CN1180944A

CN1180944A - 天线装置

Info

Publication number: CN1180944A
Application number: CN97119535A
Authority: CN
Inventors: 小柳芳雄; 小川晃一; 山崎正纯
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 1998-05-06
Anticipated expiration: 2017-09-18
Also published as: DE69733983T2; DE69733983D1; EP0831545A2; US5982330A; CN1112741C; EP0831545B1; JPH1098320A; JP3126313B2; HK1008617A1; EP0831545A3

Abstract

一种鞭天线装置,包括:一单极天线单元,当鞭天线外伸时,该单极天线单元通过第一触点连接到天线匹配电路;一螺旋天线单元,当鞭天线被收容时,该螺旋天线单元通过第二触点连接到天线匹配电路;一寄生螺旋单元,它和螺旋天线单元以某一间隔紧密靠近设置,该间隔相对于射频电路的第一频带的波长来说足够小。

Description

天线装置

本发明涉及一种主要用于移动无线电设备上的天线装置，特别是涉及一种伸缩型鞭天线装置，这种结构的天线装置可在多个频带内使用。

近年来，对诸如蜂窝电话机之类的移动无线电设备的需求日益增加。作为一种移动无线电设备所使用的天线，可收容在便携式无线电设备内的线状鞭天线已获得广泛应用。

下面参照附图13和14对未经审查的日本专利公开文件平1-204504所披露的天线的结构进行描述，它为现有技术的一个实例。注意，图13和14由所述日本专利公开文件中的图2和4示出。而且，图13和14中的参考数字与该对比文件中所使用的参考数字是等同的。

如图13所示，当天线单元14自电话机的主体10拉出时，接触元件15和接触片21a接触，因而天线单元14连接到匹配电路组件12上。另一方面，如图14所示，当天线单元14收容在电话机的主体10之内时，接触元件16和接触片21b接触，结果，天线单元14连接到该匹配电路组件12上。所以，无论是当天线单元14自电话机的主体10拉出时，还是当该天线单元14收容在该主体10之内时，天线单元14都可以连接到该匹配电路组件12上。

在如上所述的天线结构中，假设天线单元14自电话机的主体10拉出，从匹配电路组件12处观察该天线单元时其阻抗为Z₁；而天线单元14收容在电话机的主体10之内，从匹配电路系统12处观察天线单元时其阻抗为Z₂，若构造天线单元14的单元长度、馈电点位置、无线电设备外壳的尺寸等，使得Z₁等于Z₂，那么即使在天线单元14自电话机的主体10拉出后以及收容于主体10之内时，部可以借助匹配电路组件实现较好的匹配状态，从而可以进行稳定的高品质移动通信。

然而，伴随着移动通信的多样性，所采用的频带也变得多种多样，比如说有800MHz、1.5GHz和1.9GHz。因此，要求无线电设备要能够同时使用具有不同频带的系统。相比之下，传统的天线只能适应于单一频带，因而，若在能同时使用多个系统的无线电设备中采用这种天线，其性能会明显地变差。

图15示出的是将天线单元14自电话机的主体10中拉出和收容于该主体10之内，从匹配电路系统12处观察该天线单元14时阻抗的频率特性。图15称作Smith图，其中在单位圆中绘出了阻抗Z＝R+jx中的R从0到∞以及x从-∞到+∞的变化范围，该图通常用来表示阻抗。图中的实线显示的是将天线单元14自电话机的主体10拉出，从匹配电路系统12处观察天线单元14时阻抗Z₁(f)的迹线，而虚线显示的是将天线单元收容于该主体10中，从匹配电路系统处观察天线单元14时阻抗Z₂(f)的迹线。另外，实心圆点(·)标示符表示在频带A的中心频率fA下的阻抗，而十字(x)标示符表示在频带B的中心频率fB下的阻抗。

