CN100385740C - 模块化双极化天线 - Google Patents

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Abstract

一种天线系统，该天线系统利用一对天线模块，各天线模块均具有天线和包含该天线的介质框架。在该天线模块对的框架之间设置一种互补相互啮合结构，以便把模块保持在一起，并把各天线对保持在预定的相关方位。辅助结构位于框架的外壁上，从而使壁和辅助结构能实现天线间的隔离阻挡的双功能。

Description

模块化双极化天线
技术领域
本发明一般涉及与无线通信设备一起使用的天线，特别涉及与这种其各模块的天线在不同方向发生极化的无线设备一起使用的模块化天线系统。
背景技术
计算机行业正在趋向于使用在个人计算机、膝上计算机、个人数字助理(“PDA”)家庭控制中心、计算机工作站、打印机、传真机等中使用的无线技术。以前，所有这些装置都涉及到使用用于使这些各种装置连接的专用电缆，以及经常使用专有协议的装置专用软件。为了有效地与所有这些个人电子装置进行通信，个人可能需要获得用于把装置互连在一起的许多不同电缆。然而，人们不能保证所有装置都能互连。
在1998年，一种被称为“Bluetooth(蓝牙)”的专题组由Intel(英特尔)、IBM、Nokia(诺基亚)、Ericsson(爱立信)和Toshiba(东芝)组成，以便制定短距离无线射频(“RF”)通信的全球规范。该规范于1999年公布，并将在今后有助于实现所有与制造商无关的各种装置间的互操作性，因此，蓝牙针对的是数据短距离交换技术。例如，它可用于使不同装置之间实现信息同步，也可不用电缆就能把因特网链接装置与因特网连接。有效使用蓝牙技术的关键是蓝牙无线电模块。这些模块依赖于用于有效进行RF信号的短距离无线收发的天线。另一种正在随着频率的不断增加而采用的无线技术是IEEE 802.11标准，该标准用于替代整个建筑物中的有线LAN(局域网)，从而可不用把电子装置与硬布线网络连接就能实现这些电子装置的操作。
在这些应用中可以使用常规RF天线，但这些天线需要使其结构设计成在用于蓝牙和802.11通信的高频带(2.4GHz)中操作。此外，诸如在蜂窝电话上使用的天线那样的常规天线较大，并从其使用所在的设备突出，而这是不期望有的。结果，该行业转向了在这些无线应用中使用的小尺寸(low profile)天线，这些小尺寸天线包括PIFA式(“平面倒F形天线”)天线。
典型PIFA天线包括平面辐射板，该平面辐射板位于接地板上方，平面辐射板和接地板通过短路板接合在一起。这种PIFA天线具有小尺寸外形、高效率和全向辐射方向图，特别适合于上述无线通信应用。然而，即使使用这些PIFA天线也可能会产生其自身的诸多问题。如果该天线未正确设置在电子部件内，则该天线可能会处在被称为“盲点”的位置，在该“盲点”位置，已发射信号与已反射信号进行组合，而已反射信号消除期望的已发射信号，该状态也被称为深衰落，即：已发射信号电平下降到可检测的电平以下。
一所房间或其他封闭环境可能会具有许多盲点，这取决于其配置以及无线装置在该环境中的设置。对用户来说，要考虑盲点的存在并把无线设备相应定位是有一定负担的。消除这种盲点的一条途径是利用多重天线，该多重天线由于空间分集或阵列方法而增加信号强度。然而，该解决方案具有其自身问题，即：各辐射单元经常相互耦合在一起。
本发明针对的是一种解决该“盲点”问题的方案，并针对的是一种克服上述缺点的天线。
发明内容
因此，本发明的一般目的是提供一种采用具有极化分集的多个单独天线以便对设备极化是未知的或者设备在环境中被去极化的情况加以克服的改进的模块化天线系统。
