CN105379010A - 超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

公开了一种超宽带天线。根据本发明的天线包括：辐射体，其用于发射通过所述天线的电磁波；馈线单元，其用于向辐射体供给电信号；以及馈线匹配馈线单元，其具有矩形形状且连接辐射体以及馈线单元，天线还包括辐射体内的槽部以提高天线的效率。另外，辐射体的直径是阻抗匹配馈线单元在水平方向上的长度的2.0-3.0倍，且阻抗匹配馈线单元在垂直方向上的长度是其在水平方向上的长度的1.0-1.3倍，由此，本发明能够被应用于使用多输入和多输出与高速数据的设备，该设备借助于单一天线而确保实现超宽带。

Description

超宽带天线
技术领域
本发明涉及一种超宽带天线。
背景技术
超宽带通信是下一代无线通信技术，被称为UWB(超宽带)或者无线数字脉冲。UWB通信最独特的特征之一在于它能够使用GHz频带以及还能够每秒输出数千次到数百万次的低输出脉冲。UWB通信能够以0.5m/W的低功率发送最大可达70米的大量数据，以及还能够将大量数据发送至地下或者墙壁的后侧。UWB通信具有广泛的应用，因为它能够实现超高速的因特网接入且能够监视使用雷达功能的特定区域，以及能够在发生灾难时通过使用无线电探测及定位功能来协助救援行动。
另外，UWB通信比常规的蓝牙和IEEE802.11无线通信技术快10-20倍，但需要的功率小于移动电话或无线LAN的百分之一，以及特别地能够被用于PAN(个人局域网)，PAN经由超高速无线接口将个人电脑连接到位于办公室或房屋内的周围10米之内的外围和家用电子设备。具有UWB特性的常规天线根据服务目标而使用多种辐射器结构。在此情况下，多种类型的天线被嵌入同一个系统，从而产生由于天线干扰所造成的性能退化和由于系统内的电子系统的互耦所造成的内部噪声。
用于最小化干扰的广泛使用的方法之一是分别指定被布置在系统内部的天线区域，由此能够最小化天线干扰。特别地，天线必须与周围的辐射器保持相隔预定的空间以作为天线来展示性能，并且因此正在寻求及研究用以改进性能的各种方法。
发明内容
[技术主题]
本发明的目的是提供一种被配置成减少由于天线干扰所造成的性能恶化的超宽带天线。
[技术方案]
在本发明的一个总体方面中，提供了一种超宽带天线，所述超宽带天线包括：
辐射器，其被配置成发射通过所述天线的电磁波；
馈线，其被配置以向辐射器供给电信号；以及
阻抗匹配馈线，其连接辐射器及馈线并具有方形结构。
优选地但不是必需地，超宽带天线可以进一步包括在辐射器内的槽部，该槽部被配置成增加天线的效率。
优选地但不是必需地，辐射器的直径可以是阻抗匹配馈线的横向长度的2.0-3.0倍。
优选地但不是必需地，阻抗匹配馈线的垂直方向的长度可以是阻抗匹配馈线的横向长度的1.0-1.3倍。
优选地但不是必需地，超宽带天线可以进一步包括耦合到辐射器的上表面的金属反射贴片，该金属反射贴片的尺寸等于或者小于辐射器的尺寸。
优选地但不是必需地，辐射器可以呈圆形。
优选地但不是必需地，辐射器可以呈三角形或者比三角形具有更多个顶点的形状。
[有利效果]
根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线具有有利的效果，这是因为该天线能够被应用于使用超宽带MIMO(多输入多输出)通信以及高速数据通信的设备。
另一有利效果在于，天线更少地被由于使用超宽带而由金属和电介质导致的频率变化所影响。
又另一有利效果在于金属被布置在天线的对面并被用作贴片天线，由此天线效率能够被提高。
附图说明
图1和图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线的配置的示意图；
图3是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线的尺寸的示意图；
图4是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线可用的波长的示意图；
图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的形成有槽的超宽带天线的示意图；
图6和图7是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线中的适应于辐射器(10)的尺寸的VSWR(电压驻波比)的示意图；
图8是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线中的每个频率的天线辐射方向图的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图更充分地描述各种示例性实施方式，在附图中示出了一些示例性实施方式。然而，本发明的概念可以以不同的形式体现，且不应当被看作限于本文阐述的示例性实施方式。相反，所描述的方面旨在包括落在本公开内容的范围及新颖构思内的所有替选方案、修改以及变型。
