CN102918709B - 天线馈入结构及天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线馈入结构，该天线馈入结构具有一低频环、一中频环以及一高频环，并且在中频环自身的电感与中频环的电容元件之间产生共振，其中该天线馈入结构配置以利用所述环的面积及该电容元件的值来调节共振频率，从而使得该天线具有宽频带特性，并可进一步易于设计具有所需频带的天线。

Description

天线馈入结构及天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种用于提供自天线辐射的RF信号的馈入结构及利用该馈入结构的天线。

背景技术

天线为一种用于接收一终端内空气中的RF信号并将该终端内的信号传输至外部的设备，并且在一无线装置中与外界通信时，天线为一必需元件。

图1为显示根据现有技术天线的配置的图式。参见图1，根据现有技术的天线10包括馈入单元11以及辐射器12a和12b。在根据现有技术的天线10中，该馈入单元11直接连接至所述辐射器12a和12b，并且由该馈入单元11提供的信号通过所述辐射器12a和12b被传输至外部。此时，无线通信装置的接地可用作辐射器12a和12b，或者所述辐射器12a和12b可配置为独立辐射器。或者，独立辐射器可用作一辐射器12a，以及接地可用作另一辐射器12b。

在根据图1的天线中，由于该馈入单元11仅以电学方法而不是一独立的馈入结构将电信号直接提供至所述辐射器12a和12b，因此该天线的性能低于具有馈入结构的天线的性能。

图2为显示根据现有技术的具有馈入结构的天线的图式。参见图2，根据现有技术的天线20包括馈入单元21、辐射器22a和22b以及导线24，用以形成馈入环25。

根据图2的天线20利用导线24形成馈入环25，并因此可通过磁耦合而不是电学馈入来进行馈入。因此，与没有馈入环25的图1中的天线10的性能相比，此天线的性能提高。然而，尽管天线具有该馈入环25，但是在高频域内性能降低。以下将详细描述。

如果由馈入单元21提供的RF电流流过馈入环25，则产生等量磁流。该等量磁流I_m表示为如数学表达式1所示。

[数学表达式1]

I_ml＝jωμSI(ω)

在数学表达式1中，I_ml表示具有长度l的等量磁流，ω表示RF电流的角频率，μ表示磁导率，S表示馈入环的面积，以及I(ω)表示由该馈入单元提供的RF电流。

馈入环25产生的等量磁流I_m可认为是该馈入环25产生的磁通量，并且该馈入环25产生的磁通量与该等量磁流Im具有如数学表达式2所示的关系。

[数学表达式2]

I_m＝-jωψ

在数学表达式2中，ψ表示该馈入环25产生的总磁通量。

另一方面，该馈入环25产生的总磁通量可表示为如数学表达式3所示。

[数学表达式3]

$\mathrm{\ψ}=\∫\stackrel{\→}{B}\·\stackrel{\→}{\mathrm{ds}}\≈B\·S$

$=L\·I=L\frac{V}{R+\mathrm{j\ωL}}$

$\∝\frac{1}{\mathrm{\ω}}$

根据数学表达式3，可以理解的是，随着由馈入单元21提供的RF电流的频率增加，该馈入环25产生的总磁通量的量减小。也就是说，馈入环25产生的总磁通量的量减小意味着等量磁流I_m减小。因此，由于等量磁流I_m在高频处减小，从而RF信号无法有效供至辐射器22a和22b，从而图3所示的天线的性能在高频处降低，并因此频带变窄。

然而，现有技术的天线未提出一有效馈入结构用以提高天线的性能，并且藉由改变辐射器的设计，主要尝试设计具有优良特性的天线。

然而，为了提高天线的特性，如果辐射器的形状变复杂，则制造成本将增加，并且无法正确控制通过辐射器的元件改变天线的特征，并因此天线设计本身变的更为复杂且困难。

发明内容

技术问题

因此，本发明鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种馈入结构以及利用该馈入结构的天线，其中该天线可用作一宽频带天线同时具有简单的形状。

