CN1300471A - 阻抗匹配装置 - Google Patents

Abstract

一种天线单元的阻抗匹配装置,特别是在小型无线电单元中天线的匹配装置。阻抗匹配装置(16)设置在有一根天线(12)的一种无线电设备(10)中,在该天线与一个输入单元例如一个功率输出单元之间,这些单元的阻抗比值超过3。本发明的阻抗匹配装置(16)包括至少两个串联连接的四分之一波变压器(18、20),它们由介电系数为ε的一种介电材料(28)制成,ε的值超过10。可以把该装置的尺寸制作成如此地小,使得它可以与天线形成为一体,成为一个天线单元,尽管它的尺寸小,但是,获得了好的频率特征,比如好的精度,容易调谐,并有足够宽的带宽。

Description

阻抗匹配装置

本发明的技术领域

本发明涉及天线单元的阻抗匹配，具体地说，涉及在小型无线电单元中的天线的匹配。

本发明的背景

无线电单元，特别是用于可移动无线通信的小型无线电单元有时装设有小型天线。这意谓着辐射的中心和发自天线的最强的辐射场以及该无线电单元的外壳位于靠近使用者的耳朵的部位。为了解决这一问题，希望将辐射的中心由使用者的耳朵升高一定距离。

先前已经知道，如果无线电单元装备有一个半波偶极天线，所述辐射场的轴线将位于天线的中心。结果，通过使天线足够长，将把辐射场由耳朵移开，且在靠近使用者的耳朵和头的部位辐射场强将明显降低。

与半波偶极天线和其它类型的高阻抗输入偶极天线有关的缺点是它们难以实现阻抗匹配，特别是如果想使天线覆盖两个或更多谐波带时是这样。例如，如果在它的两端之一对一个半波偶极天线进行输入，这要求有非常高的输入阻抗，为800欧姆的量级。如果在它的中心部分对偶极天线进行输入，输入阻抗将明显降低，为70欧姆的量级。小型的无线电单元的天线像一把由它的端部之一伸出的尺子。同时，对天线进行输入的功率级设有低得多的阻抗，为50欧姆的量级。为了防止发生反射和出现低效率，要使功率级的低输出阻抗与天线的高输入阻抗匹配。这要求有一个阻抗匹配装置，在天线与功率级之间实现耦合。此阻抗匹配装置也可以被称为阻抗适配装置，或更简短地称为阻抗适配，阻抗匹配，或只称为匹配。

先前已经知道不同类型的阻抗匹配装置。一种先前已知的匹配装置为带有谐振线路的变压器。在原理上，一个主要部分与功率级的输出有关，而次级部分包括可调谐的谐振线路，与天线有关。该谐振线路包含一个平行线圈和一个电容。该线圈有时可以设有一个空气芯。在谐振线路的一种变型中，芯由窄条线制成，这意谓着生产出印刷线路板图案，以形成该线圈。在另一变型中，省去了主绕组，把功率级的导体直接连接到次级绕组的任何适当的位置。这一解决方案有多个优点，比如部件较少并较小，与既带主绕组又带次级绕组的变压器相比，这样节省了空间和成本。与这一解决方案有关的一个明显的缺点是它的带宽窄。

另一种类型的阻抗匹配装置包括使用螺旋谐振器，事实上，它是一个滤波部件，在极端情况下，它的功能像一个可调谐的振荡回路。

然而，在小型设备中，例如可移动的无线电装备中，只有很小的空间用于阻抗匹配装置。

发明概要

为了防止反射并克服低效率，必须使功率级的输出阻抗与天线的输入阻抗匹配。

不管功率级/输入级设有比输入级的输入阻抗明显高或明显低的输出阻抗，都将需要匹配。最高与最低的阻抗的比值为阻抗比值I。因此，高阻抗比值意谓着在输入阻抗与输出阻抗之间有大的差别。先前已知的阻抗匹配装置常常要求很大的空间和/或它们的设计是复杂的。然而，在小型设备比如可移动的无线电装备中，对于阻抗匹配装置只提供一个小的空间。

