寬帶天線的制作方法

專利名稱：寬帶天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于諸如超寬帶(UWB)的寬帶通信系統和無線電 局域網(LAN)的天線，更具體地說，涉及適合用作移動終端的天線 的寬帶天線。
背景技術：
近年來，應用UWB的寬帶通信系統和無線電LAN已經應用在 各種領域中。例如，諸如由于UWB或無線電LAN而具有通信功能 的個人計算機(下文稱為"PC")、蜂窩電話、和個人數字助理(PDA) 的移動終端已經出現。因為在UWB中使用了各種帶頻，人們希望UWB天線具有盡可 能寬的頻帶。尤其，合并到移動終端中的天線在尺寸小和成本低的同 時，最好是高性能的和寬帶的。傳統移動終端天線具有諸如它的安裝部分和接地導體，即接地部 分的尺寸的固有問題。存在諸如PC、蜂窩電話和PDA的各種類型的 移動終端。即使類別相同，外殼的配置也隨制造者或型號而異。即使 型號相同，每當加入新功能時，通常也要改變設計等。由于傳統寬帶 天線由協作的接地部分和發射元件部分構成，所以會引起不可能實現 寬帶特性、以及天線性能隨天線的安裝部分的改變或接地部分的尺寸 不同而顯著改變的問題。本發明的目的是，提供一種能夠保持寬帶特性而不受天線的安裝 部分或接地部分的尺寸的改變影響的寬帶天線。發明內容根據本發明， 一種寬帶天線具有用于調整天線特性的脊形元部分和用于電磁波輻射的輻射元部分，所述脊形元部分形成脊形波導的開 口截面結構的一部分或全部并在平面上展開。輻射元部分從脊形元部 分延伸出來。脊形元部分具有與脊形波導的脊形部分相對應的調整部 分和受到饋電的饋電部分。天線元和接地導體圖案可以一起集成在一 個印刷電路板上。此外，寬帶天線可以進一步包括與輻射元部分或脊形元部分電容 耦合的用于電磁波輻射的電容耦合輻射元。在這種情況下，輻射元部 分具有可以用在第一頻帶的尺寸，以及電容耦合輻射元具有可以用在 第二頻帶的尺寸，第二頻帶在頻帶中比第一頻帶低。并且，寬帶天線可以配置成以與輻射元相同的圖案或對稱圖案來 形成電容耦合輻射元部分。作為經過脊形波導的電磁波，存在TE模波和TM模波。TE模 波的浪涌阻抗Zw和TM模波的阻抗Ze分別變成如下 Zw - Zo/(l-(fc/f)A2) Ze = Zo*(l-(fc/f)A2)在這種情況下，Zo= 120"(nr/sr)，其中，nr是傳播媒體的相對 磁導率，以及sr是傳播媒體的相對介電常數。在真空的情況下，pr -sr-l，以及Zo變成1207c,當信號的頻率f高于波導的截止頻率fc 時，信號經過這個脊形波導。當信號的頻率f比波導的截止頻率fc高 許多時，Zw和Ze的值與真空中的Zo—樣變成120ti。脊形波導的截 止頻率fc低于例如具有相同截面大小的普通長方形波導的截止頻率。 因此，可以實現在降低可用頻率的同時保持寬帶特性不變的天線。此 外，包括與脊形元部分相似的表面部分，因此，與例如纏繞導線的情 況相比，加寬了匹配范圍。換句話說，在實現諸如電磁波輻射器的功 能的同時，還可以抑制饋電端的失配。在i殳計和生產時，只對打算使 用的最低頻率給予考慮就足夠了，這有助于大規模生產，并且還實現 了成本降低。于是，根據本發明的寬帶天線以諸如高通濾波器的工作 模式的工作模式工作，其中，當截止頻率fc得到確定時，明顯高于截 止頻率fc的所有頻率f都能通過。脊形波導可以包括例如具有前端相互面對的一對脊形部分的雙 圓柱脊形波導。在這種情況下，脊形元部分對應于雙圓柱脊形波導的 一個脊形部分，以及與雙圓柱脊形波導的另一個脊形部分相對應的元 件部分包括保持在地電位的接地部分。接地部分直接與外部接地導體連接。由于接地部分初始保持在地 電位(接地部分直接與外部接地導體連接)，從而抑制了使用頻率的 變化。外部接地導體的配置和尺寸可以任意設置。也就是說，可以實 現不受安裝部分影響的天線。從饋電端延伸出來的饋電線可被引到外部作為共面波導(CPW)。借助于這種配置，可以在饋電點保持極好的高頻特性。最好，脊形元部分和接地部分的至少一個形成弧形或基本弧形。 與不具有弧形或基本弧形的配置相比，這樣的配置不受限制地提高了 可用頻率的上限，從而使得可以提供非凡的寬帶特性。從極好地保持 寬帶特性的觀點來看，為了細調頻帶，將脊形元部分與調整元部分集成。脊形元部分可以具有例如單基端結構，所述單基端結構是通過在 高度方向上切下開口截面結構中脊形波導的脊形部分而獲得的，其中 輻射元部分從脊形元部分的基端延伸出來。可替代地，脊形元部分可 以具有相對于開口截面結構中脊形波導的脊形部分的高度作為中心 線最大的部分對稱的雙基端結構，其中輻射元部分從脊形元部分的兩 個基端延伸出來。在寬帶天線中，當來自饋電端的電流饋送到脊形元部分的中心部 分時，出現相對于作為中心的位置對稱的多模波。在脊形波導的情況下，經過的電磁波的電場強度在脊形部分的中心(TE1())變成最大， 因此，即使脊形元部分被給予單基端配置，高通濾波器的特性本身也 不會與如后所述的雙基端配置的情況下的那些不同。可以將它的尺寸 減小與單基端配置相對應的程度。應該注意到，選擇使用奇數模(TE1()、 TE3Q、 TE5())的結構和使 用偶數模(TE2Q、 TE4Q、...)的結構的哪一種是無關緊要的，但最好選擇使用奇數模的結構。對于寬帶特性，存在使用頻帶內的群延時出現差異的可能性。為 了改善這種情況，在根據本發明的寬帶天線中，輻射元部分以這種尺 寸的折線結構形成，使得至少在使用頻帶內的群延時保持在給定范圍 內。用于頻帶細調的調整元部分可以插在脊形元部分與輻射元部分之 間。脊形元部分可以具有例如單基端結構，其中，在高度方向上切下 開口截面結構中脊形波導的脊形部分。在這種情況下，輻射元部分從 脊形元部分的基端延伸出來。根據本發明，可以提供具有提供可用最低頻率的超寬帶特性的寬 帶天線。如上所述，在具有接地部分的天線中加寬頻帶是困難。但是， 像在本發明中那樣，通過提供脊形波導的開口結構，可以加寬頻帶。


