CN101330169A

CN101330169A - 天线设备和无线通信终端

Info

Publication number: CN101330169A
Application number: CNA2008101302821A
Authority: CN
Inventors: 满井勉
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2008-12-24
Also published as: EP2006953A1; US8154467B2; KR20080112952A; JP2009005040A; US20080316098A1; JP5294443B2

Abstract

本发明公开了一种天线设备和无线通信终端，所述天线设备可利用一个寄生元件控制多个辐射元件的方向性。所述天线设备包括：两个辐射元件，在基板上彼此平行地布置；寄生元件，设置在两个辐射元件之间。根据寄生元件的长度来控制所述两个辐射元件的辐射方向性。这种构造提供了一种包括多个具有期望的方向性的辐射器的小尺寸天线设备。

Description

天线设备和无线通信终端

技术领域

本发明总体涉及一种天线设备和一种无线通信终端，更具体地说，本发明涉及一种能够利用寄生元件控制多个辐射元件的方向性的天线设备。

背景技术

最近，实现便携式终端中(例如，手持电话、PDA等)的高速通信的通信技术倍受关注。这些技术中的一些(例如，多输入多输出(MIMO))已经得到了实际应用，其中，发射装置和接收装置都有多个天线，并分别通过这些天线发射/接收信号。虽然在信号分离过程等中有开销，但是由于可接收与多个天线的数量相对应的信息，所以这种技术能够实现速度非常高的通信。然而，在MIMO系统的应用中，需要将多个有合适方向性的天线安装到便携式终端的小尺寸箱体中。为此，需要制造具有期望的方向性的小尺寸天线。更具体地说，需要一种能够简单地控制多个天线的方向性的装置。

在辐射元件的前侧和后侧布置被驱动的元件的方式是本领域公知的控制天线方向性的技术。这种技术的典型示例是Yagi-Uda天线。Yagi-Uda天线已经得到了实际应用，并且现在在模拟TV的接收天线中广泛地应用。作为Yagi-Uda天线的应用，第2005-210521号日本专利公开了一种包括了缝隙八木天线(slot yagi antenna)和布置在缝隙八木天线周围的被驱动的元件的平板天线，其中，转换电场来控制方向性。就最佳频率来说，通过将这种天线的被驱动的元件形成为相对长，可将这种天线的被驱动的元件配置为起反射器的作用；通过将这种天线的被驱动的元件形成为相对短，可将这种被驱动的元件配置为起导向器的作用。因此，这种天线可根据被驱动的元件的长度来转换方向性。

然而，为了允许垂直偏振辐射，由于上述天线的结构特性，因此该天线应该在水平方向上扩大尺寸。因此，难以将该天线安装到便携式终端上。此外，在使用时，用户通常在其前方稍微倾斜地握着该便携式终端。因此，当天线被安装到便携式终端时，由于方向峰(directional peak)朝向阻挡它们的用户身体或地面传输，所以该天线难以获得足够的在MIMO系统中保证高速通信的通信质量。

在另一示例中，在便携式终端的前端部安装单极型天线。由于从天线辐射的无线电波的方向峰朝向地面传播，所以这种天线也不能提供满意的通信质量。相反地，也可以考虑在沿便携式终端的后端的方向在终端中安装单极型天线，但是被基板(base board)影响的无线电波的方向峰向阻挡它们的用户的身体传播，因此无线电波的灵敏度被降低。

发明内容

提出本发明以解决至少上述问题和/或缺点，并提供至少下述优点。因此，本发明的一方面提供一种新颖的和改进的天线设备，以及一种无线通信终端，所述天线设备和无线终端具有相对简单的结构并且可以控制多个辐射元件的方向性。

根据本发明的一方面，提供了一种天线设备，所述天线设备包括彼此平行地布置在基板上的两个辐射元件，以及设置在两个辐射元件之间的寄生元件。根据寄生元件的长度来控制两个辐射元件的辐射方向性。

