CN1261730A - 介质谐振器天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及介质谐振器天线(1),包括一个介质材料的长方体,其中,介质谐振器天线(1)的本征模的电场分配有至少两个非平行的对称平面(4,5),该本征模特别通过外部激励产生。为了提供减少体积的更好的可能性和安装在设备内的介质谐振器天线(1),提供与对称平面(4,5)的相交线平行的长方体边缘形成该长方体的短的边缘。长度称为d,在本发明的介质谐振器天线(1)中,该长度比长方体的其它两个边缘的长度小。具有长度d的边缘可以明显地减少而天线(1)的效率没有明显的损失。保持了辐射功率和谐振频率准确度两者。

Description

介质谐振器天线

本发明涉及一种介质谐振器天线，包括一个介质材料的长方体，在该长方体中，介质谐振器天线的本征模的电场结构至少具有两个非平行的对称平面，该本征模具体是由外部激励产生的。

本发明另外涉及一个发送器，一个接收器和一个移动无线电话机，该移动无线电话机包括包含一个介质材料的长方体的介质谐振器天线，在长方体中介质谐振器天线的本征模的电场结构至少具有两个非平行的对称平面，该本征模特别地通过外部激发产生。

介质谐振器天线(DRA)称为用于微波频率的小型化的陶瓷或者其它电介质的天线。由于在电介质的边界表面上电磁的限制条件，介质谐振器具有本征频率和本征模的离散频谱，介质谐振器的电介质具有εr＞＞1的相对介电常数，它被空气包围着。这些条件是由在边界表面具有给定极限条件的电介质的电磁方程式的特定解定义的。与谐振器相反，当避免了辐射损耗时它具有很高的质量，电源的辐射是谐振器天线中主要的项。因为使用不导电结构作为辐射单元，集肤效应不能是有害的。因此，这样的天线在高频具有低的欧姆损耗。当使用具有高相对介电常数的材料时，因为通过增加εr，对于预选的本征频率(传送和接收频率)尺寸可以降低，因此可以获得一个紧凑的，小型化的结构。给定频率的DRA的尺寸实质上反比于√εr。εr按照系数α增加引起全部维数减少该系数√εr和因此体积减少一个因数α^3/2，同时谐振频率保持相同。此外，DRA的材料适合于在高频使用，具有小的介质损耗和温度稳定性。这极大地限制可使用的材料。适当的材料具有典型地最大值120的εr值。除了小型化可能性的这个限制之外，还有具有上升εr的DRA降低的辐射属性。

举例来说在图1中表示了所考虑的基本形式的这样的一种DR天线1。不仅仅长方体的形式，而且其它形式是可能的，例如圆柱状的或者球形的几何形状。介质谐振器天线是谐振的模块，仅仅工作在它们的谐振频率(本征频率)之一的周围的窄频带中。天线小型化的问题相当于降低具有给定天线维数的工作频率的情况。因此，使用该最小的谐振(TE² ₁₁₁)模。这模在它的电磁场中具有对称平面，电场的一个对称平面称为对称平面2。

当该天线在对称平面2中二等分和放置一个导电表面3(例如一个金属涂层)时，该谐振频率继续等于具有原始尺寸的天线的谐振频率。以这个方式，获得了一个结构，其中以相同的频率形成相同的模。这表示在图2。借助具有高相对介电常数εr的电介质利用这个天线可以获得进一步小型化。最好，选择具有低的介质损耗的材料。

在1994年Intern.Journal of Microwave and Millimeter-Wave Computer-aidedEngineering，第4卷，第3期第230-247页Rajesh K、Mongia和Prakash Barthia的文章“介质谐振器天线—对于谐振频率和带宽的回顾和一般的设计关系”中描述了这样的一种介质谐振器天线。该文章概述了对于不同的形状例如圆柱状的，球形的和矩形的DRA的模和辐射特性的概述。对于不同的形状，表示了可能的模和对称平面(参见图4，5，6和240页左栏第1-21行)。特别地在图9和相关的描述中描述了长方形的介质谐振器天线。利用具有y＝0的x-z平面或者具有x＝0的y-z平面中的金属表面，原始的结构可以二等分，而不必修改TE² ₁₁₁模的场结构或者其它谐振特性(参见第244行右栏第1-7行)。DRA通过微波引入线激励的，它插入微波线路(例如微带线或者同轴线的末尾)附近的杂散场中。

减少体积的可能性被限制为使用安排在彼此作为外部表面的直角的两个对称平面。在这个方式中，DRA的体积仅仅可以降低相同频率的系数4。

因此，本发明的一个目的是提供一个介质谐振器天线，它提供减少体积的更好的可能性。此外，本发明的一个目的是提供一个发送器，一个接收器和一个移动无线电话机，它具有减少整个体积和装置内的安装部件的更好的可能性。

