CN1351392A - 天线 - Google Patents

Abstract

提供了一种可以提高谐振部的电感值、能获得高增益的小型天线。在具有电感部1和电容部2并联电连接而构成的谐振部E1、E2的天线A中,电感部1、1的构成包括由以轴线L1、L2为中心的螺旋结构的四角形状的导体形成的线圈部1a、1b,在线圈部1a、1b的两端形成的开口部14a、14a和开口部14b、14b构成为大致包含在相对轴线L1、L2倾斜的平面内。

Description

天线

技术领域

本发明涉及特别适合装入包含收发电波的各种通信装置且具有收发电波的功能的各种设备中使用的小型天线。

背景技术

近年来，由于对包含收发电波的各种通信装置且具有收发电波的功能的各种设备需求量的增加，越来越多地使用在从几百MHz到几十GHz的频带中使用的天线。不用说，在移动通信、下一代交通系统和自动验票等使用的非接触卡等方面需要大量使用，此外，在互联网家电的无线化、企业内的无线LAN、蓝牙等不使用长长的、很麻烦的电缆而利用无线进行数据收发的方法中也需要大量使用，可以预见，在这些方面具有广泛的用途。进而，可以用于利用无线从各种终端收发数据，对于利用电波交换水、气体和其它安全管理所必要的信息的遥测系统和金融终端的POS系统等的普及，其需要量也在提高。其它，还包括在卫星广播接收机小型化的电视等家用电器和自动售货机方面的应用等，其应用范围相当宽广。

上述应用于各种具有电波收发功能的设备中的天线，到目前为止，其主流产品是附设在机箱中的可自由伸缩的单极天线。此外，已知的还有伸出机箱外部很短的螺旋天线。

但是，单极天线使用时需要伸出来很长，故操作麻烦，而且还具有伸出的天线部分容易损坏的缺点。螺旋天线因由空心线圈形成的天线本体由树脂等覆盖保护，故往往外形尺寸大，若固定在机箱外面，不可避免地存在外形不好看的问题。但是，仅仅使天线小型化，增益同时也会下降，电波收发系统的电路庞大，功耗显著增加，必然增大电池体积，结果，存在不能谋求设备整体小型化的问题。

因此，试验利用由电感分量和电容分量构成的谐振电路来构成收发电波的谐振部，由此，从电路上来实现小型的高增益天线。

但是，在由上述谐振电路形成的天线中，若使电路小型化，则难以得到足够的电感值，即使使用线圈形状电感，还会存在其开口面积不能取得太大的问题。例如，我们知道的有通过通孔使在基板的正反两面形成的导体图形电连接而构成的线圈，但这时，线圈的开口面积受基板厚度和宽度尺寸的限制。当然，若基板很厚，很宽，则可以得到大的开口面积，但这样一来不能谋求天线小型化。此外，若线圈匝数多，当然电感值也大，因导体在高频使用时必须离开一定的间隔，故存在匝数越多天线越长的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题提出的，其目的在于提供一种可以提高谐振部的电感值，能得到高增益的小型天线。

本发明的第1形态是具有由电感部和电容部并联电连接而构成的谐振部的天线，其特征在于：上述电感部具有由导体形成的线圈部，该导体形成以轴线为中心的螺旋状或者可近似于螺旋的角状，在上述线圈部两端形成的开口部的至少一方大致包含在相对上述轴线倾斜的平面内。

利用这样的结构，因增加了开口部的面积，同时，贯穿开口部的磁通也增加，故线圈部的电感值增加。

导体通过将包围轴线的多个圈的部分沿轴线连接而形成。若使用将轴线方向作为Z轴方向的圆柱坐标来描述导体各部分的位置，对于典型的螺旋线圈，Z轴方向的坐标随圆周方向θ坐标的变化而单调变化。因此，若假想通过θ沿导体变化360°时导体的始点和终点在Z轴上的坐标且相对轴线垂直的2个平面，则绕上述轴线一圈的部分除始点和终点之外这些平面不相交。若假想沿导体每一圈的这样的平面，则导体被垂直于轴线的这些平面分割。若将其推广到一般的螺旋状导体或者可近似于螺旋状的导体的情况，假想用绕导体轴线一圈的部分除始点和终点之外不相交的平面群分割导体的情况，并使绕导体轴线一圈的部分与分割该部分的一个平面对应，这样，绕导体轴线一圈的部分大致包含在分割导体的平面内(以后，只称为平面)。在线圈部两端形成的开口部由绕导体轴线一圈的部分形成，开口部大致包含在大致包含绕该轴线一圈的部分的平面内。

