CN100468861C - 多频带无线电天线 - Google Patents

Abstract

一种用于无线电通信终端的多频带无线电天线装置，包括：一块扁平接地基板(2)，在与其平行的平面上的扁平寄生部件(7)，以及扁平天线部件(3)。所述天线部件含有纵向构件(4)、第一横向构件(5)和第二横向构件(6)。第一横向构件(5)从所述纵向构件的第一端头部分起延伸；第二横向构件(6)从所述纵向构件的中部起延伸；其中，所述寄生部件沿着邻近所述第二横向构件的外部且与其平行的方向延伸。馈电点(8)设置在第二横向构件的中部。寄生部件在邻近所述馈电点处设有第一接地连接部(9)；第二接地连接部(10)设在所述第二横向构件的端部；第三接地连接部(11)设在所述第一横向构件的中部。

Description

多频带无线电天线

发明领域

本发明通常涉及用于无线电通信终端的各类天线，尤其涉及为便于便携式终端在不同频带内工作而设计的装入其机内的宽频带小型内置天线。

技术背景

自二十世纪末以来，全球移动电话工业取得了巨大的发展。这种发展，最初是从按AMPS(高级移动电话系统)标准和NMT(北欧移动电话)标准确定的那类模拟系统开始，在最近数年期间几乎只集中在蜂窝式无线电网络系统例如D-AMPS(如EIA/TIA-IS-54B和IS-136中所规定的)和GSM(全球移动通信系统)的数字解决方案标准上。在不同的系统中采用不同的数字传输方案，例如：时分多址联接方式(TDMA)或码分多址联接方式(CDMA)。目前，蜂窝技术正进入所谓的第三代，与以上所提及的前者即第二代数字系统相比，具有几个优点。在这些优点中有带宽增加，可允许更复杂数据的有效通信。第三代移动系统，在欧洲被称为UMTS(通用移动技术系统)，在美国被称为CDMA2000，而在日本已实施到一定的程度。人们广泛地相信，采用低成本、携带舒适的口袋大小的无绳电话、可在家里、办公室、大街上和汽车里等通话和受话的第一代个人通信网(PCN)，将由例如采用下一代数字蜂窝系统设施的蜂窝载体(cellularcarrier)来提供。

蜂窝通信服务的一项进展包括采用附加频带来处理移动通信，例如，在个人通信服务(PCS)业务方面。以美国为例，蜂窝超频带(hyperband)被指定为二个频带(通常被称为A频带和B频带)，用来在800MHz频区传送和控制通信。另一方面，在1900MHz频区，美国规定PCS超频带应包括6个不同的频带(A、B、C、D、E和F)。因此，现有在美国任一指定的服务区均有8个频带来促进通信业务。PCS超频带的某些标准已得到批准(例如：PCS1900(J-STD-007))，而其它的蜂窝超频带的标准也得到批准(例如：D-AMPS(IS-136))。这些装置的其它工作频带包括GPS(全球定位系统)的1.5GHz工作频带和UMTS(通用移动技术系统)的2.0GHz工作频带。规定用于蜂窝超频带和PCS超频带的每一个频带被分配多个业务信道和至少一个选址或控制信道。该控制信道被用来通过向移动台发送和从移动台接收的信息来控制或管理移动台的工作。这样的信息包括：呼叫信号、呼出信号、寻呼信号、寻呼应答信号、位置登记信号、话音信道分配、维护指令、切换(hand-off)以及在移动台移出一个小区的无线电覆盖范围并进入另一个小区的无线电覆盖范围里时的小区选择或再选择指令。控制信道和话音信道可以采用模拟调制或数字调制模式运行。

基站经过业务信道和控制信道在下行链路中发送的信号，由移动终端或便携式终端接收，每一个终端至少有一根天线。历史上，便携式终端已采用了许多不同形式的天线通过大气界面接收和发送信号。例如：垂直于导电表面安装的单极天线被发现具有良好的辐射特性、理想的驱动点阻抗(drive point impedance)以及相当简单的结构。单极天线可做成各种物理形状，例如：棒状或拉杆天线时常与便携式终端一起应用。对于天线长度被最小化的高频应用来说，另外一种选择就是螺旋状天线。此外，移动终端的制造商不断地遇到终端越来越小的要求。这种对小型化的要求与对附加功能性的期望结合在一起，例如具有能够在不同的频带下和在不同的蜂窝系统中使用终端的能力这样的附加功能性。

