CN1231071A

CN1231071A - 具有宽频带和通频带功能用贴片发射器的平面式天线

Info

Publication number: CN1231071A
Application number: CN98800935A
Authority: CN
Inventors: 安东尼奥·法劳恩; 奎里诺·巴拉泽诺; 奥斯卡·加雷
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 1999-10-06
Also published as: GB9902395D0; AU8060398A; KR20000068078A; DE19880947T1; GB2331186A; WO1998056067A1

Abstract

一种微带天线(100)利用一种不对称发射结构(110)实现更宽的频带。该发射结构(110)维持至少两种谐振模,优选为差振模和共振模。一馈送系统(130,135)被耦合到该发射结构(110)上,以在不同的频率下激励各个谐振模,从而提供一通信信号的发射频带。优选的是,该天线(100)包括具有基本上不同宽度的贴片发射器(112,114),还包括一埋设的微带线(130),该微带线(130)同时向贴片发射器(112,114)馈送信号。在一个优选实施例中,天线(400)具有多模谐振结构(410),该结构(410)包括由一电介质基底(420)承载的三个电磁耦合的谐振器(412,414,416)。一馈送系统(430,435)被电磁耦合到多模谐振结构(410)上,并且激励三种谐振模,这三种谐振模一起工作以产生一通频带。

Description

具有宽频带和通频带功能用贴片发射器的平面式天线

技术领域

本发明总的来说涉及天线，尤其涉及采用贴片发射器(patch radiator)的平面式天线。

发明背景

平面式微带天线常具有搜寻便携式通信设备的特性，包括在成本、效率、大小和重量方面的优点。但是，这种天线一般具有较窄的带宽，于是限制了它的应用范围。至今已在增宽这种结构带宽的技术方面提出了几种方案。其中一种方案在1996年11月5日授予Mailandt等人的题为“AMicrostripPatch Antenna Array”的美国专利5,572,222中有述。这里，用一间隔开的贴片发射器阵列来构成一微带贴片天线(microstrip patch antenna)，这些贴片发射器由一电磁耦合的微带线馈送信号。通常，就这种结构来说，由于把发射器之间的电磁耦合看作二阶不良作用，故可忽略不计。Mailandt的结构是打算用于固定的通信设备中。对于便携式通信设备来说，大小和重量条件是至关重要的，这种结构可能并不适合。许多其他的现有技术方案也存在类似缺点。

目前的趋势是需要减小便携式通信设备的大小、重量和成本。若致力于带宽关系而在大小和重量方面没有较大的牺牲，则平面式贴片天线可以提供一部分解决方案。此外，这些天线可以在方向性和效率方面提供额外的便利条件。还有，最理想的是以一经济有效的方式提供带通作用，具有很强的抑制不良边带噪音的作用。若致力于带宽关系，则平面式贴片天线可以提供一部分解决方案，还可以提供更有效的带通滤波功能。因此，需要一种具有增加带宽和带通作用的平面式贴片天线新的解决方案。

附图简述

根据本发明，图1是一贴片天线的顶视平面图。

根据本发明，图2是图1贴片天线的剖视图。

根据本发明，图3是一种采用圆形极化的贴片天线结构的顶视平面图。

根据本发明，图4是一平面式通频带天线的顶视平面图。

图5是图4天线的剖视图。

图6是表示根据本发明所制天线试验结果的曲线图。

优选实施例详述

本发明提供一种贴片天线，它优选为平面式结构，其采用一种不对称的发射结构来实现宽频带。这种发射结构维持至少两种谐振模，其优选为差振模和共振模。一馈送系统被耦合到该发射结构上，以在不同频率下激励各个谐振模，从而为通信信号提供一个发射频带。在优选实施例中，发射结构包括承载诸如贴片发射器之类谐振结构的接地电介质基底，这些谐振结构具有相当大的电磁耦合。这些谐振结构被同时馈送信号以激励差振模和共振模，这两种谐振模以基本上相同的有效介电常数工作。当电流沿基本上相同的方向同时经过每个谐振结构时，电磁耦合的谐振结构出现一共振模。当电流沿基本上相反的方向同时经过每个谐振结构时，电磁耦合的谐振结构出现一差振模。差振模与共振模相结合产生一宽的发射频带。

