CN1368766A - 天线设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高增益的天线设备。该设备包括一个天线单元,与所述天线单元紧密放置,并且串联或并联连接该天线单元以构成一个谐振电路的一个可变电容器,用于提供调谐电压以改变可变电容器的电容的一个调谐供电终端,以及至少能向该谐振电路发送信号功率,并且从该谐振电路接收信号功率的一个信号功率终端。

Description

天线设备
技术领域
本发明涉及一种能够改变其工作频率的变频天线设备。
背景技术
单极天线设备的工作频率通常依赖于天线杆的整个长度，具有扩展结构，被广泛应用于小型无线设备。图17所示是一个常规单极天线设备。单极天线单元1通过耦合电容2与信号功率终端3相连。当该天线设备用作接收天线时，通过信号功率终端3接收的无线电波，被送到诸如调谐器这样的射频(RF)接收机中。当该天线设备用作发射天线时，来自射频发射机的发射信号，通过信号功率终端3送至该天线单元，并以无线电波的形式发射到自由空间。图18是该天线设备的增益与频率特性曲线。在图18中，横轴4代表频率，纵轴5代表增益。纵轴上的刻度5a指示天线增益的参考值，曲线6为该天线单元的增益特性。增益特性曲线6的增益和频率特性在一个宽频范围内相对均匀，但是，随着频率的增高，特性曲线6与参考值5a相差的距离7变大。因此，这种天线设备在宽频范围内很难达到足够的天线增益。
发明内容
提供一种在希望的频率范围内具有高天线增益的天线设备。
本发明该天线设备包括一个天线单元，与该天线单元耦合的一个可变电容器，包括该天线单元和可变电容器的一个谐振电路，一个为改变可变电容器的电容提供调谐电压的调谐供电终端，以及一个至少能向谐振电路发送信号功率，并且从谐振电路接收信号功率的信号功率终端。
附图说明
图1是根据本发明实施例1的天线设备的电路图。
图2是根据实施例1的天线设备的增益与频率特性曲线图。
图3是根据本发明实施例2的天线设备的电路图。
图4是根据本发明实施例3的天线设备的电路图。
图5是根据本发明实施例4的天线设备的电路图。
图6是根据实施例4的天线设备的增益与频率特性曲线图。
图7是根据实施例4的另外一种天线设备的增益与频率特性曲线图。
图8是根据本发明实施例5的天线设备的电路图。
图9是根据本发明实施例5的天线设备的增益与频率特性曲线图。
图10是根据本发明实施例6的天线设备的电路图。
图11是根据本发明实施例6的天线设备的增益与频率特性曲线图。
图12是根据实施例6的另外一种天线设备的电路图。
图13是根据本发明实施例7的天线设备的整体外观图。
图14是根据本发明实施例7的天线设备的方框图。
图15是根据本发明实施例8的天线设备的方框图。
图16是根据实施例8的另外一种天线设备的整体外观图。
图17是一种常规天线设备的电路图。
图18是该常规天线设备的增益与频率特性曲线图。
具体实现方式
(实施例1)
图1是根据实施例1的天线设备的电路图。在图1中，静电电容随施加电压变化的变容二极管(可变电容)12的阴极12a，与调谐型单极天线单元11的一端相连。变容二极管12的阳极12b，通过用于阻射频信号通直流的扼流电感13接地。调谐供电终端14通过用于提供直流的扼流电感15连接变容二极管12的阴极12a。信号功率终端16，通过用于阻直流通射频信号的耦合电容器17与变容二极管12的阳极12b相连。变容二极管可用作变容二极管12。
单极天线单元11的电感组件与变容二极管12的静电电容组合而成串联谐振电路。因此，该谐振电路的谐振频率变化受施加给调谐供电终端14的电压控制。
使单极天线单元11靠近变容二极管12放置很重要，二者最好间隔1mm或更小。这样近的距离可使振荡频率稳定。在后面的实施例中变容二极管与天线单元也这样近距离放置。