商业上要求提供能在大范围的不同频带下工作的便携式终端，例如：位于1500MHz、1800MHz、1900MHz、2.0GHz、2.45GHz范围内的各个频带。因此，在便携式终端中需要采用能在多个上述的频带中产生足够的增益和带宽的天线。为实现这样的天线，人们已经作了多次尝试。

为了减少便携式无线电终端的大小，在过去的二、三年期间，已实施了内置天线。今天，一般的要求设置一根用户不可见的天线。而不同类型的带或不带寄生部件的连接板(patches)得到使用。目前，在移动通信中使用的最普通的内置天线是所谓的平面倒F型天线(PIFA)。由于该天线在外形上象一个倾斜90°的F字母，这个名称便被采用了。这样的天线需要一个馈电点以及一个接地点。如果附近有一个或几个寄生部件，这些寄生部件或者能被接地，或者与地通过介质隔离。传统的PIFA天线的几何结构包括：辐射部件及其馈电引脚和接地引脚，以及通常装配在印刷电路板(PCB)上的接地基片。馈电引脚和接地引脚均垂直于接地平面设置；辐射部件悬挂在接地平面的上方，使得辐射部件下方区域被接地平面覆盖。但是，通常这种形式的天线的频带宽度相当小，其数量级为100MHz。为了增加这种结构的天线的频带宽度，必需增加辐射部件与印刷电路板的接地平面之间的垂直距离，即增加辐射部件放置在印刷电路板之上的高度。解决这个问题的另一方法是，在天线和印刷电路板之间加入电介质成分，以使其电学距离比实际距离长。

Ying等人的美国专利(专利编号：US6,326,921)所公布的一种内置、低轮廓(low-profile)天线，设有平面倒F型天线(PIFA)和弯曲的寄生部件，具有利于在多个频带内进行通信的宽频带。主部件设置在通信装置基板上方的预定高度上，而寄生部件设在基板上方与主天线部件相同的高度上，并在其一端接地。平面倒F型天线(PIFA)的馈电引脚邻近寄生部件的接地引脚。弯曲的寄生部件与主天线耦合而产生两个谐振。为了实现更宽的谐振范围以包括DCS(数字蜂窝系统)、PCS(个人通信服务)和UMTS(通用移动技术系统)频带范围，调节这二个谐振以使它们相互邻近。

现在，移动通信的制造商广泛采用众所周知的内置天线概念。但是，这是一种非常新的概念，在要求更宽的频带容量时，这样的天线的性能依然是一个问题。因此，在开发频带足够宽的天线终端以覆盖诸如AMPS、EGSM(扩展的GSM)、DCS和PCS等的多个频带时，现有技术的天线设计依然是一个限定因素。内置天线的一个更一般的问题是，不仅其频带宽度小，而且增益特性曲线比传统的外置天线即某种短棒天线(stub antenna)差得多。

发明内容

因此，本发明的目的是，克服以上述的与现有技术有关的缺陷，更具体地说，就是提供适合于内置天线的天线结构，其频带宽，能使天线在多个频带上工作。

根据本发明的第一方面，上述目的可通过用于无线电通信终端的多频带无线电天线装置来实现。该多频带无线电天线装置包括：一个扁平接地基板，以及在与其平行平面上的扁平寄生部件和带有馈电点的扁平天线部件；其中，所述天线部件含有：第一纵向构件；从所述第一纵向构件的第一端部起延伸的第一横向构件；从所述第一纵向构件的中部起沿着与所述第一横向构件相同的方向延伸的第二横向构件；其中，所述寄生部件在邻近所述第二横向构件的外部沿着与其平行的方向延伸。

所述馈电点最好设在所述第二横向构件的中部。

在一个实施例中，寄生部件有一个设在邻近所述馈电点的第一接地连接部。

另外，第二接地连接部可设在与所述第一纵向构件相对的所述第二横向构件的端部。

在一个优选实施例中，还在所述第一横向构件的中部设有第三接地连接部。

所述天线部件最好设有第二纵向构件，从所述第二横向构件的所述端部起，朝着离开所述第一横向构件的方向延伸。

在一实施例中，所述天线部件设有第三横向构件，从与所述第二横向构件相对的所述第二纵向构件的端部起，朝着所述第一纵向构件的方向延伸。

所述天线部件最好设有第四横向构件，在所述第二和所述第三横向构件之间从所述第一纵向构件起延伸。

在一个优选实施例中，所述馈电点设置在第二横向构件的中部的凸出构件上，朝第一横向构件方向突出。所述凸出构件最好朝着所述第一横向构件斜切。在本实施例的一个优良变型中，所述寄生部件设有一个弯脚构件，平行于凸出构件的背向所述第一纵向构件的斜切边延伸。

