CN1665068B - 多频带平面天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由至少一个谐振器(20)构成的多频带平面天线，所述谐振器(20)由在衬底上制成的、具有闭合形状的元件形成，且设置所述元件的尺寸以使其在最低频带的谐振频率处以其基本模式来操作。所述谐振器由馈线(21)来馈电，从而以所有高阶模式来操作。所述谐振器包括用于修改各种模式的谐振频率从而覆盖所涉及的频带的装置(22a、22b、23a、23b、23c、23d)。本发明特别用于无线网络。

Description

多频带平面天线

技术领域

本发明涉及一种多频带平面天线，更具体地，涉及一种适合于以不同频带进行操作的无线网络的多频带平面天线。

背景技术

在采用无线网络的框架内，天线设计面临由于将多个不同频率分配给这些网络的方式而造成的具体问题。因此，在IEEE802.11b和IEEE802.11a标准的家庭无线网络的情况下，已经将2.4GHz的频带和5GHz周围的两个分离频带分配用于根据这些标准来配置无线网络。因此，在这种情况下，要覆盖的频谱由三个分离的子频带构成。在必须以两个分离频带操作的天线上，例如GSM、GPRS、UMTS天线等，会遇到相同的现象。

而且，当前存在针对无线网络的多个标准。当前在这些网络中所使用的产品遵循这些标准中的一个或另一个。因此，需要使天线能够在分离的频带上进行操作。

为了解决该类型的问题，最明显的解决方案在于：使用在同一时刻覆盖了所需的所有频带的宽带天线。然而，显然，使用宽带天线对于这样的覆盖并不理想。具体地，在这种情况下，所覆盖的频带相对于所需的频带非常大，表现出了多个缺陷。因此，考虑到在由该天线所覆盖的频带中、特别是在其应用中未分配的频带中进行操作的干扰台的存在，使用宽带天线可能会促使接收机性能的恶化。而且，在发射机级，需要更为严格的滤波限制以便符合频带外发射功率掩码。这通常在天线和能够使其操作的设备的设计方面上需要较高的成本。

另一解决方案在于：使用在更低频带上操作但是能够频率捷变从而切换到频带之一或另一个上的天线。在这种情况下，需要使用一个或多个有源组件来修改谐振天线的操作频率。然而，这样的结构更为复杂，因此更为昂贵。而且，该类型的天线不能够覆盖远距离分离的频带。

本发明提出了一种无源解决方案，能够在避免使用宽带天线的同时，确保多标准覆盖。

发明内容

本发明涉及一种由至少一个谐振器构成的多频带平面天线，所述谐振器由在衬底上制成的、具有闭合形状的元件形成，且设置所述元件的尺寸以使其在多频带中最低频带的谐振频率处以其基本模式来操作，所述谐振器由馈线来馈电，从而以所有高阶进行操作。根据本发明，所述谐振器包括用于修改各种模式的谐振频率从而覆盖所选频带的元件。

根据所选实施例，用于修改各种模式的谐振频率的装置由位于所选操作模式处的谐振器的短路区中的凸起构成。在这种情况下，通过调节所述凸起的表面积来获得对所选模式的谐振频率的修改。

优选地，模式的谐振频率和凸起的表面积之间的关系为以下类型：

$f_i=a_i^k*S^k+b_i^k,$ 其中i表示模式；k表示进行改变的凸起；S^k表示相关凸起的表面积，以及(a_i ^k，b_i ^k)表示针对每一个模式和每一种配置所获得的曲线的系数。

