CN110199431B - 宽带天线巴伦 - Google Patents

Abstract

本发明是一种天线，包括第一元件和第二元件，第一元件和第二元件布置成天线的极子，且天线适于由馈电网络馈电，其中，馈电网络包括：第一馈电线，其具有第一电导体和第二电导体；以及第二馈电线，其具有第三电导体，其中，第一电导体适于在第一天线端部处或附近电连接到第一天线元件，第二电导体适于在第一天线端部处或附近电连接到第二天线元件，第三电导体适于在第二天线端部处或附近电连接到第二天线元件，其中馈电网络还包括第一电导体和第三电导体之间的电连接，电连接位于定位在距与天线元件相关的参考点预定距离处的连接点处，并且预定距离比第一长度和第二长度中的至少一者短。本发明还是一种天线巴伦，其包括第一馈电线和第二馈电线。

Description

宽带天线巴伦

本教导大体上涉及天线。更具体地，本教导涉及用于接收和发送电磁信号的天线。

振子(偶极子)天线元件的带宽可以通过将它们布置成双锥或蝴蝶结型形状或其类似物来增大。振子天线应优选地使用平衡传输线来馈电，然而诸如同轴型之类的馈电线是不平衡传输线，其中，一个端子通常处于地电位。这种不平衡传输线也可以称为单端传输线，或简称为单端线。由于振子天线呈现平衡输入，即两个端子通常具有相对于地相等但相反的电压，因此当平衡天线使用不平衡线或单端线馈电时，除了天线本身之外，共模电流还导致同轴线发生辐射。振子天线使用不平衡线馈电时产生的不希望的影响可能包括：辐射方向图的失真，以及线中所见的阻抗的改变。

在适当地对振子馈电的同时保持其预期特性的一种方式是在同轴馈电线和天线端子之间使用巴伦(平衡-不平衡转换器)。

变压器型巴伦通常与HF天线一起使用，但在VHF和UHF等较高频率下变得有损且笨重，而延迟线型巴伦更常见。然而，延迟线巴伦可能受限于带宽，因为延迟线的相移取决于频率。此外，还已知Pawsey短截线型巴伦配置，其需要四分之一波长短截线来平衡天线馈电。

通过所附独立权利要求的特征将示出解决现有技术固有的上述问题和其他问题。

根据本教导的目的，可以提供一种巴伦，所述巴伦减小来自宽带振子的不平衡馈线的辐射，同时扩展低频范围。所述不平衡馈线例如是同轴电缆。因此，可以增大宽带振子的频率范围，或者可以使振子更宽带。

根据另一方面，可以提供对馈电网络的导体之间的连接点的使用，以提高天线的宽带性能。

在本教导的另一目的中，可以提供一种天线或天线布置，以同时为辅助天线提供第二馈电。

本教导的典型应用可以是组合的多频带移动和GPS天线，然而本领域技术人员将理解，本教导也可以应用于其他无线和传输线应用。在本公开中本教导的所有实施方式和方面旨在以简单形式展示本发明的示例以便于理解。这些示例不旨在限制，也不旨在影响本教导的范围。本领域技术人员将进一步理解，本教导还可以应用于其他种类的对称天线或平衡天线，并且不仅限于振子天线。为了使讨论简洁和简单，在本公开的其余部分中使用的术语振子天线没有限制并且不影响范围。

现在将通过示例使用以下说明本教导的某些方面的附图来更详细地讨论本发明。这些附图不一定按比例绘制。

图1示出了连接到平衡馈线的简单的蝴蝶结型振子天线。

图2示出了连接到同轴馈线的简单的蝴蝶结型振子天线。

图3示出了当应用于蝴蝶结振子天线时的本教导的实施方式。

图1示出了简单的蝴蝶结型振子天线100。天线100包括两个相同的元件101和102。在图中左手侧的第一天线元件101电连接到第一馈电线103。在图中右手侧的第二天线元件102电连接到第二馈电线104。天线元件101和102中的每一者都具有相同的宽度107。此外，第一天线元件101的长度110与第二天线元件的长度120相同。就物理尺寸而言，振子天线100具有总长度105，所述总长度105通常是所关注频率的波长的一半。由于宽度107，天线显得较长并且还提供更大的带宽。

