具有全向辐射的宽带天线

摘要

本发明涉及具有全向辐射的宽带天线，它包括放置在基板(201)上的二个导电的臂(202，203)，其特征为，称为第二臂(203)的二个臂中的一个臂，通过使用称为第一臂(202)的另一个臂，由屏蔽线路(206)供电。

权利要求

1.一种具有全向辐射的宽带天线，包括放置在基板(201)上的第一和第二导电臂(202，203)，其特征为，所述第一和第二导电臂设置在所述基板的相同面上，并且第一导电臂(202)和第二导电臂(203)通过埋在所述臂(202)下方的公用带状线路(206)连接至供电电路，所述公用带状线路(206)是屏蔽线路并设置在基板中，所述第一导电臂(202)通过第一触点(211)连接至所述公用带状线路并且所述第二导电臂通过第二触点(212)连接至所述公用带状线路，公用带状线路的位于所述第一触点和第二触点之间的部分位于第一导电臂和第二导电臂之一的下方。

2.如权利要求1所述的天线，其中，至少第一导电臂(202)包括彼此相对地放置在基板(201)的二个面上的几何形状相同的二个导电元件(204，205)；和第二导电臂(203)由放置在基板(201)上、位于所述第一导电臂的所述两个导电元件(204，205)之间的所述公用带状线路(206)供电。

3.如权利要求2所述的天线，其特征为，二个导电元件(204，205)由通过基板(201)和充有导电材料的孔(207)连接。

4.如权利要求3所述的天线，其特征为，孔(207)作在导电元件(204，205)的周边上。

5.如权利要求2～4中任何一条所述的天线，其特征为，第二导电臂(203)包括彼此相对地放置在基板(201)的二个面上的，几何形状相同的二个导电元件(208，209)。

6.如权利要求2所述的天线，其特征为，电路(611)集成在至少是一个臂(602)中。

7.如权利要求2或5所述的天线，其特征为，所述导电元件(204，205，208，209)为圆形。

说明书

具有全向辐射的宽带天线

技术领域

[0001] 本发明涉及可在无线的高位速率通讯领域中使用的意在接收和/或发射电磁信号的、具有全向辐射的宽带天线；更具体地说，涉及UWB(超宽带)形式的宽带脉冲体制传输。这种通讯，例如为WLAN，WPAN，WBAN形式的。

背景技术

[0002] 在脉冲体制中，信息是以脉冲链，例如纳秒数量级的非常短的脉冲送出的。这造成频率的宽带。

[0003] 原来保留供军用的超宽带传输正逐渐地引入民用通讯领域中。于是，美国FCC单位最近采用了频带[3.1；10.6]GHz，以便能开发UWB通讯应用。这种UWB的标准目前正在制订。

[0004] 许多应用要求各向同性的天线，即在辐射图形上是旋转对称的。这对于使用便携式产品的应用场合更是如此。便携式产品理论上没有特定的固定位置，并且必需通过UWB无线链接与访问点通讯。例如，这里包括Lyra视频形式，移动PC等产品。对于固定的点对点应用也如此，对于这种应用需要提供永久的链接，以便保证一定的(QoS)质量。的确，人的运动可以破坏二个高度方向性的天线之间的电子束，因此，最好使用全向天线进行传输和/或接收。例如，这里包括与高分辨率的电视接收机通讯的视频服务器。

[0005] 最已知的全向天线之一为偶极子。如图1所示，它包括二个长度为λ/4的相同的臂101和102，该二个臂彼此相对放置并由发生器103有区别地供电。主要由于实现简单，特别是支配其电磁机理的数学表达式简单，因此从电磁学的开始，这种形式的辐射元件就被彻底的研究和使用。J.D.Kraus著的“天线”(Mac Graw Hill，1988，第二版)的第5章包含说明这种形式的辐射元件的机理的数学表达式。特别是长距离辐射场在偶极子的中垂平面(图1中的XOZ平面)中为最大，并且其理论阻抗大约为75Ω。它原来在各种各样应用的无线技术中使用，例如业余无线电，UHF接收，以及最近的WLAN形式的无线网络。由于印刷电路的出现，它的实现更进一步简单化，现在天线变成电路的一个整体部分。

[0006] 这种形式的辐射元件的问题为一方面带宽小，另一方面是供电一般会干扰结构的对称性。这导致附场的不对称性和造成远场图形的恶化。结果，不再是全向的。

[0007] 已经知道基于有差别地供电的二个导电图的组合的宽带结构。专利US6642903说明了这种结构。为了使辐射元件能够提供各向同性的辐射图形，提出了给导电圈供电的一个复杂结构。

发明内容

[0008] 本发明提出了一个具有全向辐射的宽带天线，该天线具有不干扰辐射图形的简单的集成的供电。另外，这个天线可以进行脉冲体制的无线通讯。

[0009] 本发明涉及具有全向辐射的宽带天线，该天线包括放置在一个基板上的二个导电臂，其特征为，二个臂中的称为第二臂的一个臂由屏蔽线路通过称为第一臂的另一臂供电。

