CN1071531C - 双位置折叠式偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

无线电通信设备包括无线电信号源(415)，位于第一壳体部分(101)内。第二壳体部分(103)有一个可活动地支撑在第一壳体部分上的第一端，以使壳体部分能在展开位置和折叠位置之间运动。偶极子无线(107)的第一臂(440)位于第一壳体部分内，第二臂位于第二壳体部分内。各臂都有一端连接到信号源。板(450，451)被装在第一和第二壳体部分上，并与天线臂连接，在壳体部分折叠时在板之间形成电容耦合；当壳体部分展开时，板之间没有电容耦合。

Description

双位置折叠式偶极子天线
本发明涉及无线电通信设备的天线。
无线电通信设备都包括一个发射机和/或一个接收机，它们都耦合到一个天线上，天线发射和/或检测射频信号。这种无线电通信设备可包括一个话筒用于向发射机输入声频信号，或一个扬声器用于输出信号，该信号由接收机接收。这种无线电通信设备的实例包括单向无线电设备、双向无线电设备、无线电话机、个人通信设备、以及各种其他设备。这些通信设备经常具有一个备用(standby)配置，在此配置时该设备是可折叠的以便于保存；还具有一个主用(active)通信配置，这时天线是可伸展的，以得到最佳的性能。
对于无线电话机和双向无线电设备来说，通常希望这些设备在备用方式期间具有较小的尺寸，以便于保存和携带。例如，用户希望无线电话机在备用方式下小得足以能装在衬衫或夹克衫的口袋里。还希望该设备在主动通信状态下长得足以使扬声器靠近用户的耳朵、话筒靠近用户的嘴以及天线远离用户的身体。希望天线远离用户的身体的原因是，因为用户的身体是一个大导体，会妨碍射频信号的接收。使天线远离用户有身体的一种特别有效的方法是在使用期间使天线从该设备主体伸展出来伸得很远。通过提供一种可折叠的、于保存且在主用通信方式下可伸展以得到最佳性能的天线，就可以在便于保存的设备中提供天线的高性能主用方式的操作。
这种可重新配置的通信设备所遇到的困难是要在备用方式下提供一个高性能的天线。该设备主体包括其内的内部电子电路在存放位置时通常处于天线的无功近场区内。在天线无功近场区中的物体会降低设备(例如无线电话机)的备用性能，在备用方式下无线电话机接收寻呼信号、电子邮件或呼叫提醒信号。
本发明提供了一种无线电通信设备，其特征在于，包括：
通信电路；
第一壳体部分，该通信电路装在第一壳体部分内；
第二壳体部分，该第二壳体部分的第一端可活动地支撑在第一壳体部分上，使第一和第二壳体部分可改形为展开位置和折叠位置；
一个天线，其第一臂装在第一壳体部分内，其第二臂装在第二壳体部分内，所述的第一臂的第一端和第二臂的第一端连接到通信电路，第一臂和第二臂共同提供在展开位置和在诸第一端被馈电的偶极子天线；
装在第一壳体部分内并连接到第一臂的第一板；
装在第二壳体部分内并连接到第二臂的第二板，第一与第二板由导电材料构成并且当第一和第二壳体部分在展开位置时被分隔开；当第一和第二壳体部分在折叠位置时第一与第二板被电容性地耦合，从而向第一与第二臂阻抗增加一个阻抗并且由此改善在折叠位置时的天线的性能。
据此，现在需要提供一种如下所述的天线，亦即在通信设备处于主用通信方式时该通信设备可被伸展开的情况下和在备用操作方式时该通信设备可被折叠的情况下该天线都具有高的性能特性。
图1示出无线电话机处于展开的、主用通信位置时的前视图；
图2示出图1的无线电话机处于闭合的、折叠位置时的前视图；
图3示出一个图1所示的无线电话机的前机壳壳体、射频(RF)印刷电路极、逻辑电路板和后机壳壳体的顶视分解投影图；
图4示出一个表示前机壳内部和活动盖的局部顶视图，并示意性地示出收发信机电路；
图5示出无线电话机天线组件的分解投影图；
图6示出按照图7的天线外壳的分解侧视图，其中的天线系统在闭合位置定向；
图7示出天线臂的取向及由此产生的电流，其中天线臂处于其充分展开的最长位置；
图8示出当两个壳体部分处于90°定向的位置时天线电流和场型；
图9示出天线组件处于完全折叠位置；
图10示出说明天线在不同位置时的相对阻抗，以及如何实现阻抗的匹配的Smith图；
图11示出说明无线电话机处于展开位置时无线电话机无线系统的阻抗的电路示意图；及
