CN1375890A - 用于移动装置的带宽加宽天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线电通信设备的天线,它包括一个导电贴片,具有两个曲折的槽、一个地、一个使贴片与地相连的短路连接、一个与贴片相连的馈线连接。该天线有一个辐射图,包括一个第一谐振带,含有从1950MHz到2100MHz的频率和大于20%的宽度。该天线可以工作在覆盖UMTS、PCD、DCS可能还有GSM频带的频率范围中。这种类型的天线可用于使用不同频带,例如各个国家使用的不同的频带,的许多种设备。还公开了配备该天线的无线电通信设备。

Description

用于移动装置的带宽加宽天线

相关申请的交叉引用

本申请基于2001年3月15日申请的法国专利申请号01 03 529，并依据35U.S.C§119要求其优先权，该申请全部公开内容引用于此，以供参考。

技术领域

本发明涉及贴片天线。贴片天线通常用于包括射频和微波频率的一部分频谱中，特别是用于GSM、DCS、PCS和UMTS频带。

背景技术

多数天线具有一个谐振频带。为了进行发射，当通过馈线在该谐振频带中激励天线时，它们支持随后要与辐射到空间中的电磁波耦合的电磁驻波。为了进行接收，波采取相同的形式，但在相反方向上在上方通道中传播。上述各种天线的类型在本领域中已知。

在平面上使用微带作为天线来传输信号在本领域是已知的。导电贴片被放置在绝缘衬底的上表面，一个导电层被放置在该衬底的下表面。然后，导电层起到电接地平面的作用。衬底通常是平的，矩形的，且厚度为一常数。

多频带天线在文档FR-A-2 772 518中有描述。它包括一个放置在绝缘衬底上表面的平的贴片。接地层放置在绝缘衬底的下表面。这个天线是一个四分之一波天线，因为放置在绝缘衬底边缘的短路导体使贴片与接地层相连。这个天线包括用于在天线和信号处理器间传输信号的连接导体。

由Ollikainen、Kivekas、Toropainen和Vainikainen在Davos AP2000会议上演讲的论文公开了包括放置在Styrofoam(注册商标)衬底的上表面上的三个贴片的多频带天线。接地层放置在该绝缘衬底的下表面。用于低频带的第一贴片与用于高频带的第二贴片联接。因此，这两个贴片形成了具有锯齿形状并包括馈线的第一两频带成分。这个两频带成分包括以与接地层接合为形式的短路。第三贴片放置在第二贴片的旁边，以在高频带中获得双谐振，并具有加宽了的通带。第三贴片包括以与接地层接合为形式的短路。

在2000年10月5日出版的“Microwave and Optical TechnologyLetters”Volume 27 No.1的第58页上文档“Novel meandered planarinverted F-antenna for triple frequency operation”中描述了一个多频带天线，它有以“弯曲”模式放置在与地平面相同的平面中的三个贴片。这三个贴片具有单个馈线。

文档US-A-4 766 440描述了一种天线，它具有两个半波谐振。该天线包括一个矩形贴片，其中分别在该贴片的宽度和长度方向上建立了谐振贴片。在贴片上形成了一个U形槽，但该槽不到达贴片的边缘。贴片与一个包括阻抗转换器装置的耦合系统相连。阻抗转换使耦合系统与所使用的各种谐振频率相匹配。

文档US-A-4 771 291描述了一种包括贴片的天线。该贴片包括本地短路以及在贴片上形成的不到达贴片边缘的直槽。

在提出本申请时尚未公开的PCT申请FR001586描述了一种天线，它包括带有地的导电贴片、馈线连接、使贴片与地相连的短路连接以及在导电贴片上形成的曲折槽。

Boarg等在IEEE Antennas and Propagation Society InternationalSymposium Digest，Newport Beach，1995年6月18-23日第2124-2127页的文献“Dual Band Cavity-Backed Quarter-wave Patch Antenna”描述了一种具有四分之一波谐振的天线。第一谐振由贴片和衬底的尺寸和特征来定义。第二谐振使用匹配系统获得。

上述天线都有不足之处。一方面，它们需要使用较大的平的贴片，这与移动通信设备机壳的小尺寸不符。另一方面，它们需要装配容性负载以加宽通带，从而增加了天线的成本和复杂性。此外，它们的带宽比较小，在专用于UMTS的频带中尤为如此。

