CN1610184B - 双频带平面天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双频带平面天线，它由以下组件形成：在印刷基板上制成的、周长等于kλ_f的至少一个封闭形状的狭缝；及两条馈电线，通过相隔(2m+1)λ_f/4的通道给狭缝供电，其中λf是狭缝中的导波波长，以及k和m为大于0的整数，所述狭缝包括修改工作频率的装置，所述馈电线之一位于所述装置上。本发明尤其适用于用在家庭无线网络(IEEE802.11a或Hyperlan2标准)中的天线。

Description

双频带平面天线

技术领域

本发明涉及一种平面天线，更具体地，涉及一种针对在不同的频带中进行操作的无线网络而设计的狭缝式双频带平面天线。

背景技术

随着家庭环境中无线移动网络的发展，天线的设计面临由各种频率分配到这些网络的方式所导致的特别问题。因此，在使用IEEE802.11a或者Hyperlan2标准家庭无线网络的情况下，工作在5GHz频带的两个不同的频率区间已如下表所示分配给多个服务提供商。

表格A

技术	应用	频带(GHz)
			Europe BRAN/    HYPERLAN2	家庭网络	(5.15-5.35)    (5.47-5.725)
US-IEEE802.11a	家庭网络	(5.15-5.35)    (5.725-5.825)

由于这个原因，为了覆盖这两个频带，无论是对于单个标准还是同时对两个标准，均提出了多种解决方案。

最明显的解决方案是使用同时覆盖上面定义的两个频带的宽频带天线。然而，这种覆盖宽频带类型的天线通常具有复杂的结构并且很昂贵。宽频带天线的使用也有其它一些缺点，比如由于噪声频带的宽度和能够工作在天线覆盖的整个频带上的扰频器而导致接收机性能的退化，这个频带也包括在5.35GHz到5.47GHz范围之内没有分配给特定应用的频带。

为了与功率传输波形掩模(profiling mask)一致，也就是在所分配的频带内和所分配的频带外都允许的最大传输功率，宽频带天线的使用意味着对发射机更严格的滤波限制。这导致了设备的附加损耗和较高的成本。

另外，在无线网络中，在任意给定时间内，天线覆盖位于两个频带之中的-个或另一个中的大约20MHz带宽的信道。可选的、能够避免与宽频带天线有关的缺陷的解决方案是使用频带可调的天线。

因此，如附图1所示，由环形狭缝1形成的平面天线为已知的，且其工作在由狭缝周长决定的给定频率f上，该狭缝由馈电线供电。更准确地，在由双面金属化处理的普通印刷电路所形成的基板上，天线狭缝1，其可以是圆形或其它任意封闭形状，通过被蚀刻在构成天线接地平面的一侧而构成。馈电线2用来给狭缝1供电，特别地通过电磁耦合来供电。就是说，比如，由通过应用微带技术的线形成，位于基板上与狭缝1相对的一侧，在示出的实施例中，径向面对形成了狭缝的圆。

所述天线的微带线-环形狭缝变换以一种已知方式设置，例如使狭缝1位于线的短路平面，换句话说，位于电流最大的区域。因而，在线-狭缝变换之后的馈电线长度大约是λ_m/4，其中λ_m是在微带线下的导波波长。如果所述线终止于开路，此长度可以是λ_m/4的奇数倍，或者如果所述线终止于短路，此长度可以是λ_m/4的偶数倍。此外，为了使p＝λ_f，以已知的方式选取工作在基本模式的狭缝的直径p，这里λ_f是所述狭缝中的导波波长。

在这些情形下，狭缝中的场分布如图2所示，具有两个最大场区域(CO)和两个最小场区域(CC)。由于这个原因，可以在狭缝上短路区域CC设置第二馈电线，而不管当仍然达到两个通路间良好的隔离时，第一馈电线上的通路匹配的退化。

