CN101443953A - 具有频率抑制的、用于数字地面电视的紧凑便携天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携紧凑天线，其由在第一频带内工作的第一偶极型辐射元件形成，并且包括差分供电的第一传导臂(1)和至少一个第二传导臂(20)，被称为冷臂的第一臂形成电子卡的至少一个外壳，被称为热臂的第二臂在供电的层面上链接到所述冷臂。根据本发明，所述热臂(20)包括至少一个狭缝(40)，其在诸如GSM波段的第二频带内谐振。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携紧凑天线，具体地涉及一种被设计来在诸如膝上型计算机、PDA(个人数字助理)或者需要天线来接收电磁信号的任何其他类似装置的便携电子装置上接收电视信号的天线，特别是涉及数字信号的接收。
背景技术
在当前的配件市场上，存在可以在膝上型计算机上直接地接收地面数字电视(TNT)的信号的多种设备。在膝上型计算机上接收地面数字电视信号可以受益于所述计算机解码数字图像的计算能力，特别是用于解码以MPEG2或者MPEG4格式的数字图像流的计算能力。频繁地以具有两个接口的单元的形式在市场上销售这种设备，所述两个接口即：一个RF(射频)无线电接口，用于连接到内部或者外部VHF-UHF天线；以及USB接口，用于连接到所述计算机。
当前在市场上的装置一般由在承载USB连接器的单元上安装的独立天线构成，所述独立天线诸如鞭型天线或者环型天线。
在2005年4月20日提交的法国专利第0551009号中，申请人提出了一种紧凑的宽带天线，其覆盖整个UHF波段，并且由偶极型天线构成。这种天线与可以连接到(特别是通过使用USB型连接器而连接到)便携装置的电子卡相关联。
具体地，在法国专利申请第0551009号中描述的天线包括差分供电的第一和第二传导臂，所述臂中的被称为第一臂的一个臂形成电子卡的至少一个外壳。优选的是，第一臂具有盒子形状，其中插入了包括有偶极型天线所接收的信号的处理电路的电子卡。这些电路经常连接到USB型连接器，所述USB型连接器使得能够连接到膝上型计算机或者任何其他类似的装置。已经在2005年8月1日以本申请人的名义提交的法国专利申请第0552401中提出了对于这种天线的改进，其显著地使得能够获得分集。
而且，在与本申请同日提交并且名称为“Portable compact antenna forterrestrial digital television(用于地面数字电视的便携紧凑天线)”的法国专利申请中，描述了热臂的一个新的实施例，所述热臂由在绝缘基底上实现的U形传导元件构成，并且可以在该U形元件的分支之间包括在VHF波段内工作的第二辐射元件。
在上述专利申请中所提出的、专用于地面数字电视(TNT)的便携接收的方案经历与蜂窝电话GSM系统的干扰。
几个原因导致产生这个问题：
1.GSM发送波段(880-915MHz)接近UHF波段的上限(862MHz)。事实上，与DVB-H系统相反，当已经确定将这些系统的UHF广播波段限制在高频698MHz以用于DVB-T中的TNT广播时，可以使用所有的UHF频道，因此可以使用最高频道。
2.与便携TNT接收器的灵敏度(大约-80dBm)相关联的、由蜂窝电话发出的电平之间的大差别(原理上，允许2瓦特＝33dBm的ERIP(等效辐射全向功率))。
3.而且，在便携情况下，并且特别是为了保证在以下前提下的接收：即，“室内”(其中，信号经历与多径相关联的衰落和用于在建筑物内(pentrate)穿透的附加衰减)，通过在TNT接收器的输入端加上低噪声放大器LNA(低噪声放大器)来寻求改善接收器的灵敏度阈值。这种放大器的出现增加了使得所述接收器饱和的风险。
4.便携电话的大量使用增加了靠近GSM发射器的可能性。另外，用于TNT的便携接收的准全向模式天线的使用增加了捕获GSM信号的机会。
用于减少与GSM系统的干扰这个问题的第一解决方案可能在于：将滤波器布置在接收器的输入端，使得能够抑制所述GSM波段。但是，这种低通或者陷波滤波器因为下述原因而不容易实现：