本发明还提供一种天线，它优选为平面式结构，其用一谐振结构来实现宽的频带和带通滤波，该谐振结构有一特殊的几何形状和元件分布。该谐振结构维持至少三种谐振模，这些谐振模一起工作以产生一通频带，即一连续的发射频带，该频带由间隔开的截止频率下的基本发射场抵消作用(substantial radiated field cancellation)界定。一馈送系统被耦合到这种发射结构上，以激励各谐振模，从而为通信信号提供一发射频带，并且产生相反的电流，这些电流引起截止频率下发射场的破坏性叠加。在优选实施例中，该天线包括承载一谐振结构的接地电介质基底，该谐振结构由具有相当大电磁耦合的三种不同规格贴片发射器构成。这些贴片发射器优选由一电磁耦合微带线同时馈送信号。

根据本发明，图1是平面式贴片天线100的顶视平面图。图2是平面式贴片天线100的剖视图。参见图1和2，平面式贴片天线100包括：一接地电介质基底120；一发射结构110，它由基底120承载或支撑；和一馈送系统130、135。电介质基底120由电介质材料层122和导电材料层124构成，导电材料层124起地平面作用。在优选实施例中，所用的电介质材料是氧化铝材料基底，其介电常数约为十(10)。馈送系统130、135包括埋设的微带线130，它设于地平面124与发射结构110之间。一同轴馈线135被耦合至微带线130上，以为通信信号提供一导线管。

发射结构110包括两个贴片发射器112、114，它们在受到馈送信号激励时构成谐振结构。贴片发射器112、114的形状优选为矩形，具有沿波的传播方向150所测的长度(这里称作“谐振长度”)和垂直于谐振长度所测的宽度。根据本发明，这些谐振结构形成一种不对称的几何结构，其中在一特定的工作频带中表现出互补的谐振模，如差振模和共振模。在优选实施例中，用一印制在接地电介质基底120的空气-介质界面125上的宽平面式微带构成主发射器112。由一窄平面式微带构成副发射器114，它与主发射器相平行。优选使各贴片发射器相应的宽度至少相差50％。在优选实施例中，较窄贴片发射器的宽度至多为较宽贴片发射器宽度的30％。为了进行调谐，这些贴片发射器还可以有不同的谐振长度。贴片发射器的大小与位置是本发明的重要方面。贴片发射器如此放置，以使它们之间存在强电磁耦合作用。不对称结构即贴片发射器之间在宽度方面的差异，可提供具有不同相速度的不同谐振模，由此而有不同的谐振频率。

限定谐振结构112、114的大小以使其在靠近的频率处有不同的谐振模，这些频率优选在相互为百分之十的范围之内。其结果是增大天线的整体工作带宽。使微带馈送结构处于能对每个贴片发射器施加不同的激励的位置。可以将整个激励视为一差振模激励和一共振模激励的叠加。对于该发射结构所维持的共振模和差振模这二者来说，宽贴片发射器的存在对基底内电磁能产生更大的限制。这导致差振模与共振模以一基本相似的有效介电常数工作，这些介电常数优选在相互为百分之十的范围之内。各发射器之间在宽度方面的基本差异，使得发射结构不对称，并且能产生差振模和共振模，被用来实现一较宽的连续发射频带。

工作过程中，微带线130提供一信号，该信号同时激励发射结构的差振模和共振模，在它们各自的谐振频率处产生最大的激励作用。在优选实施例中，微带线130在窄贴片发射器的下面横穿，而且在宽贴片发射器处或其附近终止。该特殊的不对称性在流过宽发射器更大电流的发射方面占有优势。

因此，本发明提供一种具有一发射结构的天线，该发射结构维持至少两种不同的发射模，例如差振发射模和共振发射模。一馈送系统被耦合至该发射结构上，并且在不同的频率下激励各发射模，以提供信号传输的发射频带。该馈送系统优选为一微带线，其在谐振结构内同时激励不同的谐振模。

根据本发明，图3是一具有圆形极化的平面式贴片天线300第二个实施例的顶视平面图。这里，三个贴片发射器312、314、316构成一发射结构，该结构设置于接地电介质基底320上，两条微带线332、334向贴片发射器312、314、316提供正交90°时间相移馈送信号。如前所述，贴片发射器相组合以构成一种不对称几何结构，该结构产生具有基本相同有效介电常数的不同谐振模。第一窄贴片发射器314靠近宽贴片发射器312，从而使二者之间有一相当大的电磁耦合。发射器312、314二者皆由埋设的微带线馈送信号，该微带线在窄贴片发射器314的下面横穿，而且在宽贴片发射器312的下面终止。第二窄贴片发射器316靠近宽贴片发射器，但与第一窄贴片发射器相垂直。另一微带线334横穿窄贴片发射器316，而且在宽贴片发射器312的下面终止。

