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CN106252876A - 具有集成的平衡不平衡转换器的偶极天线 - Google Patents

具有集成的平衡不平衡转换器的偶极天线 Download PDF

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CN106252876A
CN106252876A CN201610397505.5A CN201610397505A CN106252876A CN 106252876 A CN106252876 A CN 106252876A CN 201610397505 A CN201610397505 A CN 201610397505A CN 106252876 A CN106252876 A CN 106252876A
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CN
China
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radiating element
dipole antenna
slot
antenna
antenna according
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CN201610397505.5A
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菲利普·米纳尔
克洛德·朗博
多米尼克·洛希尼东
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Original Assignee
Thomson Licensing SAS
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Abstract

本发明涉及一种偶极天线(1)，包括：一经由过渡带(12)电连接的第一和第二辐射元件(10、11)，所述第一和第二元件与频带内的频率f1相关联，一参考点(15)和所述第一辐射元件上的馈电点(14)，所述馈电点和所述参考点分别连接至馈电线的馈电导体(21)和接地导体(22)，以及一平衡不平衡转换器，包括布置在所述第一辐射元件中的槽(16)，所述槽在第一端(16a)具有短路并且在所述过渡带附近在第二端(16b)具有开路，以及一所述馈电点(14)和所述参考点(15)布置在所述槽的相对侧。

Description

具有集成的平衡不平衡转换器的偶极天线
技术领域
本发明涉及用于无线系统中的应用的新的天线设计，其中，无线系统更一般地但是不限于集成在家庭连网电子设备(例如，机顶盒、网关和智能家庭设备)中。
本发明更具体地涉及包括平衡不平衡转换器功能的天线。
背景技术
随着无线技术的出现，诸如机顶盒、网关和智能家庭设备等大量产品包括嵌入式天线。嵌入式天线通常集成在印刷电路板(PCB)周围支持至少一个无线芯片集的产品内。芯片集经由不同长度的天线电缆连接至天线。
如果未对这些天线进行适当地设计，则这些天线的集成可能由于从(例如，机顶盒中的)无线产品的不同源、从高速和/或高功率总线(PCi-e、RGMII、Sata、USB、HDMI、……)、从数字芯片(CPU)、从SDRAM存储器的馈电线等收集噪声，而损害无线系统性能。该噪声能够由于共模电流而通过辐射元件或者通过天线电缆的屏蔽罩而耦合至天线。电流的这些泄露能够在偶极天线的馈电不平衡时发生。
