CN1455970A

CN1455970A - Pifa天线装置

Info

Publication number: CN1455970A
Application number: CN02800149A
Authority: CN
Inventors: K·R·博伊尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2003-11-12
Also published as: EP1356543A1; JP2004518364A; US6624788B2; GB0101667D0; US20020130816A1; WO2002060005A1; KR20020081490A

Abstract

一个天线装置包括具有连接到一第一点的馈电导体(106)的补片导体(102)和连接在一第二点和接地平面(108)之间的接地导体(108)。这样的一种装置的一个例子是普通的平面倒F天线。用这种天线的问题在于其阻抗呈感性，因此难于对它们馈电。按本发明，在补片导体(102)中第一和第二点之间有一个槽(702)，其使得天线阻抗的感性分量基本地减小。适当地放置该槽(702)于该补片导体(102)之上也获得阻抗变换。以性能上最小降低与已知的平面天线相比，上述天线具有减小了的体积。

Description

PIFA天线装置

本发明涉及一个天线装置，包括基本上平面补片导体，在第一点连接到该导体的馈电装置和在第二点连接到该导体的接地装置，以及涉及包括这种装置的无线电通信设备。

无线终端，例如移动电话手持机，一般包括一个外部天线，例如常规模式的螺旋或弯曲线天线，或一个内部天线，例如一个平面倒F天线(PIFA)或类似天线。

由于基本限制是小天线，窄带，因此这样的天线是小的(相对于波长)。然而蜂窝无线电通信系统一般具有10％或更大的相对的带宽，为了例如由PIFA获得这样大的带宽，则要求一个相当大的体积，在一个补片天线的带宽和其体积之间存在直接的关系，但是由于目前倾向于小的手持机，这样的一个体积并不容易可达到。此外，当补片的高度增加时，PIFA在谐振时将变成电抗性的，这就有必要改善带宽。

本发明的目的在于提供一种平面天线装置，要求比已知PIFA具有更小的体积和具有改善的阻抗特性，同时具有相似的性能。

按照本发明的第一方面，提供一种天线装置，其包括一个基本平面的补片导体，在第一点连接到补片导体的一个馈电导体，以及连接在该补片导体上的第二点和接地平面之间的接地导体，其中，补片导体包括在第一和第二点之间的一个槽。

槽的存在将影响天线装置的差分模式阻抗，因此通过增加由馈电和接地装置形成的短路电路传输线的长度能使得该装置的阻抗的感性分量明显减小。通过使在该补片导体上的槽适当不对称的配置能获得阻抗变换。这通常被用来增加或减小该装置的阻性阻抗，以便更好地对50Ω电路进行匹配。

