CN100570950C - 用于无线设备的窄板嵌入式天线结构 - Google Patents

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CN100570950C CNB2005100775345A CN200510077534A CN100570950C CN 100570950 C CN100570950 C CN 100570950C CN B2005100775345 A CNB2005100775345 A CN B2005100775345A CN 200510077534 A CN200510077534 A CN 200510077534A CN 100570950 C CN100570950 C CN 100570950C
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Abstract

本发明提供了一种用于诸如膝上型计算机的计算设备中的窄板、紧凑嵌入式天线设计，其能够容易地集成在具有有限空间的计算设备内，同时提供期望工作带宽之上的适当天线特性(例如，阻抗匹配和辐射效率)。使用开槽接地平面设计和/或双重天线馈送模式来实现具有缩小的天线尺寸(例如，天线高度)和增加的可工作带宽(例如，宽带阻抗匹配)的紧凑天线设计。

Description

用于无线设备的窄板嵌入式天线结构
技术领域
本发明一般涉及用于诸如膝上型计算机的计算设备，以实现无线连接和通信的嵌入式天线设计。更具体地，本发明涉及能够容易集成在具有有限空间的无线设备中，同时提供在宽的工作带宽之上的诸如阻抗匹配和辐射效率的适当天线特性和性能的窄板式(low-profile)、紧凑的嵌入式天线设计。
背景技术
可通过向诸如WPAN(无线个人区域网)、WLAN(无线局域网)、WWAN(无线广域网)及蜂窝网络的无线网络/系统中的无线设备配备天线，来实现无线设备之间的无线连接和通信。例如，WLAN可在已知的“蓝牙”标准之下操作，以提供诸如便携式膝上型计算机、服务器、打印机、键盘、调制解调器等设备之间的无线网络连接，其中这些设备包括通过射频(RF)通信发送和接收数据的天线。
一般地，无线设备可被设计为具有布置在这种无线设备的外壳外部或嵌入在其内的天线。例如，某些便携式膝上型计算机被设计为具有位于这种计算机的显示器顶部的外部天线，或具有位于PC卡上的外部天线。但是，存在与外部天线设计相关的一些缺点，包括，例如高制造成本和天线易损坏性、以及由于外部天线导致的设备的不利外观。对于其他便携式膝上型计算机设计，天线被嵌入在这种计算机的显示器之内。
一般地，用于无线设备的嵌入式天线设计提供较外部天线设计的优点，包括，例如这种设备的更好外观及天线意外损坏的更小可能性。但是，当天线嵌入在具有有限空间和有损环境的计算设备的外壳内部时，天线性能会受到不利影响。例如，嵌入在膝上型计算机的显示器中的天线会受到来自周围诸如金属显示板罩、显示板(display panel)框架等的金属部件或其他有损材料的干扰，但可通过将显示器内的嵌入式天线放置/朝向为远离这种金属/有损部件来避免这种干扰。但是，由于计算设备被制造得更小，具有越来越有限的空间，所以必须以更紧凑的结构和外型来设计嵌入式天线，这是很成问题的。确实，对于给定的工作带宽和天线设计，随着天线制造得越小，该带宽内的天线性能也越低。
发明内容
这里所描述的本发明的示例性实施例包括用于诸如膝上型计算机的计算设备以实现无线连接和通信的嵌入式天线设计。更具体地，本发明的示例性实施例包括能够容易集成在具有有限空间的计算设备中，同时在期望的工作带宽之上提供适当的天线特性(例如，阻抗匹配和辐射效率)的窄板、紧凑嵌入式天线设计。一般地，本发明的示例性实施例包括用于使用开槽接地平面设计和/或双重天线馈送模式缩小天线尺寸(例如，天线高度)并增加紧凑天线的可工作带宽(例如，宽带阻抗匹配)的方法。
例如，根据本发明示例性实施例的窄板天线包括平面型辐射元件和接地元件，该接地元件包括与平面型辐射元件共面的平面型接地元件。平面型辐射元件包括被隔开并邻近于平面型接地元件的第一边缘的第一边缘。平面型接地元件包括沿该平面型接地元件邻近于平面型辐射元件的第一边缘的第一边缘的一部分形成的开槽区域。
构图开槽区域以最小化或消除由辐射元件在邻近于辐射元件的接地元件上所感生的异相电流，这使得对于给定工作带宽在平面型接地元件之上的平面型辐射器的高度极大地降低，同时保持该给定工作带宽之内的辐射效率和阻抗匹配。换句话说，通过对接地平面进行开槽或挖槽，对靠近辐射器的接地平面上感生的电流进行控制，以而获得高辐射效率。
