CN1641934A

CN1641934A - 具有频率陷波功能的超宽带平面天线

Info

Publication number: CN1641934A
Application number: CNA2004101033649A
Authority: CN
Inventors: 金容进; 权度熏; 李成洙
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2004-12-31
Publication date: 2005-07-20
Also published as: KR20050069544A; US7050013B2; KR100996092B1; US20060055612A1

Abstract

一种通过定型由电介质层构成的基片、和分别施加到电介质层的两个相对表面的第一和第二传导层而制成的平面天线。第一缝隙在第一传导层上形成，用来辐射电波。第二缝隙在第一传导层上形成，用来截取由第一缝隙辐射的特定频率的电波。以第一传导层形成供电部分来向第一缝隙提供电流。以第二传导层形成的、由第一缝隙辐射的电波激发的辐射单元辐射电波。

Description

具有频率陷波功能的超宽带平面天线

技术领域

本发明总体上涉及无线通信系统，尤其涉及具有频率陷波功能的用于超宽带无线通信系统的平面天线。

背景技术

目前，使用电脉冲的宽带通信系统主要用于军事应用，并且即使在非军事上的应用中，它们的作用也局限于探测埋在地下的矿藏或者搜索埋在倒塌建筑物下的幸存者。然而，根据联邦通讯委员会(FCC，FederalCommunications Commission)于2002年的做出的规定，3.1GHz-10.6Hz频段可为雷达、位置跟踪和数据传输领域的产业用途。因此，工作在3.1GHz-10.6Hz频段的超宽带(UWB)系统正在开发过程中。

UWB系统最重要的必要部件之一是天线。因为UWB系统使用脉冲进行通信，所以它们需要特定的独立于频率工作的天线，并且具有满足所需宽带(wideband)的输入阻抗特性。另外，当这样的天线和移动通信设备一起使用时，由于便携式设备的特点，其需要更小和更轻且最好是用印制电路板方法构成的平面天线。因为平面天线可通过使用印制电路板的方法来批量生产，所以从经济角度而言，它们非常适于通信设备的制造。

UWB系统不应对现有的通信系统施加任何的影响，或者干扰现有系统之间的通信。为了限制与现有的系统产生的电磁波之间的干扰，需要具有频率陷波功能的超宽带(UWB)天线。

到此为止已知的天线种类基本上可分为：谐振天线、行波天线。尤其是在行波天线中，鉴于UWB系统因其特点需要独立于频率工作的天线的事实，因此有横向电磁(TEM)喇叭天线、双圆锥形天线、蝶形天线、开槽天线等等。然而TEM喇叭天线和双圆锥形天线不适于在小型无线通信超宽带系统中使用，因为它们相对较大，并且具有三维设计。两者都是小尺寸的蝶形天线和开槽天线难以满足贯穿无线通信超宽带系统所需的宽带的阻抗特性。因此，最近已经开发了新颖的二维小型平面天线。

到目前为止建议的超宽带平面天线的例子，有具有两个椭圆辐射器的天线(如在国际专利申请号WO02093690A1中所公开的)，具有倒三角形辐射器结构的天线(如在美国专利号US5828340中所公开的)，以及具有叶片形缝隙辐射器的天线(如在美国专利号US6091374中公开的)。这些小型平面天线强调所需宽频带的全覆盖，但是没有UWB天线所需的频率陷波功能。

分配给UWB系统的频带，在3.1GHz-10.6GHz范围内。在该频带中，UWB系统需要在5.15GHz-5.35GHz之间的频带间隔，其分配给当前的无线局域网(WLAN)，以防止与现有WLAN系统产生的电磁波之间的干扰。因此需要开发具有频率陷波功能的UWB天线。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述及其它问题而设计，本发明的目的在于提供一种超宽带平面天线，其包括“V”形缝隙，从而能够提供频率陷波功能。

