CN101103490B - 应用于超宽频之天线 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种应用于超宽频之天线，包含传送接收通讯信号的辐射元件。一负载件及馈入件可与辐射元件连接且馈入件于负载件隔开。辐射元件为具有两连接至负载件及馈入件的自由端的平面环圈。负载件具有两末梢端子，其中之一与两自由端其中一端连接且另一个准备连接至接地和另一射元件其中之一。

Description

应用于超宽频之天线
技术领域
本发明一般是关于天线，特别是关于应用于超宽频的平面天线。
背景技术
超宽频(UWB)无线电系统将通讯信号传送并接收为调制脉冲(modulated impulse)。调制脉冲的周期典型上非常短且大约为几分之一奈秒。这允许调制脉冲具有极宽的频率范围，典型为数千兆赫兹(GHz)。因此超宽频无线电系统的宽频率范围与传统窄频无线电系统明显不同。这个超宽频无线电系统的特性需要独特的一套由特别对超宽频技术做基础的通讯系统规管的机构执行的管理规章。管理规章限制超宽频无线电系统的辐射功率标准及信号频谱以帮助对占据超宽频无线电系统频率频谱一部分的传统窄频无线电系统的不必要干扰。
其中一个规章，如美国联邦通讯委员会(FCC)所协议的，要求超宽频无线电系统其辐射脉冲的排放量及频谱对覆盖3.1到10.6GHz频率范围的10dB频宽具有低于-41.3dBm/MHz的有效等向辐射功率(effectiveisotropic radiated power，EIRP)。这规章定义了对所有超宽频无线电系统的光谱限制遮蔽(spectral limit mask)。
先前的研究显示超宽频无线电系统的发射及接收样式深受其天线特征影响。因此，超宽频无线电系统的发射及接收样式典型是藉由适当地设计天线特征来修改成符合FCC限制遮蔽上的发射规章。
除了迎合限制遮蔽规章外，超宽频无线电系统的天线应被设计成满足许多需求。首先，超宽频无线电系统的频宽为尽量宽广且配合良好以达到宽频能力并获得高系统效能。第二，超宽频无线电系统的运作功率尽量低以获得高功率效能。第三，超宽频无线电系统具有线相转移反应(linearised phase transfer response)以提供最小信号失真。最后，超宽频无线电系统以最大功率在理想方向产生辐射脉冲。
有许多经由对超宽频无线电系统不同的天线设计来满足上述需求的尝识。更值得注意的例子为横向电磁波(TEM)号角及自补(self-supplemental)天线，如螺旋形天线(spiral antenna)。两种型式的天线皆以非常宽广且配合良好的频宽为特征。然而，两种型式的天线产生的脉冲皆因其各自的相位中心中的频率相依改变而失真及分散。
双锥(bi-conical)及碟锥型(disk-conical)天线失真较少并拥有相对稳定的相位中心以达到宽广且配合良好的频宽。这是因为阻性负载(resistiveloading)被使用来消除在此两种天线传送端发生的辐射脉冲的反射。然而，此两种天线在尺寸上过于庞大且因此不适合小型可携式超宽频装置。
并有进一步对提供具宽频能力及符合对现存频带内(in-band)及频带外(out-band)无线电系统非干扰需求的超宽频天线的尝试。美国专利第6,437,756号中Schantz教导一种切口平面单极以取得具对驻波比(voltagestanding wave ratio，VSWR)小于2∶1配合良好频宽的频带切口特征。然而，配合良好的频宽对超宽频应用而言不够宽广。
在美国专利申请案2003/0090436 A1中，Schantz等人提出一种在单极底部具短路棒的短路平面单极以缩小尺寸。然而，为了维持辐射效能，短路棒及对单极的馈入件被远远隔开，因此使单极的横向尺寸巨大。单极的频宽对超宽频应用亦不够宽广。
