CN1278957A - 1/4－1/4波可收缩的天线及其相关的电话机 - Google Patents

Abstract

用于电话机而特别适用于无线电话机的具有四分之一波—四分之一波谐振的可收缩天线,包括具有顶部负载元件,空间上分离的杆元件,以及位于其间的—圆柱形支撑导体的—可收缩天线。圆柱形支撑导体在结构上配置来容纳杆的一部分,以当天线处延伸位置时增加对天线的结构强度,以及确定杆和导体间的一个同轴电容器。

Description

1／4-1／4波可收缩的天线及其相关的电话机

发明领域

本发明涉及电话机，特别涉及具有易缩回的天线的无线电话机。

发明背景

许多无线电话机使用可收缩的天线，即天线可脱离无线电话机外壳延伸和缩回。可收缩的天线被电连接到配置在内置的印刷电路板上的信号处理电路。在某些需要情况中，希望天线不论在伸展还是在回缩状态表现为一个四分之一波谐振器。这样，为使工作最佳，应配置该天线在两个位置提供对信号处理电路要求的阻抗。不幸的是，由于可收缩的天线很自然地具有动态元件，即元件相对外壳和印刷电路板移动或平移将使这样一种配置复杂化，并一般不具有单一的阻抗值。而当在延伸位置与一个回缩位置比较时，如果电接触的话，可收缩的天线能产生大的不同的阻抗值。

在过去，天线在电气上配置成分开的两个四分之一波元件，一个电连接在回缩位置，而一个电连接在延伸位置。例如，如图1中所示，天线10包括在其端部的一四分之一波螺旋线12以及一个主杆或鞭状天线14，其尺度提供四分之一波长谐振。这两个电元件由在螺旋线12和杆14之间放置的非导电的塑料元件16加以隔离。不幸的是，由于在机械受力期间该结构易于损坏，所以这种类型的天线的寿命是有问题的。如由图1A的放大的图所指出的，在鞭状天线和螺旋线12，14之间的非导电接合处18天线易受损坏。不幸之处还有，按照试图使所指地区更加坚固的增大结构的设计对于消费者而言使天线在美学上不理想。此外，试图增强这种结构的设计通常必须按这样一种方法去做，即在延伸和回缩位置两者都提供四分之一波谐振，这个艰苦工作涉及附加电路的复杂性。

发明的目的和概要

因此本发明的第一个目的在于提供一种四分之一波-四分之一波天线，其寿命和外观得到改善，不论在收缩和延伸位置具有良好的宽带匹配性能。

本发明的另一目的是提供一种经济的可收缩的四分之一波-四分之一波天线组件，具有改善的机械强度和宽带的工作频率。

这些和其他目的通过本发明使用的一种可收缩的天线得以满足，该天线使用容性耦合的杆元件和螺旋线，电气上缩短的杆元件长度，以及在螺旋线和杆之间的结合处附加的金属材料。在实践中，本发明的第一方面是一种四分之一波-四分之一波可收缩的天线，包括一个四分之一波螺旋线和一个与该螺旋线纵向间隔的圆柱形天线杆。该杆具有一个导电中心部分和一个外表面。该杆包括相对的第一和第二端，它们确定了通过其中心的一条中心轴，该第二端具有与位于该天线杆外表面上的中心部分电连接的下部接触面。这种下部接触面当天线延伸时与切实可行地与印刷电路板相关的例如50Ω的信号馈源接合。

天线还包括一个导电的圆柱形元件，具有顶端和底端以及内外表面，顶端连接到螺旋线，而底端配置来容纳天线杆的第一端。圆柱元件内表面和杆的中间配置一层非导电材料，使得天线杆的第一端对准圆柱元件中心并在机械上牢靠。导电的圆柱元件提供附加的结构的劲度和支撑并起电耦合杆和螺旋线的作用。当天线收缩时，圆柱形元件的上部同信号馈源接合。

