平板寬帶天線的制作方法

專利名稱：平板寬帶天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種天線，尤其是，涉及一種建立在比如個人電腦、打印機、復印機、視聽裝置等電子裝置中的天線。
背景技術：
當今，無線局域網(LAN)系統使用在很多場合，比如(大型)辦公室、熱點服務區域、學校、公司、家庭等等。從而，不僅需要連接計算機至無線LAN系統，還要連接多種電子裝置如復印機、投影儀、打印機、包括電視機和/或錄影機的視聽裝置等等至無線LAN系統。為實現該目的，提出了一種稱為UWB(超寬頻帶)的技術。UWB可以高速(例如，最大480Mbps)傳輸大容量數據，比如高清晰度(電影)圖像數據。
對于2003年12月之前的UWB，所使用的頻率范圍是從3.1至10.6GHZ。因此，對于該UWB，需要使用能在非常寬或廣的頻帶工作的天線。進一步，天線必須具有小尺寸，以便能內置在上述電子裝置中。此外，希望天線具有兩維而不是三維的形狀。這是因為兩維的天線容易內置于電子裝置中。
然而，當前沒有哪一種天線可以滿足上述條件。
Discone天線是一種眾所周知的天線，其可以在寬帶工作。這種天線公開在IEICE(電子、信息以及通信工程研究所)編輯的俄亥俄公司(OhmCo.)于1991.9.30出版的“天線工程手冊”(第一版第六次印刷的第128頁)上。
雖然Discone天線可以在寬帶工作，但它具有三維形狀，從而難以內置在個人電腦、視聽裝置中。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種超寬帶寬特性以及具有適于內置在電子裝置中的形狀的天線。
本發明的其他目的將通過下面的描述而更加清楚。
根據本發明的一個方面，天線包括第一平板輻射元件，其從預定部分向第一側延伸。第二平板輻射元件，延伸到基本上與第一平板輻射元件平行的第一側的預定部分。第三平板輻射元件，其從預定部分向面對第一側的第二側的預定部分延伸。第一饋線在預定部分電連接至第一平板輻射元件和第二平板輻射元件。第二饋線靠近第一饋線并在預定部分電連接至第三平板輻射元件。第一至第三平板輻射元件面對相同方向。
在該天線中，第二平板輻射元件具有確定開口的環形形狀。


圖1是已有的Discone天線的一個示例的透視圖；圖2是根據本發明的第一實施例的天線的透視圖；圖3是圖2中天線的回波損耗特性曲線；圖4是根據本發明第二實施例的天線的透視圖；圖5是根據本發明第三實施例的天線的透視圖；圖6是根據本發明第四實施例的天線的透視圖；圖7是用于圖6中天線的對稱電纜線對的透視圖；圖8是根據本發明的第五實施例的天線的透視圖；圖9A是圖8天線的前視圖；圖9B是圖8天線的后視圖；圖9C是圖8天線的透視圖；圖10是根據本發明第六實施例的天線的透視圖；圖11A-11K是用于本發明的第一輻射元件的形狀示例；圖12A-12J是用于本發明的第二輻射元件的形狀示例；圖13A-13I是用于本發明的第三輻射元件的形狀示例。
具體實施例方式
參照圖1，首先將描述一種已有Discone天線，其具有方位上的全向輻射特性(或全向輻射模式)和寬帶(例如，7-10倍于最低可用頻率)工作功能。
該Discone天線是一種眾所周知的全向寬帶天線。如圖1所示，Discone天線10包括盤狀導體11、圓錐導體12、同軸電纜13。同軸電纜13具有中心導體14和外部導體15。中心導體14連接到盤狀導體11的中心。外部導體15連接到圓錐導體12的上端部分。通過同軸電纜13實現Discone天線10的饋電。
然而，Discone天線10不適合內置在電子裝置中，比如個人電腦、視聽裝置等等，因為其具有圖1所示的三維形狀。