与已知的补片天线相比，按本发明制作的一种天线装置在补片导体和接地平面之间能具有基本减小的间隔。这将使得体积明显减小，由此能改进对移动电话手持机或类似物的设计。

按本发明制作的天线装置还适于通过宽带电路进行馈电，例如通过一个分路LC谐振电路。

按本发明第二方面，提供了一种无线电通信设备，其包括按本发明制作的天线装置。

本发明乃是基于在现有技术中不存在的这样一种认识，即，在一个PIFA中馈电和接地引线间提供一个槽可基本上减小该天线的感性阻抗。

通过本发明使PIFA具有改善的性能和减小的体积。

现在将参照附图，借助于例子描述本发明的实施例，其中：

图1是安装在一个手持机上的一个PIFA的透视图；

图2是图1PIFA的以dB为单位的模拟反射损耗S₁₁对以MHz为单位的频率f的曲线；

图3是表示在频率范围1000到3000MHz上图1PIFA模拟阻抗的史密斯圆图；

图4表示由公共模式和差分模式电路组合形成的上部加载弯折单极PIFA的模式；

图5是图2PIFA的以dB为单位的反射损耗S₁₁对以MHz为单位的频率f的曲线，被模拟成公共模式(虚线)和差分模式(点线)电路的和(实线)；

图6是表示图2PIFA阻抗，被模拟成公共模式(虚线)和差分模式(点线)电路的和(实线)的史密斯圆图；

图7是安装在一个手持机上的开槽PIFA的透视图；

图8是图7开槽的PIFA的以dB为单位的模拟反射损耗S₁₁对以MHz为单位的频率f的曲线；

图9是表示在频率范围1000到3000MHz上图7的开槽PIFA的模拟阻抗的史密斯圆图；

图10是图7开槽PIFA的以dB为单位的反射损耗S₁₁对以MHz为单位的频率f的曲线、被模拟成公共模式(虚线)和差分模式(点线)电路的和(实线)。

图11是表示模拟成公共模式(虚线)和差分模式(点线)电路的和(实线)的图7的开槽PIFA的阻抗的史密斯圆图；

图12是安装在一个手持机上的高度减小的开槽PIFA的透视图；

图13是图12开槽PIFA的以dB为单位的模拟反射损耗S₁₁对以MHz为单位的频率f的曲线；

图14是表示在频率范围2000到2800MHz上图12的开槽的PIFA的模拟阻抗的史密斯圆图；

图15是适于蓝牙应用的开槽的PIFA的平面图；

图16是不备匹配网络时对图15开槽PIFA的以dB单位的模拟反射损耗S₁₁对以MHz为单位的频率f的曲线；

图17是表示在频率范围2000到2900MHz上，在无匹配网络条件下图15的开槽PIFA的模拟阻抗的史密斯圆图；

图18是在具有分路匹配网络条件下图15的开槽PIFA的以dB为单位的模拟反射损耗S₁₁对以MHz为单位的频率f的曲线；

图19是表示在频率范围2000到2900MHz上在具有分路匹配网络条件下图15开槽PIFA的模拟阻抗的史密斯圆图。

图中相同号数用来表示相应的特征。

图1表示安装在手持机上的PIFA的透视图。该PIFA包括平行支持到形成手持机部分的接地平面104的矩形补片导体102，天线通过馈电接线106馈电，并通过短路接线108连接到地平面104。

在一个PIFA的典型示例性实施例中，补片导体102的尺度为20×10mm，并设置在高于40×100×1mm的接地平面104之上8mm处。馈电接线106设置在补片导体102和接地平面104的两者的角处，而短路接线108间离馈电接线3mm。使用从Ansoft公司可得到的高频结构模拟器(HFSS)模拟该实施例(未匹配)的反射损耗S₁₁，对于在1000和3000MHz之间的频率f其结果表示在图2中。图3中表示在相同频率范围上说明该实施例的模拟阻抗的史密斯圆图。

可清楚地看到在谐振时响应是呈感性的。为此，可以将PIFA模拟成一个很小的密集的上部加载的弯折单极天线就能清楚其原因。该模式在图4的左手边加以说明，以补片导体102形成平行于接地平面104的上部加载，由提供电压V的一个电压源402馈电的馈电接线106形成弯折单极天线的一个臂，而短路接线108形成该弯折单极天线的另一个臂。

当馈电和短路接线106，108彼此是在波长的几分之一的时候，如图4所示，该天线可分解成公共模式(辐射)和差分模式(非辐射)部分。对于公共模式部分，馈电接线106和短路接线108两者都由提供V/2电压的一个电压源404馈电，由此在接线106，108中产生相应的电流I_c1和I_c2。该差分模式部分是类似的，只是馈送短路接线108的电压源404提供一V/2的电压，因此在接线106，108每个中标称地产生相等但方向相反的电流I_d。

近似地给出公共模式的阻抗为

Z_c＝Z_m+Z_h这里Z_m和Z_h分别是在完全导电接地平面上的单极天线和手持机的阻抗。该单极天线包括两个紧耦合的导体(馈电和短路接线106，108)，因此具有增加的直径(和更宽的带宽)。阻抗Z_c与电压和电流相关

