CN1484876A

CN1484876A - 一种天线装置

Info

Publication number: CN1484876A
Application number: CNA018216536A
Authority: CN
Inventors: O; O·埃瓦松
Original assignee: AMC Centurion AB
Current assignee: Laird Technologies AB
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2004-03-24
Also published as: EP1346437A1; US20040087341A1; KR20030066779A; SE0004911L; SE0004911D0; SE519727C2; WO2002054534A1; US6903688B2

Abstract

一种天线装置，适合用于至少双频带，其中所述频带中较高频带的平均波长为λ。这种天线装置具有簧片(10)状天线元件，安装在具有小于λ²的投影面积的导电支撑结构上。簧片包括可连接于馈电装置(32)的馈电部分(12)，至少一个阻抗连接在簧片与导电支撑结构之间。此外，为了提高辐射电导率，簧片在至少双频带范围内发送和/或接收信号波的相位差小于120°。由此提出一种具有较宽上限频带的多频带天线装置。

Description

一种天线装置

发明领域

本发明总体上涉及天线装置，更确切地，涉及一种内部多频带天线装置，可用于便携式无线电通信装置，如移动电话。

背景技术

平面天线已经在移动通信领域中得到广泛使用，传统型天线基本上是片状天线，具有方形导电表面，侧边长度为λ/2，此处λ代表波长，参见图1。此导电表面布置成与接地平面间隔开，接地平面的形状具有很大的导电表面，空气在片状天线与接地平面之间流通。

许多从基本片状天线转化来的改型天线已投入实际使用。在一类天线中，其保留了基本的λ/2尺寸，但通过采用不同形状的狭缝改进了带宽，这样促进了生产，这种天线已用于多频带用途或不同的极化用途，等等。

现行技术的另一类天线改型产品，具有比λ/小得多的尺寸，而且这种天线进行的改进都集中在改进通常较差的带宽以及多频带性能。这类天线称为小片天线(Small Patch Antennas)或简称为SPAs，在本文中SPAs作为这类天线的通用名词，事实证明，所有的小片天线都存在许多重大间题和共同的技术方案。

小片天线同大多数片状天线一样，具有谐振结构，在谐振结构中采用了各种不同方式把根据尺寸可能产生的频率调低。当将馈路电流限制于一个方向时，可以将方形片加工的窄些，如图2所示，其长度也可以通过在小片中间进行接地(或接地电位)和切去一半而减小50％，如图3所示。这些改变将使表面积大大小于原始的λ/2乘λ/2，比如形成λ/4乘λ/10的舌状片，见图3，但是，这种90％面积的缩减是以牺牲带宽性能为代价的。当考虑到用户对体积小和重量轻电话的需求，即使是λ/4长度，其相当于800至1000兆赫范围内通用电话频带下大约80毫米长度，用作移动电话长度也大了几倍。

在″小片天线″类中的一种通用天线元件是PIFA元件，意为平面倒置F形天线(Planar Inverted F-Antenna)，F形天线是在无线电业余爱好者中使用的通用短波天线类型。当今电话的大多数内置天线是这种类型天线或某种″改进的PIFA型″。″基本型PIFA″是λ/4的长条，其一端连接于片条下面的接地平面，另一端为开口端。输入连接件布置在开口端和接地端之间的位置，以得到希望的输入阻抗，通常将阻抗选为50欧姆。谐振结构共有的性能是可以通过适当的馈电点自由选择输入阻抗。在觉得λ/4太长的一些场合，可以将PIFA的长度弄短。图4所示是基本PIFA结构。只缩减尺寸会相应地增加谐振频率，但谐振频率可以用多种方法调低以获得想要的谐振频率。三种典型的调低频率的方法是，1)通过使用较高介电常数的绝缘体，2)通过将电容负荷到开口端，3)通过沿PIFA片引入电感，例如，可通过使条状成为曲折状。当下面PIFA概念涉及这类调整方法时，假定可使典型长度低于λ/4。

