CN101378144B - 无线电设备及其天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线电设备及其天线。馈电元件和寄生元件形成在板的端部上。馈电元件形成在板的表面上，寄生元件形成在板的背面上。板的电路区域安装有无线电通信电路。馈电元件与信号线连接，并且寄生元件与GND线连接。在馈电元件与电路区域之间设置缝隙，并且在寄生元件与电路区域之间设置缝隙。
Description
技术领域
本发明涉及无线电设备和无线电设备中天线的构造。
背景技术
随着近年来无线电通信的普及，各种无线电通信设备(例如蜂窝式电话、无绳电话、无线通信PC卡、小型无线电装置以及移动无线电设备)已经被广泛应用。在这些设备中，尤其期望小型无线电装置具有安装在其壳体中的天线。由此，为了实现尺寸、重量和厚度方面的减小，开发了其中利用电路板来形成天线的构造。
作为公知技术之一的专利文献1(日本专利申请公开No.08-204433)描述了其中天线形成在电介质衬底上的构造。一对微带线和GND线形成在电介质衬底的前表面和背表面上。在电介质衬底的前表面上，天线元件形成在微带线的端部处，而在电介质衬底的背表面上，另一个天线元件形成在GND线的端部处。这些天线元件构成了偶极天线。注意，其中利用电路板形成天线的构造仅需要少量部件和少量安装工序，因此可以减少实施时间。
传统的天线不具有足够的谐振频带宽度。具体而言，对于预期在将来的无线电通信中广泛普及的WiMAX，尚未开发出具有较宽谐振频带的天线。这里，谐振频带不是特定的，而是例如由VSWR(电压驻波比)小于2的频带范围来界定。
当天线的谐振频带较窄时，天线特性会仅因较小的外部因素而劣化。例如，当天线附近存在金属导体时(例如，将无线电设备放置在金属桌上)，天线的谐振频带会改变。在这种情况下，所期望的波的频率变为在谐振频带之外，结果不能接收所期望的波。为了减小无线电设备的尺寸，天线必须布置在高频电路附近。在这种情况下，天线特性受到来自高频电路噪声的影响。由此，实施诸如屏蔽盖之类的防护措施。此时，如果天线的谐振频带较窄，则有时不能获得所需要的天线特性，并且传输特性/接收特性容易劣化。为了确保所期望的传输特性/接收特性，需要较大的电流来放大信号，这将在减小无线电设备的功耗方面带来问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线电设备，其包括具有较宽谐振频带的天线。
无线电设备的一个方面用于无线电通信，并包括天线、电路和板，电路连接到天线，天线和电路安装在板上，并且在天线与电路之间的至少一部分中不存在板而存在具有比板更低的电容率的材料。
无线电设备的另一个方面用于无线电通信，并包括天线、板和金属盖，天线安装在板上，金属盖用于覆盖板的至少一部分。在天线与盖之间的至少一部分中不存在板而存在具有比板更低的电容率的材料。
具有比所述板更低的电容率的材料是存在于形成在板上的缝隙中的空气。此外，天线包括形成在板的第一表面上的馈电元件和形成在板的第二表面上的寄生元件。
附图说明
图1、图2A和图2B是用于解释天线元件的布置的图；
图3是用于解释谐振频带的图；
图4A和图4B是用于解释天线元件的构造和布置的图；
图5是示出其中在天线元件与电路区域之间设置缝隙的构造的图；
图6A和图6B是用于解释信号线和GND线的图；
图7是用于解释偶极天线的方向性的图；
图8是示出本实施例的无线电设备的构造的图；
图9是示出本实施例的无线电设备的天线构造的图；
图10是对于本实施例的天线的史密斯圆图；
图11是示出对于本实施例的天线的VSWR的图；
图12是不设置缝隙的情况下的史密斯圆图；
图13是示出不设置缝隙的情况下的VSWR的图；
图14是示出另一个实施例中天线的布置的图；以及
图15A和图15B是示出其中在天线元件与盖之间设置缝隙的构造的图。
具体实施方式
将解释无线电设备和该无线电设备中天线的构造的实施例。在以下说明中，将解释作为实施例的具有馈电元件和寄生元件的偶极天线。偶极天线设置在具有用于无线电通信的电路的板上。
首先，解释本实施例的天线的设计理念。