当寄生元件比辐射元件短时，所述寄生元件可起导向器的作用，并使方向峰向辐射元件倾斜。

当寄生元件比辐射元件长时，所述寄生元件可起反射器的作用，并使方向峰向寄生元件倾斜。

辐射元件可由四分之一波长(λ/4)短路贴片天线形成。

此外，辐射元件和寄生元件可分别包括几乎与基板平行的平板部分、从平板部分的一端延伸以与基板短路的短路部分以及由平板部分的相对端与基板隔开而形成的开口部分。两个辐射元件的每个的开口部分在预定的第一方向敞开，寄生元件的开口部分在与第一方向相反的方向敞开。

寄生元件和辐射元件的每个的长度是沿第一方向延伸的长度，并且被限定在其短路部分和其开口部分之间。

除了布置在基板的第一面上的两个辐射元件和寄生元件，天线设备还可包括布置在基板的第二面上并彼此平行的两个附加辐射元件，以及设置在所述两个附加辐射元件之间的附加寄生元件。

当附加寄生元件比附加辐射元件短时，附加寄生元件可起导向器的作用并使方向峰向附加辐射元件倾斜。

当附加寄生元件比附加辐射元件长时，附加寄生元件可起反射器的作用并使方向峰向附加寄生元件的方向倾斜。

附加辐射元件均可由四分之一波长(λ/4)短路贴片天线形成。

附加辐射元件和附加寄生元件可分别包括几乎与基板平行的平板部分、从平板部分的一端延伸以与基板短路的短路部分以及由平板部分的相对端与基板隔开而形成的开口部分。两个附加辐射元件的每个的开口部分在预定的第二方向敞开，寄生元件的开口部分在与第二方向相反的方向敞开。

附加寄生元件和附加辐射元件的每个的长度是沿第一方向延伸的长度，并且被限定在其短路部分和其开口部分之间。

寄生元件可被形成为比辐射元件长，附加寄生元件可被形成为比附加辐射元件短。

辐射元件的长度与附加辐射元件的长度几乎彼此相同，寄生元件的长度和附加寄生元件的长度不同。所述天线设备还可包括馈电部分，馈电部分适于对辐射元件和附加辐射元件进行馈电控制，使其被同步成发射/接收多输入多输出调制系统的调制信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括所述天线设备的无线通信终端。此外，所述无线通信终端可包括能够进行馈电控制的馈电控制装置。

利用该设备，由于只需要一个寄生元件来控制辐射元件的辐射方向性，所以能够简化天线设备的尺寸。因此，所述天线设备可以更加小型化，并且可通过相对简单的单元来控制MIMO系统的需要多个辐射元件的天线设备的方向性。

附图说明

通过下面结合附图进行详细描述，本发明的上述和其它特点、方面和优点将会更加清楚，其中：

图1A和图1B是示出具有多个贴片天线的天线设备的图；

图2A和图2B是示出多个贴片天线的辐射方向性的图；

图3A和图3B是示出根据本发明第一实施例的天线设备的结构的图；

图4A和图4B是示出根据本发明第一实施例的天线设备的结构的图；

图5是示出根据本发明第一实施例的天线设备的方向峰的角度的图；

图6A和图6B是示出根据本发明第二实施例的天线设备的结构的图；

图7是示出根据本发明第二实施例的天线设备的效果的图。

具体实施方式

将参照附图详细描述本发明的优选实施例。应该注意，虽然在不同的图中示出，但是相似的标号指示相似的元件。为了避免使本发明的主题模糊，可省略对本领域公知的结构或工艺的详细描述。

在详细描述根据本发明的天线设备之前，将参照图1A、图1B、图2A和图2B简要地解释具有多个四分之一波长(λ/4)短路贴片天线的天线设备10的方向性图。图1A和图1B示出了天线设备10的结构。图2A和图2B示出了天线设备10的方向性图。

