CN1745499A - 平面高频或微波天线 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于高频或者微波频段(PIFA)的小型化的平面多频带天线，其依靠限定了应用的地电势的金属表面(4)进行操作。所述操作原理基于放置在一个或者更多的电介质基板(1、2)上的至少两个结构(11、21)，其中所述两个结构基本上相互独立并在不同频段中的较宽范围内进行发射，所述电介质基板均被连接到应用的地电势和高频馈线。其它导电结构(6)使得额外的频带可以被添加，所述结构可以被谐振地或者电容地耦合。因而，所述金属化结构(11、21)的特殊设计实现了比传统的PIFA更高的输出容量(带宽)，或者在更小尺寸下实现了相同的输出容量。

Description

平面高频或微波天线
本发明涉及用于高频或者微波频段(PIFA：平面倒F天线)的平面多频带天线，其可以用于至少两个频带。本发明也涉及合并了该类型平面天线的电信设备。
高频或者微波频段内的电磁波通常用于发送信息，尤其当使用移动电信设备时。对于被设计用来发送和接收这些电磁波的天线的需求不断增加，所述天线可以用于数个频带，每一个都有足够大的带宽。
就移动电话标准而言，这样的频带固定于例如880到960兆赫兹之间(GSM900)、1710到1880兆赫兹之间(GSM或者DCS1800)、以及1850到1990兆赫兹之间(GSM1900或者PCS)。所述频带也包括UMTS频带(1880到2200兆赫兹)，其特别合并了CDMA宽带(1920到1980兆赫兹和2110到2170兆赫兹)以及1880到1900兆赫兹频带中的用于无绳电话的DECT标准和2400到2483，5兆赫兹频带中的蓝牙标准，所述UMTS频带用于在如移动电话、计算机和电子游戏设备之类的不同电子设备之间交换数据。
至少在一个时间过渡范围内，尤其希望的是可以在至少一个GSM频段和UMTS频段内同时操作移动电话。
除发送信息之外，电信设备也用于各种其它的功能和应用，例如在已知GPS频段中的卫星导航，因此天线也应当可以操作于此频段内。
由于在移动电话中集成这些和其它功能变得越来越普遍，并且考虑到当前尽可能使设备最小化的努力，所产生的另一个问题是确保始终有足够可获得的空间，这就意味着天线必须尽可能的紧凑。
专利说明书EP 1 096 602公开了一种平面双频带微波天线，其中具有矩形轮廓的狭槽(slot)被提供于放置在接地表面之上的平坦导电表面上。该狭槽将导电平面分割为不同长度的两个表面区域，每一个区域可以以略微不同的谐振频率被激励。垂直于该狭槽，在其导电表面的一侧，该天线也具有一个朝着接地表面延伸的导电平面凸出部分，这样，较高谐振频率的带宽将被特别地展宽。另一方面，较低谐振频率的带宽基本上保持原样。
该天线和其它平面双频带天线通常具有的劣势为这样的一个事实，即由于被所述狭缝所分割的导电表面区域之间的高度交互作用，至少一个频带并不具有所需要的带宽。
因此，本发明的一个目的在于提出一种上述类型的平面天线，其可以作为多频带天线而***作于至少两个频带中，其带宽足够用于特别指定的应用。
特别地，应当提供这样一种平面天线，其至少在两个如上提及的频带中具有足够大的带宽，并且其中一个为GSM 900频带。
最后，还应当提供这样一种平面天线，其可以操作在至少两个如上提及的频带中，并且它应当同时具有相对较小的尺寸或者缩小的天线体积。
如在权利要求1中所规定的那样，所述目的是借助于一种具有至少第一和第二金属化结构的平面多频带天线来实现的，其中每个所述结构可以被谐振激励，这些结构被分隔成使得它们至少可以基本上没有任何交互地进行操作。
该解决方案的一个特别的优势在于，组合数个此类金属化结构提供了一种非常灵活的制造多频带天线的方法，所述天线在谐振频率下具有相较从现有技术中已知的***而言特别高的带宽，或者在它们具有较窄带宽的情况下则具有更小的尺寸。
各从属权利要求规定了本发明的各有利实施例。