天线元件101和102(也称为振子100的极子)以相对小的间隔宽度108间隔开。该间隔宽度通常非常小，使得天线元件101和102的长度110和120的总和近似等于天线100的长度105。在图1中，由第一馈电线103和第二馈电线104组成的馈电线示出为对称且平衡的。

图2示出了振子天线200连接到不平衡馈线的情况。在这种情况下，不平衡馈线以同轴电缆201的形式示出。所示的同轴电缆201包括两个导电路径；首先是编织护套或编织网状物206，所述编织护套或编织网状物206通过第一导体203连接到第一天线元件101。第一导体203例如可以是焊片等。其次是同轴电缆201的内导体204。内导体204连接到第二天线元件102。该导体204也可以通过焊接或通过任何其他合适的手段连接到第二天线元件102。内导体204通过电介质或绝缘体205与编织护套电绝缘。除了暴露在图中的示出为电缆201的部分(即编织网状物206可见的部分)之外，编织网状物206还示出为由黑色隔离物隔离。本领域技术人员将注意到，同轴电缆仅作为示例示出，实际上，即使使用同轴导体的不平衡馈电也可以通过PCB迹线或类似物施加。换句话说，不需要使用本身实际的电缆来馈电。

施加到对称天线的非对称信号也可以暗示为不平衡馈电。

如前所述，由于在本公开中先前提到的问题，如图2所示的这种不平衡布置是不希望的。

现在参考图3，其示出了天线布置300，所述天线布置300示出了当应用于更多沙漏形振子天线时的根据本教导的一个方面的实施方式。在该示例中，展示了沙漏形状例如以实现更宽带响应。天线形状不应被视为限制于本教导的范围或一般性；而它的选择取决于所需要的是哪种特性。图3中所示的振子天线分别包括两个导电元件或极子301和302。所述极子沿着轴线380对称地对齐，所述轴线380沿着天线300的长度105延伸。天线布置300还包括第一馈电线303。第一馈电线303包括两条导线313和306。第一馈电线303具有横跨在第一装置端部320与第一天线端部321之间的第一长度。第一导线或第一电导体313示出为同轴型布置的外导体。对于同轴电缆的情况，第一导线313将对应于编织护套，例如如图2中所示的206。对于其他类型的同轴布置，诸如延迟线型PCB迹线，第一导线313将对应于外导体。第二导线或第二电导体306示出为同轴型布置的内导体。第一电导体313和第二电导体306是沿着第一长度彼此电隔离的。对于同轴电缆，第一导体313和第二导体306通常由电介质隔离。对于同轴电缆的情况，第二导线306将对应于内导体，例如图2中所示的204。对于其他类型的同轴布置，诸如延迟线型PCB迹线，第二导线306将对应于内导体。第一装置端部320布置成使用天线布置300(该装置未在图中示出)连接到一装置(图中未示出)。在天线端部321处，第一导线313电连接到第一天线元件301。第二导体306电连接到第二天线元件302。本领域技术人员将理解，由如上所述布置的第一天线元件301、第二天线元件302和第一馈电线303组成的布置对应于图2的天线布置。

天线布置300还包括第二馈电线304。第二馈电线304包括两条导线323和308，即分别为第三导线或第三电导体323以及第四导线或第四电导体308。第二馈电线304在图中示出为分别分成两个部分304a和304b。第一部分304a具有横跨在第二装置端部330与第二天线端部331之间的第二长度。第二部分304b具有横跨在第三天线端部341与远端部343之间的第三长度。与第二馈电线304的第二部分304b相关联的功能将涵盖在本教导的另一方面下，并且应被视为本教导的优选实施方式，而对本教导的最一般的实施方式来说并非是必要的。此外，端部321和331之间的拐角或拐点主要用于突出显示第三导线323在第二天线端部321处或在第二天线端部321附近连接到第二天线元件302。第四导线308不是导电性地连接到天线元件301或302中的任一者，而是所述第四导线308连接到辅助天线350或形成辅助天线350。第三导线323还在远端部343处或在远端部343附近进一步导电性地连接到第二天线元件302。在同轴布置的情况下，第一导线313和第三导线323也可以称为屏蔽导体。导电连接333，其优选地以短路的形式，在距天线元件预定长度390处，形成在第一导线313和第二导线323之间。预定长度390小于第一长度和第二长度。根据另一实施方式，所述预定长度小于元件的宽度107。