图1A是示出了天线设备10的透视图。图1B是沿x方向观察到的沿图1的天线设备10的线I-I截取的剖视图。

如图1A所示，天线设备10大体上包括基板12、两个辐射元件14和馈电部分(feed part)16。例如，辐射元件14是λ/4短路贴片天线(或λ/4短路微带天线(MSA))并起辐射器的作用。两个辐射元件14沿x方向布置，并且几乎彼此平行，两个辐射元件14的每个具有沿x方向形成开口部分的一个端部和具有短路部分的相对端部。此外，辐射元件14是与馈电部分16连接的馈电元件。

图2A是示出在x-y平面中天线设备10的水平偏振波E(φ)和垂直偏振波E(θ)的方向性图的图。

参照图2A，在x-y平面中的水平偏振波E(φ)的方向性图在210度附近区域具有深切(deep cut)形状的零讯号区域(null region)，并且在120度附近区域或270度附近区域具有最大辐射强度。另一方面，在x-y平面中的垂直偏振波E(θ)的方向性图在70度附近区域具有最大辐射强度。此外，参照图2B，在z-y平面中的水平偏振波E(φ)的方向性图在30度附近区域和330度附近区域具有最大辐射强度。在z-y平面中的垂直偏振波E(θ)的方向性图在45度附近区域具有最大辐射强度。

所述方向性图属于图1A左侧的辐射元件14。图1A右侧的辐射元件14的方向性图是图2A中的在x-y平面中的方向性图关于y轴的镜像图。此外，由于左和右辐射元件在z-y平面具有相同的方向性图，所以天线设备10在z-y平面中的方向性图在45度附近区域具有最大辐射强度。因此，当用户将便携式终端拿在他前面使得辐射元件14面对他自己时，天线设备10在y方向上倾斜，因此辐射峰被引导向用户自己。因此，当在x-y平面中的辐射峰沿y方向传播时，部分无线电波被阻挡。

因此，本实施例的目的在于用一个寄生元件控制多个辐射元件的辐射方向性，并使辐射峰沿期望的方向倾斜。此外，本实施例的另一个目的在于用一个寄生元件控制两个辐射元件的方向性图，从而实现具有期望的方向性的天线设备的最小化。下面详细描述本实施例的天线设备100。

下面，将描述根据本发明第一实施例的天线设备。本实施例提供一种天线设备，该天线设备采用λ/4短路贴片天线以形成天线图，来允许高速通信。因此，本实施例包括一个被驱动的元件，该被驱动元的件能同时控制两个辐射元件的辐射方向性，并且能作为反射器或导向器，从而形成期望的天线图。

首先，将参照图3A和图3B解释根据本实施例的天线设备100的构造的一个示例。图3A和图3B示出了本实施例的天线设备100的构造的一个示例，其中，图3A是示出了天线设备100的整体结构的透视图，图3B是沿图3A的天线设备100的线I-I截取的剖视图。

参照图3A，天线设备100包括基板102、两个辐射元件104、馈电部分106和寄生元件114。

两个辐射元件104沿x方向布置并且几乎彼此平行。辐射元件104是从馈电部分106被供应功率的馈电元件。此外，辐射元件104的每个具有几乎与基板102平行的平板部分(z-x平面)，以及从平板部分的一端延伸以与基板102短路的短路部分。此外，辐射元件104的每个在与短路部分的相对的一侧具有由其相对端与基板102隔开而形成的开口部分。两个辐射元件104彼此几乎平行地布置并各自在z方向具有开口部分。

寄生元件114设置在沿x方向布置的两个辐射元件104之间。寄生元件114是被驱动的元件。在图3A的示例中，寄生元件114具有沿z方向延伸的长度z1。寄生元件114的长度z1比辐射元件104的沿z方向延伸的长度λ/4短。为此，寄生元件114起导向器的作用，从而其使辐射元件104的方向峰向辐射元件104倾斜。例如，从辐射元件104辐射的垂直偏振波的方向峰沿0度方向倾斜，从而不存在于x-y平面中。