在一实施例中，所述第一横向构件的(从所述中部起延伸的)外侧部分具有一个面对所述第二横向构件的边缘，所述边缘以某个角度朝着所述第二横向构件延伸，使所述第一横向构件朝着其外端变宽。

在一优选实施例中，所述寄生部件设有一个接地连接部，而天线部件设有二个接地连接部。

所述接地平面的纵向长度最好为被选小区波长的三分之一。

根据本发明的第二方面，本发明的目的通过一种无线电通信终端来实现，所述无线电通信终端包括以上任一项权利要求所述的多频带无线电天线装置。

对与上述各方面有关的各实施例的具体特点将作详细的描述。

附图的简要描述

以下参照附图对各优选实施例进行说明，本发明的各种特点和优点将更加明确。附图中：

图1是本发明一实施例的多频带无线电天线示意图。

图2是图1所示多频带无线电天线配置的全图。

图3是包括图2所示天线配置的无线电通信终端的侧视剖面图。

图4是图3所示终端的正视图。

图5是本发明的天线设计在自由空间工作时电压驻波比(VSWR)特性曲线图。

最佳实施例的详细描述

以下描述中所说的无线电终端，是指一种在其中实现本发明的无线电天线设计的装置。无线电终端这个名称包括所有为与无线电台进行无线电通信而设计的移动设备，而无线电台可以是移动终端，或者是例如静止的基站。因此，无线电终端这个名称应包括移动电话、寻呼机、通话装置、电子组织器(electronic organiser)、灵巧电话(smartphone)、PDA(个人数字助手)、车载无线电通信装置或类似的装置，以及为例如WLAN(无线局域网)中无线电通信而设计的便携式笔记本电脑。此外，由于这样的天线适合于但并不限于移动应用，“无线电终端”这一用词还应被理解为包括任何为无线电通信而配置的静止装置，例如：为相互之间或与其它无线电台进行无线电通信而设计的台式计算机、打印机、传真机等等。因此，虽然本文通过举例，主要在移动电话中实现本发明天线设计方面，描述其结构和特性，但是，这不能解释成：排除在例如以上所列其它形式的无线电终端中实现本发明的天线设计。而且，必须强调的是，“包括”(comprising或comprises)这一用词，在本描述和附加的权利要求中用来表示包含已包括的零件、部件或步骤，但是决不能解释成排除以上明确表达之外的其它零件、部件或步骤的存在。

几个较大的移动电话制造商(如爱立信公司和诺基亚公司)已开发出蜂窝通信网络用的移动电话，并且实现了可双频带和三频带工作的内置天线。所谓内置天线指的是放置在不带凸出部件的移动电话机壳或底板之内或与其邻近的天线。以上已简要讨论了平面倒F型天线的原理。虽然所述天线装置可以用不同方式实现，但是，可由以下特点基本上加以确定：

——双频带或三频带容量；

——连接板与印刷电路板(PCB)即接地平面平行；

——天线与PCB之间为空气或某些电介质材料；

——尺寸(长*宽*高)约为40*18*8mm；

——天线与印刷电路板(PCB)的间距(H)对于良好的电压驻波比(VSWR)和增益很关键，该二个平面间的间距为7-10mm；

——天线需要馈电点和接地连接部，通常馈电点和接地连接部各一个。

本发明所提供的一种天线设计，具有复杂的图形和三个接地连接部。已做了计算机模拟，结果惊人地好。这些模拟是采用Zeland公司出售的IE3D型工具进行的。该工具用Moment Method作为数学解算装置。如图5所示，所取得的模拟结果与例的天线设计样品的测量值相关得很好，以下将作进一步说明。

本文将参照附图描述一种天线概念或设计。所述天线概念包括天线结构、天线与地之间的关系以及它在无线电终端中的实现。

图1示出了本发明的一个天线装置1的示意图。所述天线装置1包括天线部件3、寄生部件7和接地平面即基板2。如该图下方的断开线所示，图1所示的仅是接地平面2的切出部分。接地平面2的实际长度，即图1的高度最好约等于多频带天线3所调谐的较低频带波长的三分之一。在一个例子中，所述较低频带为900MHz，而此时接地平面的长度经设计约为11cm。接地平面2的长度达到较低频带波长的三分之一的实现方式构成本发明的优选实施例，但必须指出其它长度的接地平面也可采用。

