CN101617441A - 单频或多频天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有一个或多个特定工作频率的发射/接收天线，包括：面向地平面(3)设置或要设置的至少一个金属元件(2)，以提供电容功能；电感元件(5)，其特征在于，所述金属元件(2)和所述电感元件(5)的整体尺寸小于λ/10，其中λ是工作波长，所述金属元件(2)和所述电感元件(5)共同限定在相应于所述工作波长的所述频率上谐振的电路，金属元件(2)具有不连续点，在工作过程中，所述不连续点是辐射损耗的起源。

Description

单频或多频天线

技术领域

本发明涉及一种单频或多频天线，更具体地，涉及可被安装在便携式通信设备中的天线。

背景技术

天线是便携式通信设备不可缺少的元件。

移动无线应用的发展以及新电信标准的发展意味着能被安装在不同类型的硬件上的天线的有用性。

因此，人们寻求天线的解决方案，特别是在尺寸、容量和重量方面的解决方案。

近年来，天线的微型化已在科学界和工业界引起风靡。

现有已知的天线的解决方案是具有平面形金属辐射结构(planar metalradiant structure)的所谓的“贴片(patch)”天线。尤其知道折叠式“贴片”天线或者具有槽的“贴片”天线。

然而，这些结构中的金属模型具有典型的尺寸，该尺寸是操作波长(例如半波结构，四份之一波结构，等等)的一部分，从而这些天线仍然保持着特别大的体积。

发明内容

本发明提出一种天线的解决方案，其可具有多频微型结构，且能够以简单方式及低成本进行制作。

本发明提出一种具有一个或多个特定工作频率的发射/接收天线，该发射/接收天线包括：面向地平面设置或要设置的至少一个金属元件，以提供电容功能；电感元件，其特征在于，所述金属元件和所述电感元件的整体尺寸小于λ/10，其中λ是工作波长，所述金属元件和所述电感元件共同限定在相应于所述工作波长的所述频率上谐振的电路，金属元件具有不连续点，在工作过程中，所述不连续点是辐射损耗的起源。

本发明还涉及一种包括至少该种所述发射/接收天线的通信设备。

此外，本发明提出一种制造发射/接收天线的方法，该天线包括：面向地平面设置或要设置的至少一个金属元件，以提供电容功能；电感元件，其特征在于，金属元件和电感元件的整体尺寸小于λ/10，其中λ是工作波长，在同一个金属箔中的单独部分中切割出所述金属元件和所述电感元件。