此外，与辐射元件104相似，寄生元件114具有与基板102平行的平板部分(z-x平面)，以及从平板部分的一端延伸以与基板102短路的短路部分。此外，寄生元件114在与短路部分的相对的一侧具有由其相对端与基板102隔开而形成的开口部分。寄生元件114的开口部分与辐射元件104的短路部分在相同的方向上。在图3B的示例中，为了清楚，将寄生元件114示出为其高度y2比辐射元件104的高度y1高。然而，本实施例的寄生元件110也可以与辐射元件104一样高，或比辐射元件104低。

如上所述，已经解释了根据本实施例的天线设备100的构造的一个示例，其中寄生元件114的长度比辐射元件104的长度短。上述构造使得两个辐射元件104具有这样的辐射方向性，即，辐射峰在x-y平面中沿x方向倾斜，使得辐射峰接近相应的辐射元件104。为此，由于辐射元件104的朝向用户辐射的无线电波具有沿避开用户身体的方向的辐射峰，所以降低了被用户身体阻挡的无线电波的比率，从而允许更高的通信灵敏度。

下面，将参照图4A和图4B解释根据本发明该实施例的天线设备100的构造的另一示例。图4A和图4B示出了根据本发明该实施例的天线设备100的构造的另一示例，其中，图4A是示出了天线设备100的整体结构的透视图，图4B是沿x轴方向观察到的沿图4A的天线设备100的线I-I截取的剖视图。除了寄生元件114的结构特性，图4A和图4B的天线设备100的构造与图3A和图3B的天线设备100的构造基本相同。因此，将只描述它们之间的区别。

与图3A和图3B的天线设备100类似，图4A和图4B的寄生元件114设置在沿x方向布置并且几乎彼此平行的辐射元件104之间。寄生元件114也是被驱动的元件。图4A中所示的寄生元件114具有沿z方向延伸的长度z2。此外，寄生元件114的长度z2比辐射元件104的沿z方向延伸的长度λ/4长。因此，寄生元件114起反射器的作用，因此寄生元件114使辐射元件104的方向峰向寄生元件114倾斜。

如上所述，图4A和图4B的天线设备100与图3A和图3B的天线设备100之间的主要区别在于寄生元件114的长度与辐射元件104的长度之比。根据该构造中的区别，天线设备的辐射元件104的方向峰的倾斜方向不同，因此，可根据天线设备在便携式终端上安装的位置和方向等调节寄生元件114的长度，以将辐射元件104的方向性图控制为最佳。

如上所述，已经解释了根据本实施例的天线设备100的构造的另一示例，其中寄生元件114的长度比辐射元件104的长度长。该构造使得两个辐射元件104具有这样的辐射方向性，即，辐射峰在x-y平面中沿x方向倾斜，使得辐射峰接近寄生元件114。

图5示出了关于天线设备100的构造的示例的仿真结果。图5示出了根据寄生元件114和辐射元件104的长度变化的方向峰的角度变化的仿真结果。具体地说，图5示出了在图3A和图3B或图4A和图4B的左侧的辐射元件104的方向性特性。

在图5中，在寄生元件114较短的情况下的仿真结果用符号“○”来指示，在寄生元件114较长的情况下的仿真结果用符号“□”来指示，在不包括寄生元件的情况下的仿真结果用符号“●”来指示。

首先，解释寄生元件114较短的情况。参照图5，在寄生元件114的长度与辐射元件104的长度之间的比例小于“1”的区域示出多个“○”。如上所述，这种情况下的寄生元件114起导向器的作用。因此，这种情况下的方向峰的角度显示出比没有应用寄生元件的情况下的角度大。还可理解的是，寄生元件114的长度越短，方向峰的角度越小。

