专利名称：双频短路平板天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可变频操作的短路平板天线，尤其是涉及一种能够在两个频段进行变频的短路平板天线。
背景技术：
近年来由于通讯业的发达，各种无线电器产品如雨后春笋般的被制造出来。为了使电脑、打印机、数码相机等这些具有无线通讯装置的电气、电子产品之间互相进行通讯，或者使无线产品能控制冰箱、电视、空调器等等其他电子、电气产品，提出了蓝牙计划。由于蓝牙计划所使用的频段是ISM频带的2.4GHz频段，当每个无线电器都配备有蓝牙系统时，单一频段的ISM频带在频道容量以及传输速率上势必不敷使用。相同的情况也将发生在其他使用ISM 2.4GHz的无线通讯系统中，如WLAN及HomeRF。因此若能将两个频段整合设计在同一天线，便可使得整个无线通讯产品的体积缩小并能节省产品的制造成本，故双频天线极具有市场的发展性。此外，由于各类的无线电器产品有朝体积小发展的趋势，因此若能设计出轻薄短小的天线才能使得无线通讯产品具有较佳的市场竞争力。
在已知的双频倒F形平面天线设计中，例如，2001年3月5日，MOTL第28卷第5册第293-298页的“New slot configurations for dual-band planarinverted-F antenna”，通过在辐射金属片上植入U形槽或是L形缝以达到双频操作的目的。然而，此类设计的频宽无法同时满足双频段所需的频宽。此外，还有如美国专利第5764190那样用电容式馈入或利用电容性效应的方式来设计倒F形天线。但是此类天线会造成设计上的复杂与成本的增加。
发明内容
鉴于现有技术的情况，本发明的目的是提供一种双频短路平板天线，不仅能够同时满足双频段所需的频宽，而且结构简单、成本低。
为了实现本发明的上述目的，提供了一种双频短路平板天线，包括一个基底，在所述基底的一个表面上形成有一个金属接地片，在所述基底的与形成有接地金属片表面相对的另一个表面上形成有一个主辐射金属片和一个寄生金属片，在所述主辐射金属片上形成有一个馈电点，一个馈线与所述馈电点连接，在所述主辐射金属片上还形成有一个第一接地端，在所述寄生金属片上形成有一个第二接地端，一个第一短路金属元件穿过所述基底将所述第一接地端与所述接地金属片短路连接，一个第二短路金属元件穿过所述基底将所述第二接地端与所述接地金属片短路连接，使得所述寄生金属片在一个第一频段时能够通过能量耦合的方式在所述主辐射金属片的激励下产生具有第一频段的辐射；并使得所述主辐射金属片在一个不同于所述第一频段的第二频段时能够产生具有第二频段的辐射。
优选地，所述主辐射金属片的第二频段辐射与所述寄生金属片的第一频段辐射分别是谐振在四分之一波长的谐振模态辐射。
具有短路金属棒的平板天线，由于平板天线本身很小，因而能达到天线体积小的目的。再加上操作长度为1/4波长，所以具有面积小的优点。另外，在本发明天线中，利用短路的主辐射金属片谐振出一1/4波长的模态，再利用耦合能量的方式使寄生短路金属片的1/4波长模态也被激发，而此被激发的两个模态能够提供双频操作。此种方式的寄生金属片与已知的短路平板天线设计中，利用寄生短路金属片来增加单一操作频段的频宽的方法截然不同。由于本发明的天线不仅体积小，而且能够同时涵盖两个操作频段所须求的频宽，再加上设计结构简单、制作成本低廉，因此极具有产业的应用价值。
图1A为根据本发明一个实施例的天线的立体示意图；图1B为图1A所示天线的俯视图；图2为图1A所示天线的反射损失测量结果；图3A和图3B分别为图1A所示天线的于2.4GHz及5.8GHz两个操作频率的辐射场型测量结果；图4A和图4B为图1A所示天线于2.4GHz及5.8GHz两个ISM频带操作频段内天线增益的测量结果；图5A-5E为本发明天线其他实施例的结构示意图。
