CN1407654A

CN1407654A - 带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线

Info

Publication number: CN1407654A
Application number: CN02132240A
Authority: CN
Inventors: 江头良水
Original assignee: Houkou Electric Co Ltd
Current assignee: Houkou Electric Co Ltd
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2003-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: CN1293671C; US20030043084A1; US6762729B2

Abstract

本发明涉及用于MHz至LGHz通讯的天线。其用于解决薄形、高增益的问题，并进行加宽调谐频率频带宽度的改进。该天线对于隙缝蝴蝶结天线元件(19)，将电绝缘的无馈电元件(16)在y轴方向横跨设置。其是用于便携式无线通讯机、无线LAN(局部地区网络)的天线。

Description

带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线

技术领域

本发明涉及收发兆周～千兆周电波的天线，特别涉及薄形结构的、进行方向性方面改进的、可廉价制造的天线装置。

背景技术

图1A为公知的带反射板的平面天线的侧视图，图1B为其立体图。(图1A和图1B一起参考)符号6所示为放射板，符号5所示为反射板。

6a为放射板6的中央部，该点的阻抗为0，电流值最大，电压值为0。

从中央部6a到端部6b阻抗是连续变化的。将阻抗为50Ω的点7作为馈电点，与同轴电缆8的中心导体8a连接。上述同轴电缆8的外部导体8b与前述反射板5连接。前述反射板5和放射板6通过连接导体9，间隔尺寸L平行支承。

在该例的平面天线中，用反射板5反射的电波在箭头Z方向以最大3dBd放射。在VSWR2.0以下区域，比带宽在3％～5％以下。

图2A为对前述图1A的平面天线进行改进，得到的具有宽频带特性的公知例的侧视图，图2B是其立体图。

符号11所示为反F形天线元件，11a为接地点，11b为开放端。该反F形天线元件11的开放端11b与放射板10相对并具有一定距离，形成静电耦合容量c。该开放端11b的阻抗无限大，电流值为0，电压值最大。

在前述接地点11a，电压值为0，电流值最大。在接地点11a到开放端11b之间，这些数值连续变化。将中途阻抗为50Ω的点11c作为馈电点，与同轴电缆8的中心导体8a连接。

放射板端部6b和另一端6c之间的电波长度为半波长，支承中央部6a的支承体10也可是导体，也可是绝缘体。

图2A、图2B的公知例的比带宽为10％较弱。增益与前述例(图1A、图1B)大致相同，但有若干上升。

以上说明的公知例(图1A、图1B、图2A、图2B)的天线，其厚度尺寸(Z轴方向尺寸)比较大。如作为2.45GHz频带用的设计制作厚度为20～30mm。若频率更低则厚度更厚。

图3为公知的转接天线(patch antenna)的两个方向的视图。该转接天线的基本结构与前述图1A、图1B的公知例相同，因此天线特性也大致相同。

该转接天线由符号21和符号22所示的双层电路板构成，在该双层电路板的一侧有接地板26，在另一侧有圆形天线元件23，分别是由导通图形形成，由贯穿双层电路板的短销25进行互相连接、被导通的。

在前述圆板状天线元件23的馈电点，将接触销27进行软钎焊28，与带状线24连接。从图3结构可知，现有例中的电路板的厚度由2片电路板的厚度构成。

虽然具有结构简单的优点，但已没有进一步改进天线性能的余地。

本发明涉及改进的隙缝蝴蝶结天线。在对本发明实施方式进行说明时，首先叙述一下蝴蝶结天线和长孔天线。

图4A为公知的偶极天线。(为看图方便，在图4A～图4D中，导电部分用斑点表示)

上述偶极天线是最基本的天线，作为其变形有图4B的蝴蝶结天线，这是众所周知的。

符号12为高频电源。在图中与该高频电源连接的2处(1a，1b)、(2a，2b)为馈电点。

图4C所示的3为前述偶极天线1进行隙缝改变的天线。将金属板13的一部分去除。

同样，图4D所示的是将金属板13去除成蝴蝶结形状，得到隙缝蝴蝶结天线14。

为方便说明，将图4D所示的轴x-x称为纵向对称轴。在基本形中，纵向对称轴x-x是蝴蝶结形的六边形的两条平行边的垂直等分线。

上述隙缝蝴蝶结天线14的更详细的模式如图5所示。

14a为右边、14b为左边、14c为右上边、14d为左上边、14e为右下边、14f为左下边。

与高频电源12连接的同轴电缆8的中心导体8a与馈电点15a连接，外部导体8b与馈电点15b连接。但是，外部导体8b也可与金属板13的任意处连接。

发明内容

本发明的目的是提供：a.可制成非常薄的结构；b.由于结构简单因此制造成本降低；c.具有优异的天线特性(特别是宽频带性、高增益、方向性)；d.可构成双频带或3频带的兆周～千兆周用的天线装置。

