CN1886863A - 内部多频带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于小尺寸无线电装置的内部多频带天线，以及一种具有这样一个天线的无线电装置。该天线的基本结构是双频带PIFA。在PIFA的辐射平面(220)的轮廓线内部(例如在辐射平面的各导体分支(221，222)之间的空间中)添加一个寄生元件(230)。该寄生元件延伸到靠近天线的馈电点(FP)，并在该位置处通过其自己的短路导体(235)连接到天线的接地平面。该结构的尺寸被选择成使得基于寄生元件的谐振频率靠近PIFA的一个谐振频率，从而加宽相应的工作频带，或者为具有寄生元件的天线形成一个独立的第三工作频带。因为寄生元件位于辐射平面的中心区域而不在其***区域，所以无线电装置用户的手不会显著地损害在部分地由寄生元件形成的工作频带上的天线匹配。另外，当基于寄生元件的谐振频率在较高工作频带上时，较低工作频带上的天线匹配也得到改善。

Description

内部多频带天线
本发明涉及一种用于小尺寸无线电装置的内部多频带天线。本发明还涉及一种具有按照本发明的天线的无线电装置。
在移动站中，工作在使用不同频率范围的两个或更多***中的模块已变得越来越普遍，例如不同的GSM***(全球移动电信***)。移动站工作的基本条件是它的天线的发射和接收特性满足使用中的所有***的频带。在没有任何尺寸限制的情况下，构造一个高质量的多频带天线是相对容易的。然而，在移动站、特别是移动电话中，当出于使用舒适的目的而将天线放置在装置外壳的内部时，天线必须是小型的。这提高了天线设计的要求。
在实践中，能够放置在小型装置内部的、质量足够高的天线大部分可被容易地实现为平面结构。该天线包括一个辐射平面和一个与辐射平面平行的接地平面。为了有利于匹配，通常利用一个短路导体在合适的点处将辐射平面和接地平面相互连接，从而最终的结构是PIFA(平面倒F型天线)型结构。通过利用非导电槽将辐射平面分成两个从短路点来看长度不同的分支，可以将工作频带的数量增加到两个，其中使对应于各分支的天线部分的谐振频率落入所需的频带范围之内。然而，在这种情况中，天线的适配可能是一个问题。当希望覆盖由两个***使用的频带时，很难使天线的较高工作频带足够宽。一个解决方案是增加天线元件的数量。在靠近主辐射平面处设置一个电磁耦合(即寄生平面)元件。该寄生元件的谐振频率被设置成例如靠近双频带PIFA的另一个谐振频率，从而形成一个均匀的、相对较宽的工作频带。
图1示出了已知的内部多频带天线。在图中示出了一个无线电装置的电路板101，该电路板具有一个导电的上表面。这个导电的表面充当平面天线的接地平面110。在电路板的一端有一个其轮廓线基本上是矩形的辐射平面120，该辐射平面由一个电介质框架150支撑在接地平面上方。从辐射平面边缘的靠近一个角的地方，伸出将辐射平面连接到接地平面的第一短路导体125和整个天线的馈电导体126。从馈电导体至电路板101下表面上的天线端口AP，有一个与地隔离的引线(lead-through)。借助于槽129使辐射平面120成形，其中使该辐射平面分成从它的短路点看长度明显不同的两个导体分支，从而使PIFA具有双频带。较低的工作频带基于第一个较长的导体分支121，而较高的工作频带基于另一个较短的导体分支122。该天线结构还可以包括一个辐射寄生元件130。其是一个平面导体片，并且位于与辐射平面120相同的几何平面上。该寄生元件被设置得靠近辐射平面，其长边紧邻上述第一导体分支的第一部分。该寄生元件的一端通过第二短路导体135连接到地，这个第二短路导体非常接近馈电导体126。在这种情况中，在该寄生元件130和辐射平面120之间所获得的电磁耦合足够强，从而使得该寄生元件起辐射器的作用。该寄生元件与周围结构一起形成一个例如具有在PCS 1900***(个人通信业务)的频带上的固有频率的谐振器。如果接着将PIFA的固有频率设置在GSM900和GSM1800***的频带上时，那么将得到工作在三个***中的天线。
根据图1的结构的缺点是该寄生元件对外部导电材料相对敏感。因此，移动电话用户的手可能会显著地损害天线的频带特性。此外，较低工作频带上的天线匹配也有待改进。
