CN1254880C

CN1254880C - 平面天线

Info

Publication number: CN1254880C
Application number: CN03103160.9A
Authority: CN
Inventors: J·米科拉; P·奥利特尔沃; P·安纳马尔; K·安蒂拉; M·尼米
Original assignee: LK Products Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2006-05-03
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: CN1435912A; US6801166B2; FI119861B; EP1339133B1; FI20020200A0; ATE270465T1; EP1339133A1; FI20020200A; DE60300005D1; DE60300005T2; US20030146878A1

Abstract

本发明涉及一种内置平面天线，其尤其适用于移动通讯装置，本发明还涉及一种带有内置平面天线的无线电装置。一PIFA型平面天线是以同轴形式进行馈送的。这就意味着：在两平面之间的距离范围内，辐射平面的馈送导体被一屏蔽导体环绕，其中屏蔽导体电镀连接于接地面上。屏蔽导体同时还作为天线的短路导体。天线通过一匹配槽进行匹配，和/或利用短路导体的形状进行匹配，所述匹配槽在馈送导体的连接点与短路导体的连接点之间延伸。根据本发明的馈送装置能增加天线的增益，但并不增大天线的SAR值。在另一方面，如果将天线的发射功率减小一个与增益的增加量相对应的量，则以较低的SAR值就能达到原先的辐射功率。

Description

平面天线

技术领域

本发明涉及一种内置平面天线，该平面天线尤其是应用在移动终端设备中。本发明还涉及一种采用平面天线的无线电装置。

背景技术

在便携式无线电装置中一特别是在移动终端中，为了提高使用舒适性，天线最好是设置在装置的壳体中。对于天线而言，存在某些方面的基本电学要求。在匹配方面，在工作频率上的阻抗匹配状况必需是良好的，以使得无线电发射/接收效率能处于一个可接收的水平上。这样的匹配必须在无线电***的整个频段内都是成立的，也就是说，天线的带宽必须要与所涉及的频带相一致。天线结构中的阻抗损耗和介电损耗应当固然就小。较小的损耗就意味着天线增益更大以及辐射效率更高。无线电装置可能会被设计成要在数种无线电***中工作，从而它的天线也必须要具有多于一个的频带。对于便携式无线电装置，如果其在所有方向上都具有良好的天线发射/接收特性，则对其工作是有利的一尽管这一点并不是必要的。而在另一方面，认为辐射直接对着使用者头部是有害的，这样的考虑对于放置在使用者耳朵处的无线电装置的天线另外提出了要求。

在实践中，装配在小型装置内部、并具有令人满意特性的天线在大多数情况下被容易地制成平面结构：该天线包括一个辐射平面和一个平行于该辐射面的接地面。图1示出了此种现有平面天线的一个示例。它包括一电路板101，该电路板的上表面上有一导电层，该导电层作为天线的接地面GND。从该接地面向上高升出一个辐射平面110，其与一馈送导体121和一个短路导体122相连接，其中的短路导体122将辐射平面与接地面相连。因此，该天线是一个倒F型平面天线(PIFA)。图1还表示出了支撑着辐射平面的介电框架170的一部分。辐射平面包括一条狭槽115，从天线上的短路连接点观察：该狭槽从辐射平面的边缘出发，将辐射平面分成长度不同的两个分支。因而，该PIFA具有两个独立的基本共振频率和对应的工作频带。在图1的示例中，馈送导体121和短路导体122都是弹簧接触型的，并与辐射平面110制成一个单体件。每一导体都具有一个平行于辐射平面、且起到弹簧作用的部分，并具有一个从辐射平面向接地面延伸的部分。在下端部还有一个平行于接地面的部分，该部分上具有适当的触点。在安装该辐射平面时，弹簧力将各个触点压在电路板101的上表面上，其中，将短路导体的触点紧压在接地面上，并将馈送导体的触点压在接触表面105上。而反过来该接触表面又与一天线端口相连接。

