CN1191636A - 印刷单极天线 - Google Patents

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Abstract

印制单极天线具有:带有第一侧和第二侧的印制电路板(12),包括形成在印制电路板第一侧的第一导电线(18)的单极辐射元件、和包括形成在印制电路板上邻接第一导电线的第二导电线(20)的导电元件。第二导电线(20)确定和扩展接地平面,防止在与第二导电线一致的第一导电线的那部分的电流辐射。第二导电线可以形成在印制电路板的任一侧。印制单极天线可改进成在两个单独频带内工作。

Description

印制单极天线
本发明涉及用于辐射和接收电磁信号的单极天线，并特别涉及一种包括导电元件的印制单极天线，该导电元件确定扩展接地平面，以防止一部分印制单极辐射元件的电流辐射。
对于便携式无线电设备、蜂窝式电话、和其它通信设备，已发现垂直于导电表面安装的单极天线提供一种具有极好的辐射特性、所需的激励点阻抗、和相当简单的结构的天线。然而，如与偶极天线相比较，单极天线的尺寸较小并可以看作一个不对称偶极天线，其中单极辐射元件是一个元件和无线电设备外壳等是另一个元件。因为减小尺寸是所希望的特性，在由Eberhardt等人提出的美国专利5,231,412中公开的某种单极设计，例如螺旋结构已被采用。这时辐射元件的机械尺寸远小于相应的直线辐射器，而呈现出相同的有效电长度。
尽管如此，由于输入阻抗对频率的变化，所以，机械尺寸的减小使天线的工作辐射带宽减小。该带宽的减小是由因较小天线尺寸引起的较低辐射电阻和产生高Q和低辐射带宽的大存储能量的结合所造成的。为了克服工作辐射带宽减小的这个问题，已发现围绕单极辐射元件的套管可以扩展接地平面，并因此在沿辐射元件的指定位置上产生一个有效馈电点。由Takahashi提出的美国专利5,321,412和日本专利53-82246中可见，接地平面的扩展具有扩展辐射带宽的作用。
虽然螺旋辐射元件和围绕其的相应套管对其预定用途来说通常是有效的，但是，要在严格的公差要求内制造这种天线是很难的。然而，即使这种天线已经能减小其机械尺寸，它们却具有会增加其直径的不良影响。因此，最好研制一种单极天线，该天线可减小其整体尺寸，而不是机械尺寸，以及可用很精密的方式进行生产。因而，最好是需要一个电抗元件的这种单极天线，该电抗元件被设置成仅与一部分辐射元件的一侧邻接，由此消除了对围绕辐射元件所需要的这种电抗元件。
按照上文，本发明的目的是提供一种具有使工作辐射带宽增加的构形的单极天线。
本发明的另一个目的是提供一种具有使其总体尺寸减小的构形的单极天线。
本发明的又一个目的是提供一种具有一个电抗元件的单极天线，该电抗元件扩展接地平面，使电抗元件的尺寸减至最小。
本发明的进一步目的是提供一种能在极严格的公差内构成的单极天线。
本发明的另一个目的是提供一种具有出于确定扩展接地平面的电抗元件的末端的有效馈电点的单极天线。
本发明的进一步目的是提供一种在印制电路板上构成的印制单极天线。
本发明的还有一个目的是提供一种其中辐射元件被构成其机械长度比电长度小的印制单极天线。
本发明的另一个目的是提供一种可在两个单独频带宽度内工作的印制单极天线。
本发明的再一个目的是提供一种在第一带宽内的一个频率上作为半波长天线和在第二带宽内的一个频率上作为1/4波长或半波长天线工作的印制单极天线。
通过下面结合附图的说明，本发明的这些目的和其它特征将变得显而易见。
根据本发明的一个方面，被公开的一种印制单极天线具有：带有第一侧和第二侧的印制电路板、包括形成在印制电路板第一侧的第一导电线的单极辐射元件，和包括形成印制电路板第二侧的第二导电线的导电元件。导电元件确定扩展接地平面，以防止来自与第二导电线一致的第一导电线的那部分的电流的辐射。
根据本发明的第二方面，被公开的一种印制单极天线具有：带有第一侧和第二侧的印制电路板、包括形成在印制电路板两侧之一的第一导电线的单极辐射元件和包括形成在与第一导电线相同的印制电路板侧的第二导电线的导电元件。第二导电线可在第一导电线的任一侧或两侧形成，确定扩展接地平面，以防止来自与第二导电线一致的第一导电线的那部分的电流的辐射。
根据本发明的第三方面，第三导电线形成在邻接印制电路板的任一侧，或在印制电路板第一侧与第一导电线邻接，以便使印制单极天线工作在两个单独频带宽度内。换句话说，寄生元件可设置在电抗元件的相反端的印制电路板第二侧，以使印制单极天线双频带工作。
尽管本发明的包括权利要求的说明书中已作出特别地指示和清楚地要求，但相信从下面结合附图的描述中对本发明会有更好理解，其中：