根据本发明，图4是平面式通频带天线400的顶视平面图。图5是天线400的剖视图。参见图4和5，天线400包括：一接地电介质基底420；一发射结构410，它由基底420承载或支撑；和一馈送系统430、435。电介质基底420由电介质材料层422和起地平面作用的导电材料层424构成。在优选实施例中，氧化铝材料基底被用作介电材料，其介电常数约为十(10)。馈送系统430、435包括埋设的微带线430，其设置于地平面424与发射结构410之间。同轴馈线435被耦合至微带线435，以为通信信号提供一导线管。

在典型的实施例中，发射结构410包括三个在同一平面内分开设置的贴片发射器412、414、416，在受到一个馈送信号适当激励时发生谐振。贴片发射器412、414、416的形状优选为矩形，具有沿波的传播方向450所测的长度，这里称作“谐振长度”，还有垂直于波的传播方向450所测的宽度。这些贴片发射器形成一种多模谐振结构，其中在一特定的工作频带中表现出三种基本的谐振模。用一印制在接地电介质基底420的空气-介质界面425上的宽伸长平面式微带构成主发射器412。由窄伸长平面式微带构成两个副发射器414、416，它们与主发射器412相平行并且位于其对侧，其中窄伸长平面式微带印制在空气-介质界面425上。优选的是，窄贴片发射器414、416各自的宽度与宽贴片发射器412的宽度至少相差50％。为了进行调谐，贴片发射器412、414、416还可以在沿波的传播方向所测的长度上有所不同。这些贴片发射器的大小与位置是本发明的重要方面。贴片发射器412、414、416如此放置，以使其间存在强电磁耦合作用。主贴片发射器412与副贴片发射器414、416之间在宽度方面的差异，可提供具有不同相速度的不同谐振模，由此而有不同的谐振频率。

在优选实施例中，微带线430在一个窄贴片发射器414和宽贴片发射器412的下面横穿，而且在另一窄贴片发射器416处或其附近终止。微带线430提供一信号，该信号同时激励发射结构410的基本谐振模。

限定相邻谐振结构412、414、416的大小以使其在靠近的频率处有不同的基本谐振模，这些频率优选在相互为百分之十的范围之内。其结果是增大天线的整体工作带宽。使微带馈送结构处于能在两个频率处或其周围对至少两个贴片发射器施加不同的激励的位置，这两个频率界定通频带。这里将这两个频率称为“截止频率”。整个激励产生三个谐振模的叠加，这三个谐振模一起工作以产生截止频率所界定的通频带。在截止频率之间，谐振模的激励导致产生一个由各种发射器所发射场的基本构造性叠加。在截止频率处，谐振模的激励在至少两个发射器中产生相反的电流。相反的电流产生被发射场的基本破坏性叠加。

图6表示根据本发明所制通频带天线一实例的比较增益与标准化频率之间关系的曲线。可以看出，在频率0.96f₀～1.04f₀之间存在一宽通频带，其中f₀是该通频带的中心频率。对于0.96f₀～0.97f₀范围内的频率来说，增益有一锐减。类似地，对于1.03f₀～1.04f₀范围内的频率来说，增益有一锐减。该增益锐减是由谐振模的破坏性叠加引起的。其间，谐振模的构造性叠加出现在0.97f₀～1.03f₀范围内的频率下，产生一相当大的增益。这样，例如，根据所期望的发射频带最小增益，可以在0.97f₀处或其以下选择一截止频率，而在1.03f₀处或其以上选择另一截止频率。

本发明提供一种天线，它具有至少能维持三种基本谐振模的发射结构。一馈送系统被耦合至该发射结构，且在不同的频率下激励各谐振模以提供一发射频带。在截止频率下，该发射结构不同部分处的发射场之间的差异产生界定通频带的场抵消作用。在优选实施例中，这些差异由电磁耦合贴片发射器上的相反发射电流产生，这些发射电流产生于截止频率处。窄贴片发射器与宽贴片发射器相结合以及微带馈送，可提供一个宽发射频带，其在截止频率处或其周围有一显著的增益锐减与频率关系。

本发明的原理可以用来形成变形的各种天线结构，这些结构能使工作带宽有相当大的改进。例如，可以互换宽贴片发射器与窄贴片发射器的相对位置以形成其他有用的结构。通过利用能表现出差振和共振模的不对称形状来扩展带宽，可以将平面式贴片天线用于便携式通信设备以减小其尺寸、重量和成本，并改善其方向性，提高其效率。

