天线设备转让专利
申请号 : CN200510059474.4
文献号 : CN1674355B
文献日 : 2010-09-29
发明人 : 黒田慎一 , 山浦智也 , 伊贺章 , 冈山克巳
申请人 : 索尼株式会社
摘要 :
本发明涉及天线设备，具体公开了一种扁平型天线设备，具有彼此相对地设置的辐射导体和参考导体并且在偏离辐射导体中心的中心的位置上在辐射导体和参考导体之间执行馈送。该天线包括：绝缘材料层，该绝缘材料层具有大于1的相对磁导率并置于在辐射导体和参考导体之间的间隙中；和在一位置上设置以抑制不希望的激励并且能够在辐射导体和参考导体之间实现电导通的短路导体。
权利要求 :
1.一种扁平型天线设备，具有彼此相对地设置的辐射导体和参考导体并且在偏离所说的辐射导体中心的位置上在所说的辐射导体和所说的参考导体之间执行馈电，所说的天线设备包括：在所说的辐射导体和所说的参考导体之间的间隙中的中间层，该中间层包括具有绝缘材料层和空层的多个层，其中所说的绝缘材料层的相对介电常数和相对磁导率两者都大于1，其中所述空层构造为使介电常数在电通量方向上不连续但磁导率在磁通量方向上连续，以及短路导体板，设置在一位置上以抑制不需要的高阶模式的不希望的激励并实现在所述辐射导体和所述参考导体之间电导通，其中所说的绝缘材料层包括六角晶系铁氧体。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其中所说的绝缘材料层由包括如下材料的氧化物磁性材料制成：通过通式Ba2Me12Fe12O22表示的Y-型铁氧体化合物，这里Me1从Ni2+、Zn2+、Mn2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+和Co2+的一种或多种中适当地选择以调节组分。
3.根据权利要求1所述的天线设备，其中所说的绝缘材料层由包括如下材料的氧化物磁性材料制成：通过通式Ba3Me12Fe24O41表示的Z-型铁氧体化合物，这里Me1从Ni2+、Zn2+、Mn2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+和Co2+的一种或多种中适当地选择以调节组分。
4.根据权利要求1所述的天线设备，其中所说的绝缘材料层由包括如下材料的氧化物磁性材料制成：通过通式BaMe2xFe(12-x)O19表示的M-型铁氧体化合物，这里Me2从Al3+、Cr3+、Sc3+和In3+的一种或多种中适当地选择以调节组分，或者是其中Ti4+、Sn4+和Zn4+的量与Me1的量相同的混合物。
5.根据权利要求2至4中任一所述的天线设备，其中所说的绝缘材料层由作为粉末材料的所说的氧化物磁性材料制成并且与树脂复合以形成树脂复合物。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种用于发送和接收无线电信号的天线设备。具体地说，本发明涉及一种能够应用于无线通信系统的超宽带、小尺寸的天线设备，这种无线通信系统使用超宽带频带比如用于发送和接收的超宽带通信。
更具体地说，本发明涉及根据通过绝缘衬底的中间体彼此相对地设置辐射导体和参考导体(接地导体)构造的接线天线方案的天线设备。此外，更具体地，本发明涉及一种在宽带中具有单向性的薄的微带接线天线。
背景技术
近年来，随着处理速度的增加和价格的降低，人们越来越需要无线LAN系统。如今，特别是，通过在人们周围的多个电子设备之间构造小规模的无线网络，引入了使用个人局域网(PAN)进行信息通信。例如，有各种不同的无线通信系统使用不需要管理的法定机构许可的频带比如2.4GHz和5GHz频带。
近年来，对于作为用于短距离、超高速度传输的无线系统的“超宽带(UWB)通信”尤其引起了人们的注意。期望UWB通信是商业上可得到的。UWB通信系统被设计为用于通过将数据从例如3GHz扩散到10GHz的超宽频带发送和接收数据的无线通信。当前，IEEE802.15.3工作组等正讨论对超宽带通信的存取控制系统。
包括无线LAN的无线通信使用天线进行信息发射。可以使用各种类型的天线。具体地，通过将数据扩展到超宽频带，宽带天线可用于发送和接收数据的UWB通信。小天线对于无线设备的小型化和重量轻有作用。
例如，公知的微带接线天线是薄天线。即，这种天线设备通过绝缘衬底的中间体彼此相对地设置辐射导体和参考导体构造。一般地，将辐射导体成形为矩形或圆形，虽然没有具体地规定。绝缘衬底插入在辐射导体和参考导体之间并且薄至大约为无线频率波长的十分之一或更小。因此，微带接线天线可以被构造为很薄。此外，通过蚀刻双面铜包层的绝缘衬底可以相对容易地制造微带接线天线。即，微带接线天线的特征在于相对容易地制造或容易地与电路衬底集成。
附图7所示为微带接线天线和它的阻抗匹配电路的实例的结构。辐射导体成形为如附图7所示的矩形或者圆形。介电材料用于绝缘材料并且具有无线频率波长的大约十分之一的厚度，即很薄。实际上，通常通过蚀刻双面铜包层的绝缘衬底可以相对容易地制造微带接线天线。因此，微带接线天线可以被相对容易地制造或容易地与电路衬底集成。
在具有上述结构的微带接线天线在最低的模式(或者矩形天线的TM10-模式)中激励时，该天线指示大致沿z-轴方向的单向辐射的方向性。存在大约几dBi的方向增益。因为激励，在具有从中心稍稍偏离的位置上提供馈送点。调节偏移长度使它校准到50欧姆。
微带接线天线本身使用窄的工作带。这种微带接线天线不适合于使用宽带作为工作带的PAN系统等。根据设计参数，小于或等于VSWR2的带宽具有大约几个百分点的电平。这种缺陷极大地限制了可应用的范围。
