CN1108643C - 用于便携无线电设备的小型天线 - Google Patents

Abstract

所公开的是一个小型、重量轻的天线，具有相对高的增益尤其适合用于如双向寻呼机的便携无线电装置。在示范性实施例中，该天线包括一个加载单极辐射器和一个接地辐射器。加载单极辐射器包括在印刷电路衬底上的第一和第二导线，其中第一导线具有定向在水平方向上的一个给定长度。第二导线具有弯折线形状和定向在垂直方向上。接地辐射器包括在印刷电路衬底的底部上的分开的第一和第二接地辐射器，其中第一和第二接地辐射器对于第二导线是对称的。

Description

用于便携无线电设备的小型天线

                       发明背景

1.发明领域

本发明涉及天线，更具体地涉及一个尤其适用于便携无线电设备的并具有一个曲折线形辐射器的小型天线。

2.相关技术说明

在当代由于便携无线电设备变得小型化和重量轻，适用于这种无线电设备使用的小型天线也有明显的发展。任何这种小型天线的用户操作应当是方便和简单的，并应当具有方位上的全方位天线图形和在仰角上的相对高增益。另外，当便携设备被放置在靠近人体时，人体的存在对天线基本特性的影响应当最小，天线基本特性即输入阻抗和增益变化。

在于1987年19月13日公布的Ogawa等人的美国专利第4700194号中公开了一种满足上述要求的解决方案。根据上述专利，如果天线电流在接地电路和设备终端机壳上流过，假如终端机壳被放置在人体附近将改变流过天线的电流，使得输入阻抗和天线增益会进一步变化。结果，甚至不象用于现有技术的电缆(sleeve)天线一样使用四分之一波长陷波电路或平衡-非平衡转换器(此后称为balum)，也可在天线与同轴传输线或电路的接地电路之间提供良好的电绝缘。

图1表示在上述美国专利US4700194中所描述现有技术的四分之一波长微带天线(此后称为QMSA)的结构。在图1中，以电介质61为中心，天线包括在电介质表面上的一个辐射元件和另一个表面上的接地元件。第一馈电辐射元件62(第一馈电装置)电连接到传输线的一个信号线上。第二馈电辐射元件建立在接地元件上以便连接传输线的地线和接地元件，该第二馈电辐射元件位于接地元件上感应驻波电压最小的位置上。现在，在常规微带天线中，如果接地板尺寸相对于工作频率波长很小时接地板不再起地线作用。在此情况下，在接地板上感应出一个正弦变化的电压分布或一个电压驻波。结果，在同轴传输线的外层导线上感应出一个寄生电流。在图1的天线中，为将产生的寄生电流减到最小，传输线的外层导线在第二馈电点处连接到接地板元件上，此处接地板元件上感应出的驻波电压最小。以此结构，不需要使用在常规电缆天线设计中所使用的四分之一波长陷波电路就能减少或消除传输线上的寄生电流。从而，在天线被放置得接近人体或电路的情况下，天线特性的改变能明显减弱。

图2和4表示根据现有技术实施例中取决于四分之一波长微带天线长度L、Gz的增益特性变化，图3表示根据现有技术实施例中取决于四分之一波长微带天线宽度W的增益特性的变化。

现有技术的四分之一波长微带天线的一个缺点是天线的效率特性的改变明显取决于印刷电路(此后称为PCB)衬底的厚度。厚的PCB产生较高的增益，但增加了天线的尺寸和重量，因为携带更困难从而引起用户的不方便。相反，如果PCB很薄，尽管用户可容易地携带天线，而天线增益可能会因此减小。

                       发明概要

本发明的目的是提供一种尺寸小、重量轻和具有高增益的天线以便用户容易搬运和携带并适用于便携无线电设备。当天线靠近人体时需要使天线特性的改变最小。

在本发明的示范性实施例中，用于便携无线电设备的一个小型天线包括一个加载单极辐射器和一个接地辐射器。加载单极辐射器包括在一个印刷电路衬底上的第一和第二导线，在此第一导线具有定向在水平方向的一个给定长度，和第二导线具有定向在垂直方向的弯折线形状。接地辐射器具有分开的在印刷电路衬底上下部的第一接地辐射器和第二接地辐射器，在此第一接地辐射器和第二接地辐射器对于第二导线是对称的。

