CN1973404B - 宽带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

宽带贴片天线(10)包括平面的矩形边界的贴片板(12),其中所述贴片板在导电的反射器(11)的平面基面(11a)之上且与之平行地被设置在预定第一高度(H)处;以及用于将高频信号馈送到贴片板(12)的装置(13,...,16),其中馈送装置(13,...,16)具有垂直并绝缘地穿过反射器(11)基面(11a)并终止在贴片板(12)上馈送点(16)处的导线(14)。在这样的天线中,通过以下方式实现显著改善的宽带性、同时实现简单的结构,即贴片板(12)具有交叉的形状,并且馈送装置(13,...,16)的导线在发射器(11)的基面(11a)和贴片板(12)之间被构造为同轴导线结构的内导线(14)。

Description

宽带贴片天线 
技术领域
本发明涉及天线技术领域,更具体而言,本发明涉及宽带贴片天线。
例如在文献US-B1-6,317,084中公开了这种天线。
背景技术
无线通信技术的应用在过去二十年发展极为迅速。如今,该技术已经使得语音业务和数据业务在不同的频带中被传输。基本上,400、800、900、1800和1900MHz频带在世界各地被用于移动语音传输。随着UMTS标准(通用移动通信系统)的出现,频率范围已经延伸到2170MHz。作为陆线电话的替代-关键词WLL(无线本地环路)-3400和3600MHz之间的频率范围前几年已经在欧洲几个国家被发放。如果希望传输高的数据速率,则如今可以通过WLAN频率(无线局域网)无线地实现。对于这些应用,所发放的频率在2.4和5.5GHz范围内。
为了能够有效地将所有这些业务提供到室内区域,诸如商业建筑、机场、火车站、地下车库和宾馆,如果单个天线只工作在相关的频带,则需要整个天线幛。但是,这样的天线幛在空间需求、安装以及操作方面花费非常大。因此希望通过使用特殊的宽带天线来尽可能使该天线幛最小化。一种由于其简单而特别合适的结构是开头所提到的贴片天线,其中被设置在导电基面上的贴片板(Patchblech)被用作辐射器。与单极天线相反,其将所发射的能量集中在较小的空间角中。
贴片天线已经在大量文档或文章中有所描述(例如,参见“Microstrip  Antenna Design Handbook”,Artech House,Boston London,2001,page 8-9and 16-17)。它们的特点在于其低成本实现的平坦设计。贴片天线的各种基本形状也可以在前面所提到的文献中找到。但是,与其他天线结构相比,贴片天线的一个显著缺点就是它们的带宽相对窄。通常,贴片天线对于小于2的VSWR(电压驻波比)产生1∶1.2的带宽比。因此,过去已经进行了多种努力来加宽贴片天线的带宽。为此目的所提出的一些解决方案在开头所提到的文档的介绍部分(第1栏-第3栏)中有所描述和讨论,但是带来了相对复杂的天线结构,而不能完全满足对带宽的要求。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种简单的贴片天线,其尽可能覆盖800到6000MHz的频率范围,并且适于在室内使用。
该目的通过根据本发明的全部特征来实现。本发明的核心是贴片板具有交叉形状,而馈送装置的导线在反射器的基面和贴片板之间被构造为同轴导线结构的内导线。通过贴片板的特殊交叉形状,结合同轴馈送的几何结构,获得极宽的带宽,使得天线覆盖了VSWR(电压驻波比)<2的1∶3的带宽比,并且同时可以非常容易实现。
根据本发明的宽带贴片天线的一个优选实施方式的特征在于,通过在矩形的四个角处分别设置矩形切口,从而由矩形的基本形状形成贴片板,贴片板相对于中线镜像对称地被构造,并且馈送点位于中线上,并且矩形切口垂直于中线(21)具有相同的宽度。
特别有利地,贴片板的矩形基本形状的宽度为0.58λu、长度为0.465λu,矩形切口(20a,...,d)分别具有0.165λu的宽度(W2,W3)和0.11λu或0.055λu的长度,预定第一高度(H)为0.08λu,其中λu是天线的低工作频率的波长。
根据本发明的宽带贴片天线的另一优选实施方式的特征在于,这样选择反射器的基面的尺寸,使得贴片板在基面上的垂直投影完全位于基面中,并且基面是正方形的,反射器的基面具有0.66λu的边缘长度,其中λu是天线的低工作频率的波长,反射器具有垂直于基面的侧 壁,其中该侧壁旁侧地环绕贴片板,并且侧壁的高度等于反射器基面上贴片板的预定第一高度。
其中,反射器和贴片板优选地由导电性好的板构成,尤其是由铜、铝或黄铜构成,并且板的厚度明显大于预定工作频率下趋肤效应的穿透深度。
为了保持反射器基面上贴片板的预定第一高度,尤其提供分布式设置的电绝缘隔离片。
但是,除了隔离片,为了保持反射器基面上贴片板的预定第一高度,也可以设置由电介质-例如泡沫塑料-构成的中间层。