图1示出了使用同轴电缆馈电的偶极天线的示意图并且示出了共模电流问题。该偶极天线由两个辐射元件构成，第一辐射元件连接至同轴电缆的中央馈电导体，第二辐射元件连接至同轴电缆的屏蔽罩。来自同轴电缆的中央馈电导体的电流被标记为IA。来自同轴电缆的屏蔽罩的内侧的电流被标记为IB，其中IB＝-IA。然而，在同轴电缆外部，该电流IB在偶极子的第二辐射元件与同轴电缆的外侧(IC)之间扩散(IB-IC)。在同轴电缆的外侧流动的电流(称作共模电流IC)可以辐射并且耦合至外部噪声源，这在现代无线系统中必须被避免。此外，均沿着同轴电缆的这种不期望的电流泄漏创建了多个附加的辐射源，这些附加的辐射源被组合到辐射元件的辐射。这导致天线方向性和交叉极化的增加以及辐射方向图形状的改变。两个影响都对MIMO系统的性能产生影响，这是因为在该情况下，收发机的输出功率必须被减小以符合监管规范，并且角度覆盖较低。
已经提出了不同的解决方案来减小该寄生耦合和/或减小共模电流IC。
一个解决方案在于增加天线电缆的长度以找到避免与不同噪声源的耦合的新的电缆布线。该解决方案的主要缺点在于，它增加了电缆损耗，因而在附加成本的情况下提供了更低的天线效率。
另一个解决方案在于使用将不平衡信号转换为平衡信号的平衡不平衡转换器(“平衡到平衡不平衡转换器”的缩写)。平衡不平衡转换器被插入到电缆与天线之间。使用了多个平衡不平衡转换器，例如，折叠式平衡不平衡转换器、套筒式平衡不平衡转换器、分叉同轴式平衡不平衡转换器、半波长平衡不平衡转换器或烛架式平衡不平衡转换器。该平衡不平衡转换器可以是陶瓷平衡不平衡转换器和/或使用铁氧体磁珠状物或RF扼流器/电感器来防止共模电流返回到电缆的外部。该解决方案给天线增加了附加成本，并且能够由于天线与附加设备之间的交互而改变辐射方向图形状和/或增加方向性。平衡不平衡转换器还可以集成到偶极天线并且用印刷技术来实现。在该情况下，平衡不平衡转换器被插入到偶极子的辐射元件之间，这增加了天线的尺寸。
发明内容
本发明的一个目的是提出配备有平衡不平衡转换器并且具有减小的整体尺寸的偶极天线。
本发明的第一方面涉及一种偶极天线，包括：
-经由过渡带电连接的至少第一辐射元件和第二辐射元件，
-参考点和所述第一辐射元件上的馈电点，所述馈电点连接至馈电线的馈电导体，并且所述参考点连接至所述馈电线的接地导体，以及
-平衡不平衡转换器，
其中，所述平衡不平衡转换器至少包括布置在所述第一辐射元件中的第一槽，所述第一槽在第一端具有短路并且在所述过渡带附近在第二端具有开路，以及
-所述馈电点和所述参考点布置在沿所述第一槽的相对侧。所述平衡不平衡转换器可以被布置在所述第一辐射元件内，使得它在至少三个侧面上被所述第一辐射元件围绕。
根据本发明的实施例，所述平衡不平衡转换器被集成到所述偶极天线的两个辐射元件之一中。这种布置有助于获得更紧凑的天线。
在特定实施例中，所述参考点被布置在所述槽的包括所述过渡带的一侧。
在第一实施例中，所述第一槽的长度实质上等于λ1/4，其中λ1是与所述第一辐射元件和所述第二辐射元件相关联的第一频率f1的导波长(guided wavelength)。
在该实施例中，所述馈电点和所述参考点有利地被布置在所述过渡带附近在第一槽的相对侧上。
在一个变型中，所述第一槽的长度可以与λ1/4不同，并且所述参考点有利地被布置在所述过渡带附近以优化所述天线在带宽内的阻抗匹配。
根据本发明的实施例，所述馈电线属于以下组：
-同轴电缆，
-微带线或带状线；
-共面波导线，
-槽线。
在特定实施例中，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件的大体形状是椭圆形或者矩形或者三角形或者梯形或者多边形。
在特定实施例中，所述平衡不平衡转换器还包括至少一个第二槽，所述至少一个第二槽在所述第一槽中开口。
在特定实施例中，所述至少一个第二槽的长度实质上等于所述第一槽的长度，以增强频率f1处的平衡不平衡转换器功能。
在特定实施例中，偶极天线还包括：连接至所述第一辐射元件的第三辐射元件和电连接至所述第二辐射元件的第四辐射元件，所述第三辐射元件和所述第四辐射元件与所述天线的第二频带中的第二频率f2相关联。
在特定实施例中，所述第一频带是频带[5.15GHz，5.85GHz]，并且所述频率f1是所述频带[5.15GHz，5.85GHz]内的一个频率。
