技术内容
技术领域
本发明涉及利用介质衬底的天线，更具体地涉及用在宽带无线电通信 中的小型天线。
背景技术
已知用于超宽带无线电通信的UWB(超宽带)技术。一般地，UWB 技术被用在无线TV、用于笔记本式PC(笔记本式个人计算机)或便携式 信息终端(个人数字助理)的无线LAN系统等等中。一般地，利用UWB 技术的通信预期使用3.1GHz到4.9GHz的频带。为了实现利用UWB技 术的通信，需要与UWB无线通信兼容的天线。
作为传统上已知的宽带天线，存在如图25所示的盘锥形天线200’。 盘锥形天线200’具有这样的结构，其中以如图25所示的方式将用作辐射 元件的圆盘201’和锥盘202’装配到同轴电缆203’，所述同轴电缆203’具有 被同轴外导体205’包覆的同轴中心导体204’。
此外，除如盘锥形天线200’之类的3D天线外，还已知具有如下结构 的平面天线，其中辐射元件被形成在印制电路板上。作为这种类型的天线 技术，以下的非专利文献1公开了一种利用自互补辐射元件的宽带天线。 该天线具有这样的结构，其中对应于偶极天线的两个系统辐射元件的两个 图案被形成在印制电路板上。所述两个图案之一形成在印制电路板的前表 面上，并且另一个以不朝向前表面上的图案的方式形成在印制电路板的后 表面上。
发明内容
本发明要解决的问题
现今，已经提出了如下的技术，即利用上述的UWB技术以无线方式 来实现对便携式信息终端或笔记本式PC的USB(通用串行总线)连接。 一般地，考虑到便携式信息终端或笔记本式PC的尺寸或者便携性，期望 附接到便携式信息终端或笔记本式PC的USB设备的尺寸尽可能小，如存 储棒(通常，具有大约60mm×15mm×8mm的长×宽×厚尺寸)。因 此，为了基于UWB技术来实现USB连接，要求附接到终端的无线电接口 设备的尺寸与存储棒的尺寸一样小。
天线和实现连接到天线的通信电路的印制电路板被安装在根据UWB 技术的棒状USB设备上，也就是，附接到终端的无线电接口设备上。印制 电路板具有大约50mm×10mm的长×宽尺寸。在上述的整个面积中，大 约20mm×10mm的长×宽尺寸被指定给天线。
虽然如上所述的盘锥形天线200’可以获得宽带特性，但是它具有如图 25所示的3D形状并且其尺寸往往较大，因此不适合用作将被附接到便携 式信息终端的无线电接口设备。虽然在非专利文献1中提出的天线具有平 面形状，但是它需要65mm×40mm的长×宽尺寸。因此，很难将非专利 文献1的技术应用于上述的无线电接口设备，在该无线电接口设备中指定 给天线的尺寸被限于大约20mm×10mm的长×宽尺寸。
考虑到上述问题而提出本发明，并且本发明的目的在于提供一种用于 使宽带无线电通信中所使用的天线尺寸更小以安装在印制电路板上的技 术。
解决问题的手段
本发明的小型宽带天线包括在介质衬底上形成的辐射元件；以及电力 供应单元，用于将偶极电位供应到辐射元件。辐射元件包括接地电位部分 和对极电位部分，该接地电位部分具有从电力供应单元向其供应接地电位 的电力供应点，并且该对极电位部分具有从电力供应单元向其供应与接地 电位形成一对的电位的电力供应点。接地电位部分和对极电位部分的每个 包括导体对，所述导体对以楔形形状形成在介质衬底的前表面和后表面上 并且相互电容性地耦合。接地电位部分和对极电位部分的电力供应点位于 在介质衬底的相同面(前面或后面)上形成的导体的楔形顶点处。
本发明的基本构想是，偶极天线的两个系统辐射元件被分开，并且通 过分开而获得的元件部分被配置在介质衬底的前面和后面上。因此，两个 系统辐射元件存在于衬底的相同表面上。当电力被供应到具有这样的结构 的天线时，形成于介质衬底的前表面和后表面上的相同系统的元件经由介 质衬底在彼此重叠(即朝向彼此)的部分处，彼此电容性地耦合。因此， 相同系统的元件经由衬底彼此电连接。
本发明的优点
根据本发明，构成辐射元件的接地电位部分和对极电位部分的每个被 分开，并且用作通过分开而获得的元件部分的导体被配置在介质衬底的前 面和后面。因此，天线尺寸可以被减小。此外，通过以楔形形状形成每个 导体，可以获得宽带频率特性。因此，本发明能够应用于利用UWB技术 来实现无线电USB连接的技术。
附图说明
图1是根据本发明的小型宽带天线的第一实施例的配置视图；
