CN1223049C - 具有天线装置的无线电设备 - Google Patents

Abstract

一种具有包含一个或多个天线(102a，102b)的天线装置的无线终端，用来减少在该设备内在接地导体(104a，104b，104c)上流动的大量电流。在公知的终端中，这些电流产生有害的极化辐射，和在不需要的方向的辐射，而且将会降低辐射效率。本发明的该天线装置利用具有电气长度稍微大于波长一半的天线(102a，102b)。因而从接地导体(104a，104b，104c)得出的馈电电流与在大多数天线上流动的电流不同相，因此消除感应电流。流入接地导体(104a，104b，104c)的总电流减少了，从而将来自这些导体的辐射减到最小，并且改善整个辐射特性。此外，保持适当的该天线(102a，102b)的输入阻抗。

Description

具有天线装置的无线电设备

技术领域

本发明涉及一种具有天线装置的无线电设备。

背景技术

各种各样的天线装置已经用于无线电设备。许多上述的设备利用具有单端馈送装置的单极或者类似的天线，其中射频(RF)信源有效地施加在该设备上的天线的一端和接地导体之间。接地导体可以采取各种各样的形式，例如在印刷电路板(PCB)或者金属(或者喷涂金属)设备外壳上的接地面。在这样一个装置中，流入该天线(它产生需要的辐射)的电流与流动在接地导体上的电流是平衡的。

在接地导体上流动的电流取决于该导体的几何形状随机地定向，并且可以导致在不需要的方向中不需要的极化辐射。此外，导体附近的有损耗的部件可以降低该系统的效率，同时在接地导体中射频电流的存在可以导致接收机的感受性下降，以及与电磁兼容性(EMC)相关的问题。

已经建议一些不同的措施去降低在接地导体上的电流，包括：

*使用同轴偶极子，其实质上是一个偶极子天线，这里馈电经由该偶极子的一个臂被同轴地提供给其中心馈电点，例如参见移动式天线系统手册，K Fujimoto和J R James，Artech House，1994，203至210页。这要求一个大型的结构。

*一个具有波长的3/8长度的磁单极子。这样一个天线在其底部具有低电流，但是具有适当的阻抗。可是，从接地导体耦合到天线底部的电流显著地降低其性能。

*接地线通常以绕组的形式，它是被添加以接受大部分接地电流的接地导体的一个附加部分。这样一个天线在EP-A-0 635 898中被公开。虽然接地电流未被降低，它具有更高的可预测性。

*一种包括一对串行耦合磁单极子单元的天线，分别具有一半和四方之一波长的电气长度，经传输线单元耦合到地。这样一个天线在US-A-4,138,681中被公开。尽管有效，它是相当庞大的和复杂的。

*一种经一对线圈馈电的天线在US-A-5,583,520中公开。同样，尽管有效，该装置是庞大的和复杂的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有用于减少流入接地导体电流的改进的天线装置的无线电设备。

按照本发明的一种无线电设备，它具有少一个接地导体和至少一个天线，其特征在于，所述至少一个天线具有选择为所关心的频率的0.5至0.8波长范围的电气长度，并且在所述范围内的电气长度使得所述接地导体中的总电流减到最小，由此改善所述至少一个天线的总辐射特性。

本发明是基于不存在于现有技术的公认，即使用一种电气长度长于波长一半的天线导致从接地导体中取出的均衡电流与由天线在该导体上导出的电流是不同相的。这导致在接地导体中电流的抵消，并且使来自它的无用辐射减到最小。该天线的电气长度应该参考在该天线上的电流分布，而不是该天线的实际长度来确定。

