专利名称：具有阻止频带的宽频带天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在利用了宽频带的高速无线通信系统中所使用的天线。
背景技术：
作为利用了宽频带的高速通信系统存在UWB (Ultra. Wide. Band 超宽带)。UWB是使用3. IGHz 10. 6GHZ的频带宽度、将数据扩散到宽的频带并进行发送接收的通信系统。 该系统具有功耗少、抗干扰电波能力强、能够进行高速通信等特征，在各领域中受到关注。UWB是利用极宽的频带的通信系统，需要在其全频带内工作的天线。作为在宽频带内工作的贴片天线的例子，存在下述文献。专利文献1 日本特开2007-97115号公报
发明内容
图11是表示上述文献所示出的贴片天线的一个结构例的图，图(a)是立体图，(b) 是俯视图。该贴片天线由在基底(接地电极)91之上隔着规定的距离设置的供电元件(放射电极)94、以及隔着间隙93包围放射电极94的环状的无供电元件(无供电电极)92构成。无供电元件92通过多个短路引脚(连接电极)95-1至95-4与基底91连接。供电元件94与供电线97连接，该供电线97贯通设于基底91的孔96，且外导体与基底91连接。在设发送信号的中心频率的波长为λ的情况下，将供电元件94与基底91的间隔设为0.06λ 0.12λ，将沿着供电元件94的外周部的长度设为Ο. λ 0.2λ，将供电元件94的外周部与无供电元件92的内周部之间的距离设为0. 33 λ -0. 67 λ，将无供电元件94的宽度设为0. 05 λ -0. 1 λ。另外，通过将沿着无供电元件92的外周部的长度设为 0. 9 λ -1. 1 λ、将沿着无供电元件92的内周部的长度设定为0. 4 λ -0. 6 λ，频率带宽扩大， 能够实现十几％的频带率。UffB是使用3. IGHz 10. 6GHZ的宽带宽的通信系统，因此有可能与使用5GHZ频段的无线LAN等已有无线通信系统所利用的频带冲突。因此，UWB的发送装置需要具有避免与其它通信系统的干扰的结构、在上述无线LAN的例子中需要具有抑制5GHZ频段的放射的结构。以往采用了如下方法通过在UWB系统的发送装置中追加滤波器、狭缝等来抑制对应的频带。这些方法存在发送装置的结构变得复杂、且在UWB频带内指向性不稳定的问题。本发明提供一种天线，具备设在基底上的供电元件、以及以包围该供电元件的方式设在基底上并通过短路引脚与基底连接的无供电元件，该天线通过在短路引脚附近的无供电元件上设置狭缝，在期望的频带中形成阻止域。本发明是通过在构成宽频带天线的无供电元件上设置狭缝而抑制期望的频率带宽的放射的天线。因此，不需要在发送装置中附加用于抑制对应的频带的结构，能够得到稳定的发送特性。另外，通过改变狭缝的位置以及形状，能够任意地调整阻止域的中心频率、频带宽度、抑制率等。另外，本发明通过将供电元件的形状设为指数(EXP)曲线的旋转结构，能够实现低姿势且简单结构的天线。
图1(a)是表示本发明的宽频带天线的第1实施方式的整体的立体图，(b)是供电元件的图。图2(a)是第1实施方式的天线的俯视图，(b)是放大了其一部分的详细图。图3-1是表示测量了本发明的宽频带天线的特性的结构尺寸的图。图3-2是在第1实施方式的天线中频率为2GHZ的、(a)X_Y平面的放射图案的图、 (b)包含短路引脚的垂直面的放射图案的图、(c)与包含短路引脚的垂直面成45度的位置的放射图案的图。图3-3是在第1实施方式的天线中频率为SGHz的、(a)X_Y平面的放射图案的图、 (b)包含短路引脚的垂直面的放射图案的图、(c)与包含短路引脚的垂直面成45度的位置的放射图案的图。图3-4是在第1实施方式的天线中频率为12GHZ的、(a)X_Y平面的放射图案的图、 (b)包含短路引脚的垂直面的放射图案的图、(c)与包含短路引脚的垂直面成45度的位置的放射图案的图。