CN1293672C - 用于转发器的天线 - Google Patents

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Abstract

用于发送和接收微波辐射的天线，例如，用在用于通行费等的无线支付的转发器系统的转发器中。它具有设置在电介质天线载体或基底(11)上的一受激天线元件(13)，如设置在具有铜覆盖的塑料基面且基本适用于制作所谓的印刷电路的一印刷电路板叠片上。为增加在高生产率条件下用廉价材料生产出的天线的性能，天线元件被设置成获得主要垂直于基底(11)的支承面(12)的方向效应。

Description

用于转发器的天线
技术领域
本发明涉及用于转发器的天线，尤其涉及用于无线支付，如用于车辆的通行费的支付的转发器系统。
背景技术
Q-Free ASA已经制造上述的转发器系统多年。这些系统正在被称为“Q-Free box”的若干国家中使用。词“匣子(box)”与每一单个车辆中提供的该系统中的转发器元件有关。转发器接收来自放置在公路附近的设备的数据，并且发送单个数据返回给公路设备作为应答。
该领域内的技术开发与此同时已经转向利用5.8Hz区域内的微波辐射操作的有源转发器，该微波辐射为厘米区域内的波长。该有源转发器具有一电池和一有源通信控制器。该转发器以调幅辐射形式接收数据并以调相辐射形式发送数据。
这种转发器的最简单的实施例是耦合到一天线中的二极管，通过整流载波产生振幅解调。通过发送，二极管中的电流交替流出，并且它的反射系数因此改变，于是产生调相。该原理使得不使用转发器上的局部振荡器进行发送成为可能，且该原理被称为“反向散射(back-scattering)”。
因为这种转发器的生产率很大，所以生产散射小的转发器天线并使该生产过程尽可能简单和便宜是困难的。
容易制造的已知天线是微带天线。这种天线很容易和电路的其余部分在一基底上一起实现。微带天线的问题在于，它们是基于沿天线元件边缘的大电场密度朝向地平面产生的谐振。天线的效率和谐振频率非常依赖于基底的介电常数以及基底的厚度。因此，普通的印刷电路板叠片如“FR-4”玻璃纤维叠片不适合用于制造这种天线。最常使用的是基于PTFE(聚四氟乙烯)的优良微波叠片，但这种叠片价格昂贵，制造复杂，并且在制造过程中使用几乎不环保的处理方法。
最近，在玻璃叠片(FR-4)以及PTFE叠片，如“ROGERS 4300”之间的某些叠片已经可用，但是这仍不是能与标准叠片竞争的一种选择。
发明内容
本发明的主要目的在于制作上述类型的天线，这种天线除具有良好的天线特性外还可能使用标准叠片(FR-4)并通过这些系统的批量生产来制造，这种天线适用于大于20GHz的相当高的频率。
根据本发明，提供一种用于发送和接收微波辐射的天线，用在用于通行费的无线支付的转发器系统中，所述天线包括：具有支承面的介电天线支架；框架形或环形受激天线元件，其在设置于所述介电天线支架支承面上的第一平面中延伸；与受激天线元件位于电路板同一侧面上的极化转换器，其中，所述受激天线元件被线性地极化并设置在离该极化转换器一预定距离处，以便将线性极化辐射转换为圆形或椭圆形极化辐射；以及其中，所述极化转换器作为第一引向器操作；与受激天线元件位于电路板相对侧面上且离该受激天线元件一预定距离处的反射器；与受激天线元件位于电路板的同一侧面上且离该受激天线元件一预定距离处的至少一个寄生元件或第二引向器；其中，所述框架形或环形受激天线元件包括两个基本上相等形状的框架或环形，该两个框架或环形位于相同平面上，并且其中一个包含在另一个中，二者之间具有预定距离，以及包括一个连接到所述框架或环形的二极管以用于解调；以及连接到所述框架或环形的电容。
与所选结构的细节无关，本发明的技术方案与已知天线相比具有相当大的优点，即该天线的方向效应至少基本上横向地朝板状载体(基底)延伸。这导致根据本发明的天线具有更高的效率因素以及天线增益。此外，该天线的谐振频率几乎不依赖天线载体的电介质。在已知天线中出现的天线载波器电介质中的电场的高密度不会在根据本发明的天线中出现。连同具有高电介质性质的载体，如PTFE(聚四氟乙烯)，同样可能在毫米波的区域(30-300GHz)内使用根据本发明的天线。
基底的介电常数以及介电损耗对天线的谐振频率和介电损耗影响很小。因为批量生产很少产生散射，因此适用于高生产率生产。
关于本发明的天线的另一优点在于它有很宽的频带，通常是中心频率的10-20％。因此很适合于宽带应用。
附图说明
下面参考附图进一步描述本发明，其中
图1是支持一天线元件的印刷电路板的一部分的侧视图；
图2示出了具有图1中的天线元件的印刷电路板以及影响方向效应的附加天线元件；以及
图3示出了图1中印刷电路板和影响该天线的方向效应的附加天线元件，以及用于转换所接收到的分别从该天线元件发送的辐射的极化的极化转换器的透视图。
具体实施方式
图1示出了由电介质材料，如玻璃纤维叠片“FR-4”制成的印刷电路板或基底11的一部分，该电介质材料被用来制造印刷电路。印刷电路板11可位于前面的介绍中提到的那种转发器中，并具有天线支架的功能，在该印刷电路板的支承面12上支撑有天线元件13。该天线元件13经一天线电缆(未示出)连接到一通信控制器并且在本实例中是根据本发明的天线中的受激(excited)元件。
在本实施例中天线元件被做成一Quad(四边形)天线，然而，该天线元件不仅包括一简单的方形框架，而且还包括位于相同平面上的两个框架14和15(图3)，其中一个框架在另一个框架中。框架14和15由具有固定宽度和高度的铜线(不进一步描述)制成，并位于印刷电路板11的支承面12所在的平面中。在两个框架14和15中平行延伸的各个框架组成部分之间具有一预定的共同距离。两个框架14和15的周长可被用来实现一显著的方向效应，不需要用于放大该效应的另外的天线元件，并且该周长接近波长λ。两个框架14和15的周长的较小差别也意味着这两个框架元件的谐振频率相应地有差别，以便通过两个Quad天线元件的特殊组合来获得特定宽带效应。可通过非周期性地成形这两个框架来增加该宽带效应。
如图2和3所示的反射器16作为附加天线元件设置在印刷电路板11上与受激的天线元件相对的面上，并且与该天线元件具有一预定距离。另外，图2示出了寄生元件或引向器17、18和19的例子，其目的是根据Yagi-Uda原理放大沿支承面12延伸的天线的方向效应。
箭头20和21，包括图1中的上面和下面的曲线示意性地象征电波，并且说明了根据本发明的天线所想要实现的沿印刷电路板11延伸的方向效应。沿箭头21的方向中的辐射能量的接收和辐射被抑制，相反，使用反射器16将沿箭头20的方向放大该辐射。
使用上述元件和预防方法获得的方向性特征所产生的结果是，印刷电路板中的电介质材料不再对天线频率产生影响，并且受该天线的影响在电介质中产生的损耗保持低水平。
图3示出了设置在基片11前方的极化器或极化转换器22，同时反射器16位于基片后面。极化器用来分别将由天线元件13辐射出的线性极化微波辐射转换成圆形极化波，以及将所接收的圆形极化波转换成线性极化波。
上述天线元件，即天线元件13、反射器16、寄生元件17-19以及极化转换器22最好经空气电介质彼此辐射连接。然而，可也使用具有低介电常数和低介电损耗的泡沫材料，因为该泡沫材料可作为不同天线元件的支架。
为获得根据本发明目的的良好性能，在基底11中没有高密度电场是很重要的。因此天线元件变为具有相对低的Q值谐振器，最好该Q值在5和10之间。
天线中的两个分支被连接到在两条馈电线24的连接处的一耦合电容器23上。连接在朝向连接点的两个框架14和15之间的二极管25用作整流载波的接收器。直流电压分量施加在耦合电容器23上并且通过馈电线24导出。

