CN1641932A

CN1641932A - 天线和装备该天线的无线电通信设备

Info

Publication number: CN1641932A
Application number: CNA2004100120029A
Authority: CN
Inventors: 沟口聪; 天野隆
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2005-07-20
Also published as: US20050151691A1; EP1555720A1; JP3848328B2; JP2005203853A; US7109936B2

Abstract

天线(2)被成形为包括一个基本上为1波形的环形部分(21、22、27、28)和一对双极部分(23、25、27)(24、26、28)。该环形部分(21、22、27、28)包括垂直部分(21、22)，它们沿垂直方向彼此相对放置。该双极部分(23、25、27)(24、26、28)共享环形部分(21、22、27、28)的一部分，并沿水平方向彼此相对放置。

Description

天线和装备该天线的无线电通信设备

技术领域

本发明涉及天线和装备该天线的无线电通信设备。

背景技术

当一个便携无线电通信设备处于通信状态时，使用者的头处在靠近该便携无线电通信设备的位置。在这种情况下，如果由便携无线电通信设备中提供的天线辐射波的辐射图在该通信设备靠近使用者头的一侧有一个主瓣，则由于使用者的头部等对它的影响，天线的特性会有很大变化。

作为克服这种缺点的技术，已知有日本专利申请公开出版物2002-9534号和2001-339215号公开的那些技术。

在日本专利申请公开出版物2002-9534号中公开的便携无线电通信设备中提供了一种放在机壳中的天线。该天线包括直线馈电元件和直线无源元件，它们彼此基本上平行地排列。馈电元件和无源(passive)元件沿着垂直于机壳前表面的方向延伸(机壳前表面是在其上面放置接收机的表面)。无源元件沿着从机壳前表面离开的方向与馈送元件分开。从馈电装置向馈电元件供给电流。结果，馈电元件起到双极天线的作用。

天线有方向性，其中从天线辐射的波的辐射沿着从馈电元件向无源元件的方向有一峰值，这是由于馈电元件和无源元件组合操作的结果。就是说，该天线的特性是辐射波向机壳后部一侧辐射，这样便减小了人体靠近机壳前侧对天线的影响。

日本专利申请公开出版物2001-339215公开了一种天线，它包括两个馈电元件和两个无源元件。更具体地说，在该天线中，两个馈电天线和两个被动天线被排列成两个无源元件置于两个馈电元件之间或者两个馈电元件置于两个无源元件之间。然后，有相反相位的电流分别被提供给馈电元件，从而减小穿过无线电设备机壳的电流，并减小由人体的影响造成的天线特性降低。

然而，在上述出版物中公开的天线必须进行平衡馈电或提供两个馈电点，以便得到所希望的辐射特性。为实现平衡馈电，馈电装置需要包括一个平衡-不平衡变换器(balun)，从而增大了部件成本、由于提供平衡-不平衡变换器造成的损耗、用于安装部件的区域以及制成的各天线之间特性的变化。再有，在提供两个馈电点的情况中，部件成本、用于安装部件的区域以及制成的各天线之间特性的变化都增大。

另一方面，在平衡馈电方法和不平衡馈电方法这两种方法中，已知环形电线是辐射图变化量小的一种天线。

图22显示方形1波长环形天线的电流分布。在这类环形天线中，当水平元件被激励时，在一对水平元件上产生有相同相位的电流。这样，如图23中所示，沿着垂直于该对水平元件和一对垂直元件所定义的平面的方向(X)方向辐射水平极化波。该对垂直元件被激励在垂直元件上产生有相反相位的电流。这样，如图23中所示，沿着水平元件的方向(Y方向)辐射垂直极化波。如图22所示，流经每个水平元件的电流之值大于流经每个垂直元件的电流之值，因此垂直极化波小于水平极化波。

以这种方式，在1波长环形天线中。波在X方向辐射大是不可避免的。为了限制波向便携无线电通信设备机壳前侧辐射，必须使环形天线的水平元件和垂直元件定义的平面指向垂直于机壳前表面的方向。所以，必须足够地增大机壳的厚度(即机壳前表面和后表面之间的距离)。