參照圖2，接下來將描述根據本發明第一實施例的天線。
在圖2中，天線20包括第一平板輻射元件21、第二平板輻射元件22、第三平板輻射元件23、以及同軸電纜25。第一到第三平板輻射元件21、22和23面對相同的方向，并在第一或第二輻射元件21或22和第三輻射元件23之間的饋電部分連接到同軸電纜25。第一和第二平板輻射元件21和22從饋電部分延伸到上側，而第三平板輻射元件23從饋電部分延伸到下側。
第一平板輻射元件21具有橢圓或卵形的外部形狀，具有主表面和主軸。后面，假定第一平板輻射元件21定位成主表面垂直Y-軸而主軸平行于Z-軸。此外，希望第一平板輻射元件21垂直定位。因此，可以將Z-軸作為垂直方向軸。
第二平板輻射元件22具有一個拉長的環(或圓環)的形狀，其外部和內部形狀相似于第一平板輻射元件21的外部形狀。第二平板輻射元件22的內部形狀有一個開口(或穿孔部分)221。第二平板輻射元件22的外部形狀可能不完全地相似于第一平板輻射元件21的外部形狀。此外，第二平板輻射元件22的外部和內部形狀可以彼此有些差異。例如，可以這樣形成第二平板輻射元件22的外部和內部形狀，即，使得第二平板輻射元件22具有恒定輻射寬度。進一步，外部和內部形狀可以具有各自的中心。例如，開口221可以形成在第二平板輻射元件22的(外部形狀的)主軸的一側。
第二平板輻射元件22相對于第一平板輻射元件21，兩者之間留有一定空間，以致其主軸基本上平行于Z-軸。換言之，第二平板輻射元件22的主表面和主軸基本上平行于第一平板輻射元件21的主表面和主軸。考慮到第一和第二平板輻射元件21，22的結構，存在一個公差誤差幅度。
進一步，第二平板輻射元件22具有和第一平板輻射元件21的下端部分相齊的下端部分。第一和第二平板輻射元件21，22的下端部分利用一個導電片27連接。
第三平板輻射元件23具有U形或馬蹄的形狀，其具有橫桿部分231以及從橫桿部分231兩端伸出的臂桿部分232，233。橫桿部分231和臂桿部分232，233可以具有共同的寬度，也可以具有不同的寬度。
第三平板輻射元件23設置在第二平板輻射元件22的下側，這樣，其主表面基本垂直于Y-軸。橫桿部分位于距離第一和第二平板輻射元件21，22的下端部分一段距離的位置。第三平板輻射元件23的中心軸基本平行于Z-軸。第三平板輻射元件23的中心軸可以和第二平板輻射元件22的主軸處于同一直線上。臂桿部分232，233向下置位(或者沿Z-軸方向的反方向)。換言之，臂桿部分232，233基本沿Z-軸延伸至第一和第二平板輻射元件21，22的反側。
同軸電纜25具有中心導體251和外部導體252作為饋線。同軸電纜25基本平行于Z-軸。中心導體251通過導電片27連接到第一和第二平板輻射元件21和22。另一方面，外部導體252具有一個和橫桿部分231的邊緣對齊的末端部分。外部導體252固定并電連接到橫桿部分231的中心。可以將橫桿部分231的全部和部分寬度固定到外部導體252。同軸電纜25的長度長于第三平板輻射元件23的高度h4。同軸電纜25可以在遠于橫桿部分231的臂桿部分232，233的末端的某個點彎折。同軸電纜25也可以正好在橫桿部分231的下面彎折。
第一至第三平板輻射元件21-23和導電片27可以通過切裁一個和多個導電(薄)板而形成。特別是，第一和第二平板輻射元件21和22以及導電片27可以形成為從一個導電片上切割的一個連續板。在這種情況下，將該連續板彎折就形成了第一和第二平板輻射元件21和22以及導電片27。作為用于第一至第三平板輻射元件21-23的導電片，可以采用銅板、黃銅板、鋁板等等。該導電片可以例如具有0.1-2mm的厚度。此外，該導電片可以被電鍍和涂層以防止生銹。