(1)如图1所示，构成天线元件的馈电元件2和寄生元件3可以形成在板1的相同表面层上。还可以将馈电元件2形成在板1的一个表面层上并将寄生元件3形成在板1的另一个表面层上。但是，如果板1由电介质材料制成，则相比其中馈电元件2和寄生元件3形成在相同表面层上的构造，在其中馈电元件2和寄生元件3形成在不同表面层上的构造中，可以缩短为获得特定谐振频率所需要的每个天线元件的长度。由此，为了减小天线的尺寸，优选地将馈电元件2和寄生元件3形成在板1的不同表面层上。
(2)在其中馈电元件2和寄生元件3形成在板1的不同表面层上的构造中，可以如图2A所示将馈电元件2和寄生元件3布置为彼此叠置。在这种构造中，可以减小天线的尺寸；但是，也减小了天线的谐振频带。同时，通过如图2B所示在馈电元件2与寄生元件3之间设置间隔d，可以增大天线的谐振频带的宽度。例如，在板1的相对电容率
是约4.8的情况下，可以通过使得间隔d大于λ/230来确保足够宽的谐振频带。注意，“λ”是经由天线传输/接收的载波的波长。例如，在2.5-2.7GHz的频带的情况下，将间隔设计成大约为“d≥0.5mm”。因此，为了实现天线的较宽谐振频带，优选地具有馈电元件2与寄生元件3之间的特定间隔d。
在此说明书中，由VSWR(电压驻波比)来界定天线的谐振频带。换言之，例如如图3所示将谐振频率界定为“其中VSWR小于2的频带”。或者，由以下提供的作为谐振频带的指标的等式(1)来界定频带宽度特性。
频率带宽特性(％)＝100×(f2—f1)/(f1+(f2—f1)/2)...(1)
(3)在图4A中，馈电元件2的长度L1和寄生元件3的长度L2可以相同或彼此不同。但是，天线的谐振频率取决于每个天线元件(馈电元件2和寄生元件3)的长度L1和L2。具体而言，当长度L1和L2不同时，由每个天线元件获得的谐振点不同，因此整个天线的谐振频带变宽。因此，为了实现较宽的谐振频带，优选地使馈电元件2的长度L1和寄生元件3的长度L2不同。在这种情况下，馈电元件2的长度L1可以长于寄生元件3的长度L2，或者馈电元件2的长度L1可以短于寄生元件3的长度L2。
(4)馈电元件2和寄生元件3可以如图4A所示成直线地布置，或者可以如图4B所示彼此成特定角度(在此示例中为直角)地布置。通常，当馈电元件2和寄生元件3彼此成特定角度地布置时，谐振频带比当馈电元件2和寄生元件3成直线地布置时的情况更宽。
(5)如图5所示，在天线元件(馈电元件2和寄生元件3)的每个与电路区域4之间，设置对应的缝隙(空隙)5和6。电路区域4是其上安装用于无线电通信的电路(例如，用于传输和/或接收RF带中的信号的RF电路)的区域，并包括电路GND。通过具有缝隙5和6，在天线元件2和3每个与电路区域4之间形成电容率比板1的电容率更低的区域。结果，天线元件2和3的每个与电路区域4之间的电容变大，并且天线元件2和3每个与电路区域4之间的电/磁交互作用(具体而言，电路区域4对天线元件2和3每个的影响)变小。此外，因为存在于无线电设备周围的GND与高频电路之间的耦合变弱，所以天线元件2和3受到高频噪声的影响变少。因为天线元件2和3之间产生的电容与天线耦合，所以为获得特定谐振频率所需要的每个天线元件2或3的长度变短。
为获得所期望的天线特性(例如谐振频带)所需要的缝隙5和6的形状(主要是缝隙宽度)取决于板1的电容率、具有缝隙5和6的区域的电容率以及在无线电通信中使用的信号的波长。这里，板1的电容率由形成板1的材料确定。具有缝隙5和6的区域填充有“空气”，因此该区域的相对电容率
是约1.0。相比缝隙填充有空气的情况，当缝隙填充有低电容率材料时(
)，频带变窄。因此，如果经由天线传输/接收的无线电信号的波长确定，则可以计算用于获得所需要的天线特性的缝隙5和6的宽度。或者，可以通过模拟或实验来确定缝隙5和6的宽度，由此可以获得所期望的特性。
其中形成缝隙5和6的区域的相对电容率是约1.0。同时，如果板1由例如环氧玻璃材料形成，则相对电容率
是约4-5。换言之，“具有缝隙5和6”是“具有电容率小于板1的电容率的区域”的形式中的一种。由此，具有缝隙5和6的区域可以填充电容率比板1的电容率小的材料。
