環形諧振器和天線的製作方法
2023-05-18 18:03:11
專利名稱：環形諧振器和天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及在無線通訊設備中使用的高頻環形諧振器和天線。
背景技術：
無線通訊設備的優勢在於它與有線通訊設備相比由於具有優異的便攜性而很容易作為通訊設備來配置。在很多情況下，為了增強其便攜性，這種設備還需要尺寸減小。因此，尺寸減小對於構成設備的元件來說也是必須的。
在高頻濾波器、振蕩器或諸如此類中使用的小型諧振器經常使用如圖1所示的TEM模式一波長(TEM-mode-one-wavelength)環形諧振器。
上部導體101和下部導體102在介電基板100的相反表面上構成，因此構成一個波長的環形諧振器。輸入信號通過耦合電容103施加在上部導體101上的一點。諧振信號從位於電長度對應於諧振頻率半波長的點b輸出，並通過耦合電容104，這樣就配置成高-Q諧振器。
因為上導體101、耦合電容103、104等，可以通過印刷或光刻技術在介電基板100上形成，這樣就有利於諧振器大規模生產並且具有對期望特性良好的可再現性。
為了減少一個波長諧振器的尺寸，就提出了在上部導體中配置間隙作為諧振線，將電容接入間隙，並且傳輸線與諧振器耦合，因而取得輸出的方案。這種配置可以將諧振電路諧振線的長度減少到一個波長或更短，因而允許製造出小型諧振器結構。然而，諧振器的Q值可能由於諧振電路中集總常數的元件而減小。這樣，這種諧振器與一波長環形諧振器相比就更會有受Q值衰減影響的趨勢。
同時，環形天線作為天線在RF設備中使用已經為人們所熟知。圖2示出一種環形諧振器的傳統結構。作為具有對應於諧振器頻率一個波長電長度的平衡轉換電路的導體1101的末端與平衡不平衡轉換器1102相連。在平衡不平衡轉換器1102的不平衡轉換電路產生輸出。
簡單結構的環形諧振器非常適合大規模生產並且具有對期望特性的良好再現性。
然而，原則上環形天線需要對應一個波長的線長。這就增加了特別是對於具有長波長的頻帶的尺寸，導致製造可攜式射頻設備的困難。
發明內容
本發明的第一目標在於在不產生Q值衰減的情況下，減少諧振器的尺寸。
第二目標在於減少環形天線結構的尺寸。
根據本發明，當TEM模式中的傳輸線是由兩個導體構成，這些導體的末端就與另一線末端的反向極相連，因而就構造出在半波長模式下諧振的諧振器。這種結構，擺脫了線不連續性引起的Q值衰減，能夠構成具有等同於一個波長諧振器高Q值的諧振器。而且，傳輸線長度令人滿意地減小為一個波長諧振器的一半。因此，就有可能用這種結構來減小外形，而且很少有Q值衰減。
此時，因為沒有具有衰減特性的線不連續性，天線可以如同一個波長環形天線一樣高效率地構造。因此，就可能將尺寸減小到傳統天線尺寸的一半。
而且，可以通過在環形天線電路中插入電容元件進一步減小尺寸。
圖1是示出傳統的一個波長環形諧振器的一個實例的示意圖；圖2是示出傳統一個波長環形天線的一個實例的示意圖；圖3是本發明環形諧振器實施例的示意圖；圖4是根據本發明的環形諧振器諧振狀態的電流和電壓分布圖。
圖5是圖1的一個波長諧振器諧振狀態的電流和電壓分布圖；圖6是示出圖3的上部導體和下部導體具體結構的示意圖；圖7是示出本發明環形天線的第一實施例的示意圖；圖8是圖2環形天線的諧振模式的電流和電壓分布圖；圖9是圖7環形天線的諧振模式的電流和電壓分布圖；圖10是示出本發明環形天線的第二實施例的示意圖；和圖11是示出圖10的環形天線中上部導體、下部導體和電容元件具體結構的示意圖，其中圖11A是示出整體結構的示意圖，並且圖11B和11C是示出電容元件區域的其他結構俯視圖。
圖12是示出本發明環形天線的第三實施例的示意圖；圖13是示出本發明環形天線的第四實施例的示意圖；和圖14是示出圖13的環形天線中上部導體、下部導體和電容元件具體結構的示意圖，其中圖14A是示出整體結構的示意圖，並且圖14B和14C是示出電容元件區域的其他結構俯視圖。
具體實施例方式
本發明的示範實施例將在下文中結合附圖進行說明。