图2是示出根据第一实施例的天线的两个面的配置视图；
图3是根据本发明的小型宽带天线的第二实施例的配置视图；
图4是示出根据第二实施例的天线的两个面的配置视图；
图5是根据本发明的小型宽带天线的第三实施例的配置视图；
图6是示出根据第三实施例的天线的两个面的配置视图；
图7是根据本发明的小型宽带天线的第四实施例的配置视图；
图8是示出根据第四实施例的天线的两个面的配置视图；
图9是根据本发明的小型宽带天线的第五实施例的配置视图；
图10是示出根据第五实施例的天线的两个面的配置视图；
图11是根据本发明的小型宽带天线的第六实施例的配置视图；
图12是示出根据第六实施例的天线的两个面的配置视图；
图13是根据本发明的小型宽带天线的第七实施例的配置视图；
图14是示出根据第七实施例的天线的两个面的配置视图；
图15是根据本发明的小型宽带天线的第八实施例的配置视图；
图16是示出根据第八实施例的天线的两个面的配置视图；
图17是根据本发明的小型宽带天线的第九实施例的配置视图；
图18是示出根据第九实施例的天线的两个面的配置视图；
图19是根据本发明的小型宽带天线的第十实施例的配置视图；
图20是根据本发明的小型宽带天线的第十一实施例的配置视图；
图21是根据本发明的小型宽带天线的第十二实施例的配置视图；
图22是根据本发明的小型宽带天线的第十三实施例的配置视图；
图23是示出根据第十三实施例的天线的两个面的配置视图；
图24是根据本发明的小型宽带天线的回波损耗特性的说明性视图；
图25是传统盘锥形天线的配置视图；
图26是示出根据第十四实施例的天线的两个面的配置视图；
图27是根据第十四实施例的天线的回波损耗特性的说明性视图；
图28是示出根据第十五实施例的天线的两个侧面的配置视图；
图29是示出根据第十六实施例的天线的两个面的配置视图；
图30是示出根据第十七实施例的天线的两个面的配置视图；以及
图31是示意性示出无线电通信设备的框图。
标号说明
101到107：天线
1，61：印制电路板(介质衬底)
2：同轴电缆
3：同轴中心导体
4：同轴外导体
5：同轴外导体连接线
11到17，31，32，41，42：导体
21，51，73：通孔
71：微带线
72：接地
200：印制电路板(介质衬底)
201：接地
202：微带线
203，301，401：短截线
204：通孔
具体实施方式
<实施例配置说明—1>
图1示出根据本发明第一实施例的天线101的配置。图2总体示出在 天线101的前表面和后表面上形成的导体图案。在根据本实施例的天线 101中，在印制电路板1上，每个都用作辐射元件的导体11到16(随后将 进行描述)和用作阻抗匹配部分的导体17(随后将进行描述)被图案化。 印制电路板1是在纵向方向上具有尺寸“Y”并且在横向方向上具有尺寸 “X”(X
接下来，将描述根据本发明的小型宽带天线的电气作用。首先通过将 不具有短路单元的图5的天线103用作示例来进行描述。天线103的基本 操作是基于偶极天线。在图5中，同轴电缆2连接到在印制电路板1的前 表面上的导体31和13。也就是，每个导体31和13对应于偶极天线的偶 极元件。
然而，作为元件，仅在衬底的前表面上形成导体31和13并不足以确 保绝对长度。因此，为了弥补不足而形成了导体32和14。也就是，利用 前表面导体31和后表面导体32形成了根据本发明的对极电位部分，并且 利用前表面导体13和后表面导体14形成了根据本发明的接地电位部分。
虽然构成对极电位部分的前表面导体31和后表面导体32没有以通电 的方式实现传导，但是它们可以被认为是以高频的方式彼此连接。以高频 方式进行连接表示由导体31和32之间的电容性耦合而导致的作用。更具 体地，当从同轴电缆2供应电力时，电容性耦合经由印制电路板1出现在 导体31和32之间的交叠部分，藉此导体31和32之间的电气连接被建 立。
因此，当将天线103视为偶极天线时，能够将连接到同轴中心导体3 的辐射元件的长度视为通过相加导体31和32的长度而获得的长度，并且 能够认为导体31和32在印制电路板1的上端部分彼此连接并且导体32被 折叠到后侧面。
因为导体31和32二者被形成为楔形形状，所以当假设它们在相同平 面上彼此连接的状态时，所获得的形状类似于平行四边形。因此，能够确 保各种长度的路径作为从用作电力供应点的导体31的楔形顶点到导体32 的电流传播路径。这意味着可以分布各种波长，即可以获得宽带特性。
