CN101601165B - 用于小型便携式通信装置的天线元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于便携式通信装置的天线元件以及一种包括这种天线元件的便携式通信装置。所述天线元件(18)包括导电材料线,所述导电材料线具有第一馈电端和第二馈电端(26,28),用于连接到无线电通信单元和接地。该线也具有绕组部段(22),绕组部段(22)包括围绕中心轴线(36)的多个匝(29,30,32)。设于距第一馈电端(26)最远处的绕组部段(22)的最后一匝(30)与前一匝(32)物理接触,且其余匝(32,29)彼此分开。
Description
技术领域
本发明涉及与小型便携式通信装置有关的天线领域,且更特定而言,涉及一种用于便携式通信装置的天线元件和一种包括这种天线元件的便携式通信装置。
背景技术
小型便携式通信装置被提供为如移动电话的较大便携式通信装置的附件,这样的小型便携式通信装置在许多情况下与这样的较大便携式通信装置无线通信。存在多种这样的通信技术,其中一种主要技术是蓝牙TM技术。但也存在其它技术,如UWB(超宽带)。
如果无线通信装置较小,则需要在这些装置场领域内的天线非常小。对于使用例如根据蓝牙TM通信协议的短距离高频通信的许多装置,常常是这种情况。一般蓝牙TM装置的实例是头戴式耳机(如流式音频头戴式耳机和语音头戴式耳机)、免提装置、音乐播放器和像机,其使用蓝牙TM与例如蜂窝电话通信。因此,常常需要这些装置较小,同时能在特定频带内工作,且在蓝牙TM的情况下为2.45GHz或更高。
这种小型便携式通信装置的天线主要位于靠近身体处。人体很有效地吸收无线电能量并且使得天线失谐。因此,靠近人体的天线的效率大都很差。对于诸如头戴式耳机这样的无线装置,这是一个常见问题。
为了克服这个问题,先前方案包括诸如PIFA天线的定向天线。另一方案描述于EP 1416585中。此处,围绕电路板周围设置环形天线。这种天线能有效地工作,因为它远离身体来导向它的能量。
这在小型便携式通信装置固定到使用者身体上的情况下是非常好的,因为然后辐射通常总是远离使用者身体而辐射。
但这种便携式通信装置可能不是设计成附连到身体上,而是可能诸如通过悬挂于绳上而相对于身体松弛地设置,使用者可能将该绳绕其颈部佩戴。在这种情况下,小型便携式通信装置可相对于身体具有任何随机方位,这说明,如果便携式通信装置相对于天线的方位是错误的,那么辐射可被导向到人体,因而造成浪费。而且,可能失去与想要接触的其它装置的接触。
因此,对于小型且可能以随机方式佩戴的装置,天线不应再是定向的,因此必须提供另一方案。
除了熟知的传统天线参数外,靠近人体随机定位的良好性能的天线应具有以下性质:
·在相关频率范围中足够大的带宽
·在比相关频率范围带宽更大带宽上良好的效率
·在人体与天线本身之间足够大的有效距离
·基本上全向天线方向性
因此需要一种天线方案来解决上文所提到的问题中的一或多个问题。
发明内容
本发明一般而言旨在允许在小型便携式通信装置中提供改进的内置天线。
本发明是基于以下认识:对于包括内置天线的小型便携式通信装置,通常被称作天线的元件仅对来自装置的辐射的一部分有贡献,其中影响这种辐射的其它元件为装置的更大导电元件,诸如带有构件的底盘和电路板。这些更大元件或质量块然后电容耦合和/或电感耦合到这样的天线元件。因此通常被认为是天线的天线元件实际上充当这种质量块的激励器。那么问题在于如何使这些质量块更高效地辐射。
因此,本发明旨在提供这样的天线元件,其使得能提供改进的天线。
因而本发明的一个目的在于提供一种天线元件,其允许在小型便携式通信装置中提供改进的天线。
根据本发明的第一方面,这个目的通过一种用于便携式通信装置的天线元件来实现,这种天线元件包括:
导电材料线,其具有第一馈电端和第二馈电端,用于连接到无线电通信单元和接地,
