CN1639908A - 具有一个或多个孔的天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新型的多孔天线，主要适合于移动通信，或者更广一些地说，适合于任何需要将一些电信***或应用集成在单个天线内的其他应用。这种天线包括一个至少包括一个孔的辐射元。采用这种配置，天线可以提供宽频带和多频带性能，对各个不同的频带具有类似的特性。此外，这种天线与工作在相同频率的其他现有技术的天线相比具有较小的尺寸。

Description

具有一个或多个孔的天线
技术领域
本发明涉及一种新颖的多孔天线，它可以同时工作在几个频率，而且阻抗匹配也得到了改善。此外，这种天线与工作在相同频率的其他现有技术的天线相比具有较小的尺寸。
这种新颖的多孔天线的辐射元包括一个加工成多边形、空间填充形、加载形或多级形的天线，它包括至少一个在辐射天线表面的孔。
本发明提出了一种新型的多孔天线，主要适合于移动通信，或者更广一些地说，适合于任何需要将一些电信***或应用集成在单个天线内的其他应用。
背景技术
电信业的增长，特别是个人移动通信***的发展推进了开发需要多频率小型天线的多业务(多频率)小型***的工程研究。因此，用具有多频带和/或宽频带性能的多***小型天线提供尽可能多的业务的覆盖范围现在是非常令人注目的，因为这允许电信运营机构降低它们的成本和尽量减小对环境的影响。
大部分所报道的多频带天线的解决方案是对于每个频带或业务使用一个或多个辐射器或分支。在美国专利No.09/129176“移动电话机用的多频带、多分支天线”(“Multiple band，multiple branch antennafor mobile phone”)中可以看到这样的一个例子。
在物色具有多频带和/或小型化特性的天线时这些备选方案中的可能特别感兴趣的是多级天线(见专利出版物WO 0122528“多级天线”(“Multilevel Antennas”))、微型空间填充天线(见专利出版物WO0154225“空间填充微型天线”(“Space-filling miniature antennas”))和加载天线(见专利申请PCT/EP01/11914“加载天线”(“LoadedAntenna”))。
N.P.Agrawall在“新的宽频带单极子天线”(“New widebandmonopole antennas”，Antennas and Propagation Society InternationalSymposium，1997，IEEE，vol.1，pp.248-251)介绍了一组固体平面多边形单极子天线，但本发明并不涉及这些天线。
发明内容
本发明的关键是辐射元的形状，它包括一组开在辐射元内的孔。按照本发明，天线是一个包括至少一个孔的单极子或偶极子。此外，这种天线可以在一个辐射元内包括一些具有不同形状和大小的不同的孔，形成多边形、多级或加载结构。
由于在辐射元内有了这些孔，天线可以具有多频率特性，而且与工作在相同频率的其他现有技术的天线相比具有较小的尺寸。对于所提到的多频率特性来说，所述在一个单极子或偶极子天线内的孔的面积至少为包括在所述天线的辐射元的外周边内的面积的20％。
这种新颖的单极子或偶极子包括一个导电或超导材料的具有至少一个孔的辐射元，这孔可以用介质填充或部分用与用于辐射元的导体不同的导电或超导电材料填充。
在这种新颖的天线中，这些孔，或者其中一部分孔，可以加工成具有从多级、加载、空间填充或多边形这些结构中选出的一个几何形状。这些几何形状可以理解为如在前面给出的专利中所揭示的。
这种新颖的多孔天线的主要优点是以下两个：
天线具有多频率特性
天线可以工作在比大部分现有技术的天线低的频率
附图说明
