CN101345347A

CN101345347A - 天线设备

Info

Publication number: CN101345347A
Application number: CNA2008101305270A
Authority: CN
Inventors: 黑田慎一
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2009-01-14
Also published as: JP4821722B2; US7847737B2; US20090015499A1; JP2009017515A

Abstract

公开了一种天线设备，它包括：贴片天线单元，在该贴片天线单元中，辐射导体板和地导体板彼此相对地布置，在二者之间部署有绝缘材料，在略微偏离辐射导体板中心的位置处设有馈电点，在辐射导体板和地导体板之间提供有高频电场；表面波传播抑制区域，在该表面波传播抑制区域中，在沿着馈电点的偏离方向的外部周围区域中装配有用于抑制表面波传播的表面波传播抑制机构，在该外部周围区域中电场强度通常在辐射导体板的端部内达到最大；以及绝缘区域，在该绝缘区域中，辐射导体板与地导体板之间的电场强度是相对低的，并且未布置表面波传播抑制机构。

Description

天线设备

相关申请的交叉引用

本发明包含涉及2007年7月9日向日本专利局提交的日本专利申请JP2007-180354的主题，该申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种用于发射和接收无线信号的天线设备，尤其涉及一种具有贴片天线结构的天线设备，在该结构中辐射导体板和地导体板彼此相对地布置，在二者之间部署有绝缘材料。

更具体地，本发明涉及一种天线设备，在该天线设备中对在天线基片上生成的表面波所导致的非预期电磁波的辐射进行了抑制，从而减小了辐射方向图的失真，特别地，本发明涉及一种在贴片天线单元周围的区域中装配有具有谐振特性的AMC(人工磁导体)部件的天线设备。

背景技术

在使用无线电波通信方法的无线通信中，通过使用电流流经天线时产生的辐射电场来传播信号。存在各种类型的天线。特别地，满足低矮式(low-profile)天线要求的天线的示例包括这样的天线设备：该天线设备被配置成将辐射导体板与地导体板彼此相对地布置，并在二者之间部署有绝缘材料，该天线设备即微带贴片天线(在下文中简称为“贴片天线”)。

图6示出了贴片天线结构的示例。针对辐射导体板的形状，采用了图中所示的矩形形状或圆形形状。针对绝缘体，采用了电介质，并且其厚度约为无线频率波长的1/10或更小；由此该绝缘体具有低矮的形态。在实际制造中，由于通常通过在两面均敷铜箔的电介质基片上执行蚀刻处理来制造贴片天线，因此易于制造，并且易于与电路基片相集成。

根据具有这种结构的微带贴片天线，当以最低阶模式(对于矩形形状的情况是TM₁₀模式)激发该天线时，辐射方向性通常指示单个方向，即z轴方向，并且会获得大小约为几个dBi的方向增益。此外，在略微偏离辐射导体板的中心的位置处设有馈电点。当偏移方向(即图中的x轴方向)中的电流分量增大时，将产生辐射电场，并将激发驻波。然后，通过调整偏移长度，可在50欧姆处实现匹配。

此外，已经提出了一种平面天线(例如，参见日本未审查的专利申请公开11-103213)，例如，其中，贴片天线单元被布置成与地导体单元相对，在二者之间设有电介质，同轴电缆的中心导体以沿着电介质的厚度方向穿过电介质的方式而从地导体板的开口插入，中心导体电连接在贴片天线单元的点P处，并且使用点P充当馈电点来发射或接收无线电波。在要将同轴电缆与贴片天线单元相连时，同轴电缆的中心导体可以被直接插入电介质中，并且可以通过焊接等与馈电点相连。由此，可以简化天线结构，并且还可以降低制造成本。