本发明的另一个目的在于提供一种超宽带平面天线，其以这样的形式构成，即一个缝隙用来提供频率陷波功能，其长和宽是可调整的，从而能够改变频率陷波频带。

本发明还有一个目的在于提供一种超宽带平面天线，其具有频率陷波功能来防止与现有通信系统的电磁波之间的干扰。

本发明还有一个目的在于提供一种超宽带平面天线，其在小型平面天线中实现了频率陷波功能，从而实现用于超宽带通信系统的小型便携式通信设备。

本发明还有一个目的在于提供一种超宽带平面天线，其可使用印制电路板的方法批量生产，从而降低了通信设备的制造成本。

根据本发明的一个方面，上面和其它的目的通过一种平面天线达到，该平面天线包括：正方形电介质基片；第一传导层，层叠(stack)在电介质基片的一个表面，假设从电介质基片的中心点穿过的轴为z-轴，平行于电介质基片伸展以便互相以直角交叉的两个轴分别为x-轴和y-轴，该第一传导层具有以拉长的蝶形形式沿x-轴关于z-轴伸展的第一缝隙、相邻第一缝隙伸展的“V”形的第二缝隙、以及连接到第一缝隙的一个侧壁的供电部分；和第二传导层，层叠在电介质基片的相对表面，并包括相对于第一缝隙同轴的蝶形辐射单元。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述及其它目的、特征和优点，其中：

图1为图解体现了根据本发明的超宽带天线的基片的层叠结构的侧视图；

图2A为图解根据本发明第一优选实施例的平面缝隙天线前表面的俯视图；

图2B为图解根据本发明第一优选实施例的平面缝隙天线背面的俯视图；

图2C为沿图2A所示的w-w线截取的图解根据本发明第一优选实施例的平面缝隙天线的横截面图；

图3为图解根据本发明第二优选实施例的超宽带天线的俯视图；

图4为图解测量根据本发明第一优选实施例的超宽带天线的电压驻波比(VSWR)的性能测试结果的曲线图；

图5为图解测量根据本发明第一优选实施例的超宽带天线的反射系数的性能测试结果的曲线图；

图6为通过比较具有和不具有“V”形缝隙的各个情况、图解根据本发明第二优选实施例的超宽带、平面偶极子天线的性能测试结果的曲线图；以及

图7为图解依根据本发明第二优选实施例的平面偶极子天线所采用的“V”形缝隙的可变长度而定的电压驻波比(VSWR)的变化的曲线图。

具体实施方式

此后将参考附图详细描述根据本发明优选实施例的超宽带天线。在下列描述中，当结合于此的公知功能和结构可能使本发明的主题变得模糊时，会将其省略。并且，在下列描述中所使用的术语是考虑根据本发明所获得的功能而定义的术语。

根据本发明的优选实施例，超宽带天线以这样的形式构成，即天线辐射器由3cm长3cm宽的簿金属片组成。天线辐射器的原料被去除以形成蝶形缝隙。金属片层叠在电介质基片一个表面上。

另外，为了改进天线在所需宽带内的阻抗特性，在电介质基片另一表面相应于缝隙的位置提供另一个蝶形天线单元。为了实现频率陷波功能，在金属片的上端形成一个“V”形的缝隙。

图1为图解体现了根据本发明的超宽带天线的基片的层叠结构的侧视图。超宽带天线包括正方形电介质基片50，接合(bond)到电介质基片50的一个表面的第一金属辐射层60，以及接合到电介质基片50的另一个表面的第二金属辐射层70。第一金属辐射层60和第二金属辐射层70具有与电介质基片50相同的面积。

图2A和图2B为图解根据本发明的第一优选实施例的平面缝隙天线前表面和背面的俯视图。图2C为沿图2A所示的w-w线截取的图解根据本发明的第一优选实施例的平面缝隙天线的横截面图；