图24显示方形2波长环形天线的电流分布。如图24中所示，在天线长度设置为对应于两个波长的情况中，当水平元件被激励时，在一对水平元件上分别产生有相反相位的电流。同样，当垂直元件被激励时，在一对垂直元件上分别产生有相反相位的电流。这样，如图25中所示，沿Y方向强辐射垂直极化波，而沿X方向的水平极化波的辐射可受到限制。

所以，在2波长环形天线中，由水平元件和垂直元件定义的平面位于平行于机壳前表面的位置，此外，向机壳前侧的波辐射可被减小。

然而，2波长环形天线占用机壳中的大的空间，因为它的长度大。

这样，传统天线的缺点是必须进行平衡馈电和构成元件占用机壳中的大空间。

考虑到这些情况，人们一直需要天线做小，而且还要当只使用一个馈电点进行不平衡馈电时减小沿指定方向的波辐射。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种天线，其特征是包含一个基本上为1波长的环形部分，它包括沿第一方向彼此相对放置的第一部分和第二部分，以及一对共享一部分环形部分的一对双极部分，这对双极部分沿垂直于第一方向的第二方向彼此相对放置。

根据本发明的第二方面，提供了一种天线，包含(i)基本上为1波长的环形部分，其中包括沿第一方向彼此相对放置的第一部分和第二部分，以及(ii)一对共享一部分环形部分的一对双极部分，这对双极部分沿垂直于第一方向的第二方向彼此相对放置，以及馈电装置用于对第一部分进行不平衡馈电。

本发明的其他目和优点将在下文的描述中提出，而且部分地将从描述中看出，或可从本发明的实践中学习到。本发明的目的和优点可以借助下文中具体指出的设备及其组合来实现和获得。

附图说明

纳入本说明书并作为其一部分的附图说明了本发明的当前优选实施例，与上述给出的一般描述和下文给出的对优选实施例的详细描述一起，用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的便携无线电通信设备的结构的透视图。