根据本发明的示例性实施例，使用高度降低方法和阻抗匹配技术来设计窄板INF(倒F)类型和UWB(超宽带)类型天线。例如，提供了根据本发明示例性实施例的工作于2.45GHz ISM频带内的具有开槽接地平面的窄板倒F(INF)天线，其使得天线高度降低到具有未开槽接地平面的窄板INF天线的高度的1/2，同时保持良好的天线特性。
此外，提供了根据本发明示例性实施例的工作于无线3.1GHz-10.6GHz UWB频带内的具有开槽接地平面的窄板UWB平面型单极天线，其使得天线高度降低到大约6mm或更少，且厚度为0.5mm，这大大小于具有未开槽接地平面的传统UWB设计，同时保持了良好的天线特性。在本发明的其他示例性实施例中，利用双重馈送模式设计了窄板UWB天线，以改进宽工作带宽之上的阻抗匹配。
从下面结合附图对示例性实施例的详细描述，本发明的这些及其他示例性实施例、特征和优点将被描述或将变得显而易见。
附图说明
图1A是具有可被实现为具有根据本发明示例性实施例的嵌入式天线的显示器的膝上型计算机的示意性透视图；
图1B是图示图1A的显示器中根据本发明示例性实施例的嵌入式天线的位置和方向的该显示器的示意性侧视图；
图2是图示根据本发明示例性实施例的窄板天线的示意图；
图3A-3B示意性图示根据本发明示例性实施例的具有类似于图2的用于在2.45GHz ISM频带中工作的构架的窄板天线的尺寸；
图4A和4B是分别示出具有未开槽接地平面的窄板INF天线和根据本发明实施例的具有开槽接地平面的窄板INF天线的电流分布的示意图，这些天线被设计为工作在相同共振频率(工作于相同频带，2.45GHz ISM频带)；
图5A-5I示出根据本发明示例性实施例的用于在接地平面上形成槽图形以实现天线高度降低的各种方法；
图6是示出根据本发明另一示例性实施例的窄板天线的示意图；
图7A-7B示意性示出根据本发明示例性实施例的具有类似于图6的构架的用于从3.1GHz到10.6GHz的宽带工作的窄板天线的尺寸；
图8示意性示出根据本发明示例性实施例的实现于膝上型计算机中的窄板UWB天线的原型实现；
图9示出根据本发明其他示例性实施例的窄板UWB天线；
图10图示出具有图3A-3B的构架的原型窄板天线的测量出的SWR；
图11图示出具有图3A-3B的构架的原型窄板天线的测量出的辐射图形；
图12图示出具有图7A-7B的构架的原型窄板天线在2-12GHz之上测量出的SWR；
图13图示出具有图7A-7B的构架的原型窄板天线在频率3、7和10.5GHz的测量出的辐射图形；
图14A和14B是示出具有图7A-7B的构架的原型窄板天线在3-10.5GHz带宽之上的平均增益和峰值增益测量的表。
具体实施方式
一般地，本发明的示例性实施例包括用于计算设备以实现无线连接和通信的紧凑嵌入式天线设计。为了说明的目的，下面将针对窄板嵌入式天线设计和用于将窄板天线嵌入在便携式膝上型计算机(例如，IBMThinkPad计算机)的显示器内的方法，详细描述本发明的示例性实施例，但这里的描述不应被认为是限制本发明的范围。
图1A和1B示意性示出根据本发明示例性实施例的用于将天线嵌入在便携式膝上型计算机的显示器内的方法。具体地，图1A是具有显示器(11)的膝上型计算机(10)的示意性透视图。显示器(11)包括显示板罩(11a)显示板(11b)及将显示板(11b)牢固支撑在罩(11a)上的金属铰接杆(未示出)。例如，在IBM ThinkPad膝上型计算机中，铰接杆布置在显示板的左右两侧，且这种铰接杆的下端固定在底部单元中。显示板罩(11a)可用金属、复合或塑料材料来制造。根据膝上型计算机设计，可为了电磁屏蔽的目的，在显示板(11b)的背面布置屏蔽板。根据本发明的示例性实施例，可将窄板嵌入式天线布置在显示器(11)内显示板罩(11a)与显示板(11b)之间空间/间隙中的各一般位置(12)、(13)、(14)和/或(15)中的一个或多个中，如下面将要详细描述的那样。可将嵌入式天线布置在显示器(11)的左右边缘位置(12)和(15)，以减少显示器在某些方向上引起的阻挡，并向无线通信系统提供空间分集，或可将一个天线布置在侧边缘位置(12)或(15)，而将第二个天线布置在显示器(11)的上边缘位置(13)或(14)，以提供(依赖于所使用的天线设计的)天线极化分集。