其中，各附图标记的意义是1根据本发明一个实施例的双频短路平板天线11主辐射金属片(driven patch)12寄生金属片(parasitic patch)13基底14同轴馈线15短路金属棒16短路金属棒17接地金属片111馈电点112主辐射金属片的接地端121寄生金属片的接地端5双频短路平板天线的其他实施例51主辐射金属片52寄生金属片53基底54同轴馈线55短路金属棒56短路金属棒57接地金属片511馈电点512主辐射金属片的接地端513金属片上的狭缝521寄生金属片的接地端522金属片上的槽
具体实施例方式
如图1A所示，根据本发明一个实施例的双频平板天线1包括主辐射金属片11、寄生金属片12、基底13、馈线14、第一短路金属棒15与第二短路金属棒16、以及信号接地金属片17。
接地金属片17用以与信号接地端相接。短路金属棒15与16作为短路金属元件的一种形式，当然也可以用其他形状的短路金属元件来代替(如下文所述)。短路金属棒15与16分别把主辐射金属片11与寄生金属片12连接至信号接地端。馈线14为同轴馈线，贯穿接地金属片17而与主辐射金属片11连接，用以传递信号。馈线也不仅仅限于同轴馈线，其他馈线形式，如微带馈线和共平面波导等。基底13介于主辐射金属片11或寄生金属片12与金属接地片17之间，作为电磁波传播介质用，或者在其上面印制并支撑主辐射金属片11或寄生金属片12，其材质可为微波基底或直接使用空气，也可为空气以及任意微波基底的组合。
根据本发明的寄生金属片在一个第一频段上能够通过能量耦合的方式在主辐射金属片的激励下产生具有第一频段的辐射；而主辐射金属片在一个不同于所述第一频段的第二频段上能够产生具有第二频段的辐射。在本实施例中，第一频段为2.4GHz频段，第二频段为5.8GHz频段。当然，根据本发明的教导，本领域技术人员完全可以设计出在其他频段工作的双频短路平板天线。
在本实施例中，主辐射金属片11的尺寸比寄生金属片的尺寸小。由于主辐射金属片与寄生金属片均谐振于1/4波长的谐振模态，因此，主辐射金属片11能够向天线提供在高频操作时所需的频宽，而寄生金属片12能够向天线提供在低频操作时所需的频宽。当然，如果主辐射金属片的尺寸比寄生金属片的尺寸小，则主辐射金属片能够向天线提供在低频操作时所需的频宽，而寄生金属片能够向天线提供在高频操作时所需的频宽。
图1B所示为辐射金属片俯视图，其中包括一馈电点111及第一接地端112与第二接地端121。馈电点111连接至馈线14，接地端112与121均连接至接地金属片17，分别用以将主辐射金属片11与寄生辐射金属片12短路连接至接地金属片17。其中，短路金属棒15与16分别能使主辐射金属片11与寄生辐射金属片12的第一操作模态均谐振在1/4波长，因而使得本发明天线的尺寸能够达到缩小的效果。
对于2.4GHz的操作频段而言，在根据本发明实施例的天线中，短路寄生金属片12在主辐射金属片11以电磁波能量耦合的方式激励下，产生一频宽足够供2.4GHz频段(2400～2500MHz)使用的模态。对于5.8GHz的操作频段，根据本发明实施例的天线利用短路的主辐射金属片11产生一个频宽足够的模态供该频段(5725～5850MHz)使用。
根据本发明实施例的天线的实际测量结果分别于图2至图4中进行了说明。在天线尺寸只有5×20×9mm3下，2.4GHz的操作频段利用寄生金属片12产生一频宽为132MHz(2383-2515MHz)[1∶2.5 VSWR阻抗频宽的定义]的模态，如图2所示。而在5.8GHz的操作频段中，根据本发明实施例的天线利用激发主辐射金属片11得到695MHz(5370-6065MHz)[1∶2 VSWR阻抗频宽的定义]的频宽。上述二模态均为谐振在1/4波长时所产生的谐振模态。
