CN1639909A - 宽带平面倒f天线 - Google Patents

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Abstract

单频带平面倒F天线(PIFA)结构(200)包括具有第一区域的平面辐射单元(202)，以及具有与辐射单元的第一区域基本上平行的第二区域的接地平面(204)。第一导电线(210)在位于辐射单元(202)一面的边缘的第一接触点处耦合到辐射单元(202)。也将第一线(210)耦合到接地平面(204)上。第二导电线(212)在位于沿着与第一线(210)相同的一侧、但在边缘上与第一接触点不同的位置处的第二和第三接触点处耦合到辐射单元(202)。通过使用多接触点位置将第二导电线(212)耦合到辐射单元(202)上使得PIFA的有效带宽增加。第一和第二线(210和212)适配于在PIFA的工作频率上耦合到例如50欧姆的理想的阻抗上。

Description

宽带平面倒F天线
发明背景
本发明总的涉及天线，更具体地，涉及更宽的带宽的各向同性平面倒F天线。
将平面倒F天线(PIFA)使用于无线通信，例如蜂窝电话、无线个人数字助理(PDA)、无线局域网(LAN)-蓝牙等等中。PIFA通常包括具有第一区域的平面辐射单元，以及具有与辐射单元的第一区域平行的第二区域的接地平面。第一导电线在位于辐射单元的一侧的边缘的第一接触点处耦合到辐射单元。也将第一线耦合到接地平面上。第二导电线沿着与第一线相同的一侧、但在与第一线不同的边缘上的接触位置处耦合到辐射单元。第一和第二线适配于在PIFA的工作频率上耦合到理想的阻抗上，例如50欧姆。在PIFA中，第一和第二线垂直于它们所耦合到的辐射单元的边缘，由此形成倒F形状(因此有平面倒F天线的名称)。
PIFA的谐振频率总的由辐射单元的面积和较小程度的辐射单元与接地平面之间的距离(PIFA组件的厚度)确定。PIFA的带宽总的由PIFA组件的厚度和在辐射单元与接地平面之间的电耦合确定。在设计实际的PIFA应用方面的关键问题是在得到想要的带宽与减小PIFA体积(面积×厚度)之间进行折衷。而且，优选地，较大的接地平面区域(屏蔽)有助于减小例如从移动蜂窝电话进入到用户的头部的射频能量(SAR值＝吸收率)。然而，除非减小厚度(在辐射单元与接地平面区域之间的距离)，否则PIFA的体积将随接地平面区域(面积)的加大而增加。
由于无线通信应用数目的增加和无线设备的实际尺寸的减小，需要有用于这些应用和设备的天线。现有的已知的平面倒F天线通过要求减小用于给定的无线应用的PIFA的体积(厚度)，而牺牲带宽。
所以，需要在不增加PIFA的体积(厚度)的条件下提高PIFA带宽。
发明内容
本发明通过提供用于增加PIFA的可用的带宽而不必增加PIFA的体积(厚度)的设备、***和方法，来克服现有技术的上述问题以及其他缺点和缺陷。
按照本发明的示例性实施例，单频带PIFA结构包括具有第一区域的平面辐射单元，以及具有与辐射单元的第一区域基本上平行的第二区域的接地平面。第一导电线在位于辐射单元的一侧的边缘的第一接触点处耦合到辐射单元。也将第一线耦合到接地平面。第二导电线在位于沿着与第一接触点相同的一侧、但在边缘上与第一接触点不同的位置处的第二和第三接触点处耦合到辐射单元。第一和第二线适配于在PIFA的工作频率上的理想的阻抗，例如50欧姆。
通过结合附图参考以下的说明，可以更全面地了解本发明的具体的实施例及其优点。
附图简述
图1是现有技术平面倒F天线(PIFA)的示意图；
图2是按照本发明的平面倒F天线(PIFA)的示例性实施例的示意图；
图3A和3B是具有稍微不同的谐振工作频率的PIFA结构的示意平面图；
图3C是按照本发明的示例性实施例的、由图3A和3B的PIFA结构组合成一个宽带PIFA结构的示意图；以及
图4显示了按照本发明的具体实施例的PIFA，与现有技术PIFA相比较的性能带宽改进。
