CN1318213A - 电容调谐宽带天线结构 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于收发通讯信号的的无线通讯设备(10)的天线组件(12)。该无线通讯设备(10)具有一个接地平面元件(18)和一个馈线导线(48)；天线组件包括一个具有一定形状的辐射导体元件(14)，它由一对邻近接地平面元件(18)的相对端板(32,38)和一个背离接地平面元件(18)的中间延展部(14)组成，二者围出一个内部区域；第一端板与接地平面元件(18)相连；第二端板(38)与接地平面元件(18)电容耦合；中间延展部(14)在一个位于第一端板(32)的第二端板(38)之间的馈电点(54)处与馈线导体相连。

Description

电容调谐宽带天线结构

本发明总的说与小型天线结构有关，具体说，是与适用于无线通讯设备的天线结构有关。

许多无线收发机，特别是手持蜂窝式电话，目前都采用名义上是无定向辐射的外接鞭状天线。这时向着使用者头部发送的高频能量几乎或者根本没有减少。结果在0.5瓦的输入下吸收比率(SAR)一般达到2.7毫瓦/克。此外，从外面安装的鞭状天线比较重(8.9克)，而且使用过程中可能被损坏。鞭状天线的增益性能特性通常在-5至+1.5dBi的范围。由于鞭状天线一般要用手工装配和安装，因而不太适合采用高速制造和装配技术的无线通讯设备。

插接型天线也很通用。这种天线的一个限制是，为了提供所需的工作带宽，其尺寸比较大(体积约为本发明天线的4-10倍)。为了得到与本发明天线相同的方向性比，还要求插接型天线具有很大的接地平面。而在今天的手持无线通讯设备中是不适合采用大的接地平面的。

本发明提供一种增益和方向性比有所改善的小型天线系统。按本发明制造的天线组件可提供线性极化，故适用于蜂窝电话，该台拨号系统(PDA)这类无线通讯设备。这种天线组件用于手持无线收发机时，可提供4dB的标称远场方向性比，当天线的输入功率为0.5瓦时，在后面(向着设备使用者的一面)的标称吸收比率约为1.6毫瓦/克，而向前(背离使用者头部一面)增益的标称值为+1.5dB。天线的尺寸相对目前的无线通讯设备而言比较小，因而可以很容易地与无线设备的顶盖后部做成一体。

这种天线可以叫做电容调谐1/8波长宽带短型插接天线。但其尺寸比类似工作带宽和方向性比的普通1/4或1/2波长插接天线要小得多。此外，还可以通过选择馈送点的位置来预先确定信号极化方式，线性极化或者园形板化都可以。

本发明的一个目的是提供一种能在大规模生产线上从外面安装到收发机绝缘底座，如PWB(为印刷线路板)上的天线。本发明的另一个目的是提供一种能从收发机印刷电路板拿走并可部分罩住板上其它元件的天线。该天线在辐射器和绝缘底座之间形成一个内部空间，其中可以安装无线设备的其它元件。

本发明还有一个目的是提供一种在110-160度之间具有3dB带宽的天线，而现有的偶极子天线设备仅在80度左右能达到这个值。此外，本发明的一个目的是提供一种天线组件，其标称工作带宽(在驻波比为2∶1下)在蜂窝式电话上为8％，换极开关(PCS)频率范围分别为824-894兆赫和1750-1990兆赫。

本发明的另一个目的是使天线组件具有改善的吸收比率和更高的性能特性(例如增益和方向性比)。

本发明还有一个目的是使天线组件能装入无线设备的外壳里面。

本发明的上述以及其它一些目的对于业内人士是一目了然的。

作为本说明一部分的附图将用来描述本发明的一些优选实施装置例。这些附图中：

图1是装有按本发明的天线组件的无线通讯设备的透视图；

图2是图1中装有按本发明的天线组件的无线通讯设备的侧视图；

图3是按本发明的第二种天线组件实施例的透视图；

图4是按本发明的第三种天线组件实施例的透视图；

图5是按本发明的第四种天线组件实施例的透视图；

图6是按本发明的另一种天线组件实施例的透视图。

图1是包含本发明的天线组件12的无线通讯设备(为蜂窝式电话)10的透视图。应该说明，本发明的天线组件12也适用于其它的无线通讯设备10，例如手提式无线电话以及发射电磁波的其它一些无线通讯设备。