附图说明

图1A为公知的平面天线的侧视图，图1B为该天线的立体图。

图2A为改进的加宽了调谐频率频带宽度的公知例的平面天线的侧视图，图2B为其立体图。

图3为公知的转接天线的2面视图。

图4A为公知的偶极天线的示意图，图4B是公知的蝴蝶结天线的示意图，图4C是公知的隙缝偶极天线的示意图，图4D为公知的隙缝蝴蝶结天线的示意图。

图5为前述图4D所示的公知的隙缝蝴蝶结天线的详细示意图。

图6为本发明带无馈电元件隙缝蝴蝶结天线的一个实施方式的立体图。

图7A、图7B、图7C、图7D为本发明带无馈电元件隙缝蝴蝶结天线的隙缝蝴蝶结元件部分的各变形例示意图。

图8为与前述图6不同的实施方式的立体图。

图9为上述图8所示实施方式的VSWR特性图表。

图10A、图10B、图10C、图10D分别为本发明的带无馈电元件隙缝蝴蝶结天线组的单元天线的排列示意图。

图11为本发明带无馈电元件隙缝蝴蝶结天线组的一个实施方式的立体图。

图12为表示前述图11所示实施方式的方向特性的图表。

图13为前述图11所示的实施方式的VSWR特性图表。

符号说明：1.偶极天线；1a、1b.馈电点；2.蝴蝶结天线；2a、2b.馈电点；3.隙缝偶极天线；5.反射板；6.放射板；6a.中央部；6b、6c.端部；7.馈电点；8.同轴电缆；8a.中心导体；8b.外部导体；9.连接导体；10.支承体；11.反F天线元件；11a.接地点；11b.开放端；11c.馈电点；12.高频电源；13.金属板；14.隙缝蝴蝶结天线元件；16.无馈电元件；16A、16B.无馈电元件；17.绝缘板；18.间隔垫；19A、19B、19C、19D.隙缝的蝴蝶结天线元件；20.反射板；21、22.双层电路板；23.圆板状天线元件；24.带状线；25.短销；26.接地板；27.接触销；28.软钎焊；30.双面印刷电路板；30a.一个面；30b.另一个面；31.带状线。

具体实施方式

图6为本发明的隙缝蝴蝶结天线的一个实施方式的立体图。

下面对图6与前述图5(公知例)的不同点进行说明。

细长形无馈电元件16平行于y轴、横跨架在蝴蝶结形长孔上。该无馈电元件16通过绝缘板17安装在金属板13上。是被电绝缘的。

符号15c、15d为馈电点，与同轴电缆8连接。8c为同轴电缆连接器。

反射板20与前述金属板13平行，用间隔垫18进行支承。

当没有反射板20时，本例的长孔蝴蝶结天线在箭头Z，Z′方向具有方向性，当设有反射板20时，只具有箭头Z方向的单方向性。

如本实施方式(图6)所示，垂直于纵向对称轴x-x设计有跨于长孔的无馈电元件16，通过该无馈电元件的阻抗匹配作用和变压器作用，得到宽频带的高增益。

下面，对本发明中蝴蝶结形状的变形例进行说明。

如图7A所示，在坐标轴x-y中，采用点A(α，β)、点B(α，-β)、点C(-α，-β)、点D(-α，β)、点E(0，γ)和点F(0，-γ)6个点。

如点划线所示的那样，用直线按A-B-F-C-D-E-A的顺序连接，就得到如图6所说明的基本的蝴蝶结形状。

如图7B所示，A-B和C-D分别用凸圆弧连接，可得到同样的作用和效果。

如图7C所示，D-E、E-A、B-F和F-C之间分别用凸圆弧连接。如图7D所示，用凹圆弧、非圆弧的曲线连接，也可得到与基本形状相同或类似的效果。

在图6所示的实施方式中，适当调整垫18的长度尺寸L，可得到2种频率分别谐振的双频带天线。

真正的双频带天线的结构如图8所示，将2个无馈电元件16A和16B，分别设置在与y轴同向的位置，并相邻。

同轴电缆8如图所示从金属板引出，其前端如实线所示那样与同轴电缆连接器8c连接。这样，使该隙缝蝴蝶结天线装置与无线通讯机的连接作业很容易进行。同轴电缆连接器也可如虚线8d所示那样，设计在金属板13的边缘。