此后，本发明的示例性实施方式将参照附图而被详细描述。
图1和图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线的配置的示意图。
根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线可以包括辐射器(10)、馈线(20)以及阻抗匹配馈线(30)。
辐射器(10)是天线通信中的元件，其被配置成朝向用于校准或方向设定的反射器而将电磁波直接发射至空间中。根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线中所使用的辐射器(10)可以呈圆形，由于直径增加时，可获得扩展至低频带的更宽的超宽带特性。
图1和图2示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线的配置，更具体地，示出了馈线位置的配置。
如图1所示，馈线(20)可以被定位在辐射器的左侧，也可以如图2所示被定位在辐射器的右侧。另外，虽然未在图中示出，馈线(20)也可以被定位在中心。馈线可以根据用户选择而被可变地定位。
馈线的位置用于改变信号的相位。当使用两个天线时，馈线可以被定位在右侧及左侧以允许两个信号之间的相位为180度。当使用三个天线时，馈线可以被定位在左侧、右侧和中心，以允许三个信号的相位为120度。另外，当使用四个天线时，馈线可以被定位在左侧、右侧，以及定位在左/右侧的馈线与中心之间的1/2位置处，以使得四个信号的相位为90度。
馈线(20)用于向辐射器供应电信号，并且是传输由辐射器接收的电波所引起的电流的位置。从馈线(20)发送至辐射器的电信号可以通过辐射器(10)而从电能被发射为无线电能。
方形的阻抗匹配馈线(30)用于连接辐射器(10)和馈线(20)。阻抗匹配馈线(30)可以通过有效地分发电信号来发送从馈线(20)供给至辐射器(10)的电信号。
图3是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线的尺寸的示意图。
参照图3，根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线可以如图1和图2所示包括辐射器(10)、馈线(20)以及阻抗匹配馈线(30)。
根据本发明的示例性实施方式的辐射器(10)呈圆形，但可以以方形而具有超宽带特性。天线可以依据辐射器的形状和尺寸而具有各种频带。
当辐射器(10)如根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线一样呈圆形时，天线可以在圆形直径增加时作为包括低频带的超宽带天线而工作。因而，圆形辐射器的尺寸即直径能够被调整以适应要使用的频带。
本发明的示例性实施方式可以利用具有直径为馈线馈线(30)的横向长度(λ)的2.5倍的圆形辐射器(10)形成。在此情况下，将馈线(20)连接到辐射器(10)的阻抗匹配馈线(30)必须恰当的被配置其尺寸以支持电波向相关辐射器的最有效辐射。因此，辐射器的直径和辐射器的垂直方向长度可以通过以下等式1和2得到，其中λ是阻抗匹配馈线(30)的横向长度。
[等式1]
直径＝2.5×λ
[等式2]
垂直方向长度＝1.15×λ
根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线可以基于上述的等式1和2来构成辐射器(10)和阻抗辐射器(30)。另外，根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线可以在满足上述的等式1和2的同时通过增加或减少λ来增大和减小。
然而，根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线的辐射器(10)的直径可以在λ的2.0-3.0倍的范围内变化。另外，根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线的阻抗匹配馈线(30)的垂直方向长度可以在λ的1.0-1.3倍的范围内变化。
也就是说，辐射器(10)的直径以及阻抗匹配馈线(30)的垂直方向长度可以分别在λ的2.0-3.0倍以及λ的1.0-1.3倍的范围内选择，并且任意满足上述范围的天线都能够执行超宽带通信。
具体而言，当阻抗匹配馈线(30)在横向长度λ的基础上增大同时保持VSWR(电压驻波比)小于2:1时，作为传递信号的频率的开始部分的值的开始频带变得低得多，从而更低的频率变成开始频带。
图4是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线可用的波长的示意图。
