專利名稱：縫隙天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以包含在消費設(shè)備內(nèi)的小型薄縫隙天線，尤其涉及一種包含在消費設(shè)備內(nèi)并且在UWB服務(wù)頻帶具有極好特性的縫隙天線。
背景技術(shù)：
更具體地，本發(fā)明涉及一種縫隙天線，其包含在消費設(shè)備內(nèi)，具有不受設(shè)備內(nèi)的外圍電路產(chǎn)生的電磁波或者設(shè)備周圍的反射體的影響的穩(wěn)定特性，并且消除了對外圍高頻電路的影響；本發(fā)明尤其涉及一種縫隙天線，其在對其他相同的縫隙天線進行發(fā)送和從其他相同的縫隙天線進行接收時，可以在距另一個相同的縫隙天線非常短的距離使用，并且可以在寬的通信區(qū)域內(nèi)使用。
最近，注意力集中于使用3.1GHz至10.6GHz的非常寬的頻帶的無線電通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)被稱為“超寬帶(UWB，UltraWideBand)通信”。盡管UWB通信承擔(dān)通信距離約為10m的PAN(個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，Personal Area Network)，但是預(yù)期UWB通信可以實際用于實現(xiàn)傳輸速度約為100Mbps的短距離超高速傳輸?shù)臒o線電通信系統(tǒng)(例如，參見2002年3月11日出版的NikkeiElectronics，“Advent of Revolutionary Technology-UltraWideband”，第55～66頁)。
例如，在IEEE802.15.3中，可以設(shè)計用于傳輸包括前同步(preamble)碼、具有包(package)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為UWB通信的接入控制系統(tǒng)。美國的Intel公司正在研制無線型USB(通用串行總線，Universal Serial Bus)，USB廣泛用作作為UWB應(yīng)用的個人計算機的通用接口。
盡管UWB因為其發(fā)射功率而用于短距離無線電通信系統(tǒng)，但是UWB可以實現(xiàn)高速無線電傳輸。因此，在利用無線電將諸如數(shù)字攝像機、音樂再現(xiàn)設(shè)備等的移動數(shù)字設(shè)備連接到短距離范圍內(nèi)的電視機或者個人計算機上時，UWB可以用作供用戶使用的系統(tǒng)，可以高速傳輸作為數(shù)據(jù)的諸如音樂、圖像等的內(nèi)容。
同時，考慮到超過100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸能力和易于建立RF電路，正在積極開發(fā)采用3.1至4.9GHz的UWB低頻帶，而不占用3.1GHz至10.6GHz的傳輸頻帶的傳輸系統(tǒng)。
最近，出現(xiàn)了含有用于與個人計算機交換諸如圖像、音樂等的數(shù)據(jù)的無線電通信功能的移動設(shè)備(例如，參見http//pcweb.mycom.co.jp/news/2002/09/03/10.html)。本發(fā)明人等認為采用UWB低頻帶的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是實現(xiàn)這種小型移動設(shè)備的有效無線電通信技術(shù)之一。
本發(fā)明人等認為，當(dāng)UWB通信技術(shù)應(yīng)用于移動設(shè)備時，由于位于設(shè)備主體內(nèi)，所以需要將用于UWB傳輸?shù)奶炀€設(shè)計成小尺寸。此外，為了使天線包含在設(shè)備內(nèi)，需要將天線設(shè)計成通過免受來自設(shè)備內(nèi)的另一電路的電磁波的影響和設(shè)備周圍的反射體的影響，該無線電系統(tǒng)獲得容許頻率特性。相反，需要消除UWB天線采用的寬頻帶的高頻分量對同一設(shè)備內(nèi)的另一高頻電路的影響。
由于UWB是短距離大容量無線電通信系統(tǒng)，所以在超短距離區(qū)域內(nèi)，例如，在包括存儲設(shè)備的短距離超高速DAN(設(shè)備區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，Device Area Network)內(nèi)，預(yù)期UWB可以應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸。在這種情況下，即使在約5至150mm的超短距離，UWB天線需要保證作為天線特性的良好的反射特性和良好的耦合特性。