有利地，当收缩时，配置天线使得杆的谐振频率大大超过感兴趣的工作频段。杆的尺寸大小是为了被偿电耦合，使得当延伸时，螺旋线起与容性耦合串联的更高阻抗的感性元件的作用，而天线仍然是一个四分之一波谐振器。最好，天线杆的电长度小于0．25λ，而电长度为0．2λ更好。此外最好天线杆可工作在800-950MH_z之间。

本发明的另一方面为具有四分之一波-四分之一波的可收缩的天线的无线电话机。该电话机包括具有开口的无线电话机外壳。在外壳内与同印刷电路板电连接的信号馈源一道配置该印刷电路板。该无线电话机还包括适合于容纳在该外壳开口中的纵向延伸的天线，使天线相对该开口自由地收缩和延伸。该天线包括在结构上配置来提供一个四分之一波电长度的顶负载元件以及其电长度小于四分之一波的在空间上分离的杆部分。顶负载元件和该杆由结构上限定的容性耦合在电性能上结合在一起。天线还包括上部和下部电接触，使得当天线收缩时，上部接触在电性能上与信号馈源接通，从而确定第一信号路径，而当天线延伸时，下部接触在电性能上与该信号馈源接通，从而确定第二信号路径。

最好，容性耦合由外圆柱形导体和杆的一部分限定。在优选实施例中，杆延伸进入该外圆柱形导体一预定距离，并且中心对准该外圆柱形导体。最好，外圆柱形导体和杆被分开，但由放置其间的一种绝缘材料在机械上将它们结合起来。

有利地，该即刻的发明提供一种经改善的可收缩的四分之一波一四分之一波天线，具有改善了的机械寿命和良好的电气特性。在以下陈述的说明书中将详细地说明本发明的上述的和其他的目的和方面。

附图的简要说明

图1为现有技术四分之一波四分之一波可收缩天线的示意表示。

图1A为图1中所示天线的一个放大图。

图2为按本发明的一种四分之一波-四分之一波可收缩天线的优选实施例的放大的部分剖开立体图。

图3为按本发明的一种可收缩的天线的示意图。

图4为按本发明的天线的一个实施例的侧向透视图。

图5为具有按本发明的天线处收缩位置的无线电话机的示意图。

图6为具有按本发明的天线处延伸位置的无线电话机的示意图。

图7为按本发明的一实施例的天线杆和圆柱形导体结构间的部分关系图以及相应用于容性计算的等式参数(L，b，a)。

图7A为图7中表示的天线的剖面图，说明天线杆的中心部分(a)的半径。

图8为说明按本发明的处延伸的位置的天线的测试数据的图形表示，该图形是在电压驻波比(“VSWR”)图上(在810-958MH_z频段)制作的。

图9为说明按本发明的处收缩位置的天线的测试数据的图形表示，该图形是在VSWR图上制作的。

优选实施例的说明

现在将参照附图更充分地描述本发明，其中表示出本发明的优选实施例。然而，本发明可以按多个不同的方法实施，并且不应当认作为限制在这里描述的实施例。全部附图中，同样的标号系指同样的元件。为清晰起见可以放大层次或尺度。

现在转到附图，图2说明按本发明的一种四分之一波-四分之一波可收缩的天线20的最佳实施例。如本专业技术人员所了解的那样，一个天线将形成接收机电路的部分，该接收机电路具有带宽有限的频率响应；那就是它将优先地接收例如800MH_z-950MH_z频率的工作频带的无线电频率能量。该接收机电路可以看作为在其例如850和900MH_z之间的工作频带内的某处具有相应波长为λ的一个峰值谐振频率。如本发明技术人员所了解的那样，该波长可以用作一个天线的有效长度的测量。如在此所指的那样，“四分之一波”天线包括具有有效长度近似λ／4的天线，其中λ为上面所描述的。

有利地，该天线的结构配置提供了天线的机械坚固性，同时又符合所要求的电气特性。如所表示的那样，天线20包括一个端部负载元件，例如螺旋线25，一根纵向延伸的杆或鞭状元件30，以及上下导电接触面32，33。天线20还包括一个与螺旋线25相邻位置的圆柱形导体40。圆柱形导体40将杆30结合到螺旋线25，以对四分之一波-四分之一波天线20提供机械强度和使用寿命。虽然整个附图都表示成一个端部负载螺旋线，但在本发明中也可应用其他的天线结构。例如用一个线圈，盘成另一类型的天线负载元件作为端部负载天线元件。

