CN1532992A - 天线设备以及使用该天线设备的收发机 - Google Patents

天线设备以及使用该天线设备的收发机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种传输线路型的天线设备，其具有两个彼此相对的天线元件，在这两个天线元件之间馈送信号。在两个天线元件的相对端彼此连接的连接点中的一个或两个连接点处，设置了能够改变静电电容的可变电容单元。每个可变电容单元都具有可变电容二极管，该二极管的静电电容根据施加在其阳极和阴极之间的直流电压而改变。

Description

天线设备以及使用该天线设备的收发机
技术领域
本发明涉及具有天线设备的收发机，具体地说，本发明涉及传输线路(transmission line)型的天线设备，其由两条彼此相对的线路构成。
背景技术
通常，传输线路型的天线设备具有设置在平面导体上方的线路，在该线路与平面导体之间设置了一定的间距，并在线路与平面导体之间馈送信号。通常，通过使用镜像线路来对这种天线设备执行特性分析，该镜像线路的设置位置使得镜像线路与实际线路关于平面导体对称，并且由实际线路和镜像线路形成的两条线路可被看作是传输线路。因此，这种天线设备称为传输线路型的。已知的这种传输线路型的天线设备有传输线路T型、传输线路M型、传输线路F型(倒F型)等等。
在业余无线电等领域中所使用的并被称为“hentena”的天线设备(例如参见日本专利在先公开No.H9-284028)可被看作为传输线路M型设备当中具有形成为镜像线路的实际线路的天线。
上述传输线路型的传统天线设备由具有低辐射电阻的传输线路形成。因此，在传统的传输线路型天线设备中，天线元件需要比普通天线设备中的馈送电流大几倍到几十倍的馈送电流来获得与普通天线设备相同的辐射功率。因此，天线方向性(directivity)锐化，并且用于阻抗匹配的频带变窄。
发明内容
本发明的第一目的在于实现一种传输线路型的天线设备，其具有宽匹配频带，并能够容易地调整以用于匹配。
本发明的第二目的在于提供一种收发机，其使用沿着一个外框的外围侧部分安装的天线，以能在外框结构的限制之下实现灵活的设计。
本发明提供了一种传输线路型的天线设备，其具有两个彼此相对的天线元件，在这两个天线元件之间馈送信号，并具有能够改变静电电容的可变电容单元，该可变电容单元设置在所述天线元件的相对端彼此连接的连接点中的一个或两个连接点处。
所述两个天线元件在馈送点两侧的每个部分的长度都等于或小于馈送信号的波长的1/4。
所述两个天线元件彼此之间的距离小于馈送信号的波长。
所述可变电容单元具有可变电容二极管，该二极管的静电电容根据施加在其阳极和阴极之间的直流电压而改变。
从电压控制单元通过电感元件将预定的直流电压施加到所述可变电容二极管。
本发明还提供了一种收发机，其中上述天线设备沿着一个外框的外围侧而安装。
在如上所述而设置的天线设备和收发机中，调节所述可变电容单元的静电电容，以实现与馈送点处的期望阻抗的匹配，以及因此而实现与具有期望频率的信号的匹配，其中所述可变电容单元插在所述两个天线元件的相对端彼此连接的连接点中的一个或两个连接点处。
另外，本发明的天线设备沿着外框的外围侧部分而安装，以确保天线元件具有足够的有效长度而不受限于外框尺寸。
附图说明
结合附图，从下面的描述中，本发明上述以及其他目的、特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1是一个框图，示出了表示本发明第一实施例的天线设备的构造；
图2(a)和2(b)说明了图1所示的天线设备的操作原理，其中图2(a)示出了核心部分构造的平面图，而图2(b)是所述天线设备的等效电路图；
图3示出了图1所示的天线设备中的驻波分布和电流；
图4(a)到4(d)示出了图1所示的天线设备的方向性，其中图4(a)示出了天线元件水平部分的方向性的平面图，图4(b)示出了从与天线设备长度方向平行的方向所见的方向性的截面图，图4(c)示出了天线元件垂直部分的方向性的平面图，而图4(d)示出了从天线设备上方所见的方向性的截面图；并且