本发明的目的是减轻现有技术中的上述缺点。根据本发明的天线的特征在独立权利要求1中陈述。根据本发明的无线电装置的特征在独立权利要求9中陈述。本发明的一些优选实施例在其他权利要求中陈述。
本发明的基本思想如下：天线的基本结构是双频带PIFA。在PIFA的辐射平面的轮廓线内部(例如在辐射平面的导体分支之间的空间中)添加一个寄生元件。该寄生元件从其利用其自己的短路导体连接到接地平面的地方开始延伸到靠近天线的馈电点。将该结构的尺寸选择成使得基于该寄生元件的谐振频率靠近PIFA的一个谐振频率，从而加宽相应的工作频带，或者为具有寄生元件的天线形成一个独立的第三工作频带。
本发明具有这样的优点：外部单元、尤其是无线电装置用户的手不会显著地损害在部分地由寄生元件形成的工作频带上的天线匹配。这是由于寄生元件位于整个辐射平面的中心区域，而不在其***区域。出于相同的原因，无线电装置的电池不会显著地损害在寄生元件的频带上的天线效率，而这种损害在现有技术装置中是常见的。另外，本发明进一步具有这样的优点：当基于寄生元件的谐振频率位于较高工作频带时，与现有技术相比，在较低工作频带上的天线匹配也得到了改进。此外，本发明还具有这样的优点：工作在某些频率上的天线可以被构造得比相应的现有技术天线更小。这是由于寄生元件和对应于PIFA的较低工作频带的导体分支之间的耦合对各元件的电长度的影响大大地增加了。
在下文中，将参考附图对本发明进行更详细的描述，其中：
图1示出了现有技术内部多频带天线的一个示例，
图2示出了根据本发明的内部多频带天线的一个示例，
图3示出了根据本发明的内部多频带天线的另一个示例，
图4示出了根据本发明的天线的频率特性的一个示例，
图5示出了根据本发明的天线的效率的一个示例，以及
图6示出了根据本发明的无线电装置的一个示例。
在上文中，结合对现有技术的描述对图1进行了讨论。
图2示出了根据本发明的内部多频带天线的一个示例。在图中示出一个无线电装置的电路板201，其具有作为天线的接地平面210的导电上表面。在电路板的一端，在接地平面的上方，有一个具有矩形轮廓线的天线辐射平面220。第一短路导体225从辐射平面的一个长边的边缘开始将辐射平面连接到接地平面。其在辐射平面中的连接点被称为第一短路点S1。靠近辐射平面的第一短路点处，有整个天线的馈电点FP，天线的馈电导体226从该点开始。有一个与地隔离的引线将该馈电导体连接到电路板201下表面上的天线端口AP。因此，辐射平面220与接地平面一起形成一个PIFA型的天线。这是一个双频带天线，因为在辐射平面中存在两个从第一短路点S1看长度不同的导体分支。较低工作频带基于第一导体分支221，该第一导体分支通过几乎环绕由辐射平面所代表的矩形而形成辐射平面的***区域。其具有第一部分、第二部分、第三部分以及第四部分，第一部分由辐射平面的最靠近第一短路点的那一端构成，第二部分由辐射平面的从馈电点以及第一短路点看去的对面的长边构成，第三部分由辐射平面的另一端构成，第四部分在长边的方向上向馈电点和第一短路点延伸。PIFA的较高工作频带基于第二导体分支222。在两个导体分支的公共的第一部分之后，第二导体分支在矩形长边的方向上形成一条直带，其仅通过一个相对较窄的槽与第一导体分支的第二部分隔开。在第二导体分支和第一导体分支的第三和第四部分之间保持一个相对较宽的内部区域229。该内部区域在第一导体分支的自由端和馈电点FP之间向辐射平面的边缘敞开。
该天线结构还包括一个寄生元件230。这是一个平面导电带，其位于与辐射平面220相同的几何平面上。其本质特征在于，该寄生元件被设置在辐射平面的第一和第二导体分支之间的上述内部区域中。该寄生元件的一端通过第二短路导体235连接到地，第二短路导体与馈电导体226和第一短路导体225位于天线的同一长边上。该寄生元件中的第二短路导体的连接点被成为第二短路点S2。该馈电点、第一和第二短路点排成一行，彼此之间相对靠近，并使得馈电点位于中间。从第二短路点开始，寄生元件230具有第一部分，其仅通过一个窄槽与辐射平面220隔开。这意味着在该槽上存在一个相对强的、主要是电感性的耦合，这使得该寄生元件有可能充当一个辅助辐射器，并且在另一方面对较低工作频带上的PIFA的匹配有利。在第一部分之后，该示例中的寄生元件具有一个纵向的中心部分和紧接着的末端部分，该末端部分指向由辐射平面的第一导体分支221的第三和第四部分形成的角。在该寄生元件的末端部分和第一导体分支221之间存在一个显著的、主要是电容性的耦合，其有助于该寄生元件起一个天线元件的作用。另外，这个耦合还意味着增加了第一导体分支的电长度，其结果是PIFA的尺寸减小。此外，使该寄生元件的自由端指向第一导体分支还意味着该寄生元件和对应于PIFA的较高谐振的第二导体分支之间的耦合可以被保持得相对弱，尽管该寄生元件被设置在辐射平面的“内部”。这使得对由寄生元件和PIFA的较高谐振确定的谐振频率彼此相对独立地进行调谐成为可能。