在图1所示的最佳实施例中，天线3具有相当复杂的结构。对于这种结构进行的测量显示了极好的结果。所述结构有许多基本上沿着纵向、或沿着与所述纵向垂直的横向延伸的天线部件构成。所谓的纵向这里是指接地平面2延伸的方向，即图1中的垂直方向；而横向则从左向右或相反方向地延伸。天线包括一个完整的天线部件3和寄生部件7，寄生部件7与天线部件3电气上分离。如该图所示，天线部件包括第一纵向构件4，所述构件沿着接地平面2的一部分边缘在纵向延伸。在第一纵向构件4的第一端头，即图中的顶端，第一横向构件5沿着接地平面2的顶端边缘在垂直于第一纵向构件的方向延伸。第一横向构件有一个直的上边缘和一个下边缘，在开始段下边缘平行于上边缘，从第一横向构件的中部起，下边缘开始向下稍微斜倾。这样，从中部到第一纵向构件4对面的端部，第一横向构件5变宽。从第一纵向构件4的中部起，第二横向构件6同样沿着垂直于第一纵向构件4的方向延伸，因而基本上与第一横向构件5平行。寄生部件7邻近第二横向构件6的外侧部分，基本上沿着与所述第二横向构件6平行的方向延伸。在第二横向构件6的中部，形成一个向第一横向构件5凸出的凸出构件15，其边缘斜倾，但其平直的端头垂直于第一横向构件4。如所述的那样，寄生部件7基本上沿着垂直于第一纵向构件4方向延伸，而且还包括一个弯脚构件16。所述弯脚构件16沿着与所述第一横向构件成一定角度并与凸出构件15的邻近边缘平行的方向延伸。弯脚构件16大约在与凸出构件15相同的纵向位置终止。但是，其顶部边缘最好朝着离开第一纵向构件4的方向稍微下斜。

本发明天线装置的结构有一个馈电点8和三个接地连接部9、10和11。馈电点8连接到凸出构件15的顶端边缘上，在图中用双线表示。天线装置的第一接地连接部9设置在寄生部件7的弯脚构件16的顶端边缘，因而邻近馈电点8。同样，在图中第一接地点即连接部9用双线表示。第二接地点即连接部10设在天线第二横向构件6的最外端，与寄生部件7上与所述第一接地连接部相对的第二端头相邻。第三接地连接部11设在第一横向构件5的中部所述构件开始变宽的位置上。同样，第二、第三接地连接部用双线表示。

如图所示，第二纵向构件12从第二横向构件端部起，沿着离开第一横向构件5向下的方向延伸。第二纵向构件12比第一纵向构件4宽得多，但要短得多。在第二纵向构件12的下端，第三横向构件13朝着第一纵向构件4的方向延伸，其端部与第一纵向构件4之间只留下一条很小的缝隙。最后，在第二横向构件6和第三横向构件13之间，第四横向构件14从第一纵向构件4起延伸。第四横向14构件靠近第三横向构件13，比第三横向构件13要细得多。

根据现有技术，当二个相互靠近的部分宽度相差较大时，通常会形成多谐振，产生宽频性能。对于图1所示的实施例的结构，多谐振可以分别在寄生部件7与第二横向构件6之间和第三横向构件13和第四横向构件14之间形成。这种结构的测试已显示，在多个频带范围内具有非常良好匹配的宽频带性能。这种包括天线部件3和寄生部件7的天线结构的尺寸约为：宽38mm、长37mm。这种结构的天线最好放在接地平面上方约8mm的高度上。这种天线结构本身非常薄，举例说，可以用柔性薄膜制造。

图2是本发明实施例的天线装置的示意图，示出了接地平面2的全高。

图3所示的是蜂窝移动电话的实施例中无线电通信终端30的侧视剖面图，所述蜂窝移动电话是为多频无线电通信而设计的。所述终端30包括带有PCB 31的底板，PCB 31在终端30中纵向延伸。底板上搭载有终端的功能件32，包括用户接口和电子线路，但图中没有进一步示出。在该终端上还连接有可拆卸式的电池33。在该图的上部还示出了天线3，天线3与PCB 31隔开。扁平接地基板2最好作为PCB 31中的一层导电层来设计，导电层既可以在印刷电路板的外表面，也可以在中间层。除了馈电点8之外，图中还图示了与PCB 31相接的三个接地连接部9、10和11。终端装入机壳34内，虽然例如电池33和用户接口最好不装在机壳34内。