图7为天线20的上部21的一个实施例的放大剖面立体图。如所示的那样，杆30在空间上是与上部接触面32和螺旋线25分开的，最好由一绝缘材料层50分开。杆30本身最好是由一个导电芯子30a构成，其由一个绝缘外表面30b保护。更好的是杆芯30a由可弯曲的镍钛合金或类似物构成。圆柱形导体40包住杆30和螺旋线25的空间分离部分。杆21的上部延伸进由圆柱形导体40限定的孔径42一预定距离。最好杆30放置在导体40内，使得每一个相对于另一个绕中心轴100中心对准。如图7中所示的，一种有粘性的绝缘材料50最好使这些元件准确对准并在机械上使杆30紧固到导体40。圆柱形导体40和杆31的上部结构上的耦合确定了一个同轴电容55。这样，如以下将进一步讨论的那样，当天线收缩时，像普通四分之一波-四分之一波天线那样，配置本发明的在机械上加强的天线结构与杆30和螺旋线25电耦合。

图5和6说明装配到一个无线电话机外壳128的天线20。如图3中所示，无线电话机130配置一个信号馈送点125例如是用来在伸展和收缩两个位置提供50Ω的阻抗。如将由本专业技术人员所理解的，该信号馈点125同印刷电路板135电连接，或同处理无线电话机信号的另一基体部件电连接(图5，6)。

如图5和6中所示的，无线电话机130提供一个接地平面160，该接地平面一般由在其周围包括接地屏蔽的壳体128的外围确定。再参照图5和6，将理解的是，当天线20伸展时，天线20的主要部分是在外壳128的外面；相反，当天线20收缩时，天线20的主要部分处在该无线电话机外壳128的里面。如将要在此更详细地加以讨论的那样，在工作时，天线20沿中心轴100进去外壳出入口136延伸并同外壳128接合，使得由相应于天线的收缩和伸展的天线20的位置确定并起动不同的电路路径。无线电话机还包括配置在外壳128中并和天线20相邻的无线电话机印刷电路板135，根据天线是在无线电话机内和外连接信号馈送点125。

如图2所示的，上部接触面32和导体40最好形成一个整体元件。然而，如由本专业技术人员将理解的那样，其他的结构也是适宜的。如图5中所示的，当天线20收缩进无线电话外壳128时，上部接触面32与信号馈送点125接合。这样，无论使用什么样的结构，当天线20收缩时，上部接触面32应当接入和接触信号馈送点125。同样地，下部接触面33最好形成在杆30的外表面上，并与芯300电连通。如图6中所示的，当天线20伸出外壳128时，下部接触面33处于同信号馈送点125接合的位置。

工作时，上部接触面32和螺旋线25电连通，下部接触面33和杆元件30电连通。端部负载元件或螺旋线25被配置来提供一个四分之一波(λ／4)电长度。一般这个电参数可由多圈螺旋线例如7圈螺旋线结构达到。这样，如由图3所说明的，当收缩时，信号路径126a包括螺旋线25和与信号馈送点125接合的上部接触面32。在该收缩位置，天线杆元件30构成一个高Q串联谐振电路，它具有一个谐振峰值，该峰值大大超过感兴趣的工作频段。

同普通四分之一波-四分之一波模式相对比，杆的长度缩短到低于0．25λ，最好缩短到约0．2λ波长。在如图3所示的延伸位置，信号路径126b包括螺旋线25，串联同轴电容55，杆30，和与信号馈送点125接合的下部接触面33。如图6中所示的，信号路径结构提供近似λ／4波长的电气响应。普通学识可以教导，通过一个串联电容耦合的四分之一波端P负载元件(即放置在主天线杆端部的元件)可以使天线失谐。然而，即刻的发明识别并证实按本发明配置的四分之一波螺旋线在伸展位置做成不起附加的四分之一波元件的作用。确定地，按理论说明这无论如何也不限制本发明的范围，可以相信的是，由于工作在伸展位置该四分之一波螺旋线没有接地板，因此它不过起一个较高阻抗的感性元件的作用。这样，在相对小的串联同轴电容55的情况下，其效果为对四分之一波杆元件30增加长度。因此，本发明减小了杆元件20的长度，使其低于λ／4以作适当地被偿。最好，如上所指出的，天线杆元件30减小到近似0．2λ。有利地，该缩减杆(即小于λ／4)具有一个很强的谐振现象，使得该杆的谐振频率大大超过感兴趣的波段，并不影响无线电话机的调谐。

