CN1055794C - 无线通信设备的天线装置 - Google Patents

Abstract

一种用于无线通信设备(400)的天线装置(402)，包括：第一部件(404)和第二部件(406)。第一部件(404)耦合到无线通信设备(400)的电路(408)上。第二部件(406)可在第一位置与第二位置之间相对于第一部件(404)移动。当第二部件(406)移到第一位置时，第二部件(406)与第一部件(404)电容性耦合，和当第二部件(406)移到第二位置时，第二部件(406)和第一部件(404)电感性耦合。此外，一个可变电抗调谐器(505)，操作耦合到天线部件(406)，当天线部件(406)在第一位置和第二位置之间移动时，可变地调谐天线部件(406)的电抗。

Description

无线通信设备的天线装置

本发明涉及天线装置，尤其涉及无线通信设备的天线装置。

无线通信设备正以多种形式日益普及。在本文中，术语“无线通信设备”包括：蜂窝电话、室外(patio)电话、多种不同形式的无绳电话、个人通信设备等等。无线通信设备其特征是，用户易于移动它们。

无线通信设备典型地包括一付天线装置用于提供无线电通信。该天线装置与无线通信设备的电路协同为无线通信设备提供发送、接收或收发功能。希望的天线装置是小型、可靠和可制造的。因无线通信设备实际上是可移动的、且所希望的天线装置通常可分别在收回和不收回位置(例如缩回和伸出位置)之间移动。

天线装置的设计者力求使天线装置尺寸、可靠性和可制造性最佳，同时达到天线装置的所要求的性能。因制造工艺正努力缩小无线通信装置的尺寸，故这些较小设备的天线装置也必须做得较小，才能保持天线装置的可收回特征和所要求的性能。图1-3示出现有技术的用于无线通信设备的第一种、第二种和第三种天线装置，力求它们在尺寸和性能上皆佳。

图1示出现有技术的第一种天线装置102，用于无线通信设备100。美国专利4121218已给出了图1所示的天线装置102的详述。图1所示的天线装置102通常包括一付螺旋天线104和一付可延伸的半波天线106。螺旋天线104与无线通信设备100的电路108相耦合。可延伸的半波天线106处于伸长位置时适合于与螺旋天线104容性耦合，在回收位置(如虚线所示)时基本上与螺旋天线104去耦合。天线装置102的优点是：螺旋天线104与可延伸的半波天线106之间是非接触耦合；在可延伸半波天线106伸长时，天线装置的性能如由高度112所表示的可延伸半波天线106发生的电流量大值。然而，天线装置102的缺点是：其总实际高度110太长不能满足当前小型无线通信设备的要求。

图2示出现有技术的用于通信设备200的第二种天线装置202。美国专利4,868,576中给出了图2所示的天线装置202的详述。天线装置202包括一付螺旋天线204和一付可延伸半波螺旋天线206，前者与电路208相耦合。天线装置202胜过图1天线装置102的优点在于，其高度210比天线装置102的高度110低些。但天线装置202的缺点在于：当可延伸半波天线206伸长时，可延伸半波天线206发生电流最大值的高度212比图1所示的发生电流最大值的高度112低些。据此，天线装置202的性能为缩短天线而作了牺牲。

图3表示根据现有技术的第三种天线装置302用于无线通信设备300。该天线装置302通常包括：第一直线部分304和第二螺旋部分306(它与第一直线部分304电气隔离)。直线部分304和螺旋部分306每个都具有1/4波长的电波长。直线部分304包括一个终端310，当天线装置伸长时用它与接头312相连接。同样，螺旋部分306包括一个终端314，当天线装置回收时用它与接头312相连接。电路308经接头312与天线装置302相耦合。天线装置302的优点是：其高度316减小了，甚至比图1或2表示的高度更小。但天线装置302的缺点是：当天线装置302伸长时发生电流最大值的高度比图1或图2所示的电流最大值的高度要低得多(示于设备外壳下面)。另一个缺点是：接头的金属连接产生电噪声会使可靠性降低。