解决方案

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种天线馈入结构，该天线馈入结构具有一低频环、一中频环以及一高频环，并且通过环自身的电感与中频环的电容元件产生共振，并且该利用该环的面积及该电容元件的值来控制共振频率。

发明有益效果

具有根据本发明的馈入结构的天线具有宽频带特性，同时具有简单的结构。

附图说明

图1为显示根据现有技术天线的配置的图式；

图2为显示根据现有技术的具有馈入结构的天线的图式；

图3为显示根据本发明实施例应用该馈入结构的天线的图式；

图4为显示根据本发明馈入结构的各种实施例的图式；

图5(a)为显示根据现有技术应用馈入结构的天线的实例的图式；

图5(b)为显示根据本发明应用馈入结构的天线的第一实施例的图式；

图6为对比根据图5(a)的天线以及根据图5(b)的天线的特性的图式；

图7为显示根据本发明应用馈入结构的天线的第二实施例的图式；

图8为显示根据本发明应用馈入结构的天线的第三实施例的图式。

具体实施方式

本发明包括第一环、第二环以及第三环，其中该第一环包含馈入单元和电容元件，该第二环包含该电容元件以及直接连接该电容元件两端的导线，该第三环包含该馈入单元和该导线，并且该第二环的共振频率优选由该第二环的面积及该电容元件的电容值确定。

本发明实施型态

图3为显示根据本发明实施例应用该馈入结构的天线的图式。如图3所示，根据本发明的天线包括馈入单元31、辐射器32a和32b、包含该馈入单元31和电容元件38的第一环36、包含该电容元件38和导线34的第二环35以及包含该馈入单元31和导线34的第三环37。

此时，由于每个环(第一环36、第二环35和第三环37)为用于将RF信号供至所述辐射器32a和32b的结构，因此其可称为馈入结构。

以下描述根据图3的天线的工作原理。

由于在低频域内第一环36阻抗增加，电流主要流向第三环37，并且主要由第三环37产生的磁通量被供至辐射器32a和32b。

此外，由于在高频域内第三环37阻抗增加，电流主要流向第一环36，并且主要由第一环36产生的磁通量被供至辐射器32a和32b。

同时，在中频内，由第二环35提供的电感以及由电容元件38提供的电容产生共振，并且主要由该共振产生的磁通量被供至辐射器32a和32b。

如上所述，由于根据本发明的天线具有三个环以在不同频域内产生强磁通量，从而可实现宽频带馈入。

以下详细描述中频域内产生的共振。

首先，产生共振的频率可表示为如数学表达式4所示。

[数学表达式4]

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{f}C}}$

在数学表达式4中，f表示共振频率，L_f表示由电流环提供的电感，C表示电容元件38的电容。

同时，由电流环提供的电感可表示为如数学表达式5所示。

[数学表达式5]

$L_f\≈\mathrm{\μ}\×\sqrt{S}$

在数学表达式5中，μ表示磁导率，以及S表示该电流环的面积。

因此，藉由调节对应于中频域的电流环的第二环35的面积以及电容元件38的电容，可决定用于产生共振的频率。

结果，如果应用根据本发明的馈入结构，该天线可具有宽频带特性，并且可调节该带的中心频率，并因此该天线可在所需频带内具有宽频带特性。

图4为显示根据本发明馈入结构的各种实施例的图式。参见图4，显示了馈入结构的各种形式，并且所有馈入结构具有下述的本发明的特性。

也就是说，形成三个环，并且第一环41为对应于高频的环并包括馈入单元和电容元件。第二环42为对应于中频的环并包括该电容元件和连接该电容元件两端的导线(或感应元件)，以及第三环43为对应于低频的环并包括该馈入单元和连接该馈入单元两端的导线。

