>
【天线的构造】
下面参照附图2A和2B描述本发明第一实施方式。附图2A是侧视图，附图2B是顶视图。图中，侧面称作“(X-Y)平面”，顶面称作“(X-Z)平面”。如图2A和2B所示，用作供电元件的偶极天线包括偶极天线(正端)1、偶极天线(负端)3以及供电点2。将偶极天线的总长度设置为T。T的一个例子为λ/2。然而，应当注意到，也可以将该长度设置为λ/2以外的长度。
在远离偶极天线任意距离D的位置提供无源天线元件4，其在线性结构的两端具有曲折结构。距离D是偶极天线的导体中心与无源天线元件4的线性结构部分的中心之间的距离。无源天线元件4的总长度实质上等于偶极天线的总长度。例如通过印刷线路板上的导电图实现偶极天线和无源天线元件4。使用的印刷线路板是两面板，可以在该两面板的两侧上形成布线图。
无源天线元件4用于控制具有偶极天线(正端)1、供电点2和偶极天线(负端)3的偶极天线的指向性。无源天线元件4还用于获得具有偶极天线(正端)1、供电点2和偶极天线(负端)3的偶极天线与无源天线元件4之间的匹配阻抗。
可以通过调节从偶极天线到具有曲折结构的无源天线元件4的距离D，以及该曲折结构的形状和尺寸控制偶极天线的指向性及其回波损耗量。曲折结构的形状和尺寸代表折叠的数量、元件的直径(宽度)、平行折叠部分之间的间隔、折叠部分端部之间的长度等。
在(X-Y)平面和(X-Z)平面内，仅用作供电元件的偶极天线的辐射图在偶极天线的位置周围变成圆形。当高频电流从供电点2提供到偶极天线时，辐射电磁波。来自偶极天线的电磁波在无源天线元件4中产生电流。电流的幅度和相位由距离D以及曲折结构的形状和尺寸控制。从偶极天线辐射的电磁波与从无源天线元件4辐射的电磁波结合以控制指向性。
无源天线元件4用作反射体或辐射体，并且在水平面内提供具有向着无源天线元件伸出的形状的指向性。而且，从供电点2来看，接收从无源天线元件4辐射的电磁波改变了偶极天线的阻抗。
【回波损耗的比较】
附图3A和3B表示与参照附图1A和1B描述的技术相关的偶极天线的构造，其中去除了U形无源天线元件7。附图3A是侧视图，附图3B是顶视图。该偶极天线包括偶极天线(正端)8、偶极天线(负端)10和供电点9。在远离偶极天线任意距离D的位置提供线性无源天线元件11。包括偶极天线(正端)8、偶极天线(负端)10和供电点9的偶极天线对应于公共偶极5。线性无源天线元件11对应于线性无源天线元件61至6n中的一个。
附图4表示将根据附图2A和2B所示的本发明第一实施方式的回波损耗31与附图3A和3B所示的天线的回波损耗32进行比较。附图4中的横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示回波损耗(dB)，其例如采用理论值(模拟结果)。回波损耗是输入到天线的波与反射波的比。换句话说，回波损耗表示有多少从附图2A中的供电点2提供的高频信号反射和返回。较小的回波损耗代表较小的反射损耗，以及代表较好的阻抗匹配。
如图4所示，由于去除了U形无源天线元件，附图3A和3B所示的天线具有在某个频率(例如，2.4GHz)降低的回波损耗。回波损耗降低的量大约是10dB。如本发明第一实施方式(附图2A和2B)中，对无源天线元件采用曲折结构可以迅速将回波损耗减少大约20dB。从附图4可以理解，采用曲折结构实现在该频率的阻抗匹配。
【第一实施方式的指向性】
附图5表示根据本发明第一实施方式(附图2A和2B)的(X-Z)平面的辐射图。附图6表示具有附图3A和3B所示构造的天线(构造成从专利文献1描述的相关技术的天线排除U形无源天线元件)的相同平面的辐射图。通过比较附图5和附图6比较，显然，根据本发明第一实施方式的曲折无源天线元件4对控制天线的指向性是有效的。通过进一步比较附图5和6，显然，利用曲折的无源天线元件4可以抑制向着曲折的无源天线元件4的辐射水平(-90度)。这也可以说是曲折的无源天线元件4带来的另一个效果。
<2.第二实施方式>
下面参照附图7和8描述本发明第二实施方式的第一个例子。附图7是第二实施方式的第一个例子的侧视图，附图8是第二实施方式的第一个例子的天线辐射图的图。根据第二实施方式的偶极天线包括偶极天线(正端)12、偶极天线(负端)14和供电点13。在远离偶极天线的任意距离D的位置提供曲折的无源天线元件15。例如通过双面印刷线路板上的导电图实现偶极天线和无源天线元件15。