在美国专利申请案2002/0122010中，McCorkle提出使用一种小型环状平面单极来得到宽广且配合良好的频宽。然而，环状平面单极没有表现出频带切口特征来满足不对现存频带内及频带外无线电系统干扰。
因此需要有一种天线用于体积小的超宽频无线电系统且用以改善系统效能并减少对现存无线电系统的干扰。
发明内容
本发明之实施揭露如后，用于小体积之超宽频应用，以改善系统效能且减少对现存无线电系统的干扰。特别是有一电子负载件被定位在邻靠馈入件处以提供具特定切口频带的频宽频谱。
根据本发明其一目的，揭露一种应用于超宽频之天线，该天线包含传送接收通讯信号的辐射元件。一负载件及馈入件可与辐射元件连接且馈入件与负载件相隔一预设距离。辐射元件为具有两自由端的平面环圈。负载件具有两末梢端子，两末梢端子其中之一连接至平面环圈两自由端其中一端且负载件之另一末梢端子以及馈入件之另一端子则准备连接至接地和另一辐射元件其中之一。负载件的两末梢端子由一预设间隔隔开。
根据本发明之另一目的，揭露一种成形应用于超宽频之天线之方法，该方法包含提供一具中央开口及两自由端的辐射元件之步骤。两自由端可连接至一负载件及一馈入件，其中负载件及馈入件分别具一可连接至接地和另一辐射元件其中之一的端子且辐射元件空间上在负载件及馈入件之间延续不间断。
附图说明
本发明的个别实施通过附图由下面所描述，其中：
图1A和1B分别为根据本发明实施具环形辐射元件的单极天线、偶极天线之概视图；
图2显示图1A之单极天线其阻抗匹配及传送性能特征；
图3A和3B分别为根据本发明第二实施具方块形辐射元件的单极天线、偶极天线之概视图；
图4A和4B分别为根据本发明第三实施具半环形辐射元件的单极天线、偶极天线之概视图。
具体实施方式
参考附图，揭示一种根据本发明实施应用于超宽频(UWB)之小体积天线，以改善系统效能并减少对现存无线电系统的干扰。
在此之前已提出有多种设计超宽频天线的传统方法。这些传统方法限制了系统效能的改善或减少对现存无线电系统的干扰。其他设计超宽频天线的传统方法则建议需要大的天线体积。
为求清楚扼要，本发明说明限制在超宽频应用内。然而这并非排除本发明实施对其他需要运作性能类似超宽频应用的应用。本发明实施的根本功能性原则对不同实施仍相同。
在此提供的详细说明以及图1A到1B及图3A到4B提供的示意，相似的元件视为相似的参照号数。
在此详述本发明的实施，做为应用于超宽频的天线。
图1A显示根据本发明第一实施应用于超宽频之天线(100)之几何形状。天线(100)为具一辐射元件(102)的单极天线以传送及接收另一天线的通讯信号，辐射元件(102)具有一中央开口。天线(100)优选为平面，并单独制造在基板上，如：印刷电路板(PCB)或积体电路(IC)晶片。通讯信号包含具数千兆赫(GHz)频宽的脉冲讯号。
辐射元件(102)为环状圈形状，其中环状圈为非密闭且具有至少两端部(104、106)。辐射元件(102)的中央开口优选为环形且与辐射元件(102)同心。两实质上平行的自由端(108、110)分别自环状圈的端部(104、106)、辐射元件(102)的中央开口反向延伸。该两自由端(108、110)自环状圈的端部(104、106)的延伸范围与天线(100)的操作频率成反比。尤其，愈大的延伸尺寸与天线(100)愈低的操作频率相应。两自由端(108、110)的延伸范围总和亦影响天线(100)的阻抗匹配(impedance matching)特征。
端部(104、106)与两自由端(108、110)依第一预设距离g隔开并始终维持在那里。已知在天线(100)装配期间控制体积的限制，第一预设距离g可视对天线(100)阻抗匹配的既定需求变化。在本发明的第一实施中，第一预设距离g优选为但不限制于大约0.5mm。辐射元件(102)体积上可视内半径r1及外半径r2且整个环状圈具有实质上均一的宽度r2-r1。外半径r2选优为约7.5mm。辐射元件(102)优选为由传导材料制成，如铜。