尽管图4显示了一些实例，这些实例没有连接至馈入源的匹配元件，但是匹配元件可连接至该馈入源。此时，该匹配元件为具有电抗分量的集总电路元件(电感器或电容)，并且其串联或并联至该馈入源。

同时，对应于中频的第二环42应在所需频率处满足共振条件，并且仅通过电流环或通过电流环及集总电路元件(感应元件)提供用于满足该共振条件所需的电感。此时，通过该第二环42的面积确定由该电流环提供的电感。由该电流环和感应元件提供的总电感表示为如数学表达式6所示。

[数学表达式6]

L_total＝L_f+L_lump

在数学表达式6中，L_total表示总电感，L_f表示由电流环提供的电感，以及L_lump表示由感应元件提供的电感。

因此，如果通过集总电路元件(感应元件)以及通过电流环提供电感，有关共振频率的数学表达式4可表示为如数学表达式7所示。

[数学表达式7]

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{\mathrm{total}}C}}$

图5(a)为显示根据现有技术应用馈入结构的天线的实例的图式。

图5(a)所示的天线为应用图2所示的馈入结构的天线的实例。

应用根据现有技术的馈入结构的天线包括馈入单元511、辐射器512a、用于提供地电位并用作一辐射器的接地面512b以及用于形成馈入环515的导线514。

图5(b)为显示根据本发明应用馈入结构的天线的第一实施例的图式。图5(b)所示的天线为应用图4(a)所示的馈入结构的天线的实例。

根据该实施例的天线包括馈入单元521、辐射器522a、用于提供地电位并用作一辐射器的接地面522b、包含馈入单元521和电容元件528的第一环526、包含电容元件528和导线524的第二环525以及包含馈入单元521和导线524的第三环527。

此时，由于每个环(第一环526、第二环525和第三环527)为用于将RF信号供至辐射器522a和522b的结构，因此其可称为馈入结构。

具有根据本发明的馈入结构的天线的共振频率可通过下述方法控制。

首先，如果利用数学表达式5对图5(b)所示的天线计算第二环的电感，将如数学表达式8所示。

[数学表达式8]

$L_f\≈\mathrm{\μ}\×\sqrt{S}=4\mathrm{\π}\×{10}^{-7}\×\sqrt{5\×6\×{10}^{-6}}=6.9\mathrm{nH}$

此外，如果利用数学表达式4计算第二环的共振频率，将如数学表达式9所示。

[数学表达式9]

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×\sqrt{0.6\×{10}^{-12}\×6.9\×{10}^{-9}}}=2.47\mathrm{GHz}$

图6为对比根据图5(a)的天线以及根据图5(b)的天线的特性的图式。

如图6所示，可以理解的是，相对于根据现有技术的天线，根据本发明的天线具有宽频带特性。此外，在通过数学表达式7计算的2.47GHz附近共振频率处实际产生共振。因此，由于具有根据本发明的馈入结构的天线不仅具有宽频带特性，还可根据需求控制共振频率，可易于设计具有所需频带的天线。也就是说，藉由改变第二环的面积及电容元件的电容，可设计具有所需频带的天线。此外，如果自第二环的面积产生的电感较小，具有所需频带的天线可设计为添加感应元件至该第二环。

图7为显示根据本发明应用馈入结构的天线的第二实施例的图式。

根据该实施例的天线70包括接地71和用作辐射器的电容72，间隙73，该间隙为接地71被移除的区域，以及形成于该间隙73内的馈入结构700。

同时，该馈入结构700包括第一环710、第二环730以及第三环720。该第一环710包含馈入单元75和电容元件74。同时，该第二环730包含电容元件74以及用作导线的接地71。此外，该第三环720包含馈入单元75以及用作导线的接地71。

根据本实施例的馈入结构700还包括对应于低频环的第三环720、对应于中频环的第二环730以及对应于高频环的第一环710，并且通过该第二环730的面积以及电容74的电容确定共振频率。