图2是该天线设备的增益与频率的特性曲线。在图2中，横轴4代表频率(MHz)，纵轴5代表增益(dB)。刻度5a为参考值。当向调谐供电终端14施加一个低调谐电压(0V)时，天线设备18具有增益-频率特性曲线18a。当向调谐供电终端14施加一个高调谐电压(25V)时，天线设备18具有增益-频率特性曲线18b。因此调谐电压从低调谐电压到高调谐电压的连续改变，使频率-增益特性曲线18的峰值特性连续变化。即，调谐频率可连续改变。由于具备了这种调谐特性，就可以提供一种高灵敏度的天线设备，不会因与参考值5a有差距(约0dB)而衰落。
同时，由于该天线设备包括串联谐振的谐振电路和具有电感功能的天线单元，不需要额外的电感器，这样就简化了电路，同时实现了设备的小型化和低造价。
该天线单元不局限于单极天线，利用偶极天线和扁平天线(flatantenna)也可获得同样的效果。
(实施例2)
根据实施例2的天线设备包括一个并联谐振电路，该并联谐振电路包括具有中间抽头的电感器20以及一个并联的变容二极管12。在图3中，单极天线单元11的一端与电感器20的中间抽头20c相连。电感器20的一端20a，通过用于通射频(RF)信号阻直流的耦合电容器17，连接到信号功率终端16。电感器20的另一端20b接地。调谐电容器21与变容二极管12串联，同时也与电感器20并联以构成一个并联谐振电路。
调谐电容器21与变容二极管12的接点(变容二极管12的阴极12a)，通过用于阻RF信号通直流的扼流电感15，连接调谐供电终端14。调谐电容器21也用于阻直流。
在实施例2中，天线设备呈现出图2所示的谐振特性。与实施例1不同的是，根据实施例2的天线设备，由于使用了并联谐振电路，其谐振频率几乎不受周围环境影响并且很容易调整。另外，由于其阻抗等于电感器20的中间抽头20c与地之间的阻抗，因此单极天线单元11具有匹配损耗抑制。
(实施例3)
根据实施例3的天线设备，包括一个具有互感的并联谐振电路。在图4中，电感器22通过互感与调谐电感器23耦合。电感器22的一端与单极天线单元的一端相连，而电感器的另一端接地。
调谐电容器21与变容二极管12串联后，与电感器23并联，以构成并联谐振电路。
在本例中，电感器22的阻抗与单极天线单元11的阻抗很容易匹配。
尽管在图中未示，但该天线设备可以包括通过互感与调谐电感器23耦合的独立电感器24。电感器24的一端可以连接信号功率终端16，而另一端接地。调谐电容器21与变容二极管12串联后，与电感器23并联，以构成并联谐振电路。
在本例中，由于电感器24通过互感与电感器23耦合，信号功率终端16的阻抗可以随意设置。而且，可以抑制由于负载变化引起的谐振电路谐振频率的变化。
(实施例4)
根据实施例4的天线设备包括多个谐振电路以便具有宽频带。
在图5中，在E形多调谐型单极天线单元25的一端有一个圆柱形帽25d。该单元的其他端25a，25b，25c分别通过耦合电容器26a，26b，26c与变容二极管27a，27b，27c的阴极串联。变容二极管27a，27b，27c的阳极，分别通过用于阻射频(RF)信号通直流的扼流电感28a，28b，28c接地。
变容二极管27a，27b，27c的阳极与扼流电感器28a，28b，28c的接点，分别通过耦合电容器29a，29b，29c与加权电路30相连。加权电路30的输出连接信号功率终端16。
耦合电容器26a，26b，26c与变容二极管27a，27b，27c的接点，分别通过用于阻RF信号通直流的扼流电感器31a，31b，31c，与加权电路32的输出相连。加权电路32的输入与调谐供电终端14相连。
