CN1110105C - 天线装置 - Google Patents
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Abstract
一种工作在800MHz和3000MHz之间频率范围用于通信设备的天线装置。它至少包括一个电流上连通到螺旋线导体(2)一端的辐射器(1)。螺旋线导体依次联到无线电收发机(4)上。一个接地导体(6)沿螺旋线导体(2)范围延伸由此形成沿螺旋线导体分布的电容。
Description
技术领域
本发明涉及到一种工作在800MHz和3000MHz间频率范围用于通信设备的天线装置。它至少包括一个电连接到螺旋线导体一端的辐射器。螺旋线导体依次连到无线电收发机上。
背景技术
被用在称之为移动电话这种类型的无线电收发机的连接阻抗通常是50欧姆量级。依赖于辐射体的设计和类似，其阻抗会大不相同，譬如说，在100欧姆和1000欧姆之间的范围内。于是，阻抗的转换就成为必要。
在以前技术的设计和结构中，通常是做一个分离元件的转换网络。这个网络常常是放在通信设备里的一块电路板上。即使在这样的设计和结构中的阻抗转换会是满意的，然而这些设计和结构也是昂贵的，并且有高损耗。而且，在这种类型的转换网络中不可能简单地包含这样意义上的天线结构；即它会实现简单紧凑的集成结构，因而是理想的。
在等待模式的移动电话中，即准备接收信号时更需要小而紧凑的天线。这种天线又必须机械上是坚固的和受到完好保护。这样的天线的有效度不能满足在激活状态即通话时给出足够射程和满意的发射质量。在这种天线条件下为实现更高有效度，在激活状态时通常使用可伸缩天线。这样的结构以下列条件为前提，即在一个天线或几个天线和无线电收发机之间并入匹配网络。在技术上急需所有这些元件能压缩成小型元件并给出合适的机械保护。
发明内容
本发明是以实现这样的一种装置为目的，即这种装置能消除在以前技术的结构中固有的问题。于是，本发明以实现这样的天线装置为目的。这种天线装置可有一个或两个辐射器，还有一个匹配网络。其中，该匹配网络有高效率、机械上稳定可靠并极省空间。此外，本发明还以实现在制造上既简单又经济的装置。
如果由介绍表明的装置具有下述特点，则形成本发明基础的目的将达到。为形成沿螺旋线分布的电容，一个接地导体沿螺旋线导体范围延伸。
在第一个实施例中，螺旋线导体在外形上大体是螺旋状的，而接地导体同轴地安置在螺旋线导体内。
在第二个实施例中，螺旋线导体大体上是平面的。它也加到接地导体上。接地导体的外轮廓大致依附于螺旋线导体的外轮廓。
如果给本发明的主题内容提供一个或多个如以下特征的要点，按着本发明会获得更多的好处：
在接地导体的周围安置有介电材料的管或套管，螺旋线导体就绕在这个管上。或者，螺旋线导体基本上是在同一平面内的；接地导体是圆盘形的并基本上是平面的，它的外轮廓同螺旋线导体的外轮廓相似。
附图说明
现参照附图对本发明进行极详尽的描述。
附图中：
图1是本发明的电等效图；
图2表示依照图1的本发明的一个修改实施例；
图3表示依照图1的本发明的一个实用型式；
图4表示依照图2的本发明的一个实用型式；
图5表示另一个本发明的实施例；
图6是图5的局部放大；
图7是包含2个辐射器的修改实施例的剖面图解，其中的一个辐射器是个处于延长状态的杆；
图8表示一个杆辐射器处于缩进状态的图7天线装置。
图9是按照图7和图8天线装置的下部放大的剖面图。
图10是依照图9的天线装置的顶视平面图。
具体实施方式
优先实施例说明
在图1上，标号1涉及一个电连接到螺旋线导体2即电感的一端的辐射器。螺旋线导体2有个经其连接到无线电收发机4上的输入点3。在与螺旋线导体2连接的同时，提供有在5连到地的导体6。这个导体沿螺旋线导体2延伸，并同螺旋线导体有相同的空间范围。因此，在螺旋线导体2和接地导体6之间形成沿螺旋线导体分布的电容。螺旋线导体2和接地导体6组成一个匹配网络。这个匹配网络将辐射器的高阻抗变换到50欧姆量级，同无线电收发机的50欧姆相符。