图4-1 (a)是表示第1实施方式中的狭缝长度与频率特性的关系的史密斯圆图， (b)是输入阻抗的图。图4-2是表示第1实施方式中的狭缝长度与VSWR的关系的图。图4-3是表示第1实施方式中的狭缝长度与波长的关系的图。图5(a)是第2实施方式的天线的俯视图，(b)是放大了其一部分的详细图。图6-1是在第2实施方式的天线中频率为2GHZ的、(a)X_Y平面的放射图案的图、 (b)包含短路引脚的垂直面的放射图案的图、(c)与包含短路引脚的垂直面成45度的位置的放射图案的图。图6-2是在第2实施方式的天线中频率为SGHz的、(a)X_Y平面的放射图案的图、 (b)包含短路引脚的垂直面的放射图案的图、(c)与包含短路引脚的垂直面成45度的位置的放射图案的图。图6-3是在第2实施方式的天线中频率为12GHZ的、(a)X_Y平面的放射图案的图、 (b)包含短路引脚的垂直面的放射图案的图、(c)与包含短路引脚的垂直面成45度的位置的放射图案的图。图7-1 (a)是表示第2实施方式中的狭缝长度与频率特性的关系的史密斯圆图， (b)是输入阻抗的图。图7-2是表示第2实施方式中的狭缝长度与VSWR的关系的图。图7-3是表示第2实施方式中的狭缝长度与波长的关系的图。图8(a)是表示在第2实施方式中狭缝的宽度与频率特性的关系的史密斯圆图， (b)是表示VSWR-频率特性的图。图9-1是表示第2实施方式的狭缝的其它形状的图。
4
图9_2(a)是表示图9_1的狭缝的长度与频率特性的关系的史密斯圆图，2 (b)是表示VSWR-频率特性的图。图10-1 (a)是表示供电元件的形状的一个例子的图，图10-1 (b)是表示供电元件的形状与频率特性的关系的史密斯圆图。图10-2 (a)是表示供电元件的形状与频率特性的关系的VSWR-频率特性的图，图 10-2 (b)是表示 Xtl-VSWR 的图。图11(a)是宽频带天线的以往例子的立体图，图11(b)是俯视图。
具体实施例方式图1是表示本发明的具有阻止频带的宽频带天线的第1实施方式的图，图(a)是整体的立体图、(b)是供电元件的图。另外，图2(a)是第1实施方式的天线的俯视图，(b) 是放大了其一部分的详细图。图1 (a)所示的天线由基底17和在基底17之上隔着规定的距离设置的天线本体 10构成。直径为的供电元件14位于天线本体10的中央部，在供电元件14的周围设有电介质的基板12。另外，在基底17上设有贯通孔19，外导体与基底17连接的供电线18贯通该贯通孔19，与供电元件14的底部连接。在电介质基板12的上表面，从供电元件14隔着规定的间隙13设置有环状的无供电元件11。在无供电元件11的外周等间隔地设置有规定数量(在该实施方式中为4条) 的短路引脚15，无供电元件11和基底17通过该短路引脚15而连接。在各短路引脚15附近的无供电元件11上设有狭缝16。如图1(b)所示，供电元件14具有从基底17朝向无供电元件11扩大的对数曲线的旋转体的结构。旋转体的上表面的圆形表示为图1(b)的供电元件14。另外，供电线18 与该旋转体的下部连接。图2是图1中所示的第1实施方式的天线的俯视图。基底17是直径为Dep的圆盘。 在基底17之上隔着规定的距离设置有由无供电元件11、电介质基板12、供电元件14构成的天线本体10。直径为的供电元件14(图1 (b)中所示的旋转体的上表面)位于天线本体10 的中心部。从供电元件14的外周隔着规定的间隙13在电介质基板12的上表面设置有环状的无供电元件11。无供电元件11的内周的直径为Din,Hng，外周的直径为Dtm,Hng。在无供电元件11的外周等间隔地设置有4条短路引脚15-1至15-4，无供电元件 11通过该短路引脚与基底17连接。在各短路引脚附近的无供电元件11上设有狭缝16-1至16-4。