在另一方面，提供了一种包括通过到电源的馈线连接的参考导体和辐射导体的宽带天线设备。参考导体和辐射导体都被设置成至少它的一部分彼此相对。中间衬底置于在参考导体和辐射导体的相对部分之间。在工作无线频率上，中间衬底指示约大于或等于0.1并小于或等于10的导电性。因此，该天线设备在宽带上可以提供足够的增益。原因如下。提供在参考导体和辐射导体之间具有约大于或等于0.1并小于或等于10的导电性的衬底。该衬底的特征在于这种导电性可能在参考导体和辐射导体之间产生恰当的信号泄漏(例如，参见专利文献1)。
此外，提供一种薄宽带天线设备，该天线设备包括通过到电源的馈线连接的参考导体和辐射导体。参考导体和辐射导体在一极附近彼此相对平行地设置。磁性材料置于彼此相对的参考导体和辐射导体之间。在工作无线频率上，磁性材料具有大于1或大致小于或等于8的相对的磁导率。因此，天线设备可以在宽带上提供足够的增益(参见日本专利申请公开No.304115/2003)。
附图8所示为实例性地说明使用介电材料和磁性材料作为置于彼此相对的参考导体和辐射导体之间的绝缘材料在工作带宽之间的比较的模拟VSWR特征的结果。通过适当地调节相对介电常数或者相对磁导率以保持相同的天线尺寸来比较带宽。在使用相对介电常数为3的介电材料时，工作带宽指示6.5％(小于2.5的VSWR)。在具有相对磁导率为3.6的磁性材料时，带宽指示高达21.2％。
在使用磁性材料作为中间体时，通过简单调节在馈送点上的偏移长度可能难以进行阻抗匹配。通过使用例如在附图7的右侧的阻抗匹配电路可以解决这种情况。
近年来，对于作为用于短距离、超高速度传输的无线系统的“超宽带(UWB)通信”尤其引起了人们的注意。期望UWB通信是商业上可得到的。UWB通信系统被设计为用于通过将数据从例如3GHz扩散到10GHz的超宽频带发送和接收数据的无线通信。当前，IEEE802.15.3工作组等正讨论对超宽带通信的存取控制系统。
包括无线LAN的无线通信使用天线进行信息发射。可以使用各种类型的天线。具体地，通过将数据扩展到超宽频带，宽带天线可用于发送和接收数据的UWB通信。小天线对于无线设备的小型化和重量轻有作用。
例如，公知的微带接线天线是薄天线。即，这种天线设备通过绝缘衬底的中间体彼此相对地设置辐射导体和参考导体构造。一般地，将辐射导体成形为矩形或圆形，虽然没有具体地规定。绝缘衬底插入在辐射导体和参考导体之间并且薄至大约为无线频率波长的十分之一或更小。因此，微带接线天线可以被构造为很薄。此外，通过蚀刻双面铜包层的绝缘衬底可以相对容易地制造微带接线天线。即，微带接线天线的特征在于相对容易地制造或容易地与电路衬底集成。
附图7所示为微带接线天线和它的阻抗匹配电路的实例的结构。辐射导体成形为如附图7所示的矩形或者圆形。介电材料用于绝缘材料并且具有无线频率波长的大约十分之一的厚度，即很薄。实际上，通常通过蚀刻双面铜包层的绝缘衬底可以相对容易地制造微带接线天线。因此，微带接线天线可以被相对容易地制造或容易地与电路衬底集成。
在具有上述结构的微带接线天线在最低的模式(或者矩形天线的TM10-模式)中激励时，该天线指示大致沿z-轴方向的单向辐射的方向性。存在大约几dBi的方向增益。因为激励，在具有从中心稍稍偏离的位置上提供馈送点。调节偏移长度使它校准到50欧姆。
微带接线天线本身使用窄的工作带。这种微带接线天线不适合于使用宽带作为工作带的PAN系统等。根据设计参数，小于或等于VSWR2的带宽具有大约几个百分点的电平。这种缺陷极大地限制了可应用的范围。
在另一方面，提供了一种包括通过到电源的馈线连接的参考导体和辐射导体的宽带天线设备。参考导体和辐射导体都被设置成至少它的一部分彼此相对。中间衬底置于在参考导体和辐射导体的相对部分之间。在工作无线频率上，中间衬底指示约大于或等于0.1并小于或等于10的导电性。因此，该天线设备在宽带上可以提供足够的增益。原因如下。提供在参考导体和辐射导体之间具有约大于或等于0.1并小于或等于10的导电性的衬底。该衬底的特征在于这种导电性可能在参考导体和辐射导体之间产生恰当的信号泄漏(例如，参见专利文献1)。
此外，提供一种薄宽带天线设备，该天线设备包括通过到电源的馈线连接的参考导体和辐射导体。参考导体和辐射导体在一极附近彼此相对平行地设置。磁性材料置于彼此相对的参考导体和辐射导体之间。在工作无线频率上，磁性材料具有大于1或大致小于或等于8的相对的磁导率。因此，天线设备可以在宽带上提供足够的增益(参见日本专利申请公开No.304115/2003)。
附图8所示为实例性地说明使用介电材料和磁性材料作为置于彼此相对的参考导体和辐射导体之间的绝缘材料在工作带宽之间的比较的模拟VSWR特征的结果。通过适当地调节相对介电常数或者相对磁导率以保持相同的天线尺寸来比较带宽。在使用相对介电常数为3的介电材料时，工作带宽指示6.5％(小于2.5的VSWR)。在具有相对磁导率为3.6的磁性材料时，带宽指示高达21.2％。
在使用磁性材料作为中间体时，通过简单调节在馈送点上的偏移长度可能难以进行阻抗匹配。通过使用例如在附图7的右侧的阻抗匹配电路可以解决这种情况。
发明内容
然而，在使用磁性材料构造微带接线天线时，带宽扩展到使未预料的模式的副作用不可忽略。这是因为该模式工作在宽带中并且容易彼此重叠。为此，在工作频带中的最低和最高频率渐渐具有激励在该频带紧接着之前和之后的未预料的模式的成分。这些成分可能阻碍原始期望的辐射图形。
当前可用的磁性材料显示相对介电常数被设定到大于或等于1的值，从不设定到1。(在大多数情况下，磁性材料显示相对介电常数被设定到大于或等于相对磁导率的值)。即，磁性材料的特征也在于作为介电材料的特性。在这种绝缘材料用作中间体时，它的电介质特性可能降低扩展宽带的影响(虽然由于磁导率的缘故这种影响基本被证实)。