在一個例子中，第一平板輻射元件21具有高度h1，其等于對應于最低可用頻率fL的波長λL的大約0.16倍。進一步，第一平板輻射元件21具有寬度w1，其等于波長λL的大約0.1倍或更小。第二平板輻射元件22的高度h2和寬度w2分別等于波長λL的大約0.25和大約0.16倍。此外，第二平板輻射元件22的開口221的高度h3和寬度w3分別等于波長λL的大約0.13和大約0.06倍。此外，導電片27的寬度w4和高度w5的值在波長λL的百分之一和二十分之一之間。對于第三平板輻射元件23，其高度h4和寬度w6均等于波長λL的0.2-0.25倍。根據該實施例，天線工作頻率范圍為可用最低頻率fL至該可用最低頻率fL的5倍或更高。此外，因為該天線尺寸和厚度都較小，其可以容易的安裝在電子裝置中。此外，因為該天線結構簡單并容易生產，所以該天線的成本較低。
圖3是天線20的回波損耗相對于頻率的曲線。這里，天線20具有下述用于2.4GHZ的可用最低頻率的尺寸。對應于最低可用頻率fL的波長λL等于125毫米。
第一平板輻射元件21的高度h1為20mm，寬度w1為10mm。高度h1和寬度w1對應于波長λL的0.16和0.08倍。第二平板輻射元件22的高度h2為30mm，寬度w2為20mm，高度h3為16mm，寬度w3為8mm。高度h2、寬度w2、高度h3、寬度w3分別對應于波長λL的0.24、0.16、0.13以及大約0.08倍。導電片27的寬度w4和高度w5分別等于3mm和2.5mm。寬度w4和高度w5分別對應于波長λL的四十分之一和五十分之一。第三平板輻射元件23的高度h4和寬度w6均等于27mm。高度h4和寬度w6均對應于波長λL的0.22倍。
如圖3所示，天線20在2.4至10.6GHZ的頻率范圍內具有-9.5dB以下的回波損耗。也就是，天線20不僅可以在UWB的頻率范圍(3.1-10.6GHZ)運行，還可以在無線LAN的頻率范圍內(2.4GHZ)運行。因此，天線20適用于個人電腦和(家用)視聽裝置。此外，天線20具有2.0或更低的VSWR(電壓駐波比率)。
參照圖4，將描述根據本發明的第二實施例的天線。相似部件采用相同的附圖標記表示。
在圖4中，天線40和圖2中的天線20相似，除了第一至第三平面元件41-43具有角度或矩形的角以外。
詳細而言，第一平板輻射元件41具有主矩形部分411和從主矩形部分411的下端向下延伸的矩形補翼部分412。補翼部分412的下端部分經導電片27連接到第二平板輻射元件42的末端部分。
第二平板輻射元件42具有角環(或框架)的形狀，具有外部和內部形狀。該外部和內部形狀類似于第一平板輻射元件41的主部分411的形狀。第二平板輻射元件42的外部形狀可以不完全的類似于第一平板輻射元件41的形狀。第二平板輻射元件42的外部和內部形狀可以彼此不同。例如，第二平板輻射元件42的外部和內部形狀可以這樣形成，即，使得第二平板輻射元件42的垂直和水平部分具有相同寬度。進一步，開口421可以形成在第二平板輻射元件42的縱向軸的一側。開口421等于或小于第一平板輻射元件41。
同軸電纜25的中心導體251連接到導電片27，從而點連接到第一和第二平板輻射元件41和42。外部導體252連接到第三平板輻射元件43的橫桿部分431的中部。雖然橫桿部分431的上邊緣低于外部導體252的末端，但是它們也可以設置在同一平面高度。
第一至第三平板輻射元件41-43以及導電片27可以像圖2中天線20的情況一樣來形成。第一至第三平板輻射元件41-43以及導電片27具有和圖2中天線20幾乎一樣的尺寸。確實地，第一至第三平板輻射元件41-43以及導電片27的尺寸依賴于它們的形狀。