不同于第一实施方式，在构成无源天线元件15的线性元件的偶极天线(负端)14侧集中地形成曲折结构。如图8所示，以这种方式控制(X-Y)平面的辐射图，以致上部辐射水平变强。
如图9的侧视图所示，根据本发明第二实施方式的第二个例子的天线包括偶极天线，其具有偶极天线(正端)16、偶极天线(负端)18、供电点17和无源天线元件19。在构成无源天线元件19的线性元件的偶极天线(负端)16侧集中地形成曲折结构。在该例中，如图10所示，以这种方式控制(X-Y)平面的辐射图，以致下部辐射水平变强。
<3.第三实施方式>
下面参照附图11A和11B描述本发明第三实施方式。附图11A是侧视图，附图11B是顶视图。根据第三实施方式的偶极天线包括偶极天线(正端)20、偶极天线(负端)22以及供电点21。在远离偶极天线任意距离D的位置提供具有螺旋结构和线性结构的无源天线元件23。例如通过双面印刷线路板上的导电图实现偶极天线和无源天线元件23。
将该天线构造成通过设置偶极天线与无源天线元件之间的距离D以及螺旋结构的形状和尺寸控制偶极天线的指向性和回波损耗。螺旋结构的形状和尺寸相当于螺旋圈数、导体的直径(宽度)、导体之间的间隔等。根据第三实施方式，在无源天线元件的线性结构的一端侧集中地形成螺旋结构，以便能够按照第二实施方式控制(X-Y)平面上的指向性。
<4.第四实施方式>
下面参照附图12A至12C描述本发明的第四实施方式。附图12A是侧视图，附图12B是顶视图，附图12C是透视图。根据第四实施方式的偶极天线包括偶极天线(正端)24、偶极天线(负端)26以及供电点25。在远离偶极天线任意距离D的位置提供具有折线结构和线性结构的无源天线元件27。折线结构是一种在厚度方向上变化和折叠的结构，例如可以通过使用双面板的两侧形成。
将该天线构造成通过设置偶极天线和无源天线元件之间的距离D以及螺旋结构的形状和尺寸控制偶极天线的指向性和回波损耗。螺旋结构的形状和尺寸相当于螺旋圈数、导体的直径(宽度)、导体之间的间隔等。根据第四实施方式，在无源天线元件27的线性结构的一端侧集中地形成折叠结构，以便能够按照第二实施方式控制在(X-Y)平面上的指向性。
应当注意到，本发明不限于上述实施方式，而是可以基于本发明的技术概念以不同的形式修改。虽然在上述实施方式中，无源天线元件具有与偶极天线的长度T实质上相同的长度，但是这种设置不是必须的。偶极天线的长度不限于λ/2，也可以设置成其它长度如λ/4。
本发明包含与2009年2月27日在日本特许厅申请的日本优先权专利申请JP2009-045194中公开的主题相关的主题，在此将其全部内容合并作为参考。
本领域技术人员应当理解，依据设计需要和其它因素，会出现不同的修改、组合、次组合和变更，它们都在附加的权利要求或其等价物的范围内。

Claims (6)

1.一种天线，包括：
偶极天线；以及
无源天线元件，所述无源天线元件平行于所述偶极天线排列，并且具有线性结构和曲折结构，
其中，通过设置所述偶极天线与所述无源天线元件之间的距离以及所述曲折结构的形状和尺寸控制所述偶极天线的指向性和回波损耗。
2.一种天线，包括：
偶极天线；以及
无源天线元件，所述无源天线元件平行于所述偶极天线排列，并且具有线性结构和螺旋结构，
其中通过设置所述偶极天线与所述无源天线元件之间的距离以及所述螺旋结构的形状和尺寸控制所述偶极天线的指向性和回波损耗。
3.一种天线，包括：
偶极天线；以及
无源天线元件，所述无源天线元件平行于所述偶极天线排列，并且具有线性结构和折叠结构，
其中通过设置所述偶极天线与所述无源天线元件之间的距离以及所述折叠结构的形状和尺寸控制所述偶极天线的指向性和回波损耗。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其中，在印刷线路板上形成所述偶极天线和无源天线元件。
5.根据权利要求4所述的天线，其中，所述印刷线路板是双面板，使用所述印刷线路板的两侧形成所述偶极天线和所述无源天线元件。
6.根据权利要求1至3中任一项所述天线，其中，通过所述曲折结构、螺旋结构或折叠结构相对于所述无源天线元件的线性结构的形成位置控制所述偶极天线在侧面上的指向性。
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