专利名称：双向印刷天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种简单而高度有效的印刷天线，该印刷天线具有向着与其印刷基底的表面相垂直的方向的双向辐射图。具体地，本发明涉及一种双向印刷天线，它适合于个人通信系统中的街道微网孔区的基站天线。
在诸如PHS(个人手持电话系统)中，所希望的是实现特别适合于其微网孔区的、高度有效的基站天线。对于这种微网孔区的基站天线，特别是具有沿着街道延伸的蜂窝区的街道微网孔区，具有沿着街道传播的辐射图形的双向天线，比通常的、在水平平面中具有全向辐射图形的杆状天线更适合。这是由于前者能够增大街道微网孔区的地区长度。另外，将许多天线附在沿着街道旁边的街道结构(例如电线杆)上，基站天线应该结构简单而且尺寸较小。为了满足这些要求，最适合的是印刷天线，诸如微带天线或平行板天线。
圆形或矩形共振腔式微带天线，可以从诸如I.J.Bahl and P.Bhartia，“Microstrip Antennas”Artech House，USA，1980中知道。由于该微带天线的一个表面必须被制成接地平面，该微带天线只具有从另一表面辐射的单向方向图。因此，为了利用微带天线提供具有来自天线基底的两个表面的双向辐射图，需要将它们叠置起来，以使它们的接地平面彼此相对，以合成两个微条天线的辐射图形。然而，这种构造使天线的结构变得复杂。另外，难于获得具有良好的对称性的双向辐射图形，因为在来自微带天线的辐射之间会有相位差。
另一种印刷天线，即平行板天线，也是已知的。这种天线是由一个基底和两个平行板组成的，这两个平行板具有相同的形状和尺寸，并被分别印刷在基底的两个表面上处于平面对称的位置处。
图1a是传统的平行板天线的立体图，图1b是显示形成在基底的前表面上的导体图案的平面图，且图1c是表示形成在基底的后表面上的导体图案的平面图。
在这些图中，标号11和12分别表示在电介质基底的两个表面上形成预定图案辐射部分导体(辐射板)。在基底13的前表面上，条形导体15的一端，经过条形导体14，与辐射板11相耦合。在基底13的后表面上，接地导体17的一端，通过带形导体16，与辐射板12相耦合。平行条形导体14和16组成了平衡的馈线，且条形导体15和接地导体17构成了不平衡的馈线。条形导体15的另一端与连接器18的中心导体(未显示)相连，且接地导体17与连接器18的接地导体(未显示)相连。
图2a和2b显示了图1a至1c中所示的上述传统平行板天线的辐射特性的测量结果。如图2a所示，这种天线的辐射图形在磁场平面(H平面)中是双向的。然而，如图2b所示，该辐射图形在电场平面(E平面)中变成全向或椭圆形的。在此情况下，E平面是与辐射板11和12垂直的垂直平面，且H平面是与辐射板11和12垂直的水平平面。图2a和2b的测量，是采用矩形聚四氟乙烯玻璃叠置基底13进行的，该基底的相对介电常数为2.55，厚度为1.6mm且尺寸约为10cm×10cm。另外，辐射板11和12被制成正方形且测量频率为2.2GHz。
如从以上描述可见，如图1a至1c所示的传统平行板天线，不能在H平面和E平面中同时呈现双向辐射特性。
因此，本发明的一个目的，是提供一种高辐射效率和高增益的印刷天线，它能够同时在磁场平面和电场平面中呈现出双向辐射特性。
根据本发明，上述目的是借助这样的双向印刷天线实现的，即该天线包括一个电介质基底，它具有大体平行的第一和第二表面；至少一对辐射单元导体，它们具有相同的形状和尺寸；每一对分别被设置在第一和第二表面上彼此相对的位置上；与各个辐射单元导体的至少一个边缘相耦合的供给电路；以及设置在第二表面上的接地导体。该接地导体，通过在辐射单元导体与该接地导体之间留出一个具有预定宽度的间隙，而覆盖了辐射单元导体的边缘之外的至少一个区域，而上述边缘与供给电路相连，并通过在辐射单元导体与该接地导体之间留出一个具有预定宽度的间隙，而覆盖与辐射单元导体的相对边缘之外的一个区域。该天线还包括第一条形导体，它被设置在第一表面上并与第一表面上的辐射单元导体相连；第二条形导体，它被设置在第二表面上，用于将第二表面上的辐射单元导体与接地导体相连。上述供给电路包括由接地导体和第一条形导体构成的不平衡馈线，和由第一和第二条形导体构成的平衡馈线。
在平行板印刷天线—它具有形成在电介质基底的两个表面上并处于平面对称位置的具有相同的形状和尺寸的辐射单元导体(辐射板)—中，接地导体作为辐射板中的一个而被形成在同一表面上，从而通过在该接地导体与辐射板之间留出一个间隙，而使它们不相互接触。因此，在E平面中的辐射图形成为双向的，且方向增益增大了。从而实现了具有较高增益的双向天线。另外，通过在其余的区域上形成这种接地导体，至辐射板的供给电路，借助基底上的不平衡微带馈线，很容易地设置。即，根据本发明，能够以简单的结构，提供一种印刷天线，它在E平面和H平面中都具有双向辐射图形，且能够提供更高的增益。因此，本发明能够提供一种双向印刷天线，它适合于个人通信系统中的街道微网孔区的基站天线。
