CN1227776C - 双波段贴片天线 - Google Patents

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Abstract

一种双波段贴片天线(700)包括一个具有连接在贴片导体和接地导体(102)之间谐振电路(702，704)的常规贴片导体(106)。该谐振电路(702，704)调节了该天线(700)谐振频率附近的性能，由此提供了一种双波段天线，其中两个波段可以被同时使用。双波段天线的总辐射带宽明显大于没有谐振电路的相同天线的带宽。可以利用其它的谐振电路来提供一个多波段天线。

Description

双波段贴片天线
技术领域
本发明涉及用于能够在双波段工作的无线电通信设备的一种贴片天线。在本说明书中，术语双波段天线是指在两个(或几个)分开频段上充分工作而又不在这些波段之间不使用的频谱上工作的天线。
背景技术
一个贴片天线包括一个基本上平面的导体，通常为矩形或圆型。这种天线通过在天线上一点和在接地导体上一点之间施加一个电位差馈电。该接地导体通常是平面的并且基本上与该天线平行，这种组合通常称为平面倒F天线(PIFA)。当用于无绳或蜂窝电话机手机时，一般由手机机身提供接地导体。贴片天线的谐振频率可以通过改变馈电点的位置和通过导体之间的附加短路电路来调节。
在无绳或蜂窝电话机手机中使用贴片天线有几个优点，特别是紧凑形状和良好的辐射方向图。可是，贴片天线的带宽受限制并且在该天线带宽和其所占体积之间有直接关系。
蜂窝无线电通信系统一般具有10％的比例带宽，这需要相对大的天线体积。许多这种系统是频分复用的，其中使用总频谱的两个单独部分，一个用于发射而另一个用于接收。在某些情况下，在发射和接收波段之间有一部分未用频谱。例如，对于UMTS(通用移动电信系统)，上行链路和下行链路频率分别是1900-2025MHz和2110-2170MHz(忽略卫星成分)。这代表了中心位于2035MHz的13.3％的总比例带宽，其中上行链路比例带宽为6.4％位于1962.5MHz而下行链路比例带宽为2.8％中心位于2140MHz。因此，总带宽的近似30％没有使用。如果具有双谐振的天线被设计出，总带宽需要将因此减少和可以使用更小的天线。
一种已知的解决方案是在导体之间安装一个短路电路，该导体的位置通过利用二极管的开关而改变，由此使该天线的工作频率被切换，这在US-A-367474和US-A-4777490中公开。可是，二极管是非线性设备并且因此可能产生中间调制产物。另外，在例如UMTS的系统中，需要同时发射和接收，所以这种开关不可使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有双波段工作而不用开关的贴片天线。
按照本发明的第一方面，提供一种用于无线通信装置的双波段天线，它包括有第一辐射模式的平面倒F天线(PIFA)和馈电导体，所述PIFA的组成有：基本上对称的平面地导体、基本上对称的平面贴片导体和导电的隔离装置，该平面贴片导体基本上与该地导体平行设置并共同延伸，该隔离装置设置在所述地导体和贴片导体两者的对置的边沿部分，并与这些部分电连接，并且，一个馈电导体导电地在离开所述隔离装置的一个点处和所述平面贴片导体连接，其特征在于，所述贴片导体在其整个长度上是导电的，一个串联LC谐振电路装置连接在所述地导体的一点和所述平面贴片导体的一点之间，所述平面贴片导体的一点位于所述馈电导体的连接点和所述隔离装置之间，并且，所述贴片导体的性能受到串联LC谐振电路装置的谐振频率的调整，使之具有第二辐射模式。
在按照本发明天线中，所述谐振电路装置包括分离或印刷电路元件。
