CN1495966A - 内部天线 - Google Patents

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Abstract

用于小型无线电装置的一种内部平面天线。平面天线的接地平面(310)被成形得可以改善天线的匹配。这种成形可以通过在接地平面上加工一条或多条狭缝(315，316)来实现。狭缝适当地改变了当从短路点(S)看过去时的接地平面的电长度，这样，接地平面就在天线的一个工作频段内被用作辐射器。同样，可以设置接地平面内的狭缝(331)，使其在天线的一个工作频段内起到附加的辐射器的作用。由于改善了匹配因此天线增益也增大了，例如也可以将双波段天线的较高频段做得更宽。

Description

内部天线
技术领域
本发明涉及一种供小型无线电装置使用的内部平面天线。本发明还涉及采用了依据本发明的天线的一种无线电装置。
背景技术
在天线设计中，可用空间是一个重要因素。如果没有尺寸限制的话，则制造出一个高品质天线会相对容易一些。在无线电装置中，尤其是在移动电话中，为方便起见，天线最好放置在设备的机壳内。由于设备变得越来越小，因此，用于天线的空间也正在缩小，这意味着在天线设计中需要更紧凑的设计。对此起促进作用的另一个因素就是：通常一个天线必须能够工作于两个或更多个频段。
实际上，最容易以平面结构来实现安装在小设备内部的具有满意特性的天线：该天线包括一个辐射平面和与其平行的一个接地平面。为了更容易进行阻抗匹配，辐射平面和接地平面通常在一个适当的点借助于一个短路导体而互相连接在一起，产生一种PIFA(平面倒F天线)型结构。对于天线特性来讲，接地平面的尺寸必然对其具有影响。象单极鞭状天线的情况那样，一个理想的平面天线也具有一个非常大的接地平面。随着接地平面的缩小，天线的谐振变弱，且部分地由于该原因，使天线的增益降低了。如果我们继续减小接地平面的尺寸，则在达到某种程度时它会起辐射器的作用，因此就以不受控制的方式改变了天线特性。
图1显示了一种已知的PIFA型内部平面天线。它包括无线电装置的一个电路板105，该板具有一个导电的上表面。该导电平面为该平面天线起到了接地平面110的作用。在该电路板的另一端，存在该天线的辐射平面120，它被一个介质框150支撑在接地平面的上方。该天线结构还包括：在靠近辐射平面的一个拐角上，连接有一个天线馈电导体131，一个短路导体132在点S处将辐射平面连接至接地平面。从馈电导体到电路板105的底面上的一个天线端口有一个通孔，它与地绝缘。在辐射平面上有一条狭缝125，它开始于靠近馈电导体131的平面的边缘，终止于靠近相对边缘的平面的内部区域。从短路点看去，该狭缝125将辐射平面分割为不同长度的两条支路B1、B2。这样，PIFA就具有不同的谐振频率以及相应的工作频段。
当所讨论的无线电装置非常小时，图1的天线的缺点是它具有稍微一般的电特性。这是由如上所述的接地平面的微小而引起的，也是由于无线电装置被作得相对较扁平而由天线的受到限制的高度而引起的。
发明概述
本发明的一个目的是减少已有技术相关的所述缺点。根据本发明的天线，其特征在于独立权利要求1中阐明的内容。根据本发明的一个无线电装置，其特征在于独立权利要求12中阐明的内容。本发明的一些优选实施例在从属权利要求中提出。
本发明的基本思想如下：在小型无线电装置中的平面天线的接地平面被成形得可改善天线的电特性。这种成形可通过在接地平面上加工一条狭缝或是几条狭缝进行。从短路点观察，该狭缝改变了接地平面的电长度，这样，在天线的工作频段中，该接地平面将会更好地用作辐射器。也可以将该接地平面内的缝隙设置得可以用作天线工作频段内的附加的辐射器。