同样也可以在一个或多个位置处借助于导电连接元件将贴片板与反射器传导地短接,而不影响天线特性。
本发明的另一优选实施方式的特征在于,同轴导线结构中的内导线被导电的空心圆筒环绕,其中空心圆筒从反射器的基面开始环绕内导线直到小于预定第一高度的预定第二高度,空心圆筒的外直径为0.052λu,预定第二高度为0.052λu,其中λu是天线的低工作频率的波长。
以下将参考典型实施例和附图来更详细地描述本发明,其中:
附图说明
图1显示了根据本发明的宽带贴片天线的第一优选实施例的俯视图(图1a)和截面图(图1b)。
图2与图1相对地显示了根据本发明的宽带贴片天线的第二实施例,其具有在反射器基面和贴片板之间的分布式连接元件或隔离元件;和
图3与图1相对地显示了根据本发明的宽带贴片天线的第三实施例,其具有在反射器基面和贴片板之间的电介质中间层以及保护罩;
图4显示了根据本发明的宽带贴片天线的幅度和频率的关系示图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的宽带贴片天线的第一优选典型实施例的俯视图(图1a)和截面图(图1b)。宽带贴片天线10主要包括在一侧开口的盒状反射器11、设置在反射器11内部并具有馈送点16的贴片板12、和同轴馈送装置13、14、15,借助于此,RF功率可以从外面传递到贴片板12。
导电反射器11具有矩形的、平面的基面11a,其宽度为Wg,长度为Lg。在所示的典型实施例中,基面11a是正方形(Wg=Lg)。在侧边处,基面过渡到垂直的侧壁11b,其中侧壁11b具有统一的高度Hg。平行于基面11a,平面的贴片板12被设置在基面11a上高度H处并与其平行。反射器11的基面11a大于贴片板12的面积,使得贴片板12的垂直投影完全位于基面11a内,并且贴片板12与环绕的侧壁11b具有足够的距离。
贴片板12为具有矩形边缘轮廓的交叉形状。从边与基面11a的边平行的、外部尺寸为(W1+W2+W3)*(L1+L2+L3)的矩形基本形状出发,通过矩形的拐角处的矩形切口20a,...d形成交叉形状。具有切口20a,...,d的贴片板12优选地是相对于中线21镜像对称的,其中馈送点16被设置在中线上,并且可以移动以适应天线特性(图1-3中的双箭头)。切口20a,...,d的尺寸(宽×长)为W2×L2,W3×L2,W3×L3和W2×L3。馈送点16到贴片板12的右侧外边缘的距离是Ws,到贴片板12的下外边缘距离是Ls。
通过设置在反射器基面11a下侧的(同轴)RF连接器15实现贴片板12的馈送,其中RF连接器15的中央导线作为内导线14穿过基面11a引至贴片板12上的馈送点16。从基面11a开始,内导线14被外直径为Dk的导电空心圆筒13同轴地环绕直到高度Hk,并因此与空心圆筒13一起形成同轴线。
所有材料(反射器11,贴片板12等)必须是导电性良好的。优选使用铜、铝或黄铜。为了使电损耗尽可能低,所使用的部件的厚度应该明显大于工作频率下趋肤效应的穿透深度。因为反射器11必须确保天线的机械稳定性,所以优选由铝板制造。
如图2所示,通过分布设置的塑料隔离片17实现贴片板12相对于反射器11的定位,其中塑料隔离片17相对于反射器11支撑贴片板12。但是,也可如图3所示在反射器11的基面11a和贴片板12之间设置由泡沫塑料等构成的固定的中间层18,其起到电介质的作用。
在第二实施例变体中,贴片板12可以在一个或多个位置处借助于金属螺栓形式的连接元件17传导地短接到反射器11,而由此不影响天线的电功能。
对于将宽带贴片天线匹配到50欧姆阻抗系统,相对于较工作频率的波长λu(λu=c/f,c=光速,f=频率),以下尺寸是优选的:
Dk=0.12λu
H=0.08λu
Hg=H
Hk=0.052λu
Wg=Lg=0.66λu
W1=0.25λu
W2=W3=0.165λu
L1=0.3λu
L2=0.11λu
L3=L2/2
Ls=L3
Ws=(W1+W2+W3)/2。
通过在贴片板12的中点或边缘的方向上移动馈送点16,天线的输入阻抗可以被匹配到小于50欧姆或大于50欧姆的值。
图3b显示了保护罩19,其相对于外部保护天线元件11和12。从而确保了电磁辐射可以尽量无阻碍地被从天线出射,人们不能直接接触带电的金属表面,而且天线被保护以抵抗天气的影响和环境的影响。其通常由塑料制成并被罩在天线之上。
基于图1到3所示的宽带的基本设计,显然可以附加地利用现有技术中所有已知的方法来进一步提高带宽。
附图标记
10宽带贴片天线
11反射器
11a基面(反射器)
11b侧壁(反射器)
12贴片板
13空心圆筒
14内导线
15RF连接器(例如SMA)
16馈送点
17连接元件(隔离片)
18中间层(电介质,例如塑料泡沫)
19保护罩
20a...d切口
21中线
Dk直径
H,Hg,Hk高
Lg,L1,...,L3长
Wg,W1,...,W3宽