图9为前述图8所示实施方式的VSWR特性图(电压驻波比图)。

在本例中调整为1.64GHz和2.18GHz谐振。通过改变前述2个无馈电元件16A和16B的形状、尺寸、位置等，可调整调谐频率和调谐频带的宽度。

图10A所示为将以上说明的长孔蝴蝶结天线(带无馈电元件)作为一个单元天线，将复数组单元天线(本例为4组)进行排列，构成天线组的一例配置图。

图10A所示的一个单元天线14K为前述图6所示的“无馈电元件及提供馈电点的隙缝蝴蝶结天线”的简略图。

后面详述的图10B、图10C及图10D的单元天线14K，具有与上述图10A的单元天线14K相同的结构。

(参考图10A)，假设与隙缝蝴蝶结天线纵向对称轴x平行的主坐标轴为X轴，与对称轴y平行的主坐标轴为Y轴。主坐标轴X、Y与蝴蝶结形的长孔(去除部分)不相交。适当的间隔尺寸参照图11在后面进行详述。

在与单元天线14K在Y轴对称的位置上配置单元天线14L。这种情况下的“对称”，不仅是指隙缝状对称，而且指在无馈电元件的形状、位置及馈电点方面均对称。

然后，在2个并排的单元天线14K和14L沿Y轴平移的位置配置2个单元天线14M和14N。

从图10A的单元天线配置可以认为：对于Y轴是严格对称的，而对于X轴并不完全对称。

即，仅从蝴蝶结形长孔(去除部分)来看，对X轴和Y轴都是对称的，但从无馈电元件的馈电点来看，只对称与Y轴而不对称于X轴。

在图10B的实施方式中，单元天线14P与前述单元天线14K不对称于Y轴，而是在沿X轴方向平移的位置配置。

并排的2组单元天线14K和14P，在沿Y轴平移的位置配置2组单元天线14M和14Q。

如上所述可以看出，图10B是与图10A不同的实施方式。

但是，从不损害单元天线的优点并提高增益的效果来看，图10A的实施方式与图10B的实施方式几乎相同。后述的图10C和图10D的

实施方式也大致相同。

图10C所示的单元天线14K和14L与图10A的2组单元天线14K、14L相同。

2组单元天线14R和14S，相对于上述2组单元天线14K和14L是对称于X轴的。

图10D所示的2组单元天线14K和14P，与前述图10B中2组单元天线14K和14P相同(即，不是对称关系，而是平移关系)。

图10D的2组单元天线14R和14T，相对于上述2组单元天线14K和14P，是对称于X轴的。

参考图10A～图10D进行说明的天线组，是按X轴方向(左右)2列、Y轴方向(上下)2列进行排列的，本发明天线组可最少由上下2行构成，一般而言可进行M列、N行排列。只是M和N的一方是1以上的整数，另一方是2以上的整数。

像图10A～图10D那样2列2行排列，通过对称和平移的不同组合，可排出16种。采用哪种形式可由设计者任意选择，但其中最优选的一例在图11中进行详述。

图11为一例以2.4GHz为中心、具有宽的谐调频带幅(0.1GHz以上)、具有明显的单方向性，且增益较高的结构为2列2行的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线组。

本例使用双面印刷电路板30。双面印刷电路板也可应用于图6和图8的实施方式。由于精度高、成本低，因此适合工业化生产。特别是通过使用双面印刷电路板，可使无馈电元件16容易地进行电绝缘支承。

双面印刷电路板30的一面30a由铜箔成膜。将铜箔的一部分进行化学去除，形成4个蝴蝶结形长孔(蝴蝶结天线元件)19A、19B、19C、19D。在其上分别设置无馈电元件16。15c为馈电点。

由蝴蝶结天线元件19A形成的单元天线的y轴与由蝴蝶结天线元件19C形成的单元天线的y轴之间的距离尺寸Ly为通讯用电波波长λ的0.7λ～1.0λ较合适。

另外，蝴蝶结天线元件19c的x轴与19D的x轴之间的间隔尺寸Lx为0.7λ～1.0λ较合适。

图示点h为该带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线组的馈电点，与同轴电缆或同轴电缆连接器连接(参照图8)。