所述线具有绕组部段,所述绕组部段包括围绕中心轴线的多个匝,
其中设于距第一馈电端最远处的最后一匝与前一匝物理接触,且其余匝彼此分开。
本发明的第二方面是针对于包括第一方面特点的天线元件,其中所述最后一匝与前一匝之间的接触区域设于最后一匝的远端。
本发明的第三方面是针对于包括第一方面特点的天线元件,其还包括返回部段,所述返回部段接合到所述绕组部段的最后一匝的远端,且平行于所述中心轴线朝向并经过第一匝引回。
本发明的第四方面是针对于包括第三方面特点的天线元件,其中所述返回部段设于所述绕组部段匝的内侧。
本发明的第五方面是针对于包括第三方面特点的天线元件,其中所述第二馈电端设于距所述返回部段接合到所述绕组部段的位置最远的返回部段的端部,且在所述馈电平面中平行于所述第一馈电端,所述馈电平面垂直于所述中心轴线。
本发明的第六方面针对于包括第一方面特点的天线元件,其中所述第一馈电端设于所述输入部段中,所述输入部段连接到所述绕组部段的第一匝。
本发明的第七方面是针对于包括第一方面特点的天线元件,其中第一匝在所述中心轴线的方向上以第一距离与最后一匝间隔开,且所述绕组部段的所有匝以至少第二距离与所述中心轴线间隔开,以提供由至少所述第一距离和所述第二距离决定的三维天线元件体积。
本发明的第八方面是针对于包括第一方面特点的天线元件,其中所述匝具有圆形形状。
本发明的第九方面是针对于包括第一方面特点的天线元件,其中所述匝具有椭圆形状。
本发明的第十方面是针对于包括第一方面特点的天线元件,其中所述匝具有矩形形状。
本发明的另一目的在于提供一种小型便携式通信装置,其包括允许提供改进天线的天线元件。
根据本发明的第十一方面,这个目的由一种便携式通信装置来实现,所述便携式通信装置具有
无线电通信单元,
接地平面,
至少一个质量块,和
天线元件,所述天线元件包括
导电材料到线,所述导电材料线具有第一馈电端和第二馈电端,用于连接到无线电通信单元和接地,
所述线具有绕组部段,所述绕组部段包括围绕中心轴线的多个匝,
其中设于距所述第一馈电端最远处的最后一匝与前一匝物理接触,且其余匝彼此分开。
本发明的第十二方面是针对于包括第十一方面特点的便携式通信装置,其中所述绕组部段的最后一匝与前一匝之间的接触区域设于最后一匝的远端。
本发明的第十三方面是针对于包括第十一方面特点的便携式通信装置,其还包括返回部段,所述返回部段接合到所述绕组部段最后一匝的远端,且平行于所述中心轴线朝向并经过第一匝引回。
本发明的第十四方面是针对于包括第十三方面特点的便携式通信装置,其中所述返回部段设于所述绕组部段匝内侧。
本发明的第十五方面是针对于包括第十三方面特点的便携式通信装置,其中所述第二馈电端设于距所述返回部段接合到所述绕组部段位置最远的返回部段的端部,且在馈电平面中平行于所述第一馈电端,所述馈电平面垂直于所述中心轴线。
本发明的第十六方面是针对于包括第十一方面特点的便携式通信装置,其中所述便携式通信装置是无线通信终端的附件。
本发明具有许多优点。其使得能提供足够小以设于小型便携式通信装置中的宽带全向天线。此外,这种天线在自由空间和靠近使用者身体以及在较大频率范围上都是高效的。另外,其更为简单,且能以较低的成本生产。
应当强调的是术语“包括/包含”当在本说明书中使用时被理解为规定所陈述的特点、整体、步骤或构件的存在,但并不排除一或多个其它特点、整体、步骤、构件或其群组的存在或添加。
附图说明
现将关于附图更详细地描述本发明,在附图中:
图1示意性地示出身体上附有小型便携式通信装置的使用者以及与小型便携式通信装置通信的较大便携式通信装置,
图2示出根据本发明的天线元件的透视图,
图3示意性地示出在小型便携式通信中与两个质量块设置在一起的图2的天线元件,用于提供天线布置,以及
图4示出根据本发明的原理所提供的天线布置的效率相对于到使用者身体的距离的曲线图。
具体实施方式