此外，可以采用这样的结构：在该结构中，在地导体板中设有开口，并且从地导体板的背面侧经由该开口以电磁耦合方式来执行馈电。

诸如贴片天线之类的平面天线具有以下问题：在天线基片上会发生表面波(在地导体板的表面上传播的电磁波)，该表面波被传播至天线基片的端部，并从该天线基片的端部辐射非预期的电磁波(表面波所导致的非预期电磁波)，从而导致从天线辐射的辐射方向图出现失真。另一问题是，表面波所导致的非预期电磁波被辐射至部署于周围区域中的电路基片以及另一天线基片，从而发生无线电干扰，并发生半导体部件的故障。

就上述问题而言，已知一种解决方法，即，部署一种用于抑制表面波在天线基片上的传播的机构。作为用于抑制表面波传播的机构，存在一种被称为高阻抗表面或人工磁导体(在下文中简称为“AMC”)的机构。例如，通过在地导体板上周期性地布置具有谐振特性的AMC部件，可以抑制表面波的传播。

图7示出了使用AMC部件的平面天线(例如，参见美国专利6262495以及Dan Sievenpiper等人的“High-Impedance Electromagnetic Surfaceswith a Forbidden Frequency Band”(IEEE Transactions on MicrowaveTheory And Techniques，第47卷第11期第2059-2074页))的结构的示例(截面图)。各个AMC部件是通过柱形导体来支撑板形导体的图钉型的。通过在贴片天线周围的区域中布置诸多图钉型的AMC部件，抑制了到达地导体端部并导致非预期辐射(边缘是次级波源点的散射)的表面波的传播。通过抑制过度的非预期辐射，期望获得在预期方向上(朝向贴片天线的前方，沿着图7的平面中的向上方向)的增益增加的效果。

尽管由于图7是截面图而难以从图7中看出，但是在贴片天线周围的区域中以二维方式周期性地布置了通过柱形导体来支撑板形导体的图钉型AMC部件。由此，柱形导体的电感分量以及板形导体的电容分量将会导致产生谐振。结果是抑制了在部署于相对于外围边缘的中心处的贴片天线中发生的表面波传播。

但是，在实践中，本发明的发明人所执行的电磁仿真揭示了存在这样的频率：如果在辐射导体板周围的区域中布置了具有上述谐振特性的图钉型AMC部件，则在该频率上增益将会被降低。AMC部件被设计用于抑制朝向地导体的端部流动的表面波的传播。该增益降低的主要原因被认为是，由于装配AMC部件而导致出现了新的非预期辐射源。

作为电磁仿真结果的示例，图8示出了与相关领域中的、在贴片天线周围的区域中未布置AMC部件的贴片天线相比，其中AMC部件布置在贴片天线周围的区域中的贴片天线的方向增益的频率特性。在上述仿真中，贴片天线的阻抗匹配频率通常被设置为8GHz，因此其主工作波段也位于8GHz附近。从图8中可以看出，尽管在某些频率上获得了超过相关领域中的贴片天线结构增益的增益改进，但是在作为初始工作波段的8GHz附近，增益会低于相关技术中的贴片天线结构的增益。

图9示出了与相关技术中的、在贴片天线周围的区域中未布置AMC部件的贴片天线的辐射方向图相比，在7.9GHz处的辐射方向图的仿真结果。从该图中可以看出，在贴片天线具有谐振特性、并且在贴片天线周围的区域中装配有AMC部件的情况下，朝向贴片天线前方的增益将受到抑制，尤其是在H平面(φ＝90度的平面)上增益将受到抑制。