参照图4a至4d，从圆形辐射器(10)和阻抗匹配馈线(30)可以使用各种波长的长度，例如1.8GHz的λ/4波长(4a)、2.4GHz的λ/4波长(4b)、3GHz的λ/4波长(4c)和5GHz的λ/4波长(4d)，从而可以作为超宽带天线而工作。
因此，根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线能够使用来自同一圆形辐射器的各种波长的长度，以便可用于MIMO(多输入多输出)通信。
图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的形成有槽的超宽带天线的示意图。
参照图5，根据本发明的示例实施方式的形成有槽的超宽带天线可以在如图1-3所示的辐射器(10)、馈线(20)和阻抗匹配馈线(30)之外，还包括槽部(40)。
槽部(40)被配置成分别优化90度、120度和180度的相位角，并且除了简单的线性形状之外还可以设置成任意形状。也就是说，槽单元(40)可以根据例如槽的长度、宽度和方向等因素而展现各种特性，且可以根据具有期望频率的天线而被实现为各种形状。
图6和图7是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线中的适应于辐射器(10)的尺寸的电压驻波比(VSWR)的示意图。
图6示出了其中λ为2.4毫米的相对于每个频率的VSWR，以及图7示出了其中λ为2.5毫米的相对于每个频率的VSWR。
参照图6及图7，应当注意的是，随着λ增加，即随着辐射器(10)的直径增加，其中VSWR(变成低于2：1(图中的垂直轴)的最小点的位置移动至更小的值，这意味着作为通带的开始频率的开始频带减小至更小的值，这也意味着包括更低通带频率的天线成为可能。
具体而言，应当注意的是，尽管当λ为2.4毫米时，开始频带的频率为2.2GHz，然而当λ为2.5毫米时，开始频带的频率接近于1.4354GHz，由此进一步确保了大约765MHz的通带。
根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线可以以在PCB(印刷电路板)上的印刷形状来被制造，以由此达到减少缺陷与快速制造的效果。
虽然根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线优选地在电介质基板上以印刷形状被制造，但是根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线可以利用金属材料被制造。金属与电介质的组合也能够展示出超宽带天线的特性。另外，带孔的PIFA(平面倒F天线)结构也可以展示出超宽带天线的特性。
图8是示出了根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线中的针对每个频率的天线的辐射方向图的示意图。
图8中应当注意的是，电波辐射目前发生于根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线的全部频率上，因而根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线显然在宽频带上以高效率工作。
虽然根据本发明的示例性实施方式的超宽带天线已经参照若干有限的说明性实施方式而被描述，然而，应当理解的是，许多其他修改和实施方式能够在本公开内容原理的精神和范围内由本领域技术人员所设计。因而，应当理解的是，除非另行声明，以上描述的实施方式是不由上述描述和附图的任何细节所限定，而是应当在所附权利要求中所限定的范围之内被宽泛地理解。

Claims (7)

1.一种超宽带天线，所述超宽带天线包括：
辐射器，其被配置成发射通过所述天线的电磁波；
馈线，其被配置成向所述辐射器供给电信号；以及
阻抗匹配馈线，其连接所述辐射器及所述馈线，具有方形结构。
2.根据权利要求1所述的超宽带天线，进一步包括在所述辐射器内的槽部，所述槽部被配置成提高天线的效率。
3.根据权利要求1或2所述的超宽带天线，其中，所述辐射器的直径是所述阻抗匹配馈线的横向长度的2.0-3.0倍。
4.根据权利要求1或2所述的超宽带天线，其中，所述阻抗匹配馈线的垂直方向长度是所述阻抗匹配馈线的横向长度的1.0-1.3倍。
5.根据权利要求1所述的超宽带天线，进一步包括耦合到所述辐射器的上表面的金属反射贴片，所述金属反射贴片的尺寸等于或者小于所述辐射器的尺寸。
6.根据权利要求1所述的超宽带天线，其中，所述辐射器呈圆形形状。
7.根据权利要求1所述的超宽带天线，其中，所述辐射器呈三角形形状或者呈比三角形具有更多个顶点的形状。
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