CN100416914C - 平面天线结构和无线电设备 - Google Patents

Abstract

打算用于小型便携式无线电设备的平面天线结构以及使用按照本发明的天线结构的无线电设备。天线的辐射单元(340)是在无线电设备的外壳中的导电部件或是被附着到外壳的导电涂层。辐射单元由被连接到天线端口的平行平面馈电单元(330)进行电磁馈电以及位于在它与地平面(310)之间的辐射单元附近。在馈电单元与天线端口之间有馈电电路(320)，以便为天线提供匹配，以及如果必要的话，形成附加的工作频段。辐射单元不需要做成特定的形状来设置谐振频率或匹配天线。而是，它可以例如根据设备的想要的外貌相对较自由地被设计。而且，天线只需要设备中相对小的空间。

Description

平面天线结构和无线电设备

技术领域

本发明具体地涉及打算用于小型便携式无线电设备的平面天线结构。本发明还涉及具有按照本发明的天线的无线电设备。

背景技术

在便携式无线电设备中，具体地，在移动通信设备中，为了使用方便，天线优选地位于设备的外壳内。小型设备的内部天线通常是平面型天线，因为在这种情形下最容易得到具有满意的电特性的天线。平面天线包括辐射面和与其平行的地平面。图1显示具有馈电装置的已知的内部平面天线的例子。在该图上描绘了无线电设备的电路板101，该电路板具有导电的上表面。这个导电面用作为平面天线的地平面110。在电路板的一端有天线的辐射面130，该辐射面位于地平面的上方，由绝缘体框架150支撑。为了天线匹配，在辐射面的边缘靠近它的一个角处有一个把辐射面连接到地平面的短路导体121，和一个天线馈电导体122。这些导体在本例中是与辐射面具有同一个金属板，每个导体同时提供一个弹簧，当天线在使用时，这些导体通过弹簧的力被压在电路板101上。对于馈电导体122，有一个与地绝缘的通路，其连接到电路板的下表面上的天线端口。天线匹配是通过馈电导体和短路导体的适当的位置、辐射面的设计和潜在的附加元件而被提供的。天线可以通过由非导电的缝隙把辐射面分成不同的电长度(从短路点看)的两个分支而被安排成具有多个工作频段。

图1所示的结构的缺点在于，当试图得到非常小的设备时，在设备内由辐射面所需要的空间可能太大。原理上，如果辐射面被制作为设备的外壳的一部分，这个缺点是可以避免的。然而，这限制了辐射单元的结构，因此使得达到想要的电特性更困难。

在现有技术中，已知的天线结构包括由主辐射体馈电的面辐射体。图2显示这样的结构的例子。面辐射体230被附着到设备的外壳250的内表面上。结构还包括与面辐射体平行的电路板202，在电路板的图2上可看见的表面上，它是带形的天线馈电导体216，在电路板202的相反的面上，即在面向该面辐射体的表面上，有带有缝隙形的非导电区域220的导电面210。馈电线205的中心导体被连接到导电带216，以及被连接到导电面210的外套。因此被连接到信号地。通过为带有导电部件的电路板202选择适当的尺寸，天线被匹配。而且结构的尺寸被选择为使得缝隙220在工作频段上谐振，以及辐射能量到面辐射体230。当面辐射体又谐振时，它把射频能量辐射到周围环境。

如图2所示的天线例如被使用于某些移动网基站。可以想象到这样的天线也可应用于移动台。这样的结构的优点在于，不需要专门成形辐射体的形状，天线就可匹配。然而，比起图1所示的结构它很少或几乎没有节省空间。而且，这样的天线结构只工作在一个频段，这是一个缺点，

发明内容

本发明的目的是减小与现有技术有关的所述缺点。因此，本发明提供一种用于无线电设备的平面天线结构，具有至少一个工作频段并包括地平面、辐射单元、馈电单元、馈电电路和天线端口，其特征在于，

-辐射单元是与无线电设备的其他导电部件电绝缘的，

-在辐射单元与馈电单元之间有电磁耦合，用来把发送能量传送到辐射单元的区域，以及把接收的能量传送到馈电单元的区域，以及

-馈电电路是电抗性的，它把馈电单元中的天线馈电点连接到天线端口和地平面，以便把所述至少一个工作频段设置为频率轴上的所需范围和进行天线匹配。

本发明还提供无线电设备，其特征在于，包括上述平面天线结构。

本发明的基本概念为如下：天线的辐射单元是在无线电设备的外壳中的导电部件或附着到外壳的导电涂层。辐射单元由被连接到天线端口的平行平面馈电单元进行电磁馈电，且位于它与地平面之间的辐射单元附近。在馈电单元与天线端口之间，物理上在馈电单元与地平面之间，有馈电电路，通过该馈电电路天线进行匹配，以及如果必要的话，提供附加的工作频段。