本发明对于阻抗匹配问题给出了一种解决方案，即在小的空间中以短的距离实现天线的阻抗匹配。

本发明解决的另一个问题是通过此阻抗匹配装置获得了足够的带宽。

本发明解决的又一个问题是阻抗匹配装置对于制作应该是简单而且便宜的。

本发明的一个目的是提供在严格限制的长度内的一种阻抗匹配装置，并仍然对精度和带宽保持高的要求，并且，本发明的装置对于制作应该是简单而且便宜的。

简短地说，所提出的解决方案包括借助于四分之一波变压器在几个阶梯中进行匹配。

较详细地说，在本解决方案中，把四分之一波变压器叠置起来，它的介电材料由介电系数ε的值超过10的一种材料构成。

靠解决问题的这一方案，获得了许多好处。可以把该阻抗匹配装置制作得足够小，从而使得把天线与该匹配装置即使在相同的壳体中相互集成起来成为可能。该装置特别适宜于在回路/模件级之间的连接部分有高阻抗比值(I＞3)的无线电装备中使用。由下面的描述将会清楚，阻抗匹配装置对于制作是简单的，由非常少的部件构成，并且因此对于制作来说也是便宜的。尽管它的尺寸小，但是，它提供了好的频率特性，比如好的精度，容易调谐，并具有足够的带宽。设计者和制作者不会受到采用回路和线圈的缺点的困绕，因为这些回路元件难以严格地制作，因此带来严重的损失。

现在将更详细地借助于本发明的示例并参考附图描述本发明。

附图的简要描述

图1示出了一个可移动的无线电单元，它有集成在该天线单元中的阻抗匹配装置的第一实施例；

图2以剖面示出了阻抗匹配装置的第一实施例；

图3为阻抗匹配装置的第一实施例的一个视图；

图4为阻抗匹配装置的第一实施例的透视图；

图5为阻抗匹配装置的第二实施例的透视图；

图6以剖面示出了阻抗匹配装置的第二实施例；

图7为特性曲线，它示出了不同类型的阻抗匹配装置如何影响带宽。

优选实施例的描述

图1示出了一个可移动的无线电单元10，它带有一个集成的天线单元12，在图中把该单元部分地剖开。该天线单元由天线14和一个阻抗匹配装置16组成。天线14可以为那种类型的半波偶极天线，在一端用无线电波对它进行输入。其输入阻抗为800欧姆(0.5-1千欧)的量级。无线电单元的输出级有量级为50-100欧姆的输出阻抗。为了使阻抗上的这一大的差别实现匹配，在输出级与天线之间已经连接了一个阻抗匹配装置。由于该阻抗匹配装置的尺寸很小，已经把它与天线集成为一个天线单元。

设想是以阶梯的形式通过串联地耦合多个四分之一波变压器实现匹配，这些变压器由一种介电材料制作，该材料有高的介电系数，但是，在外导电体与内导电体之间有不同的距离。

现在将参考着图2更详细地描述阻抗匹配装置。该图示出了该装置的第一实施例的纵向剖面。在此实施例中，阻抗匹配装置16包括四个四分之一波变压器18-24，在无线电单元10的输入级与天线14之间把它们串联地连接起来。这些变压器为共轴类型的。每个四分之一波变压器18-24包括一个外导电体26，也把它称为屏，它由一种导电材料制成。靠近该屏的内侧面是一种介电材料28，它是对电绝缘的材料。外导电体和介电材料包着内导电体30。介电材料28把导电体26和30之间的空间充满。每种介电材料有它自己的介电系数ε。

由图可见，把内导电体30做成一个薄壳，即，导电体是管状的。这可以通过在介电材料的内侧涂布金属实现到足够的厚度。这一解决方案意谓着四分之一波变压器不是均匀的。薄壳的设计对于重量来说是有利的。另外，导电体30可以是均匀的，但是，也将有较重的重量。在小型可移动无线电单元中，希望把重量和尺寸参数减到最小。匹配装置有一个高阻抗端/短侧面34和一个低阻抗端/短侧面32。“高阻抗”的说法只是一个相对的概念，是指装置的这一端有比低阻抗端较高的阻抗。把高阻抗端连接到输入端或输出端上，该端相对于另一输入端或输出端有较高的阻抗。

通过改变外导电体26与内导电体30之间的距离，并且通过改变位于它们之间的介电材料28的厚度，也可以改变四分之一波变压器的阻抗。导电体之间的距离越大，阻抗越高。进一步改变的可能性是改变材料和改变介电系数。