图12示出说明无线电话机处于折叠保存位置时无线电话机天线的阻抗的电路示意图。
一个无线电通信设备包括一个无线电信号源，它位于第一机壳部分内。第二机壳部分的第一端可活动地支撑在第一壳体部分上，以使第一和第二壳体部分可重新配置成为展开位置和折叠位置。偶极子天线的第一臂位于第一壳体部分中，其第二臂位于第二壳体部分中。第一和第二臂各自有一端连接到无线电信号源。第一和第二导体被设置在第一和第二壳体部分之上，并且与第一和第二臂的各端形成电连接。当第一和第二壳体部分被折叠时，第一和第二导体容性地耦合，而当第一和第二壳体部分被展开时，这两个导体间不是容性耦合。为此，天线的阻抗在打开和闭合位置基本上维持不变，从而能在两种位置时适当地调谐天线。这样就明显地提高了闭合位置时的性能。
最初要注意的是，本发明的天线系统是以一个带有活动盖的无线电话机100(图1)为例来说明的，从中可以看出本发明是特别有益的。然而，本发明应用于彼此间相对移动的其他带有天线和多壳体部分的无线通信设备也是有益的。鉴此，本文所用的“设备”指所有的这类无线通信设备。
内含本发明的一个无线电话机100如图1所示。这种无线电话机包括一个壳体102，它具有第一壳体部分101和第二壳体部分103。在图示的实施例中，第一壳体部分101是无线电话机的主体，而第二壳体部分103是用枢轴连接在主体上的一个活动盖。第二壳体部分103可以在图1所示的主用通信期间的展开位置和图2所示的备用模式下的闭合位置之间活动。
第一壳体部分101包括后壳体部分104和前壳体部分105，它们互连以确定内部体积。第一壳体部分101可容纳包括RF电路板315(图3)和逻辑电路板314的电子电路。作为无线电信号源的收发信机电路415(图4)设在逻辑电路板314上。收发信机电路用于发送和接收射频信号，可以利用任何适当的商用收发信机电路来实现。键盘106(图1)设在第一壳体部分101上，以便于用户手动操作那些键盘上的键109(仅有部分的键是号码键)，从而有选择性地闭合各相应的按键开关322(图3)。
第二壳体部分103(图1)在闭合时至少局部地遮盖住键盘106。这个遮盖还可以更长些以盖住所有的键109。当第二壳体部分如图2所示那样闭合时，第二壳体部分可防止无意中误操作由其盖住的键109。另外，第二壳体部分可以在闭合时使无线电话机处于备用方式。
无线电话机100包括偶极子天线107，该天线的天线臂440(图4)设在第一壳体部分中，天线臂441设在第二体部分中。天线臂440是由适当的导电材料制成的，例如铜、铜合金、铝合金等等。导体很薄并且具有蛇状结构，若将其支撑在第一壳体部分101的表面460(图5)上，导体可以绕着键盘106的键109延伸。在具体的实施例中，天线臂440的电气长度为λ/4。其他实施例可以采用其他谐振长度的偶极子，使臂440是λ/4的奇次整倍数。天线臂440的一端442由导体443连接到传输线417上。
板450(图5)被附着在前壳体部分105的表面460上。该板可由任何适当的导电体构成，例如铜、铜合金、铝或铝合金。板450由导体461与馈电点442电连接。
挡板447具有与键109对齐的开口464，盖住了天线臂440和板450。挡板447附着在前壳体部分105上，并且用适当的粘合剂或紧固件把前片壳体部分112固定在后片壳体部分111上。
第二壳体部分103包括前片壳体部分112和后片壳体部分111。前片壳体部分盖住板451和天线臂441插入槽463中。
天线臂441的结构与天线臂440基本相同。在最佳实施例中，天线臂441的电气长度为λ/4(图5)。其他实施例可以采用其他谐振长度的偶极子，使臂440为λ/4的奇次整倍数。天线臂441也具有蛇形的结构。天线臂441由适当的商用粘合剂贴在后片壳体部分111的槽463内的表面462上。天线臂441的一端445由导体446连接到传输线417。导体443和导体446是可弯曲的条形导体，它把偶极子天线107连接到收发信机电路415(图4)。天线臂440和天线臂441构成了偶极子天线107。
天线臂441(图5)的平面形状与天线臂440相同，因而在第一壳体部分101和第二壳体部分103闭合时，这些导体彼此间形成镜像。因此在这种闭合位置，天线臂440和天线臂441彼此间基本上平行并且对齐，也就是说，当第一壳体部分101和第二壳体部分103处于折叠位置时，这两个天线臂是重叠的。
