CN1729592A - 用于便携式无线电设备的小体积天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于便携设备的小体积宽带天线，该天线的特征在于其包括：第一传导表面，基本位于围绕内部空间的非闭合曲线形状的第一几何表面中，可连接到所述设备的收发器模块的独立接地；以及第二传导表面，基本设置于与所述第一几何表面基本一致且位于所述内部空间中的第二几何表面中，形成可连接到天线馈线导体的辐射组件；由此所述天线半独立于所述设备的元件。

Description

用于便携式无线电设备的小体积天线
技术领域
本发明涉及特别但并不专门用在移动无线电话中的小体积天线。
背景技术
在移动无线电话中，使用通常安装在无线电话壳体外部的螺旋形天线是已知的。这种天线可以是相对小尺寸的，但是它们被放置在壳体外部，以便与其自身放置于无线电话壳体内部的地平面相联系。
制造无线电话的当前趋势是消除任何外部天线，以使天线定位于壳体内部。该趋势也要减小无线电话的尺寸，或者至少将更大数量的部件集成于给定外部尺寸的无线电话中。
作为结果，设计具有尺寸较小的可用内部天线的无线电话是有利的。
为了满足第一条件，已提议在PiFa型或类似的无线电话中使用贴片(patch)型天线。该贴片天线本质上由地平面和辐射板(通常是基本平行于地平面的辐射元件)构成，也包括与天线馈线(feed)一起的、在辐射元件和地平面之间的短路连接，该天线馈线通常是50欧姆(Ω)馈线，尽管并非基本的，并且通常是制造成微带线形式或者同轴连接器形式或者具有接近50Ω特征阻抗的并行接触连接器形式。
在用于无线电话的频带中，特别是在对应于通用移动通信系统(GSM)的频带(其中中心频率大约是920兆赫兹(MHz))中，至少当辐射元件与地平面之间的电介质是空气时，辐射元件与地平面之间的最小距离大约是7毫米(mm)到10mm。7mm到10mm等级的此厚度对于制造无线电话来说被认为过大。遗憾的是，发现了如果进行尝试以减小PiFa天线的厚度，例如为了使其降到小于5mm，那么天线的通带显著减小，由此使其实际上不可用。已知的贴片天线因此并未更好地满足指定的上述第二条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种天线，其特别适用于移动无线电话中，并呈现很小体积，且厚度很小。
该天线还优选地是使其能够用于至少两个频带中的体系结构。
为了达到此目的，本发明提供了一种用于便携设备的很小体积天线，包括：
第一传导表面，基本位于围绕内部空间的非闭合曲线形状的第一几何表面中，可连接于所述设备的收发器模块的独立接地；以及
第二传导表面，基本设置于基本与所述第一几何表面一致且位于所述内部空间中的第二几何表面中，形成可连接到天线馈线导体的辐射组件；
由此所述天线半独立于所述设备的元件。
可以理解，由于天线是由设置于与上述基本相同的几何表面中的两个传导表面构成的，天线厚度可以很小，要么是其自身表面从其切出的金属板的厚度，要么是已在其上进行金属化的柔性或非柔性绝缘基板的厚度。正是该连接系统，增加了天线在定域(localized)位置中的厚度。
此外，可以理解，构成天线的辐射组件的第二金属化可被给予这样的形状，该形状使得天线既能在GSM 850(美国)、GMS 900(欧洲)频带中又能在DCS 1800(欧洲)、PCS 1900(美国)频带中工作。
如下具体所述，此天线提供例如25％等级的很宽频带，其特征在于半独立于无线电话设备的元件和部件。术语“半独立”被用来于表示该天线的操作不受其中安装有天线的设备中的其他部件或元件影响。天线仅在存在于辐射聚集(mass)或来源例如电池的紧邻近处时才受到干扰。还应观察到天线的接地需要从独立于设备接地的接地的收发器模块被直接供电。
