CN1708877A - 宽频带环路天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线通信设备和这种设备中使用的天线装置,其中环路天线元件(18)包括:提供在一第一平面内并在其中延伸一个长度的第一部分(20),提供在第一平面中且在其中延伸一个长度的分隔开的第二部分(22),提供在与第一平面基本平行的第二平面中的并与第一和第二部分基本对齐的第三部分(24),和将提供在第一和第二平面中的天线部分互连的第四部分(26)和第五部分(28)。各天线部分形成一三维结构,其在第一和第二平面的至少一个中具有大体上二维的延伸部分。第二部分沿与第一部分相同的直线延伸或者具有一个曲线部分,其是第一部分的曲线部分的延续。由此就获得了需要小地平面的小型宽频带天线。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域,更加具体的说,涉及包括环路天线元件的无线通信设备,还涉及用于无线通信设备的天线装置。
背景技术
无线通信设备领域中的天线,尤其是类似用于近程高频通信的设备的这种特别小的设备,例如使用BluetoothTM(蓝牙)通信协议的设备中的天线必须是小的,因为通常所使用的设备是小的。标准BluetoothTM设备的例子是耳机和免提设备,其使用BluetoothTM与例如蜂窝电话通信。因此这些设备通常需要是小的,与此同时在确定的频带内和在约2GHz或更高的BluetoothTM情况下能够工作。
用于这些类型的设备的典型天线到目前为止已经有偶极天线、单极天线和PIFA(平面倒F天线)。然而在使用时,这些类型的天线确实具有许多缺陷。例如单极天线和PIFA天线需要大的地平面,这使得它难于提供具有良好的天线特性的小型设备。另一方面偶极天线需要是非常长,这也使得它难于与类似耳机的小型设备结合。
当在人头部附近使用时,这些已知设备中还存在有非常大的效率损失。现在已经知道效率降低了十倍,这对于耳机来说是一个严重缺陷。
在由Kyohei Fujimoto等人在IEICE Trans.Commun(卷E84-B,第9期,2001年9月)的2468-2475页上发表的“A Folded Loop AntennaSystem for Handsets Developed and Based on the advancedDeseign Concept(基于先进设计概念开发的用于耳机的折叠环状天线系统)”中,披露了一种用于蜂窝电话的折叠环状天线结构。所示的一个结构包括一小的三维结构,其被布置成提供在地平面的一端处。此处地平面相对于天线结构是非常大的。该天线的另一个缺陷是其放置在地平面以上,因此占用了可贵的PCB空间。
因此需要在小的便携式通信设备中使用新的天线解决方案,其中地平面不但可能是小的,而且其中天线在所述设备中不会占用太多的空间。
发明内容
本发明就是为了解决实现小型天线的问题,其只需要小的接地平面来获得确定的带宽并且其在人头部附近提供了高效率。
本发明解决的另一个问题是提供一种制造廉价的天线。
因此本发明的一个目的是提供一种无线通信设备,其中提供了只需要小的地平面来获得确定的带宽的小型天线元件并且在人头部附近提供了高效率。
根据本发明的第一方面,所述目的是通过一种无线通信设备获得的,其包括:
一环路天线元件,包括:
提供在一第一平面内并在其中延伸一个长度的第一部分,
提供在第一平面中且在第一平面中延伸一个长度的分隔开的第二部分,其中第二部分沿与第一部分相同的线延伸或者具有一个曲线部分,该曲线部分是第一部分的曲线部分的延续,
提供在与第一平面基本平行的第二平面中的并与第一和第二部分基本对齐的第三部分,和将提供在第一和第二平面中的天线部分互连的第四部分和第五部分,
其中各天线部分形成一三维结构,其在第一和第二平面的至少一个中具有大体上二维的延伸部分。
本发明的第二方面包括第一方面的特征,其中所述三维天线结构在第一平面内至少部分地围绕一个可放置组件的区域。
本发明的第三方面包括第一方面的特征,其中第一和第二平面中的天线部分在一个以上的方向中延伸。
本发明的第四方面包括第一方面的特征,进一步包括第六和第七天线部分,它们彼此基本对齐并且分别提供在第一和第二平面内,其中第六和第七部分大致垂直于第一和第三部分的至少一部分并分别与第一和第三部分连接。