与已有技术中相应的天线相比，本发明的一个优点就是随着匹配的改善而使天线增益增大。这样，有可能例如是将接地平面与辐射平面本身的距离缩短一个适当的数量，该数量与天线增益差相对应。这将会使具有相同天线增益的天线更扁平，这在小型无线电装置中是一个优点。本发明的另一个优点是例如可以使双波段天线的高频带变得更宽。这可以通过将接地平面内的狭缝辐射器的谐振频率与辐射器本身的谐振频率适当地偏移来实现。本发明的另一个优点是按照本发明的安装非常简单。
附图说明
以下将详细说明本发明。说明参照了以下附图：
图1显示了按照已有技术的平面天线的一个例子；
图2a显示了按照已有技术的平面天线的接地平面的一个例子；
图2b显示了按照本发明的平面天线的接地平面的一个例子；
图3显示了按照本发明的平面天线的一个例子；
图4显示了图3所示的天线的接地平面；
图5显示了接地平面中使用分立电容器的一个例子；
图6显示了按照本发明的接地平面的第四个例子；
图7显示了按照本发明的接地平面的第五个例子；
图8显示了本发明是如何影响天线匹配的一个例子；
图9显示了本发明是如何影响天线增益的一个例子；
图10显示了具有按照本发明的天线的无线电装置的一个例子。
具体实施方式
图2a、2b举例说明了根据本发明的接地平面的电长度增大的原理。图2a显示了从接地平面一侧看去时的图1中描绘的结构的电路板105。在接地平面110的左上角，有一个用于辐射平面的短路点S。由于接地平面没有改变其形状的图案，因此，从短路点测量到的其电长度是由矩形平面的边的长度确定的。由于接地平面相对较小，因此其电长度很重要，这是因为接地平面可以在工作频率的频率量级上进行辐射，就好像偶极子天线的一个分支。
图2b显示了一个印刷电路板205，它类似于上面所述的印刷电路板，只是现在在接地平面上有一条狭缝215。在这个例子中，狭缝开始于靠近短路点S的接地平面的长边一侧，并沿着接地平面的短边一侧延伸，超出短边的中间点。由于现在接地平面电流必须绕过狭缝的封闭端，因此狭缝215加大了电长度。开始于短路点的虚线219基本说明了接地平面的电长度。例如，可以对电长度进行设置，以使接地平面可以在低频段内改善双频带天线的匹配。
图3显示了根据本发明的一个完整的平面天线的实例。它包括无线电装置的一个电路板305，其中，板的导电的上表面用作平面天线的接地平面。从轮廓来看，在电路板的一端，在板的上方，具有天线的一个矩形辐射平面320，它具有不同长度的两条支路B1和B2，从而产生两个工作频段，就像图1那样。靠近辐射平面的一个拐角，有一个短路导体332从辐射平面的长边延伸到接地平面，所述长边与接地平面的短边平行。接地平面具有根据本发明的一条第一狭缝315，类似于图2中的狭缝215，该狭缝位于靠近天线的短路点的位置，与接地平面的短边平行。天线的馈线导体331与靠近所述短路导体同一个拐角的辐射平面连接，但在这个例子中，是连接在辐射平面短边一侧上，从而使第一狭缝315位于电路板上标记为S的短路点与标记为F的馈电点之间。这种安装与图1所示的馈电点与其通孔在同一侧而可能产生的情况相比，使得能够将第一狭缝315放置得更靠近接地平面短边一侧。
图3中的例子还显示了根据本发明的一个第二狭缝316。该狭缝开始于与第一狭缝相同的接地平面的一条长边，并与第一狭缝平行地延伸。在这个例子中，馈电点F位于电路板305表面的第一和第二狭缝之间。在显示了图3所示结构的电路板305的图4中，可以更好地看出当从接地平面看去时的第一狭缝315和第二狭缝316，同时还有馈电点F和短路点S。第二狭缝316的布局以及长度，可以使得在该狭缝中所激励起的谐振位于天线的较高的工作频段内。这样它就起着狭缝辐射器的作用，从而改善了较高工作频带内的匹配。与此相似，在按照图2的单狭缝的情况下，可对狭缝进行调谐，使其在较高工作频段内起到辐射器的作用。
