CN1516910A - 移动通信的宽频带天线 - Google Patents

Abstract

所公开的是一种移动通信的宽频带天线，包括：无线电波辐射器(20，图3)，用于接收发射信号与功率以及辐射与该发射信号对应的无线电波；和运行状态显示屏(30)，用于接收由无线电波辐射器辐射的无线电波并根据收到的无线电波显示无线电波辐射器的运行状态。无线电波辐射器包括一个用于起接地作用的接地表面(25，图4)；由接地表面支撑的辐射元件(21)，辐射元件具有与接地表面的第一缝隙(H)并且辐射无线电波；和由接地表面支持的微带馈电线(23)，微带馈电线具有与接地表面的第二缝隙(t)和第三缝隙(h1)，并且用于接收发射信号和功率并与辐射元件(21)电磁耦合，其中第三缝隙被提供为位于接地表面(25)和辐射元件之间。

Description

移动通信的宽频带天线

技术领域

本发明涉及一种移动通信的天线。更明确地说，本发明涉及用于提供宽频带特性并且使用户能够轻易识别天线正常辐射状态的一种移动通信的宽频带天线。

背景技术

各种无线通信业务已经存在于在诸如蜂窝电话和个人通信服务(PCS)之类的领域中，并且在不久的将来将发布下一代移动通信系统-IMT 2000业务。因此，需要更多用于最小化并降低终端或基站通信设备重量的技术。

诸如无线数据通信这类附加功能的新近发展意味着传统通信服务已经从单一语音为主的通信上升为一个更高水平。为了使用多个通信业务，必须为各自的业务安装多个天线。因此，移动通信业务提供商构造中继器和小平板天线，每个天线被连接到建筑物中的中继器，以在高建筑物或地下室中实现移动通信业务。

例如，大约800MHz频带的蜂窝移动通信和1,800MHz频带的PCS通信已被商业化，并且，由于这两个通信方法使用不同的频带，所以移动通信业务提供商分别安装各自的蜂窝电话平板天线和PCS平板天线，并且在不久的将来他们将不得不安装IMT 2000平板天线。

图1示出常规移动通信平板天线。

如同所示，根据馈送方法将常规移动通信平板天线分类如下：微带馈电线型平板天线，同轴电缆馈电线型平板天线和缝隙耦合馈电线型平板天线。

常规移动通信平板天线包括绝缘基片10、接地表面13与金属辐射元件11。图2示出了此平板天线的频率特性。

随着辐射元件11与接地表面13之间的缝隙变得越大，并且绝缘基片10的介电常数变成空气中的介电常数，则平板天线的效率和带宽增加。

但是，在扩大频带的情况下图1所示的常规平板天线有局限性，并且当将绝缘基片10设计具有较低介电常数时，由于厚、且具有低介电常数的基片10产生高阶表面波而使设计费用增加。

如上所述，由于基片结构所引起的带宽限制，常规平板天线不能用于支持诸如蜂窝电话、PCS和IMT-2000之类的各种移动通信业务通常使用的天线。因此，必须分别安装与各种业务相应的各自的天线，并且相应地，该安装破坏了建筑物内部的美观并产生额外的安装和维修费用。

由于安装在建筑物中的中继器采用一种低功率输出方法，所以在建筑物的每层必须安装多个平板天线。在这种情况下，用户无法确定是否以预定方式从安装的平板天线中辐射信号功率。换言之，用户无法用肉眼识别平板天线是否正常运转。为了检查天线的运转状态，用户必须在接近天线时利用一个终端来检查接收功率或者利用一个频谱分析仪来测量之，从而引起不便。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种移动通信的宽频带天线，用于提供宽频带特性并且使用户能够用肉眼轻易识别天线的正常辐射状态。

按照本发明的一个方面，一种移动通信的宽频带天线包括：无线电波辐射器，用于接收发射信号与功率以及辐射与该发射信号相应的无线电波；和运行状态显示屏，用于接收由无线电波辐射器发射的无线电波并根据收到的无线电波显示无线电波辐射器的运行状态。无线电波辐射器包括用于起接地作用的接地表面；由接地表面支撑的辐射元件，该辐射元件与接地表面具有第一缝隙并且辐射无线电波；和由接地表面支持的微带馈电线，微带馈电线与接地表面具有第二缝隙和第三缝隙，并且用于接收发射信号和功率并与辐射元件电磁耦合，其中第三缝隙位于接地表面和辐射元件之间。