本发明的另一目的是提供一种可以容易在PC(个人计算机)、PDA、膝上计算机等中使用的具有小尺寸外形和小尺寸的改进的无线天线，该天线实质消除了在使用利用本发明的天线的装置时的深度衰落问题。
本发明的另一目的是提供一种与“蓝牙”或802.11技术一起使用的无线天线组件，其中，该天线组件包括不同极化方向的两个PIFA式天线，以便实质消除在电子装置操作环境中的盲点或深度衰落的问题。
本发明的又一目的是提供一对天线组件，各组件均在介质外壳中包括PIFA式内部外壳，该外壳可彼此相互啮合，以使各天线在不同方向定向，从而实现整个天线组件的双极化。
这些和其他目的是通过本发明的新颖性和独特结构来达到的。在本发明的一个主要方面，PIFA式天线是通过把导电板弯制成普通U形来形成的，其中，U形的两个腿分别用作天线的辐射元件和接地平面，该辐射元件和接地平面通过U形的基部来实现互连或短接。这些天线中的两个设置在该组件中，并且各自均被收容在其自己的介质外壳内，这些外壳采用一种方式来互连，使得各天线以不同方式发生极化。
在本发明的另一主要方面，两个天线外壳具有啮合装置，该啮合装置与天线外壳形成一体。在优选实施例中，该啮合装置采用在两个外壳的偏置侧(offset sides)形成的燕尾部件和槽的形式，以便当组装在一起时，使两个天线定向在两个不同方向。这些外壳还使两个天线彼此隔离，并用于包含各天线的适当平面，从而使天线彼此隔离。
在本发明的又一主要方面，各天线均包括T形辐射元件，并且辐射元件和接地平面都被开槽。这两个槽一般彼此对准并提供无连接器的结合区域，在该区域，同轴馈线的屏蔽编织和中心导体可以通过焊接、燃烧、熔接等装设到天线上。
在本发明中，提供了一种把两个天线外壳啮合在一起的天线组件。各外壳均采用介质材料形成并包括PIFA式天线。各天线均包括平面T形辐射元件，该辐射元件与平面接地板对准并位于该平面接地板的上面，该平面接地板配置成与辐射元件大体平行。这两个板通过短路板来连接，该短路板的宽度小于辐射元件和接地板的相应宽度。到天线的馈线是采用同轴电缆的形式来实现的，该同轴电缆的接地编织端接于接地板，而中心导体端接于辐射元件。该天线组件使各天线部件以不同方式定向，使得该各天线以不同方式发生极化。将这两个部件接合在一起，以使该天线组件的尺寸最小。
在本发明中，提供了一种双极化天线，该双极化天线包括：一对天线模块24，各天线模块24均包括平面倒F形天线元件10，每个天线元件10包括：第一导电板12；第二导电板14，其与第一导电板12彼此隔开，并与第一导电板12平行；第三导电板16，其在第一导电板12和第二导电板14之间延伸，并使第一导电板12和第二导电板14短路连接；以及同轴馈线56，其与所述第一导电板12和第二导电板14电气连接，每个天线模块24还包括介质外壳26，用于支撑其内部的所述天线元件10，其特征在于：包括多个侧壁32，42，36的每个介质外壳26，该多个侧壁32，34，36共同限定所述外壳26的模块内部空腔29，这些侧壁32中的一个包括延伸通过其并与模块内部空腔29连通的开口，通过该开口能插入所述天线元件10，这些侧壁的其他包括用于收容所述馈线56部分的第一通路；设置在所述每个天线模块24的外部的用于把所述天线模块24啮合在一起的啮合装置40，该啮合装置40设置在与所述开口邻接的所述外壳26的侧壁上；以及所述每个天线元件10均包括对置的第一端和第二端，所述第三导电板16设置于该第二端上，该天线元件10被以这样的方式收容在所述模块内部空腔29内，即以使得当所述的一对天线模块24接合在一起时所述天线元件第一端彼此偏置的方式，从而使各天线元件10的极化在不同方向定向，从而使两个天线元件10中的每个的辐射波方向图至少部分地重叠，以改善天线组件的接收。
通过以下详细说明并结合附图，将明白本发明的其他目的、特点和优点。
附图说明
