CN1134858C

CN1134858C - 微带天线

Info

Publication number: CN1134858C
Application number: CNB001091808A
Authority: CN
Inventors: R��Ф��; 裴宰均
Original assignee: Kasang Intelligence Tech Co Ltd
Current assignee: Kasang Intelligence Tech Co Ltd
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2004-01-14
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: KR100349422B1; EP1148581A1; ATE284573T1; EP1148581B1; KR20010096062A; CN1318880A; JP2001313518A; DE60016565D1

Abstract

一种微带天线(100)，具有地板(40)，其上至少放置一条馈线(30)；电介质(50)被层叠在地板(40)上。左辐射贴片(61)被短路到地板(40)的一端并被层叠在电介质(50)的左上面；右辐射贴片(62)被短路到地板(40)的另一端并以阵列的形式被层叠在具有排列在左右辐射贴片(61)和(62)之间之辐射隙缝(70)的电介质(50)的右上表面，使左右辐射贴片(61)和(62)之间形成电容。通过减少漏电流，微带天线可以改善增益。

Description

微带天线

技术领域

本发明涉及微带天线。具体地说，本发明涉及这样一种微带天线，通过把左辐射补片和右辐射补片排列在电介质的上表面，可以使微带天线的漏电流最小，从而使它们有相同相位的电场，并可缩小它的尺寸，另外，通过改善它的驻波系数和增益，可以制作比如便携式移动终端等各种无线通信设备，使这些设备有很宽的带宽。

背景技术

一般说来，移动无线通信主要使用的频率是在150-900MHz范围内。近年来，根据快速增加的要求，也使用1-3GHz范围内的赝微波频带的频率。

在把赝微波频带应用到移动无线通信时，个人通信服务(PSC)已使用1.7-1.8GHz的频率范围，下一代移动无线通信系统如GMPCS(1,6GHz)、IMT2000(2GHz)等将也使用赝微波频带，使得通信遍布世界所有地方。

随着因其快速发展，使便携式电话机的尺寸变得很小但质量很高，它们的天线的重要性自然就显示出来，例如，微带天线已经表现为这个领域中特殊研究的主题。

通常由于介电常数较低，基片较厚，微带天线具有较高的效率。同样，因为微带天线在低频顷刻下效率较低，而在高频顷刻下效率较高，所以，可以认为微带天线能够满足便携式电话机追求的小型化的限制条件。

同时，通常的微带天线的结构是，按照这种结构，具有λ/2谐振长度的辐射贴片被附在宽的地板上，而且呈阵列形式。在馈电点左右侧的贴片和地板之间形成电力线。如果地板在馈电点的左右侧较短，就会限制电力线的形成，因此，天线的增益较低，并使得天线小型化很困难。

微带天线有一种简单的结构，按照这种结构，电解质形成在地板上，并将矩形或圆形辐射贴片附在电解质的上表面，由此，这种结构有一定的缺点，即带宽窄而且效率低。不过，它的优点在于可以低成本制作小尺寸和轻重量的天线，因此，适合于大规模生产。

再有，由于微带天线的自由波段特性，它可按预定形式缠绕在各种装置和部件上，并能够容易地附在高速运动的物体上，所以，它被广泛用为飞行物体，如火箭、导弹、飞机的发射/接收天线。

此外，可以将微带天线与固体模块一起设计在电路板上，所述固体模块比如为振荡器、放大电路、各种衰减器、开关电路、调制器、混频器、移相器等。

上述微带天线可以在要求圆极化波的卫星通信系统中设计成具有一个或两个馈电点和圆形或矩形辐射贴片。另外，它也可以用于多普勒雷达、无线高度计、导弹遥测装置、武器、环境机器和它的遥感器、复合天线的发射单元、遥控接收机、生物医学的辐射器等。

原始，随着移动通信终端，如车载电话、便携式电话、无绳电话等的快速普及，由于信息处理的快速发展，这种移动通信所用的设备变得尺寸很小，这就要求天线的尺寸也要小。

图1是一般微带天线的侧视图。参看图1，一般的微带天线有两端开路的辐射贴片1，因此，贴片1的电流分布是0，而电压分布是最大值。馈电点的位置根据馈线2的阻抗值由电流分布值与电压分布值的比率确定。