圖1是示出根據本發明第一實施例的寬帶天線的天線元的圖形，其中，(a)部分是基本圖案圖，以及(b)部分是CPW結構的圖案圖；圖2(a)和2(b)是示出根據第一實施例的寬帶天線的實現狀態的 前視圖；圖3是示出天線結構的圖形，其中，(a)部分是示意性地示出 一般天線的圖形，以及(b)部分是示出根據第一實施例的寬帶天線 的示意圖；圖4是示出最低頻率被設置成3.GHzl時根據第一實施例的寬 帶天線的尺寸的圖形；圖5是如圖4所示的尺寸的寬帶天線的VSWR特性圖；圖6是如圖4所示的尺寸的寬帶天線的增益特性圖；圖7是如圖4所示的尺寸的寬帶天線的輻射效率特性圖；圖8是如圖4所示的尺寸的寬帶天線的群延時特性圖；圖9是示出寬帶天線的方向特性的圖形，其中，(a)部分是在與如圖4所示的尺寸的寬帶天線的天線表面平行的方向上的方向特性 圖，(b )部分是在與天線表面垂直正交的平面方向上的方向特性圖， 以及(c)部分是在水平平面方向上的方向特性圖(3.5[GHz)；圖IO是示出寬帶天線的方向特性的圖形，其中，(a)部分是在 與如圖4所示的尺寸的寬帶天線的天線表面平行的方向上的方向特性 圖，(b)部分是在與天線表面垂直正交的平面方向上的方向特性圖， 以及(c)部分是在水平平面方向上的方向特性圖(6.0[GHz)；圖ll是示出寬帶天線的方向特性的圖形，其中，(a)部分是在 與如圖4所示的尺寸的寬帶天線的天線表面平行的方向上的方向特性 圖，(b)部分是在與天線表面垂直正交的平面方向上的方向特性圖， 以及(c)部分是在水平平面方向上的方向特性圖(lO.O[GHzl);圖12是在寬帶天線和外部接地導體接合在一起的實現體的寬度 為70 [mm和長度為90 [mm時的VSWR特性圖；圖13是在寬帶天線和外部接地導體接合在一起的實現體的寬度 為50 [mml和長度為90mm時的VSWR特性圖；圖14是在寬帶天線和外部接地導體接合在一起的實現體的寬度 為30 [mm和長度為90 [mml時的VSWR特性圖；圖15是在寬帶天線和外部接地導體接合在一起的實現體的寬度 為80mm和長度為80mm時的VSWR特性圖；圖16是在寬帶天線和外部接地導體接合在一起的實現體的寬度 為80 [mml和長度為60 [mml時的VSWR特性圖；圖17是在寬帶天線和外部接地導體接合在一起的實現體的寬度 為80 [mm和長度為40 [mmj時的VSWR特性圖；圖18是在寬帶天線和外部接地導體接合在一起的實現體的寬度 為80 [mm和長度為20 [mm時的VSWR特性圖；圖19(a)到19(k)是示出天線圖案的修正例子的圖形；圖20(a)到20(f)是示出天線圖案的修正例子的圖形；圖21是示出根據本發明第二實施例的寬帶天線的天線元的 CPW結構的圖案圖，其中，(a)部分是前視圖，(b)部分是側視8圖，以及(c)部分是后視圖；圖22是示出根據本發明第二實施例的寬帶天線的天線元的CPW結構的修正例子的圖案圖；圖23是示出根據第二實施例的寬帶天線的實現狀態的前視圖； 圖24是示出如圖21所示的寬帶天線的特性的圖形，其中，(a)部分是VSWR特性圖，以及(b)部分是增益特性圖； 圖25是如圖22所示的寬帶天線的VSWR特性圖； 圖26是示出如圖23所示的寬帶天線的特性的圖形，其中，(a)部分是增益特性圖，以及(b)部分是輻射效率特性圖；圖27是示出在個人計算機中實現如圖21所示的寬帶天線的實現狀態的透視圖；圖28是示出在如圖27所示的實現狀態下寬帶天線的特性的圖 形，其中，U)部分是VSWR特性圖，以及(b)部分是增益特性圖；圖29是示出寬帶天線的方向特性的圖形，其中，(a)部分是在 與如圖21所示的尺寸的寬帶天線的樹脂板或印刷電路板平行的方向 上的水平極化波的方向特性圖，(b)部分是在與樹脂板或印刷電路 板垂直正交的平面方向上的水平極化波的方向特性圖，(c )部分是 在水平平面方向上的水平極化波的方向特性圖，(d)部分是在與樹 脂板或印刷電路板平行的方向上的垂直極化波的方向特性圖，(e ) 部分是在與樹脂板或印刷電路板垂直正交的平面方向上的垂直極化 波的方向特性圖，以及(f)部分是在水平平面方向上的垂直極化波的 方向特性圖(2.45 [GHz)；圖30是示出寬帶天線的方向特性的圖形，其中，(a)部分是在 與如圖21所示的尺寸的寬帶天線的樹脂板或印刷電路板平行的方向 上的水平極化波的方向特性圖，(b)部分是在與樹脂板或印刷電路 