天線主要利用諧振現(xiàn)象，天線的長度決定諧振頻率。因此，在利用寬頻帶進行傳輸?shù)腢WB通信中，難以產(chǎn)生超過服務(wù)頻帶(3.1GHz至10.6GHz)的諧振。
在UWB應(yīng)用于超短距離通信時，因為在約一個波長的近電磁場內(nèi)電場和磁場獨立作用，所以難以獲得要求的天線特性。盡管這種情況可能不是窄頻帶的情況，但是在UWB通信中，需要在寬范圍內(nèi)獲得反射特性，因此，更難以獲得要求的天線特性。
此外，當(dāng)在超短距離使用天線時，存在包括進行通信的天線的設(shè)備產(chǎn)生的反射和天線的接地板產(chǎn)生的反射。因此，難以實現(xiàn)獲得要求特性的設(shè)計。
為了保證100Mbps的大容量通信或者諸如UWB通信等的更大容量通信，需要設(shè)計天線使得在規(guī)定技術(shù)規(guī)范的帶寬內(nèi)，反射特性是-10dB或者更低。此外，為了在規(guī)定技術(shù)規(guī)范的UWB的帶寬內(nèi)獲得100Mbps或者更高的吞吐量，需要設(shè)計天線使得天線的耦合特性沒有急劇的增益衰減，并且總增益處于一定水平或更高。
考慮到減小尺寸和厚度，可以引入所謂的貼片(patch)天線和縫隙天線。通過使用絕緣材料作為中間物質(zhì)，以互相對著的方式排列輻射導(dǎo)體和接地導(dǎo)體來形成貼片天線。通過在接地層中形成縫隙，利用導(dǎo)體圖案、接地層以及介于導(dǎo)體圖案與接地層之間的電介質(zhì)層形成縫隙天線。
例如，提出了一種具有寬頻帶和足夠增益的低輪廓貼片天線，其中在輻射導(dǎo)體與導(dǎo)體接地板之間插入物質(zhì)電導(dǎo)率等于或大于約0.1且等于或小于10的導(dǎo)電特性的物質(zhì)，因此，具有該導(dǎo)電特性的物質(zhì)使得在導(dǎo)體接地板和輻射導(dǎo)體之間產(chǎn)生適當(dāng)量的信號泄漏(例如，參見日本特開2003-304115號公報)。
雖然縫隙天線和貼片天線的優(yōu)點均在于減小了天線的尺寸和厚度，但是縫隙天線和貼片天線不能在寬頻帶上固有地實現(xiàn)要求的特性。因此，無論對天線采用哪種結(jié)構(gòu)，將天線設(shè)計為UWB天線都需要一些用于加寬頻帶的設(shè)備。
通常，當(dāng)縫隙天線和貼片天線具有相同的尺寸時，縫隙天線可以獲得比貼片天線更寬的頻帶。貼片天線具有作為天線的百分之幾的工作頻帶。因此，本發(fā)明人等認為縫隙天線更適合用作在消費設(shè)備內(nèi)使用的UWB天線。
當(dāng)縫隙天線用作消費設(shè)備內(nèi)的UWB天線時，而且當(dāng)在超短距離進行無線電通信時，存在的問題是來自設(shè)備內(nèi)的另一個電路的電磁波的影響和設(shè)備周圍的反射體的影響，采用的寬頻帶的高頻分量對同一設(shè)備內(nèi)的另一個高頻電路的影響，以及包括進行通信的天線的設(shè)備產(chǎn)生的反射和該天線的接地板產(chǎn)生的反射(如上所述)。然而，實際上關(guān)于包含在設(shè)備內(nèi)的UWB天線的技術(shù)不是公知的。

發(fā)明內(nèi)容
希望提供一種包含在消費設(shè)備內(nèi)并且可以在UWB服務(wù)頻帶(具體為3.1至4.9GHz的UWB低頻帶)內(nèi)實現(xiàn)良好特性的良好的小型薄縫隙天線。
還希望提供一種良好的UWB設(shè)備內(nèi)置型縫隙天線，其可以實現(xiàn)穩(wěn)定的特性，而不受設(shè)備內(nèi)的外圍電路或設(shè)備周圍的反射體產(chǎn)生的電磁波的影響，并且可以消除對外圍高頻電路的影響。
還希望提供一種良好的UWB設(shè)備內(nèi)置型縫隙天線，其在對其它相同的縫隙天線進行發(fā)射和從其它相同的縫隙天線進行接收時，可以在距另一相同的縫隙天線非常短的距離使用，并且可以在寬的通信區(qū)域內(nèi)使用。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種縫隙天線，包括電介質(zhì)基底；導(dǎo)體圖案，其形成在所述電介質(zhì)基底的第一面上；接地層，其形成在所述電介質(zhì)基底的第二面上；饋電點，其布置在所述導(dǎo)體圖案的一側(cè)的大致中央處；微帶線，其從所述饋電點延伸到所述導(dǎo)體圖案的大致中央處；以及縫隙，其形成在所述接地層中，在所述縫隙橫跨所述電介質(zhì)基底的中心線的位置具有預(yù)定寬度，所述中心線穿過所述饋電點。當(dāng)在小型設(shè)備內(nèi)使用隙縫天線時，還設(shè)置沿導(dǎo)體圖案安裝的金屬屏蔽殼。
本發(fā)明的實施例涉及主要用于消費設(shè)備內(nèi)且在UWB規(guī)定頻帶內(nèi)具有良好特性的小型薄縫隙天線。