据此，现在需要进一步减小尺寸的、用于无线通信设备的天线装置，同时达到所要求的性能以及保持可接受的可靠性和可制造性。

图1示出现有技术的用于无线通信设备的第一种天线装置；

图2示出现有技术的用于无线通信设备的第二种天线装置；

图3示出现有技术的用于无线通信设备的第三种天线装置；

图4示出本发明的一种用于无线通信设备的天线装置，其中天线装置的一部分延伸到该无线通信设备以外；

图5示出本发明的用于无线通信设备的天线装置，其中天线装置的一部分收回在通信设备内；

图6示出本发明的如图5所示的天线装置的示意图。

图4示出根据本发明的用于无线通信设备400的一种天线装置402，其中天线装置402的可移动部分406延伸到无线通信设备400之外。无线通信设备400通常包括：天线装置402和电路408，电路408与天线装置402相耦合。该天线装置402通常包括：第一部件404和第二部件406。

第一部件404与无线通信设备的电路408相耦合。第二部件406可在第一位置(如图4所示)和第二位置(如图5所示)之间相对于第一部件404移动。第二部件406处在第一和第二位置之间时天线装置402的性能基本上比第二部件406处在第一或第二位置时天线装置402的性能的需要性差些。在第二部件406在第一和第二位置上时它与第一部件404在机械上是分开的而在电气上基本上是相耦合的。

因第二部件在第一和第二位置上与第一部件机械上分开且电气上基本相耦合，故本发明的天线装置的尺寸和性能都最佳，这是如图1-3所示的现有技术所达不到的。下文详述这种最佳化的实例。

根据本发明的优选实施例，第二部件406可沿着第二部件406的纵轴410移动。第二部件406的轴向移动有利于将第二部件406容易地收回在通信设备400内。然而，其它的天线装置可被实施得在诸如旋转的或横向的其他轴上移动，同样获得本发明的相同优点。

在本发明的优选实施例中，第二部件406处于第一位置(见图4)时，基本上延伸到无线通信设备400之外，而处在第二位置(见图5)时，基本上收回在无线通信设备400内。另一可替代的方案是，第二部件406可被收回在无线通信设备400的外侧。再有，第二部件406本身可以是一个可伸缩的部件，并仍然是在本发明的范围内。

在本发明的优选实施例中，第二部件406包括呈直线形的第一部分412和呈螺旋形的第二部分414，其中第一部分412与第二部分414电耦合。在优选实施例中，第一部分412与第二部分414之间的耦合是直接连接，这是通过由单根导线形成第一部分和第二部分414而得到的。然而，另一种可替代的方案是第一部分412和第二部分414可由两根分开的导线构成，尔后，诸如用焊料或焊接进行电气和机械连接。

图4所示的本发明的天线装置402与图3所示的现有技术的天线装置302的共同点是：本发明的天线装置402的可移动部分包括直线形和螺旋形两部分。本发明与现有技术的不同点是：本发明具有直线形412的第一部分与具有螺旋形的第二部分414是电耦合的；而现有技术中具有直线形的部分304与具有螺旋形的第二部分306是电隔离的。下文进一步描述本发明的具有直线形的第一部分412与具有螺旋形的第二部分414电耦合的优点。

另一种可替代的方案是，第二部件406的具有直线形的第一部分412可以用螺旋形来代替，其螺旋直径比螺旋形的第二部分414的螺旋直径小些。螺旋形的第一部分412提供了进一步减小第二部件406的高度的优点。然而，因螺旋形线圈比直线形对于永久机械变形具有差的保存能力，故第二部件406的机械可靠性差。

在本发明的优选实施例中，当第二部件406移到第一位置(见图4)时，直线形的第一部分412与第一部件404相耦合，而第二部件406移动到第二位置(见图5)时，螺旋形的第二部分414与第一部件404相耦合。

在本发明的优选实施例中，天线装置402在一个频带上工作。第一部分412和第二部分414一起包括一个用在该频带中至少一个频率上的半波长的整数倍确定的有效电长度。如图4所示，第二部件406具有一个半波长的电长度，其中直线形的第一部分412具有1/4波长电长度，而螺旋形的第二部分414的有效电长度也是1/4波长。