作为偶极天线的另一元件的接地电位部分中电气作用与在上述描述被 应用于导体13和14的情况下所获得的电气作用相同，因而在此省略其描 述。如上所述，导体17是被形成在适当位置以实现阻抗匹配的短截线。
接下来，通过将具有短路单元的图1的天线101用作示例来描述本发 明的电气作用。图1的天线101中的电气作用与图5的天线103中的电气 作用基本相同。天线101与103之间的区别在于存在/不存在用于实现阻抗 匹配的短路单元。也就是，在天线101中，用作对极电位部分的导体11 和12的每个具有伸出部分，并且导体11和12通过连接到伸出部分的导体 15和16被短路。
虽然在图1的天线101和图5的天线103之间存在这样的结构差别， 但是在如下的方面，即在印制电路板1的端部以折叠的方式形成各个天线 单元并且它们通过经折叠而获得的交叠部分被电容性地耦合方面，它们具 有相同的配置。容易想到天线101和103在阻抗匹配单元方面存在结构差 别，并且可以得到这样的结论，即在电气作用方面，在原理上，它们之间 没有差别。
如上所述，根据本发明的任何一个小型宽带天线作为具有偶极元件的 偶极天线在原理上以相同方式进行操作。
将描述根据本发明的小型宽带天线的实际尺寸。可以利用所使用频率 的最小波长来计算天线尺寸。例如，天线的横向尺寸可以被设定为大约 0.1波长，并且其纵向尺寸可以被设定为大约0.2波长。在图1和图5的示 例中，X被设定为大约0.1波长，并且Y被设定为大约0.2波长。
如上所述，根据本发明的天线可以被视为这样的结构，其中具有较宽 中间部分的偶极天线的每个元件被折叠。因此，因为在折叠状态下的纵向 长度(Y)是0.2波长，所以每个元件的长度在伸展状态下变为0.2波长。 此外，当考虑元件的对角线方向时，即考虑电流也在上述的伪平行四边形 中的对角线方向上流动时，可以认为每个元件的整个长度为大约0.25波 长。因此，可以理解，本发明的原理十分实用并且对于宽带天线而言是有 效的。
在所使用频率的最小值例如是3.1Ghz的情况下，对应于该频率的波 长是大约9.7mm。在该情况下，可以理解，当可以确保天线尺寸为10mm ×大约20mm的尺寸时，可以实现本发明。因此，本发明可以合适地应用 于用以基于UWB技术来实现USB连接的无线电接口设备。
图24示出在图1的配置中回波损耗特性的实际测量值。假设在图1中 示出的印制电路板1具有大约20mm×10mm×0.8mm的长(Y)×宽 (X)×厚尺寸。印制电路板1的材料是FR-4衬底(玻璃环氧树脂衬 底)。如图24所示，在3.1Ghz和4.9Ghz之间的回波损耗大约是—7.4 dB，并且所获得的VSWR是2.5或更小。
根据上述实施例，能够在印制电路板上形成这样的小型天线，其能够 满足诸如UWB之类的宽带无线电通信的需求。
<实施例配置说明—2>
图26示出本发明第十四实施例的配置。图26总体地示出在根据本实 施例的天线114的前表面和后表面上形成的导体图案。本实施例的天线 114是基于具有作为电力供应单元的微带线(71和72)的天线113(图22 和图23)。
天线114包括印制电路板200，其中整个形状或者至少天线区域的形 状被形成为矩形、被形成在印制电路板200的端部的前表面和后表面上的 导体11、12、13和14以及用作电力供应单元的微带线202和接地201。 微带线202对应于构成本发明中的微带线的第一导体，并且接地201对应 于其第二导体。
导体11到14的形状与在上述实施例中示出的相应导体的形状基本相 同。然而，导体13在其逐渐加宽的端部处连接到接地201，并与接地201 充分结合。接地201是所谓的接地板，其形成在印制电路板200上从而为 诸如用于在印制电路板200上实施的UWB的LSI(未示出)之类的组件 提供接地电位。在本实施例中，导体13和接地201彼此结合，因此接地 201被天线114和所实施的组件共用。
如图26所示，天线114具有短截线203，该短截线203是从形成于印 制电路板200的前表面上的导体13的楔形顶点延伸的钩状短截线导体。 设定短截线203的弯曲方向以使得短截线的前端朝向导体13(也就是，以 使得其前端与导体13的对角线大致平行地延伸)。短截线203被设置用 于调节天线114的电阻抗，因此短截线的配置和数目并不局限于所示出的 配置和数目，而是可以根据需要被改变。