图2示出了现有平面天线的另一种示例。它与图1中示例的不同之处仅在于馈送导体和短路导体的布置方面。在此情况中，短路导体是一个直杆圆柱状导体，其例如通过钎焊连接在辐射平面210与接地面GND之间。该导体也可与辐射平面制为一个单体。馈送导体221也是一个直杆圆柱状导体，其通过电路板201上通孔206连接到天线端口上。

上述天线结构可在天线增益方面实现性能改善，例如是通过用其它一些具有更好导电性的表面材料取代平面上的铜来实现的。因而，所带来的一个缺点是：比吸收率(SAR)也增大了，其中的比吸收率也就是指：在单位质量的介质中，单位时间内辐射能转化为热量的数量。对于移动电话的情况，这意味着使用者的头部将吸收更多的手机辐射能量。

发明内容

本发明的一个目的是解决现有技术所面临的上述缺点。

根据本发明的一种平面天线，其包括位于一无线电装置内的一辐射平面和一接地面(GND)、一个与辐射平面相连的天线馈送导体以及一个将所述两平面相互连接的短路导体，其特征在于：短路导体至少部分地围绕在辐射平面与接地之间的馈送导体。根据本发明的一种无线电装置，其包括一个内置平面天线，所述天线具有一辐射平面和一个接地面(GND)、一个与辐射平面相连的天线馈送导体和一个位于所述两平面之间的短路导体，该无线电装置特征在于：短路导体至少部分地围绕在辐射平面与接地面之间的馈送导体。

根据本发明，还提供了一种无线电装置(RD)，其包括一个内置平面天线，所述天线具有一辐射平面和一个接地面(GND)、一个与辐射平面相连的天线馈送导体和一个位于所述两平面之间的短路导体，其特征在于：短路导体至少部分地围绕在辐射平面与接地面之间的馈送导体。

本发明的基本设计思想如下：一种PIFA型天线，该天线上设置有一个同轴馈送件。这意味着：在辐射平面与接地面之间的距离内，辐射平面的馈送导体被一个屏蔽导体环绕着，其中的屏蔽导体与接地面电镀连接。屏蔽导体同时还起到天线中短路导体的作用。通过对馈送导体连接点与短路导体连接点之间的狭槽进行适配，和/或通过对短路导体的形状进行匹配，可实现天线的匹配。

本发明的一个优点在于：根据本发明的一种馈送装置能增加天线的增益，但并不增大天线的SAR值。因此，当天线的远场强度增加时，其近场强度却并不增加。如果将天线的发射功率减小一个与增益的增加量相对应的量，则以较低的SAR值就能实现一个与现有技术相同的远场强级。本发明的其它优点在于：根据本发明的结构相对简单，且制造成本低。

附图说明

下面将详细说明本发明。参照如下的附图，在附图中：

图1示出了一个根据现有技术的平面天线的示例；

图2表示了根据现有技术的平面天线的第二种示例；

图3表示了根据本发明的馈送装置的原理；

图4示出了一个根据本发明的平面天线的示例；

图5示出了根据本发明的平面天线的第二示例；

图6示出了根据本发明的平面天线的第三示例；

图7示出了根据本发明的平面天线的第四示例；

图8示出了根据本发明的平面天线的第五示例；以及

图9表示了一无线电装置的示例，该装置中带有根据本发明的天线。

具体实施方式

图3表示了一钟示例性的结构，表示了根据本发明的馈送装置的原理。在图3中，可看到一平面天线的辐射平面310的一部分以及一电路板301的一部分，接地面GND位于该电路板的上表面上。在这些平面之间，有一个圆柱形鞘套导体322，其轴线垂直于所述的这些平面。鞘套导体的圆环形下端面坐压在接地面上。其上端面延伸到辐射平面310上表面的高度上。相应地，在辐射平面中存在一个圆形孔，其直径等于鞘套导体322的直径，所以，辐射平面紧箍着鞘套导体的圆筒状外表面的上端。因而，鞘套导体利用电镀方法连接了接地面和辐射平面，其作为天线所用的短路导体。在鞘套导体322的内部，设置着天线的圆柱形馈送导体321。该馈送导体的下端(图中未示出)穿过电路板上的一个通孔延伸到电路板301之下，其中的通孔与地电位是绝缘的。馈送导体上端的延伸高度至少是接近辐射平面310的上表面高度。因此，此处就形成一条同轴馈送线320。