根据本教导的一个方面，通过在位于距天线元件预定距离390处的连接点333处对第一导线313和第三导线323进行电连接，所述连接点333变为人造中性地平面，因为此时振子馈电处的相反极化电压增加为零。可以相对于与天线元件相关的参考点来限定预定距离。在这种情况下，预定距离或预定长度390被限定为轴线380与电连接333的位置之间的距离。

本领域技术人员将理解，通常对于给定的关注的最低频率，天线长度(例如105)应基本上对应于所关注的最低频率的一半波长。在传统天线中，对于低于所关注的最低频率的频率，天线阻抗变为电容性的，使得将发生阻抗失配并且天线将变得无效。申请人已经认识到，这可以通过选择连接点333的距离390来补偿，使得经由导体313和323流过连接点333的无功电流变得基本上是电感性的，并因此基本上补偿了天线的电容性质，使得根据上述半波长原理，天线可以在低于天线的物理长度给定的频率下使用。可以理解，连接点333的位置或其距离390将改变由连接点333提供的有效电感性阻抗。因此可以选择连接点333的距离390使得实现所需的补偿。

从以上可以理解，根据本教导，这种天线可以节省物理空间和成本。简而言之，现在在图3的情况下，可以说能够选择到连接点333的距离390，使得即使在低于半波长物理长度的频率下，天线布置所呈现的阻抗也主要是电阻性的，其中振子本身变为主要是电容性的。根据本教导，通过由连接点333引入的基本上电感性的行为而在低频下补偿振子的电容性的行为，使具有连接点的天线布置所呈现的阻抗主要是电阻性的。

根据一个方面，连接点333的距离390等于或低于λ/4，其中λ/2是由天线的物理尺寸限定的天线元件的半波长。因此，归功于连接点333，天线能够在基本上低于由天线的物理尺寸限定的λ/2的频率下操作。根据另一方面，距离390等于或低于λ/6。根据又一方面，距离390等于或低于λ/8。

例如，对于具有约10cm的长度、约5cm的距离390的蝴蝶结天线，申请人已能够在接近700MHz的最低频率下操作同一天线，否则将需要约21.5cm的天线长度。因此实现了可观的空间和成本效益。技术人员将认识到，对较低频率的限制将取决于天线设计，并且其呈现的示例未明确规定操作的限制。

因此，本教导可以在低频率下改善振子天线布置的阻抗，而不会在较高频率范围下使阻抗衰减。

本领域技术人员将注意到，适于承载用于辅助天线350的信号的第二馈电线304是可选的。代替辅助天线350，第四导线也可以连接到传感器，所述传感器位于主天线的极子301或302中的一者上。因此，根据本教导的另一方面，第二馈电线可以提供额外的空间和成本优势。

根据另一实施方式，第二馈电线304的第二部分304b至少部分地位于第二元件302上或部分地与所述第二元件302重叠。

作为另一示例，天线长度105约为100mm，宽度107约为60mm，预定距离390约为22mm。根据该实施方式，天线通常可以从大约800MHz和两个倍频程向上操作。本领域技术人员将理解，这些尺寸仅作为示例提供，该实施方式的范围还涵盖各种元件的尺寸，以及所述尺寸之间的比例，以实现给定的响应或性能。

通过调整天线设计，可以实现其他频率范围。例如，通过适当地成形天线元件以增加面积，并且通过减小张角以调整更多的Vivaldi天线形状，可以明显地扩展上频率。根据要求，也可以在不减小张角的情况下完成天线元件的成形，反之亦然。

