CN1531764B - 天线设备 - Google Patents

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Abstract

一个天线设备(300)包括在其上安装天线(304)的一个接地导体(102)。该天线相对天线设备(300)工作频率的波长是小的，选择天线(304)的尺度，使得天线(304)和接地导体(102)的组合阻抗适合于通过普通匹配电路来激励。当该设备的带宽由该天线和接地导体，而不是由匹配电路占支配地位时符合这个条件。在一实施例中，该天线是可考虑比其高度更宽的一个三角形的导电元件，其长度足够给出一个谐振电阻，而其宽度足够将电抗降低到能合理地匹配的水平。

Description

天线设备
技术领域
本发明涉及用在一个无线终端例如一个移动电话手持机中的一个天线设备，还涉及包含这种设备的无线电通信设备。 
背景技术
无线终端，例如移动电话手持机，一般包括一个外部天线，例如标称模式的螺旋天线或弯曲线天线，或一个内部天线，例如一个平面倒F天线(PIFA)或类似的天线。 
这样的天线相对于一个移动电话手持机是大的，但是由于小天线，窄频带和相对损耗的基本限制，因此相对一个波长是小的。然而蜂窝无线电通信系统一般具有10％或更大的分式带宽。例如为由一个PIFA实现这样一个带宽要求一个不可忽视的体积，这是因为在一个补片天线的带宽和其体积之间存在一个直接的关系，但是这样的一个体积对目前朝向小的手持机的倾向而言不是容易可得到的。因此，由于以上提及的限制，从目前无线终端中的小的天线实现有效的宽带辐射不是容易的。 
对于用于无线终端的已知的天线设备的另一问题在于它们一般是非平衡的，因此强耦到该终端的外壳。结果，相当的辐射量放射终端本身而不是天线。 
发明内容
本发明的目的在于对一个无线终端提供改进的天线设备。 
按照本发明提供了一种双频段天线设备，包括一个接地导体、一个单极天线元件、和一个与天线元件及接地导体连接的匹配电路，其特征在于，所述匹配电路与所述单极天线元件组合在一起以提供在两个不同工作频率处的电阻峰值，所述两个不同工作频率包括第一个频率和第二个频率；所述天线元件是非谐振的，且显著小于所述天线工作频率处的波长；所述天线元件的长度选择为给出合理的电阻并且所述天线元件的宽度选择为在获得所希望的带宽的同时减小所述天线元件的电抗到能由所述匹配电路合理匹配的值。 
当天线元件和接地导体的组合阻抗是合理地良好地与一个收发信机匹配时，带宽由天线和接地导体而不是匹配电路起支配作用。如果失配过大，带宽将由匹配电路占支配地位，此外为有效工作，匹配电路中的损耗变得过大。 
在按本发明制造的天线设备中，大部分辐射功率来自接地导体(典型地一个移动电话手持机外壳或一块印刷电路板接地导体)。适当地选择天线元件的几何尺寸就能提供要求的阻抗，同时该天线元件在电气上保持很小。 
这样的一个天线设备特别适用于双频段工作，其通过简单的一个双频段匹配电路激励。一示例性实施例适合在GSM和DCS1800系统采用的频率上使用。 
在本发明的一个实施例中该天线元件包括明显宽于其高度的一个三角形导体。这样的一个元件特别适合于同这样的一个移动电话手持机一起使用，在那里天线元件的宽度并不特别重要，而其高度一般需要最小化，以便能设计一个紧凑的手持机。在该实施例的一个例子中，该天线和其相关的馈电引线的组合高度只有11mm，而在1800MHz提供70％的效率(在该频率上11mm近似0.07波长)。 
按本发明的第二方面，提供了一个无线电通信设备，其包括按本发明第一方面制造的一个天线设备。 
本发明基于现有技术中不存在的认识，即可将一个天线和一个无线手持机考虑为一个非对称馈电天线的两个二等分，并基于另一认识，即选择该天线合适的几何尺寸使得实现合理的阻抗匹配。 
附图说明
现在将参照附图用例子描述本发明的实施例，其中： 
图1是安装在一个矩形导体上的天线的平面图； 
图2是用于图1天线的长度L的范围的模拟电阻R和电抗X的曲线； 
图3是安装在一个矩形导体上的三角形天线元件的平面图； 
图4是用于图3天线的模拟电阻R和电抗X的曲线； 
图5是与图3天线一起使用的双频段匹配电路的电路图； 
图6是用于通过图5匹配电路激励的图3天线的以dB为单位的模拟反射损耗S11与以MHz为单位的频率f的曲线； 
图7是表示在频率范围800到3000MHz上通过图5匹配电路激励的图3天线的模拟阻抗的Smith图； 
图8是用于通过图5匹配电路激励的图3天线的以dB为单位的测量的反射损耗S11与以MHz为单位的频率f的曲线； 
图9是表示在频率范围800到2000MHz上通过图5匹配电路激励的图3天线的测量的阻抗的Smith图； 
图10是安装在矩形导体上的T形天线元件的平面图；以及 
图11是安装在具有切除部分的矩形导体上的一个矩形天线元件的平面图。 
附图中相同的参考号码用来指示相应的特征。 
具体实施方式
图1是一个普通无线终端100的简化实施例的平面图，包括在其上安装长度为L的一个单极天线104的一个矩形接地导体102。该接地导体102一般可能包括一个印刷电路板(PCB)接地平面或在无线终端100的本体上提供金属导体化用于EMC(电-磁兼容性)目的。 
例如一个移动电话手持机-无线终端102的天线和接地导体形成一个非对称辐射结构的两个二等分。这样，两个二等分贡献于在该终端观察的阻抗。典型的手持机接近用于GSM(用于移动通信的全球系统)的频率的半波长和用于DCS1800的频率的全波长。在这些频率上，该结构的手持机侧呈现高阻抗，特别是一个高的电阻。由于其尺寸，该结构的手持机侧还具有低的Q值(典型量级为1或2)。 