为了对天线进行匹配，在辐射平面的馈送点和短路点之间必须要有一定的距离。为此目的，辐射平面310上具有一个匹配槽317，其从辐射平面的边缘延伸出，并与同轴馈送线相切。在馈送线处，匹配槽具有一个开口，该开口通入到辐射平面内的所述圆形孔中。在鞘套导体322的上端，在匹配槽与辐射平面的圆形孔相结合的交点处，设置了一个槽口325，从而在从内导体311上端向匹配槽的垂直视角上，这里存在一个自由空间。在该自由空间中，设置了一个中间导体311。中间导体的一端电镀连接于内导体的上端上，另一端在匹配槽的对置边缘处与辐射平面电镀连接，其中的对置边缘是指从内导体所观察到的那个相对边缘。这样，就将辐射平面中馈送点与短路点之间的电镀连接设计成了围绕着匹配槽317的封闭端，因此可利用匹配槽的长度来对匹配状况进行设置。在功能上，中间导体311是天线馈送导体的一后面部分。该导体可以是一个单独的导体，然后通过其两端进行连接，或者也可被设计成仅是从辐射平面伸出的一突出部。

图4表示了根据本发明的一完整平面天线的示例。在图4中，可以看到一电路板401、以及位于该电路板上表面上的一导电层，该导电层作为天线的接地面GND。在该接地面的上方，设有一个辐射平面410，其被一个如图1、2中所示狭槽的槽415分隔成两个分支。但是，该天线的馈送装置与图3所示装置类似。在辐射平面和接地面之间，有一个圆柱形鞘套形式的短路导体422，其轴线垂直于所述的这些平面。在该短路导体内，设置了一个用于该天线的馈送导体421，在图4中该导体用虚线表示。馈送导体的下端穿过电路板上的一个通孔延伸到电路板401下方。在鞘套馈送导体的上端有一个相对较短的中间导体411，其作为鞘套馈送导体的延伸段。在匹配槽417的一边缘处，中间导体连接到辐射平面上，其中的边缘与短路导体的连接点相对。

图5表示了根据本发明的平面天线的一第二示例。在该示例中，设置有一个电路板501、一个位于电路板上表面的导电层，该导电层是作为天线的接地面GND。在该接地面上方，有一个辐射平面510。类似于图1所示结构，馈送导体521和短路导体522均为弹簧接触型的。与图1所示馈送装置的不同之处在于：在此示例中，馈送导体521的几乎全部垂直高度都被一个鞘套导体523围绕住。该鞘套导体与短路导体522电镀相连。在最初时，鞘套导体可以是短路导体的一个平面延伸部，之后，其围绕馈送导体包卷成一个封闭的鞘套。因而，在任何情况下，鞘套导体523都可被看作是短路导体的一部分。在图5中，在馈送导体大体水平的弹簧部分与短路导体大体水平的弹簧部分之间的槽延伸向辐射平面的中心区域。这样，就形成了对天线进行匹配所需的匹配槽517。

图6示出了根据本发明的平面天线的一第三示例。在此情况中，天线的基本结构与图1、2、4和5所示的结构相似。另外，天线的馈送导体621是一种弹簧接触导体，其类似于图1和图5中的那些触点。与图5所示馈送装置的不同之处在于：此处的馈送导体621不是被一个鞘套导体所围绕，而是被一个螺旋导体622围绕。螺旋导体的下端与接地面GND相连，其上端在点SP处与辐射平面的下表面相连。另外，该馈送装置与图5所示示例的不同之处在于：此处的辐射平面不具有适当的匹配槽。这是因为：在设置螺旋形短路导体的情况下，可通过使螺旋具有合适的尺寸、并在辐射平面上选择一个合适的连接点SP来实现天线的匹配。所以不再需要在短路导体的连接点和馈送导体的连接点之间设置匹配槽。