依照图1的装置既可当作四分之一波天线又可当作半波天线工作。如果天线是为800MHz波段和当作四分之一波工作而设置的，则作为半波天线它便会为大约1600Mhz、即大约2倍的较低频率而设置。
图2表示本发明的一个改型，其中在半波工作和四分之一波工作的谐振频率间的关系偏离2。通过沿螺旋线导体2移动输入点3，使螺旋线导体在输入点的两边延伸实现了这一点。由于由螺旋线导体自由段7生成的额外阻抗，辐射器1在电学上看的长度比它实际的长度要长。这意味着它谐振在比纯四分之一波辐射器谐振频率低的频率上。
在半波工作时，由于额外的电容螺旋线导体将被看作比是纯半波匹配时短。这就提供了一个较短的天线，由此谐振频率会比是纯半波天线时高。通常适当的尺寸选择，有可能使天线在800MHz波段作为四分之一波天线工作，而在1900MHz波段作为半波天线工作。两个频率之间的关系比2大。
图3表示一个依照图1的装置的实际结构的例子。依照图3的天线有一个在装置里接地的套管8，并有一个内绝缘体9。一个接触针17同轴地经绝缘体延伸，在套管8的上边归并到螺旋线导体里。螺旋线导体最好是螺旋状的外形10那样的。辐射器本身连在螺旋线导体10的上端。在这个实施例中，辐射器被设计成一个天线杆11。合适地将螺旋线导体10设计成沿其长度有固定螺距的圆柱形螺旋线。杆沿螺旋线导体的轴向伸展。
在图3中放置在螺旋线导体内部的直导体12与图1中标号6的接地导体相对应。它沿整个螺旋线导体长度同轴延伸，以此同螺旋线导体一起形成连续分布在螺旋线导体上的电容。导体12由绝缘材料的管或管套包围，使得电容可以增加。例如，这个管由聚四氟乙烯(它以商标Teflon销售)构成，当螺旋线导体10绕在上面时它可用作线卷支架。在其下端，导体12电流联通到接地套管8。显然，导体12和杆天线11互相是适当同轴的或近似同轴的。
在图3的右部，表示接地套管8如何插在设备外壳13上的插座14里。插座有一种机械连接装置，弹性舌片的作用是与套管8周边的沟纹15相咬合。更明显的是，整个天线装置可被铸在用影线表示的绝缘保护套16里。
在一个实际的型式中，依照图1和图3的天线在半波设计在900MHz波段有大约110mm的杆长度。而在1800MHz波段有大约50mm的杆长度。在杆11中和螺旋线导体10中的线经大约是0.8mm，而螺旋线导体有大约1.5mm的内径。在设置到1800MHz时，螺旋线导体大约有7圈，而在900Mhz时圈数大约是12。
图4表示依照图2的装置的一个实际结构例子。就设计和结构而言，相对依照图3的装置的差别只是，触针18向上延伸且有一段18沿螺旋线导体10的一段在外边向上延伸。结果，输入点3位于螺旋线导体两端之间，因此螺旋线导体有一作为附加物端接的下段7。在这个实施例中，同轴安置的接地导体12经过螺旋线导体的整个长度延伸，因而既同螺旋线导体上段又同螺旋线导体的下段7一起形成沿螺旋线导体连续分布的电容。还有，在这个型式中，导体12被绝缘材料管或套管适当包围，在套管上缠绕设计成螺旋状的导体7和10。
从图4的右部可见，这个实施例还可有一个如影线16所表示的外绝缘保护套。
在一个依照图2和图4的天线的实际型式中，在1800MHz上半波工作和在900MHz上四分之一波工作时杆天线长度大约是50mm。螺旋线导体10总计有约10圈，其中作为附加物端接的下段7大约为2圈。杆11和构成螺旋线导体的线径是0.8mm，而螺旋线导体有内径1.5mm。
其他实施例的说明
图5和图6表示本发明装置的改进实施例。就电的关系来说，这个改进的实施例是按照图1和图2施行的。
从图5显见，在这个实施例中的天线有一个带有内绝缘体9和触针17的接地套管8。在套管8的上端有一径向凸出的法兰19(图6)。在法兰上放置一个绝缘材料的圆垫或圆盘20。在圆盘下边有一大体上连续复盖整个圆下面的金属涂层21。金属涂层21例如说通过焊缝22使套管8和其法兰19电连接。