Claims (19)

1.一种宽带贴片天线(10),具有平面的矩形边界的贴片板(12),其中所述贴片板在导电反射器(11)的平面基面(11a)之上且与之平行地被设置在预定第一高度(H)处,所述宽带贴片天线(10)还具有用于将高频信号馈送到所述贴片板(12)的馈送装置(13,...,16),其中所述馈送装置(13,...,16)具有垂直并绝缘地穿过所述反射器(11)的基面(11a)且终止在所述贴片板(12)上馈送点(16)处的导线(14),其中所述贴片板(12)具有交叉形状,其特征在于,所述馈送装置(13,...,16)的导线在所述反射器(11)的基面(11a)和所述贴片板(12)之间被构造为同轴导线结构的内导线(14),并且所述反射器(11)具有垂直于基面(11a)的侧壁(11b),其中所述侧壁在侧旁环绕所述贴片板(12),其中所述反射器(11)是在一侧开口的盒,并且所述贴片板(12)设置在所述反射器(11)内部,使得电磁辐射能够尽量无阻碍地从天线出射。
2.如权利要求1所述的宽带贴片天线,其特征在于,通过以下方式由矩形基本形状形成所述贴片板(12),即在矩形的四个角处分别设置矩形切口(20a,...d)。
3.如权利要求2所述的宽带贴片天线,其特征在于,相对于中线(21)镜像对称地构造所述贴片板(12),并且所述馈送点(16)位于所述中线(21)上。
4.如权利要求3所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述矩形切口(20a,...d)在垂直于中线(21)的方向上具有相同的宽度(W2,W3)。
5.如权利要求2至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述贴片板(12)的矩形基本形状具有0.58λu的宽度(W1+W2+W3)和0.465λu的长度(L1+L2+L3),其中λu是天线的低工作频率下的波长,所述宽度在垂直于中线的方向上。
6.如权利要求5所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述矩形切口(20a,...d)分别具有0.165λu的宽度(W2,W3)和0.11λu或0.055λu的长度,其中λu是天线的低工作频率下的波长,所述宽度在垂直于中线的方向上。
7.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述预定第一高度(H)是0.08λu,其中λu是天线的低工作频率下的波长。
8.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,这样选择所述反射器(11)的基面(11a)的尺寸,使得所述贴片板(12)在所述基面(11a)上的垂直投影完全位于所述基面(11a)中,并且所述基面(11a)是正方形的。
9.如权利要求8所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述反射器(11)的基面(11a)具有0.66λu的边缘长度,其中λu是天线的低工作频率下的波长。
10.如权利要求1所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述侧壁(11b)的高度(Hg)等于所述贴片板(12)在所述反射器(11)的基面(11a)之上的预定第一高度(H)。
11.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述反射器(11)和所述贴片板(12)由导电性良好的板构成,并且所述板的厚度大于预期工作频率下趋肤效应的穿透深度。
12.如权利要求11所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述反射器(11)和所述贴片板(12)由铜、铝或黄铜构成。
13.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,为了保持所述贴片板(12)在所述反射器(11)的基面(11a)之上所述预定第一高度(H),提供分布设置的电绝缘的隔离片(17)。
14.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,为了保持所述贴片板(12)在所述反射器(11)的基面(11a)之上所述预定第一高度(H),提供由电介质构成的中间层(18)。
15.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,在一个或多个位置处,所述贴片板(12)借助于导电的连接元件(17)传导地与所述反射器(11)短接。
16.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述同轴导线结构中的内导线(14)被导电的空心圆筒(13)环绕。
17.如权利要求16所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述空心圆筒(13)从所述反射器(11)的基面(11a)开始环绕所述内导线(14)直到预定第二高度(Hk),其中所述预定第二高度(Hk)小于所述预定第一高度(H),并且所述空心圆筒(13)的外直径(Dk)为0.052λu,所述预定第二高度(Hk)为0.052λu,其中λu是天线的低工作频率下的波长。
18.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述内导线(14)源自被设置在所述反射器(11)的基面(11a)的下表面上的同轴高频连接器(15)。
19.如权利要求1至4之一所述的宽带贴片天线,其特征在于,所述宽带贴片天线(10)由罩在其上的保护罩(19)保护。
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