1.第一示範實施例圖3示出根據本發明的環形諧振器的一個實例。在介電基板(沒有示出)相反表面上前後形成上部導體301和下部導體302，因此，構成傳輸線。上部導體301和下部導體302通常是通過在介電基板上蝕刻的環形金屬線構成，在部分金屬線中形成間隙305、306。在上部導體301的間隙305的末端a和下部導體302的間隙306的末端d之間以及在上部導體301的間隙305的末端b和下部導體302的間隙306的末端c之間通過通孔(via-hole)307或諸如此類形成連接。輸入信號的耦合電容303與下部導體302間隙306的末端d相連，而耦合電容304與末端c相連，來獲取諧振信號。
接著，本發明諧振器的工作原理將通過與圖1所示的傳統一個波長諧振器中的諧振工作進行比較來說明。
圖4示出圖1的一個波長諧振器中電流和電壓分布。相對於下部導體102而言的圖1上部導體101上b點處的電位Vb在大小上與相對於下部導體102而言的圖1上部導體101上a點處的電位Va是相等的，但極性相反。因此，如果在極性相反的a點和b點之間建立連接，諧振模式就能維持。
圖5是基於上述觀點在極性相反的a點和b點之間建立物理連接時的諧振狀態電流和電壓分布。圖1中b點的上部導體101電位是負值。而這是與下部電極102相對的上部導體101上b點處的電位。因此，圖1下部導體102上b點電位可以認為相對於上部導體101是正值。因此，如果在圖1極性相反的a點和b點之間建立連接，諧振模式就能不變。
圖3示出根據上述觀點構造的環形諧振器。也就是上部導體101的傳輸線在對應於a點和b點的位置被截斷。它們就製成環狀並且分別作為上傳輸線301和下傳輸線302配置。在上傳輸線301中的b點和下傳輸線302的c點之間建立了相反極性的連接。同樣，在上傳輸線301中的a點和下傳輸線302的d點之間建立了相反極性的連接。因此，上傳輸線301和下傳輸線302都能提供相同頻率諧振模式下的一個波長諧振器的半個電長度。
因此，比較相同頻率的諧振器，圖3的線對之間TEM模式的環形諧振器具有圖1的傳統一個波長諧振器一半的物理長度，這樣就可能減小尺寸。
此時，本實施例的諧振電路是一種不需要使用固定數量的集總常數元件的傳輸線，固定數量的集總常數元件事實上會減少Q值。因此，就可能實現一種無不連續性且具有高諧振性能的諧振器。
圖6是示出圖3的上傳輸線301和下傳輸線302具體結構的示意圖。諧振器是通過在介電基板的各表面上由蝕刻或類似方法構成的上部金屬線601和下部金屬線602構造而成。金屬線601、602具有通過通孔603相連的末端。
根據本實施例，諧振器可以在用於一般工業產品的印刷電路板上輕易實現。
注意，雖然上面的描述為了製造電路或維持電路方便而舉例了使用介電基板的實例，但是這種介電基板並不是必需的，例如僅有一對導線的結構也是可行的。
2.第二示範實施例圖7是示出本發明環形天線的第一實施例的示意圖。上部導體701和下部導體702具有對應於諧振頻率波長一半的電長度，並且成環形構成天線。提供的上部導體701在相對端具有端點a和端點c，而下部導體702在相對端具有端點b和端點d，在上部導體701的端點c和下部導體702的端點b之間建立連接。同時上部導體701的端點a與平衡不平衡轉換器703的平衡端相連，而下部導體702的端點d與平衡不平衡轉換器的另一平衡端相連。平衡不平衡轉換器703具有作為環形天線饋電端點的不平衡端點704。
下面，通過與圖2的一個波長環形天線的諧振工作進行比較來說明本發明環形天線的工作。在圖2中，導體1101形成一個波長環形諧振器，並且具有饋電平衡不平衡轉換器1102，這樣就構成了環形天線。圖8是一個波長環形天線諧振狀態中的電流和電壓分布圖。
圖2中b點處導體上的電位Vb與圖2中a點處導體上的電位Va相比較是相反的，其中在理想條件下它們在大小上是相同的。因此，即使具有相反極性的圖2的b點與圖2的a點相連，仍然存在諧振模式。
圖9是基於上述觀點的圖7實施例的環形天線諧振狀態中的電流和電壓分布圖。在圖7中，與端點d相比較，端點c處的電位Vb是負值，而與端點c相比較，端點d處的電位可以認為是正值。而且，它的大小與a點處的電位Va相同。因此，在圖7中，即使具有相反極性的端點c與端點b相連，並且端點a與端點d相連，諧振模式也不改變。由於這個原因，圖7的實施例的環形天線結構是圖2的一個波長天線的電長度一半，但具有相同諧振頻率的諧振模式。