图2 (b)是短路引脚15-1和狭缝16-1的附近的详细图。各狭缝的内侧和外侧是与无供电元件11同心圆的圆弧，长度是Lslit。另外，在与狭缝的中央部对应的无供电元件11的外缘设有短路引脚。图2(b)是表示设在无供电元件 11的外缘的短路引脚15-1位于圆弧状的狭缝16-1的中央的图。设狭缝的内缘和无供电元件11的外缘之间的距离为Sv。通过该结构的供电元件14-间隙13-无供电元件11的内周部-狭缝16_1_无供电元件11的外周部-短路引脚15-1-基底17，形成狭缝的长度Lslit与波长λ的约1/2相当的频率的谐振电路，该频率的分量不从放射元件14放射，成为阻止频率。图3-1是表示在本件发明的天线特性的测量中使用的结构尺寸的表。图3-2至图
3-4是在图1以及图2中所示的第1实施方式的天线中频率为2GHZ、8GHZ、12GHZ的放射图案的图。各图的(a)是X-Y平面、即平行于天线本体10的上表面的面(Φ)的放射图案。从该图观测到水平方向的放射在各频率中不受狭缝的存在的影响，在全方向上进行大致均勻的放射。各图的(b)和(c)是包含Z轴的垂直面(Θ)的放射图案，上方是天顶方向、下方是基底方向。各图的(b)是包含短路引脚的垂直面的放射图案，(c)是与(b)成45度的位置、即不存在狭缝的垂直面的放射图案。从该图可知在任意频率中，都是朝向天顶方向的放射为零，而在距离天顶方向约30度 60度的角度处为最大的放射。另外，基于狭缝的位置的放射图案的变化几乎没有，在全周范围内得到大致均勻的放射。图4-1至图4-3是在第1实施方式的天线中改变狭缝16的长度Lslit而测量到的频率特性(狭缝的宽度Wslit和从狭缝的内径到无供电元件的外周的距离Sv固定)。图4-1 (a)的(1)、O)、(3)(在图中用圆圈数字表示，下面相同)是Lslit为 (1)20. 43mm、(2) 23. 38mm、(3) 26. 72mm 时的史密斯圆图，(b)的(1)、(2)、(3)表示以横轴为频率的阻抗的实部，(4)、(5)、(6)(在图中用圆圈数字表示，下面相同)表示虚部。另外，图
4-2的⑴、⑵、(3)表示各Lslit的VSWR(电压驻波比)-频率特性。图4-3是表示Lslit为 26. 72mm时阻止频带的中心频率λ s为约4. 3GHZ的情况、以及λ s与Wsli0Lslit和Sv之比的图。从图4-1至图4-3可知当将Lslit加长为⑴、⑵、(3)时，阻止频带的中心频率反比例地向低域移动到约5. 4GHZ、4. 9GHZ、4. 3GHZ。图5是表示本发明的第2实施方式的图。在该实施方式中，设在无供电元件的各短路引脚附近的狭缝由L字型和反L字型的一对狭缝构成。图5 (a)是第2实施方式的天线的俯视图，图(b)是放大了一部分的详细图。在该图中与第1实施方式相同的结构部分附加与图2相同的符号。第2实施方式与第1实施方式同样地，在无供电元件11的外周等间隔地设有四个短路引脚35-1至35-4。在无供电元件11的各短路引脚附近设有L字型和反L字型的一对狭缝36-1至36-4。图5(b)是短路引脚35-1和狭缝36-1的附近的详细图。狭缝36_1由L字型的狭缝36-1-1和反L字型的狭缝36-1-2的一对狭缝构成。构成L字型以及反L字型的狭缝的两个边的第1边是与无供电元件11同心圆的圆弧。另外，所述两个边的第2边是从所述第 1边的一端起开口到无供电元件11的外缘的结构。短路引脚35-1设在L字型的狭缝36-1-1和反L字型的狭缝36_1_2的第2边的开口部所在的无供电元件11的外缘。图5(b)的狭缝36-1-1以及狭缝36_1_2的第1边的长度以&来表示，第2边的长度以Sv来表示，各狭缝的宽度以Wslit来表示。