元件尺寸的缩小在各种情况下都意味着较小的带度，总的趋向是，带宽与效率的乘积(Δf/f)η应正比于以波长三次幂表示的天线元件体积。这与以式子(Δf/f)η＜13v/λ³表示的经典惠勒斯(Wheelers)天线尺寸极限具有相似性，其中惠勒斯极限应用于整个辐射结构，V是围绕此结构的最小球体的体积。

基本型PIFA元件具有典型的导纳结构(即并联谐振电路)，当在开口端进行测量并将输入连接件移近短路端，可将输入阻抗调整至如50欧姆。导纳的无功部分(电纳)并不完全取决于周围环境，如位于PIFA下面的接地平面尺寸，而是很大程度上取决于谐振结构内储存的能量。如果条片与接地平面之间的距离较小，这可使电纳随谐振频率附近的频率发生较大变化。谐振频率处电纳为0。如果条片长度比λ/4短许多，带宽也会照样变小，一般来说，带宽的上限将正比于天线元件的体积。导纳的实部(电导)对SPAs非常重要，并且带宽将正比于电导，电导主要是辐射电导，其损失作为不希望的额外部分。

但是，涉及典型的PIFA元件的一个问题是辐射电导难以控制。涉及原始PIFA元件的另一问题是其不很适合多频带用途，部分原因是按照定义PIFA是平面的。

最近几年一些用于双频带电话的改型PIFA进入市场。最常用的作法是去掉电导表面的一部分，形成除900兆赫附近的第一谐振外的1800兆赫附近的第二谐振。改型PIFA的基本型称作C-PIFA，在这种型号中，其形状中的厚″I″由″C″代替，″C″是通过从方形或矩形电导表面切去一部分而形成，可见图5。一般地，在上频带以及下频带具有同样的相对带宽，这正是如GSM 900/1800所需要的。但是，所得到的结果大大小于惠勒斯极限所可能得到的结果。因此，在改型的PIFA中，从上述I和C型衍生的大量的各种图案已投入使用，但是，其中一些只得到有限的结果。现代移动电话一般对较高频带的需求要大得多。例如，不仅应该覆盖GSM 1800，而且还要覆盖GSM 1900和正在使1700-2300兆赫成为可能频带的UMTS(通用移动电信系统)。这是一种30％的相对带宽，可对比只是8％相对带宽的GSM 900或GSM 1800。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种开始提到的天线装置，其频率特性至少可以具有两种较宽的频带。

本发明的另一个目的是提出一种双频带天线装置，在较高频带具有较宽的频带宽度。

本发明还有另一目的是提出一种天线装置，能比现有技术的天线装置更好地利用有限空间。

本发明还有另一目的是提出一种天线装置，比现行技术的天线装置具有更好的多频带性能。

本发明还有一个目的是提出一种天线装置，它容易制造，成本不高。

本发明基于这样的认识：要想获得所述频带的可用频带宽度，天线与支撑结构的耦合是关键因素，带宽变窄是由于信号相位在天线元件整个表面散布大。与现行技术相比，本发明设置了元件以增加与支撑结构的耦合，支撑结构就是电话本身。由于增加耦合，可给出较好带宽和较少近区损失的特定有效能量只需要较小的电流幅度，通过天线元件即簧片与支撑结构适当耦合，可以将信号相位保持在充分的范围。