图1是根据本发明印制单极天线的左侧视图；
图2是图1所示的印制单极天线的右侧视图；
图3是图1和图2所示的印制单极天线的部件分解透视图；
图4是图1和2所示的、在已全模制以后安装在无线收发信机上的印制单极天线；
图5是本发明的印制单极天线的替换实施例的左侧视图；
图6是可工作在两个单独频带内、在那里的辐射元件是形成在单独印制电路板上的两个导电线的印制单极天线的部件侧视图；
图7是对于可工作在两个单独频带内，辐射元件是形成在单个印制电路板上同一侧的两个导电线的印制单极天线的替换构形的部件侧视图；和
图8是对于可工作在两个单独频带内，辐射元件是形成在印制电路板的一侧的单个导电线，它是通过在印制电路板的相反侧的寄生元件调谐的印制单极天线的另一个替换构形的部件侧视图。
现在详细地参照附图，其中相同的标号表示所有的图的相同元件，图1-4表示无线收发信机、蜂窝电话、和具有单个工作频率带宽的其它个人通信设备所利用的该类印制单极天线10。如图1-3所见的，印制单极天线10包括印制电路板12，它最好是具有第一侧14(图1)和第二侧16(图2)的平面构形。应注意的是，印制单极天线10包括以形成在印制电路板12的第一侧14的第一导电线18的形式的单极辐射单元。此外，以第二导电线20的形式的导电线被形成在印制电路板12的第二侧16。第二导电线20确定扩展接地平面21(用虚线表示的)，以防止印制单极天线10在与第二导电线20一致的第一导电线18的那部分上的电流辐射。以这种方式，沿扩展接地平面21来确定印制单极天线10的有效馈电点22。
更具体地说，起支承表面作用的印制电路板12被优选地确定容纳第一导电线18的尺寸。因此，印制电路板12包括邻接天线10的馈电端26的第一矩形部分24和从第一矩形部分24远离馈电端26延伸的第二矩形部分28。也可理解为，印制电路板12是由介质材料，而最佳是由软性介质材料制成的，以便允许某种程度的挠曲和弯曲，而不会断开。软性介质材料可被采用的例子包括由导电材料(例如铜)和导电印制剂组成的聚酰胺和聚脂薄膜。
对于印制单极天线10的辐射元件，第一导电线18是通过薄膜照相成象处理或者其它已知技术形成在印制电路板12的第一侧14。由于该设备可用来完成这个任务，允许精确尺寸和设计公差。第一导电线18沿着印制电路板12的构形可以是线性的，但是，最好是至少其一部分是非线性的，如用标号30所示的。在这一点上，第一导电线18具有带有馈电端32和相反端34的机械长度l1。馈电端32可直接与用于无线电收发信机、蜂窝式电话，或其它通信设备的主控制电路连接，最好是与馈电端口38(例如同轴接头)的信号馈电部分36耦合。
如图1和3可见的，第一导电线18的非线性部分30具有曲柄或方波类型构形。因此，非线性部分30具有可称之为占空因子40的部分，它是由相邻的曲柄前沿确定的(参见图3)。当图1和3所示的占空因数40基本上保持常数时，根据特定应用的要求可改进在曲柄之间的实际距离，以及所采用的图案。由此可见，第一导电线18可被构形成具有一电长度基本上等于所需的天线工作的中心频率的1/4波长或1/2波长，以及任何其它尺寸。由本发明的受让人所有的并与此同时提出的题目为“电长度比其机械长度长的天线”的专利申请中能找到导电线的更详细的设计，并由此引入作为参考。
对于形成在印制电路板12的第二侧16的第二导电线20，应该注意，它具有一个从接地端42延伸到相反端44的机械长度l2(参见图3)。可理解为，第二导电线20的机械长度l2确定其中扩展印制单极天线10的接地平面的距离。因此，在其相反端44，设置印制单极天线10的扩展接地平面21和有效馈电点22。本发明的特征在于，第二导线20用来增加带宽，在该带宽内第一导线18将呈谐振。例如，已经实现约一个倍频程的频带(即频带的高端大约是频带低端的两倍)。这就是在中心频率的5～10％之间范围内当前实现的显著的带宽改进。而且，可以认为，增加带宽不必等分布在诸如当天线的尺寸接近于中心频率的1/2波长时的中心频率的较高和较低的频率上。
第二导电线20的接地端42优选地连接到馈电端口38的接地部分46。因此，应该注意，第二导电线20的接地端42邻接第一导电线18的馈电端42。第二导电线20显示为完全形成在印制电路板第二侧16的第一矩形部分24内(虽然第二导电线20能延伸到印制电路板12的第二矩形部分28)，在那里它起到防止从与其一致的第一导电线18的非线性部分30的电流辐射的作用。虽然没有示出，第二导电线20也能环绕在印制电路板12的馈电端周围和延伸到其第一侧14。因此，由于印制单极天线10的平面构形，所以减小了辐射元件(第一导电线18)的机械长度，以及导电元件(第二导电线20)的整个尺寸。