在圆盘20的上边，置有螺旋线导体23，它是在同一平面内的并牢固安装在圆盘上。螺旋线导体23有一内部的或中心的连接段24，它经过焊缝25连到触针17的上端。螺旋状螺旋线导体的各圈23a、23b、23c等围绕连接部分24展开。在螺旋线导体23的外边沿，有外连接部分26在其上焊接导体27。导体27延伸到离触针17上端有一定距离的位置，在那里导体27电连接到耦合器28，同时该耦合器28电连接到杆天线11。
如果外连接部分26位于螺旋线导体23的外部末端，则会实现有图1所示类型的装置。另一方面，如果连接部分26在螺旋线导体的两端之间，即部分地离开螺旋线导体外部末端处，则会实现在图2所示类型的装置。
如上所述，螺旋线导体23大体上是在同一平面内的，并且它的不同圈大体上是圆的。但是，它也可设计成例如有4边或更多边的多边形。
在一个实际的型式中，圆板20理想上是块双面电路板，在电路板的上面进行刻蚀制出螺旋线导体23，而下面不刻蚀。
从图6显而易见，在圆盘20的下面金属层21有一小孔29，触针17经它伸出，不构成同金属层21的任何电流联系。由于这个特点，会实现有在螺旋线导体23上分布的电容。这个电容由金属层21实现，并有同螺旋线导体23的外轮廓相当的范围。
为不引起不必的损耗，螺旋线导体23要尽可能地由气体电介质、最好是空气来包围。由图5显见，这样做到这一点，即至少耦合器28的一部分和套管8的上部(最好是它的法兰19)被封在保持架体30中，该保持架在圆板20和导体27的周围有空腔31。在保持架体30的外边配置绝缘保护外壳32。
在依照图5和图6的天线的一个实际实施例中，在半波工作的杆11在900MHz有110mm的长度，而在1800MHz有约50mm的长度。导体27有约6mm的长度和0.8mm的直径。电路板23有0.8mm的板厚和8mm的直径。在1800MHz和半波工作，在同一平面内刻蚀螺旋线导体23a-23c大约为1.3圈，其中每圈大约有0.5mm(径向宽)。在900MHz和半波工作，圈数大约是2.8。包围杆11的保护外套有大约11mm的外径；为在1800MHz和半波工作设计的天线有约为65mm的总长。
在所有上述实施例中，辐射器1都被表示为一个杆。但是，当然还可有其他设计，比如如螺旋线那样形状的。
用单面板替代双面电路板制造圆板20亦是可以的。在这个替换中，为实现金属层21的对应物，法兰19沿径向扩展大体上覆盖圆盘20的整个下面，以此替换金属层21。
为了替代在杆11的下端和螺旋线导体23之间的电流耦合(经导体27)，电容耦合和电感耦合均可使用。
如果杆11的下端在电流连通到一块金属板上，则可实现电容耦合。金属板大致同螺旋线导体23的平面平行，并被设计成对23稍有间距隔开。金属板和螺旋线导体23之间的缝隙可用空气填充，在单面板情况下还可用如绝缘层那样的介电材料，金属板已插入到电路板的上面导电金属层。
如果用一螺旋线代替金属板，则可实现电感耦合。
图7-10表示有2个不同的辐射器的天线装置。其中一个辐射器用在等待模式，而另一个在通话时使用。
在图7中，标号1涉及第一个辐射器，而标号33涉及第2个辐射器。辐射器1和33通过耦合装置被这样安排：当第一个辐射器是有源的时候，第二个辐射器则是无源的，反过来也一样。这通过使辐射器能交替地连接到无线电收发机(在图上未表示)的机械连接装置来实现。无线电收发机经适当的导体同天线装置的终端34连接。有可能，当第二个辐射器33在有源状态下，两个辐射器在电流上并联连通。
第二个辐射器设计成为杆11。它可沿其纵向从按图7使用的伸出状态(有源状态)变到按图7的缩进无源状态。在这样的情况下，杆11穿过设计成螺旋线35的第一个辐射器延伸。按照本发明，螺旋线被铸在或者在内部安置在保护体16内。保护体16由绝缘材料制成，它备有一个使杆11可伸出和缩进的通道。
为了允许两个辐射器1和33之间转换，杆11在其上端有电绝缘段37。在图8上杆的缩进状态时，绝缘段37处在螺旋线35之内。杆11至少伸出它长度的大部分。给出在螺旋线有一介电材料内体的情况下，它的辐射性质不会受到明显的影响。因此，在这种情况下螺旋线35会是有源的；并且在没有任何杆11的激励情况下工作。在下端，杆11有一个金属制的导电部分38。在如图7的杆的伸出状态下，杆11在螺旋线35之内并沿纵向在基本上是整个螺旋线长度上伸展。在螺旋线里边放置一金属导电体，这将是“被短路”，从而中止了作为辐射元件的功能。在这种情况下，螺旋线35有可能被看作在电的意义上同杆11成一总体的一部分，或者看作同杆并联的一个辐射器。