若开口部大致包含在相对轴线倾斜的平面内，则流过该部分的电流产生的磁场的方向大致与该平面垂直。通过该平面的磁通比平面相对轴线正交的情况大。因此，线圈部的电感值也增加。

这时，绕上述导体的上述轴线一圈的部分最好分别与上述开口部平行设置。

利用这样的结构，使通过大致包含绕导体轴线一圈的部分的平面的磁通增加，进一步增加线圈部的电感值。

此外，本发明具有多个上述谐振部，这些谐振部最好串联地电连接。

利用这样的结构，可以增加天线的增益。

再有，在本发明中，上述线圈部的上述轴线在至少两个相邻的上述谐振部中对齐成大致同一直线，大致包含相邻两个上述线圈部的上述开口部的上述平面最好正交。

通过作成这样的结构，使两个线圈部并排排列在同一直线上，天线的安装面积减小，同时，因通过一个线圈部的磁通最大时的磁场方向与通过另一个线圈部的磁通最大时的磁场方向正交，故可以得到相对垂直极化波和水平极化波的增益。

附图说明

图1是表示本发明的一实施例的图，是表示一例天线的斜视图。

图2是图1的顶视图，并且是线圈部的放大图。

图3是表示本发明的天线的等效电路的图。

图4是表示本发明的另一实施例的图，是与图2对应的线圈部的放大图。

图5是表示本发明的天线的方向性的图。

图6是表示本发明的天线的另一例等效电路的图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的天线。

图1～3表示本发明的天线的一个实施例。图中，天线A具有2个谐振部E1、E2，由这些谐振部E1、E2串联电连接而构成。谐振部E1、E2分别由电感部1和电容部2并联连接而构成。图3表示这些连接的等效电路。

谐振部E1的一端P1与向谐振部E1、E2供电的供电端口3连接。该供电端口3外部连接有与天线A的输入阻抗匹配的阻抗匹配部4。

进而，谐振部E2的一端P3与频率调整电容部5串联连接。

电感部1、1分别具有线圈部1a、1b。线圈部1a由可近似于以轴线L1为中心的螺旋的四角形状的导体形成，该导体具有：在未图示的基板表面形成的分别平行的导体图案11a、11a…；在上述基板的背面形成的分别平行的导体图案12a、12a…；以及导体部13a、13a…，该导体部13a、13a…由充填通孔的金属导体构成，该通孔是将这些导体图案11a、11a…、导体图案12a、12a…电连接并在厚度方向贯通上述基板的孔。此外，线圈部1b由可近似于以轴线L2为中心的螺旋的四角形状的导体形成，该导体具有：在上述基板表面形成的分别平行的导体图案11b、11b…；在上述基板的背面形成的分别平行的导体图案12b、12b…；以及导体部13b、13b…，该导体部13b、13b…由充填通孔的金属导体构成，该通孔是将这些导体图案11b、11b…、导体图案12b、12b…电连接并在厚度方向贯通上述基板的孔。这里，构成线圈部1a、1b的导体分别以轴线L1、L2为中心，按同一方向(在本实施例中是右螺旋方向)绕成(在本实施例中是5匝)螺旋状。更具体一点说，线圈部1a由在轴线L1方向将线匝部15a连接后形成的导体形成，该线匝部15a是按导体图案11a、线圈导体部13a、导体图案12a和线圈导体部13a的顺序在轴线L1的周围转一圈形成的，同样，线圈部1b由在轴线L2方向将线匝部15b连接后形成的导体形成，该线匝部15b是按导体图案11b、线圈导体部13b、导体图案12b和线圈导体部13b的顺序在轴线L2的周围转一圈形成的。

