CN1965442A - 微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微带天线，该微带天线具有相对宽的操作带宽。该天线可以是印刷电路板偶极子天线，该印刷电路板偶极子天线具有与地层相耦合的梯型平衡－不平衡转换馈电网络和设置得与地层的边缘相距大约四分之一波长的偶极子辐射元件。该地层充当反射器，以增大天线增益。多个天线可以设置为如下阵列结构，其中，把天线设置得与阵列中的其它天线相对靠近并隔离开。天线阵列可以用于在利用IEEE 802.1X频带的无线网络中提供无线链路。

Description

微带天线

技术领域

本发明涉及微带天线，更具体地，涉及具有梯型平衡-不平衡转换馈电部(balun feed)的微带偶极子天线。

背景技术

印刷电路板、偶极子天线虽然都是良好的功能天线，但是倾向于以相对窄的带宽操作。窄操作带宽限制了印刷电路板、偶极子天线在如下设备中的应用，所述设备为在诸如IEEE 802.11a频带(5.15到5.85GHz)的大带宽上操作所需的设备。因而，希望构造具有宽的操作带宽的印刷电路板、偶极子天线。

发明内容

本发明提供一种具有相对宽的操作带宽的天线。该天线可以是印刷电路板偶极子天线，该印刷电路板偶极子天线具有与地层(ground plane)相耦合的梯型平衡-不平衡转换馈电网络和设置得与地层的边缘相距大约四分之一波长的偶极子辐射元件。该地层充当反射器，以增大天线增益。多个天线可以设置为如下阵列结构，其中，把天线设置得与阵列中的其它天线相对靠近并隔离开。在一个实施例中，天线阵列可以用于在利用IEEE 802.1X频带的无线网络中提供无线链路。

在一个实施例中，提供一种天线，该天线包括：(a)馈电网络；(b)地层，该地层被设置得靠近所述馈电网络，并且通过电介质材料与所述馈电网络隔开，并且在向所述馈电网络提供RF信号时电耦合至所述馈电网络；以及(c)多个辐射元件，所述多个辐射元件可操作地与所述馈电网络互连，并且可操作地发送和接收具有预定频率范围中的频率的RF信号。所述频率范围具有中心频率，并且所述多个辐射元件中的每一个都与所述馈电网络互连，并且被设置得与所述地层的边缘相距所述中心频率下的大约四分之一波长。所述地层可操作以在所述频率范围内充当相对于所述辐射元件的反射器，由此，在所述频率范围内为天线提供增强的增益。

一实施例的馈电网络包括可操作地与RF馈电部互连的梯型平衡-不平衡转换馈电元件和双线传输线路，各线路可操作地与所述梯型平衡-不平衡转换馈电元件的一侧互连。所述梯型平衡-不平衡转换馈电元件可以具有：第一腿部，该第一腿部具有可操作地与所述RF馈电部互连的馈电端；和第二腿部，该第二腿部与所述第一腿部间隔开，并且至少通过第一连接元件和第二连接元件可操作地与所述第一腿部互连。所述第一连接元件和所述第二连接元件中的每一个都可以具有所述电介质的所述中心频率下的大约二分之一波长的长度。另选地，所述第一连接元件可以具有第一长度，而所述第二连接元件可以具有大于所述第一长度的第二长度，由此，所述第一腿部和所述第二腿部相对于所述馈电点彼此分叉开。

在另一实施例中，所述多个辐射元件包括：第一偶极子元件，该第一偶极子元件连接至所述双线传输线路的第一线路；和第二偶极子元件，该第二偶极子元件连接至所述双线传输线路的第二线路。尽管并非必要的，但是，所述第一偶极子元件和所述第二偶极子元件可以基本对称。

本发明的又一实施例提供一种天线阵列，该天线阵列包括多个天线，所述多个天线中的每一个都具有大约5dBi的增益和覆盖大约5.15GHz到大约5.85GHz的频率范围内的阻抗带宽，并且其中，所述多个天线中的每一个都被设置得靠近所述多个天线中的其它天线，并且在所述多个天线中的每一个之间都具有至少大约-20dB的隔离。在一实施例中，每个天线都包括：(i)馈电网络，该馈电网络包括向不平衡双线传输线路提供反相电流的双元件半波梯型平衡-不平衡转换部；(ii)地层，该地层被设置得靠近所述馈电网络，并且通过电介质材料与所述馈电网络间隔开，并且在向所述馈电网络提供RF信号时电耦合至该馈电网络；以及(iii)偶极子辐射元件，该偶极子辐射元件可操作地与所述双线传输线路中的每一个互连。所述多个天线中的每一个都可以包括在单个印刷电路板上。