根据该实施例的宽频带天线设备包括在此形成的三个谐振电路，即，谐振电路34a，由在单极天线单元25的一端25d与另一端25a之间形成的电感33a与变容二极管27a构成；谐振电路34b，由在单极天线单元25的一端25d与另一端25b之间形成的电感33b与变容二极管27b构成；谐振电路34c，由在单极天线单元25的一端25d与另一端25c之间形成的电感33c与变容二极管27c构成。单极天线单元25并不局限于只包括三个分支而构成E型。具有多个谐振电路对于实现宽频带天线设备很重要。
电感器33a，33b和33c最好逐渐变短(或变长)。由于包括了不同长度的电感器，天线设备可以有效地区分发射和接收频带，同时通过变容二极管27a，27b，27c可以方便地控制其谐振频率。
根据本实施例的天线设备包括三个谐振电路。加权电路32调整谐振电路34a使其具有图6所示的谐振特性35a。加权电路32调整谐振电路34b使其具有谐振特性35b。加权电路32调整谐振电路34c使其具有谐振特性35c。
加权电路30独立地控制每个谐振电路的输出。因此，如图6的特性曲线36a所示，合成输出特性36在通频带内变得接近平坦。同时，如图7的谐振特性36b所示，天线设备在通频带内可以具有不均匀的特性。即，通过加权电路32调整频率和通过调整加权电路30的输出电平，可以随意设置其在通频带内的特性。
例如，如果在通频带内的频率37存在噪声，通过去除谐振电路34c的谐振特性35c的一个输出，天线设备能够减小由于噪声引起的误差。这可通过加权电路32偏移谐振频率，或加权电路30降低输出电平进行控制。
(实施例5)
根据实施例5的天线设备，包括多个不同频带的谐振电路，如甚高频(VHF)频段的低(L)频段，VHF频段的高(H)频段，特高频(UHF)频段。
在图8中，天线设备包括工作于VHF频段的低(L)频段的单极天线单元40a，工作于VHF频段的H频段的单极天线单元40b，并且工作于特高频(UHF)频段的单极天线单元40c。
单极天线单元40a，40b，40c的末端41a，41b，41c分别与变容二极管42a，42b，42c的阴极串联。变容二极管42a，42b，42c的阳极，分别通过用于阻射频(RF)信号通直流的扼流电感43a，43b，43c，接地。变容二极管42a，42b，42c的阳极与扼流电感43a，43b，43c的接点，通过用于阻直流通RF信号的耦合电容44a，44b，44c，连接RF开关45的选择端。RF开关45的公共端与功率信号终端16相连。
单极天线单元的其他端40a，40b，40c与变容二极管42a，42b，42c的阴极的接点，通过用于阻射频(RF)信号通直流的扼流电感46a，46b，46c，连接开关47的选择端。开关47的公共端与调谐供电终端14相连。
RF开关45和开关47由电子电路构成，因此，能够被来自远方的电信号转换。利用来自频带转换信号输入端49的信号，RF开关45和开关47可以在VHF频段的L频段，VHF频段的H频段以及UHF频段之间转换。
根据本实施例的天线设备包括工作于不同频段的三个谐振电路，如，VHF频段的L频段，VHF频段的H频段和UHF频段，因此具有下述功能。
在VHF频段的L频段，开关45选择谐振电路48a的输出，且通过开关47向谐振电路48a的变容二极管42a提供一个调谐电压。这样，该天线设备呈现出图9所示的增益特性50a。
在VHF频段的H频段，开关45选择谐振电路48b的输出，且通过开关47向谐振电路48b的变容二极管42b提供一个调谐电压。这样，该天线设备呈现出图9所示的增益特性50b。
类似地，在UHF频段，开关45选择谐振电路48c的输出，且通过开关47向谐振电路48c的变容二极管42c提供一个调谐电压。这样，该天线设备呈现出图9所示的增益特性50c。
(实施例6)