為了保證100Mbps或更高的大容量通信，例如UWB通信等，需要將天線設(shè)計成在所規(guī)定的技術(shù)規(guī)范的帶寬內(nèi)反射特性為-10dB或更低。此外，為了在所規(guī)定的技術(shù)規(guī)范的UWB的帶寬內(nèi)獲得100Mbps或更高的吞吐量，需要將天線設(shè)計成該天線的耦合特性沒有急劇的增益衰減，而且總增益處于一定水平或更高。
已知貼片天線和縫隙天線是小型薄天線。然而，貼片天線和縫隙天線基本上均是百分之幾的工作頻帶的窄帶天線。在縫隙天線和貼片天線具有相同尺寸時，縫隙天線可以獲得更寬的頻帶。因此，本發(fā)明人等認為縫隙天線更適合用作在消費設(shè)備內(nèi)使用的UWB天線。
縫隙天線主要由導(dǎo)體圖案、接地層以及介于導(dǎo)體圖案和接地層之間的電介質(zhì)層構(gòu)成，在接地層的大致中央位置形成縫隙。饋電點布置在導(dǎo)體圖案的一側(cè)的大致中央位置，而且微帶線從饋電點延伸到該導(dǎo)體圖案的大致中央位置?；竟ぷ髟碇饕菑脑摽p隙輻射電磁場。橫跨饋電縫隙而形成的電場產(chǎn)生駐波和諧振。
在本發(fā)明的實施例中，優(yōu)化在接地層中鏜制的縫隙的布置(即，距饋電點的左側(cè)長度和右側(cè)長度以及該縫隙的寬度)。此外，在將該縫隙天線包含在設(shè)備內(nèi)時，安裝覆蓋導(dǎo)體圖案側(cè)的金屬屏蔽殼，以消除該設(shè)備內(nèi)的外圍電路產(chǎn)生的電磁波的影響和該設(shè)備周圍的反射體的影響。因此，獲得穩(wěn)定的天線特性，該縫隙天線可以在3.1至4.9GHz的非常寬的頻帶內(nèi)工作。
此外，在接地層中的縫隙上加載電阻器，使得該電阻器的兩端接觸接地層。因此，可以抑制接地層的反射，并且可以實現(xiàn)寬的頻帶內(nèi)的特性。
此外，與加載一個電阻器的情況相比，在一個縫隙上加載多個這種電阻器確保可以調(diào)整阻抗匹配的自由度。因此，在較寬頻帶內(nèi)可以實現(xiàn)良好的天線特性。
在電阻器距離饋電部分遠時，實現(xiàn)阻抗匹配的頻率范圍窄。因此，在縫隙中央附近的適當(dāng)位置，加載一個或多個電阻器，從而實現(xiàn)改善天線特性的效果。
在相對于縫隙中央(或饋電部分的位置)不對稱的位置適當(dāng)加載多個具有不同電阻值的電阻器，這有助于以較高自由度保證阻抗匹配，因此，與在對稱位置加載兩個電阻器相比，可以在較寬頻帶上實現(xiàn)良好的天線特性。然而，當(dāng)加載了多個電阻器時，限制了加載電阻器的方法，這是因為特性根據(jù)該電阻器的加載位置和電阻值而顯著變化。
利用與用于發(fā)射和接收的耦合器(一對)具有相同配置的天線，根據(jù)本發(fā)明實施例的UWB天線確保了特性。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以提供一種包含在消費設(shè)備內(nèi)且可以在UWB服務(wù)頻帶內(nèi)(具體地說，3.1至4.9GHz的UWB低頻帶)實現(xiàn)良好特性的小型薄縫隙天線。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，還可以提供一種可以提供穩(wěn)定的特性，而不受該設(shè)備內(nèi)的外圍電路產(chǎn)生的電磁波以及該設(shè)備周圍的反射體的影響，而且可以消除對外圍高頻電路的影響的良好的UWB設(shè)備內(nèi)置型縫隙天線。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，還可以提供一種在進行對另一個相同縫隙天線進行發(fā)射和接收時，可以在距離另一個相同縫隙天線非常短的距離使用的、可以在寬的通信區(qū)域內(nèi)使用的良好的UWB設(shè)備內(nèi)置型縫隙天線。
在根據(jù)本發(fā)明的上述實施例的縫隙天線中，當(dāng)饋電時橫跨縫隙而產(chǎn)生的電場產(chǎn)生駐波和諧振，而且產(chǎn)生由橫跨縫隙加載的電阻器整形的電場的駐波。因此，可以在寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配。因此，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的縫隙天線可以用作UWB天線。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明上述實施例的縫隙天線包含在消費設(shè)備內(nèi)時，在導(dǎo)體圖案層的一側(cè)上安裝金屬屏蔽殼，因此，可以獲得穩(wěn)定的特性，而不受周圍電磁波的影響。因此，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的縫隙天線足以起到內(nèi)置天線的作用。