作为另一种方案，可以在接地平面安装中使用电抗分立元件。图5显示了这种配置的一个例子。它包括无线电装置的一个电路板505，其中，所述电路板的接地平面具有按照图4所示的按照本发明的两条狭缝。跨在第二狭缝516上，靠近其开放端，连接有一个电容器C。其电容降低了接地平面的电长度，例如，在双频段天线的情况下，这种做法在较高工作频段自然要比在较低工作频段更有效。如果接地平面内的狭缝515、516的尺寸被形成得可以在较低工作频段内改善天线的特生，那么，由于上面所提到的原因，该电容器可被用来防止天线特性在较高工作频段内的恶化。另一方面，如果将第二狭缝用作辐射器，则该电容器有助于产生具有所需电长度的一条狭缝，使其物理上短于没有电容器时的长度。用于图5所示布局的电容器且位于干兆赫兹频段的一个合适的电容值为1pF级。
图6显示了根据本发明的接地平面设计的第四个例子。在这种情况中，接地平面也具有依据本发明的两条狭缝。第一狭缝615在短路点S和馈电点F之间延伸，在其端部具有一个直角弯曲。第二狭缝616现在位于接地平面下面，开始于与短路点和馈电点所处的那条长边相反的接地平面的长边。第一狭缝的尺寸可以被形成得使其可以在天线较高工作频带中起到辐射器的作用，而第二狭缝616的尺寸可以被形成得可以通过提高接地平面的电长度，而在较低工作频段中，改善天线匹配。
图7显示了依据本发明的接地平面设计的第五个例子。在这种情况下，接地平面具有依据本发明的一条狭缝715。馈电点F靠近电路板705的拐角，短路点S位于更加靠近所述板短边方向的中心处。狭缝715开始于电路板短边一侧的接地平面的边缘，在馈电点和短路点之间延伸，接着，变为与所述板的短边平行，并延伸向电路板的相反的一条长边。当从短路点开始在接地平面上进行电磁波的传播时，必须绕过狭缝715的封闭端，这意味着增加了接地平面的电长度。与图2中结构的差别在于馈电点和短路点现在位于接地平面的所述狭缝的不同侧。这可以在将狭缝715用作辐射器时使用。
图8表示在一个例子中在天线匹配时本发明的效果。匹配品质用反射系数S11的测量值来表示。曲线81将已有技术的双频段天线的反射系数的变化图示为频率的函数，曲线82图示了依据本发明的、如图3所示在接地平面内具有两条狭缝的相应天线的变化。比较这些曲线，可以看出，在较高频段，在1.9GHz的区域中，反射系数的最佳值从-8dB提高到大约-13dB，即，提高了大约5dB。与此同时，以反射系数值-6dB为标准进行比较，带宽B从大约150MHz增加到大约200MHz。在较低频段，在0.9GHz的区域，反射系数的最佳值的提高超过了2.5dB，即，从-11dB提高到大约-13.5dB。与此同时，也可观察到带宽有所增加。
图9显示了本发明对于天线增益的效果。这里，天线增益是利用仿真模型计算出的。曲线91将已有技术的双波段天线的天线增益Gmax变化显示为频率的函数，它是在最大优势方向上计算出的；曲线92显示了根据本发明的、如图3所示的、在接地平面内具有两条狭缝的相应的天线的天线增益Gmax的变化，它是在最大优势方向上计算出的。比较这些曲线，我们可以看出在天线的较高频段，天线增益从大约3dB提高到大约4dB，即，大约1个分贝。在0.9GHz区间的较低工作频段，天线增益也有所提高。其增大了大约半个分贝多一点。
正如前面已经提到的，利用本发明而在电特性上所产生的改进可以用于减少接地平面和辐射平面本身之间的距离，该距离量与天线增益差相对应。以这种方式，如果放弃在较高工作频段上带宽增加30％并且天线增益增加的一个分贝，那么我们就会得到扁了40％的平面天线。
图10显示了安装有依据本发明的内部平面天线的一台无线电装置RA。该天线包括在无线电装置的电路板005上的一个接地平面，以及电路板的在图中是上端的那一端上的辐射平面020。接地平面至少具有一条狭缝，该狭缝对于天线匹配具有改善作用。