当前，存在对用于高频的实际工程氧化物磁性材料操作存在大约高达几百兆赫兹的极限。对于尖晶石铁氧体，这被称为“Snoek”极限。在大多数情况下，在超过频率的区域中不能预计高磁导率。在另一方面，实际预计微带接线天线可用于微波带(即GHz频带)或更高。
因此，需要使用新的磁性材料用于微波带以便提供实际上极大的磁性材料的微带接线天线。为此，考虑到降低扩展带宽的影响的上述问题，不得不选择具有尽可能低的介电常数的特征的组合。
在这种情况下，本发明解决了前述的问题以提供一种在微带接线天线结构方面优良的天线设备，使用包括磁性材料作为绝缘衬底的中间体通过彼此相对地设置辐射导体和参考导体提供该结构。
本发明也提供一种在宽带中具有单向性的优良的薄微带接线天线。
根据前述的情况已经作出了本发明。根据本发明的第一实施例，提供一种扁平型天线设备，这种天线设备具有彼此相对地设置的辐射导体和参考导体并且在偏离辐射导体中心的中心的位置上在辐射导体和参考导体之间执行馈送，该天线包括：
具有大于1的相对磁导率并置于在辐射导体和参考导体之间的间隙中的绝缘材料层；和
设置在一位置上以抑制不希望的激励并实现在辐射导体和参考导体之间的电导通的短路导体。
根据本发明的第一实施例的天线设备使用包括磁性材料(相对磁导率＞1)的绝缘材料提供宽带操作。此外，天线设备被构造成在一位置上适当地设置短路导体以抑制不希望的高阶模式的激励。短路导体用于在辐射导体和参考导体之间的电导通。
根据附图1的实例，例如短路导体部分沿y-轴(x＝0)提供。在这个点上强制使板间电压归零使得难以启动不希望的高阶模式。由于y-轴原始地显示在预计的最低阶模式(TM10-模式)中的零电压，因此不抑制激励。即，可以仅抑制不希望的高阶模式的激励，而不改变希望的模式。本发明人认为这种处理对于具有宽带特征的磁性材料的微带接线天线非常重要。
根据本发明的第二实施例，提供一种扁平型天线设备，这种天线设备具有彼此相对地设置的辐射导体和参考导体并且在偏离辐射导体中心的中心的位置上在辐射导体和参考导体之间执行馈送，该天线包括：
在辐射导体和参考导体之间的间隙中包括多个层比如绝缘材料层和空层的中间层，其中绝缘材料层具有两者都大于1的相对介电常数和相对磁导率。
根据本发明的第二实施例的天线设备使用磁性材料(相对磁导率＞1)作为绝缘材料以提供宽带操作。然而，绝缘材料不完全填充在辐射导体和参考导体之间的间隙。多层结构用于在其间适当地插入空层(具有都被设置到1的相对介电常数和相对磁导率)。
本发明考虑到电介质特性也包含在用作绝缘材料的磁性材料中并且降低了扩展带宽的影响。根据本发明的实施例，空层插入到绝缘材料层。这确保了给在辐射导体和参考导体之间的整个中间层提供接近1的相对介电常数εr的效果。优选将空层构造成介电常数在电通量方向上不连续并且磁导率变为在磁通量方向上连续。在这种情况下，通过防止整个中间层的磁导率的降低可以减小介电常数。
绝缘材料层可以包括六角晶系铁氧体。该六角晶系铁氧体可以是氧化物磁性材料，包括：通过通式Ba2Me12Fe12O22表示的Y-型铁氧体化合物、通过通式Ba3Me12Fe24O41表示的Z-型铁氧体化合物或通过通式BaMe2xFe(12-x)O19表示的M-型铁氧体化合物。(在这些通式中，为调节组分，Me1从Ni2+、Zn2+、Mn2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+和Co2+的一种或多种中适当地选择。为调节组分，Me2从Al3+、Cr3+、Sc3+和In3+的一种或多种中适当地选择，或者是(Ti4+、Sn4+、Zn4+)和Me1的相同量的混合物)。为了维持高介电常数和低导磁率，本发明调节主要获得包含二价金属离子或三价金属离子的组分。这就使得可以提供一种适合于用于微波带的磁性材料的微带接线天线的特性。
在辐射导体和参考导体之间的间隙中提供绝缘中间体时，绝缘中间体的过大的介电常数损害了磁性材料天线的特征。为了降低介电常数，也可以使用复合材料作为绝缘材料层。复合材料包括作为具有上述的组分的磨碎的材料的氧化物磁性材料和树脂的混合物(相对介电常数被设定到2或3)。
本发明提供一种在微带接线天线结构方面优良的天线设备，使用包括磁性材料作为绝缘衬底的中间体通过彼此相对地设置辐射导体和参考导体提供该结构。
在磁性材料用作中间体的绝缘衬底时，本发明解决了涉及扩展频带的副作用的问题。本发明可以提供一种在宽带上具有单向性的良好的薄微带接线天线。根据本发明的实施例的微带接线天线能够适当地用于超宽带无线通信系统，该无线通信系统使用例如用于发送和接收的超宽频带。
通过参考下文的描述和附加的附图容易确定本发明的这些和其它的目的和新颖的特征。
当前可用的磁性材料显示相对介电常数被设定到大于或等于1的值，从不设定到1。(在大多数情况下，磁性材料显示相对介电常数被设定到大于或等于相对磁导率的值)。即，磁性材料的特征也在于作为介电材料的特性。在这种绝缘材料用作中间体时，它的电介质特性可能降低扩展宽带的影响(虽然由于磁导率的缘故这种影响基本被证实)。
当前，存在对用于高频的实际工程氧化物磁性材料操作存在大约高达几百兆赫兹的极限。对于尖晶石铁氧体，这被称为“Snoek”极限。在大多数情况下，在超过频率的区域中不能预计高磁导率。在另一方面，实际预计微带接线天线可用于微波带(即GHz频带)或更高。
因此，需要使用新的磁性材料用于微波带以便提供实际上极大的磁性材料的微带接线天线。为此，考虑到降低扩展带宽的影响的上述问题，不得不选择具有尽可能低的介电常数的特征的组合。
在这种情况下，本发明解决了前述的问题以提供一种在微带接线天线结构方面优良的天线设备，使用包括磁性材料作为绝缘衬底的中间体通过彼此相对地设置辐射导体和参考导体提供该结构。