通過將根據(jù)本發(fā)明上述實施例的縫隙天線應(yīng)用于發(fā)射器和接收器中的每一個，并且與互相對著的天線的縫隙進行無線電通信，可以穩(wěn)定地實現(xiàn)在UWB低頻帶(3.1至4.9GHz)內(nèi)的變化小而且可以提供高吞吐量的特性。
通過利用下面描述的本發(fā)明實施例和附圖所做的更詳細的說明，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點是顯而易見的。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的縫隙天線的導(dǎo)體圖案101側(cè)和接地層102側(cè)的各面結(jié)構(gòu)的圖；圖2是示出圖1所示的縫隙天線的剖面結(jié)構(gòu)的圖；圖3是示出導(dǎo)體圖案106的構(gòu)成的例子的圖；圖4是示出接地層102的構(gòu)成的例子的圖；圖5是示出金屬屏蔽殼201的上表面和側(cè)面的圖；圖6是示出安裝在縫隙天線的天線基底上的金屬屏蔽殼201的縱向剖面?zhèn)纫晥D；圖7是示出當(dāng)天線之間的距離設(shè)定為10mm時根據(jù)本實施例的縫隙天線用作UWB天線的情況下的特性的圖；
圖8是示出沒有電阻器的縫隙天線的S參數(shù)特性的圖；圖9是示出在天線之間的距離設(shè)定為100mm時根據(jù)本實施例的縫隙天線用作UWB天線的情況下的特性的圖；圖10是示出具有在縫隙105上加載的電阻器107的接地層102的圖；圖11是示出當(dāng)在縫隙105上x＝0mm的位置加載100Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果的圖；圖12是示出當(dāng)在縫隙105上x＝0mm的位置加載200Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果的圖；圖13是示出當(dāng)在縫隙105上x＝±0.6mm的各位置加載150Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果的圖；圖14是示出當(dāng)在縫隙105上x＝±0.5mm的各位置加載150Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果的圖；圖15是示出當(dāng)在縫隙105上x＝-0.6mm的位置加載100Ω的電阻器107，在縫隙105上x＝+2.5mm的位置加載150Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果的圖；圖16是示出在將UWB的發(fā)射和接收天線之間的距離設(shè)定為50mm，將z方向設(shè)定為各天線的縫隙105互相面對的方向，發(fā)射和接收天線之一沿x方向移動50mm并沿y方向移動50mm的情況下的S參數(shù)特性的圖；圖17是示出當(dāng)用于發(fā)射和接收的縫隙天線的縫隙部分互相對著時的S參數(shù)特性的圖；以及圖18是示出當(dāng)接收側(cè)的縫隙天線的縫隙部分相對于發(fā)射側(cè)的縫隙沿y方向移動-10mm時的S參數(shù)特性的圖。
具體實施例方式
下面參考附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
本發(fā)明涉及一種主要用在消費設(shè)備內(nèi)并且在UWB規(guī)范頻帶內(nèi)具有良好特性的小型薄縫隙天線。
該縫隙天線主要包括導(dǎo)體圖案、接地層以及在導(dǎo)體圖案和接地層之間插入的電介質(zhì)層，在接地層的大致中央形成縫隙。此外，在導(dǎo)體圖案一側(cè)的大致中央設(shè)置饋電點，微帶線從饋電點延伸到導(dǎo)體圖案的中央?；竟ぷ髟碇饕菑目p隙輻射電磁場。形成為橫跨饋電縫隙的電場形成駐波并進行諧振。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的縫隙天線的主要特征是，在消費設(shè)備內(nèi)用作低頻帶(3.1至4.9GHz)UWB天線，尤其是，在超短距離用于無線電數(shù)據(jù)傳輸。為此，幾個設(shè)備用于上述基本結(jié)構(gòu)。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的縫隙天線的導(dǎo)體圖案106側(cè)和接地層102側(cè)的各面結(jié)構(gòu)。圖2示出縫隙天線的剖面結(jié)構(gòu)(在金屬屏蔽殼安裝在縫隙天線上的狀態(tài)下)。
