CN1462134A - 平面缝隙天线的改进结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设置在基板之上的平面天线，其包括缝隙(11)，该缝隙由使所述缝隙工作于给定频率的定尺寸封闭曲线形成，并且由使所述缝隙位于馈线的短路平面上的馈线(12)来馈电。此天线包括至少一个并联地连接在缝隙11上的、能够设置闭合状态或开路状态以改变平面天线的中心频率和工作频率带宽的开关装置13。此天线尤其适用于家庭无线网络。

Description

平面缝隙天线的改进结构
技术领域
本发明涉及一种平面天线，特别是一种用于无线网络，尤其是工作于分离频带上的无线网络中的多频带缝隙式平面天线。
背景技术
在采用移动或家庭无线网络的领域，天线的设计面临着如何分配多个频率到这些网络的典型问题。例如，IEEE802.11a或Hiperlan2标准的家庭无线网络中，在5GHz频段上工作的分离频率区间已被分配于多种操作器中，如下表中所示。表A
    技术     应用     频带(GHz)
    欧洲BRAN/HYPERLAN2   家庭网络     (5.15-5.35)(5.47-5.725)
US-IEEE8021.11a 家庭网络     (5.15-5.35)(5.725-5.825)
为了使两个频带均被覆盖，无论是单独针对一个标准还是同时针对两个标准，均提出了多种解决方案。最显著的解决方案是使用一种具有能够同时覆盖两个频带的宽频带的天线。这种宽频带天线一般结构都很复杂而且成本较高。使用宽频带天线还有其它一些缺陷，例如由可作用于被天线所覆盖的整个频带上的干扰频带和干扰台而引起的接收机性能的退化，这一频带还包括那些介于5.35GHz和5.47GHz之间且未被分配到特定应用的频带。为了与频带之外的传输功率屏蔽或分布图一致，也就是与不但可以被发射到被分配的频带内，而且可以被发射到被分配的频带外的最大功率一致，使用宽频带天线还涉及到对发射机更严格的滤波限制。这导致附加的传输损耗以及设备的额外成本。
在一个给定实例的无线网络中，天线还覆盖位于两个频带之中一个或另一个上的带宽为20MHz的频带。一种能够避免宽频带天线缺陷的解决方案是使用可电子调节频带的天线。
如图1所示，包括一个工作在给定频率f上的环形缝隙的平面天线已被人们所熟知，此缝隙由馈线2进行馈电。更确切地，在一个由常见的两面均覆盖金属的印制板所形成的基板上，既可为圆形也可为任何其它封闭形状的环形缝隙1通常被蚀刻在用来形成天线接地平面的那一面上。馈线2用来使用由电磁耦合得到的能量对缝隙1进行馈电。例如，在所述的实施例中，其由一个通过微带线技术所形成的传输线构成，该传输线位于基板上与缝隙1所在的一面相对的那一面上，并且根据形成上述缝隙的圆形的径向确定其位置。
在此具体实施例中，通过一种已知的方式，制作天线的微带线环形缝隙的过渡区，使缝隙1位于传输线短路平面上，也就是位于电流最强的区域内。此时Im＝kλm/4，其中λm是传输线中传递的波长，而k是奇整数。I’m的长度选择为使馈线2实现50Ω的阻抗匹配。此时缝隙1的周长p被选为等于缝隙中传输的波长的m倍，m是正整数。因此，P＝2πR＝mλ，其中λ是缝隙中所传输的波长。此时，多种模式的谐振频率实际上均为频率f的倍数，这些模式与基本模式、较高模式等相对应。
因而此类型的天线可在接近其谐振频率的频率上由并联的RLC电路模拟，如图2所示。由此获得谐振频率上的关系式LCω2＝1，其中ω＝2πf，f等于谐振频率。
上文描述的天线具有结构紧凑和易于制造的优点，本领域技术人员还知道，包含二极管尤其是PIN二极管的等效电路在二极管的截止(OFF)状态为容性电路，而在二极管的导通(ON)状态为感性电路。
发明内容
因此本发明涉及一种平面环形缝隙天线的改进结构，其在避免了与宽频带天线相关的缺点和麻烦的同时实现了对多个频带的覆盖。