參照圖5，將描述根據本發明的第三實施例的天線。
在圖5中，天線50和圖2中的天線20相似，除了第三平板輻射元件53具有橢圓或卵形的主體部分531以及垂直于主體部分531的矩形補翼部分532。
第三平板輻射元件53的主體部分531垂直于Y-軸，并和同軸電纜25分離。主體部分531的主軸基本平行于第二平板輻射元件22的主軸。主體部分531的主軸也可以和第二平板輻射元件22的主軸處于同一直線上。
矩形補翼部分532連接外部導體252的末端(和/或其附近)至第三平板輻射元件53的主體部分531的上端。
當第一和第二平板輻射元件21和22具有涉及圖2天線20的上述尺寸時，例如，第三平板輻射元件53的高度h5和寬度w7分別等于波長λL的大約0.2-0.25和0.15-0.25倍。此外，補翼部分532的寬度w8和長度w9分別等于波長λL的百分之一和二十分之一。通常，寬度w8等于外部導體252的直徑。
參照圖6，將描述根據本發明第四實施例的天線。
在圖6中，天線60類似于圖5中的天線50，除了同軸電纜25垂直于Z-軸，并且相對第三平板輻射元件53的第四平板輻射元件64連接到外部導體252。
第三和第四平板輻射元件53和64的結合類似于第一和第二平板輻射元件21和22的結合。然而，第三和第四平板輻射元件53和64相對于Z-軸而倒置。特別是，第三和第四平板輻射元件53和64垂直于Y-軸，從而它們的主軸平行于Z-軸。矩形補翼部分532連接到第四平板輻射元件64的上端和外部導體252。
在圖6中，看上去第三和第四平板輻射元件53和64的尺寸和第一和第二平板輻射元件21和22的尺寸不同。然而，第三和第四平板輻射元件53和64的尺寸也可以和第一和第二平板輻射元件21和22的尺寸相同。
同軸電纜25可以和Y-軸平行。在這種情況下，可以彎折同軸電纜25以減小天線60的厚度。當同軸電纜25平行X-軸時，天線60的厚度最小。中心導體251被彎折以連接和固定到導電片27。外部導體252固定到矩形補翼部分532的一部分。
對于天線60而言，可以使用圖7中所示的對稱電纜線對來代替同軸電纜25。對稱電纜線對具有一對導線，其中之一電連接到第一和第二平板輻射元件21和22，另一條電連接到第三和第四平板輻射元件53和64。在這種情況下，第三平板輻射元件53的主軸可以和第一平板輻射元件21的主軸處于同一直線上，并且/或者第四平板輻射元件64的主軸可以和第二平板輻射元件22的主軸處于同一直線上。通常情況下，相比于同軸電纜25，對稱電纜線改進了阻抗匹配。
參照圖8和9A-9C，將描述根據本發明第五實施例的天線。
圖8和9A-9C的天線80在理論上相當于圖2中的天線20。天線80包括第一平板輻射元件81、第二平板輻射元件82、第三平板輻射元件83、微帶線85、接地導體86、通孔87以及介電基板88。
介電基板88具有彼此相對的第一和第二表面。
第一平板輻射元件81具有一個橢圓形和卵形的外部形狀和主軸。第一平板輻射元件81形成于介電基板88的第一表面。
第二平板輻射元件82具有一個拉長的環形，具有類似于第一平板輻射元件81外部形狀的外部和內部形狀。第二平板輻射元件82形成于介電基板88的第二表面，相對于第一平板輻射元件81。第二平板輻射元件82具有和第一平板輻射元件81的主軸平行的主軸。進一步，第二平板輻射元件82具有和第一平板輻射元件81的下端部分對齊的下端部分。第二平板輻射元件82的下端部分通過形成在介電基板88上的通孔87電連接到第一平板輻射元件81的下端部分。