附图说明

通过下面的描述本发明的其他特征和优点将变得更加清楚，下面的描述是纯说明性的和非限定性的，并且应该参考附图阅读下面的描述，其中：

图1说明有三个谐振电路的天线的电路图；

图2说明三频天线与透明(transparente)的激励探头的适应性响应；

图3说明三频天线与具有电力效应的激励探头的适应性响应；

图4说明根据本发明的单频天线；

图5说明单频天线的几个示例性解决方案；

图6说明具有三个谐振器/三频率的天线示例；

图7说明具有频率捷变的三频天线的电路图；

图8说明对于第一组参数具有频率捷变的单频天线的适应性响应；

图9说明对于第二组参数具有频率捷变的单频天线的适应性响应；

图10说明具有频率捷变的单频天线；

图11说明根据第一实施例的三频天线；

图12说明根据第二实施例的三频天线；

图13说明根据本发明的三频天线在2.36GHz的适应性和传播时的响应曲线；

图14说明根据本发明的三频天线在5.04GHz的适应性和传播时的响应；

图15说明根据本发明的三频天线在8.31GHz的适应性和传播的响应。

具体实施方式

整体结构/模型设计

图1说明合理的天线解决方案的电路图。

该天线包括n个辐射谐振器(n是大于或等于1的整数)，每个谐振器由一些定位(localized)元件构成，这些定位元件共同限定像RLC谐振器一样模型化的结构。

当n大于1时，这些谐振器是并联的。此时，如图1示，其是一个三频天线，包含并联的三个RiLiCi谐振器(i＝1，2，3)。

更确切地，每个谐振器包括定位金属元件，定位金属元件与地平面形成电容效能Ci(i＝1，2，3)。

地平面构成电容元件的参考极板(reference plate)。

定位金属元件有这样的特性：在表面是不辐射的，但具有不连续点(discontinuites)(例如在边缘上)，不连续点是是辐射损耗的起因。

在附图1中，由电阻Ri(i＝1，2，3)模拟金属元件具有的不连续点上的“辐射损耗”功能。

此外，每个谐振器还包括限定电感功能的一个或多个定位元件。

特别地，在如图1所示具有多个谐振器的结构的情况下，不同的谐振器包括公共的电感部分(电感功能L)，该电感部分与专用于每个谐振器的不同的电感部分串联(电感功能Li-L，其中，Li相应于谐振器i的电感值)。

谐振器由激励探头(excitation probe)供电。

在多个谐振器并联的情况下，通过公共电感部分L将该探头与专用于每个谐振器的电感部分Li-L连接。特别要选择接点P，以使天线与实际的参考阻抗值Z0匹配，并且该匹配适用于天线的所有工作频率。注意，由此得到的Z0必需小于{Ri}中的最小值。

在图1中通过值为Lsonde的电感元件建立模型的情况下，激励探头可以产生额外的电感效应。

当图1中的天线匹配时，三个RiLiCi电路(i＝1，2，3)以与其谐振频率接近的频率工作。

本领域普通技术人员知道，并联RiLiCi电路的谐振频率通过1/(2π(LiCi)1/2)给出，其中，Li和Ci分别是以亨利(Henry)(H)表示的电感值和以法拉(Farad)(F)表示的电容(电容器)值。

此处，由于公共电感部分L，三个谐振电路没有完全被分离，因此它们的工作频率并不正好是专用于每个谐振器的谐振频率。

图2表明图1所示的天线在工作频率为2.45GHz(ml)、5.15GHz(m2)和8.00GHz(m3)下的适应性响应。参考阻抗Z0被定为50Ω。电容器的值为C1＝0.55pF、C2＝0.20pF和C3＝0.15pF，电感元件的值为L1-L＝5.58nH、L2-L＝3.65nH，L3-L＝2.10nH和L＝1.95nH，电阻元件的值为R1＝750Ω，R2＝850Ω，和R3＝950Ω。

在该示例中，激励探头具有通过电感量Lsonde＝0.00nH模拟的零电效应，因此探头是电可透过的，所以在天线的输入处没有增加任何电力元件。

然而实际上，激励探头可以引起非零的电感效应。

当激励探头引起非零的电感效应时(这里Lsonde＝1.00nH)，图3中给出了三频天线的适应性响应。

通过调节各元件的值，使工作频率与图2中的频率相同。得出图3结果的天线各元件的值为C1＝0.55pF、C2＝0.22pF、C3＝0.28pF、L1-L＝5.55nH、L2-L＝3.00nH、L3-L＝0.90nH、L＝2.25nH、R1＝750Ω、R2＝850Ω和R3＝800Ω。