图2A和2B显示图1所示天线中的双极部分和环形部分。

图3显示当从馈电装置向图1所示天线中的水平部分供给电流时得到的天线电流分布。

图4显示当相对于图1所示设备机壳从上方观看时天线辐射波的辐射图(在XY平面)。

图5显示当相对于图1所示机壳从左侧观看时天线辐射波的辐射图(在ZX平面)。

图6A至6L分别显示天线2的若干变体各自辐射波的辐射图，这些变体有不同的环形长度L1和不同的双极长度Ldp，它们都被调节到其谐振(操作)频率为2GHz。

图7显示每个垂直极化波的向左和向右的强度。

图8以图形说明环形长度Llp与具有图6A至6L所示辐射图的每个垂直极化波向左和向右强度之差的关系。

图9显示每个在XY平面的垂直极化波最大强度与每个水平极化波沿向前方向的强度之间的关系。

图10以图形说明环形长度Llp与具有图6G至6L所示XY平面辐射图的每个垂直极化波最大强度之差之间的关系。

图11A至11L分别说明在双极长度Ldp变化而环形长度Llp固定的情况下如何得到XY平面的垂直极化波辐射图。

图12用于解释向前方向(180°)和零方向(即存在零的方向)之间的夹角。

图13说明环形长度Llp与在图11A至11L中所示每个垂直极化波辐射图中向前方向和零方向之间夹角之间的关系。

图14用于解释在XY平面垂直极化波辐射图向前强度和向右强度之间的差别。

图15以图说明环形长度Llp与具有图11A至11G中所示XY平面辐射图的每个垂直极化波向前强度和向左强度之差之间的关系。

图16A至16L分别显示在环形长度Llp变化而双极长度Ldp固定的情况下如何得到辐射图。

图17用于解释在XY平面的垂直极化波最大强度和每个水平极化波沿向前方向的强度之间的关系。

图18以图说明环形长度Llp与具有图16A至16L所示XY平面辐射图的每个水平极化波向前强度和向左强度之差之间的关系。

图19用于解释在XY平面垂直极化波辐射图的向前强度和向右强度之间的差别。

图20以图说明环形长度Llp与具有图16A至16L所示XY平面辐射面的每个垂直极化波向前强度和向左强度之差之间的关系。

图21显示图1中的垂直部分23和24之间的距离与辐射效率之间的关系。

图22显示方形1波长环形天线的电流公布。

图23显示图22所示方形1波长环形天线辐射的在XY平面的波辐射图。

图24显示方形2波长环形天线的电流分布。

图25显示图24所示环形天线辐射的在XY平面的波辐射图。

具体实施方式

现在将参考附图解释本发明的一个实施例。

图1是根据本发明实施例的便携无线电通信设备的结构的透视图。如图1中所示，根据该实施例的便携无线电通信设备包括装在机壳1内的天线2。机壳1还包含电路板3。为了清楚地显示天线2的结构，在图1中机壳1以虚线显示，以便于解释。

假定如图1所示相对于机壳1确定了“向前”、“向后”、“向左”、“向右”、“向上”和“向下”各方向。机壳1沿向前或向后方向是薄的。在机壳的前表面上提供接收机部分等(未画出)。应该指出，上述方向是相对于机壳定义的相对方向，只是为了方便，并非绝对方向。

天线2由导体材料制成，包括水平部分21和22，垂直部分23、24、25和26以及短接(shorting)部分27和28。

水平部分21和22彼此分开。水平部分21和22彼此平行放置，沿向右和向左方向延伸。水平部分21被相对于其中心分成两部分，其中一部分与电路板3中提供的馈电装置4相连，另一部分与位于电路板3上的PCB-GND相连。馈电装置4不包括平衡-不平衡变换器，并且向水平部分1进行不平衡馈电。

垂直部分23和24从水平部分21的两端向上延伸。垂直部分25和26从水平部分21的两端向下延伸。

短接部分27从水平部分21的一端沿向上方向延伸，再依次折向左(沿向上方向)、向右(沿向前方向)、向右(沿向下方向)、向右(沿向后方向)、向右(沿向上方向)和向左(沿向后方向)，然后与水平部分22的一端相连。短接部分28从水平部分21的另一端沿向上方向延伸，再依次折向左(沿向上方向)、向右(沿向前方向)、向右(沿向下方向)、向右(沿向后方向)、向右(沿向上方向)和向左(沿向后方向)，然后与水平部分22的另一端相连。

在机壳1内提供天线2，使得水平部分21和22所在假想平面平行于机壳1的前表面。无需说，上述术语“假想平面”是用于几何解释水平部分21和22的位置，即不意味着有真实的对象用作便携无线电通信终端中的构成元件。

接下来将解释便携无线电通信装置中天线2的操作。

由于天线2有上述结构，垂直部分23和25以及短接部分27用作双极部分，如图2A中加斜线部分所示。同样，垂直部分24和26以及短接部分28用作双极部分。再有，水平部分21和22以及短接部分27和28用作环形部分，如图2B中的斜线部分所示。

其中L1至L5是图2A和2B中指出的天线2各部分的长度。

每个双极部分的长度“Ldp”由下式表示：

Ldp＝2×L2+2×L3+2×L4+L5

环形部分的长度“Llp”下式表示：

Llp＝2×L1+4×L3+4×L4+2×L5

图3显示当从馈电装置4向水平部分21供给电流得到的天线2电流分布。在图3中每个箭头的方向指示一个电流相量(phasor)，每个箭头的厚度指示该电流相量的强度。

当“Llp”对应于一个波长时，环形部分的作用是一个1波长环。然而，如从图3可见，当上述一对双极部分被激励在双极部分产生有相反相位的电流时，水平部分21和22也被激励在水平部分21和22产生有相反相位的电流。然后，当垂直部分21和22沿垂直方向延伸时，在每个双极部分的电流相量的方向也是垂直方向，这样，由于在每个双极部分的电流相量，垂直极化波被辐射出来。与此同时，由于在每个水平部分21和22的电流相量方向是水平方向，所以由于每个水平部分21和22的电流相量，水平极化波被辐射出来。