在特定实施例中，所述第二频带是频带[2.4GHz，2.5GHz]，并且所述频率f2是所述频带[2.4GHz，2.5GHz]内的一个频率。
在特定实施例中，偶极子包括：单层或多层基片，其中所述第一辐射元件和所述第二辐射元件以及如果适用的话所述第三辐射元件和所述第四辐射元件被布置在所述单层或多层基片上。
在一个变型中，所述偶极天线是用冲压金属技术来实现的。
本发明的另一个方面涉及一种电子无线设备，所述电子无线设备包括根据本发明的第一方面的任一实施例的至少一个偶极天线。在特定实施例中，电子无线设备包括网关设备或机顶盒设备。
附图说明
参照通过举例说明而非对保护范围进行限制的方式给出的以下描述和附图，可以更好地理解本发明，在附图中：
-图1(已经描述的)是示出了流经与同轴线连接的偶极天线的电流的示意图；
-图2是根据本发明的第一实施例的偶极天线的透视图；
-图3示出了图2所示的工作在WiFi频带5GHz的偶极天线；
-图4示出了说明图3的天线的回波损耗响应对频率的曲线；
-图5示出了图3的天线的峰值增益响应和峰值方向性响应对频率的两条曲线；
-图6示出了说明图3的天线的天线效率响应和辐射效率响应对频率的两条曲线；
-图7示出了图3的天线在5.5GHz的3D方向性辐射方向图；
-图8示出了图3的天线在5.5GHz的电流密度分布；
-图9是根据本发明的第二实施例的偶极天线的透视图；
-图10是根据本发明的第三实施例的工作在两个频带内的偶极天线的透视图；
-图11示出了图10中所示的工作在两个WiFi频带2.4GHz和5GHz的偶极天线；
-图12示出了说明图11的天线的回波损耗响应对频率的曲线；
-图13示出了说明图11的天线的峰值增益响应和峰值方向性响应对频率的两条曲线；
-图14示出了说明图11的天线的天线效率响应和辐射效率响应对频率的两条曲线；
-图15示出了图11的天线在2.45GHz的3D方向性辐射方向图；以及
-图16示出了图11的天线在5.5GHz的3D方向性辐射方向图。
具体实施方式
尽管示例性实施例能够具有修改和备选形式，但是其实施例在附图中通过举例说明的方式被示出并且将在本文中进行详细描述。然而，应当理解的是，并不旨在将示例性实施例限制为所公开的特定形式，相反，示例性实施例应当涵盖落入权利要求的范围内的所有修改、等同物和备选形式。在对附图的描述中，相似的标记指代相似的元素。
下面将通过两个实施例(一个单频带天线和一个双频带天线)来对本发明进行描述。当然，本发明可以应用于多频带天线。
图2至图9是根据本发明的第一实施例的单频带偶极天线。
图2是单频带天线的透视图。参考该图，偶极天线1包括经由过渡带(transition)12电连接在一起的两个辐射元件10和11。在该实施例中，偶极天线被实现在介电基片13上。在沉淀在基片上的导电层中对辐射元件10和11进行蚀刻。过渡带12指定了导电层的将辐射元件10电连接至辐射元件11的区域。在该实施例中，两个辐射元件的大体形状是椭圆形。当然，可以使用其他辐射元件形状。例如，可以使用具有三角形、梯形或多边形或矩形的其他辐射元件。这种相对于长度具有较大宽度的辐射元件设计有助于获得紧凑的天线。
有利地，辐射元件的总长度约为所需的频带中的给定频率f1(例如，WiFi频带[5.15GHz-5.85GHz]中的频率)的导波长的约一半。
使用包括馈电导体21和接地导体22的馈电线2来给偶极天线1馈电。在图2中，馈电线是同轴线。同轴线的屏蔽罩是接地导体。可以使用其他馈电线，例如，微带线或带状线或者共面波导(CPW)线或槽线。
馈电线的馈电导体21在馈电点14连接至辐射元件10并且接地导体22在参考点15连接至天线。
偶极天线1还包括平衡不平衡转换器，以防止共模电流返回馈电线2的外部。
根据本发明的实施例，平衡不平衡转换器包括布置在辐射元件10中的槽16。矩形的槽16在第一端16a具有短路并且在过渡带12附近在第二端16b具有开路。馈电点14和参考点15被布置在槽16的相对侧。相对侧沿着槽从第一端16a延伸至第二端16b。