如在图5和6中所示，外壳128包括通过其中心形成的一个开口129。开口35的尺寸和结构允许天线20沿中心轴50平移(伸展和收缩)，轴100由如在图7A中所示的在天线30的相对端之间延伸的一条线所限定。在一实施例中，无线电话机130包括具有链接部分的接地插头，使天线容易固定，这与许多目前的无线电话机所使用的一样(未示)。在图4中的无线电话机表示即时发明一个实施例的实际的缩减。天线平移进出带有链接部分134的构件175，该链接部分134容易安装到相应外壳的链接部分。

图7和7A说明能用来确定支撑或圆柱形接触面40和天线杆30结构的几何的和电气的关系，以有助于取得所要求的结构长度和相应的电气性能。例如，对于800Mhz波段的无线电话机，优选的电容值约为三(3)微微法(pf)。最好，改变列举在公式1中的几何参数，则可按公式确定所选支撑体40的长度和相应的电容：

C=2πεL／(Ln(b／a))．    公式1

在公式中，“ε”为在天线芯子上使用的材料的介电常数(例如，在NiTi杆上挤压成形的DELRIN^TM)；“L”为接触套圈40的纵向长度；“a”为天线芯子30a的半径；而“b”为接触套圈40的内半径。最好，杆30b的外表面同芯子30a同心。典型地，该外表面材料是挤压或粘合和融合到芯子30a的。使用DELRIN^TM，示例性地套圈长度为约11．5mm。如由本专业技术人员将了解的，对于一个特定的电容值，套圈(L)的所需长度是受天线杆的外表面材料的介电常数的强度影响的。尼龙和类似材料一般相对介电常数约3．7，而TFFLON^TM约2．1。

为使天线在伸展位置获得所要求的工作特性，可以设计圆柱形导体的尺寸使其得到所要求的机械强度，然后修整杆使在例如约800-950MHz频率谐振。图2表示本发明的一个实施例。该实施例说明杆30和圆柱形导体40之间结构连接的示例性尺度。杆30具有一毫米("mm")外直径并延伸进入圆柱形导体内约2mm。圆柱形导体40内直径约2．5mm。绝缘层围绕该两元件延伸，厚度约0．75mm。在该例中，杆长约61mm，而天线螺旋线长度约14mm(从第一圈到最后一圈)。

图8和9说明从本发明的一个实施例的缩图取得的数据(在图4中所示)。具体地，说明收缩(图8)和伸展(图9)位置的VSWR测量。如图8和9中的曲线所示的，VSVVR的测量表示，收缩和伸展位置间的阻抗基本是相同的，从而证实了由即时发明所提供的一个四分之一波，四分之一波可收缩天线结构设计的成功。

如本专业技术人员将理解的，对于该天线可应用附加的分立电路元件，其相应于天线的阻抗要求，并可分开地安装到或集成到一块印刷电路板中。类似地，术语“印刷电路板”被意味着包括任何微电子封装底板。

以上所述是对本发明的说明但并不认作为对它的限制。虽然已描述了本发明的几个示例性实施例，本专业技术人员将容易理解，按照示例性实施例许多变更都是可能的，而并不在实质上偏离本发明的新的技术和优点。因此所有变更被认为包括在本发明的范围之内，如在权利要求所定义的那样。在权利要求中，装置-加-功能条款被试图覆盖在此所描述的和例如执行所述功能的结构，但并非仅仅是结构上的等效而且是等效的结构。因此，应当理解以上描述为本发明的说明而并不认为局限于公开的特定的实施例，以及对所公开的实施例的变更，以及其他的实施例均被认为包括在附加权利要求的范围之内。本发明由下列权利要求限定，其中包括在此包括的权利要求的等效。