在图15中，Z₁(f)和Z₂(f)表示因天线单元14的馈电点位置不同和周围环境不同而具有的不同的迹线。因此，即使确定天线单元14的单元长度和电话机主体10的的外壳的尺寸，可使得在频带A内的中心频率fA下，Z₁(fA)＝Z₂(fA)，但在频带B内的中心频率fB下，阻抗将变成Z₁(fB)≠Z₂(fB)。因此，相应于天线单元14自电话机的主体10拉出后的状态以及收容在主体10之内的状态时的两种阻抗，仅备有一种匹配电路。因而会出现这样的问题：在一种状态或两种状态下不能实现较好的匹配；调制精度和接收灵敏度变坏以及通信品质变差。

本发明旨在克服上述问题。其目的在于提供一种天线装置，它能够在两种频带下独立地调节天线单元的阻抗，从而不管无线电设备的外形设计如何，都能获得合适的阻抗，而且在天线单元拉出或收容状态下，它都能够使阻抗匹配而获得较好的匹配状态，从而进行稳定的高品质移动通信。

一种天线装置，它是一种用在紧凑型便携无线电设备中的和第一、二频带对应的伸缩型鞭天线，其包括：一单极天线单元，当鞭天线自天线装置的本体外伸时，该单元通过第一触点连接到天线匹配电路；一螺旋天线单元，当鞭天线收容于天线装置的本体之内时，该单元通过第二触点连接到天线匹配电路；一寄生螺旋单元，它和螺旋天线单元以某一间隔紧密靠近设置，该间隔相对于射频电路的第一频带的波长来说足够小。

根据本发明，由于在移动无线电设备的天线装置中采用了寄生螺旋单元，可以得到这样的优点，即可以对天线单元的阻抗加以调节，而且由于天线单元处于伸出和收容状态时的阻抗是匹配的，可以在多个频带下实现较好的匹配，从而进行稳定的高品质移动通信。

附图中：

图1为根据本发明第一实施例的天线装置的原理图；

图2A和2B示出了根据本发明第一实施例的天线装置上的电流分布情况；

图3A是Smith图，示出了根据本发明第一实施例的天线装置的阻抗；

图3B是根据本发明的第一实施例的天线装置的VSWR(电压驻波比)特性曲线；

图4是根据本发明的第一实施例的天线装置的辐射图；

图5为一无线电设备的概略示意图，其上装有根据本发明第一实施例的天线装置；

图6为根据本发明第二实施例的天线装置的原理图；

图7A至7D示出了根据本发明第二实施例的天线装置上的电流分布情况；

图8A是Smith图，示出了根据本发明第二实施例的天线装置的阻抗；

图8B是根据本发明的第二实施例的天线装置的VSWR特性曲线；

图9A和9B是根据本发明的第二实施例的天线装置的辐射图；

图10为所述无线电设备的概略示意图，其上装有根据本发明第二实施例的天线装置；

图11是根据本发明第三实施例的天线装置的局部示意图；

图12是根据本发明第四实施例的天线装置的局部示意图；

图13为一概略示意图，示出了一种现有技术的天线；

图14为一概略示意图，示出了这种现有技术的天线；

图15为Smith图，示出了这种现有技术的天线装置的阻抗。

下面参照附图对本发明进行详细描述。

在本发明中，利用寄生螺旋单元可以对移动无线电设备所采用的天线装置中的天线单元的阻抗加以调节。另外，天线单元在伸出和收容状态下其阻抗都是匹配的。因此其伏点是，在多种频带下都能实现较好的匹配，从而进行稳定的高品质移动通信。

本发明提供一种天线装置，它为一种用在紧凑型便携无线电设备中的和第一、二频带适应的伸缩型鞭天线，它包括：一单极天线单元，当鞭天线伸出时，该天线单元通过第一触点连接到天线匹配电路；一螺旋天线单元，当鞭天线被收容时，该天线单元通过第二触点连接到天线匹配电路；一寄生螺旋单元，它和螺旋天线单元以一间隔紧密靠近设置，该间隔相对于射频电路的第一频带的波长来说足够小。因而，天线装置在工作时具有这样的优点，即在第一频带内可以对螺旋天线单元的阻抗进行独立地调节，而不会对该频带内单极天线单元的阻抗产生影响。

