槽型平面天线的改进转让专利
申请号 : CN200510060189.4
文献号 : CN1681159B
文献日 : 2010-09-22
发明人 : 阿里·卢泽尔 , 菲利普·米纳德 , 让-弗朗索瓦·平托斯
申请人 : 汤姆森许可贸易公司
摘要 :
本发明涉及一种平面天线，其包括为了在给定频率工作而变化尺寸的共振槽12，通过在衬底10的接地面上蚀刻而实现该槽，并由其所在的短路面中的馈线13提供。衬底具有可变的厚度10b。本发明可在无线网络中使用。
权利要求 :
1.一种平面天线包括：
衬底(10，110，120)，所述衬底的第一表面上具有接地平面；在所述接地平面中蚀刻的槽(12，112，121，123)；以及在与所述第一表面相反的衬底的第二表面上实现的馈线(13，113，122)；
所述馈线穿过槽以便电磁耦合，
其特征在于，所述衬底的第二表面是平面，而所述衬底的第一表面具有沿着所述槽的可变剖面(10b，110b，120a)，从而在所述第一表面和第二表面之间的衬底的厚度沿着所述槽以交替的方式可变。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于容纳所述槽的衬底表面的剖面是连续可变剖面。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于所述连续可变剖面是正弦剖面。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于容纳所述槽的衬底表面的剖面是不连续可变剖面。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于所述不连续可变剖面是锯齿形剖面。
6.根据权利要求1至5之一所述的天线，其特征在于容纳槽的衬底表面的剖面是周期性的或非周期性的剖面。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于容纳槽的衬底表面的剖面是径向对称的剖面(120a)。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述槽是线性槽或环形槽。
说明书 :
技术领域
本发明涉及平面天线，更具体地涉及表现为紧凑形式以便可以被集成到例如无线网络终端的槽型(slot type)平面天线。
背景技术
为了适应用户的需求，用于无线网络中的设备日益轻便和减小。因此，为这种终端所设计的天线必须在提供高性能的同时具有缩减的尺寸。
然而，尽管已经可以在电子领域看到明显的小型化，但是物理定律给定了在给定频段正常工作的天线的最小尺寸。因此，对于印刷天线(printed antenna)，通常依据中心工作频率的波长设计尺寸。
已经提出了一些技术，用于在减小天线尺寸的同时保留其关于产生频率带宽和辐射模式的射电(radio-electric)性能。
因此，在2001年6月22日以THOMSON Licensing S.A.的名义提交的法国专利申请中，对环形(annular)槽型平面天线进行了描述，其中槽被制作成延伸该槽的周长的形状。这使得能够针对给定频率来减小衬底尺寸，或者在恒定尺寸处修改工作频率。
公知的槽型平面天线的共振频率依赖于槽长度，本发明提出了一种新技术，用于减小槽型平面天线的大小，其与该槽的形状相独立。
然而，尽管已经可以在电子领域看到明显的小型化，但是物理定律给定了在给定频段正常工作的天线的最小尺寸。因此，对于印刷天线(printed antenna)，通常依据中心工作频率的波长设计尺寸。
已经提出了一些技术，用于在减小天线尺寸的同时保留其关于产生频率带宽和辐射模式的射电(radio-electric)性能。
因此，在2001年6月22日以THOMSON Licensing S.A.的名义提交的法国专利申请中，对环形(annular)槽型平面天线进行了描述，其中槽被制作成延伸该槽的周长的形状。这使得能够针对给定频率来减小衬底尺寸，或者在恒定尺寸处修改工作频率。
公知的槽型平面天线的共振频率依赖于槽长度，本发明提出了一种新技术，用于减小槽型平面天线的大小，其与该槽的形状相独立。