板垂直正交的平面方向上的水平極化波的方向特性圖，(c)部分是 在水平平面方向上的水平極化波的方向特性圖，(d)部分是在與樹 脂板或印刷電路板平行的方向上的垂直極化波的方向特性圖，(e)部分是在與樹脂板或印刷電路板垂直正交的平面方向上的垂直極化 波的方向特性圖，以及(f )部分是在水平平面方向上的垂直極化波的方向特性圖U,00[GHzI);以及圖31是示出寬帶天線的方向特性的圖形，其中，(a)部分是在 與如圖21所示的尺寸的寬帶天線的樹脂板或印刷電路板平行的方向 上的水平極化波的方向特性圖，(b)部分是在與樹脂板或印刷電路 板垂直正交的平面方向上的水平極化波的方向特性圖，(c)部分是 在水平平面方向上的水平極化波的方向特性圖，(d)部分是在與樹 脂板或印刷電路板平行的方向上的垂直極化波的方向特性圖，(e ) 部分是在與樹脂板或印刷電路板垂直正交的平面方向上的垂直極化 波的方向特性圖，以及(f)部分是在水平平面方向上的垂直極化波的 方向特性圖(5.2 [GHzI)。
具體實施方式
第一實施例在下文中，將對本發明被實現成用在UWB通信中的寬帶UWB天線時的模式例子加以描述。在本例中，示出了本發明應用于具有雙 圓柱脊形波導的開口截面結構的平面寬帶天線。圖l(a)示出了包括在根據本發明的寬帶天線中的天線元的基本 圖案。寬帶天線1可以通過在由例如樹脂制成的平面基底FP上配備 具有雙圓柱脊形波導的開口截面結構的天線元來構成。天線元由傳導 率高的金屬，例如銅制成。天線元由兩個基端構成，兩個基端相對于開口截面結構中脊形波導的脊形部分的高度最高的作為中心線的部分是對稱的。天線元具有 脊形元部分ll、輻射元部分12、和接地部分13。脊形元部分ll和接 地部分13被模制成具有基本弧形配置。脊形元部分11是與雙圓柱脊形波導的一個脊形部分相對應的元 件部分。脊形元部分11用于促進例如在寬頻帶上的阻抗匹配。輻射 元部分12對應于雙圓柱脊形波導的壁部，并整體地分別從脊形元部分ll的一對基端部分延伸出來。輻射元部分12用于電磁波輻射。接 地部分13是與雙圓柱脊形波導的另一個脊形部分相對應的元件部分， 并且保持在地電位。饋電端111基本上在脊形元部分11的前端部附 近形成。也就是說，與外部電路連接的同軸電纜的芯線基本上與脊形 元部分11的前端部附近接合。當電流饋送到脊形元部分11的饋電端111時，如上所述配置的 寬帶天線1改變成基本上與雙圓柱脊形波導相同的工作模式。例如， 電流通過脊形元部分11饋送，以使得阻抗匹配范圍比纏繞導線情況 下的阻抗匹配范圍寬。其結果是，可以在較寬頻率范圍上抑制饋電端 lll上的失配。此外，接地部分13起阻抗調整體和接地導體的作用。于是，寬帶天線1本身具有接地功能，并且在在脊形元部分11 中進行寬范圍的阻抗匹配的同時，從輻射元部分12輻射電磁波。從輻射元部分12輻射的電磁波的頻率f變成如上所述諸如高通 濾波器的工作模式，明顯高于輻射元部分12所確定的截止頻率fc的 所有頻率f都從中通過。由于接地部分13保持在地電位，外部導體可以直接與接地部分 13連接。與地起輻射器作用的一般天線不同，本發明的寬帶天線降低 了地對輻射特性等的影響，從而可以任意設置外部導體的尺寸。在圖 3中示意性地示出了這種關系。圖3(a)示出了從饋電點向上部延伸的實線表示輻射元以及虛線 表示地的一般天線。輻射元和地起天線的作用。由于上述原因，到目 前為止不能在與地連接的天線中獲得極好的寬帶特性。相反，圖3(b) 是本實施例的寬帶天線。電磁波的輻射只由輻射元進行。由于這個原 因，可以不受安裝部分影響地實現具有靈活尺寸外部導體的寬帶天 線。如果在設計和制造時只考慮打算使用的最低頻率，則可以使用等 于或高于最低頻率的任何頻率。于是，當按適合最低使用頻率的尺寸 進行設計和制造時，可以將一個天線用作大量通信的天線。在基于圖l(a)的配置的各種配置中可以修改天線元。例如，圖iil(b)示出了適合用在移動終端中的平面寬帶天線2的例子。寬帶天線 2的天線元包括脊形元部分21、輻射元部分22、接地部分23a和23b、 和饋電端(導線)24。脊形元部分21以這樣的方式配置，那就是，在保留大部分脊形 部分的偏離中心線的偏心位置，在高度方向上切下與雙圓柱脊形波導 的一個脊形部分相對應的部分，并且斜切傾斜脊形部分的一部分211。 另一個脊形部分形成有片狀體212。在本實施例中，片狀體212和斜 切的脊形部分的一部分形成調整元部分。布置調整元部分是為了極好 地保持信號的群延遲特性和傳輸波形特性。換句話說，由于根據本發 明的寬帶天線可以使用多個頻率，基于頻率的延時或傳輸波形特性可 能發生變化。配備調整元部分就是為了防止這種變化。調整元部分的 配置無需像圖l(b)所示那樣配置，而是可以任意設置。為了增強輻射效率，輻射元部分22部分以折線結構形成。接地 部分具有作為共面波導將整體從脊形元部分21的大致前端延伸的饋 電端24引到外部的CPW結構。也就是說，接地部分由與饋電端24 在相同平面上的處于給定間隙的一對波導23a和23b構成。應用CPW 結構使得饋電端上的阻抗失配得到抑制。當如圖l(a)和l(b)所示的天線被實現到通信設備中時，天線像圖 2(a)和2(b)所示那樣構成。