在根据实施例6的天线设备中，通过反馈控制可以获得最佳的接收状态。
在图10中，调谐型单极天线单元55的一端55a连接变容二极管56的阴极。变容二极管56的阳极通过用于通直流阻射频(RF)信号的扼流电感器57接地。
变容二极管56的阳极，通过用于通RF信号阻直流的耦合电容58，与调谐电路59的一个输入端相连。调谐电路59选择并检测输入的RF信号，并通过输出端60发出检测输出。
用于选择调谐电路59出口信道的调谐电压61，基于调谐电路59的输出从AGC电路62发出的自动增益控制(AGC)电压63，以及基于调谐电路59的输出从S/N检测电路64发出的信号/噪声(S/N)信号电压65，被加权电路66加权。该加权电路的输出通过用于通直流阻RF信号的扼流电感67送至变容二极管56的阴极。
在根据本实施例具有反馈控制的天线设备中，除调谐电压61外，还施加AGC电压63到变容二极管56，这使得该设备的调谐电平点高于基于调谐电压61信道选择的调谐点。
另外，如果还存在一个低噪声电平点不同于基于调谐电压61信道选择的调谐点，若另外施加S/N信号电压65，则允许该设备调谐到这个点。因此，如果反馈信号加权后提供给调谐电压61，则允许该设备选择一个最佳调谐点。
即，如图11所示，通过输出端60的不是调谐电压61的增益特性68，而是经AGC电压63和S/N信号电压65补偿后的所希望的增益特性69，这样就能获得高增益和低噪声。即，通过反馈将调谐频率从频率4a变为频率4b，增益将从5b变为更高的5c级。
图12示出了连接一个RF设备用于接收数字信号的天线设备。位于调谐电路59和输出端60之间的数字解调器70的输出通过误差检测电路71送至加权电路72。除了误差检测电路的输出作为输入之外，加权电路72与图10所示的加权电路66完全相同。
这样，数字解调器70，错误检测电路71和反馈控制，使得天线设备能如图11所示被控制调谐在最小误差点。
(实施例7)
实施例7涉及的综合设备包括彼此靠近放置的天线设备和调谐器。
在图13中，天线设备76紧贴在调谐器75的顶部。天线设备76在具有高绝缘常数的陶瓷衬底上形成。在本实施例中，提供了两个天线单元78a，78b。
变容二极管74a，74b固定在天线单元78a，78b和线路73a，73b之间。将变容二极管74a，74b与天线单元78a，78b焊牢很重要。最好使用软熔焊接来焊接。这是因为软熔焊接的自校准功能可以固定每个二极管焊接位置。
在实施例4和实施例5解释的天线设备中也可以提供这种多天线单元78a，78b。
在绝缘常数高的陶瓷衬底77上形成的天线设备的尺寸可以减小。在本实施例中，该设备采用陶瓷衬底。但本设备并不局限于陶瓷衬底，可以采用其他松香衬底。
天线单元78a，78b的输出可以直接与用于调谐器75输入部分的半导体或类似设备耦合。如果没有平衡-非平衡转换器或类似设备，天线单元的耦合损耗可以降低。
图14是将包含的调谐器和天线设备合二为一的天线装置方框图。来自天线设备76的射频(RF)信号(RF输出信号)被送至调谐器75，而来自调谐器75的控制信号(调谐电压)被送至天线设备76。该装置包括输出端79用于接收调谐器75的输出。
(实施例8)
实施例8涉及的装置包括彼此分隔的天线设备和调谐器。
在图15中，天线设备80通过同轴电缆81与调谐器82相连。输出端83用于接收调谐器82的输出。
来自天线设备80的射频(RF)信号(RF输出信号)被送至调谐器82，而来自调谐器82的控制信号(调谐电压)被送至天线设备80。
由于天线设备80和调谐器82是分离的，因此，例如，天线设备80可安装在车外，而调谐器82置于车内。天线设备80若置于外部可充分显示其性能。另一方面，置于内部的调谐器工作稳定，不受外部温度变化的影响。