在优选实施例中，发生电流最大值的高度417是在第一部分412和第二部分414的连接处。在第二部件406的顶部附近提供电流最大值高度417时，按这种方式形成的第二部件406提供一个减小的天线高度416。在本发明中可延伸部件406的基本减小的高度416与现有技术中可延伸部件106的高度110相比较时，本发明有利地提供在本发明中发生电流最大值在如图1所示相同高度112的高度417。当如图4所示的本发明与图2和3中的现有技术相比较时，本发明的第二部件406的结构提供了相同或较小的高度416，同时实现了在发生电流最大值那点上的较高的高度417。

在本发明的优选实施例中，第一部件404具有一个螺旋部件。第一部件404通常代表一个阻抗变换器，用于将电路408的阻抗变换成为第二部件406的驱动点阻抗，以产生阻抗匹配。第一部件404提供无连接头的相互耦合，类似于图1和2所示的情况，但不同于图3所示的连接配装。本发明的无接触、无连接头的配装是对如图3所示的现有技术的连接***在消除了损害和磨损接点的问题上所做的一种改进。

在本发明的优选实施例中，第一部件404的电长度由基本靠近该频带的至少一个频率上为1/4波长的奇整数倍来限定。实际上，该电长度是一个1/4波长。

图5示出用于无线通信设备400的一种天线装置402，其中该天线装置402的一个部分406根据本发明被收回在无线电通信装置400内。

在本发明的优选实施例中，第一部件404在第一方向(如在螺旋线上由箭头405所表示的)相对于形成方向501卷绕，而第二部件406的第二部分414的螺旋形在与第一方向相反的第二方向(如在螺旋线上由箭头415所表示的)上相对于形成方向501卷绕。螺旋形在相反方向绕制，以减小第一部件404和第二部件406的第二部分414之间的耦合。减小耦合必须实现在本发明给定的天线装置402物理尺寸情况下所希望的阻抗匹配。然而，其它的天线装置可以利用在给定的其它尺寸要求的相同方向上绕制的螺旋形，并落在本发明的范围内。

按照这种方式，在第一部件404与第二部件406的第一部分412或第二部分414之间耦合能量被称为互耦。电容性互耦在美国专利号4121218中详细描述了，在此引入作为参考。互耦包括电容性耦合和电感性耦合。当螺旋形在相同方向绕制时，电容性耦合与电感性耦合相加，以产生总互耦比电容性耦合或电感性耦合的任一个都大。当螺旋形以相反方向绕制时，电感性耦合从电容性耦合中减去，以产生总互耦小于电容性耦合，还小于螺旋形在相同方向绕制时的总互耦。

因在第二位置时第二部件406的第二部分414基本上与第一单元404电耦合，故第二部件406在第二位置时第二部分414和第一部件404一起形成天线装置402的辐射部分。这种结构的优点是：相对于图1和2中所示的现有技术，第一部件404的高度503减小了，在第二部件406在第二位置时，而没有损失天线装置402的性能。减小第一部件404的高度503对于小型无线通信设备的美学外观是重要的。

为了提供适当的性能，该天线提供一个在第一位置和第二位置皆相同的输入阻抗。这是通过适当选择直线部分412和螺旋线部分414的尺寸来实现的。

根据本发明的优选实施例，当第二部件在第二位置时，第一部分412形成传输线505的第一部件，而第二部分404形成天线装置402的辐射部件。传输线505的第二部件包括一个导电部分507和一个介电部分509。介电部分509设置在传输线505的第一部件412和导电部分507之间。在优选实施例中，把传输线505形成为一个同轴传输线；然而，根据本发明，其它传输线结构诸如，带状线、微带和平衡传输线结构也可以实施。在优选实施例中，导体部分507是一个金属管；然而，导体部分507也可包括在无线通信设备400外壳的内侧的一个导电表面。

传输线505具有一个至少部分地与介电部分509的电特性(例如导磁率)有关的电长度，以及导电部分507的电长度。根据尺寸要求，这些特性可被调节，以实现天线装置402所希望的阻抗匹配。