图1B示意性示出根据本发明示例性实施例的用于将天线嵌入在膝上型计算机的显示器内的方法。具体地，图1B是沿图1A中所示的显示器(11)的线1B-1B的示意性侧视图，其中显示板罩(11a)被示为具有侧壁厚度TC，显示板(11b)被示为具有侧壁厚度TD。图1B的示例性实施例进一步示出具有辐射元件(R)和接地元件(G)，其中辐射元件(R)和接地元件(G)是共面的金属条(例如，模压元件)。在图1A的示例性实施例中，天线(16)是形式为具有INF辐射元件(R)和馈送接头(F)的倒F(INF)天线的窄板接地单极天线，但该天线可以是例如可以根据本发明的示教设计出的任何类型的天线。天线(16)可以安装在显示板罩(11a)和显示板(11b)之间的任何期望的位置/方向，从而天线(16)的平面基本上相对于显示板(11b)的平面垂直(或稍微倾斜)。
根据本发明的示例性实施例，考虑膝上型计算机的显示器中的空间限制和有损环境，而设计出用于集成在显示器内的窄板嵌入式天线，从而提供高性能、紧凑的天线设计。实际上，嵌入式天线在诸如显示板、金属显示板罩、或金属显示器框架的有损半导体/导体材料的附近会严重降低天线的辐射效率。根据本发明的示例性实施例，如图1B中所示的一种用于获得可接受的天线性能的方法在于这样布置天线(16)，以使辐射器部分(R)位于显示板(11b)的前表面之上(或超出该表面)高度HR处。在当前膝上型计算机设计中，显示板罩(11a)的侧壁厚度Tc是12mm左右或更小，而显示板(11b)的厚度TD是5mm左右。这样，天线辐射器高度HR被限制为小于7mm左右或更小。
由于膝上型计算机的显示器被设计为具有更薄外形和更小空间，所以嵌入式天线必须减小尺寸，例如减小高度HR。但是，由于用于给定工作带宽的天线设计体积上被制造得更小，更小的尺寸导致在期望带宽内的差的阻抗匹配和低的辐射效率。原则上，来自辐射器(R)的辐射将被来自接地平面(G)上的感生异相电流的辐射所抵销。例如，使用图1B中所示的窄板INF天线时，优选具有工作波长的0.04倍的天线高度。例如，对于2.45GHz ISM频带处的工作，优选地，天线高度HR为5mm＝5/122＝0.44倍的工作波长。进一步降低天线(16)的高度，例如从5mm到其一半，即2.5mm或工作波长的0.02倍，导致天线匹配的太高输入阻抗，及有效辐射的太低辐射效率。可使用下面描述的方法来修改图1B中所示的示例性窄板INF天线(16)结构，以实现辐射器高度HR的减少，同时保持所期望的天线性能。
图2是根据本发明示例性实施例的窄板天线的透视图。更具体地，图2示意性示出根据本发明示例性实施例的具有开槽接地平面的窄板倒F(INF)天线(20)。一般地，天线(20)包括接地元件(21)(或接地)和辐射元件(22)(或辐射器)。接地元件(21)包括第一(水平)接地元件(21a)和第二(垂直)接地元件(21b)。优选地，使用具有高传导性的金属薄片来构成接地元件(21)。在图2的示例性实施例中，辐射器(22)包括在基片(23)的一侧上印刷的或以其他方式形成的倒F(INF)元件。辐射器(22)(INF元件)包括水平臂(22a)部分，及尾端(垂直)部分(22b)和馈送接头(22c)。辐射器(22)通过垂直尾端部分(22b)与第二接地元件(21b)连接。馈送接头(22c)为诸如同轴电缆的外部馈送线路提供了连接点，如下面参照图3A显示和讨论的那样。
如图2的示例性实施例中进一步示出的，在第二接地元件(21b)邻近于辐射元件(22)的水平臂(22a)的部分中构图了多个狭窄、开口的槽(24)(或凹槽)。如下面详细解释的，槽(24)提供了用于修改在辐射器(22)附近的接地平面(21)上感生的电流(或改变其电流分布)的机制，以实现天线高度(H1)的相当大降低，同时保持高辐射效率和宽阻抗带宽。换句话说，根据辐射机制，可通过对接地平面(21)开槽或开凹槽，对在接地平面上感生的电流进行控制，以优化天线辐射效率和带宽。
示例性天线(20)可嵌入在诸如图1A和1B中所示的膝上型计算机的显示器内，其中辐射器(22)延伸于显示板的表面之上。因为显示板(11b)是非常致损耗的，所以优选地，垂直接地元件(21b)具有与显示板(11b)相同的高度(V1)，以便将辐射器(22)布置于有损显示板之上，以获得高的辐射效率。但是，垂直接地元件(21b)并不直接连接诸如显示器的金属罩的侧壁或铰接杆的金属部件，以防止形成于垂直接地元件(21b)中的槽的短路。第一(水平)接地元件(21a)可直接与诸如显示板(11b)的支撑杆或与金属显示板罩(11a)的金属部件连接。此外，在另一个示例性实施例中，第一(水平)接地元件(21a)可与显示板(11b)背面的RF屏蔽箔连接。