板451(图5)由导体456连接在天线臂441的馈电点445上。该板被固定在后片壳体部分111的表面462上。板451由适当的导电材料例如铜合金构成。该板大体上是矩形的，并与板450的尺寸相同。
挡板447和前片壳体部分112是用适当的聚合材料例如聚碳酸脂制成的，前壳体部分105，后壳体部分104，前片壳体部分112和后片壳体部分111都使用这种材料。所用的聚合材料具有适当的低介电常数，并具有通用的构造。
RF电路板315(图3)和逻辑电路板314是印刷电路板。无线电话机100的收发信机电路415(图4)装在RF电路板315上。这些电路板被装入第一壳体部分101中并且在通过诸如扣锁连接器那样的任何惯用手段装配前壳体部分105和后壳体部分104时使电路板定位。一个振动器部件316被支撑在逻辑电路极314上，当逻辑电路板314紧靠前壳体部分105时，振动器316接触前壳体。
为了在无线电话机100上装配天线部件，要把板450(图5和图6)固定在前壳体部分105的表面460上的位置452处。然后把天线臂440装配到前壳体部分的表面460上并用导体461与板450连接，导体461可采用任何适当的导电体。挡板447可用适当的粘合剂紧固件等等固定在前壳体部分105上，把天线臂440和板450夹在中间。
板451被适当的粘合剂或紧固件固定到后片壳体部分111的表面462上的位置453处。板451由456连接到天线臂441的馈电点445上。然后用适当的粘合剂把前片壳体部分112连接到后片壳体部分111上，把天线臂441和板451牢固地夹在它们中间。
天线臂440和天线臂441通过导体443和导体446以及传输线417与收发信机电路415形成电连接。
板450和板451的结构大体上是矩形的平板部件。在装配时使板的位置垂直对齐，从而在活盖处于图2所示的闭合位置时形成电容耦合。然而，为了便于在前壳体部分105和前片体部分112上定位，这些板也可以采用任何适当的形状。
在操作中，当第一壳体部分101和第二壳体部分103被展开到图1所示的打开位置时，天线臂440和天线臂441被展开成图7中所示的位置。为了达到最佳性能，天线臂440和天线臂441最好是排列在同一平面上。在这种位置上，把图7所示结构的偶极子天线的阻抗RL(图11)选择在50至75欧姆的范围内，该阻抗等于信号源阻抗RS和传输线417的阻抗。电流I1(图7)、I2和I3是共线的，并且方向基本一致，而各个天线臂的反应近场则主要在空间。当臂没有完全展开但彼此的位置间有一个接近120-180度的角度时，这种偶极子天线的性能仍然很好。
另一方面，如果在诸如个人通信装置那样的设备中使用这种天线系统，其中臂之间彼此相对形成大约90°角的位置，则臂的排列就形成图8所示的情况。在该位置上，板450和板451不能偶合。尽管天线性能在该位置处下降，但天线的阻抗也不会明显地改变，即使不增加电容，性能仍是良好的。在该位置处，电流I1、I2和I3不是共线的。然而，其排列方向不会使其各自的作用相互抵消。
为了缩小装有偶极子天线107的无线通信设备的实际尺寸，例如把设备改换成存放位置，第二壳体部分103被转动到闭合的存放位置如图2所示。当第一壳体部分101和第二壳体部分103处于图2所示的完全闭合位置时，天线臂440和天线臂441按图9所示情况排列。天线臂之间的间隙是介电材料的挡板447的厚度再加上介电材料的前片壳体部分112的厚度。
在图9所示的完全闭合位置，天线的有效性会降低。电流I1和I3与电流I2正交，而电流I1和I3实际上彼此抵消。发射能量的电流仅剩下电流I2。天线的电流产生部分的这一较小有效长度使得偶极子天线107的辐射电阻RL′(图12)降到3-10欧姆的很小的值。这表示与传输线417形成严重的电阻失配，传输线417的电阻是50-75欧姆，它是用于在完全展开位置上匹配天线臂的阻抗的。除了电阻分量有很大区别之外，由传输线，偶极子天线的臂以及介于二者之间的介电材料会产生一个大电感L(图12)。介电材料是由天线之间的部件，也就是挡板447和前片壳体部分112提供的。在存放位置，电阻的差异及附加电感的作用会使天线性能下降。
