CN1921225B - 复合天线 - Google Patents

Abstract

一种复合天线，包括第一天线结构以及整体地和该第一天线结构组合的第二天线结构，以便分别在不同无线电传输系统中使用的不同频带下操作，从而第一天线结构具有在第一频带下操作的第一传导层，而第二天线结构具有厚度比第一传导层的厚度厚的、在比第一频带低的第二频带下操作的第二传导层。

Description

复合天线

技术领域

本发明总地涉及无线电通信中使用的天线。本发明尤其涉及一种可以在多个不同频带下操作的复合天线。

背景技术

日本公开专利申请P2003-152445公开一种可在多个不同频带下操作的常规复合天线。在此现有技术中，在一个电介质基片上形成一个用于1.5GHz频带的圆形极化环行天线结构，而且还在该基片上形成用于58.GHz频带的的方形贴片(patch)天线结构，以便使该贴片天线位于该圆形极化环行天线结构的轴上。

近年来，公知RFID(射频识别)系统，它是一种利用无线电波的自动识别技术。RFID系统包括一个询问器(读写器)和一个应答器(RFID标签)，以及二者间进行的无线电通信。在进行无线电通信时，使用几种传输系统。一种可以是利用交变电磁场引起的线圈的互感的电磁耦合传输。另一种可以是使用低于135kHz的频带或13.56MHz频带的频率的电磁感应传输。再一种可能是使用860MHz与960MHz或2.45GHz频带之间的UHF频带的无线电波传输。

具体地，在作为RFID系统的一种应用的并且在许多国家中广泛采纳的非接触IC卡系统中使用利用了13.56MHz频带的电磁感应传输。利用860MHz和960MHz之间的UHF频带的无线电波传输已被批准在欧洲国家和美国使用，但未在日本的RFID系统中得到批准。

近来，在日本已经开始了在RFID系统中采纳950MHz和956MHz之间的频带的实际行动，从而希望开发不仅能在13.56MHz频带下并且还能在950MHz和956MHz之间的频带下工作的复合天线。也就是说，尚未提供可采纳二种不同频带的RFID系统，尽管这些频带是可使用的。

发明内容

由此，本发明的一个目的是使复合天线能适用于在不同的无线电传输系统中使用的二种不同的频带。

为了实现上述目的，提供一种复合天线，包括：第一传导层，包含该第一传导层的、在第一频带下操作的第一天线结构，厚度大于第一传导层的厚度的第二传导层，以及包含该第二传导层的、在比该第一频带低的第二频带下操作的第二天线结构，其中作为一个部件提供第二天线结构和第一天线结构。

附图说明

根据下面结合附图对本发明的当前优选示范实施例的详细说明，本发明的这些以及其它的目的和优点会变得清楚和更容易理解，附图中：

图1是示出依据本发明的一实施例的复合天线的外观的透视图；

图2是示出图1所示的复合天线的分解透视图；

图3是沿图1的线A-A截取的该复合天线的垂直剖面图；

图4a和4b分别示意地示出图1所示的复合天线的第一天线结构的方向性和第二天线结构的电磁场分布；

图5是平面图，其从上方示出第二实施例的复合天线；

图6是示出沿图5的线B-B截取的该复合天线的垂直剖面图；以及

图7是平面图，其从下方示出该第二实施例的复合天线。

现参照各附图更详细地说明本发明的优选实施例。不过，对各图中的类似部分应用相同的附图说明，并且从而不重复它们的详细说明。

具体实施方式

[第一实施例]

现参照图1至4说明本发明的第一实施例。图1是示出复合天线10的外观的透视图。图2是示出该复合天线10的分解透视图，而图3是沿图1中的线A-A截取的该复合天线的垂直剖面图。

如图1和2中所示，复合天线10包括无线电波传输中使用的第一天线结构11和电磁感应传输中使用的第二天线结构12，其中在无线电波传输中，通过作为第一频带在空间中辐射的、并且充当功率/数据传输媒体的电磁波传送能量或信号；而在电磁感应传输中，通过作为第二频带、围绕各线圈生成的、并且充当功率/数据传输媒体的电磁场传送能量或信号。该第二频带低于第一频带，并且与第一频带隔开规定的频带。