具第一及第二端子的电子负载件(112)其第一及第二端子其中之一与辐射元件(102)的自由端(108)连接。电子负载件(112)可以为被动或主动元件来提供电阻性(resistive)或电抗性(reactive)负载。电子负载件(112)的第一及第二端子中之另一个经由接地面(114)与地面连接。辐射元件(102)经由电子负载件(112)可连接至接地面(114)以形成一单极天线。天线(100)的传送与接收机能实质上不受辐射元件(102)与接地面(114)间的方位支配。辐射元件(102)的自由端(108)与接地面(114)间的间隔定义出一第二预设距离s。第二预设距离s可视电子负载件(112)的体积且优选为保持在最小。例如，当使用短路负载件时，第二预设距离s为零。当使用集总负载，如晶片电阻器时，第二预设距离s则视晶片电阻器的体积而定。
馈入件(116)一端子与辐射元件(102)的自由端(110)连接以传送通讯信号至天线(100)。馈入件(116)与负载件(112)由第一预设距离g隔开。馈入件(116)可以为平衡的或不平衡的并提供交流电至辐射元件(102)以产生调制脉冲。馈入件(116)的另一端子经由接地面(114)与地面连接。
辐射元件(102)的形态使达成宽频能力更加容易，其可视天线(100)的物理几何而定。在天线(100)的运作期间，电子负载件(112)及馈入件(116)运载对彼此为异相的交流电。产生自电子负载件(112)及馈入件(116)的信号辐射重叠使在天线(100)操作频宽的特殊频率区域的辐射消失。这是因为电子负载件(112)与馈入件(116)彼此靠近且运载异相交流电。
图1B中，本发明第一实施的偶极天线(1000)藉由连接另一辐射元件(118)代替接地面(114)至辐射元件(102)的电子负载件(112)及馈入件(116)形成。馈入件(116)优选为具有差动式(differential)馈入结构来提供辐射元件(102、118)在规模上实质相似的电流。另一辐射元件(118)实质上与辐射元件(102)对称。偶极天线(1000)具有与天线(100)相似的性能特征。
图2为显示图1A天线(100)阻抗匹配及传送功能特征的测量及模拟测试结果的图表。为做比较，亦测量与辐射元件(102)的环圈体积相同的环形天线(图中未示)但不具有与其连接的电子负载件(112)。于频率范围大约在1-12GHz的超宽频频宽模拟及测量天线(100)的阻抗匹配及传送功能。
测量及模拟测试结果显示天线(100)在整个1-12GHz频率范围具有配合良好的阻抗匹配特征。
天线(100)及环形天线的传送功能特征，特别是频率回应，由|S21|表示。天线(100)的频率回应在超宽频频宽的较低频率范围具有一切口频带。环形天线没有出现此切口频带。切口频带使排除对其他现存无线电系统的干扰更加容易且优选为可依特定规章要求做改变。可藉由修改天线(100)的物理体积，如第一预设距离g，来达成这种改变。
在本发明第一实施中，切口频带在接近大约3.1GHz的较低频宽边缘出现。缺口频带可调整为在其他想要的频率范围出现，如5-6GHz，同时维持天线(100)的频率回应以遵守其他规章要求。另外，天线(100)的频率回应可藉由改变内半径r1及外半径r2中至少一个来做修改。
图3A和3B分别显示本发明为单极天线(300)及偶极线(3000)形式的第二实施。本发明第二实施单极天线(300)及偶极天线(3000)中的辐射元件(302、304)具有具方块形中央开口的方块形环圈几何形状。本发明第二实施单极天线(300)及偶极天线(3000)执行与本发明第一实施单极天线(100)及偶极天线(1000)相同的机能并且具类似之阻抗匹配及传送功能特征。