参考点15被布置在槽的包括过渡带12的一侧。参考点15位于过渡带12处或者接近过渡带。有利地，槽16的长度实质上等于λ1/4，其中，λ1是频率f1的导波长。但是，可以对该长度进行修改以优化频带内的阻抗匹配。
类似地，馈电线优选地集中在天线的两个辐射元件之间，但是它能够被移动以优化频带内的阻抗匹配。
可以使用诸如弯曲槽(meander slot)或锥形槽等的其他槽形状以实现所请求的频率带宽。
类似地，可以在辐射器中插入一个或多个孔以提高其辐射性能。
这种天线配置的性能已经被评估为实现了5GHz频带内的全方向WiFi天线。
图3示出了附接至一块塑料件(ABS)P的测试天线。天线1在壳体(cabinet)的侧壁上通过粘合胶带/泡棉胶带粘附至塑料件，其中，壳体被设计为将天线维持在所期望位置。已经使用了HFSSTM 3D电磁仿真工具对该天线设计进行了仿真。本文在下面给出了一些相关的尺寸：
-基片尺寸：17.5mmx9.8mm；
-天线金属件的厚度：0.03mm；
-辐射元件的总长度(在x方向上)：16.5mm；
-槽16的长度：6mm，直到过渡带；
-同轴电缆2的长度：100mm(仅10mm被建模为同轴电缆，其余90mm仅考虑防护罩)；
-塑料材料：ABS；
-塑料件的尺寸：20mmx20mmx2.5mm；
-基片的底部与塑料件P之间的间隙：1mm，对应于泡棉胶带的宽度。
图4至图8示出了这种天线的性能。
图4是示出了天线的回波损耗(S(1，1)，以dB为单位)对频率的曲线。该图示出了针对频带5GHz-6GHz实现较宽的匹配频带(回波损耗＜-10dB)，从而覆盖所期望的WiFi频带[5.15GHz-5.85GHz]。
图5示出了图3的天线的峰值增益响应和峰值方向性响应对频率的两条曲线。该图示出了达到方向性的合理水平(～3dBi)(天线被视为全方向性的)，这表明了同轴电缆对天线的辐射性能的较低影响。类似地，仿真的增益在整个频带上在2.5/2.8dBi附近几乎处于相同水平。
图6示出了说明频带[5GHz-6GHz]内的天线效率和辐射效率(以百分比为单位)的两条曲线。这两条曲线说明了整个频带内的高辐射效率和高天线效率(接近90％)。
图7示出了天线在5.5GHz的3D方向性辐射方向图(以dBi为单位)。该图示出了非常低的波纹。
图8示出了天线在5.5GHz的电流密度分布(以A/m为单位)。该图说明最高电流电平位于槽的短路平面并且最低电流电平位于参考点附近。这允许使返回同轴线2的外表面的电流(共模电流)最小化。
所有这些仿真测量结果示出了集成在辐射元件10中的平衡不平衡转换器满足所需功能，即，在不降低天线的增益和辐射性能的情况下防止共模电流返回同轴线的外表面。平衡不平衡转换器在天线的一个辐射元件中的集成允许实现低成本的紧凑天线。
图2至图8所示的天线包括集成在辐射元件10中的单个槽16。
在图9所示的变型中，附图标记为1’的天线在辐射元件10中包括附加槽17，槽17在槽16中开口。槽17具有L形。该槽在第一端17a包括短路并且在槽16的端部16b附近在第二端17b包括开路。
有利地，槽17的长度实质上等于槽16的长度(λ1/4)，以增强频率f1处的平衡不平衡转换器功能。
在另一变型中，参考点15被布置在槽的与包括过渡带12的一侧相对的一侧。在该情况下，天线的性能较低。
前面参照图2至图9所述的天线适于辐射或接收给定频带的信号。本发明也可以应用于多频带天线。
图10示出了根据本发明的实施例的双频带天线100的透视图。
参照该图，偶极天线100包括经由过渡带112电连接在一起的两个辐射元件110和111。这两个辐射元件与第一频带(例如，WiFi频带[5.15GHz-5.85GHz])相关联。在沉淀在介质基片113上的导电层中对辐射元件110和111进行蚀刻。有利地，辐射元件110和111的总长度约为第一频带中的给定频率f1(例如，WiFi频带[5.15GHz-5.85GHz]中的频率)的导波长的约一半。