在一个实施例中，第二接地元件(21b)与辐射器(22)一起印刷/形成于基片(23)上，从而垂直接地元件(21b)和辐射器(22)共面。在其他天线实施例中，辐射元件与接地元件的有凹槽/开槽部分是非共面的。但是，当垂直接地平面接近于辐射器的水平底部时，可容易实现阻抗匹配。特别地，使用接近于主辐射器底部的垂直接地平面产生更稳定的阻抗匹配，即较少受天线所安装其中的环境的影响。
图4A和4B是分别示出具有未开槽接地平面的传统INF天线和根据本发明实施例的具有开槽接地平面的窄板INF天线的电流分布示意图，这些天线被设计为工作于相同共振频率(例如，工作于相同频带，2.45GHzISM频带)。更具体地，图4A示出具有未开槽接地平面的窄板INF天线(40)，其中辐射元件的水平臂(40a)位于接地平面(40b)之上的高度(H)处。如可以从图4A看出的，在接地平面(40b)特别是垂直部分上的感生电流，与INF天线(40)的水平臂(40a)上的电流异相。由于天线(40)的水平臂(40a)与接地平面(40b)的垂直部分之间大约0.04倍工作波长的很小距离，来自水平臂(40a)的辐射部分地被来自接地平面(40b)的垂直部分上的异相电流的辐射所抵销。当水平臂(40a)与垂直部分(40b)之间的间隙被进一步减小，异相电流的抵销将增加，导致更低的辐射效率和更差的阻抗匹配。
图4B示出具有开槽接地平面的INF天线(41)，其中辐射元件的水平臂(41a)位于垂直接地元件(41b)之上高度(.5H)处。由于在接地元件(41b)中形成的槽(41c)，所以在与图4A中实施例的电流分布进行比较时，垂直接地元件(41b)上的、与天线(41)的水平臂(41a)上的电流异相的水平电流分量更加远离水平臂(41a)而集中(例如，集中于水平接地元件附近的垂直接地元件(41b)的底部)。换句话说，由于槽(41c)，水平臂(41a)与垂直接地元件(41b)上的异相电流被分离，导致增加辐射效率，降低共振频率，并改进阻抗匹配。此外，对于给定工作频率，可将天线(41)的高度(.5H)降低到天线(40)的高度(H)的一半，同时保持与利用窄板INF天线(40)(图4A)获得的相同或相近的天线性能。
图2示出为构造/调整用于给定工作带宽的天线(20)而考虑的天线(20)的各种尺寸。天线(20)的共振频率主要由大约为共振频率的四分之一波长的、INF元件(22)的总长度(L1+L2+L3+H2)来确定。共振频率还依赖于槽深度(SD)。形成INF元件(22)的金属条部分的宽度(W1)和(W2)轻微影响共振频率，但相当大地影响阻抗匹配(例如，增加宽度(W1)和(W2)会增加带宽)。
可通过调整水平辐射臂(22a)的短路端到馈送接头(22c)之间的长度(L3)，来调整天线(20)的阻抗匹配。具体地，可通过移动馈送点(FP)来改变天线(20)的阻抗，其中将FP移动到左侧(开口端)将增加天线阻抗，而将FP移动到右侧(短路端)(即移动到垂直元件(22b))将降低天线阻抗。FP位置对共振频率会有某些影响。在某种程度上，天线(20)的阻抗还依赖于馈送接头(22c)的底边缘与垂直接地元件(21b)的上边缘之间的馈送间隙(F1)。馈送间隙(F1)对阻抗匹配的影响比长度(L3)小。
距离(V1)对应于天线(20)安装于其中的膝上型计算机的显示器的尺寸，并大约与显示板的厚度相同。如果必要，可将槽延伸到水平接地元件(例如，当距离(V1)小于诸如0.04倍工作波长的某值的时候)。馈送点(FP)与第一个相邻槽之间的间隔(V3)相当大地影响阻抗匹配和共振频率。应使距离(V3)很小，以抑制馈送点周围的电流的水平分量。位于天线臂之下的槽比位于馈送点右侧的那些槽具有好得多的效果。来自天线水平臂的辐射的抵销主要是由于在该区域(正好在天线的较长臂之下)中感生电流的水平分量，在该区域中感生电流的水平分量很强并且异相。水平辐射主要来自于天线的较长臂。V3越小，工作频率越低。
与距离(V4)相比，槽的宽度(SW)不是重要的。距离(V4)应该足够窄以抑制电流的水平分量。在一个示例性实施例中，V4＝2mm，而SW＝0.2mm。开口槽的深度(SD)对诸如共振频率、阻抗带宽和辐射效率的天线性能具有相当大的影响。更大的深度(SD)对于窄板设计是有利的，因为与天线的水平臂上的辐射电流异相的、接地平面的垂直部分上的电流的水平分量将与天线水平臂上的辐射电流离得更远。
为了进行有效辐射，天线的水平臂与开槽区域的底部之间的总距离(H2+SD)应该大于0.04倍的工作波长。槽的数量依赖于天线的水平臂的大小。这些槽应该覆盖天线的水平臂正下方的大部分区域。在图2的示例性实施例中，槽的数量上的进一步增加(例如，大于5)对天线性能无实质影响。对垂直接地平面进行开槽，将由于电流流程的增加而降低共振频率。