                   附图的简要说明

结合附图参考下列详细说明，将能更清楚和完整地了解本发明和其附带的许多优点，与附图中相同的参考符号标志着相同或类似器件，其中：

图1表示现有技术的四分之一波长微带天线的结构。

图2表示增益特性的改变取决于图1中天线的总长度。

图3表示增益特性的改变取决于图1中天线的总宽度。

图4表示增益特性的改变取决于图1中天线的未镀金属部分的长度Gz。

图5表示根据本发明实施例的单极天线的结构。

图6是图5中天线的详细电路图。

图7表示一个加载单极天线和一个等效单极天线的电流分布。

图8表示增益与对称振子天线长度的关系。

图9表示增益与对称振子天线宽度的关系。

                   优选实施例的详细说明

此后，参照附图描述本发明的一个优选实施例，其中相同的参考数字用来指定在几个图中具有相同功能的相同或类似元件。另外，在下列说明中，为提供更彻底地理解本发明将陈述数字特指的细节如包含电路和工作频率的具体器件。可是，对于本领域技术人员来说可以实现本发明而不用这些特指的细节是显而易见的。在本公开中将避免不必要地冲淡本发明主题的关于已知功能和结构的详细描述。

图5表示根据本发明实施例的一个单极天线的结构。说明天线与一个双向寻呼机10一起使用；可是，应理解本发明具有其它的应用。参照图5，天线系统20包含一个加载单极天线形状的导线辐射器12、一个体现出弯折线形状的接地辐射器13、一个用于将导线辐射器12和接地辐射器13连接到安装有射频功率放大器的PCB11上的同轴传输线27。导线辐射器12和接地辐射器13被喷镀在PCB21的一个主表面上，该主表面可安装在翻动形式的天线机壳28中。翻转天线机壳28与天线系统20一起相对于寻呼机10的外壳移动。即天线系统20在X和Z轴之间运动，此处寻呼机外壳大致对准X轴。工作时，天线系统20处于垂直位置(如图5所示指定在Z轴方向)。

图6是图5中天线的详细电路图，明确表示天线系统20的PCB21细节。加载单极天线形状的导线辐射器12包含第一导线23和第二导线22，其中第一导线23具有定位在第一方向(即水平方向)的给定长度，第二导线22具有弯折线形状并且定位在和第一方向垂直的第二方向(即垂直方向)上。垂直导线22的顶部加载了水平导线23。垂直导线22的示范性电长度为0.49波长和水平导线23的示范性电长度为0.3波长。此设计的依据是考虑在等效垂直单极天线为0.625波长时天线具有最高增益这个事实。另外，整个天线系统20使用加载单元和弯折线形状及上述长度使增益最大特别适合于矩形或方型翻动形式机壳28。

接地辐射器13定位在天线系统20的PCB21下部分与水平导线23平行。在所示的设计中，接地辐射器13放置在垂直导线22的反射位置并被分为第一和第二辐射器24和25并在馈电点接地位置26连接同轴传输线27的地线。为增强接地辐射器13的效率，第一和第二接地辐射器24和25的每个最好具有四分之一波长的电长度。用于本发明优选实施例的天线系统20的PCB21的规格可以是FR-4，即其厚度例如为0.25mm。此PCB21能被插入聚碳酸酯制成的翻动形式天线机壳28。电容34和电感35用于阻抗匹配。

根据本发明优选实施例天线的详细操作解释如下。天线效率由辐射效率来确定，另外用下列表达式1确定辐射效率

(表达式1) $\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{Rr}}{\mathrm{Rr}+\mathrm{RL}}$

在此，η表示辐射效率，Rr为辐射电阻(Ω)，和RL为损耗电阻(Ω)。

在上述表达式1中，当辐射器长度减小时，辐射电阻Rr减小。

为将辐射效率增加到接近天线效率的一个值，必须增加具有高辐射电阻Rr的辐射器长度，并使用低电阻RL的低损耗导线。这样，可通过使用弯折线形状导线以减少天线辐射器的实际长度来设计本发明的实施例，同时通过增加作为波长函数的辐射器长度来增加辐射效率。最终，可不用增加辐射器的实际长度而增加天线增益。

在由K.Harchenko所著的标题为“带弯折形状的天线导线”(无线电，第8期，1979，第21页)的文章中透露天线的弯折率越高天线的带宽越窄。因而，如图6中所示，在本发明实施例中使用了加载到辐射器22上的水平辐射器23，以便将等效电长度增加到所需值而不过分缩窄天线带宽。因此，引起的效果是天线以加长辐射器天线类似的方式工作，从而增强了天线增益。

图7表示一个加载单极天线和一个等效单极天线的电流分布图，其中图中的7a部分表示加载单极辐射器和其电流分布，和7b部分表示等效单极天线的电流分布。可希望在天线的垂直导线上需要获得良好的电流分布。这样，当通过使用水平导线(加载辐射器)增加Δlv时天线以类似方式工作，其将在下列表达式2中表示。

(表达式2)

lveqv＝lv+Δlv

其中Δlv是等效垂直导线的增加长度。

对于加载单极天线，该值由水平导线23的电抗性阻抗确定，除非在垂直导线22的端点“A”的电流值为零。仅当加载辐射器在A点的输入电抗性阻抗等于等效单极天线在B点的阻抗时，则天线的垂直导线才能增加Δl。