[0010] 第一臂由导电材料制成，具有匹配的结构，可以屏蔽馈电线路。屏蔽可使由线路产生的电场线电磁隔离。因此，天线发射不受供电干扰。

[0011] 在一个实施例中，二个臂放置在具有二个面的基板上，至少第一臂包括相对地放置在该基板的二个面上，相同几何形状的二个导电元件，第二臂由在第一臂下面放置在该基板上的线路供电。

[0012] 在二个导电元件之间通过的线路相对于天线是“隐藏的”。因此，可以防止在臂中感应产生的任何虚假电流。这可提供在近和远场强度的对称性，因而可提供在臂之间通过的中垂平面中的全向图形。

[0013] 根据本发明的一个实施例，该二个导电元件由通过该基板和用导电材料充满的孔连接。

[0014] 这个特性允许由馈电线路产生的泄漏为在基板中的表面波形式。

[0015] 根据本发明的一个实施例，该孔作在导电元件的周边区域上。

[0016] 这个特性保证彼此相对的导电元件的二个部分具有相同的电位。

[0017] 在一个实施例中，第二臂包括相对地放置在基板的二个面上的相同几何形状的二个导电元件。

[0018] 这种第二臂与第一臂同时制造，并且具有相对于在天线中的中垂平面对称的结构。自然，在第二臂上也可作出导电孔，特别是在导电元件的周边区域上可作出导电孔。

[0019] 在一个实施例中，至少一个臂包括圆形的导电元件。

[0020] 在先前技术中已知圆形导电元件可以实现宽带天线。如图9所示，可以使用其他几何形状，特别是椭圆形状。

[0021] 在一个优选实施例中，电路在至少是一个臂下面集成。

附图说明

[0022] 本发明的其他特性和优点，从阅读参照附图对不同实施例的说明中可以了解。其中：

[0023] 图1为偶极子的概念图解；

[0024] 图2为根据本发明的一个实施例的天线的透视图；

[0025] 图3表示给出作为供给图2所示天线的信号的频率的函数的反射系数的曲线；

[0026] 图4a～图4i表示图3所示天线的3D辐射图形；

[0027] 图5表示图2所示天线的效率的二条曲线；

[0028] 图6为根据本发明的一个优选实施例的天线的示意性俯视图；

[0029] 图7表示根据通过图2所示天线的导电元件202的中心的平面(XZ)的截面；

[0030] 图8表示与通过根据本发明的一个变型的天线的导电元件的中心的平面(XZ)等价的截面；

[0031] 图9表示根据本发明的一个天线的几何形状的变型。

具体实施方式

[0032] 首先，参照图2～5说明根据本发明的具有全向辐射的宽带天线的一个实施例。

[0033] 如图2所示，该天线包括构成偶极子的二个臂202和203。这些臂202和203中的每一个包括二个圆形的导电元件，分别为204，205和208，209。该圆形导电元件成对地在基板201上相对地放置。例如，它们可以雕刻，铺设，粘接，印刷在基板201上。该导电元件由金属材料制成。例如，它们也可由铜制成。也可以使用塑料(如“dibbon”)，在其表面上金属化(例如铝片)或带有金属的泡沫。

[0034] 基板201可用各种挠性或刚性材料制成。例如，可用挠性或刚性的印刷电路板或任何其他介电质材料：例如玻璃板，塑料板等制成。因此，根据本发明容易制造具有优越性质的扁平天线。

[0035] 根据图2的实施例，导电元件由金属化的孔，例如207和210连接。

[0036] 偶极子可由第一个触点211在第一臂202的高度上，和由第二个触点212在第二臂203的高度上供电。第二个触点212利用在第一臂202下面通过的埋入线路206与发生器连接。通常，该发生器属于RF电路，从该电路取得能量供给天线。因此，该线路206为一带状线路。这可使这条线路对于天线是隐藏的。这还可以防止在臂中感生虚假电流。因此，天线的工作不受供电的影响。这可造成近和远电场强度的对称，因此可造成在中垂平面中的全向辐射图形。在先前技术中，破坏辐射图形的旋转对称性的供电，根据本发明为对称的。

[0037] 图7表示根据通过图2所示天线的导电元件202的中心的平面(XZ)的截面。可以看出，示意性表示的所有导电元件204，205和金属化的孔207代表第一个导体，而代表第二个导体的馈电线路206形成带状线路。在这个图中，利用箭头表示二个导体之间的电场线。这些电场传播的介电质环境是均匀的。该带状线路为传播称为TEM(横向电磁的)的模式的传输线路。对于这种线路，电和磁场只有一个横向分量(即在截断平面中)。因为电磁波被导向和不辐射，因此该线路被屏蔽。因此，它们不干扰辐射图形。