本发明也提供一种在宽带中具有单向性的优良的薄微带接线天线。
根据前述的情况已经作出了本发明。根据本发明的第一实施例，提供一种扁平型天线设备，这种天线设备具有彼此相对地设置的辐射导体和参考导体并且在偏离辐射导体中心的中心的位置上在辐射导体和参考导体之间执行馈送，该天线包括：
具有大于1的相对磁导率并置于在辐射导体和参考导体之间的间隙中的绝缘材料层；和
设置在一位置上以抑制不希望的激励并实现在辐射导体和参考导体之间的电导通的短路导体。
根据本发明的第一实施例的天线设备使用包括磁性材料(相对磁导率＞1)的绝缘材料提供宽带操作。此外，天线设备被构造成在一位置上适当地设置短路导体以抑制不希望的高阶模式的激励。短路导体用于在辐射导体和参考导体之间的电导通。
根据附图1的实例，例如短路导体部分沿y-轴(x＝0)提供。在这个点上强制使板间电压归零使得难以启动不希望的高阶模式。由于y-轴原始地显示在预计的最低阶模式(TM10-模式)中的零电压，因此不抑制激励。即，可以仅抑制不希望的高阶模式的激励，而不改变希望的模式。本发明人认为这种处理对于具有宽带特征的磁性材料的微带接线天线非常重要。
根据本发明的第二实施例，提供一种扁平型天线设备，这种天线设备具有彼此相对地设置的辐射导体和参考导体并且在偏离辐射导体中心的中心的位置上在辐射导体和参考导体之间执行馈送，该天线包括：
在辐射导体和参考导体之间的间隙中包括多个层比如绝缘材料层和空层的中间层，其中绝缘材料层具有两者都大于1的相对介电常数和相对磁导率。
根据本发明的第二实施例的天线设备使用磁性材料(相对磁导率＞1)作为绝缘材料以提供宽带操作。然而，绝缘材料不完全填充在辐射导体和参考导体之间的间隙。多层结构用于在其间适当地插入空层(具有都被设置到1的相对介电常数和相对磁导率)。
本发明考虑到电介质特性也包含在用作绝缘材料的磁性材料中并且降低了扩展带宽的影响。根据本发明的实施例，空层插入到绝缘材料层。这确保了给在辐射导体和参考导体之间的整个中间层提供接近1的相对介电常数εr的效果。优选将空层构造成介电常数在电通量方向上不连续并且磁导率变为在磁通量方向上连续。在这种情况下，通过防止整个中间层的磁导率的降低可以减小介电常数。
绝缘材料层可以包括六角晶系铁氧体。该六角晶系铁氧体可以是氧化物磁性材料，包括：通过通式Ba2Me12Fe12O22表示的Y-型铁氧体化合物、通过通式Ba3Me12Fe24O41表示的Z-型铁氧体化合物或通过通式BaMe2xFe(12-x)O19表示的M-型铁氧体化合物。(在这些通式中，为调节组分，Me1从Ni2+、Zn2+、Mn2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+和Co2+的一种或多种中适当地选择。为调节组分，Me2从Al3+、Cr3+、Sc3+和In3+的一种或多种中适当地选择，或者是(Ti4+、Sn4+、Zn4+)和Me1的相同量的混合物)。为了维持高介电常数和低导磁率，本发明调节主要获得包含二价金属离子或三价金属离子的组分。这就使得可以提供一种适合于用于微波带的磁性材料的微带接线天线的特性。
在辐射导体和参考导体之间的间隙中提供绝缘中间体时，绝缘中间体的过大的介电常数损害了磁性材料天线的特征。为了降低介电常数，也可以使用复合材料作为绝缘材料层。复合材料包括作为具有上述的组分的磨碎的材料的氧化物磁性材料和树脂的混合物(相对介电常数被设定到2或3)。
本发明提供一种在微带接线天线结构方面优良的天线设备，使用包括磁性材料作为绝缘衬底的中间体通过彼此相对地设置辐射导体和参考导体提供该结构。
在磁性材料用作中间体的绝缘衬底时，本发明解决了涉及扩展频带的副作用的问题。本发明可以提供一种在宽带上具有单向性的良好的薄微带接线天线。根据本发明的实施例的微带接线天线能够适当地用于超宽带无线通信系统，该无线通信系统使用例如用于发送和接收的超宽频带。
通过参考下文的描述和附加的附图容易确定本发明的这些和其它的目的和新颖的特征。
附图说明
附图1所示为根据本发明的第一实施例的微带接线天线的结构的示意图；
附图2所示为使用沿z-轴方向模拟内部电场分布的结果根据本发明的实施例的微带接线天线的特征的举例说明；
附图3所示为使用模拟的辐射图形的结果根据本发明的实施例的微带接线天线的特征的举例说明；
附图4所示为根据本发明的第二实施例的微带接线天线的结构的示意图；
附图5所示为使用模拟VSWR特征根据本发明的实施例的在附图4中所示的微带接线天线的工作带宽；
附图6所示为通过如下构造的微带接线天线的结构的实例：将在抑制不需要的高阶模式的激励的位置上设置在附图1中的短路导体的结构和将交替地包括绝缘材料和空层的多个层置于在辐射导体和参考导体之间的间隙的结构组合；
附图7所示为微带接线天线和它的阻抗匹配电路(在过去的实例)的结构的举例说明；和
附图8所示为使用介电材料和磁性材料作为置于在彼此相对的参考导体和辐射导体之间的绝缘材料在工作带宽之间实例性比较的模拟VSWR特征的结果。
附图2所示为使用沿z-轴方向模拟内部电场分布的结果根据本发明的实施例的微带接线天线的特征的举例说明；
附图3所示为使用模拟的辐射图形的结果根据本发明的实施例的微带接线天线的特征的举例说明；
附图4所示为根据本发明的第二实施例的微带接线天线的结构的示意图；
附图5所示为使用模拟VSWR特征根据本发明的实施例的在附图4中所示的微带接线天线的工作带宽；
附图6所示为通过如下构造的微带接线天线的结构的实例：将在抑制不需要的高阶模式的激励的位置上设置在附图1中的短路导体的结构和将交替地包括绝缘材料和空层的多个层置于在辐射导体和参考导体之间的间隙的结构组合；