例如，第一天线结构11在950MHz(第一频带)下进行传送/接收操作，第二天线结构12在13.56MHz(第二频带)下进行传送/接收操作。第一和第二天线结构11和12整体层压，从而用电介质材料做成的支持基片夹在它们之间。第一天线结构11包括：第一电介质基片111，设置在第一电介质基片111的一个表面上的辐射导体(贴片电极)112以及位于第一电介质基片111的另一个表面上的接地导体(地)113。辐射导体112和接地导体113构成第一传导层。

第二天线结构12包括：第二电介质基片121，设置在第二电介质基片121的一个表面上的线圈式导体图案122，以及设置在第二电介质基片121的另一个表面上的条状导体图案123。线圈式导体图案122和条状导体图案123构成第二传导层。第一电介质基片111、第二电介质基片121以及支持基片13具有相同的尺寸并且分别按矩形形成。

在第一天线结构11中，接地导体113的面积和第一电介质基片111的面积相等，并且是按设置在支持基片13上的矩形导体图案形状成形的。辐射导体1 12的面积小于第一电介质基片111的面积，并且是按大致矩形形状的导体图案形成的。辐射导体112设置在第一电介质基片111的中央。辐射导体112的一侧的中央部分切成U形，并且导体图案114从该U形部分的底部向电介质基片111的对应侧延伸。

导体图案114充当对辐射导体112提供功率的馈送器。尽管没有示出，但连接结构如下：同轴电缆的一端的芯线与导体图案114连接并且该同轴电缆的该一端的外部线与接地导体113连接，该同轴电缆的另一端与一个利用无线电波传输进行无线电通信的无线通信器件连接。这样，就可以利用第一天线结构11在无线电波传输中使用的第一频带下进行传送/接收操作。

在图4a中示出第一天线结构11的指向强度。如从该图可看出那样，第一天线结构11具有指向设置与辐射导体112一侧的密集方向性(和垂直于该侧的方向相比)。换言之，第一天线结构11具有密集地向设置有辐射导体112的一侧辐射无线电波的特性。从而，第一天线结构11充当一个可以在无线电波的电磁场下有效操作的平面贴片天线。

在第二天线结构中，线圈式导体图案122包括设置在第二电介质基片的正面上的矩形螺旋图案部分124和直线图案部分125。螺旋图案部分124的一端(起始端)位于第二电介质基片121的一侧，而它的另一端(尾端)大致位于第二电介质基片121的中心处。直线图案部分125的一端位于螺旋图案部分124的起始端所位于的第二电介质基片121的一侧，而其另一端直线地在螺旋图案部分124的附近延伸。如图2中所示，直线图案部分125的另一端不和螺旋图案部分124重叠。

条状导体图案123位于第二电介质基片121的背面，从而在第二电介质基片121的正面和背面，条状导体图案123的一端与螺旋图案部分124的尾端重叠，并且它的另一端与直线图案部分125的另一端重叠。

在第二电介质基片121的一部分上设置第一透孔126，从而螺旋图案部分124的尾端与条状导体图案123的一端重叠。还在第二电介质基片121的一部分上设置第二透孔127，从而在和设置第一透孔126不同的部分上直线图案部分125的另一端与条状导体图案123的另一端重叠。

位于第二电介质基片121的一侧的螺旋图案部分124的起始端以及直线图案部分125的一端充当向线圈式导体图案122馈送功率的馈送器。即，如未示出那样，同轴电缆一端的芯线与螺旋图案部分124的一端连接，并且同轴电缆的该一端的外部线与直线图案部分125的一端连接，而该同轴电缆的另一端与利用电磁感应传输进行无线电通信的无线通信器件连接。