具体实施例详细描述
按照本发明的示例性实施例，单频带PIFA结构包括具有第一区域的平面辐射单元，以及具有与辐射单元的第一区域基本上平行的第二区域的接地平面。第一导电线在位于辐射单元的一侧的边缘的第一接触点处耦合到辐射单元。将第一线也耦合到接地平面。第二导电线在位于沿着与第一接触点相同的一侧、但在边缘上与第一接触点不同的位置处的第二和第三接触点处耦合到辐射单元。第一和第二线适配于在PIFA的工作频率上的理想的阻抗，例如50欧姆。
按照本发明，将第二线在一个以上的连接点位置处连接到辐射单元，导致对于给定体积的PIFA结构的增强的带宽。附加接触点位置是在PIFA的未改变的体积内，由此导致较好的带宽-体积比，例如，用较薄的PIFA结构得到较大的带宽。
在本发明的范围内预期在不同的位置处的多个接触点可被使用来把传输线电耦合到PIFA的辐射单元区域的一个或多个边缘。另外，按照本发明的PIFA结构(例如，接地平面和辐射单元)不限于任何一种形状、尺寸和/或形式。接地平面和辐射单元可以由任何类型的导电材料制成，例如金属、浸渍石墨粉的布、其上具有导电的覆层的薄膜等等。在某些实施例中，在辐射单元与接地平面之间的距离也不需要是恒定的。本发明的多个接触点位置实施例在不增加制造成本的条件下也可有效地使用于压弯的天线结构的平面结构中。在辐射单元和/或接地平面上的至少一个开孔可被用于连接至少一个机械支撑物，例如，垫片或用于辐射单元和/或接地平面的支撑结构。
本发明涉及到的天线包括：接地平面，其具有第一平表面和第一区域；辐射单元，其具有第二平表面和第二区域，其中辐射单元的第二平表面与接地平面的第一平表面基本上共平面；第一连接线，与接地平面的第一边缘耦合并且在第一接触点位置处与辐射单元的第二边缘耦合；以及第二连接线，在第二和第三接触点位置处被耦合到辐射单元的第二边缘。接地平面的第一区域可以大于辐射单元的第二区域，或接地平面的第一区域可以与辐射单元的第二区域基本上相同。第一接触点位置可以在第二和第三接触点位置之间。第二连接线可以在多个接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘。第一和第二连接线可以适配于理想的阻抗。理想的阻抗可以是约50欧姆。在某些实施例中，理想的阻抗可以是从约50欧姆到约75欧姆。在其他实施例中，该理想的阻抗可以是从约20欧姆到约300欧姆。辐射单元和接地平面可以由导电材料制成。按照各种具体的实施例，导电材料可以选自包含以下材料的组：铜、铝、不锈钢、黄铜和它们的合金、绝缘基片上的铜箔、绝缘基片上的铝箔、绝缘基片上的金箔、镀银的铜、绝缘基片上的镀银铜箔、绝缘基片上的银箔和镀锡的铜、浸渍石墨粉的布、涂覆石墨的基片、镀铜的基片、镀黄铜的基片和镀铝的基片。接地平面可以在绝缘基片的一侧，以及辐射单元可以在绝缘基片的另一侧。接地平面、绝缘基片和辐射单元可以是可弯曲的。接地平面的第一区域和辐射单元的第二区域可以是矩形或非矩形。
本发明还涉及到平面倒F天线，其包括：接地平面，其具有第一平表面和第一区域；辐射单元，其具有第二平表面和第二区域，其中辐射单元的第二平表面与接地平面的第一平表面基本上共平面；第一连接线，耦合到接地平面的边缘和辐射单元的边缘；以及第二连接线，其在第一连接线耦合到的任一侧上耦合到辐射单元的边缘。
本发明涉及到平面倒F天线，包括：接地平面，其具有第一平表面、第一周界和在第一周界上的第一多个边缘；辐射单元，其具有第二平表面、第二周界和在第二周界上的第二多个边缘，辐射单元的第二平表面与接地平面的第一平表面基本上共平面；第一连接线，其耦合到第一多个边缘的第一边缘和第二多个边缘的第一边缘；以及第二连接线，其在第一连接线的任一侧上被耦合到第二多个边缘的第一边缘。