上述天线还很昂贵且发送或接收效率低。而且，对于这些天线而言，调整谐振频率和所述频率的带宽也并非易事。

因此需要一种解决上述问题的天线。

发明内容

因此，本发明提供了一种天线，它包括一个导电贴片，其中含有两个曲折槽、地、使贴片与地连接的短路连接以及与该贴片连接的一个馈线连接，并且具有一个包括主谐振频带的辐射图，其中包括从1950MHz到2100MHz的频率和大于20％的宽度。

在一种变形中，该辐射图包括一个辅助谐振频带，含有从890MHz到950MHz频率和大于10％的宽度。

在另一种变形中，该贴片具有实际的多边形形状。

在又一种变形中，各槽开口于贴片的同一边缘。

在再一种变形中，短路连接通过槽向其开口的边缘或相邻边与贴片连接。

在一种变形中，馈线连接通过槽向其开口的边缘或相邻边与贴片连接。

在另一种变形中，馈线连接和短路连接分别位于其中至少一个槽的两侧。

在又一种变形中，各槽具有不同长度的轮廓线。

本发明还提供了一种天线，其中各槽轮廓线长度的差值在5％到30％间。

在一种变形中，地是与贴片平面平行的导电平面。

在另一种变形中，各槽之间的距离在5mm到15mm间。

在又一种变形中，贴片由金属膜制成。

在再一种变形中，各槽具有大致相同的形状和相同的方向性。

本发明还提供了一个无线通信设备，包括一个根据本发明的天线，其厚度小于20mm，长度小于120mm，宽度小于50mm。

通过阅读本发明的实施例的下列说明，本发明的其他特征和优点将变得明了，说明是通过举例参照附图给出的。

附图说明

图1是根据本发明的天线的第一实施例。

图2是变形天线的平面图。

图3是短路和馈线连接的可能部署的平面图。

图4是槽模式的图形表示。

图5是优选槽模式的图形表示。

图6是天线的一个实例的详细平面图。

图7是图6天线的侧视图。

图8是图6和7中天线的反射频谱的图表。

具体实施方式

本发明提出了一种天线，其中两个曲折槽与导电贴片耦合。该天线具有带有宽度大于20％的谐振带的辐射图。谐振带通常覆盖了几个传输频带，例如DCS、PCS和UMTS频带。

当在发送，即将电流转换到电磁场中，之后描述该天线。本领域技术人员明显可知，在接收，即将电磁场转换到电流时，天线具有类似操作。

在下述描述中，为了确定谐振带的百分比宽度，在天线的测量的反射系数的曲线上确定-6dB点处的切断频率。谐振频率的范围是通过从上切断频率中减去下切断频率确定的。随后即可确定作为两个切断频率间的中值频率的谐振带中心频率。谐振频带的百分比宽度是谐振频率范围与频带中心频率的比值乘100。

图1是根据本发明的天线的一个实施例的视图。天线1包括一个导电贴片2，在其上形成了第一个槽3和第二个槽4。导电贴片具有一个馈线连接5和一个与地7相连的短路连接6。衬底8放置在贴片和地7之间。馈线连接5与以电流形式输出信号的信号发生器和处理器9相连。

贴片最好是实际的多边形。所示的贴片为矩形，但当然本发明不局限于此。

天线的这个实施例具有下文被称为“辅助”频带的谐振频带。它还具有称为“主”频带的谐振频带，将在稍后详细介绍。辅助谐振频带是通过耦合槽3和4得到的。槽3和4开口在贴片的同一边缘25上。如图2所示，这两个槽在该贴片上限定了一个中央部分10、一个第一末端或尾部11和一个第二末端或尾部12。这三个部分通过贴片的边缘26连接。贴片2由馈线连接5进行馈给。馈线连接5在槽3和4向其开口的边缘25上位于第一末端11处。短路连接6在边缘25上位于第二末端12处。为贴片进行馈送会生成第一电流，从馈线连接5开始，绕过槽3并通过中央部分10返回到边缘25。在通过中央部分10时，电流产生电磁耦合效应，这会激励槽4。随后，产生第二电流。这个第二电流从短路连接6开始，绕过槽4并通过中央部分10返回到边缘25。因此，第一和第二电流在中央部分10处相加在一起。