限定于权利要求4和5中的实施例能够获得特别小尺寸的天线。
权利要求2、6和7规定了在辐射特性和天线的效率等级方面具有优势的各实施例。
规定于权利要求3中的实施例尤其易于制造。
限定于权利要求8和9中的实施例能够产生另外的谐振频率。
本发明的其它细节、特征和优势将从如下参考附图给出的对各优选实施例的描述中变得清晰。
附图中：
图1为第一个实施例的示意图；
图2为显示第一个实施例的不同视角的示意图；
图3描绘说明于图1和2中的天线的谐振频谱；
图4为第二个实施例的示意图；以及
图5描绘说明于图4中的天线的谐振频谱。
图1和2从不同的角度显示发明提出的平面多频带微波天线的第一实施例的两个视图。该天线包括第一和第二基板1、2，其安装在合成材料或者塑料的公共基底3上。该基底3借助于在导电金属表面4上的隔板(spacer)以及距离该导电金属表面4一段距离的隔板组装(未示出)。该表面4构成参考或者地电势，并且可以是板5的(金属)表面，举例来说，其它元件安装于其上，尤其该例中所示的电池盒51。
基本上都以矩形块的形状提供这两块基板1、2，其长度或者宽度近似地比其高度大3至40倍。因此在下面的描述中，附图中每一个基板1、2的顶(大)面被称作顶主面，相对的面被称作底主面，而垂直于这两个面的表面将被称作基板1、2的侧面。
但是，取决于所计划的应用和可获得的空间量，也可以使用例如圆形或者三角形或者多边形的柱体之类的其它几何形状来代替矩形基板1、2，而第一和第二基版1、2也可以具有不同的形状。例如，基板1、2也可以包含空腔或者凹陷以节省材料并从而减小重量。
两块基板1、2用陶瓷材料和/或一种或多种适用于高频应用的合成材料制成，或者通过在聚合母体中嵌入陶瓷粉末制成。使用纯聚合物基板也是可能的。所述材料应当表现出尽可能少的损耗，并且其高频特性应当具有低温度相关性(NPO或者所谓的SL材料)。
为了进一步减小天线的尺寸，基板1、2优选地具有εr＞1的介电常数和/或μr＞1的电常数。然而，应当记住的是，在基板中，可达到的带宽随着高的或者不断增加的介电常数和/或电常数而下降。就这些常数而言，第一和第二基板1、2也可以不相同。
两块基板1、2的项主面具有由高导电材料(如银、铜、金、铝或者超导体)构成的金属化结构11、21，每个所述金属化结构例如都构成一个谐振器表面11、21。
所述天线具有至少两个电端子。其中至少一个端子被连接到地电势，并且至少另一个端子连接到高频馈电点。尤其在仅有一个金属化结构被连接到高频馈电点的情况下，间隔的尺寸被相应地选择成使得其它金属化结构能借助于接收功率的该金属化结构而被寄生激励。
在第一个实施例中，两个金属化结构11、21经由第一端子41被连接到地电势，特别是金属表面41。说明于图1和2的例中的该第一端子包括在基板1、2之间沿着基本上垂直的方向从金属表面4向上延伸的第一连线部分，在两个基板1、2中间垂直向其延伸的第二连线部分，以及从第二连线部分的端部垂直向两个基板1、2延伸的第三连线部分，其中基板的侧面在该点处向上延伸，并同金属化结构11、21相接触。
第二端子12也作为向天线供应将被辐射的电磁能量的装置而被提供，并且用于去耦所接收的电磁能量。如图1所示，该第二端子以安装在板5上(并且同金属表面4绝缘)的引脚12的形式被提供。该引脚12穿过基底3延伸至第一基板1。在那里，引脚12与金属化结构11相接触，这或者是经由带线121，或者是通过装配在引脚12端部的接触焊盘进行电容耦合，该带线121如图1和2中所示放置在基板的一个侧面上。
第二端子12也可以放置在第二基板2上。
所述天线的谐振频率的位置本质上取决于金属化结构11、21的尺寸，所述两个结构中具有较大表面积的那个结构操作在比表面积较小的结构更低的频段中。然而，谐振频率的位置也取决于两个端子41、12的对应的总长度，以及它们的端部或者在基板1、2上的耦合点的位置。
例如，一个此类的天线具有如下尺寸：