附图说明

所结合的并且构成说明书一部分的附图，说明了本发明的一个实施例，并且和说明书一起用于解释本发明的原理：

图1示出了一个常规移动通信平板天线；

图2示出了常规移动通信平板天线的频率特性；

图3示出了根据本发明第一优选实施例的一种移动通信宽频带天线的框图；

图4(a)和(b)分别示出了图3的移动通信宽频带天线无线电波辐射器20；

图5示出了在图3移动通信宽频带天线中包括一个馈电线在内的一个辐射元件的等效电路；

图6示出了图3移动通信宽频带天线中的功率检测器33的详细电路图；

图7示出了图3移动通信宽频带天线的频率特性；和

图8示出了根据本发明第二优选实施例的一种移动通信宽频带天线的简图。

具体实施方式

在下面的详细说明中，简单地通过发明人实现本发明所打算的最佳方式的说明，只示出并描述了本发明的优选实施例。正如将被实现的，本发明能够在各个明显的方面中进行修改，这所有的都不偏离本发明。因此，附图和说明书被认为实际上是说明性的而非限定性的。

图3示出了根据本发明第一优选实施例的一种移动通信的宽频带天线的框图。

如同所示，移动通信宽频带天线包括：一个无线电波辐射器20，用于接收射频(RF)信号和直流(DC)偏置并且辐射相应的无线电波；和一个运行状态显示屏30，用于接收由无线电波辐射器20辐射的无线电波并显示无线电波辐射器20的运行状态。

现在将描述无线电波辐射器20的结构和操作。

图4(a)和(b)分别示出了图3的移动通信宽频带天线的无线电波辐射器20。在这里，图4(a)示出了无线电波辐射器20的角度透视图，而图4(b)示出了无线电波辐射器20的横断剖面图。

如同所示，无线电波辐射器20包括：厚度为0.3mm到0.5mm的金属传导性基片的辐射元件21；厚度为0.3mm到0.5mm的金属传导性基片的空中微带馈电线23；一个接地表面25；和一个连接器27。

辐射元件21和空中微带馈电线23由接地表面25支持。

空中微带馈电线23的特性阻抗必须为50Ω以便完成阻抗匹配，并且通过设置空中微带馈电线23的宽度W₂和接地表面25之间的缝隙“t”来获得该特性阻抗。

缝隙“t”按如下方式得到：

方程式1

在 $\frac{W_2}{t}\≥2$ 的情况下，

$\frac{W_2}{t}=\frac{2}{\mathrm{\π}}\·\{B-1-\ln (2B-1)+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2{\mathrm{\ϵ}}_r}\·[\ln (B-1)+0.39-\frac{0.61}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\left]\right\}$

并且，在 $\frac{W_2}{t}\≤2$ 情况下， $\frac{w_2}{t}=\frac{8\exp \left(A\right)}{\exp \left(2A\right)-2}$

这里， $A=\frac{Z_0}{60}\·\{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}{\}}^{\frac{1}{2}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}\{0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\},$ $B=\frac{{60\mathrm{\π}}^2}{Z_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},$

Z₀表示空中微带馈电线23的特性阻抗，即50Ω，而ε_r表示辐射元件21和接地表面25之间的介电常数。

空中微带馈电线23延伸达到辐射元件21和接地表面25之间的辐射元件21上的大约中心部分。延伸的距离“n”增加越多，则电磁耦合增加越多。连接器27被连接到空中微带馈电线23以便提供一个通信信号管道。

将空中微带馈电线23弯曲成L形状，使辐射元件21和接地表面25之间的一个缝隙H分成缝隙“h1”和“h2”。缝隙“h1”表示空中微带馈电线23和接地表面25之间的一个距离，而缝隙“h2”表示空中微带馈电线23和辐射元件21之间的一个距离。

移动通信宽频带天线的带宽大于420MHz，以便1,750～1,870MHz频率的PCS业务和1,920～2,170MHz频率的IMT-2000业务通常使用它，并且可以通过复杂的计算方程式获得用于实现上面指出宽频带的辐射元件21的L、W1、H、h1和h2的尺寸。