本发明的上述和其它特征、效用和优点，将从对附图所例示的本发明的优选实施例的下述更具体的描述中显而易见。

附图说明

附图被并入并构成本说明书的一部分，例示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。利用相同标号指示附图中的相同项目。

图1是本发明一实施例的天线的例示图；

图2是本发明另一实施例的馈电网络的例示图；

图3是本发明一实施例的对数周期馈电网络的例示图；

图4是本发明另一实施例的对数周期馈电网络的例示图；以及

图5是本发明另一实施例的天线阵列的例示图。

具体实施方式

下面，详细描述本发明。首先，参照图1，示出了微带天线100。微带天线100包括馈电网络102和多个辐射元件104。馈电网络102与地层106相耦合。馈电网络102被示为梯型平衡-不平衡转换部。梯型平衡-不平衡转换馈电部具有馈电点108、第一腿部110以及第二腿部112。虽然示出所述腿部为基本平行，但是腿部110和112可以相对于馈电点108会合或分叉以实现不同的效果。馈电点108连接至第一腿部110的馈电端。如图所示，长度为W1的第一连接元件114在第二腿部112的馈电端处连接第一腿部和第二腿部。第二连接元件116同样连接第一腿部和第二腿部。因为腿部110和112基本平行，所以第二连接元件116具有长度W2。在腿部110和112基本平行的情况下，长度W2等于W1，但是在会合型或分叉型腿部的情况下，W2可能大于或小于W1。第二连接元件116与第一连接元件114的距离为L1。长度L1可以在连接元件之间变化。虽然示出了两个连接元件，但是作为可选设计事项可以是更多或更少连接元件。增加连接元件的数量，通常会增加天线100的带宽。稍微超过最后连接元件(在这种情况下，该最后连接元件是第二连接元件116)，第一腿部110在终止点118终止，而第二腿部在终止点120终止。

双传输线路122、124分别从终止点118和120会合至双辐射馈电点126、128。双辐射馈电点126、128间隔开W3的距离。宽度W3有助于来自一对微带传输线路的传送，在一个实施例中，该一对微带传输线路相对于平衡双线传输线路(其为偶极子辐射器138和140馈电)的部分在相位上相差180度。辐射馈电点126和128连接至对称辐射元件，在这种情况下，所述对称辐射元件被示为偶极子天线130和132。虽然示出了偶极子，但是，可以使用其它类型的辐射元件，如折叠偶极子、附加无源器件的八木天线、V字形形状天线等。对称偶极子天线振子130和132具有形成没有地层的平衡双线传输线路的长度为L2的第一辐射腿部134、136，第一辐射腿部134、136用具有长度L3的地层辐射元件138和140转换两个180度相位差微带传输线路126和128。138和140的长度决定天线的谐振频率。腿部138和140具有宽度W5，宽度W5可能对天线匹配有影响。腿部138和140具有宽度W5，在这种情况下是为了方便起见，但不限于W5。腿部138和140在长度上可以相等，但是这也不是必需的，而且长度可以调节成更适合具体应用。腿部134和136间隔开W4的距离。

地层106具有宽度Wg、长度Lg，以及长度Lr。长度Lg通常是从馈电点108到反相(即，相位相差180度)的双微带传输线路126和128的微带馈电网络102的长度，该反相为转换成没有物理地层但在双线传输线路134与136之间具有虚拟地层的该双线路134和136所需的定相。长度Lr是电路板的仅在上表面上具有金属导体134、136、138以及140而没有任何地层衬底的剩余部分。电介质基板位于整个长度Lg和Lr上，但地层106仅存在于由Wg和Lg限定的区域中。地层106在Lg和Lr的边界处的边缘充当反射器，其可以增大天线的增益并且为辐射方向图(radiation pattern)提供方向。