本发明的第五方面包括第四方面的特征,其中第四部分进一步将第六和第七部分互连。
本发明的第六方面包括第四方面的特征,进一步包括第八和第九天线部分,它们彼此基本对齐并且分别提供在第一和第二平面内,其中第八和第九部分大致垂直于第二和第三部分的至少一部分并分别与第二和第三部分连接。
本发明的第七方面包括第六方面的特征,其中第五部分进一步将第七和第八部分互连。
本发明的第八方面包括第一方面的特征,其中第一部分具有一第一馈电端,第二部分具有一第二馈电端,它们彼此靠近地设置在第一平面中。
本发明的第九方面包括第一方面的特征,其中所述环路天线的长度对应于一期望频带的中心频率的全波长。
本发明的第十方面包括第一方面的特征,进一步包括一印刷电路板,其包括用于环路天线元件的地平面和无线电电路,其中天线元件部分由印刷电路板约束。
本发明的第十一方面包括第十方面的特征,其中所述天线沿印刷电路板的周界的至少一半设置。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种甚至更好的宽频带性能并且需要甚至更小的地平面的无线通信设备。
根据本发明的第十二方面,其包括第一方面的特征,该问题是通过下述措施解决的,即进一步包括位于与第一平面平行的第三平面中并设置在第二平面不同的第一平面的另一侧上的至少一个无源天线元件,用于为环路天线提供共鸣电路或调谐元件。
本发明的第十三方面包括第一方面的特征,其中以金属条、金属线或二者结合的方式提供各天线部分。
本发明的第十四方面包括第一方面的特征,其中所述设备是一便携式通信设备。
本发明的第十五方面包括第十四方面的特征,其中所述便携式通信设备是耳机。
本发明的另一个目的是提供一种天线装置,其是小的并且只需要小的地平面来获得确定的带宽并且其在人头部附近提供了高效率。
根据本发明的第十六方面,该目的是通过一种用于无线通信设备的天线装置获得的,其包括:
提供在一第一平面内并在其中延伸一个长度的第一部分,
提供在第一平面中且在其中延伸一个长度的分隔开的第二部分,其中第二部分沿与第一部分相同的线延伸或者具有一个曲线部分,其是第一部分的曲线部分的延续,
提供在与第一平面基本平行的第二平面中的并与第一和第二部分基本对齐的第三部分,和将提供在第一和第二平面中的天线部分互连的第四部分和第五部分,
其中各天线部分形成一三维结构,其在第一和第二平面的至少一个中具有大体上二维的延伸部分。
本发明的第十七方面包括第十六方面的特征,其中所述三维结构在第一平面内至少部分地围绕一个可放置组件的区域。
本发明的第十八方面是为了提供能够以部件的形式提供的天线装置。
因此该第十八方面包括第十六方面的特征,并进一步包括一其上提供有天线元件的各部分的电介质材料,以便产生能够安装在印刷电路板上的组件。
本发明具有许多优点。除了以所需的小地平面提供小天线尺寸外,其制造成本也是廉价的。除了在小型设备中提供良好的天线特性之外,还沿提供有天线的设备的侧面提供了ESD保护。本发明此外还提供了良好的天线匹配,与许多其它天线相比,在用户头部附近还不会损失很多的效率。
应该强调的是本说明中所使用的术语“包括”仅仅是为了明确所述特征、整数、步骤或部件的存在,但不排除出现或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、部件或其集合。
附图的简略说明
现在将参照附图更加详细地说明本发明,其中:
图1示意的表示根据本发明的无线通信设备;
图2示意的表示根据本发明优选实施例的连同图1中的无线通信设备的内部的某些其它组件的天线装置的透视图;
图3示意的表示图2的印刷电路板的顶视图;
图4示意的表示根据本发明的天线装置的第二实施例的透视图;
图5示意的表示根据本发明的天线装置的第三实施例的透视图;
图6示意的表示根据本发明的并提供有寄生共鸣元件的天线装置的侧视图;
图7示意的表示连同连接线一起的天线装置的另一侧视图;
图8示意的表示包括根据第一实施例的天线元件的组件的顶视图;
图9示意的表示图8的组件的底视图。
具体实施例
现在将说明根据本发明的无线通信设备。优选的所述无线通信设备也是便携的和小的。另外优选的所述设备是一耳机,其是本发明的优选变形例。也能够以类似非手持设备的耳机之外的任何其它类型的小便携式通信设备来配置它,但本发明也可以等同的以任何其它类型的便携式通信设备来提供,例如移动电话甚或常见的计算机。优选类型的设备是用于近程高频无线通信例如BluetoothTM的设备。