图4A和4B分别显示本发明为单极天线(400)及偶极天线(4000)形式的第三实施，其中辐射元件(402、404)为具半环形中央开口的半环形圈。与本发明第二实施单极天线(300)及偶极天线(3000)类似，本发明的第三实施单极天线(400)及偶极天线(4000)执行与本发明第一实施单极天线(100)及偶极天线(1000)相同的机能并且相似之阻抗匹配及传送功能特征。
本发明的各种实施适合广范围的应用，如超宽频无线通讯系统、可携带式超宽频装置及其他需要超宽频应用天线的消费电子系统。本发明的实施可方便地实施于需要排除对其他在特定频宽运作的现存通讯系统干扰的可携带式超宽频系统。天线(100)的小物理体积降低能量消耗并具配合良好的宽频能力。整体言之，这能达成具较低能量消耗、较高系统效能、并遵守规定要求的超宽频无线电系统。
在前述方法中，揭示一种应用于超宽频具切口频带的天线。虽然本发明只揭露一些实施，明显一个本揭露相关技术者可做出许多改变及/或修改而无悖离本发明之范畴及精神。例如，辐射元件可以由其他几何形式的传导材料构成，如：椭圆形、三角形、多边形或环形。电子负载件可使用被动或主动线路元件执行以取得阻抗匹配，且馈入件可以为平衡或不平衡，视使用单极或偶极执行天线而定。

Claims (20)

1.一种应用于超宽频之天线，包括：
一作为传送并接受通讯信号的辐射元件；
一负载件与辐射元件连接，负载件具一第一端子及一在第一端子远侧的第二端子；及
一馈入件具一与辐射元件连接的端子，馈入件与负载件由第一预设距离隔开，
其中辐射元件为一具至少两自由端的平面环圈且负载件具第一及第二端子，负载件的第一及第二端子其中之一连接至平面环圈的两自由端其中之一且负载件的第一及第二端子中之另一个及馈入件的另一端子连接至接地或另一辐射元件其中一个，且负载件的第一及第二端子由第二预设距离隔开。
2.如权利要求1所述之天线，其中负载件的第一与第二端子之另一个及馈入件的另一端子连接至另一辐射元件。
3.如权利要求2所述之天线，其中辐射元件与另一辐射元件实质上为对称的。
4.如权利要求1所述之天线，其中辐射元件为环形。
5.如权利要求4所述之天线，其中辐射元件具一中央开口。
6.如权利要求5所述之天线，其中中央开口为环形且与辐射元件同心。
7.如权利要求1所述之天线，其中辐射元件空间上在负载件与馈入件之间延续不间断。
8.如权利要求1所述之天线，其中辐射元件置于一基板上。
9.如权利要求1所述之天线，其中负载件为电阻性(resistive)或电抗性(reactive)其中一种。
10.如权利要求1所述之天线，其中负载件为平衡的或非平衡的其中一种。
11.如权利要求1所述之天线，其中天线为单晶(monolithic)。
12.如权利要求1所述之天线，其中天线的频率回应特征为可由辐射元件体积改变的频带切口。
13.如权利要求12所述之天线，其中在频带切口形成期间保持天线频率回应的频宽。
14.如权利要求1所述之天线，其中第一预设距离为大约0.5毫米。
15.如权利要求1所述之天线，其中第二预设距离可视负载件的体积而定。
16.一种应用于形成超宽频之天线之方法，方法包括步骤：
提供一具中央开口及两自由端的辐射元件；
提供一具可连接至其中之一自由端的端子的负载件；及
提供一具可连接至其中另一自由端的端子的馈入件；
其中负载件及馈入件分别具另一可连接至接地和另一辐射元件其中之一的端子且辐射元件空间上在负载件及馈入件之间延续。
17.如权利要求16所述的方法，其中辐射元件为环形且通过负载件及馈入件连接至地面以形成单极。
18.如权利要求16所述的方法，其中负载件及馈入件之另一端子分别连接至另一辐射元件以形成偶极。
19.如权利要求18所述的方法，其中馈入件为差动式(differential)。
20.如权利要求18所述的方法，其中辐射元件及另一辐射元件实质上为对称。
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