第一基板1的长度(在朝向电池盒51的方向上)为23mm，宽度为10mm，而第二基板的长度为23mm，宽度为20mm。基板1、2之间相隔距离5mm，厚度为2mm，而塑料基底3的厚度为1mm，其到金属表面4的距离为3mm。因而金属表面4和基板1、2的底主面之间的距离为4mm。最后，两基板1、2距电池盒51有2mm的距离。第一端子41的第二连线部分在两基板1、2中间延伸大约5mm的长度，而第二端子12位于第一基板1邻近第一端子41的拐角处的下方(如图1和2中所示)。当然，所有这些尺寸和位置都可以被改变，以便按照需要影响天线特性。
图3描绘图1和2中所示天线的反射参数S11，其被测量为频率的函数(兆赫兹)。两个谐振频率明显可见，其位于约930兆赫兹和约1800兆赫兹。如果需要的话，也可以使用该谐振频率的更高次谐波。
其它谐振频率也可以通过一个或者更多的连线和/或导电表面形式的连线元件产生。这些连线元件可以被同时连接到第一个端41和地电势，以及第二端子12和高频线，也可以分别通过谐振或者电容耦合进行连接。然而，连线元件也可以是悬空的(free)，在该情况下它们将是纯无源的。
这样的一个例子由图4所示的本发明的第二个实施例说明。该天线的相同或相应的部件和元件由结合图1、2所用的相同的附图标记表示，因此不再重复对它们的说明。
在第二基板2下面的基底3的底面上，所述天线具有以谐振线形式沿第二基板2的一侧延伸的连线元件6，其通过第一端子41连接到地电势，也就是金属表面4。连线元件6的路径和长度同样确定作为结果所产生的(第三)谐振频率的位置。
图5描绘图4中所示的、具有上面规定的尺寸的天线的反射参数S11(dB)，其为频率的函数(兆赫兹)。此第二个实施例允许产生三个谐振频率，其位于约930兆赫兹(GSM900)、约1800兆赫兹(DCS1800和PCS1900)和约2150兆赫兹(CDMA宽带)，并且每一个谐振频率都具有相对较大的带宽，并足以在这些频率中使用该天线。
如果提供了其它的此类连线元件6(在这种情况下，它们优选地被安装在同金属表面4相对的基底3的底面上)，则其它谐振频率可以被产生。
和图1和2或者4所示的实施例形成对比的是，一个公共的基板也可以被用于两个(或所有的)金属化结构11、12，提供于其上的金属化结构11、12间隔一段距离，使得它们至少可以基本上没有相互的电交互作用地进行操作。
这样，金属化结构11、21和导体元件6的特殊布局允许比传统PIFA更高的输出容量(带宽)或者(如果使用具有近似高的介电常数和/或电常数的基板时)在相同的输出容量下允许更小的尺寸。

Claims (10)

1.具有至少第一和第二金属化结构(11、21)的平面多频带天线，其中每一个金属化结构均可以被谐振激励，并且所述两个结构被间隔成使得它们可以基本上没有交互作用地进行操作。
2.根据权利要求1所述的天线，其中至少一个金属化结构(11、21)被放置在构成地电势的金属表面(4)之上。
3.根据权利要求2所述的天线，其中金属化结构(11、21)被彼此相邻地放置在公共基底(3)上。
4.根据权利要求1所述的天线，其中至少一个金属化结构(11、21)被安装在基板(1、2)上。
5.根据权利要求4所述的天线，其中基板(1、2)具有εr＞1的介电常数和/或μr＞1的电常数。
6.根据权利要求1所述的天线，其中至少一个金属化结构(11、21)经由第一端子(41)被连接到地电势。
7.根据权利要求1所述的天线，其中至少一个金属化结构(11、21)装配有第二端子(12)，以便向天线馈送将要被辐射的电磁能量，或者用于去耦所接收的电磁能量。
8.根据权利要求1所述的天线，该天线具有用于产生至少另一个谐振频率的至少一个连线元件(6)。
9.根据权利要求8所述的天线，其中连线元件(6)同地电势或者高频线谐振地或者电容地耦合，或者连线元件(6)悬空。
10.包含根据权利要求1到9中的任一条所述的天线的电信设备。
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