CN1652401A

CN1652401A - 具有各向同性辐射方向图的超宽频带天线

Info

Publication number: CN1652401A
Application number: CNA2004100755972A
Authority: CN
Inventors: 权度熏; 李成洙
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2005-08-10
Also published as: US20050146471A1; KR20050055551A; EP1542315A1; KR100846487B1

Abstract

提供了一种具有各向同性辐射方向图的超宽频带天线。该超宽频带天线包括支承板，安装在支承板中的馈电线，辐射元件以及一个接地板，其中辐射元件连接到馈电线用来辐射并接收信号，接地板与馈电线分离并连接到支承板。辐射元件提供至少两个相互交叉的导电板。

Description

具有各向同性辐射方向图的超宽频带天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是涉及一种具有各向同性辐射方向图的天线。

背景技术

由于超宽频带系统的性能，其中该系统使用从3.1GHZ至10.6GHZ的频带，超宽频带天线越来越引人注目，该天线能获得有效的辐射方向图。超宽频带天线利用印制电路板(PCB)技术来设计。因此，超宽频带天线能低成本制造。

超宽频带天线能将电脉冲信号和无线电波脉冲信号相互转换。因此，当超宽频带通信系统安装在移动终端时，如果超宽频带天线的辐射特性根据方向而改变，通信质量也会根据移动终端面对的方向而改变。因此，希望超宽频带天线在所有方向发射相同强度的脉冲信号，并在所有方向无失真的接收脉冲信号。具体而言，希望超宽频带天线在高频带以及低频带发射各向同性辐射方向图。

图1至图3为传统超宽频带天线的示意性视图。

图1的一种超宽频带天线是一种具有大约50％频率带宽的天线。一个倒三角形辐射元件10安装在矩形接地平板14上方，电源提供到共面的波导管结构中。

图2的一种超宽频带天线1300是一个平面的超宽频带天线，该天线具有第一和第二椭圆形辐射元件1306和1304。

如果辐射方向图(未示出)由于图1和图2示出的超宽频带天线的水平面(图1所示的X-Y面)的频率功能而被观测出，则图1和图2示出的超宽频带天线均示出了低频率的各向同性辐射方向图。然而，当频率变高，辐射将集中在图1的±Y方向，也就是，天线定位的方向。

在图1中，参考标记2，12和12a分别代表单极天线，传输线，和传输线12的中心导体。参考标记16和18分别代表辐射元件10的顶部边缘和底部边缘。另外，参考20代表变窄的传输区域。

在图2中，参考标记1302代表基底，参考标记1306a和1306b代表被分成两个部分的辐射元件1306的部件。参考标记1308和1310分别代表信号馈电源和分段插脚。参考标记1312和1313代表接地插脚。参考标记1315和1317代表第一和第二连接轨迹，参考标记1316代表馈电区域，此外，参考标记1320代表馈电结构，参考标记1322和1324代表馈电结构1320和对应部件1306a和1306b之间的间隙。

图3的一种超宽频带天线是平面天线，辐射主要由流过±Z方向的第一和第二辐射元件401和402的电流产生。为了获得超宽频带天线特性，第一和第二辐射元件401和402的Y方向的宽度与第一和第二辐射元件401和402的高度相似。为此，流过±Z方向的电流很宽地分配到±Y方向。与宽带频率中的低频带频率的波长相比，第一和第二辐射元件401和402的宽度显得十分窄。因此，流过第一和第二辐射元件401和402的电流引起的无线电波辐射在±Y方向和±X方向产生相长干涉，导致产生水平面(X-Y平面)上的各向同性辐射方向图。

但是，如果频率增加，并因此第一和第二辐射元件401和402的带宽比得上相应频率的波长，则辐射图改变。

换句话说，由Y方向分布的电流辐射的无线电波在±X方向产生和低频带类似的相长干涉，但是当辐射无线电波达到±Y轴时，它产生相消干涉。结果，由在邻近于±Y轴位置的Y方向分布的电流辐射的无线电波的强度可以比在±X方向分布的电流辐射的无线电波的强度小。