图5(a)和5(b)示出了表示本发明第二实施例的天线设备的构造，其中图5(a)是平面图，而图5(b)示出了安装状态。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明。图1是一个框图，示出了表示本发明第一实施例的天线设备的构造。
本发明的天线设备是传输线路型天线设备，其中信号被馈送到彼此相对的两个天线元件。在两个天线元件的相对端彼此连接的连接点中的一个或两个连接点处插入可变电容单元。可以通过调节这一可变电容单元的静电电容来改变这种天线设备的阻抗匹配频率。
如图1所示，本实施例的天线设备具有彼此相对的第一天线元件10和第二天线元件11。从连接在第一天线元件10和第二天线元件11之间的信号源14馈送信号。
第一可变电容单元12和第二可变电容单元13分别插入在第一天线元件10和第二天线元件11的相对端彼此连接的连接点处。
第一天线元件10和第二天线元件11从馈送点向相对的方向延伸，并且它们所具有的长度等于或小于馈送信号的波长的1/4。第一天线元件10和第二天线元件11之间的距离比起馈送信号的波长来说足够小。因此，第一天线元件10和第二天线元件11作为传输线路型天线设备而工作。
第一可变电容单元12和第二可变电容单元13中的每一个都具有可变电容二极管16。可变电容二极管16的电极之间的静电电容根据从电压控制单元15提供的控制电压(直流电压)而改变。如图1所示，可变电容二极管16的阴极通过电容器17a交流连接到第一天线元件10，而阳极通过电容器17b交流连接到第二天线元件11。可变电容二极管16还通过线圈18a和18b连接到电压控制单元15，线圈18a和18b防止高频信号的泄漏。向可变电容二极管16的阴极施加正直流电压。如果可以改变静电电容，则第一可变电容单元12和第二可变电容单元13并不局限于使用可变电容二极管16的设置。例如，微调电容器(trimmer capacitor)等可用于第一可变电容单元12和第二可变电容单元13。
下面将参考图2(a)和2(b)，描述图1所示的本实施例的天线设备的操作原理。
图2(a)和2(b)说明了图1所示的天线设备的操作原理。图2(a)示出了核心部分的构造的平面示意图，而图2(b)是所述天线设备的等效电路图。
为了便于描述，假设第一天线元件10和第二天线元件11是保持彼此平行的两条线路。还假设第一天线元件10和第二天线元件11之间的距离D与从信号源14馈送的信号的波长相比来说足够小，并且从馈送点到第一可变电容单元12和第二可变电容单元13的距离l1和l2等于或小于该波长的1/4。因此，图1所示的天线设备可以看作是具有下述构造的设备，即两条平行的线路(parallel dual lines，平行双线路)连接在馈送点的右侧和左侧。来自平行双线路的无线电波辐射是受限的，并且平行双线路的辐射电阻小于偶极天线(dipole antenna)等的辐射电阻。
图2所示的平行双线路上从馈送点看过去的左侧的阻抗Z1以及右侧的阻抗Z2表示如下。如果左侧的辐射电阻是R1；右侧的辐射电阻是R2；左侧的电抗分量是X1；并且右侧的电抗分量是X2，则阻抗Z1和阻抗Z2由下面的等式示出：
Z1＝R1+jX1……(1)
Z2＝R2+jX2……(2)
这样，图2(b)所示的等效电路可以替代图2(a)所示的电路。
根据下述等式，第一可变电容单元12和第二可变电容单元13的容抗x1和x2由第一可变电容单元12和第二可变电容单元13的静电电容C1和C2以及从信号源14提供的信号的角频率ω表示：
x1＝-j/ωC1……(3)
x2＝-j/ωC2……(4)
所述静电电容C1和C2被转换成出现在馈送点处的阻抗分量X1和X2。即，存在由下述等式(5)和(6)表示的关系：
X1＝-jZ0×{x1-Z0tan(βL1)}/{Z0+x1tan(βL1)}……(5)
X2＝-jZ0×{x2-Z0tan(βL2)}/{Z0+x2tan(βL2)}……(6)
其中Z0是平行双线路的特性阻抗(characteristic impedance)，而β是平行双线路的相位常数。
馈送点处的阻抗Z等于左阻抗和右阻抗Z1和Z2的并联阻抗，并可根据上述等式(1)和(2)而由下述等式表示：