来自该同轴电缆的至该螺旋图案部分124的起始端的电流输入流过该螺旋图案部分124，并从它的尾端通过第一透孔126输入到条状导体图案123的一端。至条状导体图案123的该端的电流输入流过导体图案123，并从其另一端通过第二透孔127输入到直线图案部分125的另一端。至直线图案部分125的该另一端的电流输入经过直线图案部分125从其一端输出到该同轴电缆。从该同轴电缆至直线图案部分125的该一端的输入电流按与上述相反的方向流动，并从螺旋图案部分124的起始端输出到该同轴电缆。通过这种方式，第二天线结构12在电磁感应传输中使用的第二频带下进行传送/接收操作。

在图4b中示出第二天线结构12的磁场分布。在该图中，虚线表示磁通量以及磁通密度高的磁通集中部分。如所示出的那样，在线圈式导体图案122的中心沿垂直于构成第二天线结构12的图案122的方向存在高磁通密度部分。当在磁通密度高的部分进行通信时可以获得高通信特性。第二天线结构12充当对无线电波的磁场进行有效操作的线圈式天线。

在该实施例中，形成第一天线结构11的传导层的厚度，即辐射导体112和接地导体113的厚度d1，小于形成第二天线结构12的传导层的厚度，即线圈式导体图案122的厚度d2。应注意，如果二者的厚度(d1)都低于线圈式导体图案122的厚度(d2)，则辐射导体112的厚度可以和接地导体113的厚度不同。

通常，当其频率变高时流过导体的电流只沿着该导体表面附近的区域流动。这种现象称为“趋肤效应”，并且电流流过的透入深度(skin-depth)(δ)在下面的式(1)中示出：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω\μ\σ}}}...\left(1\right)$

其中ω为2πf，f为频率，μ为导磁率而σ为导电率。

在例如导体用铜做成的情况下，其导电率(σ)为58×10⁶(s/m)。由于铜的导磁率(μ)为4π×10^-7，当频率为在电磁感应传输采用的13.56MHz时透入深度(δ)为18μm。另一方面，当频率为在无线电波传输采用的950MHz时透入深度(δ)为2μm。根据上面的式(1)，如果第一和第二天线结构的传导层的材料相同，可以与通过使为特定传输使用的频率(f)取(-1/2)次幂得到的值成比例地确定第一和第二天线结构的传导层各自的厚度。从而，一方面，如果把在950MHz频带下操作的天线的铜箔的厚度设置为2μm，则可以减小铜箔图案的功耗，并且另一方面把在13.56MHz下操作的天线的铜箔厚度设置为大于18μm，也可以减小铜箔图案的功耗。如果定位厚度大于18μm的铜箔，则不总是传送13.56MHz的电磁波。换言之，当该铜箔的厚度小于18μm时，13.56MHz的电磁波可以通过该铜箔，并且该铜箔的厚度越薄，通过的电磁波的量越大。

基于上述，在本实施例中，把无线电波传输中使用的第一频带设置为950MHz，并且把在950MHz下操作的第一天线结构11的传导层的厚度d1设置成在2μm和18μm之间。另外，把电磁感应传输中使用的第二频带设置为13.56MHz，并且把在13.56MHz下操作的第二天线结构12的传导层的厚度d2设置成大于18μm。

在具有上面结构的复合天线10中，由于在辐射导体112所位于的一侧的外部设置第二天线结构12，因此，第一天线结构11所辐射的无线电波之中的对辐射导体112所位于的一侧密集辐射的无线电波不会负面地受到第二天线结构12的影响。另外，由于形成第一天线结构11的传导层的厚度小于18μm，所以从第二天线结构12辐射的电磁波的衰减量小。

从而，依据上面说明的实施例，可以进行稳定的无线电通信，其中或者在用于无线电波传输的第一频带下使用第一天线结构11，或者在用于电磁波感应传输的第二频带下使用第二天线结构12。这可以提供一种小尺寸的复合天线10，其可以在二个不同的频带，例如950MHz和13.56MHz上分别用于无线电波传输和电磁感应传输。

[第二实施例]