Z_{c} = \frac{V / 2}{I_{c 1} + I_{c 2}}

如果接线106，108直径相等，则电流I_c1和I_c2将相等并可由I_c表示

I_{c} = \frac{V}{4 Z_{c}}

因此，该电流接近施加到相同长度的单极天线的电流的1/4。

给出差分模式阻抗Z_d为

Z_d＝jZ₀tan(βx)

这是一段短路电路传输线的已知的阻抗。差分模式电流为

I_{d} = \frac{V}{Z_{d}} = \frac{V}{j Z_{0} \tan (βx)}

总的输入电流I为I_c和I_d的和

I = \frac{V}{4 Z_{c}} + \frac{V}{j Z_{0} \tan (βx)}

因此，该结构的有效阻抗是4Z_c并同Z_d并联。在(辐射)公共模式下通过弯折作用，单极天线和手持机的阻抗被变换到一个更高的值，这就允许一个短的单极天线的低阻被变换到50Ω，但伴随着容性电抗的增加。之后该电抗能被差分模式阻抗效应所解谐，小于1/4波长的短路电路短截线的长度是呈感性的。

如图4所示，接线106，108的直径相等。但是，使用直径不同的接线(或者对于具有非圆形截面的接线使用不同的截面面积)将是有利的，因为这可以提供一种阻抗变换。例如，如果馈电接线106的截面积减小而短路接线108的截面积增加，则I_c1减小而I_c2增加。因此，对于相同的总电流，施加到馈电接线106的电流减小，而由此增加天线的阻抗。通过改变接线106，108的截面面积的比率可以获得阻抗的范围。通过用多个相同尺寸的导体取代接线106，108之一或两者，以及每个接线106，108由不同数量的导体取代，或该两种方法的某种组合也都能获得类似的效果。

按公共和差分模式驱动馈电和短路接线106，108(直径相等)进行模拟。图5表示对于频率f在1000和3000MHz的模拟的反射损耗S₁₁，而图6是一个史密斯圆图，表示在相同频率上的模拟的阻抗。在两图中，实线表示和模拟结果，而对于公共和差异模式的结果分别由虚线和点线表示，差分模式响应已被切去，因为在谐振时它显示出负阻，其是在标准史密斯圆图的边界之外。据图2和3相比较，两个模式的和给出非常类似于初始模拟的结果，这是清楚的，由此说明该方法的有效性。

从图6还清楚地了解到感性响应是由在馈电接线106和短路接线108之间形成的短路传输线的分路电感引起的。该电感能通过提供更长的传输线加以消除。图7是安装在手持机上的PIFA的透视图，它已按图1进行了修改，方法是加入一条槽702到补片导体102中，由此增加了该传输线的长度。通过对中地设置该槽于补片导体102中将保持由弯折单极配置提供的四倍的阻抗变换。

进行了图7中所示的PIFA的性能的模拟，图8中表示反射损耗S₁₁的结果，而图9中表示史密斯圆图。如在先那样，模拟也是通过公共和差分模式分析进行的，图10表示反射损耗S₁₁的结果，而图11表示史密斯圆图(如在图6中那样切去差分模式的结果)。再者，将明白公共和差分模式分析是适合的。从史密斯圆图还清楚的了解到差分模式的分路电抗效应通过引入槽702而大为减弱。将能看到槽较长可能是最佳的，这可以通过弯折在该补片导体102上的槽达到。

图8和9(或10和11)中所示的S₁₁响应的形状明显适合于宽带，使用与天线输入端并联连接的普通并联LC谐振电路。然后也使用与该输入端串联连接的串联LC电路。另外，槽702的长度可设置为1/4波长，由此能使差分模式传输线用于宽带目的。这种配置的另外的优点在于一般1/4波长传输线将提供一个高的阻抗，而因此将比已知PIFA(低阻抗)的短的两段接线传输线携带更小的电流，从而改善了天线的效率。

根据该公共模式分析和谐振时电阻过高的事实清楚地了解到天线可能制作得更小的轮廓。图12是安装在一个手持机上的开槽的PIFA的透视图，它已经根据图7通过将补片导体102和接地平面104的间距从8mm减小到2mm进行了修改。槽702也向补片导体的边缘靠近，由此提供了一种明显增加的公共模式阻抗变换。

