专利名称：平面天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种平面天线，更具体地说，涉及一种适用于形成在介电材料基片上以产生圆偏振波的天线的技术。
背景技术：
近年来，诸如汽车的车辆(移动物体)常常配备有高频段的GPS(全球定位系统)用天线或从卫星接收无线电波的卫星数字广播用天线。此外，移动车辆也需要安装用于发送和接收ETC(电子收费)系统用的无线电波和VICS(车辆信息通信系统)的无线电波信标的天线，所述ETC系统用于在高速公路和收费公路上自动收费，所述VICS用于提供车辆交通信息。
在上述要用移动车辆发送和接收的无线电波中，对于GPS无线电波、卫星数字广播用的卫星波和ETC无线电波，已使用了圆偏振波。在现有技术中，常常将接线天线(平面天线)用作圆偏振波的天线。
图1是示出现有技术中的平面天线的示例并且还示出日本特开2005-102183号公报中提供的平面天线的结构的示意性平面图。图1中示出的平面天线可以接收右旋圆偏振波，并且是按如下方式构成的在未示出的介电材料(透明膜)上形成正方形的环形天线(馈电元件)以及独立的线导体(不馈电元件)140，所述线导体140部分地弯曲以包括第一部分140A和第二部分140B，并且不连接到环形天线120。附图标记270表示作为连接馈电端子160、170和环形天线120的连接导体的连路导体，符号CP表示环形天线120的中心点。
此外，如图1所示，不馈电元件140设置在环形天线120外侧附近的区域。更详细地说，第一部分140A设置为平行于环形天线140，第二部分140B设置为平行于连接馈电端子160、170的中间点和与此中间点相对的顶点的直线。
参照日本特开2005-102183号公报第0069段的描述来说明此不馈电元件140的功能。没有配备不馈电元件140的环形天线120(特别是周长(天线导体的总长度)等于一个波长的环形天线120)只能接收垂直方向上的电场成分(水平成分)(即，不能理想地接收根据时间而改变电场方向的圆偏振波)，但是在环形天线120附近配备有不馈电元件140的情况下也可以接收圆偏振波的垂直成分。
即，可以用不馈电元件140的第二部分140B接收圆偏振波的垂直成分，并且用与环形天线120的天线导体相邻的第一部分140A将接收的垂直成分与环形天线120的天线导体耦合。结果，可以用环形天线120按同相状态接收圆偏振波的垂直成分和水平成分。换句话说，如果不馈电元件140仅由第二部分140B形成，则不能容易地将接收到的圆偏振波传送到环形天线120。因此，向不馈电元件140配备第一部分140A，从而将接收到的圆偏振波有效地传送到环形天线120。
也将例如在日本特开2005-72716号公报和1997-260925号公报中提出的技术用作现有技术中的天线结构。日本特开2005-72716号公报提出了一种由多个双环形天线元件形成的薄平面结构，并涉及一种从两个方向同时产生左旋圆偏振波和右旋圆偏振波的天线结构。
同时，日本特开1997-260925号公报的技术涉及如下的结构其中，在天线平面内在方形行天线内侧设置有小于该方形行天线的偶极天线、环形天线和平面天线，从而提供用多个天线的互相干扰形成的各天线的最优方向性。
然而，因为由于不馈电元件140的结构特性而使得到不馈电元件140的电场分布很弱，所以日本特开2005-102183号公报中提出的技术很难获得足够的圆偏振波特性。要考虑的原因在于，当在介电材料基片上简单地形成诸如偶极天线等的线天线时，主要在沿介电材料基片的平面部分的方向上形成波束，因此减少了在与介电材料基片的平面部分交叉的方向上(即厚度方向上)的辐射强度。
日本特开2005-72716号公报的技术旨在同时产生左旋圆偏振波和右旋圆偏振波。日本特开1997-260925号公报的技术旨在通过在狭窄位置内密集地或整体地提供多个天线而使得能够减小天线尺寸，并防止来自车辆内部的噪音。即，日本特开2005-72716号公报和1997-260925号公报并非旨在获得优异的圆偏振波特性。