现参照图5到7说明本发明的第二实施例的复合天线20。图5是从正面示出的复合天线20的平面图，图6是沿图5中的线B-B截取的该复合天线的垂直剖面图，而图7是从背面示出的该复合天线的平面图。

复合天线20也带有例如在作为无线电波传输中使用的第一频带的950MHz下进行传送/接收操作的第一天线结构21，并且还带有例如在作为电磁感应传输中使用的第二频带的13.56MHz下进行传送/接收操作的第二天线结构22。第二频带低于第一频带，并且第一和第二频带被设置为隔开规定的频带。第一天线结构21和第二天线结构22是成一体的，从而对第一天线结构21的外周设置第二天线结构22。从而第一天线结构21的辐射增益在朝着它的外周的方向上要比其正交方向上的辐射增益小。

第一天线结构21包括：电介质基片211，位于该基片211的一个表面上的辐射导体(贴片电极)212，以及位于该基片211的另一个表面上的接地导体(地)213。辐射导体212和接地导体213构成第一传导层。

第二天线结构22包括用电介质材料做成并带有矩形开口的支持框221以及绕在支持框221的外侧上的铜线导体线圈222。导体线圈222是第二传导层。支持框221还具有整体地支持第一天线结构21的功能。

在第一天线结构21中，接地导体213具有大致矩形形状的导体图案，其面积和电介质基片211的面积相同，并且位于该基片211的背面上。辐射导体212具有矩形形状的导体图案，其面积小于电介质基片211的面积，并且大致上设置在基片211的正面的中心。沿其厚度方向在电介质基片211上形成透孔214，以使它位于用线B-B表示的虚线部分上、并且位于从辐射导体212的右侧算起其整个宽度的1/3距离处。透孔214的位置是根据和第一天线结构21连接的无线电通信器件的阻抗确定的。连接件215从接地导体213所位于的一侧插入到透孔214中。通过这种方式，连接件215的内导体和辐射导体212连接，而它的外导体和接地导体213连接。

通过对连接器215连接利用无线电波传输进行无线电通信的无线电通信器件，第一天线结构21在第一频带下进行传送/接收操作。此刻，类似于图4a中所示的，第一天线结构21具有指向设置着辐射导体212的一侧的强方向性。即，在电介质基片211的设置着辐射导体212的一侧上的辐射增益高，而在平行于接地导体213的表面的外周方向上的辐射增益低。第一天线结构21充当对无线电波的电场有效操作的平面贴片天线。

在第二天线结构22中，支持框221的矩形形状的开口和垂直于第一天线结构21中的接地导体213的表面的电介质基片211的外周牢固配合。围绕支持框221的外表面缠上导体线圈222。如图7中所示，导线线圈222的一端和双端子连接器223的一个端子224连接，并且导体线圈222的另一端和双端子连接器223的另一个端子225连接。双端子连接器223设置在电介质基片211的背面上接地导体213的切开区域中。接着，通过对双端子连接器223连接利用电磁感应传输进行无线电通信的无线电通信器件，从该双端子连接器223的一个端子224输入的电流流过导体线圈222以便被输入到该双端子连接器223的另一个端子225，并且从另一个端子225输入的电流经反方向流过导体线圈222以便被输入到一个端子224。通过这种方式，第二天线结构22在电磁感应传输中所使用的第二频带下进行传送/接收操作。同样和图4b中所示相类似，第二天线结构22的磁场分布中，在导体线圈222的中心沿垂直于导体线圈222的方向存在磁通密度高的部分。当在该磁通密度高的部分进行通信操作时，可以实现更好的通信特性。第二天线结构22充当对无线电波的磁场有效操作的线圈状天线。

类似于第一实施例，在如上面说明那样构建的复合天线20的第二实施例中，形成第一天线结构21的传导层，即辐射导体212和接地导体213的厚度d3，比形成第二天线结构22的传导层，即导体线圈222的厚度d4要薄。具体地，辐射导体212和接地导体213的厚度d₃大于第一天线结构21在其下操作的第一频带的电流流过的透入深度(δ)，并且小于第二天线结构22在其下操作的第二频带的电流流过的透入深度(δ)。另外，导体线圈222的厚度d₄大于第二天线结构22在其下操作的第二频带的电流流过的透入深度(δ)。

