CN1353877A - 微带天线和包括这种天线的通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天线(20;80),该天线包括:一个微带部件(21;83),一个基本与所述微带部件相平行的导电基板(22;82),所述微带部件具有至少一个馈电器(26;89)以产生圆极化,其中所述微带部件具有一个基本位于所述微带部件(21;83)中心的第一孔,所述导电基板具有与所述第一孔相对设置的相应的第二孔,所述天线还包括一根连接所述第一和第二孔周边之间的导电连线(25;85),由此形成一个穿过所述天线的通孔(24;84),其中所述通孔(24;84)适用于实现至少一种非天线的功能。还可在所述微带部件(21;83)的边缘(21′)和所述导电基板(22′,22;82)之间形成一个容性负载。本发明还涉及一种包含上述天线(35;61)的通信装置(30;62)。

Description

微带天线和包括这种天线的通信装置
发明领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的微带(patch)天线。本发明还包括一种包含这种天线的通信装置。根据本发明的微带天线对于各种产品的集成具有实质性的优点，尤其是将其用作移动电话中的陶瓷GPS天线。
背景技术：
过去十年以来GPS导向***和其他相关***(Glonass等)的利用已经得到极大的增强并有了广泛的应用。在天线中陶瓷天线应用得很普遍，因为它们尺寸小且具有为保护GPS接收器所必需的内在的过滤功能。
GPS微带天线可以有许多种安装方式，一种典型的手持GPS接收器具有一个带显示器(显示地图等)的扁平上表面、一个键盘和一个微带天线，该天线通常在使用时指向上方或稍微背离使用者的脸部。一个手持GPS的扁平表面的典型尺寸为60*150毫米，从其底部连接的一个微带天线的典型尺寸为25*25毫米。
微带天线的一个特有问题是其要求有一个“接地面”，即一个基本平坦的导电表面。理想情况下该表面应当较大，该表面越小天线的性能就越差。例如，一个50*50毫米的导电基板为GPS陶瓷微带天线产生的增益比用一个较好的接地面(大导电基板)所产生的增益低大约2分贝，且导电基板的表面越小，所述增益还会更低。
对于GPS***以及任何其他卫星通信/接收***来说，通常功率余量只有几分贝，所以非常有限的衰减也会对功能造成损害。注意到有另一种四线螺旋状的GPS天线，这种天线不需要导电基板，但是很少有能保持其功能的合手轮廓外形。
微带天线的带宽通常很窄，但是由Iwasaki所提出的美国专利5,861,848描述了一种可调频接收到两种卫星通信频率的改进型的微带天线。圆环状的微带天线是这种天线的组成部件之一，且如所引用的现有技术那样，圆环状微带天线是通过圆周形栅格电线接地的。所引用的应用仅仅只涉及天线本身和在天线阵列中的天线。并没有讨论考虑天线在像移动电话这样的小装置中安装的问题。
日本专利申请JP10247815公开了一种天线的结构，该天线具有安装在一个绝缘基板上的微带天线和安装在所述基板反面的接地线。在所述微带天线的中心部分形成一个垂直孔，接地线和微带天线由一个圆柱形的导体短路。通过所述孔安装一个单极天线，由此减少了分别由微带天线和单极天线所产生的通信信号之间的干扰。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种微带天线，该天线的形状将简化其在例如移动电话中与通信装置的集成，在所述移动电话中，所述微带天线带有一个可放置诸如扬声器、麦克风或GPS放大器的孔。
根据本发明，所述目的通过权利要求1特征部分所述的特征实现。
所述目的也可通过权利要求9特征部分所述的特征实现。
本发明的一个优点是微带天线可与一种装置组合起来以集成不同于天线的功能。在像移动电话这种小的装置中几乎不可能将至少为可接受的集成而合理设计的微带的小导电基板与为完成所述移动电话的基本功能所必需的设备组合起来。
下面将参照附图以举例的方法更详细地揭示本发明。
附图简要说明：
图1a示出了根据本发明的一个微带天线的透视图；
图1b是图1中沿线A-A的对角断面图；
图2是微带天线另一个实施例的断面图；
图3a和3b是带有根据本发明的微带天线的移动蜂窝电话的示意图；
图4是包括根据本发明的安装在顶部的、且包括GPS天线的移动电话天线的示意图；