根据本发明提出一种天线装置，可用于至少双条频带，其中所述频带中较高频带的平均波长是λ，其特征在于：

天线装置包括簧片(10，310，410，510，610，710)状天线元件，其中簧片安装在具有小于λ²的投影面积的导电支撑结构(20)上，

簧片包括可连接于馈电装置(32)的馈电部分(12)，

至少一个阻抗(14，16，18，214，216，714，716)，连接在所述簧片与导电支撑之间，

簧片在所述至少双频带范围内的同样频率信号波的相位差小于120°，以增加辐射导电率，以及

至少一个阻抗(14，16，18，214，216，714，716)具有可形成所述相位差的性能。

还提出一种便携式无线电通信装置，包括壳体和射频电路，其中以上天线装置安装在所述壳体并连接至所述射频电路。

在附属权利要求中还限定了一些最佳实施例。

本发明提出的天线装置避免或至少缓解了现有技术的天线装置存在的问题。因此，提供了一种具有较宽上频带的多频带天线装置。

附图说明

现在通过示例的方式并参考附图，对本发明进行介绍，附图有：

图1所示是现有技术的片状天线装置；

图2所示是现有技术的另一个窄片状天线装置；

图3所示是现有技术的另一个窄片状天线装置，在中间进行切割和接地；

图4所示是现有技术的另一种具有基本型PIFA形状的天线装置的平面图；

图5所示是现有技术的另一种具有C-PIFA形状的天线装置；

图6是根据本发明的天线装置第一实施例的透视图；

图7是图6所示天线装置内簧片的平面图；

图8是根据本发明的天线装置的第二实施例；

图9a和9b所示是图8所示天线装置的场分布，分别为较低频带和较高频带的场；

图10是根据本发明的天线装置的第三实施例；

图11，12和13所示是根据本发明天线装置内几种不同形状的簧片；

图14所示是曲折形的簧片；和

图15a和图15b所示是与图8对应的实施例，在两侧设置了印刷电路薄膜。

具体实施方式

以下将详细介绍本发明天线装置的一些实施例。在介绍中提到的一些具体细节，如特定的硬件，用途、技术等等，只是为了能够对本发明有一个全面了解，目的是为了解释不是为了设置限制。但是，对熟悉这门技术的专业人员来说，可清楚地理解到可以将本发明用于不具有这些具体细节的其它实施例中。在其它一些示例中，略去已熟知的方法、设备，以及电路的详细介绍，这是为了避免用不必要的细节来干扰对本发明的介绍。

应该认识到，在现有技术的一些文件中，术语″接地平面″往往用于较小的表面。但是，对本发明来说，″接地平面″的尺寸是十分重要的条件，因此在下面作了区分，术语″接地平面″保留用于大结构(直径≤10λ)，而术语″支撑结构″用于小结构(直径＜10λ)。支撑结构是导电部件，天线元件连接其上。

此外，在此介绍中出现的用语″小片天线″或简称″SPA″，是指表面尺寸小于0.25λ²的任何类型片状天线元件。例如，在频率为1000兆赫时，波长是300毫米，因此，0.25λ²等于225平方厘米。

在整个介绍中，术语″天线元件″或″辐射元件″应包括用于接收或发送电磁波的任何天线元件。

″馈电点″是与天线元件连接的部位。

术语″馈电端″和″开口端″在采用长条天线元件时使用，与开口端的″开口″程度如何无关。

新天线元件使用多频带性能的新原理，并提出″负荷簧片天线(Loaded Reed Antenna)″或″LRA″这个词，并在后面使用这个名词。术语″簧片″是从一个乐器通用的词转化而来的，簧片可产生音响，通过周围元件对簧片″负荷″就可以进行调音。

米制的波长λ是300/f，此处f是以兆赫表示的频率。对800和2500兆赫之间的频率，波长在375和120毫米之间变化。下面，除非另有别的表述，波长是指使用的频率。由于移动电话用的高频带频率一般是低频带频率的2-2.5倍，因此，高频带频率在某些地方被用作为基准，因为LRA的高频带性能与现有技术有很大不同。

图1和图5在现有技术的介绍中已进行过讨论，就不再涉及这些附图。

现在参考图6对根据本发明天线装置的第一实施例进行介绍，图6是负荷簧片天线(LRA)的示意侧视图。通常用2表示的天线包括一般为平面的导电元件即簧片10。簧片10布置在与通常用20表示支撑结构间隔开的位置。支撑结构通常包括印制电路板，电路板上装有带天线的无线电通信装置的电路。支撑结构20的投影面是0.01-0.5λ²，更好是0.03-0.25λ²，最好是0.05-0.10λ²，此处λ是指使用的波长，投影方向垂直于支撑结构的总延伸部分。这样，与较大接地平面相比，所获得的频带宽度较好。有效的天线通常是支撑结构本身，因此任何增强SPA与支撑结构之间耦合的方式都是至关重要的。