在按照图2提出的实施例中，以串联连接起来的四分之一波变压器18-24的不同的外导电体26到中心线有相同的距离，阻抗匹配装置16的外导电体26也位于离开中心线36相同的距离处。因为在这种情况下外导电体26为管状，它的截面由圆弧组成，距离等于半径R，而半径是固定的。把内导电体26做成阶梯的管状，但是，对于每个新的四分之一波变压器来说，到中心线36的距离阶梯地改变。由于内导电体的半径r对于每个四分之一波变压器来说在由无线电单元的功率级/输入级到天线14的安装的路径上阶梯地减小，也使阻抗阶梯地提高。

如果使用介电系数ε至少为80的材料，每个四分之一波变压器阶段(18-24)例如在900MHz下可以为9毫米。如果以四阶段实现匹配，匹配装置的总尺寸可能为36毫米高。匹配装置的直径主要由所述的设计具备的刚度控制。由于内导电体30(天线连接件)的直径与外导电体26(屏)的直径的关系是固定的，与选择匹配装置的尺寸在很大程度上是无关的，只要所述关系是固定的就可以。然而，对于内导电体不能选择太小的直径(为0.01毫米的量级)，这是因为电阻损失随着直径的减小而增加。在直径为0.5毫米的铜导电体中可以获得内导电体的较低的可接受的电阻损失。

这个提出的解决方案对于直到2GHz是非常有意义的。在1.8GHz的频带内，每个变压器阶梯将只有4.5毫米长。在2GHz以上的频率，由于不同的原因，另外的阻抗匹配装置可能是有意义的。

通过保持内导电体30与中心线36之间的距离不变获得了匹配装置的另外的形状，这意谓着对于每个四分之一波变压器阶段18-24阶梯地改变中心线36与外导电体26之间的距离/半径。

图3示出了当把阻抗匹配装置16的两端中的低阻抗的阻抗端32转向观察者时该匹配装置的第一实施例。由外面到内向中心，首先是外导电体26，然后是介电材料28和内导电体30，它们是有最低阻抗的四分之一波变压器阶梯18的组成部分。在阶梯18之后，接着的是另外的变压器阶段20、22和24。每个变压器阶梯是一个四分之一阶梯，长度为电磁波长的四分之一。在每个阶梯之间为过渡区19、21和23。

图4为第一实施例的剖视图，四个变压器阶梯和它们的内部的有限区域在图中以虚线示出。可以把一根可伸长的天线集成在匹配装置16中，从而使该天线安装在中心孔38中，在高阻抗阶梯24中形成该孔。在插入位置，天线的极穿过匹配装置的腔室伸展，该腔室在内导电体28的中间部分中形成。

图5和6示出了阻抗匹配装置16的第二实施例。此实施例与第一实施例不同在于：在外导电体与内导电体26与30之间的距离分别是连续变化的，而不是阶梯形的。换句话说，在阶梯之间的过渡区已经被做成一个连续的过渡区。

图5是阻抗匹配装置16的透视图，其中，以虚线画出内部的有限区域，即内导电体30的内区域。在装置的中间的空的空间是圆锥形的。另外，外导电体26可以确定一个圆锥体积，而内导电体30有一个固定的半径。

该图示出阻抗匹配装置16的第二实施例的剖面。在这种情况下，内和外导电体26和30之间的径向距离由低阻抗短侧面/端32到高阻抗短侧面/端34分别是直线的。该距离和在装置的端部处介电材料的厚度与要匹配的两个阻抗中的较低的阻抗即功率级的输出阻抗有关，因此，该厚度比在连接到高阻抗，例如所述装置的天线侧的阻抗的那一端的厚度小。在内导电体与外导电体之间距离的径向改变也可以是非直线的，这意谓着内导电体和/或外导电体的半径在匹配装置的纵向方向上由端部32到端部34非线性地变化。

这一部件的一个好的特点是它有高效率，即不加载的Q因子或所谓品质因子高。在阻抗匹配以一个阶梯的形式出现的情况下，获得高的不加载的Q因子，数值为16(输入阻抗800欧姆与输出阻抗50欧姆之间的比值)。相反，如果以几个阶梯实现匹配，获得较低加载的Q因子。在第一实施例中，以四个阶梯中实现匹配，每个阶梯的阻抗加倍(由50欧姆到800欧姆)，这意谓着加载的Q因子将为8=4(阶梯数)×2(Q因子/阶梯数)。因此，与以一个阶梯实现阻抗匹配的因子相比，Q因子已经降低到一半。