这样，当频率变高，图3的平面天线可能因为广泛地分布在Y方向的电流而损失各向同性辐射特性。

在图3中，参考标记400表示作为一种支持平面的绝缘基底，其支持第一和第二辐射元件401和402。参考标记403代表馈电线，其将功率馈电第一辐射元件401。

如上所述，传统超宽频带天线具有的问题是，随着频率增加辐射集中在特定方向，也就是，辐射方向图严重的畸变。传统超宽频带天线的这些问题使得很难将超宽频带传输系统应用到移动终端。

发明内容

本发明提供一种超宽频带天线，该天线能获得同性辐射方向图。

根据本发明的一个方面，提供一种超宽频带天线，其包括：一个支承板；安装到支承板上的馈电线；连接到馈电线的辐射元件，用来辐射并接收信号；与馈电线分离的并与支承板连接的接地板，其中辐射元件提供至少两个交叉导体板。

支承板可以是一个PCB(印制电路板)或者环氧树脂基底。该馈电线可以与接地板结合构成CPW(共面波导)结构。

另外，馈电线可以插入形成在支承板上的凹槽。馈电线可以安装在支承板的前表面，并且接地板可以覆盖在支承板的后表面。

两个导体板可以具有同样或者复杂的形状。

两个导体板之一可以旋转的安装。

本发明的超宽频带天线能在从低频带到高频带的超宽频带范围内获得在水平面上稳定的各向同性辐射方向图。因此，应用超宽频带通信系统到移动终端是没有问题的，并且可以获得优异的通信质量而不用考虑移动终端的方向。

附图说明

本发明的上述和其它特征和优点将通过参考附图的详细实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1和图2分别为传统超宽频带天线的透视图和前视图；

图3是传统平面超宽频带天线的透视图；

图4是根据本发明的一个实施例的一种超宽频带天线的透视图；

图5是示出了图4的超宽频带天线中的第二辐射元件的变形的透视图；

图6是示出了图4的第二辐射元件及其结构上的变型的平面图；以及

图7至图10是根据图3的传统超宽频带天线和图4的本发明的天线的四个频率下的辐射方向图的平面图。

具体实施方式

本发明将参考附图更全面的描述，在附图中本发明的实施例被示出。然而，本发明可以以多种形式实现并不限制于这里陈述的实施例；与此相反，提供这些实施例以使得公开彻底和完全，并将全面的传达本发明的概念给本领域的技术人员。在附图中，层的厚度和范围为了清楚而被放大。同样的附图中的参考标记表示同样的元件，因此它们的描述将被省略。

在图4中，示出了根据本发明的具有各向同性辐射方向图的超宽频带天线，其将被称为本发明的天线。

参考图4，本发明的天线包括第一辐射元件301，第二辐射元件302以及将功率馈给到第一辐射元件301的馈电线303。第二辐射元件302可以是用于接地的导电板。第二辐射元件302被分成两个部分并连接到支承板300的一个表面。该馈电线303连接到支承板300，该板位于第二辐射元件302的两个部分之间，并于第二辐射元件302平行。因此，馈电线303位于第二辐射元件302的相同表面上。结果，本发明的天线具有共面波导(CPW)馈电结构。支承板300可以是一个绝缘基底，例如，印制电路板(PCB)或者FR-4环氧树脂基底。

同时，馈电线303和第二辐射元件302可以提供在彼此不同的表面上。例如，如图5所示，馈电线303可以以微带的形式提供在支承板300的第一表面上，并且第二辐射元件302可以是支承板300的第二表面，其和第一表面相反。这样，因为馈电线303和第二辐射元件302位于彼此不同的表面上，第二辐射元件302不需要为了馈电线303的安装而被分成两个部分。换句话说，第二辐射元件302可以设置在支承板300的整个第二表面。

