CN103262341B - 低阻抗槽馈入天线 - Google Patents

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Abstract

阐释一种具有一开槽及被配置来共振的一元件的低阻抗槽馈入天线。该开槽的方向性被配置为使得开槽电流并非与关联于该元件的返回电流反向。如此有助于减少开槽与元件之间的耦合而有利于高Q天线。

Description

低阻抗槽馈入天线
相关申请
本案请求美国临时专利申请案第61/392,187号(申请日2010年10月12日)的优先权,该案全文以引用方式并入此处。
技术领域
本发明有关于天线领域,更明确而言有关于适合用在可携式装置的天线领域。
背景技术
业已发现低阻抗开槽馈线(Low Impedance Slot Feed,LISF)用在高Q天线元件来提供某些效果。举例而言,共同拥有的(且具共通发明人)PCT申请案第PCT/US10/47978号(申请日2010年9月7日)揭示LISF天线,该案内容全文以引用方式并入此处。
现有LISF天线具有如图1所示定向的开槽,馈线位于该开槽短路与该元件短路之间。更明确而言,天线系统25经配置来与设置在包括接地平面20的电路板15上的收发器22工作,因而提供通信系统10。元件50(经配置来于期望频率共振)包括体部56及短路至接地平面20的臂部58,同时开槽35的一端耦接至馈线30而第二端短路至接地平面。如此,于操作中,环绕该开槽形成电流回路,而该开槽与元件之间的耦接于该元件上形成相对应的电流。如图可知,图中详尽阐释的配置在开槽35与元件50之间形成相对较强力的耦合,且导致该馈线30两端的高电压。结果所得天线系统效能从图2A可知,该图包括作图80。
与元件50的耦合可借将开槽35移离元件短路或借增加该元件与该开槽之间的距离而予减少,两项调整的结果显示于图2B的作图81及82中。举例而言,于图2B作图81中,馈线从元件与接地平面之间的短路移离5毫米,而作图82将开槽移至更靠近接地平面1毫米,开槽与元件之间的距离增加0.5毫米。从图2A及图2B可知共振大小(馈线两端电压)可借馈线位置及开槽与元件之间的距离来控制。但若天线元件的Q够高而阻抗带宽要求为低,则可能无法将共振大小最佳化到只涵盖期望的频率跨距(例如提供最佳匹配),原因在于耦合为过强。如此,需作额外改良。
发明内容
阐释一种具有一开槽及被配置来共振的一元件的低阻抗槽馈入天线。该开槽的方向性(orientation)被配置为使得开槽电流所取第一路径并非与关联于该元件的返回电流所取第二路径反向。如此有助于减少开槽与元件之间的耦合而有利于高Q天线。于一实施例中,开槽借单独组件来设置。于另一实施例中,开槽设置于电路板的接地平面中。
附图说明
本发明于附图举例说明但非限制性,各附图之间类似的元件符号指示相似元件,且附图中:
图1显示配置成具有开槽电流与返回电流反向的低阻抗开槽馈线(LISF)天线的一实施例。
图2A显示图1所示天线的非匹配阻抗。
图2B显示图1所示天线的非匹配阻抗,其中对开槽位置有两项不同调整。
图3显示包括一元件及一开槽的转向低阻抗开槽馈线(ILISF)天线的一实施例。
图3A显示与图3所示开槽关联的开槽电流所取路径。
图3B显示与图3所示元件关联的共振电流及返回电流所取路径。
图4A显示类似图1所示天线系统的示意表示型态。
图4B显示类似图3所示天线系统的示意表示型态。
图5A显示类似图1所示天线而配置的天线实施例的阻抗作图。
图5B显示具有与图5A所使用天线相同的实体尺寸但具有如图3所示设置的短路及馈线的天线的阻抗作图。
图6A显示具有第一开槽方向性的天线配置的实施例。
图6B显示具有第二开槽方向性的天线配置的实施例。
图6C显示具有第三开槽方向性的天线配置的实施例。
图6D显示具有第四开槽方向性的天线配置的实施例。
图7A显示具有第一开槽方向性的天线配置的实施例,该开槽设置于接地平面。
图7B显示具有第二开槽方向性的天线配置的实施例,该开槽设置于接地平面。
图7C显示具有第三开槽方向性的天线配置的实施例,该开槽设置于接地平面。