发明内容
因此，本发明涉及一种平面天线，其包括为了在给定频率工作而变化尺寸的共振槽，在衬底上实现该槽并由其所在的短路面(short-circuit plane)中的馈线所提供，衬底表现为可变厚度的。
根据第一实施例，在其上实现槽的衬底表面的剖面(profile)是连续剖面，例如正弦剖面。
根据另一实施例，在其上实现槽的衬底表面的剖面是不连续的剖面，例如锯齿剖面，锯齿可以是方形、矩形、梯形或者表现为任何其它多边形。
根据本发明的另一特征，在其上实现槽的衬底的表面剖面是周期性或非周期性的剖面。因此，连续或不连续剖面的周期是规定的或可变的。例如，衬底剖面可以在长度的前半部分表现为较短周期，而在长度的另一部分为较长的周期。
仍根据另一实施例，在其上实现槽的衬底表面的剖面是径向对称的剖面。在这种情况下，槽可以是环形槽或者共振槽线(slot-line)。
如上所述，径向对称剖面还可以与连续或不连续剖面相关联。
根据本发明的另一特征，优选地，馈线位于恒定衬底厚度的区域。
根据第一实施例，在其上实现槽的衬底表面的剖面(profile)是连续剖面，例如正弦剖面。
根据另一实施例，在其上实现槽的衬底表面的剖面是不连续的剖面，例如锯齿剖面，锯齿可以是方形、矩形、梯形或者表现为任何其它多边形。
根据本发明的另一特征，在其上实现槽的衬底的表面剖面是周期性或非周期性的剖面。因此，连续或不连续剖面的周期是规定的或可变的。例如，衬底剖面可以在长度的前半部分表现为较短周期，而在长度的另一部分为较长的周期。
仍根据另一实施例，在其上实现槽的衬底表面的剖面是径向对称的剖面。在这种情况下，槽可以是环形槽或者共振槽线(slot-line)。
如上所述，径向对称剖面还可以与连续或不连续剖面相关联。
根据本发明的另一特征，优选地，馈线位于恒定衬底厚度的区域。
附图说明
通过阅读不同的实施例将了解本发明的其它特征和优点，通过参考附录的附图对其进行描述，其中：
图1是根据现有技术的线性槽型平面天线的图解透视图。
图2是根据本发明的第一实施例的线性槽型平面天线的图解透视图。
图3是根据现有技术的线性槽型平面天线的图解透视图。
图4分别示出了根据本发明的另一实施例的线性槽型平面天线的仰视透视图(A)和俯视透视图(B)，该天线通过图3所示的天线而得到。
图5示出了针对图3所示天线和图4所示天线，表示作为频率的函数的适应性(adaptation)S11的曲线。
图6a示出了图4的天线的辐射图以及，图6b示出了图3的天线的辐射图。
图7和图8分别是针对根据本发明的平面天线的衬底的其它实施例的图解透视图，分别针对环形槽型天线和线性槽型天线。
图1是根据现有技术的线性槽型平面天线的图解透视图。
图2是根据本发明的第一实施例的线性槽型平面天线的图解透视图。
图3是根据现有技术的线性槽型平面天线的图解透视图。
图4分别示出了根据本发明的另一实施例的线性槽型平面天线的仰视透视图(A)和俯视透视图(B)，该天线通过图3所示的天线而得到。
图5示出了针对图3所示天线和图4所示天线，表示作为频率的函数的适应性(adaptation)S11的曲线。
图6a示出了图4的天线的辐射图以及，图6b示出了图3的天线的辐射图。
图7和图8分别是针对根据本发明的平面天线的衬底的其它实施例的图解透视图，分别针对环形槽型天线和线性槽型天线。
具体实施方式
首先参考图1进行传统的线性共振槽平面天线的描述。
如图1所示，在由金属材料的接地平面2所覆盖的电介质材料的衬底1上，蚀刻线性槽3。该槽具有长度l，按照公知的方式中，其是槽中半导波波长的函数。更具体地，为了在基本模式的共振频率下工作，l＝λs/2，其中λs是槽中的导波波长。
其次，如图1所示，在与形成槽3的表面相反的衬底1的表面上，实现了馈线4。为导电材料的该馈线4位于此处，以使槽处于馈线的短路面中，即，馈线末端的波长λg/4，其中λg是所述馈线中的导波波长。
因此，对于传统的平面天线，给定频率处的天线尺寸是槽3中的导波波长的函数。
为了减小天线的总尺寸，本发明提出改变支持槽型天线的衬底的厚度。因此，通过修改衬底的垂直尺寸，可以较大地延长槽的长度并且因此可以降低共振频率，或者相当于，对于给定的共振频率，减小印刷天线所占用的衬底表面。