根据本发明的优选实施例，传输线505包括一个电抗终端。在优选实施例中，电抗终端是开路的，然而，根据本发明，短路或集中参数元件也可被实施。直线部分412和螺旋部分414连接点的阻抗相对于导电管507可低些，以便产生电流最大值。电抗终端的多种构形和直线部分412以及导电管507的长度将实现这种条件。对于直线部分412、导电管507和介电部分509的最后构形是从处在第一和第二位置中允许的参数中选择的。

图6示出本发明的图5和图6所示的天线装置402的原理图。本专业公知，第一部件404和第二部件406的原理性表示每个都包含用这些部件中的电感、电容和电阻的表示。电容器601代表对总互耦起作用的电容性耦合。在部件之间用标号603所表示的双向箭头表示对天线装置的总互耦起作用的电感性耦合。点605和607一起表示在第一部件404和第二部件406之间磁耦合的相位。在第一位置时，电容性耦合发生在螺旋线404和414的非连接端之间，在第二位置时发生在直线部分404的开路端与螺旋线412的开路端之间，在工作期间，由这些位置上存在的高电压使其达到最大值。在第二位置时，电感性耦合发生在螺旋线404和414连接端之间。在工作期间，由这些位置上存在的大电流使该电感耦合达到最大值。

本发明主要谋求用于工作在150-900MHz范围内的、在优选实施例中为900MHz的天线装置。下文的描述是以本发明的天线装置402的实例来进行详细描述的。在优选实施例中，螺旋线404具有直径为7.0mm、4圈、长度为9.0mm。螺旋线414具有10.75圈、长度为33.3mm和直径为4.6mm。直线部分的长度为64mm。在管中的介质是具有介电常数为2.1的聚四氟乙烯。

Claims (9)

1.一种适合于与无线通信设备一起使用的天线装置，其特征在于，包括：

一个具有螺旋形的第一部件，耦合到该无线通信设备的电路上；

一个第二部件，包含具有直线形的第一部分和具有螺旋形的第二部分，第一部分与第二部分电耦合，其中该第二部件相对于第一部件沿第二部件的纵轴可在第一位置和第二位置之间移动，其中，当第二部件移到第一位置时，具有直线形的第一部分与第一部件电容性耦合，当第二部件移到第二位置时，具有螺旋形的第二部分与第一部件电感性耦合；及

一个输出阻抗匹配装置，用于当第二部件移动到第一位置时为第二部件提供第一输出阻抗，及用于当第二部件移动到第二位置时为第二部件提供第二输出阻抗，从而使当第二部件移动到第一位置和第二位置时，天线装置的输入阻抗基本上相同。

2.根据权利要求1的天线装置，其中第一部件包括一个由基本上靠近该频带的至少一个频率上的四分之一波长的奇数倍确定的电长度。

3.根据权利要求1的天线装置，其中第二部件包括一个由在该频带内的至少一个频率上的二分之一波长的整数倍确定的电长度。

4.根据权利要求1的天线装置，其中第二部件在第一位置基本上被延伸到了无线通信设备之外，并且在第二位置基本上被收回在无线通信装置内。

5.根据权利要求1的天线装置，其中第一部件的螺旋形是相对于形成方向沿第一方向卷绕的，并且第二部件的第二部分的螺旋形是相对于形成方向沿与第一方向相反的第二方向卷绕的。

6.根据权利要求1的天线装置，其中输出阻抗匹配装置进一步包括：

输出阻抗匹配电路，耦合到第一元件，用于当第二部件被移动至第一位置和第二位置时为第二部件提供第三输出阻抗；及

输出阻抗匹配结构，有效地连接到第二元件，用于当第二元件被移动到第一位置时为第二元件提供第四输出阻抗，并且用于当第二元件被移动到第二位置时为第二元件提供不同于第四输出阻抗的第五输出阻抗，

其中第三输出阻抗和第四输出阻抗共同提供出第一输出阻抗，及

其中第三输出阻抗和第五输出阻抗共同提供出第二输出阻抗。

7.根据权利要求6的天线装置，其中阻抗匹配结构进一步包括传输线结构。

8.根据权利要求7的天线装置，其中传输线结构进一步包括：

由第二元件的第一部分形成的第一导体；

第二导体；及

设置在第一导体和第二导体之间的介电部分。

9.根据权利要求7的天线装置，其中传输线结构包括电抗终端。

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