本发明的优点是，辐射单元不需要被做成特定的形状，以提供谐振频率或天线匹配。而是，它可以例如根据设备的想要的外貌相对自由地被设计。本发明的另一个优点是天线只需要设备中相对小的空间。这是基于这样的事实，即辐射体离地平面的距离可以大大地小于在相应的PIFA中的距离。本发明的另一个优点是，当辐射单元位于设备的外壳中/上时，天线的辐射特性比起位于更里面的辐射体来说更好。本发明的再一个优点是，按照本发明的天线的制造成本是相对较低的。

附图说明

下面详细地描述本发明。在本说明中，将参考附图，其中

图1显示按照现有技术的平面天线结构的例子，

图2显示按照现有技术的平面天线结构的第二个例子，

图3显示按照本发明的平面天线结构的原理，

图4a，b显示按照本发明的平面天线结构的实施方案的例子，

图5显示按照本发明的平面天线结构的实施方案的第二个例子，

图6显示按照本发明的平面天线结构的实施方案的第三个例子。

具体实施方式

图3显示按照本发明的平面天线结构的原理。在图上，可以看到无线电设备的电路板301，电路板的导电的上表面用作信号地和用于天线的地平面310。在地平面上方，有平行的平面辐射单元340。在地平面与辐射单元之间，显然比起前者更接近于后者，有平面馈电单元330。它的尺寸是辐射单元的尺寸的一部分。在辐射单元与馈电单元之间只有电磁耦合。

图3所示的天线结构还包括馈电电路320，它把馈电单元330连接到无线电设备的天线端口。天线端口又与无线电设备的发射机与接收机相连接。馈电电路具有与信号地GND的电接触。在点FCN处天线馈电导体从馈电电路连到电路板301。连同馈电单元的设计，馈电电路提供天线的匹配和工作频段的形成；因此不需要为这些功能成形辐射体。辐射单元，馈电单元，馈电电路和地平面一起形成谐振器结构，其具有处在至少一个无线电系统的频段内的谐振频率。

图4a显示使用按照本发明的天线的无线电装置的简化的截面图。图上显示无线电设备的外壳460和直接或间接地固定到外壳的无线电设备的电路板401。辐射单元440的宽度近似与无线电设备的内部宽度相同，被放置靠在外壳460的内表面。在本例的情形下，内表面稍微弯曲，且辐射单元遵循它的轮廓。在辐射单元下，有馈电单元430。在它们之间有绝缘体层402。实际上，它可以是柔性的电路板，这些单元在电路板的另一个面上，且电路板被附着到无线电设备的外壳上。天线馈电电路位于被垂直地放置在馈电单元与电路板401之间的小的馈电电路板403上。按照图4a的布置节省空间，因为像图1所示的那样的辐射面不需要被与外壳分开地放置在设备的内部空间内。而且，因为相对较大的辐射体，在地平面与馈电单元之间的距离可以比起在相应的PI FA结构中在地平面与辐射面之间的距离多少更小一点。

图4b显示放大的馈电电路和它的紧接的周围的例子。馈电电路420包括接地导体421和天线馈电导体422，它们都是曲折的带形导体。曲折图案平行地位于馈电电路板403上。馈电导体422在它的下端被连接到天线端口AP，以及在它的上端在馈电点F处电连接到馈电单元430。接地导体421在它的下端被连接到地平面410和天线端口的一个端子。在它的上端，接地导体在所述曲折图案之间继续向下返回，最后扩展到小的导电片PAD，正好靠近由馈电导体形成的曲折图案的下端。这样，馈电导体422在中间点处被电磁耦合到接地导体，它由馈电导体“看”作在相反端接地的电感元件。当然，馈电电路可以以不同的方式进行设计。例如，接地导体也可以具有与馈电单元的电接触。在这种情形下，至少如果我们涉及到多频段天线，接地导体也不是通常的短路导体，因为它被安排成具有电抗和与馈电导体的耦合，以便提供工作频段和匹配。

上述的电路安排给予天线两个明显的分开的谐振和相应的工作频段，虽然辐射体440和馈电单元430都没有缝隙图案。较低的谐振频率可以安排成处在GSM900(全球移动通信系统)的频率范围，以及较高的谐振频率例如处在GSM1800的频率范围。

图5显示按照本发明的带有馈电电路的平面天线的第二个例子。可以看到与图4a类似的无线电设备的简化的截面图。与图4a所示的结构的差别在于，现在辐射单元540是无线电设备的外壳560的外表面上的导电层，而馈电单元530是外壳560的内表面上的导电层。因此，绝缘体外壳提供在所述的单元之间的电绝缘。在本例中，辐射单元的宽度等于整个无线电设备的宽度，甚至扩展一点到侧表面。这样的尺寸和在辐射体的顶部只有非常薄的绝缘体保护层的实际情况改进了辐射特性。辐射单元也可在制造阶段被嵌入在外壳内，在这种情形下，不需要特殊的保护层。馈电单元也可嵌入在外壳内。对于馈电电路，在这种情形下，也有小的电路板503位于馈电单元与地平面之间。这种布置与图4a之间的差别在于，馈电电路520现在包括分立元件。为了避免损耗，这些元件是纯电抗性的，即，线圈和电容器。