电流在图2虚线所示的区域21、22、23中产生强烈的电磁辐射。该辐射具有两个谐振频率，由各槽3和4的尺寸定义。与各槽的谐振对应的电磁场的波长由槽的轮廓线长度定义。由于贴片2和地7间的短路连接6加了一个电场节点，所以谐振是四分之一波谐振。因此，电通路的长度为λ/4量级，其中λ是在空气或真空中的波长。因为导电贴片通过短路连接6短路，因此天线的尺寸可以针对给定的谐振频率而减小。短路连接6最好具有足够低的阻抗以加入这个电场节点。

因此，辅助频带是由分别由第一和第二个槽生成的两个强烈耦合的谐振形成的。谐振频率不重叠并且彼此足够近，能生成一个加宽的谐振频带。为此，各槽最好具有略微不同的轮廓线。轮廓线长度之差最好在5％到30％间。这样谐振频率是分离的，以便它们不会重叠并且彼此间近到能够加宽谐振频带。贴片和槽的轮廓线的适当尺寸会产生一个辅助频带，包括GSM频带和/或E-GSM频带，具体的说，是从890MHz到950MHz的频率。以这种方式形成的频带具有大于10％的宽度。而且，这个频带的效率大于70％。

电流传播的速度接近光速。因此，电流大约就像是贴片由馈线连接5和短路连接6来馈给。电流通路与在具有两个彼此绝缘但相当靠近的贴片且每个贴片都有一个槽和一个馈线连接的结构中的通路相似。

主谐振频带还使用槽3和4的耦合。电流产生并经过馈线连接的第一末端11到达边缘26。这个电流生成通过中央部分从边缘25流到边缘26的感应电流。这后一个电流还生成一个通过第二末端从短路连接到达边缘26的感应电流。

各电流在边缘26汇合并在图2中虚线所示的区域24中产生强烈的电磁辐射。因此，该电磁辐射包括主要由贴片尺寸定义的至少两个谐振频率。贴片的长度确定发生谐振的波长。由于贴片2和地7之间的短路连接6，这些谐振是四分之一波谐振。因此，电通路的长度在λ/4量级。

于是，主频带由至少两个耦合的谐振形成，这两个谐振还受到槽的轮廓线的几何形状和长度的影响。这个频带中的谐振频率比辅助频带中的高，因为电流的通路较短。谐振频率不重叠并且彼此足够近，能生成一个加宽的谐振频带，为此，各槽同样最好具有长度略微不同的轮廓线。贴片和槽的轮廓线的适当尺寸会产生一个主频带，包括UMTS频带和PCS频带，具体的说，是从1950MHz到2100MHz的频率。以这种方式形成的频带具有大于20％的宽度。而且，这个频带的效率大于70％。

短路连接6和馈线连接5最好放置在导电贴片的同一边缘上。这可改善谐振模式的耦合。于是便可获得加宽的带宽。一般来说，馈线连接和短路连接最好放置在边缘25或相邻的边上，如图3所示。这样，短路连接最好放置在区域27中。馈线连接最好放置在区域28中。槽的轮廓线的方向当然可以与所示的相反，而短路连接和馈线连接的位置类似。

可通过修改馈线连接与短路连接的相对位置来修改谐振频率和匹配。为此，连接5和6放置在适当选择的位置上。为提高增益和便于制造天线，还最好将馈线连接和/或短路连接放置在贴片的各边上。例如，通过将馈线连接放置在贴片的边缘上，便可改善匹配。这可实现更好的天线空隙(lacuna)，于是获得降低的反射系数，对于主谐振频带尤为如此。

馈线连接和短路连接最好放在其中一个槽的两侧，即在馈线连接和短路连接间画的线会跨过槽。

在一种变形中，槽的谐振频率可以耦合以增加辐射的电磁场的幅度。为此目的，使用具轮廓线非常相似的槽。

槽最好是曲折的，不使用直线段形状，以便增加其轮廓的长度。曲折轮廓会使电流通路变形。图4显示了适当的曲折槽形状。槽的形状例如可以接近V、U、圆弧或不完全闭合的矩形。因此，对于给定的槽轮廓长度，槽可以用于在导电贴片中占用较少的空间。于是，可以减小天线的尺寸。各槽的轮廓最好具有相似的形状。