在此条件下，加载辐射器的输入电抗性阻抗XA和XB在下列表达式3和4中表示。

(表达式3) $\mathrm{XA}=-j\frac{\mathrm{ZOH}}{2}\mathrm{Cot}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}1H\right)$

其中，1H为加载单极天线水平导线的“臂”长(即大约为水平导线23总长度的一半)和ZOH为加载单极天线水平导线的本征阻抗。

(表达式4) $\mathrm{XB}=-\mathrm{jZOVCot}\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δlv}\right)$

其中，ZOV是加载单极天线垂直导线的本征阻抗。

另外，如果两个输入电抗性阻抗XA和XB相互相等，可由下列表达式5获得Δlv。

(表达式5) $\mathrm{\Δlv}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\arctan \left[2\frac{\mathrm{ZOV}}{\mathrm{ZOH}}\tan \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}1H\right)\right]$

结果，lveqv为lv与Δlv的和，即lveqv＝lv+Δlv。或者说，可以看出天线的实际长度有效地增加了Δlv。另外，终端机壳上覆盖的金属膜或安装的PCB的接地可起普通单极天线地线的作用。因而，当用户用手握住终端时仍将减小辐射效率，即使其接地起接地辐射器的作用。见K.Fujimoto和J.R.James所著“移动天线系统手册”，Artech出版社，波士顿-伦敦，1994，第217-243页。

当终端被放置得靠近人体时，在本发明优选实施例中的第一和第二接地辐射器24和25适合于使人体对单极天线辐射的影响最小。由于天线电流与双向寻呼机10的地线分离，当装置被放置在用户手中时辐射效率的减少可达到最小。当用户实际使用终端时，第一和第二接地辐射器24和25被包含在安装于双向寻呼机10上表面的天线的PCB21内，在使用期间远离人体。

来自第一和第二接地辐射器24和25的辐射随信号电压规则而定。变化的信号电压将沿同轴传输线27的表面(地线)产生流动的寄生电流，从而容易改变天线特性如天线方向图、输入阻抗和增益。这样，为防止这些特性的改变，第一和第二辐射器24和25的设计如下：第一和第二辐射器24和25以PCB21上的天线X轴为中心相互对立，以及每个的电长度设计为L＝(2n-1)λ/4(在此，n为一个正常数)。即第一和第二接地辐射器24和25的每个电长度被设计为四分之一波长的奇数倍。如果第一和第二接地辐射器24和25的电长度相互相等，从接地辐射器26表面流向接地的寄生电流可最小。因此，即使双向寻呼机10的地线安放在人体附近，由人体接触引起的天线特性改变和辐射效率减弱将很小。

从图2至4应理解QMSA的增益特性是天线长度L、Gz和宽度W的函数和其增益特性劣于对称振子天线。图8表示对称振子天线的增益与长度关系图，可将其与图2-4进行比较。

为更清楚地确认上述事实，可将本发明的优选实施例与现有技术天线进行比较。如果本发明实施例的天线尺寸(L＝47.3mm，εr＝4.5，f＝916MHz)采纳于现有技术天线，可进行比较。根据本发明的天线与现有技术天线增益的比较如下。

在图1中，当假定b＝λs/4，L＝47.3mm，εr＝4.5，f＝916MHz，和d＝1.2mm，λs、b和Gz表示在下列表达式6至8中。

(表达式6) $\mathrm{\λs}=\frac{C}{f}=\frac{3\×{10}^{11}}{916\×{10}^6\sqrt{4.5}}=154.5\mathrm{mm}$ (表达式7) $b=\frac{\mathrm{\λs}}{4}=38.6\mathrm{mm}$ (表达式8)

Gz＝L-b＝8.7mm

关于图2和4，在L为47.3mm和Gz为8.7mm的情况下，每个图中的增益接近-12.5dBd(-10.35dBi)。在本实施例中使用的天线具有0.625λ的电长度。对于这种情况，参照图8本实施例的增益约为3dBd(5.15dBi)。这样，现有技术有增益降低15dB的问题(应注意图8和9是对于对称振子天线的。可是，单极天线的增益基本上与等效对称振子天线的增益相同。这样，图8和9也代表根据本发明的单极天线的增益)。

现有技术的另一个问题是QMSA的天线效率特性η作为PCB厚度d的函数而变化。当用于本实施例的天线性能被采纳于现有技术天线时(L＝47.3mm，εr＝4.5，f＝916MHz，d＝0.25mm)，根据厚度d的变化的增益如图9所示。上述天线性能的增益具有大约-12.5dBd的特性。在此，厚度d为1.2mm和如图9所示，天线效率则由下列表达式9的因素确定。

(表达式9)