本发明还涉及到用于制作宽带宽平面倒F天线的方法，其包括以下步骤：在第一平表面上形成接地平面；在第二平表面形成辐射单元，其中第二平表面与第一平表面基本上共平面；将第一连接线耦合到接地平面的第一边缘并且在第一接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘；以及将第二连接线在第二和第三接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘。第一接触点位置可以在第二和第三接触点位置之间。耦合的步骤还可包括将第二连接线在多个接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘的步骤。
本发明还涉及到具有平面倒F天线(PIFA)的射频***，射频***包括：接地平面，其具有第一平表面和第一区域；辐射单元，其具有第二平表面和第二区域，其中辐射单元的第二平表面与接地平面的第一平表面基本上共平面；第一连接线，其耦合到接地平面的第一边缘并且在第一接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘；以及第二连接线，其在第二和第三接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘，以及第一和第二连接线适配于以理想的阻抗耦合到射频***。
本发明的技术优点是增加带宽而不增加体积。另一个技术优点是在不增加PIF天线的体积的条件下，通过增加接地平面的区域来减小吸收率。另一个技术优点是更大的带宽，其导致天线对于在制造期间由于几何尺寸变化引起的天线特性的改变更不敏感。另一个技术优点是能够导致在批量生产中较好合格率的较小的临界调节和制造公差。
本发明允许有各种变型和替换形式。本发明的具体实施例通过例子的方式在附图中显示，并且详细地在这里进行了描述。然而，应当看到，这里阐述的具体实施例的说明不会将本发明限制于所公开的具体形式。相反，将覆盖属于如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有的变型、替换和等价物。
现在参照附图，图中示意地显示本发明的示例性具体实施例的细节。图上相同的单元用相同的数字表示，以及类似的单元用带有不同的字母下标的相同的数字来表示。
图1显示现有技术平面倒F天线(PIFA)的示意图。现有技术PIFA总的用数字100表示。PIFA 100包括辐射单元102，接地平面104，第一连接线110，其在接触点位置108处耦合到辐射单元102，和第二连接线112，其在接触点位置106处耦合到辐射单元102。第一连接线110也耦合到接地平面104上。连接线110和112适配于分别通过连接头116和114被耦合到射频***(未示出)。连接线110和112在PIFA的工作频率上适配于理想的阻抗，例如50欧姆。连接头114通常是“有电压的(hot)”连接头，以及连接头116通常是接地连接头。
参照图2，图中显示按照本发明的、平面倒F天线(PIFA)的示例性实施例的示意图。PIFA的这个具体示例性实施例总的用数字200表示。PIFA 200包括辐射单元202，接地平面204，第一连接线210，其在接触点位置208处耦合到辐射单元202，和第二连接线212，其耦合到在接触点位置206和218处耦合到辐射单元212上的第三连接线220上。第一连接线210也耦合到接地平面204。连接线210和212适配于分别通过连接头116和114耦合到射频***(未示出)。连接头114和116通常在PIFA 200的工作频率上适配于理想的阻抗，例如20欧姆、50欧姆、75欧姆、或从约20欧姆到300欧姆。连接头114通常是“有电压的”连接头，以及连接头116通常是接地连接头。按照本发明，在多个接触点位置(206，218)处与辐射单元202耦合来增加PIFA 200的带宽。
增加的带宽允许辐射单元202和接地平面204靠得更近(更薄)，因此需要PIFA 200的较小的体积。根据本发明，可以预期在本发明的范围内，可以利用在两个以上的接触点位置处与辐射单元202的耦合来增加PIFA 200的带宽。