应该注意，匹配不是完全与图2中的天线获得的匹配一致，参数S11的值(反射系数的模数)稍微不同。

单频天线的情况

图4示出符合上述原理的单频天线的示例。

电容功能和辐射

通过设置由介电介质(空气或任意其它的介电材料)分开的相对的两个金属极板获得电容功能Ci。

这些极板中的一个(极板2)形成具有不连续点(在该情况下，为边缘)的金属元件，这些不连续点是辐射损耗的源头。

因此，辐射现象是由不连续点引起的，在不连续点处于电容元件的周界的情况下，通过与电容Ci并联的所见电阻Ri来构建该源头。

辐射与开放的传导结构上的不连续点的存在相关联，由于周围介质附近的耦合电磁场(典型地自由空间)，这些不连续点将会是在该结构上的损耗处。

这些极板中的另一个(极板3)构成地平面，被视为电容元件的参考极板。

电容功能的尺寸参数是极板形状(2D表面、3D形状)、它们的尺寸、它们的间距以及介于它们之间的介电介质(空气或其它介电材料，同质或非同质的介质)的特性。

选择电容的物理尺寸，特别是极板2的物理尺寸，以便相对于与谐振器的谐振频率相应的波长λ极板的物理尺寸保持非常小(通常尺寸小于λ/10)，这引起元件的半定位(semi-locallized)甚至定位的特点。

通常，是极板2的尺寸决定天线的尺寸。因此，正如我们将要理解的那样，元件的全定位甚至半定位的特点有利于得到小尺寸的天线。

电感元件

通过具有尺寸特性的导电元件5获得电感元件，从而优选该元件的电感特性。

例如，其可以在一很窄的导电结构中形成的导电带，相对于λ其物理长度也保持非常小，从而使得该元件同电容元件一样，可以具有半定位甚至全定位的特性。一般地，元件的尺寸参数是其形状系数和维数(二维甚至三维表面)。

将具有电感特性的导体元件5的端部连接到两点上，这两个点分别位于由辐射元件2和地平面3形成的电容元件的两个极板的每个极板上。

这就给出了一个用于并联RiLiCi型谐振器的电路图。

激励电路

为了给天线供电，将激励电路1与电感元件5上的以P表示的点连接，以便将该元件分成两段，从而，该两段的尺寸导致具有分别为电感值L亨利和Li-L亨利的电感元件。因此，如前所述，很清楚地表明是几何形状引起电感效应。

为了使得在谐振器输入处得到的阻抗等于Z0，选择点P的位置。然后，匹配天线，并且元件以目标频率辐射(从电的角度看，谐振电路在谐振)。

激励电路1例如可以是同轴探头，同轴探头的中心线6在P点上与电感元件5连接(焊接)，且外部圆柱形导体1被连接(焊接)在地平面3上。

应该注意，在电容元件和电感元件之间可以并联多个安装电路。

可能的配置示例

在图5中，根据极板2的多个几何形状，给出具有单个谐振器的单频天线的几个示例性解决方案，其是作为说明性的而非限定性的。

事实上，根据本发明，谐振器可呈多种形状，这样可以有利地增加天线集成的可能性。

多频天线的情况

通信系统可以根据一些标准工作，如：微波存取全球互通(WiMAX)、无线保真(WIFI)、移动通讯系统(GSM)及通用移动通信系统(UMTS)，等等。这些标准中的每个标准可以工作于多个频率(多频带系统)。

结构

通过并联组合如上述的多个谐振器获得多频天线，它们中的每个谐振器相应于特定的工作频率。

图6中给出的是具有三个谐振器的天线的示例(相应于三个不同频率的频带)。

每一个天线包括对所有谐振元件公共的地平面3。

具有辐射边缘的极板2与地平面3相对，从而形成电容元件C1、C2和C3。

每个极板2通过电感元件5与激励电路相连接。

介于点P和极板2之间的元件5的不同部分形成值分别为L1-L、L2-L和L3-L的电感元件。对三个谐振器公共的元件5的电感部分L与地平面3相连接。

极板2和电感元件5最好形成在一个单独的结构中，这可以简化这种天线的制作。

可选择地，极板2、由电感部分L和Li-L(i＝1，2，3)组成的电感元件5和地平面3形成于单独且相同的结构中。

如将要理解到的，在该种设置中，由于这些谐振器共享同一个电感部分L，所以谐振器并没有被完全地分离。显然，天线的工作频率与不同谐振器的谐振本征频率不完全符合。因而，选择对所有电感公共的点P，以便在Z0处实现天线匹配，其适用以所有的工作频率。