优选地，所述凸起为多边形或圆柱形，且设置在谐振器的内部剖面上、谐振器的外部剖面上或两侧。

而且，所述谐振器由印刷衬底上蚀刻的闭合形状的槽，如环形槽或多边形槽构成。

根据另一实施例，所述谐振器由在衬底上形成的微带技术环构成。

根据本发明的另一特征，按照微带技术或共面技术制造馈线，在馈线/谐振器转变之后，所述馈线以短路终止。

优选地，所述短路设置在离所述转变距离为λm/16处，其中λm是馈线中的导波波长。

根据本发明的另一特征，所述馈线由同轴电缆构成，所述同轴电缆的中芯与谐振器的内部相连，而所述同轴电缆的地与谐振器的外部相连。

附图说明

通过以下参考附图所给出的对各种实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中：

图1是可以应用本发明的、由微带线馈电的环形槽型天线的示意图；

图2示出了作为针对图1所示的天线的频率的函数的匹配曲线；

图3是示出了针对基本模式、第一高阶模式和第二高阶模式的、图1所示的天线中的场分布的示意图；

图4是根据本发明，从具有两个凸起的环形槽上方看到的示意平面图；

图5示出了在根据图4的配置情况下，给出了作为所述凸起的表面积的函数的基本模式下的谐振频率的曲线；

图6示意地示出了根据本发明的、具有四个凸起的环形槽；

图7示出了在根据图6的配置情况下，给出了作为所述凸起的表面积的函数的谐振频率的曲线；

图8示意地示出了根据本发明的、具有六个凸起的环形槽；

图9示出了在根据图8的配置情况下，给出了作为所述凸起的表面积的函数的谐振频率的曲线；

图10示出了根据本发明，从允许在三个频带中进行操作的、具有凸起的环形槽的上方所看到的示意平面图；

图11是针对图10所示的结构，作为频率的函数保持了所述匹配即系数S11的曲线；

图12示出了针对图10所示的天线，给出了作为频率的函数的效率百分比的曲线；

图13示出了分别在2.6GHz、5.2GHz和5.9GHz处，根据图10所示的天线的辐射图；

图14a、14b和14c示意地示出了用于所述凸起的各种形状；

图15a、15b示出了根据本发明的所述凸起的各种位置；

图16是从本发明的另一实施例的上方所看到的示意平面图；

图17是本发明的另一实施例的示意透视图。

具体实施方式

将参考环形槽型天线来描述本发明，所述环形槽型天线能够确保对2.4GHz处和5GHz处的标准的覆盖，即，覆盖分配给Hyperlan 2和IEEE 802.11a标准的频带。对于本领域的技术人员显而易见，本发明可以应用于其他类型的标准，并且使用以除了槽型技术之外的其他技术例如微带技术制造的天线。

首先，将参考图1到3来描述根据线/槽转变、由微带技术中的馈线馈电的环形槽构成的多频带平面天线的结构和操作方式。

如图1所示，天线由通过在其两个面上蚀刻金属化衬底制成的槽1构成。在所示实施例中，槽1形成了平均半径为R_moy且宽度为Ws的圆。在与接受蚀刻的面相对的衬底表面上设置了由微带线构成的馈线2。该馈线通过电磁耦合向槽1馈送能量。所述馈线延伸超过线/槽转变长度Lm’。优选地，选择Lm’从而使Lm’＝λm/16，其中λm是微带线下的波长。而且，馈线2的末端终止于形成了短路的通孔。

按照已知的方式，选择槽1的周长，从而使P＝kλs，其中λs是槽中的导波波长，而k是正整数。在该类型的结构的情况下，所述天线不仅在其基本模式下谐振，而且在所有高阶模式下谐振，如图2的曲线所示，图2示出了作为频率函数的匹配S11。该曲线是对表现出以下特性的环形槽天线所进行的仿真结果：R_moy＝15mm、W_s＝0.4mm、W_m＝0.47mm(馈线宽度)、L_m＝8.5mm(馈线长度)、L_m’＝2mm(转变和通孔之间的距离)。用于制造环形槽型天线的衬底是Rogers 4003，表现出相对介电常数ε_r＝3.38、损耗正切tanδ＝0.0022和厚度h＝0.81mm。

在这种情况下，获得了在频率f₀＝2.8GHz，f₁＝5.2GHz≈2f₀和f2＝7.4GHz≈3f₀处的操作。

图3示出了针对频率f0(基本模式)、f₁(第一高阶模式)、f₂(第二高阶模式)，图1所示的槽中的场分布。

当检查图3a、3b和3c时，应该意识到，对于基本模式，会观察到两个短路区和两个开路区。对于第一高阶模式，会观察到四个短路区和四个开路区，并且对于第二高阶模式，会观察到六个短路区和六个开路区。

因此，本发明在于：通过将凸起添加到与所选的模式相对应的环形槽的短路区，独立于其他模式，修改每一种模式的谐振频率。按照该方式能够针对每一个模式来调节谐振频率，从而在多种频带大致位于最低标准的谐振频率的倍频处的情况下，使其实质上位于所选标准的谐振频率处。

现在将参考图4到9来描述当将凸起添加到槽上时针对环形槽的前三种操作模式的谐振频率发生改变的方式。

图4示出了在微带技术中由馈线11馈电的环形槽10，该环形槽型天线具有与图1相同的类型，特别是关于馈电。在图4的实施例中，两个凸起12a、12b已经定位在针对基本模式f0的短路区中。在当前情况下，每一个凸起由尺寸为W_n×L_n的矩形构成，并且表现出表面积S0，通过在槽的内剖面上蚀刻印刷衬底来制造该凸起。