第三平板輻射元件83具有一個U形或馬蹄形的形狀。第三平板輻射元件83也形成于介電基板88的第二表面并和第二平板輻射元件82保持一定距離。第三平板輻射元件83的中心軸和第二平板輻射元件82的主軸處于同一直線上，并且末端部分位于第二平板輻射元件82的相對側。
微帶線85具有條帶狀，并具有和第一平板輻射元件81的的主軸處于同一直線上的中心軸。微帶線85形成于介電基板88的第一表面以接續第一平板輻射元件81。微帶線85作為第一饋線。
接地導體86具有寬條帶形狀，并具有和第二平板輻射元件82的主軸處于同一直線上的中心軸。希望接地導體86的寬度是微帶線85寬度的2-2.5倍。此外，微帶線85也可以是接地導體86的寬度的2-2.5倍。接地導體86形成于介電基板88的第二表面以接續第三平板輻射元件83。接地導體86作為第二饋線。也就是，接地導體86和微帶線85一起形成微帶線路。因此，希望接地導體86的中心軸和微帶線85的中心軸關于介電基板的厚度方向而重合。
當介電基板88的厚度較小時，存在一種情況，即，在第一平板輻射元件81和第二平板輻射元件82產生電容性連接。
天線80可以由，例如，具有介電基板和沉積在介電基板兩側的銅箔的印制電路板構成。作為用于印制電路板的介電基板，可以采用Teflon(一種注冊商標)基板，變性BT(雙重馬來酰亞胺三氮雜苯)樹脂基板，PPE(聚苯醚)基板，透明環氧基板等等。該絕緣基板具有例如0.4-3.2mm的厚度。此外，可以使用FPC(柔性印制電路)代替印制電路板來生產天線80。在這種情況下，FPC的介電基板可以具有小于0.2mm的厚度。
印制電路板進行處理以形成銅箔。換言之，銅箔的蝕刻造出了第一至第三平板輻射元件81-83、微帶線85以及接地導體86。在印制電路板中形成一個用于通孔87的孔。限定該孔的內部表面覆蓋有導體以形成通孔87。殘余銅箔利用焊錫進行涂層，或者利用鎳進行鍍層，以避免腐蝕。可以使用焊錫的涂層或鎳的鍍層來覆蓋用于通孔87的孔的內表面。
第一至第三平板輻射元件81-83的尺寸幾乎等于圖2中第一至第三平板輻射元件的尺寸。然而，介電基板88的存在使得第一至第三平板輻射元件81-83小型化，從而天線80具有寬帶特性。因此，天線80適用于小型計算機或小型視聽裝置。此外，天線80具有穩定的特性，因為第一至第三平板輻射元件81-83的相對位置通過介電基板而固定。
參照圖10，將描述根據本發明第六實施例的天線。天線100和圖8中天線80類似，除了具有一對寄生元件109和110。
寄生元件109和110形成于介電基板88的第一表面，相對于第三平板輻射元件83部分。當天線100由印制電路板構成時，寄生元件109和110可以通過用于第一至第三平板輻射元件81-83、微帶線85以及接地導體86的蝕刻而形成。寄生元件109和110用于增寬天線80的頻帶。寄生元件109和110可以具有波長λL的0.2-0.25或者大約0.5倍的長度。
寄生元件的數量根據目的和/或第三平板輻射元件83的形狀而決定。例如，寄生元件的數量是1至4。寄生元件可以相對微帶線85的中心軸不對稱。寄生元件可以適用于省略了通孔75的場合。
由于已經參照優選實施例描述了本發明，對于本領域技術人員而言，可以在多種其他方式中實現本發明。
例如，第一平板輻射元件21(41，或81)的形狀可以從圖11A-11K所示的多種形狀中選擇。類似的，第二平板輻射元件22(42，或82)的形狀可以從圖12A-12J所示的多種形狀中選擇。這里，第二平板輻射元件22(42，或82)的外部形狀和內部形狀可以完全不同。進一步，第三平板輻射元件23(43，或83)的形狀可以從圖13A-13J所示的多種形狀中選擇。對于第三和第四平板輻射元件53和54，它們類似于第一和第二平板輻射元件21和22。更進一步，寄生元件的形狀可以從圖11A-11K所示的多種形狀中選擇。此外，對于第一至第三(或第四)平板輻射元件，可以采用多種形狀的結合。
