CN100375334C

CN100375334C - 天线装置

Info

Publication number: CN100375334C
Application number: CNB028029690A
Authority: CN
Inventors: K·R·博伊尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-07-21
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2022-06-24
Also published as: JP2004522380A; US6747601B2; CN1473376A; US20030016179A1; KR20040017828A; GB0117882D0; EP1413006A1; WO2003010853A1

Abstract

一个天线装置包括一个基本上平行于一接地平面(104)固定住的补片导体(102)，在第一点连接到该补片导体的一条馈电引线(106)和连接在该补片导体上一第二点和该接地平面之间的一条接地引线(108)。该馈电和接地引线由一链接导体(510)连接并具有耦合的分路电容装置跨接于它们。该电容装置的适当值和该链接导体的位置和尺度使得达到对该天线的良好的匹配。该链接导体可以直接连接到补片导体或者在该馈电和接地引线之间可以存在多个缝隙，该缝隙既在链接导体之上，又在该链接导体之下。阻抗转换可通过具有不同截面积的馈电和接地引线和/或在该补片导体中具有一个槽来提供。

Description

天线装置

技术领域

本发明涉及一个天线装置，包括基本平面的补片导体。并涉及包括这样一种装置的一个无线电通信设备。

背景技术

对于例如移动电话手持机这样的无线终端一般包括一个外部天线，例如常规模式的细旋线或弯曲线天线，或一个内部天线，例如一个平面倒F天线(PIFA)或类似的天线。

由于小型天线，窄频带的基本限制，因此这样的一些天线是小的(相对于一个波长)。然而，蜂窝无线电通信系统一般具有10％或更大的分式带宽。例如为从一个PIFA得到这样的一个带宽要求一个不可忽视的体积，因为在一个补片天线的带宽和它的体积之间存在一种直接的关系，然而随着目前倾向小型手持机，这样的一个体积并非容易可得。此外，当增加补片高度时在谐振时PIFA将成为电抗性的，而这点对改善带宽是必要的。

国际专利申请WO 01/37369公开了一种PIFA，其中匹配是通过将馈电和短路引线同一个导电匹配元件相链接完成的，选择它们的尺度以提供对天线的一种合适的阻抗匹配。这样一种天线先天是窄带的。

欧洲专利申请EP0,867,967公开了一种PIFA，其中馈电引线是弯曲的，为的是增加其长度，从而增加其电感而试图使天线更易匹配。用这样一种要求一个小匹配电容的天线达到宽频带匹配是困难的。

我们的共同未决的未公开的国际专利申请PCT/IB02/00051(申请人的标记PHGB 010009)公开了一种基于普通PIFA的方案，其中在PIFA中馈电引线和短路引线间引入一个槽。这样的一种装置提供了一个基本上改善了阻抗特性的天线，同时要求的体积比一个普通PIFA的更小。

发明的公开

本发明的一个目的在于提供一种改善的平面天线装置。

按本发明的第一方面提供的一个天线装置包括一个基本平面的补片导体，一条在一第一点连接到该补片导体的馈电引线和连接在该补片导体上一第二点和一接地平面之间的一条接地引线，其中，该装置还包括连接该馈电和接地引线的一个链接导体和连接在该馈电和接地引线之间的分路电容装置，其中，选择该链接导体的位置和尺寸以及该电容装置的值以便获得对该天线的良好的匹配。

该链接导体的存在的作用在于减小由该馈电和接地引线形成的短路传输线的长度，并因此减小其电感，由此使该分路电容值增加而提供带宽的改善。该链接导体还可连接到该补片导体，或者在该引线之间可存在多个缝隙，该缝隙既在该链接导体之上又在该链接导体之下。通过为匹配而配置提供的电感作为该天线结构的部分，该电感比在不增加成本条件下由电路解决方案所提供的电感具有更高的Q值。

为提供阻抗转换，馈电和接地引线可具有不同的截面。作为选择，或另外，该馈电或接地引线的一个或两者可由多个导体形成，以提供阻抗转换。如在PCT/IB02/00051中所公开的，该阻抗转换也可以用在该补片导体中在馈电和接地引线之间的一条槽来提供。