电容C(图12)是由板450(图5)和板451的电容偶合构成的，板450和451位于铰链420近旁并且连接到天线部分的信号源端，仅当偶极子天线107处于图2所示的存放位置时，才与天线阻抗相并联。增加的这个电容与天线电阻RL′和电感L并联，构成与传输线417相匹配的合成阻抗。选择具有所需介电常数和厚度的绝缘材料，并且选择板之间接近的近似，就可以使偶极子天线在打开和闭合位置具有基本相同的阻抗特性，这种选择是通过选择挡板447和前片壳体部分112的厚度来控制的。这样就明显地改善了天线在闭合位置处的性能。
图10的Smith图表描绘了感抗变换为希望的阻抗，在点Z4处为50欧姆。Z4的阻抗是传输线的阻抗，希望天线的阻抗与传输线的阻抗相匹配。在图1的打开位置，偶极子天线107的阻抗RL是50欧姆。在图2的闭合位置，没有绝缘挡板447和活盖壳体部分142以及电容板450和451，天线阻抗会变为3至10欧姆左右。该点由Z2表示。如果没有挡板447和前片壳体部分112的绝缘材料，偶极子天线在闭合位置的阻抗值就是Z2，因而不能由并联元件补偿。
由于挡板447和前片壳体部分112的绝缘材料位于臂440和441之间，天线阻抗在闭合位置达到Z3。按照这些材料的介电常数来选择挡板447和前片壳体部分112的绝缘材料的厚度，可以把偶极子天线的阻抗值移到Z3。适当地选择Z3，就可以通过连接在偶极子天线臂的馈电点上的并联电容使阻抗恢复成Z4，从而把偶极子天线加载到馈电点上。这种并联负载是由板450和板451形成的，它们仅在活盖关闭时彼此间形成电容偶合，并且连接到偶极子天线臂各自的馈电点上。
由此可见，本发明揭示了一种能在闭合位置提高性能的天线。这种改进的特性是由加载到偶极子的馈电点上的电容器产生的，并且仅在活盖关闭时才连接这个电容器。在打开位置，板与板没有耦合，并且不影响天线臂的阻抗。对电容板之间的绝缘材料的厚度和介电常数进行选择，从而在天线处于闭合位置是产生特定的阻抗。

Claims (10)

1．一种无线电通信设备，其特征在于，包括：
通信电路；
第一壳体部分，该通信电路装在第一壳体部分内；
第二壳体部分，该第二壳体部分的第一端可活动地支撑在第一壳体部分上，使第一和第二壳体部分可改形为展开位置和折叠位置；
一个天线，其第一臂装在第一壳体部分内，其第二臂装在第二壳体部分内，所述的第一臂的第一端和第二臂的第一端连接到通信电路，第一臂和第二臂共同提供在展开位置和在诸第一端被馈电的偶极子天线；
装在第一壳体部分内并连接到第一臂的第一板；
装在第二壳体部分内并连接到第二臂的第二板，第一与第二板由导电材料构成并且当第一和第二壳体部分在展开位置时被分隔开；当第一和第二壳体部分在折叠位置时第一与第二板被电容性地耦合，从而向第一与第二臂阻抗增加一个阻抗并且由此改善在折叠位置时的天线的性能。
2．按照权利要求1的无线电通信设备，其特征在于，还包括一个铰链，用以连接第一和第二壳体部分，使第一和第二壳体部分在折叠位置和展开位置之间活动。
3．按照权利要求2的无线电通信设备，其特征在于，所述的第一和第二臂各自有一个连接到通信电路的馈电点，并且上述第一和第二板连接在第一和第二臂各自的馈电点上。
4．按照权利要求3的无线电通信设备，其特征在于，所述的第一和第二板的相对位置的安排提供了偶极子天线的并联负载。
5．按照权利要求4的无线电通信设备，其特征在于，所述的第一和第二臂排列在第一和第二壳体部分上，当第一和第二壳体部分处于折叠位置时，使二臂纵向对齐。
6．按照权利要求1的无线电通信设备，其特征在于，所述的第一壳体部分包括多个键。
7．按照权利要求6的无线电通信设备，其特征在于，第二壳体部分是一个至少盖住一部分键的活盖。
8．按照权利要求4的无线电通信设备，其特征在于第一壳体部分包括一个前片壳体部分(112)并且第二壳体部分包括一个档板(447)，其中该档板和该前片壳体部分包括绝缘材料并且位于第一和第二板之间，用于选择由第一和第二板增加到偶极子天线上的电容。
9．按照权利要求1的无线电通信设备，其特征在于第一和第二板增加了一个与在折叠位置的天线的阻抗并联的电容。
10．按照权利要求9的无线电通信设备，其特征在于还包括键，其中所述档板是围绕上述键的一个面板。
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