发明内容

期望提供一种具有贴片天线结构的优良天线设备，该贴片天线结构是通过彼此相对地布置辐射导体板和地导体板并且在二者之间部署绝缘材料来配置的。

期望提供一种优良的天线，在该天线中，对天线基片上发生的表面波所导致的非预期电磁波的辐射进行了抑制，从而减少了辐射方向图的失真。

期望提供一种优良的天线，在该天线中，通过在贴片天线单元周围的区域中装配具有谐振特性的AMC部件，来抑制表面波的传播，从而实现增益的有效改进。

本发明是在考虑到上述问题的情况下实现的。根据本发明的实施例，提供了一种天线设备，它包括：贴片天线单元，在该贴片天线单元中，辐射导体板和地导体板彼此相对地布置，在二者之间部署有绝缘材料，在略微偏离辐射导体板中心的位置处设有馈电点，并且在辐射导体板和地导体板之间施加高频电场；表面波传播抑制区域，在该表面波传播抑制区域中，在沿着馈电点的偏离方向的外部周围区域中装配有用于抑制表面波传播的表面波传播抑制机构，在该外部周围区域中电场强度通常在辐射导体板的端部内达到最大；以及绝缘区域，在该绝缘区域中，辐射导体板与地导体板之间的电场强度是相对低的，并且不布置表面波传播抑制机构。

满足低矮式天线要求的天线的示例包括被配置成将辐射导体板与地导体板彼此相对地布置并在二者之间部署有绝缘材料的贴片天线。贴片天线的优点是易于制造，并且易于与电路基片相集成。此外，在贴片天线中，当以最低阶模式激发该贴片天线时，辐射方向性通常指示单个方向，即z轴方向，并且将获得约为几个dBi的方向增益

诸如贴片天线之类的平面天线具有以下问题：在天线基片上会发生表面波，该表面波被传播至天线基片的端部，并从天线基片的端部辐射非预期的电磁波，从而导致从天线辐射的辐射方向图出现失真。就此而言，为了抑制表面波在天线基片上的传播，提出了一种天线结构，该天线结构用于通过在贴片天线单元周围的区域中周期性地布置具有谐振特性的AMC部件来抑制表面波的传播。

但是，本发明的发明人所执行的电磁仿真揭示了存在这样的频率：如果在辐射导体板周围的区域中布置有表面波传播抑制机构，例如具有谐振特性的AMC部件，则在该频率处增益将会被降低，并且朝向贴片天线前方的增益将受到抑制。

因此，在根据本发明实施例的天线设备中，通过仅仅在贴片天线单元周围的区域中的恰当区域中布置表面波传播抑制机构，就可以抑制表面波传播所导致的非预期电磁波的辐射，而不会导致初始工作波段中的增益降低或朝向贴片天线前方的增益降低，并实现增益的有效改进。

这里，针对表面波传播抑制机构，可以使用具有谐振特性的AMC部件，该AMC部件由通过柱形导体来支撑板形导体的图钉型结构构成。

该天线设备在贴片天线单元中具有沿馈电点的偏移方向(即x轴方向)的电流分布，而充电量即电场强度则在x轴方向的两个边缘处达到最大。在本发明的实施例中，通过在电场强度变得几乎最大的区域中(即，沿偏移方向的两个边缘处)装配AMC部件，有效地抑制了朝向地导体端部流动的TM模式波(表面波传播)。然后，通过在电场强度变得几乎最大的区域之外的区域中不装配AMC部件(即，设置绝缘区域)，最小化了由装配AMC部件所导致的新发生的非预期辐射源。

根据本发明的实施例，可提供一种具有贴片天线结构的优良的天线设备，该贴片天线结构是通过彼此相对地布置辐射导体板和地导体板并且在二者之间部署绝缘材料来配置的。

根据本发明的实施例，可提供一种优良的天线，在该天线中抑制了在天线基片上发生的表面波所导致的非预期电磁波的辐射，从而减少了辐射方向图的失真。

根据本发明的实施例，可提供一种优良的天线，在该天线中，通过在贴片天线单元周围的区域中装配具有谐振特性的AMC部件，抑制了表面波的传播，并且实现了增益的有效改进。

根据基于稍后描述的本发明实施例和附图的更详细的描述，本发明的另外的其它目的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的天线设备的结构；

图2示出了与相关技术中的不在周围区域中布置AMC部件的贴片天线相比、图1所示的天线设备的方向增益的频率特性；

图3示出了与相关技术中的不在周围区域中布置AMC部件的贴片天线相比、图1所示的天线设备中在7.9GHz处的辐射方向图的仿真结果；

图4示出了天线设备的结构的另一示例，以及与相关领域中的贴片天线的频率特性相比、该天线设备的方向增益的频率特性，在该天线设备中仅仅在沿x轴方向的外部周围区域中布置AMC部件，在该外部周围区域中电场强度通常在辐射导体板的端部内达到最大，而在具有与上述相同拓扑结构的该相关领域的贴片天线中，不在天线周围的区域中布置AMC部件；