回到图4，第一辐射元件301连接到馈电线303的上部末端部分，并提供相互交叉的第一和第二导电板301a和301b。第一和第二导电板301a和301b可以作为单独物体被组装或者也可以形成为一体。第一和第二导电板301a和301b可以是，例如，铜(Cu)板或者铝(Al)板。第一和第二导电板301a和301b可以相互垂直交叉，但是这不是必须的。例如，如图6所示，第二导电板301b可以位于第一或者第二位置P1或P2，其相对于第一导电板301a是倾斜的。第一和第二导电板301a和301b可以形成相同的形状，但是这不是必须的。除了附图中所示的形状外，第一和第二导电板301a和301b可以是半圆形的，或者它们中之一(例如，第二导电板301b)可以是半圆形的。

另外，如图4所示，第一和第二导电板301a和301b的上线可以是平面的，但是不是必须的。例如，第一和第二导电板301a和301b的至少一个上线可以是凸面的或者是凹面的。

第一和第二导电板301a和301b之一可以与第二辐射元件302匹配，但是不是必须的。例如，第一和第二导电板301a和301b可以布置在图6中的实线表示的位置(第一导电板301a的位置与第二辐射元件302的位置匹配)，或者可以各自布置在虚线表示的第一和第二位置P1和P2。

如上所述，由于第一辐射元件301具有3维空间构造，流过本发明的天线的Z向电流分布在X方向和Y方向。因此，由于流过第一导电板301a的电流而产生±X方向的高频无线电波辐射，其存在于第一辐射元件301之间的Y方向。由于流过第二导电板301b的电流而产生±Y方向的无线电波辐射，其存在于第一辐射元件301之间的X方向。

因此，本发明的天线能显著的改进发生在图3的传统平面超宽频带天线中的不希望出现的现象，其因为在高频带频率中无线电波在±Y方向变弱而在±X方向变强，因此该现象损失了各向同性辐射特性。这意味着本发明的天线能在高频带频率和低频带频率保持水平面(X-Y面)上的各向同性辐射方向图。

为了确认本发明的天线的特性，执行仿真以比较图3所示的传统的平面天线(以下，称为“第一天线”)的辐射特性和图4所示的本发明的天线(以下，称为“第二天线”) 的辐射特性。

在该仿真中，FR-4环氧树脂基底的厚度为1mm，其被用作第一和第二天线的支承板400和300。作为第一和第二天线的第二辐射元件402和302，0.036mm的金属厚度涂敷在FR-4环氧树脂基底上。另外，通过应用CPW馈电结构而使用1.5mm宽度的馈电线，在馈电线403和303和第二辐射元件402和302之间的各个间隙为0.22mm。

在该仿真中，四个超宽频带3.1GHz，5.6GHz，8.1GHz和10.6GHz通过第一和第二天线被依次发出射线，然后，各个频率的辐射方向图在X-Y平面上被测定。其后，各个辐射方向图的最大增益与最小增益的比(以下，称为“增益比”)被求出以用于测量辐射的各向同性特性的程度。这里，使用方位角函数来测量涉及频率的辐射方向图并且X方向的方位角被设定为0°。

图7至图10说明了在仿真中测量的辐射方向图。

图7说明了第一天线的辐射方向图G1(以下，称为“第一辐射方向图”)以及第二天线的辐射方向图G2(以下，称为“第二辐射方向图”)，当3.1GHz的信号通过第一和第二天线辐射时它们被测量(以下，称为“第一个例子”)。

在第一个例子中，能从第一和第二辐射方向图G1和G2中看出，第一和第二天线的增益比分别为0.81dB和0.53dB。

根据该结果，能看出，第一和第二天线都在超宽频带的低频带具有类似各向同性特性的辐射方向图。

图8说明了第一天线的辐射方向图G3(以下，称为“第三辐射方向图”)和第二天线的辐射方向图G4(以下，称为“第四辐射方向图”)，它们当5.6GHz的信号通过第一和第二天线辐射时被测量(以下，称为“第二个例子”)。