优选的，根据包括PCS和IMT-2000业务频带在内的整体频带的中心频率来定义上述尺度。

据报道：根据经验在接收中心频率(即，1.840GHz)中的PCS业务的频带时，以及在基准频率的波长λ为基准值、辐射元件的尺度L和W₁大约为λ/2、缝隙H大约为λ/8并且缝隙h3大约为(0.7×H)的情况下，移动通信宽频带天线最有效。考虑到将经验得到的数值通常用于PCS和IMT-2000业务，辐射元件的尺度L×W₁为85.8mm×81.8mm，缝隙h1大约为12mm，缝隙h2为8.2mm，而缝隙H为20.2mm。

如图5所述的等效电路示出了上述辐射元件21和空中微带馈电线23。

图1中说明的常规天线的馈电线产生电感L_C恶化了天线特性，并且由于特性恶化，导致该馈电线无法具有宽频带特性。但是，根据本发明如图5所示的馈电线在L形空中微带馈电线23的水平部分感应电容C_C，以便补偿在垂直部分感应的电感L_c，并且电容C_c和电感L_c形成串联L-C结构，以至于馈电线被共振，从而由于上述谐振和辐射元件21产生的谐振而形成一个双谐振结构。由于此谐振结构在相互接近的频率处具有不同的揩振波型，所以可以改善天线全部使用的带宽。因此，启用包括PCS和IMT-2000业务频率的宽频带天线的运行。

例如，如图2所示的传统天线只支持PCS频带，但是当根据如图7所示的第一优选实施例参考移动通信宽频带天线的频率特性时，根据本发明的移动通信宽频带天线能够支持PCS和IMT-2000频带。

接下来，将详细描述运行状态显示屏30的结构和操作。

运行状态显示屏30包括：一个螺旋型天线31，用于接收由无线电波辐射器20辐射的无线电波并输出相应RF信号和直流电压；和一个功率检测器33，用于接收并显示RF信号和直流电压，以便识别无线电波辐射器20的运行状态。

将螺旋型天线31安装在辐射元件21周围，由接地表面25支持，并且长度为“h3”、直径为2mm。

图6示出了图3的移动通信宽频带天线中的功率检测器33的详细电路图。

如同所示，功率检测器33包括：一个带通滤波器(BPF)331，用于经由第二电容C2接收来自螺旋型天线31中的RF信号和直流电压并且让预先确定频带的信号通过；一个PIN二极管333，用于调整由BPF 331输出信号的幅值；一个对偶电压比较器335，用于接收由PIN二极管333输出的信号，并且将第一基准电压与第二基准电压进行比较并输出结果电压；和一个三色光发射二极管337，用于根据由对偶电压比较器335输出的电压发出三种颜色光束；连接在螺旋型天线31的输出端和直流偏置之间的第一电感器L1；连接在螺旋型天线31的输出端和接地之间的第一电容C1；连接在BPF 331的输出端和接地之间的第一电阻R1；第二电阻R2、第三电容C3和第四电容C4，其中每个元件都并联连接在PIN二极管333的输出端和接地之间；一个第二电容C2；第一可变电阻VR1，其一个端子连接到对偶电压比较器335并且另一端子连接到直流偏置；第二可变电阻VR2，其一个端子连接到对偶电压比较器335并且另一端子连接到直流偏置；连接在对偶电压比较器335和三色光发射二极管337之间的第三电阻R3；和连接在对偶电压比较器335和三色光发射二极管337之间的第四电阻R4。

当螺旋型天线31发射RF信号和直流电压，并且RF信号和直流电压经过第一电感器L1和第一电容C1时，只将直流分量发射到BPF 331。在此情况下，第二电容C2允许RF信号通过，而阻止直流分量通过。

BPF 331允许由根据本发明的宽频带天线发射的信号频带相应的RF信号通过，并且PIN二极管333将由BPF 331输出的信号转换成相应的微小电压，并且将其输入到对偶电压比较器335。在这里，第一和第二电阻R1和R2以及第三和第四电容C3和C4只允许RF信号通过，并且特别采用第一和第二电阻R1和R2与PIN二极管333的阻抗匹配。由于为处理低频信号的电子电路所使用的Ge和Si的二极管不适合用于处理RF信号，所以使用诸如PIN二极管333之类的化学二极管。

