CN101682118A - 混合天线 - Google Patents

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CN101682118A CN200880008816A CN200880008816A CN101682118A CN 101682118 A CN101682118 A CN 101682118A CN 200880008816 A CN200880008816 A CN 200880008816A CN 200880008816 A CN200880008816 A CN 200880008816A CN 101682118 A CN101682118 A CN 101682118A
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S·佩罗
C·德克罗兹
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Abstract

本发明涉及一种混合天线。该天线包括线路板天线和PIFA天线，第一个天线能够与发电机相连，第二个天线通过电容耦合而耦合到第一个天线。

Description

混合天线
技术领域
本发明涉及一种包括线路板天线和PIFA天线的混合天线。这些天线之一能够与发电机相连，另外一个天线通过电容耦合而耦合到第一个天线。本发明特别适用于电信领域，例如WiFi天线。
背景技术
数字放射盒或数字放射性暗盒(digital radiological cassette)使得存储经X射线透射的病人的一幅或多幅数字图像成为可能，并且不需要将病人安置在严格隔离的机械环境中，这种盒便于携带因而易于操作。如果这种盒进一步是无线的，将提升它的移动性和使用的简易性。但是不使用线路使得它必须通过无线发射天线来向医院信息系统发送该数字图像。这造成了实际应用上的困难。
在一方面，盒需要一定的机械稳健性来保证跌落或者碰撞情况下的可靠性，同时也能够防止外部的电磁干扰。这要求将设备封闭在一个形成法拉第笼并且确保屏蔽的金属壳体中。无论天线被放置在内部还是外部，这一金属体的影响阻止了PCB上的平面天线的使用：天线被放置在内部时，这是最差的电磁箱体；天线被放置在外部时，这是关于机械保护的最差的箱体。无线电的约束被认为相对于机械性能的约束要大，天线一定要放置在金属壳体的外部。然而，外部的可用空间非常狭小并且限定的是一个区域而不是一个体积。也必须防止天线遭受碰撞以及在医务环境下为清洁器械而经常使用的液体的损坏。
此外，医用环境要求在无线电发射功率方面符合严格的医用标准。IEC 60601-1-2标准将辐射发射的瞬时功率(IPRT)的最大值限制为1毫瓦。这一功率限制导致难以使用非定制的天线，例如一种“WiFi”型天线，其标称功率大致为100毫瓦数量级。它们可以被轻松地限制在1毫瓦，但是由该盒所构建的金属环境将导致在这一功率级的天线的严重失配。因此非定制的“WiFi”天线最终不适用于数字放射盒。但是制造专门适用于数字放射盒的“WiFi”天线仍然面临着许多技术难题。
事实上，由于各国之间制订规则的差异，这样一种天线首先要求覆盖一个宽的频带或者实际上几个频带。因此出台了大量商业上称为“WiFi”的标准：这些标准为例如IEEE 802.11a，IEEE 802.11b，IEEE802.11g或者IEEE 802.11n。IEEE 802.11b和IEEE 802.11g标准提供了在2.4GHz和2.5GHz之间的若干通信信道。IEEE 802.11a标准提供了5GHz和6GHz之间的若干通信信道。这样，一种几乎多目标的、至少与IEEE 802.11a，IEEE 802.11b和IEEE 802.11g三个标准兼容的WiFi链路需要使用一种能够在若干个频带内发送和接收信息的多频带天线。关于这种天线产生了众多局限。首先存在涉及操作方向和功率的传统天线的局限性。但最重要的是，也存在尺寸上的局限。实际上，WiFi链路的使用被证明对于便携装置是不可或缺的以提供减小的重量和尺寸。这典型地见于数字放射盒的情形。