如图2A所示，第一缝隙辐射单元61从第一金属辐射层60上剪切下来，其包括限定了以其顶点互相面对放置的蝶形形状的两个三角形缝隙部分63和65。通过第一隙辐射单元61，电介质基片50被暴露在外面。三角形缝隙部分之一，即第一三角形缝隙部分63，由第一内壁(inner wall)63a、第二内壁63c和第三内壁63b划定界限。另一个三角形缝隙部分，即第二三角形缝隙部分65，由第一内壁65a、第二内壁65c和第三内壁65b划定界限。

为了达到期望的宽带阻抗特性，分别在第一和第二三角形缝隙63和65的四个外角(E)，即在第一三角形缝隙部分63的第一和第三内壁63a和63b会合处，在第一三角形缝隙部分63的第二和第三内壁63c和63b会合处，在第二三角形缝隙部分65的第一和第三内壁65a和65b会合处，以及在第二三角形缝隙部分65的第二和第三内壁65c和65b会合处，第一三角形缝隙部分63的第一和第二内壁63a和63c以及第二三角形缝隙部分65的第一和第二内壁65a和65c被折弯以形成期望的内角。

第二缝隙辐射单元67是在第一金属辐射层60t上剪切的。第二缝隙辐射单元67具有“V”形，其中其两条边基于Y轴沿第一三角形缝隙部分63的第一内壁63a和第二三角形缝隙部分65的第一内壁65a对称地扩展。通过第二缝隙辐射单元67，电介质基片50被暴露在外面。

“V”形第二缝隙辐射单元67的一边长度为λ_c/2。在此，λ_c等于不应受到干扰的频段的中心频率波长。

另外，供电部分69是在第一金属辐射层60上剪切的，供电部分69从第一和第二三角形缝隙部分63和65的两个面对的顶点向第一金属辐射层60的外面延伸。为了使输入阻抗设置为50Ω，供电部分69为向外渐缩成锥形。供电部分69最宽的区域宽为1.5mm，并且最窄区域宽为0.1mm。供电部分69被裂缝G1和G2限定在它们的相对边，其最好在剪切第一金属辐射层60时形成。每个裂缝G1或G2是渐缩成锥形的以便其宽度从0.22mm减小到0.2mm。

通过供电部分69提供的电流沿构成第一缝隙辐射单元61的第一和第二三角形缝隙部分63和65的第一内壁63a和65a、第二内壁63c和65c、第三内壁63b和65b流动。

如图2B所示，配置第二金属辐射层70以便其较大的部分被剪切掉，在电介质基片50的中心留下导体辐射单元71。导体辐射单元71采用第一金属辐射层60上形成的蝶形第一缝隙辐射单元61的缩微版本，并从电介质基片50的背面向外伸出(见图2C)。优选地，导体辐射单元71和第一缝隙辐射单元61的面积之比为1∶5.6。

电介质基片50最好由FR-4环氧制成(具有特定的接近4.4的介电常数)，并且供电部分69具有共平面波导(CPW)结构。

根据本发明第一优选实施例的超宽带天线包括三个辐射单元，即第一缝隙辐射单元61，第二缝隙辐射单元67和导体辐射单元71。

通过供电部分69提供的电流，主要沿蝶形第一缝隙辐射单元61流过，并产生平行于X-Y平面的电场。

第二缝隙辐射单元67改变作为导体的第一金属辐射层60的电流分布，从而执行频率陷波功能。为了成形并定位以便不干扰其宽带阻抗特性，第二缝隙辐射单元67具有平行于蝶形第一缝隙辐射单元61上端扩展的“V”形。“V”形第二缝隙辐射单元67能够根据其长度和宽度改变期望的陷波频率。

在电介质基片50的背面形成的导体辐射单元71，导致了电波的辐射，其由供电部分69的电场激发，并通过电介质基片和导体感应，从而改进了天线的输入阻抗特性。

根据本发明优选实施例的超宽带天线设计成从3.1GHz频率开始辐射。第一缝隙辐射单元61在X轴方向长为2.8cm。如上所述第一三角形缝隙部分63的第一和第二内壁63a和63c以及第二三角形缝隙部分65的第一和第二内壁65a和65c被折弯以形成期望的内角。第一辐射单元61的四个外角(E)限定了45°内角。另外，“V”形第二缝隙辐射单元67各边长为1.1cm宽为1mm，限定在“V”形第二缝隙辐射单元凹部的内角为45°。通过调整第二缝隙辐射单元的长和宽，则可能改变期望的陷波频率。