天线被优选地安装于其将适配的设备内部。然而，给定其形状基本放置于单个几何表面上，可能有利的是，将其设置于构成该设备的附着夹具的外部机械件中，特别是在该设备是无线电话时。
还应该理解，本发明通过在最初是平面的柔性绝缘支持件上进行适当形状的金属化，能够制造该天线。随后，该天线可被固定于自身并非平面的机械部分或部件，该柔性绝缘支持件采用该机械部分或部件的特定形状，然后该天线具有弯曲几何表面的形状。
此外，可设想各种天线馈线解决方案：
a)非对称
同轴连接(连接器、线缆)；
b)对称
并行线(连接器)。
由于辐射元件和传导板位于相同平面中，所以易于集成用于调节频率的有源或无源电子部件。
附图说明
在阅读作为非限制性实例的本发明各种实施例的如下描述时，本发明的其他特征和优点将更好地呈现。该描述参考了附图，其中：
图1A是天线实施例的平面图；
图1B是经过线B-B上的图1A天线的垂直剖面图；
图2A、2B和2C表示第一传导表面的第一变形实施例；
图2D和2E表示第一传导表面的第二变形实施例；
图3表示其中包括有源部件的天线的变形实施例；
图3A是曲线图，其绘出了当谐振从890MHz变换到894MHz时作为频率的函数的电压驻波比(VSWR)；
图4是优选实施例的平面图；以及
图5是曲线图，其绘出了对于图4天线在850MHz周围和1900MHz周围的两个范围中作为频率的函数的VSWR。
具体实施方式
首先参见图1A和1B，随后是本发明的天线第一实施例的描述。该天线是由基本是平面的第一传导表面10构成，其由传导带(strip)12构成，它的中线14基本是矩形形式(除了开口16之外)，且其宽度 e基本恒定。矩形的长度写作L，其宽度写作l。传导带12限定了内部空间18。
在内部空间18之内，该天线包括第二传导表面20，其基本是平面，且设置于与第一传导表面10基本相同的平面中。
传导表面20是由连接部分22和由形成天线的辐射元件24的部分构成。在此实施例中，辐射元件24是由连接于连接区22的第一分支26和由较短的第二分支28构成。
术语“基本是平面”用来表示传导表面是平的，忽略了与用于制造它们的技术相关联的真实平面度之间的偏差。术语“两个传导表面被设置于基本相同的表面中”同样表示两个传导表面的平面重合，忽略了用于制造它们的技术中的缺陷。
在此实施例中，传导表面10和20是由绝缘支持件30上实现的相应金属化区域构成。绝缘支持件30可以是任何适当种类，例如它可由环氧(epoxy)制成，或者可能是包括柔性绝缘基板的类型。
如上面所述，当绝缘支持件是柔性的时候，其上制成的天线随后可被固定到自身并非平面的支持件，且该柔性支持件采用了其形状。
这就是天线在其最广泛的定义中是由设置于基本相同的几何表面中的两个传导表面构成、其表面自身可以弯曲的原因所在。
第二传导表面20的连接区22限定了用于天线传导的连接点32，第一传导表面10包括附加的金属化34，其构成了适合于连接到收发器模块的接地连接，该模块具有独立接地。
该天线还可包括连接器38，用于将辐射元件24连接到天线导体和用于将接地点34连接到其中并入有该天线的设备的独立接地收发器模块。连接器38可以是同轴连接器。必需的是，连接点32和34被设置为提供一般接近于50Ω的阻抗，以便连接到同轴线缆38的中央导体和外部导体。该连接器也可以是具有两个并行接触的二通道连接器，这两个接触之间的距离被适当地选择为具有一般接近于50Ω的特征输入阻抗。
如下面参考图4详细所述，以此方式制成的天线呈现很小体积。它的长度L及其宽度l可分别约为28mm至33mm和约为7mm至13mm。它的厚度是绝缘基板30的厚度，可约为0.1mm。正是连接器38的和/或任何无源和/或有源部件的厚度，限定了天线在厚度方向上的整体大小。
需要补充的是，第一传导表面10的形状可以不同，只要它确实限定了开放的内部空间18，因为该传导表面需要匹配于辐射元件24。
图2D和2E表示用于第一传导表面12的两种其他可能形状。