图1和图2表示体现本发明的一种天线组件12，它工作在824-894MHz的频率范围。当然熟行人也可以让它工作在其它的频率范围。通过改变天线组件12各元件的实际尺寸可以改变其性能特性。这些改变，更动或修改可由熟行人在不超出这里所述的本发明的范围的情况下作出。

天线组件12包括一个处于绝缘底座元件16上的辐射导体元件14，电话绝缘底座元件16界定一个接地平面坐18。绝缘底座16可由天线通讯设备10的印刷线路板PWB构成。辐射导体元件14通常包含几个表面，虽然它也可以是由单个成形金属元件构成的。辐射导体元件14是一个近似的‘C’形，且包含一个处于导体14和接地平面元件18之间的内部区域20。如图2所示，设备的电子元件可以安放在辐射导体14的内部区域20，以减小其体积。

第一平面导电表面30位于导电地平面18之上一个预定的距离(约0.3英寸)，且与一个基本上垂直的第二导电表面32电气相连。第二导电表面32在边缘36处与接地平面18短接。第二导电表面32的边缘36可以沿其长度全部与接地平面相连，也可以只有一部分相连。另一种将第二导电表面32与接地平面18短接的方法是用一块底板或垫板(未示出)。这时利用第二导电表面32的底板或垫板元件通过现有的表面安装方法可以更容易与接地平面18相连。第一导电平面30同时还与基本垂直的第三导电表面38相连。从侧面看去第三导电段38近似为‘T’形，且包含一个较低的垂直连接板40。

参看图1和图2，位于下连接板40上的导体元件14构成一个双板电容器的一边或一块板，而另一“边”就是接地平面元件18。连接板40通过一个介质元件44与接地平面18隔开一个距离(此处约为0.010英寸)，以形成一个容量为4微微法左右的电容器。连接板40的面积约为0.08平方英寸。介质元件44可以是一个玻璃纤维或合成材料，其相对介电常数约为4.5，厚度为0.010英寸。介质材料44的相对介电常数可以与4.5不同，且电容器板38的尺寸也可与图1所示的尺寸不一样。最好电容的值保持在千微微法左右。

无线通讯设备10的接地平面约为1.6英寸宽，且沿第二导电平面32伸出0.25英寸。在一种优选结构中，接地平面18的总长度为5.5英寸，即在工作波长范围内约1/4波长。在所示的具体实施装置中，接地平面18的宽度和高度的最小尺寸分别为1.25英寸和0英寸。如采用与此优选尺寸不同的尺寸，可能导致不同的电气特性(例如频率范围，增益，和方向性比)。

天线12可以用一条50欧姆的同轴线48馈电，如图2所示。外屏蔽层50与接地平面18电气相连，中心导体52则穿过PWB16中的小孔连至第一导电表面30，造成一个馈电点54。也可以将同轴电缆48安放在辐射导体元件14的内部区域20中。馈电点54最好处于沿第一导电表面30纵向中线的一点上，且靠近辐射导体元件14的上部第二导电表面32。也可以将馈电点安置在沿横向线78的一点处，如图1所示。也可以不让馈电点处在中线上，例如可沿着第一导电表面30的对角线，以实现园极化。如果无线收发机10的PWB(印刷线路板17)提供了一个连接信号导线的50欧姆高频输出/输入口，则可以不用同轴电缆48。天线12的极化是沿着接地平面18的纵向尺寸方向，如图2所示。采用推荐的馈电点54可产生线性极化。

如图2所示，可以采用一个匹配元件80来增加天线组件12的带宽。匹配元件可以是一个与馈送导线54串联的电容元件。熟行人也可以选用其它的匹配元件80。

图3表示辐射导体14的第一导电表面56的另一种结构。与图1和2中第一导电表面30相比，图3的第一导电表面56在其上边缘处开有角形凹槽或拐角58。这种缺角结构可以让天线组件12的形状和弯曲的或非矩形的收发机10的壳体一致，并置于其中。