第一腿部110、第二腿部112、第一连接元件114以及第二连接元件116都具有宽度W。宽度W是利用本领域公知的技术选择的，在此对其不作进一步说明。然而，已经发现，选择提供50欧姆传输线路的宽度效果很好。把第一连接元件114与第二连接元件116隔开的长度L1优选为所述电介质中的波长的大约1/4。对于平行腿部来说，长度W1和W2优选为所述电介质中的波长的大约1/2。对于会合型或分叉型腿部来说，该距离应当是形成例如对数周期平衡-不平衡转换部所需的距离。

宽度W3到W5可以改变，以改变双辐射馈电点126、128阻抗，并且更小的延伸偶极子输入阻抗。该变化部分地提供阻抗匹配。长度L2通常为中心操作频带处的自由空间中的大约1/4波长。长度L3通常为中心操作频带处的自由空间中的大约1/4波长。L2和L3可以根据与操作频率有关的常规偶极子方法集而变化。

下面，参照图2，例示出根据本发明另一实施例的馈电网络200。在这个实施例中，梯型平衡-不平衡转换馈电网络200具有把第一腿部208连接至第二腿部212的六个连接元件204。该实施例的连接元件204沿第一腿部208和第二腿部212均匀地隔开。连接元件204之间的距离为1/4波长，但可基于其中使用合并有馈电网络200的天线的应用，对所述连接元件204之间的距离进行调节。而且，连接元件可以沿第一腿部208和第二腿部212不均匀地间隔开。

图3和4例示了本发明其它实施例的对数周期平衡-不平衡转换馈电网络220、224。如图3所示，第一腿部228和第二腿部232可以是在馈电点与传输线路之间的会合型腿部。如图4所示，第一腿部240和第二腿部244可以从馈电点向传输线路分叉开。

如图5所示，在此描述的天线可以用于天线阵列300中。如图5所示，阵列300包括多个天线100，在这种情况下是六(6)个天线100。也可以包括更多或更少的天线100。在阵列中包括的天线数量很大程度上是希望多样化图案范围的函数或者是在定相阵列设计的情况下的增益的函数。虽然阵列300被示为圆形阵列(其有助于多样化操作)，但是，也可以采用阵列内的天线100的其它排列，举例来说，如正方形阵列、矩形阵列、椭圆形阵列、随机形的阵列等。在一个实施例中，阵列300内的天线100相对靠近阵列300中的其它天线。由此，可如许多应用中所希望的，阵列300相对紧凑。在这个实施例中，每个天线100都是如参照图1所述的天线，而且，阵列300在大约5.15-5.85GHz的频率范围内操作。然而，应当理解，在这种阵列300中也可使用其它类型的天线。在这个实施例中，每个天线100都具有大约5dBi的增益，并且在每个天线振子100之间存在至少大约-20dB隔离。如上所述，天线100相对靠近阵列300中的其它天线100，并且在一个实施例中，天线100内的振子可以设置在其它天线100中的振子的按中心频率的大约一到两个波长内。在一个实施例中，天线阵列200用于在IEEE 802.1X网络中提供无线链路的***中。

虽然参照本发明的实施例具体示出并描述了本发明，但是，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上对本发明进行各种其它改变。

Claims (19)

1、一种天线，所述天线包括：

馈电网络，所述馈电网络包括：

可操作地与RF馈电部互连的梯型平衡-不平衡转换馈电元件；

双线传输线路，各线路可操作地与所述梯型平衡-不平衡转换馈电元件的一侧互连；

地层，该地层被设置得靠近所述馈电网络，并且通过电介质材料与所述馈电网络间隔开，而在向所述馈电网络提供RF信号时电耦合至所述馈电网络；

多个辐射元件，所述多个辐射元件可操作地与所述馈电网络互连，并且可操作以发送和接收具有预定频率范围中的频率的RF信号，所述频率范围具有中心频率，所述多个辐射元件中的每一个都可操作地与所述双线传输线路中的一个互连，并且

其中，所述地层可操作以在所述频率范围内充当相对于所述辐射元件的反射器，由此，在所述频率范围内为天线提供增强的增益。

2、根据权利要求1所述的天线，其中，所述梯型平衡-不平衡转换馈电元件包括：

第一腿部，该第一腿部具有可操作地与所述RF馈电部互连的馈电端；

第二腿部，该第二腿部与所述第一腿部间隔开，并且至少通过第一连接元件和第二连接元件可操作地与所述第一腿部互连。

3、根据权利要求2所述的天线，其中，所述第一连接元件和所述第二连接元件中的每一个都具有所述电介质中的所述中心频率下的大约二分之一波长的长度。

4、根据权利要求2所述的天线，其中，所述第一连接元件具有第一长度，而所述第二连接元件具有大于所述第一长度的第二长度，由此，所述第一腿部和所述第二腿部相对于所述馈电点彼此分叉开。