这种天线必须是全向性的，或者它必须至少具有在空间内尽可能一致的辐射方向图。这样用户就不必担心盒关于WiFi接收机的相对位置或方向。
这种天线必须具有一定的发射范围，这一范围通常取决于使用的环境。例如，安装在便携式或者办公用计算机中的非定制的WiFi卡具有可变的范围，用户可以选择他的卡(以及他希望为之分配的预算)以满足与诸如覆盖面积、层数或者墙壁厚度这些使用条件之间的函数关系。如今，天线的范围与它的发射功率成正比，而这一发射功率在医务环境下将被限制在1毫瓦这个所制订的限制值内。在这种条件下，既要满足范围的要求又要同时符合天线发射功率的限制非常的复杂。即使涉及的问题本质上是医用标准的问题，也不能忽略天线必须形成为便携装置的一个完整的部分的事实，该便携装置由可再充电的电池系统供电，其因此具有有限的电力。因此这种天线的效率必须很高，也就是说将通过电池提供给它的能量最大限度地重构为辐射的形式。
该天线必须是多频带的，至少与WiFi标准中的多个频带相匹配。如今，通常一个天线与一个给定的频率相匹配。在这个给定的频率，如果天线通过电缆供给能量，它必须将能量最大限度地辐射出去，并最少地朝电缆返回能量。因此，如果供电系统具有例如50欧姆的阻抗，则天线的阻抗必须也是50欧姆。这对于工作在单一频带内的天线来说是容易实现的，特别是一个窄的频带。但这在天线必须工作在几个频带内的情况下就要困难得多，有可能诸如IEEE 802.11a标准中的宽频带允许巨大的数据吞吐量。
该天线必须同时具有缩减了的尺寸从而能够集成到便携装置之中。
特别地，如果上述几点中的任何一个未被处理并得到满意的解决，那么想获得一个满意的链路预算将会非常困难。接收天线所接收的功率与发射天线所发射的功率之间的比值将会非常低，导致线路上出现相当高的错误率。
类似的技术问题在具有WiFi天线的便携式计算机领域也很显著。可再充电的供电所带来的问题由于便携式计算机能够不用电源线而持续使用较长的时间而被扩大化。这不是数字放射盒的情况。在便携式计算机中使用的天线是印刷在介质基板上的偶极子，也称作“2D天线”，该天线经由塑料封装以隔离金属元件的任何接触。这些天线尤其适合集成在各种系统中。但是数字放射盒的外部具有金属屏蔽壳体。如果该2D天线放在内部，则该天线将不能向外辐射。如果将天线放置在外部，则金属壳体将相当显著地干扰天线的辐射，使其失效。
能够想到的一种替换解决方案是使用安装在接地平面上的天线，也称作“3D天线”。这种天线具有更大的体积，通常用于大容量的辐射，例如整栋建筑物。这些是例如称为“PIFA”天线(平面倒F天线)的天线。但要想用PIFA天线实现多频带操作，则PIFA天线的尺寸必须足够大以使其辐射平面能够包括缝隙。这些尺寸与数字放射盒外部可用的宽度、长度和厚度并不相容。对于分配给天线的体积，只有单一频带的PIFA天线能够适合。另一个能够想到的可选用的解决方案是按照专利EP0667984B1来应用3D天线。的确，依据这一专利的具有多个辐射平面的线路板型天线能覆盖多个频带。但是它的尺寸太大，尤其是厚度太大，以致于不能被装配在数字放射盒的外部。
发明内容
本发明提出并要解决的技术问题是提供一种具有与已知的3D天线的辐射性能类似，但尺寸却小的多的天线。
本发明的目的尤其在于提供一种具有非常小的尺寸的多频带天线。为了这一目的，本发明的主题是一种包括线路板天线和PIFA天线的混合天线。这两个天线之一可以与发电机相连。另外一个天线通过电容耦合而与第一个天线耦合。
有利地，所述天线可以是多频带的。
在一个实施例中，所述线路板天线和所述PIFA天线的每一个可以包含辐射板，这两块板的每一个可以设置在辐射元件上，并且这两个元件均可设置在接地平面上。这两块辐射板可以位于同一个平面并被一条具有固定宽度的缝隙隔开，所述缝隙保证了所述两块板的电容耦合。
有利地，所述两个辐射元件可以设置在同一个接地平面上。
所述两块板之间的所述缝隙可以形成一种图案，这种图案增加了所述缝隙的长度和它的电容。比如，由所述两板之间的所述缝隙形成的图案可以呈现为从一块板上伸向另一块板的矩形突出部分。