接地导体最好通过在辐射板与接地导体之间留出具有预定宽度的间隙，而被设置在辐射单元导体周围。因此，特别是在带有多个形成在单个基底上的天线单元的阵列天线的情况下，这种接地导体的全区域覆盖，使得不平衡馈线的设置变得非常容易。
最好是多对辐射单元导体以阵列的形式被设置在基底上。
在根据本发明的一个实施例中，各个辐射板都被制成具有4条边的正方形。平衡馈线连到辐射板的一条边的中心。
在根据本发明的一个实施例中，每一个辐射板都被制成矩形，它具有长边和比长边短的短边。平衡馈线与辐射板的一条长边相连。因此，可以根据平衡馈线的特性阻抗，来自由选择馈入点，从而获得阻抗匹配。其结果，不需要额外的阻抗匹配部分，从而使电路的配置变得简单且尺寸小。这种技术，对于实现结构更为简单的双向辐射杆式天线，是非常有利的。
平衡馈线可以在偏离中心的位置与辐射板的长边相连。
在根据本发明的一个实施例中，该天线进一步包括至少一对没有馈入的无源单元导体(无源板)。这些无源板分别与辐射板相对。它们中的每一个都具有与辐射板的形状大体相同的形状，并位于与各个辐射板相距预定距离的位置处。因此，平行板之间的电场将得到辐射，使得辐射效率得到了很大的增加。
在根据本发明的一个实施例中，该天线进一步包括至少一个缝隙和设置在将要与该缝隙相交的第一表面上的第三条形导体。该缝隙由一条不平衡馈线进行馈入，而该不平衡馈线由第三条形连线和接地导体组成。因此，可以方便地获得具有简单结构的天线，该天线能够激励垂直和水平极化或者圆极化。
可以把多对辐射板和多个缝隙以阵列的形式设置在该基底上。在此情况下，缝隙的数目与辐射板对的数目相同。
在根据本发明的一个实施例中，不平衡馈线具有预定的线路长度和预定的线路宽度，从而使辐射板的激励相位和激励幅度被控制在所希望的相位和幅度。其结果，具有提供一种阵列天线，它具有所希望的辐射特性和简单的电路结构。
在根据本发明的一个实施例中，该天线进一步包括一个90°混合电路，该混合电路被插入在对辐射板进行馈电的不平衡馈线与对缝隙进行馈电的不平衡馈线之间。因此，能够提供结构简单的圆极化天线。
从以下对附图所示的本发明最佳实施例的描述，可以理解本发明的其他目的和优点。
图1a至1c显示了传统的平行板天线的例子；图2a和2b描述了图1a至1c的平行板天线的测量辐射特性；图3a至3e显示了根据本发明的印刷天线的第一最佳实施例；图4显示了图3a至3e的另一的测量辐射特性；图5显示了根据本发明的印刷天线的第二最佳实施例；
图6a和6b显示了根据本发明的印刷天线的第三最佳实施例；图7显示了图6a和6b所示的实施例的优点；图8显示了根据本发明的印刷天线的第四最佳实施例；图9a至9c显示了根据本发明的印刷天线的第五最佳实施例；图10a和10b显示了图9a至9c的天线的测量辐射特性；图11显示了根据本发明的印刷天线的第六最佳实施例；图12显示了根据本发明的印刷天线的第七最佳实施例；图13显示了根据本发明的印刷天线的第八实施例；图14显示了根据本发明的印刷天线的第九最佳实施例。
第一实施例图3a至3e显示了根据本发明的第一最佳实施例的天线结构，其中图3a是该天线的立体图，图3b是表示形成在其基底的前表面上的导体图案的立体图，图3c是表示形成在该基底的后表面上的导体图案的立体图，图3d是沿着图3b的D—D线的剖视图，且图3e是沿着图3b的E—E线的剖视图。
在这些图中，标号31和32分别表示形成在电介质基底33的两个表面上的矩形(例如正方形)辐射单元导体(辐射板)。这些板31和32具有相同的形状和尺寸，并位于基底33的相应表面上彼此相对的位置，即处于平面对称的位置。
在基底33的前表面上，除辐射板31外形成有条形导体34和35。条形导体35的一端，通过条形导体34，而与辐射板31的一边的大体中心相连接。在基底33的后表面上，除辐射板32外形成有条形导体36和接地导体37。接地导体37被形成在板32周围的其余整个区域，并在它们之间留出有预定宽度的间隙，如图3c所示。板32和接地导体37，通过形成在间隙的一个位置上的条形导体36，而彼此相连。
条形导体34和36位于基底33的相应表面上，彼此平行并且处于相对的位置上，即处于平面对称的位置上，因而构成了平衡馈线。条形导体35位于前表面的相应位置上，接地导体37被形成在后表面的该位置上，从而与接地导体37组成了一个不平衡馈线。条形导体35的另一端与连接器38的一个中心导体(未显示)相连，且接地导体37与连接器38的一个接地导体(未显示)相连。
辐射板31和32的长度(谐振长度)a，应该根据谐振频率考虑“边缘效应”，来得到确定。已知，由于“边缘效应”，这种天线的辐射板的长度在电气上似乎比其实际长度a长，这是由于电场从板的边缘的可能泄漏，且它将在与该较长长度对应的频率处谐振。这种“边缘效应”在诸如I.J.Bahl and P.Bhartia，“MicrostripAntennas”，P57，Artech House，USA，1980中，得到了描述。
