專利名稱：天線、無(wú)線電裝置、設(shè)計(jì)天線的方法和測(cè)量天線工作頻率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線和使用它的無(wú)線電裝置，具體而言，涉及在電介質(zhì)基板上形成的平板天線。本發(fā)明還涉及設(shè)計(jì)天線和測(cè)量天線工作頻率的方法。
背景技術(shù)：
貼片天線具有平板天線的典型結(jié)構(gòu)。貼片天線使用在電介質(zhì)基板表面形成的矩形或者圓形金屬圖案作為輻射器，其中的金屬圖案在發(fā)送或接收的射頻信號(hào)上諧振。貼片天線使用基板背面形成的金屬膜作為接地電極。由于一般的貼片天線都具有背面上的接地電極，因此它們都呈現(xiàn)出無(wú)線電波朝著天線的表面(正面)方向輻射的方向性。因?yàn)檫@一特性，常常將貼片天線用于貼在設(shè)備或墻壁的表面，在朝向天線正面的方向發(fā)射和接收無(wú)線電波的應(yīng)用中。但是，當(dāng)貼片天線接地電極的尺寸很小的時(shí)候，對(duì)于正面方向的輻射天線的方向性不夠，因此會(huì)有一些無(wú)線電波向側(cè)面和后面泄漏，有可能導(dǎo)致干擾。
為了抑制貼片天線向側(cè)面和后面的不必要的輻射，常常采用高阻抗平面(HIP)、光子帶隙(PBG)或者電磁帶隙(EBG)。因?yàn)镠IP、PBG和EBG基本上具有類似結(jié)構(gòu)。
如同第6,262,495號(hào)美國(guó)專利中所描述的一樣，在EBG多邊形(例如六邊形)中，將金屬電極周期性地布置在電介質(zhì)基板的表面上，從而使這些金屬電極通過穿透電介質(zhì)基板的過孔里的連接材料，與電介質(zhì)基板背面形成的金屬膜實(shí)現(xiàn)電氣連接。在這種EBG里，由于上述結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出其中的電感器(L)和電容器(C)連續(xù)連接的電路的特性，因此通過這種表面?zhèn)鬟f射頻信號(hào)的時(shí)候，在一個(gè)特定頻率上會(huì)發(fā)生LC諧振，并且阻抗會(huì)變得很高。阻抗變得很高的頻率區(qū)域叫做帶隙。
當(dāng)這一現(xiàn)象與圖18A和18B所示的貼片天線30結(jié)合起來(lái)，從而將EBG布置在貼片天線30的附近，使貼片天線30的諧振頻率與EBG31的諧振頻率一致的時(shí)候，從貼片天線30側(cè)面輻射的射頻信號(hào)會(huì)因?yàn)镋BG 31的諧振效應(yīng)而衰減。結(jié)果，入射到貼片天線30的側(cè)面和后面的無(wú)線電波得到抑制，并且不必要的輻射也能得到抑制。在圖18B中，標(biāo)號(hào)32表示同軸電纜。Matsugatani等等在2003年8月第E86-C卷第8期的Institute Electronic，Information and Communicationand Engineers English Papers IEICE Trans.Electron中第1542～1549頁(yè)上的文章“Radiation Characteristics of Antenna with ExternalHigh-Impedance-Plane Shield”報(bào)告了上述結(jié)構(gòu)的詳細(xì)特性結(jié)果。
因此，通過結(jié)合EBG和貼片天線，天線可以具有很薄的形狀和優(yōu)良的方向性。但是，在上述結(jié)構(gòu)情形中，作為天線能夠使用的頻帶寬度會(huì)變窄。這一點(diǎn)歸因于貼片天線本身的工作原理。貼片天線利用電介質(zhì)基板上形成的金屬電極的諧振現(xiàn)象，由于從金屬電極的端部朝向電介質(zhì)的電場(chǎng)的限制現(xiàn)象(confining phenomenon)，會(huì)出現(xiàn)非常尖銳的諧振。結(jié)果，盡管輻射特性優(yōu)良，諧振頻率的寬度，也就是可以用于天線發(fā)射和接收的頻率寬度，也會(huì)變得非常窄。
此外，在結(jié)合貼片天線和EBG的情況下，貼片天線是建立在源自金屬電極幾何形狀的諧振現(xiàn)象這一基礎(chǔ)之上的，但是EBG則是建立在LC諧振現(xiàn)象這一基礎(chǔ)之上的。因此，需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)來(lái)使它們的諧振頻率互相一致。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有寬頻帶并且容易設(shè)計(jì)的天線，無(wú)線電裝置，設(shè)計(jì)這種天線的方法以及測(cè)量這種天線工作頻率的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，構(gòu)成具有第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層和LC諧振電路的一種天線。第一導(dǎo)電層在同一平面上具有互相相鄰并且隔開地布置的多個(gè)單元。第二導(dǎo)電層布置在通過電介質(zhì)距離所述第一導(dǎo)電層一預(yù)定距離處。LC諧振電路包括用于分別電氣連接所述第一導(dǎo)電層的那些單元和所述第二導(dǎo)電層的連接。所述LC諧振電路被構(gòu)造成在所述天線的工作頻率上具有在其中阻抗增大的諧振狀態(tài)。在所述多個(gè)單元的任意兩個(gè)相鄰單元的每一個(gè)中提供饋電部分。在發(fā)射期間，將功率饋送給饋電部分，從而使工作頻率的信號(hào)具有互相相反的相位。