在圖2(a)中，如圖l(a)所示的平面寬帶天線1被裝配到樹脂板 E10上，以及寬帶天線1的接地部分13與外部接地導體G10連接。 寬帶天線1的饋電端111與例如從半剛性電纜5的一端露出來的芯線 5A連接。半剛性電纜5的另一端裝有同軸連接器7，以便與未示出的 電路連接。在圖2(b)中，如圖l(b)所示的寬帶天線2被裝配到樹脂板E20 上，以及寬帶天線2的接地部分23a和23b與外部接地導體G20連接。 寬帶天線2的饋電端24通過位于外部接地導體G20上的接頭61與從 例如半剛性電纜5的一端露出來的芯線5A連接。半剛性電纜5的另 一端裝有同軸連接器7，以便與未示出的電路連接。1如圖l(a)和l(b)所示的天線圖案、接頭61的圖案、以及接地導 體圖案可以利用金屬膜在一塊樹脂印刷電路板上形成。 (天線特性)接著，對如圖2(b)所示的寬帶天線2的天線特性加以詳細描述。 圖4代表在使用頻帶等于或高于3.1 [GHz的情況下寬帶天線2 的尺寸。為了便于測量儀，將使用頻帶的上限設置成1GHz。尺寸 是整個天線元的厚度為0.6 [mm],脊形元部分21與輻射元部分22 的返回部分之間的長度a為30 [mm，以及輻射元部分22的長度b 為10 [mm。脊形元部分21的前端與接地部分23b的前端部之間的間隙d可 以改變，從而可以細調阻抗。此外，間隙d的中心與外部接地導體之 間的長度h可以改變，從而可以細調要使用的最低頻率。標記d大約 是lmm，以及h大約是3[mm。在上述尺寸的寬帶天線2中，在計算機上模擬通過基于例如麥克 斯韋電磁理論和天線設計理論的軟件設計的具有沒有任何誤差的理 想配置的天線的特性的結果如下所示。進行模擬是因為到今天為止測 量儀只支持高達大約12 [GHzl的頻率。證實在測量范圍內模擬結果與 實際測量結果幾乎沒有什么不同。圖5是上述尺寸的寬帶天線2的VSWR特性圖。從圖5中可明 顯看出，當只有最低頻率由上述尺寸決定時，等于最低頻率或比最低 頻率高給定值的頻率的所有VSWR都落在實際使用范圍(2或更低) 內。為了便于測量儀，12 [GHz或更高的頻率未通過數值量化，但證 實即使在等于12 [GHz或更高的更高頻率，也可以極好地保持 VSWR。使用頻率等于3.1 [GHz時的VSWR是1.872,以及使用頻率 等于10.6 [GHz時的VSWR是1.282。圖6是上述尺寸的寬帶天線2的增益特性圖，以及圖7是輻射效 率特性圖。這些圖中的黑點是使用頻率上的模擬值。在3.1 [GHz到 10.6 [GHz的寬頻帶內，獲得1.5 dBi或更高的增益以及45。/。或更高 的高效率。圖8是在使用上述尺寸的兩個寬帶天線2的情況下的群延時特性 圖。通過配備如圖1(b)所示的調整元件，至少當使用頻率等于3.1 [GHzj 或更高時，群延時基本不變。群延時在3.1 [GHz是3.569 [ns以及在 10.GHz是2.89nsl。這些數值在實際使用中是完全令人滿意的。圖9示出了在樹脂板或印刷電路板上形成的天線表面位于相對 于水平面垂直并且使用頻率是3.GHz時的方向特性圖，其中，分 別地，圖9(a)示出了在與天線表面平行的方向上的方向特性，圖9(b) 示出了在與天線表面垂直的方向上的方向特性，以及圖9(c)示出了在 水平方向上的方向特性。圖10(a)、 10(b)、和10(c)分別示出了使用頻 率是6.0 [GHz時在各個方向上的方向特性圖，以及圖ll(a)、 ll(b)、 和ll(c)分別示出了使用頻率是10.0 [GHzl時在各個方向上的方向特 性圖。從這些圖中可以發現，在寬頻帶上存在非方向性。 如上所述，可以發現，寬帶天線2是具有尺寸縮小、寬帶特性、 高效率、低群延時特性、和非方向性的所有特點的天線。 [外部接地導體的尺寸的核實如上所述，根據本實施例的寬帶天線1和2具有與雙圓柱脊形波 導的工作模式相符的特性。上述的寬帶天線不受外部接地導體的尺寸 的影響。下面將對此加以核實。例如，圖12到14示出了在如圖2(b)所示的實現狀態下，樹脂板 E20和外部接地導體G20的總長度(在圖中的縱向的長度)保持不變 并改變寬度時的VSWR特性。此外，圖15到18示出了樹脂板E20 的寬度(=外部接地導體G20的寬度)保持不變并改變長度時的 VSWR特性。圖12是寬度為70 [mm]和長度為90 [mm的例子。當使用頻率 是3.1[GHzl時，VSWR是2.040，以及當使用頻率是10.6 [GHzI時， VSWR是1.212。圖13是長度(90[mm])未改變，但寬度改變成50 [mm的例子。當使用頻率是3.1 [GHz時，VSWR是2.751，以及當 使用頻率是10.6 [GHz時，VSWR是1.200。圖14是寬度改變成30 [mml的例子。當使用頻率是3.1 [GHz]時，VSWR是2.573，以及當使用頻 率是10.6 [GHz時，VSWR是1.602。圖15是寬度為80 [mm和長度為80 [mml的例子。當使用頻率 是3.1[GHz時，VSWR是1.753，以及當使用頻率是10.6 [GHz時， VSWR是1.763。圖16是寬度(80 [mm])未改變，但長度改變成60mm的例子。當使用頻率是3.GHz時，VSWR是1.978，以及當 使用頻率是10.6 [GHzI時，VSWR是1.754。