另外，可以认为电力线3和5分别被分成垂直分量和水平分量。垂直分量相互抵消，这是由于相位彼此相反；而水平分量以阵列的形式存在，这是由于相位相同。

如果确定微带天线的地板6的长度较短，施加的电力线3和5的范围是有限的，这导致增益的衰减。原始，缩短地板6并不能实现天线的小型化。

一般说来，微带天线是VHF/UHF波段的部件，并要求有紧凑和轻的结构。作为目前已开发的微带天线，存在几种微带天线，例如，四分之一波长微带天线(QMSA)、柱加载微带天线(PMSA)、开窗微带天线(WMSA)、频率变化微带天线(FVMSA)等。PMSA、WMSA和FVMSA是部分改型的QMSA，因此，它们基本上都有类似的辐射图。

图2是表示常规QMSA结构的透视图。参看图2，按照常规的QMSA，构建了辐射贴片23和地板21，它们有相同的宽度W，并且，地板21沿着与辐射开路22相反的方向延伸，以提供能够安装在小尺寸无线电装置内的小尺寸天线。

特别地，按照图2的QMSA，将电解质22和辐射贴片23依次附在λg(波导波长)/2的地板21上，地板21的一端被短路到辐射贴片23，辐射贴片23的长度确定为λg/4，并有固定的频率范围。

同样，馈线24的外部导体被地到地板21上，馈线24的内部导体(芯导体)通过地板21和电解质22连接到辐射贴片23(日本电子信息学会，卷.J71-B，1988.11.)。通常可以使用聚乙烯(εr＝2.4)、聚四氟乙烯(εr＝2.5)、或环氧树脂玻璃纤维(εr＝3.7)作为电解质22。

图3表示增益比随图2中Gz的变化而变化。图3中的0(分贝)代表半波长偶极子天线的增益。对于确定辐射的增加率而言，Gz扮演着很重要的角色。图4显示按照图2的天线全波长L的增益的变化率，以及，图5显示图2辐射贴片23的宽度的增益比。

图6显示图2 QMSA的测量辐射特性。在图6中，(A)、(B)、(C)分别代表XY平面、YZ平面和XZ平面。如图6所示，可以看到，图2的QMSA是具有全向辐射图的电场天线。通过将天线的参数确定为：天线全长L＝7.67cm、Gz＝2.79cm、辐射贴片23的宽度＝3cm、电解质22的宽度＝0.12cm、介电常数εr＝2.5(聚四氟乙烯)，得到QMSA的辐射特性。

同时，当在复杂的城市环境中，驻波分布位于它的最小点时，由于信号的绕射、反射等，电场天线的发射/接收灵敏度变差，这造成通信受到干扰。

因此，电流比率设备或系统使用空间分集、方向分集、极化分集等。此时，可以安装两个或多个天线，以解决由多通道引起的低接收灵敏度。

同时，根据一种修改的微带天线PMSA(未示出)，在辐射贴片的两侧形成两个辐射开路面，将一个短路柱连接到地板，辐射贴片穿过QMSA的电介质，而不穿过短路端，馈线被放置在距离短路柱的预定位置处。尽管这种PMSA有两个开路面，但辐射图基本上与QMSA的辐射图相似。

同样，根据一种改型的微带天线WMSA(未示出)，在距QMSA的辐射贴片的预定位置处形成一个隙缝，以便有一个阻抗分量，因此，缩短了辐射贴片的长度。按照FVMSA(未示出)，QMSA的谐振频率可以根据阻抗负载值的变化以电子方式变化。

然而，常规的改型微带天线，即QMSA、PMSA、WMSA和FVMSA有一些缺点，这就是如果确定地板是比较小的，辐射开路面就变得比较窄，而且其增益衰减较大，以致它们的尺寸不可能很小。同样，如果在便携式无线通信设备中使用它们，由于建筑物的墙体和建筑物中的各种金属，使它们的场强变差，并且，由于多通路干扰，接收灵敏度将也将变差。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，并提供一种可以大大减小其尺寸而它的增益不会衰减的微带天线，并且不限制地板和辐射贴片之间的电力线的范围，以及通过在容性负载面而不是在地板上获得高增益，该微带天线具有很宽的带宽。