在将辐射板31和32与平衡馈线34和36相连之前，根据该实施例，可能需要通过调节它们各自的阻抗，以使它们彼此一致，或者通过在它们之间插入一个阻抗匹配部分，而实现阻抗匹配。
由于辐射板31和32由分别形成在基底33的相对表面上的平行的馈线34和36馈电，这些板31和32以彼此相反的相位而受到激励。因此，可以沿着与印刷基底33的表面垂直的方向辐射电磁波束。
如上所述，如图1a至1c所示的传统的平行板天线，在E平面中具有如图2b所示的全向或椭圆形状的辐射图形。然而，根据该第一实施例，由于在基底33的后表面上，接地导体37被形成在片32周围的整个剩余区域上，且在它们之间留有具有预定宽度的间隙，所以E平面中的辐射图形变成双向的，且其方向增益得到了增大。因此，可以获得具有更高增益的双向天线。为了获得E平面中的双向辐射图形，不需要如图3c所示在板32的周围的整个剩余区域上形成接地导体37，而只需要在板32的与馈线36相连的边缘以外的区域和其与板32相对的边缘以外的区域上形成接地导体37，并在接地导体37与板32之间留出预定宽度的间隙。换言之，只要在沿着谐振长度方向在板32的边缘以外的区域中形成接地导体37，就已经足够了。
然而，如果象在上述实施例中那样在板32周围的整个剩余区域中形成了接地导体37，基底33上的微带馈线可以得到方便的分配。如将要描述的，特别是在带有形成在单个基底的多个天线单元的阵列天线的情况下，这种覆盖接地导体的整个区域覆盖，能够使馈线的设置变得非常容易。
图4显示了根据图3a至3e中所示的实施例的印刷天线的测量辐射特性。如图这些图中可见，该实施例的印刷天线能够提供在E平面中的双向辐射特性。这些特性的测量参数，与图2a和2b中所示的相同。即，基底33是聚四氟乙烯玻璃叠置基底，具有矩形形状，相对介电常数为2.55，厚度为1.6mm，且尺寸约10cm×10cm。另外，辐射板31和32是正方形的，且测量频率为2.2GHz。
根据该实施例的印刷天线的辐射图形、增益和VSWR特性，将根据接地导体37与辐射板32之间的间隙的宽度而变化。如果该间隙的宽度是无限的，即没有接地导体37的情况，则E平面中的辐射图形将是全向的，就象传统技术的天线那样。在设置了接地导体37且接地导体37与辐射板32之间的间隙变窄的情况下，E平面中的辐射图形将接近双向。因此，间隙的宽度是根据所希望的印刷天线辐射图形、增益和VSWR特性而确定的。实际上，该宽度可以被确定为等于或小于辐射板32的谐振长度a的约1/5，以获得所希望的双向辐射图形。
该天线的频带特性，取决于辐射板31和32之间的距离，而该距离对应于电介质基底33的厚度。因此，通过适当选择该厚度，可以得到所希望的频带特性。
如上所述，根据本发明的印刷天线，是通过在传统的平行板天线(它具有与微带天线不同的结构)中额外地形成具体的接地导体而构成的。即，微带天线由一个基底、形成在该基底的一个表面的整个区域上的接地平面导体、和形成在该基底的另一表面上的辐射单元导体构成，而传统的平行板天线由一个基底和两个平行板构成—这两个平行板具有相同的形状和尺寸并分别被形成在该基底的两个表面上处于平面对称的位置上。因此，根据本发明的天线，具有与带条天线和传统的平行板天线不同的结构和操作。如上所述，根据本发明，由于接地导体是在辐射板周围的整个剩余区域上形成的，且在它们之间留有预定宽度的间隙，因而能够提供简单的结构、在E平面和H平面中都有双向辐射图形的印刷天线。
在图3a至3e所示的实施例中，辐射板31和32被形成为正方形的。然而，根据本发明的印刷天线的这些板，可以被形成为正方形以外的各种形状的，诸如圆形、椭圆、矩形、多边形、三角形、环形或半盘形，就象传统的微带板天线那样。
另外，如在传统的微带板状天线中那样，可以根据本发明构成这样的天线，其辐射板从两个正交的馈电点进行馈电，从而具有两个极化，即还采用了一个90°混合电路以激发出右旋和左旋圆极化波，或者采用两个极化以作为分集式天线工作。
第二实施例图5显示了根据本发明的第二最佳实施例的天线结构。该实施例是排列在H平面中的多个天线单元(在图5所示的实施例中为四个)的阵列天线，其中每一个天线单元都与根据第一实施例的天线单元对应。
在该图中，标号51和52分别表示在电介质基底53的两个表面上形成的矩形(例如正方形)的四对辐射单元导体(辐射板)。这些板51和52的每一对都具有相同的形状和尺寸，并被形成在基底53的相应表面上彼此相对的位置上，即处于平面对称的位置上。
在基底53的前表面上，除辐射板51以外形成有四个条形导体54和分支条形导体55。条形导体55的各个分支端，经过各个条形导体54，而与各个辐射板51的一边的大体中心相连接。在基底53的后表面上，在辐射板52以外形成有四个条形导体56和接地导体57。接地导体57形成在各个板52周围的整个剩余区域上，且在它们之间留有预定宽度的间隙。板52和接地导体57，通过形成在间隙的位置处的相应条形导体56，而彼此相连。