按照本发明的权利要求1所述的天线装置，调节寄生螺旋单元的第一阻抗，使得在第一和第二频带内，鞭天线被收容时螺旋天线单元的第一阻抗与该鞭天线伸出时单极天线单元的第二阻抗相匹配。因此，由于在第一和第二频带内单极天线单元的阻抗是各自匹配的，则这种天线在工作时具有的优点是可利用同一天线匹配电路，在将鞭天线拉出或收容时，均可以建立较好的匹配。

在上面所述的本发明的天线装置中，寄生螺旋单元置于螺旋天线单元的内侧。因此，由于寄生螺旋单元的螺距和螺旋天线单元的螺距可任意选择，所以该天线装置在工作时具有这样的优点，即可以更精确地进行独立调节。

在上面所述的本发明的天线装置中，寄生螺旋单元置于螺旋天线单元的外侧。因此，由于寄生螺旋单元的螺距和螺旋天线单元的螺距可任意选择，所以该天线装置在工作时具有这样的优点，即可以更精确地进行独立调节。

实施例1

下面参照图1至5对第一实施例进行描述。图1示出了根据本发明第一实施例的天线装置的结构。鞭天线101由单极天线单元102、螺旋天线单元103和寄生螺旋单元104组成。当鞭天线101伸出时，单极天线单元102通过设置在无线电设备的主体201之内的馈电接触片207和馈线206在第一触点105处连接到天线匹配电路202上。当鞭天线101收容于电话机之内时，螺旋天线单元103通过馈电接触片207和馈线206在第二触点106处连接到天线匹配电路202上。天线匹配电路202和在频带A内工作的射频电路203连接。而且，天线匹配电路202具有在频带A将单极天线单元102的阻抗转换成理想阻抗的特性，和将因和寄生螺旋单元电耦合而产生的螺旋天线单元103的阻抗转换成理想阻抗的特性。

图2A和2B解释了该实施例的原理，并示出了当频带A的高频能量馈给鞭天线101时的电流分布的情况。顺便说一下，图中与图1中所示相对应的部分由相同的参考数字来表示。图2A示出的是鞭天线101伸出时的状态，而图2B示出的是鞭天线101被收容时的状态。参考数字201表示一金属板，其高度尺寸为129mm，宽度尺寸为32mm，用它来模拟无线电设备主体的外壳。此外，单极天线单元102的单元长度为115mm。螺旋天线单元103的螺旋的直径为7mm，螺距为3mm，螺旋轴向长度为11.3mm。寄生螺旋单元104的螺旋的直径为7mm，螺距为4mm，螺旋轴向长度为8.1mm。这些部件全部由直径0.5mm的金属导线制成，且沿同一直线布置。另外，频带A的中心频率f1设置为850MHz。由阴影斜线示出的隆起部表示的是单极天线单元102和螺旋天线单元103的电流幅值。

馈给单极天线单元102的频带A的高频能量依该单元的实效电长度形成电流分布。在图2A中，由于单极天线单元的实效电长度为1/4波长，则它在和无线电设备的主体201的接合点处电流分布达到极大值。同样地，在图2B中，鞭天线101被收容，由于寄生螺旋单元104中的感应电流效应，螺旋天线单元103的电流分布极大值点也出现在和无线电设备的主体201的接合点处。

寄生螺旋单元104中所感应的高频电流会影响螺旋天线单元103的电流分布及其阻抗。由于该高频电流的幅值和相位可通过寄生螺旋单元104的长度和螺距进行调节，故可以间接地来调节螺旋天线单元103的阻抗。

图3A和3B用于解释该实施例的原理，它们表示图2A所示结构的螺旋天线的阻抗特性。图3A为Smith图，图中，天线的阻抗迹线越接近圆心，阻抗越逼近理想值，星号*附近的数值表示频率值(单位为MHz)。在图3A中，在800至900MHz的附近，阻抗逼近于理想水平50Ω。可以看出，以约850MHz作为中心频率是稳妥的。

图3B示出了电压驻波比(VSWR)，其中横轴表示接收频率，纵轴表示VSWR值。从图中可看出，天线阻抗迹线越接近VSWR＝1.0，就越逼近理想的阻抗水平。图中实线为仿真得到的值，虚线为实测确定的值。尽管实线和虚线之间有微小的差别，但所得到的频率特性基本一致，这清楚地说明数值分析结果有一定的置信度。