图2示出了支撑辐射平面的边缘框架250的一小部分。当然，在整个结构中包括一个更大的电介质支撑结构，以便将所有天线元件准确地保持在适当的位置处。在这个示例中，天线馈电导体和第一短路导体与辐射平面属于同一金属片，并且第二短路导体与寄生元件属于同一金属片。同时，所述导体起弹簧的作用，在安装好的天线中，它们的较低端通过弹力向电路板101挤压。
图3示出了根据本发明的内部多频带天线的另一个示例。从上方、即辐射平面的上方对该天线进行描述。各辐射部件现在是矩形电介质板305的上表面上的各导体区域。可以看到，接地平面310比电介质板305的稍微低一点。在辐射平面320上有靠近板305的长边的天线馈电点FP和第一短路点S1。在这个示例中，辐射平面也具有两个分支。第一导体分支321从第一短路点S1开始，其横跨板305、沿着该板的对面长边延伸、然后沿着第二端延伸、以及沿着第一所述长边延伸至靠近馈电点FP的一点。在由第一导体分支形成的包围的中心处，存在一个相对宽的内部区域329，其在第一导体分支的自由端和馈电点之间向该板的边缘敞开。在电介质板305的第一端处，第二导体分支322位于第一分支的旁边，其中第二导体分支的自由端被表面上的各导体区域包围。
寄生元件330整***于该内部区域329中。该寄生元件在其第一端的第二短路点S2处连接到接地平面。第二短路点被设置得在馈电点FP朝向该板的中间区域的方向上靠近该馈电点FP。从第一端开始，该寄生元件具有第一部分，该部分仅通过一个窄槽与辐射平面320隔开。在第一部分中，首先是一个纵向部件，接着是一个横跨该板指向的横向部件。在第一部分之后，该寄生元件具有一个纵向的中间部分以及一个在横向上向第一导体分支321的自由端延伸的末端部分。
图4示出了类似于图2所示的天线的频率特性的一个示例。该图示出了作为频率的函数的反射系数S11的曲线41。所测量的天线被设计成工作在GSM900、GSM1800以及GSM1900的***中。第一***所需的频带位于880-960MHz的频率范围中，它是天线的较低工作频带Bl。后面两个***所需的频带位于1710-1990MHz的频率范围中，它是天线的较高工作频带Bu。从曲线中可以看出，在较低工作频带的边缘，天线的反射系数接近-5dB，并且在这两个边缘之间反射系数自然更好。在较高工作频带上，天线的反射系数在-4.4dB和-22dB的值之间变化。从曲线41的形状中可以看出天线的三个显著的谐振。整个较低工作频带Bl基于第一谐振r1，其出现在由辐射平面的第一导体分支与天线的其他导体一起形成的结构上。较高的工作频带Bu基于第二谐振r2和第三谐振r3。第二谐振具有大约为1.75GHz的频率，并且其出现在由根据本发明的寄生元件和天线的其他导体一起形成的结构上。第三谐振具有大约为1.94GHz的频率，并且其出现在由辐射平面的第二导体分支和天线的其他导体一起形成的结构上。所有的三个谐振都非常强；反射系数的峰值大约为-20dB。
图5示出了根据本发明的天线的效率的一个示例。所述效率是从与图4的匹配曲线相同的结构中测量出来的。曲线51示出了较低工作频带上的效率如何变化，并且曲线52示出了较高工作频带上的效率如何变化。在较低工作频带上，效率在0.4和0.7之间变化，并且在较高工作频带上是在0.5和0.8之间变化。对于这种类型的天线来说，这些值是非常高的。
在自由空间中的最有利的方向上测量的天线增益(或者相对场强)在较低工作频带上是在0和2dB之间变化，而在较高工作频带上是在1和3.5dB之间变化。
图6示出了根据本发明的无线电装置的一个示例。该无线电装置RD具有一个根据上面说明的内部多频带天线600，其在图中利用虚线表示。
在本说明书和权利要求书中，限定词“靠近”意味着一个与平面天线的宽度相比相对小的距离，其在小于对应于天线的最高可用谐振频率的波长的十分之一的数量级上。