因为该天线利用在远处的谐振，可以获得一个适当的输入阻抗。一般地，可以使用诸如标准模式螺旋状的或者曲折线的实际上缩短的电场天线。

附图说明

现在将参考附图通过举例来详细描述本发明的实施例，其中：

图1是一个DECT基站的总体布置的示意图；

图2是用于具有一个天线被激活的传统的天线装置的在基站的PCB附近的一块电场数值；

图3示出用于来自具有一个传统的被激活天基站的垂直(V)和水平(H)极化的地平经度的辐射图；

图4是沿着一种改进的螺旋型天线装置的长度(d)的电流(I)图；

图5是用于一种包括单个天线的改进天线装置的在基站的PCB附近的电场数值图；

图6示出用于来自具有一种改进天线装置基站的垂直(V)和水平(H)极化的地平经度的辐射图；和

图7示出用于来自具有二种具有90°相位差馈电改进的天线基站的垂直(V)和水平(H)极化的地平经度的辐射图。

在附图中，相同的参考数字用于表示相应的部件。

具体实施方式

本发明将参考在图1中用示意图示出的DECT(数字增强无绳无线电通信)基站的实施例来描述。该基站包括一个塑料外壳(未示出)，PCB(印刷电路板)100安装在其内部，在PCB 100上安装有第一和第二天线102a、102b，并且从其伸出。连同也作为接地导体的RF模块的金属外壳106，在PCB本身上存在三个较大的接地导体区域104a、104b、104c。

使用中该外壳是以PCB 100和天线102a、102b在垂直位置安装的。天线102a，102b是垂直极化的，并且作为空间分集对工作，具有11cm间距或者在1890MHz的DECT频率上大约0.7波长。(应当注意到本发明同样地适用于具有单个天线的装置)。以天线102a，102b的一个运行期望的辐射模式在水平(地平经度的)平面是大体上无方向性的，并且垂直地极化。

这个基站的电磁模拟使用有限单元电磁模拟程序包来施行。在未修改的基站的模拟中，天线102a，102b两个都被模型化为四分之一的波长磁单极子，在1890MHz上具有大约4cm长度的。图2示出在平行(和接近)于PCB平面的平面上电场的大小。较高的场强由深颜色阴影表示，较低的场强由较浅的阴影表示。这个图给出很好的显示，在接地导体上流动的电流有助于从基站的辐射。

在这个模拟中，第二天线102b是有源的，同时第一天线102a通过在其馈电点使用一个开式回路已经失调。但是，存在很大的电流流入接地导体，尤其是上部的接地面104a，104b，其产生很大的辐射。在图3中示出的辐射图举例说明这个结果。在这个图中(和在随后的辐射模式图中)网格线是以5dB为间隔的，以及外部的格网线取准于垂直极化辐射模式(V)的最大值增益。这个图型完全不是无方向性的，同时水平极化图型(H)示出一个类似于垂直极化的辐射电平。也发现在顶点方向水平极化辐射的类似的电平被发射，其辐射非常有助于降低系统效率。水平极化只能由在接地导体(因为第二天线102b产生大体上垂直的极化辐射)上流动的电流产生，表示在接地导体上存在这些电流是一个值得注意的问题。

这个问题可以按照本发明通过安排每个天线102a，102b去具有大于波长一半的电气长度来解决。该天线的电气长度最好是在0.5和0.8波长之间，因为如果使用更长的天线，在接地导体中会再次引起很大电流。

基站的模拟以单个螺旋形天线102a施行，它决定最适宜的电长度大约是0.6λ。图4示出电流(I)沿着螺旋形天线102a的长度(d)的近似分布，示出一个在天线102a的大部分上反相电流具有馈电电流(在图的左手端)的正弦电流分布。该天线被以大约8.5圈形成，具有大约0.4cm直径，大约0.8cm间距。该尺寸被选择去保证以相对宽的频带宽度，该辐射被显著地线性极化。该天线馈电的阻抗具有大约20-J150ohms的适当的值。

在接地导体上该改进的天线装置在电流分布上的效果是显著的。此外，对具有上述讨论到的尺寸的单个螺旋形天线102a的基站，在图5中举例说明结果。以也具有相同含义的阴影，如在图2中使用的这个示出在相同的平面中电场的大小。仅有的很大电场现在接近于天线102a本身，表示在接地导体104a，104b，104c上的电流已经极大地减少了。