点P的位置也可以限定用于与每个谐振器相关联的电感元件的元件5的各部分的尺寸。

频率捷变

刚刚描述过的天线的解决方案可以具有能方便实施的频率捷变。

天线的频率捷变可以根据多个值来调节一个(或多个)天线工作频率，这样可增加集成这种天线的系统的使用的可能性。

通过对谐振器的反应元件Li或Ci中的一个“进行行动”而获得频率捷变。

例如在图7中，说明具有频率捷变的天线的框图，示出三个可变电容Cvari(i＝1，2，3)，这些可变电容分别与每个电容Ci(i＝1，2，3)并联安装。例如可变电容可以在[0.00pF；0.50pF]范围内调节电容值。因此，每个RiLiCi电路的电容元件的可变性使得每个电路能具有可变化的谐振频率，其不损坏天线匹配(也就是说不改变输入阻抗)，但是事先要专门选择元件。

当然，同样的原理适用于“单谐振器”天线的情况。

在图8中说明具有可变频率的单谐振器天线的适应性响应。工作频率为1.97G赫兹，可变电容被调节至Cvar1＝0.50pF，其它电路元件值为C1＝0.50pF、L1-L＝4.85nH和L＝1.95nH和R1＝750Ω。

在图9中，说明具有Cvar1＝0.00pF的与图8中的天线同样天线的适应性响应。工作频率为2.84GHz。

当然，可以对电容以外的其它参数(可变电感等)起作用来获得频率捷变。

最好添加一个与电容元件并联的电子元件，该电子元件在一可变电源电压的作用下将产具有电容效应，该电容效应是其本身特有的且可变化的，从而可得到期望的效果。

许多电子元件带有这样的特性，例如变容二极管或肖特基二极管。

在图10中说明具有频率捷变的单频天线的示例性应用，具有电容效应的二极管10与由金属元件2和地平面3构成的电容元件并联连接。

生产方法

可以考虑多个制造方法。

这些方法应该简单以降低天线的成本。

一个既简单又经济的技术解决方案包括使用根据天线的几何形状特别是谐振器的几何形状预先切割的金属箔。

金属箔是一个厚度较薄的金属薄片(零点几毫米)。

根据第一实施例，首先根据极板2和电感元件5的几何形状切割金属箔。然后折叠薄片，并将其焊接在地平面3之上的元件5的电感部分L的下端。根据该第一方式，地平面3与构成天线的所有其它组成元件无关联。

图11表示一结构示例，其将在金属箔70中被切割，该结构由粗实线的周线划界，其中，以单独并相同的结构切割辐射元件2和包括与每个谐振器以及L相关联的各个值为Li-L(i＝1，2，3)的电感部分的电感元件5。

在该示例中这样得到的天线是三频天线。

在该第一实施示例中，应该理解，分离地制作地平面(形成电容元件的参考极板)；例如，其是一便携装置的外壳，该外壳与装置的地线相连。

在箔片70中切割出由辐射元件2和电感元件5构成的结构之后，例如沿虚线71折叠，以便通过焊接点，方便地与其在与图7中由标记为72的元件表示的地平面的支撑连接。激励探头将被连接到点P。

根据第二实施例，在同一金属箔中形成构成地平面3的参考极板以及极板2和包括与每个谐振器以及L相关联的各个值为Li-L(i＝1，2，3)的电感部分构成的电感元件5。因而，地平面采用一个与天线的其它元件的属性相同的材料。

在图12中，以粗实线说明金属箔70，其中元件2和5被切割。有影线的部分是箔片将被用作为地平面的部分。将沿虚线71和73折叠获得的结构，以使得，一方面地平面将面向辐射元件2面，另一方面来“调节”辐射元件2和地平面之间的距离。在形成地平面的箔片部分中钻出一开口74，以使激励探头的中心能够通过，其端点将被连接到点P及地平面3上的外部圆柱形导体。