在本方式中，比較相同頻率的環形天線，本實施例是一個波長環形天線長度的一半，就可能減少其尺寸。同樣，本實施例的天線電路可以僅有一根傳輸線構成。因為其沒有使用固定數量的集總常數元件，即一種Q衰減因子，因此在線中也沒有不連續性，並且其具有與一個波長環形天線相同的效率。
3.第三示範實施例圖10是示出本發明環形天線的第二實施例。上部導體701和下部導體702構成了TEM傳輸線。在傳輸線中，上部導體701的端點c和下部導體702的端點b通過電容元件705相連。用於電饋電的平衡不平衡轉換器703在上部導體701的端點a和下部導體702的端點d之間相連。平衡不平衡轉換器703具有充當環形天線饋電端點的不平衡信號端點704。
本實施例的環形天線所具有的降低諧振頻率取決於插入在諧振電路中的電容元件705的值。因此，因為相同頻率天線的線長與沒有配備電容元件705的結構相比可以進一步縮短，所以天線能夠在尺寸上進一步減小，可以小於傳統環形天線的一半。
圖11A是示出圖10中的上部導體701、下部導體702和電容元件705詳細結構的結構圖。天線是由通過在介電基板各表面上蝕刻的上部金屬線801和下部金屬線802構成。金屬線801、802通過從上部金屬線801末端延伸形成的環形延伸部分804和從下部金屬線802末端延伸形成的環形延伸部分805所構成的電容元件在末端連接在一起。用於饋電的平衡不平衡轉換器703連接在上部金屬線801的端點a和下部金屬線802的端點d之間。平衡不平衡轉換器703具有充當本實施例環形天線饋電端點的不平衡信號端點704。
上部金屬線801和下部金屬線802的延伸部分804、805的形狀並不局限於環形，而可以製成任意形狀，例如如圖11B所示上部金屬線801和下部金屬線802端點處指向內側的矩形或如圖11C所示的T形。
4.第4示範實施例圖12示出本發明環形天線的第三實施例。上部導體701和下部導體702由一根TEM傳輸線組成。傳輸線通過電容元件706和電壓變容元件707連接上部導體701的端點c和下部導體702的端點b。電壓變容元件707，通常成為可變電抗器，是具有由端點電壓控制電容值的電容元件。將其插入，以便其電壓-施加端點與電容元件706相連。用於控制電容值的電壓電源708連接在電容元件706和電壓變容元件707之間。電容值控制電壓電源708，示出為可變電壓直流電源，與電壓變容元件707的電壓-施加端點相連來控制其電容值。
用於饋送的平衡不平衡轉換器703也連接在上部導體701的端點a和下部導體702的端點d之間。平衡不平衡轉換器703具有充當本實施例環形天線饋電端點的不平衡信號端點704。
本實施例的環形天線所具有的諧振頻率取決於插入在諧振電路中的電容元件706和電壓變容元件707的值。即使當上部導體701和下部導體702具有相同的線長，其諧振頻率也能通過用控制電壓源708改變電壓變容元件707的電容值來改變。也就是說，電容值控制電壓電源708設定的環形天線頻率範圍的調節能使天線在更寬範圍中運行。
5.第五示範實施例圖13示出本發明第四實施例的環形天線。上部導體701和下部導體702構成TEM傳輸線。傳輸線連接在上部導體701的端點c和下部導體702的端點b之間。用於電饋送的平衡不平衡轉換器703也配置在上部導體701的端點a和下部導體702的端點d之間。平衡不平衡轉換器703具有充當本實施例環形天線饋電端點的不平衡信號端點704。上部導體701和下部導體702都在任意點分為兩部分，並且電容元件708插入在分割點中。
圖14是示出圖13中的上部導體701、下部導體702和電容元件708具體結構的結構圖。天線是由通過在介電基板相反表面上蝕刻或類似方法所形成的上部金屬線901和下部金屬線902構成。通過通孔903在上部金屬線901的端點c和下部金屬線902的端點b之間建立連接。電容元件708包括通過對上部金屬線901中間部分的分割形成的間隙904以及通過對下部金屬線902中間部分的分割形成的間隙907。根據需要，間隙904形成一對T形圖案905、906。同樣，根據需要，間隙907形成一對T形圖案908、909。平衡不平衡轉換器703連接在上部金屬線901的端點a和下部金屬線902的端點d之間。平衡不平衡轉換器703的不平衡信號端點704將饋電端點提供給本實施例環形天線。