发明内容
考虑上述问题提出了本发明，因此，本发明的目的是提供一种可以用简化结构获得优异圆偏振波的平面天线。本发明的平面天线不仅可以应用于诸如车辆等的移动物体，而且可以应用于例如针对设置在书店或图书馆的书架上的书的库存管理系统、POS系统以及用于防止从商店盗窃商品产品的安全系统等。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，作为由一对从馈电单元沿两侧伸展的一对辐射元件形成的偶极天线以及不平衡到平衡转换单元构成的平面天线，使用该平面天线，其中，基片的一个表面配备有第一辐射元件、连接到该辐射元件的第一馈电图案、以及第一不馈电环形式辐射元件(第一不馈电环型辐射元件)，并且，基片的另一表面配备有第二辐射元件、连接到该辐射元件的第二馈电图案、以及设置在第二辐射元件附近的第二不馈电环型辐射元件。
在一个实施例中，平面天线包括具有第一表面和第二表面的基片；第一辐射元件、连接到该辐射元件的第一馈电图案、以及设置在第一辐射元件附近的第一不馈电环型辐射元件，它们全部设置在基片的第一表面上；以及第二辐射元件、连接到该辐射元件的第二馈电图案、以及设置在第二辐射元件附近的第二不馈电环型辐射元件，它们全部设置在基片的第二表面上。
在本发明的一个方面，第一辐射元件和第二辐射元件形成偶极天线。
在本发明的一个方面，平面天线进一步包括对第一辐射元件和第二辐射元件中的至少一个的一部分设置的阻抗调节单元。
在本发明的一个方面，平面天线进一步包括通过改变该平面天线的第一馈电图案或第二馈电图案中的至少一个的图案宽度的一部分而形成的阻抗转换单元。
在本发明的一个方面，平面天线的第一馈电图案和第二馈电图案中的至少一个形成为以馈电侧为其底边并以辐射元件的馈电点为其顶点的三角形的形状。
在本发明的一个方面，平面天线的第一馈电图案和第二馈电图案中的至少一个形成为以馈电侧为其底边并以辐射元件的馈电点为其顶点的等腰三角形的形状。
在本发明的一个方面，其中，第一不馈电环型辐射元件和第二不馈电环型辐射元件中的至少一个进一步配备有用于调节与相邻辐射元件的间隔的调节单元。
在本发明的一个方面，平面天线进一步包括不平衡到平衡转换单元。该不平衡到平衡转换单元是第一馈电图案的一部分，并包括阻抗调节单元。第二馈电图案配备有通过改变该第二馈电图案的图案宽度的一部分而形成的阻抗转换单元。
图1是示出现有技术的平面天线的示例的示意性平面图。
图2是本发明的平面天线的结构图。
图3从正面看到的本发明的平面天线的详细结构图(a)和从背面看到的本发明的平面天线的详细结构图(b)。
图4是示出本发明的平面天线的Smith图的图。
图5是示出当调节短部(stub)长度时平面天线的Smith图的图。
图6A是示出当将图3的阻抗转换单元4的线宽度调节为4mm时平面天线的Smith图的图。
图6B是示出当将图3的阻抗转换单元4的线宽度调节为5mm时平面天线的Smith图的图。
图6C是示出当将图3的阻抗转换单元4的线宽度调节为6mm时平面天线的Smith图的图。
图7是示出本发明的圆偏振波用平面天线产品的结构的图。
图8A是示出图7的圆偏振波用平面天线产品的天线增益特性的图。
图8B是示出作为知道图7的圆偏振波用天线产品的阻抗匹配状态的参数的天线的VSWR(电压驻波比)特性的图。
图8C是示出从作为图7的圆偏振波用平面天线产品的天线获得的圆偏振波的轴比特性图。
图9是示出本发明的轴比调节用平面天线的结构的图。
具体实施例方式
由于本发明的平面天线是如上所述地构成的，因此可以产生在对于基片平面两侧的垂直方向上具有优异特性的圆偏振波，可以向标签等提供足够的无线电波，并且可以扩展通信距离。