如众所周知的，天线的辐射元件的电长度决定了所需天线工作的中心频率。虽然第一导电线18的电长度可以等于在它具有线性构形时其机械长度l1，可理介为，当它包括诸如用30表示的非线性部分时，第一导电线18的电长度将比机械长度l1长。优选地，第一导电线18将具有一个相应于所需中心频率的1/4波长或1/2波长的任一个的电长度。为了对印制单极天线10的宽带工作提供阻抗匹配，通常针对50欧姆，因此第二导电线20的电长度是相对于第一导电线18的电长度确定尺寸的。
如图4可见，印制单极天线10例如通过馈电端口38与无线电收发信机48耦合的。为了保护印制单极天线10免受环境因数影响，以及提供美观的外观，优选的是，印制单极天线10是用橡胶模压包覆其外部的，或者按另一种方式，用具有低介质损耗的模压材料来包复它。对于印制单极天线10的更详细的结构，参见由本发明的受让人所有的、与此同时提出的题目为“制造一种印制天线的方法”的专利申请，并由此引入作为参考。
如图5可见，第二导电线20也可被形成在邻接第一导电线18的印制电路板12的第一侧14。第二导电线20将起先前在图1-3表示的实施例中所描述的作用，以形成印制单极天线10的扩展接地平面21和虚拟馈电点22。虽然描述为对图5中第一导电线18的每侧进行配置的，应理解为，第二导电线20也可仅对其一侧进行配置。
为了使印制单极天线10工作在双频带内，可配置以第三导电线50形式的第二辐射元件，如在本发明的受让人所有的、与此同时提出的题目为“多频带印制单极天线”的专利申请中更详细描述的那样，该申请被引入作为参考。如由图6可见，第三导电线50被形成在第一导电线18相反的第二印制电路板52的一侧54上。优选地，第三导电线50的机械长度l3基本上等于第一导电线18的机械长度l2。然而，由它完全具有线性结构，可见第三导电线50的电长度比第一导电线18的电长度要短。为了更好地分开由第一导电线18和第三导电线50辐射的各自的频带，第一导电线18可完全具有一个非线性结构(例如，在此所公开的曲柄或方波类型)，分别在第一和第三导电线18和50的各自电长度中提供有很大差别。关于这一点，可优选第一导电线18，它将谐振在较低频带内，具有一个等于第一所需的中心频率的1/2波长或1/4波长的电长度，和第三导电线50，它将谐振在较高频带内，具有一个等于第二所需中频的1/2波长的电长度。
由图6和7可见，第一导电线起直接连接到无线电收发信机、蜂窝式电话、或其它通信设备的主要辐射元件的作用。第二导电元件20执行导电元件的作用，提高在由第一和第三导电线18和50辐射的两个频率内的性能。由于第三导电线50的存在对第一导电线18起很小作用，就可实现对于工作的两个频带的最佳响应。
图7表示可工作在双频带上的印制单极天线10的替换构形，并在引入作为参考的题目为“多频带印制单极天线”的上述专利申请中予以更详细地描述。如其中所见的，第三导电线50邻接第一导电线18被设置在印制电路板12的第一侧14。除了设置在邻接到第一导电线18的相同的印制电路板以外，第三导电线50具有与如上所述的相同的机械性能和在相同方法中的功能。
对于工作在两个单独频带的印制单极天线10的另一个替换构形示于图8，并在由本发明的受让人所有的、与此同时提出的题目为“多频带印制单极天线”的另一个专利申请中予以详细描述，由此引入作为参考。关于这一点，寄生元件56在第二导电线20的相反端提供在印制电路板12的第二侧16。诸如铜带之类的寄生元件56用于调谐第一导电线18的二次谐振，以致于产生第二频带(而不是由第一导电线18在一次谐振时辐射的整数倍频带)。可理解为，图8采用寄生元件56的构形是根据如上所述的相同印制单极天线，如用图6和7所描述的构形表示的。
已表示和说明了本发明的最佳实施例，对本专业领域的技术人员而言，印制单极天线的进一步改进可用适当的改型来实施，而不脱离本发明的范围。

Claims (24)

1.一种印制单极天线，包括：
(a)具有第一侧和第二侧的印制电路板；
(b)包括形成在所述的印制电路板第一侧的第一导电线，所述的第一导电线具有从馈电端到相反端的机械长度；和
(c)包括形成在所述的印制电路板邻接所述第一导电线的第二导电线，所述的第二导电线具有从接地平面到相反端的机械长度；
其中所述的第二导电线确定扩展接地平面，防止在与所述的第二导电线一致的所述的第一导电线的那部分上的电流辐射。
2.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述的第二导电线被形成在所述的印制电路板第二侧。