因为水平接地元件(21a)将与系统接地平面电连接，所以水平接地元件(21a)的尺寸G1和G2在应用中是不重要的。在一个示例性实施例中，最小的尺寸大约为工作波长的一半，以保持在变化的安装环境中的设计稳定性。
为了测试和确定根据本发明实施例的窄板INF天线设计的电属性和特性的目的，使用图2所示的天线构架，为具体为具有金属罩的IBMThinkpad膝上型计算机的膝上型应用构建原型天线。图3A-3B示出具有图2所示的天线构架以提供从大约2.40GHz到2.50GHz(2.45GHz ISM频带)的工作带宽的示例性原型INF天线的具体尺寸(以mm表示)。图3A是该原型天线的示意性透视图。辐射器(22)由同轴电缆(30)馈送，其中该同轴电缆的内部导线与馈送点(FP)连接，外部屏蔽与垂直和/或水平接地元件连接(尽管朝向是无关紧要的)。辐射器(22)和垂直接地元件(21a)形成于薄绝缘板PCB上。具体地，将天线蚀刻到7.5mm×50mm×20密耳、在10GHz时具有介电常数3.38和损耗角正切0.0025的25NArlon PCB板上。接地元件与金属罩电耦合，并连接到RF电缆外部导线。图3B示出具有尺寸7.5mm×50mm的基片(23)的后视图。如图所示，将天线图形形成于基片(23)的一侧上，而基片(23)的背面无金属图形形成于其上。基片(23)的背面与金属罩的侧壁接触。
图3A-3B的原型INF天线安装于具有金属复合材料罩的IBMThinkPad膝上型计算机中。在该罩的侧壁中形成尺寸为6mm(高)×45mm(长)凹槽，并将原型天线安装在该罩的内侧壁，以便辐射器位于凹槽内中央。将基片(23)(y-z平面)布置为基本上垂直于显示板的平面，其辐射器部分延伸超过显示板的平面。罩侧壁的高度为11mm(内部)。长度为12cm的RF馈送电缆沿显示器的框架安装。(显示板与天线之间的)支撑铰接杆与天线之间的最小距离为1mm左右。显示板的厚度为5mm。天线的顶部低于罩侧壁顶部3.5mm(这表明该原型天线可以用于更薄的显示器)。
图10示出工作于2.45GHz ISM频带的原型INF天线的测量出的SWR(驻波比)。如图1中所示，实现于膝上型计算机中的原型INF天线提供充足的带宽(2∶1SWR)，以完全覆盖2.45GHz ISM频带(2.4-2.5GHz)。
图11图示出在膝上型计算机显示器相对于底部单元打开90度时的测量出的在2.45GHz时的辐射图形。具体地，图11示出水平平面中垂直和水平极化及全部场的辐射图形。该辐射图形指示出有利于移动应用的、接近于全向的辐射图形。
此外，下面的表1示出在该原型INF天线的带宽内的不同频率时测量出的平均和峰值增益。
表1：测量出的增益
峰值增益，dBi
Figure C20051007753400172
如可从表1中明显看出的，增益值在整个频带上未变化太多。确实，在-20°＜θ＜20°仰角的范围内，平均和峰值增益高于-4dBi和0dBi。应该指出，θ＝0°处于水平平面，而负角在水平平面之上。
图5A-5I是示出可形成于根据本发明示例性实施例的天线的接地元件中的不同槽图形的示意图。可例如在这里描述的示例性窄板INF和UWB天线中实现这些示例性图形。本质上，可改变接地平面的槽图形以改变接地平面上的电流分布，以便降低具有高辐射效率的天线的大小。可选择不同的槽/凹槽图形，以修改接地平面的开槽区域中影像电流的方向，从而消除或最小化这种影像电流分量并进一步增加天线辐射，如本领域的普通技术人员所理解的那样。
图6是根据本发明另一示例性实施例的窄板天线的示意透视图。更具体地，图6示意性示出根据本发明示例性实施例的窄板UWB(超宽带)天线(60)，其被设计为具有开槽接地平面和双馈机制，以实现天线高度的降低，并获得宽带阻抗匹配。一般地，示例性UWB天线(60)包括接地元件(61)(或接地)、辐射元件(62)(或辐射器)及第一和第二馈送线路(FL1)和(FL2)。接地元件(61)包括第一(水平)接地元件(61a)和第二(垂直)接地元件(61b)。辐射器(62)、馈送线路(FL1)和(FL2)及第二(垂直)接地元件(61b)被构图、印刷、或以其他方式形成于基片(63)的一侧，且使用具有高传导性的金属薄片来形成这些元件。