通过消除诸如平衡一不平衡转换器或阻抗转换电路的电路(其为即使用同轴电缆供电也根据天线而不同的部件)，本发明的平面天线可以减少尺寸和费用。
通过将要使用的馈电图案定形为等腰三角形，本发明的平面天线能够对不平衡到平衡转换单元提供宽带特性。
参照附图来说明本发明的优选实施例。然而，这些优选实施例不限制本发明的技术范围。
对于本发明的优选实施例，对用于在对于基片两个表面的垂直方向上辐射圆偏振波的平面天线的结构说明如下。
图2是本发明的平面天线的结构图。
在基片7的表面上用偶极天线1、环形天线2和3、分开的平衡一不平衡转换器10、以及用于同轴电缆的连接端子8构成该平面天线。该偶极天线1由第一天线元件11和第二天线元件12形成。在第一天线元件11和第二天线元件12的一部分处形成短部9。环形天线2被设置为在其一短边处与第一天线11相邻近，并且被设置为使其长边沿基片7的平面上的第一天线元件11的直角方向。环形天线3被设置为在其短边处与第二天线元件12相邻近，并且被设置为使其长边沿第二天线元件12的直角方向。
这里说明的天线元件是辐射元件。
分开的平衡—不平衡转换器10由阻抗转换单元4、线路5以及三角形图案6形成。基片7例如由介电材料形成。
第一天线元件11和环形天线2形成在基片7的正面上，所述正面不同于其形成有第二天线元件12和环形天线3的背面。环形天线2、3分别被形成并设置在第一天线元件11和第二天线元件12的馈电点E的点对称位置并与第一天线元件和第二天线元件相邻近，并且与第一天线元件11和第二天线元件12电磁耦合。
在以上说明的平面天线结构中，当向偶极天线1馈电时，在z轴方向(与图2的纸张垂直的方向)辐射电场，从而偶极天线1具有一个交叉偏振成分，环形天线2、3具有另一交叉偏振成分，所述另一交叉偏振成分与所述一个交叉偏振成分在相位上延迟90度并且偏振波相差90度。
更详细地说，用偶极天线1产生具有Y轴方向的偏振波(水平方向)成分的电场(Ey场)。当此电场与环形天线2、3耦合时，电流在环形天线中流动。在此定时，由于环形天线2、3分别具有x轴方向上的长边，因此产生具有在x轴方向比在y轴方向加强更多的偏振波(垂直偏振波)的电场(Ex场)。
结果，产生了通过合成Ex场和Ey场而形成的电场，即圆偏振波(在此情况下，右旋圆偏振RHCP)场。换句话说，按如下方式设置上述平面天线使得作为不馈电环型天线元件的环形天线2、3产生与作为线天线元件的偶极天线1产生的偏振波(水平偏振波)交叉的交叉偏振波(垂直偏振波)。此外，环形天线2、3分别包括在与偶极天线1交叉的方向上延伸的线形部分作为矩形的长边，从而产生相关的垂直偏振波。
这里，通过分别调节环形天线2、3的形状(与偶极天线的连接部分的形状)、偶极天线1与环形天线2、3之间在y轴方向上的距离、以及在x轴方向上的位置，可以调节正交的交叉场成分的强度和相位，也可以使其近似为理想圆偏振波。稍后说明对偶极天线1与各环形天线2、3之间距离的实际调节。此外，参照图3a和3b来说明是否在基片7的正面或背面上安装除了形成图2的偶极天线的第一天线元件11和第二天线元件12以及环形天线2、3之外的元件。因此，这里不对此进行说明。
偶极天线1的全长大约是λ/2。在偶极天线1的馈电点附近的区域设置有短部9以用于调节阻抗，短部9调节从天线馈电点看到的天线阻抗。环形天线2、3具有一个波长的全长，由不馈电元件形成。分开的平衡一不平衡转换器10由三角形图案6、阻抗转换单元4和线路5形成，用于通过将从不平衡同轴电缆馈入的电力转换为平衡电力而向偶极天线1馈电。三角形图案6形成为以馈电侧为底边并以辐射元件的馈电点为顶点的等腰三角形的形状。因此，分开的平衡一不平衡转换器10能够具有宽带特性。
阻抗转换单元4的长度等于λ/4。
图3(a)是从正面侧观察的本发明的平面天线的更详细的结构图。图3(b)是从背面侧观察的本发明的平面天线的更详细的结构图。