其次，解释寄生元件114较长的情况。参照图5，在寄生元件114的长度与辐射元件104的长度之间的比例大于“1”的区域示出多个“□”。如上所述，这种情况下的寄生元件114起反射器的作用。因此，这种情况下的方向峰的角度显示出比没有应用寄生元件的情况下的角度小。还可理解的是，当寄生元件114的长度变长时，方向峰的角度稍微变大。

如上所述，在上述仿真结果中还可证明，方向性的变化取决于寄生元件114的长度。因此，例如，通过根据如图5中所示的方向峰的角度配置寄生元件114的长度，可以设计出具有更好通话质量的便携式终端。

如上所述，本实施例的天线设备100的特征在于，通过使用一个被驱动的元件(寄生元件114)来控制两个馈电元件的方向性图。这种特征是突出的优势，这种突出的优势在于，与通过一个被驱动的元件控制一个馈电元件的方向图的情况相比，天线设备可以更小型化。尤其是当将高速通信技术(例如使用多个天线的MIMO)应用到小尺寸便携式终端时，由于包括与控制方向性相关的构件的天线设备的尺寸是重要的，所以本实施例被有利地应用到这样的装置。例如，期望与本实施例相关的技术能够被应用到在MIMO通信中使用的多单元天线、APS(天线方向图选择)、AS(天线选择)等。

下面解释根据本发明第二实施例的天线设备200。通过使用相同的标号，将省略对与第一实施例的天线设备100的零件基本相同的零件的详细描述。

首先，将参照图6A和图6B解释本实施例的天线设备200的构造。图6A和图6B示出了本实施例的天线设备200，其中图6A是示出了天线设备200的整体结构的透视图，图6B是沿x方向观察到的沿图6A中示出的天线设备200的线I-I截取的剖视图。

如图6A和图6B所示，天线设备200包括基板102、多个辐射元件104和204、多个馈电部分106和206以及多个寄生元件114和214。如图6A和图6B所示，在天线设备200中，在图3A、图3B、图4A和图4B中示出的天线100的零件被设置在其两面。

在基板102的第一面(表面)，具有两个辐射元件104和设置在两个辐射元件104之间的寄生元件114。在基板102的第二面(相对表面)具有两个辐射元件204和设置在两个辐射元件204之间的寄生元件214。寄生元件114具有沿z方向延伸的长度，并且该长度比辐射元件104的长度短。此外，寄生元件214具有沿z方向延伸的长度，并且该长度比辐射元件104的长度长。

因此，如在对第一实施例的描述中所描述的，在基板102的第一面的寄生元件114起导向器的作用，在基板102的相对面的寄生元件214起反射器的作用。因此，当用户像在图7中示出的那样以y方向位于他前面的方式拿着安装有天线设备200的便携式终端1000时，安装有本实施例的天线设备200的便携式终端1000具有最佳的方向性，其中包括避开用户身体的方向的方向峰和方向向前的方向峰。当然，通过在两侧安装天线，本实施例可提供能够处理从便携式终端1000的背侧接受的无线电波的效果。

与本示例类似，在用户侧可将辐射方向图配置为避开用户的头，在相对侧可将辐射方向图配置为朝向上前方而不是朝向地面。虽然图6A和图6B示出了独立地使用四个辐射元件的MIMO系统的构造，但是通过对设置在两侧的作为单个天线单元的两个辐射元件进行馈电控制，并利用开关转换将被实际用作天线的一个辐射元件，可构造用于APS的双元件MIMO天线。

已经在以上实施例中解释了天线设备的具体构造。可将这些天线设备有利地安装到能够进行高速传输的无线通信终端(例如MIMO终端)。例如，该无线通信终端在发射端具有输入信号的串-并联转换装置和被转换信号的调制映射装置，并通过提供到天线的多个辐射元件发射多个调制和映射信号。