在簧片10和支撑结构20之间是充有空气的空间以及一些适合的结构件，如塑料件，用于将簧片和支撑结构之间保持有固定间距。

簧片10由某种适合的导电材料制成，从上方看，具有长条的或一般为矩形的形状，参见图7。簧片10的长度L最好约40毫米，从一端测到另一端，和约20毫米的宽度W，但其它尺寸也是可以的，这要取决于空间的限制、性能要求等。在簧片10的两个端部之间的某个部位配置输入连接点12，连接至装有簧片的移动电话的馈电装置32。但是，簧片10没有接地，因为簧片本身没有接地面。

另一种方式中，簧片10的一端配置连接支撑结构20的导电连接件14。在簧片与支撑结构之间的所有阻抗最好实际上都大于零。连接件14的电性可以是电感的，也可以是电容性的。通过对簧片与支撑结构之间阻抗的严密控制，簧片的所有部分具有基本上相等的辐射系数。

频带宽度和效率的关键因素是在簧片与无线电通信装置的支撑结构之间具有良好耦合，即有良好的耦合系数。主要的耦合功能通簧片具有从支撑结构中伸出的扁平单极那样的形状来实现。对这种扁平单极的基本度量是表面积，但是出于实际的和美观的限制，表面积要比单纯功能考虑所希望的表面积小许多倍。令使用表面积尽可能有效的方法是保证表面所有的部件具有同样的电相位，也就是在整个所述表面上，在工作频带范围内发送和/或接收信号波的相位差小于120°，较好为小于90°，更好是小于60°，最好是小于30°。

参看图7，簧片大体上是连续的金属表面，这与典型的C-PIFA大不相同。″连续的″在这里应作为电气术语来理解，包括在充簧片形状轮廓内的曲折形状。

在与装有连接件14的一端相对的簧片10的第二端，在簧片10与支撑结构20之间设置了负荷16。借助于负荷16，可以控制与小支撑结构的耦合，并由此提高辐射电导。这样，本发明装置的主要特征是借助于改进与支撑结构的耦合以提高辐射电导。这是通过利用天线元件到支撑结构之间的电气和磁力两种耦合而实现的。负荷16内的负荷电路可使电幅度在簧片10整个表面上具有相同相位。

配置了第三负荷18以增加频率依存调整的可能性。通过这种方式，与支撑结构的耦合得到了提高，由此提高了LRA的辐射电导。在这个实施例中，负荷14可用于阻抗匹配，而负荷16主要调谐上频带。

换句话，在整个簧片上的电波幅度具有相同的符号，这可以表示为小于120°的相位差，如上面所介绍的，由此可以避免各个不同部分之间发生相互作用。这在较高频带上特别有用，因为那里结构复杂，部件容易发生互相作用。

SPA类的一些主要使用参数是尺寸、带宽和效率。对这一类别的所有天线，带宽和效率的乘积大致与天线元件的体积成正比，也就是说，对非常小的天线元件该乘积将会太小。这可以理解为两种作用的组合。当尺寸较小时辐射电导(如电阻)随尺寸迅速下降，和元件的储能上升，尽管辐射电导下降，幅度不得不提高以保持同样的辐射能量。

这样，LRA的原理使得能较好地控制辐射电导，这是与现有技术的主要差别。改进的辐射电导的优点是在同样的辐射能量条件下在天线元件周围的电流较低。这将会降低接近电话的物质，如使用人的手和头部，的近区损失。

带宽可以粗略估算为正比于辐射能量和储能之间的比值。就导纳来讲，辐射能量与辐射电导成正比，而储能则与相应的电容或电纳成正比。

但是，谐振是纯粹的阻抗状态，不应该看成与天线的尺寸或不同的长度有紧密联系，也不是天线形成无线电辐射的重要因素。尺寸对辐射是重要的，但对谐振并不重要。由此，例如通过在整个开口端增加适用的电容或沿舌状片增加电感，就可以将任何长度小于λ/4的天线调至使用频率。对所有的谐振天线结构来说，一般是通过适当选择馈电点就很容易找到任何想要的实际输入阻抗水平。谐振结构可能的缺点是，谐振所储存的能量通常会减小带宽。真正的宽带天线不是谐振结构。