图16所示的装置包括，彼此分隔的天线设备和通信装置(射频设备的一个例子)。在图16中，通信装置86与天线设备85相连。天线设备85与通信装置86通过单极天线单元87相连。天线设备85的盒88内有由螺旋型天线(具有电感的小型天线的一个例子)89和变容二极管90构成的串联电路。
RF信号(RF输出信号)从盒88被送至通信装置86，而来自通信装置86的控制信号(调谐电压)被送至盒88。
(实施例9)
在根据实施例9的天线设备中，用于形成天线设备的谐振电路包括一个固定电容器和一个可变电感器用于获得调谐特性。即，作用于电感器的磁场改变该电感器的电感，从而改变谐振电路的谐振频率。这种通过改变电感来改变谐振电路的谐振频率的方法也可应用于根据实施例1到
实施例8的天线设备。
可对实施例1到实施例9中的技术作适当的合并和应用。

Claims (32)

1.一种天线设备，包括：
一个天线单元；
一个与所述天线单元紧密放置并与所述天线单元耦合的可变电容器；
一个用于为所述可变电容器提供调谐电压的调谐供电终端；
一个包括所述天线单元和所述可变电容器的谐振电路；以及
一个信号功率终端，至少能够向所述谐振电路发送信号功率，并且从所述谐振电路接收信号功率。
2.权利要求1的天线设备，其中所述谐振电路包括一个串联谐振电路，该串联谐振电路包括所述天线单元和可变电容器。
3.权利要求1的天线设备，其中所述谐振电路包括一个并联谐振电路，该并联谐振电路包括所述天线单元和所述可变电容器。
4.权利要求3的天线设备，
其中所述谐振电路包括一个具有中间抽头的电感器，
其中所述天线单元与所述中间抽头耦合，而且
其中所述中间抽头的阻抗基本上与所述天线单元的阻抗相等。
5.权利要求3的天线设备，其中所述谐振电路包括：
第一电感器；以及
通过互感与所述第一电感器耦合的第二电感器，所述第二电感器的一端与所述信号功率终端耦合。
6.权利要求1的天线设备，还包括：
一个电介质元件；以及
一个置于所述电介质元件上用于构成所述天线单元的天线图案。
7.一种天线设备包括：
一个天线单元；
与所述天线单元紧密放置并与所述天线单元耦合的多个可变电容器；
分别包括所述天线单元和所述可变电容器的多个谐振电路；以及
一个信号功率终端，至少能向所述谐振电路发送信号功率，并且从所述谐振电路接收信号功率。
8.权利要求7的天线设备，还包括用于为所述可变电容器提供调谐电压的第一加权电路。
9.权利要求7的天线设备，还包括第二加权电路，至少将发送给每个所述谐振电路的信号功率，以及从每个所述谐振电路接收到的信号功率加权。
10.权利要求7的天线设备，
其中所述天线单元包括多个分别用于构成所述谐振电路的部分，而且
其中所述部分的长度根据所述部分的放置顺序依次改变。
11.权利要求10的天线设备，还包括：
一个电介质元件；以及
置于所述电介质元件上的多个天线图案，分别用于构成所述天线单元的所述部分。
12.权利要求7的天线设备，还包括：
一个电介质元件；以及
一个置于所述电介质元件上的天线图案，用于构成所述天线单元。
13.一种天线设备，包括：
天线长度彼此不同的多个天线单元；
分别包括所述天线单元的多个谐振电路；
第一开关，至少能向所述谐振电路发送信号功率，并且从该谐振电路接收信号功率；以及
与所述第一开关耦合的一个信号功率终端。
14.权利要求13的天线设备，还包括：
分别包括在所述谐振电路中的多个可变电容器；以及
第二开关，用于转换所述可变电容器，为所述可变电容器提供调谐电压。
15.权利要求14的天线设备，其中所述第一开关和第二开关中至少一个是由电子电路构成。
16.权利要求15的天线设备，其中利用频带来切换信号转换所述第一开关和第二开关。
17.一种天线设备，包括：
一个天线单元；