图1示出了各有一个孔的圆形、椭圆形和矩形三种天线。所有这些情况都可以认为是多边形的，包括圆形和椭圆形，因为可以将它们看作具有大量侧边的多边形结构。情况1至3示出了辐射元是圆形的包括一个孔的天线，孔的大小从情况1到3越来越大，最大的是情况3(3b)，而最小的是情况1(1a)。此外，情况1至3各包括一个圆形的孔。情况4和5示出的是具有一个椭圆形孔的椭圆形单极子。在情况(4b)中，孔相对辐射元的垂直轴是不对称的。情况6示出了一个包括一个矩形孔的矩形单极子。在图1的所有这些情况中，孔的面积至少为包括在辐射元外周边以内的面积的20％。
图2示出了三种不同的多孔天线。情况7示出了一个具有两个相同的圆孔(7a)和一个大一些的第三孔(7b)的圆形辐射元。情况8和9的天线是孔加工成一条曲线的形状的多孔天线，该曲线在一个点自身相交。情况10和11分别示出了具有一个和三个用多级结构成形的孔的多边形辐射元。
在图3中，情况12示出了一个三角形的辐射元，它有一个用一条空间填充曲线(12b)成形的孔。情况13示出了一个具有一个圆孔的多孔天线，这个孔与辐射元的周边在一个离馈电点比辐射元的外周边的四分之三长的距离处相交。情况14示出了一个由一个矩形和一个圆形合成的辐射元(14a)，它包括两个孔，一个是圆形的孔(14b)而一个是用多级结构成形的孔(14c)。情况15示出了另一个具有一个呈圆形的孔(15b)的辐射元。
在图4中，情况16示出了一个加载辐射元(16a)，它包括两个矩形孔(16b)。
图5示出了多孔天线的两个具体情况。它们各包括一个单极子，这个单极子包括一个导体或超导体的接地面，这个接地面有一个开口，用来安置一个同轴电缆(18)，同轴电缆的外导体接到所述接地面上，内导体接到多孔辐射元上。辐射元可以按需要安置在支持介质(20)上。
图6示出了一个包括一个偶极子的多孔天线，偶极子的两臂各有一个孔。馈线(21)表示输入端点。这两个图示出了同一个基本偶极子的不同配置，在下面的这个图中，辐射元由一个介质基片(20)支持。
图7示出了一个孔径天线，其中将一个多孔结构做成孔径天线(3)。孔径加工在一个导电或者超导电构件(23)上。
图8示出了一个包括一些多孔辐射元(17)的天线阵(24)。
具体实施方式
多孔天线的一个优选实施例为如图5所示的单极子配置。手持电话机外壳，以至汽车或火车的金属结构一部分，可以作为这样一个接地面。接地面和单极子臂(17)(在这里示出了臂的一个具体实施例，但可代之以任何以上提到的多孔天线结构)如通常在现有技术的单极子中那样用例如一条传输线(18)来激励。所述传输线由两个导体形成，第一导体接到导电或超导电的多孔结构的一个点上，而第二导体接到接地面或接地线上。在图5中，用同轴电缆(18)作为传输线的特定情况，但对于任何熟悉该技术领域的来说很清楚也可用其他传输线(例如微带臂)来激励单极子。也可以是按刚才所说明的方式，将多孔单极子印刷、蚀刻或附贴到例如一个介质基片(20)上。
图6示出了本发明的另一个优选实施例。所构成的双臂天线偶极子包括两个导电或超导电的部分，每个部分是一个多孔结构。为了清晰起见(但不失一般性)，在这里选择多孔天线(17)的一个特定情况，显然，可以代之以使用其他结构，例如图1中所示的那些。在这个特定情况中，两个分别处在两臂的周边上的点(21)可以用作偶极子结构的输入部分。在其他实施例中，可以用其他点作为输入端。输入端(21)作为导电或超导电线拉出，但如熟悉该技术领域的人员所知，这样的输入端可以加工成任何其他图案的形状，只要将它们保持成比工作波长小。熟悉该技术领域的可以看到，可以将偶极子的臂以不同的方式转动和折叠，以精细地调整天线的输入阻抗或诸如极化之类的辐射特性。