在接收期間，輸入所述兩個(gè)單元的工作頻率的信號(hào)是以互相相反的相位從所述功率饋送部分輸出的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，將上述天線用于具有功率分配/合成電路和處理電路的無(wú)線電裝置，所述處理電路進(jìn)行射頻信號(hào)的發(fā)射處理和接收處理中的至少一種處理。所述功率分配/合成電路產(chǎn)生相位互相相反的兩個(gè)分配后的輸出信號(hào)或者合成相位互相相反的兩個(gè)要合成的輸入信號(hào)。上述天線還用于具有電路部分進(jìn)行射頻信號(hào)的發(fā)射處理和接收處理中的至少一種處理的無(wú)線電裝置。所述電路部分裝在IC內(nèi)或者小尺寸封裝內(nèi)，并且通過用于外部連接的端子連接到所述饋電部分。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，上述天線是通過以下步驟設(shè)計(jì)出來(lái)的在所述天線的饋電部分處于開路狀態(tài)的條件下，計(jì)算天線表面上信號(hào)的反射相位，確定計(jì)算出來(lái)的反射相位處于從-90度到+90度的范圍內(nèi)的時(shí)候，所述天線的工作頻率，以及改變天線指標(biāo)，直到所確定的工作頻率變成需要的頻率。所述天線的實(shí)際工作頻率是按照以下步驟測(cè)量出來(lái)的讓所述天線的饋電部分進(jìn)入開路狀態(tài)；測(cè)量天線表面上信號(hào)的反射相位；以及確定測(cè)量出來(lái)的反射相位處于從-90度到+90度的范圍內(nèi)的時(shí)候，所述天線的工作頻率。


通過以下詳細(xì)描述，同時(shí)參考附圖，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。在這些附圖中圖1A是本發(fā)明第一實(shí)施例中天線的透視圖，圖1B是沿著圖1A里線段1B-1B的天線剖面圖；圖2是說(shuō)明用于計(jì)算天線工作頻率的模型結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3說(shuō)明反射相位的計(jì)算結(jié)果；圖4是說(shuō)明測(cè)量天線工作頻率的系統(tǒng)的示意圖；圖5A、5B、5C和5D是說(shuō)明用于研究單元數(shù)和反射系數(shù)之間關(guān)系的單元的平面圖；圖6是說(shuō)明貼片天線的平面圖，這個(gè)貼片天線是一個(gè)比較實(shí)例；圖7說(shuō)明饋電部分反射系數(shù)的頻率依賴性；圖8A是說(shuō)明單元中饋電部分位置的平面圖，圖8B說(shuō)明圖8A所示位置上反射系數(shù)的計(jì)算結(jié)果；圖9A和9B是說(shuō)明第一實(shí)施例中天線的變形的平面圖；圖10A和10B是說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施例的天線的透視圖；圖11是說(shuō)明第三實(shí)施例的天線的平面圖；圖12A是說(shuō)明本發(fā)明第四實(shí)施例中的天線的平面圖，圖12B是說(shuō)明在其上形成第二導(dǎo)電層的表面的平面圖，圖12C是沿著圖12A中線段12C-12C得到的剖面圖；圖13是說(shuō)明本發(fā)明第五實(shí)施例中的無(wú)線電裝置的框圖；圖14A是說(shuō)明本發(fā)明第六實(shí)施例中無(wú)線電裝置的IC的外圍(periphery)的平面圖；圖14B說(shuō)明沿著圖14A中線段14B-14B得到的剖面圖；圖15是作為無(wú)線電裝置電路結(jié)構(gòu)一個(gè)實(shí)例的RFID電路的框圖；圖16A是無(wú)線電裝置的變形的平面圖，圖16B是沿著圖16A的線段16B-16B獲得的剖面圖；圖17是說(shuō)明另一個(gè)變形的剖面圖；以及圖18A是傳統(tǒng)天線的平面圖，圖18B是沿著圖18A中線段18B-18B獲得的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
(第一實(shí)施例)
如圖1A和1B所示，天線100包括構(gòu)成第一導(dǎo)電層110的多個(gè)單元111，布置在距離第一導(dǎo)電層預(yù)定厚度T的第二導(dǎo)電層120，第一導(dǎo)電層110和第二導(dǎo)電層120之間的電介質(zhì)基板130，以及用于各自電氣連接多個(gè)單元111和第二導(dǎo)電層120的多個(gè)導(dǎo)電連接部件140。
第一導(dǎo)電層110具有導(dǎo)電材料制成的多個(gè)單元111。這些單元111布置在電介質(zhì)基板130同一平面上，互相相鄰但互相隔離。多個(gè)單元111的形狀和尺寸不受限制，只要能夠在相鄰單元111之間形成電容器。但是，如果所有單元在形狀和尺寸上基本相同，設(shè)計(jì)它們就變得容易。這些單元111的有效布置有助于小型化。
在這個(gè)實(shí)施例中，這些單元111在平面方向具有多邊形的形狀，相鄰單元111相對(duì)側(cè)邊之間的距離(間隙G)基本上相等。在這個(gè)實(shí)施例中，將正六邊形用作多邊形的形狀。因此，能夠有效地布置這些單元111。由于場(chǎng)分布比采用其它多邊形更加均勻，在相同布置中可以讓發(fā)射(接收)面積更大。
更加具體地說(shuō)，在電介質(zhì)130的一個(gè)表面上互相相鄰地布置12個(gè)正六邊形單元111，使得相對(duì)側(cè)邊之間的所有間隙都是恒定的。這樣的單元111可以通過對(duì)電介質(zhì)基板130上提供的金屬箔(例如銅箔)形成圖案并進(jìn)行絲網(wǎng)印刷而形成。單元111的數(shù)量和反射系數(shù)之間的關(guān)系將在以后描述。