图3为图解根据本发明的第二优选实施例获得的超宽带天线的俯视图。根据第二实施例的超宽带天线为平面偶极子天线。

如图3所示，平面偶极子天线也具有形成于其中的在第一缝隙辐射单元的上边的第二缝隙辐射单元，并且平面偶极子天线的运行和功能与根据第一实施例的超宽带天线的运行和功能一样。因此根据第二实施例的超宽带天线也实现了频率陷波功能，并且能够通过调整“V”形缝隙辐射单元一边的长度(L)来改变陷波频率。

图4-7为图解根据本发明的超宽带天线的性能测试结果的曲线图。在该测试中，考虑到电压驻波比(VSWR)和反射系数的变化，将具有“V”形缝隙以在3.1GHz-10.6GHz超宽带内实现频率陷波功能的平面缝隙天线与没有“V”形缝隙的常规天线进行比较。在该测试中将进行比较的天线，是通过在1mm厚的FR-4环氧基片上涂覆上0.036mm厚的金属材料而形成的。

图4为图解考虑电压驻波比(VSWR)，这些超宽带天线的比较性能结果的曲线图。从图4中可以看出，在5.15GHz-5.35GHz频段，没有“V”形缝隙的天线，示出了1.8的VSWR值，而具有“V”形缝隙的天线，示出了20的VSWR值。另外，可以看出超宽带天线在其它的频段内输入阻抗特性没有改变。

图5为图解考虑反射系数，这些超宽带天线的比较性能结果的曲线图。从图5可以看出，在5.15GHz-5.35GHz频段，具有“V”形缝隙的天线的反射系数高于没有“V”形缝隙的天线的反射系数接近10dB。因此，可以清楚地理解具有“V”形缝隙的超宽带天线在上述的特定频段提供了频率陷波功能。

图6和7为图解用于实现频率陷波功能的有“V”形缝隙或者没有“V”形缝隙的平面偶极子超宽带天线的性能测试结果的曲线图。从图6中可以看出，当使用具有“V”形缝隙的平面偶极子天线时，其VSWR值上升20以上。

图7为图解依在偶极子天线中形成的“V”形缝隙的一个边的长度而定的电压驻波比(VSWR)的变化的曲线图。从图7中可以看出，当“V”形缝隙一个边的长度(L)变成9.47mm、9.78mm和9.99mm时，不应受干扰的频率分别变成5.38GHz、5.25GHz和4.96GHz。因此，可以清楚地理解，根据本发明的超宽带天线通过利用“V”形缝隙而实现了频率陷波功能，并使得能够通过调整“V”形缝隙的一个边的长度而改变陷波频率。

正如从上述描述可以明显看出的，本发明提供了一种超宽带天线，其除了包括在现有超宽带天线中的辐射单元之外，还包括用来实现频率陷波功能的缝隙。所述缝隙具有与所述辐射单元相似的形式。

另外，根据本发明，超宽带天线能够通过调整用来提供频率陷波功能的缝隙的长度和宽度来改变陷波频率。

另外，根据本发明的超宽带天线为具有频率陷波功能的小型平面天线，从而能够防止与现有通信系统的电磁波干扰，并实现便携式通信设备所必需的小型化。

最后，根据本发明的超宽带天线，通过使用印制电路板的方法而使之能够批量生产，从而降低了通信设备的制造成本。

虽然为了举例说明的目的在上面公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员能够理解，各种变型，添加和删减都是可能的，而不背离在后附的权利要求中公开的本发明的精神和范围。