根据第2实施方式的结构，通过供电元件14-间隙13-无供电元件11的内周部-狭缝36-1-1 (以及、狭缝36-1-2)-无供电元件11的狭缝36_1_1和狭缝36_1_2之间的部位-短路引脚35-1-基底17，形成狭缝的长度SJSv与波长λ的约1/4相当的频率的谐振电路，该频率分量不从放射元件14放射，成为阻止频率。图6-1至图6-3是与第2实施方式中的图3-2至图3-4对应的测量结果。从图 6-1至图6-3的(a)所示的测量图观测到在各频率中不受狭缝的存在的影响，在水平方向的全方向上进行大致均勻的放射。另外，从该图的(b)以及(c)中所示的放射图案可知在各频率中向Z轴的天顶方向的放射为零、而在约30度 60度的角度处得到最大的放射，以及，基于狭缝的位置的放射图案的变化几乎没有，在全周范围内得到大致均勻的放射。图7-1至图7-3表示在图5中所示的第2实施方式的天线中使狭缝的长度 Lslit (SJSv)变化而测量到的频率特性(狭缝的宽度Wslit固定为0. 83mm)。图7-1 (a)的(1)、⑵表示将从狭缝的内径到无供电元件的外周的距离、即第2边的长度Sv设为2. 5mm、将第1边的长度Sl设为(1)8. 46mm以及(2)9. 16mm时的史密斯圆图， (b)的⑴和(2)表示以横轴为频率的阻抗的实部，(3)和(4)表示虚部。另外，图7-2的
(1)和(2)表示各S^的VSWR-频率特性。图7-3表示S^为8.46mm时阻止频带的中心频率 λ s为约5. 3GHZ的情况，以及该频率的波长与狭缝的各长度的关系。从图4-1至图4-3可知当使Sl变化为(1)、(2)且将Lslit设为8. 46mm、9. 16mm 时，阻止频带的中心频率为约5. 3GHZ、5. OGHz,与Lslit的增加成反比例地向低域移动。图8是表示在图5中所示的第2实施方式的天线中依次增加狭缝的宽度Wslit时 (作为结果，第2边的长度Sv也增加)的频率特性的图。图 8 (a)的(1)、(2)、(3)、(4)、(5)是 Wslit 为(1)0. 40mm、(2)0. 83mm、(3) 1. 24mm、 (4) 1.67mm、(5) 2. IOmm时的史密斯圆图，(b)表示各Wslit中的VSWR-频率特性。从该图可知当将Wslit加长为(1)、(2)、(3)、(4)、(5)时，阻止频带的中心频率fs向低域移动，并且阻止域的频带宽度增加。如图4-2以及图7-2中所示，通过加长狭缝能够使阻止频带的中心频率向低域移动。作为加长狭缝的方法，能够采用折返狭缝的结构。通过折返狭缝，能够加长Lslit (SJ以使阻止频带的中心频率向低域大幅地移动。图9-1是在图5所示的结构中通过折返L字型和反L字型的狭缝的第1边而将&设为Su+S『设为大致2倍的长度的图。图9-2 (a)的(1)、(2)、(3)、(4)、(5)是使 SL(SL1+SL2)变化为(1)5. 93mm、
(2)8.46mm、(3)9. 16mm、(4)15. 4mm、(5)23. 6mm 时的史密斯圆图，(b)是表示各 Sl 的 VSWR-频率特性的图。对图7-2和图9-2(b)进行比较时可知通过折返狭缝，S^变长为15.4mm、 23. 6mm,阻止频带的中心频率向低域大幅度地移动到3. 4GHZ、2. 9GHZ。本发明能够通过变更供电元件的形状而使阻止频带的特性变化。图10-1以及图 10-2是如下的供电元件的结构例，该供电元件能够调整阻止频带的特性、并且为低姿势且稳定的结构、能够得到稳定的特性。图10-1 (a)是表示实现上述目的的供电元件的形状的一个例子。该形状是将X_Z 面的P点(X1,0，Z1)和Q点(0，0，Z2)之间设为以χ = -x0exp [~t (Z-Z1) ]+X0+X!t = [In (1+Xl/X0) ] / [Z1-Z2]来表示的指数曲线，并使该曲线以Z轴为中心旋转而得到的旋转体。通过变更X(l、Xl、Zl以及Z2，供电元件14的形状变化，能够调整阻止频带的特性。