圖17是長度進一步改變 成40mm的例子，當使用頻率是3.1 [GHz時，VSWR是2.124，以 及當使用頻率是10.6 [GHz時，VSWR是1.712。圖18是長度進一步 改變成20 [mml的例子，當使用頻率是3.1 [GHz時，VSWR是1.605， 以及當使用頻率是10.6 [GHz時，VSWR是1.533。如上所述，即使外部接地導體G20的長度和寬度被改變成任何 尺寸，根據本實施例的寬帶天線2也幾乎不改變性能。作為合并到具 有各種配置、結構和尺寸的移動終端中的天線，上述特性極其重要。 此外，這意味著，當設計和制造天線時，天線結構存在大的允許范圍， 并且適合大規模生產。事實上，當制造寬帶天線時，會出現由于加工 誤差、饋電同軸連接器和電纜的失配(由于是毫米波，尤其易發生)、 饋電端的安裝誤差、天線材料的損耗(接頭材料的損耗等)、測量誤 差等引起的變化。但是，根據本實施例的寬帶天線的結構，即使在設 計和制造上稍有變化，也可以獲得與模擬結果基本相同的特性。也就 是說，保持了諸如尺寸縮小、高效率、和超寬帶特性的基本部分。假設上述事實基于天線元被配置成局部包括雙圓柱脊形波導的 開口截面結構、以及脊形元部分21和接地部分23a兩者基本上弧形 配置的因素。根據本實施例的平面寬帶天線的上述特性明顯適合預計預定使 用將來會顯著擴大的UWB通信，尤其適合移動終端的內置天線。平面寬帶天線的天線元的圖案不局限于如圖l(a)和l(b)所示的 例子，可以應用各種圖案。例如，如圖19(a)到19(g)所示，脊形元部 分和接地部分的脊形部分的配置可以以各種方式組合在一起使用。圖19(h)到19(k)是未提供接地部分的例子。即使這樣未提供接地部分， 也附上外部接地導體，從而可以獲得與具有接地部分的天線基本相同 的特性。圖20(a)到20(f)是具有CPW結構的平面寬帶天線的修正例子。 圖20(a)到20(f)是如圖l(b)所示的圖案的修正例子。根據天線材料、 使用頻帶、和群延時的變化來修改折線結構供使用。(根據本實施例的寬帶天線的優點)本實施例的平面寬帶天線的特征在于，超寬帶的天線只具有基于 雙圓柱脊形波導的工作模式和非方向性的最低可用頻率。對于用于預 計預定使用將來會顯著擴大的UWB通信的通用天線，上述特性非常 重要。在本說明書中公開的寬帶天線(UWB通信天線)的尺寸、材料 等是示范性的，不偏離本發明特征的實現都在本發明的范圍之內。 第二實施例在第二實施例中，將對本發明被實現成用在無線電LAN通信和 UWB通信中的寬帶天線的模式例子加以描述。圖21(a)示出了適合用在移動終端中的寬帶天線51的例子。寬帶 天線51的天線元具有脊形元部分52、第一輻射元部分53、接地部分 54a和54b、饋電線55、直立元部分56、和第二輻射元部分57。脊形元部分52以這樣的方式配置，那就是，在保留大部分脊形 部分的偏離中心線的偏心位置上，在高度方向上切下與雙圓柱脊形波 導的一個脊形部分相對應的部分。第一輻射元部分53具有與脊形元部分52的未切端側52a連接的 一個端側53a,以及所述一個端側53a的一部分以折線結構形成，以 便增強輻射效率。注意，第一輻射元部分53的另一端53b通過穿過 由樹脂制成的平板FP的通孔，與如圖21(b)所示的背面側上的接地導 體53c連接。此外，脊形元部分52和第一輻射元部分53通過穿過由樹脂制成 的平板FP的通孔，與在如圖21(b)所示的在由樹脂制成的平板FP的背面側上形成的金屬板58連接。金屬板58將在以后描述。接地部分54a是與雙圓柱脊形波導的另一個脊形部分相對應的 部分，以及所述脊形部分形成為面對脊形元部分52的脊形部分。饋電線55與脊形元部分52的切端側52c連接，并沿著寬帶天線 51的長度b的方向形成。饋電線的前端部55a與饋電端一起形成。接地部分54b具有作為與接地部分54a協作的共面波導將饋電線 55引到外部的CPW結構。也就是說，接地部分由處于給定間隙的與 饋電線55在相同平面上的一對導體54a和54b構成。應用上述CPW 結構可以抑制饋電端上的阻抗失配。接地部分54a和54b通過穿過如圖2(b)所示的由樹脂制成的平板 FP的通孔，與在如圖2(b)所示的背面側上形成的接地端54c連接。圖21(c)是沿著如圖21(a)所示的箭頭A的方向取出的如圖21(a)所示的寬帶天線的側視圖。直立元部分56被安排成在包括脊形元部分52和第 一輻射元部分 53的連接部分的端部與包括脊形元部分52和第一輻射元部分53的表 面幾乎垂直地直立。直立元部分56與脊形元部分52和第一輻射元部 分53連接。直立元部分56具有可以插入在脊形元部分52和第 一輻射元部分 53中形成的通孔中的凸起(未示出)。直立元部分56在凸起被插入 通孔中的狀態下，與脊形元部分52、第一輻射元部分53、和如圖21(b) 所示的背面側上的金屬板58接合。此外，脊形元部分52和第一輻射元部分53的長度b被設置成比 在寬帶天線不含直立元部分56的情況下的長度短直立元部分56的高 度e。一般說來，當脊形元部分52的長度b縮短時，寬帶天線51的阻 抗匹配特性和輻射特性變差。