3.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述的第二导电线被形成在所述印制电路板的第一侧。
4.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述的第二导电线的所述相反端确定所述第一导电线的有效馈电点。
5.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述的印制电路板由软性介质材料制成。
6.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述第一导电线的电长度确定在第一频带内天线工作的中心频率。
7.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述第二导电线的电长度确定对所述天线的宽带阻抗的阻抗匹配。
8.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述的印制电路板、所述的第一导电线，和所述的第二导电线是全模制的。
9.根据权利要求1的印制单极天线，其中至少所述第一导电线的一部分是非线性的，由此所述的第一导电线的所述机械长度比所述的第一导电线的电长度短。
10.根据权利要求9的印制单极天线，其中所述的第一导电线的所述非线性部分具有方波构形。
11.根据权利要求1的印制单极天线，进一步包括；包括信号馈送部分和接地部分的馈电端口，所述的信号馈送部分与所述第一导电线的所述馈电端耦合和所述的接地部分与所述第二导电线的所述接地端连接。
12.根据权利要求11的印制单极天线，其中所述的馈电端口包括同轴连接器。
13.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述的单极辐射元件具有基本上等于所述第一导电线的所述机械长度的电长度。
14.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述第二导电线的机械长度比所述第一导电线的机械长度要短。
15.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述的第一导电线的电长度大约等于用于天线工作所需的中心频率的1/4波长。
16.根据权利要求1的印制单极天线，其中所述的第一导电线的电长度大约等于用于天线工作所需的中心频率的1/2波长。
17.一种用于通信设备的天线，包括：
(a)包括信号馈送部分和接地部分的馈电端口；
(b)具有第一侧和第二侧的印制电路板；
(c)包括形成在所述的印制电路板第一侧的第一导电线，所述的第一导电线具有一个从馈电端耦合到相反端的所述馈电端口的所述信号馈送部分；
(d)包括形成在所述的印制电路板上邻接所述第一导电线的第二导电线的导电元件，所述的第二导电线具有一个从接地端接到相反端的所述馈电端口的所述接地部分，其中所述第二导电线的所述接地端设置在与所述第一导电线的所述馈电端相同的端；
其中所述的第二导电线确定扩展接地平面，防止在与所述第二导电线一致的所述第一导电线的那部分上的电流辐射。
18.根据权利要求17的天线，其中所述的第二导电线形成在所述的印制电路板第二侧。
19.根据权利要求17的天线，其中所述第二导电线形成在所述的印制电路板第一侧。
20.根据权利要求17的无线电天线，其中所述第二导电线的机械长度被确定尺寸，以用所述的第一导电线提供阻抗匹配。
21.根据权利要求17的无线电天线，其中与所述的第二导电线一致的所述第一导电线的那部分是非线性的。
22.根据权利要求1的印制单极天线，还包括：
(a)具有第一侧和第二侧的第二印制电路板，所述的第二印制电路板与所述的第一印制电路板分开的，以致于第一印制电路板第一侧邻接所述第二印制电板第二侧；和
(b)形成在所述第二印制电路第一侧的第三导电线；
其中所述的第一导电线具有在第一频带内谐振的电长度和所述的第三导电线具有在第二频带内谐振的电长度。
23.根据权利要求1的印制单极天线，进一步包括：形成在所述的印制电路板第一侧的第三导电线邻接所述的第一导电线，其中所述的第一导电线具有在第一频带内谐振的电长度和所述的第三导电线具有在第二频带内谐振的电长度。
24.根据权利要求1的印制单极天线，还包括，形成在所述的印制电路板第二侧的寄生元件，所述的寄生元件设置在所述第二导电线的相反端，其中所述第一导电线具有在第一频带内谐振的电长度，和所述的寄生元件调谐所述的第一导电元件到第二频带内的二次谐振。
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