因此本发明还涉及一种设置在基板之上的平面天线，包括缝隙(11)，该缝隙由使缝隙工作于给定频率的定尺寸的封闭曲线形成，并且由使所述缝隙位于馈线的短路平面上的馈线来馈电，其特征在于包括并联地连接在缝隙上的、能够设置闭合状态或开路状态以改变平面天线的中心频率和工作频率带宽的开关装置。
所述的开关装置优选地包括能够使频率得到连续调节的二极管或变容二极管。根据本发明的另一实施例，至少一个二极管与变容二极管并联。另外，作为天线的期望谐振频率的函数，开关装置被并联设置于缝隙的给出了最小值的电短路平面和给出了最大值的电开路平面之间。本发明的其它特征和优点将可由下文参照附图描述的具体实施例看出。
附图说明
图1，如上文所述，示出了现有技术的一种环形缝隙平面天线；
图2是图1中天线的等效电路图；
图3是本发明第一实施例的平面视图；
图4a和4b是图3中天线的等效电路图；
图5示出了当二极管针对二极管的两种状态ON或者OFF相对于缝隙处于开路电路平面中时，作为图3中天线频率的函数的反射系数；
图6是本发明天线的示意图，示出了二极管的多个可能位置；
图7给出作为二极管在不同可能位置时频率的函数的反射系数曲线；
图8是根据本发明的另一实施例的示意图，在短路平面两端分别提供两个二极管的平面缝隙天线；
图9给出了图8中在二极管的每个状态下作为天线频率的函数的反射系数曲线图。
具体实施方式
为了简化对附图的描述，相同的元件使用相同的附图标记。
参照图3-5说明本发明的第一实施例。如图3所示，根据本发明第一实施例的平面天线包括以已知方式在基板10上制成的环形缝隙11。环形缝隙11由馈线12，特别是连接到辐射频率馈源的微带线馈电。另外，如图3所示，终端为金属镀孔的馈线14对天线进行连续控制。制造此种类型的天线用于测试。此例中，天线被制作在高度h＝0.81mm、介电常数εr＝3.38、正切值δ＝0.0022的RO4003基板上。在这种情况下，通过已知方式镀以金属的基板形成了长L＝35mm、宽W＝30mm的接地面。天线缝隙的半径R＝6.7mm、宽度Ws＝0.4mm。微带线12被设置成使得缝隙11位于馈线的短路平面上。因此，馈线12与缝隙11重叠了Im＝kλm/4的长度，其中λm是传输线中传递的波长，而k是奇整数。在本实施例中，I’m＝Im＝8.5mm。传输线12的宽度Wm＝0.3mm。另外，馈线12连接到50Ω阻抗传输线，以实现与标准连接器的阻抗匹配，如L50Ω＝4.8mm及W50Ω＝1.85mm。
根据本发明，二极管13，即诸如本实施例中使用的HP二极管Ref：HSMP-489B之类的PIN二极管并联到缝隙11。在图3所示的实施例中，二极管13位于缝隙11的开路平面。且该二极管13被连接到控制电路(未示出)，以使其既可被设置为截止状态亦可被设置为导通状态。
以下将参照附图4a和4b说明具有并联设置的二极管的环形缝隙天线的工作过程。
已知当二极管在截止状态时起电容的作用，本实施例在附图4a中给出了这样的一个等效电路，即两个电容C和Cd并联以得到电容值Ce＝C+Cd。根据已知的方式，此电路的谐振频率f’由LCeω’2＝1的条件给出，其中ω’＝2πf’。由于Ce的值大于当缝隙上未设置任何二极管时的电容值C，可由此推知，频率f’低于当缝隙上未设置二极管时的频率f。
已知当二极管在导通状态时起电感的作用，附图4b中给出了一个这样的等效图，其中并联两个电感L和Ld。此时的等效电感值Le＝LLd/(L+Ld)。在此电路中，工作频率f”由新的谐振条件LeCω”2＝1给出，其中ω”＝2πf”。由于Le小于L，可由此推知，频率f”大于当缝隙上不带任何二极管时的频率f。通过控制二极管13的状态，可以实现对附图3所示天线谐振频率的控制。
因而并联设置多个二极管的作用为：
1，用于加大配置了处于截止状态的二极管时所获得的较低的频率f’与未配置二极管时的频率f间的区别，
2，用于加大配置了处于导通状态的二极管时所获得的较高的频率f”与未配置二极管时的频率f间的区别。