图6a，b显示按照本发明的平面天线的第三个例子。图6a显示无线电设备600，从后面看形状像普通的移动电话。在本例中，无线电设备的外壳的后部的上面部分640由导电材料制成，以及用作为辐射单元。它由铝例如通过挤压被制成。在辐射单元640的内表面上，有与薄绝缘体层分开的馈电单元630(以虚线表示)。

图6b显示从侧面看图6a的无线电设备。辐射单元640在它的边缘是弯曲的，也形成无线电设备的侧面和端面的一部分。它无间断地与无线电设备外壳的其余部分670相接合，所述其余部分由绝缘材料制成。辐射单元640的外表面自然地覆盖以薄的非导电性保护层。

在本申请中中，定语“下部”，“上部”，和“垂直”涉及到如图3，4a，4b，和5所示的设备的位置，它们与设备的工作位置无关。

上面描述了按照本发明的平面天线和它们的馈电布置。天线单元的形状自然可以不同于给出的那些形状。单元的数目也可以变化，因为寄生辐射体例如可以被加到天线上。本发明并不限制天线的制作方法。连接到绝缘体中间层或连接到无线电设备的外壳的表面单元可包含某些导电涂层，诸如铜或导电胶。它们也可包含通过超声焊接，锻压，粘结或胶带被附着的金属片或金属箔片。不同的单元可以具有不同的制作和附着方法。本发明概念可以在由本申请限定的范围内以不同的方式被应用。

Claims (13)

1. 一种用于无线电设备的平面天线结构，具有至少一个工作频段并包括地平面、辐射单元(340；440；540；640)、馈电单元(330；430；530；630)、馈电电路(320；420；520)和天线端口(AP)，其特征在于，

-辐射单元是与无线电设备的其他导电部件电绝缘的，

-在辐射单元与馈电单元之间有电磁耦合，用来把发送能量传送到辐射单元的区域，以及把接收的能量传送到馈电单元的区域，以及

-馈电电路是电抗性的，它把馈电单元中的天线馈电点(F)连接到天线端口和地平面，以便把所述至少一个工作频段设置为频率轴上的所需范围和进行天线匹配。

2. 按照权利要求1的平面天线结构，其特征在于，它包括在馈电单元(430；530)与地平面(410；510)之间的馈电电路板(403；503)。

3. 按照权利要求2的平面天线结构，其特征在于，为了提供两个分开的工作频段，在馈电电路板(403)中有：

馈电导体(422)，它把所述馈电点(F)电连接到天线端口(AP)；和

接地导体(421)，它把馈电导体在馈电导体的中间点处电磁连接到地平面。

4. 按照权利要求3的平面天线结构，其特征在于，馈电导体(422)与接地导体(421)是具有一定的电感的曲折带形导体。

5. 按照权利要求1的平面天线结构，其特征在于，辐射单元在安装时，在它的形状和位置方面，遵循无线电设备的外表面的轮廓。

6. 按照权利要求5的平面天线结构，其特征在于，辐射单元(640)是属于无线电设备的外壳的坚硬的导电片。

7. 按照权利要求6的平面天线结构，其特征在于，所述导电片是挤压成型片。

8. 按照权利要求1的平面天线结构，其特征在于，在地平面上方包括绝缘体层(402)，在所述绝缘体层的一个面上有辐射单元(440)，而在其相反的面上有馈电单元(430)。

9. 按照权利要求8的平面天线结构，其特征在于，在安装时，辐射单元在形状和位置方面跟随无线设备的外表面轮廓，由绝缘体层、辐射单元和馈电单元形成的板被安排成附着到无线电设备的非导电外壳(460)的内表面。

10. 按照权利要求5的平面天线结构，其特征在于，辐射单元(540)是在无线电设备的外壳(560)的外表面上的导电层，以及馈电单元(530)是在无线电设备的外壳的内表面上的导电层。

11. 按照权利要求5的平面天线结构，其特征在于，辐射单元和馈电单元的至少一个单元位于无线电设备的外壳内。

12. 按照权利要求1的平面天线结构，其特征在于，它还包括至少一个辐射寄生单元。

13. 无线电设备(600)，包括平面天线结构，其具有至少一个工作频段并包括地平面、辐射单元(640)、馈电单元(630)、馈电电路和天线端口，其特征在于，

-辐射单元是与无线电设备的其他导电部分电绝缘的，

-在辐射单元与馈电单元之间有电磁耦合，用来把发送能量传送到辐射单元的区域，以及把接收能量传送到馈电单元的区域，以及

-馈电电路是电抗性的，它把馈电单元中的天线馈电点(F)连接到天线端口和地平面，以便把所述至少一个工作频段设置为频率轴上的所需范围和进行天线匹配。

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