图7D显示具有第四开槽方向性的天线配置的实施例,该开槽设置于接地平面。
图8显示包括一元件及由一块体所支撑的一开槽的ILISF天线的一实施例。
图9显示图8所示天线的阻抗作图。
图10显示包括由一块体所支撑的一元件及于接地平面中的一开槽的ILISF天线的一实施例。
图11显示图10所示天线的阻抗作图。
图12显示包括一元件及由一块体所支撑的一U型开槽的ILISF天线的一实施例。
具体实施方式
后文详细说明部分描述具体实施例且非意图受明确揭示的组合所限。因此,除非另行注明否则此处揭示的特征可一起组合而形成额外组合,为求简明,这些额外组合并未另行显示。
如所了解,业已确定减少开槽与高Q天线元件之间的耦合为有利。此项减少允许更佳地处理由高Q天线元件所产生的强力E场及H场。业已确定馈线与元件短路愈靠近则耦合强度增高,原因在于该处为流动最强电流之处。虽然将馈线移离元件中的短路有助益,但难以移动得够远,特别是当期望小型封装体时尤为如此。但业已确定借转向开槽位置可减少耦合,如图3例示说明的实施例所示。此种配置可称作为转向低阻抗开槽馈线(Inverted LowImpedance Slot Fed,ILISF)天线。
如图所示,通信系统包括安装在电路板115上的收发器122,该电路板115包括接地平面120。如已知,接地平面可包括多层且可使用通孔等耦接在一起,但为了方便描述而显示简化版本。收发器122可包括耦接至馈线130的传输线(图中未显示),馈线130耦接至开槽135一端。开槽135具有接地短路136,其允许电流朝向馈线130流回(形成电流回路)而提供开槽电流161或I开槽。该开槽与元件150之间的电压差造成开槽135与共振元件150的体部156之间的电容耦合162。电容耦合162产生共振电流163,即I共振,其沿元件150的臂部158向上行经体部156,及产生返回电流164,I返回沿开槽行进并沿接地平面朝向元件短路159行进。
与LISF天线相比,ILISF天线可提供开槽135与馈线130之间的减少耦合。减少耦合是通过具有于元件的低h场区域的馈线及通过转向开槽使得返回电流164不会直接施加在馈线两端这二者而予达成。借注意等效示意图,如图4A和图4B所示,最佳地例示了两个构思之间的电气差异。
元件以天线、L共振、C耦合及L返回表示,开槽以C开槽及L开槽表示,馈线以电压产生器表示,且匹配于本实例中显示为C匹配。从图4A的LISF示意表示型态可知,馈线平行于开槽而直接耦合在天线两端,结果导致强力耦合,其将随着L返回的增加而增高。示意地显示于图4B的ILISF天线并非直接耦合在馈线两端,而是耦合在L开槽与馈线的串列组合的两端,从而减低馈线两端的电压。
此种系统的效果显示于图5A及图5B,不匹配LISF(图5A)的阻抗与不匹配ILISF(图5B)的阻抗相比,使用相同尺寸的元件及开槽而只交换馈线与开槽短路的位置。开槽的方位及所在或多或少可如申请案第PCT/US10/47978号中针对标准LISF构思所述那样改变。如前述各实例,若开槽属天线结构的一部分,则开槽可沿电路板边缘还有垂直于电路板边缘移动,如图6A至图6D所示。
举例而言,图6A例示说明具有馈线130的开槽235,且该开槽与接地之间的短路相对较接近元件150与接地之间的短路。相反地,图6B例示说明这样的开槽235,该开槽与接地之间的短路相对较远离元件150与接地之间的短路。图6C例示说明开槽235被设置得远离元件150,使得开槽与接地之间的第一短路又更远离体部与接地平面之间的第二短路。及图6D例示说明一个实施例,此处开槽并非沿电路板边缘设置,而是设置在该电路板边缘内侧。如此,定位可以是实质上弹性的,虽然常见有利地使得开槽相邻电路板边缘,但此种设计并非必要。如所了解,此种变化预期影响天线的耦合及阻抗。