i)极其接近要从有用UHF波段的顶部中抑制的波段，这利用这种滤波器的非常高的抑制系数(非常高阶的滤波器≥11极(pole))
ii)要求这种滤波器紧凑，以能够将其包含在USB密钥内。事实上，所要求的抑制越高，则滤波器的尺寸越大。
而且，使用对GSM波段具有高抑制性的滤波器表示：位于UHF波段的顶部的频率也经历衰减。
发明内容
因此，本发明提出了一种天线解决方案，其特别符合尺寸以及UHF与VHF波段接收的限制，并且使得能够抑制接近这些频带的发送频带，诸如GSM波段。
因此，本发明涉及一种便携紧凑天线，其由在第一频带内工作的第一偶极型辐射元件形成，并且包括差分供电的第一传导臂和至少一个第二传导臂，被称为冷臂的第一臂形成电子卡的至少一个外壳，被称为热臂的第二臂在供电的层面上链接到所述冷臂。按照本发明的一个特性，所述热臂包括形成滤波器的至少一个狭缝，所述狭缝蚀刻在所述热臂的传导部分内并且设计其尺寸使得在第二频带内谐振。如上所述的狭缝的使用通过以这种方式修改谐振频率的当前分布来消除所述天线的初始辐射，使得在该特定频率处能够获得抑制，并且因此使能了其抑制。
按照一种优选实施例，所述狭缝是在热臂的传导部分内蚀刻的U形狭缝，该传导部分能够由U形元件构成，所述U形元件是在绝缘基底上实现的，如在与本申请同日提交并且名称为“Portable compact antenna for terrestrial digitaltelevision”的法国专利申请内所述的。
为了在特定频率处获得谐振，所述狭缝的总长度特别等于λg/2，其中，λg是所述狭缝内的导波波长(guided wavelength)，λg＝λ0/√εreff，并且εreff是通过所述狭缝看上去的材料的等效介电常数。
按照一个特定实施例，所述第一频带是UHF波段(在470和862MHz之间的波段)，所述第二频带是GSM波段(在880和915MHz之间的波段)。
根据使得能够放大和/或改善在第二频带内的抑制的本发明的其他特性，所述热臂包括：蚀刻在所述热臂的传导部分内的几个不同长度的狭缝，使得每个狭缝在不同的频率处谐振，这使得能够放大所述第二频带的抑制。按照另一种方案，可以修改所述狭缝的末端使得其在两个不同长度的狭缝内终止。在这种情况下，所述狭缝在两个接近的频率处谐振，这使得能够放大所述抑制波段。
根据本发明的另一个特性，当通过其中蚀刻了所述狭缝的传导U形元件来实现所述第二臂时，如在与本申请同日提交的所述法国专利申请中所述的，可以在所述传导U形元件的分支之间实现由被折成弯曲状的传导元件构成的第二辐射元件。在这种情况下，设计所述第二辐射元件的尺寸以使其工作在第三频带内，诸如VHF波段，具体地是VHF-III(174-225-230MHz)。
附图说明
在阅读了不同实施例的说明后，本发明的其他特征和优点将明显，本说明书是参考所包含的附图而被实现的，其中：
图1是以申请人的名义在法国专利第05 51009内所述的天线的概略透视图。
图2是天线的第一实施例(诸如图1的天线)的概略透视图。
图3是根据本发明的天线的第一实施例的概略透视图。
图4示出了在频带400MHz-1000MHz内仿真的图3的天线的实部和虚部。
图5是在天线输出端的阻抗匹配电路的概略图示。
图6示出了图3的天线的效率曲线。
图7示出了通过仿真按照图3的天线而获得的增益和方向性曲线。
图8示出了根据本发明的由狭缝提供的天线的效率的偏移。
图9表示根据本发明的天线的第二实施例，该天线具有GSM抑制并工作在UHF和VHF波段内。
图10示出了图9的天线的辐射效率。
图11是与图9的天线一起使用的阻抗匹配电路的概略图示。
图12示出了图10的天线的效率曲线。
图13示出了图10的天线的增益和方向性曲线。
图14示出了通过仿真按照图10的天线而获得的分别在UHF和VHF波段内的辐射图案。
图15、16、17、18和19示出了根据本发明的天线的实施例变型。
图20是与根据本发明的天线一起使用的电子卡的图示。
为了简化说明，相同的元件具有与附图相同的附图标号。
具体实施方式