在图6所示例性实施例中，辐射器(62)是具有H×W尺寸的矩形(尽管也可实现为例如图9中所示的其他形状)。垂直接地元件(61b)包括高度为V1的第一区域，该区域具有邻近辐射器(62)的底部、水平边缘布置并以间隙(g1)分离开的边缘部分。垂直接地元件(61b)包括尺寸为V2×V3的第二区域，该区域具有邻近辐射器(62)的侧面、垂直边缘布置并以间隙(g3)分离开的边缘部分。
馈送线路(FL1)和(FL2)分别具有L1×S1和L2×S2的尺寸。馈送线路(FL1)和(FL2)基本上互相垂直，并共同连接于馈送点(FP)。馈送线路(FL1)垂直布置于辐射器(62)的侧边与垂直接地元件(61b)之间的间隙(g3)中，且馈送线路(FL1)以间隙(g6)与辐射器(62)分离开，并以间隙(g7)与垂直接地元件(61b)分离开。馈送线路(FL2)水平布置于垂直接地元件(61b)与辐射器(62)的底边部分之间的间隙中，且馈送线路(FL2)以间隙(g4)与垂直接地元件(61b)的边缘部分分离开。邻近于馈送线路(FL2)的垂直接地元件的边缘部分延伸到水平接地元件(61a)之上的高度(V4)处。馈送线路(FL1)以距辐射器(62)的顶边的距离(d1)与辐射器(62)连接，而馈送线路(FL2)以距辐射器(62)的侧边的距离(d2)与辐射器连接。
垂直接地元件(61b)包括开槽区域(64)，该区域包括多个形成于辐射器(62)的底边之下的开口槽。在图6的示例性实施例中，显示了间隔以统一的距离(D2)、具有(D1×W1)的尺寸的四个槽。开槽区域(64)使得能够实现高度(H)的降低，同时又保持了期望的天线属性。凹槽(64)使得在垂直接地元件(61b)上的异相电流位于距辐射器(62)底边的更大距离(g1+D1)处。随着距离(g1+D1)增加，来自电流的辐射抵销降低，这改进了辐射效率。优选地，对尺寸D1、D2和W1进行选择，以确保在栅格区域存在最小的异相水平感生电流。
在图6的示例性实施例中，可对各尺寸进行选择，以获得期望的天线属性。例如，关于工作带宽，天线(60)的带宽的较低边缘频率(FL)主要由辐射器(62)的尺寸(W)确定，并在某种程度上由辐射器(62)的尺寸(H)确定。随着尺寸(W)或(H)增加，较低边缘频率(FL)降低。由于矩形平面型辐射器(62)的宽的底部，实际上创建了一宽带阻抗变压器。
可使用同轴电缆向天线(60)进行馈送，其中同轴电缆的中心导线与馈送线路(FL1)和(FL2)共同馈送点(FP)连接。馈送点(FP)的位置影响阻抗匹配。此外，间隙g4、g6和g7影响阻抗，其中较小的间隙尺寸提供增加的阻抗匹配。垂直接地元件(61b)的具有尺寸V2×V3的区域相当大地影响阻抗匹配，且这一区域被布置于辐射器(62)的垂直边缘附近。尺寸为G1×G2的水平接地元件(61a)减轻了安装环境(例如，金属罩和显示板)对阻抗匹配的影响，且其应该与罩或/和LCD板电连接。
如上面所指出的，由于开槽区域(64)的形成，可最优化地降低用于给定工作带宽的天线高度(H)，以提供用于例如膝上型计算机应用的窄板天线设计。在无开槽接地平面的情况下，高度(H)的降低将导致较低边缘频率(FL)的增加(即减小带宽)。槽(64)的宽度(W1)由较高边缘频率(FH)确定。例如，这些槽的宽度(W1)应该远远小于在该带宽内的较高边缘工作波长。尺寸(D1)相当大地影响辐射效率，因为凹槽(64)改变了垂直接地元件(61b)上与辐射器(62)上的电流异相的电流分布。此外，为了防止接地元件(61b)上强的水平异相电流，间隔(D2)应该小于较高边缘频率(FH)的工作波长。
为了测试和确定根据本发明的示例性UWB天线的电属性和特性的目的，使用图6中所示的天线构架构造用于膝上型计算机应用的原型天线。具体地，图7A-7B示出具有如图6中所示的天线构架、提供从3.1GHz到10.6GHz的工作带宽的示例性原型UWB天线的具体尺寸(以mm表示)。图7A是示例性原型天线的前部的示意性透视图。由同轴电缆(C)向辐射器(62)进行馈送，该同轴电缆的内部导线与馈送点(FP)连接，而其外部屏蔽与垂直和/或水平接地元件连接(尽管朝向是无关紧要的)。辐射器(62)和垂直接地元件(61b)形成于薄绝缘PCB基片(63)上。具体地，该天线蚀刻于在10GHz时具有介电常数3.38和损耗角正切0.0025的10mm×50mm×20密耳的25N Arlon PCB基片(63)上。图7B示出具有尺寸10mm×50mm的基片(63)的后视图。