根据本发明，实现该目的在于，平行于对称平面的相交线的长方体边缘形成长方体的最短边。本征模电场结构的对称平面是彼此在直角和平行于该长方体的相应的外部表面。因此，对称平面的相交线平行于该长方体边缘之一。这个边缘的长度称为d，而在根据本发明的介质谐振器天线中，该长度明显地比长方体的两个其它边缘的长度小。因此具有长度d的边缘垂直于该天线的本征模电场。为了使更好的和特别地灵活的减少天线体积是可能的，至少降低一个边缘的长度。令人惊讶地，具有长度d的边缘允许明显地短而没有天线效率的可观的丢失。保持辐射功率和谐振频率准确度两者。

在提供的本发明的另外实施例中，存在着与在长方体的几何中心的第一外部表面平行运行的第一对称平面，第二对称平面垂直于第一对称平面并且与在该长方体的几何中心的第二外部表面并行，提供第一和第二对称平面用于形成介质谐振器天线的每个外部表面，而且在由该对称平面形成的外部表面上放置一个导电涂层。当使用最小的本征模作为一个谐振频率时，发现对称平面是在该长方体中心的每个相应的一半边缘长度。即使对于天线的小型化，倘若具有导电涂层的对称平面形成该外部表面，与相交线并行运行的边缘的长度d可以非常有利地降低，以致降低该天线体积。根据本发明选择长方体的边缘提供降低导电和涂覆的外部表面的尺寸，而保持发送或者接收电源的该天线外部表面的尺寸。这得到恒定高的天线效率，虽然天线体积减少了。

对于本发明的有利的实施例，倘若金属涂层是放置在两个外部表面上，一个金属涂层连接到印制电路板，该印制电路板包含用于发送或者接收信号的线路以及用于发送或者接收信号的线路通过该金属涂层和安装在介质谐振器天线的一个接点连接到该天线。

此外通过一个发送器，一个接收器和具有这样的介质谐振器天线的一个移动无线电话机实现了本发明的目的，在天线中提供与对称平面的相交线平行的长方体边缘，用于形成该长方体的短的边缘。

从在下文中描述的实施例以及说明中，本发明的这些和其它方面是显而易见的。

在附图中：

图1表示一个介质谐振器天线，

图2表示在对称平面中具有电的导电涂层的一个二等分介质谐振器天线，

图3表示具有侧边长度a，b和d的介质谐振器天线的长方体的基本形式，

图4A表示在垂直于短的侧边长中的长方体的介质谐振器天线的本征模的电场的场结构，

图4B表示在沿着具有该场结构的介质谐振器天线的对称平面降低尺寸的天线，

图5表示安装在具有引线的印制电路板上的介质谐振器天线，和

图6表示具有发送和接收路径以及一个介质谐振器天线的移动无线电话机的简化方框图。

图3表示具有矩形的侧面和在笛卡尔坐标的方向x，y以及z的侧边长度a，b和d的一个基本形式中的介质谐振器天线DRA 1。DRA 1具有本征频率的离散频谱，它是由几何的形式和外部维数以及由使用材料的相对介电常数εr确定的。对于使用DRA 1作为在规定频率的微波功率的天线，它的本征频率是在规定频率附近。在该实施例的例子中，DRA 1用于GSM 900标准的中心频率942.5MHz作为给定频率。典型地具有值εr＝85的温度稳定的陶瓷用于作为该材料。这得到该长方体的DRA 1大约a≈b≈30毫米以及d≈5.5毫米的尺寸。因为这些尺寸用于在移动通信设备中集成看来是太大了，降低了图4A和4B表示的DRA 1的尺寸。

图4A表示横过垂直于最短的侧边长度d的平面中的矩形的DRA 1的剖面图。侧边长度a和b分别地位于x和y轴。为此目的，描画了属于DRA 1最低频率的本征模的电场的场结构。电场结构清楚地表示在x＝a/2和y＝b/2的彼此垂直的两个对称平面4和5，它们以该剖面图中的虚线表征。两个对称平面4和5以及该相交线垂直于图形的平面。图3表示与称为长度d的相交线并行的长方体边缘。如果DRA 1沿着这些平面之一切掉，和如果切断的表面以涂层6，7金属化处理，将获得一个结构，其中以相同的频率形成相同的模。如果使用这种方法两次，将获得如图4B表示的减少的尺寸DRA 8。利用已知的对称平面4和5，DRA 1的体积在固定频率可以减少一个系数4到a/2^*b/2^*d(x^*y^*6)。实施例的例子的结果是具有尺寸15^*15^*5.5mm³的DRA 8。

由于DRA 1的体积直接地取决于长度d，DRA 1可以通过缩短d来小型化。特别地利用具有体积a/2^*b/2^*d的减少尺寸DRA 8，通过该缩短仅仅减少了由涂覆6和7涂覆的外部表面。这些表面超出a/2^*d或者b/2^*d的伸长取决于边缘长度d，而外部表面a/2^*b/2保持不变。特别地因为DRA8的辐射外部表面的尺寸是效率的特征，和没有功率可以通过金属化的外部表面辐射，DRA8的辐射效率仅仅稍微降低。