第二導(dǎo)電層120由導(dǎo)電材料制成，布置在距離單元111形成的第一導(dǎo)電層110預(yù)定厚度T的位置處。在上面形成單元111，具有厚度t的電介質(zhì)基板130的表面的背面上，形成具有預(yù)定尺寸(平面方向)的第二導(dǎo)電層120，充當(dāng)GND。第二導(dǎo)電層120可以通過在電介質(zhì)基板130上施加提供的金屬箔形成，或者通過施加絲網(wǎng)印刷、CVD法之類形成。
電介質(zhì)基板130的材料及其厚度T不限于這些具體情況?？梢愿鶕?jù)天線100的設(shè)計(jì)指標(biāo)適當(dāng)設(shè)定。在這一實(shí)施例中，可以采用PPO(聚苯氧化物)樹脂制成的基板。將電介質(zhì)基板130兩面上放置的金屬箔之一構(gòu)圖形成單元111，將另一金屬箔用作第二導(dǎo)電層120。為了讓這些單元和第二導(dǎo)電層120實(shí)現(xiàn)電氣連接，在電介質(zhì)基板130上形成過孔，從每個(gè)單元111穿過到達(dá)第二導(dǎo)電層120，并且將連接部件140放置在過孔中(例如通過電鍍或者裝膏(paste filling))。在這個(gè)實(shí)施例中，在電介質(zhì)基板130上形成過孔，并且布置連接部件140，從而使連接部件140和單元111從中互相連接的位置之間的距離分別等于一個(gè)預(yù)定值(間距P)。更加具體地說(shuō)，連接部件140與具有正六邊形的單元111的中心連接。
由電介質(zhì)基板130上形成的單元111、第二導(dǎo)電層120和連接部件140形成一個(gè)LC諧振電路，也就是EBG。具體而言，在互相相鄰，具有間隙G的單元之間形成電容器(電容C)，并且通過連接部件140、第二導(dǎo)電層120和連接部件140，從單元111到單元111的電流路徑形成電感器(電感L)。將LC諧振電路(EBG)構(gòu)造成在天線的工作頻率上阻抗變高的諧振狀態(tài)。具體而言，將電介質(zhì)基板130的構(gòu)成材料(相對(duì)介電常數(shù))和厚度T、單元111之間的間隙G以及連接部件140和單元111之間在其中互相連接的位置之間的間距P設(shè)置為預(yù)先確定的值。
在這多個(gè)單元111中，給任意選擇的兩個(gè)相鄰單元111a中的每一個(gè)都提供一個(gè)饋電部分112。在發(fā)射期間，將具有工作頻率、互相之間相位相反的信號(hào)饋入饋電部分112。在接收期間，從饋電部分112輸出輸入兩個(gè)單元111a，具有工作頻率并且具有相反相位的的信號(hào)。
這兩個(gè)單元111a是被任意地選擇出來(lái)作為相鄰地布置的十二個(gè)單元111的中心。具體而言，在單元111a的右邊和左邊的每一邊對(duì)稱地布置五個(gè)單元111。在構(gòu)成平面的至少一個(gè)軸的方向上，在單元111a的左邊和右邊對(duì)稱地布置其它單元111的這樣一種結(jié)構(gòu)里，可以使場(chǎng)分布在這個(gè)軸的方向上均勻。單元111中饋電部分112的布置和反射系數(shù)之間的關(guān)系將在后面描述。
在天線100里，將LC諧振電路(也就是EBG)構(gòu)造為也作為天線工作。在平板天線(貼片天線)和EBG相結(jié)合的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)里，必須讓貼片部分和EBG部分的頻率一致。但是，由于可以通過讓單元111的諧振頻率與目標(biāo)頻率一致來(lái)簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)這一實(shí)施例的天線100，(不必分開設(shè)計(jì)EBG和平板天線)，因此這種天線的設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)容易。
由于天線100的諧振是建立在LC諧振現(xiàn)象的基礎(chǔ)之上的，因此與傳統(tǒng)平板天線尤其是貼片天線相比，可以提供具有更寬頻帶的平板天線。更進(jìn)一步，由于天線100是建立在EBG結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的，因?yàn)镋BG具有高表面阻抗的固有效果，因此能夠抑制從天線100的側(cè)邊和后面發(fā)生不必要的輻射。天線10具有所謂的偶極子結(jié)構(gòu)。
這一實(shí)施例的天線100具有與貼片天線和EBG結(jié)合起來(lái)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣的薄結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)單元111的布置，能夠具有優(yōu)良的方向性。
以上天線100可以按照以下方式來(lái)設(shè)計(jì)。
首先，如圖2所示，用一個(gè)模型結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算天線100的工作頻率。在計(jì)算機(jī)仿真程序里形成如圖2所示的一個(gè)虛擬立方空間，從基準(zhǔn)側(cè)邊S輸入一個(gè)射頻信號(hào)。將天線100放置在與基準(zhǔn)側(cè)邊S距離D的墻上。饋電部分112不與任何東西連接，處于開路狀態(tài)。改變射頻信號(hào)的頻率，通過計(jì)算機(jī)仿真獲得在天線100的表面反射以后，直到返回到基準(zhǔn)側(cè)邊S，從基準(zhǔn)側(cè)邊S輸入的信號(hào)的相位改變量。在這以后，通過消除對(duì)應(yīng)于從基準(zhǔn)側(cè)邊S到天線100表面的距離D的相位延遲，計(jì)算出天線100表面上的反射相位。作為計(jì)算機(jī)仿真程序，可以采用利用有限元法的電磁仿真程序。