在本说明书中，“轮廓线”意味着一条沿着平面构件的外边缘环绕该平面构件的线。轮廓线不包括平面构件的内边缘，即它跳过边缘线从外边缘向内弯曲的地方。
在本说明书和权利要求书中，平面构件的“内部区域”意味着由上述内边缘和该平面构件的连接内边缘的最外面各点的一部分轮廓线所限定的一个区域。
上文已经描述了根据本发明的多频带天线。各天线元件的形状当然可以与所描述的不同。例如，在天线的PIFA部件中，还可以有一个具有其自身的谐振的槽辐射器。本发明不限制天线的制造方法。天线元件可以由金属片、金属箔或者某种导电涂层制成。在独立权利要求1和9所限定的范围中，可以以不同方式应用本发明的思想。

Claims (9)

1、一种无线电装置的内部多频带天线，该天线具有至少第一和第二工作频带，并且其具有接地平面(210，310)、辐射平面(220，320)以及电磁耦合到该辐射平面的辐射寄生元件(230，330)，该辐射平面在馈电点(FP)处连接到所述无线电装置的天线端口并在第一短路点(S1)处连接到该接地平面，并且从第一短路点看去该辐射平面被分成第一和第二导体分支，并且该寄生元件在第二短路点(S2)处连接到该接地平面，在该天线中：
-第一导体分支(221；321)与周围的天线部件一起形成一个谐振器，该谐振器具有在所述第一工作频带上的固有频率；
-第二导体分支(222；322)与周围的天线部件一起形成一个谐振器，该谐振器具有在所述第二工作频带上的固有频率；
-该寄生元件与周围的天线部件一起形成一个谐振器，该谐振器具有在该天线的某一工作频带上的固有频率，
其特征在于，所述馈电点(FP)靠近第二短路点(S2)，并且在该辐射平面的内部区域(229；329)中，该寄生元件(230；330)位于与该辐射平面基本上相同的几何平面上。
2、如权利要求1所述的多频带天线，其特征在于，所述辐射平面(220；320)和寄生元件(230；330)之间的电磁耦合大部分是由从第二短路点(S2)看去的该寄生元件的第一部分和辐射平面之间的主要是电感性的耦合引起的。
3、如权利要求1所述的多频带天线，其特征在于，所述辐射平面(220，320)和寄生元件(230，330)之间的电磁耦合大部分是由从第二短路点(S2)看去的该寄生元件的相对端和从第一短路点(S1)看去的第一导体分支(221；321)的电气上最远的部分之间的主要是电容性的耦合引起的，以便减小寄生元件和第二导体分支之间的耦合的作用。
4、如权利要求1所述的多频带天线，其特征在于，所述内部区域(229，329)是由第一和第二导体分支限定的。
5、如权利要求1所述的多频带天线，其中所述天线的第二工作频带是它的较高工作频带，其特征在于，基于寄生元件的谐振器的固有频率在所述较高工作频带(Bu)上，以便扩宽该频带。
6、如权利要求1所述的多频带天线，其还具有第三工作频带，其特征在于，基于寄生元件的谐振器的固有频率在所述第三工作频带上。
7、如权利要求1所述的多频带天线，其特征在于，所述辐射平面(220)和寄生元件(230)是分离的金属片。
8、如权利要求1所述的多频带天线，其特征在于，所述辐射平面(320)和寄生元件(330)是一个电介质板(305)的表面上的导电区域。
9、一种无线电装置(RD)，具有至少第一和第二工作频带，并且包括一个内部多频带天线(600)，所述天线具有接地平面、辐射平面以及电磁耦合到该辐射平面的辐射寄生元件，该辐射平面在馈电点处连接到所述无线电装置的天线端口并在第一短路点处连接到该接地平面，并且从第一短路点看去，该辐射平面被分成第一和第二导体分支，并且该寄生元件在第二短路点处被连接到该接地平面，在该天线中
-第一导体分支与周围的天线部件一起形成一个谐振器，该谐振器具有在所述第一工作频带上的固有频率；
-第二导体分支与周围的天线部件一起形成一个谐振器，该谐振器具有在所述第二工作频带上的固有频率；
-该寄生元件与周围的天线部件一起形成一个谐振器，该谐振器具有在该天线的某一工作频带上的固有频率，
其特征在于，所述馈电点靠近第二短路点，并且在该辐射平面的内部区域中，该寄生元件位于与该辐射平面基本上相同的几何平面上。
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