在图2D中，第一传导表面12a具有一个短边13，其宽度大于其他边。此外，第二短边13’中制成的开口16’不在中间部分处。
在图2E中，第一传导表面12b是不规则六边多边形的形式。此形状能够使得天线的大小与围绕物相符合，同时其自身仍然围绕着构成辐射组件的第二传导表面。
应该理解，如果传导表面10和20是通过从金属片切出而获得的，而不是由绝缘基板30上实现的金属化区域构成、随后通过任何适当方法来蚀刻以便限定两个表面的具体形状，则仍然不会超出本发明以外。该金属片可以是落在约0.2mm至0.3mm范围中的厚度。在此情形中，自然需要提供绝缘材料的机械支持，以便相对于彼此地保持两个传导表面。
图2A、2B和2C表示第一传导表面的变形实施例。第二传导表面可以是诸如用以限定两个或甚至更多辐射元件的形状，其尺寸对应于两个或多个截然不同的频带。
在这样的环境下，限定开放矩形的传导带形式下的第一传导表面不能以两个辐射元件来调谐。
已经发现，通过向图1A和2中所示传导带12增加至少一个传导延伸，该延伸构成滤波器或陷波器(trap)，由此提供所用频带的半独立性的改进。
在图2A中示出了开放的传导带12，其中象征性地表示两个辐射元件20’。第一传导表面也包括传导延伸70，其连接到带12的闭合短边72的中点A。为了紧凑，延伸70沿着带12的长边之一来设置。
在图2B的实施例中，传导延伸74具有端74a，其连接到带12的开放端76。
在图2C所示的实施例中，第一传导表面不仅包括带12，而且包括两个传导延伸78和80，这些延伸的第一端78a和80a连接到带12的相应开放端76和76’。
图3表示与其有源部件在一起的天线的实施例。
在图3中，能够看到由传导带12及其开口16连同其接地接触区34a所构成的第一金属化。
也能够看到第二传导表面20，其在此实施例中由连接至连接区25的两个辐射元件21和23构成，其自身包括天线的接触区32a。该图也表示了具有其中心导体90a及其屏蔽90b的天线线缆90。
在此实施例中，传导带12和辐射元件23提供有相应的有源部件，其由与相应金属化串联连接的变抗器(varactor)V1和V2构成，馈送至变抗器的电能由天线线缆的屏蔽90b传递，其激励可变直流(DC)电源92。电源92的中点92c连接到线缆的屏蔽，电源的输出端子92a和92b用于激励变抗器V1和V2。接触区32a通过金属化94且经由阻滞电容器C而连接到线缆的中心导体90a，金属化94穿过开口16而连接到接触区32a。
电源92的输出端子92a经由扼流圈(choke)L1而连接到金属化94。电源92的输出端子92b经由扼流圈L2和传导延伸96而连接到地接触区34a。金属化23的末端23a经由扼流圈L3而连接到接地接触区34a用于激励变抗器V2，金属化21连接到传导带L4以激励变抗器V1。
通过改变由电源92传递的DC电压，跨过变抗器V1和V2端子的电容被改变。
这些有源或无源部件可以是变抗器、结场效应晶体管(JFET)、微机电系统(MEMS)、电感器、电容器或其组合，用于增加辐射元件的电长度，或者也可选地增加第二传导表面的电长度，以便将天线匹配到另一频带而不改变天线形状。
图3A示出了890MHz处的谐振如何通过切换无源元件而转换为984MHz处的谐振，即移动约100MHz。
现在参见图4，随后是天线的改进实施例的描述，此天线能够在两个频率范围中工作，在此特定情况中对应于四个频带：GSM 850；GMS 900；DCS 1800；以及PCS 1900。
在此实施例中，第一传导表面由传导带12’构成，其中线14’是矩形(除开口16’之外)，该带的宽度 e基本恒定，在此实施例中等于1mm。接地接触34’和天线馈线接触42是通过附加的表面金属化(例如金)来实施的，从而有可能例如使用接触弹簧。