图4显示当相对于机壳1从上方观看时天线2辐射波的辐射图(在XY平面)。如图4中所示，在XY平面，垂直极化波被辐射出来作为主极化波。垂直极化波的辐射图在机壳1的前、后侧之间延伸的轴线附近有零值。这是因为，在辐射的能量当中，在机壳1的前、后侧之间的轴线附近，向右能量和向左能量彼此抵消，因为在双极部分的电流的相位彼此相反。

图5显示当相对于机壳1从左侧观看时线线2辐射波的辐射图(在2X平面)。如图5中所示，垂直极化波被辐射出来作为主极化波。垂直极化波的辐射图在机壳1的前、后侧之间延伸的轴线附近有零值。这是因为，在辐射的能量当中，在沿机壳1的前、后侧之间延伸的轴线附近，向上能量和向下能量彼此抵消，因为在水平部分21和22的电流的相位彼此相反。应该指出，参考图5，水平极化波辐射图的零点偏离上述轴线。这是因为在水平部分21的电流相量强度不同于在水平部分22的电流相量强度，因为进行的是不平衡馈电。

这样，垂直极化波和水平极化波每个都在其作为主极化波辐射的平面上在机壳1的前、后侧之间延伸的轴线附近有零点。就是说，电磁场沿向前和向后方向的辐射受到限制。此外，在XY平面，水平极化波也出现，而在ZX平面，垂直极化波也出现。然而，这两个极化波对向前和向后方向的电磁场辐射影响小，它们小于主极化波。

图6A至6L分别显示当环形长度Llp改变而双极长度Ldp调节到使得谐振(操作)频率为2GHz的情况中如何在XY平面得到辐射图。

更具体地说，图6A至6F显示天线2的变体，它们分别有环形长度L1为“0.69λ”、“0.76λ”、“0.83λ”、“1.01λ”、“1.29λ”和“2.19λ”。天线2的变体的双极长度Ldp分别为“0.50λ”、“0.50λ”、“0.53λ”、“0.63λ”、“0.69λ”和“0.91λ”。图6G至6L显示在XY平面的辐射图，它们是分别由天线2的变体得到的。

如图7中所示，当图6G至6L所示在XY平面的垂直极化波辐射图的向左强度为Eth(90)，上述垂直极化波辐射图的向右强度为Eth(270)，对于每个垂直极化波，其向右和向左强度之差为“Eth(270)-Eth(90)”。上述差值与环形长度Llp之间的关系图示于图8中。

该差值越小，则向右强度和向左强度之间的平衡越好。如从图8中所见，可以说环形长度Llp越大则该差值越小，而当环形长度Llp等于或大于1波长时上述平衡可令人满意。

另一方面，如图9中所示，对于图6G至6L中所示在XY平面的辐射图，每个垂直极化波的最大强度为Eth(270)，每个水平极化波沿向前方向的强度是Eph(180)，如图6G至6L所示，Eth(270)和Eph(180)之差与环形长度Llp之间的关系图示于图10中。

水平极化波对向前方向的电磁场辐射的影响随着Eth(270)和Eph(180)之间差值的增大而减小。由图10可以说Eth(270)和Eph(180)之差随着环形长度Llp的增大而增大，而当环形长度Llp等于或大于1波长时它已足够大。

图11A至11L分别说明在双极长度Ldp变化而环形长度Llp固定的情况下如何得到XY平面的辐射图。

更具体地说，图11A至11F分别显示有不同双极长度Ldp的天线2的变体。图11G至11L显示分别由图11A至11F所示天线2变体在XY平面得到的辐射图。

如上所述，天线2的变体有各自的双极长度Ldp和相同的环形长度Llp，如图11A至11F中所示。例如，图11A中所示天线2的变体有双极长度Ldp“0.61λ”和环形长度“0.79λ”。应该指出，参考图11A至11F，天线2各变体的谐振频率是不同的，因为它们的双极长度不同。就是说，图11A至11F中所示天线2的变体的“λ”值彼此不同。

如从图11A至11F可看到的那样，即使双极长度Ldp改变，双极长度Ldp与波长“λ”的比值也没有大的改变。就是说，图11A至11F中所示变体的波长“λ”落入“0.61λ”至“0.67λ”的范围内。环形长度Ldp与波长“λ”之比变化很大。