对偶电压比较器335将PIN二极管333输出的电压分别与第一可变电阻VR1设置的第一基准电压和由第二可变电阻VR2设置的第二基准电压进行比较，并且根据比较结果输出电压。

三色光发射二极管337根据对偶电压比较器335输出的电压而发射设置的波束。

例如，在第一基准电压被设置为大于第二基准电压，并且PIN二极管333输出的电压大于第一参考电压的情况下，对偶电压比较器335输出一个相应电压，并且三色光发射二极管337产生与该输出电压相应的绿色，以便指示无线电波辐射器20正在正常工作并且输出非常大。

在PIN二极管333输出的电压低于第二参考电压的情况下，对偶电压比较器335输出一个相应电压，并且三色光发射二极管337产生与该输出电压相应的红色，以便指示无线电波辐射器20没有正常工作。

而且，在PIN二极管333输出的电压低于第一参考电压，并且大于第二基准电压的情况下，对偶电压比较器335输出一个相应电压，并且三色光发射二极管337产生包括绿色和红色在内的颜色，以便指示无线电波辐射器20正在正常工作并且输出适当。

在无线电波辐射器20没有工作并因此PIN二极管333没有产生电压的情况下，由于对偶电压比较器335没有产生输出，所以三色光发射二极管337不产生光束。

因此，通过安装三色光发射二极管337，移动通信宽频带天线的用户能够用肉眼轻易检查天线运行状态而不必接近该天线。

为对偶电压比较器335设置的第一和第二基准电压是通过把各种RF信号和直流电压输入到功率检测器33的输入端、观测三色光发射二极管337发射的颜色并调整第一和第二可变电阻VR1和VR2的阻抗来设置。

图8示出了根据本发明第二优选实施例的一种移动通信宽频带天线的简图。

图4的天线以半平面方式辐射，并且图8的天线包括在四面八方辐射的一个单极辐射元件40。

单极辐射元件40包括：支持在接地表面45上的一个固定天线42；和穿过固定天线42并从接地表面45弯曲安装的一个杆状天线41。固定天线42经由连接器47连接接地表面45，并且RF信号和功率经由连接器47被提供给单极辐射元件40。

固定天线42和杆状天线41是圆柱形，并且杆状天线41的直径大于固定天线42的直径。

在将基准频率1.840GHz的波长λ设置为基准值的情况下，将PCS和IMT-2000业务共同使用的单极辐射天线40的整体长度，即固定天线42和杆状天线41的长度之和设置为大约λ/4，并且将固定天线42的直径D1和杆状天线41的直径D2之比大约设置为8∶11。

在实验上，单极辐射元件40的整体长度为32mm，固定天线42的直径D1为8mm，并且杆状天线41的直径D2为11mm。在此情况下，通过调整一个阻抗匹配短线43和单极辐射元件40之间的缝隙来完成阻抗匹配。在将上述的基准频率的波长λ设置为基准值的情况下，详细地说该基准值为19～21mm的情况下，将阻抗匹配短线43的长度大约设置为λ/8。根据上述设置，获得一个大约420MHz的频带宽度。

按照第一优选实施例的相同方式，用于接收辐射元件40辐射的无线电波的一种螺旋型天线31被安装在接近单极辐射元件40的接地表面上。

因此，按照第一优选实施例的相同方式，由螺旋型天线31接收的无线电波被输入到功率检测器33，然后功率检测器33根据输入的无线电波来显示用户裸眼识别的辐射元件40的运行状态。

虽然有关于目前被认为是最实用且优选的实施例已经描述了本发明，但是应该理解，本发明不局限于该公开的实施例，而是相反地意欲覆盖包括在附加权利要求范围内的各种修改和等价配置。

Claims (17)