注意對於間隙904、907，以除T形圖案外的其他形狀形成圖案也能令人滿意，例如如圖14B或11B所示的形狀。
雖然以上說明示出具有由分布常數電路配置的電容元件的實例，但很明顯配置也可以用集總常數元件來實現。
本實施例的環形天線具有的諧振降低頻率取決於插入在諧振電路中的電容元件608的值。與電容元件608沒有給出的配置相比，就可能在相同頻率上減小天線尺寸。也因為可以在環形天線設備中的任意點插入電容元件。這就減少了對電路如何安置在主設備上的限制。
雖然實施例舉例說明的構成諧振器的傳輸線是由介電基板相反表面上的金屬線所形成，但是顯而易見，本發明同樣適用於其他包含有來赫線模型的TEM模式傳輸線。
權利要求
1.一種環形諧振器，其特徵在於，其中每根都具有對應於諧振器頻率波長一半電長度的第一和第二傳輸線在基板上排列成環形，所述第一傳輸線的第一端點與相反極性的第二傳輸線的第二端點相連，並且所述第一傳輸線的第二端點與相反極性的第二傳輸線的第一端點分別相連。
2.如權利要求1所述的環形諧振器，其特徵在於，進一步包括與所述第一傳輸線的第一端點與第二傳輸線的第二端點之間的中間點相連的第一耦合電容來提供輸入信號，以及與所述第一傳輸線的第二端點與第二傳輸線的第一端點之間中間點相連的第二耦合電容來取得輸出信號。
3.如權利要求1所述的環形諧振器，其特徵在於，所述基板是介電基板，所述介電基板具有在其一表面上形成的第一金屬線和在另一表面上形成的第二金屬線來構成所述第一傳輸線和第二傳輸線，所述第一和第二金屬線通過通孔連接在一起。
4.如權利要求1所述的環形諧振器，其特徵在於，所述基板是介電基板，所述介電基板具有在其一表面上形成的第一金屬線和在另一表面上形成的第二金屬線來構成所述第一傳輸線和第二傳輸線，所述第一和第二金屬線分別由其兩端形成電容元件的擴展部分形成。
5.一種環形天線，其特徵在於，包括由每根都具有對應於諧振器頻率波長一半電長度的第一和第二傳輸線所排列成環形的TEM模式傳輸線，以及平衡不平衡轉換器；其中，所提供的第一傳輸線具有端點a和端點b，並且第二傳輸線具有端點c和端點d，端點c和端點b連接在一起，所述平衡不平衡轉換器的平衡端點中的一個端點與端點a相連，並且平衡不平衡轉換器的另一個平衡端點與端點d相連，因此提供了不平衡端點作為天線的饋電端。
6.如權利要求5所述的環形天線，其特徵在於，進一步包括連接在所述端點c和端點b之間的電容元件。
7.如權利要求5所述的環形天線，其特徵在於，進一步包括連接在所述端點c和端點b之間的電容元件和電壓變容元件，與所述電容元件相連的所述電壓變容元件控制電壓輸入導線，與電容元件和電壓變容元件之間的中間點相連的控制電壓電源。
8.如權利要求5所述的環形天線，其特徵在於，所述第一和第二傳輸線都分為兩部分，並且各分割端點通過電容元件相連。
9.如權利要求5所述的環形天線，其特徵在於，所述第一和第二傳輸線由形成在介質基板的相反表面中的第一和第二金屬線構成，所述端點c和端點b的連接是由通孔將所述第一和第二金屬線端點相連來建立。
10.如權利要求5所述的環形天線，其特徵在於，所述第一和第二傳輸線由在介電基板的相反表面中形成的第一和第二金屬線構成，所述端點c和端點b分別具有延伸部分來形成電容元件。
11.如權利要求5所述的環形天線，其特徵在於，所述第一和第二傳輸線由在介電基板的相反表面中形成的第一和第二金屬線構成，所述第一和第二傳輸線都分為兩部分，由此產生的間隙形成電容元件。
12.一種環形天線，其特徵在於，其中具有對應於諧振器頻率波長一半電長度的TEM傳輸線排列成環形，其中所述傳輸線的第一端點分別與傳輸線的第二端點相連，因此連接了相反極性的端點。
全文摘要
在TEM模式傳輸線中的兩根導線排列成環形。一根導線的一端和另一導線相反極性的端點相連,這樣形成半波長模式諧振的諧振器。這種沒有引起Q值降低的線不連續性的結構,能夠提供一種具有等同於一波長諧振器高Q值的諧振器。而且令人滿意地是提供了一波長諧振器長度的一半尺寸的諧振器。因此,諧振器的結構減小了尺寸,但很少有Q值衰減。
文檔編號H01Q9/26GK1359167SQ0114388
公開日2002年7月17日 申請日期2001年12月12日 優先權日2000年12月12日
發明者三村政博, 牧本三夫 申請人:松下電器產業株式會社