本发明装置的另一特征是储能较少，这就能进一步增加带宽。

现在参考图8介绍根据本发明天线装置的第二实施例，图8是与图6所示第一实施例类似的透视图。两图中的相同零件用相同的标记。这样，图8所示的LRA包括簧片10，簧片有连接于馈电源32的输入连接件12。还设有与簧片10间隔开的支撑结构20。

但是，与第一实施例不同，第二实施例省去了负荷18。此外，在簧片的两端有负荷阻抗114，116。这形成了产生磁力耦合的电流环路，如果相位选择恰当，可以进一步增加与支撑结构的耦合。

LRA是一种多频带天线，最好是双频带天线。在这种天线中，两个频带都必须正确地工作。要获得这种状态的一个方法是将阻抗配置成串联谐振电路。

这样，在这个第二实施例中，将负荷116配置成串联谐振电路，使其在较高频带上具有比在低频带上低得多的阻抗。如果进行简化，可以表示为一种谐振型式，在低频带上为λ/4谐振，在较高频带上为λ/2谐振。图9a和9b示出沿簧片X轴的典型电场型式，参看图8。在图8中示出LC(电感-电容)串联谐振电路，但是也可以使用相应的参数分布电路，如截短的传输线，长度是波长的一半。

在低频带上，电场将会大体上相同，但是在较高频带上，通过若干阻抗与支撑结构多点连接，以此控制整个表面的幅度。

现在参考图10介绍根据本发明天线装置的第三实施例，图10类似于分别在图6和图8所示的第一和第二实施例。但是，图6中在簧片10与支撑结构20之间的连接件14已由在馈电端的电容214所代替。这样能较简单地在多频带天线的双频带上得到良好的匹配，因为在这样的天线元件中高频带通常要求较低的阻抗。

重要的是要采取优化的方式来利用天线所占的体积，因为体积已成为天线的某种质量因素。为此，想要获得可能的最好特性，平面的形状远非理想的形状。

由于其工作方式，LRA的簧片已不需要是平面电路，最好能够根据移动电话的形状来成形。在图11中所示的LRA，将簧片310做成适合周围环境设计的形状，在所示例子中是电话壳体350。这样，簧片310稍微成拱形并放置在支撑结构20的上方。

这是一个典型的几何形状不均匀壳体的情况，可以起到辅助元件的功能，可用于调整较高频带和较低频带之间的比值。如果簧片在它的纵向是均匀的，如图7所示的，则下频带与上频带之间的关系是1∶3。但是，如果是不均匀的簧片，如图12所示的410，这个关系可以改变成1∶2。与负荷阻抗在一起，可以较好地控制LRA的频率依存关系。

图7所示簧片10具有矩形形状。但是，一般的长条形状都是可以的。图13所示是另一种簧片510的平面图。从图中可以看到簧片的外廓形成平滑的曲线以适应电话壳体550的结构形状。

一个重要的实际情况是，电话本身是一个半波或全波天线。在800-1000兆赫时，一半的波长是160毫米左右，而在1700-2000兆赫范围内的频带具有同样数值的全波长。这种情况已应用于本发明，使与每一频带的耦合可以进行最佳化。

另一可以适用以上介绍的任何一个实施例的特点，就是将簧片做成如图14中的形式610那样的曲折形状。如果将簧片看成是一条传输线，这将减缓波的速度，使λ/4的功能在非常有限的空间内成为可能。应该强调，与通过减少储能来获得较高介电常数(等于添加电容)相比，由通过曲折形状(添加电感)实现的减速将会增加带宽。图14中的曲折线可以是直的，也可以如图12那样具有不均匀尺寸。