图4是图3所示终端30的正视图，该正面视图就是图3中朝向左侧的面。除了图3所示部件之外，终端30还包括显示器35形式的用户输出接口(可能也作为输入接口)。还包括键盘36形式的输入接口。所述终端还包括用户声频输入(其形式为话筒37)和用户声频输出(其形式为扬声器39或者为图中未显示的与耳机相连的连接器)。本发明的天线为内置式，因此，图4中未能清楚示出。

图5是图1所示天线样品在自由空间工作所测的VSWR特性曲线50和史密斯图。指标1至4对应于880MHz、960MHz、1710MHz和1990MHz，即EGSM、DCS和PCS的频带边缘。正如该图所示，每个频带的范围是非常大的，尤其是全球通信系统(GSM)。对于覆盖高级移动电话系统(AMPS)也是没有问题的。在这些频带中，VSWR 50都小于4.0，而DCS和PCS的VSWR 50都小于2.2。根据史密斯图，所述天线通常稍具电感性。

以上已描述了本发明的原理、最佳实施例和工作方式，但是，这不应解释为本发明的范围仅限于上面讨论的实施例。例如：尽管对本发明天线作为一种发射装置作了初步的讨论，但是，本领域技术人员应知道，本发明的天线可用作在特定频率下接收信息的传感器。同样，各个部件的尺寸可以根据具体应用而变化。因此，上述各实施例应被看作是解释性的而不是限制性的，不难明白，本领域技术人员可对这些实施例作各种变形而不偏离后续的权利要求所规定的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种用于无线电通信终端的多频带无线电天线装置(1)，包括:扁平接地基板(2)，在与所述接地基板平行的平面上的具有一接地连接部(9)的扁平寄生部件(7)，以及扁平天线部件(3)，所述扁平天线部件(3)具有一馈电点(8)和接地连接部(10、11)，其中:所述天线部件含有第一纵向构件(4)、第一横向构件(5)和第二横向构件(6)，所述第一横向构件(5)从所述第一纵向构件的第一端部延伸，所述第二横向构件(6)从所述第一纵向构件沿着与所述第一横向构件相同的方向延伸；其中，所述寄生部件平行于所述第二横向构件延伸；其特征在于:

所述第二横向构件(6)从所述第一纵向构件的中部起延伸；所述寄生部件(7)在所述第一和第二横向构件之间、从第二横向构件(6)的中部起沿着并接近所述第二横向构件(6)的外侧部分延伸，其中所述外侧部分与所述第一横向构件(5)相对；其中，所述馈电点(8)设在所述第二横向构件(6)的中部，天线部件的第一接地连接部(10)设在第二横向构件(6)的与所述第一纵向构件相对的端部，天线部件的第二接地连接部(11)设在所述第一横向构件(5)的中部。

2.根据权利要求1所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:所述寄生部件具有设在所述馈电点附近的第一接地连接部(9)。

3.根据权利要求1所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:所述天线部件有一个第二纵向构件(12)，从所述第二横向构件的所述端部起，向着离开所述第一横向构件的方向延伸。

4.根据权利要求3所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:所述天线部件有一个第三横向构件(13)，从所述第二纵向构件的与所述第二横向构件相对的端部起，向着所述第一纵向构件延伸。

5.根据权利要求4所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:所述天线部件有一个第四横向构件(14)，在所述第二横向构件和所述第三横向构件之间从所述第一纵向构件起延伸。

6.根据权利要求1所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:所述馈电点设在于所述第二横向构件的中部向第一横向构件凸出的凸出构件(15)上。

7.根据权利要求6所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:所述凸出构件向着所述第一横向构件的方向斜切。

8.根据权利要求7所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:所述寄生部件有一弯脚构件(16)，平行于凸出构件的背向所述第一纵向构件的斜切边而延伸。

9.根据前面任一权利要求所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:从所述第一横向构件的所述中部延伸的所述外侧部分具有一个面向所述第二横向构件的边缘，所述边缘沿着与所述第二横向构件成一角度的方向延伸，如此，所述第一横向构件向着其外端而变宽。

10.根据前面任一权利要求所述的多频带无线电天线装置，其特征在于:所述扁平接地基板(2)的纵向长度为被选小区波长的三分之一。

11.一种包括前面任一权利要求所述的多频带无线电天线装置的无线电通信终端(30)。

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