同样由此曲线看出，在800至900MHz附近，阻抗接近理想水平50Ω，以约850MHz作为中心频率是稳妥的，解释同图3A。

因此，具有图2B所示结构的螺旋天线可以独立地分别调节螺旋天线单元103在频带A下的阻抗，而不会影响单极天线单元102在频带A下的阻抗。

图4A解释了本实施例的原理，它为表示图2B所示结构的天线在频带A下的方向特性的辐射图。辐射图用于表示天线的方向性，这也是天线的一个重要特性，且表明了以天线的位置为原点沿XY，YZ，XZ各平面的任一方向辐射能量的分布。沿XY平面的辐射特性表示便携无线电设备的天线所需的各向一致性。由Yagi-Uda天线等例子可知，在天线单元中加入寄生单元可以给天线提供某一方向特性。在该实施例中，由于螺旋天线单元103和寄生螺旋天线104的间隔明显比频带A的波长短得多，加入寄生螺旋单元104没有影响各向一致性。

图5示出了该实施例的具体结构以及无线电设备的结构实例，其中该无线电设备上装有图1所示的天线。顺便提一下，图5中和图1相对应的部分由相同的参考数字来表示。安装一螺旋天线单元103以便在将单极天线单元102收容于无线电设备的主体201之内时增加天线的增益。当鞭天线101自该主体201拉出时，单极天线单元102通过第一触点105、馈电接触片207、馈线206和天线匹配电路202而连接到射频电路203上。当鞭天线101收容于该主体201时，螺旋天线单元103通过第二触点106、馈电接触片207、馈线206和天线匹配电路202而连接到射频电路202上。

在上述结构中，当鞭天线101收容于无线电设备的主体201内，从第二触点106处观察螺旋天线单元103时其阻抗假设为Z₂。当鞭天线101自该主体201拉出，从第一触点105处观察鞭天线时其阻抗假设为Z₁，调节寄生螺旋单元104的固有阻抗，使Z₁＝Z₂。那么，对于给定的鞭天线长度和无线电设备的外壳尺寸，可以调节鞭天线101的阻抗，使Z₁和Z₂与鞭天线101拉出和收容时的状态相匹配，以获得较好的匹配状态，从而进行稳定的高品质移动通信。

实施例2

下面参照图6至10对本发明的第二实施例进行说明。图6示出了根据本发明第二实施例的天线装置的结构。鞭天线101由单极天线单元102、螺旋天线单元103和寄生螺旋单元104组成。当鞭天线101伸出时，单极天线单元102通过馈电接触片207和馈线206在第一触点105处连接到天线匹配电路208上。当鞭天线101被收容时，螺旋天线单元103通过馈电接触片207和馈线206在第二触点106处连接到天线匹配电路208上。天线匹配电路208通过转换开关205连至在频带A下工作的射频电路203上或在频带B下工作的射频电路204上。天线匹配电路208具有将单极天线单元102转换成频带A和频带B下的合适阻抗的双峰特性。而且，在频带A和B下，天线匹配电路208可使因和寄生螺旋单元104电耦合而产生的螺旋天线单元103的阻抗和单极天线单元102的阻抗匹配，从而当鞭天线收容时能获得理想阻抗。

图7A至7D解释了该实施例的原理，并示出了当频带A和频带B的高频能量馈给鞭天线101时的电流分布情况。顺便说一下，图中和图6所示相对应的部分由相同的参考数字来表示。图7A示出的是在频带A下鞭天线101伸出时的状态，而图7B示出的是鞭天线101被收容时的状态。参考数字201表示一金属板，其高度尺寸为129mm，宽度尺寸为32mm，用它来模拟无线电设备主体的外壳。此外，单极天线单元102的单元长度为115mm。螺旋天线单元103的螺旋的直径为7mm，螺距为3mm，螺旋轴向长度为11.3mm。寄生螺旋单元104的螺旋的直径为7mm，螺距为4mm，螺旋的轴向长度为8.1mm。这些部件全部由直径0.5mm的金属导线制成，且沿同一直线布置。另外，频带A的中心频率设置为850MHz，频带B的中心频率设置为2150MHz。由阴影斜线示出的隆起部表示的是单极天线单元102和螺旋天线单元103的电流幅值。