圖3示出一個(gè)實(shí)際計(jì)算實(shí)例。計(jì)算的時(shí)候電介質(zhì)基板130的相對(duì)介電常數(shù)為9.8，厚度T為1.27毫米，間隙G為0.3毫米，單元111的間隔P為5.5毫米。圖3分別示出按照?qǐng)D5B所示布局的四個(gè)單元(長(zhǎng)短交替虛線)，按照?qǐng)D5C所示布局的八個(gè)單元(虛線)，以及按照?qǐng)D5D所示布局的十二個(gè)單元(實(shí)線)這些情形，包括按照?qǐng)D5A所示與饋電部分112連接的單元111a。
當(dāng)射頻信號(hào)的頻率升高的時(shí)候，天線100表面的反射相位從+180度變到-180度。在布置了單元111的一種結(jié)構(gòu)(EBG結(jié)構(gòu))中，發(fā)生LC諧振。當(dāng)阻抗升高時(shí)，反射相位的絕對(duì)值變小，并且在-90度到+90度之間取值。在第6,262,495號(hào)美國(guó)專利里公開了這些內(nèi)容。因此，可以將反射相位在這個(gè)范圍(從-90度到+90度)內(nèi)的頻率用作天線100的工作頻率。
如上所述，電介質(zhì)基板130的相對(duì)介電常數(shù)和厚度T，單元111的間隙G和間距P，以及單元111的數(shù)量都是臨時(shí)設(shè)置的，并且圖2所示的計(jì)算模型是在計(jì)算機(jī)仿真程序里建立的。下一步，確定如圖3所示，計(jì)算出來(lái)的反射相位特性在-90度到+90度的頻率范圍，以便基于臨時(shí)設(shè)置的參數(shù)獲得工作頻率范圍。當(dāng)工作頻率范圍包括目標(biāo)工作頻率的時(shí)候，設(shè)計(jì)工作就完成了，利用臨時(shí)設(shè)置的參數(shù)制造天線100。當(dāng)目標(biāo)工作頻率在上述工作頻率范圍之外的時(shí)候，改變以上參數(shù)的至少一個(gè)參數(shù)(例如間距P或者間隙G)，以重復(fù)以上計(jì)算，并且獲得能夠得到目標(biāo)工作頻率的參數(shù)。通過這樣利用計(jì)算機(jī)仿真，能夠確定天線100中的設(shè)計(jì)參數(shù)。
可以按著以下方式測(cè)量按照上述方式制造的天線100的工作頻率。按照慣例，作為利用比如網(wǎng)絡(luò)分析儀這種設(shè)備連接到天線饋電部分這種天線工作頻率的常用測(cè)量方法，通過改變頻率來(lái)測(cè)量天線饋電部分的反射系數(shù)。在天線的工作頻率中，輸入饋電部分的無(wú)線電波從天線輻射到空中，反射系數(shù)變小表明天線在有效地工作。因此，通過測(cè)量反射系數(shù)的頻率依賴性，可以將工作頻率確定在反射系數(shù)變小的一個(gè)點(diǎn)上。但是，利用這一方法，當(dāng)同軸電纜之類沒有直接連接到天線的時(shí)候，利用這種方法進(jìn)行測(cè)量是不可能的。例如，由于集成有天線和無(wú)線電模塊的設(shè)備被設(shè)計(jì)成天線與無(wú)線電模塊直接連接，因此很難利用這種測(cè)量方法，原因是同軸電路無(wú)法連接到天線上進(jìn)行測(cè)量。
因此，測(cè)量是利用圖4所示的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行的。利用具有兩個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò)分析儀10連接發(fā)射端11和接收端12。這樣放置這些裝置，從而使無(wú)線電波從發(fā)射端11輻射出來(lái)，這一信號(hào)進(jìn)入天線100，并且能夠在接收端12檢測(cè)到它的表面反射的信號(hào)。將吸波器13放置在發(fā)射端11和接收端12之間，防止發(fā)射端11發(fā)出的無(wú)線電波不在天線100處反射直接進(jìn)入接收端12。
已知因?yàn)殓R像電流效應(yīng)，無(wú)線電波在金屬板表面以180度的相位反射而與頻率無(wú)關(guān)。因此，利用上述測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量天線100的反射相位的頻率依賴性。實(shí)際測(cè)量是在天線100的饋電部分112不連接任何東西，處于開路狀態(tài)進(jìn)行的。下一步，為了進(jìn)行比較，將與天線100具有相同尺寸的金屬板14放置在其中測(cè)量天線100的位置，測(cè)量反射相位的頻率依賴性。利用金屬板14的測(cè)量數(shù)據(jù)校正天線100的相位。
通過這樣做，可以測(cè)量出天線100的表面反射相位，能夠?qū)嶋H測(cè)量圖3所示的數(shù)據(jù)一樣的數(shù)據(jù)。從這些測(cè)量數(shù)據(jù)，就象通過計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)一樣，通過確定反射相位特性在-90度到+90度的范圍之內(nèi)的頻率范圍，就能夠獲得天線的工作頻率。根據(jù)這一測(cè)量方法，不必用同軸電纜之類連接到制造出來(lái)的天線100上，讓饋電部分112開路，就能夠測(cè)量工作頻率。因此，在制造天線的時(shí)候進(jìn)行性能評(píng)估很容易。