图6中还示出了多孔偶极子天线的另一个优选实施例。在这个实施例中，多孔臂印刷在一个介质基片(20)上，在辐射元的形状如多级结构那样含有大量多角形时，就成本和机械强度而言这种方法是特别合适的。任何众所周知的印制电路制造技术可以用来在介质基片上形成切口馈电结构的图案。所述介质基片可以例如是玻璃纤维板、基于聚四氟乙烯的基片(诸如Cuclad)或者是其他标准的射频和微波基片(例如Rogers4003或Kapton)。介质基片可以例如是窗玻璃的一部分，如果天线需安装在诸如汽车、火车或飞机之类的机动交通工具上来发送或接收无线电、电视、蜂窝电话(GSM900，GSM1800，UMTS)或其他通信业务的电磁波的话。当然，可以将一个平衡-不平衡变换网络接到偶极子的输入端上或集成在输入端内，以平衡两个偶极子臂之间的电流分配。
多孔天线的另一个优选实施例为如图7所示的孔径配置。在这个图中，多孔椭圆形结构(3)形成一个印在一个导电或超导电片(23)上的槽或缺口。这样的片可以例如是一个在印刷电路板结构内的介质基片上的片、一层诸如淀积在窗玻璃上防止汽车内部受到热红外辐射的透明导电薄膜，甚至可以是与手持电话机、汽车、火车、轮船或飞机的金属结构分开的。馈电方式可以是在传统的隙缝天线中任何众所周知的方式，这不是本发明的实质性部分。在图7这个实例中，用一根同轴电缆(22)对天线馈电，同轴电缆的一个导体接在导电片的一侧，而另一个导体连接在导电片的隔着槽的另一侧。可以例如用微带线来代替同轴电缆。
图8示出了另一个优选实施例。它包括一个包括至少一个多孔偶极子天线(17)的天线阵(24)。

Claims (15)

1.一种多孔天线，其特征是所述天线的辐射元包括至少一个孔，所述孔的面积至少为包括在所述天线的辐射元的外周边内的面积的20％。
2.按照权利要求1所述的天线，其特征是所述辐射元是一个导体或超导体，包括至少一个可以用介质填充或部分用与用于辐射元的导体不同的导体或超导材料填充的孔。
3.按照权利要求1或2所述的天线，其特征是所述辐射元包括一个孔。
4.按照权利要求1或2所述的天线，其特征是所述辐射元包括至少两个孔。
5.按照权利要求1、2、3或4所述的天线，其中所述辐射元的周边或所述孔中的至少一个孔的周边、或者所述辐射元的周边和所述辐射元中的至少一个孔的周边被加工成具有从三角形、正方形、矩形、斜方形、五边形、六边形、七边形、八边形、圆形和椭圆形这些几何形状中选出的一个几何形状。
6.按照权利要求1、2、3、4或5所述的天线，其中所述多孔结构的至少一部分是一个多级或加载结构。
7.按照权利要求1、2、3、4、5或6所述的天线，其中至少一个孔的至少周边是一条由最少2段、最多9段组合成的曲线，这些段连接成每段与相邻的段形成一个角度，即没有一对相邻的段限定成一个较长的直线段。
8.按照权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的天线，其中至少一个孔的周边的至少一部分加工成一个空间填充曲线的形状。
9.按照权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的天线，其中所述孔中的至少一个孔与辐射元的周边在离辐射元的馈电点一个短于辐射元的外周边的四分之一或长于辐射元的外周边的四分之三的距离处相交。
10.按照权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的天线，其中所述孔中的至少一个孔加工成一条曲线的形状，所述曲线至少在一个点自身相交。
11.按照以上任何一个权利要求所述的天线，其特征是所述天线是一个孔径天线，它的孔径的形状与任何在以上权利要求中所述的天线的辐射元的形状相同。
12.按照以上任何一个权利要求所述的天线，其特征是所述天线是一个单极子天线或偶极子天线。
13.一种天线，所述天线是一个包括至少一个多孔天线的天线阵的一个元件。
14.按照以上任何一个权利要求所述的天线，其特征是所述天线具有多频带、宽频带或两者的组合的特性。
15.一种多孔天线，其特征是所述天线的辐射元短于最长的工作波长的四分之一。
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