图1示意性地示出附连到使用者10的第一小型便携式通信装置14。该装置14通过设于绳12上而相对于使用者10的身体松弛地设置,绳12绕使用者10的颈部松弛地悬挂。作为替代,其可利用夹子紧固到使用者上。第一小型便携式通信装置14被提供用于与第二较大便携式通信装置16通信。此处利用合适的短距离通信技术来提供通信,根据本发明的一个变型,这种技术为蓝牙TM。但本发明并不限于蓝牙TM,而是可使用其它合适的通信技术和通信频带,例如UWB(超宽带)频率范围。而且,本发明并不限于应用于这些范围,而是也可用于其它频率范围,诸如各种GSM频带、UMTS频带和WLAN频带。
利用这种第一小型装置14,能发送和接收诸如流式声音和语音的数据,以及提供关于第二较大装置16的不同类型的控制信号。因此,小型装置14具备天线。
由于第一装置14松弛地悬挂于使用者10身体上,因此天线的方位可能会改变。为了能允许合适的功能性,天线必须为全向的,并且应限制使用者身体所造成的干扰。天线还必须覆盖足够宽的频带,用于根据所希望的通信标准进行通信,且在这些频带中是高效的。
但这在小型便携式通信装置中并不容易进行,在小型便携式通信装置中,必要的天线元件必须较小。本发明旨在解决这个问题。
为了解决这个问题,本发明是基于以下认识:对于包括内置天线的小型便携式通信装置,通常被称作天线的元件仅对于来自装置辐射的一部分有贡献,其中影响这种辐射的其它元件为装置的更大导电元件,诸如具有构件的底盘和电路板。这些更大元件在下文中被称作质量块,其然后电容耦合和/或电感耦合到这种天线元件。通常被认为是天线的天线元件实际上充当这些质量块的激励器。因此本发明旨在提供这种天线元件或激励器,其使得这样的质量元件全向辐射,且在足够宽的频率范围更高效。
图2示出根据本发明的一个这样的天线元件或激励器的透视图,其被布置成设于图1所示的这种小型便携式通信装置内部。
此处天线元件或激励器18由导电材料线组成。线具有第一馈电端26与第二馈电端28,第一馈电端26与第二馈电端28被提供用于连接到无线电通信单元与接地。此处第一馈电端26设于激励器18的输入部段20中,其是成直线的,且接合到绕组部段22的第一匝29。绕组部段22包括围绕中心轴线36的线的多个匝29、30、32,且输入部段20平行于该中心轴线36伸展较短长度。因此,输入部段38基本上成直角接合到绕组部段22。
在图2所示的实施例中,匝29、30、32基本上为螺旋形,且因此绕组部段22的结构包括多个匝,这些匝可沿着中心轴线36逐渐向上移动。在图2中示出存在三个匝29、30、32。但应认识到,匝数可以变化。设于距第一馈电端26最远处的最后一匝30与前一一或者倒数第二匝32成物理接触。但其余匝彼此以间隙分开。以此方式,绕组部段在中心轴线36的方向上具有高度D1,其由匝数、线的截面积和匝之间的间隙决定。高度D1还提供在绕组部段22的第一匝29与最后一匝30之间的第一距离。而且在大部分最后一匝30与前一匝32之间还存在间隙。绕组部段22的所有匝29、30和32也与中心轴线36间隔开至少第二距离D2。在根据图2的实施例中,由于螺旋结构,因此每一匝29、30、32的每个点到中心轴线36具有此距离D2。而且,最后一匝30在其远端以大约九十度接合到返回部段24,返回部段24平行于中心轴线36成直线地朝向并经过第一匝29引回。此处,在最后一匝30与倒数第二匝32之间的接触区域或接触点34设于最后一匝30接合到返回部段24的点。而且,在图2中,返回部段24在绕组部段22的内侧延伸。作为替代,其也可在外侧延伸。返回部段24并不接触除了最后一匝30之外的其它匝中的任何一匝。
返回部段24最后止于馈电平面38中,馈电平面38垂直于中心轴线36。这个平面38设于距返回部段24接合到绕组部段22的位置最远处。第二馈电端28设于这个返回部段24端部,第二馈电端28以及第一馈电端26皆位于这个平面38中。