图5示出了一种陶瓷填充的微带天线在一个特定频率时微带尺寸与孔径的关系曲线图；
图6示出了具有根据本发明的集成GPS天线的移动电话；
图7a和7b示出了根据本发明的一个微带天线，该天线安装在所述孔中且具有一个低噪声放大器；
图8示出了根据如图2的实施例所述的发明的另一个实施例。
实施例详细说明：
图1a示出了根据本发明的一个典型微带天线10的透视图，该天线具有一个表面大致为正方形的微带部件11，该正方形的边长为λ/2。在频率为1575.42MHz(仅适用于C/A代码的GPS频率)的正方形表面积95*95毫米2。所述微带天线还包括一个用作接地面的导电基板12，该基板基本与所述微带部件平行，这对于实现其功能是必要的。当其具有与微带天线相关的接地面的功能时，印制电路板、屏幕护罩、车顶等也可用作导电基板。
导电基板会降低天线增益，这是在小型设备中这类天线的典型损失。微带部件11和导电基板12之间的空间13可由陶瓷(例如ε＝10或ε＝36)或者塑料填充，用陶瓷填充时会将微带的尺寸分别缩减到25*25毫米或19*19毫米而厚度只有几毫米。由陶瓷填充所引起的微带物理尺寸的缩减将会严重地减小带宽，但是带宽也可能减小到2MH(外加由于温度等引起的频率稳定裕度)以保持最简单的GPS(只用C/A代码)的功能。
微带部件11具有一个馈电器(feeding)16，在此天线和基板一起作为地端。通常用一根同轴线把馈电器16中心和外部导线连接到基板12。馈电线的粗细因同轴线中心导线的粗细不同而不同，或者也可改进馈电线的外形以增加匹配程度。所述馈电器设置在非常靠近近似为正方形的微带的对角线之处，且其距离中心孔14的距离要保证合适的匹配(50欧姆等)。所述近似为正方形的微带可从概念上理解为两个调频到稍有不同的频率的被线形极化了的微带，所述不同的两个频率是由每边的长度所确定的。这种由每边边长所确定的频率的不同的数量级为百分之一，或用另一种不同的方式表示为所述微带的一阻抗带宽。这种不同使得每个所述概念上的微带中的电流具有大约±45度的相位，从而产生圆极化辐射。这是用于产生圆极化的通用方法，可称为“自极化”，但是这种方法只适用于很窄的带宽。阻抗带宽可能较大而极化带宽却很窄。典型的陶瓷微带天线是由有金属镀层的陶瓷制成，这种天线中的微带比陶瓷天线中的微带稍微小些。在这种情况下，金属化了的外层比起图中所示的微带显然薄得多。
只要所述孔的尺寸保持在大约为微带的尺寸的1/3之下，孔和导电管将不会干扰半波功能。为了说明此点，计算了在以Al2O3为电介质时微带的尺寸作为所述孔直径的函数。
本发明微带天线10在其中部设有一孔14，在其中设有一短接所述微带部件11和所述导电基板12的导电管15，即所述导电管15与所述微带部件和导电基板是电接触的。如果所述天线是由固体材料作为填充物，则所述导电管15可通过对所述孔14涂覆金属制成。导电管也可由***所述孔中的金属管制成，该金属管连接所述微带部件和所述导电基板12。在后一种情况中，无需用固体材料填充，所以如图5所示，对一个特定的频率所述微带天线和所述导电基板之间的空间13中可以没有填充物而只有空气。可以看出，孔小则对谐振频率的影响也小，这种影响可通过稍微增加所述微带边长容易地进行补偿。
显然，通过调整所述微带的边长可以利用孔径范围很宽的孔而仍然保持整体天线的尺寸不变，但是如果考虑实际的上限为所述微带的边长增加20％，则对于一个25*25毫米的微带所述孔的尺寸应该保持在10-11毫米以下。于是所述中心孔可有很宽的直径范围，例如在所述近似为正方形的微带的边长的0-40％之间。在限制孔径的情况下，仅一根电线可通过一个小孔，但是本发明的一个很明显的优点是可能利用一个相当大的孔来安装一种设备，例如扬声器或麦克风，或者把所述孔当作一个传声信道。由于所述孔涂覆有金属镀层，所以所述设备和天线之间的干扰是很小的。
本发明另一个重要的特征是所述馈电器16是为圆极化而设计的，这种极化对于在GPS***中与轨道卫星通信是必需的。为达此目的，把所述微带部件11、导电管15或馈电器16稍微不对称地设置以便可仅利用一个馈电点(feeding point)来提供圆极化。本发明所述的天线也可在线形极化环境中工作，但是实际中很少采用。
本发明的微带天线的功能与通常用于圆极化的微带天线的功能相似，但是其优势在于其轮廓外形，即所述孔可以用于下述各种目的。
图1b示出了沿图1a中线A-A的对角断面图。