为实现上述目的，提供一种包括地板的微带天线，在地板上至少放置一条馈线，并有电介质层压在地板上，所述微带天线包括：左辐射贴片，它被短路到地板的一端并被层压在电介质的左上表面；还包括右辐射贴片，它被短路到地板的另一端并以阵列的形式被层压在电介质的右上表面，在电介质的右上面，左右辐射贴片之间排列有辐射隙缝，使左右辐射贴片之间形成电容，其中，所述地板包括：右地板，它具有由馈线的馈电点和电介质右下面的两个角形成的三角区，右辐射贴片被短路到右地板；具有窄宽度的连接板，该连接板从馈电点到左辐射贴片沿着右地板的高度延伸，形成电感；以及左地板，它连接到所述连接板并覆盖所述电介质的左下面。

本发明的微带天线最好还包括：具有弯曲形状的安装件，该安装件附着到左辐射贴片左端的中部、电介质的一个侧面和左地板，以提供地板能够分别安装的高度。

附图说明

通过参考附图描述其优选实施例，将使本发明的上述目的、其它特点和优点变得愈加明显，其中：

图1是表示一般微带天线的侧视图；

图2是表示常规QMSA天线结构的透视图；

图3是表示增益关于图2中Gz的关系曲线；

图4是表示增益关于图2天线全长L的关系曲线；

图5是表示增益关于图2的辐射贴片23的宽度W的关系曲线；

图6是表示沿XY、YZ和ZX方向的辐射特性视图；

图7是表示本发明微带天线结构的透视图；

图8是表示本发明微带天线结构的平面图；

图9是表示本发明微带天线结构的底视图；

图10是表示本发明微带天线结构的侧视图；

图11是从本发明微带天线底部看的透视图；

图12是表示本发明微带天线的回程损耗关于频率的曲线；

图13是表示本发明微带天线的驻波系数关于频率的曲线；

图14是说明本发明微带天线的史密斯圆图；

图15是说明本发明微带天线的辐射图样的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明本发明的结构和工作顷刻。

图7是表示本发明微带天线结构的透视图。

如图7所示，本发明的微带天线包括层压在地板40上的电介质50。在电介质50的上表面，左辐射贴片60按与地板40一端短路的方式被定位，右辐射贴片62按与地板40另一端短路的方式被定位。在左右贴片之间有一个隙缝(左右贴片之间彼此间隔0.5mm，隙缝被称为辐射隙缝70)。

由隙缝70形成的微带天线能够在左辐射贴片61和右辐射贴片62之间加载电容量，使得不会限制电力线的形成，以致天线更容易被小型化。容性负载一侧的增益增加，超过地板40上的增益，使它具有大增益的辐射图，因此，该天线最好被用作PCS服务波段的天线。

特别是微带天线100的增益在相对于地板40的容性负载面增加1至1.76分贝，并有最大电场为2分贝的辐射图，该增益大于以前的偶极子天线的增益，因此，最好用在各种无线装置中。

另外，采用本发明的微带天线100，可以调整电介质50的厚度和容性负载侧的宽度，以增加或者减小所述带宽和所述增益，可以按可变的方式调整馈线30的馈电点位置，以消除馈线馈电点的边缘效应，因此，有效地克服了馈线的不确定分布。

图8是表示本发明微带天线结构的平面图。

本发明图8的微带天线100是一个实例，其中，当全长l₁是25mm、左贴片61的长度l₂是14.5mm、右贴片62的长度l₄是10mm时，考虑辐射隙缝70的宽度，即长度l₃是0.5mm，宽度W1是15mm。

图9是表示本发明微带天线结构的底视图。

如图9所示，作为所述微带天线接地用的地板40过程一个使馈线30定位的馈线点。馈线30的芯导体经地板40和电介质50向着靠近辐射隙缝70的右辐射贴片的宽度中心延伸。馈线30的外部导体连接到地板40。馈线30间隔分开，并与左右辐射贴片61和62中的每一个分开，在此状态下，使电介质50插入所述二贴片之间。由于电介质50使馈线30与左右辐射贴片61和62中的每一个电耦合。

地板40包括右三角地板41，它具有从馈线30的芯导体延伸到电介质50的两个角的区域，右辐射贴片在该区域被短路。地板40还包括从馈线30的芯导体向左辐射贴片61延伸的连接地板42，左地板43覆盖电介质50的下表面。