图7A-7B的原型UWB以诸如图8中所示的位置和朝向安装于具有金属复合材料罩的IBM ThinkPad膝上型计算机中。具有辐射器(62)和垂直接地元件(61b)的基片(63)平行于ThinkPad框架罩的侧壁(其具有12mm(内部)高度和～10°倾斜)设置(例如，基片(63)(y-z平面)基本上垂直于显示板的平面设置)，其辐射器部分延伸过显示板的平面。长度为12cm的RF馈送电缆沿显示板的框架安装。显示板的框架到天线(底部)的底部之间的最小距离大约为3mm。显示板的厚度大约为5mm。天线的顶部大约在罩侧壁的顶部之下的2mm处。
对在自由空间中的以及安装于消音室中的原型膝上型计算机中的原型UWB天线进行驻波比(SWR)和辐射测量。具体地，图12将在自由空间中的和在膝上型计算机显示器中的原型UWB天线在2GHz-12GHz频带中的测量出的SWR进行比较。在自由空间中，发现原型UWB天线提供了足够的3∶1SWR带宽，来覆盖UWB频带(3.1GHz-10.6GHz)。此外，对于安装于膝上型计算机中的UWB天线的测量，获得了类似的回波损耗测量结果，但安装环境在某种程度上影响到在较低边缘频率处的阻抗匹配从而减小了带宽，但在整个UWB频带中仍然是可以接受的。
此外，图13示出安装于膝上型计算机显示器中的原型UWB天线在频率3.0GHz、7.0GHz和10.5GHz时在水平平面((y-z)平面)上的测量出的辐射图形(膝上型计算机显示器相对于机体打开90度)。如图13所示，辐射图形基本上是相同的，但在整个频带上，尤其是在显示器妨碍辐射的较高频率处，有某种程度的轻微变化。
图14A和14B是列出安装于膝上型计算机中的示例性原型UWB天线在从3-10.5GHz的不同频率处测量出的平均增益和最大(峰值)增益的表。该示例性UWB天线提供良好的电特性(例如，可接受的增益、在+/-30度仰角内的全向方位面辐射图形)。此外，单个馈送点实现使得该UWB天线可以容易地集成在大多数膝上型计算机等中可用的小空间中。此外，该示例性UWB设计充分覆盖了5.15GHz-5.35GHz和5.47GHz-5.825GHz的其他WLAN频带。
应该理解，也可实现其他的窄板UWB天线设计，且图6的示例性UWB天线仅是一个示例性实施例。例如，图9A-9H示出根据本发明示例性实施例的UWB天线，其中辐射器(R)和共面的接地元件(G)被设计为具有变化的几何尺寸和形状，以实现增加的工作带宽。例如，图9A、9C、9D、9F、9G和9H中示出的辐射器(R)具有倾向于增加天线带宽的平滑或锥形结构。此外，例如图9A和9B中示出的垂直接地元件(G)具有锥形边缘，其可被调整以提高天线带宽。此外，对于图9E的示例性天线，辐射器(R)的靠近到该辐射器的馈送线路连接点的一角是锥形的，其也可被调整以提高天线带宽。
虽然这里参照附图对示例性实施例进行了描述，但应该理解，本发明并不限于这些确切的实施例，本领域的技术人员可在其中作出各种其他变换和修改，而不脱离本发明的范围。

Claims (40)

1.一种天线，包括：
平面型辐射元件；以及
接地元件，其包括与上述平面型辐射元件共面的平面型接地元件；
其中该平面型辐射元件包括被隔开并邻近于上述平面型接地元件的第一边缘的第一边缘，
其中该平面型接地元件包括沿该平面型接地元件邻近于上述平面型辐射元件的第一边缘的第一边缘的一部分形成的开槽区域，在该开槽区域，开设有用于对邻近于该平面型辐射元件的所述平面型接地元件上感生的电流进行控制的槽。
2.权利要求1的天线，其中为了最小化由上述平面型辐射元件在邻近于上述辐射元件的上述接地元件上所感生的异相电流的影响而构图上述开槽区域。
3.权利要求1的天线，其中上述平面型辐射元件和平面型接地元件构图于平面型基片的一侧上。
4.权利要求1的天线，其中上述平面型辐射元件的第一边缘和上述平面型接地元件的第一边缘基本上平行。
5.权利要求1的天线，其中上述沿共面的接地元件的第一边缘形成的开槽区域包括开口槽。
6.权利要求5的天线，其中上述开口槽包括弯曲槽。
7.权利要求5的天线，其中上述开口槽包括锥形槽。
8.权利要求5的天线，其中上述开口槽基本上是平行的并均匀隔开的。
9.权利要求1的天线，其中上述平面型辐射元件包括一个或多个与其连接的平面型信号馈送线路。
10.权利要求9的天线，其中上述一个或多个平面型信号馈送线路与上述平面型辐射元件共面。
11.权利要求1的天线，其中上述平面型辐射元件包括被隔开并邻近于上述平面型接地元件的第二边缘的第二边缘。
12.权利要求11的天线，其中上述平面型接地元件的第一和第二边缘基本上垂直。
13.权利要求11的天线，其中上述平面型辐射元件的第一和第二边缘基本上垂直。
14.权利要求1的天线，其中上述平面型辐射元件的第一边缘的至少一部分与上述平面型接地元件的第一边缘平行。