通过参照以下说明并结合附图，可以更好地了解本发明及其目的和优点，在附图中，相同的参考编号表示图中的相同元件，在附图中：
图1是在本发明的天线组件中使用的倒F形天线(PIFA)的透视图；
图2是在用于彼此连接的位置的一对天线的透视图；
图3是从下侧所视的图2的天线模块的透视图；
图4是说明接合在一起的天线模块的透视图；
图5是与图3类似并且模块相互啮合的透视图；
图6是沿着图5的线6-6所取的断面图；
图7是在图6中看到的右边模块的断面，并示出了同轴电缆与模块的连接；以及
图8是示出天线模块当组装在一起时的辐射方向图的图。
具体实施方式
图1示出了在本发明中利用的平面倒F形天线元件，或：“PIFA”10。该天线元件10包括：平面第一导电板(下文中，也称作第一板、辐射板)12，其具有预选择的长度L1和宽度W1；以及第二导电板(下文中，也称作第二板、接地板)14，第一导电板12和第二导电板14通过第三导电板16互连在一起并彼此隔开，第三导电板(下文中，也称作第三板、短路板)16提供这两个板12、14之间的短接电路。如图1最佳所示，辐射板12具有T形结构，并且具有较宽顶部13，该“T形”的顶部13与“T形”的腿部15相比较宽，并定向成与“T形”的腿部15成横向或偏置。
第二板14具有用于定义该板的预选择表面积的预定长度和宽度尺寸L2、W2。在所示实施例中，第二板14的表面积大于第一板12，并且这两个板12、14优选地配置成彼此大体平行，这在PIFA中是典型的。在所示实施例中，第二板14一般比第一板长，并且互连用的第三板的宽度一般小于第一板12和第二板14的宽度W1、W2。应该理解，该平行配置仅是优选的，并且两个板至少可以设置在两个不同平面上。第二板14还通过折叠冲压、采用单块导电材料来形成整个天线元件，并将其沿着边缘折叠，或者通过折叠18a、18b(其可以与在19一样作部分开槽)来与短路板16连接，以便于弯曲这些板。
本发明的天线系统的各倒F形天线10实质彼此相同。各天线10的辐射板12优选地设有槽20，该槽20沿着辐射板12的前边缘20a，在与短路板16对置的位置(或在下文中将要描述的天线元件10的“前端”的位置)开口。该槽20在辐射元件的腿部15内沿长度方向延伸，并且优选的向其中心。接地板14具有比槽20大的类似槽22，该槽22开始于板14的对应边缘22a，而且也在接地板14的内部沿长度方向延伸。如下所述，这些槽一般彼此垂直对准并有助于把同轴馈线56端接于天线元件10。尽管在本文中采用结合PIFA式天线10的系统的天线模块对本发明的模块化天线系统进行说明，然而应该理解，本发明的系统可以适合与其他类型的天线一起使用。
图2和图3示出了本发明的把两个单独天线模块24接合在一起的天线“系统”或组件，如下所述，该两个天线模块24可相互啮合。各天线模块24均包括用于在内部支撑单个天线元件10的介质外壳或框架26。该介质外壳26可以设置为采用诸如塑料等那样的合适介质材料模制的整体结构。
如图所示，各天线模块24均具有略大于天线元件10的方形或矩形结构，以便容易在内部容纳天线元件。在此方面，各模块24均可以认为具有如图所示的外壳或框架状结构，该结构采用各种侧壁32、34、36，这些侧壁32、34、36一起限定天线元件10的具有中心空腔或内部空腔的外壳。该外壳具有：两个侧壁34，其设置成彼此邻接；以及第三侧壁36，其包括啮合装置，用于把两个对应天线模块装设和接合在一起。把这三个侧壁34、36互连的是壁32，该壁32具有开口33，通过该开口33，可以把天线元件10插入模块24的中心空腔29内。
各外壳26均具有开口顶部28(图2)和闭式底部30(图3)，并还可以包括与外壳26模制成一体的多个安装垫或块38，该多个安装垫或块38用于更方便地把模块安装到诸如膝上计算机或台式计算机那样的合适结构上或内。底表面或安装块38具有施加于其上的粘合层39，用于把模块固定到该结构上。