图4表示辐射导体元件14的另一种具体实施例。这种导体元件结构可用来改善电压驻波比带宽。图4的第一表面导体元件60包含一对横向配置的翼形元件64和66，它们从第一导电表面60朝下垂直悬挂向着接地平面元件18。

上面所示的优选天线组件12是工作在824～894MHz频率范围内。可以按照频带对尺寸进行直接缩放，为880-960MHz(蜂窝式电话)，902-928MHz(无绳电话)，1575MHz(GPS)，1710-1870(蜂窝电话)，1850～1990MHz(蜂窝电话)，2450-2500MHz(LAN，无绳电话)。

图5为本发明的一种多频率实施例。在第一辐射表面30上方(远离接地平面18的方向)平行地增加另一个辐射导电表面70，就可以工作在二次或更高次的频带上。可以在第一和第二辐射元件30,70之间安放一个介质底座元件72。该元件的介电常数可选在1至80的范围，在一种具体实施例中此值为1-10。同轴线中心导体52以非接触的方式穿过第一辐射表面30，并与第二辐射元件70在第二馈送点74相连。在第二辐射元件70和接地平面元件18(例如在第二辐射表面32上边缘处)之间连一根接地线76。第二导电表面70和第一导电表面30之间的距离可在0.002～0.12波长的范围(处于较高频段内)。介质元件72的相对介电常数可在0-10之间。第二辐射元件70的面积当相对介电常数为0时约为高频端波长平方的0.12倍，且随着介电常数增加按比例减小。还可以采用类似的再增加一个或数个辐射导电表面的方法，以工作在三次或更高次的频段。

图6为按本发明的天线组件12的另一种具体实施例。在辐射导体元件14和接地平面18之间可安置一个介质支撑元件82。介质支撑元件82可以是一块适当低损耗正切的介质材料。图6的天线组件12包括一个装在介质支撑元件82上的辐射导体元件14。在不同的实施装置中，介质支撑元件82可以是一个模压塑料元件，上面涂敷一层导电膜以形成辐射元件14。可以采用选择性刻蚀和其它现有的工艺在板状介质支撑元件82上做出辐射元件14。此外，可在模压塑料支撑元件82内加上或装上一些锻造或经过处理的金属零件，作为对辐射元件14的补充。

虽然上面我们通过附图对本发明的一些特定实施例进行了详细的说明，但应指出，本发明不仅仅限于这些实施例，而是涵盖如下面权利要求书所界定的本发明范围之内的一切可供选择的方案，等效物，或改进型式。

Claims (28)