应该注意，在如图5所示的示例中，缝隙5形成在馈电元件2与电路区域4之间，缝隙6形成在寄生元件3与电路区域4之间。但是，缝隙5和6两者都不是必须形成的。换言之，可以通过形成缝隙5或6中的任一者来获得特定的有利效果。
(6)如图6A和图6B所示，无线电通信电路的信号线11连接到馈电元件2。寄生元件3经由GND线12连接到无线电通信电路的GND(即，电路GND)。如图6A所示，信号线11和GND线12形成为平行延伸。GND线12的宽度比信号线11的宽度的三倍还大。信号线11和GND线12形成在不同的层中，使得可以在这些线之间获得特定阻抗(例如50欧姆)。在如图6B所示的示例中，信号线11形成在板1的表面层上，GND线12形成在板1的内层上。当电路GND和GND线12形成在不同层时，这些层之间的连接例如通过通孔来实现。通过引入如图6A和图6B所示的构造，抑制了信号(或电磁波)从信号线11的泄漏，并且还可以抑制其反射。
图7是解释天线的方向特性的图。在本实施例的偶极天线中，被布置为互相正交的一对天线元件基本上具有无方向特性。注意，来自天线元件(馈电元件2和寄生元件3)的每个的端部的辐射非常弱。换言之，在每个天线元件的纵向上存在零讯号点。因为在从天线元件的每个朝向电路区域4的方向上设置了缝隙5和6，所以信号的传播受到抑制。因此，将与天线元件谐振的信号有效地辐射到外部空间，并可以有效地接收来自外部空间的信号。
图8是示出本实施例的无线电设备的构造的图。无线电设备不受具体限制；在此示例中，其可以是安装在个人计算机等中的无线电通信设备。虽然无线电通信方法不受具体限制，但是它例如可以WiMAX或无线局域网。
板1安装有无线电通信电路和天线。如图5所示，无线电通信电路形成在电路区域4上。构成天线的天线元件形成在板1的端部处。假定基于以上设计理念(1)—(6)中的至少一个来构造天线。屏蔽盖21由金属板等形成，并屏蔽从无线电通信电路辐射的电磁波。注意，天线元件布置在屏蔽盖21外部。换言之，屏蔽盖21屏蔽无线电通信电路与天线元件之间的电磁效应。金属盖22安装在板1的背表面上。壳体23将其上安装屏蔽盖21和金属盖22的板1进行封装。
图9是示出本实施例的无线电设备的天线的构造的图。在此示例中，两个偶极天线设置在板1上。第一天线包括馈电元件2a和寄生元件3a，第二天线包括馈电元件2b和寄生元件3b。馈电元件2a和2b形成在板1的表面层上，寄生元件3a和3b形成在板1的背表面层上。分别在馈电元件2a和2b与电路区域4之间形成有缝隙5a和5b，并分别在寄生元件3a和3b与电路区域4之间形成有缝隙6a和6b。
第一和第二天线可以传输/接收不同的信号(或独立的信号)。或者，第一和第二天线可以传输/接收相同的信号。在这种情况下，第一和第二天线构成空间分集天线。
板1是由电介质材料制成的多层板。在此示例中的电介质材料是FR-4。FR-4是玻璃纤维和环氧树脂的复合材料。FR-4的相对电容率
在1kHz下是4.7-4.8，在1MHz下是4.2-4.3。形成板1的电介质材料不限于FR-4，而可以使用其他材料。换言之，除了FR-4之外，还可以例如将铝、氧化铝、陶瓷、特氟隆(Teflon)、玻璃环氧材料(CEM-3，BT范围)、PPE和FPC用作板1的材料。
在此示例中，设置缝隙5(5a和5b)和6(6a和6b)的区域是气隙。因此，这些区域的相对电容率
是1.0。
在此示例中，馈电元件2(2a和2b)和寄生元件3(3a和3b)由导电箔形成。导电箔不受具体限制；但是，其可以是例如铝箔。在其中馈电元件2和寄生元件3由铜箔或铝箔形成的构造中，可以相当高精度地将天线元件2和3形成为期望的形状。换言之，可以精确地形成通过使用CAD所设计的天线元件。结果，可以实现期望的天线特性。此外，可以减小无线电通信设备的尺寸(特别是厚度)。注意，天线的频带可以随着天线元件的宽度变宽而变宽。换言之，可以获得与天线元件宽度近似成正比的带宽。
天线元件2和3每个都例如以其端部固定在板1上。这里，来自每个天线元件的端部的辐射显著较弱，因此产生零讯号点。在此情况下，每个天线元件在零讯号点的位置处固定在板1上。注意，天线元件2和寄生元件3每个可以安装在板1的表面上。