如上所述，两个天线模块24优选地设有用于彼此啮合或互锁的装置。最好如图3和图4所示，该啮合装置40可以包括燕尾式啮合装置，例如榫眼或沟道44、插入其内的凸榫、舌或其他类似突起部42。这两个模块的结构优选的是雌雄榫结构，使得两个天线模块24一旦组装就可以相互啮合在一起并可靠地保持在一起，但是也可考虑其他类型的啮合，例如插头和插座，以及任何其他类似的凸起和凹部配置。针对各天线元件10的极化，该啮合装置有助于使天线模块24彼此成近似直角地在优选方位定向。
该辅助装置40可以在框架装设壁36的外部部分之间采用舌槽或雌雄榫相互啮合结构的一般形式。如图2和图3所示，伸长舌42从左边模块的附属壁36突出，并且在右边天线模块24的对应的对置附属壁36内形成凹槽44。该凹槽的尺寸和形状被确定成用于收纳舌42。如图4和图5所示，燕尾舌42在箭头“A”的方向滑入凹槽44内，以便把两个天线模块24接合在一起。在优选实施例中，舌42和凹槽44在断面上具有相互啮合的燕尾结构，从而当模块相互啮合时，不会把模块在舌槽相互啮合结构的横向方向拉开。如图2所示，燕尾凹槽44的一端开口，并且凹槽的相对端44a闭合。
如图2和图4所示，T形的顶部13和腿部15采用彼此偏置的方式定向。这些天线中的各方的辐射方向图可以认为至少部分地以各天线的槽20为中心，并且这种组合的场方向图在图8中作了图示。每个T形辐射元件和馈电槽中的各方向用于影响各天线的辐射元件的极化。极化的方向发生在沿着各辐射板12的腿部15的长度方向，即：从槽20到T形的顶部13。长度D控制天线元件的工作频率，而宽度W控制天线元件的隔离。长度D越大，频率就越低，以及宽度W就越小，隔离就将越接近最小。在优选实施例中，长度D大于宽度W。因此，辐射方向图将相交，并提供比使用单个天线获得的方向图大的整体扩展辐射方向图。这由各天线的顶部13和腿部15的不同宽度来补充，这些不同宽度合作生成大于单个或恒定的宽度段的带宽。这种T形天线元件近似于蝴蝶结天线。
模块的开口可使天线容易滑入或导入其各模块24内。图6和图7优选地示出了主要通过一系列支撑壁50、52支撑在模块外壳26内的天线元件10。这些支撑壁50中的两个彼此隔开，并在天线的长度方向从天线元件10的“前部”延伸到“后部”。这些壁50在天线馈电槽20、22的侧面延伸，并由壁52封闭，以限定两个板12、14之间的通路66，并且该通路66可认为包围槽20、22。
该“后部”的位置在图6中用“RM”来表示，并且为了说明目的，天线元件10的“后部”即图6中的“RM”被认为是使第一板和第二板互连在一起的短路板的部分，而天线的“前部”即图6中的“F”被认为是设置在第一板和第二板的自由端。天线元件的馈电槽22优选地与该通路53对准，使得这些馈电槽22在通路53的长度方向延伸，并使得围绕槽22的天线元件部分有效形成通路66的顶壁和底壁。该通路66便于馈线56的安装和端接。
这些支撑壁50、52不仅用于支撑辐射板12，而且使第一板12和第二板14以规定的间隔保持彼此隔开。可以在图2和图4中设置作为接片55所示的一个或多个护圈，这些护圈彼此隔开并在支撑壁50的上方延伸，而且这些护圈用于把第一导电板的前边缘或自由边缘在模块外壳内保持就位，并在与其上部折线合作防止第一导电板垂直移动。这些护圈55可以在其面对开端的位置(如图2和图4的左模块中所示)或者其沿着与开端邻接的壁所在的位置(如图2和图4的左模块中所示)定向。