进行了图12中所示的PIFA的性能的模拟，图13中表示反射损耗S₁₁的结果，而图14中表示史密斯圆图。这些模拟说明尽管天线体积减小，宽的带宽是保持的。清楚地了解可能进一步减小导体的间距(而因此减小天线的体积)。

图15是适用于一个蓝牙实施例的另一种开槽的PIFA装置的平面图。补片导体102的尺寸为11.25×7.5mm，通过0.5mm宽的平面馈电导体106馈电和由0.5mm宽的平面接地导体108接地。第一槽1502定位在馈电和接地导体106，108之间，宽度0.375mm和长度近似25mm(即1/4波长)。如上述实施例，该槽起增加导体106，108之间的传输线的长度的作用。槽1502不对称地定位在补片102中，离该补片边缘正好是0.25mm，因此提供了明显的阻抗变换。第二槽1504也提供在该补片导体102中，该槽仅起增加该补片102的有效长度的作用。

进行模拟的目的是预测PIFA的性能，该PIFA是表示在图15中高于接地导体左上角1mm安装的，该接地导体的尺寸为100×40×1mm(和上述实施例一样)。图16中表示反射损耗S₁₁结果，而在图17中表示史密斯圆图。这些模拟结果表示可获得合理的带宽，史密斯圆图证实展宽频带的某些潜力。

用附加一个分路匹配网络进行该PIFA的进一步的模拟，该匹配网络包括并联的0.25nH电感和16pF的电容。图18中表示反射损耗S₁₁的结果，而图19表示史密斯圆图。清楚地了解到匹配明显地改善了天线的匹配和带宽两者，以及通过附加一个串联谐振电路将存在进一步改善的潜力。

图15的PIFA的结果特别给人深刻印象的是考虑了它的体积，其明显地小于现有技术中性能等同的天线。尺寸足够地小以便有可能与蓝牙模件集成，从而提供在小型化方面的明显的优点。

根据阅读本发明的公开，其他的修改对本专业技术人员将是显见的。这样的修改包括在设计，制造和使用天线装置和其元件部分中已知的其他特征，以及可用来替代或附加在此已加以描述的其他特征。虽然在本申请中已对特征的特定的组合表达权利要求，但应理解本发明公开的范围还包括在此或显含或隐含公开的特征的任何新特征或任何新组合，或其任何的概括，而不管它是否与和目前在任何权利要求中所要求的权利相同的发明相关以及它是否调节和本发明要做的任一的或全部相同的技术问题。本申请人由此提醒在执行本发明申请或任何由此导出的另一申请期间，对这样的特征和/或特征的组合可表达新的权利要求。

在本发明说明书和权利要求中，在一个元件前的字“一”或“一个”并不排除多个这种元件的存在，此外，字“包括”并不排除在此例举的那些以外的其他元件或步骤的存在。

Claims

1.一天线装置包括一基本上平面的补片导体，一个在第一点连接到补片导体的馈电导体以及连接在补片导体上的第二点和接地平面之间的接地导体，其中该补片导体包括在第一和第二点之间的一个槽。

2.如权利要求1的装置，其特征在于接地平面间离补片导体，并且与补片导体相互广延。

3.如权利要求1或2的装置，其特征在于该槽非对称地放置在补片导体中，由此提供一个阻抗变换。

4.如权利要求1-3之任一个的装置，其特征在于该槽具有基本上为该装置谐振频率上1/4波长的长度。

5.如权利要求1-4之任一个的装置，其特征在于宽带装置耦合到馈电导体。

6.如权利要求5的装置，其特征在于宽带装置包括连接在馈电导体和接地之间的并联谐振电路。

7.如权利要求6的装置，其特征在于宽带装置还包括与馈电导体串联连接的谐振电路。

8.一个无线电通信设备，包括一个如权利要求1-7中之任一个天线装置。