如圖1或2所示，縫隙天線包括電介質(zhì)基底100；導(dǎo)體圖案106，形成在電介質(zhì)基底100的一個面101上；以及接地層102，形成在電介質(zhì)基底100的另一個面上。
例如，電介質(zhì)基底100由被稱為FR4的材料形成，該電介質(zhì)基底100具有4.2至4.8的相對介電常數(shù)ε。
導(dǎo)體圖案106是沿電介質(zhì)基底100的一個表面101的外周形成的銅箔圖案。圖3示出導(dǎo)體圖案106的構(gòu)成的例子。在導(dǎo)體圖案106中形成大量穿過電介質(zhì)基底100的通孔。填充這些通孔的內(nèi)部，而且該通孔的內(nèi)部連接到在電介質(zhì)基底100的下側(cè)形成的接地層102。以4mm的間隔排列通孔。
形成從外周部分延伸到電介質(zhì)基底100(或者導(dǎo)體圖案106)的大致中央部分的銅箔圖案以在電介質(zhì)基底100的導(dǎo)體圖案106側(cè)的表面101上構(gòu)成微帶線104。例如，由寬度為1.2mm的大致直線形式的圖案形成該微帶線104，將該微帶線104布置在將矩形電介質(zhì)基底100分割為兩個相等部分的中央線上。
為了使導(dǎo)體圖案106和微帶線104互相交叉，用5mm的圖案分離部分將微帶線104從銅箔圖案的兩端適當(dāng)分離。
微帶線104的周端位于導(dǎo)體圖案106的圖案分離部分的大致中央，形成導(dǎo)體圖案106的饋電點103。
接地層102是大致在與電介質(zhì)基底100的導(dǎo)體圖案106相對的側(cè)的整個表面上形成的銅箔圖。圖4示出接地層102的構(gòu)成的例子。接地層102具有通過以細線方式在接地層102的大致中心對銅箔圖進行鏜孔(boring)而形成的縫隙105。在該圖所示的例子中，縫隙105基本上垂直于在縫隙105的對側(cè)上形成的微帶線104的延伸方向。當(dāng)通過饋電點103對微帶線104供電時，從縫隙105輻射電磁場，橫跨縫隙105形成電場，該電場產(chǎn)生駐波并進行諧振。
在接地層102中進行鏜孔而形成的縫隙105布置成橫跨基底的中心線，該中心線通過饋電點103?？p隙105的特定布置，即，優(yōu)化縫隙105離饋電點103的左側(cè)和右側(cè)長度以及縫隙105的寬度以獲得穩(wěn)定的天線特性是理想的。在該圖所示的例子中，縫隙105的寬度為1mm，長度為37.5mm，形成縫隙105使得從接地層102的中央延伸到距離為21mm和16.5mm的位置。
如圖1和4所示，在接地層102中鏜制的縫隙105上加載多個電阻器107(在該圖所示的例子中，是兩個電阻器107)。例如，電阻器107中的每一個是100Ω或者更高的電阻值，布置電阻器107中的每一個使得其兩端與接地層102相接觸。這樣加載的電阻器107具有抑制接地層102的反射和產(chǎn)生寬頻帶特性的效果。稍后對此進行詳細說明。
此外，在縫隙105上加載多個電阻器107提供調(diào)整阻抗匹配的自由度。例如，在縫隙105的中央附近的適當(dāng)位置加載多個電阻器107來改善天線特性。
當(dāng)圖1和圖2所示的縫隙天線用作設(shè)備內(nèi)置型天線時，需要消除來自設(shè)備內(nèi)的外圍電路的電磁波的影響和設(shè)備周圍的反射體的影響，而且需要考慮輻射寬頻帶的高頻分量對外圍高頻電路的影響。在本實施例中，如圖2所示，當(dāng)將縫隙天線包含在消費設(shè)備等時，將覆蓋導(dǎo)體圖案106側(cè)的金屬屏蔽殼201安裝在縫隙天線上。
圖5示出金屬屏蔽殼201的上表面和側(cè)面。金屬屏蔽殼201是高度為3.2mm、長度為60mm、寬度為20mm的金屬殼，沿在電介質(zhì)基底的表面101的外周上形成的導(dǎo)體圖案106成形。圖6是安裝在縫隙天線的天線基底上的金屬屏蔽殼201的縱向剖面?zhèn)纫晥D?；椎暮穸仁?.8mm，金屬殼的高度是3.2mm、總高度是4mm。
當(dāng)將天線包含在諸如數(shù)字攝像機、音樂播放器等的小型便攜式設(shè)備內(nèi)時，預(yù)計在用戶手持該設(shè)備時進行通信。此外，當(dāng)小型設(shè)備具有無線電通信功能時，將天線之外的電路也包含在該設(shè)備內(nèi)。即使當(dāng)在天線周圍的狀況發(fā)生變化而且在天線周圍存在金屬反射體的同時進行通信時，也可以通過安裝金屬屏蔽殼201來穩(wěn)定地獲得要求的天線特性。
與貼片天線相同，縫隙天線自身是固有地具有百分之幾的工作頻帶的窄帶天線。另一方面，根據(jù)本發(fā)明實施例的縫隙天線是用于UWB的天線，而且是設(shè)備內(nèi)置型的，該天線可以在3.1至4.9GHz的非常寬的頻帶內(nèi)工作。這是這樣實現(xiàn)的優(yōu)化布置在接地層102中形成的縫隙105(縫隙105離饋電點103的左側(cè)和右側(cè)長度以及縫隙105的寬度)，當(dāng)將縫隙天線包含在設(shè)備中時，通過安裝覆蓋導(dǎo)體圖案106側(cè)的金屬屏蔽殼201來消除來自設(shè)備內(nèi)的外圍電路的電磁波的影響和設(shè)備周圍的反射體的影響。