5、根据权利要求2所述的天线，其中，所述第一连接元件在相对于所述馈电点的第一距离处连接所述第一腿部和所述第二腿部，而所述第二连接元件在相对于所述馈电点的第二距离处连接所述第一腿部和所述第二腿部，其中，所述第一距离和所述第二距离是基于天线的希望带宽来选择的。

6、根据权利要求5所述的天线，其中，所述第一距离与所述第二距离之间的差为所述电介质中的所述中心频率下的大约四分之一波长。

7、根据权利要求1所述的天线，其中，所述多个辐射元件被设置为与所述地层的边缘相距所述中心频率下的大约四分之一波长。

8、根据权利要求1所述的天线，其中，所述多个辐射元件包括：

第一偶极子元件，该第一偶极子元件连接至所述双线传输线路的第一线路；和

第二偶极子元件，该第二偶极子元件连接至所述双线传输线路的第二线路。

9、根据权利要求8所述的天线，其中，所述第一偶极子元件和所述第二偶极子元件基本对称。

10、根据权利要求8所述的天线，其中，所述双线传输线路中的每一个都提供相对于另一双线传输线路在相位上相差大约二分之一波长的RF信号。

11、根据权利要求8所述的天线，其中，所述第一偶极子元件和所述第二偶极子元件中的每一个都包括：

辐射腿部，该辐射腿部形成无地层的传输线路；和

辐射元件，该辐射元件可操作地与所述辐射腿部互连，所述辐射元件和所述辐射腿部都具有为向所述偶极子元件提供希望的输入阻抗而选择的宽度。

12、一种天线阵列，所述天线阵列包括：

多个天线，每个天线都包括：

馈电网络，该馈电网络包括向不平衡双线传输线路提供反相电流的梯型平衡-不平衡转换部；

地层，该地层被设置得靠近所述馈电网络，并且通过电介质材料与所述馈电网络间隔开，而在向所述馈电网络提供RF信号时电耦合至所述馈电网络；以及

偶极子辐射元件，该偶极子辐射元件可操作地与所述双线传输线路中的每一个互连，

其中，所述多个天线中的每一个都具有大约5dBi的增益和覆盖大约5.15GHz到大约5.85GHz的频率范围的阻抗带宽，并且其中，所述多个天线中的每一个都被设置得靠近所述多个天线中的其它天线，并且在所述多个天线中的每一个之间都具有至少大约-20dB的隔离。

13、根据权利要求12所述的天线阵列，其中，所述多个天线中的每一个都被包括在单个印刷电路板上。

14、根据权利要求12所述的天线阵列，其中，所述偶极子辐射元件中的每一个，都与所述天线阵列内的另一天线的另一辐射元件相距小于该天线阵列的中心操作频率下的大约两个波长。

15、根据权利要求12所述的天线阵列，其中，所述多个天线中的每一个的所述偶极子辐射元件都与所述地层相距大约四分之一波长。

16、根据权利要求12所述的天线阵列，其中，所述多个天线中的每一个都按平面阵列设置，并且其中，所述平面阵列能够提供多样化操作。

17、根据权利要求12所述的天线阵列，其中，所述多个天线中的每一个的所述梯型平衡-不平衡转换部都包括双元件半波梯型平衡-不平衡转换部。

18、根据权利要求17所述的天线阵列，其中，所述多个天线中的每一个的所述双元件半波梯型平衡-不平衡转换部都包括：

第一腿部，该第一腿部具有可操作地与阵列RF馈电部互连的馈电端；和

第二腿部，该第二腿部与所述第一腿部间隔开，并且至少通过第一连接元件和第二连接元件可操作地与所述第一腿部互连。

19、根据权利要求18所述的天线阵列，其中，所述第一连接元件和所述第二连接元件中的每一个都具有所述电介质材料中的所述频率范围的中心频率下的大约二分之一波长的长度。

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