这两个线圈部1a、1b在连接点P2上连接在一起，使各自的轴线L1、L2在同一直线上对齐。而且，这样构成的本实施例的电感部1在约1MHz的频率下具有69nH的电感量。

图2是图1的顶视图，是从与轴线L1、L2垂直的方向看线圈部1a、1b部分的放大图。

如图所示，导体图案11a、11a…分别平行且与轴线L1所成的角度为角度α，导体图案12a、12a分别平行且与轴线L1所成的角度为比角度α浅一点的角度β。角度α和角度β的平均值近似等于45°。此外，导体图案11b、11b…分别平行且与轴线L2所成的角度为角度α，导体图案12b、12b分别平行且与轴线L2所成的角度为比角度α浅一点的角度β。角度α和角度β的平均值近似等于45°。

线圈部1a由使线匝部15a(绕轴线一圈的部分)在轴线L1方向连接形成的导体形成，该线匝部15a以导体图案11a的中点为始点，按导体图案11a、线圈导体部13a、导体图案12a、线圈导体部13a和导体图案11a的顺序在轴线L1的周围转一圈，以导体图案11a的中点为终点，角度α在这里是该线匝部15a和轴线L1所成的角度。导体被相对轴线L1倾斜的、而且与图2的纸面垂直的、且横切导体图案11a的中点的平面H1、H1…分割，线匝部15a、15a…形成为除线匝部15a、15a…的各始点和终点之外不与这些平面H1、H1…相交。即，线匝部15a、15a…大致包含在倾斜的平面H1、H1…中。此外，因导体图案11a、11a…、导体图案12a、12a…分别平行形成，故线匝部15a、15a…也相互平行形成。因位于导体两端的线匝部15a、15a形成开口部14a、14a，故开口部14a、14a也大致包含在倾斜的平面H1、H1中。

同样，线圈部1b由使线匝部15b在轴线L2方向连接形成的导体形成，该线匝部15b以导体图案11b的中点为始点，按导体图案11b、线圈导体部13b、导体图案12b、线圈导体部13b和导体图案11b的顺序在轴线L2周围转一圈，以导体图案11b的中点为终点，角度α在这里是该线匝部15b和轴线L2所成的平均角度。导体被相对轴线L2倾斜的、而且与图2的纸面垂直的、横切导体图案11b的中点的平面H2、H2…分割，线匝部15b、15b…形成为除线匝部15b、15b…的各始点和终点之外不与这些平面H2、H2…相交。即，线匝部15b、15b…大致包含在倾斜的平面H2、H2…中。此外，因导体图案11b、11b…、导体图案12b、12b…分别平行形成，故线匝部15b、15b…也相互平行形成。因位于导体两端的线匝部15b、15b形成开口部14b、14b，故开口部14b、14b也包含在倾斜的平面H2、H2中。

电容部2、2具有电容器部2a、2b。电容器部2a、2b具有在未图示的基板的一个面上分别形成的大致呈四角形状的导体图案21a、21b和在上述基板的另一个面上分别形成的导体图案22a、22b，这些导体图案21a、21b和导体图案22a、22b分别相对配置而构成。而且，谐振部E1的一个导体图案21a与供电端口3电连接，另一个导体图案22a与连接点P2电连接。此外，谐振部E2的一个导体图案21b与连接点P2电连接，另一个导体图案22b与连接点P3电连接。本实施例的电容部2在约1MHz的频率下具有30pF的电容量。

再有，形成上述电感部1、1的基板和形成上述电容部2、2的基板中间夹着以氧化铝为主要成分的未图示的绝缘层而积层并一体设置。

此外，与和供电端口3连接的天线A的输入阻抗匹配的阻抗匹配部4具有图3所示的等效电路。

此外，连接点P3与在基板面上形成的电极51连接。该基板配置成使电极51面对电感部1、1和电容部2、2，进而，夹住作为绝缘层的以氧化铝为主要成分的未图示的基板与已形成电容部2、2的基板平行重合。这样一来，天线本体B构成为一体。