参考图1，首先说明可以用于在膝上型计算机或者类似装置上接收地面数字电视的偶极型天线的实施例，如在以申请人的名义提交的法国专利申请第0551009号中所述的。
如图1所示，该偶极型天线包括也被称为冷臂的第一传导臂1和也被称为热臂的第二传导臂2，两个臂通过位于每个臂的一个末端的联结区3彼此连接。
具体地，臂1明显地具有盒子形状，其特别地能够容纳电子卡，将随后说明电子卡的实施例。所述盒子具有明显矩形的部分1a，其通过逐渐地展开以便逐渐地辐射能量的弯曲部分1b延伸，这在较宽的频带上改善了阻抗匹配。臂1的长度L1明显地等于λ1/4，其中λ1是在中央工作频率的波长。因此，臂1的长度L1接近112毫米，以在UHF波段(在470和862MHz之间的波段)内工作。
如图1所示，天线包括第二臂2，其围绕销子3旋转安装，所述销子3也是天线到信号处理电路的连接点，即，天线到被插入由臂1形成的盒子内的、未示出的电子卡的连接点。通过金属带，诸如同轴电缆或者类似的电缆，来进行天线的电气连接，而旋转销子由相对可透射电磁波的材料制成。
如图1所示，可以围绕销子3联结的臂2具有特别等于λ1/4的长度L1。臂2也具有弯曲的轮廓，其后接着平坦的矩形部分，使得在闭合位置臂2能够完全地面对臂1折回。臂2相对于臂1在3处旋转地安装，这使得能够改变臂2的方向，以便优化电视信号的接收。
参考图2，现在描述偶极型天线的另一实施例，该实施例是在与本申请同日提交并且名称为“Portable compact antenna for terrestrial digital television”的专利申请的主题
如图2所示，所述天线包括：第一臂1，其被称为冷臂，具有盒子形状；以及第二臂，其被称为热臂，其通过联结3连接到臂1。在此情况下，热臂由在绝缘基底20上实现的、传导材料的U形元件21构成。按照非限定性实施例，所述基底由被覆盖了铜层的、被称为“KAPTON”的材料构成，蚀刻所述铜层以实现所述U形元件。
如上所述，冷臂和热臂每个具有明显等于λ1/4的长度L1，其中，λ1表示在中央工作频率处的波长。因此，U21的每个分支具有明显等于λ1/4的长度。
如图2清楚所示的，在联结3的层面上，所述U形元件通过诸如金属带的电子连接元件而链接到被插入到由冷臂1形成的盒子内的、未示出的电子卡。因此，设计图2的天线的尺寸使其工作在UHF波段。
现在参考图3来说明根据本发明的紧凑天线的第一实施例。该天线因此包括第一臂1或者冷臂，其像图1和2的冷臂1一样具有以传导材料制成的、能够容纳电子卡的盒子形状。冷臂1通过被称为热臂的第二臂扩展，在所示的实施例中，所述热臂与图2的热臂20具有相同的类型。以更具体的方式，热臂20由在绝缘基底上实现的U形传导元件21构成。作为示例，可以将U形传导元件21蚀刻到在覆盖“Kapton”基底的金属层中。在进行电气连接的层面上，该热臂20通过销子3而旋转地连接到冷臂1。为了在UHF波段工作，即接收地面数字电视(TNT)信号，如图1和图2所示地，设计臂1和20的尺寸。根据本发明的一个实施例，在热臂20的U形传导元件21上实现狭缝40。设计该狭缝的尺寸以便在围绕给定频率(即，在本发明的一个实施例中为GSM频率)的窄波段内谐振。更具体地，狭缝40是按照传导元件21的U形形状的U形狭缝。所述狭缝的总的电长度大致等于λg/2，其中，λg是狭缝内的导波波长，使得λg＝λ0/√εreff，εreff是通过狭缝看上去的材料的等效介电常数。另外，狭缝的宽度使得能够适配抑制级别。
在频带(400MHz-1000MHz)内在基于矩量方法(moment method)的电磁软件IE3D上仿真图3的天线。在示出了天线的实部和虚部的图4内示出了仿真结果，其示出了在900MHz处谐振。
已经通过在天线的电子卡和低噪声放大器之间使用如图5所示的阻抗匹配电路来执行另外的仿真。该电路包括：在天线输出端A和点p之间串联地布置的12pF的电容器C1；在点p和地之间布置的42nH的自阻抗L1；在点p和到电子卡的LNA的连接点p1之间串联地布置的1.6pF的第二电容器C2；以及在点p1和地之间布置的、由1pF的电容器C3和14nH的自阻抗L2形成的并联LC电路。