图1表示耳机10的示意图,其包括主体12、麦克风部分16和耳朵扣件14。所述主体包括类似按照BluetoothTM协议工作的无线电电路、电池和扬声器的物件,所有这些物件对于这种类型的装备都是标准的。
图2表示包括与本发明相关的各部分的主体12的内部的透视图。所述主体包括一印刷电路板(PCB)38,其上提供有根据本发明的天线装置18或环状天线元件以及电池40。所述PCB具有矩形形状并且在这里形成一其中配置有所述天线装置的第一平面。所述PCB具有一个长度,其近似等于所使用的波长的三分之一。
天线装置包括沿PCB的最长侧之一的第一半部分配置的第一部分20,该部分在第一馈电端与驱动无线电电路(未示)连接。连接至无线电电路的一端配设置在PCB侧的中间。沿PCB的最长侧的第二半部分提供有一第二部分22,该部分在第二馈电端与地平面(未示)连接。与地平面连接的一端也提供在最长侧的中部。一第三天线部分24提供在PCB上面的并与之平行的第二平面中。该部分24与第一和第二部分20和22对齐。因此它与第一和第二部分平行。在以与所述最长侧成直角设置的PCB的第一短侧末端处,提供有一第四部分26用于互连第一和第二平面中的天线部分。该第四部分26设置在距所述最长侧最远的一个角落处。在距所述最长侧最远的一第二短侧的末端处,提供有一第五部分28用于互连第一和第二平面中的天线部分。以与所述最长侧成直角地设置所述第二短侧。第六部分30沿PCB的第一短侧设置在所述第一平面中并且与在所述最长侧和第一短侧会合的角落处提供的第一部分20的第二末端相连接。所述第六部分还与第四部分26相连接。如从图中可以看出,第六部分垂直于第一部分20。第七部分32设置在与第六部分30对齐的第二平面内并且连接在第三24和第四26部分的两个末端之间。第四部分26垂直于第六30和第七32部分并且第七部分32垂直于第三部分24。以相同的方式,一第八部分34沿PCB的第一短侧设置在第一平面中并且与在所述最长侧和第二短侧会合的角处提供的第二部分22的第二末端连接。第八部分34还与第五部分28连接。第八部分34垂直于第二部分22。一第九部分36设置在与第八部分34对齐的第二平面中并且连接在第三部分24和第五部分28的两个末端之间。第五部分28垂直于第八34和和第九36部分,并且第九部分36垂直于第三部分24。以这种方式提供了一种天线环路,其在两个不同的平面内伸展并且其部分的覆盖了PCB38四个侧面中的三个。因此所述天线装置具有三维结构,其在PCB中就部分的围成了一个区域,其中可放置一个部件。所述各平面间隔开至少约2毫米的距离,该距离保证了天线的良好带宽。按照该天线装置,天线的不同部分在三个不同的方向上延伸,即沿一个最长侧和沿两个短侧延伸,并且所述天线结构形成一个在一侧开口的矩形框体,在该框体内可放置部件和电池。所述环路优选的具有约等于无线电电路所使用的波长的长度。天线各部分是以薄金属条的形式提供的。第一平面内的部分是以在PCB中形成的迹线的形式提供的,而第二平面中的部分和互连部分是由金属片形成的。然而也能够以金属片的形式提供整个天线结构。还能够以金属线的形式提供部分或所有天线结构。
图3表示PCB和第一层中的天线元件的顶视图。为了更清楚起见,此处省略了电池和其它天线元件。这里还示出了一与第二部分22的第二馈电端44连接的接地层48。还示出了第一天线元件20的第一馈电端42。为了清楚起见,此处接地层设置在PCB之上。然而应该意识到可将接地层设置在PCB中的任何地方,例如在PCB的中间的层中或在PCB的底部。此处天线结构部分地环绕接地平面区域。第一和第二部分的馈电端被示出具有不同的长度以便示出一端与地连接,而另一端不与地相接,然而它们可具有相同的长度。可将无线电电路设置在PCB的顶部或在PCB的底侧。作为例子,根据本发明的设备的频带可以是约2GHz或更高。然而,通过缩放整个结构,它可用于任何频率。此外还应该意识到第二馈电端不需要与地相接,但可与另外的馈电电压相连接,所述馈电电压可以是与馈送给第一馈电端相反的电压。此外无线电电路可连接在第一和第二馈电端之间,而不用使天线接地。