条形导体54和56的每一个，都位于基底53的平行的相应表面上彼此相对的位置处，即处于平面对称的位置，因而构成了平衡馈线。条形导体55位于前表面上与形成在后表面上的接地导体57的位置相对应的位置处，因而与接地导体57构成了不平衡馈线。分支条形导体55的另一端与一个连接器58的一个中心导体(未显示)相连，且接地导体57与连接器58的一个接地导体(未显示)相连。虽然该实施例的阵列由四个天线单元组成，但单元的数目可以是两个或更多个。
由于辐射板51和52由分别形成在基底53的相对表面上的平行馈线54和56馈电，这些板51和52象上述第一实施例中那样受到相位彼此相反的激励。因此，可以沿着与印刷基底53的表面垂直的方向辐射电磁波束。
如可以从上述第一实施例中的单个天线单元的辐射图形假定的，根据第二实施例，由于在基底53的后表面上，接地导体57被形成在板52周围的整个剩余区域上且在它们之间留有预定宽度的间隙，因而在E平面中的辐射图形变成双向的，且方向增益增大。因此，可以获得具有更高增益的双向天线。另外，在H平面中的辐射图形，由于在H平面中的多个天线单元的阵列设置，而变得更具有方向性。
由于接地导体57被形成在板52周围的整个剩余区域上，因而采用不平衡馈线的馈电分配线路的分配可以更为容易。
已经描述了，来自根据该第二实施例的印刷天线的主电磁波束，沿着与印刷基底的表面垂直的两个方向辐射。然而，通过改变其排列在H平面中的每一个天线单元的激励相位和激励幅度，在H平面中的图案合成可以象在传统阵列天线中那样自由地进行。另外，根据本发明的天线的天线单元可以被排列在E平面中、可以在两维中设置、或者可以排列成球形或保角配置。
该第二实施例的其他构成、修正和优点，与图3a至3e中所示的第一实施例的相同。
第三实施例图6a和6b显示了根据本发明的第三最佳实施例的天线结构，其中图6a是该天线的立体图，且图6b是沿着图6a中的B—B线的剖视图。
在这些图中，标号61和62分别表示在电介质基底63的两个表面上的形成为矩形(诸如正方形)的辐射单元导体。这些板61和62具有相同的形状和尺寸，并处于基底63的各个表面上彼此相对的位置处，即处于平面对称的位置上。
在基底63的前表面上，除辐射板61以外形成有条形导体64和65。条形导体65的一端经过条形导体64而与辐射板61的一边的大体中心相连接。在基底63的后表面上，除辐射板62以外形成有条形导体66和接地导体67。接地导体67被形成在板62周围的整个剩余区域上，且在它们之间留有预定宽度的间隙。板62和接地导体67借助形成在间隙位置上的条形导体66彼此相连。
条形导体64和66位于基底63平行的相应表面上并处于彼此相对的位置，即处于平面对称的位置上，因而构成了平衡馈线。条形导体65位于前表面上与形成在后表面上的接地导体67相对应的位置处，因而与接地导体67一起构成了不平衡馈线。条形导体65的另一端与连接器68的一个中心导体(未显示)相连，且接地导体67与连接器68的一个接地导体(未显示)相连。
由于辐射板61和62由分别形成在基底63的相反表面上的平行馈线64和66馈电，这些板61和62以彼此相反的相位受到激励。因此，可以沿着与印刷基底63的表面垂直的方向辐射电磁波束。
与第一实施例中相同，由于接地导体67被形成在板62周围的整个剩余区域上，且在它们之间留有预定宽度的间隙，因而E平面中的辐射图形变成双向的，且方向增益增大了。因此，可以获得具有更高增益的双向天线。为了获得E平面中的双向辐射图形，不需要在板62的整个剩余区域上形成接地导体67，而是只需要在板62与馈线66相连的边以外的区域和与板62相对的边以外的区域上形成接地导体67，且在导体67与板62之间留有预定宽度的间隙。换言之，只要在沿着谐振长度在板62的边以外的区域上形成接地导体67，就足够了。
然而，如果象在上述实施例中那样在板62周围的整个剩余区域上形成了接地导体67，则基底63上的微带馈线可以得到方便的分布。特别是在由形成在单个基底上的多个天线单元组成的天线阵列的情况下，这种接地导体的全区域覆盖能够使馈线的设置变得非常方便。
该实施例与第一实施例的不同，在于额外设置了没有馈电的两个平行无源单元导体(无源板)69和70，它们与相应的辐射板61和62相对，从而增大了辐射效率。无源板69和70的每一个，都具有与辐射板61(62)相同的形状和尺寸，且位于与基底63相距预定距离(例如波长的1/10)的位置处。
在如图1a至1c所示的传统的平行板天线中，如果辐射板11和12之间的距离(电介质基底13的厚度)小，则电场将被俘获在这些平行的板之间，造成其辐射效率的降低。与此相反，如果该距离大于一定的值，则在无源板之间将产生更高的模式，因而不能获得所希望的辐射图形。另外，在馈电不平衡的情况下，辐射效率将被增大，但其双向特性将降低，即其向前的辐射图形将变得不同于其向后的辐射图形。