在图2中，图解地示出了根据本发明的天线的第一实施例。因此，为电介质材料的衬底10具有平面表面10a，在其上用导电材料实现了馈线13，而其反面，即具有接地平面11并且其中蚀刻线性槽12的表面，表现为连续正弦形状剖面10b。在这种情况下，代替与尺寸l相对应的长度为l的衬底上的槽12，得到针对相同缝隙长度的衬底上的等于l1的尺寸，其中l1＜l。在这种情况下，如图2所示，馈线13位于恒定衬底厚度的区域并且以公知方式在短路面穿过槽。
实际上，优选地，因为由于修改剖面引起的厚度的差别具有影响，在共振槽线的归一化阻抗的层面处，主要将恒定厚度的区域中馈线13定位在与馈线耦合的区域中。
本发明的实际实施例使得要强调的本发明的优点将可以参考图3、4、5和6进行描述。
因此，在图3中，示出了图1的天线类型的传统的共振线性槽天线。该天线由与蚀刻在与接收槽101的表面相反的衬底100的表面上的微波传输带线102相耦合的电磁力进行激励。在所示的实施例中，电介质材料中的衬底具有介电常数3.38。蚀刻于衬底100上的槽101进行了尺寸改变，以便工作在约为5.8GHz的中心频率处。其长度l等于20.1mm且宽度等于0.4mm。
如图3所示，使用微波传输带技术所实现的馈线102按照以下方式横跨缝隙101：相对于槽，馈线102的末端具有等于8.2mm的尺寸l2，其对应于λg/4，其中λg是馈线中的导波波长。
在图4(A)和(B)中，示出了平面天线，其包括根据本发明的实施例的线性共振槽。改变该天线的尺寸以便与图3的天线工作在相同频率处。
如图4(A)和4(B)清楚所示，根据本发明的天线在介电常数3.38的衬底110上实现。在其上使用微波传送带技术实现馈线113的衬底的表面110a是平面，而在其上蚀刻槽112的表面110b是可变厚度的表面。在这种情况下，表面110b的剖面是锯齿形的不连续的剖面，每一个锯齿具有明显的梯形形状。因此，如图4(A)更具体地示出，锯齿的底部具有3mm的尺寸，而其顶部具有1mm的尺寸。
其次，如图4(B)所示，对应于20.1mm的槽长度的长度l1仅为9.1mm。因此可以看到，根据本发明的槽性平面天线的整体尺寸的明显减小。
为了强调该类型天线的优点，在图5和图6中给出了图3的天线和图4的天线之间的仿真结果的比较。
图5示出了作为两个天线的频率的函数的适应性曲线。虚曲线表示图3的天线，而实曲线表示图4的天线。对两个曲线的比较表明，两个天线以相同频率显著辐射(radiate noticeably)，即对于根据本发明的天线为5.6GHz，而对于参考天线为5.80GHz。根据本发明的天线的共振频率低于大约200MHz。在另一方面，可以观察到频带宽度的明显变宽，从对于参考天线的4.1％变为对于根据本发明的天线的13.3％。
最后，对于图6(A)所示的根据本发明的天线和图6(B)所示的参考天线的辐射图进行比较表明，根据本发明的天线可以得到更多全向辐射图。这是因为倾斜的槽段不向衬底垂直辐射，而是向衬底横向辐射。
现在参考图7和8来描述本发明的实施例的不同变体。在两个实施例中，衬底120是明显的圆柱形。衬底120的下表面是平面且具有根据辐射方向使用微波传送带技术实现馈线122的特点。在其上蚀刻槽的上表面120a表现为不连续的剖面，更具体地为锯齿形表面。图7示出了环形缝隙121的情况，而图8示出了共振线性槽的情况。在两种情况下，都减小了工作在给定频率的衬底尺寸。
通常地，用于实现该类型可变厚度衬底的材料是例如泡沫型材料、塑料型或者任何其它可以实现可变高度衬底的电介质材料。
根据部件所需的体积，可以通过加工、模制、立体平版印刷术或任何其它可以实现可变高度衬底的方法从而得到剖面。
技术人员可以理解，上述实施例可以在不偏离权利要求的范围内进行修改。
如图1所示，在由金属材料的接地平面2所覆盖的电介质材料的衬底1上，蚀刻线性槽3。该槽具有长度l，按照公知的方式中，其是槽中半导波波长的函数。更具体地，为了在基本模式的共振频率下工作，l＝λs/2，其中λs是槽中的导波波长。
其次，如图1所示，在与形成槽3的表面相反的衬底1的表面上，实现了馈线4。为导电材料的该馈线4位于此处，以使槽处于馈线的短路面中，即，馈线末端的波长λg/4，其中λg是所述馈线中的导波波长。