偶极子还包括两个辐射元件118和119，这两个辐射元件118和119分别电连接至辐射元件110和111。辐射元件118和119与第二频带中的频率f2(例如，WiFi频带[2.4GHz-2.5GHz]中的频率)相关联。在图10中，辐射元件118和119是L形臂以获得紧凑天线。辐射元件118与辐射元件110以L形槽120分隔开，辐射元件119与辐射元件111以L形槽121分隔开。有利地，辐射元件118和119的总长度为第二频带中的给定频率f2(例如，WiFi频带[2.4GHz-2.5GHz]中的频率)的导波长的约一半。
与图2中类似，使用包括馈电导体21和接地导体22的馈电线2来对偶极天线100进行馈电。馈电线是同轴线。
馈电线的馈电导体21在馈电点114连接至辐射元件110，并且接地导体22在参考点115连接至天线。
根据本发明的实施例，偶极天线100包括平衡不平衡转换器，以防止共模电流返回馈电线2的外部。平衡不平衡转换器包括布置在辐射元件110中的槽116。槽116具有锥形，并且在第一端116a包括短路并在过渡带112附近的第二端116b包括开路。馈电点114和参考点115沿槽116布置在沿槽的相对侧。参考点115存在于过渡带处或者接近于过渡带112。
有利地，槽16的长度实质上等于λ1/4，其中，λ1是频率f1的导波长。
这种天线配置的性能已经被评估为在2.4GHz频带和5GHz频带二者内实现全方向WiFi天线。
图11示出了附接至一块塑料件(ABS)P的测试天线。天线100在壳体的侧壁上由粘合胶带/泡棉胶带粘附至塑料件，其中，壳体被设计为将天线维持在所期望的位置。已经使用了HFSSTM 3D电磁仿真工具对该天线设计进行了仿真。本文下面给出了一些相关的尺寸：
-基片尺寸：26mmx9.8mm；
-天线金属件的厚度：0.03mm；
-辐射元件的总长度(在x方向上)：2.45GHz的42.6mm和5.5GHz的16.5mm；
-槽16的长度：6mm，直到过渡带为；
-同轴电缆2的长度：100mm(仅10mm被建模为同轴电缆，其余90mm仅考虑防护罩)；
-塑料材料：ABS；
-塑料件的尺寸：40mmx40mmx2.5mm；
-基片的底部与塑料件P之间的粘合胶带：0.1mm。
图12至图16示出了这种天线的性能。
图12是示出了天线的回波损耗(S(1，1)，以dB为单位)对频率的曲线。该图示出了针对WiFi频带5GHz和2.4GHz实现较宽的匹配频带(回波损耗＜-10dB)。
图13示出了说明图3的天线的峰值增益响应(以dBi为单位)和峰值方向性响应对频率的两条曲线。该图示出了达到方向性的合理水平(2.4GHz频带中的～2dBi和5GHz频带中的3.6至4.2dBi)(天线被视为全方向性的)，这表明了同轴电缆对天线的辐射性能的较低影响。类似地，仿真的增益在2.4GHz中在1/1.5dBi附近和在5GHz频带中在3/3.5dBi附近几乎处于相同水平。
图14示出了说明2.4GHz和5GHz处的两个WiFi频带中的天线效率和辐射效率(以百分比为单位)的两条曲线。这两条曲线说明了两个频带内的高辐射效率和高天线效率(接近90％)。
图15示出了天线在2.45GHz的3D方向性辐射方向图(以dBi为单位)，并且图16示出了天线在5.5GHz的3D方向性辐射方向图。这两个图示出了非常低的波纹。
上文公开的具有集成的平衡不平衡转换器的偶极天线允许获得更紧凑的天线，从而允许电子产品内的更好的集成水平。平衡不平衡转换器在两个辐射元件之一中的集成表明了和与现有偶极子馈电(在具有平衡不平衡转换器或不具有平衡不平衡转换器的情况下)的交互相比与同轴电缆更低的交互。
所提出的根据本发明的实施例的天线可以用印刷技术实现在单个或多个导电层上或者用冲压金属技术来实现。这两种技术很好地适用于大众市场。
虽然已经在附图中示出并且在前述详细描述中描述了本发明的一些实施例，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是能够在不偏离所附权利要求阐述和定义的本发明的情况下具有大量重新布置、修改和替换。

Claims (15)