此外，通過在接地層102中設(shè)置的縫隙105上加載的電阻器107使得電阻器107的兩端與接地層102相接觸，根據(jù)本發(fā)明實施例的縫隙天線抑制接地層102的反射并且產(chǎn)生寬頻帶特性。此外，通過在一個縫隙105的中央周圍的適當(dāng)位置加載多個電阻器107來改善天線特性。
當(dāng)根據(jù)本實施例的縫隙天線用作UWB天線時，通過利用與用于發(fā)射和接收的耦合器(一對)具有相同構(gòu)成的天線來保證特性。
圖7示出當(dāng)根據(jù)本實施例的縫隙天線用作UWB天線時的特性。將天線之間的距離設(shè)定為10mm，進行模擬和實際測量。在圖7中，橫坐標(biāo)軸表示頻率(GHz)，縱坐標(biāo)軸表示S參數(shù)的分貝值。
利用以下方程定義S參數(shù)，其中a1和a2表示輸入電壓，b1和b2表示反射電壓。
方程1b1b2=S11S12S21S22a1a2]]>在上面的方程中，S參數(shù)S11表示反射系數(shù)，S參數(shù)S21表示耦合系數(shù)。隨著反射系數(shù)S11越來越小，實現(xiàn)越來越好的天線匹配。耦合系數(shù)S21對應(yīng)于天線的耦合特性，即，從發(fā)射器發(fā)射到接收器的信號的幅值特性(衰減因數(shù))。在要求的頻帶內(nèi)高而且平坦的耦合系數(shù)S21在減小多路(multipath)影響方面是良好的。
在圖7中，S11_sim.和S21_sim.表示通過模擬反射系數(shù)S11和耦合系數(shù)S21獲得的數(shù)值結(jié)果，S11和S21表示實際測量值。從圖7可以看出，根據(jù)本實施例的UWB天線可以實現(xiàn)通常所需的反射特性，UWB低頻帶(3.1至4.9GHz)內(nèi)的反射系數(shù)S11是-10dB或者更低。
通常，當(dāng)在短距離使用天線時，難以獲得要求的特性，因為存在含有進行通信的天線的設(shè)備所產(chǎn)生的反射和該天線的接地板所產(chǎn)生的反射(如上所述)。另一方面，即使在10mm的短距離，根據(jù)本實施例用于UWB的天線也可以充分實現(xiàn)要求的特性。
如圖2和圖6所示，金屬屏蔽殼安裝在天線基底上以消除周圍電磁波的影響。在這種情況下，金屬屏蔽殼也產(chǎn)生反射。在本實施例中，還考慮了該反射的影響，當(dāng)天線在寬頻帶內(nèi)工作時，根據(jù)本實施例的縫隙天線具有足夠的特性。因此，可以在消費設(shè)備內(nèi)使用根據(jù)本實施例的縫隙天線。
由于即使在10mm的短距離仍可以獲得足夠的特性，所以可以在根據(jù)本實施例的UWB天線與包括UWB無線電通信單元的設(shè)備之間短距離發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明實施例的縫隙天線抑制接地層102的反射，并且通過在縫隙105上加載的多個電阻器107使得電阻器107的兩端與接地層102相接觸來改善寬頻帶特性。此外，通過阻抗匹配來改善天線特性。為了與圖7相比，圖8示出當(dāng)沒有電阻器107的縫隙天線用作UWB天線時的S參數(shù)特性。在這種情況下，可以看出，在3.1至4.9GHz的范圍內(nèi)，反射系數(shù)不低于-10dB，不能獲得要求的特性。
圖9示出當(dāng)將天線之間的距離設(shè)定為100mm時，根據(jù)本實施例的縫隙天線用作UWB天線的情況下的特性(模擬和實際測量結(jié)果)。在圖9中，橫坐標(biāo)軸表示頻率(GHz)，縱坐標(biāo)軸表示S參數(shù)的分貝值。從圖9可以看出，即使當(dāng)該距離增加到100mm時，根據(jù)本實施例的UWB天線也可以實現(xiàn)通常要求的反射特性，UWB低頻帶(3.1至4.9GHz)內(nèi)的反射系數(shù)S11為-10dB或者更低。
此外，通過在接地層102中設(shè)置的縫隙105上加載的電阻器107并使電阻器107的兩端與接地層102相接觸，本實施例抑制了接地層102的反射并且產(chǎn)生寬頻帶特性。
圖10示出具有在縫隙105上加載的電阻器107的接地層102。在圖10中，將接地層的中央設(shè)定為x＝0mm的點，左方向定義為正方向，右方向定義為負方向。
圖11示出當(dāng)在縫隙105上x＝0mm的位置加載100Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果。在這種情況下，在縫隙105上加載一個電阻。通過在饋電部分附近加載電阻器來實現(xiàn)阻抗匹配。獲得接近在3.1至4.9GHz的頻帶內(nèi)反射系數(shù)S11低于-10dB的要求特性的特性。