图3(a)的平面天线的基片7的正面设置有长度为大约λ/4的第一天线元件11，环形天线2被设置为使其短边与第一天线元件平行并且长边处于与第一天线元件成直角的状态。设置有线路5、阻抗转换单元4、短部91以及用于同轴电缆的连接端子8。
此外，图3(b)的平面天线的基片7的背面设置有长度为大约λ/4的第二天线元件12，环形天线3被设置为使其短边与第二天线元件12平行并且其长边处于与第二天线元件12成直角的状态。设置有三角形图案6、短部92以及用于同轴电缆的连接端子8。
如图3(a)和图3(b)所示的这种平面天线分别产生沿与基片7的正面和背面垂直的方向的圆偏振波。
图4是本发明的平面天线的Smith图。
图4中的曲线A示出平面天线的输入阻抗根据频率的变化。Z41是当频率是800MHz时的阻抗。Z42是当频率是953MHz时的阻抗。Z43是当频率是1.1GHz时的阻抗。通过改变图3(a)和3(b)的短部91、92的长度，天线的电抗成分在垂直方向上如B地变化(从正值到负值)。此外，通过改变图3(a)的阻抗转换单元4的线宽度，天线的电阻成分在水平方向上如C地变化(从0到无穷大)。Z0是示出与馈电同轴电缆的阻抗相匹配的50Ω的阻抗的点。通过调节短部91、92和阻抗转换单元4，可以使平面天线的阻抗近似于与同轴电缆的特征阻抗50Ω相等的Z0。
图5示出当调节图3中的短部91、92的长度时平面天线的Smith图。
图5(a)到5(d)是当将短部91、92的长度改变为2mm、4mm、6mm和10mm时平面天线的Smith图。图5(a)到5(d)中的曲线A暗示平面天线的输入阻抗根据频率而变化。Z51是当频率是800MHz时的阻抗。Z52是当频率是950MHz时的阻抗。Z53是当频率是1.1GHz时的阻抗。Z0是与馈电同轴电缆的阻抗相匹配的50Ω的阻抗的点。这里，可以理解，当频率是950MHz时，假设在本发明中使用的平面天线的阻抗Z52减小为较低值。
图6A是当将图3的阻抗转换单元4的线宽度调节为4mm时平面天线的Smith图。图6B是当将图3的阻抗转换单元4的线宽度调节为5mm时平面天线的Smith图。图6C是当将图3的阻抗转换单元4的线宽度调节为6mm时平面天线的Smith图。
图6A到6C是当将阻抗转换单元4的线宽度调节为4mm、5mm和6mm时平面天线的Smith图。图6A到图6C中的曲线A示出平面天线的输入阻抗根据频率而变化。Z61是当频率是800MHz时的阻抗。Z62是当频率是950MHz时的阻抗。Z63时当频率是1.1GHz时的阻抗。Z0是具有馈电同轴电缆的特征阻抗50Ω的点。这里，可以理解，当增加阻抗转换单元的线宽度时，频率为950MHz时的阻抗Z62向左侧移动。
在制造产品之前，在试制阶段尝试参照图5和图6A到6C说明的调节。当在试制阶段确定了最佳平面天线图案时，以相同图案来大规模生产产品。
图7示出圆偏振波用平面天线产品的结构。
在该天线产品中，用由ABS树脂(介电常数εr＝3.0)形成的正面屏蔽器13和背面屏蔽器14覆盖其表面。与屏蔽器13、14一体地形成框15、16，并且框15、16被设置为接触平面天线71的正面和背面，以实现平面天线71与屏蔽器13、14之间的恒定间隔。按2.5mm的厚度形成屏蔽器13、14。将框15与平面天线71之间的间隔设定为4.75mm，而将框16与平面天线71之间的间隔设定为3.45mm。
图8A示出图7的圆偏振波用平面天线产品的天线增益特性。在此图中，可以理解，当频率是953MHz时天线的正面方向上的绝对增益大约是4dBi，如在箭头标记A的前端所指示的。图8B示出天线的VSWR(电压驻波比)特性，作为了解图7的圆偏振波用平面天线产品的阻抗匹配状态的参数。在此特性图中，可以知道天线馈电点阻抗与馈电线阻抗之间的匹配，并且也可以理解，当频率是953MHz时箭头标记B前端的VSWR值低至1.205。此外，图8C示出来自作为图7的圆偏振波用平面天线产品的天线的圆偏振波的轴比的特性。在此特性图中，也可以理解，当频率是953MHz时，箭头标记C的前端所指示的正面方向上的平面天线轴比特性为大约-3dB，并且本发明的平面天线示出了非常接近于圆的圆偏振波。