图5表示安装在具有引线10的印制电路板9上的介质谐振器天线8。引线10是由微带线10构成的。DRA8是由具有εr＝81和尺寸a＝9.7毫米，b＝9.7mm以及d＝3.55毫米的介质材料的长方体构成的。在垂直于印制电路板9的窄的外部表面上，该DRA由金属涂层覆盖。印制电路板9包括在介质涂层上的一个导电表面。在从导电表面凹进的一个部分中，放置微带线10，该部分邻接DRA8的没有金属涂层的窄的外部表面。微带线10被用于发送一个发送或者接收信号。为此目的，在邻接微带线10的DRA 8的窄的外部表面上安排一个电接点11，该接点连接到微带线10。在该微带线10的另一端，可以有另一个接点，用于连接同轴线。在这个实施例中DRA 8具有1906.5 MHz的中心频率和2.4％的3分贝带宽。

图6以移动无线电话机的发送和接收路径的功能块方框图表示，该移动无线电话机包括一个DRA8，例如满足GSM标准的移动电话机。DRA 8连接到天线开关或者频率双工器12，它以接收或者发送模式连接该接收或者发送路径到DRA 8。在接收模式中，模拟无线电信号通过接收电路13达到A/D变换器。产生的数字信号在解调器15中解调，随后加到数字信号处理器(DSP)16。在DSP16中连续地执行均衡，解密，信道解码和语音译码功能，这些功能没有分别地表示。通过扬声器18传送的模拟信号方式是由D/A变换器17产生的。

在发送模式中，由麦克风19捕获的模拟语言信号在A/D变换器20中变换，然后加到DSP 21。DSP 21执行语音编码，信道编码和加密的功能，这些功能与接收模式是互补的，这些功能全部由单个DSP执行。二进制的编码数据字是在调制器22中进行GMSK调制的，然后在D/A变换器23中变换为模拟无线电信号。包括功率放大器的发送器末级24产生通过DRA 8发送的无线电信号。

发送或者接收路径8，13，14，15，16，17，18或者8，19，20，21，22，23，24的描述对应于单个发送器或者接收器的路径。不需要提供频率双工器12，但是发送和接收路径使用它们自己的DRA 8作为天线。除了在移动无线电设备的该字段中使用外，在无线电发射的任何其它字段中使用是想得到的(例如，根据DECT或者CT标准用于无绳电话机，用于无线电中继设备或者集群装置或者寻呼机)。DRA 8可以总是自适应于传输频率。

Claims (6)

1.一种介质谐振器天线(1)，包括一个介质材料的长方体，在长方体中，介质谐振器天线(1)的本征模的电场结构具有至少两个非平行的对称平面(4，5)，该本征模特别是通过外部激励产生的，其特征在于与该对称平面(4，5)的相交线平行的长方体边缘是用于形成该长方体的短的边缘。

2.根据权利要求1的介质谐振器天线(1)，其特征在于

第一对称平面(4)与在该长方体的几何中心的第一外部表面平行，第二对称平面(5)垂直于第一对称平面并且与在该长方体的几何中心的第二外部表面平行，

第一和第二对称平面(4，5)用于形成介质谐振器天线((8)的每个外部表面，以及在由对称平面(4，5)构成的外部表面上放置一个电的导电涂层(6，7)。

3.根据权利要求2的介质谐振器天线(1)，，其特征在于：

两个外部表面的每个表面是由金属涂层(6，7)覆盖的，一个金属涂层(7)连接到一个印制电路板(9)，印制电路板(9)包含一条线路(10)，用于发送或者接收信号，用于发送或者接收信号的线路(10)通过金属涂层(7)以及放置在介质谐振器天线(8)的一个接点(11)连接到天线(8)。

4.一种发送器(8，13，14，15，16，17，18)，包括由长方体的介质材料构成的一个介质谐振器天线(1)，在长方体中，介质谐振器天线(1)的本征模的电场结构具有至少两个非平行的对称平面(4，5)，该本征模特别是通过外部激励产生的，其特征在于与该对称平面(4，5)的相交线平行的长方体边缘是用于形成该长方体的最短的边缘。

5.一种接收器(8，19，20，21，22，23，24)，包括介质材料的长方体的一个介质谐振器天线(1)，在长方体中，介质谐振器天线(1)的本征模的电场结构具有至少两个非平行的对称平面(4，5)，该本征模特别是通过外部激励产生的，其特征在于与该对称平面(4，5)的相交线平行的长方体边缘是用于形成该长方体的短的边缘。

6.一种移动无线电话机(8，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24)，包括介质材料的长方体的一个介质谐振器天线(1)，在长方体中，介质谐振器天线(1)的本征模的电场结构具有至少两个非平行的对称平面(4，5)，该本征模特别是通过外部激励产生的，其特征在于与该对称平面(4，5)的相交线平行的长方体边缘是用于形成该长方体的短的边缘。

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