以下提供实施例的天线的尺寸。注意，在此示例中，板1的相对电容率是4.8，缝隙区域的相对电容率是1.0。以下，尺寸由无线电信号的载波的波长λ表示。这里，无线电频率是2.5-2.7GHz。换言之，波长λ是约120mm。
馈电元件2的长度：λ/6(19.5mm)
寄生元件3的长度：λ/5(23mm)
天线元件2和3的宽度：λ/38(3mm)
馈电元件2与寄生元件3之间的间隙：λ/230(0.5mm)
天线元件2和3与缝隙5和6之间的间隙：λ/230(0.5mm)
缝隙5和6的宽度：λ/115(1mm)
缝隙5和6的长度：λ/7(17mm)
从缝隙5和6到电路区域4的距离：λ/46(2.5mm)
从馈电元件2的端部到电路区域4的距离：λ/230(0.5mm)
从寄生元件3的端部到电路区域4的距离：λ/115(1mm)
为了实现空间分集效应，第一和第二天线需要布置为彼此横跨大于λ/4的间隔。通过形成彼此不同的第一和第二天线的极化方向，可以获得极化分集效应。
应该注意，当布置在板1的两侧上的第一和第二偶极天线用作分集天线时，发生双天线耦合。由此，当测量一个天线的特性时，另一个天线应该连接到50Ω的无反射终端电阻上。结果，可以抑制双天线耦合的影响。
如上所述，本实施例的无线电设备的天线具有天线元件(馈电元件2和寄生元件3)与电路区域4之间的缝隙5和6。在这种构造中，天线元件2和3与电路区域4之间的电容变得大于其中不设置缝隙的构造的电容。由此，天线特性较少受到电路区域4的影响。
应该注意，可以在设置缝隙5和6的区域中填充低电容率材料。在这种情况下，虽然低电容率材料不受具体限制，但是可以使用以下材料。注意，这些材料的相对电容率
在1kHz-1MHz下是约2.1-2.7。
PTFE(聚四氟乙烯[4])
PEP(四氟乙烯/六氟丙烯共聚物[4，6])
ETFE(四氟乙烯/乙烯共聚物)
PFA(四氟乙烯/全氟乙烯醚共聚物)
PCTFE(聚三氟氯乙烯[3])
此外，PVDF(聚亚乙烯氟[2])可以用作低电容率材料。但是，PVDF的相对电容率在1kHz-1MHz下是约6.4-7.7。因此，在使频带变窄时使用PVDF较有效。
接着，将参照图10-13解释形成缝隙的技术优点。图10是对于本实施例的天线的史密斯圆图。这里，在1GHz-4GHz内测量50Ω系统的特性。图上的点A、B和C分别表示当无线电信号是2.5GHz、2.6GHz和2.7GHz时的特性。
图11是示出对于本实施例的天线的VSWR的图。注意，图11中的VSWR对应于图10的史密斯圆图。在图11中，频率在横轴，而VSWR在纵轴。VSRW是用于表示天线的反射波的指标。换言之，优选地，天线在VSWR具有较小值的范围内使用。在此示例中，天线在“VSWR<2”的频带(对应于“谐振频带”)中使用。
当使用本实施例的天线时，“VSWR<2”的频带在约2.4-3.0GHz内。当由以上等式(1)计算时，频带宽度特性是约百分之22。
图12是不设置缝隙时的史密斯圆图。该图上的点D、E和F分别表示当无线电信号是2.5GHz、2.6GHz和2.7GHz时的特性。相比如图10所示的特性点A-C，特性点D-F变化更显著。具体而言，特性点F所在位置远离图的中心。
图13是示出不设置缝隙的情况的VSWR的图。注意，如图13所示的VSWR对应于图12的史密斯圆图。如图13所示，当不设置缝隙时，“VSWR<2”的频带在约2.45-2.65GHz内。当由以上等式(1)计算时，频带宽度特性是仅约百分之8。
如上所述，采用本实施例的天线的无线电设备具有更宽的谐振频带。由此，即使由于无线电波环境的改变引起谐振频带漂移，也可以在优选的特性状态下传输/接收无线电信号。换言之，天线较少受到存在于天线周围的导体(例如金属桌)的影响。可以减小用于收纳天线的壳体的厚度，结果，能够以低价实现具有较高设计自由度、较少变动和较高精度的天线。
应该注意，在以上示例中，馈电元件2和寄生元件3沿着板1的不同侧布置；但是，本发明的天线不限于此构造。如图14所示，每对馈电元件2和寄生元件3可以例如沿着板1的相同侧布置。注意，在这种构造中，优选地，每对馈电元件2和寄生元件3中的一对形成在表面层上，另一对形成在背层上。
