CN1349278A - 双作用天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双作用天线结构。该结构包括例如一个在移动站外壳内部的PIFA型天线,一个耦合元件和一个相对前面两者可运动的鞭状元件。该耦合元件(240)是PIFA的辐射平面(220)与接地平面(210)之间的相对小型导电元件,与辐射平面和接地平面电流绝缘。当鞭状元件(230)被收缩时,它没有对PIFA部分的明显耦合。当鞭状元件被伸出时,其较低端(231)电流连接到耦合元件以便在鞭状元件和PIFA的辐射平面之间建立明显的电磁耦合。这样鞭状元件通过PIFA馈电而没有与其进行电流接触。该耦合元件进一步提供鞭状元件的匹配。在按照本发明的结构中,内部和外部天线设计和相互相对独立地优化。

Description

双作用天线
本发明涉及适合于移动站的双作用天线结构，在该结构中一个元件是可伸缩鞭状天线。
在便携无线电设备领域，特别是移动站中，天线制造正变得更苛求。由于使用了新的频带，一个天线通常必须在两个或几个频带上工作。当设备小型时，天线也必须小型；它最好安置在设备外壳内，这样避免不切实际地突出。可是，不幸地是，内部天线的辐射特性比外部天线弱。另外，例如内部天线对于用户手的影响比外部天线更敏感。这些缺点可以利用双作用天线减少，以便当需要时属于该结构的一个可运动天线元件可以部分地拉出以便改善连接质量。
可伸缩鞭状天线是公知的这种结构。如果天线结构又包括一个第二辐射元件，它通常是设备外壳之外的元件，明显短于鞭状元件。这种双作用天线在相同申请人的早期专利申请FI991359中所公开了，该天线在一个工作状态下完全位于设备外壳内部。该结构在图1中图示。它包括一个接地平面110，辐射平面元件120，馈电导线102和一个短路导线103，这些构成了整个天线的PIFA(平面倒F天线)型部分，位于无线电设备外壳内部。该平面元件120其中具有缝隙125，其形状使得平面天线的谐振频率与所需要的相同。该结构进一步包括一个鞭状元件130，在其底部有着连接零件131。当鞭状在其下面位置时，它具有与PIFA部分的不明显耦合。当鞭状在其上面位置时，连接零件131在缝隙125两侧与平面元件120电流接触，以便该缝隙变成短路。短路缝隙明显增加了平面天线的谐振频率，由此当鞭状在拉出位置时该平面天线在工作频带内不起天线作用。鞭状元件大小设计得在相同工作频带内起单极天线的作用，由此替代内部平面天线。平面元件120的任务则是起鞭状馈电线路一部分的作用，并且作为鞭状的阻抗匹配元件。该PIFA也可以设计得具有两个频率，以便在其上面位置鞭状元件改变例如PIFA较低谐振频率，以此方式只有拉出的鞭状起较低工作频率辐射元件的作用。则PIFA的导电平面起较高工作频率辐射元件的作用。另一方面，拉出的鞭状元件刚好使较低工作频率上的天线工作更有效而不改变PIFA的谐振频率。
本发明的目的是以比已知结构更新颖和有利的方式提供一种双作用天线。按照本发明的该天线结构特征在于独立权利要求1中所指定的内容。在从属权利要求中出现了本发明的某些有利的实施例。
本发明的基本思路如下：一个天线结构包括例如一个位于移动站机壳内部的PIFA型天线，一个耦合元件和一个相对前面两者可运动的鞭状元件。该耦合元件是PIFA辐射平面与接地平面之间的相对小型的导电平面。当鞭状元件收缩时，它与PIFA部分没有明显耦合。当鞭状元件伸出时，其较低端与耦合元件电流接触，由此通过在鞭状元件和PIFA辐射平面之间的耦合元件建立明显的电磁耦合。这样鞭状元件通过PIFA馈电而不与其电流接触。另外，为鞭状元件的匹配提供了耦合元件。该内部天线可以具有一个或几个频带。在双频带天线的情况下，例如，伸出的鞭状改善了该天线结构在内部天线两个频带上的工作。