发明内容

因此，本发明使用这种结构，得到双频带天线。

因此，本发明的主题是一种双频带平面天线，由以下组件形成：在印刷基板上制成的、周长等于kλ_f的封闭形状狭缝，所述狭缝由两条馈电线供电，所述两条线通过相隔(2m+1)λ_f/4的两个通道供电，其中λ_f是狭缝中的导波波长，而k和m是大于0的整数，其特征在于所述双频带平面天线包括在所述狭缝上实现的修改工作频率的装置，所述修改工作频率的装置由从狭缝切出的突起形成，或者由所述狭缝的逐渐加宽而形成，所述修改工作频率的装置位于所述狭缝上等于λ_f/2的倍数的距离处，所述馈电线之一在所述狭缝的一个突起或所述狭缝的最大部分处与所述狭缝耦合，另一条馈电线以λ_f/4的奇数倍的距离耦合至所述狭缝，其中λ_f是狭缝中的导波波长。

根据第一实施例，修改工作频率的装置由从狭缝切出的突起组成。所述突起可位于狭缝内边缘或狭缝外边缘。其形状为正方形或矩形。由以下等式给出作为两个工作频率的函数的突起的尺寸：

$2\×\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}=A\×\frac{W_c{L}_c}{\mathrm{\Π}{R}_{\mathrm{moy}}^2}$

其中f₁和f₂是各个馈电线的中心工作频率，W_c是突起的宽度，L_c是突起的长度，R_moy是狭缝的平均半径，以及A是相乘系数。

根据本发明的另一个实施例，所述修改工作频率的装置由所述狭缝位于开路区域附近或短路区域附近的一个边缘的逐渐加宽而形成。在这种情况下，所述狭缝具有一个圆形内边缘和一个椭圆形外边缘。

根据本发明的另一特征，所述馈电线与所述狭缝电磁耦合，所述馈电线穿过所述狭缝。

根据本发明的另一特征，所述馈电线与所述狭缝磁耦合，所述馈电线与所述狭缝相切。

根据本发明的另一特征，所述封闭形状的狭缝包括两个同心狭缝，至少一个狭缝体现修改工作频率的装置，所述装置由从狭缝切出的突起形成，并且在外侧狭缝的外边缘或内侧狭缝的内边缘上实现。

附图说明

本发明其他特征和优点将在下面参考所述附图进行描述，其中：

图1，前面已经描述过，是根据Knorr型的线-狭缝转换，由微带线馈电的环形狭缝型天线的示意平面图。

图2是示出了环形狭缝中的场分布的示意图。

图3是根据本发明的双频带平面天线的第一实施例的顶部平面示意图。

图4示出了图3所示的天线的匹配和隔离曲线。

图5a和5b示出了当分别通过通道1和通道2供电时，根据本发明的狭缝天线的辐射图。

图6是根据本发明的双频带平面天线的第二实施例的顶部平面示意图。

图7示出了图6所示的天线的匹配和隔离曲线。

图8示出了当环形狭缝天线的平均半径改变时，作为频率的函数的匹配曲线S11和S22。

图9示出了当突起的尺寸改变时，作为环形狭缝天线的频率的函数的匹配曲线S11和S22。

图10是示出了作为突起的相对尺寸的函数的频率差的曲线。

图11a、11b、图12a、12b、图13a、13b、图14a、14b、图15a、15b、图16a、16b、分别是根据本发明的双频带天线的不同实施例的平面示意图和示出了作为频率的函数的匹配和隔离曲线。

图17和图18示出了根据本发明的天线，其中狭缝的封闭形状不是圆形，以及

图19是本发明的另一实施例的示意图，其中馈电线与狭缝相切。

具体实施方式

现在参考图3到19描述本发明的多个实施例。在这些图中，为了简化说明，相同的元素给出相同的标号。

图3到5涉及本发明的第一实施例。在这种情况下，如图3所示，双频带平面天线实质上由圆形天线狭缝10形成，以已知方式在印刷基板上制造。根据本发明，突起11a、11b伸入狭缝中。在这个实施例中，突起11a、11b由设置在狭缝10的内周上的正方形剪切形成。在天线10定尺寸从而按照其基本模式进行操作的情况下，两个突起11a、11b径向相对，如上面所解释的那样。