图5是示出了在图4所示的具有两个凸起的结构的情况下，在基本模式f0、第一高阶模式f1和第二高阶模式f2下的谐振频率作为凸起S0的表面积变化的函数发生改变的方式。在由表现出以下特征的环形槽构成的天线的情况下，获得这些数值，所述特征为平均半径R_moy＝15mm、宽度W_s＝0.4mm，该槽由具有宽度W_m＝0.47mm、长度L_m＝8.5mm和长度L_m’＝2mm的馈线11来馈电。

图5所示的曲线为仿射直线型的，满足等式f_i＝a_i ^k*S^k+b_i ^k，其中i∈(0；1；2)并且表示模式，k∈(0；1；2)且表示利用相关凸起的表面积Sk对其进行改变的凸起，以及对(a_i ^k，b_i ^k)表示曲线的系数。

如图6和7所示，在由微带线11馈电的环形槽10的情况下，已经按照结合图1描述的相同的方式执行相同的研究，该槽配备有四个凸起13a、13b、13c、13d，在槽的内剖面上形成且位于针对第一高阶模式  f1的短路区，每一个突起具有表面积S1。在这种情况下，图7给出了作为凸起S1的表面积的函数的各种基本模式、基本模式f0、第一高阶模式f1和第二高阶模式f2的谐振频率。

如图8和9所示，按照相同的方式，已经对环形槽10进行了研究，所述环形槽10在微带技术11中由馈线馈电且在这种情况下配备有六个凸起14a、14b、14c、14d、14e、14f，所述六个凸起形成于所述槽的内部剖面上且位于与第二高阶模式f2相对应的短路区中。

在这种情况下，图9示出了作为与具有六个凸起的配置相对应的扰动的表面积S2的函数，各种模式(基本模式f0、第一高阶模式f1、第二高阶模式f2)的谐振频率。

下表1中给出了针对每一种模式和每一种配置的曲线的系数(a_i ^k，b_i ^k)：

表1

根据上述单元，如果在三种模式下假定操作频率是已知的，例如f0＝2.4GHz、f1＝5.25GHz和f2＝5.8GHz，用于在2.4GHz处的IEEE 802.11b的频带操作和在5-6GHz频带的IEEE 802.11a的频带操作，能够将所有上述系数组合在一起，以获得在三个未知量中的三个等式的线性系统，其中所述未知量为凸起S⁰、S¹和S²。

首先，可以针对每一个模式(i＝0、1和2)写出以下等式：

$f_i=a_i^0*S^0+b_i^0=a_i^1*S^1+b_i^1=a_i^2*S^2+b_i^2$

通过将相同的表达式相加三次，针对每一种模式(i＝0、1和2)获得以下表达式：

$3*f_i-(b_i^0+b_i^1+b_i^2)=a_i^0*S^0+a_i^1*S^1+a_i^2*S^2$

可以容易地将其处理为矩阵形式：

F＝A*S

其中，

$F=\left(\begin{array}{c}3*f_0-(b_0^0+b_0^1+b_0^2)\\ 3*f_1-(b_1^0+b_1^1+b_1^2)\\ 3*f_2-(b_2^0+b_2^1+b_2^2)\end{array}\right),$ $A=\left(\begin{array}{ccc}{a}_0^0& a_0^1& a_0^2\\ a_1^0& a_1^1& a_1^2\\ a_2^0& a_2^1& a_2^2\end{array}\right)$ and $S=\left(\begin{array}{c}{S}^0\\ S^1\\ S^2\end{array}\right)$

代数理论显示当且仅当等式数量等于未知量的数量时(这是在三个未知量的情况下存在三个等式的情况)和当且仅当矩阵A的行列式非零时(这也是表1所示的数值的情况)，该类系统具有唯一解。

如以上所解释的，因此，能够通过组合图4、6和8的各种配置以获得所需的谐振频率来调节谐振频率。

现在将参考图10、11、12和13来描述根据本发明的环形槽型天线的具体实施例，实现对IEEE 802.11a和IEEE 802.11b的有效操作。

因此，图10示出了由与图1所示结构类似的馈线21来馈电的环形槽20。通过蚀刻Rogers 4003衬底获得该环形槽，所述衬底具有相对介电常数εr＝3.38、损耗正切tanδ＝0.0022、厚度h＝0.81mm。所述蚀刻槽20表现出平均半径R_moy＝13mm和宽度W_s＝0.4mm。在与容纳该槽的表面相对的衬底表面上以微带技术形成了馈线21，表现出宽度W_m＝0.47mm和尺寸L_m＝8.5mm、以及线/槽转变和通孔24之间的L_m’＝λ_m/16＝2mm。