無論如何，平板輻射元件的形狀可以根據所希望的特性和天線所置的空間而設計。
權利要求
1.一種天線，包括第一平板輻射元件，從預定部分向第一側延伸；第二平板輻射元件，從預定部分向基本上與所述第一平板輻射元件平行的預定部分延伸；第三平板輻射元件，從預定部分向面對第一側的第二側的預定部分延伸；第一饋線，在預定部分電連接至所述第一平板輻射元件和所述第二平板輻射元件；第二饋線，靠近所述第一饋線并在預定部分電連接至所述第三平板輻射元件，其中，所述第一至第三平板輻射元件面向相同方向。
2.如權利要求1所述的天線，其特征在于所述第二平板輻射元件具有環形形狀。
3.如權利要求2所述的天線，其特征在于所述第一平板輻射元件具有第一外部形狀，而所述第二平板輻射元件的環形具有和第一外部形狀相似的第二外部形狀。
4.如權利要求3所述的天線，其特征在于所述第二平板輻射元件的環形具有和第一外部形狀相似的內部形狀。
5.如權利要求3所述的天線，其特征在于第一外部形狀是圓形、橢圓形、卵形或多邊形。
6.如權利要求3所述的天線，其特征在于所述第三平板輻射元件具有倒U形、倒馬蹄形、叉形、耙子形、圓形、橢圓形、卵形或多邊形。
7.如權利要求3所述的天線，其特征在于所述第一平板輻射元件、所述第二平板輻射元件、所述第三平板輻射元件包括導電片；所述第一饋線和所述第二饋線由同軸電纜提供。
8.如權利要求3所述的天線，其特征在于還包括相對于所述第三平板輻射元件的所述第四平板輻射元件，其中，所述第二饋線電連接到所述第三平板輻射元件和所述第四平板輻射元件。
9.如權利要求8所述的天線，其特征在于所述第三平板輻射元件具有類似于第一外部形狀的第三外部形狀；所述第四平板輻射元件和所述第二平板輻射元件形狀相似。
10.如權利要求8所述的天線，其特征在于所述第一平板輻射元件、所述第二平板輻射元件、所述第三平板輻射元件、所述第四平板輻射元件包括導電板；所述第一饋線和所述第二饋線由對稱雙導線型電纜提供。
11.如權利要求3所述的天線，其特征在于還包括具有彼此相對的第一和第二表面的介電基板；所述第一平板輻射元件包括形成在所述介電基板第一表面上的第一導通膜片；所述第二平板輻射元件和所述第三平板輻射元件分別包括形成在所述介電基板第二表面上的第二導通膜片和第三導通膜片，所述第二導通膜片通過形成在所述介電基板上的通孔電連接到所述第一導通膜片；所述第一饋線包括形成在所述介電基板第一表面上的第一微帶線；所述第二饋線包括形成在所述介電基板第二表面上的第二微帶線。
12.如權利要求11所述的天線，其特征在于還包括形成在所述介電基板第一表面上并和所述第三導通膜片相對的寄生平面元件。
全文摘要
在一種天線中，第一平板輻射元件縱向放置。第二平板輻射元件相對第一平板輻射元件放置。第一和第二平板輻射元件在它們的下端部分彼此相連。第三平板輻射元件縱向放置在第二平板輻射元件下面。同軸電纜的中心導體連接到第一和第二平板輻射元件的下端部分。該同軸電纜的外部導體連接到第三平板輻射元件的上端部分。該同軸電纜平行于第三平板輻射元件。
文檔編號H01Q9/28GK1638192SQ20041010455
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月23日 優先權日2003年12月26日
發明者倉本晶夫 申請人:日本電氣株式會社