附图7所示为微带接线天线和它的阻抗匹配电路(在过去的实例)的结构的举例说明；和
附图8所示为使用介电材料和磁性材料作为置于在彼此相对的参考导体和辐射导体之间的绝缘材料在工作带宽之间实例性比较的模拟VSWR特征的结果。
具体实施方式
下文进一步参考附图详细地描述本发明的实施例。
附图1所示为根据本发明的第一实施例的微带接线天线的结构的示意图；
如附图1所示，该微带接线天线是扁平的天线，包括使用中间体的彼此相对地设置的辐射导体和参考导体，该中间体包括具有适当的绝缘性的物质。在附图1中，xy坐标系的原点置于辐射导体的中心。Z-轴沿xy平面的正交的方向设置。为了激励，在从辐射导体的中心(即xy原点)偏移fp的位置上提供馈点。
该实施例使用磁性材料(相对磁导率＞1)作为宽带操作的绝缘材料。该实施例被构造成在一位置上适当地设置短路导体以抑制不希望的高阶模式的激励。短路导体用于在辐射导体和参考导体之间的电导通。
例如，根据附图1中的实例，沿y-轴(x＝0)部分地提供短路导体。在这一点上使板间电压强制为零使得它难以产生不希望的高阶模式。由于y-轴原始显示在预期的最低阶模式(TM10-模式)中的零电位，因此激励不被抑制。即，可以仅抑制不需要的高阶模式的激励，而不改变所预期的模式。本发明人认为，这种处理对以宽带特性为特征的磁性材料微带接线天线是非常重要的。
附图2所示为使用模拟沿z-轴方向的内部电场分布的结果具有根据该实施例的短路导体的微带接线天线的特性的实例说明。作为对比，在附图2中的模拟结果表示如下。左侧表示“没有提供短路导体”。右侧表示“提供了短路导体”。上部使用3GHz的工作频率。下部使用4GHz的工作频率。与在附图8中的特性实例一样，在附图2中的实例也使用在大约3至4GHz的最低阶模式中工作的参数(εr＝1，μr＝10，σ＝0，l＝20mm，L＝50mm，h＝4mm)。每个曲线的中心处的方形对应于辐射导体。
3GHz频率的结果指示不依赖是否提供短路导体在y-轴上的最小电场(几乎零板间电压)。该结果也显示发生了公知的TM10-模式的电场分布，因此电场强度朝上和下边界增加。由于在y-轴上的板间电压几乎为零，因此不管是否提供短路导体，都会维持规定的分布。
4GHz频率的结果指示TM10-模式的分布开始变形并且高阶模式的影响显著。在不使用短路导体时，将高场区域划分为三个部分，几乎不留下TM10-模式的轨迹。相反，在使用短路导体时，尽管变形了，但是仍然将高场区域划分为上和下边界，稍稍保持TM10-模式的轨迹。这是因为提供的短路导体抑制了不期望的高阶模式。原始地，不期望的高阶模式指示在提供了短路导体的位置上没有板间电压。认为，使该位置的强制短路造成激励困难。
附图3所示为使用模拟辐射图形的结果根据本发明的实施例的微带接线天线的特性的实例说明。附图3的模拟结果表示在提供短路导体和不提供短路导体的情况之间的比较。上部部分使用3GHz的工作频率。下部部分使用4GHz的工作频率。与在附图8中的特征实例一样，在附图2中的实例也使用在大约3至4GHz的最低阶模式中工作的参数(εr＝1，μr＝10，σ＝0，l＝20mm，L＝50mm，h＝4mm)。选择测量平面以满足φ＝90度(y-z平面)。即，测量平面被选择为使所预期的最低阶模式分量作为φ矢量分量出现，并且紧接着随后高阶模式分量作为θ矢量分量出现。
3GHz频率的结果指示不管是否提供短路导体在最低阶模式中都仅出现φ矢量成分。沿θ＝0度的方向(z-轴方向)获得了最低阶模式固有的单向性。在附图3中的模拟结果显示沿这个方向5.8dBi的峰值增益。
4GHz频率的结果指示不仅出现了在最低阶模式中的φ矢量，而且还出现了在高阶模式中的θ矢量分量。在不提供短路导体时，高阶模式分量将电功率显著地分布在不期望的方向上。结果，φ矢量分量的峰值增益下降到低至3.0dBi。相反，在提供了短路导体时，极大地抑制了高阶模式分量。所预期的φ矢量分量的峰值增益指示4.7dBi。这意味着相当小的损失。即，提供短路导体抑制了电功率辐射到不期望的方向，因此改善了在预期方向上的电功率。认为，这些结果表示在电场分布上的上述不同。
附图4所示为根据本发明的另一实施例的微带接线天线的结构的示意图。
如附图4所示，微带接线天线是扁平的天线，包括使用中间体彼此相对设置的辐射导体和参考导体，该中间体包括具有适当绝缘性的衬底。在附图1中，xy坐标系的原点置于辐射导体的中心。z-轴沿与xy平面正交的方向设置。为了激励，在从辐射导体的中心(即xy原点)偏移fp的位置上提供馈点。
该实施例使用磁性材料(相对磁导率＞1)作为用于宽带操作的绝缘材料。然而，绝缘材料不完全填充在辐射导体和参考导体之间的间隙。使用多层结构在其间适当地插入空层(相对介电常数和相对磁导率都被设置为1)。
该实施例考虑将电介质特性也包含在用作绝缘材料的磁性材料中，并且降低扩展带宽的影响。根据本实施例，空层插入在绝缘材料层中。对于在辐射导体和参考导体之间的整个中间层，这确保了提供接近于1的相对介电常数εr的效果。优选将空层构造为使介电常数在电通量方向上不连续但磁导率在磁通量方向上连续。在这种情况下，通过减小在整个中间层的磁导率可以降低介电常数。
在附图4中的实例包括一个绝缘材料层和一个空层。可以使用多层结构来使这些层交替。
在使用包括具有超过1的相对介电常数的磁性材料(即具有磁导率和电介质特性的绝缘材料)的中间体时本实施例比较有效。在这种绝缘材料被用于在过去的天线结构时，电介质特性降低了带宽扩展效应(主要根据磁导率证实)。
附图5所示为根据结构实例的微带接线天线的工作带宽和在过去的实施例之间的比较。附图5代表使用模拟VSWR特性的结果的天线的工作带宽。假设辐射导体具有26mm的边长。适当地调节参数以使在相对介电常数＝相对磁导率的限制条件下工作频带指示3GHz的下限频率。