Claims (7)

1、一种用于发送和接收微波辐射的天线，用在用于通行费的无线支付的转发器系统中，所述天线包括：
具有支承面(12)的介电天线支架(11)，
框架形或环形受激天线元件(13)，其在设置于所述介电天线支架支承面(12)上的第一平面中延伸，
与受激天线元件(13)位于电路板同一侧面上的极化转换器(22)，其中，所述受激天线元件被线性地极化并设置在离该极化转换器(22)一预定距离处，以便将线性极化辐射转换为圆形或椭圆形极化辐射，以及其中，所述极化转换器(22)作为第一引向器操作；
与受激天线元件(13)位于电路板相对侧面上且离该受激天线元件一预定距离处的反射器；
与受激天线元件(13)位于电路板的同一侧面上且离该受激天线元件一预定距离处的至少一个寄生元件或第二引向器；
其特征在于，所述框架形或环形受激天线元件包括两个基本上相等形状的框架或环形，该两个框架或环形位于相同平面上，并且其中一个包含在另一个中，二者之间具有预定距离，以及包括一个连接到所述框架或环形的二极管(25)以用于解调；和
连接到所述框架或环形(14，15)的电容(23)。
2、如权利要求1所述的天线，其特征在于，指定给受激天线元件(13)的至少一个附加天线元件是从包括反射器和引向器的组中选出的，并且经由介电损耗低并且为常数的介质通过辐射方式连接到该受激天线元件(13)，以便产生最低的可能的相对介电率。
3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述引向器包括极化转换器。
4、如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线的电容或阻抗被增加以便获得5-10的低Q值。
5、如权利要求1所述的天线，其特征在于，反射器(16)是一金属板。
6、如权利要求5所述的天线，其特征在于，所述极化转换器(22)是八边形的金属板。
7、如权利要求1所述的天线，其特征在于，框架或环的周长处于接收和分别发送的微波辐射的波长λ的大小范围中。
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