使用图3的天线和图5的阻抗匹配电路实现的仿真已经给出了在图6和图7内所示的效率、增益和方向性曲线。图6的曲线D1示出了：使用阻抗匹配单元，在UHF波段内天线的总的效率大于65％，并且很好地接收GSM波段，这是因为在900MHz附近的效率介于在1和10％之间。曲线D2示出了在900MHz周围对天线的辐射效率的抑制。而且，图7的曲线D3示出了在UHF波段内天线的0dBi左右的增益和在GSM波段周围(即大约900MHz)在10dB和20dB之间的抑制。
事实上，所实现的仿真示出了必须将抑制频带的中心重新定位在900MHz左右。事实上需要说明用于实现所述装置的技术，特别是用于实现第二臂的材料的介电常数。在图8内给出的结果示出了：在厚度1毫米和相对介电常数εr等于3的塑料材料的情况下，相对于在相对介电常数εr＝1的材料上蚀刻的狭缝，由U形狭缝提供的天线的辐射效率向低频偏移，通过对于宽度1毫米且总长度小于理论长度的狭缝考虑等于1.2的介电常数而获得的中心重新定位。
以下面的方式来说明这种现象。
因为天线的长度依赖于εeff，因此，如果在空气中进行设计，则狭缝的长度是λ0/2。对于在狭缝周围添加的塑料，εeff不再是1，而是例如2(在空气的εr和塑料的εr之间的混合值)。因此，对于相同的狭缝物理长度，所述长度在电气方面更大，并且其谐振频率更小。为了纠正该问题，减少狭缝的长度已足以将其重新调整到正确的谐振频率。
参见图9-14，现在说明本发明的第二实施例，其也使得能够在诸如VHF波段的第三频带内工作。像在与本发明同日提交的法国专利中所提出的，该实施例提出在热臂的U形传导元件的分支之间实现由被折成弯曲状的传导元件构成的第二辐射元件。设计该传导元件的尺寸以使其在VHF频带(具体地是VHF-III频带(174-230MHz))内工作。因此，弯曲的传导元件的总的电长度等于k*λ2/2-L1，其中，λ2是第三频带的中央频率的波长，L1是冷臂的长度，k是表示第三频带的谐波的正整数。在图9所示的实施例内，所述天线包括冷臂1和热臂20，仅仅示出了冷臂1的一部分，在连接操作电路的层面上，由联结3实现所述两个臂到操作电路的连接。在绝缘基底上，所述热臂20包括U形传导元件21，在该U形传导元件21中已经蚀刻了U形狭缝40，就像图2的实施例那样。按照该实施例，在U形传导元件21的分支之间实现了弯曲的传导元件50。在此情况下，定形弯曲的元件50使得具有最小长度的弯曲的部分50’与分支21平行，这是因为在U形导体的边缘内和在所述弯曲内循环的垂直方向的电流大大地减少了耦合。这在图10的曲线所示的仿真结果得到确认，图10的曲线给出了图9的天线的效率。
而且，为了优化在三个频带内的结果，在天线A和低噪声放大器LNA之间布置了如图11内所示的阻抗匹配电路。
所述阻抗匹配电路包括：在天线的输出点p’和地之间布置的2pF的电容器C’1；在点p’和点p’1之间串联地布置的35nH的自阻抗L’1；在点p’1和地之间布置的35pF的第二电容器C’2；在点p’1和到LNA放大器的连接点p’2之间布置的第二自阻抗L’2；以及在点p’2和地之间布置的第三自阻抗L’3。
在图12内，曲线D’1示出了使用图11的阻抗匹配电路的、图9的仿真天线的效率。因此获得大于65％的效率，并且在900MHz左右(GSM波段)具有良好的抑制。曲线D2表示在900MHz左右获得的对天线的辐射效率的抑制。
在图13内，曲线C’3示出了：UHF波段内天线的0dB附近的增益；900MHz左右的GSM波段内10dB和20dB之间的抑制；以及VHF波段内-10dBi级的增益。而且，图14示出了图9的仿真天线在VHF波段和UHF波段内的辐射图案。这些图案示出了天线辐射的全向特性。
图15-17示出了根据本发明的天线的不同实施例变型。
在图15内，第二辐射元件50’由弯曲的传导元件形成，改变了各弯曲之间的距离。在此情况下，减小了区50’的长度，并且可以限制在该区与U形传导元件21的分支之间的耦合。