附图5的左端显示了根据过去的实例的结构的微带接线天线的工作带宽，在过去的实例中以绝缘材料(相对介电常数和相对磁导率都被设置为2)完全填充间隙。如附图5所示，工作带宽指示9.3％(小于2.5的VSWR)。与在附图8中的纯磁性材料(相对介电常数被设定为1，相对磁导率被设置为3.6)相比，带宽降低了。这显示由于电介质特性降低带宽的效果。
附图5的中心显示根据该实施例的微带接线天线的工作带宽，该实施例将绝缘材料和空层插入在辐射导体和参考导体之间的间隙中。空层具有1/2的体积比。绝缘材料的相对介电常数和相对磁导率都被设置到3.9。在这种情况下，带宽恢复到如附图5所示的11.7％。由于在电通量上提供空层，因此认为，降低电介质特性的作用优于降低磁导率的作用。
附图5的右端显示通过增加插入在辐射导体和参考导体之间的间隙中的空层的体积比的微带接线天线的工作带宽。在这种情况下，带宽进一步恢复到如附图5所示的14.5％。
根据本发明的实施例的上述的微带接线天线实现了特定的效果。当然，通过一起使用该实施例同时期望这些效果。附图6实例性说明了通过组合两种结构的微带接线天线的结构。根据一种构造(参见附图1)，扁平天线包括彼此相对的辐射导体和参考导体，在其间具有以适当绝缘性的材料制成的中间体。在某一位置上提供短路导体用于在辐射导体和参考导体之间的电导通以抑制不需要的高阶模式的激励。根据其它的构造(参见附图4)，在辐射导体和参考导体之间的间隙被形成为包括交替的绝缘材料层和空层的多个层。
最后，下文描述根据上述的实施例在辐射导体和参考导体之间的间隙中插入的绝缘中间体。本实施例使用磁性材料作为绝缘材料以实现扩展工作带宽的效果。如上文所述，氧化物磁性材料比如尖晶石铁氧体存在“Snoek极限”的问题，即在高频带中不能预计高磁导率。为解决这个问题，本实施例使用如下的氧化物磁性材料。
Y-型铁氧体
(a)Zn2Y(Ba2Me12Fe12O22)
(b)NiZnY(Ba3Me12Fe24O41)
M-型铁氧体
(c)BaM(BaFe9.75Sn1Mn1.25O19)
这些铁氧体的基本化合物例如公开在J.Smit和H.P.Wijn撰写的“Ferrites”(Philips Technical Library(1959))中。本发明构造了六角晶系铁氧体的绝缘材料层。为了维持高磁导率和低介电常数，本发明调节主要包含二价金属离子或三价金属离子的成分。这使得它可以提供适合于微波带的磁性材料微带接线天线的特性。
如上文所述，显然，绝缘中间体的过量介电常数损害了作为磁性材料天线的特征。为了降低介电常数，也可以使用包括上述的化合物和树脂的混合物的复合材料(相对介电常数被设定到2或3)。例如，复合材料是包括与公知的树脂(ABS，PC，PS，苯酚，环氧树脂，CP橡胶，丙烯酸等)复合的上述氧化物磁性材料作为粉末材料的树脂复合物。还提供了如下的优点：减小重量，阻止了脆性断裂，改善了破碎强度，增强了设计天线形状的自由度，等等。
一般地，通过湿或干处理制造铁氧体。下文描述制造铁氧体的干处理。
所使用的原材料粉末是BaCO3、αFe2O3、Co2O3、ZnO和NiO。作为开始材料，所有的粉末具有99％或更大的纯度并且考虑所包括的杂质称量。根据从罐中研磨的金属粉末和在球磨机中的小球的混合物(将在下文中描述)，将原材料Fe2O3适当地调节在从0.1％至1％的范围内。根据在高温下烘焙的过程中ZnO的蒸发将氧化锌ZnO适当地调节到从0.1％至2％的范围内。添加少量的SiO2、CaO等以改善烧结特性。在称量到指定的成分之后，使用湿型行星式球磨机混合这些粉末。这时，优选适当地使用水、乙醇、三氯乙烯等作为溶剂。本实施例使用酒精乙醇。本实施例适当地使用碳化的物质和氧化物作为开始材料的模式。此外，优选使用金属醇盐、草酸盐有机金属络合物等。
使所混合的浆状物干燥并做成颗粒。在1000℃至1400℃(最佳温度取决于组份)焙烧以生产铁氧体化合物。对颗粒进行粗研磨，然后使用球磨机以湿的方式进行精细研磨。由于下述的原因一次生产铁氧体化合物，然后研磨它。由于在原材料中的气体或蒸气成分反应，因此需要降低由于从颗粒中清除带来的不利影响。
在精细研磨之后，再次将浆状物作成颗粒并最终焙烧。考虑到氧解离压力，在不活泼气体或优选气体比如N2中焙烧。所得的颗粒具有大约99％或更大的密度，并且几乎接近真实密度。颗粒被研磨并筛选以提供具有不同的颗粒尺寸分布的多个粉末变量。所得的粉末与树脂混合，并使用三辊机器或公知的片状混合物做成片状。所使用的树脂是ABS、PC、PPS等。在30％和60％的范围内调节铁氧体粉末填充量。虽然高度填充提供了增加磁导率的优点，但是介电常数也增加以致从可适用于本发明所要求的天线特性的特征范围中偏离。执行计算以计算基于烧结体的值的填充量。将片的厚度从0.1调节到4毫米。对于天线设计优选大约1毫米。可使用研磨机辊进行片状成形。此外，其它的方法比如冲压和刮刀都可使用。
绝缘材料的导电性并不总是为零。这应用于上述的所有实施例。只在绝缘材料几乎不显示象导体一样的特征时，甚至非零导电性仍然不会妨碍本发明的实施。作为本发明的特定的实施例，铁氧体或铁氧体复合物具有大约103至1014Ωcm的电阻率。虽然这些值高于金属的电阻率(大约10至7Ωcm)，但是这些值随着材料的改变而变化。
参考特定的实施例已经详细地描述了本发明。本领域普通技术人员可以清楚地理解到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以作出各种各样的改变和替代。即，本发明已经通过实例公开。本说明书的内容不应该限制性地解释。附加的权利要求应该被看作是本发明的精神要点。
交叉申请的相关引用
