CN1323077A - 一种新型的用于移动通讯设备的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的用于移动通讯设备的天线,采用常规方法可镶在移动通讯设备通常具有的金属外壳上的球面或曲面的带状天线,它利用移动通讯设备的金属外壳兼作为发射和接收天线的接地层,在接地层上一定面积内贴上低介电损耗的介电质基片或薄膜,再在介电质基片或薄膜上镶上一层根据天线的适用范围设计确定的特定构造的金属薄片或薄膜构成天线辐射谐振器,该薄片或薄膜可以是简单平行于移动通讯设备外壳表面的一小块曲面(高频段),也可以是在该曲面上刻划出不同图案的带状金属线,扩展了天线的辐射方向,同时保留了平面带状天线后瓣辐射较小的优点。

Description

一种新型的用于移动通讯设备的天线

本发明涉及无线移动通讯设备领域，特别是涉及无线移动通讯设备的天线领域。

传统的平面带状天线，其电磁辐射的方向性太窄，一般适用于固定的点对点之间的通讯，不适用于通讯位置不断改变的移动通讯。

半导体集成电路工艺技术经过不断开发和创新，其集成度日益提高，体积日益缩小；使无线移动通讯设备包括个人手提设备越来越小型化成为可能，这同时也符合设备使用者对移动通讯设备的要求。但这些移动通讯设备所必需的天线小型化的困难，延缓了使移动通讯设备更进一步小型化的发展速度。目前，小型无线移动通讯设备如人们常称作为手机和对讲机的天线大多数仍采用传统的拉竿式天线；为了减小拉杆式天线的空间尺寸，采用了在天线表面涂覆一层高介电常数的介电物质层，或同时采用将天线制作成折叠形式，如F形或倒立L形，以便将天线的一部分封装置入手机机壳内，达到使机壳外暴露的天线缩小的目的。但上述方式分别由于介质涂层的损耗及散射和电磁矢量的相互削弱都是以降低发射和接收天线的增益为代价，天线增益的降低必然会降低无线通讯设备的通讯质量。虽然可通过提升通讯设备内部的高频电路来提高增益、降低噪声或加大地面中继站分布密度来部分弥补；但其不合理性是明显的，乃是在没有更优越的方案时的变通方案。尤其是不适用于用于远距离通讯的在较大功率下工作的移动通讯设备，如手提对讲机、安全帽型对讲机、飞机、导弹、舰船及卫星等的通讯领域。对这些设备来说其通讯距离及电池寿命显得尤其重要，因此在不高的发射功率下，不能单纯地采用牺牲其天线增益来缩小这些设备的体积，这些强功率设备的天线更需要精心的设计，在空间体积相同的情况下提高天线增益及匹配，以使强大功率有效地发射出去，而不回馈到移动通讯设备内部而干挠移动通讯设备正常工作。另外如飞机、导弹和卫星等高速运动物体所用的通讯设备的天线越小越好，占用空间体积越小越好，这样可减小高速运动物体的总体积并起到减小其飞行时的空气阻力。还有一点需要关注的问题是：对大功率天线设备降低其天线辐射方向图的后瓣电磁波是非常重要的，可以减小对通讯设备本身以及对设备使用者身体健康的不利影响。

本发明的目的是发明一种占有空间体积较小，又不降低天线增益的用于移动通讯设备的天线。

本发明的另一目的是通过改变天线的空间形状使其天线辐射方向图后瓣的辐射得以屏蔽，降低对天线使用者的危害。

本发明技术方案是这样实现的：一种新的采用常规方法可镶在移动通讯设备通常具有的金属外壳上的球面或曲面的带状天线，它利用移动通讯设备的金属外壳兼作为天线的接地层，在接地层上一定面积内贴上低介电损耗的介电质基片或薄膜，再在介电质基片或薄膜上镶上一层根据天线的适用范围设计确定的特定构造的金属薄片或薄膜构成天线辐射谐振器，该薄片或薄膜可以是简单平行于移动通讯设备外壳表面的一小块曲面(高频段)，也可以是在该曲面上刻划出不同图案的带状金属线，图案为螺旋状或海星状，以便降低天线的工作频率，如降低到VHF或UHF频段上。最后通过同轴线馈线与移动通讯设备相联接，形成优化的阻抗匹配及辐射方向图。