进一步，为了能够在两个不同的频带上工作，根据本发明的天线包括第一馈电线12a其与两个突起11a、11b成等距离地穿过环形狭缝10，如图3所示。以传统方式、使用微带形成的线12a间的耦合是所示实施例中的Knorr型耦合。另外，环形狭缝可由第二馈电线12b供电。该第二馈电线12b按照在突起11a处的Knorr型耦合与狭缝相耦合。

为了更好地理解本发明，产生图3所示的双频带天线的仿真。在该情况，用到下述尺寸：

R_int＝6.6mm、R_ext＝7mm、R_moy＝6.8mm、W_s＝0.4mm、W_m＝0.3mm、L_m＝L_m’＝8.5mm、L_50Ω＝4.6mm及W_50Ω＝1.85mm。

仿真使用商用电磁软件包(IE3D，来自Zeland公司)进行。另外，正方形突起每边为1.29mm。仿真结果在图4和5示出。

图4中的曲线1示出了通过通道(access)1时的匹配曲线S11和S22，曲线2示出了通过通道2时的匹配曲线S11和S22。因此，从曲线可以看出通过通道1的操作在频率方面低于标准环形天线狭缝的频率，即5.35GHz而不是5.625GHz，然而通过通道2的操作，由曲线2示出，与标准环形狭缝天线相似，即5.68GHz而不是5.625GHz。在这种情况下，由此得到相近间隔频带的双频带结构。根据曲线，由此可看出无论考虑哪个通道，匹配频带的带宽大约相同，且在两个匹配频带上，通道间的隔离度大于-21dB，隔离度由曲线3给出。

此外，如图5a和5b所示，图3中双频带平面天线的辐射图与圆形狭缝天线的辐射图相似，图5a示出当狭缝通过通道1馈电时在5.4GHz的辐射图，而图5b示出示出当狭缝通过通道2馈电时在5.6GHz的辐射图。

参考图6和7，现在描述本发明的第二实施例。在这种情况下，双频带天线由具有圆形内边缘20a和椭圆形外边缘20b的环形狭缝20形成。突起由此通过逐渐加宽狭缝而得到。

如图6所示，该狭缝20根据Knorr方法，通过第一馈电线21馈电，所述第一馈电线21使用微带技术制造，并在两个突起间的最小场区域向狭缝20供电。该线21对应于通道1。另外，环形狭缝20也由第二馈电线22供电。该馈电线22在由狭缝的最宽部分形成的突起处，穿过狭缝20，通过根据Knorr方法的电磁耦合实现供电。

这个结构也使用IE3D包进行仿真，平均半径R_moy＝6.8mm。另外，通过在通道1处，也就是在和馈电线21的交叉点，取狭缝宽度为0.4mm，以及在通道2处，也就是在和馈电线22的交叉点，取狭缝的宽度为0.8mm，来实现突起。在这两点之间，狭缝的宽度从0.4mm到0.8mm逐渐改变。仿真的结果由图7所示的曲线给出。对于第一实施例，工作频带对于给出了曲线1的通道1和给出了曲线2的通道2不同。因此，当向通道1馈电时工作频率是5.39GHz，而向通道2馈电时工作频率是5.905GHz。由此，第二实施例允许修改通过通道1的工作频率和通过通道2的工作频率。

参考图8、9和10，现在描述显著影响图3和6实施例的修改，以便获得期望频带的操作。

因此，如图8所示，可以看出初始环形狭缝的平均半径的修改允许修改两个子频带的工作频率。如果平均半径R_moy增加，两个子频带工作频率减小，如图8的曲线所示，其中粗曲线示出了对于平均半径R＝6.8mm的、作为频率的函数的匹配曲线，而细曲线示出平均半径为7mm的、作为频率的函数的匹配曲线。

此外，可以减小狭缝中形成的突起的尺寸来得到频率中更小分隔的工作模式，如图9所示。在该图中，粗曲线表示，在第二实施例中，将狭缝扩宽到0.8mm，而细曲线表示将狭缝扩宽到0.6mm。

基于上面的观察，在图3所示实施例的情况下，已经找到确定突起尺寸的设计规则。该设计规则允许突起的尺寸由两个选择的工作频率的差的函数确定，得到以下等式：

$2*\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}=A*\frac{W_c*L_c}{{\mathrm{\π}*R}_{\mathrm{moy}}^2}$