图8为显示根据本发明应用馈入结构的天线的第三实施例的图式。

根据本实施例的天线80显示了辐射器82a和82b分离于馈入结构800的情况。也就是说，尽管所述辐射器82a和82b分离于该馈入结构800，但是所述辐射器82a和82b(或者连接至所述辐射器82a和82b的辐射环84)及馈入结构800可通过由该馈入结构800产生的磁通量而耦合。因此，该馈入结构800可以电磁方法将RF信号供至所述辐射器82a和82b。

根据本实施例的天线80的馈入结构800包括第一环810、第二环820以及第三环830，其中该第一环810包含馈入单元81和电容元件83，该第二环820包含电容元件83和导线，以及该第三环830包含馈入单元81和该导线。

根据本实施例的馈入结构800还包括对应于低频环的第三环830、对应于中频环的第二环820以及对应于高频环的第一环810，并且通过该第二环820的面积以及电容83的电容确定共振频率。

基本上，本发明涉及一种馈入结构，在包括馈入单元和辐射器的天线结构中，该馈入结构可更有效地将自馈入单元输入的RF信号传至辐射器。因此，在所述本发明中，该馈入单元包括馈入源和用于阻抗匹配的匹配电路。例如，用于阻抗匹配的电抗元件可连接至该馈入源，并且在这种情况下，该馈入源和该电抗元件可称为馈入源。

尽管阻抗匹配电路可相似于本发明的馈入结构，但是对于熟悉本领域的人员显而易见的是，这仅对于阻抗变换，而非用于天线辐射器的激发的馈入结构。也就是说，本发明涉及一种馈入结构，其能藉由调节环的面积及该环内包括的电容的电容，更易于控制天线的特性。

工业应用

根据本发明的天线及馈入方法可用于无线通信装置的天线。

Claims (10)

1.一种天线馈入结构，用于天线辐射器的激发，其特征在于，该结构包含：

一第一环，包含一馈入单元和一电容元件；

一第二环，包含该电容元件和一导线，该导线直接连接该电容元件的两端，其中该第二环在天线的所需频带中产生共振；以及

一第三环，包含该馈入单元和该导线，其中

通过该第二环的面积以及该电容元件的电容值确定该第二环的共振频率。

2.如权利要求1所述的天线馈入结构，其特征在于，依据该第二环的面积，确定用于形成该共振频率的电感值。

3.如权利要求1所述的天线馈入结构，其特征在于，该第一环用作一高频电流环。

4.如权利要求1所述的天线馈入结构，其特征在于，该第三环用作一低频电流环。

5.一种天线馈入结构，用于天线辐射器的激发，其特征在于，该结构包含：

一第一环，包含一馈入单元和一电容元件；

一第二环，包含该电容元件和一感应元件，该感应元件连接至该电容元件的两端，其中该第二环在天线的所需频带中产生共振；以及

一第三环，包含该馈入单元和一导线，其中

通过该第二环的面积、该感应元件的电感值以及该电容元件的电容值确定该第二环的共振频率。

6.如权利要求5所述的天线馈入结构，其特征在于，依据该第二环的面积以及该感应元件的电感值，确定该第二环共振的电感。

7.如权利要求5所述的天线馈入结构，其特征在于，该第一环用作一高频电流环。

8.如权利要求5所述的天线馈入结构，其特征在于，该第三环用作一低频电流环。

9.一种天线，具有用于天线辐射器激发的天线馈入结构，其特征在于，该天线包含：

一馈入单元；

该天线辐射器；以及

该天线馈入结构，其中该天线馈入结构包括：

一第一环，包含该馈入单元和一电容元件；

一第二环，包含该电容元件和一导线，该导线直接连接该电容元件的两端，其中该第二环在天线的所需频带中产生共振；以及

一第三环，包含该馈入单元和该导线，其中通过该第二环的面积控制该天线的频带。

10.如权利要求9所述的天线，其特征在于，通过对应于该第二环的面积的电感以及对应于该电容元件的电容值的共振频率，控制该天线的频带。