由此可以控制附图3中天线在某些频带上的谐振频率，上述频带或多或少地比未在缝隙上配置二极管时缝隙的谐振频率宽，或者或多或少与其对称。
附图5中的曲线清楚地说明，对于附图3中的天线结构，通过将PIN二极管由截止状态改变到导通状态，可以将频率由二极管截止状态时的4.8GHz改变为二极管导通状态时的7.1GHz。
以下将参照图6至7说明在缝隙上配置一个或多个二极管所产生的作用，上述作用对缝隙工作频率有影响。
图6示出了由诸如微带线12馈电的环形缝隙11，图中的二极管被并联设置在缝隙的多个位置上，这些位置位于二极管13所在的与开路平面对应的位置和二极管13’所在的与短路平面对应的位置之间。其余二极管位于例如与短路平面成22°、45°或60°的位置。此实施例中二极管与谐振缝隙11间的耦合被改变，这在二极管的截止状态改变了等效电容的精确值，或在二极管的导通状态改变了等效电感的精确值。当二极管13’被设置于电短路平面时，它提供并联于零阻抗的阻抗值(电感或电容，取决于所述的状态)。此时它的影响最小。相反，当二极管13被设置于电开路平面时，它提供并联于无穷大阻抗的阻抗值，此时它的影响最大。由此产生的明显结果由附图7示出，其中给出了反射系数S11，其以dB为单位并且是以GHz为单位的频率的函数。
图8和图9示出了本发明的可选实施例。图8与图3一样，示出了包括由微带线12以及控制天线连续数值的微带线14馈电的缝隙天线11的平面天线。在这种情况下，如图8所示，两个二极管15A、15B并联地连接到缝隙的开路平面的两端，如图所示的SC平面。在本实施例中，两个二极管15A、15B间的距离d等于2.8mm。如图9所示，当二件管由截止状态改变到导通状态时，工作频率由5.54GHz改变为5.94GHz。图9中还给出了以GHz为单位并作为频率函数的以dB为单位的反射系数。于是可以看到500Mhz的频率变化。
在微波暗室中测量如图8所示天线模型的辐射图，并得到上文给出的尺寸。这基于二极管未对环形缝隙的基本辐射形成干扰的情况。
参照由PIN二极管实现的开关装置对本发明进行了说明。本领域技术人员清楚其它可能被使用的开关装置，特别是在给定频率范围内能够实现对谐振频率的准连续控制的变容二极管。特别地，变容二极管是一种电子元件(通常是反偏压二极管)，它可以控制作为施加到终端的电压的函数而降低的结电容(OFF-状态二极管)。因此可以通过改变变容二极管的偏置电压来连续地改变天线的谐振频率。变容二极管可以与至少一个所述的PIN二极管连接，以实现在一个或多个范围内的频率的准连续控制。所述的缝隙还可能具有并非圆形的封闭形状。可能具有诸如正方形、三角形、长方形的多边形。因而上文所描述的本发明给出了一个结构紧凑、成本低廉并可工作于与IEEE802.11a或Hiperlan2标准对应的多个频带的平面天线。

Claims (6)

1、一种设置在基板之上的平面天线，包括缝隙(11)，该缝隙由使所述缝隙工作于给定频率的定尺寸封闭曲线形成，并且由使所述缝隙位于馈线的短路平面上的馈线(12)来馈电，其特征在于包括并联地连接在缝隙上的、能够设置闭合状态或开路状态以改变平面天线的中心频率和工作频率带宽的开关装置(13；13，13’；15A，15B)。
2、如权利要求1所述的天线，其特征在于作为天线的期望谐振频率的函数，开关装置被并联设置于缝隙的给出了最小值的电短路平面和给出了最大值的电开路平面之间。
3、如权利要求1和2中任一项所述的天线，其特征在于开关装置包括二极管。
4、如权利要求1和2中任一项所述的天线，其特征在于开关装置包括变容二极管。
5、如权利要求3和4中任一项所述的天线，其特征在于至少一个二极管与变容二极管并联。
6、如前述任何一项权利要求所述的天线，其特征在于缝隙是圆形或多边形的。
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