图6示出由改进的天线装置引起的角向的辐射图。垂直地极化辐射(V)现在大体上是全方向的，具有小于2dB的峰-峰值。水平极化辐射(H)现在是非常小的，平均起来大约低于垂直极化10dB。

也已经研究了在一个分集装置中具有两个天线102a，102b的改进天线装置的使用。如上所述类型的模拟以两个螺旋形天线102a，102b施行，以6cm隔开，在1890MHz上其大约是波长的3/8。通过以均等的功率和在天线之间90°的相位差馈给作为两个单元阵列的天线，可以获得定向波束。作为一个有效阵列具有在波束之间最小相关性，如何馈给两个天线单元的更详细的资料在我们的共同申请中的专利申请中给出(我们参考PHGB 000033)。

用于垂直(V)和水平(H)极化的作为结果而发生的图型在图7中示出。可以看出对于想要的垂直极化获得好的方向性。当天线102a，102b作为一个阵列馈电时，通过经平均至少10dB抵消直接和耦合的电流，因此保持不需要的水平极化的抑制。

除在如上所述本发明的实施例中使用的螺旋形和单极天线之外，可以使用实际上缩短范围的电动天线。这样的天线是磁单极子或者偶极子类天线，即实际上小于它们的电气长度，并且主要接收电场。这样一个备选方案天线的例子是一个曲折线天线，为了便于构造它可以印制在PCB 100上。通过减少来自接地导体104a，104b，104c，106极化对辐射模式的影响，辐射模式更确切地说对于设计的不同的天线的范围可以控制。

本发明可应用于任何具有不平衡天线馈电的无线电设备。其甚至适用于平衡天线，这里存在很大的共模电流(由于几何不对称性通常就是这样)。适当的应用的典型实例是无线数据卡(PCMCIA和相似的东西)、移动电话(这里接地导体是手持机的EMC护罩)及其他无线用户通信设备。

从阅读本公开，其他的改进对所属技术领域的专业人员来说将是显而易见的。用于无线电设备天线装置这样的改进、制造和使用可以涉及已经在设计中公知的其他的部件，以及可以使用代替或者除了此处已经描述的部件。虽然在这个申请中的权利要求已经对部件特殊的组合阐明，应该明白本申请公开的范围也包括所有的非常规设计或者此处公开的所有的新的部件组合，或者明确地或者隐含地或者其所有的概括，不管其涉及作为在所有的权利要求中要求的同样的发明，以及是否其减轻作为本发明做的任何或者所有相同的技术问题。因此，申请人通知在本申请的实行或者任何进一步从中导出的申请期间，新的权利要求可以阐明这样的部件和/或部件的组合。

在本说明书和权利要求书中，措词“a”或者“an”冠以一个单元，不排除存在多个这样的单元。此外，单词“包括”除那些列出的之外不排除存在其他的单元或者步骤。

实用性

本发明适用于各种各样的无线电设备，例如DECT基站和移动电话手持机。

Claims (5)

1.一种无线电设备，它具有少一个接地导体和至少一个天线，其特征在于，所述至少一个天线具有选择为所关心的频率的0.5至0.8波长范围的电气长度，并且在所述范围内的电气长度使得所述接地导体中的总电流减到最小，由此改善所述至少一个天线的总辐射特性。

2.如权利要求1所述的无线电设备，其特征在于，所述至少一个天线是一个螺旋天线。

3.如权利要求1所述的无线电设备，其特征在于，所述至少一个天线是一个单极天线。

4.如权利要求1所述的无线电设备，其特征在于，所述至少一个天线具有的物理长度短于其电气长度。

5.如权利要求1至4的任何一个所述的无线电设备，其特征在于，具有至少两个天线，并且具有用于向所述至少两个天线的每一个天线馈给适当幅度和相位的信号的装置，使得所述至少两个天线起方向性阵列的作用。

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