在天线模块的组装中，可以把天线元件插入各模块外壳的开端内，使得天线元件槽22与外壳内部通路66对准，从而使天线元件自由端由护圈保持就位。在该位置，同轴馈线56可以导入外壳通路66内。馈线56首先使其外绝缘层62剥离，以暴露其屏蔽编织63。而且使馈线56的中心导体58暴露，但使其绝缘层60在约等于或略小于用于使两个导电板14、14分开的距离D(图1)的距离内保持完好无损。然后，如图7所示，中心导体58可以端接于第一导电板12，并且屏蔽编织63可以端接于第二导电板14。这种类型的结构实现天线和馈线之间的无连接器的结合。
在本发明的另一重要方面，各天线均不仅具有彼此隔离的独立接地平面，而且具有通过各天线元件的短路板16形成的“固有”后屏蔽。该后屏蔽在使用天线的环境中实现与其他天线和任何周围元件的电气隔离，这有助于提供期望性能，而与系统内的天线的布置无关。在向天线元件10馈电所在的位置彼此对准，并且位于两个槽20、22的端部80附近(图1)。这样，各天线的馈电和接地被集成在单独的天线元件10内，从而无需把它们彼此隔开，以获得期望的天线元件的频率。
图8示出了本发明的使用外壳26的两个天线元件10的布局的效果。把两个外壳接合在一起，使得其上部辐射板2的各槽20彼此偏置，并且如果沿着槽在长度方向画虚线，则这些虚线将相交。各天线的两个辐射方向图用R1和R2来表示，并且这些辐射方向图可以认为是从各天线元件辐射板12的整个本体发射出的。在图8中，两个天线元件10在偏置方位安装在诸如所示的膝上计算机100那样的电子部件内。天线元件10设置在计算机100的基部部分101。天线元件10被定位成使其辐射板12成直角定向，以便将其他天线元件与该配置锁定，各天线元件均在不同方向分别发生极化。如图8所示，这导致天线元件(在图8的箭头方向在其对置两侧延伸)的两个辐射方向图R1、R2明显重叠，这样，如果电子部件位于壁的附近或者位于另一“盲点”内，即：使一个天线元件的辐射方向图压缩的“深度衰落”内，则其他天线元件的辐射方向图将不受到如此有害的影响。
应该理解，本发明可以在不背离其精神或中心特征的情况下，采用其他特定形式来实施。例如，模块或外壳可以采用所示的方形或矩形结构以外的不同形状。此外，可以通过介入介质部件把天线元件在其特定方位接合在一起。因此，本发明的例子和实施例在所有方面应认为是说明性而不是限制性的，并且本发明应不限于本文中给出的详情。

Claims (13)

1.一种双极化天线，该双极化天线包括：
一对天线模块(24)，各天线模块(24)均包括平面倒F形天线元件(10)，每个天线元件(10)包括：第一导电板(12)；第二导电板(14)，其与第一导电板(12)彼此隔开，并与第一导电板(12)平行；第三导电板(16)，其在第一导电板(12)和第二导电板(14)之间延伸，并使第一导电板(12)和第二导电板(14)短路连接；以及同轴馈线(56)，其与所述第一导电板(12)和第二导电板(14)电气连接，每个天线模块(24)还包括介质外壳(26)，用于支撑其内部的所述天线元件(10)，其特征在于：
包括多个侧壁(32，42，36)的每个介质外壳(26)，该多个侧壁(32，34，36)共同限定所述外壳(26)的模块内部空腔(29)，这些侧壁(32)中的一个包括延伸通过其并与模块内部空腔(29)连通的开口，通过该开口能插入所述天线元件(10)，这些侧壁的其他包括用于收容所述馈线(56)部分的第一通路；
设置在所述每个天线模块(24)的外部的用于把所述天线模块(24)啮合在一起的啮合装置(40)，该啮合装置(40)设置在与所述开口邻接的所述外壳(26)的侧壁上；以及
所述每个天线元件(10)均包括对置的第一端和第二端，所述第三导电板(16)设置于该第二端上，该天线元件(10)被以这样的方式收容在所述模块内部空腔(29)内，即以使得当所述的一对天线模块(24)接合在一起时所述天线元件第一端彼此偏置的方式，从而使各天线元件(10)的极化在不同方向定向，从而使两个天线元件(10)中的每个的辐射波方向图至少部分地重叠，以改善天线组件的接收。