在第二个例子中，能从第三和第四辐射方向图G3和G4中看出，第二天线的增益比为2.4dB而第一天线的增益比为3.7dB。

由于当增益比低时，天线的各向同性特性更加优越，从而能看出，第二天线比第一天线具有更优越的各向同性特性。

图9说明了第一天线的辐射方向图G5(以下，称为“第五辐射方向图”)和第二天线的辐射方向图G6(以下，称为“第六辐射方向图”)，它们当8.1GHz的信号通过第一和第二天线辐射时被测量(以下，称为“第三个例子”)。

在第三个例子中，能从第五和第六辐射方向图G5和G6中看出，第二天线的增益比为4.5dB而第一天线的增益比为8.3dB。甚至在第三个例子中，第二天线(也就是，本发明的天线)也比第一天线(也就是，传统天线)具有更优越的各向同性特性。

图10说明了第一天线(以下，称为“第七天线”)的辐射方向图G7和第二天线(以下，称为“第八天线”)的辐射方向图G8，它们当10.6GHz的信号通过第一和第二天线辐射时被测量(以下，称为“第四个例子”)。

在第四个例子中，能从第七和第八辐射方向图G7和G8中看出，第二天线的增益比为2.1dB而第一天线的增益比为4.8dB。

结果是，可以看出，第二天线比第一天线具有更优越的各向同性特性。

通过上面的仿真，本发明人获得了这样的结果，即第二天线的增益比比第一天线的增益比低，在整个超宽频带中最小低1.3dB，最大低3.8dB。

上面仿真的结果意味着，图4所示的本发明的天线与图3所示的传统的平面超宽频带天线相比具有改进的各向同性辐射方向图。

如上所述，本发明的超宽频带包括两个垂直交叉的导电板，并使用该板辐射信号。因此，本发明的超宽频带天线能在超宽频带中的从低频带至高频带的范围内在水平面上获得稳定的各向同性辐射方向图。因此，将超宽频带传输系统应用到移动终端是没有问题的，不考虑移动终端的方向就能获得优越的通信质量。

本领域的技术人员能以多种方式构造第一辐射元件301的第一和第二导电板301a和301b。例如，第一导电板301a可以被固定并且第二导电板301b可以旋转的安装。在这种情况下，第二导电板301b能与第一导电板301a保持垂直，并且第二导电板301b能与第一导电板301a重叠。这时，第二导电板301b能手动或者自动旋转。另外，具有足够容纳被插入的馈电线303尺寸大小的凹槽形成在预定的位置上，然后，插入支承板300的馈电线303。为了进一步改进各向同性特性，第一辐射元件能提供三个或更多相互交叉导电板。

由于本发明已经被具体示出并参考实施例被描述，本领域的普通技术人员能够理解，可以在形式和细节上进行多种改变，而不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种超宽频带天线，包括：

支承板；

安装在支承板中的馈电线；

辐射元件，该元件连接到馈电线以辐射和接收信号；

接地板，该板与馈电线分离并连接到支承板，

其中，辐射元件具有至少两个相互交叉的导电板。

2.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中支承板为PCB(印制电路板)或者环氧树脂基底。

3.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中馈电线与接地板结合构成CPW(共面波导)结构。

4.如权利要求3所述的超宽频带天线，其中馈电线插入形成在支承板上的凹槽中。

5.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中馈电线安装在支承板的前表面中，接地板覆盖在支承板的后表面上。

6.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中两个导电板垂直或者倾斜地相互交叉。

7.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中两个导电板具有相同的形状。

8.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中两个导电板具有彼此不同的形状。

9.如权利要求1所述的超宽频带天线，其中两个导电板之一可旋转的安装。