但在本实施例中，由于在距基底63预定距离处设置了与相应的辐射板61和62相对的两个平行无源板69和70，辐射效率能够得到增大。图7显示了带有和不带有无源板69和70的天线相对于无源板61和62(h/λ)之间的距离的增益特性的计算结果。如该图中所示，在没有无源板的情况下，当辐射板之间的距离h等于或小于大约为0.02波长(λ)时，电场将被俘获在平行的辐射板之间，因而辐射效率将被降低，造成增益的降低。然而，在额外设置了无源板69和70的情况下，当辐射板61和62之间的距离(h)等于大约0.01波长(λ)时，增益改善了约8dB。
传统的微带天线中采用不带有馈电的无源传导单元以扩大其频带，可以从例如T.Hori an N.Nakajima，“BroadbandCircularly Polarized Microstrip Array AntennawithCoplanar Feed”，Electronics and Communications in Japan，Part 1，Vol.69，No.11，1986中知道。然而，如上所述，根据本发明的天线的操作原理不同于这种微带天线，因而根据本实施例，采用了无源板69和70以增大其辐射效率，而不是扩大其频带。
另外，应该理解的是，即使将这种无源板附接在传统的如图1a至1c所示的平行板天线上，也不能获得E平面中的双向辐射特性。这是由于传统平行板天线的E平面辐射图形本身就是全向或椭圆图案的，因而在基底的表面平面(与E平面或H平面垂直的平面相平行的方向)辐射分量将得到保留。另一方面，由于根据该实施例的天线具有特定的接地导体67，因而不论是否带有无源板，都能够获得双向辐射特性。
虽然根据第三实施例的印刷天线只有一个天线单元，该实施例的构成原理可以被应用到具有多个天线单元的阵列天线。另外，通过改变各个天线单元的激励幅度和激励相位，可以象在传统的阵列天线中那样自由地进行图案合成。
第三实施例的其他组成、修正和优点，与图3a至3e中所示的第一实施例和图5中所示的第二实施例的大体相同。
第四实施例图8显示了根据本发明的第四最佳实施例的天线结构。该实施例是由在E平面中排列的多个(在图8所示的实施例中为四个)天线单元组成的阵列天线，其中每一个天线单元都是通过将根据第一实施例的天线单元的形状改变成条形而形成的。
在该图中，标号81和82分别表示在电介质基底83的两个表面上形成为条形的四对辐射单元导体(辐射板)。这些板81和82中的每一对，都具有相同的形状和尺寸，并处于基底83的相对表面上彼此相对的位置，即处于平面对称的位置。
在基底83的前表面上，除辐射板81之外形成有四个条形导体84和分支条形导体85。条形导体85的各个分支端，经过每个条形导体84，而与各个辐射板81的较长边(具有长度a)相耦合。在基底83的后表面上，除辐射板82之外形成有四个条形导体86和一个接地导体87。接地导体87被形成在各个板82周围的整个剩余区域上，且在它们之间留有预定宽度的间隙。板82和接地导体87，借助形成在间隙的位置处的相应条形导体86，而彼此相连。
条形导体84和86位于基底83的平行的相应表面上彼此相对的位置上，即处于平面对称的位置上，因而构成了平衡馈线。条形导体85位于前表面上与形成在后表面上的接地导体87所在位置相对应的位置上，因而与接地导体87一起构成了一条不平衡馈线。分支条形导体85的另一端与连接器88的一个中心导体(未显示)相连，且接地导体87与连接器88的一个接地导体(未显示)相连。虽然该实施例中的阵列是由四个天线单元组成的，单元的数目也可以是两个或更多。
在与上述实施例相同的情况下，辐射板的边的长度a和b大体彼此相等。即这些辐射板的每一个都是正方形的。然而，在第四实施例中，辐射板的边b的长度大于a的长度。如果所用的频带窄，则构成边长度b＜a的板是没有问题的。其理由如下。
辐射板的馈电点一般被确定在其边b的中心。这是由于，如果馈电点不在边b的中心，则在板中的电流将不仅与边a而且还与边b平行地流动。因此，在与长度b对应的频率处也发生谐振。然而，如果边长b被选择为比边长a短，则对应于长度b的谐振频率将与对应于长度a的所希望的谐振频率有很大的不同，其结果，这种谐振将对所要求的频带没有影响。
第四实施例利用了这种概念，即通过将辐射板81和82的两个边的长度a确定为与所希望的谐振频率相对应的谐振长度，并将其他两个边的长度b确定为短于长度a的长度，并借助平衡馈线85从具有长度a的边上偏离中心的点进行馈电。因此，这种天线在对应于长度a和b的谐振频率处都发生谐振，且能够被用作具有与长度a对应的谐振频率的天线，因为与长度b对应的谐振模式对所要求的谐振频带没有影响。
在板81和82的边a的中心点处的阻抗大体上为0Ω，并随着接近该边的端部而增大。在该边的端部，该阻抗将大体约300Ω。在传统的天线中，馈电是在长度为b的边上的一点进行的，以通过使电流沿着图8的箭头所示的方向流动，来提供与长度a对应的谐振频率。因此，在馈电点处的阻抗高，从而提供了阻抗匹配部分。这使得电路的结构复杂。