但是，即使寬帶天線51沿著長度b的 方向縮短了 ，配備上述直立元部分56也可以保持或提高寬帶天線51 的阻抗匹配特性和電磁輻射特性。也就是說，直立元部分56與脊形元部分52和笫一輻射元部分53連接，從而使得可以縮短寬帶天線51在長度b方向上的尺寸，而 不使阻抗匹配特性和輻射特性變差。在本例中，直立元部分56與脊形元部分52和第一輻射元部分 53接合。可替代地，可以通過以直角將脊形元部分52和第一輻射元 部分53的端部彎曲長度e，來形成直立元部分56。此外，在本例中示出直立元部分56直立在形成平板FP的脊形 元部分52和第一輻射元部分53的表面上。可替代地，直立元部分56 可被安排成直立在平板FP的反面(形成金屬板58的表面)上。此外，在本例中，直立元部分56與包括脊形元部分52和笫一輻 射元部分53的表面幾乎垂直地直立。但是，直立元部分56的角度可 以在實現時根據空間等來自由設置。注意，在本例中，直立元部分56與脊形元部分52和第一輻射元 部分53兩者連接。但是，直立元部分56也可以在長度a的方向上較 短，或直立元部分56可以只與脊形元部分53連接，以便調整阻抗。第二輻射元部分57被布置成以給定間隔與第一輻射元部分53 相鄰。第二輻射元部分57的一端57a通過通孔從由樹脂制成的平板 FP的端部與如圖21(b)所示的背面側上的接地導體57d連接。所述一 端57a在背面側上接地。第二輻射元部分57與第一輻射元部分53電 容耦合，并用于電磁波輻射。此外，為了增強輻射效率，與第一輻射 元部分53—樣，第二輻射元部分57部分以折線結構形成。并且，第二輻射元部分57的另一端57b具有在長度b的方向上 延伸的延伸部分57c。延伸部分57c的形成使得第一輻射元部分53與 第二輻射元部分57的聯系變得更加卓越。在本例中，第二輻射元部分57具有與第一輻射元部分53基本相 同的配置。可替代地，它的配置可以與第一輻射元部分53不同。例 如，第二輻射元部分57的折線結構可以與第一輻射元對稱。此外，在本例中，第二輻射元部分57是以給定間隔與第一輻射 元部分53相鄰形成的。可替代地，像如圖22所示的寬帶天線51'中 那樣，第二輻射元部分57可以在從第一輻射元部分53看過去脊形元部分53的相對側上形成，以便第二輻射元部分57和第一輻射元部分 53夾住脊形元部分52。在這種情況下，第二輻射元部分57與脊形元 部分52電容耦合。注意，由于通過配備第二輻射元部分57改善了群延遲特性和傳 輸波形特性的變化，所以不總是需要在第一實施例的平面寬帶天線中 所需的調整元部分。其結果是，在第二實施例的寬帶天線中未布置調 整元部分。當在通信設備中實現寬帶天線51時，如圖21所示的寬帶天線 51被配置成如圖23所示那樣。如圖23所示，如圖21所示的寬帶天線51被裝配到樹脂板E30 上，以及寬帶天線51的接地部分54a和54b與外部接地導體G30接 合。在本例中，接地部分54b在實現時與接地部分54d整體模制。此 外，與外部接地導體G30連接的接地導體G31被布置在第二輻射元 57的左側。寬帶天線51、接地部分54d、外部接地導體G30、和接地 導體G31都裝配到樹脂板E30上。此外，寬帶天線51的饋電線55通過樹脂板E30的內部與布置 在外部接地導體G30上的接頭部分59連接。饋電線55通過接頭部分 59與例如從未示出的半剛性電纜的一端露出來的芯線連接。半剛性電 纜的另一端裝有同軸連接器，以便與未示出的電路連接。注意，如圖21和22所示的天線圖案、接頭部分的圖案、和接地 導體圖案可以利用金屬膜在一塊樹脂印刷電路板上形成。 (天線特性)接著，對如圖21所示的寬帶天線51的天線特性加以更詳細描述。 寬帶天線51在使用頻帶上是2.4 [GHz和3.1 [GHz或更高。通 過脊形元部分52和第一輻射元部分53獲得3.1 [GHzI或更高的使用 頻帶。通過第二輻射元部分57獲得2.4 [GHz的使用頻帶。寬帶天線51的尺寸是整個天線元的厚度c為4.8 [mml，脊形 元部分52、第一輻射元部分53、和第二輻射元部分57的長度a為36 [mmj，第一輻射元部分53的長度b為7 lmm，以及直立元部分56的高度e為mm。樹脂板FP的厚度為0.8 [mm]。脊形元部分52的前端與接地部分54d的前端之間的間隙d可以 改變，從而可以細調阻抗。此外，間隙d的中心與外部接地導體之間 的長度h可以改變，從而可以細調通過脊形元部分52和第一輻射元 部分53獲得的使用頻帶。注意，間隙d大約是lmm，以及h大約是mm。 在上述尺寸的寬帶天線51中，在計算機上模擬通過基于例如麥 克斯韋電磁理論和天線設計理論的軟件設計的具有沒有任何誤差的 理想配置的天線的特性的結果如下所示。進行模擬是因為到今天為止 測量儀只支持高達大約12 [GHzI的頻率。證實在測量范圍內模擬結果 與實際測量結果幾乎沒有什么不同。圖24示出了當上述尺寸的寬帶天線51被實現成如圖23所示時 獲得的VSWR特性圖和增益特性的模擬結果。在獲取特性時，調整 圖21中的間隔d和長度h，以便將通過脊形元部分52和第一輻射元 部分53獲得的使用頻帶設置成3.1 [GHzl或更高。從圖24(a)中可明顯看出，高于2.4 [GHz的頻率的所有VSWR 都落在實際使用范圍(3或更低)內。