在按照本发明天线中，所述谐振电路装置包括一个心轴，其一端装在平面贴片导体中，其另一端位于地导体中的孔中，所述心轴的一部分位于平面贴片导体和地导体两者的空间中，构成一电感器，并且所述心轴的一部分位于所述孔内，构成一电容器。
在按照本发明天线中，所述心轴的一端可调节地装在平面贴片导体中。
在按照本发明天线中，所述串联谐振电路装置包括属于低温碳纤维陶瓷的层。
在按照本发明天线中，所述谐振电路的阻抗在谐振频率时为最小。
按照本发明的第二方面，提供一种包括按照本发明制造的天线的无线电通信设备。
本发明基于这样一种现有技术中所没有的考虑，即通过在贴片导体上一点与接地导体上一点之间连接一个谐振电路，贴片天线的性能被调整以提供双波段工作而不需要开关。这种设计具有优点，即它可以是无源的并且能够同时在两个频带上发射和接收。
按照本发明制造的一种贴片天线适合于广泛应用，特别是在需要同时双波段工作的场合。这种应用的例子包括UMTS和GSM(全球通系统)蜂窝电话手机，和使用在HIPERLAN/2(高性能无线局域网2型)无线局域网的设备中。
按照本发明制造的贴片天线的其它优点是两个(或几个)谐振组合带宽明显大于没有谐振电路未调整贴片天线的带宽。该优点极大地增强了在典型无线电应用领域中的适应性。
附图说明
现在将参照附图通过举例方式描述本发明的实施例，图中：
图1是贴片天线截面图(A部分)和俯视图(B部分)；
图2是图1的模拟贴片天线的等效电路图；
图3是图1贴片天线的dB反射损耗S与MHz频率的曲线图，实线表示测量结果而虚线表示模拟结果；
图4是代表双谐振贴片天线的调整后等效电路图；
图5是图4调整后等效电路图的模拟dB反射损耗S11与MHz频率的曲线图；
图6是在1500到2000MHZ频率范围上图4的调整后等效电路模拟阻抗的圆极图；
图7是双波段工作的调整后贴片天线的截面图；
图8是图7的贴片天线测量出的dB发射损耗S11与MHz的频率的曲线图；
图9是在1700到2500MHZ频率范围上图7的调整后等效电路模拟阻抗的圆极图；和
图10是图7的贴片天线结合的移动电话机手机的后视图。
在图中，相同的参考号码用于表示相应的技术特征。
实施例详细说明
图1说明了四分之一波长贴片天线的实施例100，部分A表示截面图而部分B表示俯视图。该天线包括一个平面、矩形接地导体102，一个导电隔离体104和一个平面、矩形贴片导体106，该贴片导体被支撑得基本上与接地导体102平行。该天线通过同轴电缆馈电，同轴电缆的外导体108连接到接地导体102而内导体110连接到贴片导体106。
接地导体102具有40毫米的宽度，47毫米的长度和5毫米的厚度。贴片导体具有30毫米的宽度，41.6毫米的长度和1毫米的厚度。隔离体104具有5毫米的长度和4毫米的厚度，由此提供导体102、16之间的4毫米间隔。电缆110连接到贴片导体106的对称纵轴线上一点并且离附着隔离体104的导体106的边缘10.8毫米。
如图2所示，传输线电路模型被用于模拟该天线100的性能。具有30.8毫米长度和30毫米宽度的第一传输线部分TL1模拟开路端(在图1的部分A和B的右侧)与同轴电缆内导体110的连接之间的导体102、106部分。具有长度5.8毫米和宽度30毫米的第二传输线部分TL2模拟内导体110连接与隔离体104边缘之间的导体102、106部分(该部分起导体102、106之间短路作用)。
电容C1代表开路端传输线的边缘电容，并且具有0.495pF的数值，而电阻R1代表边缘的发射电阻，并且具有1000Ω的数值，两个数值根据经验确定。端口P代表同轴电缆108、110连接到该天线的点，而等于电缆108、110阻抗的500Ω负载被用于模拟端接端口P。