如图9所示，由于与馈线30连接的地板40的连接地板42的两侧是开路的，所以该两侧的电流分布是0，而电压分布变为最大。如果微带天线100的全长是25mm，则最好右地板41的高度l₅是5mm、连接地板42的长度l₆是6mm、左地板43的长度l₇是14mm。另外，如果微带天线100的全长l₁是15mm，则最好将微带天线100设计成，使馈线30的芯导体连接在距电介质50一端为7.5mm的点处，即电介质的宽度中心处，连接地板42的宽度W2是2mm。另外，如图10所示，微带天线100的总厚度H1是3.2mm。

本发明上述实施例微带天线100包括具有两侧为开路的地板40，以所述连接板作为标准线，因此，提供了将在下面解释的固有特征。为了保持这些固有特征，必须把地板40安装到比如远离便携移动终端(无线电话)的印刷电路板上，微带天线100将安装到该移动终端上。

图10是表示本发明微带天线结构的侧视图。

在本例中，地板40直接安装在便携移动终端的印刷电路板上，这是由于取连接板作为基线两侧被开路是没有意义的，将地板40从左辐射贴片61的中心通过电介质50的侧面弯曲到左地板43，并有一个弯曲安装件80，以给出偏离印刷电路板的高度H2。例如，安装件80保持微带天线100偏离移动终端的印刷电路板的高度是3mm，使得地板40的功能可以达到最大。

最好，安装在左辐射贴片61上表面和左地板43下表面上的安装件80的长度T1分别是3mm，并且宽度S1是8mm，弯曲宽度S2是2mm，长度T2是2.7mm。

采用上述结构，本发明的微带天线100被用作飞行物体，如火箭、导弹、飞机等的发射/接收天线，而且可将本微带天线与固体模块一起设计在电路板上，所述固体模块是例如振荡器、放大电路、各种衰减器、开关电路、调制器、混频器、移相器等。

以下说明将本发明的微带天线应用于便携式移动终端的实施例。

便携式移动终端中使用偶极子天线、八木天线等。偶极子天线是半波长谐振天线，具有全方向辐射的特性，使得它被用作蜂窝通信中移动终端的天线和小中继服务天线。八木天线由层叠的偶机子天线构成，用以提高方向增益，它被用作为小中继天线。

此外，微带天线100用于个人移动通信服务，如使用蜂窝电话和个人通信服务、无线本地环路服务、未来公众陆地移动电信系统、包含在基站与移动终端之间发射和接收信号之卫星通信的各种无线通信。

同时，由于现有的微带层叠天线是谐振天线，它的缺点是频率的带宽很窄和增益较低。因此，必须层叠或排列大量贴片。这导致增加天线的尺寸和厚度。为此，要将现有技术的天线安装在个人移动终端、移动通信中继器、无线通信设备上等都是很困难的。

本发明的微带天线通过把左辐射补片和右辐射补片分开排列在电介质的上表面，使漏电流最小，以致使它们有相同相位的电场，并可以使它的尺寸最小，于是，通过改善它的驻波系数和增益，可以制作各种如便携式移动终端的无线通信设备，这些设备有很宽的带宽。

图12是表示本发明微带天线的回程损耗关于频率的曲线。

从图12中将说明，在本发明的微带天线中，它的服务波段是在1,750至1,870范围内，带宽在120MHz以上(大约在160MHz以上)，所以它可以较容易地适应个人通信服务。

特别是本发明的微带天线表明，由于在1,750至1,870MHz范围内的回程损耗是-10分贝，所以反射电流的损耗值是非常小的。此外，它的带宽被很宽地保持在120MHz量级。

图13是表示本发明微带天线的驻波系数关于频率的曲线，其中在个人通信服务的频带内，对于50Ω谐振阻抗的最大驻波系数是1∶1.06至1.76。

假定，在微带天线中理想的驻波系数是1，则在标记1处，驻波系数是1.768，频率是1.75000GHz，在标记2处，驻波系数是1.1613，频率是1.78000GHz，在标记3处，驻波系数是1.4269，频率是1.84000GHz，在标记4处，驻波系数是1.80664，频率是1.87000GHz。因此，对于在0.12GHz带宽内的50Ω谐振阻抗的驻波系数是最适宜实际的。