在一个实施例中，可以将同轴电缆的中心线连接到所述辐射板之一，并且将同轴电缆的外围编织层连接到接地平面。所述中心线能够将所述板与发电机相连，而外围编织层能够将接地平面与电气地相连。例如，所述同轴电缆的中央芯线能够将所述PIFA天线的所述辐射板连接到所述发电机。
所述天线可以装入塑料机壳中，所述机壳可以固定在数字放射盒的外部，所述塑料机壳将天线与所述盒的金属箱体引起的干扰相隔离。
本发明除了提供与已知的3D天线性能相似的非常小的尺寸之外，所具有的主要优点在于它仅需采用制造3D天线的一般性技术。其最终成本完全与PIFA天线或传统的线路板天线相当。
附图说明
在根据以下所给出的附图所作出的描述的帮助下，本发明的其他特性以及优点将变得清楚，其中：
图1以分解图示出按照本发明的一个典型的混合天线，其用于集成在数字放射盒上；
图2是按照本发明的同一示例性混合天线的透视图；
图3以设计图示出按照本发明的同一示例性混合天线的尺寸；
图4是按照本发明的同一示例性混合天线的辐射图。
具体实施方式
图1通过分解图示出了用于集成在数字放射盒上的、按照本发明的一个示例性的混合天线。它包括例如由矩形导电材料制成的辐射板P1，辐射板P1包括例如在其一条短边上形成的正方形图案的突出部分S。所述板P1安装在例如由砖瓦状(tile-shaped)导电材料制作的辐射元件E3上，所述元件E3以导电连接的方式支撑所述板P1。所述元件E3以直接接触的方式设置在例如金属接地平面P3上。所述板P1，所述元件E3以及所述金属接地平面P3构成了线路板天线。
按照本发明的混合天线包括例如由矩形导电材料制作的辐射板P2，辐射板P2包括例如在其一条短边上形成的矩形图案的凹口E。形成凹口E的矩形的长边略长于形成突出部分S的正方形的边长。所述板P2安装在例如由立方体形状的导电材料制作的辐射元件E1上，所述元件E1以导电连接的方式支撑所述板P2。所述元件E1例如以直接接触的方式设置在所述金属接地平面P3上。但是已经能够想象到一个清楚的接地平面。由导电材料制作的砖瓦状辐射元件E2固定在所述板P2的下方，但它并不与所述接地平面P3相接触。所述板P2，所述元件E1和E2以及所述金属接地平面P3构成了PIFA天线。具有合适的横截面的同轴电缆可以通过所述元件E2例如为所述PIFA天线提供电流，为了清楚起见，这在图1中并没有示出。然后在所述接地平面P3上与所述元件E2相对处钻孔，该孔的直径与所述电缆的横截面尺寸大致相等。所述电缆的中央线股(中央芯线)通过所述孔，并且不会与所述接地平面P3发生接触。它的末端焊接到所述元件E2。所述同轴电缆的编织套可以部分有利地焊接在与所述接地平面P3上的所述孔的边缘齐平的位置。继而所述中央线股提供电流，所述编织套连接到电气地。
按照本发明所述的混合天线实现了所述线路板天线和所述PIFA天线的耦合。有利地，所述元件E1和E3的尺寸为使得所述板P1和P2位于同一平面，布置所述元件E1和所述元件E3使得板P1和P2例如由缝隙F隔开。有利地，所述突出部分S不接触地适配到所述凹口E中，所述缝隙F的宽度较小并且固定。这样，一旦所述PIFA天线通过所述同轴电缆的中央芯线提供电流，感应电流就会出现在所述线路板天线中。所述线路板天线通过电容耦合而耦合到所述PIFA天线。应该注意的是，通常，PIFA天线或线路板天线并不以供电的模式为特征。通过电接触或者通过电容耦合都同样能使它们得到良好的供电。而谐振的模式才是区别它们的特征。实际上，线路板天线的谐振模式是电类型的，电流在接地线中更加集中，也就是说在本示例性实施例中集中在由所述接地平面P3支撑的所述辐射元件E3上。线路板天线的辐射方位是全向性的。该天线表现为单一竖直极化的单极辐射，辐射场的极化垂直于天线的所谓“短路”线，也就是说垂直于本示例性实施例中所述的辐射元件E3。然而PIFA天线的谐振模式是电磁类型的，电流分散在天线的整个结构中。该天线表现为空间各处全场一致的偶极辐射。这种一致性取决于由该天线辐射的两种极化之和，其中水平极化源于在所述板P2上流动的电流，而竖直极化源于该天线的称为“短路”的板，也就是说源于本示例性实施例中所述的辐射元件E1。还应该注意的是，在所述两个天线之间的所述缝隙F并不具有谐振的作用，但是它有利地确保了所述的耦合功能。有利的是，相比于没有图案的直缝隙，它所形成的图案能使它的电容有所增加。因此按照本发明所述的混合天线的缝隙F与传统PIFA天线的谐振缝隙不同。