天线A构成为：通过在印刷线路板基板X上安装天线本体B，在电极51和在印刷线路板上形成的电极52之间形成与谐振部E2串联连接的频率调整电容部5。即，构成为：天线本体B安装在印刷线路板X上，使电极51和电极52对置，由电极51和电极52的面积、距离和极板间的材料等决定电容值。

本实施例的天线A由2两个谐振部E1、E2串联连接构成，该谐振部E1、E2由电感部1和电容部2并联连接构成，是分别进行电波收发的谐振系统，天线A作为一个整体具有收发电波的功能。与使用单一的谐振部的情况进行比较，通过象这样排列2个以上的谐振部可以增加增益。

若从上面看开口部14a、14a和开口部14b、14b，因它是以相对轴线L1、L2近似成45°的角度α倾斜设置的，故与角度α是直角的情况相比，其开口面积增加到大约1.4倍。因此，贯通14a、14a和开口部14b、14b的磁通也增加，线圈部1a、1b的电感值增加。

通过使开口部14a、14a和开口部14b、14b倾斜设置，使线圈部1a、1b的长度确确实实地增加了图中以L表示的相应部分。但是，该长度L满足不了导体图案11a、11a和导体图案11b、11b的间距D的长度。这意味着当使用的频率在高频区而导体间的间距必须保持一定的大小的条件下，为了在不增加天线长度的情况下增加电感值，增加开口面积比增加线圈部1a、1b的圈数更有效。

进而，在象线圈部1a、1b那样，线圈间距相对线圈直径较大的情况下，因将形成导体的线匝部15a、15a…、15b、15b…作为各个回路看待，故若使线匝部15a、15a…、15b、15b…仿效开口部14a、14b，相对轴线L1、L2倾斜设置，则贯通线匝部15a、15a…、15b、15b…的磁通分别增加，线圈部1a、1b的电感值也增加。

这样，通过增加线圈部1a、1b的电感值来提高天线A的增益。

实际上，若在被覆铜的300mm见方的正方形的玻璃环氧树脂基板的一个角上形成将被覆铜剥去了的50mm×150mm的绝缘区，以该绝缘区作为其外部尺寸，放置长26mm、宽5mm、厚2mm的天线A，在供电端口一侧，一边通过阻抗匹配部4进行50Ω的阻抗匹配一边连接供给高频的电缆，再进行测定，当频率调整电容部5是2.5pF时，中心频率为453MHz，可以得到1.90dB_i的最大增益值。

另一方面，若其它条件相同，当线圈部1a、1b不倾斜，使角度α和角度β的平均值近似90°，开口部14a、14b与轴线L1、L2正交时，最大增益是1.12dB_i。

这样，通过使开口部14a、14b倾斜设置来增加贯通开口部14a、14b的磁通，可以提高天线A的增益。

再有，由频率调整电容部5的电容量来变更天线A的谐振频率，可调整、变更得到最大增益的频率。

此外，利用阻抗匹配部4，可以使从高频电路的高频电源到供电端口3连接的传输线路的阻抗与天线A的输入阻抗匹配，使传输损耗最小。

若象上述那样按照本实施例，使谐振部1a、1b的开口部14a、14a、开口部14b、14b、进而使形成导体的线匝部15a、15a…、15b、15b…相对轴线L1、L2倾斜设置，因大致包含在相对轴线L1、L2倾斜的平面H1、H2内，故增加了贯通导体的磁通，几乎不需要改变天线A的尺寸，就可以使线圈部1a、1b的电感值增加。

再有，当然，也可以只使用一个谐振部来构成天线。这时，也具有天线的功能，在上述构成中，当只有一个谐振部时，中心频率是484MHz，其最大增益是-6.05dB_i。

再有，在上述实施例中，线圈部1a、1b的导体形状取为大致相同，但也可以如图4所示那样构成为：从与线圈部1a、1b的轴线L1、L2垂直的方向看去，开口部14a、14a和导体图案12a、12a…与轴线L1形成角度α1，开口部14b、14b和导体图案11b、11b…与轴线L2成角度α2，角度α1和角度α2有不同的值，开口部14a和开口部14b正交成角度γ。