1、一种移动通信的宽频带天线，包括：

无线电波辐射器，用于接收发射信号与功率以及辐射与该发射信号对应的无线电波；和

运行状态显示屏，用于接收由无线电波辐射器辐射的无线电波并根据收到的无线电波显示无线电波辐射器的运行状态。

2、权利要求1的天线，其中：无线电波辐射器包括：

用于起接地作用的接地表面；

由接地表面支撑的辐射元件，该辐射元件与接地表面具有第一缝隙并且辐射无线电波；和

由接地表面支持的微带馈电线，该微带馈电线与接地表面具有第二缝隙和第三缝隙，并且用于接收发射信号和功率并与辐射元件电磁耦合，其中第三缝隙位于接地表面和辐射元件之间。

3、权利要求2的天线，其中：将微带馈电线成形为L形状。

4、权利要求2的天线，其中：将微带馈电线形成为与用于接收发射信号的外部设备阻抗匹配。

5、权利要求4的天线，其中：在阻抗匹配的情况下，匹配阻抗为50Ω。

6、权利要求5的天线，其中：根据微带馈电线的宽度和接地表面之间的第二缝隙建立50Ω的匹配阻抗。

7、权利要求2的天线，其中：根据包括PCS和IMT-2000业务频带在内的总频带的中心频率来确定辐射元件和第一、第二以及第三缝隙的尺寸。

8、权利要求7的天线，其中：在中心频率为属于PCS业务的接收频带的一个频率λ的情况下，将辐射元件的尺寸(L×W1)设置为大约λ/2，第一缝隙H大约为λ/8，而第三缝隙大约为第一缝隙H的0.7倍。

9、权利要求2的天线，其中：运行状态显示屏包括：

无线电波接收单元，该无线电波接收单元位于无线电波辐射器的辐射元件周围并由接地表面支持，用于接收由辐射元件辐射的无线电波并输出相应信号和电压；和

功率检测器，用于接收由无线电波接收元件输出的信号和电压并显示被识别的无线电波辐射器的运行状态。

10、权利要求9的天线，其中：无线电波接收元件是螺旋型天线。

11、权利要求9的天线，其中：功率检测器包括：

带通滤波器(BPF)，用于接收来自无线电波接收元件的发射信号和电压并允许预先确定频带的信号通过；

PIN二极管，用于调整由BPF输出的信号值并输出结果信号；

对偶电压比较器，用于接收由PIN二极管输出的信号，将接收信号与预先设置的第一和第二基准电压进行比较并输出结果电压；和

三色光发射二极管，用于根据由对偶电压比较器输出的电压发出三种颜色。

12、权利要求11的天线，其中：天线还包括：由对偶电压比较器分别设置的用于调整第一基准电压的第一可变电阻器以及用于调整第二基准电压的第二可变电阻器。

13、一种移动通信的宽频带天线，包括：

用于起接地作用的接地表面；

支持在接地表面上的单极辐射元件，用于在四面八方辐射无线电波；

连接器，用于提供发射信号和功率到单极辐射元件，该连接器是单极辐射元件穿过接地表面并经过扩展的部分；

阻抗匹配短线，它由接地表面支持并将预先确定缝隙提供到单极辐射元件，完成阻抗匹配；

由接地表面支持、接近单极辐射元件提供的无线电波接收元件，，用于接收由单极辐射元件辐射的无线电波并输出对应信号和电压；和

功率检测器，用于接收由无线电波接收元件输出的信号和电压并显示被识别的单极辐射元件的运行状态。

14、权利要求13的天线，其中：无线电波接收元件是螺旋型天线。

15、权利要求13的天线，其中：单极辐射元件包括：支持在接地表面上的固定天线和穿过固定天线并相对于接地表面被弯曲安装的杆状天线，并且固定天线和杆状天线是圆柱形，并且杆状天线的直径大于固定天线的直径。

16、权利要求15的天线，其中：根据包括PCS和IMT-2000业务频带在内的总频带的中心频率，确定单极辐射元件的尺寸以及阻抗匹配短线的长度。

17、权利要求16的天线，其中：在中心频率属于PCS业务接收频带中的一个频率λ的情况下，将加上固定天线42和杆状天线41长度的单极辐射元件的整体长度设置为大约λ/4，并且将固定天线的直径D1和杆状天线的直径D2之比设置为大约8∶11，并且将阻抗匹配短线的长度设置为大约λ/8。

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