将前述4组单元天线的各馈电点15c与馈电点h连接，形成馈电用的多支带状线31。该多支带状线是通过在双面印刷电路板30的另一面30b的导通图形形成的。

为使供给4个单元天线的各馈电点15c的高频相位一致，必须使4个馈电点15c到天线组的馈电点h的各带状线的长度相等。并且，使各个单元天线的馈电点15c的阻抗为损失最少的50Ω。另外，为使天线组整体的馈电点h与阻抗为50Ω的同轴电缆连接，按如下方法进行阻抗匹配。

将多支带状线31的分枝前端到达隙缝蝴蝶结天线元件19A、19B、19C、19D的各点，分别称为点a、点c、点d、点f。

将连接点a和点c的带状线的电长度的中点称为点b。

连接点a和中间点b的带状线31ab的电长度与连接点c和中间点b的带状线31bc的电长度相等。

用同样的方法设定中间点e，设计电长度相等的带状线31de和带状线31ef。

将前述中间点b和中间点e的连线的中央称为中央点g。该中央点g位于Y轴上。

将连接中间点b和中央点g的带状线称为带状线bg，将连接中间点e和中央点g的带状线称为带状线eg。

这样，天线组馈电点h与各隙缝蝴蝶结天线元件之间用馈电用带状线连接。按下述方法进行阻抗匹配。

在本例中，天线组馈电部h与50Ω的同轴电缆连接，并且分枝部分的带状线31ab、31bc、31ef、31de的阻抗总计为50Ω。

在本例中，4根带状线31ab、31bc、31ef、31de和天线组馈电部h之间利用Q匹配的方法进行匹配。具体如下所述：

从中间点b的角度看，由于阻抗为50Ω的2根带状线31ab和31bc并列连接，因此点b的阻抗变成25Ω。同理，中间点e的阻抗也变成25Ω。

从中央点g的角度看，由于阻抗为25Ω的2个中间点b和e并列连接，因此中央点g的阻抗变成12.5Ω。

对带状线31bg和带状线31eg，分别使用Q匹配，将中央点g的阻抗调节成50Ω。这样，天线组整体公共的馈电点h的阻抗为50Ω。

上述的Q匹配是业界众所周知的技术，由于在各种通讯类辞典(如日本文部省编的学术用语集(电气工学编))中有所记载，因此省略详细说明。

(参考图11)假设一直角坐标轴X，Y，Z。

如果不设置图示的反射板12，本实施方式的隙缝蝴蝶结天线组在Z轴方向显示出双方向性。如果在与双面印刷电路板10平行的位置设置导电反射板5，则只在Z轴箭头方向具有单方向性，使天线的增益提高。

前述多支带状线31相对Y轴为对称，相对X轴为非对称。具体即带状线31gh相对中央点g不对称。

因此，本实施方式的长孔蝴蝶结天线组的放射特性相对于Z轴是倾斜的。

为消除这种非对称性，在本例中，将带状线31gi相对于中央点g设计成对称于带状线31gh，其电长度为λ/4的奇数倍(奇数包含1)。

上述带状线31gi的前端点i，通过贯穿双面印刷电路板30的通孔，与一面30a的铜箔连接，使其导通。

利用这种方法，对于直流，让点i接地；对于高频，通过使带状线31gi的电长度为λ/4的奇数倍，使从点g观察的点i的阻抗无限大，消除前述的放射特性的倾斜。

本实施方式(图11)的多支带状线设计在双面印刷电路板30的另一面30b，该带状线与蝴蝶结天线元件(如19A)重叠的部分也可设计在该双面印刷电路板30的一面30a。例如可将图示的点j到馈电点15c设计在一面(在图中的里面)30a。

图12是表示前述图11所示的实施方式的方向性的图表。通过设置反射板5，对于单方向有明显的指向性。

图13是上述实施方式的VSWR特性图表。从中可看出具有以2.4GHz为中心的宽频带的调谐特性。

与现有技术比较的优点和效果：

本发明可形成非常薄的、且增益高的、具有方向性的天线。并且，通过设置反射板，可具有双频带天线的功能。

本发明通过设置多个无馈电元件，可形成高增益、薄形的双频带天线。

本发明通过有效利用双面印刷电路板，可高精度、低成本地工业化生产本发明的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线。