關(guān)于圖5A、5B、5C和5D所示的單元111的各種布局研究了單元111的數(shù)量和反射系數(shù)之間的關(guān)系。在這些布局中的每一種布局里，計(jì)算的時(shí)候?qū)㈦娊橘|(zhì)基板130的相對(duì)介電常數(shù)選為9.8，厚度T為1.27毫米，單元111的間距P為5.5毫米，間隙G為0.3毫米。采用施加互相具有相反相位的射頻信號(hào)給兩個(gè)饋電部分112的饋電方法。在圖5B～5D里，采用對(duì)稱布置，其中兩個(gè)單元111a夾在其它單元111之間。
為了與圖5A～5D所示的天線100進(jìn)行比較，采用圖6所示的貼片天線。具體而言，在與電介質(zhì)基板130類似，相對(duì)介電常數(shù)為9.8，厚度為1.27毫米的基板21的一個(gè)表面上，在具有邊長(zhǎng)7.4毫米的一個(gè)正方形區(qū)域上放置貼片天線20。在距離貼片天線20底邊2.8毫米或更近的一個(gè)中心位置提供饋電部分22。在基板21的整個(gè)背面提供一個(gè)金屬電極(未示出)，從而將射頻信號(hào)饋送給饋電點(diǎn)22和金屬電極之間。
在這一研究中，為了將工作頻率與包括貼片天線20的現(xiàn)有技術(shù)(比較實(shí)例)的那些進(jìn)行比較，用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算出饋電部分112和22的反射系數(shù)的頻率依賴性。計(jì)算結(jié)果在圖7中示出。如上所述，在天線工作正在的狀態(tài)里，從饋電部分輸入的射頻信號(hào)被輻射到空中成為無(wú)線電波。因此，饋電部分的反射系數(shù)變得很小。一般而言，實(shí)際天線具有-10分貝或者更小的反射系數(shù)。從這個(gè)角度評(píng)估圖7中的結(jié)果的時(shí)候，作為比較實(shí)例的貼片天線20的實(shí)際頻率范圍是圖7中Fp表明的范圍，頻率寬度近似為70兆赫茲，相對(duì)帶寬為1.7％這樣一個(gè)非常窄的值，這個(gè)相對(duì)帶寬是通過將帶寬除以中心頻率獲得的。
另一方面，在這個(gè)實(shí)施例的天線100里，隨著單元總數(shù)的增加，饋電部分112的反射系數(shù)變得更小。例如，當(dāng)單元111的總數(shù)是8的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)獲得的實(shí)際反射系數(shù)在圖7中F8所示的范圍內(nèi)。這個(gè)時(shí)候，F(xiàn)8的頻率寬度范圍大約是325兆赫茲，相對(duì)帶寬為大約4.5％，它比貼片天線20的寬得多。當(dāng)天線111的總數(shù)進(jìn)一步增加到12的時(shí)候，頻率范圍表明實(shí)際反射系數(shù)擴(kuò)展到圖7中的F12，頻率寬度為大約500兆赫茲，相對(duì)帶寬為大約7.3％。
根據(jù)這一實(shí)施例的天線100，很顯然與比較實(shí)例相比，可以將天線100用于更寬的范圍。包括饋電部分112，至少有兩個(gè)單元。雖然依賴于構(gòu)成天線100的參數(shù)，但是如果單元111的總數(shù)是8或者更多，就可以將饋電部分112的反射系數(shù)設(shè)置成低于-10分貝，這個(gè)-10分貝是實(shí)際天線100的一個(gè)準(zhǔn)則。這樣，天線100能夠有效地工作。
在圖8A中示出的單元111a里饋電部分112的布局情況下，單元111a中饋電部分112的布置和反射系數(shù)之間的關(guān)系在圖8B中示出。構(gòu)成天線100的單元111具有圖5D所示的構(gòu)造。但是，圖8A只示出了單元111a具有饋電部分112。在單元111a里，它們的相應(yīng)饋電部分112是在用C1～C4表明的位置上提供的(條件C1～C4)。
對(duì)于這些條件C1～C4，象圖7一樣，利用不同的頻率計(jì)算出饋電部分112的反射系數(shù)。跟以上計(jì)算一樣，這一計(jì)算是在電介質(zhì)基板130的相對(duì)介電常數(shù)為9.8，厚度T為1.27毫米，單元111的間隙G為0.3毫米，間距P為5.5毫米的情況下進(jìn)行的。
如圖8B所示，在將饋電部分112放置在單元111a的中心位置的條件C2里，饋電部分112的反射系數(shù)很高，這表明天線100在有效地工作。在條件C3的位置處，發(fā)現(xiàn)有一點(diǎn)點(diǎn)改善。在條件C1里，也就是在單元111a的相對(duì)側(cè)邊的兩個(gè)相鄰單元(cell)的中心位置處，或者在條件C4里，也就是在條件C1的相對(duì)側(cè)邊對(duì)邊的中心位置處，如果布置了饋電部分112，就發(fā)現(xiàn)反射系數(shù)變得很小，天線100有效地工作。
在這一實(shí)施例的天線100里，不限于在兩個(gè)單元111a里提供的饋電部分112的位置。但是，如果饋電部分112分別是在兩個(gè)多邊形單元111a里互相相對(duì)的側(cè)邊的中心位置或者相對(duì)的頂點(diǎn)位置處，或者在通過兩個(gè)單元11a的中心點(diǎn)的直線與單元11a的邊緣交叉，并且跨過兩個(gè)單元111a之間的間隙G，位置關(guān)系互相相對(duì)的位置處，可以使饋電部分112的反射系數(shù)很小。這樣，天線能夠有效地工作。
在這個(gè)實(shí)施例中，示出了一個(gè)實(shí)例，這個(gè)實(shí)例布置在多個(gè)單元111的中心位置具有饋電部分112的單元111a，并且在單元111a的兩邊對(duì)稱布置其余單元111。但是，例如，如圖9A所示，在構(gòu)成平面的至少一個(gè)軸的方向上，可以在具有饋電部分112的兩個(gè)單元111a的兩邊對(duì)稱地布置其它單元111。在這種情況下，由于場(chǎng)分布向具有較少單元111的一邊傾斜，因此可以在至少一個(gè)軸的方向上提供目標(biāo)方向性。