圖12示出當(dāng)在縫隙105上x＝0mm的位置加載200Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果。如圖12所示，在3.1至4.9GHz的頻帶內(nèi)，反射系數(shù)S11不低于-10dB。從該結(jié)果可以看出，即使當(dāng)在饋電部分附近加載電阻器107時，除非該電阻器具有適當(dāng)?shù)碾娮柚?，否則不能獲得要求的特性。
此外，在一個縫隙105上加載多個這種電阻器107提供調(diào)整阻抗匹配的自由度。例如，在縫隙105的中央附近的適當(dāng)位置加載多個電阻器107改善了天線特性。
圖13示出當(dāng)在縫隙105上x＝±0.6mm的各位置加載150Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果。該結(jié)果確認，與具有適當(dāng)電阻值的一個電阻器107相比，在一個縫隙105上加載的具有適當(dāng)電阻值的兩個電阻器107使反射系數(shù)S11的值在較寬的頻帶內(nèi)低于-10dB。這是因為，適當(dāng)加載兩個電阻器比適當(dāng)加載一個電阻器更有助于阻抗匹配。因此，可以在寬頻帶內(nèi)獲得良好的天線特性。
圖14示出在縫隙105上x＝±5mm的各位置加載150Ω的電阻器107時的S參數(shù)模擬結(jié)果。可以看出，當(dāng)電阻器107這樣遠離饋電部分103時，實現(xiàn)阻抗匹配的頻率范圍窄，因此，在3.1至4.9GHz的要求頻帶內(nèi)，不能獲得好的特性。通過將圖13和圖14所示的模擬結(jié)果進行比較可以看出，當(dāng)在縫隙105上加載多個電阻器107時，優(yōu)選在饋電部分103附近加載該多個電阻器107。
圖15示出在縫隙105上加載兩個電阻器的另一個例子產(chǎn)生的S參數(shù)模擬結(jié)果。在這種情況下，在縫隙105上x＝-0.6mm的位置加載100Ω的電阻器107，在縫隙105上x＝+2.5mm位置加載150Ω的電阻器107。因此，認為與在對稱位置加載兩個電阻器107相比，在相對于縫隙105的中央位置(或者饋電點103的位置)的非對稱位置適當(dāng)加載多個具有不同電阻值的電阻器107有助于以更高的自由度保證阻抗匹配。根據(jù)這些結(jié)果可以看出，當(dāng)要在縫隙天線的縫隙105上加載電阻器107時，因為特性根據(jù)電阻器107的加載位置和電阻值顯著變化，所以限制了加載電阻器107的方法；還可以看出，在適當(dāng)位置加載多個電阻器107在寬頻帶內(nèi)獲得良好天線特性方面是有效的。
此外，當(dāng)根據(jù)本實施例的縫隙天線用作UWB天線時，通過利用與用于發(fā)射和接收的耦合器(一對)具有相同構(gòu)成的天線來保證特性。
圖16示出在將UWB的發(fā)射和接收天線之間的距離設(shè)定為50mm，將z方向設(shè)定為各天線的縫隙105互相面對的方向，發(fā)射和接收天線之一沿x方向移動50mm并沿y方向移動50mm的情況下的S參數(shù)特性。
圖16示出即使當(dāng)移動發(fā)射和接收天線之一時，在規(guī)定技術(shù)規(guī)范的頻帶(3.1至4.9GHz)內(nèi)反射特性仍是-10dB或者更低，而且可以保證100Mbps或者更高的大容量通信。此外，盡管在此沒有說明，但是已經(jīng)確認，耦合特性處于允許以500Mbps模式進行發(fā)射的水平。還已經(jīng)確認，即使當(dāng)天線的朝向或者天線之間的角度發(fā)生變化時，仍可以獲得類似的天線特性。
在相同構(gòu)成的天線用作用于發(fā)射和接收的耦合器(一對)的情況下，擔(dān)心當(dāng)縫隙天線的縫隙105部分不互相對著時的效果。
圖17示出當(dāng)用于發(fā)送和接收的縫隙天線的縫隙105部分互相對著時的S參數(shù)特性。圖18示出當(dāng)接收側(cè)的縫隙天線的縫隙105部分相對于發(fā)射側(cè)的縫隙沿y方向移動-10mm時的S參數(shù)特性。
從圖17和圖18之間的比較可以看出，即使當(dāng)用于發(fā)射和接收的縫隙天線從縫隙天線的縫隙105互相正對著的配置變?yōu)榭p隙天線的縫隙105互相偏移10mm的配置時，在4GHz處耦合系數(shù)(S21)約降低-3dB，可以獲得要求的耦合特性。