如图12中所示，当每个在XY平面的垂直极化波(它们的辐射图示于图11G至11L)的强度为极小的方向的角度为“Th(Eth-min)”时，则向前方向(180°)和零方向(即存在零值的方向)之间的角度差为“Th(Eth-min)-180”。上述差值与环形长度Llp之间的关系图示于图13中。

上述差值越小，则每个波的向右和向左强度之间的平衡越好。更具体地说，如从图13中可见，环形长度Llp越大，则该差值越小。当环形长度Llp等于或大于1波长时，该差值等于或小于2°。在这种情况中，向右和向左强度之间的平衡足够令人满意。

另一方面，当在XY平面辐射图中向右和向左强度之间的平衡合乎理想时，向前强度为极小，而向左强度为极大。这样，如图14中所示，当对于图11G至11L中所示每个垂直极化波辐射图，有向前强度Eth(180)和向左强度Eth(90)时，向前强度和向左强度之差，即“Eth(90)-Eth(180)”越大，则沿向前方向限制波辐射的功能越好。上述差值和环形长度Llp之间的关系图示于图15中。

如从图15中可看到的那样，环形长度Llp越大，向前方向和零方向的差值越大。当环形长度Llp等于或大于1波长时，向左和向前强度之差等于或大于20dB。该辐射被充分地限制住。

更具体地说，图16A至16F分别显示天线2的变体。图16G至16L显示由天线2的变体得到的在XY平面的辐射图。

如图16A至16F所示，天线2的这些变体有不同的双极长度Ldp和环形长度Llp。例如，图16A中所示天线2的变体双极长度Ldp为0.72λ和环形长度Llp为0.59λ。应该指出，图16A至16F中所示天线变体有不同的谐振频率。就是说，图16A至16F中所示天线变体的“λ”值彼此不同。

如图17中所示，对于XY平面的辐射图，如图16G至16L中所示，每个垂直极化波的最大强度为Eth(270)，而每个水平极化波沿向前方向的强度为Eph(180)，如图16G至16L中所示，则Eth(270)和Eph(180)之差与环形长度Llp之间的关系图示于图18中。

当Eth(270)和Eph(180)之间的差值增大时，水平极化波对电磁场沿向前方向辐射的影响减小。由图18可以说，当环形长度Llp等于大约1波长时Eth(270)和Eph(180)之差足够大。

另一方面，当在XY平面辐射图中向右和向左强度之间的平衡合乎理想时，向前强度为极小，而向左强度为极大。这样，如图19中所示，当对于图16G于16L中所示垂直极化波辐射图有向前强度Eth(180)和向左强度Eth(90)时，向左和向右强度之差，即“Eth(90)-Eth(180)”越大，则向左和向右强度之间的平衡越好。上述差值和环形长度Llp之间的关系图示于图20中。

如从图20中可看到的那样，当环形长度Llp等于约1波长时，向右和向右强度之间的平衡是令人满意的。

这样，即使当应用上述条件中的任何一个时，当环形长度Llp等于约1波长，则在XY平面辐射图的向左和向右强度之间的平衡是令人满意的。所以，根据上述实施例，天线2的构造元件的长度被这样确定，即应使环形长度Llp等于约1波长。

再有，优选地，双极长度Ldp等于约0.5波长，因为双极部分用作一个双极天线。

图21显示辐射效率与垂直部分23和24之间距离的关系。如从图21中所见，当垂直部分23和24之间的距离等于或大于0.1波长时，辐射效率足够大。所以优选的是垂直部分23和24之间的距离等于或大于0.1波长。

当天线2的构造元件的上述长度设为满足上述条件时，没有必要在根据本实施例的便携无线通信设备的馈电装置4设置平衡-不平衡变换器，因为馈电装置4进行不平衡馈电。这样，便携无线电通信设备能避免由于使用平衡-不平衡变换器而可能发生的各种问题。再有，根据本实施例的便携无线电通信设备同时满足下列情况：进行不平衡馈电；以及能令人满意地限制向前方向的波辐射。此外，在该实施例中，尽管天线2有环形部分，但它能做得小于2波长环形天线，因为它的环形长度Llp对应于1波长。