单词“底”以及“顶”还有“在......上方”在本说明书和权利要求书中是指图1至7中所描述的天线结构与其接地平面的位置，而绝不是指它们被连接到天线的工作位置上。同样，结构部件中的“短”和“长”边在本说明书和权利要求书中是指图1至7中所描述的尺寸大小，而并不是对实际尺寸的限制。
上面说明了依据本发明的一些天线结构。本发明并不仅仅局限于如上所述的那些天线元件的形状。本发明也并不仅仅局限于上述所说明的天线的制造方法或是其中所使用的材料。可以在独立权利要求1所定义的范围内，以各种不同的方式应用这种创造性的思想。

Claims (12)

1.用于无线电装置的一种内部平面天线，具有一个接地平面、辐射平面、用于后者的馈电导体、以及将所述辐射平面与所述接地平面在短路点(S)连接在一起的一个短路导体，其特征在于：所述接地平面(210；310)具有至少一条起始于它的一个边缘的不导电的狭缝(215；315；316；415；416)，以便改善所述天线的匹配。
2.依据权利要求1的一种天线，其接地平面是无线电装置内的电路板上表面的导电层，其辐射平面是所述接地平面上方的一个导电平面，并具有一个基本为矩形的外形轮廓，其特征在于：与所述辐射平面(320)的侧面的长度相比，所述短路点(S)位于相对靠近电路板内的所述辐射平面的一个拐角的投影处；在所述接地平面内的所述狭缝(215；315：515；615)开始于所述接地平面的边缘，相对靠近所述短路点，并与所述辐射平面的一条长边平行地延伸。
3.依据权利要求2的一种天线，其特征在于：当从所述短路点测量时，在所述接地平面内的所述狭缝(215；315；515；615；715)增大了接地平面的物理长度。
4.依据权利要求1所述的一种天线，具有至少两个工作频段，其特征在于：在所述接地平面上具有两个所述狭缝，第一(315；515；615)和第二狭缝(316；516；616)。
5.依据权利要求3或4的一种天线，其中用于所述辐射平面的所述馈电导体在所述馈电点(F)处穿过所述电路板，其特征在于：如权利要求2中所述的第一狭缝(316；516)，所述第二狭缝(316；516)始于所说接地平面的同一侧基本与所述第一狭缝平行地延伸，所述馈电点位于所述电路板上的所述第一和所述第二狭缝之间。
6.依据权利要求1所述的一种天线，其特征在于：它还包括一个电容器(C)，它跨接在所述接地平面内的所述狭缝上。
7.依据权利要求5或6所述的一种天线，其特征在于：所述接地平面内的所述狭缝，即所述电容跨接的那条狭缝，是所述第二狭缝(516)。
8.依据权利要求1的一种天线，具有至少一个较低的工作频段以及一个较高的工作频段，其特征在于：如此设置所述接地平面内的所述狭缝，使其在所述天线的较高工作频带内谐振。
9.依据权利要求5和8的一种天线，其特征在于：被设置为在所述天线的较高工作频带内谐振的所述狭缝，是所述第二狭缝(316)。
10.依据权利要求4和8所述的一种天线，其特征在于：所述第二狭缝(616)开始于与所述第一狭缝(615)开始的边缘相对的接地平面的边缘，当从所述短路点测量时，所述第二狭缝增大了所述接地平面的物理长度，所述第一狭缝被设置为在所述天线的较高工作频带内谐振。
11.依据权利要求4的一种天线，其特征在于：在所述接地平面内的至少一条狭缝(415；715)包括一个部分，其方向与所述辐射平面的所述长边一侧基本不同。
12.具有一个内部平面天线的一种无线电装置(RA)，该内部平面天线包括电路板上的一个接地平面、辐射平面(720)、用于后者的馈电导体、以及将所述辐射平面与所述接地平面在短路点处连接在一起的一个短路导体，其特征在于：所述接地平面(210；310)具有至少一条起始于接地平面的一个边缘的不导电的狭缝，以便改善所述天线的匹配。
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