在如图7的杆11的状态下，导电部分38经机械连接装置同无线电收发机4连接。因此，在这个状态下的杆将仅作为辐射器起作用。但是，在这个状态下螺旋线35在电的意义上可被看作杆的一部分。理想情况，杆置于半波工作；而螺旋线设计成四分之一波工作。然而，杆也可置于四分之一波工作。
图9更清楚地显示如图7的结构中的细节和零件。从这个图显而易见，杆11的下面导电部分38穿过螺旋线35的整个长度伸展并下到金属制的有接触指40的套管39。因此，杆11将是在电流上联通到套管39。套管39的上部有一径向凸出法兰41在其上边放置螺旋线35。套管39经衬套42在螺旋线里向上伸一圈或比一圈多一点。衬套42由此提供螺旋线35定位的可能性，以至于螺旋线35和杆11可以大致保持相互同轴。螺旋线的下端被锚接在衬套42和/或法兰41里，在电流上联通到它们中的一个或两个上。
在如图8的缩进状态下，杆11的上面绝缘部分位于螺旋线35的里边，向下延伸到导电套管39里，因此在套管39和杆11之间不形成任何电接触(电流接触)。所以，在这个状态下在电流上是断开的和不起作用的。在另一方面，螺旋线35电连接到套管。
辐射器1和33都有130Ω数量级联接阻抗，而无线电收发机有大约50Ω的阻抗。在终端34和两个辐射器1和33之间，在衬套42及法兰41之间，安置有一匹配网络43。
终端34有内部中心导体或触针17。触针17被同轴放置的绝缘套管9包围。套管9又被同地连接的导电套管8包围。触针17在其上端有一接头或托架44。在托架44中螺旋线导体10的下端被固牢和电连接到触针上。螺旋线导体10的上端经导电接头或耦合器45同螺旋线35的下端电连接，或者在同法兰41和/或衬套42中的套管39电连接。
在同接地套管8电接触时，导体12经螺旋线导体10向上伸出。导体12的下端有一环形物被容纳和在电流上被联接在套管8的槽中。导体12沿螺旋线导体10的长度路径延伸，以此在它们之间形成沿螺旋线导体分布的电容。合适的是，导体12可以是直的，同杆11的纵向大致平行，也可用如聚四氟乙烯(按Teflon商标销售)这样电绝缘材料的套筒包围。螺旋线导体可被适当地设计成为绕在上述套筒上的大致圆柱形螺旋线。接地导体12和螺旋线导体10一起构成既用于辐射器1又用于辐射器33的阻抗匹配的匹配网络。
在螺旋线35的顶部，安置有一顶环46。这顶环最好有大约2倍螺旋线35直径，约一圈。它的界面同螺旋线35的轴和杆11的纵向成直角。它同螺旋线35作为一个零件制作，通过在侧视图中大致是U形的联接段47同螺旋线的上端相接。这个连接段的根部构成螺旋线35上端的大致切向延长，而连接段的上根部同顶环46从下面连接。
有一个按照本发明的装置的实用型式。它用于900MHz波段，有作为四分之一波天线工作的螺旋线35和作为半波天线工作杆11。下述详细的设计和结构可应用在这个实用型式中：
杆11有大约103mm的总长度，而它下面的导电部分有大约78mm的长度，适应的直径是1.5mm。
螺旋线天线35由分布在8.75mm长度(高度)上内径2.5mm的8圈组成。包括连接段47的顶环46长度(高度)是3.75mm。顶环由约1圈组成，有6mm的内径。
螺旋线导体10有分布在4.7mm长度(高度)上的3.75圈和2mm的内径。螺旋线导体10和螺旋线天线35的中心轴间的距离是7mm。在螺旋线35和螺旋线导体中的线径都是0.75mm。
在前面已预先假定，电流耦合在杆11的下端和套管39之间发生。但是，还可能在杆的低端和套管39之间提供电容耦合，而这可能与螺旋线35相关。
杆11已被假定设计成为半波天线，但还可调整尺寸用于四分之一波天线。
螺旋线导体10按一个圆柱形螺旋线来表示和说明。但是，它也可是个平面螺旋线，被放置在绝缘材料圆板的一个面上。在这种场合下，该圆盘在其反面上提供在电气上相当导体12的一个平板。该平板的界面和螺旋线的外轮廓大致相等。