一个与所述天线单元紧密放置并与该天线单元耦合的可变电容器；
一个用于为所述可变电容器提供调谐电压的调谐供电终端；
一个包括所述天线单元和所述可变电容器的谐振电路；以及
一个用于从所述谐振电路接收信号功率的信号功率终端。
18.权利要求17的天线设备，其中所述谐振电路的电感分量仅由线圈形成。
19.权利要求17的天线设备，
其中谐振电路的输出端与调谐电路耦合，
其中从所述调谐电路的输出端生成反馈信号，而且
其中根据该反馈信号改变所述可变电容器的电容。
20.权利要求19的天线设备，
其中AGC电路与所述调谐电路的输出端耦合，而且
根据所述AGC电路的输出改变提供给所述调谐供电终端的电压。
21.根据权利要求18的天线设备，
其中信号/噪声(S/N)检测电路与所述调谐电路的输出端耦合，而且
根据所述S/N检测电路的输出，改变提供给所述调谐供电终端的电压。
22.权利要求19的天线设备，
其中数字解调电路与所述调谐电路的输出端耦合，
其中误差检测电路与所述数字解调电路耦合，而且
其中根据所述误差检测电路的输出改变提供给所述调谐供电终端的电压。
23.权利要求19的天线设备，还包括一个加权电路，用于将反馈信号，自动增益控制(AGC)电路的输出和信号/噪声(S/N)检测电路的输出合成为一个信号，并将该合成信号提供给所述调谐供电终端，其中所述AGC电路和S/N检测电路与所述调谐电路的输出端耦合，
24.权利要求19的天线设备，还包括一个加权电路，用于将反馈电压，自动增益控制(AGC)电路的输出和误差检测电路的输出合成为一个信号，并将该合成信号提供给所述调谐供电终端，
其中所述AGC电路与所述调谐电路的输出耦合，而且
其中所述误差检测电路经数字解调电路与所述AGC电路的输出端耦合。
25.权利要求1的天线设备，其中所述谐振电路和与该谐振电路耦合的射频(RF)装置紧密放置。
26.权利要求25的天线设备，其中所述谐振电路的输出端直接与包括在所述RF装置内的调谐电路的半导体电路相连。
27.权利要求1的天线设备，其中所述谐振电路和与所述谐振电路耦合的射频(RF)装置分隔。
28.权利要求1的天线设备，还包括：
用于容纳所述可变电容器的天线盒，所述盒置于所述天线单元的前端；以及
置于所述盒内，具有电感的小型天线，
其中调谐电压和所述信号功率终端的信号功率在所述天线单元内通过。
29.一种天线设备，包括：
一个天线单元；
与所述天线单元紧密放置的多个可变电容器，所述可变电容器与所述天线单元耦合，所述可变电容独立接收调谐电压；以及
分别包括所述天线单元和所述可变电容器的多个谐振电路，
其中所述谐振电路的输出与调谐电路耦合，
其中根据所述调谐电路的输出生成一个反馈信号，而且
其中根据反馈信号改变所述每个可变电容器的电容。
30.权利要求29的天线设备，其中为所述谐振电路划分单个广播电波。
31.一种天线设备，包括：
天线长度彼此不同的多个天线单元；
分别与所述天线单元耦合的多个可变电容器；
分别包括所述天线单元和所述可变电容器的多个谐振电路；以及
用于从所述谐振电路选择信号功率的开关，
其中所述开关的输出端与调谐电路耦合，
其中根据所述调谐电路的输出生成一个反馈信号，而且
其中每个所述可变电容器的电容根据该反馈信号改变。
32.一种天线设备，包括：
一个具有可变电感的天线单元；
一个与所述天线单元紧密放置并与所述天线单元耦合的电容器；
一个包括所述天线单元和所述电容器的谐振电路；
一个调谐供电终端，用于提供调谐电压以改变所述天线单元的电感；以及
一个信号功率终端，至少能向所述谐振电路发送信号功率，并且从该谐振电路接收信号功率。
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