因此所述的两种天线在工作原理上是不同的。此外应该注意的是，所述元件E1和E3相对于其各自的辐射板P2和P1的位置对所述天线形成的谐振模式起到决定性作用。为了制作PIFA天线，所述元件E1必须是偏离所述辐射板P2的中心的。为了制作线路板天线，所述元件E3必须位于所述辐射板P1的中心。另外，这一相对位置决定了所述元件在所形成的天线中实现的功能，所述PIFA天线的元件E1的功能丝毫不能与所述线路板天线的元件E3的功能相比。
包括所述缝隙F，互相邻接的板P1和P2合计的表面区域的宽度大致与它们所在的接地平面P3的表面区域的宽度相同，而长度稍短。介质材料块B1，B2，B3和B4被夹在所述板P1和P2之间，块B1和B2在元件E1的两边，块B2和B3在元件E2的两边，块B3和B4在元件E3的两边。块B1，B2，B3和B4并不从板P1和P2与接地平面P3所形成的夹层中突出。
按照本发明的用于数字放射盒的混合天线被装入模制的塑料机壳C中是有利的。塑料机壳C一方面使得能够将本发明所述的混合天线固定在数字放射盒的外屏蔽壳上，这未在图1中示出；另一方面也使得将所述天线与所述屏蔽壳体形成的相当大的金属体相隔离成为可能，从而防止所述天线的辐射被其所干扰。因此它的作用在应用于数字放射盒中时是确定的。它也能够保证所述天线的密封性并保护天线不受碰撞。
图2通过透视图示出了按照本发明的已在图1中示出的示例性混合天线，其应用于数字放射盒。所述天线已完全组装完毕。只有辐射板P1和P2是可见的，其与塑料机壳C齐平并且被缝隙F隔开。本发明所述的混合天线适于通过机壳C装配到盒上。
图3通过设计图示出了本发明所述的应用于数字放射盒的混合天线的尺寸，该混合天线已在图1和图2中得以示出。图3的上半部分是同一设计图的顶视图，而图3的下半部分是侧视图。所有的尺寸是以毫米表示的。这一设计图证明了本发明所述的混合天线的尺寸是非常小的。
所述的顶视图描绘了辐射板P1和P2，其突出部分S和凹口E由缝隙F隔开，也描绘了元件E1，E2和E3。所述的侧视图不仅描绘了辐射板P1和P2以及元件E1，E2和E3，也绘出了接地平面P3。接地平面P3的长度只有71.4毫米。板P1和P2以及接地平面P3的宽度只有15毫米。不考虑突出部分S和凹口E的情况下，板P1和P2的长度分别为39毫米和22毫米。突出部分S具有3毫米乘以3毫米的正方形形状。凹口E在板P2的宽度方向上延续5毫米，在板P2的长度方向上深入3毫米。这样，板P1和P2之间的缝隙F只有1毫米宽。板P1和P2与接地平面P3仅间隔5毫米，这5毫米对应于分别支撑板P2和P1的元件E1和E3的高度。元件E2的高度仅有4毫米，它与接地平面P3的间隔为1毫米。应该注意的是，元件E1，E2和E3的每一个在水平面上都具有一个关于它所支撑(对于E1和E3的情形)的板，或者支撑它(对于E2的情形)的板可以忽略不计的表面区域。实际上，元件E1和E2分别具有3×3＝9平方毫米和7×2＝14平方毫米的水平表面区域，这对于表面区域为15×22＝330平方毫米的板P2来说是可以忽略的。元件E3的水平表面区域为11×5＝55平方毫米，这对于表面区域为15×39＝585平方毫米的板P1来说是可以忽略的。这就是为什么从电磁学的观点来看，元件E1，E2和E3表现得与导线类似。但是这种元件却比导线更受推崇，主要原因在于其所具有的机械稳健性。本发明所述的这一示例性混合天线的数毫米量级的尺寸使得它特别适合于便携式的应用中，比如数字放射盒。