[0038] 为了仿真得到的结果，使用二个臂来实现图2所示的天线。该二个臂中的每一个臂包括直径为19.5mm的二个圆形的导电元件，该导电元件彼此相对地雕刻在FR4形式的基板的二个面上。该基板的相对介电常数εr＝4.4，高度h＝1mm。这些臂隔开一个距离d＝1mm。面对的导电元件由金属化的孔成对地连接。线路206的宽度为0.4mm。这条线路通过第一臂的“内部”，并且终端在将它与第二臂连接的金属化的通道中。这个结构利用电磁软件HFSS(Ansoft公司)和IE3D(Zeland公司)进行仿真。仿真的结果表示在图3～5中。

[0039] 如图3的曲线301所示，得到50Ω阻抗的直接匹配。这个阻抗比曲线302的低。曲线302是对包括二个臂，每一个臂包括在基板的一个面上的导电元件的偶极子作出的。
这个阻抗的减小是从并联放置由加厚金属化产生的阻抗产生的。如图3中的曲线301所示，这个性质可得到这样的天线：当覆盖2.65～12GHz的频带时，在非常大的带宽上具有低于
10dB的匹配。

[0040] 因此，该天线的最大尺寸为(19.5×2+1)＝40mm，即在2.65GHz下为0.35λ。在曲线301上看，根据本发明的天线的一个优点为低频率比包括二个臂，每一个臂包括在基板的一个面上的导电元件的75Ω匹配的偶极子的低频率较低。得到-8.6％的频率偏移(从2.9GHz至2.65GHz通过)。

[0041] 另一个优点涉及50Ω直接匹配，因为在天线和RF馈电电路之间不需要75Ω至50Ω的阻抗转换器。因此，限制了线路漏失。这是更优越的，因为这种形式的转换器在这种带宽上难以实现，会产生频率失真。

[0042] 图4表示在不同频率2.65GHz(4a)，3GHz(4b)，4GHz(4c)，5GHz(4d)，6GHz(4e)，7GHz(4f)，8GHz(4g)，9GHz(4h)，10GHz(4i)时的辐射图形。对于非常大的频带验证了这些图形的全向性质。对于频带的上部频率(f＞9GHz)，在方位角平面上观察到大约8dB的图形脉动。这种脉动非常轻微地使发射的信号的形式恶化，只有高频(信号的快速变化)分量在方位角平面上不会各向同性地发射。为了补偿这种脉动，可以通过将这些尺寸减小一个因子3.1GHz/2.65GHz＝1.17，在稍微较高的频率下，重新决定整个结构的尺寸。在9GHz出现的脉动将在1.17×9＝10.5GHz出现，这几乎在有用的频带的外面。

[0043] 以下的表表示在全部频带内，增益的值几乎为常数。

[0044]频率(GHz) 增益(dBi)
2.65 2.3
3 2.2
4 2.5
5 2.9
6 3.7
7 3.7
8 2.5
9 2.7
10 2.6
11 2.8

[0045] 图5表示偶极子的照度的效率502和天线的总效率501。对于整个3.1-10.6GHz频带，这个效率大于91％。对于UWB工艺，这点特别有趣，在那里不需使用任何放大级，可以传送最小的功率。

[0046] 由于脉冲系统的几何形状形式和其集成馈电系统，本发明对脉冲系统施加的时间限制响应得特别好。另外，这种天线与50Ω的阻抗匹配，这是射频电路的阻抗标准。

[0047] 现参照图6，说明本发明的另一个优选实施例。这个图表示相对于方位角平面具有不对称的臂的偶极子。确实，根据本发明，二个臂可以有不同的形式。特别是，根据图6，第二臂603的馈电线路606在其下面通过的第一臂602较大，并作为位于天线后面的一个或多个电路611的接地平面。这种电路611可以为RF电路和/或数字电路。

[0048] 如仿真结果所示，根据本发明的天线有下列优点：

[0049] -在宽频带上，在方位角平面中的辐射图形的全向特征；

[0050] -宽频带的匹配程度好；

[0051] -由于轮廓是扁平的，容易将这种形式的天线集成在消费产品中；

[0052] -可将射频电路集成在同一板上作为天线(印刷电路技术)；

[0053] -因为是在任何低成本的基板上的印刷电路技术，因此成本低；

[0054] -小尺寸的结构：最低频率下的最大尺寸为0.35λ。

[0055] 本发明不是仅限于所述的实施例，本领域的技术人员知道，存在实施例的各种变型。例如，屏蔽线路可利用与第一臂为一整体的同轴电缆实现。在这种情况下，将同轴电缆钎焊在放置在基板的一个面上的导电元件上。这种导电元件与图2所示的导电元件204相同。如图8所示，最好，同轴电缆813沿着与方位角平面(XZ)垂直和属于导电元件804的直径钎焊。

[0056] 另外，如图9所示，该导电元件可以不但为圆形的(如图2)，而且可以为椭圆形的，带有垂直的或水平的主轴线。