10-l(b)是 为(1)0.005、(2)0.001、(3)0. 0001 时的史密斯圆图。另外，图 10-2 (a)是与上述&对应的VSWR-频率特性图，图10-2 (b)表示&、阻止频带的中心频率以及VSWR的关系。从该图可知当将^设为固定值并加大^的值时，阻止域的衰减量增加。图1至图10-2所示的结构是在电介质基板12的中心部设置供电元件14、在其上表面设置无供电元件11的结构。在本发明的宽频带天线中，电介质基板12不是必需要素， 能够省略。在省略电介质基板12的结构中，能够采用无供电元件11和供电元件14通过短路引脚15-1至15-4(或者35-1至35_4)和供电线18而从基底17分离并固定的结构、或者通过其它支撑体从基底17分离并固定的结构。但是，通过在无供电元件11和基底17之间使用电介质，能够根据电介质的介电常数(er)将天线的大小小型化为[数学式1]
权利要求
1.一种宽频带天线，由设在基底之上的供电元件、隔着间隙包围所述供电元件的无供电元件以及将所述无供电元件与基底连接的多个连接引脚构成，其特征在于，在所述连接引脚附近的无供电元件上，具有生成阻止特定频率的放射的阻止频带的狭缝。
2.根据权利要求1所述的宽频带天线，其特征在于，所述供电元件和无供电元件是同心圆的形状，所述连接引脚等间隔地设置于无供电元件的外周。
3.根据权利要求2所述的宽频带天线，其特征在于， 所述狭缝是与无供电元件同心圆的圆弧。
4.根据权利要求2所述的宽频带天线，其特征在于，在设阻止频带的中心频率的波长为λ的情况下，所述狭缝的长度为约λ/2。
5.根据权利要求3所述的宽频带天线，其特征在于，在设阻止频带的中心频率的波长为λ的情况下，所述狭缝的长度为约λ/2。
6.根据权利要求2所述的宽频带天线，其特征在于， 所述狭缝是L字型和反L字型的一对狭缝。
7.根据权利要求6所述的宽频带天线，其特征在于，在设阻止频带的中心频率的波长为λ的情况下，所述L字型和反L字型的各狭缝的长度为约λ/4。
8.根据权利要求1 7中任意一项所述的宽频带天线，其特征在于， 将所述无供电元件设置于电介质基板面。
9.根据权利要求1 6中任意一项所述的宽频带天线，其特征在于，所述供电元件是从所述基底侧朝向所述无供电元件侧扩大的对数曲线的旋转体的结构。
10.根据权利要求9所述的宽频带天线，其特征在于， 所述对数曲线在点(X1,0，Z1)和点(0，0，ζ2)之间，为χ = ~x0exp [~t (Z-Z1) ] +Χ0+Χι t = [lnd+xi/xjviizfz^]。
全文摘要
本发明提供一种宽频带天线，在UWB等的宽频带通信系统中，能够阻止有可能与其它无线通信系统所利用的频率频段冲突的频率频段的放射。由基底(17)和在基底(17)之上隔着规定的距离设置的天线本体(10)构成。天线本体(10)由供电元件(14)和电介质基板(12)构成，在电介质基板(12)的上表面从供电元件(14)隔着规定的间隙(13)设有环状的无供电元件(11)。在无供电元件(11)的外周等间隔地设有规定数量的短路引脚(15)，无供电元件(11)和基底(17)通过该短路引脚(15)而连接。在各短路引脚(15)的附近的无供电元件(11)上设有狭缝16。通过在无供电元件(11)上设置狭缝(16)，在无供电元件(11)的狭缝附近形成通过其形状决定的频率的谐振电路，阻止该频率分量从供电元件(14)放射。
文档编号H01Q13/08GK102292872SQ20098015519
公开日2011年12月21日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年2月5日
发明者中野久松, 山崎俊一, 清水浩, 高桥文绪 申请人:日本安特尼株式会社