由元件301和302形成的天线可以称为主天线，而另一个天线350可以用于实现辅助功能。例如，这种布置可用于构建组合的多频带天线，这可以节省成本和空间。

在另一实施方式中，天线元件和/或馈电线中的至少一者被实现为PCB迹线。在又一实施方式中，天线元件和/或馈电线中的至少一者使用任何薄膜或厚膜工艺被实现为迹线。在又一实施方式中，天线元件和/或馈电线中的至少一者在半导体制造工艺中实现。

本教导还涉及使用根据本公开的教导的连接点，以用于增大天线的频率范围或提高宽带性能。更具体地，本教导涉及在馈电网络中使用导电连接333以用于对天线馈电。所述天线分别包括两个天线元件或极子301和302。优选地以在距天线元件预定长度390处在第一导线313和第二导线323之间形成短路的形式。馈电网络包括第一导线313和第二导线323。在本公开中(例如在图3的背景下)已经讨论了天线和馈电网络的细节。因此，本教导还涉及使用包括连接点的天线巴伦，以用于增大天线的频率范围或提高宽带性能。

为了便于解释，本公开中的示例以其最简单的方式示出，并且不限制本教导的范围或一般性。本领域技术人员将理解，本教导可以应用于不同类型的天线。本教导可以应用于需要巴伦型功能的任何无线应用。技术人员还将理解，本公开中说明的实施方式可以彼此组合以根据特定要求实现无线装置。单独讨论一实施方式并不意味着该实施方式不能与本文呈现的其余示例或实施方式一起使用。

总之，本教导涉及一种包括第一元件和第二元件的天线。所述第一元件和第二元件布置成天线的极子。天线适于由馈电网络馈电，其中所述馈电网络包括第一馈电线，所述第一馈电线具有第一天线端部和第一装置端部。第一馈电线具有横跨在第一天线端部和第一装置端部之间的第一长度。第一馈电线包括第一电导体和第二电导体。第一电导体是电连续的或沿着第一长度具有导电性。这意味着在第一装置端部和第一天线端部分别与第一电导体形成的两个连接处将通过沿着第一长度横跨的第一电导体进行电连接。类似地，第二电导体也沿着所述第一长度具有电连续性。然而，第一电导体和第二电导体沿着第一长度彼此是电隔离的。所述天线还包括第二馈电线，所述第二馈电线具有第二天线端部和第二装置端部。第二馈电线具有横跨在第二天线端部与第二装置端部之间的第二长度。第二馈电线包括第三电导体。第三电导体沿着所述第二长度具有电连续性。换句话说，第三电导体沿着第一长度是电连续的。这意味着在第二装置端部和第二天线端部分别与第三电导体形成的两个连接处将通过沿着第二长度横跨的第三电导体进行电连接。第一电导体适于在第一天线端部处或在第一天线端部附近电连接到第一天线元件。第二电导体适于在第一天线端部处或在第一天线端部附近电连接到第二天线元件。第三电导体适于在第二天线端部处或在第二天线端部附近电连接到第二天线元件。馈电网络还包括第一电导体和第三电导体之间的电连接，所述电连接位于定位在距与天线元件相关的参考点预定距离处的连接点处实现。所述预定距离比第一长度和第二长度中的至少一者短。当从沿着天线的长度延伸的对称轴线测量预定距离时-当天线是振子型时，尤其如此。优选地，选择电连接的位置，使得其呈现的阻抗在低频范围下是电感性的，其中第一元件和第二元件的阻抗是电容性的。选择所述位置，使得由于连接点引起的电感性阻抗至少部分地补偿天线元件的电容性阻抗以低于半波长频率。连接点优选地位于距由天线的物理尺寸限定的天线λ/4的距离或低于该距离处。