其中f₁和f₂分别为通道1上和通道2上的中心工作频率。W_c为突起的宽度，L_c为突起的长度，R_moy为狭缝的平均半径，以及A为相乘系数。

仿真得到图10中的曲线，其示出了作为突起相对尺寸的函数的频率差。

现在根据本发明参考图11A、11B到16A、16B描述双频带平面天线各种可能的变体。

带有标记A的图是天线示意图，而带有标记B的图给出匹配和隔离度曲线，就是说曲线1为通道1的，曲线2为通道2的及曲线3为隔离度曲线。

在图11A中，示意性地示出了根据本发明的双频带平面天线，它包括具有配备在外侧的两个突起31的环形天线30，突起在环形天线30的外边缘。在这种情况下，突起31的形状为正方形。如参考图3所述，该环形狭缝由与两个突起31成等距离地通过穿过狭缝的第一馈电线31和从一个突起31穿过狭缝的第二馈电线32供电。在外侧边缘正方形突起的尺寸W_C＝1.29mm的情况下，该双频带天线的仿真结果由图11B给出。

图12A示出了由在狭缝40内边缘带有两个矩形突起41的圆环形狭缝40形成的双频带平面天线。如图11A所示，环形狭缝由两条馈电线42、43供电，这里，如图11A所示，一条成等距离地位于两个突起间及另一条位于其中一个突起处。该双频带天线的仿真结果在图12B给出。

图13A示出了工作在第一谐波模式的三叶草形状的环形狭缝50。因此，该狭缝周长p等于2λ_f。在这种情况下，突起由狭缝加宽形成，如50A和50B所示。在图6所示的实施例的情况下，该狭缝50由两条馈电线51和52供电，其中一条馈电线52从狭缝最大的部分穿过，而另一条馈电线51从狭缝50的最窄的部分穿过。这种类型的双频带天线的仿真结果由图13B给出。

图14A到16A中的实施例示出由两个同心环形狭缝形成的双频带天线。多狭缝的使用使频带扩宽。在这种情况下，突起可位于针对相同通道或不同通道的第一和第二狭缝上，或者只是位于两个狭缝之一或另一个上。。

因此，图14A所示的双频带天线包括两个同心环形狭缝60、62。在这个实施例中，外侧环形狭缝60在它的外侧边缘上带有两个矩形突起61，而内侧环形狭缝62在它的内侧边缘上带有两个矩形突起63。在这个实施例中，突起61垂直于突起63。正如图3所示实施例中，环形狭缝由第一公用馈电线64供电，其以突起61的方向穿过两个狭缝，以及通过第二公用馈电线65供电，其以突起63的方向穿过两个狭缝。

图14A中天线的仿真结果在图14B中给出。

图15A示出了其中两个狭缝由同心环形天线70和72形成的实施例。在这种情况下，突起71和73置于同一平面，突起71位于外侧狭缝70的外边缘上而突起73位于内侧狭缝72的内边缘上。在这种情况下，第一馈电线74对称地位于突起71和73之间，而第二馈电线75从突起71和73穿过两个环形天线狭缝。

图15A示出的狭缝的仿真结果在图15B中给出。

根据图16A示出的另一实施例，多狭缝由两个同心圆环形狭缝80、81形成。在这种情况下，只有其中一个狭缝，也就是环形狭缝81，在其内侧边缘82上带有矩形突起。这两个狭缝分别由与两个突起82等距地穿过狭缝的第一馈电线83和由从突起82穿过狭缝的第二馈电线84供电。

如上的双频带天线的仿真结果在图16B中给出。

图17和18示出了本发明的其他实施例。在这种情况下，狭缝天线具有除了圆形以外的形状，也就是图17情况下的正方形狭缝。该正方形狭缝，参考符号90，在两侧带有内突起91，且与图3所示实施例的情况相同，通过两条馈电线进行馈电，即一条馈电线93从其中一个突起91穿过狭缝90，一条馈电线92与两个两个突起91成等距离地穿过狭缝。