图5示出了天线设备的结构的另一示例，以及与相关领域中的贴片天线的频率特性相比、该天线设备的方向增益的频率特性，在该天线设备中仅仅在沿x轴方向的外部周围区域中布置AMC部件，在该外部周围区域中电场强度通常在辐射导体板的端部内达到最大，而在具有与上述相同拓扑结构的该相关领域的贴片天线中，不在天线周围的区域中布置AMC部件；

图6示出了贴片天线结构的示例；

图7示出了使用AMC部件的平面天线的结构的示例(截面图)；

图8示出了与相关领域中的不在周围区域中布置AMC部件的贴片天线相比、在周围区域中布置AMC部件的贴片天线的方向增益的频率特性；以及

图9示出了与相关领域中的不在周围区域中布置AMC部件的贴片天线相比、在7.9GHz处的辐射方向图的仿真结果。

具体实施方式

在下文中将参考附图来描述本发明的实施例。

图1示出了根据本发明实施例的天线设备的结构。图中所示的天线设备是以如下方式配置的：在贴片天线单元周围的区域中部署有表面波传播抑制机构，在该贴片天线单元中，辐射导体板和地导体板彼此相对地布置，且在二者之间部署有绝缘材料。

在贴片天线单元中，在略微偏离辐射导体板中心的位置处设有馈电点。当在馈电点的偏移方向、即图中的x轴方向上的电流分量增大时，将产生辐射电场，并将激发驻波。然后，通过调整偏移长度，可以在50欧姆处实现匹配。在图中所示的示例中，贴片天线单元是通过在两面均敷铜箔的电介质基片上执行蚀刻处理来配置的。

此外，表面波传播抑制机构被配置为具有谐振特性的AMC部件，该AMC部件由通过柱形导体来支撑板形导体的图钉型结构构成，如美国专利6262495和Dan Sievenpiper等人的“High-Impedance ElectromagneticSurfaces with a Forbidden Frequency Band”(IEEE Transactions onMicrowave Theory And Techniques，第47卷第11期第2059-2074页)中公开的那样。每个AMC部件都是通过在两面均敷铜箔的电介质基片上执行蚀刻处理来配置的。在图1中，柱形导体隐藏在绝缘体内，并且是看不见的。

通过在贴片天线周围的区域中装配由AMC部件构成的表面波传播抑制机构，可以抑制朝向地导体端部流动的TM模式波(表面波传播)，并且减少来自天线基片端部的非预期电磁波(表面波所导致的非预期电磁波)的辐射。但是，由于装配AMC部件将导致新发生的非预期辐射源，因此存在这样的频率，在该频率处增益将会被降低。

该天线设备在贴片天线单元中具有沿馈电点的偏移方向(即x轴方向)的电流分布，而充电量、即电场强度在x轴方向的两个边缘处达到最大。如上所述，为了有效地抑制表面波传播，其中电场强度通常在辐射导体板的端部内达到最大的端部周围的区域(沿x轴方向的外部周围区域)是应当在其中装配AMC部件的区域。

另一方面，在辐射导体板与地导体板之间的电场强度相对小的区域中，即使装配有AMC部件，也难以期望抑制表面波传播的显著效果，相反地，可以认为是形成了新的非预期辐射源。因此，如图1所示，通过在除了沿x轴方向的外部周围区域之外的其它区域中形成其中未装配AMC部件的绝缘区域，来抑制新的非预期辐射源的出现。