在這個(gè)實(shí)施例中，如圖9A里所示，只是在具有饋電部分112的單元111a的左邊和右邊布置其余單元111，在這兩個(gè)單元的上邊和下邊都不布置單元111。但是，如圖9B所示，可以布置其它單元111，從而包圍這兩個(gè)單元111a的周邊。在這種情況下，可以使場(chǎng)分布更加均勻。
(第二實(shí)施例)在這個(gè)實(shí)施例中，單元111在平面方向的形狀是正方形。在正方形這種情況下，象正六邊形情況一樣，能夠有效地布置單元111。此外，還能夠降低制造成本，這是因?yàn)榕c其它多邊形形狀相比制造起來(lái)更加容易。
如圖10A所示，在將單元111布置成每個(gè)都具有饋電部分112的單元111a的側(cè)邊互相相對(duì)的構(gòu)造中，在相對(duì)側(cè)邊的中心或者在相對(duì)側(cè)邊對(duì)面的中心提供饋電部分112的時(shí)候，能夠降低饋電部分112的反射系數(shù)。也就是說(shuō)，天線100能夠有效地工作。如圖10B所示，在將單元111布置成每個(gè)都具有饋電部分112的單元111a的頂點(diǎn)互相相對(duì)的構(gòu)造中，在相對(duì)頂點(diǎn)或者在這些頂點(diǎn)對(duì)面的頂點(diǎn)提供饋電部分112的時(shí)候，能夠降低饋電部分112的反射系數(shù)。這樣，天線就能夠有效地工作。
其它構(gòu)造、操作和特性都類似于第一實(shí)施例中示出的天線100的。因此，可以按照第一實(shí)施例中研究的結(jié)構(gòu)相同的方式想出計(jì)算工作頻率的方法，測(cè)量工作頻率的方法，單元111的數(shù)量和反射系數(shù)之間的關(guān)系，以及饋電部分的位置和反射系數(shù)之間的關(guān)系。
(第三實(shí)施例)在這個(gè)實(shí)施例中，為了連接到外邊，在電介質(zhì)基板130上形成單元的表面上提供微帶線150，從而通過微帶線150將功率饋送給天線100。具體而言，在第一或第二實(shí)施例中的天線100里，在兩個(gè)單元111a的相對(duì)側(cè)邊(或者相對(duì)頂點(diǎn))對(duì)面的側(cè)邊的中心提供饋電部分112，并且布置這些單元，從而使具有饋電部分112的側(cè)邊或頂點(diǎn)不靠近其它單元111。微帶線150分別連接到饋電部分112的位置，并且連接到天線100(電介質(zhì)基板130)的外邊。將功率饋送給微帶線150，從而使射頻相位的信號(hào)互相相反。也就是說(shuō)，如果一個(gè)射頻信號(hào)的相位是0度，另一個(gè)的相位就是180度。這樣的微帶線150可以通過對(duì)電介質(zhì)基板130上提供的金屬箔(例如銅箔)進(jìn)行構(gòu)圖或者絲網(wǎng)印刷來(lái)形成。在這一實(shí)施例中，通過對(duì)電介質(zhì)基板130表面上的金屬箔進(jìn)行構(gòu)圖，在單元111的同一位置處形成微帶線150。
可以通過連接使用已有微帶線的射頻電路來(lái)使用微帶線150。使用公知的連接方法，可以將同軸連接器連接到微帶線150上，以便能夠連接同軸電纜。
(第四實(shí)施例)第四實(shí)施例中的天線100與第一和第二實(shí)施例具有許多共同部分。但是，在這個(gè)實(shí)施例中，為了連接到外邊，將同軸連接器160布置在電介質(zhì)基板130的背面(形成第二導(dǎo)電層120的那一面)，從而通過同軸連接器160將功率饋送給天線100。具體而言，在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中的天線100里，在電介質(zhì)基板130上對(duì)應(yīng)于饋電部分112的位置上提供通孔，同軸連接器160的芯線161通過這些通孔從電介質(zhì)基板130的背面穿到它的表面，用于與單元111a的饋電部分112的電氣連接(例如焊接)。連接點(diǎn)對(duì)應(yīng)于饋電部分112。為了防止饋送信號(hào)接觸第二導(dǎo)電層120，如圖12B所示，在布置芯線161的位置以及它們周圍的區(qū)域上不提供第二導(dǎo)電層。同軸連接器160的GND 162接觸第二導(dǎo)電層120。
將同軸電纜連接到同軸連接器160，饋送功率，從而使射頻信號(hào)的相位互相相反，也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)射頻信號(hào)的相位是0度的時(shí)候，另一個(gè)射頻信號(hào)的相位是180度。
(第五實(shí)施例)一般無(wú)線電發(fā)射/接收電路(處理電路)常常假定天線連接端是通過同軸電纜或者微帶線連接到天線的。因此，這一實(shí)施例的無(wú)線電裝置200通過功率分配/合成電路201將天線端分成具有互相相反相位的兩個(gè)信號(hào)。分出來(lái)的信號(hào)又一次通過同軸電纜和微帶線150傳播，連接到第三(第四)實(shí)施例的天線100。替代功率分配/合成電路201，可以采用通常用來(lái)將功率從同軸電纜饋送給偶極子天線之類的對(duì)稱-不對(duì)稱變換器。在圖13中，采用了第三實(shí)施例中示出的天線100(圖11)。