具體地說，VSWR在2.4到2.5 [GHz是1.7或更低，在3.1到4.GHz是2.5或更低，以及在4.9 到5.825 [GHz是2.2或更低。為了便于測量儀，盡管在6 [GHz或更 高的頻率上未進行利用數值的量化，但證實即使在6 [GHz或更高的 高頻率上，也可以極好地保持VSWR。此外，從圖24(b)的增益特性中可明顯看出，可以獲得像3.0dBi 或更高的高值那樣高于2.4 [GHzI的頻率的增益。圖25示出了如圖22所示的寬帶天線51'的VSWR特性。 即使第二輻射元部分57以這樣的方式布置在脊形元部分52側， 在高于2.4 [GHz的頻率上獲得的VSWR的所有特性都落在實際使用 范圍(大約3或更低)內。尤其，除了作為未實際使用寬帶天線51 的頻帶的2.5到3.1 [GHzj之外，獲得了像3或更低的極好值的VSWR， 這是用在利用2.4 [GHz的4吏用頻帶的無線電LAN通信和利用3.GHz或更高的使用頻帶的UWB通信中的令人滿意水平的特性。在獲取如圖25所示的特性時，第二輻射元57的安排與如圖21(a) 所示的寬帶天線51中不同，但所有其它條件都是相同的。圖26(a)是寬帶天線51的增益特性圖，以及圖26(b)是輻射效率 特性圖。這些特性都是在如圖23所示，寬帶天線51被裝配到樹脂板 E30上、以及寬帶天線51的接地部分54a和54b與外部接地導體G30 和接地導體G31接合的狀態下測量的。在這種狀況下，寬帶天線51、 接地部分54d、外部接地導體G30、和接地導體G31的總尺度是如 圖23所示的長度c為200 mm以及長度d為100 mm。這些圖中的黑點是使用頻率上的模擬值。在這些黑點當中，三角 形黑點表示寬帶天線51的模擬值，以及菱形黑點表示寬帶天線51'的 模擬值。在寬帶天線51中，在從2.5 [GHz和3.1 [GHzI到大約6 [GHzJ 的頻帶中獲得了 3.0 dBi或更高的增益以及75。/。或更高的高效率。此外，在寬帶天線51'中，在從2.GHz和3.1 [GHz到大約6 [GHz的頻帶中獲得了 45%或更高的高效率。注意，證實獲得了與寬 帶天線51相同的增益。通過上面的描述可以證實，寬帶天線51和51'在從2.4 [GHz和 3.GHz到大約6 [GHz的頻帶中是實用的，并可以用于無線電LAN 通信和UWB通信。圖27是示出兩個寬帶天線51安裝在A4大小的筆記本電腦中的 情況下的安裝位置的概念圖。寬帶天線51合并到液晶面板的后側。 在這種狀況下，最好，這兩個天線的元件之一具有如圖21所示的圖 案，以及另一個元件具有與如圖21所示的圖案對稱的圖案。在寬帶 天線51合并到筆記本電腦中的情況下，由于空間極其有限，最好不 將直立元部分56布置在液晶面板的后側，而是布置在筆記本電腦的 外殼的邊緣"。圖28示出了如圖27所示安裝在筆記本電腦中的每個寬帶天線 51的VSWR特性和增益特性。從圖28(a)中可明顯看出，在作為寬帶天線51的使用頻帶的2.4 [GHz和3.1 [GHzI或更高的頻率上獲得的VSWR具有3或更低的極 好值。從圖28(b)中可明顯看出，在作為寬帶天線51的使用頻帶的2.4 [GHz和3.1 [GHz或更高的頻率上獲得的增益具有0.5 dBi或更高的 極好值。注意，使用頻率是2.4 [GHz時的VSWR是1.2967，使用頻率是 3爭1 [GHz時的VSWR是3.1953，以及使用頻率是5.2 [GHz時的 VSWR是1.7277。圖29示出了當在個人計算機內在其上形成寬帶天線的樹脂板或 印刷電路板位于與水平面垂直，并且使用頻率被設置成2.4GHzl時 的方向特性的圖形。(a)部分示出了在與樹脂板或印刷電路板平行 的方向上的水平極化波的方向特性，(b)部分是在與樹脂板或印刷 電路板垂直正交的平面方向上的水平極化波的方向特性，(c)部分 是在水平平面方向上的水平極化波的方向特性，(d)部分是在與樹 脂板或印刷電路板平行的方向上的垂直極化波的方向特性，(e)部 分是在與樹脂板或印刷電路板垂直正交的平面方向上的垂直極化波 的方向特性圖，以及(f)部分是在水平平面方向上的垂直極化波的方 向特性圖，類似地，圖30(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)、和(f)分別示出了使 用頻率被設置成4.00 [GHz時在各方向上的方向特性，以及圖31(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)、和(f)分別示出了使用頻率被設置成5.GHz時在 各方向上的方向特性。從這些圖中可以識別出，在寬頻帶上獲得了非方向性。這樣，可以識別出，寬帶天線51是具有尺寸縮小、寬帶、高效 率、低群延時特性、和非方向性的所有特點的天線。如上所述，根據本實施例，可以提供不僅可用在UWB通信的頻 帶上，而且可用在無線電LAN的頻帶上的寬帶天線。還可以提供在 縮小天線元的尺寸的同時，保持或提高天線的阻抗匹配特性和電磁輻 射特性的寬帶天線。注意，即使外部接地導體G30的長度和寬度被改變成任何尺寸， 寬帶天線51的性能也幾乎不會改變。作為合并到可以具有多種配置、 結構、和尺寸的移動終端中的天線，上述特性極其重要。