接地平面204和/或辐射单元202可以具有一个或多个开孔，例如通孔或切口，以减小重量和/或连接一个或多个机械支撑物，例如非传导性的绝缘支撑物(未示出)，其支撑住接地平面204和/或辐射单元202。
本发明并不限于任何一种形状、尺寸和/或形式。接地平面204和辐射单元202可以由任何类型的导电材料制成，例如金属、金属合金、浸渍石墨粉的布、其上具有导电的覆层的薄膜等等。在辐射单元202与接地平面204之间的距离不需要是恒定的。在不增加制造成本的条件下，本发明的多个接触点位置实施例也可有效地用于压弯的天线结构的平面结构中。
现在参照图3A和3B，图上显示具有在稍微不同频率下谐振的PIFA结构的示意平面图。图3A所示的PIFA可以在第一频率上谐振，以及图3B所示的PIFA可以在第二频率上谐振。第一和第二谐振频率是稍微不同的。例如，第一频率可以是约1900MHz，以及第二频率可以是约2100MHz(PCS电话)。图3A的PIFA的辐射单元302A与图3B的PIFA的辐射单元302B是相同的。这两个PIFA的谐振频率之间的差值是由于接触点位置306和318分别处在辐射单元302A和302B的不同的位置。
现在参照图3C，图上显示由图3A和3B的PIFA结构所组合成的一个宽带PIFA结构的示意图。当这样的组合图3A和3B的两个PIFA结构时，组合PIFA的带宽增加而不需要分开的辐射单元302。可以使用单组连接线310和312，其中将连接线312在接触点位置306和318处通过连接线320耦合到辐射单元302。在新的PIFA结构中地连接线310仍旧是公共的。在辐射单元302上不同的接触点位置(306，318)的组合导致多谐振、紧密耦合的、“参差调谐的”PIFA结构，由此最终得到的PIFA结构具有更宽的带宽以及对于制造和在射频***(例如，PCS)中的应用要求不高。
图4显示是按照本发明的具体实施例的PIFA，与现有技术PIFA相比较时的性能带宽改进。图显示出具有三个馈电点的本改进的PIFA结构对于用于具有140MHz带宽要求(1850-1990MHz)的PCS应用的传统的PIFA(仅仅作为例子)的性能改进。图4显示两个天线的输入功率反射系数S11的幅度随频率变化的曲线。正如虚线所示的，具有141.8MHz带宽的标准PIFA的频带宽度，以及实线表明按照本发明的具体实施例的具有198.4MHz带宽的三个接触点PIFA的频带宽度。这表明，对于本发明的具体实施例来说其性能改进了大约58MHz(假设在-10dB处测定带宽)。
本发明是藉助于具体示例性实施例描述的。按照本发明，***的参数典型地可以由设计工程师对于所需的应用进行规定和选择而变化。而且，预期可以由本领域技术人员根据这里阐述的教导很容易设计出的其他实施例，可属于由所附权利要求书规定的本发明的范围内。本发明可以以不同的、但等价的方式被修正和实践，这些方式对于本领域技术人员是显而易见的，并且具有这里阐述的教导的利益。

Claims (26)

1.一种天线，包括：
接地平面，其具有第一平表面和第一区域；
辐射单元，其具有第二平表面和第二区域，其中所述辐射单元的第二平表面与所述接地平面的第一平表面基本上共平面；
第一连接线，其耦合到所述接地平面的第一边缘并且在第一接触点位置处将其耦合到所述辐射单元的第二边缘；以及
第二连接线，其在第二和第三接触点位置处耦合到所述辐射单元的第二边缘。
2.按照权利要求1的天线，其中所述接地平面的第一区域大于所述辐射单元的第二区域。
3.按照权利要求1的天线，其中所述接地平面的第一区域基本上等于所述辐射单元的第二区域。
4.按照权利要求1的天线，其中第一接触点位置是在第二和第三接触点位置之间。
5.按照权利要求1的天线，还包括第二连接线在多个接触点位置处耦合到所述辐射单元的第二边缘。
6.按照权利要求1的天线，其中第一和第二连接线适配于理想的阻抗。
7.按照权利要求6的天线，其中理想的阻抗约为50欧姆。