天线2沿向前/向后方向的最大长度充分地小于天线2沿向上/向下方向或向右/向左方向的最大长度。这样，天线2能被有效地设置在机壳1中，如图1所示，机壳1的形状是沿向前/向后方向薄。结果，所得到的便携无线电通信设备是袖珍的，此外，还能减小当人体靠近机壳1前表面时会发生的通信功能的降低。

当机壳1以这种方式做薄时，与天线2平行地设置电路板3。在这种情况中，存在指向电路板3等的辐射可能被电路板3衰减的危险，因而损耗可能会大。然而，根据本实施例，由于电路3等的上述损耗能被限制，因为电磁场向电路板3的辐射是被限制的。

上述实施例能做如下修改：

天线2的形状能被任意改变。例如，垂直部分23、24、25和26的端部可以弯曲。水平部分21和22不需要彼此平行。水平部分21不需要只是相对于它的中心分成两部分。就是说，水平部分21被分成两部分的位置不限于其中心。垂直部分23和24不需要彼此平行。垂直部分25和26不需要彼此平行。垂直部分24和26不需取向为沿相同轴线延伸，即它们可以相对于彼此倾斜。短接部分27和28可以不位于垂直于水平部分21和22所在假想平面的假想平面中，而且可以以任何形状构成，只要它们与水平部分21和22的在它们一侧的端点相连。短接部分27和28不需要彼此平行。然而，当天线2的上半部和下半部之间的对称性降低时，沿垂直方向辐射图的平衡降低。同样，当天线2的左半部和右半部之间的对称性降低时，沿水平方向辐射图的平衡降低。所以，优选的是，天线2的形状要使天线2的上半部和下半部之间以及天线2的左半部和右半部之间的对称性设置得尽可能更高些。

本发明不限于便携无线电通信设备。就是说，本发明能用于其他种类无线电通信设备。

对于本领域技术人员而言，将容易想到其他优点和修改。所以，本发明在其更广泛的方面不限于这里显示和描述的具体细节和特定实施例。因此，可以做出各种修改而不脱离由所附权利要求及其等同所定义的总的发明构想的精神和范围。

Claims

1.一种天线(2)，其特征在于包含：

基本上为1波长的环形部分(21、22、27、28)，包括第一部分(21)和第二部分(22)，所述第一部分和第二部分沿第一方向彼此相对放置；以及

一对双极部分(23、25、27)(24、26、28)，它们共享一部分环形部分(21、22、27、28)，而且它们沿垂直于第一方向的第二方向彼此相对放置。

2.根据权利要求1的天线(2)，其特征在于环形部分(21、22、27、28)成形为包括由环形部分(21、22、27、28)相对于一个假想平面分割而成的两个一半部分，该假想平面垂直于第一部分(21)和第二部分(22)被安排的方向，而且这两个一半部分相对于该假想平面对称。

3.根据权利要求1的天线(2)，其特点在于该对双极部分(23、25、27)(24、26、28)成形为相对于一个假想平面彼此对称，该假想平面垂直于该对双极部分(23、25、27)(24、26、28)被安排的方向。

4.根据权利要求1的天线(2)，其特征在于该对双极部分(23、25、27)(24、26、28)每个具有对应于0.5波长的长度。

5.根据权利要求1的天线(2)，其特征在于该对双极天线(23、25、27)(24、26、28)彼此相距对应于0.1波长或更大的距离。

6.一种无线电通信设备，其特征在于包含：

天线(2)，包含(i)基本上为1波长的环形部分(21、22、27、28)，所述环形部分包括第一部分(21)和第二部分(22)，它们沿第一方向彼此相对放置，以及(ii)一对双极部分(23、25、27)(24、26、28)，所述第一部分和第二部分共享一部分环形部分(21、22、27、28)，而且它们沿垂直于第一方向的第二方向彼此相对放置；以及

馈电装置(4)，用于对第一部分(21)进行不平衡馈电。