按本发明的第二方面，提供了一个包括按本发明制作的天线装置的无线电通信设备。

附图简要说明

现在将参照附图，借助例子来描述本发明的实施例，其中：

图1是安装在一个手持机上的PIFA的透视图；

图2是对于用0.45pF电容匹配的图1的天线的以dB为单位的模拟反射系数S₁₁对以MHz为单位的频率的曲线；

图3是表示图1天线的模拟阻抗的史密斯(Smith)圆图，在800-3000MHz频率范围上用0.45pF电容匹配；

图4是表示图1天线的模拟阻抗的史密斯圆图，在800-3000MHz频率范围上无匹配措施；

图5是按本发明制作的天线馈电装置的侧视图；

图6是对于通过图5馈电装置馈电并用1.75pF电容匹配的一个PIFA的以dB为单位的模拟反射损耗S₁₁对以MHz为单位的频率的曲线；

图7是表示在800-3000MHz频率范围上通过图5馈电装置馈电并用1.75pF电容匹配的一个PIFA的模拟阻抗的史密斯圆图；以及

图8是表示在800-3000MHz频率范围上通过图5馈电装置馈电但无匹配措施的一个PIFA的模拟阻抗的史密斯圆图。

在附图中已用相同参考数表示相应特征。

实现本发明的模式

图1中表示安装在一个手持机上的PIFA的透视图。该PIFA包括一个矩形补片导体102，它被固定平行于形成该手持机部分的一个接地平面104。该天线通过馈电引线106馈电，并由一条短路引线108(也叫做一条接地引线)连接到接地平面104。对普通结构而言该馈电和短路引线一般是平行的，但对于天线的功能而言这并非是本质性的。

在一个典型的PIFA实施例中。该补片导体102具有20×10mm的尺度，并定位在测量出为40×100×1mm的该接地平面104之上8mm。馈电引线106既放置在补片导体102又放置在接地平面104的角处，短路引线108离馈电引线1063mm。每根引线106，108是平面的，宽度为1mm。

人们熟知一个PIFA的阻抗是感性的。对此的一种解释是由将在馈电和短路引线106，108上的电流考虑成为微分模式(相等但方向相反，非辐射的)和公共模式(方向相同，辐射的)电流之和来提供的。对于该微分模式电流，该馈电和短路引线106，108形成一条短路传输线，其具有一个感性电抗，因为相对于一个波长(在图1中表示的实施例中，在2GHz为8mm或0.05λ)其长度很短。该感性电抗起跨接天线馈电引线的一个分路电感的作用。为了对天线102进行匹配，在馈电和短路引线106，108之间需要提供分路电容，以便在天线的谐振频率上通过与其谐振而调除出这个电感。虽然可以用一个分路电容来解决。但在已知的PIFA中一般是通过修改天线的几何尺寸来解决。例如，这可以通过朝向接地平面104靠近馈电引线106延长补片导体102，以便对地提供一些附加的电容来实现。

使用从Ansoft公司可得到的高频结构模拟器(HFSS)来模拟图1中所示的组合天线102和接地平面104的反射损耗S₁₁。当用0.45pF分路电容器进行匹配时，对于f800和3000MHz之间频率结果表示在图2中(参考120Ω)。在图3中表示说明在相同频率范围上的模拟阻抗的史密斯圆图。图4中表示说明无匹配电容器的模拟阻抗另一史密斯圆图，由此用实例说明无匹配措施情况下阻抗的感性特性。

该天线装置具有接近440MHz的6dB带宽和接近200MHz的10dB带宽。如果该传输线的分路电感减小同时该电容器的量增加，该带宽可能被显著改善。这是因为，首先作为近似，天线看作为具有基本固定电阻的一个串联谐振LCR电路。这样的一个电路用一个互补并联LC电路被最好地展宽频琏。减小该并联电路的电感(由该短路电路传输线提供)同时增加电容将提供一个频率特性，该频率特性将互补该天线的频率特性使其更好，并因此在改善带宽方面更为有效。

按本发明，通过修改如图5中侧视图所示的馈电装置可以达到该目的。按此修改，提供一个链接导体510，其大部分长度一起连接馈电和短路引线106，108。如在图5中所示，该链接导体是从在馈电和短路引线106，108接触补片导体102的点处连接到该馈电和短路引线106，108，而因此也连接到该补片导体102。然而，这样的配置是非本质性的，而在另外的实施例中，在引线106，108之间可以存在一个缝隙，该引线既在该链接导体510之上，又在该链接导体510之下。这是因为该链接导体在引线106，108间为微分模式电流提供一条路径，而同时对公共模式电流具有最小的影响。因此，只要链接导体510具有充分的高度以形成(与馈电和短路引线106，108一起)一条短路传输线，对此无必要像补片导体那样连续，而且该链接导体510可简单地包括一条薄带线。

作为一个例子，进行模拟以确定反射损耗S₁₁。其中导体510的长度为6mm，留下不连贯的馈电和短路引线106，108的长度为2mm。当用1.75pF分路电容器匹配时，对于频率f800和3000MHz之间在图6中表示其结果(参考120Ω)。在图7中表示说明在相同频率范围上模拟阻抗的史密斯圆图。与图1普通PIFA相比，6dB带宽改善25％而达到550MHz，而10dB带宽几乎倍增，达到390MHz。通过比较图7和3中的史密斯圆图，可清楚地看到被改善了的带宽。