图9示出轴比调节用平面天线的结构。
当图9的各个元件与图2和图3中使用的元件相似时，使用相似附图标记来说明该元件。此外，只有在图9的平面天线与图2和图3的天线结构有所不同时才对其进行说明。
在偶极天线2、3中，通过调节到由第一天线元件11和第二天线元件12形成的偶极天线1的邻近距离，可以调节从天线辐射的圆偏振波的轴比。更具体地说，由类似于梯形物的多个短边图案来形成与环形天线2、3的偶极天线1相邻的短边。将这种梯形物的短边定义为轴比调节单元21。通过提取多个图案中的仅仅一个而剩下该短边。通过采用上述设计，可以在与平面天线的偶极天线的间隔方面调节环形天线2、3的短边。此外，通过从轴比调节单元21的多个图案中只剩下一个图案来设计短边，从而环形天线2与第一天线元件11之间的相邻间隔等于环形天线3与第二天线元件12之间的相邻间隔。
图9中示出的框15形成为类似于平面天线中的“#”的形状。
这里，认为可以将此平面天线像书挡一样垂直安装在图书馆或书店的书架中，以通过读取附于两侧相邻书本的标签而用于库存管理。
权利要求
1.一种平面天线，该平面天线包括基片，其具有第一表面和第二表面；第一辐射元件、连接到该第一辐射元件的第一馈电图案、和设置在所述第一辐射元件附近的第一不馈电环型辐射元件，它们全部设置在所述基片的第一表面上；以及第二辐射元件、连接到该第二辐射元件的第二馈电图案、和设置在所述第二辐射元件附近的第二不馈电环型辐射元件，它们全部设置在所述基片的第二表面上。
2.根据权利要求1所述的平面天线，其中，所述第一辐射元件和第二辐射元件形成偶极天线。
3.根据权利要求1所述的平面天线，该平面天线进一步包括为所述第一辐射元件和第二辐射元件中的至少一个的一部分设置的阻抗调节单元。
4.根据权利要求1所述的平面天线，该平面天线进一步包括通过改变所述平面天线的所述第一馈电图案或第二馈电图案中的至少一个的图案宽度的一部分而形成的阻抗转换单元。
5.根据权利要求1所述的平面天线，其中，该平面天线的所述第一馈电图案和第二馈电图案中的至少一个形成为以馈电侧为其底边并以辐射元件的馈电点为其顶点的三角形的形状。
6.根据权利要求1所述的平面天线，其中，该平面天线的所述第一馈电图案和第二馈电图案中的至少一个形成为以馈电侧为其底边并以辐射元件的馈电点为其顶点的等腰三角形的形状。
7.根据权利要求1所述的平面天线，其中，所述第一不馈电环型辐射元件和第二不馈电环型辐射元件中的至少一个进一步设置有用于调节与相邻辐射元件的间隔的调节单元。
8.根据权利要求1所述的平面天线，该平面天线进一步包括不平衡到平衡转换单元。
9.根据权利要求7所述的平面天线，其中，所述不平衡到平衡转换单元是所述第一馈电图案的一部分，并包括一阻抗调节单元。
10.根据权利要求8所述的平面天线，其中，所述第二馈电图案设置有通过改变该第二馈电图案的图案宽度的一部分而形成的阻抗转换单元。
全文摘要
本发明提供平面天线。所述平面天线包括基片，其具有第一表面和第二表面；第一辐射元件、连接到该第一辐射元件的第一馈电图案、和设置在所述第一辐射元件附近的第一不馈电环型辐射元件，它们全部设置在所述基片的第一表面上；以及第二辐射元件、连接到该第二辐射元件的第二馈电图案、和设置在所述第二辐射元件附近的第二不馈电环型辐射元件，它们全部设置在所述基片的第二表面上。
文档编号H01Q7/00GK101047283SQ20061016298
公开日2007年10月3日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年3月28日
发明者山雅城尚志, 马庭透, 安德雷·安德连科 申请人:富士通株式会社