图2示出了与相关领域中的在贴片天线周围的区域中未布置AMC部件的贴片天线相比、图1所示的天线设备的方向增益的频率特性。但是，在上述仿真中，贴片天线的阻抗匹配频率通常被设置在8GHz，由此，其主工作波段同样位于8GHz附近。从图2中可以看出，对于在贴片天线单元周围的区域中局部地布置有图1所示的AMC部件的天线设备而言，所获得的结果是：与相关领域中的贴片天线结构相比，增益通常高出大约1到2dB。

图3示出了与相关领域中的在贴片天线周围的区域中未布置AMC部件的贴片天线相比、图1所示的天线设备在7.9GHz处的辐射方向图的仿真结果。从图3中可以看出，根据在贴片天线单元周围的区域中局部地布置有图1所示的AMC部件的天线设备，辐射方向图的形状并未被扰乱，并且边缘散射所导致的朝向天线后方的辐射受到了抑制，由此改进了朝向天线前方的增益。

如上所述，根据本发明实施例的天线设备具有如下特征：通过在沿着x轴方向的外部周围区域中(其中电场强度通常在辐射导体板的端部内达到最大)装配用于抑制表面波传播的AMC部件，以及通过在辐射导体板与地导体板之间的电场强度相对小的区域中不布置AMC部件以形成绝缘区域，来抑制新的非预期辐射源的出现。但是，用于在贴片天线周围的区域中布置AMC部件的方法并不限于图1的方法。

图4和5示出了天线设备的结构的另一示例，以及该天线设备的、与相关领域中的贴片天线的频率特性相比的、方向增益的频率特性，在该天线设备中，仅仅在沿着x轴方向的外部周围区域中布置AMC部件，在该外部周围区域中电场强度通常在辐射导体板的端部内达到最大，而在具有与上述相同拓扑结构的相关领域的贴片天线中，在周围区域中并未布置AMC部件。但是，在上述仿真中，贴片天线的阻抗匹配频率通常被设置成8GHz，因此其主工作波段同样位于8GHz附近。从图4和5中可以看出，对于在贴片天线单元周围的区域中局部地布置AMC部件的天线设备而言，所获得的结果将是增益大于相关领域中的贴片天线结构的增益。

本发明的要点在于：仅仅在其中电场强度通常达到最大的端部周围的区域中局部地布置AMC部件。但是，本发明并不旨在限定于图1、4和5所示的特定布置方法。

此外，在本说明书中，作为示例，主要通过使用由柱形导体支撑板形导体的图钉型AMC部件，来给出关于表面波传播抑制机构的描述。但是，本发明的要点并不限于该实例。例如，可以应用将纹理(texture)应用于板形导体而不使用柱形导体的类型的AMC部件(例如，参见Douglas J.Kern等人的“The Design Synthesis of Multiband Artificial MagneticConductors Using High Impedance Frequency Selective Surfaces”(IEEETransactions on Antennas and Propagation，第53卷第1期第8-17页))。

本领域的技术人员应该理解，在所附权利要求或其等价物的范围内，可以根据设计需要和其它因素来进行各种修改、组合、子组合以及变更。

Claims

1.一种天线设备，包括：

贴片天线单元，在所述贴片天线单元中，辐射导体板和地导体板彼此相对地布置，在辐射导体板与地导体板之间部署有绝缘材料，在略微偏离辐射导体板中心的位置处设有馈电点，在辐射导体板与地导体板之间提供高频电场；

表面波传播抑制区域，在所述表面波传播抑制区域中，在沿着馈电点的偏离方向的外部周围区域中装配有用于抑制表面波传播的表面波传播抑制机构，在所述外部周围区域中电场强度通常在辐射导体板的端部内达到最大；以及

绝缘区域，在所述绝缘区域中，辐射导体板与地导体板之间的电场强度是相对低的，并且未布置表面波传播抑制机构。

2.根据权利要求1的天线设备，其中，在所述表面波传播抑制区域中布置有多个图钉型人工磁导体部件，在每个图钉型人工磁导体中通过柱形导体来支撑板形导体。

3.根据权利要求1的天线设备，其中，在所述表面波传播抑制区域中布置有将纹理应用于板形导体的人工磁导体部件。