图18示出了菱形狭缝100。在这种情况下，狭缝的外边缘是菱形100A，而内边缘100B为在两个角处带有直边部分的多边形形状，以便得到由加宽狭缝形成的突起。与图7所示实施例的情况相同，狭缝由两条馈电线101和102馈电，其中一条线102从它加宽的角穿过狭缝，而另一条线101距两个加宽的角等距离地穿过狭缝。

图19示出了由环形天线110形成的双频带天线的实施例，在其内侧边缘有两个突起111。在这种情况下，通过两个通道1、2，由与狭缝110相切生成磁耦合的两条馈电线112和113为环形狭缝供电，馈电线之一在突起111之一与狭缝相切，而另一馈电线112在距突起111等距离的点与狭缝相切。

对于本领域技术人员显而易见的是，即在此之前描述的实施例仅作为示例示出，且可以在不脱离所附的权利要求的范围的前提下，以多种方式进行修改。

Claims (10)

1.一种双频带平面天线，由以下组件形成：在印刷基板上制成的、周长等于kλ_f的封闭形状的狭缝(10、20、30、40、50、60、60、62、70、72、80、81、90、100、110)；以及两条馈电线(12a、12b；21、22；32、33；42、43；51、52；64、65；74、75；83、84；92、93；101、102；112、113)，通过相隔(2m+1)λ_f/4的通道给狭缝供电，其中λ_f是狭缝中的导波波长，以及k和m为大于0的整数，其特征在于所述双频带平面天线包括在所述狭缝上实现的修改工作频率的装置，所述修改工作频率的装置由从狭缝切出的突起(11a、11b；20a、20b；31；41；50A、50B；61、63；71、73；82；91；100A、100B；111)形成，或者由所述狭缝(20a、20b；50A、50B；100A、100B)的逐渐加宽而形成，所述修改工作频率的装置位于所述狭缝上等于λ_f/2的倍数的距离处，所述馈电线之一在所述狭缝的一个突起或所述狭缝的最大部分处与所述狭缝耦合，另一条馈电线以λ_f/4的奇数倍的距离耦合至所述狭缝，其中λ_f是狭缝中的导波波长。

2.根据权利要求1所述的双频带平面天线，其特征在于所述突起位于所述狭缝的内侧边缘。

3.根据权利要求1所述的双频带平面天线，其特征在于所述突起位于所述狭缝的外侧边缘。

4.根据权利要求2或3所述的双频带平面天线，其特征在于所述突起为正方形或矩形。

5.根据权利要求1所述的双频带平面天线，其特征在于通过以下等式给出作为两个工作频率的函数的突起的尺寸：

$2\×\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}=A\×\frac{W_c{L}_c}{\mathrm{\Π}{R}_{\mathrm{moy}}^2}$

其中f₁和f₂为每条馈电线的中心工作频率，W_c是突起的宽度，L_c是突起的长度，R_moy是狭缝的平均半径，以及A是相乘系数。

6.根据权利要求1所述的双频带平面天线，其特征在于所述狭缝具有一个圆形内边缘和一个椭圆形外边缘。

7.根据权利要求1所述的双频带平面天线，其特征在于所述狭缝的形状是环形、正方形、矩形或菱形。

8.根据权利要求1所述的双频带平面天线，其特征在于所述馈电线(12a、12b；21、22；32、33；42、43；51、52；64、65；74、75；83、84；92、93；101、102)与所述狭缝电磁耦合，所述馈电线穿过所述狭缝。

9.根据权利要求1所述的双频带平面天线，其特征在于所述馈电线(112、113)与所述狭缝磁耦合，所述馈电线与所述狭缝相切。

10.根据权利要求1所述的双频带平面天线，其特征在于所述封闭形状的狭缝包括两个同心狭缝，至少一个狭缝体现修改工作频率的装置，所述装置由从狭缝切出的突起(11a、11b；20a、20b；31；41；50A、50B；61、63；71、73；82；91；100A、100B；111)形成，并且在外侧狭缝的外边缘或内侧狭缝的内边缘上实现。

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