利用这种三维扩展的结构,天线元件18在轴线36方向上对于绕组部段22顶部向外具有较低阻抗,且在中心轴线36的相反方向上对于输入部段20和返回部段24具有较低阻抗,通常为大约50Ω。其还在从中心轴线36径向向外的方向上对于绕组部段22具有较高阻抗。而且,第一距离D1和第二距离D2决定元件18的实质上三维的元件体积。根据本发明,所有这些均用于提高包括根据本发明的元件18的天线的性质。
图3示意性地示出根据本发明原理的天线设于第一小型便携式通信装置14(示出为虚线圆筒)内。当然,该装置14可具有其它形状,如盒形。此处示出天线元件或激励器18设于装置14中央。还示出了中心轴线36。此处第一质量块40和第二质量块42沿着中心轴线36设于激励器18的相对侧。这些质量块40和42在中心轴线36的方向上与激励器18对准。在每个质量块40和42与激励器18之间还存在间隙。在图3中示出这些间隙相当大,以清楚地示出它们的存在。但应认识到,实际上它们一般远更小,以获得激励器18与质量块40、42之间的良好耦合。此处,第一质量块40具有例示性圆筒形状,而第二质量块42具有基本上平坦矩形形状。但应认识到,它们可具有任何合适形状。在此处所描述的例示性实施例中,第二质量块42由电路板组成,其具备在板中部的接地平面44,且具备无线电通信单元46,而第一质量块40由电池构成。因此,质量块由导电材料组成,且包括被提供用于装置操作的构件。应认识到,该板可具有除了无线电通信单元46之外的若干不同其它单元。但是,为了更好地描述本发明,在此省略了这些单元。
质量块40和44由通常用于装置14操作的各种导电部件组成。这些部件的实例是内部构件(电子、机械、电池、PCB等),但也可使用其它部件,如壳体和底盘的屏蔽导电部件。两个质量块的内部构件因此可被单独的金属壳体覆盖。而且,质量块中的至少一个可具有基本上三维的体积,其具有在垂直于中心轴线36的平面中面向并覆盖激励器18侧部的部段。
激励器18的第一馈电端和第二馈电端中的一个连接到无线电通信单元46,而另一个连接到接地44。哪一端连接到哪一个通常是无关紧要的。
利用质量块40和42相对于激励器18的上文所提到的方位,由于它们之间较低的阻抗,因此它们容易被激励器18所激励。耦合到靠近设置的质量块使得整个天线可得到其所希望的阻抗。主要经由绕组部段的缩短的最后一匝和激励器18的输入部段和返回部段在近场区域中发生耦合。由于质量块40或42中至少一个和激励器18皆被提供为三维结构,因而所得天线对于靠近使用者身体设置并不十分敏感。而且该结构允许提供覆盖宽频带的天线。因此这种天线使得能够提供在操作使用者身体附近具有良好RF性能的完全小型的RF(射频)无线装置。由于较大的带宽,因此除了使用蓝牙TM标准之外,对于UWB(超宽带)标准,这种天线也是非常好的。而且天线辐射是全向的。
图4示出曲线图,其示出所得天线相对于到身体的距离D的效率E,其中效率E以dB表达,且距离D以mm表达。如图可见,天线靠近身体时具有非常好的效率。其也具有良好的自由空间效率。
而且,这种天线还可具有较大的带宽,其可(例如)覆盖1.8-10.6GHz的频率。在这整个频带上,天线效率也是良好的。
天线元件也是简单的,且可通过较低成本生产,且使得能在小型便携式通信装置中提供天线。
本发明可通过许多方式而改变。上文所提到的线长度、线截面积、匝数以及第一距离和第二距离可基于所需要的频率和带宽而不同。但通常情况下,线长度——不包括最后一匝——适于对应于其所希望覆盖的带宽。在所描述的实施例中,绕组部段具有螺旋形状,即,匝围绕中心轴线基本上为圆形。但它们也可具有不同形状,如基本上为椭圆形和基本上为矩形。质量块在上文中还示出为沿着中心轴线耦合到激励器。但应认识到,一个质量块或两个质量块可经由绕组部段的侧面耦合,即垂直于中心轴线耦合到激励器。而且,激励器可耦合到仅一个质量块。鉴于本发明上文和先前提到的修改,应认识到,本发明仅受到下文权利要求书限制。