馈给单极天线单元102的在频带A下的高频能量依该单元的实效电长度形成电流分布。在图7A中，由于单极天线单元102的实效电长度为1/4波长，则它在和无线电设备的主体201的接合点处电流分布达到极大值。同样地，在图7B中，鞭天线101被收容，由于寄生螺旋单元104中的电流感应效应，螺旋天线单元103的电流分布极大值点也出现在和无线电设备主体201的接合点处。

和参照图7A进行的解释一样，在图7C中，由于单极天线单元102的实效电长度为1/2波长，在和无线电设备的主体201的接合点处，馈给鞭天线单元101的在频带B下的高频能量形成的电流分布达到极小值。同样对于图7D中鞭天线单元101被收容的情况，由于寄生螺旋单元104中的感应电流效应，螺旋天线单元103在和该主体201的接合点处的电流分布达到极小值，其解释同图7B一样。

图8A和8B用于解释该实施例的原理，它们表示图7B所示结构的螺旋天线的阻抗特性。图8A为Smith图，图中，天线的阻抗迹线越接近圆心，阻抗越接近理想值，星号*附近的数值表示频率值(单位为MHz)。在图8A中，在800至900MHz的附近，阻抗逼近于理想水平50Ω。可以看出，频带A以约850MHz作为中心频率是稳妥的。另外在2100至2200MHz的附近，阻抗逼近理想水平50Ω。可以看出，频带B以约2150MHz作为中心频率是稳妥的。

图8B示出了电压驻波比(VSWR)，其中横轴表示接收频率，纵轴表示VSWR值。从图中可看出，天线阻抗迹线越接近VSWR＝1.0，就越逼近理想的阻抗水平。图中实线为仿真得到的值，虚线为实测确定的值。尽管实线和虚线之间有微小的差别，但所得到的频率特性基本一致，这清楚地说明数值分析结果有一定的置信度。

同样，在该曲线图中，在800至900MHz附近，阻抗使VSWR逼近于1.0，可见频带A以约850MHz作为中心频率是稳妥的，解释同图8A。另外，在2100至2200MHz附近，阻抗使VSWR逼近于1.0，可见频带B以约2150MHz作为中心频率是稳妥的。

因此，图7B所示结构的螺旋天线可以独立地分别调节螺旋天线单元103在频带A和频带B下的阻抗，而不会影响单极天线单元102在频带A和频带B下的阻抗。

图9A和9B解释了该实施例的原理，它们为表示图7B所示的天线结构在频带A和频带B下的方向特性的辐射图。图9A示出了在频带A下的辐射特性，图9B示出了在频带B下的辐射特性。在频带A下沿XY平面的辐射特性表明了便携无线电设备的天线所需的各向一致性。如图9B所示，即使是在XZ或YZ平面沿X轴方向具有盲区的蝶形辐射图，使用者在通话时，可将便携无线电设备斜置。在这种状态下，天线在水平方向仍表现出方向性，可以这样说，便携无线电设备的天线具有所需的方向特性。

图10示出了该实施例的具体结构，示出了无线电设备的一个结构实例，其上装有图6所示的天线装置。顺便提一下，图中和图6相对应的部分用相同的参考数字来标识。安装一螺旋天线单元103以便在将单极天线单元102收容于无线电设备的主体201之内时增加天线的增益。当鞭天线101自该主体201拉出时，单极天线单元102通过第一触点105、馈电接触片207、馈线206和天线匹配电路208而连接到射频电路203上。当鞭天线101收容于该主体201时，螺旋天线单元103通过第二触点106、馈电接触片207、馈线206和天线匹配电路208而连接到射频电路203上。