接地平面的开槽也可以不同形状及相对元件的不同位置来实施于电路板中,如图7A至图7D所示。元件仍然具有第一短路接地且显示为未受支撑,须了解实际上预期元件将借绝缘材料支撑。于这些实施例中,开槽具有耦接至馈线的开放端及界定开槽末端的闭合端。闭合端可介于馈线与第一短路之间。举例而言,图7A例示说明有一开槽335形成于接地平面的馈线230,且开槽的闭合端相对较接近元件150与接地平面之间的短路。相反地,图7B例示说明馈线230及开槽335形成于接地平面中,且开槽的闭合端相对较远离元件150与接地之间的短路。图7C例示说明这样的天线系统,该天线系统具有馈线230及非线性开槽335形成于接地平面,使得开槽的闭合端与元件150末端隔开,如此在该闭合端与元件150和接地平面间的短路之间提供又更大的距离。及图7D例示说明一个实施例,此处开槽延伸远离边缘(及元件)使得闭合端并非沿电路板边缘设置,而是设置在该电路板边缘内侧。如此,定位可以是实质上弹性的,虽然常见有利地使得开槽相邻电路板边缘,但此种设计并非必要。
图8至图12详尽阐释的实例用来例示说明ILISF构思的不同实施,且可针对ISM频带2.4GHz(2400MHz至2484.5MHz)为最佳化。但如所了解,所示设计例如可经由调整元件大小而用于不同的期望频率。一般而言业已确定下述为有利,借使用陶瓷来缩小边缘安装的天线的实体尺寸,因而可能实质上避免任何缩减电路板的需求(例如提供完全地面天线)。避免所述缩减的使用,这提供电路板设计上的额外弹性但非必要。举例而言,于一实施例中,电路板大小可以是约40毫米×100毫米,天线可安装在短边边缘,可能位于边缘中央。但如所了解,可使用任何具适当尺寸的电路板,且天线无需安装在所示位置。
例如图8阐释具有接地平面420(显示为遮盖整个顶面)的电路板415。如已知,接地平面可以多种方式设置于电路板,且可用绝缘层来覆盖,如此,所示配置为求容易了解而经过简化但非意图为限制性。天线系统425设置于电路板上且包括耦接至开槽435的馈线430。开槽435借第一块体446支撑,该第一块体446可具相对较高的介电常数(例如高于100)且可由陶瓷材料制成,且开槽435具有将开槽435耦接至接地平面420的短路436。如此,类似图3所示开槽135,开槽435为L型且具有第一端及第二端,第二端耦接至接地平面,且第一端耦接至馈线。于操作中,来自馈线的电流沿开槽435行进至短路436,且然后返回电流沿接地平面行进,并通过匹配电容器453而返回馈线。第二块体445可由不同于第一块体446的材料制成且具有更低的介电常数(例如低于40F/m),并支撑元件450,元件450具有短路459至接地平面420。举例而言,于一实施例中,此种天线的体积可以是0.032立方厘米(2毫米宽×8毫米长×2毫米高)。此一元件450的功能类似于元件150那样发挥功能,如此为求简明在此不再重复说明。
须注意虽然所示结构为陶瓷,但并非必要以陶瓷来实施该结构,原因在于任何绝缘材料皆可使用。使用陶瓷的效果为此种材料极为适合用于高Q天线结构,原因在于陶瓷具有高介电常数及低损耗正切(loss tangent)。
若使用陶瓷材料,如所揭示的配置中提供高介电常数εr(例如εr=110F/m)的能力允许缩短开槽的实体长度,同时维持电气长度(史密斯图中的共振位置)。开槽的实体长度短将更进一步减少对元件的耦合。
今日出现在市面上的典型地面陶瓷WIFI天线具有3.2毫米*10毫米*4毫米(宽*长*高)(或约0.128立方厘米)的区域,可了解典型的地面陶瓷WIFI天线大于诸如如上揭示的一实施例。这些类型的天线典型地为单一共振且要求更大体积来涵盖相同的阻抗带宽。相反地,所示实施例可提供具有实质上较小体积的适当效能。此种体积的缩小及/或在陶瓷下方可能有接地平面,原因在于由ILISF匹配所形成的额外共振。此一天线的复合阻抗显示于图9,且如可了解的那样包括额外共振。
此种天线配置的模拟效率约为90%。但预期实际上当实施为实体模型时效率可能降至80%,这大半是由于陶瓷组件的焊接所致。