如图10所示，所述槽20设置在其内部剖面上，具有在基本模式f0的短路区中的两个凸起22a、22b，这些凸起22a和22b具有矩形形状且表现出L_n0＝6.5mm和宽度W_n0＝3mm。而且，四个凸起形成于针对第二高阶模式F2的短路区中。这些凸起23a、23b、23c和23d具有矩形形状且表现出长度L_n2＝3.4mm和宽度W_n2＝1.6mm。

利用来自Zeland的IE3D仿真软件来仿真该环形槽型天线。所述仿真给出了作为频率函数的、以dB为单位的匹配曲线S11，如图11所示。该匹配曲线示出了在非常接近于相关标准的谐振频率的频率2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz处的三个匹配峰值的存在。

通过图12所示结构的效率曲线来证实图1所示的匹配曲线。

图12给出了两条效率曲线，即天线效率和辐射效率，这两条曲线在三个匹配峰值的频率处表现出三个峰值。

而且，在图13a、13b和13c中示出了在针对图13a的2.6GHz处、针对图13b的5.2GHz处和针对图13c的5.9GHz处，图10所示结构的各种辐射图。所述图的形状上的差别基于激励模式，即基本模式、第一高阶模式和第二高阶模式的差别。然而，辐射的形状保持为准全向的。

图14a、14b和14c中示出了针对所述凸起的各种形状。图14a、14b和14c对应于两个凸起的情况，在图14a中为矩形，在图14b中为半圆柱形，而在图14c中为三角形。在本发明的情况下，凸起的表面积而非其形状对于频率的调节具有重要性。

图15a和15b示出了凸起相对于环形槽的剖面的定位的各种可能性。图15a示出了位于环形槽31的外轮廓上的两个凸起30a、30b，而图15b示出了具有矩形形状而位于环形槽41的两侧的两个凸起40a、40b。

图16示出了根据本发明的天线的另一实施例。在这种情况下，天线包括第一环形槽50，所述环形槽配备有两个凸起51a、51b，位于与该基本模式相对应的短路区中的环形槽的内部剖面上。而且，与第一环形槽50同心的第二环形槽60配备有四个凸起61a、61b、61c和61d，设置在与第二高阶模式相对应的短路区中的槽60的外部剖面上。在图16所示的实施例中，凸起61a、61b、61c和61d是半圆形和半圆柱形的。

如同其他实施例，在这种情况下，通过由微带技术形成的馈线70来对两个环形槽50和60进行馈电。按照这种方式，能够加宽操作频带。

图17示出了本发明的另一实施例。在该示意透视图中，所述环形槽80由同轴电缆90来馈电，所述同轴电缆90的内芯91与环形槽内的衬底相连，而所述同轴电缆的地92与环形槽80的外部金属化层相连。

对于本领域的技术人员显而易见，仅作为示例给出了以上所述实施例，而可以在本发明的框架内使用其他实施例。特别地，能够设想其中将使用任意数量的N个模式的环形槽型天线结构、以及允许覆盖任意数量的M个子频带的结构。

而且，在本发明的框架内，所使用的谐振器可以是微带环形谐振器，作为金属化衬底中所蚀刻的环形槽的替代。

Claims (10)

1.一种由谐振器构成的多频带平面天线，所述谐振器由在衬底上制成的、具有闭合形状的元件形成，且所述元件的周长P＝kλs，其中λs是所述元件中的导波波长，而k是正整数，所述谐振器在多频带中最低频带的谐振频率处以基本模式进行操作，且所述谐振器由馈线来馈电，从而按照比基本模式高阶的模式进行操作，其特征在于：

所述谐振器包括凸起，所述凸起位于所述谐振器的取决于多种操作模式的短路区中，从而覆盖所选频带。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：通过调节所述凸起的表面积来获得对所选操作模式的谐振频率的修改。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于：模式的谐振频率和凸起的表面积之间的关系为以下类型：

其中i表示模式；k表示进行改变的凸起；S^k表示相关凸起的表面积，以及(a_i ^k，b_i ^k)表示针对每一个模式和每一种配置所获得的曲线的系数。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述凸起为多边形或圆柱形，且设置在谐振器的内部剖面上、谐振器的外部剖面上或两侧。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述谐振器由印刷衬底上蚀刻的闭合形状的槽构成。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于：所述闭合形状的槽是环形槽或多边形槽。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述谐振器由在衬底上形成的微带技术环构成。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈线是按照微带技术或共面技术制造的，以及在馈线/谐振器转变之后，所述馈线以短路终止。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于：所述短路设置在离所述馈线/谐振器转变λm/16处，其中λm是所述馈线中的导波波长。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈线由同轴电缆(90)构成，所述同轴电缆的中芯(91)与谐振器的内部相连，而所述同轴电缆的地(92)与谐振器的外部相连。

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