本发明的发射及接收天线的优点是利用移动通讯设备本身外形具有曲面及球面特点来设计发射及接收天线，这样做的结果是扩展了天线的辐射方向，同时保留了平面带状天线后瓣辐射较小的优点。曲面带状天线，它可紧贴在移动通讯设备表面上，如安全帽型对讲机表面上、飞机、导弹、汽车及舰船等金属外表面上，天线本身不占有额外空间体积，也不需改变移动通讯设备的原有形状。另一突出优点是，借助于移动通讯设备巨大金属外壳作为天线接地面，这样做可屏敝天线反射，从而减少对人体及电路设施的电磁干挠，同时也没有破坏移动通讯设备本身可防风防雨的密闭性。

下面结合附图和最佳实施方案对本发明作进一步的详细说明；

图1曲面带状天线的三维全图

图2曲面带状天线侧面图及馈电示意图

图3天线近电磁场分布图及屏敝功能示意图

图4天线谐振曲线图

图5圆形天线谐振器示意图

图6螺旋状天线谐振器示意图

图7海星状天线谐振器示意图

各种不同图案的带状天线都是基于传统的平面微带天线发展而来，他们各自有不同的应用层次及通讯频段。对本专利宣称的三种不同种类的谐振器，即连块曲面(图5)、螺旋状(图6)、海星状(图7)，分别说明。如果设定的通讯频段较高，如微波或毫米波波段，或者载体得体表面积较大，如飞机、导弹头等，那么就采用图5的连块曲面微带天线。也就是说，载体表面提供了足够的空间供天线使用，没有必要减小天线的尺寸。

相比之下，如果通讯频率较低，如UHF、VHF频段，而且载体如安全帽等的体表较小，那么就采用图6的所示的螺旋状微带天线。这样的盘旋结构相对的减小天线的尺寸，使该类天线可应用与相对小的运动通讯设备上。

如果频段介于上述两者之间，载体体表又不太小，那么可采用图7所示的海星状微带天线，以便减小加工难度(与图6的螺旋状比较)。

总之，上述方案都具有传统平面微带天线的优点，增益高，易加工等，同时又克服了平面微带天线无法应用于各种不同形状的载体上，以及不同频段上的缺点。上述各方案在不同应用层面各具优势，同时也有重叠应用方面。

如图1所示，以球面上(如安全帽上)的螺旋状带状天线为例。曲面带状天线1通常由移动通讯设备的金属外壳兼作为接地面2，在接地面2上镶贴上介电质基片3，在此基片上加工完成特定图案的金属谐振器4构成，最后通过同轴线馈线5与移动通讯设备的电路***相接。因接地面2直接由移动通讯设备本身的金属外壳担当，因而其形状随移动通讯设备的不同而相应改变。如安全帽型对讲机可能是球面，导弹头可能是抛物面，手机的接地面可能是多面体等。介电质基片3可采用常见的电磁电介质基片材料，如陶磁，石英，电路板(PCB)基片或者可以采用半导体材料，如砷化胛(GaAs)，硅(Si)等。金属谐振器4的设计图案、长度、大小和形状时决定发射和接收天线的谐振频率点、增益及辐射方向图的主要因素。根据移动通讯设备的不同谐振器可以是圆形(图5所示)、螺旋状(图6所示)、海星状(图7所示)，当然也可以为三角形、四方形及多边形等多种形状。当移动通讯设备金属外壳是多面体时，小型移动通讯设备如手机或大型移动通讯设备如飞机、舰船等；可采用同时装置多个金属谐振器4，多个金属谐振器位于不同方位而组成阵列，最后通过商用得到或自制得合成器将金属谐振器整体联接至移动通讯设备的电路***。