完全设置于由所述传导带12’限定的内部空间18’内部的第二传导表面20’构成了天线的辐射组件，所述辐射组件在此特定情况中限定了在两个不同频率范围上调谐的两个辐射元件。准确地说，传导表面20’具有提供有天线接触42的连接区40。传导表面20’具有第一部分44，其构成用于较高DCS或PCS频带的第一辐射元件。辐射元件44通常是U型的，包括两个分支46和48，其通过传导部分50而在其末端之一处互连。分支48的末端48a连接到连接区40。对应于低频率范围的第二辐射元件52被调谐到GSM850或GSM900频带。该部分52包括：第一直线分支54，其末端54a连接到连接区40；以及第二分支56。末端54b和56b通过传导表面部分58而互连，该传导表面部分是U型且具有轴线x、x’，其正交于分支54和56延伸的方向。
传导带12’以如此方式限定为利用辐射元件44来调谐。
优选地，为确保第一传导表面调谐到对应于两个辐射元件的两个频率范围，传导带12’与由附加金属带构成的延伸80相关联，其具有电连接到带12’闭合短边中心82的一端80a。金属化80的另一端80b则闲置。
在图4所示实施例中，在带12’中提供的开口16’的长度等于2mm。具体来说，与传导带12’的长度相比，该开口必须很短。优选地，开口长度小于3mm。
图5示出了图4中所示天线的操作。其根据频率F绘制VSWR，示出了GSM850、900MHz范围中以及所述DCS、PCS范围中的通带大小。
重要的是观察到，构成第一传导表面12’和构成第二传导表面20’的所有金属化是很紧凑的，占据长度L和宽度l的矩形的主要部分。忽略与其相关联的连接器的厚度，天线的厚度等于在其上制成天线的绝缘基板30’的厚度。

Claims (15)

1.一种用于便携设备的小体积宽带天线，该天线的特征在于其包括：
第一传导表面，基本位于围绕内部空间的非闭合曲线形状的第一几何表面中，可连接到所述设备的收发器模块的独立接地；以及
第二传导表面，基本设置于与所述第一几何表面基本一致且位于所述内部空间中的第二几何表面中，且形成可连接到天线馈线导体的辐射组件；
由此所述天线半独立于所述设备的元件。
2.根据权利要求1的天线，其特征在于所述第一表面通常是传导带形式，其中线是多边形形状，在其两端之间限定开口。
3.根据权利要求2的天线，其特征在于所述开口的长度不大于3mm。
4.根据权利要求2或3的天线，其特征在于所述第二表面限定适于在天线的工作频率范围中谐振的长度的至少两个辐射元件。
5.根据权利要求1至4中任一项的天线，其特征在于所述第二表面限定对应于工作频率范围的连接区和多个辐射元件。
6.根据权利要求4的天线，其特征在于形成所述第一表面的带被调谐到辐射元件之一。
7.根据权利要求6的天线，其特征在于所述第一表面除所述带外还包括至少一个传导延伸，该延伸电连接到所述带。
8.根据权利要求1至7中任一项的天线，其特征在于其还包括电连接到至少一个所述传导表面的至少一个有源或无源部件。
9.根据权利要求8的天线，其特征在于所述部件是有源的，用于所述有源部件的DC电源经由射频(RF)同轴馈线而传递到天线。
10.根据权利要求1至9中任一项的天线，其特征在于其还包括连接到每个所述传导表面的同轴连接器。
11.根据权利要求1至9中任一项的天线，其特征在于其还包括二通道连接器，每个通道分别连接到所述两个传导表面之一。
12.根据权利要求1至11中任一项的天线，其特征在于其还包括刚性或柔性绝缘支持，其具有在其正面之一上制成的所述第一和第二传导表面。
13.根据权利要求1至7中任一项的天线，其特征在于所述传导表面由加工的传导片金属制成。
14.根据权利要求1至13中任一项的天线，其特征在于所述几何表面是弯曲的。
15.根据权利要求1至13中任一项的天线，其特征在于所述几何表面是平面。
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