這一實(shí)施例的無(wú)線電裝置200包括天線100、功率分配/合成電路201以及針對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行發(fā)射處理和接收處理中至少一樣處理的處理電路202。功率分配/合成電路201產(chǎn)生相位相反的兩個(gè)功率分配后的輸出信號(hào)或者合成兩個(gè)要合成的輸入信號(hào)。因此，天線100中必需的，施加具有互相相反的相位的信號(hào)的饋電方法，是通過這一功率分配/合成電路201實(shí)現(xiàn)的，因此能夠提供包括具有寬頻帶的天線100的小尺寸的無(wú)線電裝置200(例如收發(fā)信機(jī))。處理電路202可以具有公知的電路結(jié)構(gòu)，例如，包括濾波器、本地發(fā)射機(jī)、變頻部分、放大器、檢波電路等等。
(第六實(shí)施例)在這個(gè)實(shí)施例中的無(wú)線電裝置200里，如圖14A和14B所示，針對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行發(fā)射處理和接收處理中至少一樣處理的電路部分裝在集成電路(IC)210或者小尺寸的封裝內(nèi)，并且安裝在天線100的表面。
具體而言，IC 210具有能夠輸入輸出相位相反的信號(hào)的兩個(gè)饋電端子210a，其中的IC 210是用于RFID(射頻標(biāo)識(shí))的ID的IC(標(biāo)簽的IC)。天線100可以具有與第一和第二實(shí)施例相關(guān)的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，在圖1所示結(jié)構(gòu)的天線100里，在兩個(gè)單元111a的相對(duì)側(cè)邊的中心提供饋電部分112。將IC 210布置在兩個(gè)單元111的表面，跨接在間隙G上，分別將端子210a連接(例如焊接)到饋電部分112。但是，在這種結(jié)構(gòu)里，在一個(gè)大范圍上布置IC 210的時(shí)候，IC 210的工作產(chǎn)生的電場(chǎng)有可能影響天線100(或者天線100影響IC210)。因此，當(dāng)無(wú)線電裝置200的IC 210的長(zhǎng)度幾乎等于間隙G的時(shí)候獲得特別好的效果，在這種情況下，可以產(chǎn)生集成了天線100例如RFID標(biāo)簽的小尺寸無(wú)線電裝置200。
圖15所示的電路是屬于公知技術(shù)的一般RFID標(biāo)簽的電路，它通過整流電路212對(duì)天線100收到的射頻信號(hào)整流，將它用作電源驅(qū)動(dòng)整個(gè)RFID標(biāo)簽，將這一電源提供給調(diào)制電路212，基于響應(yīng)信號(hào)控制晶體管213，并且從天線100發(fā)送出響應(yīng)信號(hào)。這些組件構(gòu)成IC210。許多RFID電路都假定一對(duì)輸出端子直接連接到偶極子天線供使用。因此，可以將相應(yīng)的端子不可改變地用于與第一和第二實(shí)施例相關(guān)的天線，它們通過相位相反例如0度/180度的信號(hào)饋電。
在這個(gè)實(shí)施例中，示出了在單元111的表面上安裝IC 210的實(shí)例。但是，如圖16A和16B所示，可以將IC 210安裝在電介質(zhì)基板130的第二導(dǎo)電層120的同一個(gè)表面(也就是背面)上，從而通過用于在電介質(zhì)基板130上提供的過孔內(nèi)饋電141的連接部件將端子210a分別連接到饋電部分112。如圖16B所示，在電介質(zhì)基板130的背面，提供了與連接部件141電氣連接用于饋電的連接位置121，并且IC210的端子210a連接到連接位置121。在連接位置121和第二導(dǎo)電層120之間提供電氣絕緣區(qū)域，以便在IC 210的端子210a連接到連接位置121的時(shí)候，限制端子210a和第二導(dǎo)電層120互相接觸。在這種結(jié)構(gòu)里，將IC 210安裝在電介質(zhì)基板130的背面。因此，雖然這一構(gòu)造在結(jié)構(gòu)上比圖14所示的構(gòu)造更加復(fù)雜，但是仍然能夠降低IC210工作期間對(duì)天線100的影響(或者天線對(duì)IC 210的影響)。因此，將IC 210安裝在封裝內(nèi)的電子部分以及比圖14所示構(gòu)造略大的無(wú)線電通信電路以及天線100可以集成起來(lái)。
本發(fā)明不限于這些具體實(shí)施例，而是可以以各種方式進(jìn)行修改和改變。
在上述實(shí)施例中，采用電介質(zhì)基板130作為電介質(zhì)。但是，在第一導(dǎo)電層110(每一單元111)和第二導(dǎo)電層120之間布置電介質(zhì)的時(shí)候，基板不是絕對(duì)必要的。即使沒有任何基板用于支撐第一導(dǎo)電層110和第二導(dǎo)電層120，在通過連接器140能夠使第一導(dǎo)電層110(每個(gè)單元111)和第二導(dǎo)電層120維持(例如通過沖壓之類整體成型)所需要的結(jié)構(gòu)的時(shí)候，可以采用氣體131(例如空氣)，如圖17所示。
在這些實(shí)施例中，單元111的形狀采取正六邊形和正方形。但是，也可以采用三角形。在這些多邊形中，也可以采用圓形，以及具有波形相對(duì)表面以節(jié)省電容器表面面積的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種天線，包括第一導(dǎo)電層，在同一平面上具有多個(gè)單元互相相鄰并且隔開地布置；第二導(dǎo)電層，布置在通過電介質(zhì)距離所述第一導(dǎo)電層一預(yù)定距離處；以及LC諧振電路，包括用于分別電氣連接所述第一導(dǎo)電層的那些單元和所述第二導(dǎo)電層的連接，其中所述LC諧振電路被構(gòu)造成在所述天線的工作頻率上具有在其中阻抗增大的諧振狀態(tài)，其中在所述多個(gè)單元的任意兩個(gè)相鄰單元的每一個(gè)中提供饋電部分，其中，在發(fā)射期間，將功率饋送給饋電部分，從而使工作頻率的信號(hào)具有互相相反的相位，并且其中，在接收期間，輸入所述兩個(gè)單元的工作頻率的信號(hào)是以互相相反的相位從所述饋電部分輸出的。