用陶瓷填充是优选实施例，但是在其他实施例中也可用具有低ε的材料而仍然保持其为了安装在通信装置例如一种现代蜂窝电话中所需的尺寸。由高ε所产生的额外电容可由靠近所述微带边缘的各类集总电容代替，图2示出了其中一种可能情况，下面将进行讨论。
图2示出了本发明的另一个实施例，其中微带天线20包括一个其***周边具有向下折叠的边21′的微带部件21，和一个导电基板22，该基板具有脊22′以便在区域27中把所述向下折叠的边21′容性地加载到所述基板上。所述天线20还包括一个基本在所述微带部件21的中心并把该部件短接到所述导电基板22的空心金属管25，由此在所述微带天线20上产生一个孔24。通过所述导电基板22提供给所述微带部件21一个与所述导电基板相隔离的馈电器26。该馈电器通常采用同轴电缆，其外部导线连接到所述导电基板22。
在本实施例中，无需在位于所述微带部件21和所述导电基板22之间的空间23中引入高绝缘材料，因为所述区域27中的电容耦合减小了微带部件所需尺寸。这样作的一个明显优点就是避免了陶瓷材料的过大重量。所述靠近周边的集总电容可用许多方式实现。绝缘材料可以是空气或一种可由相应金属涂覆的低ε材料(例如塑料)。
图8示出了从图2中的实施例发展而来的又一个实施例微带天线80。一个塑料体81用来支撑通过涂覆金属而制成的导电表面82、83、87。所述塑料体81具有一个孔84和一个基本位于所述塑料体中心的、与靠近边缘的槽86相配合的导电管85，所述槽也具有内部金属镀层。所述槽86的外边缘88没有涂覆金属，由此把导电基板82和微带部件83隔离开来。一个导电板87可把一个放大器与一个馈电点89连接起来，如图7所述。除了所述槽因为与所述导电管相平行的电流而将产生额外的长度以外，所述天线形成与图2中所示相应的外形，所述额外的长度使得虽然小微带的尺寸小但仍较容易调频。
所述天线80最好通过例如一种粘合剂固定在一个大导电表面90上以改善天线的接地面。这种微带天线可具有与陶瓷微带天线相同的尺寸并拥有优良的机械稳定性。显然这种天线既可以和电话内部的固定件结合在一起，如图6所示，也可以和一个集成放大器结合在一起，如图7所示。
图3a和3b示出了一种通信装置30，例如移动蜂窝电话，这种装置具有一根根据本发明的用于GPS的第一天线和一根传统的用于接收和发送位于不同于GPS频率的频带中的信号的第二天线。
图3a示出了处于一个第一位置，用于接收和发送蜂窝电话***例如GSM、AMPS、PCS等中的无线信号的移动电话30。所述无线信号经由一根第二天线31(例如用于GSM频率的微带天线、单极天线、螺旋天线等)接收/发送。所述移动电话30包括一个外壳32、一个麦克风33、一个扬声器34和一个用于GPS频率的微带天线35。所述扬声器34位于微带天线35的孔36中，由此使得这种集成GPS/GSM通信装置结构紧凑而又仍然保持了在所述GPS微带周围有一个可用的接地面。还有一个显示器37用于在电话操作期间提供信息。
图3b示出了处于一个第二位置、通过用于GPS的微带天线35接收GPS信号的通信装置。该通信装置也具有一个用于在该第二位置提供信息(地图等)的显示器3。
如上所述，由于大多数电话都具有一个以传声方式连接到耳朵的平坦的、或微弯的表面，所以微带天线35中的孔36可用来固定扬声器34或固定用以传送发自扬声器的声音的传声信道。最好从后方向所述扬声器34馈送信号，且扬声器无需和所述微带天线35集成在一起。也可用一个麦克风或一个用于向麦克风传送声音的传声信道代替一个扬声器固定在所述孔中，此时最好从后方向所述麦克风馈送信号，且麦克风无需和所述微带天线35集成在一起。
可在不同的应用中利用较大的孔来简化各个部分的集成。其中之一就是一种汽车用的尺寸简洁的车顶天线，在此尺寸和对称都被利用起来以形成一个实用方案。
图4示出了一种汽车天线40的应用情况，该天线具有一根用于GPS通信的第一天线和一根在移动蜂窝通信(例如GSM、PCS等)频带中工作的第二天线42。孔43可用于为所述蜂窝电话***提供一根电话天线(鞭状天线、短棒状天线、螺旋状天线等)，在此对称不会干扰GPS功能。另一方面，因为极其不同的操作频率和不同类型的对称，所以所述微带天线41不会干扰所述电话天线42。这种包括GPS天线的天线与没有GPS天线的传统天线在几何外形上非常相似。所述天线41的导电基板44通常不与汽车的接地部分如车顶直接接触。广泛地运用天线41和车顶之间的磁耦合以把天线固定在车辆上。