最好使用由直线段构成的曲折槽。这由于轮廓线简单而便于制造。还会便于天线频率的调整。

图5显示了大大减小贴片和天线的尺寸的曲折槽的一种特定形式。该槽由直线段构成形成一个螺旋状。这与具有V形槽的天线相比，使天线尺寸减小大约20％。

槽的轮廓线的相对方向性改变天线的特性。因此，如果各槽的轮廓线方向性相同，如图1-3所示，增加了耦合频带的宽度。轮廓线方向性相同增加了中央部分10中的电流，该电流会更高并在槽4周围产生增加的感应电流。这增加了辐射的幅度并加宽了通带。如果槽的轮廓线具有相反的方向性，辐射则有更好的对称性，但会损害通带和辐射幅度。

改变两个槽间的距离会改变它们之间的耦合。因此，增加两个槽间的距离会减小耦合但增加通带的宽度。两个槽间的距离，即各槽上距离最近的两个点间的距离，最好大于5mm。在主谐振频带的情况下，加宽谐振频带尤为敏感。如果槽之间的距离加大到大于15mm，谐振频率分离并且不耦合，不再形成谐振频带。

有可能以金属板的形式制作地7。在这种情况下，最好使用与导电贴片2平行的由平面金属导电表面构成的地7。这类的地限制了由设备的用户截取的辐射功率。在图1所示的实施例中，地7和导电贴片2由衬底8隔开。

衬底8的厚度最好是常数。最好选择可以调谐频率和加宽通带的衬底厚度。增加衬底厚度会加宽谐振频带。衬底8的厚度受到无线通信设备的尺寸的限制。为使用接地返回舌状物，例如，最好衬底8与导电贴片2的某个边平齐使用或相对于该边缘往里收进。这简化了天线的装配。为了改善增益，还需要用相对介电常数接近于空气(最好小于2)的材料制作这种衬底。最好选择具有很低的耗散因数，具体说，耗散因数小于10^-3的材料。这样便有可能用聚甲基丙烯醛基亚胺泡沫或基于氟代聚合物(如PTFE)的绝缘板制作衬底8。这类的泡沫还能提供好的机械强度。

馈线连接5通过连接线14与发射机或与信号处理器9相连。这个连接可以例如由同轴电缆实现。在这种情况下，同轴电缆的内部导体可用于使贴片与处理器相连，例如。在这种情况下，同轴电缆的外部导体使地7与处理器相连。为避免馈线连接与发射机间不想要的信号反射，最好在整个连接线路上有统一的阻抗。为此，使馈线连接5作为从贴片开始延伸出去构成连接线的舌状物是有用的。馈线连接可以是在导电贴片中形成的舌状物。

最好使用能在接近天线的可用谐振频率的一个预定的工作频率，例如，以谐振频率为中心的通带中的工作频率，上工作的处理器。可以使用复合处理器，它可包括多个处理器单元，每个处理器单元都永久调谐到工作频率。同样还可能使用一个包括可以调谐到各个工作频率的处理器单元的处理器。

而且，为获得最优增益，即，由天线辐射的信号功率和发射机的输出信号功率间的最优比值，最好天线的输入阻抗与发射机和信号处理器9的输出阻抗相等。输入阻抗最好是50欧姆，以使损失最小。

连接6最好由从衬底8的边缘伸出的导电舌状物构成。在这种情况下，同样可能制成以从导电贴片伸出的舌状物为形式的短路连接。

而且，导电贴片还可以在贴片的短路部分处包括一个舌状物。为此，舌状物从短路部分的边缘凸出并最好与导电贴片平齐。弯曲舌状物会改变天线的谐振频率。该舌状物还加宽了天线的谐振通带。舌状物可以是10mm长，6mm宽。舌状物最好在贴片的其中一个末端或尾部上。

图6和7显示了根据本发明的天线。天线具有如下的尺寸：

a＝35mm    b＝42mm    c＝10mm    d＝3mm

e＝3.5mm   f＝3.6mm   g＝5.4mm   h＝7mm

i＝23.2mm  j＝3mm     k＝8.6mm   l＝10.6mm

m＝26.5mm  n＝3mm     o＝6mm。

贴片为100μm厚，由铜制成。

馈线连接是一个1mm宽的舌状物。短路连接是3mm宽的舌状物。槽为1mm宽。衬底是在其三个表面上有1mm的锥度的聚甲基丙烯醛基亚胺泡沫。地是44mm×110mm的PCB。