此外，对于由基站或中继站的发射/接收而言，本发明微带天线100的辐射增益应被有效地实现。作为电磁波不在其中受到反射的室内传导的辐射增益的测量结果，可以发现，沿所有方向获得0.5至1.3分贝的辐射增益。

图14是说明本发明微带天线的史密斯圆图。

假定，在个人通信服务的频带内的谐振阻抗是50Ω，在标记1处，阻抗是33.660Ω，频率是1.75000GHz，在标记2处，阻抗是44.160Ω，频率是1.78000GHz，在标记3处，阻抗是59.616Ω，频率是1.84000GHz，在标记4处，阻抗是47.864Ω，频率是1.87000GHz。因此，在0.12GHz带宽内的谐振阻抗是在34至60Ω的范围内被实现的，特别地，标记1和2时的谐振阻抗接近50Ω。

图15是说明本发明微带天线的辐射图样的示意图。

本发明的微带天线实现了如图15所示的全向方向图，因此，解决了方向性问题。

应予说明的是，Y轴表示分贝的幅值，线A表示1.74GHz，线B表示1.78GHz，线C表示1.8GHz，线D表示1.84GHz，线E表示1.87GHz，因此，实现全向方向图样。

采用上述结构，因为在馈线的外部导体中没有漏电流流动，所以，不需要在便携无线系统中设置匹配电路。此外，由于它是由加载电容量构成的，所以在地板40、右辐射贴片62和左辐射贴片61之间的电力线是没有限制的。因此，使它的尺寸小而不会减小它的增益。

因为左辐射贴片61和右辐射贴片62由辐射隙缝70分开，使得整个辐射贴片具有相同相位的电场，所以能够解决低接收灵敏度的问题。

特别是微带天线100关于相对于地板40的容性负载一侧的增益增加了1至1.76分贝，并且具有比现有偶极子天线大的2分贝的最大电场辐射图，使得它可被有效地用作为PCS服务波段的天线。

另外，采用本发明的微带天线100，可以调整电介质50的厚度H1和容性负载侧的宽度，以增加或减小它的带宽增益，能够可变地调整馈线30的馈电点，以消除发生馈线馈电点的边缘效应，因此，有效地克服了馈线的不确定分布。

再有，增益的增加出现在容性负载部分而不在地板40处。于是，本发明的微带天线100能够有高增益的辐射图样。

本发明的微带天线可以用作为飞行物体的发射/接收天线，例如，火箭、导弹、飞机等，并可以将基片与固体模块设计在一起，所述固体模块是振荡器、放大电路、各种衰减器、开关电路、调制器、混频器、移相器等。此外，微带天线100用于个人移动通信服务，如使用蜂窝电话和个人通信服务、无线本地环路服务、未来公众陆地移动电信系统、包括在基站和移动终端之间发射和接收信号的卫星通信的各种无线通信。

尽管已参照附图描述了本发明，但应理解，这种描述并未将本发明限定于附图所示的实施例，仅只是用以说明本发明。本领域的技术人员将能理解，从说明书中揭示的实施例可以做出各种改形和变型。因此，本发明的范围应由所附各权利要求确定。

Claims

1.一种微带天线(100)包括：地板(40)，其上至少放置一条馈线(30)；电介质(50)层叠于地板(40)上，还包括：

左辐射贴片(61)，它被短路到地板(40)的一端，并被并层压在电介质(50)的左上表面；右辐射贴片(62)，它被短路到地板(40)的另一端，并以阵列的形式层叠于具有排列于左辐射贴片(61)和右辐射贴片(62)之间的辐射隙缝(70)的电介质(50)的右上表面，使左右辐射贴片之间形成电容；

其中，所述地板(40)包括：右地板(41)，它具有由馈线(30)的馈电点和电介质(50)右下面的两个角形成的三角区，右辐射贴片(62)被短路到右地板；连接板(42)，它具有窄宽度(W2)，并从馈电点到左辐射贴片(61)沿着右地板(41)的高度(15)延伸，形成电感；以及左地板(43)，它与连接板(42)连接并覆盖电介质(50)的左下表面。

2.按照权利要求1所述的微带天线(100)，还包括：具有弯曲形状的安装件(80)，该安装件附着到左辐射贴片(61)左端的中部、电介质(50)的一个侧面和左地板(43)上，以便能够对地板(40)提供分开安装的高度(H2)。