本发明的优点是按照本发明的结构，内部和外部天线可以相对独立地设计和优化。这是因为当通过耦合元件实现匹配时内部天线设计不需要考虑鞭状天线的匹配。本发明的另一个优点是，按照本发明的结构它相对简单和便宜，因为不需要分离的机械零件或用于匹配的元件。本发明的另一个优点是按照本发明结构减少了内部天线的尺寸。这是因为安置在辐射平面外端下面的耦合元件从短路点观察产生了另外的电容，和因此减少了与电尺寸有关的物理尺寸。
下面详细描述本发明。参照附图进行参考，其中
图1表示按照现有技术的天线结构的例子，
图2表示按照本发明的天线结构的例子，
图3表示按照本发明的天线结构的另一个例子，
图4表示按照本发明的鞭状元件耦合的例子，
图5表示按照本发明天线的频率特性的例子，
图6表示按照本发明的天线的方向特性例子，和
图7a，b表示装备了按照本发明天线的移动站的例子。
图1已经与现有技术描述一起讨论了。
图2表示按照本发明的天线结构的例子。该天线结构200包括一个接地平面210，一个与接地平面平行的辐射平面元件220，一个鞭状元件230和一个耦合元件240。在F点整个天线结构的馈电导线202电流连接到辐射平面元件，在另一个点S短路导线203将辐射平面元件与接地平面210连接。这样在该例子中的天线结构的平面部分是PIFA类型。该辐射平面元件220具有一个其中的缝隙225，从馈电点F观察该缝隙将该元件分开成为两个不同长度的支路。因此，该例子中的PIFA是双频带PIFA。耦合元件240是辐射平面元件和接地平面之间的条形导电平面，与它们平行，在较低端具有突出部分245弯向接地平面。在突出部分245端部有与接地平面平行的弯曲，与接地平面距离为d。在耦合元件和辐射平面元件之间自然存在电磁耦合。耦合元件位于辐射平面元件的边缘E附近，其离开短路点S电距离最远并且与所述边缘平行。然后，当平面天线谐振时，其电场在耦合元件240附近最强和因此上述耦合主要是电容性。
结构部分的“较低端”在本说明书和权利要求书中表示鞭状元件收缩方向的最外端，与设备工作位置无关。同样地，结构部分的“较高端”指与较低端相反的端。
鞭状元件230沿其轴线可运动。在图2中鞭状元件被图示为处于上面位置，即伸出位置。在此情况下，在较低端的连接零件231与耦合元件240上端电流接触。该设计提供了对鞭状元件的馈电和阻抗匹配两者：耦合元件与鞭状元件一起形成了工作频率上的谐振器，该谐振器通过耦合元件与辐射平面元件之间的耦合电容性地获得能量。另一方面，耦合元件的形状和位置以及选择的耦合元件与鞭状元件连接点确定了在鞭状辐射(和接收)方式下尽可能有效的匹配。图2以虚线进一步表示了在下面位置即收缩位置的鞭状元件。该鞭状元件与连接零件231于是与所有导电结构零件绝缘，并且它与天线结构的其它部分没有明显耦合。
在图2的例子中，辐射平面元件220是通过例如电介质框架支撑在接地平面210上的刚性导电平面。图中所示为这种框架的一部分205。替代刚性平面，辐射平面元件可以是例如印刷电路板表面上的导电区域。
图3表示按照本发明天线结构的另一个例子。该结构300包括一个接地平面310，一个与此平行的辐射平面元件320，在图中仅以虚线表示，一个鞭状元件330和一个耦合元件340。在点F整个天线结构的馈电导线302电流连接到该辐射平面元件，在另一个点S短路导线303将辐射平面元件与信号接地连接。该结构与图2的不同之处在于耦合元件位于更接近平面天线中心，由此其与辐射平面元件之间的电磁耦合比图2中的更具有电感性。该耦合元件包括一个指向接地平面的弯曲345，该弯曲具有等于整个耦合元件的长度。在该弯曲面对接地平面的一侧上，有基本上与接地平面平行的伸出部分341，以便通过弯曲该伸出部分可以调节鞭状天线的匹配。在该例子中，在辐射平面元件上的短路导线303是接地平面310的圆柱形突出。鞭状元件的连接零件331是桶形元件而非矩形套管。