F＝d/λo

λo＝c/f＝3×10/916×10＝327.5mm

F＝1.2/327.5＝0.003664

参照图9，当F＝d/λo为0.003664时，天线效率大约为50％。当PCB的厚度为0.25mm时，F为0.000736和天线效率近似为4.5％。

因而，当d为1.2mm时，η大约为(≌)50％。在一个厚的PCB(即d为1.2mm)情况下增益为薄PCB时(即d为0.25mm)增益的11倍。当使用上述结果计算增益时，天线增益将在下列表达式10中给出。

(表达式10)

Gz＝-12.5dBd-10log11＝-22.9dBd

最后，由上面的表达式10可以看出与d等于1.2mm的情况相比增益减少了大约10dB。另外，与对称振子天线相比增益大约减少了25dB。

由于根据本发明的天线系统能被包含在薄的PCB中，其重量轻、便携和使用方便，能很简单地安装在终端(即寻呼机)的上部表面。另外，安放在PCB上的垂直辐射器被设计成弯折线形状，减少了实际尺寸以使尺寸有限的天线获得最好的电特性。而且，由于垂直辐射器上部使用另一个水平辐射器和等效增加了垂直辐射器，引起天线增益增强。另外，由于垂直和水平及接地辐射器被包含在薄PCB内，天线容易制造。接地辐射器也防止天线电流流过终端地线。根据终端接地状态的改变，由例如身体接触引起的天线特性改变能被最小化。因此，本发明的优点是天线可设计得坚固和特性优良。

应理解本发明不限于在此公开的作为执行本发明最佳方式的实施例。上述说明书包含许多细节，这些细节不构成对本发明范围的限制，仅作为本发明实施例的范例。本领域技术人员可预见到下述权利要求书所限定范围内有许多可能改型。

Claims (14)

1.一个用于便携无线电装置的小型天线，包括：

一个有载单极辐射器，包括印刷电路板衬底上的一个第一导线，所述第一导线具有规定定向在水平方向的一个给定长度，还包括一个第二导线具有弯折线形状和定向在垂直方向；和

一个接地辐射器，包括在所述印刷电路板衬底上分开的第一接地辐射器和第二接地辐射器，所述第一和第二接地辐射器对于所述第二导线是对称的。

2.权利要求1中所限定的天线，其中所述有载单极辐射器包括弯折线形状的一个垂直导线和一个在所述垂直导线上端左右伸展水平导线加载线。

3.权利要求1中所限定的天线，其中所述接地辐射器具有弯折线形状，所述接地辐射器对称面向所述有载单极辐射器的所述垂直导线，和左接地辐射器的右部分与右接地辐射器的左部分相互连接，由此所述右和左接地辐射器的每个电长度为四分之一波长的奇数倍。

4.权利要求2中所限定的天线，其中所述接地辐射器具有弯折线形状，所述接地辐射器对称面向所述有载单极辐射器的所述垂直导线，和左接地辐射器的右部分与右接地辐射器的左部分相互连接，由此所述右和左接地辐射器的每个电长度为四分之一波长的奇数倍。

5.权利要求3中所限定的天线，其中所述印刷电路衬底被安装在装备射频放大器的所述装置的部分上，并用一个同轴电缆与其相连。

6.权利要求5中所限定的天线，其中所述同轴电缆具有一个一端连接所述有载单极辐射器的所述第二导线底部的信号线，和一个连接右和左接地辐射器的地线，信号线的另一端连接终端的信号线和其地线连接所述终端的接地部分，由此所述天线与所述终端能相互地电连接。

7.权利要求1中所限定的天线，其中所述印刷电路衬底安装在一个翻动的天线机壳中。

8.权利要求7中所限定的天线，其中所述天线机壳由聚碳酸脂构成。

9.一个天线，包括：

包括印刷电路衬底上的第一和第二导线的一个有载单极辐射器，所述第一导线具有定向在第一方向上的一个给定长度，所述第二导线具有弯折线形状和定向在垂直于所述第一方向的一个第二方向上；和

一个接地辐射器，包括设置在第二导线的一个第一侧的一个第一辐射部分，和设置在第二导线的一个第二侧的一个第二辐射部分，所述第一和第二辐射部分相互连接。

10.权利要求9中所限定的天线，其中所述第一和第二辐射部分被定向在所述第一方向上。

11.权利要求9中所限定的天线，其中所述第一和第二辐射部分的每个都是弯折线形状。

12.权利要求9中所限定的天线，其中所述第一和第二辐射部分被电容性地耦合到所述第二导线上。

13.权利要求9中所限定的天线，其中所述第一和第二辐射部分中只有一个被电容性地耦合到所述第二导线上。

14.权利要求9中所限定的天线，其中选择所述天线的尺寸以允许所述天线结合手持、便携无线电装置使用。

Images