本发明包含2004年3月26日在日本专利局申请的日本专利申请JP2004-091968的主题，在此以引用参考的方式将其结合在本申请中。
附图1所示为根据本发明的第一实施例的微带接线天线的结构的示意图；
如附图1所示，该微带接线天线是扁平的天线，包括使用中间体的彼此相对地设置的辐射导体和参考导体，该中间体包括具有适当的绝缘性的物质。在附图1中，xy坐标系的原点置于辐射导体的中心。Z-轴沿xy平面的正交的方向设置。为了激励，在从辐射导体的中心(即xy原点)偏移fp的位置上提供馈点。
该实施例使用磁性材料(相对磁导率＞1)作为宽带操作的绝缘材料。该实施例被构造成在一位置上适当地设置短路导体以抑制不希望的高阶模式的激励。短路导体用于在辐射导体和参考导体之间的电导通。
例如，根据附图1中的实例，沿y-轴(x＝0)部分地提供短路导体。在这一点上使板间电压强制为零使得它难以产生不希望的高阶模式。由于y-轴原始显示在预期的最低阶模式(TM10-模式)中的零电位，因此激励不被抑制。即，可以仅抑制不需要的高阶模式的激励，而不改变所预期的模式。本发明人认为，这种处理对以宽带特性为特征的磁性材料微带接线天线是非常重要的。
附图2所示为使用模拟沿z-轴方向的内部电场分布的结果具有根据该实施例的短路导体的微带接线天线的特性的实例说明。作为对比，在附图2中的模拟结果表示如下。左侧表示“没有提供短路导体”。右侧表示“提供了短路导体”。上部使用3GHz的工作频率。下部使用4GHz的工作频率。与在附图8中的特性实例一样，在附图2中的实例也使用在大约3至4GHz的最低阶模式中工作的参数(εr＝1，μr＝10，σ＝0，l＝20mm，L＝50mm，h＝4mm)。每个曲线的中心处的方形对应于辐射导体。
3GHz频率的结果指示不依赖是否提供短路导体在y-轴上的最小电场(几乎零板间电压)。该结果也显示发生了公知的TM10-模式的电场分布，因此电场强度朝上和下边界增加。由于在y-轴上的板间电压几乎为零，因此不管是否提供短路导体，都会维持规定的分布。
4GHz频率的结果指示TM10-模式的分布开始变形并且高阶模式的影响显著。在不使用短路导体时，将高场区域划分为三个部分，几乎不留下TM10-模式的轨迹。相反，在使用短路导体时，尽管变形了，但是仍然将高场区域划分为上和下边界，稍稍保持TM10-模式的轨迹。这是因为提供的短路导体抑制了不期望的高阶模式。原始地，不期望的高阶模式指示在提供了短路导体的位置上没有板间电压。认为，使该位置的强制短路造成激励困难。
附图3所示为使用模拟辐射图形的结果根据本发明的实施例的微带接线天线的特性的实例说明。附图3的模拟结果表示在提供短路导体和不提供短路导体的情况之间的比较。上部部分使用3GHz的工作频率。下部部分使用4GHz的工作频率。与在附图8中的特征实例一样，在附图2中的实例也使用在大约3至4GHz的最低阶模式中工作的参数(εr＝1，μr＝10，σ＝0，l＝20mm，L＝50mm，h＝4mm)。选择测量平面以满足φ＝90度(y-z平面)。即，测量平面被选择为使所预期的最低阶模式分量作为φ矢量分量出现，并且紧接着随后高阶模式分量作为θ矢量分量出现。
3GHz频率的结果指示不管是否提供短路导体在最低阶模式中都仅出现φ矢量成分。沿θ＝0度的方向(z-轴方向)获得了最低阶模式固有的单向性。在附图3中的模拟结果显示沿这个方向5.8dBi的峰值增益。
4GHz频率的结果指示不仅出现了在最低阶模式中的φ矢量，而且还出现了在高阶模式中的θ矢量分量。在不提供短路导体时，高阶模式分量将电功率显著地分布在不期望的方向上。结果，φ矢量分量的峰值增益下降到低至3.0dBi。相反，在提供了短路导体时，极大地抑制了高阶模式分量。所预期的φ矢量分量的峰值增益指示4.7dBi。这意味着相当小的损失。即，提供短路导体抑制了电功率辐射到不期望的方向，因此改善了在预期方向上的电功率。认为，这些结果表示在电场分布上的上述不同。
附图4所示为根据本发明的另一实施例的微带接线天线的结构的示意图。
如附图4所示，微带接线天线是扁平的天线，包括使用中间体彼此相对设置的辐射导体和参考导体，该中间体包括具有适当绝缘性的衬底。在附图1中，xy坐标系的原点置于辐射导体的中心。z-轴沿与xy平面正交的方向设置。为了激励，在从辐射导体的中心(即xy原点)偏移fp的位置上提供馈点。
该实施例使用磁性材料(相对磁导率＞1)作为用于宽带操作的绝缘材料。然而，绝缘材料不完全填充在辐射导体和参考导体之间的间隙。使用多层结构在其间适当地插入空层(相对介电常数和相对磁导率都被设置为1)。
该实施例考虑将电介质特性也包含在用作绝缘材料的磁性材料中，并且降低扩展带宽的影响。根据本实施例，空层插入在绝缘材料层中。对于在辐射导体和参考导体之间的整个中间层，这确保了提供接近于1的相对介电常数εr的效果。优选将空层构造为使介电常数在电通量方向上不连续但磁导率在磁通量方向上连续。在这种情况下，通过减小在整个中间层的磁导率可以降低介电常数。
在附图4中的实例包括一个绝缘材料层和一个空层。可以使用多层结构来使这些层交替。
在使用包括具有超过1的相对介电常数的磁性材料(即具有磁导率和电介质特性的绝缘材料)的中间体时本实施例比较有效。在这种绝缘材料被用于在过去的天线结构时，电介质特性降低了带宽扩展效应(主要根据磁导率证实)。
附图5所示为根据结构实例的微带接线天线的工作带宽和在过去的实施例之间的比较。附图5代表使用模拟VSWR特性的结果的天线的工作带宽。假设辐射导体具有26mm的边长。适当地调节参数以使在相对介电常数＝相对磁导率的限制条件下工作频带指示3GHz的下限频率。