典型的天线104比GSM和DCS两者的波长都小得很多(虽然对在GSM的情况更明显)。因此，该结构的天线侧呈现一个低电阻和一个大的容抗(特别对于在GSM的情况)。当一个小天线用于同接近半波或全波长度的手持机相组合时，手持机支配对电阻的贡献。因此，多数辐射功率将辐射该(低Q)手持机，这就解释了何以具有小天线的移动电话能获得意外的高的带宽的原因。天线多贡献于电抗。天线还确定该电阻的绝对值，尽管随频率无峰值情况，而这将取决于该手持机的半波(或其倍数)的谐振。 
图2中说明这些现象，其表示对于频率在800和3000MHz，对中地安装在100×40×1mm的接地导体102(代表一个手持机情况或PCB接地平板)顶部的1mm宽的单极天线104的电阻(R)和电抗(X) 的曲线。曲线是对天线104的长度L的范围表示的，其范围从11到21mm。 
从图2可以看出，在接近1.2和2.4MHz处出现电阻峰值。这些峰值分别对应于手持机的半波和全波谐振频率，对于长度在接近80到160mm范围的手持机，谐振频率接近于GSM 900和DCS 1800频段。通过改变天线104的长度L，电阻和电抗的数值都将改变(两者都随天线长度增加)。但是，长度L并不影响电阻或电抗曲线的形状，只要天线104比手持机102短。天线104的几何形状将显著影响电抗X。电阻R随天线几何形状仅微小变化，但是如已陈述的，随天线长度将有大的变化。 
本发明通过提供具有一个小天线的无线终端取得深入了解天线性能的优点，该小天线并不与其典型为50Ω的激励电路的阻抗良好匹配。配置天线的几何形状和高度使其正好充分地提供一个合理的低电抗。该天线也足够大，使得手持机电阻接近50Ω(或者可相对容易匹配到50Ω的一个电阻值)。 
图3是本发明的第一实施例的平面图。如图1中那样，它包括一个100×40×1mm接地导体102，在其上安装一个三角形天线304。天线304是一个9mm高，30mm宽的三角形导电元件，其离接地导体102顶部2mm，通过2mm长的馈电引线306馈电。这里天线304的长度正好充分给出一个合理的电阻，和宽度正好充分减小电抗到能合理匹配的值。 
图4表示对频率f在800和3000MHz之间图3的天线配置的电阻(R)和电抗(X)的曲线。容易观察到电阻性峰值的频率与图2的相比未有变化，即它们都赖于接地导体102。但是由于天线304的宽度和漏斗式的自然状态，电阻和电抗都足够高以使得匹配是可行的。如图2中所示的，该电阻类似于17mm长的单极天线104，天线304的长度的二等分的影响由宽度增加到30倍而得到补偿。与单极天线104相比，宽度的增加将大大地减小天线304的电抗，使匹配明显地更易实现。 
天线304可以通过一个双频段匹配电路馈电。在图5中表示了适合用于GSM和DCS 1800应用的电路的例子，使用的元件值为：C1为1pF；L1为14nH；C2为3pF和L2为7nH。使用时，匹配电路从50Ω 源在连接点P1和P2两端馈电，P3连接到馈电点306，而P4连接到接地平面102。 
进行图3中所示的由图5中所示的双频段匹配电路馈电的天线304和接地平面102的组合的模拟。反射损耗S11的结果表示在图6中，而Smith图表示在图7中，两种情况频率f在800和3000MHz之间。两个谐振中心在930MHz，6dB带宽80MHz；中心在1805MHz，6dB带宽175MHz。 
可以看到容易获得双频段工作。已假定用在该模拟中的电感和电容的品质因数为50，对于不昂贵的微型SMD元件这是合理的。综合效率在GSM接近55％，而在DCS接近70％。这与用普通天线具有相同量级。使用更高品质因数的元件能改进效率。从图4还明白手持机的尺度对工作在GSM和DCS不是最佳的。如果该手持机的尺度是最佳的，则可能实现更小的天线或更宽带的匹配。 
观察图7的Smith图表示出该配置还具有一个有用的性质，即对每个频段获得两次谐振(零电抗)。在两个情况中，较高的频率谐振具有较高的电阻。这是方便的，因为在一个频率双工系统中，接收频段通常在较高的频率上。由于接收机一般是高阻抗器件和发射机一般是低阻抗器件，因此通过保持在一个发射机和该天线304之间的低阻抗路径以及在该天线304和一个接收机之间的高阻抗路径可改进性能。习惯地，一个50Ω的系统阻抗与要求匹配的系统一起使用。在发射机和接收机两者来观察匹配是有损失的和也可降低带宽。 
产生了相应图3中所示实施例的试件，其证实了以上所表示的模拟结果的实际应用。该试件是通过图5中所示形式的匹配电路激励的，使用在值上类似于以上所标记的“流行的”元件。图8中表示频率在800和2000MHz之间该实施例的反射损耗S11的测量值。图9中表示在相同频率范围上说明该实施例阻抗的Smith图。 
实验结果证实，以用模拟预测方式可以得到双频段工作。在模拟和测量之间谐振频率的差异乃是由在实验匹配电路中组合使用标准元件值以及模拟中未考虑电路寄生参数存在所引起。这些因素中没有一个是实施一个具体天线配置的障碍。 
图10是本发明第二实施例的平面图。如图1中所示，它包括一个100×40×1mm的接地导体102，在其上安装一个T形天线404。天 线404的高度和宽度类似于图3的三角形天线304，并因此提供类似的益处，同时使用一个缩减的导体。 
图11是本发明第三实施例的平面图。它包括一个100×40×1mm接地导体502，从该导体上已切去一个角，一矩形天线504安装在该切去的角中，通过馈电引线506馈电。 
对技术人员而言将显见其他实施例的变化范围。例如，有可能提供长度比习惯使用的短得多的螺旋或弯曲线元件替代以上所描述的天线304，404，504。 
根据阅读本发明的公开的说明书，对本专业技术人员而言，其他的修改将是显见的。这样的修改可以包括在设计，制造和使用天线设备和其元件部分已知道的其他特征，和可以用来替代或除在此已描述的特征之外的其他特征。 
在本发明说明书和权利要求中一元件前面的字“a”或“an”并不排除存在多个这样的元件。另外字“包括”并不排除存在所例举之外的其他元件或步骤。 