元件E1和E3的每一个都被大致设置在其所支撑的板的宽度方向的中间位置，E2大致设置在支撑它的板的宽度方向的中间位置。元件E1与板P2的两个侧边的距离均为6毫米。元件E2与板P2的两个侧边的距离均为4毫米。元件E3与板P1的两个侧边的距离均为2毫米。另一方面，由于为了获得PIFA天线的典型的辐射而带来的结构方面的限制，元件E1和元件E2都没有设置在板P2长度方向上的接近中间位置。例如，元件E1设置在距离板P2上的与板P1相反侧的边4毫米处，元件E2设置在与板P2上的另一边距离为3毫米处，所述另一边与板P1相邻，并且是凹口E的边界。同样地，由于为获得线路板天线的典型辐射而具有的结构限制，元件E3设置在板P1长度方向上相对接近中间的位置。例如，元件E3设置在距离板P1上的与板P2相反侧的边21毫米处，板P1的总长为39毫米。
图4示出了按照本发明的示例性混合天线的辐射图，该混合天线已在图1、图2和图3中得以示出，并应用于数字放射盒。其中横坐标代表以GHz为单位的频率。纵坐标代表以分贝为单位的天线反射系数，一般称为S11。如果在某一给定频率下，天线的反射系数S11小于-6分贝，则认为天线与这一频率匹配。显然，所述的由辐射板P1，辐射元件E3和接地平面P3形成的线路板天线的尺寸能够使其在大约2.4GHz到2.5GHz左右的频率fb，g有效地辐射，系数S11在频率fb，g处呈现一个极小值，约为-25分贝。因此所述天线与频率fb，g匹配，该频率与WiFi 802.11b以及WiFi 802.11g标准中的波段相应。所述的由辐射板P2，元件E1和接地平面P3形成的PIFA天线所具有的较小尺寸能够使其在高得多的大约5GHz到6GHz的频率范围fa内有效地辐射，系数S11在频率fa处呈现一个极小值，约为-30分贝。因此所述天线与频率fa匹配，该频率与WiFi 802.11a标准中的波段相应。
按照本发明的混合天线在本专利申请的图1、图2、图3和图4中进行了说明，其中所述PIFA天线和所述线路板天线沿着它们的宽度耦合，但这仅仅是作为一个例子给出的。按照本发明的混合天线的例子中，所述PIFA天线和所述线路板天线沿着它们的长边耦合也是完全能够想到的，并不背离本发明所阐述的原理。改变所述PIFA天线和所述线路板天线的尺寸和相对位置能够显著地使本发明所述的混合天线适应给定的频率范围，也就是说在所期望使用的频率上优化天线的反射系数S11。
具有多个工作频带和缩减了的尺寸使本发明所述的混合天线特别适合于各种WiFi标准的便携式的应用中，比如数字放射盒。

Claims (9)

1、一种混合天线，其特征在于：它包含线路板天线和PIFA天线，第一个天线能够与发电机相连，第二个天线通过电容耦合而耦合到第一个天线。
2、如权利要求1所述的混合天线，其特征在于所述天线是多频带的。
3、如权利要求1所述的混合天线，其特征在于：所述线路板天线和所述PIFA天线的每一个包含辐射板(P1，P2)，这两块板的每一个设置在辐射元件(E3，E1)上，这两个元件的每一个设置在接地平面(P3)上，这两块辐射板位于同一平面并且通过具有固定宽度的缝隙(F)分隔，所述缝隙确保了两块板之间的电容耦合。
4、如权利要求3所述的混合天线，其特征在于两个辐射元件(E3，E1)设置在同一个接地平面(P3)上。
5、如权利要求3所述的混合天线，其特征在于：所述两块板(P1，P2)之间的所述缝隙(F)形成了图案(S，E)，所述图案增加了所述缝隙的长度和它的电容。
6、如权利要求5所述的混合天线，其特征在于：由所述两块板(P1，P2)之间的所述缝隙(F)形成的所述图案(S，E)呈现为从一块板上伸向另一块板的矩形突出部分。
7、如权利要求3所述的混合天线，其特征在于：同轴电缆的中央芯线连接到所述辐射板(P1，P2)之一，同轴电缆的外围编织层连接到所述接地平面(P3)，所述中央芯线将所述板连接到所述发电机，所述外围编织层将所述接地平面连接到电气地。
8、如权利要求7所述的混合天线，其特征在于：所述同轴电缆的中央芯线将所述PIFA天线的所述辐射板(P2)连接到所述发电机。
9、如权利要求1所述的混合天线，其特征在于：它装入塑料机壳(C)中，所述机壳固定在数字放射盒的外部，所述塑料机壳将天线与所述盒的金属箱体引起的干扰相隔离。
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