Claims (16)
1.一种用于便携式通信装置(14)的天线元件(18),其包括:
导电材料线,其具有第一馈电端和第二馈电端(26,28),用于连接到无线电通信单元和接地,
所述线具有绕组部段(22),所述绕组部段(22)包括围绕中心轴线(36)的多个匝(29,30,32),
其中距所述第一馈电端(26)最远设置的最后一匝(30)与前一匝(32)物理接触(34),且其余匝(29,32)彼此分开。
2.根据权利要求1所述的天线元件(18),其中所述最后一匝(30)与前一匝(32)之间的接触区域(34)设于所述最后一匝的远端。
3.根据权利要求1或2所述的天线元件(18),其还包括返回部段(24),返回部段(24)接合到所述绕组部段(22)的最后一匝(30)的远端,且平行于中心轴线(36)朝向并经过第一匝(29)引回。
4.根据权利要求3所述的天线元件(18),其中所述返回部段(24)设于所述绕组部段(22)匝内侧。
5.根据权利要求3所述的天线元件(18),其中所述第二馈电端(28)设于距所述返回部段(24)接合到所述绕组部段(22)的位置最远的所述返回部段(24)的端部,且在馈电平面(38)中平行于所述第一馈电端(26),所述馈电平面垂直于所述中心轴线(36)。
6.根据权利要求1所述的天线元件(18),其中所述第一馈电端(26)设于输入部段(20)中,所述输入部段(20)连接到所述绕组部段(22)的第一匝(29)。
7.根据权利要求1所述的天线元件(18),其中第一匝(29)在所述中心轴线(36)的方向上以第一距离(D1)与所述最后一匝(30)间隔开,且所述绕组部段(22)的所有匝(29,30,32)至少以第二距离(D2)与所述中心轴线(36)间隔开,以提供至少由所述第一距离和所述第二距离(D1,D2)决定的三维天线元件体积。
8.根据权利要求1所述的天线元件(18),其中所述匝为圆形。
9.根据权利要求1所述的天线元件(18),其中所述匝具有椭圆形状。
10.根据权利要求1所述的天线元件(18),其中,所述匝具有矩形形状。
11.一种便携式通信装置(14),其具有
无线电通信单元(46),
接地平面(44),
至少一个质量块(40,42),以及
天线元件(18),天线元件(18)包括
导电材料线,其具有第一馈电端和第二馈电端(26,28),用于连接到无线电通信单元(46)和接地(44),
所述线具有绕组部段(22),所述绕组部段(22)包括围绕中心轴线(36)的多个匝(29,30,32),
其中设于距所述第一馈电端(26)最远处的最后一匝(30)与前一匝(32)物理接触(34),且其余匝(29,32)彼此分开。
12.根据权利要求11所述的便携式通信装置(14),其中所述绕组部段(22)的最后一匝(30)与前一匝(32)之间的接触区域(34)设于所述最后一匝的远端。
13.根据权利要求11或12所述的便携式通信装置(14),其还包括返回部段(24),所述返回部段(24)接合到所述绕组部段(22)的最后一匝(30)的远端,且平行于所述中心轴线(36)朝向并经过第一匝(29)引回。
14.根据权利要求13所述的便携式通信装置(14),其中所述返回部段(24)设于所述绕组部段(22)匝内侧。
15.根据权利要求13所述的便携式通信装置(14),其中所述第二馈电端(28)设于距所述返回部段(24)接合到所述绕组部段(24)的位置最远的所述返回部段(24)的端部,且在馈电平面(38)中平行于第一馈电端(26),所述馈电平面垂直于所述中心轴线(36)。
16.根据权利要求11所述的便携式通信装置(14),其中,所述便携式通信装置(14)为无线通信终端(16)的附件。
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