Z＝Z1Z2/(Z1+Z2)
 ＝{(R1R2-X1X2)(R1+R2)+(X1R2+X2R1)(X1+X2)}
 /{(R1+R2)2+(X1+X2)2}+j{(R1R2-X1X2)(X1+X2)
 -(X1R2+X2R1)(R1+R2)}/{(R1+R2)2+(X1+X2)2}……(7)
由于辐射电阻一般与长度成正比，因此如果左天线元件和右天线元件的长度具有关系l1≈l2，则可以得出如下近似：
R1≈R2＝R……(8)
将等式(8)代入等式(7)可得：
Z≈R(X1 2+X2 2+2R2)/{4R2+(X1+X2)2}
-j(X1+X2)(X1X2+R2)/{4R2+(X1+X2)2}……(9)
从等式(9)可以看出，如果满足条件X1+X2＝0，则馈送点处的阻抗Z的电抗分量是零，阻抗Z是纯电阻。即，X1和X2被设置成使得它们的极性彼此相反，即，X1和X2中的一个是感抗而另一个是容抗，并且这两个电抗在幅度上彼此相等。这可以通过调节静电电容C1和C2来实现，如可从等式(3)到(6)看出的那样。如果定义：
X1＝-X2＝X……(10)
则等式(9)可简化成：
Z＝(X2+R2)/2R……(11)
从上述说明可看出，如果将第一可变电容单元12的静电电容C1和第二可变电容单元13的静电电容C2调节成使得等式(11)的右侧等于馈送点处的期望阻抗，同时满足等式(10)示出的关系，则本实施例的天线设备可以与具有期望频率的信号相匹配。
静电电容C1和静电电容C2的调节可通过改变从电压控制单元15向第一可变电容单元12和第二可变电容单元13提供的控制电压来执行。即使改变信号源14的角频率ω，也可以通过重新调节控制电压来满足匹配条件。
已经通过假设所述辐射电阻大致相等，即通过使用等式(8)所示的条件来进行了说明。然而，即使R1和R2彼此不同，也可以从等式(7)获得一个方案，使得电抗分量为零并且馈送点处的阻抗等于期望值。
下面将通过举例的方式来描述在第一和第二天线元件中的每一个的长度都等于或小于λ/2的情形下本实施例的天线设备的方向性。
图3示意性地示出了图1所示的天线设备中的驻波分布和电流。
当第一天线元件10和第二天线元件11的长度是λ/2时，其表现出例如图3所示的驻波分布。然而，当所述长度小于λ/2时，则一个电流流过图3所示的天线元件的垂直部分，所述电流所具有的幅度小于驻波的最大幅度但不为零。天线元件的所述垂直部分短于水平部分，但具有与水平部分基本相同的辐射电阻，因为它们不是平行双线路。因此，如果l1+l2显著小于λ/2，即与水平部分中的电流相比不可忽略的电流流过天线元件的垂直部分，则从天线设备辐射的电功率是来自天线元件的水平部分和天线元件的垂直部分二者的结合功率。
图4(a)到4(d)示出了图1所示的天线设备的方向性。图4(a)示出了天线元件水平部分的方向性的平面图。图4(b)示出了从与天线设备长度方向平行的方向所见的方向性的截面图。图4(c)示出了天线元件垂直部分的方向性的平面图。图4(d)示出了从天线元件上方所见的方向性的截面图。
如图4(a)到4(d)所示，该天线设备在所有方向上都表现出“8”字形辐射方向图，尽管取决于观察方向性时所处的平面，方向性在波束宽度和极化方向上会改变。通过改变l1、l2和距离D，可改变波束宽度和增益对极化平面的分布。因此，本实施例的天线设备在各种方向上都具有宽方向性。
如上所述，本实施例的天线设备能够通过可变电容单元的静电电容来扩宽匹配频率带宽。例如，如果在使用多个频率信道的无线通信系统中，向可变电容二极管施加关于频率而被优化的控制电压，则甚至可以实现对偏离初始频带的频率信道中的一个信道的匹配。
在本实施例的天线设备中，由于通过加入可变电容单元而产生了负载作用(loading effect)，因此即使天线元件长度小于λ/2时也可进行匹配。因此该天线设备的尺寸可以减小。
由于本实施例的天线设备具有宽方向性，因此它可以适用于不能预先确定接收电波的方向的移动无线通信终端中。
尽管已经描述了这样一种构造，其中在第一天线元件10和第二天线元件11的两端都提供了可变电容单元，但是也可以通过只在一端提供可变电容单元来获得相同的效果。