在另一实施方式中，第二馈电线还包括第四电导体，第四电导体沿着第二馈电线的所述特定长度具有电连续性。第三电导体和第四电导体是沿着第二馈电线的长度彼此电隔离的。

根据另一实施方式，第四电导体连接到辅助天线或传感器。

根据又一实施方式，第二馈电线还包括第三长度。所述第三长度横跨在第三天线端部与远端部之间。第三天线端部靠近第二天线端部。第三天线端部和第二天线端部优选地是相同的。第三电导体和第四电导体中的每一者在第二装置端部和远端部之间沿着它们各自的长度是电连续的。换句话说，第三导体和第四导体在第二装置端部和远端部之间分别具有连续性。然而，第三电导体和第四电导体在远端部和装置端部之间彼此是电隔离的。

在另一实施方式中，所述辅助天线在远端部处或在远端部附近连接到第四电导体。

在又一实施方式中，所述传感器在远端部处或在远端部附近连接到第四电导体。

在另一实施方式中，第一馈电线和第二馈电线中的至少一者是同轴电缆。在又一实施方式中，第一馈电线和第二馈电线中的至少一者是微带。在又一实施方式中，第一馈电线和第二馈电线中的至少一者是带状线。在又一实施方式中，第一馈电线和第二馈电线中的至少一者是共面波导。

在另外的实施方式中，第一装置端部和第二装置端部中的至少一者操作连接到发送器、接收器或应答器。

在另一实施方式中，至少第一元件和第二元件是GPS天线的一部分。

在又一实施方式中，辅助天线是移动通信天线。移动通信是指GSM、CDMA等。

在另一实施方式中，所述天线是组合的多频带天线。

在另一实施方式中，第一元件和第二元件至少部分地形成具有天线长度和元件宽度的蝴蝶结或沙漏型振子。优选地，天线长度约为100mm；元件宽度约为60mm；当从沿天线长度延伸的对称轴线测量时，预定距离约为22mm。

本教导还涉及一种天线巴伦，所述天线巴伦包括第一馈电线和第二馈电线。第一馈电线具有横跨在第一天线端部与第一装置端部之间的第一长度。第一馈电线包括第一电导体和第二电导体。第一电导体和第二电导体是沿着第一长度彼此电隔离的。第二馈电线具有横跨在第二天线端部与第二装置端部之间的第二长度。第二馈电线包括第三电导体和第四电导体。第一电导体和第二电导体是沿着第二长度彼此电隔离的。巴伦包括在第一电导体和第三电导体之间的电连接，所述电连接位于定位在距第一天线端部或第二天线端部预定距离处的连接点处。第一天线端部被配置为连接到第一天线元件，第二天线端部被配置为连接到第二天线元件。优选地，选择电连接的位置使得其呈现的阻抗在低频范围下是电感性的，其中第一元件和第二元件的阻抗是电容性的。选择该位置使得由于连接点引起的电感性阻抗至少部分地补偿天线元件的电容性阻抗以低于半波长频率。

本教导还涉及天线巴伦的用于增大天线的操作的频率范围的用途。更具体地，增大了由天线的物理尺寸限定的低于半波长频率的频率范围。

Claims (18)

1.一种天线，包括，

第一元件，

第二元件，

其中，对称轴线对称地将所述第一元件和所述第二元件中的每一者进行划分；

其中，所述第一元件和第二元件布置成所述天线的极子，所述天线适于由馈电网络馈电，其中，所述馈电网络包括：

第一馈电线，所述第一馈电线具有第一天线端部和第一装置端部，并且具有介于所述第一天线端部与所述第一装置端部之间的第一长度，所述第一馈电线包括第一电导体和第二电导体，所述第一电导体和所述第二电导体中的每一者沿着所述第一长度具有电连续性，并且所述第一电导体和所述第二电导体是沿着所述第一长度彼此电隔离的；以及

第二馈电线，所述第二馈电线具有第二天线端部和第二装置端部，并且具有介于所述第二天线端部与所述第二装置端部之间的第二长度，所述第二馈电线包括第三电导体，所述第三电导体沿着所述第二长度具有电连续性，其中，