此外，這意 味著，當設計和制造適合大規模生產的天線時，天線結構具有大的允 許范圍。事實上，當制造寬帶天線時，會出現由于加工誤差、饋電同 軸連接器和電纜的失配(由于是毫米波，尤其易發生)、饋電端的安 裝誤差、天線材料的損耗(接頭材料的損耗等)、或測量誤差引起的 變化。但是，根據本實施例的寬帶天線的結構，可以與設計和制造上 的些微變化無關地獲得與模擬結果基本相同的特性。也就是說，保持 了諸如尺寸縮小、高效率、和超寬帶特性的基本部分。假設上述事實基于天線元被配置成局部包括雙圓柱脊形波導的 開口截面結構、以及脊形元部分52和接地部分54a兩者基本上弧形 配置的因素。根據本實施例的寬帶天線的上述特性明顯適合無線電LAN通信 和預計預定使用將來會顯著擴大的UWB通信，尤其適合移動終端的 內置天線。(根據本實施例的寬帶天線的優點)如上所述，根據本實施例的寬帶天線的特征在于，寬帶天線是只 具有基于雙圓柱脊形波導的工作模式的最低可用頻率的超寬帶天線， 還適用于無線電LAN通信，具有非方向性，并通過配有直立元部分 而使尺寸縮小。作為用于無線電LAN通信和預計預定用途將來會顯 著擴大的UWB通信的通用天線，上述特性極其重要。尤其，預計通 過縮小寬帶天線的尺寸可以進一步擴大它的預定使用。應該注意到，在本^兌明書中>^開的寬帶天線(用于無線電LAN 通信和UWB通信的天線)的尺寸、材料等僅僅是例子，在本發明特 征的范圍內的其它實現包括在本發明的范圍之內。工業可應用性可以將根據本發明的寬帶天線用作用于UWB通信的天線，以及 用于預計使用多個頻率但天線安裝部分受到限制的諸如便攜式電話23或PDA的移動終端的天線、GPS (全球定位系統)天線、用于地面 數字廣播系統的接收天線、用于無線電LAN的發送/接收天線、用于 衛星數字廣播的接收天線、用于蜂窩式電話的天線、用于ETC發送/ 接收的天線、無線電波傳感器、用于無線電廣播接收器的天線、和許 多其它天線。根據本發明的寬帶天線的最大優點在于，可以利用一個 天線來對付這些許多應用。
權利要求
1.一種寬帶天線，包含脊形波導；構成脊形波導的開口截面結構的一部分或全部并在平面上展開的脊形元；以及用于電磁波輻射的輻射元，其中，所述脊形元包括與脊形波導的脊形部分相對應的調整部分和接受饋電的饋電部分，以及其中，所述輻射元從所述脊形元延伸出來。
2. 根據權利要求1所述的寬帶天線，進一步包含與所述輻射 元或脊形元電容耦合的用于電磁波輻射的電容耦合輻射元，所述輻射 元具有可以用在第一頻帶上的尺寸，以及所述電容耦合輻射元具有可 以用在第二頻帶上的尺寸，所述第二頻帶在頻帶中比第一頻帶低。
3. 根據權利要求2所述的寬帶天線，其中，所述電容耦合輻射 元以與所述輻射元相同的圖案或以對稱圖案形成。
4. 根據權利要求l、 2和3的任何一項所述的寬帶天線，其中， 所述脊形元與直立在包括脊形元的平面上的直立元連接。
5. 根據權利要求1到4的任何一項所述的寬帶天線，其中，所 述脊形波導包含具有前端相互面對的一對脊形部分的雙圓柱脊形波 導，其中，所述脊形元部分對應于雙圓柱脊形波導的一個脊形部分，以及其中，與雙圓柱脊形波導的另一個脊形部分相對應的元件部分包 含保持在地電位的接地部分。
6. 根據權利要求5所述的寬帶天線，其中，所述接地部分具有 作為共面波導將從饋電部分延伸出來的饋電線引到外部的結構。
7. 根據權利要求5或6所述的寬帶天線，其中，所述接地部分 直接與外部接地導體耦合。
8. 根據權利要求5、 6或7的任何一項所述的寬帶天線，其中， 所述脊形元部分和接地部分的至少 一個以弧形配置或基本弧形配置
9. 根據權利要求8所述的寬帶天線，其中，所述脊形元部分具 有通過在高度方向上切下開口截面結構中脊形波導的脊形部分而獲 得的單基端結構，以及其中，所述輻射元部分從脊形元部分的基端延伸出來。
10. 根據權利要求8所述的寬帶天線，其中，所述脊形元部分具 有相對于作為中心線的部分對稱的雙基端結構，在所述中心線部分， 開口截面結構中脊形波導的脊形部分的高度最大，以及其中，所述輻射元部分從所述脊形元部分的兩個基端的每一個延 伸出來。
11. 根據權利要求9或IO所述的寬帶天線，其中，所述輻射元 部分以能夠至少在使用頻帶內使群延時保持在給定范圍的尺寸的折 線結構形成。
12. 根據權利要求9或IO所述的寬帶天線，其中，用于頻帶細 調的調整元部分與所述脊形元部分整體形成。
13. 根據權利要求1到12的任何一項所述的寬帶天線，其中， 接地導體圖案整體一起形成在一個印刷電路板上。
全文摘要
可以在低成本提供超寬帶和高性能天線。構成雙圓柱脊形波導的開口截面結構的一部分的天線元在平面上展開。天線元具有調整與脊形部分相對應的天線特性的脊形元單元(21)、和用于電磁波輻射的輻射元單元(22)。基本上在脊形元單元(21)的頂端形成饋電端(24)。接地單元(23a，23b)保持在地電位并作為共面波導將饋電端(24)引到外部。
文檔編號H01Q13/10GK101263632SQ20068003322
公開日2008年9月10日 申請日期2006年8月3日 優先權日2005年8月4日
發明者堀江涼, 柳澤和介, 葛俊祥 申請人:株式會社友華