在上述结构中，当鞭天线101收容于无线电设备的主体201内从第二触点106处观察螺旋天线单元103时其在频带A和B下的阻抗假设为Z₂(A)和Z₂(B)。当鞭天线101自该主体201拉出从第一触点105处观察鞭天线101时其阻抗假设为Z₁(A)和Z₁(B)，用寄生螺旋单元104调节螺旋天线单元103的固有阻抗，使得Z₁(A)＝Z₂(A)，Z₁(B)＝Z₂(B)。那么，对于给定的鞭天线长度和无线电设备的外壳尺寸，可以调节鞭天线101的阻抗，以确保Z₁(A)＝Z₂(A)，Z₁(B)＝Z₂(B)，则在频带A和频带B下都可获得良好的匹配状态，从而进行稳定的高品质移动通信。

实施例3

下面参照图11对本发明的第三个实施例进行描述。图11描示出了该实施例的鞭天线的结构，该图中和图6相同的部分由相同的数字来标识。在下面的描述中，假设频带A的中心频率为fA，频带B的中心频率为fB，fA＜fB。但如果fA＞fB，该实施例同样成立。鞭天线101由单极天线单元102、螺旋天线单元103和寄生螺旋单元104组成。天线和射频电路的连接方法及其它布局与图6类似。

由于寄生螺旋单元104的螺旋的直径D₂小于螺旋天线单元103的螺旋的直径D₁，可将寄生螺旋单元104置于螺旋天线之内。结果，由于寄生螺旋单元104和螺旋天线单元103的螺距可任意选择，可以调节感应电流的相位。另外，通过改变螺旋直径D₁和D₂之差(D₁-D₂)，可以对寄生螺旋单元104中感应的电流幅值进行更为精细地调节。例如，若选取某一螺旋长度的螺旋天线单元103，使对应于频带A的实效电长度等于1/4波长，选取某一螺旋长度的寄生螺旋单元104，使对应于频带B的实效电长度等于1/4波长，则螺旋天线单元103的阻抗特性将覆盖这两个频带。

实施例4

下面参照图12对本发明的第四个实施例进行描述。图12示出了该实施例的鞭天线的结构，该图中和图6相同的部分由相同的数字来标识。在下面的描述中，假设频带A的中心频率为fA，频带B的中心频率为fB，fA＜fB。但如果fA＞fB，该实施例同样成立。鞭天线101由单极天线单元102、螺旋天线单元103和寄生螺旋单元104组成。天线和射频电路的连接方法及其它布局与图6类似。

由于寄生螺旋单元104的螺旋的直径D₂大于螺旋天线单元103的螺旋的直径D₁，可将寄生螺旋单元104置于螺旋天线之外。结果，由于寄生螺旋单元104和螺旋天线单元103的螺距可任意选择，可以调节感应电流的相位。另外，通过改变螺旋直径D₁和D₂之差(D₁-D₂)，可以对寄生螺旋单元104的感应电流的幅值进行更为精细地调节。例如，若选取某一螺旋长度的寄生螺旋单元104，使对应于频带A的实效电长度等于1/4波长，并且选取某一螺旋长度的螺旋天线单元103，使对应于频带B的实效电长度等于1/4波长，则螺旋天线单元103的阻抗特性将覆盖这两个频带。

Claims

1.一种天线装置，它是一种用于紧凑型便携无线电设备中的和第一、第二频带对应的伸缩型鞭天线，它包括：

一单极天线单元，当所述鞭天线自所述天线装置的本体外伸时，该单极天线单元通过第一触点连接到天线匹配电路；

一螺旋天线单元，当所述鞭天线收容于所述天线装置的本体之内时，该螺旋天线单元通过第二触点连接到天线匹配电路；

一寄生螺旋单元，它和所述螺旋天线单元以某一间隔紧密靠近设置，该间隔相对于射频电路的第一频带的波长来说足够小。

2.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述寄生螺旋单元置于所述螺旋天线单元的内侧。

3.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述寄生螺旋单元置于所述螺旋天线单元的外侧。

4.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述寄生螺旋单元的第一阻抗可以调节，从而在第一频带和第二频带下，当所述鞭天线被收容时所述螺旋天线单元的第一阻抗与所述鞭天线外伸时所述单极天线单元的第二阻抗相匹配。

5.如权利要求4所述的天线装置，其特征在于，所述寄生螺旋单元置于所述螺旋天线单元的内侧。

6.如权利要求4所述的天线装置，其特征在于，所述寄生螺旋单元置于所述螺旋天线单元的外侧。