此外，虽然以上实施例的无线电设备包括偶极天线，但是本发明不限于此构造。换言之，本发明可应用于具有其他形式的天线(例如蝴蝶结天线)。
此外，以上示例示出了其中在天线元件2和3与电路区域4之间设置缝隙5和6的构造；但是，本发明不限于此。换言之，本发明可应用于其中在天线元件2和3与位于天线元件附近的金属构件之间设置具有比板1更低电容率的低电容率区域的构造。例如，当用于覆盖电路区域4的屏蔽盖21设置在板1上时，如图15A所示，可以在天线元件2(3)与屏蔽盖21之间的区域中设置缝隙5(6)。当如图8所示板1被收纳在壳体(金属盖)23时，如图15B所示，可以在天线元件2和3与壳体23之间的区域中设置缝隙7。注意，在这种情况下，可以通过切除板1的端部来形成缝隙7。
如上所述，无线电设备的一个方面用于无线电通信，并包括天线、电路和板，电路连接到天线，天线和电路安装在板上，并且在天线与电路之间的至少一部分中不存在板而存在具有比板更低的电容率的材料。
在此构造中，在天线与电路之间存在具有比板更低的电容率的材料。由此，天线与电路之间的电容变大，并可以抑制天线与电路之间电磁波的影响。因此，天线较少受到电路的影响，并且因此改善了天线的特性。
无线电设备的另一个方面用于无线电通信，并包括天线、板和金属盖，天线安装在板上，金属盖用于覆盖板的至少一部分。在天线与盖之间的至少一部分中不存在板而存在具有比板更低的电容率的材料。
在此构造中，在天线与盖之间存在具有比板更低的电容率的材料。由此，天线与盖之间的电容变大，并且天线较少受到电路的电磁影响。因此，可以改善天线的特性。
根据这些构造，可以提供一种无线电设备，其包括具有较宽的谐振频带的天线。
本申请基于2007年8月31日递交的在先日本专利申请No.2007-226327并要求享受其优先权，其整个内容通过引用而被包含于此。
Claims (8)
1.一种无线电设备，其用于无线电通信，所述无线电设备包括：
天线；
电路，其连接到所述天线；和
板，所述天线和所述电路安装在所述板上，并且在所述天线与所述电路所安装的部分之间的区域中存在穿透所述板的缝隙，并且所述缝隙填充有具有比所述板更低的电容率的材料，其中
所述天线包括形成在所述板的第一表面上的馈电元件和形成在所述板的第二表面上的寄生元件，并且
连接到所述馈电元件的信号线和连接到所述寄生元件的GND线形成在所述板的不同层中以彼此靠近来维持特定阻抗。
2.根据权利要求1所述的无线电设备，其中
具有比所述板更低的电容率的所述材料是存在于形成在所述板上的缝隙中的空气。
3.根据权利要求1所述的无线电设备，其中
具有比所述板更低的电容率的所述材料是PTFE、FEP、ETFE、PFA、PCTFE或PVDF。
4.根据权利要求1所述的无线电设备，其中
所述天线在不具有辐射的零讯号部分处固定在所述板上。
5.一种无线电设备，其用于无线电通信，所述无线电设备包括：
天线；
板，所述天线安装在所述板上；和
金属盖，其用于覆盖所述板的至少一部分，
其中，所述板在所述天线与所述盖所安装的部分之间的区域中存在穿透所述板的缝隙，并且所述缝隙填充有具有比所述板更低的电容率的材料，
所述天线包括形成在所述板的第一表面上的馈电元件和形成在所述板的第二表面上的寄生元件，并且
连接到所述馈电元件的信号线和连接到所述寄生元件的GND线形成在所述板的不同层中以彼此靠近来维持特定阻抗。
6.一种天线，其设置在安装有用于无线通信的电路的板上，所述天线包括：
馈电元件，其形成在所述板的端部上；和
寄生元件，其形成在所述板的端部上，
其中，所述板在所述馈电元件与其中形成所述电路的电路区域之间的区域和所述寄生元件与所述电路区域之间的区域中的至少一个区域中具有穿透所述板的缝隙，并且所述缝隙填充有具有比所述板更低的电容率的材料，并且
连接到所述馈电元件的信号线和连接到所述寄生元件的GND线形成在所述板的不同层中以彼此靠近来维持特定阻抗。
7.根据权利要求6所述的天线，其中
所述材料是空气。
8.根据权利要求6所述的天线，其中
所述馈电元件和所述寄生元件的长度彼此不同。
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