1．一种用于接收和发送通讯信号的无线通讯设备中的天线组件，该无线通讯设备具有一个安装在介质元件上的接地平面元件和一个馈送导体，这种天线组件包括：

一个第一辐射导体元件，此元件包括一对各与接地平面元件邻近布置的相对端板，和一个背离接地平面元件的中间延展部分，由此构成一个内部区域；

在第一辐射导体元件相对端板对中的一块端板与接地平面元件之间的第一工作连接；

在第一辐射导体元件相对端板对另一端板与接地平面元件之间的第二工作连接，此连接为一电容耦合；

位于辐射导体元件延展部分内的馈电点，它与馈线导体可操作地相连。

2．如权利要求1所述的天线组件，其中第一辐射导体元件包含一些表面，包括至少一个第一导电表面，一个第二导电表面，和一个第三导电表面。

3．如权利要求2所述的天线组件，其中导电表面每个基本上为平面。

4．如权利要求3所述的天线组件，其中第一导电表面基本上与第二导电表面和第三导电表面二者相垂直。

5．如权利要求4所述的天线组件，其中第三导电表面与一个板形段相连，此板形段构成辐射导电元件电容耦合的一部分。

6．如权利要求4所述的天线组件，其中馈电点是排列在辐射导体元件第一导电表面的纵向中线上。

7．如权利要求1所述的天线组件，还包括：

一个背离第一辐射元件安放的第二辐射导体元件，它与馈线导体可操作地相连。

8．如权利要求7所述的天线组件，还包括：

一个处在第一辐射导体元件和第二辐射导体元件之间的介质基底元件。

9．如权利要求1所述的天线组件，还包括：

一些附加的辐射导体元件，其中的每一个处在离第一辐射元件一个预定的不同距离上，至少有一个附加辐射导体元件与馈线导体相连。

10．一种用于接收和发送通讯信号的无线通讯设备的天线组件，该天线组件包括：

一个装在无线通讯设备内的接地平面元件；

一个用作信号传送出口的馈线导体；

一个第一辐射导体元件，包括一对与接地平面元件邻近的相对端板和一个背离接地平面元件的中间延展部分，二者确定一个内部区域；相对端板对中的一块板与接地平面元件相连，另一块板则与接地平面元件作电容性耦合；中间延展部分在一个馈电点与馈线导体相连。

11．如权利要求10所述的天线组件，其中第一辐射导体元件包括一些表面，包括至少有一个第一导电表面，一个第二导电表面，和一个第三导电表面。

12．如权利要求11所述的天线组件，其中导电表面每一个基本为平面。

13．如权利要求12所述的天线组件，其中第一导电表面基本与第二导电表面和第三导电表面二者相垂直。

14．如权利要求13所述的天线组件，其中第三导电表面与一个平板段相连，该平板段构成第一辐射导电元件电容耦合的一部分。

15．如权利要求13所述的天线组件，其中馈电点是沿着第一辐射导体元件一条纵向中线排列的。

16．如权利要求10所述的天线组件，其中接地平面元件是处在天线通讯设备的一块印刷线路板上。

17．如权利要求10所述的天线组件，还包括：

一个背离第一辐射导体元件安装的第二辐射导体元件，它还与馈线导体可操作地相连。

18．如权利要求10所述的天线组件，还包括：

一个处在第一辐射导体元件和第二辐射导体元件之间的介质基底元件。

19．如权利要求10所述的天线组件，还包括：

一些附加的辐射导体元件，其中每一个处在离开第一辐射导体元件一预先确定的不同距离处，且至少有一个与馈线导体相连。

20．一个用于接收和发送通讯信号的无线通信设备的天线组件，该无线通讯设备具有一个接地平面元件和一个馈线导体，这种天线组件包括：

一个基本为‘C’形的辐射导体元件，它包括一对与接地平面元件邻近的相对端板和一个背离接地平面元件的中间延展部分，二者构成一个内部区域；第一端板与接地平面元件相连，第二端板与接地平面元件作电容耦合，中间延展部分在位于第一和第二端板之间的一个馈电点处与馈线导体可操作地相连。

21．如权利要求20所述的天线组件，还包括：

一个处于背离第一辐射导体元件位置的第二辐射导体元件，它与馈线导体可操作地相连。

22．如权利要求21所述的天线组件，还包括：

一个处在第二辐射导体元件和第一辐射导体元件之间的介质基底元件。

23．一种用于收发通讯信号的无线通讯设备的天线组件，该无线通讯设备具有一个接地平面元件和一个馈线导体，这种天线组件包括：

一个邻近接地平面元件的介质支撑元件；

一个至少有一部分处在介质支撑元件上的第一辐射导体元件，该元件具有一些表面共同组成一对相对端板和一个背离接地平面元件的中间部分，且在位于中间部分内一馈电点处与馈线导体相连，相对端板对中的一块板与接地平面元件相连，另一块板与接地平面元件作电容耦合。

24．如权利要求23所述的天线组件，还包括：

一个处在背离第一辐射导体元件位置处的第二辐射导体元件，它与馈线导体可操作地相连。

25．如权利要求24所述的天线组件，还包括：

一个处在第二辐射导体元件和第一辐射导体元件之间的介质基底元件。

26．如权利要求25所述的天线组件，其中介质基底元件的介电常数在1至80之间。

27．如权利要求26所述的天线组件，其中介电常数在1至10之间。

28．如权利要求23所述的天线组件，还包括：

一些附加的辐射导体元件，其中每一个处在离第一辐射导体元件一预定的不同距离处，且至少有一个与馈线导体相连。

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