同时，该无线通信终端在接收端使用：接收通过多个辐射元件接收的多个信号并且通过利用信道矩阵来从多个接收的信号中恢复多个原始调制信号的装置，解调多个调制信号的装置，以及串-并联转换装置，来估计原始信号。当然，该无线通信终端还可包括编码/解码数据的装置、估计信道矩阵的装置、预编码发射信号的装置或估计可能性的装置。

根据如上所述的本发明，可通过利用相对简单的结构来控制辐射元件的方向性。

虽然已经参照本发明的特定优选实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离如权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可对本发明进行各种形式和细节上的改变。

Claims

1、一种天线设备，包括：

基板，具有第一面和第二面；

两个辐射元件，彼此平行地布置在基板的第一面上；

寄生元件，布置在基板的第一面上的两个辐射元件之间，

其中，根据寄生元件的长度控制两个辐射元件的辐射方向性。

2、如权利要求1所述的天线设备，其中，当寄生元件比辐射元件短时，寄生元件起导向器的作用并使方向峰向辐射元件倾斜。

3、如权利要求1所述的天线设备，其中，当寄生元件比辐射元件长时，寄生元件起反射器的作用并使方向峰向寄生元件倾斜。

4、如权利要求1所述的天线设备，其中，辐射元件由四分之一波长短路贴片天线形成。

5、如权利要求1所述的天线设备，其中，辐射元件和寄生元件分别包括与基板平行的平板部分、从平板部分的一端延伸以与基板短路的短路部分以及由平板部分的另一端与基板隔开而形成的开口部分，

其中，两个辐射元件的每个的开口部分在预定的第一方向敞开，寄生元件的开口部分在与第一方向相反的方向敞开。

6、如权利要求5所述的天线设备，其中，寄生元件和辐射元件的每个的长度是沿第一方向延伸的长度，并且被限定在其短路部分和其开口部分之间。

7、如权利要求1所述的天线设备，除了布置在基板的第一面上的两个辐射元件和寄生元件，还包括布置在基板的第二面上并彼此平行的两个附加辐射元件，以及设置在所述两个附加辐射元件之间的附加寄生元件。

8、如权利要求7所述的天线设备，其中，当附加寄生元件比附加辐射元件短时，附加寄生元件起导向器的作用并使方向峰向附加辐射元件倾斜。

9、如权利要求7所述的天线设备，其中，当附加寄生元件比附加辐射元件长时，附加寄生元件起反射器的作用并使方向峰向附加寄生元件倾斜。

10、如权利要求7所述的天线设备，其中，附加辐射元件均由四分之一波长短路贴片天线形成。

11、如权利要求7所述的天线设备，其中，附加辐射元件和附加寄生元件分别包括与基板平行的平板部分、从平板部分的一端延伸以与基板短路的短路部分以及由平板部分的相对端与基板隔开而形成的开口部分，

其中，两个附加辐射元件的每个的开口部分在预定的第二方向敞开，寄生元件的开口部分在与第二方向相反的方向敞开。

12、如权利要求11所述的天线设备，其中，附加寄生元件和附加辐射元件的每个的长度是沿第一方向延伸的长度，并且被限定在其短路部分和其开口部分之间。

13、如权利要求7所述的天线设备，其中，寄生元件被形成为比辐射元件长，附加寄生元件被形成为比附加辐射元件短。

14、如权利要求7所述的天线设备，其中，辐射元件的长度与附加辐射元件的长度彼此相同，寄生元件的长度和附加寄生元件的长度不同，

其中，所述天线设备还包括馈电部分，适用于对辐射元件和附加辐射元件进行馈电控制，使其被同步成发射/接收多输入多输出调制系统的调制信号。

15、一种无线通信终端，包括天线设备，所述天线设备具有：带有第一面和第二面的基板；两个辐射元件，彼此平行地布置在基板的第一面上；寄生元件，设置在基板的第一面上的两个辐射元件之间，其中，根据寄生元件的长度来控制两个辐射元件的辐射方向性。