因此，对于传统的平面天线，给定频率处的天线尺寸是槽3中的导波波长的函数。
为了减小天线的总尺寸，本发明提出改变支持槽型天线的衬底的厚度。因此，通过修改衬底的垂直尺寸，可以较大地延长槽的长度并且因此可以降低共振频率，或者相当于，对于给定的共振频率，减小印刷天线所占用的衬底表面。
在图2中，图解地示出了根据本发明的天线的第一实施例。因此，为电介质材料的衬底10具有平面表面10a，在其上用导电材料实现了馈线13，而其反面，即具有接地平面11并且其中蚀刻线性槽12的表面，表现为连续正弦形状剖面10b。在这种情况下，代替与尺寸l相对应的长度为l的衬底上的槽12，得到针对相同缝隙长度的衬底上的等于l1的尺寸，其中l1＜l。在这种情况下，如图2所示，馈线13位于恒定衬底厚度的区域并且以公知方式在短路面穿过槽。
实际上，优选地，因为由于修改剖面引起的厚度的差别具有影响，在共振槽线的归一化阻抗的层面处，主要将恒定厚度的区域中馈线13定位在与馈线耦合的区域中。
本发明的实际实施例使得要强调的本发明的优点将可以参考图3、4、5和6进行描述。
因此，在图3中，示出了图1的天线类型的传统的共振线性槽天线。该天线由与蚀刻在与接收槽101的表面相反的衬底100的表面上的微波传输带线102相耦合的电磁力进行激励。在所示的实施例中，电介质材料中的衬底具有介电常数3.38。蚀刻于衬底100上的槽101进行了尺寸改变，以便工作在约为5.8GHz的中心频率处。其长度l等于20.1mm且宽度等于0.4mm。
如图3所示，使用微波传输带技术所实现的馈线102按照以下方式横跨缝隙101：相对于槽，馈线102的末端具有等于8.2mm的尺寸l2，其对应于λg/4，其中λg是馈线中的导波波长。
在图4(A)和(B)中，示出了平面天线，其包括根据本发明的实施例的线性共振槽。改变该天线的尺寸以便与图3的天线工作在相同频率处。
如图4(A)和4(B)清楚所示，根据本发明的天线在介电常数3.38的衬底110上实现。在其上使用微波传送带技术实现馈线113的衬底的表面110a是平面，而在其上蚀刻槽112的表面110b是可变厚度的表面。在这种情况下，表面110b的剖面是锯齿形的不连续的剖面，每一个锯齿具有明显的梯形形状。因此，如图4(A)更具体地示出，锯齿的底部具有3mm的尺寸，而其顶部具有1mm的尺寸。
其次，如图4(B)所示，对应于20.1mm的槽长度的长度l1仅为9.1mm。因此可以看到，根据本发明的槽性平面天线的整体尺寸的明显减小。
为了强调该类型天线的优点，在图5和图6中给出了图3的天线和图4的天线之间的仿真结果的比较。
图5示出了作为两个天线的频率的函数的适应性曲线。虚曲线表示图3的天线，而实曲线表示图4的天线。对两个曲线的比较表明，两个天线以相同频率显著辐射(radiate noticeably)，即对于根据本发明的天线为5.6GHz，而对于参考天线为5.80GHz。根据本发明的天线的共振频率低于大约200MHz。在另一方面，可以观察到频带宽度的明显变宽，从对于参考天线的4.1％变为对于根据本发明的天线的13.3％。
最后，对于图6(A)所示的根据本发明的天线和图6(B)所示的参考天线的辐射图进行比较表明，根据本发明的天线可以得到更多全向辐射图。这是因为倾斜的槽段不向衬底垂直辐射，而是向衬底横向辐射。
现在参考图7和8来描述本发明的实施例的不同变体。在两个实施例中，衬底120是明显的圆柱形。衬底120的下表面是平面且具有根据辐射方向使用微波传送带技术实现馈线122的特点。在其上蚀刻槽的上表面120a表现为不连续的剖面，更具体地为锯齿形表面。图7示出了环形缝隙121的情况，而图8示出了共振线性槽的情况。在两种情况下，都减小了工作在给定频率的衬底尺寸。
通常地，用于实现该类型可变厚度衬底的材料是例如泡沫型材料、塑料型或者任何其它可以实现可变高度衬底的电介质材料。
根据部件所需的体积，可以通过加工、模制、立体平版印刷术或任何其它可以实现可变高度衬底的方法从而得到剖面。
技术人员可以理解，上述实施例可以在不偏离权利要求的范围内进行修改。