图3A和图3B分别画出操作在2.45GHz与5.8GHz两个谐振频率时的x-z与y-z平面的辐射场型测量结果，而在2.4GHz与5.8GHz这二个操作频段中的天线增益与频率的关系分别如图4A与图4B所示。
图5所示为根据本发明的天线辐射金属片的其他实施例结构图。在图5A至图5E中，主辐射金属片均标示为51，寄生金属片均标示为52，主辐射金属片的接地端均标示为512，寄生金属片的接地端均标示为521，而馈电点均标示为511。馈电点可以在频率较低的金属片上，如图5A所示。此外，亦可在主辐射金属片或寄生金属片上蚀刻槽用以调整频率，如图5A的槽513与522。此外，短路金属棒亦可使用短路金属片或螺旋状的金属元件等取代，用以调整阻抗匹配与微调谐振频率，如图5E的短路金属片55与56。
综合以上所述，根据本发明的天线可以使得天线能够提供双频操作，同时拥有足够的操作频宽，并且可以提高产品的优良率。此外由于根据本发明的天线体积小、设计结构简单，适合于大量生产，成本低廉且不易损坏，因此根据本发明的天线在实用上具有极高的产业与应用价值。
权利要求
1.一种双频短路平板天线，包括一个基底，在所述基底的一个表面上形成有一个金属接地片，在所述基底的与形成有接地金属片表面相对的另一个表面上形成有一个主辐射金属片和一个寄生金属片，在所述主辐射金属片上形成有一个馈电点，一个馈线与所述馈电点连接，其特征在于，在所述主辐射金属片上还形成有一个第一接地端，在所述寄生金属片上形成有一个第二接地端，一个第一短路金属元件穿过所述基底将所述第一接地端与所述接地金属片短路连接，一个第二短路金属元件穿过所述基底将所述第二接地端与所述接地金属片短路连接，使得所述寄生金属片在一个第一频段上能够通过能量耦合的方式在所述主辐射金属片的激励下产生具有第一频段的辐射；并使得所述主辐射金属片在一个不同于所述第一频段的第二频段上能够产生具有第二频段的辐射。
2.如权利要求1所述的双频短路平板天线，其特征在于，所述主辐射金属片的第二频段辐射与所述寄生金属片的第一频段辐射分别是谐振在四分之一波长的谐振模态辐射。
3.如权利要求2所述的双频短路平板天线，其特征在于，在所述主辐射金属片上设有多个槽。
4.如权利要求3所述的双频短路平板天线，其特征在于，在所述寄生金属片上设有多个槽。
5.如权利要求2所述的双频短路平板天线，其特征在于，所述基底为微波基底。
6.如权利要求1或5所述的双频短路平板天线，其特征在于，所述基底为空气。
7.如权利要求1所述的双频短路平板天线，其特征在于，所述馈线的一端与所述金属接地片相接而另一端将能量耦接至所述主辐射金属片，所述馈线为馈线组同轴馈线、微带线或共平面波导中的一种。
8.如权利要求1所述的双频短路平板天线，其特征在于，所述第一短路金属棒与所述第二短路金属棒的形状为形状组直线状、螺旋状或片状中的一种。
全文摘要
本发明提供了一种可双频操作的短路平板天线，其辐射金属片由主辐射金属片与一寄生金属片两个元件所组成，两个短路金属元件分别将主辐射金属片与寄生金属片接地，分别提供谐振在1/4波长的谐振模态，而达成双频操作。本发明的天线不仅能够同时满足双频段所需的频宽，而且结构简单、成本低。
文档编号H01Q1/38GK1428892SQ01144029
公开日2003年7月9日 申请日期2001年12月27日 优先权日2001年12月27日
发明者方士庭, 叶世晃, 翁金辂 申请人:财团法人工业技术研究院