于另一实施例中,可提供这样的ILISF天线系统,其中元件馈线及匹配电容器被包括于陶瓷中,且开槽实施于支撑电路板中。图10例示说明如此所配置的天线系统525的实施例。电路板515包括支撑天线系统525的接地平面520。该天线系统包括陶瓷本体545且支撑具有体部556及臂部558的元件550,该臂部558具有沿陶瓷本体545一侧的短路549。馈线530被设置得相邻于本体545的相对端。馈线530耦接至接地平面520,且来自接地平面的电流的返回路径延伸环绕开槽535,并经由匹配电路返回,该匹配电路于一实施例中可以是电容器。电流回路耦接至元件,在元件中产生相对应的电流回路。由于开槽535使用在接地平面520中,可进一步缩小天线系统525的大小,且于一具体实施例中,本体具有2毫米*8毫米*1.5毫米(宽*长*高)的大小或约0.024立方厘米的体积。如所了解,开槽535垂直于印刷电路板(PCB)边缘且可比天线更长(例如长度大于8毫米)但可维持为相当(例如具有约0.5毫米宽度)。但可了解,取决于频率及期望的敏感度,可改变期望的ILISF天线系统及所得开槽的大小。例如某些应用可要求略大的体积。
天线系统525的复合阻抗显示于图11。频率响应维持在从频率282’至281’的驻波比(SWR)圆170(具有3的值)内部,于一实例中可以是约2400MHz至2484.5MHz。
图12例示说明天线系统625实例的另一个实施例。馈线630经由电容器653(其示出为串接在馈线630与开槽635之间)电气连接至开槽635。开槽635为U型,具有第一端636及第二端637,其具有耦接至接地平面620(实际上典型由电路板支撑但未显示以求清晰)的短路436。如所了解,开槽635位于块体645中,其由介电材料(诸如陶瓷材料)制成,且可具有10至30的介电常数,较佳接近18-22F/m。但须注意期望介电常数将取决于多个外部因数(诸如天线的Q),因此期望介电常数的选择于某些实施例中将改变。块体645支撑元件650,该元件650包括体部656及臂部658,该臂部658具有将元件650耦接至接地平面620的短路659。
电流流动类似前文讨论,开槽电流沿第一路径从短路436至馈线630行进通过接地平面620。因此,可了解与开槽635关联的开槽电流所取第一路径并非与设置在元件650中的共振电流相关联的返回电流所取的第二路径反向(原因在于开槽635与元件650之间的耦合)。
此处提供的揭示就其较佳具体实施例描述特征。于所附权利要求的范围及精髓内的多项其它实施例、修改及变化基于本文揭示综论而为本领域普通技术人员所显然易知。

Claims (3)

1.一种天线系统,其包括:
一接地平面;
一元件,该元件具有包括一第一端及一第二端的一体部,该元件包括在该体部的该第一端上的一臂部,该臂部具有至该接地平面的一第一短路;
位于该接地平面中的一开槽;及
被配置来产生环绕该开槽的一开槽电流的一馈线,其中该开槽电流位于该元件邻近使得经由电容耦合而在该元件上产生一共振电流,且其中从该电容耦合的点至该第一短路的一返回电流与该开槽电流同向,
其中该开槽为L型结构,该L型结构具有耦接至该馈线且位于该接地平面上方的一第一端及形成有至该接地平面的一第二短路的一第二端,以及其中该第二短路位于该馈线与该第一短路之间。
2.一种天线系统,其包括:
一接地平面;
一元件,该元件具有包括一第一端及一第二端的一体部,该元件包括在该体部的该第一端上的一臂部,该臂部具有至该接地平面的一第一短路;
位于该接地平面中的一开槽;及
被配置来产生环绕该开槽的一开槽电流的一馈线,其中该开槽电流位于该元件邻近使得经由电容耦合而在该元件上产生一共振电流,且其中从该电容耦合的点至该第一短路的一返回电流与该开槽电流同向,
其中该开槽具有耦接至该馈线的一开放端及界定该开槽的一闭合端,以及其中该闭合端距该馈线一第一距离且该第一短路距该馈线一第二距离,该第二距离大于该第一距离。
3.一种天线系统,其包括:
一接地平面;
一元件,该元件具有包括一第一端及一第二端的一体部,该元件包括在该体部的该第一端上的一臂部,该臂部具有至该接地平面的一第一短路;
位于该接地平面中的一开槽;及
被配置来产生环绕该开槽的一开槽电流的一馈线,其中该开槽电流位于该元件邻近使得经由电容耦合而在该元件上产生一共振电流,且其中从该电容耦合的点至该第一短路的一返回电流与该开槽电流同向,
其中该开槽具有耦接至该馈线的一开放端及界定该开槽的一闭合端,以及其中该闭合端位于该第一短路与该馈线之间。
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