另一方面，根据该实施例，馈电能够在长度为a的边上其两端以外的一点上进行。这意味着馈电点能够根据平衡馈线的特性阻抗而自由选取，从而获得阻抗匹配。因此，不需要额外的阻抗匹配部分，从而使电路结构变得简单而小型化。这种技术对于实现根据本发明的印刷天线是非常有利的，因而能够以更为简单的结构提供双向辐射天线。
第四实施例的其他组成、修正和优点，与图3a至3e中所示的第一实施例和图5中所示的第二实施例大体相同。
第五实施例图9a至9c显示了根据本发明的第五最佳实施例，其中图9a是该天线的部分分解立体图和其部分放大立体图，图9b是沿着图9a的B’—B’线的剖视图，且图9c是表示其基底的前和后表面上的导体图案的平面图。
该实施例是图8所示的阵列天线的具体例子，它带有图6a和6b中所示的无源板并被设置在一个筒形天线罩中。
在这些图中，标号91和92分别表示形成在电介质基底92的两个表面上的条形辐射单元导体(辐射板)对。这些板91和92中的每一对，都具有相同的形状和尺寸，并处于基底93的相应表面上彼此相对的位置上，即处于平面对称的位置上，以构成一个天线单元。
在基底93的前表面上，除辐射板91之外，形成有条形导体94和分支条形导体95。条形导体95的各个分支端，经过各个条形导体94，在偏离中心的点与各个辐射板91的较长边相耦合。在基底93的后表面上，除辐射板92之外，形成有条形导体96和接地导体97。接地导体97被形成在各个板92周围的整个剩余区域上，且在它们之间留有预定宽度的间隙。板92和接地导体97，借助形成在间隙处的相应条形导体96，而彼此相连。
条形导体94和96位于基底93平行的相应表面上彼此相对的位置上，即处于平面对称的位置上，因而构成了平衡馈线。条形导体95位于前表面上与形成在后表面上的接地导体97的位置相应的位置上，因而与接地导体97一起构成了不平衡馈线。
与相应的辐射板91和92相应的成对平行无源单元导体对(无源板)99和100，被额外地设置，以增大辐射效率。无源板99和100每一个都具有与辐射板91(92)相同的形状和尺寸，并位于与基底93相距预定距离(例如波长的1/10)的位置处。这些无源板99和100分别被形成在辅助基底101和102上。
在基底93上形成有多个这些天线单元，且它们被容纳在筒形天线罩103中。分支条形导体95的另一端与连接器98从天线罩103伸出的一个中心导体(未显示)相连，且接地导体97与连接器98的一个接地导体(未显示)相连。
第五实施例的其他组成、修正和优点，与图6a和6b中的第三实施例以及图8中的第四实施例中的相同。
图10a和10b显示了根据该实施例的天线的辐射特性的测量结果，其中图10a表示了H平面中的辐射图形，且图10b显示了E平面中的辐射图形。图10a和10b的测量，是通过采用这样的聚四氟乙烯玻璃叠置基底93而得到的，即该基底被形成条形，具有2.55的相对介电常数，厚度为1.6mm且宽度为30mm。另外，辐射板的较短边的长度为约10mm，板之间的间隔约0.9波长，辐射板91和92以及无源板99和100之间的距离约10mm，且测量到的频率为2.2GHz。
由于多个天线单元在E平面中被排列成阵列，在该E平面中的辐射图形变得更具有方向性。另外，由于辐射板被形成条形，在H平面中的辐射图形变成双向的，并具有更宽的电磁波束宽度。
第六实施例图11显示了根据本发明的第六实施例的天线结构。该实施例是具有这样的结构的一种天线，即它是由双向条形板天线和双向缝隙天线的结合。
在该图中，标号111和112分别表示形成在电介质基底113的两个表面上的条形辐射单元导体(辐射板)。这些板111和112具有相同的形状和尺寸并被形成在基底113的相应表面上彼此相对的位置处，即处于平面对称的位置上。
在基底113的前表面上，除辐射板111之外形成有条形导体114和115。条形导体115的一端，经过条形导体114而与辐射板111的长边相耦合。在基底113的后表面上，除辐射板112之外形成有条形导体116和接地导体117，接地导体117被形成在辐射板112周围，且在它们之间留有预定宽度的间隙。辐射板112和接地导体117，通过形成在间隙位置处的条形导体116而彼此相连。
条形导体114和116位于基底113平行的相应表面上彼此相对的位置处，即处于平面对称的位置上，因而构成了平衡馈线。条形导体115位于前表面上与后表面上形成有接地导体117的位置相应的位置上，因而与接地导体117一起构成了一条不平衡馈线。条形导体115的另一端与连接器118的一个中心导体(未显示)相连，且接地导体117与连接器118和连接器126的接地导体(未显示)相连。
额外地设置了没有馈电的两个平行无源单元导体(无源板)119和120，以增大辐射效率。无源板119和120每一个都具有与辐射板111(112)相同的形状和尺寸，并位于与基底113相距例如波长的1/10的预定距离的位置处。