8.按照权利要求6的天线，其中理想的阻抗是从约50欧姆到约75欧姆。
9.按照权利要求6的天线，其中理想的阻抗是从约20欧姆到约300欧姆。
10.按照权利要求1的天线，其中所述辐射单元是由导电材料制成的。
11.按照权利要求10的天线，其中导电材料选自包含以下材料的组：铜、铝、不锈钢、黄铜和它们的合金、绝缘基片上的铜箔、绝缘基片上的铝箔、绝缘基片上的金箔、镀银的铜、绝缘基片上的镀银铜箔、绝缘基片上的银箔和镀锡的铜、浸渍石墨粉的布、涂覆石墨的基片、镀铜的基片、镀黄铜的基片和镀铝的基片。
12.按照权利要求1的天线，其中所述接地平面是由导电材料制成的。
13.按照权利要求12的天线，其中导电材料选自包含以下材料的组：铜、铝、不锈钢、黄铜和它们的合金、绝缘基片上的铜箔、绝缘基片上的铝箔、绝缘基片上的金箔、镀银的铜、绝缘基片上的镀银铜箔、绝缘基片上的银箔、和镀锡的铜、浸渍石墨粉的布、涂覆石墨的基片、镀铜的基片、镀黄铜的基片和镀铝的基片。
14.按照权利要求1的天线，其中所述接地平面是在绝缘基片的一侧，以及所述辐射单元是在绝缘基片的另一侧。
15.按照权利要求14的天线，其中所述接地平面、绝缘基片和所述辐射单元是可弯曲的。
16.按照权利要求1的天线，其中所述接地平面的第一区域和所述辐射单元的第二区域是矩形。
17.按照权利要求1的天线，其中所述接地平面的第一区域和所述辐射单元的第二区域是非矩形的。
18.按照权利要求1的天线，还包括在所述辐射单元中的至少一个开孔，用于连接至少一个机械支撑物。
19.按照权利要求1的天线，还包括在所述接地平面中的至少一个开孔，用于连接至少一个机械支撑物。
20.一种平面倒F天线，包括：
接地平面，其具有第一平表面和第一区域；
辐射单元，其具有第二平表面和第二区域，其中所述辐射单元的第二平表面与所述接地平面的第一平表面基本上共平面；
第一连接线，其耦合到接地平面的边缘和辐射单元的边缘；以及
第二连接线，其在第一连接线所耦合的任一侧上耦合到辐射单元的边缘。
21.一种平面倒F天线，包括：
接地平面，其具有第一平表面、第一周界和在第一周界上的第一多个边缘；
辐射单元，具有第二平表面、第二周界和在第二周界上的第二多个边缘，所述辐射单元的第二平表面与所述接地平面的第一平表面基本上共平面；
第一连接线，其耦合到第一多个边缘的第一边缘和第二多个边缘的第一边缘；以及
第二连接线，其在第一连接线的任一侧上耦合到第二多个边缘的第一边缘。
22.一种用于制作宽带宽平面倒F天线的方法，包括以下步骤：
在第一平表面上形成接地平面；
在第二平表面上形成辐射单元，其中第二平表面与第一平表面基本上共平面；
将第一连接线耦合到接地平面的第一边缘并且在第一接触点位置处耦合到辐射单元；以及
将第二连接线在第二和第三接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘。
23.按照权利要求22的方法，其中第一接触点位置是在第二和第三接触点位置之间。
24.按照权利要求22的方法，还包括将第二连接线在多个接触点位置处耦合到所述辐射单元的第二边缘的步骤。
25.一种具有平面倒F天线(PIFA)的射频***，所述***包括：
接地平面，具有第一平表面和第一区域；
辐射单元，具有第二平表面和第二区域，其中所述辐射单元的第二平表面与所述接地平面的第一平表面基本上共平面；
第一连接线，其耦合到接地平面的第一边缘并且在第一接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘；以及
第二连接线，其在第二和第三接触点位置处耦合到辐射单元的第二边缘，以及第一和第二连接线适配于以理想的阻抗耦合到射频***。
26.权利要求25的射频***，其中所述射频***是移动电话***的一部分。
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