如上所述，在根據(jù)本實施例的縫隙天線中，在饋電時橫跨縫隙產(chǎn)生的電場產(chǎn)生駐波并進行諧振，而且產(chǎn)生由橫跨縫隙加載的電阻器整形的電場駐波。因此，可以在寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配。其結(jié)果是，在UWB低頻帶(3.1至4.9GHz)內(nèi)，反射特性為-10dB或者更低。因此，根據(jù)本實施例的縫隙天線可以用作UWB天線。
根據(jù)本實施例的縫隙天線在UWB技術(shù)規(guī)范頻帶內(nèi)具有良好的特性，不受來自含有天線的設(shè)備內(nèi)的外圍電路的電磁波或者設(shè)備周圍的反射體的影響，不影響同一設(shè)備內(nèi)的高頻電路。此外，即使當(dāng)根據(jù)本實施例的縫隙天線在諸如DAN的超短距離區(qū)域內(nèi)應(yīng)用于無線電數(shù)據(jù)通信時，即使在超短距離，縫隙天線仍可以提供UWB天線的良好的反射特性和良好的耦合特性，并且可以避免包括天線的設(shè)備的反射和天線的接地板的反射的影響。
以上參考本發(fā)明的特定實施例對本發(fā)明進行了詳細說明。然而，顯然，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對實施例進行修改和替換。即，以說明性方式公開了本發(fā)明，而不能認為本說明書描述的內(nèi)容是限制性的。為了確定本發(fā)明的精神，應(yīng)考慮權(quán)利要求書。
本發(fā)明包含與2005年8月23日在日本專利局提交的日本專利申請JP 2005-241348有關(guān)的主題，該專利申請的全部內(nèi)容在此引用作為參考。
權(quán)利要求
1.一種縫隙天線，包括電介質(zhì)基底；導(dǎo)體圖案，其形成在所述電介質(zhì)基底的第一面上；接地層，其形成在所述電介質(zhì)基底的第二面上；饋電點，其布置在所述導(dǎo)體圖案的一側(cè)的大致中央處；微帶線，其從所述饋電點延伸到所述導(dǎo)體圖案的大致中央處；以及縫隙，其形成在所述接地層中，在所述縫隙橫跨所述電介質(zhì)基底的中心線的位置具有預(yù)定寬度，所述中心線穿過所述饋電點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縫隙天線，其特征在于，還包括金屬屏蔽殼，其沿所述導(dǎo)體圖案安裝。
3.一種縫隙天線，包括電介質(zhì)基底；導(dǎo)體圖案，其形成在所述電介質(zhì)基底的第一面上；接地層，其形成在所述電介質(zhì)基底的第二面上；饋電點，其布置在所述導(dǎo)體圖案的一側(cè)的大致中央處；微帶線，其從所述饋電點延伸到所述導(dǎo)體圖案的大致中央處；縫隙，其形成在所述接地層的大致中央處；以及金屬屏蔽殼，其沿所述導(dǎo)體圖案安裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的縫隙天線，其特征在于，還包括電阻器，其加載在所述縫隙上，使得所述電阻器的兩端接觸所述接地層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的縫隙天線，其特征在于，在所述縫隙的中央附近的適當(dāng)位置處加載一個或多個電阻器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的縫隙天線，其特征在于，在相對于所述縫隙的中央不對稱的位置處加載具有不同電阻值的多個電阻器。
7.一種超寬帶通信設(shè)備，其使用根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的縫隙天線。
8.一種信息設(shè)備，其含有使用根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的縫隙天線的超寬帶通信設(shè)備。
9.一種超寬帶通信系統(tǒng)，其在發(fā)射器和接收器中的每一個中使用根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的縫隙天線作為耦合器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種縫隙天線，包括電介質(zhì)基底；導(dǎo)體圖案，其形成在所述電介質(zhì)基底的第一面上；接地層，其形成在所述電介質(zhì)基底的第二面上；饋電點，其布置在所述導(dǎo)體圖案的一側(cè)的大致中央處；微帶線，其從所述饋電點延伸到所述導(dǎo)體圖案的大致中央處；以及縫隙，其形成在所述接地層中，在所述縫隙橫跨所述電介質(zhì)基底的中心線的位置具有預(yù)定寬度，所述中心線穿過所述饋電點。
文檔編號H01Q13/10GK1921221SQ200610111818
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者橋本有平 申請人:索尼株式會社