多数时候将在靠近GPS天线处安装一个低噪声放大器。而所述孔的另一个作用就是把所述低噪声放大器及其相关电路安装到所述微带天线70的孔72中，如图7a和7b所示。在本例中微带部件73比陶瓷填充物74的表面积小，当把微带部件安装到陶瓷填充物上时通常都是如此。导电基板75可以为任何适当的尺寸。
所述低噪声放大器71通过孔72安装，该放大器具有一个最好由金属制成的外壳，为了达到接地目的，最好把该放大器压入涂覆有金属的孔72中，所述放大器还具有用于为其馈电的电缆76。可用同轴电缆代替如图所示的电缆76。该放大器也有一个与所述外壳绝缘的、且经由所述微带部件73顶面上的一个导电板78连接到所述馈电点77的接点。所述导电板78与所述微带部件73绝缘。所述馈电点77也经由一根接地电线79连接到所述导电基板。所述馈电点77从顶部还是从底部75连接并不重要，但是在本例中馈电点最好在顶部。
在所有的实施例中讨论的都是平坦的、基本为正方形的微带。所有本领域熟练的技术人员都了解，微带外形的微小改变可通过适当改变其尺寸和厚度来实现。许多微带天线的侧壁上有凹痕或短小的狭槽，或具有一个或多个切角。就这种天线的产生圆极化等功能来说，真正重要的是能够以合适的相间频率找到两个线性、正交的谐振频率，以便产生正交方向上两个电流的±45度相移。许多形状，例如近似的矩形和椭圆形都适合于用作这种天线的外形设计。
为了把天线集成在移动电话中，其表面例如可稍弯以配合电话的设计，并且可以在一个相当大的限制范围内切出天线的转角(假设其他尺寸都进行了改变以保持谐振频率)。图6例示出了这种情况，其中一个微弯的微带天线61安装在电话62上。扬声器63安装在微带天线61中部的一个孔中。显然，通过传统的成型方法或通过对陶瓷/塑料混合物进行注模可以把陶瓷材料制成实际上的任何形状。
本说明书及权利要求书中所用的词“通信装置”应当理解为意指任何能够接收和/或发送无线信号的装置，例如GPS接收机、移动电话和传呼机。

Claims (12)

1、一种天线，包括：
一个微带部件(21；83)；
一个基本与所述微带部件平行的导电基板(22；82)；
所述微带部件具有至少一个馈电器(26；89)以产生圆极化；
所述微带部件(21；83)具有基本设置在所述微带部件中心的一个第一孔；
所述导电基板(22；82)具有与所述第一孔相对设置的相应的第二孔；和
所述天线还包括一个位于所述第一和第二孔之间的导电连线(25；85)，由此产生通过所述天线的一个通孔(24；84)；
其特征在于，所述通孔适用于实现至少一种非天线的功能。
2、如权利要求1所述的天线，其中所述的至少一种功能是关于：
将一个扬声器(34；63)或一个麦克风(33)安装在所述通孔中；或
利用所述通孔作为一个传声信道，用于向一个麦克风(33)传送声音或从一个扬声器(34)传送声音；或
安装一个放大器或其他电子电路。
3、如权利要求1或2所述的天线，其中在所述微带部件(21；83)的边缘(21′)和所述导电基板(22′，22，；82)之间提供一个容性负载。
4、如权利要求3述的天线，其中所述微带部件(83)设置在一个具有一个凹槽(86)的支撑件(81)上，所述凹槽(86)涂覆有金属以产生所述容性负载。
5、如权利要求4所述的天线，其中所述支撑件(81)是由塑料材料制成的。
6、如权利要求1至5中任何一项所述的天线，其中所述导电连线是一个导电管(25；85)。
7、如前述任何一项权利要求所述的天线，其中所述通孔(24；84)的直径至少为所述微带部件(21；83)的10％。
8、如前述任何一项权利要求所述的天线，其中所述天线用于接收GPS信号。
9、一种通信装置(30；62)，其特征在于，所述装置(30；62)包括一根如权利要求1至8中任何一项所述的第一天线(35；61)。
10、如权利要求9所述的通信装置，其中：
一个扬声器(34；63)或一个麦克风(33)设置在所述通孔中；或
所述通孔用作一个传声信道，用于向一个麦克风(33)传送声音或从一个扬声器(34)传送声音；
一个放大器或其他电子电路设置在所述通孔中。
11、如权利要求9至10中任何一项所述的通信装置，其中所述通信装置是一个移动电话(30；62)。
12、如权利要求9至11中任何一项所述的通信装置，其中所述第一天线(61)稍微弯曲以配合所述通信装置(62)的设计。
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