Claims

1、一种平面天线，通过定型由电介质层构成的基片、和分别施加到电介质层的两个相对表面的第一和第二传导层而制成，其包括：

第一缝隙，在第一传导层上形成，用来辐射电波；

第二缝隙，在第一传导层上形成，用来截取由第一缝隙辐射的特定频率的电波；

供电部分，以第一传导层形成来向第一缝隙提供电流；和

辐射单元，以第二传导层形成，其由第一缝隙辐射的电波激发，并辐射电波。

2、如权利要求1所述的天线，其中所述第一缝隙为蝶形。

3、如权利要求2所述的天线，其中所述供电部分具有连接到所述第一缝隙一个侧壁的一个端子。

4、如权利要求1所述的天线，其中所述第二缝隙的尺寸由目标截取频率确定。

5、如权利要求4所述的天线，其中所述第二缝隙为“V”形。

6、如权利要求1所述的天线，其中所述辐射单元为蝶形。

7、如权利要求5所述的天线，其中所述辐射单元为所述第一缝隙的缩微版。

8、如权利要求7所述的天线，其中所述辐射单元和所述第一缝隙的面积之比为1∶5.6。

9、如权利要求8所述的天线，其中所述第二缝隙的长度和宽度由目标截取频率确定。

10、如权利要求9所述的天线，其中所述第二缝隙的一个边的长度为目标截取频率波长λ_c的一半。

11、如权利要求10所述的天线，其中所述第二缝隙的宽小于λ_c/25的值。

12、一种平面天线，包括：

电介质基片，基本上为正方形形状；

第一传导层，结合在电介质基片的第一表面，假设从电介质基片的中心点穿过的轴为z-轴，平行于电介质基片伸展以便互相以直角交叉的两个轴分别为x-轴和y-轴，该第一传导层具有以拉长的蝶形形式沿x-轴以z-轴为其中心点伸展的第一缝隙、相邻第一缝隙伸展的“V”形的第二缝隙、以及连接到第一缝隙的一个侧壁的供电部分；和

第二传导层，结合在电介质基片的相对表面，并包括相对于第一缝隙同轴的蝶形辐射单元。

13、如权利要求12所述的天线，其中所述第一缝隙包括一对等腰三角形剪切部分，其对称地排列以便于其顶点约为互相面对，每个由等边的第一和第二内壁限定，并且第三内壁作为底边。

14、如权利要求13所述的天线，其中所述第二缝隙沿两个等腰三角形剪切部分的对称的第一内壁剪切，并且与该内壁平行，从而限定了“V”形。

15、如权利要求14所述的天线，其中，在每个等腰三角形剪切部分的第一和第二内壁与其第三内壁会合的拐角处，第一和第二内壁被折弯以形成内钝角。

16、如权利要求14所述的天线，其中，所述供电部分在从两个等腰三角形剪切部分的顶点伸展到第二缝隙相对方向的电介质基片边缘的两个缺口之间限定。

17、如权利要求16所述的天线，其中所述供电部分从电介质的边缘朝向基片的中心点变窄。

18、如权利要求17所述的天线，其中所述供电部分具有连接到电源的第一端，和连接到两个等腰三角形剪切部分的对称的第二内壁互相接近处的位置的第二端。

19、如权利要求16所述的天线，其中每个缺口从电介质的边缘朝向基片的中心变窄。

20、如权利要求16所述的天线，其中所述供电部分具有共平面波导(CPW)结构。

21、如权利要求12所述的天线，其中所述辐射单元和第一缝隙的面积之比为1∶5.6。

22、如权利要求12所述的天线，其中所述辐射单元在电流流过所述供电部分时被激发。

23、如权利要求12所述的天线，其中所述第二缝隙的长度和宽度由目标截取频率来确定。

24、如权利要求23所述的天线，其中所述第二缝隙的第一边长为目标截取频率波长λ_c的一半。

25、如权利要求24所述的天线，其中所述第二缝隙的宽小于λ_c/25。