下面将参考图5(a)和5(b)描述表示本发明第二实施例的天线设备。
图5(a)和5(b)示出了表示本发明第二实施例的天线设备的构造。图5(a)是平面图，而图5(b)示出了安装状态。
如图5(a)所示，在第二实施例的天线设备中，延长第一天线元件20和第二天线元件21在左右两个方向上的长度，并且第一可变电容单元22和第二可变电容单元23设置在由λ/2的整数倍定义的位置附近。信号从设置在这两个天线元件之间的信号源24馈送到第一天线元件20和第二天线元件21。对于这一构造，第一可变电容单元22和第二可变电容单元23的电抗也可以使用上述等式(5)和(6)来计算。
在本实施例的天线设备中，由于从馈送点所见到的电抗与第一实施例相同，因此在与第一实施例相似的条件下可以进行匹配，尽管存在辐射电阻差别。
所述天线元件的双线路没有必要是平行的直线。即使在所述双线路被弯曲的设置中也可以进行匹配。例如，如果天线元件例如沿着图5(b)所示的外框的外围侧部分而安装，则天线元件可以具有足够长的有效长度而不会受限于外框尺寸。而且，通过弯曲天线元件可以减小方向性的死角。
在本实施例的构造中，该设备可以在由外框结构所决定的条件下进行灵活的设计，从而获得具有宽方向性的传输线路型天线设备。无需赘言，图5(b)所示的安装方法可以应用于图1所示的第一实施例的天线设备。
尽管已结合某些优选实施例描述了本发明，但是应该理解到，本发明所包括的主题物并不局限于这些具体实施例。相反，本发明的主题物应当包括可被包含在下述权利要求的精神和范围之内的所有替代物、变体和等同物。

Claims (16)

1.一种传输线路型的天线设备，包括：
两个彼此相对的天线元件，在这两个天线元件之间馈送信号；以及
能够改变静电电容的可变电容单元，所述可变电容单元设置在所述两个天线元件的相对端彼此连接的连接点中的一个或两个连接点处。
2.如权利要求1所述的天线设备，其中，所述两个天线元件在馈送点两侧的每个部分的长度都等于或小于所述馈送信号的波长的1/4。
3.如权利要求1所述的天线设备，其中，所述两个天线元件彼此之间的距离小于所述馈送信号的波长。
4.如权利要求1所述的天线设备，其中，所述可变电容单元具有可变电容二极管，该二极管的静电电容根据施加在其阳极和阴极之间的直流电压而改变，并且从电压控制单元将预定的直流电压施加到所述可变电容二极管。
5.一种传输线路型的天线设备，包括两个彼此相对的天线元件，在这两个天线元件之间馈送信号，其中所述两个天线元件彼此之间的距离小于所述馈送信号的波长。
6.如权利要求5所述的天线设备，其中，所述两个天线元件在馈送点两侧的每个部分的长度都等于或小于所述馈送信号的波长的1/4。
7.如权利要求5所述的天线设备，其中，所述两个天线元件具有能够改变静电电容的可变电容单元，该可变电容单元设置在所述两个天线元件的相对端彼此连接的连接点中的一个或两个连接点处。
8.如权利要求7所述的天线设备，其中，所述可变电容单元具有可变电容二极管，该二极管的静电电容根据施加在其阳极和阴极之间的直流电压而改变，并且从电压控制单元将预定的直流电压施加到所述可变电容二极管。
9.一种收发机，包括如权利要求1所述的天线设备，该天线设备沿着外框的外围侧部分而安装。
10.一种收发机，包括如权利要求2所述的天线设备，该天线设备沿着外框的外围侧部分而安装。
11.一种收发机，包括如权利要求3所述的天线设备，该天线设备沿着外框的外围侧部分而安装。
12.一种收发机，包括如权利要求4所述的天线设备，该天线设备沿着外框的外围侧部分而安装。
13.一种收发机，包括如权利要求5所述的天线设备，该天线设备沿着外框的外围侧部分而安装。
14.一种收发机，包括如权利要求6所述的天线设备，该天线设备沿着外框的外围侧部分而安装。
15.一种收发机，包括如权利要求7所述的天线设备，该天线设备沿着外框的外围侧部分而安装。
16.一种收发机，包括如权利要求8所述的天线设备，该天线设备沿着外框的外围侧部分而安装。
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