类似于第一实施例，在上面说明的复合天线中，由于在设置辐射导体212的一侧的外部设置第二天线结构22，所以在第一天线结构21辐射的无线电波中对设置辐射导体212的一侧密集辐射的电磁波不会接收到第二天线结构22的任何影响。另一方面，由于形成第一天线结构21的传导层的厚度小于18μm，所以第二天线结构22辐射的电磁波在第一天线结构21的传导层的衰减量是小的。从而，可以提供小尺寸的复合天线20，其可以或者在无线电波传输中使用的第一频带下利用第一天线结构21或者在电磁感应传输中使用的第二频带下利用第二天线结构22来稳定地进行无线电通信。

本发明不受上面说明的实施例的限制，因此复合天线10、20的形状不受限于矩形形状，并且可以以圆形形状或多边形形状例如三角形、五边形、六边形等形成。另外，形成第一天线结构11、21的传导层的厚度d1、d3可以是能抑制第二天线结构12、22的影响的厚度，而形成第二天线结构12、22的传导层的厚度d2、d4可以是能在第二频带下使用的厚度。此外，传导层的材料不受铜的限制。

根据特定实施例说明了本发明。但是，基于本发明的原理的其它实施例对于本领域技术人员是明显的。预期权利要求书覆盖这些实施例。

Claims (13)

1.一种复合天线，包括：

第一传导层(112，113，212，213)，包括辐射导体(112，212)和接地导体(113，213)；

第一天线结构(11，21)，其包括该第一传导层并能在第一频带下操作；

第二传导层(122，123，222)，其厚度比该第一传导层的厚度厚，并且该第二传导层(122，123，222)包括线圈式导体(122，222)；以及

第二天线结构(12，22)，其包括该第二传导层并能在低于该第一频带的第二频带下操作，该第二天线结构和该第一天线结构被整体地提供；

其中所述第一传导层(212，213)的厚度大于第一频带的电流流过的透入深度并且小于第二频带的电流流过的透入深度，所述第二传导层(222)的厚度大于第二频带的电流流过的透入深度。

2.依据权利要求1的天线，其中第一和第二频带被设置为隔开规定的频带，从而第一天线结构适用于无线电波传输而第二天线结构适用于电磁感应传输。

3.依据权利要求1的天线，其中第一和第二传导层的材料相同。

4.依据权利要求3的天线，其中与通过使所用的频率f取(-1/2)次幂得到的值成比例地确定第一传导层和第二传导层各自的厚度。

5.依据权利要求1的天线，还包括用电介质材料做成的支持件(13)，其整体地支持第一和第二天线结构。

6.依据权利要求5的天线，其中该支持件位于第一和第二天线结构之间。

7.依据权利要求1的天线，其中该第一和第二天线结构形状上彼此不同。

8.依据权利要求7的天线，其中第一天线结构是贴片天线，而第二天线结构是线圈式天线。

9.依据权利要求1的天线，其中该第一天线结构包括第一电介质基片(111)，所述辐射导体(112)设置在该第一电介质基片的一个表面上，以及所述接地导体(113)设置在该第一电介质基片的另一个表面上。

10.依据权利要求1的天线，其中该第二天线结构包括第二电介质基片(121)以及所述线圈式导体(122)设置在该第二电介质基片的一个表面上。

11.依据权利要求1的天线，其中该第二天线结构包括设置在第一天线结构的外周的、用电介质材料做成的支持框(221)，以及所述线圈式导体(222)设置在该支持框的外周。

12.依据权利要求11的天线，其中第一天线结构(21)包括第一电介质基片(211)，所述辐射导体(212)设置在该第一电介质基片的一个表面上，以及所述接地导体(213)设置在该第一电介质基片的另一个表面上。

13.依据权利要求12的天线，其中辐射导体在第一电介质基片的平面方向中的辐射增益低于其在第一电介质基片法向方向中的辐射增益。

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