附图5的左端显示了根据过去的实例的结构的微带接线天线的工作带宽，在过去的实例中以绝缘材料(相对介电常数和相对磁导率都被设置为2)完全填充间隙。如附图5所示，工作带宽指示9.3％(小于2.5的VSWR)。与在附图8中的纯磁性材料(相对介电常数被设定为1，相对磁导率被设置为3.6)相比，带宽降低了。这显示由于电介质特性降低带宽的效果。
附图5的中心显示根据该实施例的微带接线天线的工作带宽，该实施例将绝缘材料和空层插入在辐射导体和参考导体之间的间隙中。空层具有1/2的体积比。绝缘材料的相对介电常数和相对磁导率都被设置到3.9。在这种情况下，带宽恢复到如附图5所示的11.7％。由于在电通量上提供空层，因此认为，降低电介质特性的作用优于降低磁导率的作用。
附图5的右端显示通过增加插入在辐射导体和参考导体之间的间隙中的空层的体积比的微带接线天线的工作带宽。在这种情况下，带宽进一步恢复到如附图5所示的14.5％。
根据本发明的实施例的上述的微带接线天线实现了特定的效果。当然，通过一起使用该实施例同时期望这些效果。附图6实例性说明了通过组合两种结构的微带接线天线的结构。根据一种构造(参见附图1)，扁平天线包括彼此相对的辐射导体和参考导体，在其间具有以适当绝缘性的材料制成的中间体。在某一位置上提供短路导体用于在辐射导体和参考导体之间的电导通以抑制不需要的高阶模式的激励。根据其它的构造(参见附图4)，在辐射导体和参考导体之间的间隙被形成为包括交替的绝缘材料层和空层的多个层。
最后，下文描述根据上述的实施例在辐射导体和参考导体之间的间隙中插入的绝缘中间体。本实施例使用磁性材料作为绝缘材料以实现扩展工作带宽的效果。如上文所述，氧化物磁性材料比如尖晶石铁氧体存在“Snoek极限”的问题，即在高频带中不能预计高磁导率。为解决这个问题，本实施例使用如下的氧化物磁性材料。
Y-型铁氧体
(a)Zn2Y(Ba2Me12Fe12O22)
(b)NiZnY(Ba3Me12Fe24O41)
M-型铁氧体
(c)BaM(BaFe9.75Sn1Mn1.25O19)
这些铁氧体的基本化合物例如公开在J.Smit和H.P.Wijn撰写的“Ferrites”(Philips Technical Library(1959))中。本发明构造了六角晶系铁氧体的绝缘材料层。为了维持高磁导率和低介电常数，本发明调节主要包含二价金属离子或三价金属离子的成分。这使得它可以提供适合于微波带的磁性材料微带接线天线的特性。
如上文所述，显然，绝缘中间体的过量介电常数损害了作为磁性材料天线的特征。为了降低介电常数，也可以使用包括上述的化合物和树脂的混合物的复合材料(相对介电常数被设定到2或3)。例如，复合材料是包括与公知的树脂(ABS，PC，PS，苯酚，环氧树脂，CP橡胶，丙烯酸等)复合的上述氧化物磁性材料作为粉末材料的树脂复合物。还提供了如下的优点：减小重量，阻止了脆性断裂，改善了破碎强度，增强了设计天线形状的自由度，等等。
一般地，通过湿或干处理制造铁氧体。下文描述制造铁氧体的干处理。
所使用的原材料粉末是BaCO3、αFe2O3、Co2O3、ZnO和NiO。作为开始材料，所有的粉末具有99％或更大的纯度并且考虑所包括的杂质称量。根据从罐中研磨的金属粉末和在球磨机中的小球的混合物(将在下文中描述)，将原材料Fe2O3适当地调节在从0.1％至1％的范围内。根据在高温下烘焙的过程中ZnO的蒸发将氧化锌ZnO适当地调节到从0.1％至2％的范围内。添加少量的SiO2、CaO等以改善烧结特性。在称量到指定的成分之后，使用湿型行星式球磨机混合这些粉末。这时，优选适当地使用水、乙醇、三氯乙烯等作为溶剂。本实施例使用酒精乙醇。本实施例适当地使用碳化的物质和氧化物作为开始材料的模式。此外，优选使用金属醇盐、草酸盐有机金属络合物等。
使所混合的浆状物干燥并做成颗粒。在1000℃至1400℃(最佳温度取决于组份)焙烧以生产铁氧体化合物。对颗粒进行粗研磨，然后使用球磨机以湿的方式进行精细研磨。由于下述的原因一次生产铁氧体化合物，然后研磨它。由于在原材料中的气体或蒸气成分反应，因此需要降低由于从颗粒中清除带来的不利影响。
在精细研磨之后，再次将浆状物作成颗粒并最终焙烧。考虑到氧解离压力，在不活泼气体或优选气体比如N2中焙烧。所得的颗粒具有大约99％或更大的密度，并且几乎接近真实密度。颗粒被研磨并筛选以提供具有不同的颗粒尺寸分布的多个粉末变量。所得的粉末与树脂混合，并使用三辊机器或公知的片状混合物做成片状。所使用的树脂是ABS、PC、PPS等。在30％和60％的范围内调节铁氧体粉末填充量。虽然高度填充提供了增加磁导率的优点，但是介电常数也增加以致从可适用于本发明所要求的天线特性的特征范围中偏离。执行计算以计算基于烧结体的值的填充量。将片的厚度从0.1调节到4毫米。对于天线设计优选大约1毫米。可使用研磨机辊进行片状成形。此外，其它的方法比如冲压和刮刀都可使用。
绝缘材料的导电性并不总是为零。这应用于上述的所有实施例。只在绝缘材料几乎不显示象导体一样的特征时，甚至非零导电性仍然不会妨碍本发明的实施。作为本发明的特定的实施例，铁氧体或铁氧体复合物具有大约103至1014Ωcm的电阻率。虽然这些值高于金属的电阻率(大约10至7Ωcm)，但是这些值随着材料的改变而变化。
参考特定的实施例已经详细地描述了本发明。本领域普通技术人员可以清楚地理解到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以作出各种各样的改变和替代。即，本发明已经通过实例公开。本说明书的内容不应该限制性地解释。附加的权利要求应该被看作是本发明的精神要点。
交叉申请的相关引用
本发明包含2004年3月26日在日本专利局申请的日本专利申请JP2004-091968的主题，在此以引用参考的方式将其结合在本申请中。