第六实施例与第三实施例的不同有两点。首先，在基底113上的一个区域—其中存在有处于与辐射板112相对准的位置处的接地导体117—之中，形成有条形的缝隙125。缝隙125的长度等于谐振长度以及辐射板111和112的长度。该缝隙125是通过在基底113的后表面上作为一个开口而除去这一条形区域，而形成的。接地导体117将被形成在整个剩余区域上。第二，在基底113的前表面上，形成有一个条形导体124，从而为接地导体117提供了一个微带(不平衡)馈线124。该条形导体124的一个端部跨过了缝隙125，且其另一端与连接器126的一个中心导体(未显示)相连。
根据该实施例，由于在基底113的后表面上的整个剩余区域上形成了接地导体117，因而缝隙125能够被设置在与辐射板112相同的平面中。另外，由于微带馈线124被设置在接地导体117的区域中，缝隙125的馈电能够变得更容易，因而可以相对于辐射板111和112独立地对缝隙125进行操作。在此情况下，板111和112将辐射垂直极化，且缝隙125将辐射水平极化。因此，可以实现共享的极化天线，并提供了采用垂直和水平极化的的分集式天线。
第六实施例的其他构成、修正和优点，与图6a和6b中显示的第三实施例和图8中显示的第四实施例的相同。
第七实施例图12显示了根据本发明的第七实施例的天线结构。该实施例是这样一种天线，即其中用于功率合成的90°混合电路被加到了图11所示的天线结构中—该天线结构通过结合双向条形板天线和双向缝隙天线而构成，从而能够辐射右旋和左旋圆极化波。
图12所示的天线，具有与图11所示的天线相同的结构，只是该天线具有90°混合电路127。因此，在图12中，与在图11中显示的第六实施例中类似的单元，由相同的标号表示。
在此实施例中，设计辐射板111和112的不平衡馈线(条形导体115)和缝隙125的不平衡馈线(条形导体124)的线路长度和线路宽度，从而使板和缝隙处的激励相位和激励幅度彼此一致。因此，借助该90°混合电路127，这些极化能够以90°的相位差被分别馈入正交极化(垂直和水平偏振)天线单元，因而能够激励出圆偏振。
在此实施例中90°混合电路127与电介质基底113相分离地得到安装。然而，在一种修正方案中，这种混合电路可以被形成在基底113上。
诸如交叉偶极子天线的传统圆极化天线，是由在E平面和H平面中具有不同辐射图形的两个垂直交叉天线构成的。因此，由于两个平面之间的辐射图形的不同，其椭圆度在主电磁波束方向以外的方向上变得很差，因而不能提供圆极化。另一方面，根据第七实施例的天线，能够使板111和112在E平面中的辐射图形和缝隙125在H平面中的辐射图形，以及板111和112在H平面中的辐射图形和缝隙125在E平面中的辐射图形，彼此分别大体相等。因此，在水平面中，能够在更宽的角度中获得优异的圆极化。但在垂直平面中，由于垂直和水平极化单元彼此相距较远，会产生“阵列效应”，使其椭圆度在主电磁波束方向以外的方向上变差。
在此实施例中，右旋和左旋圆极化，能够通过选择端口118或端口126作为馈电输入，而有选择地得到激励。因此，图12所示的天线，能够采用右旋和左旋圆极化用作分集式天线以及图11所示的天线利用垂直和水平极化用作分集式天线。
第七实施例的其他构成、修正和优点，与图11所示的第六实施例中的基本相同。
第八实施例图13显示了根据本发明的第八最佳实施例的天线结构。
该实施例是一种阵列天线的具体例子，该阵列天线带有多个如图11所示的板—缝隙结合天线单元，这些天线单元被设置在基底上并被设置在筒形天线罩中。
如该图中所示，在条形电介质基底133的两个表面上，分别有两对条形的辐射板(131)。另外，在基底133上，在一个区域中，其中接地导体存在于与形成在基底133的后表面上的辐射极相对准的位置上，形成有两个条形的缝隙135。在此实施例中，每一个辐射板131和每一个缝隙135，都沿着条形基底133交替地排列。
设置了与相应的辐射板131相对的、不带馈电的平行无源板对139和140，以增大辐射效率。这些无源板139和140分别被形成在辅助基底141和142上。
根据该第八实施例，这两组天线单元，其每一个都是双向条形板天线与双向缝隙天线的结合。虽然该实施例中的阵列是由两组天线单元构成，单元的数目可以是两个或更多。
第八实施例的其他构成、修正和优点，与图9a至9c显示的第五实施例和图11中显示的第六实施例的基本相同。
第九实施例图14显示了根据本发明的第九最佳实施例的天线结构。
该实施例是带有多个如图11所示的板—缝结合天线单元的阵列天线的具体例子，这些天线单元被设置在基底上并被容纳在一个筒形天线罩中，就象图13的实施例中那样。
如该图中所示，在条形电介质基底133的两个表面上分别有两对条形辐射板131。另外，在基底133上，在一个区域中，其中接地导体存在于与形成在基底133的后表面上的辐射板相对准的位置上，形成有两个条形的缝隙135。然而，在此实施例中，两对板131与沿着条形基底133的相应两个缝隙135相分离地设置。