图4表示按照图2的结构的细节。它表示当鞭状在伸出位置时鞭状元件如何连接到耦合元件的例子。该图表示接地平面210、辐射平面元件220、耦合元件240、鞭状元件的连接零件231较高部分以及鞭状230较低部分的侧视图。在耦合元件的较高部分有至少一个弯曲接触弹簧242。连接零件231或伸出的鞭状被挤压在耦合元件的接触弹簧与电介质支撑材料206之间。支撑材料206附着在接地平面210上，另外附着在辐射平面元件220和耦合元件240上。
图5表示了按照图2图示的本发明天线结构的频率特性例子。该图表示两个曲线51和52。曲线51是作为频率函数的该天线结构反射损耗RL，当鞭状元件被收缩时，曲线52代表鞭状元件伸出时反射损耗。反射损耗越小即曲线越低，该天线的辐射和接收越有效。两个曲线包括两个“低点”，表示要求的结构被设计得工作在两个频带上。较低工作频带在900MHz范围内而较高工作频带在1800MHz范围，延伸到大约2GHz。比较两个曲线可以看出鞭状元件伸出明显地减少了在较低工作频带中该天线结构的反射损耗。该带宽被扩大几乎两倍并且也增加了辐射效率。在较高工作频带，鞭状元件伸出导致该天线反射损耗少量增加。
图6表示与图5相同天线结构的方向模型例子。曲线61代表当鞭状元件收缩时，作为方向角函数的该天线结构的增益，曲线62代表当鞭状元件伸出时的增益。该结果根据在1.8GHz频率上的垂直电场强度测量。它表示伸出的鞭状元件主瓣方向上天线增益增强了1.2dB，和以及在侧瓣上增加了场强。这表示按照本发明的鞭状元件使该天线结构的工作在较高工作频带上也更有效。
图7a和b表示了具有按照本发明的天线结构的移动站(MS)。该结构中的辐射平面元件720完全位于移动站外壳内部。在图7a中，鞭状元件730收缩在移动站外壳内的位置，而在图7b中它被伸出。在后者情况下，鞭状元件具有按照图2和3到辐射平面元件720的耦合。
上面描述了按照本发明的一些天线结构。本发明不将天线元件设计限制在这些特定结构中。本发明也不限制该天线的制造方法和使用的材料。在独立权利要求1所限定的范围内可以用不同方式应用本发明的发明思想。

Claims (7)

1.一种天线结构，包括在无线电设备内部的一个辐射平面元件和一个接地平面，和相对它们可运动的一个鞭状元件，一个该天线结构的馈电导线连接到辐射平面元件，其特征在于进一步包括一个辐射平面元件(220，230)与接地平面(210，310)之间与这两者电流绝缘的耦合元件(240，340)，当鞭状元件(230，330)被伸出时，该耦合元件与鞭状元件电流连接以馈电和匹配该鞭状元件。
2.按照权利要求1的一种天线结构，其中辐射平面元件(220)与接地平面(210)一起形成一个PIFA型天线，特征在于当从PIFA短路点观察时该耦合元件(240)位于接近辐射平面元件电最外边缘(E)，以在耦合元件与辐射平面元件之间产生电容性耦合。
3.按照权利要求1的一种天线结构，特征在于该耦合元件包括一个与辐射平面元件和接地平面基本平行的平面部分，该平面部分的突起(245，345)朝向接地平面以优化鞭状元件的匹配。
4.按照权利要求3的一种天线结构，特征在于所述耦合元件的突起(245)接近耦合元件(240)的较低端。
5.按照权利要求1的一种天线结构，特征在于该鞭状元件与耦合元件一起配置得基本谐振在和辐射平面元件至少一个相同的频率上。
6.按照权利要求1的一种天线结构，特征在于辐射平面元件(220)是刚性导电元件。
7.一种包括一个天线结构的无线电设备(MS)，该天线结构在无线电设备内部具有一个辐射平面元件(620)和一个接地平面，和一个相对它们可运动的鞭状元件(630)，特征在于该天线结构进一步包括一个在辐射平面元件与接地平面之间与这两者电流绝缘的耦合元件，该耦合元件当鞭状元件被伸出时电流连接到鞭状元件以对鞭状元件馈电和匹配。
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