Claims (9)

1.一种双频段天线设备，包括一个接地导体、一个单极天线元件、和一个与天线元件及接地导体连接的匹配电路，其特征在于，所述匹配电路与所述单极天线元件组合在一起以提供在两个不同工作频率处的电阻峰值，所述两个不同工作频率包括第一个频率和第二个频率；所述天线元件是非谐振的，且显著小于所述天线工作频率处的波长；
其中，所述天线元件包括其宽度显著大于其高度的一个三角形导体，所述天线元件的长度选择为给出合理的电阻并且所述天线元件的宽度选择为在获得所希望的带宽的同时减小所述天线元件的电抗到能由所述匹配电路合理匹配的值。
2.如权利要求1的设备，其特征在于，所述天线元件的阻抗适于由一个50Ω的源激励。
3.如权利要求1的设备，其特征在于，所述匹配电路的较高的工作频率基本上两倍于所述匹配电路的较低工作频率。
4.如权利要求1或2的设备，其特征在于，所述第一个频率适于DCS1800系统，而所述第二个频率适于GSM系统。
5.一种双频段天线设备，包括一个接地导体、一个单极天线元件、和一个与天线元件及接地导体连接的匹配电路，其特征在于，所述匹配电路与所述单极天线元件组合在一起以提供在两个不同工作频率处的电阻峰值，所述两个不同工作频率包括第一个频率和第二个频率；所述天线元件是非谐振的，且显著小于所述天线工作频率处的波长；
其中，所述天线元件包括其宽度显著大于其高度的一个T形导体，所述天线元件的长度选择为给出合理的电阻并且所述天线元件的宽度选择为在获得所希望的带宽的同时减小所述天线元件的电抗到能由所述匹配电路合理匹配的值。
6.如权利要求5的设备，其特征在于，所述天线元件的阻抗适于由一个50Ω的源激励。
7.如权利要求5的设备，其特征在于，所述匹配电路的较高的工作频率基本上两倍于所述匹配电路的较低工作频率。
8.如权利要求5或6的设备，其特征在于，所述第一个频率适于DCS1800系统，而所述第二个频率适于GSM系统。
9.一种无线电通信设备，包括如权利要求1到8中任一个所述的天线设备。
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