作为套管39的接触指40的替代物，可利用在杆的下端部分上的接触指。由杆11支承的接触指或螺旋线可从以下面插入到套管39里。在这个实施例中，套管39是刚性的。不管接触指是安置在套管里还是在杆上，它们都是为双重用途服务：一方面，电连接到管套和杆11；另一方面，在伸出状态时机械上保持该杆。
在不偏离所附的权利要求的精神和范围的条件下，本发明的进一步改进是有可能的。
Claims (15)
1.一种工作在800MHz和3000MHz频率范围间的用于通信设备的天线装置，它至少由一个辐射器(1；11)组成，辐射器电连接到螺旋线导体(2；10；23)的一端上，所述螺旋线导体的另一端连接到无线电收发机(4)上，其特征在于，一个接地导体(6；12；21)沿所述螺旋线导体(2；10；23)的范围延伸，形成与沿螺旋线导体分布的电容，并且所述螺旋线导体和所述接地导体组成一个阻抗匹配网络。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述螺旋线导体(7；10)是螺旋线形状的，所述接地导体(12)同轴地安置在螺旋线导体中。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，在所述接地导体(12)和螺旋线导体(7，10)的里边之间有空气。
4.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，在所述接地导体(12)的周围安置有介电材料的管或套管，所述螺旋线导体(7，10)就绕在这个管上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋线导体(23)是在同一平面内的；所述接地导体(21)是圆盘形的并是平面的，它的外轮廓同螺旋线导体的外轮廓相似。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述螺旋线导体(23)安置在是平面的绝缘材料的圆盘(20)上，而接地导体(21)安置在这个圆盘的反面。
7.根据权利要求1至6的其中任何一个权利要求所述的天线装置，其特征在于，所述螺旋线导体(2，10，23)同无线电收发机(4)的连接点(3)位于螺旋线导体远离辐射器(1，11)的那端上。
8.根据权利要求1至6的其中任何一个权利要求所述的天线装置，其特征在于，所述螺旋线导体(2，10，23)同无线电收发机(4)的连接点(3)放置在螺旋线导体的两端之间。
9.根据权利要求1至6的其中任何一个权利要求所述的天线装置，其特征在于，所述螺旋线导体(2；10；23)和无线电收发机(4)电连接。
10.根据权利要求1至6的其中任何一个权利要求所述的天线装置，其特征在于，它包含一个用于等待方式的第一辐射器(1)和一个用于通话的第二辐射器(33)，第二辐射器是个可沿纵向移动的杆(11)，在伸出状态，它通过耦合器件的媒介物电连接到螺旋线导体(10)上。
11.根据权利要求10所述的天线装置，其特征在于，所述第一辐射器(1)是个螺旋线(35)，杆(11)可经它滑动。
12.根据按权利要求11所述的天线装置，其特征在于，所述杆(11)在其上端有一绝缘段(37)，这个绝缘段有这样的长度：当杆被缩进时，绝缘段处在螺旋线(35)中并覆盖其长度部分，杆在下端有个这样长度的连接部分(38)：杆被拉出时，连接部分处在螺旋线中并覆盖其长度部分。
13.根据权利要求5和6的其中之一所述的天线装置，其特征在于，所述螺旋线导体(23)的界面同辐射器(1)的纵向成直角。
14.根据权利要求10所述的天线装置，其特征在于，所述螺旋线导体(10)的轴方向同辐射器(1；33)的纵向是平行的，或者是同轴的。
15.根据权利要求5所述的天线装置，其特征在于，所述螺旋线导体(23)限定界面的主要部分同气体电介质邻接。
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