对于所述的结构可获得若干个优点。由于天线部分的结构,可将地平面保持得比先前的天线设计小得多,这就意味着可将设备制造的较小。这在类似例如听筒和耳机的BluetoothTM相关的应用中是一个主要优点,其中通常期望将设备保持的尽可能小。所述天线结构也不具有任何突出到PCB外部的部分,在其它天线中其是天线所需的,这也使得设备体积不大。另一个优点是该结构制造成本低廉,因为大部分天线可由迹线的形式提供在PCB上,而其余部分由金属片提供。此外所述结构还能防止在所述设备的三个侧面上进行静电放电(ESD)。这保护了包围的部件并且使得设备操作更加稳定。再一个优点是与其它已知的解决方案相比,当靠近用户的头部使用时,所述天线具有极小的性能下降。在一些已知的解决方案中,损失了多至90%的辐射能,而按照本发明的解决方案,只损失了小至50%的能量。最终天线装置能够不平衡的馈电,其中馈电端与50欧姆的线路配合良好,而不需外部匹配。
现在将参照图4和5说明天线结构的一些变形。图4表示环形PCB38上的三维天线装置的一第二实施例的透视图。此处两个平面中的天线元件被设置为通过互连天线部分互连的圆形部分。然而各部分可以与第一实施例中的各部分相同的方式进行互连。因为所述结构是圆形的,所以第二部分的弯曲部分在这里将用作第一部分的弯曲部分的延续。对该实施例存在一些明显的变形。可将各部分构造成半圆直至几乎是整个圆。所述形状也不一定必须是圆形的,而椭圆形也是可行的。图5中以透视图的方式示出了另一个实施例。该实施例类似于图2中的实施例。此处PCB的长侧具有略微弯曲的部分,以便对PCB提供略微椭圆的形状。此外延长侧设置的天线部分由此在这里被设置成类似弯曲的形状。不同的弯曲部分当然在这里也是可行的。此外也能够以弯曲部分配置沿着短侧的各部分。对第一和第三实施例的进一步可能的变形将只沿一个长侧和一个短侧提供天线部分,此外除了沿已经提供有天线部分的侧面外,还沿一个长侧提供天线部分,该长侧在图2中保留为开口。此处这些部分可沿第四侧只设置一点直至第四侧的几乎所有长度以至它们几乎接触。另一个变形是沿短侧提供馈电天线部分并且除了该短侧之外在两个长侧上具有天线部分,由此留下一个短侧敞开。所述天线是以居中或对称馈电示出的,然而也能够提供不对称的馈电。如从所有实施例能够看到,环路天线是沿PCB的周界的至少一半提供的。此外应该意识到提供天线元件的两个平面不需要是精确平行。因此只要它们基本上平行就足够了。第三部分也不必与第一和第二部分精确对齐,但它只要是基本上对齐就足够了。第六和第七部分以及第八和第九部分以相同的方式也不需要是彼此精确对齐。这些部分也不需要以与第一、第二和第三部分成精确直角的方式提供。第一和第二部分也可以具有不同的长度。不同的天线部分此外也不需要在角落处进行连接,而是可以在沿PCB侧面的任何地方进行连接。互连点的安置由环路的期望长度决定。
图6表示本发明的又一个变形。在图6中示出了从提供有第一和第二天线部分的最长侧看的侧视图。该图表示图2的设置在PCB38的顶侧上的天线装置18。此处在PCB的底侧的第三平面中还提供有一无源天线元件50,其与第二和第三部分对齐并绕这些部分的馈电和接地端对中。无源元件50是浮动的,因为它不与馈电端或地连接。对于该元件,在天线结构的剩余部分和第三层中的元件之间存在有寄生电容。这些元件可用于调节天线。通过该结构获得了一更好的宽频带性能,这使得它能够补偿类似附近金属部分、部件或人头部的干扰。该元件与第一平面中的元件结构对齐,所以如果将提供非直线的另一种结构,则所述元件也将具有相同的结构。
图7表示本发明的另一种变形。此处示出了从最长侧看的侧视图。该图示出了PCB38上的天线结构18的一部分。该图还示出了通过感应组件54与PCB38连接的导线52。所述导线可为这种不同的物件提供扬声器或话筒信号或电池充电。由于感应电路的高频率,对无线传输的信号的影响被限制。因此感应电路用作一种高频滤波设备。
对于本发明还存在有再另一种可能的变形,其将按照部件的形式提供根据本发明的天线装置。这种组件可例如是一表面安装部件,其可在拾取和放置安装方案中使用。