2.根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述啮合装置(40)包括：突出的舌部件(42)，其位于所述一对天线模块(24)的一个上；以及凹槽部件(44)，其位于所述一对天线模块(24)中的另一个上，当所述一对天线模块(24)接合在一起时，舌部件(42)被收容在凹槽部件(44)内。
3.根据权利要求2所述的双极化天线，其中，所述舌部件和凹槽部件(42，44)与其各自的天线模块介质外壳(26)一体形成。
4.根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述各天线元件(10)的所述第一导电板(12)用作所述天线元件(10)的辐射器，并且所述各第二导电板(14)用作所述天线元件(10)的相应接地平面。
5.根据权利要求4所述的双极化天线，其中，所述第二导电板(14)的表面积大于所述第一导电板(12)的对应的表面积。
6.根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述第三导电板(16)使所述第一导电板(12)和第二导电板(14)沿着在该第一导电板(12)和第二导电板(14)与该第三导电板(16)之间的邻接对准边缘(18a，18b)互连，所述第三导电板(16)设置在与所述第一导电板(12)和第二导电板(14)相交的平面上。
7.根据权利要求1所述的双极化天线，其中，各天线元件(10)的所述第一导电板(12)和第二导电板(14)包括在内部形成的馈电槽(20，22)，该馈电槽(20，22)在所述第一导电板(12)和第二导电板(14)的长度方向延伸，并且所述馈线(56)与其各自天线模块(24)在所述馈电槽(20，22)连接。
8.根据权利要求7所述的双极化天线，其中，每个介质外壳(26)包括多个第一和第二支撑壁(50，52)，该多个第一和第二支撑壁(50，52)设置在所述天线模块内部空腔(29)内，并在所述第一导电板(12)和第二导电板(14)之间延伸，该第一和第二支撑壁(50，52)保持所述第一导电板(12)和第二导电板(14)之间的预定间隔。
9.根据权利要求8所述的双极化天线，其中，所述第一支撑壁(50)中的两个在所述馈电槽(20，22)的对置侧沿所述馈电槽延伸的方向延伸，并被第二支撑壁(52)所封闭以限定用于部分地包围所述馈电槽(20，22)部分的通路。
10.根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述每个天线模块(24)的所述各第三导电板(16)限定所述天线元件(10)的各自的后屏蔽，并当所述两个天线模块(24)啮合在一起时，将该后屏蔽定向成彼此横向。
11.根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述天线元件各第一导电板(12)是T形。
12.根据权利要求7所述的双极化天线，其中，所述天线元件各第一导电板(12)是T形，并且所述馈电槽(20，22)在所述T形内沿长度方向延伸。
13.根据权利要求7所述的双极化天线，其中，所述第一和第二天线的各馈电槽(20，22)开始于所述第一导电板(12)和第二导电板(14)的前边缘，并延伸到所述第一导电板和第二导电板的本体部内；天线模块(24)之一的天线元件(10)的所述第一导电板和第二导电板的前边缘和另一天线模块(24)的天线元件(10)的所述第一导电板和第二导电板的前边缘，被分别配置成在所述两个天线模块(24)彼此接合时与所述啮合装置(40)横向和平行。
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