图7示出了根据本发明的平面天线的一第四示例。从图7中可看到一个电路板701、一个位于该电路板上表面的导电层，导电层的作用是作为天线的接地面GND。在该接地面上方，有一个第一辐射平面710a，在该第一辐射平面上方是一个第二辐射平面710b。通过这两个辐射平面，天线的电学特性可得以改善，首先是可增加其带宽。这些辐射平面在它们的边缘处通过一第一连接导体711和一第二连接导体712相互连接起来。这两个平面彼此相对靠近。在第一辐射平面中，一第一匹配槽717a从所述两个连接导体之间延伸出，而在第二辐射平面内，一第二匹配槽717b也从所述两个连接导体之间延伸出。一个同轴馈送线720从一个天线端口(图7中未示出)引向这些辐射平面。馈送线的鞘套722电镀连接于接地面，并在匹配槽717a上设有第二连接导体712的那一侧与第一辐射平面电镀连接。在图7中，馈送线的内部导体721与第一连接导体711电镀连接。其也可以在匹配槽上设有第一连接导体的那一侧处与两辐射平面中的任一个相连。因此，内导体在鞘套中向上连接于第一辐射平面上。

图8a、b示出了根据本发明的平面天线的一第五示例。在该示例中，辐射平面和天线的馈送线集成在所涉及的无线电装置的壳体中。图8a示出了无线电装置壳体上与本发明相关部分CAS的外侧形状。可将该部分简称为壳体。天线的辐射平面810位于该壳体的内表面上。图8a中的虚线表示了该辐射平面中的匹配槽817。在该匹配槽的一侧，设置有一个连接点831，用于与同轴馈送线的内导体相连接，在另一侧是一个用于与馈送线的外导体(或鞘套)相连接的连接点832。图8b示出了壳体CAS的内侧。辐射平面810覆盖着壳体内表面的平面部分，并还可能部分地覆盖着其弯边部分。在壳体的内表面上，其中心处具有一个带有一轴向孔的圆柱形突出部，壳体和突出部构成了一个同质整体件。圆柱体的外表面由一层导电材料覆盖，该导电材料构成了馈送线的辐射平面。如上文提到的那样，鞘套822只在匹配槽的一侧延伸到辐射平面。圆柱体的轴向孔被构成馈送线内导体821的导电材料所覆盖。内导体在匹配槽的连接点831处延伸到辐射平面，连接点831相对于用于与外导体相连的连接点832处于槽的对侧。在圆柱体的底面上，有一个与内导体821电镀连接的第一耦接片841和一个与外导体822电镀连接的第二耦接片842。

天线的辐射平面也可以按照相应的方式设置在壳体CAS的外表面上，而不是设置在其内表面上。在此情况下，在壳体中设有一些用于同馈送线的内导体和外导体相连接的孔。壳体CAS的所有导电部分一即辐射平面、馈送线的内导体和外导体、以及第一和第二耦接片例如都是通过MID(模制连接装置)工艺制成的。

图8b还示出了一种天线接口器件850。该接口器件包括一个小介电平面体853、一第一耦接弹簧851和一第二耦接弹簧852，这两个弹簧被部分地嵌入到平面体中。该接口器件被安装到一个具有天线接地面的电路板(未示出)上。第一耦接弹簧与电路板上的一个天线端口相连，第二耦接弹簧与接地面GND相连。在安装壳体CAS时，馈送线的第一耦接片841便贴压在第一耦接弹簧851上，第二耦接片842便贴压在第二耦接片842上。由此使馈送线鞘套822除了对内导体进行电磁屏蔽之外，还与信号地电位相连，并成为天线的短路导体。接口器件850最好是一个表面安装构件。除了图8 b中所示的形状之外，它例如也可是同轴的。