通过经由通孔204而连接到导体11的楔形顶点的微带线202来对天线 114进行电力供应。如果需要，那么微带线202的一端被连接到诸如用于 在接地201一侧实施的UWB的LSI之类的电路。
因此获得包括小型宽带天线和无线电通信电路部分的无线电通信设 备，利用其上形成了天线的印制电路板200来形成所述无线电通信电路部 分，并且所述无线电通信电路部分电连接到天线。
<电气作用说明—2>
天线114中的电气作用在原理上与通过将天线101和103(图1和图 5)用作示例描述的电气作用相同。引用上述描述，天线114可以被视为 竖直偶极天线。此外，导体13和接地201在天线114中彼此结合，因此如 在对关于图5的天线的电气作用进行说明时所描述的，导体13的右端 (图26中)部分地用作偶极子的另一元件的一部分。因此，通过将导体 13连接到接地201以允许导体13上的电流自由流动到接地201一侧，阻 抗匹配的效果可以被增强。
图27示出图26的配置中的回波损耗特性。假设印制电路板200具有 10mm×45mm×0.8mm的宽×长×厚尺寸。印制电路板200的材料是 FR-4衬底(玻璃环氧树脂衬底)。如图27所示，在用户频带(3.1Ghz和 4.9Ghz之间)中的回波损耗大约是—11dB，其对应于1.8或更小的 VSWR。这样的令人满意的VSWR可以被获得，并且因此由于阻抗失配而 导致的由天线所反射的功率被减小，从而增强了天线的辐射效率和增益。
如上所述，通过由天线和所实施的组件共用用于诸如在印制电路板 (200)上实施的UWB的LSI之类的组件的接地板(201)的配置，能够 实现更令人满意的VSWR特性、辐射效率和增益。
<实施例配置说明—3>
如上所述，如图26所示的短截线203之类的短截线导体的配置和数 目并不限于所示出的那些配置和数目。以下，将参考图28、图29和图30 来描述这样的实施例，其中从天线114的配置修改了短截线导体(203) 的配置和数目。
图28示出本发明第十五实施例的配置。图28总体地示出在根据本实 施例的天线115的前表面和后表面上形成的导体图案。上述天线114(图 26)具有从导体13延伸出的短截线203，而如图28所示，本实施例的天 线115具有在印制电路板200的后表面上从微带线202延伸出的短截线 301。短截线301具有类似于短截线203的钩状，并且其弯曲方向被设定 以使得短截线的前端经由印制电路板200朝向导体11(也就是，以使得其 前端与导体11的对角线大致平行地延伸)。
图29示出本发明第十六实施例的配置。图29总体地示出在根据本实 施例的天线116的前表面和后表面上形成的导体图案。本实施例的天线 116具有在印制电路板200的前表面上从导体11的楔形顶点(即通孔204 附近)延伸出的钩状短截线401。如图29所示，短截线401的弯曲方向被 设定以使得短截线的前端朝向导体11(也就是，以使得其前端与导体11 的对角线大致平行地延伸)。
图30示出本发明第十七实施例的配置。图30总体地示出在根据本实 施例的天线117的前表面和后表面上形成的导体图案。本实施例的天线 117具有在印制电路板200的前表面上从导体13延伸出的上述短截线203 (图26)和在印制电路板200的后表面上从微带线202延伸出的短截线 301(图28)。
通过从如图26所示的天线114对短截线导体(203)的配置或数目进 行修改而获得的配置并不局限于在图28到图30中所示出的那些配置，而 是可以取决于阻抗匹配的便利性根据需要改变所述配置。
产业应用性
本发明的小型宽带天线可以合适地应用于需要小型和宽范围频带的使 用，并且可以被合适地用作在UWB无线电技术中使用的天线、用于无线 LAN的天线、用于接收地面数字TV广播的天线、用于移动电话的天线 等。
非专利文献1：Journal of Institute of Electronics，Information and Communication Engineers(B)Vol.J88-B No.9，September 2005，pages 1，662 to 1，673