图8表示一个这种部件的顶视图,而图9表示该部件的底视图。这两幅图中所示的天线结构与图2中所示的结构相同。然而应该意识到上面提到的其它类型的结构也是可行的。所述部件包括一为U形的电介质材料38,在其顶侧包括第三、第七和第九部分24、32、36,并且在其底侧包括第一、第二、第六和第八部分20、22、30和34。而第四和第五部分置于U的两个腿的短侧(未示)。然后将第一部分20的第一馈电端42和第二部分22的第二馈电端44放置和焊接至PCB的适当部分。所述部分优选的通过蚀刻安置在电介质材料上,但是当然可采用备选方法。
已经关于耳机说明了本发明,应该意识到这仅是能够提供本发明的一个设备。因此本发明只有后附权利要求限定。
Claims (18)
1.无线通信设备(10),包括:
一环路天线元件(18),包括:
提供在一第一平面内并在其中延伸一个长度的第一部分(20),
提供在第一平面中且在其中延伸一个长度的分隔开的第二部分(22),其中第二部分沿与第一部分相同的线延伸或者具有一个曲线部分,该曲线部分是第一部分的曲线部分的延续,
提供在与第一平面基本平行的第二平面中的并与第一和第二部分基本对齐的第三部分(24),和
将提供在第一和第二平面中的天线部分互连的第四部分(26)和第五部分(28),
其中各天线部分形成一三维结构,其在第一和第二平面的至少一个中具有大体上二维的延伸部分。
2.根据权利要求1所述的无线通信设备,其中所述三维天线结构在第一平面内至少部分地围绕一个可放置部件的区域。
3.根据权利要求1或2所述的无线通信设备,其中第一和第二平面中的天线部分在一个以上的方向中延伸。
4.根据权利要求1-3中的任何一个所述的无线通信设备,进一步包括第六(30)和第七(32)天线部分,它们彼此基本对齐并且分别提供在第一和第二平面内,其中第六和第七部分大致垂直于第一和第三部分的至少一部分并分别与第一和第三部分连接。
5.根据权利要求4所述的无线通信设备,其中第四部分将第六和第七部分互连。
6.根据权利要求4或5所述的无线通信设备,进一步包括第八(34)和第九(36)天线部分,它们彼此基本对齐并且分别提供在第一和第二平面内,其中第八和第九部分大致垂直于第二和第三部分的至少一部分并分别与第二和第三部分连接。
7.根据权利要求6所述的无线通信设备,其中第五部分将第七和第八部分互连。
8.根据前述任何一个权利要求所述的无线通信设备,其中第一部分具有一第一馈电端(42),第二部分具有一第二馈电端(44),它们彼此靠近地设置在第一平面中。
9.根据前述任何一个权利要求所述的无线通信设备,其中所述环路天线的长度对应于一期望频带的中心频率的全波长。
10.根据前述任何一个权利要求所述的无线通信设备,进一步包括一印刷电路板,该印刷电路板包括用于环路天线元件的地平面和无线电电路,其中天线元件部分沿印刷电路板的侧面设置并由其约束。
11.根据权利要求10所述的无线通信设备,其中所述天线沿印刷电路板的周界的至少一半设置。
12.根据前述任何一个权利要求所述的无线通信设备,进一步包括位于与第一平面平行的第三平面中并设置在与第二平面不同的第一平面的另一侧上的至少一个无源天线元件(50),用于为环路天线提供谐振电路或调谐元件。
13.根据前述任何一个权利要求所述的无线通信设备,其中以金属条、金属线或二者结合的方式提供各天线部分。
14.根据前述任何一个权利要求所述的无线通信设备,其中所述设备是一便携式通信设备。
15.根据权利要求14所述的无线通信设备,其中所述便携式通信设备是耳机。
16.一种用于无线通信设备的天线装置,包括:
提供在一第一平面内并在其中延伸一个长度的第一部分(20),
提供在第一平面中且在其中延伸一个长度的分隔开的第二部分(22),其中第二部分沿与第一部分相同的线延伸或者具有一个曲线部分,该曲线部分是第一部分的曲线部分的延续,
提供在与第一平面基本平行的第二平面中的并与第一和第二部分基本对齐的第三部分(24),和
将提供在第一和第二平面中的天线部分互连的第四部分(26)和第五部分(28),
其中各天线部分形成一三维结构,其在第一和第二平面的至少一个中具有大体上二维的延伸部分。
17.根据权利要求16所述的天线装置,其中所述三维结构在第一平面内至少部分地围绕一个可放置部件的区域。
18.根据权利要求16或17所述的天线装置,进一步包括一其上提供有天线元件的各部分的电介质材料(56),以便产生能够安装在印刷电路板上的部件。
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