天线的馈电最好采用如图2所示同轴线馈电方式。在带状谐振器的中心或顶部馈电是较好的选择。在馈电处穿一个和同轴线馈线5相应大小的洞，这个洞要穿过介电质基片3，同轴线内导体6接入金属谐振器4，而同轴线外导体7接到载体接地面2上，然后通过电焊把接头焊牢，最后将接头处磨光喷上油漆即可。

本发明的曲面带状天线的优点之一就是图3所示的电磁屏敝功能。电磁辐射9的能量主要分布在接地面2之外，其之内的空间8中几乎屏敝了电磁辐射。这样大大降低了人体被辐射的影响，同时也提高了天线的工作效率。

图4所示是曲型的天线谐振曲线10，其谐振频率点11可通过设计不同尺寸，带宽，线长，以及基片的介电常数等来调整。

一般上讲，在低频端应用时，为了减小天线尺寸，需要采用螺旋状(图6)或海星状(图7)的谐振器方案。这些带状线的宽度、长度、及排密度都可变化来满足不同设计的需要。所有的谐振器4根据品质及成本所需，可采用金、银、铜、或铝等金属材料。研究表明，带状线宽度的选择主要影响天线的输入阻抗，带状线越宽其阻抗越小，反之阻抗越大；带状线的宽度也影响天线的欧姆损耗，线宽越大，损耗电阻越小，天线的质因子越佳，反之损耗将增大。

带状线的长度是天线谐振频率的决定因素，长度越长，谐振频率越低，反之谐振频率越高。

带状线或阵列的排密度可影响天线方向图以及其近场远场的电磁分布。

以上各种因素对天线品质及功能的影响均可利用严格的电磁理论或商用软件如HFSS加以分析及设计。

实施例1

本发明的用途之一在保安及军事用途的通讯对讲机，有了这种的镶在安全帽上的带状天线，可将整个对讲机置入安全帽内。将对讲机分坼成电路及电池两部分，平衡地置入安全帽的对称两侧。然后再外接本发明的镶在安全帽上带状天线，再配上免提麦克风及耳机，可实现免提通讯对讲机***。本发明的天线用于该置入安全帽内的对讲机***，具有明显优点：使天线位置处在人体使用的最高点，可提高其通讯半径，安全帽也屏敝了大功率电磁波(典型的几瓦或以上)对人体大脑的不利影响。

实施例2

本发明的天线也可镶钳在飞机头部、导弹头、舰船头部或其它运动载体的金属外壳表面乃至手机的顶部及侧部。通讯频率根据不同的应用，可能是多样的：高频(VHF，UHF)、射频(RF)、微波或毫米波频段。但对本发明来讲，对不同的频段的应用，其天线设计原理是一样的，不同的只是设计不同的天线谐振器，及不同阻抗匹配的天线馈线。

Claims (8)

1． 一种新型的用于移动通讯设备的天线，由曲面带状天线(1)，移动通讯设备金属外壳兼作的接地面(2)，接地面(2)上镶贴上的介电质基片(3)，介电质基片(3)镶贴上的金属谐振器(4)及捋接地面(2)和金属谐振器(4)分开连接到移动通讯设备的电路***的同轴馈电线(5)组成。

2． 如权利要求1所述的天线，其金属谐振器(4)在移动通讯设备的金属外壳上的各方位制成独立单元然后连接成整体的阵列天线。

3． 如权利要求1所述天线，其金属谐振器(4)可以由金、银、铜、铝等金属薄片镶成或镀膜制成。

4． 如权利要求1所述的天线，其金属谐振器(4)的形状可以是蜘蛛网状、海星状、圆形、三角形、四方形、多边形等平面或曲面或带状线。

5． 如权利要求1所述的天线，其金属谐振器(4)的尺寸、形状、带宽、带长等可调整，以满足不同频段的通讯用途。

6． 如权利要求1所述的天线，其介电质基片(3)的材料可以是任何固体的低损耗的电磁介质或半导体材料。

7． 如权利要求1所述的天线，可镶在安全帽上、飞机头部、导弹头、舰船表面、手机的顶部及侧部或其它移动通讯设备的金属外壳表面。

8． 如权利要求1所述的天线，其应用的通讯频率是：高频(VHF,UHF)、射频(RF)、微波或毫米波频段。

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