本说明书以及权利要求书中所用术语“下”和“上”以及“水平”和“垂直”是指图1-8中所示天线的位置，而与装置的工作位置无关。

根据本发明的天线的反应近场要比其它相同天线的近场弱，在该其它同类天线中，辐射功率相同，但在接地面和辐射平面之间馈送导体不带有鞘套。这样就使得：当应用到移动电话中时，使用者的头部吸收较少的电磁能量。在一个双频带天线的低频段中进行测量，发现SAR值降低了大约30％。这也意味着可在不增大SAR值的前提下将天线增益增大约一个分贝。但这一优点在高频段中并不明显。

图9示出了一个带有根据本发明的平面天线900的无线电装置RD。该平面天线完全置于该无线电装置的壳体内。

在上文中对根据本发明的平面天线的示例进行了描述。但本发明并不局限于这些示例。例如，包围着天线馈送导体的短路导体可以是一个位于圆柱形鞘套和螺旋导体之间的中间形式。辐射平面也可以不是一个导电板，而是一个位于天线电路板表面上的导电层。天线元件的制造方法和材料都是不受限制的。在独立权利要求1所限定的范围内，本发明的设计思想可以按照各种各样的方式进行实施。

Claims

1.一种平面天线，其包括：位于一无线电装置内的一辐射平面(310，410，510，610，710a)和一接地面(GND)、一个与辐射平面相连的天线馈送导体(321，421，521，621，721a)以及一个将所述两平面相互连接的短路导体(322，422，522，622，722)，其特征在于：短路导体至少部分地围绕在辐射平面与接地之间的馈送导体。

2.根据权利要求1所述的平面天线，其特征在于：短路导体形成了一个围绕馈送导体的导电鞘套。

3.根据权利要求2所述的平面天线，其特征在于：馈送导体(421)是一个圆柱形导体，并且所述导电鞘套(422)是一个圆柱形鞘套。

4.根据权利要求1所述的平面天线，其特征在于：短路导体形成一个环绕馈送导体(621)的螺旋形导体(622)。

5.根据权利要求1所述的平面天线，其特征在于：为了对天线进行匹配，辐射平面具有一个在馈送导体的连接点与短路导体的连接点之间的匹配槽(317；417；517；717a；817)。

6.根据权利要求2所述的平面天线，其还包括一个位于第一辐射平面上方的第二辐射平面，其特征在于：当从接地平面观察时，所述导电鞘套(722)延伸升到第一辐射平面(710a)，且第一辐射平面和第二辐射平面(710a，710b)通过第一连接导体(711)和第二连接导体(712)相互连接，并且第一连接导体(711)也连接到馈送导体(721)，以及第二连接导体(712)也连接到所述导电鞘套。

7.根据权利要求1所述的平面天线，其特征在于：该辐射平面是一个独立的导电平面(310；410；510；610；710a)。

8.根据权利要求1所述的平面天线，其特征在于：辐射平面是位于一电路板表面上的一个导电层。

9.根据权利要求1所述的平面天线，其特征在于：辐射平面是所述无线电装置一壳体部分(CAS)表面上的一导电层(810)。

10.根据权利要求7所述的平面天线，其特征在于：馈送导体(521；621)是从辐射平面的导电面延伸出的一带状延伸部，其延伸向接地面。

11.根据权利要求10所述的平面天线，其特征在于：短路导体也包括一个带状延伸部(522)，其延伸向辐射平面的导电面，并延伸到接地面，所述短路导体的带状延伸部进一步具有围绕馈送导体的鞘套状延伸部(523)。

12.根据权利要求9所述的平面天线，其特征在于：在壳体所述部分(CAS)的内表面上，有一个带有一轴向孔的突出部，馈送导体包括在所述孔表面上的导电层(821)，并且围绕馈送导体的短路导体部分是在所述突出部外表面上的导电层。

13.一种无线电装置(RD)，其包括一个内置平面天线(900)，所述天线具有一辐射平面和一个接地面(GND)、一个与辐射平面相连的天线馈送导体和一个位于所述两平面之间的短路导体，其特征在于：短路导体至少部分地围绕在辐射平面与接地面之间的馈送导体。