2.如權(quán)利要求1所述的天線，其中所述多個(gè)單元全部具有基本上相同的形狀和尺寸。
3.如權(quán)利要求2所述的天線，其中所述多個(gè)單元的形狀是多邊形，并且相鄰單元的相對(duì)側(cè)邊之間的距離全部基本上相等。
4.如權(quán)利要求3所述的天線，其中所述多個(gè)單元全部是正六邊形的。
5.如權(quán)利要求3所述的天線，其中所述多邊形是正方形。
6.如權(quán)利要求3所述的天線，其中，在所述兩個(gè)相鄰單元中，所述多個(gè)饋電部分是分別在互相相對(duì)的側(cè)邊的中心位置或者相對(duì)的頂點(diǎn)位置提供的。
7.如權(quán)利要求3所述的天線，其中所述饋電部分是在平面方向上通過所述兩個(gè)相鄰單元的中心點(diǎn)的直線與所述單元的邊緣交叉，并且在跨過所述兩個(gè)相鄰單元之間的間隙位置關(guān)系互相相對(duì)的位置上提供的。
8.如權(quán)利要求1所述的天線，其中所述多個(gè)單元的數(shù)量為8個(gè)或更多。
9.如權(quán)利要求1所述的天線，其中，在構(gòu)成平面的一條軸線方向上，其它多個(gè)單元關(guān)于所述兩個(gè)相鄰單元對(duì)稱地布置。
10.如權(quán)利要求1所述的天線，其中，在構(gòu)成平面的一條軸線方向，其它多個(gè)單元關(guān)于所述兩個(gè)相鄰單元非對(duì)稱地布置。
11.如權(quán)利要求1所述的天線，其中將其它多個(gè)單元布置成圍繞所述兩個(gè)相鄰單元的周邊。
12.如權(quán)利要求1所述的天線，其中所述電介質(zhì)是電介質(zhì)基板，并且在與所述第一導(dǎo)電層所在的同一表面上提供微帶線，以及其中所述多個(gè)饋電部分通過所述微帶線分別連接到所述天線的外邊。
13.如權(quán)利要求1所述的天線，其中所述電介質(zhì)是電介質(zhì)基板，并且在與所述第二導(dǎo)電層所在的同一表面上布置兩個(gè)同軸連接器，以及其中所述同軸連接器的芯線通過所述電介質(zhì)基板中提供的通孔分別連接到所述饋電部分。
14.一種無(wú)線電裝置，包括如權(quán)利要求1～13中任意一個(gè)所述的天線；功率分配/合成電路；以及處理電路，該處理電路進(jìn)行射頻信號(hào)的發(fā)射處理和接收處理中的至少一種處理，其中所述功率分配/合成電路產(chǎn)生相位互相相反的兩個(gè)分配后的輸出信號(hào)或者合成相位互相相反的兩個(gè)要合成的輸入信號(hào)。
15.一種無(wú)線電裝置，包括如權(quán)利要求1～13中任意一個(gè)所述的天線；電路部分，該電路部分進(jìn)行射頻信號(hào)的發(fā)射處理和接收處理中的至少一種處理，其中所述電路部分裝在IC內(nèi)或者小尺寸封裝內(nèi)，并且通過用于外部連接的端子連接到所述饋電部分。
16.如權(quán)利要求15所述的無(wú)線電裝置，其中所述電介質(zhì)是電介質(zhì)基板，以及其中所述電路部分的所述端子安裝在與所述電介質(zhì)基板的第二導(dǎo)電層所在的同一表面上，并且通過所述電介質(zhì)基板上提供的過孔內(nèi)部的連接部件連接到所述天線的饋電部分。
17.如權(quán)利要求15所述的無(wú)線電裝置，其中所述電路部分具有RFID標(biāo)簽的功能。
18.如權(quán)利要求1～13中任意一個(gè)所述設(shè)計(jì)所述天線的方法，該方法包括在天線的饋電部分處于開路狀態(tài)的條件下，計(jì)算所述天線表面上信號(hào)的反射相位；確定計(jì)算出來(lái)的反射相位處于從-90度到+90度的范圍內(nèi)的時(shí)候，所述天線的工作頻率；以及改變天線指標(biāo)，直到所確定的工作頻率變成需要的頻率。
19.如權(quán)利要求1～13中任意一個(gè)所述測(cè)量所述天線工作頻率的方法，該方法包括讓所述天線的饋電部分進(jìn)入開路狀態(tài)；測(cè)量天線表面上信號(hào)的反射相位；以及確定測(cè)量出來(lái)的反射相位處于從-90度到+90度的范圍內(nèi)的時(shí)候，所述天線的工作頻率。
全文摘要
一種天線包括第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層和LC諧振電路。第一導(dǎo)電層具有多個(gè)單元，并且布置成互相相鄰。第二導(dǎo)電層布置在通過電介質(zhì)基板與第一導(dǎo)電層相隔預(yù)定距離處。LC諧振電路包括將所述多個(gè)單元和第二導(dǎo)電層電氣連接的連接。LC諧振電路在天線的工作頻率上具有阻抗變高的諧振狀態(tài)。在所述多個(gè)單元中，在任意兩個(gè)相鄰單元的每一個(gè)上提供饋電部分。在發(fā)射期間將功率饋入這些饋電部分，從而使工作頻率的這些信號(hào)相位相反，并且在接收期間輸入天線的工作頻率的信號(hào)以相反的相位從饋電部分輸出。
文檔編號(hào)H01Q9/16GK1945896SQ20061013999
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月3日
發(fā)明者松谷和沖, 田中誠(chéng), 金道源, 金紋逸 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