15.权利要求1的天线，其中上述平面型辐射元件的第一边缘的至少一部分是弯曲的。
16.权利要求1的天线，其中上述平面型辐射元件的第一边缘的至少一部分相对于上述平面型接地元件的第一边缘成一角度。
17.权利要求1的天线，其中该天线是倒F类型天线。
18.权利要求1的天线，其中该天线是超宽带天线。
19.权利要求1的天线，其中上述接地元件进一步包括相对于上述平面型接地元件形成一角度的第二平面型接地元件。
20.一种计算设备，包括：
显示器，其包括平板显示器(flat panel display)和容纳该平板显示器的罩；以及
嵌入在该显示器内的天线，该天线包括：
平面型辐射元件；以及
接地元件，其包括与上述平面型辐射元件共面的平面型接地元件；
其中该平面型辐射元件包括被隔开并邻近于上述平面型接地元件的第一边缘的第一边缘，
其中该平面型接地元件包括沿该平面型接地元件邻近于上述平面型辐射元件的第一边缘的第一边缘的一部分形成的开槽区域，在该开槽区域，开设有用于对邻近于该平面型辐射元件的所述平面型接地元件上感生的电流进行控制的槽。
21.权利要求20的计算设备，其中上述天线布置于上述平板显示器的侧壁与上述显示板罩的侧壁之间，从而上述平面型辐射器元件布置于该平板显示器的表面之上。
22.权利要求21的计算设备，进一步包括与上述天线连接以便对该天线进行馈送的同轴电缆。
23.权利要求20的计算设备，其中上述天线包括平面型基片，其中上述平面型辐射元件和平面型接地元件构图于该平面型基片的一侧上。
24.权利要求20的计算设备，其中上述接地元件进一步包括相对于上述平面型接地元件形成一角度的第二平面型接地元件。
25.权利要求20的计算设备，其中上述天线是INF(倒F)类型天线，其中上述平面型辐射元件包括倒F元件，其中该倒F元件包括：
平面型辐射臂，其沿上述平面型接地元件的第一边缘的一部分延伸；
平面型短路元件，其将该平面型辐射臂的一端连接到该平面型接地元件；以及
馈送接头，其在该天线的馈送点处与该辐射臂连接，并与该短路元件相隔开。
26.权利要求25的计算设备，其中上述INF天线被设计为工作于2.45GHz ISM频带，且其中上述辐射元件的高度是在上述平面型接地元件的第一边缘之上大约2.5mm。
27.权利要求25的计算设备，其中上述平面型接地元件的开槽区域被设置得邻近于上述平面型辐射臂的在上述馈送接头与该平面型辐射臂的非接地端之间的部分。
28.权利要求27的计算设备，其中上述开槽区域包括开口槽。
29.权利要求28的计算设备，其中上述开口槽包括弯曲槽。
30.权利要求28的计算设备，其中上述开口槽包括锥形槽。
31.权利要求28的计算设备，其中上述开口槽基本上是平行的并均匀隔开的。
32.权利要求25的计算设备，进一步包括同轴线，其中该同轴线的内部导线与上述馈送接头连接，且其中该同轴线的外部接地屏蔽与上述平面型接地元件连接。
33.权利要求20的计算设备，其中上述天线是UWB(超宽带)天线。
34.权利要求33的计算设备，其中上述UWB天线被设计为提供大约3.1GHz到大约10.6GHz的宽阻抗带宽，且其中上述辐射元件的高度是在上述平面型接地元件的第一边缘之上大约6mm或更少。
35.权利要求33的计算设备，其中上述平面型辐射元件包括平面型单极元件，其中上述平面型接地元件包括基本上垂直于该平面型接地元件的第一边缘的第二边缘，且其中该平面型单极元件被隔开并邻近于该平面型接地元件的第二边缘。
36.权利要求35的计算设备，其中上述平面型单极元件是矩形的。
37.权利要求35的计算设备，其中上述平面型单极元件是椭圆形的。
38.权利要求35的计算设备，其中上述UWB天线进一步包括两个馈送线路，其中这些馈送线路每一个具有与上述平面型单极辐射元件在其不同点处连接的第一端，和共同连接的第二端。
39.权利要求38的计算设备，进一步包括同轴线，其中该同轴线的内部导线与这两个馈送线路共同连接的第二端连接，且其中该同轴线的外部接地屏蔽与上述平面型接地元件连接。
40.权利要求38的计算设备，其中上述平面型接地元件进一步包括基本上平行于该平面型接地元件的第一边缘、但以大于该平面型接地元件的第一边缘的距离与上述平面型单极辐射元件隔开的第三边缘，其中该第三边缘与该平面型接地元件的第二边缘交叉，以及
其中一个馈送线路布置于该平面型接地元件的第二边缘与该平面型单极辐射元件之间的间隙中，且其中另一馈送线路布置于该平面型接地元件的第三边缘与该平面型单极元件之间的间隙中。
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