在本文中介绍的电路可以用多种方法来实现，包括在刚性印制电路板(PCBs)和柔性电路板上，围绕绝缘材料折叠，以及带有集成导线的聚合物，例如，可以用称作模制互连器件(MID)工艺的方法来制成。带两个侧置电路或甚至是多层电路的柔性PCB特别适用，因为电容和电感都可以低成本容易地制造。图15a所示是这种柔性PCB示例的平面图，而图15b是图15a所示簧片部分的侧视图，图中簧片的两个端部已经朝下弯折90°。一般为矩形的簧片710配置在柔性PCB719的上表面。簧片配置了馈电部分12，可连接至无线电通信装置的馈电装置。两个负荷部分714，716配置在PCB 719下表面的相关端部上并与簧片710电连接。第一负荷部分714一般配置成直条并具有电容性能，而第二负荷部分716配置成曲折形状并具有串联谐振性能。两个负荷部分都可连接到在下面的导电支撑结构(图15a和图15b中未示出)。

对根据本发明天线装置的一些最佳实施例已作了介绍。但是，必须意识到，这些实施例可以在附后的权利要求范围内进行变化。这样，例如可以将簧片与支撑结构之间的各个阻抗制成一些集总元件，参数分布电路(若干条传输线)或一些外部零件以及其它形式，同时可采用如图15那样的多层板件，可以使用许多标准方法来完成各个功能。

簧片与支撑结构之间的空间已经介绍过是用空气充填。但是，可以采用任何适当形状的介电材料。

在附图中所示簧片的取向是与支撑结构的上表面平行，但是与支撑结构侧边平行的取向也是可能的，只要簧片的表面比其位置更重要。这就意味着簧片的不平行取向也是可行的。

Claims

1.一种天线装置，用于至少双频带，其中所述频带中较高频带的平均波长是λ，其特征在于：

所述天线装置包括簧片(10，310，410，510，610，710)状天线元件，其中所述簧片安装在具有小于λ²的投影面积的导电支撑结构(20)，

所述簧片包括可连接于馈电装置(32)的馈电部分(12)，

至少一个阻抗(14，16，18，214，216，714，716)，连接在所述簧片与所述导电支撑之间，和

所述簧片在所述至少双频带范围内发送和/或接收信号波的相位差小于120°，以增加辐射导电率。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述相位差小于90°，更好是小于60°，最好是小于30°。

3.根据权利要求1或2所述的天线装置，其特征在于，所述至少一个阻抗(14，16，18，214，216，714，716)具有可形成所述相位差的性能。

4.根据权利要求1或2所述的天线装置，其特征在于，所述簧片(10，310，410，510，610，710)具有可形成所述相位差的形状。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的天线装置，其特征在于，所述至少一个阻抗具有实际上大于零的阻抗值。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的天线装置，其特征在于，所述馈电部分(12)的设置位置，与相对第一端部的所述簧片的第二端部比较，所述位置更靠近所述簧片(10)的所述第一端部。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述的天线装置，其特征在于，所述至少一个阻抗中的至少一个是电容性阻抗(214)。

8.根据权利要求7所述的天线装置，其特征在于，所述电容性阻抗(214)设置在所述第一端部。

9.根据权利要求1至8中任何一项所述的天线装置，其特征在于，所述簧片在宽度，几何形状和/或与所述支撑结构之间的距离上都存在不均匀性。

10.根据权利要求1至9中任何一项所述的天线装置，其特征在于，对可调成至少双频带的多频带是通过所述至少一个阻抗中两个或更多阻抗和所述簧片结构的组合而实现的。

11.根据权利要求1至10中任何一项所述的天线装置，其特征在于，可调成双频带的多频带包括在所述簧片端部的阻抗，所述阻抗值在低频带基本上高于较高频带。

12.根据权利要求1至11中任何一项所述的天线装置，其特征在于，所述装置包括柔性基片(719)，其中所述导电簧片(710)设置在所述基片的第一表面，所述至少一个阻抗包括两个导电载荷部分(714，716)，配置在与所述第一表面相对的所述基片的第二表面上，并与所述簧片(710)电接触，所述载荷部分可连接至导电支撑结构。

13.一种便携式无线电通信装置，包括壳体和射频电路，其特征在于，以上权利要求中任何一项所述的天线装置安装在所述壳体并连接至所述射频电路。