图8中表示说明无匹配电容器情况下的模拟阻抗的另一个史密斯圆图，它用实例说明无电容器的匹配是很差的。这与在WO 01/37369中公开的天线装置完全相反，其中采用无附加匹配元件的方案。这样的一种装置要求一个低的公共模式电阻，使得当应用一个分路电感时可获得对50Ω的匹配。该限制意味着该天线将天生是窄频带的。

显而易见，通过增加链接导体510的长度并使用一个更高值的电容器甚至能够达到更好的性能。

如在我们的共同未决的未公开的国际专利申请PCT/IB02/00051中讨论的，通过改变馈电和短路引线106，108的相对厚度可以改变匹配天线的阻抗。(申请人参考PHGB010009)。这是因为公共模式电流是在该馈电和短路引线中的电流的和，而因此通过改变它们的相对厚度(因此阻抗)，能改变引线间的电流比。例如，如果增加短路引线108的截面积，则将降低其阻抗，在馈电引线106上的公共模式电流将减小，同时天线的有效阻抗将增加。这样一种效应也可以用多个并联连接的导体取代馈电和短路引线之一或两者来达到，或者通过该两种方法的组合来达到这种效应。

如在PCT/IB02/00051中所公开的，阻抗转换也可通过在补片导体102中在馈电和短路引线106，108之间提供一个槽配置。通过在补片导体中非对称地配置一个槽，由馈电和短路引线106，108携带的相对电流可以改变，因为由此该补片导体102将呈现为具有不同尺度的导体的一段短路的双导体传输线。在一移动电话实施例中，在那里补片导体102可以印刷在该电话外壳的一个内部表面上，这样一种配置的优点在于使得天线阻抗的范围由不同的补片导体构形提供，而同时使用公共的馈电和接地引线106，108(其可以提供为支在弹簧上的接触)。

虽然已相对于一个单频段PIFA描述了本发明，但显见的是其可容易地应用到双的或多频段的配置。在这样的一些实施例中，对每个频段的一个合适的电容通过一个频率选择无源网络可容易地提供。还显见的是所要求的电容可提供为天线结构的整体部分，根据已知技术的范围，替换提供为一个或多个分立电容器。

虽然参照PIFA在上面详细地加以描述，本发明具有更宽的应用性，并可以与任何单极状天线配置一起使用，在那里天线馈线配置可考虑为包括双传输线和该传输线的长度将被选择，使得传输线的阻抗可以用来和附加的电路元件一起，由此提供更宽的带宽和更好的滤波。(一个PIFA可考虑为具有一个大的顶部负载的很短的单极天线。)

在上述PIFA装置中，传输线是短路传输线，而电路元件是电容器。然而可能存在另外的配置，其中传输线是开路的(具有电容性阻抗)，而附加电路元件是电感。这样的配置可通过修改图5的PIFA来形成，其可以通过除去链接导体510并在补片导体102中提供一个槽，该槽延伸到该补片导体的边缘并选择其长度以提供一个合适的容性阻抗用于同一个电感器相匹配。

虽然一种开路配置是可能的，但是仍然是优选使用短路传输线，这是因为后者能使用电容器作为附加电路元件。与电感器相比(典型值约为40)电容器一般具有一个高的Q值(在移动通信频率典型值约为200)，并且还具有较好的容差。如果将电感放置在天线基片(在PIFA情况是空气)上意味着它可以是高质量的并用于和一个高质量的分立电容器一起。在某些情况下在该天线基片上直接形成电容器可以是有利的(例如在开路传输线的情况)，特别地如果该可利用的电路技术是粗劣的话。

Claims

1.一个天线装置，包括一个基本平面的补片导体(102)，一条连接到该补片导体的一第一点的馈电引线(106)，连接在该补片导体上一第二点和一接地平面之间的一条接地引线(108)，平行布置的接地平面在高度方向间离该补片导体，并与该补片导体共同延伸，以及一个具有第一值、连接在所述馈电引线和接地引线之间的分路的匹配电容装置，其特征在于，

一个链接导体(510)电气连接到该馈电引线和接地引线，以减少所述馈电引线和接地引线形成的传输线的电感；

使所述分路连接的匹配电容装置的值增加到第二值，以提供对所要天线响应进行更好补充的响应，从而提高所述天线装置的带宽。

2.如权利要求1的天线装置，其特征在于所述馈电引线(106)和接地引线(108)的截面积是不相同的。

3.如权利要求1的天线装置，其特征在于所述馈电引线(106)包括多个导体。

4.如权利要求1的天线装置，其特征在于所述接地引线(108)包括多个导体。

5.。如权利要求1的天线装置，其特征在于所述分路连接的匹配电容装置包括一个分立的电容器。

6.如权利要求1的天线装置，其特征在于所述补片导体包含在所述第一和第二点之间的一条槽。

7.一个无线电通信设备包括如权利要求1到6任一项的天线装置。