图3比较了测量出和模拟出的在1500MHz和2000MHz之间频率f上该天线发射损耗。测量的结果用实线表示，而模拟结果由虚线表示(使用图2的电路图)。可以看出，在测量和模拟之间有非常好的一致性，特别是考虑到电路模型的简单特性。在7dB反射损耗上的比例带宽(对应近似90％的输入功率辐射)为4.3％。
在图4中表示了对图2电路的调整，其中第二传输线部分TL2被分成两个部分，TL2a和TL2b，并且谐振电路从这两个电路的接头处连接到地线。该谐振电路包括一个电感L2和一个电容C2，它们在谐振频率上具有零阻抗，在谐振频率附近的贴片性能被调整，而其他频率上的性能基本上不受影响。
执行模拟改变谐振电路的成分数值和其位置，直到双谐振在比例频率间隔8.7％处实现，这对应UMTS发射和接收波段之间的比例间隔。产生的成分数值是L2具有1.95nH数值而C2具有3.7pF数值，而传输线部分TL2a和TL2b分别具有4.1毫米和1.7毫米的长度。
图5表示在1500和2000MHz之间频率f上的反射损耗S11的结果。现在有两个谐振，在频率1718MHz和1874MHz上。较低的一个对应由谐振电路效果减少的谐振频率，而较高的对应在靠近谐振电路谐振频率的频率上的新的辐射波段，它是1873MHz。7dB反射损耗带宽是2.2％和1.3％，假设总的辐射带宽3.5％。这代表在未调整贴片上带宽的轻微减少，由于谐振电路的额外存储能量这些是可以预计的。
图6表示了在相同频率范围上该天线模拟阻抗的圆极图。利用另外匹配电路可以改善匹配，并且两个谐振的相对带宽可以容易地进行交换，例如通过谐振电路的电感和电容。
构成一个原型贴片天线以确定这种设计在实际工作中如何，这在图7中的截面图表示。调整后的贴片天线700类似于图1的天线外加接地导体102上的心轴702和孔704。该心轴702包括一个M2.5螺纹黄铜圆柱体，该圆柱体向下变成1.9mm直径5.5mm长度，心轴702的这部分然后被安装0.065mm厚的PTFE套管。贴片导体的长度被减少到38.6mm以更好对应UMTS频带。
心轴702的螺纹部分在贴片导体106中与螺纹孔配合，使心轴702可以升降。心轴702的下部分紧密安装在孔704中，该孔具有2.03mm的直径。因此，具有PTFE电介质的电容通过心轴702延伸进孔704中而提供，同时地线和贴片导体102、106之间的心轴部分提供了电感。心轴执行位于导体102、106的宽度上，其中心位于离隔离体104边缘1.7mm处。
心轴702与孔704之间的电容近似为心轴702穿入孔704中1.8pF/mm，最大穿入4mm。导体102、106之间的心轴702部分4mm长的电感近似1.1nH。
在图8中表示了在1700和2500MHz之间频率f上测量的反射损耗S11，而心轴702完全延伸进入孔704中。已经清楚地实现了双谐振，并具有大约14％的比例频率隔离。谐振的7dB反射损耗带宽分别为5.6％和1.7％，假设总辐射带宽7.3％是几乎未调整贴片的两倍。此改善相当明显，使本发明特别对于双波段应用有利。
图9表示了在相同频率范围上测量阻抗的圆极图。这证明该天线700的两个谐振阻抗特性相似。因此，有可能同时改善匹配和增加带宽。
利用心轴702部分延伸进入孔704中进行进一步测量。当心轴702在孔704中的长度减少时，谐振电路的电容成比例减少，同时电感保持基本上恒定。可以发现，动心轴702从孔704中收缩时，第二谐振的谐振频率增加，而第一谐振频率基本上保持在大约1900MHz处不变。当心轴702收缩时，两个谐振深度减少。因此，通过适当增加谐振电路的电感和电容可以获得适合于UMTS使用的天线并且具有8.7％的比例频率隔离。