若按照这样的的结构，可以得到正好与水平极化波和垂直极化波对应的均匀的辐射图案。因此，因不必使轴线L1、L2正交，故天线(A)的安装所需面积减小，而且可以提高安装的方便性。图5示出Y-Z平面内的辐射功率图案，该辐射变成大致无方向性的辐射。作为这时的绝对增益值，最大可得到1.63dB_i，比对导体没有(倾斜)角度的情况其增益增加了0.5dB_i。

这里，图5所示的增益是在被覆铜的300mm见方的正方形的玻璃环氧树脂基板的一个角上形成将被覆铜剥去了的50mm×150mm的绝缘区，以该绝缘区作为其外部尺寸，放置长26mm、宽5mm、厚2mm的天线A的情况下测定的值。这时，在供电端口一侧，一边通过阻抗匹配部4进行50Ω的阻抗匹配一边连接供给高频的电缆，此外，终端侧的频率调整电容部5的电容值是2.2pF，由此，中心频率为478MHz，可以得到1.63dB_i的最大增益。

再有，也可以使频率调整电容部5和天线本体B分开设置，作成可容易地调整改变的结构。例如，也可以构成为，在外部串联电连接另外的电容器。进而，也可以用天线本体及作为与外部连接的频率调整电容部的电容器部来构成天线组件，把天线本体和电容器部设置成可以自由装卸，设置成可以容易地更换具有不同容量的各种电容器部，使其更容易操作。若按照该构成，可以更灵活地调整天线的谐振频率。

图6所示的天线A2专由天线本体B2构成，调整天线A2的中心频率的频率调整电容部C3与该天线本体B2分开设置，在外部与该天线本体B2串联电连接。增益的测定是在以下的情况下进行的：被覆铜的300mm见方的正方形的玻璃环氧树脂基板的一个角上形成将被覆铜剥去了的50mm×150mm的绝缘区，以该绝缘区作为其外部尺寸，放置长26mm、宽5mm、厚2mm的具有图4所示的结构的天线A2，在供电端口一侧，在通过阻抗匹配部4一边进行50Ω的阻抗匹配一边连接供给高频的电缆。在该构成中，当频率调整电容部C3的电容值是3.0pF时，中心频率为428MHz，可以得到2.42dB_i的最大增益。

本发明具有下述效果。

如上所述，按照本发明，在具有电感部和电容部并联电连接的谐振部的天线中，电感部具有线圈部，在线圈部两端形成的开口部至少一方大致包含在相对轴线倾斜的平面内，所以，线圈部的电感值增加，可以在不太增加天线全长的情况下提高天线的增益。

此外，按照本发明，绕导体的轴线一圈的部分分别与大致包含在相对轴线倾斜的平面内的开口部平行设置，所以，线圈部的电感值进一步增加，可以在不太增加天线全长的情况下提高天线的增益。

此外，按照本发明，把多个谐振部串联电连接来构成天线，所以，能够提高天线的增益。

此外，按照本发明，使相邻线圈部的轴线在大致同一直线上对齐，将多个谐振部串联电连接，使大致包含相邻两个线圈部的开口部的平面正交，这样来构成天线，所以，能以较小的安装面积得到对垂直极化波和水平极化波的增益。

Claims (4)

1、一种具有由电感部和电容部并联电连接而构成的谐振部的天线，其特征在于：

上述电感部具有由导体形成的线圈部，该导体形成以轴线为中心的螺旋状或者可近似于螺旋的角状，在上述线圈部两端形成的开口部的至少一方大致包含在相对上述轴线倾斜的平面内。

2、权利要求1记载的天线，其特征在于：绕上述导体的上述轴线一圈的部分分别与上述开口部平行设置。

3、权利要求2记载的天线，其特征在于：具有多个上述谐振部，这些谐振部在电路上串联地电连接。

4、权利要求3记载的天线，其特征在于：上述线圈部的上述轴线在至少两个相邻的上述谐振部中对齐成大致同一直线，

大致包含相邻两个上述线圈部的上述开口部的上述平面是正交的。

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