所述第一电导体适于在所述第一天线端部处或在所述第一天线端部附近电连接到所述第一元件，

所述第二电导体适于在所述第一天线端部处或在所述第一天线端部附近电连接到所述第二元件，并且

所述第三电导体适于在所述第二天线端部处或在所述第二天线端部附近电连接到所述第二元件，

其中，所述馈电网络还包括所述第一电导体与所述第三电导体之间的电连接，所述电连接位于定位在距所述对称轴线处的参考点预定距离处的连接点处，并且所述预定距离比所述第一长度和所述第二长度中的至少一者短；以及

所述电连接的定位使得：在低于由元件的尺寸和布置限定的半波长频率下，由于所述连接点所引起的电感性阻抗至少部分地补偿所述元件的电容性阻抗，所述连接点的所述预定距离低于λ/6，其中λ是由所述天线的物理尺寸限定的所述元件的波长。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第二馈电线还包括第四电导体，所述第四电导体沿着所述第二馈电线的特定长度具有电连续性，并且所述第三电导体和所述第四电导体是沿着所述第二馈电线的长度彼此电隔离的。

3.根据权利要求2所述的天线，其中，所述第四电导体连接到辅助天线。

4.根据权利要求2所述的天线，其中，所述第四电导体连接到传感器。

5.根据权利要求2所述的天线，其中，所述第二馈电线还包括第三长度，所述第三长度横跨在第三天线端部与远端部之间，且所述第三电导体和所述第四电导体中的每一者在所述第二装置端部与所述远端部之间沿着它们各自的长度具有电连续性，并且所述第三电导体和所述第四电导体在所述远端部和所述装置端部之间是彼此电隔离的。

6.根据权利要求5所述的天线，其中，所述第三电导体还在所述远端部处或在所述远端部附近电连接到所述第二元件。

7.根据权利要求5所述的天线，其中，辅助天线在所述远端部处或在所述远端部附近连接到所述第四电导体。

8.根据权利要求4所述的天线，其中，所述传感器在远端部处或在远端部附近连接到所述第四电导体。

9.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第一馈电线和所述第二馈电线中的至少一者是同轴电缆。

10.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第一馈电线和所述第二馈电线中的至少一者的类型选自由微带、带状线或共平面波导组成的组。

11.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第一装置端部和所述第二装置端部中的至少一者操作连接到发送器。

12.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第一装置端部和所述第二装置端部中的至少一者操作连接到接收器。

13.根据权利要求1所述的天线，其中，至少所述第一元件和所述第二元件是GPS天线的一部分。

14.根据权利要求3所述的天线，其中，所述辅助天线是移动通信天线。

15.根据权利要求3所述的天线，其中，所述天线是组合的多频带天线。

16.根据权利要求1所述的天线，其中，所述第一元件和所述第二元件至少部分地形成具有天线长度和元件宽度的蝴蝶结型的或沙漏型的振子。

17.根据权利要求16所述的天线，其中

所述天线长度约为100mm；

所述元件宽度约为60mm；以及

当从所述对称轴线测量时，所述预定距离约为22mm。

18.一种天线巴伦，包括第一馈电线和第二馈电线，所述第一馈电线具有介于第一天线端部和第一装置端部之间的第一长度，所述第一馈电线包括第一电导体和第二电导体，所述第一电导体和所述第二电导体是沿着所述第一长度彼此电隔离的；以及

所述第二馈电线具有介于第二天线端部和第二装置端部之间的第二长度，所述第二馈电线包括第三电导体和第四电导体，所述第一电导体和所述第二电导体是沿着所述第二长度彼此电隔离的，其中，所述巴伦包括所述第一电导体和所述第三电导体之间的电连接，所述电连接位于定位在距所述第一天线端部或所述第二天线端部预定距离处的连接点处；

所述第一天线端部被配置为连接到第一元件，以及所述第二天线端部被配置为连接到第二元件；以及

所述电连接的定位使得：在低于由元件的尺寸和布置限定的半波长频率下，由于所述连接点所引起的电感性阻抗至少部分地补偿所述元件的电容性阻抗，其中，所述连接点的距离低于λ/6，其中λ是由所述天线的物理尺寸限定的所述元件的波长。

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