设置了与相应的辐射板131相对的、不带馈电的平行无源板对139和140，以增大辐射效率。这些无源板139和140也分别被形成在辅助基底141和142上。这两组天线单元，被容纳在筒形天线罩143中，其每一个都是双向条形板天线与双向缝隙天线的结合。虽然该实施例中的阵列是由两组天线单元构成，单元的数目可以是两个或更多。
第九实施例的其他构成、修正和优点，与图13所示的第八实施例的基本相同。因此，在图14中，用相同的标号来表示与图13的第八实施例中类似的单元。
在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以实现本发明的很多很不同的实施例。应该理解的是，本发明不仅限于在本说明书中所描述的具体实施例，而只受到所附权利要求的限定。
权利要求
1.一种双向印刷天线，包括一个电介质基底，它具有大体平行的第一和第二表面；至少一对具有相同的形状和尺寸的辐射单元导体，每对所述辐射单元导体分别被设置在所述第一和第二表面上彼此相对的位置上；与每个所述辐射单元导体的至少一个边相连的馈电电路；设置在所述第二表面上的接地导体，所述接地导体覆盖了所述辐射单元导体与所述馈电电路相耦合的所述边以外的至少一个区域，和相对于所述辐射单元导体的相对边缘以外的一个区域，且在该辐射单元导体与该接地导体之间留有预定宽度的间隙；设置在所述第一表面上并与该第一表面上的所述辐射单元导体相连的第一条形导体；以及设置在所述第二表面上的第二条形导体，用于将该第二表面上的所述辐射单元导体与所述接地导体相连，所述馈电电路包括一条由所述接地导体和所述第一条形导体构成的不平衡馈线和一条由所述第一和第二条形导体构成的平衡馈线。
2.根据权利要求1的天线，其中所述接地导体被设置在所述辐射单元导体周围且在该辐射单元导体与该接地导体之间留有预定宽度的间隙。
3.根据权利要求1的天线，其中在该基底上多对所述辐射单元导体被排列成阵列。
4.根据权利要求1的天线，其中每个所述辐射单元导体被制成具有四条边的正方形，且其中所述平衡馈线与辐射单元导体的所述四条边中的一条的中心相连。
5.根据权利要求1的天线，其中每个所述辐射单元导体被制成矩形，它具有长边和短于该长边的短边，且其中所述平衡馈线与该辐射单元导体的所述长边之一相连。
6.根据权利要求5的天线，其中所述平衡馈线与该辐射单元导体的所述长边的偏离中心的点相连。
7.根据权利要求1的天线，其中所述天线进一步包括至少一对没有馈电的无源单元导体，这对无源单元导体分别与所述辐射单元导体相对，所述无源单元导体每一个都具有与辐射单元导体基本相同的形状，并位于与所述辐射单元导体相距预定距离的位置上。
8.根据权利要求1的天线，其中所述不平衡馈线具有预定的线路长度和预定的线路宽度，从而使所述辐射单元导体的激励相位和激励幅度分别被控制在所希望的相位和所希望的幅度。
9.根据权利要求2的天线，其中所述天线进一步包括至少一个缝隙和设置在将要与所述缝隙交叉的所述第一表面上的一个第三条形导体，且其中所述缝隙由一条不平衡馈线馈电，而该不平衡馈线由所述第三条形连线和所述接地导体构成。
10.根据权利要求9的天线，其中多对所述辐射单元导体和多对所述缝隙在该基底上被排列成阵列，且其中所述缝隙的数目与所述辐射单元导体的对数相同。
11.根据权利要求9的天线，其中所述辐射单元导体被制成矩形，它具有长边和短于所述长边的短边，且其中所述平衡馈线与辐射单元导体的所述长边之一相连。
12.根据权利要求9的天线，其中所述天线进一步包括至少一对没有馈电的无源单元导体，这对无源单元导体分别于所述辐射单元导体相对，所述无源单元导体每一个都具有与辐射单元导体大体相同的形状，并位于与每个所述辐射单元导体相距预定距离的位置上。
13.根据权利要求9的天线，其中所述不平衡馈线具有预定的线路长度和预定的线路宽度，从而使所述辐射单元导体的激励相位和激励幅度分别能够被控制在所希望的相位和所希望的幅度。
14.根据权利要求9的天线，其中所述天线进一步包括一个插入在用于对所述辐射单元导体进行馈电的所述不平衡馈线和用于对所述缝隙进行馈电的所述不平衡馈线之间的90°混合电路。
全文摘要
一种双向印刷天线，包括电介质基底，它具有大体平行的第一和第二表面；至少一对辐射单元导体，它们具有相同的形状和尺寸，其每一对分别被设置在第一和第二表面上彼此相对的位置处；一个馈电电路，它与每一个辐射单元导体的至少一个边相耦合；以及，设置在第二表面上的接地导体。该接地导体覆盖了辐射单元导体的该边以外的至少一个区域，和相对于辐射单元导体的相对边以外的一个区域，且在辐射元件导体与该接地导体之间留有预定宽度的间隙。
文档编号H01Q9/04GK1116779SQ9510717
公开日1996年2月14日 申请日期1995年6月13日 优先权日1994年6月13日
发明者掘俊和, 长敬三 申请人:日本电信电话株式会社