图8显示了为图6和7所示天线测量的输入反射频谱。在给定频率上天线的低发射对应于天线的谐振。两个频率互补以形成从1020MHz到1260MHz的加宽了的辅助谐振频带B1。中心频率是1145MHz。因此对于这个频带，带宽是21％。谐振频率还互补以形成从2005MHz到2740MHz的加宽了的主谐振频带B2。中心频率是2350MHz。这个频带的宽度是大约30％。使用前述的天线的适当调整，频带很容易适应于覆盖GSM、DCS、PCD和UMTS。将天线放置在移动电话的机壳中通常会降低谐振频带的中心频率，但百分比带宽维持恒定。因此，频带只是有所偏移。电池、听筒、麦克风、电子部件和支持卡的存在也会改变谐振频带的中心频率。这样，将这个天线放置在标准电话的机壳中会产生频带B1和B2，分别包括E-GSM和DCS-PCS-UMTS频带。E-GSM频带的宽度为8.7％。从DCS到UMTS的频带的宽度为25％。因此，该天线的特性足够覆盖这些频带。

本发明还涉及包括前述天线的无线电通信设备。该天线可以放在该设备的保护性机壳中。

本发明还涉及一种天线制造方法，它包括在一个金属膜上切出两个曲折槽的步骤。

该方法的一种变形包括切出一个短路舌状物的步骤。该方法的另一个变形包括切出一个馈线连接的步骤。该方法的又一个变形包括在金属膜的宽度方向的一部分上切出一个电连接的步骤。

当然，本发明不局限于描述的示例和实施例，本领域技术人员可以对其进行诸多变形。

因此，尽管一直在描述一个平面导电贴片，但同样可能使用一个曲线的导电贴片，例如，为了符合移动电话机壳的形状。可以使用形状不同于所显示的矩形的导电贴片，如圆盘形的贴片。如有必要，还可能使馈线和短路舌状物曲折。

Claims (19)

1.一种包括一个导电贴片的天线，该贴片包括两个曲折的槽、一个地、一个使所述贴片与所述地相连的短路连接、一个与所述贴片相连的馈线连接，该天线有一个辐射图，包括一个主谐振带，含有从1950MHz到2100MHz的频率和大于20％的宽度。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于辐射图包括一个辅助谐振带，含有从890MHz到950MHz到频率和大于10％的宽度。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于贴片具有实际的多边形形状。

4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于贴片具有实际的多边形形状。

5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于各槽开口于贴片的同一边。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于短路连接通过槽向其开口的边或相邻的边与贴片连接。

7.根据权利要求5所述的天线，其特征在于馈线连接通过槽向其开口的边或相邻的边与贴片连接。

8.根据权利要求6所述的天线，其特征在于馈线连接通过槽向其开口的边或相邻的边与贴片连接。

9.根据权利要求6所述的天线，其特征在于馈线连接和短路连接分别位于至少其中一个槽的两侧。

10.根据权利要求7所述的天线，其特征在于馈线连接和短路连接分别位于至少其中一个槽的两侧。

11.根据权利要求8所述的天线，其特征在于馈线连接和短路连接分别位于至少其中一个槽的两侧。

12.根据任何前述权利要求的天线，其特征在于各槽具有不同长度的轮廓线。

13.根据权利要求12所述的天线，其特征在于各槽轮廓线长度的差值在5％到30％间。

14.根据任何前述权利要求的天线，其特征在于地是与贴片平面平行的导电平面。

15.根据任何前述权利要求的天线，其特征在于各槽之间的距离在5mm到15mm间。

16.根据任何前述权利要求的天线，其特征在于贴片由金属膜制成。

17.根据任何前述权利要求的天线，其特征在于各槽具有大致相同的形状和相同的方向性。

18.根据权利要求1到12种任一所述的天线，其特征在于各槽具有大致相同的形状和相反的方向性。

19.包括根据前述任一权利要求的天线的无线通信设备，其特征在于其厚度小于20mm，长度小于120mm，宽度小于50mm。

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