以一个大的阶梯实现的匹配意谓着该解决方案将有窄的带宽，而以几个阶梯实现的匹配的解决方案实现了带宽较宽的匹配。变压器阶梯的数目由对系统的所希望的带宽决定。图7示出了特性曲线，表示以一个阶梯或几个阶梯实现匹配时频率曲线是如何改变的。以虚线画出的曲线H1表示与一个阶梯的匹配有关的损失。曲线的最大值在900MHz的中心频率。最佳匹配(100％)意谓着在中心频率没有阻抗损失。随着离开中心频率的距离的增加，匹配损失迅速地增加。在曲线与-3dB线相交的点之间的频率测出带宽。单一阶梯匹配(H1)有窄的带宽B1。用连续线画出的曲线Hn表示与几个阶梯的匹配有关的损失。在-3dB的衰减处，带宽Bn明显地比单一阶梯情况要宽。在可移动无线电应用中，重要的是，带宽要宽到使RX和TX频率带分别明显地在匹配装置的带宽以内。

所提出的匹配装置可以与不同类型的天线结合。这样，该装置将不只局限于半波偶极天线。用该装置的改型配装可收缩天线不会有任何困难。

阻抗匹配装置16可以用非常简单的方法制作。用模具模塑出介电材料，这意谓着在高压和高温下把该装置做成一件。用于模塑的材料的一个适当选择是陶瓷材料。将陶瓷烧结成不导电的材料，它看上去像玻璃。陶瓷材料是钡、锰、钴等的金属氧化物的盐的混合物。在模塑过程中，生产出有高介电系数(ε=10)的介电材料。金属氧化物的不同的组份产生有不同介电系数的新的陶瓷材料。用金属覆盖、涂布或喷涂介电材料的最终部件的壁，或者另外地把最终部件浸在一个金属浴中。随后，固化的金属形成外和内导电体。取决于希望什么要求可以把内导电体制作成均匀的或中空的。

对于在小型的无线电单元中的使用来说，以前，四分之一波变压器没有任何特别的兴趣。本发明的设计意谓着可以以足够小的尺寸制作出阻抗匹配装置，对于在小型的无线电单元中的应用有意义。介电系数ε超过10的材料例如陶瓷材料是本设计的重要部件。可以把本发明的匹配装置包括在多种不同的无线电装备中和用于无线通信装置中。这样的装置的例子为终端和用于可移动无线通信的微型基站，这样的装置的例子还可以是GPS装备，比如卫星接收机。

当然，本发明不限于上面所描述的并在图中示出的实施例，而可以在所附的权利要求书的范围内改变。

Claims (8)

1．一种阻抗匹配装置(16)，把它设置在一种包括在无线电装备(10)中的天线(12)与一个馈入单元例如一个功率输出单元之间，这些单元的阻抗比值超过3，其特征在于，该阻抗匹配装置(16)包括至少两个串联连接的四分之一波变压器(18、20)，它们由介电系数为ε的一种介电材料(28)制成，ε的值超过10。

2．按照权利要求1中所述的阻抗匹配装置，其特征在于，将介电材料(28)的外壁和内壁(分别为26和30)金属化，并分别构成所述装置(16)的外导电体和内导电体。

3．按照权利要求2中所述的阻抗匹配装置，其特征在于，阻抗匹配装置包括至少两个共轴的四分之一波变压器，在其外壁和内壁(26、30)之间有不同的距离。

4．按照权利要求1-3中之一所述的阻抗匹配装置，其特征在于，内导电体是中空的。

5．按照权利要求1-4中之一所述的阻抗匹配装置，其特征在于，内导电体的半径对于每个新的四分之一波变压器阶梯是不同的。

6．按照权利要求1-4中之一所述的阻抗匹配装置，其特征在于，内导电体是中空的，并在每个变压器阶梯之间设有一个均匀和连续的过渡区，其特征还在于，在一个阶梯内半径连续地改变。

7．按照权利要求1-6中之一所述的阻抗匹配装置，其特征在于，该阻抗匹配装置与天线(14)形成为一体，从而构成一个天线单元(12)。

8．按照权利要求1-7中之一所述的阻抗匹配装置，其特征在于，在用于无线通信的装备中包括该阻抗匹配装置。

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