本发明的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线的周边可与同轴电缆连接，可使薄形天线的实用价值进一步提高。

本发明不损害带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线的薄形这一优点，将其组合排列，可得到更高的增益。

只要适用于本发明，可合理地进行N列M行的排列组合，提高了带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线组的设计自由度。

本发明可高精度、低成本地工业化生产带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线组。根据本发明，可使本发明的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线组的馈电损失减少到最低限度。

Claims

1.一种带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其是去除金属板的一部分而形成的隙缝天线，为由两个大致相等的三角形的顶点重合而成的六边形或类似形状的蝴蝶结天线，其中，在所述六边形的对称轴中，以所述六边形的纵向对称轴为x轴，以与之垂直相交的对轴称为y轴，对所述金属板电绝缘的细长形无馈电元件(16)沿y轴方向跨架在所述六边形的隙缝部。

2.如权利要求1所述的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其特征在于，所述无馈电元件为多个，该多个无馈电元件(16A、16B)之间相互绝缘，并且相互平行配置。

3.如权利要求1所述的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其特征在于，所述带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线的隙缝蝴蝶结元件部分是通过去除在双面印刷电路板(30)的一面(30a)成膜的一部分金属箔形成的、所述无馈电元件(16)是通过所述双面印刷电路板的另一面(30b)的导通图案形成的。

4.如权利要求1所述的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其特征在于，所述六边形的隙缝部分是通过去除在双面印刷电路板(30)的一面(30a)成膜的一部分金属箔形成的，从设在所述六边形的任意边上的馈电点(15c)到双面印刷电路板边缘附近设有带状线，同轴电缆的中心导体与所述带状线连接、同时该同轴电缆的外部导体与所述金属箔连接。

5.一种带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其中，在设定了直角坐标轴X、Y的同时，假设有平行于X轴的辅助轴x和平行于Y轴的辅助轴y；对于将x轴作为纵向对称轴，与此垂直相交的y轴也是对称的蝴蝶结形长孔天线元件，构成细长形无馈电元件(16)在y轴方向跨过该蝴蝶结形长孔、并架在其上的单元天线；多个所述单元天线在X轴方向配置M列、在Y轴方向配置N行，M和N的任意一方为2以上的整数，另一方为1以上的整数。

6.如权利要求5所述的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其特征在于，在X轴方向排列的M列的单元天线内的2个单元天线相对Y轴为对称排列。

7.如权利要求5所述的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其特征在于，关于在X轴方向排列的N行单元天线内的2个单元天线，该2个单元天线内的一个单元天线与另一个单元天线在X轴方向平移时的形状、尺寸几乎一样。

8.如权利要求5所述的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其特征在于，在Y轴方向排列的N行的单元天线内的2个单元天线相对X轴为对称排列。

9.如权利要求5所述的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其特征在于，关于在Y轴方向排列的N行单元天线内的2个单元天线，该2个单元天线内的一个单元天线与另一个单元天线在Y轴方向平移时的形状、尺寸几乎一样。

10.一种带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其中，在双面印刷电路板(30)上面设定直角坐标轴X、Y，同时假设与X轴平行的辅助轴x和与Y轴平行的辅助轴y；对于将x轴作为纵向对称轴，与此垂直相交的y轴也对称的蝴蝶结形长孔天线元件，构成细长形无馈电元件在y轴方向跨过该蝴蝶结形长孔、并架在其上的单元天线；

多个上述单元天线在X轴方向配置M列、Y轴方向配置N行，所述蝴蝶结形的长孔是通过去除在双面印刷电路板(30)的一面(30a)成膜的一部分金属箔形成的；所述无馈电元件是通过在所述双面印刷电路板(30)的另一面(30b)的导通图案形成的。

11.如权利要求10所述的带无馈电元件的隙缝蝴蝶结天线，其特征在于，所述多个单元天线的各个馈电点(15c)与所述双面印刷电路板边缘附近之间设有多支形带状线(31)；所述多支形带状线的一端，在到达双面印刷电路板边缘附近的地方(h)与同轴电缆的中心导体连接、同时该同轴电缆的外部导体与所述金属箔连接；或者，所述多支形带状线的一端与同轴电缆连接器的中心电极连接、同时该同轴电缆连接器的外部电极与所述金属箔连接。