1.一种偶极天线(1；1’；100)，包括：
-经由过渡带(12；112)电连接的至少第一辐射元件(10；110)和第二辐射元件(11；111)，
-参考点(15；115)和所述第一辐射元件上的馈电点(14；114)，所述馈电点连接至馈电线(2)的馈电导体(21)，并且所述参考点连接至所述馈电线的接地导体(22)，以及
-平衡不平衡转换器，
其中，
-所述平衡不平衡转换器至少包括布置在所述第一辐射元件中的第一槽(16；116)，所述第一槽在第一端(16a；116a)具有短路并且在所述过渡带附近在第二端(16b；116b)具有开路，以及
-所述馈电点(14；114)和所述参考点(15；115)布置在所述第一槽的相对侧。
2.根据权利要求1所述的偶极天线，其中，所述参考点(15；115)被布置在所述槽的包括所述过渡带的一侧。
3.根据权利要求1或2所述的偶极天线，其中，所述第一槽(16；116)的长度实质上等于λ1/4，其中λ1是与所述第一辐射元件和所述第二辐射元件相关联的第一频率f1的导波长。
4.根据权利要求3所述的偶极天线，其中，所述参考点(15；115)存在于所述过渡带处。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的偶极天线，其中，所述馈电线(2)属于以下组：
-同轴电缆，
-微带线或带状线；
-共面波导线，
-槽线。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的偶极天线，其中，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件(10、11；110、111)的大体形状是椭圆形或者矩形或者三角形或者梯形或者多边形。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的偶极天线，其中，所述平衡不平衡转换器还包括至少一个第二槽(17)，所述至少一个第二槽在所述第一槽(16)中开口。
8.根据权利要求7所述的偶极天线，其中，所述至少一个第二槽(17)的长度实质上等于所述第一槽(16)的长度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的偶极天线，还包括：电连接至所述第一辐射元件(110)的第三辐射元件(118)和电连接至所述第二辐射元件(111)的第四辐射元件(119)，所述第三辐射元件和所述第四辐射元件(118、119)与所述天线的第二频带中的第二频率f2相关联。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的偶极天线，其中，所述第一频带是频带[5.15GHz，5.85GHz]，并且所述频率f1是所述频带[5.15GHz，5.85GHz]内的一个频率。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的偶极天线，其中，所述第二频带是频带[2.4GHz，2.5GHz]，并且所述频率f2是所述频带[2.4GHz，2.5GHz]内的一个频率。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的偶极天线，包括：单层或多层基片(13、113)，其中所述第一辐射元件和所述第二辐射元件以及如果适用的话所述第三辐射元件和所述第四辐射元件被布置在所述基片上。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的偶极天线，其中，所述偶极天线是用冲压金属技术来实现的。
14.一种电子无线设备，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的偶极天线。
15.根据权利要求14所述的电子无线设备，包括网关设备或机顶盒设备。
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