在适合于大量生产的贴片天线700的实施例中，谐振电路一般使用具有固定数值的分离和印刷元件实现，而该天线自身可能在边缘馈电。这些修改将使实施例比上述原型实施例更简单。本发明的集成实施例也可以在LTCC(低温碳纤维陶瓷)基片中制造，具有在基片底层上的接地导体102，贴片导体106在基片的顶层，通过中间层分布的匹配电路馈电。
图10是结合按照本发明贴片天线700的移动电话机手机1000的后视图。该天线700将通过在手机外壳上镀金属形成。替代地，它可以安装在屏蔽电话机RF元件的金属封套上，它也可以保证起接地导体102的作用。
尽管在实施例中描述了使用在谐振频率上具有零阻抗的谐振电路，其它形式的谐振电路也可以同样良好地用于按照本发明制造的天线中。所有的要求是该天线的性能通过在谐振频率范围内呈现谐振电路而不被修改，以产生该天线的额外辐射模式同时保持原有辐射模式基本上不变。通过另外的谐振电路，或使用具有多谐振频率的谐振电路，也可以设计出多波段天线。
通过阅读本发明内容，本领域技术人员对于其它的修改将更清楚。这种修改涉及在设计、制造和使用贴片天线中已经公知的技术特征，这些技术特征可以用于替代或增加在此已经公开的技术特征。尽管在本申请中已经将权利要求限定在特定的技术特征组合，应当理解本发明的公开范围也包括任何新颖技术特征或任何新颖的技术特征组合，不论是否有关任何权利要求中所要求的相同发明或不论其解决了本发明所解决的部分或全部技术问题。申请人特此注意到，在实施本申请或由此推导出的任何进一步申请期间，可以将新的权利要求限定在这些技术特征和/或技术特征的组合。
在说明书和权利要求书中元件之前使用的单词“一个”并不排除出现多个这种元件。进一步地，单词“包括”也不排除出现所列出的其它元件和步骤。

Claims (7)

1.一种用于无线通信装置的双波段天线，它包括有第一辐射模式的平面倒F天线(PIFA)和馈电导体(110)，所述PIFA的组成有：基本上对称的平面地导体(102)、基本上对称的平面贴片导体(106)和导电的隔离装置(104)，该平面贴片导体基本上与该地导体平行设置并共同延伸，该隔离装置设置在所述地导体和贴片导体两者的对置的边沿部分，并与这些部分电连接，并且，一个馈电导体(110)导电地在离开所述隔离装置的一个点(P)处和所述平面贴片导体连接，其特征在于，所述贴片导体(104)在其整个长度上是导电的，一个串联LC谐振电路装置(L2，C2)连接在所述地导体的一点和所述平面贴片导体的一点之间，所述平面贴片导体的一点位于所述馈电导体的连接点和所述隔离装置之间，并且，所述贴片导体的性能受到串联LC谐振电路装置的谐振频率的调整，使之具有第二辐射模式。
2.按照权利要求1所述的天线，其特征在于，所述谐振电路装置包括分离或印刷电路元件。
3.按照权利要求1所述的天线，其特征在于，所述谐振电路装置包括一个心轴(702)，其一端装在平面贴片导体中，其另一端位于地导体(102)中的孔(704)中，所述心轴的一部分位于平面贴片导体和地导体两者的空间中，构成一电感器，并且所述心轴的一部分位于所述孔内，构成一电容器。
4.按照权利要求3所述的天线，其特征在于，所述心轴的一端可调节地装在平面贴片导体中。
5.按照权利要求1所述的天线，其特征在于，所述串联谐振电路装置包括属于低温碳纤维陶瓷的层。
6.按照权利要求1-5中的任一权利要求所述的天线，其特征在于，所述谐振电路的阻抗在谐振频率时为最小。
7.一种无线通信装置，包括一个外壳、RF元件和按照权利要求1-6中的任一权利要求所述的双波段天线。
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