在图16内，蚀刻在U形传导元件21内实现的狭缝40’，使得以平行地形成两个狭缝元件40’A和40’B的方式来折弯在每个分支内形成的狭缝部分。这种解决方案使得能够在所述U形元件的分支的上部增加表面面积。这涉及在U的分支内的狭缝的更紧凑的变型。
图17相应地示出了根据本发明的天线的另一实施例的透视图以及热臂的径向部分。在此情况下，在塑料基底20内，实现了两种天线样式，即U形传导元件21和第二辐射元件50。按照该实施例，额外的塑料材料的厚度60被置于在U形传导元件21内实现的狭缝(未示出)上。天线的其他部分，即冷臂1和联结区与图1或者图2的冷臂1和联结区相同。
图18和19示出了抑制狭缝的实施例变型。在图18内，已经在包含第二辐射元件50的热臂20的U形传导元件21内蚀刻了三个不同长度的狭缝40、41和42。这三个具有不同电气长度的狭缝40、41和42在不同的频率上谐振。因此有可能加宽GSM波段的抑制。
图19示出了在U形传导元件上实现的狭缝40的末端。在此情况下，所述末端被划分为两个不同长度的部分40A和40B。所述狭缝因此在两个频率上谐振，其使得能够放大抑制频带的宽度。
因此，如上所述的各种非限定性实施例可以获得低成本的可移动的紧凑天线，诸如USB密钥，其覆盖整个UHF波段，并且可能覆盖VHF-III波段，同时使得能够良好地抵抗与蜂窝电话GSM系统的干扰。
参考图20，现在说明尺寸为70-80毫米乘以15-25毫米的电子卡的实施例，所述电子卡可以引入到由冷臂1形成的盒子中，并且可以连接到天线。该电子卡100包括低噪声放大器101，在联结3的层面上，天线的同轴电缆连接到所述低噪声放大器101。LNA 101连接到内含的调谐器102，所述调谐器102用于处理VHF波段和UHF波段。调谐器102连接到解调器103，解调器103的输出连接到USB接口104，USB接口104本身连接到USB连接器105。因此，该系统有可能将天线连接到膝上型计算机或者任何其他显示元件的USB输入端，这特别使得能够在计算机、PDA或者任何其他便携装置上接收地面数字电视。
对于本领域内的技术人员而言显而易见的是：可以修改如上所述的实施例，特别是关于必须简单地满足如上所述的长度、宽度和间隙的标准的狭缝和/或弯曲的形状和布置。而且，为了获得分集，可将至少两个具有如上所述的特性的热臂连接到冷臂的末端。
Claims (10)
1.一种便携紧凑天线，其由在第一频带内工作的第一偶极型辐射元件形成，并且包括差分供电的第一传导臂(1)和至少一个第二传导臂(20)，被称为冷臂的第一臂形成电子卡的至少一个外壳，被称为热臂的第二臂在供电的层面上链接到所述冷臂，其特征在于，所述热臂(20)包括形成滤波器的至少一个狭缝(40，41，42)，所述狭缝蚀刻在所述热臂的传导部分内并且设计其尺寸使得在第二频带内谐振。
2.根据权利要求1的天线，其特征在于，所述热臂由在绝缘基底上实现的U形传导元件(21)构成。
3.根据权利要求1或者2的天线，其特征在于，所述狭缝(40)是U形狭缝。
4.根据权利要求3的天线，其特征在于，所述狭缝的总长度明显等于λg/2，其中，λg是所述狭缝内的导波波长，λg＝λ0/√εreff，并且εreff是通过所述狭缝看上去的材料的等效介电常数。
5.根据权利要求1-4之一的天线，其特征在于，所述热臂包括在所述热臂的传导部分内蚀刻的几个不同长度的狭缝(40，41，42)。
6.根据权利要求1-5之一的天线，其特征在于，所述狭缝的末端由至少两个不同长度的平行狭缝元素(40A，40B)构成。
7.根据权利要求1-6之一的天线，其特征在于，所述第一频带是UHF波段(在470和862MHz之间的波段)，并且所述第二频带是GSM波段(在880和915MHz之间的波段)。
8.根据权利要求2-7之一的天线，其特征在于，在所述热臂上在所述U形传导元件的分支之间实现在第三频带内工作的第二辐射元件(50)。
9.根据权利要求8的天线，其特征在于，所述第二辐射元件由被折成弯曲状的传导元件构成。
10.根据权利要求7和8之一的天线，其特征在于，设计所述传导元件的尺寸以在VHF波段内工作。
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