本发明的原理还可以用来形成变形的各种天线结构，这些结构能使工作带宽有相当大的改进，同时具有带通滤波功能。例如，可以互换宽贴片发射器与窄贴片发射器的相对位置以构成其他有用的构造。所述天线以其小外形尺寸实现其宽频带和滤波特性，以使其适用于必须满足尺寸、重量和成本方面严格约束条件的便携式通信设备。例如，在优选实施例中，发射结构所占的表面积约为0.25λ²，其中λ是由与主发射器有相同宽度的微带线所维持的基本引导模的波长。此外，对于优选实施例的电介质材料来说，可将具有适当带宽的天线构造成整体厚度小于λ₀/60，其中λ₀是真空中的波长。这种厚度基本上小于一般具有相似带宽的现有技术天线所得到的厚度。

Claims

1．一种天线，包括：一发射结构，它维持至少两种不同的发射模；和一馈送系统，其被耦合到所述发射结构上，而在不同的频率下激励至少两种不同的发射模，以提供一传输信号的发射频带，其中所述至少两种不同的发射模包括一差振发射模和一共振发射模。

2．如权利要求1的天线，其中：

所述发射结构包括：

一接地电介质基底；

第一谐振结构与第二谐振结构，它们由所述电介质基底承载，并且二者之间有一相当大的电磁耦合作用，而且第一谐振结构与第二谐振结构中的每一个都有一选定的形状组合，以使第一与第二不同的谐振模以一基本相同的有效介电常数一起工作；并且

所述馈送系统被耦合至第一谐振结构与第二谐振结构，可操作地提供一信号，同时激励第一与第二不同的谐振模。

3．如权利要求2的天线，其中第一谐振结构与第二谐振结构分别包括第一贴片发射器与第二贴片发射器，每个贴片发射器具有有一波的传播方向，第一贴片发射器与第二贴片发射器在沿一垂直于波的传播方向的方向上所测得的宽度有一相当大的差。

4．如权利要求3的天线，其中第一贴片发射器与第二贴片发射器由埋设的微带线同时馈送信号。

5．如权利要求2的天线，还包括第三谐振结构，该结构由电介质基底承载，并且电磁耦合到第二谐振结构上，其中所述馈送系统包括正交90°时间相移馈送信号，这些信号被耦合至第一谐振结构、第二谐振结构和第三谐振结构上。

6．一种可在由第一与第二频率所界定的工作频带范围内工作的天线，包括：

一接地电介质基底；

三个谐振结构，它们由所述基底承载，并且相互电磁耦合，以形成一种发射结构，该发射结构可用来产生三种谐振模；

一馈送系统，其被耦合到所述三个谐振结构上，该馈送系统可用来提供一信号，以同时激励三种谐振模，从而在第一与第二频率下在所述三个谐振结构中的至少两个谐振结构上产生相反电流，所述相对电流产生所发射场的破坏性叠加。

7．如权利要求6的天线，其中所述三个谐振结构包括沿一特定方向依次设置的第一、第二和第三贴片发射器，以使第一贴片发射器与第三贴片发射器设置在第二贴片发射器的相对两侧，第二贴片发射器有一宽度，是沿所述特定方向测得的，该宽度基本上大于第一贴片发射器与第三贴片发射器的宽度。

8．一种通频带天线，包括一接地电介质基底，该基底承载三个谐振结构，所述三个谐振结构相互电磁耦合，并且被同时馈送信号，以激励三种谐振模，该三种谐振模一起工作以产生一连续的发射频带，该发射频带由相当大的发射场抵消作用在第一和第二频率下界定。

9．如权利要求8的通频带天线，其中所述三个谐振结构包括三个贴片发射器，排布所述三个贴片发射器并向它们馈送信号，以在第一与第二频率下在所述三个贴片发射器中的至少两个贴片发射器上产生相反电流，相反电流产生相当大的发射场抵消作用。

10．一种可在由第一与第二频率所界定的工作频带范围内工作的平面式天线，包括：

一接地电介质基底；

第一、第二和第三微带贴片，在这些贴片之间有电磁耦合，这些贴片沿一特定方向依次设置，而且所述第一、第二和第三微带贴片分别有第一、第二和第三宽度，这些宽度是沿所述特定方向测得的，第一宽度和第三宽度至多是第二宽度的30％；和

一微带线，它埋入所述基底内，并且电磁耦合到第一、第二和第三微带贴片上，该微带线提供一馈送信号以同时激励第一、第二和第三谐振模，以在第一与第二频率下在第一、第二和第三贴片谐振结构中的至少两个贴片谐振结构上产生沿相反方向流动的电流。