Claims (17)

1．一种四分之一波-四分之一波可收缩的天线，包括：

一四分之一波螺旋线；

一圆柱形天线杆，纵向离开所说螺旋线一定距离放置，具有导电芯子和外表面，包括确定通过其中心的中心轴的相对的第一和第二端，所说第二端具有与所说芯子电连通的下部接触面并放置在所说天线杆的外表面上；以及

一导电圆柱形元件，具有顶和底端以及内和外表面，所说顶端连接到所说螺旋线和所说底端构成安装所说天线杆的第一端的部分，其中一层非导电材料放置在所说元件内表面和所说杆之间，使得所说天线杆的第一端与所说圆柱形元件中心对准并在机械上紧固在一起。

2．按权利要求1的天线，其中所说圆柱形元件和所说天线杆确定其间的一个同轴电容。

3．按权利要求1的天线，其中所说天线杆的所说第一端伸进所说圆柱形元件约3mm的一个距离。

4．按权利要求1的天线，其中所说天线杆具有电长度小于0．25λ。

5．按权利要求4的天线，其中所说天线杆具有电长度约0．2λ。

6．按权利要求1的天线，其中所说天线可工作在约800-950MHz之间。

7．按权利要求2的天线，其中所说电容的电容量相应于所说天线杆芯子的径向宽度，和所说圆柱形接触面的内表面相对于中心轴的长度和径向宽度。

8．按权利要求7的天线组件，其中所说电容由以下公式计算。C=2πεL／(Ln(b／a))．

9．一种具有四分之一波四分之一波可收缩天线的无线电话机，包括：

一个无线电话机外壳，具有一个开口；

一个印刷电路板，放置在所说的外壳内；

信号馈源，放置在所说外壳内，使得它与所说印刷电路板处于电连通状态；以及

在所说外壳开口中适合于容纳纵向延伸的天线，使得所说天线自由地相对其收缩和延伸，所说天线包括：

一端部负载元件，结构上配置来提供四分之一波电长度；

一在空间上分离的杆部分，其电长度小于四分之一波，所说端部负载元件和所说杆由在结构上确定的容性耦合电连接在一起；

上部和下部电接触面，其中当所说天线收缩时，所说上部接触面与所说信号馈源电连通，从而确定第一信号路径，而当所说天线延伸时，所说下部接触面与所说信号馈源电连通，从而确定第二信号路径。

10．按权利要求9的四分之一波-四分之一波无线电话机，其中所说容性耦合由外圆柱形导体和所说杆的一部分确定的。

11．按权利要求10的四分之一波-四分这一波无线电话机，其中所说杆伸进所说外圆柱形导体一预定距离，并与所说外圆柱形导体中心对准。

12．按权利要求11的四分之一波-四分之一波无线电话机，其中所说外圆柱形导体和所说杆是分离的，并由放置在其间的绝缘材料在机械上结合。

13．按权利要求9的四分之一波-四分之一波无线电话机，其中所说第一信号路径电路包括所说四分之一波端部负载元件，而所说第二信号路径电路包括串联的所说四分之一波端部负载元件，所说耦合电容，和所说的杆。

14．按权利要求13的无线电话机，其中在所说第二信号路径中的所说端部负载元件起感性元件作用。

15．按权利要求14的无线电话机，所说杆具有上部和下部部分，其中所说上部部分用所说绝缘材料机械上紧固到所说外圆形导体上。

16．按权利要求13的无线电话机，其中所说电容器是一个约3pf的同轴电容器。

17．按权利要求9的无线电话机，其中所说杆是一个圆柱形天线，具有一第一径向宽度的一个导电芯子以及具有一第二径向宽度的外表面，其中所说圆柱形导体具有有一定长度的内表面和一第三径向宽度，使得所说容性耦合的电容值相应于所说芯子的径向宽度，以及所说圆柱形导体的长度和径向宽度。

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