样品

为了验证已经描述的天线的原理，制造了一些样品，并在适应性和传播方面进行了测试。

图13，14和15阐明三频天线样品的适应性和传播响应。该三频天线样品以非常好的匹配工作于2.36G赫兹(GHz)、5.04G GHz及8.31GHz(约为-20分贝的反射系数S11的模数，甚至更低)。还对天线的传播进行了测试，也就是说，通过在天线和每个频率上的优化的偶极线(wire dipole)之间建立无线连接进行的测试。

通过在天线和在天线的每个工作频率上的偶极线之间建立无线连接对天线的传播进行测试，其间有20cm的距离。

图13，14和15中，传播响应S21的点m2表示天线以其工作频率辐射。

根据本发明的天线可以优选地集成于所有多频带多频率系统中，对于这些系统来讲，尺寸和成本的标准是主要的。

特别地，本发明的天线特别适合于机载系统，如移动终端或其它无线通信系统。

此外，由于天线的尺寸，该天线可以极佳地用于多天线系统的情况，在该情况下，需要多个天线的网络(MIMO(多输入多输出)系统、智能天线系统，等等)。

Claims (15)

1.具有一个或多个特定工作频率的发射/接收天线，该发射/接收天线包括：

·面向地平面(3)设置或要设置的至少一个金属元件(2)，以提供电容功能；

·电感元件(5)，

其特征在于，所述金属元件(2)和所述电感元件(5)的整体尺寸小于λ/10，其中λ是工作波长，所述金属元件(2)和所述电感元件(5)共同限定在相应于所述工作波长的所述频率上谐振的电路，金属元件(2)具有不连续点，在工作过程中，所述不连续点是辐射损耗的起源。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述电感元件(5)的至少一部分(Li-L)为金属带，所述金属带是具有金属元件(2)的单独部分并使所述金属元件(2)延伸。

3.根据上述权利要求中任一所述的天线，其特征在于，所述天线是单频天线且包括单个谐振器电路。

4.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述天线是多频天线且包括并联安装的多个谐振器电路。

5.根据组合的权利要求2和4所述的天线，其特征在于，不同的金属元件(2)和延伸金属元件的金属带是具有形成对全部谐振器公共的电感部分(L)的金属带的单独部分。

6.根据上述权利要求中任一所述的天线，其特征在于，所述至少一个金属元件(2)、延伸金属元件的金属带和地平面(3)被构成为单独部分。

7.根据上述权利要求中任一所述的天线，其特征在于，所述天线包括能够控制至少一个谐振器的频率捷变的部件。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，在至少一个谐振器的电容元件上并联设置所述能够控制频率捷变的部件。

9.根据权利要求7或8所述的天线，其特征在于，所述能够控制频率捷变的部件包括至少一个电子元件，以使得在可变电源的作用下，所述电子元件具可变电容效应。

10.根据权利要求7至9中任一所述的天线，其特征在于，所述能够控制频率捷变的部件是变容二极管或肖特基二极管。

11.根据上述权利要求中任一所述的天线，其特征在于，所述天线是通过连接在对所有谐振器公共的点(P)上的激励探头部件来供电的。

12.一种通信设备，其特征在于，该通信设备包括如上述任一权利要求限定的至少一个发射/接收天线。

13.一种发射/接收天线的制作方法，该天线包括：

·面向地平面(3)设置或要设置的至少一个金属元件(2)，以提供电容功能；

·电感元件(5)，

其特征在于，金属元件(2)和电感元件(5)的整体尺寸小于λ/10，其中λ是工作波长，在同一个金属箔中的单独部分中切割出所述金属元件(2)和所述电感元件(5)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还在同一个金属箔中切割出所述地平面(3)，将由此形成的结构进行折叠，以使得地平面(3)面向金属元件(2)。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，独立于所述金属元件并独立于所述电感元件来制作所述地平面。

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