CN1875518A - 多波段平面天线 - Google Patents

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Abstract

一种用于小尺寸无线电设备的多波段平面天线和一种无线电设备。上述天线的基本结构是双谐振PIFA，它的辐射平面(320)具有对应于最低工作波段的结构部分(321)和对应于上工作波段的结构部分(322)。此外，在辐射平面中形成用作辐射体的回路谐振器(323)。回路的馈线的接地导体(325)同时是PIFA的短路导体。馈线的第二导体(326)连接到回路的相对末端，并且它用作PIFA的馈送导体。同时，对应于最低工作波段的辐射平面的结构部分(321)定位在回路和对应于上工作波段的PIFA的结构部分之间，以便减少它们之间的干扰。例如，在天线的上工作波段上安排回路辐射体的谐振频率。因而回路改善了在上工作波段上的天线匹配，也改善了在最低工作波段上的匹配和效率。这是基于由用作PIFA的馈送导体的一部分的回路导体(323)导致的附加电感。

Description

多波段平面天线
本发明涉及用于小尺寸无线电设备的多波段平面天线。本发明还涉及具有根据本发明的天线的无线电设备。
在移动台中，使用不同的频率范围在两个或两个以上系统、比如不同的GSM系统(全球移动电信系统)中工作的模型已经变得日益普遍。移动台工作的基本条件是它的天线的辐射和接收特性在使用中的所有系统的频带上满足要求。当为了使用舒适把天线定位在设备的盖内时，这是个苛刻的任务。
小尺寸设备的内部天线通常具有平面结构，因为那样最容易得到需要的特性。平面天线包括辐射平面和与之平行的接地平面。为了方便匹配，通常通过短路导体在适当的点将辐射平面和接地平面彼此连接，由此创建PIFA(平面倒F天线)类型的结构。通过借助非传导槽把辐射平面分成如从短路点看到的两个不同长度的分支，工作波段的数量能够增加到两个，以致对应于分支的谐振频率是在期望的频带的范围中。然而在那种情况下，天线的匹配会成为问题。特别是当想要覆盖两个系统使用的波段时，使天线的上工作波段足够宽是困难的。一个解决方案是增加天线单元的数量：靠近主辐射平面放置电磁耦合的(即寄生的)平面单元。它的谐振频率被安排在例如靠近双波段PIFA的上谐振频率以致形成统一的、比较宽的工作波段。自然，能形成用于具有寄生单元的天线的分离的第三工作波段。寄生单元的使用具有以下缺陷：该单元和主辐射平面的相互位置甚至有小的变化也会使天线的波段特性明显地恶化。此外，寄生单元需要它自己的短路安排。
另一方面，辐射平面本身能具有如此形状，以致它与接地平面一起还形成第三个可用的谐振器。图1示出了这样的解决方案的示例。从申请公布FI 20011043已知，有具有三个分离的工作波段的内部多波段平面天线。天线100包含接地平面110和具有矩形轮廓的辐射平面120。在馈送点FP，辐射平面电镀耦合到天线馈送导体，以及在短路点SP耦合到把辐射平面连接到接地平面的短路导体。因而天线是PIFA类型的。馈送点FP和短路点SP沿着辐射平面的一个长侧彼此相对靠近。在辐射平面120上，有在馈送点旁边从它的边缘开始并且在平面的相对侧结束的第一槽131，以及在短路点旁边从相同边缘开始并且在平面的中间区域结束的第二槽132。馈送点和短路点在这些槽之间。从短路点SP看，槽131和132将平面分成第一分支121和第二分支122。第一分支具有如此的尺寸，以致在天线的最低工作波段上它与接地平面一起形成四分之一波长谐振器并且用作辐射体。通过朝向接地平面的延伸E1和在第一分支中安排的附加弯曲E2方便了尺寸确定，该延伸和弯曲增加了分支的物理和电长度。第二分支122具有如此的尺寸，以致在天线的中间工作波段上它与接地平面一起形成四分之一波长谐振器并且用作辐射体。天线的最高工作波段基于第二槽132，它与周围的导体平面和接地平面一起形成四分之一波长谐振器并因而用作槽辐射体。
在天线电路板105上，在它的上表面上的导体层中形成辐射平面120的导体图案。自然，在距离接地平面110的某个高度上支承天线电路板。
根据图1的结构具有缺陷：在最低工作波段上的天线的匹配留下了改进的余地。此外，该结构不允许为了形成统一和可服务的宽工作波段而将中间和最高的谐振频率移到彼此靠近。
图2示出了从申请公布FI 20012045已知的内部的多波段平面天线的另一示例。天线200包含接地平面210和具有矩形轮廓的辐射平面220。在馈送点FP，辐射平面电镀耦合到天线馈送导体，以及在短路点SP，耦合到把辐射平面连接到接地平面的短路导体。馈送点FP和短路点SP沿着辐射平面的一个长侧彼此相对靠近。在辐射平面220中，有在馈送点和短路点之间从它的边缘开始并且在平面的相对侧结束的第一槽231，以及从相同边缘、从短路点看来从馈送点的另一侧开始的第二槽232。
天线200具有对于其使用非常重要的两个工作波段和三个谐振。辐射平面220具有从短路点SP开始并且环绕第二槽232的末端的导体分支221，在天线的较低工作波段上它与接地平面一起形成四分之一波长谐振器并且用作辐射体。第二槽232如此定位和确定尺寸，使得在天线的上工作波段上它与周围的导体平面和接地平面一起形成四分之一波长谐振器并且用作辐射体。第一槽231也如此确定尺寸，使得在天线的上工作波段上它与周围的导体平面和接地平面一起形成四分之一波长谐振器并且用作辐射体。因而两个槽辐射体的谐振频率安排得彼此相对靠近但不同，使得上工作波段变得比较宽。借助于从辐射平面220的最靠近短路点的较短侧指向接地平面的导体板E1，基于第一槽231的谐振频率也被安排到适当的点。
在该例中，辐射平面是用电介质框架270在距离接地平面的某个高度上支承的金属片。
在根据图2的结构中，为天线的上工作波段提供了两个强的和分开可调谐的谐振。由此得到了非常宽的带宽。但是，为取得这点却部分地牺牲了在较低工作波段上的匹配，这是该解决方案的缺陷。在非常小尺寸的设备中，因为设备的接地平面的小尺寸，较低波段匹配已经变得困难。
本发明的目的是减少现有技术的上述缺陷。根据本发明的天线的特征在于独立权利要求1中所陈述的内容。根据本发明的无线电设备的特征在于独立权利要求9中所陈述的内容。在其它的权利要求中陈述了本发明的一些优选实施例。
本发明的基本思想如下：天线的基本结构是双谐振PIFA，它的辐射平面具有对应于最低工作波段的结构部分和对应于上工作波段的结构部分。为了改善天线的特性，在辐射平面上形成用作辐射体的回路谐振器。回路的馈线的接地导体同时也是PIFA的短路导体。馈线的第二导体，即馈送导体，连接到回路的相对末端，并且它同时用作PIFA的馈送导体。对应于最低工作波段的辐射平面的结构部分定位在回路和对应于上工作波段的PIFA的结构部分之间。为了改善匹配，回路辐射体的谐振频率安排在将形成的第三工作波段上或在天线的上工作波段上。
本发明具有以下优点：用来在上工作波段上改善天线匹配的结构部分还改善在最低工作波段上的匹配和效率。这是基于附加电感，其中用作PIFA的馈送导体的一部分的回路导体引入了它。接地平面的轻微延伸会有类似的效果，但是设备的尺寸不允许这样做。此外，本发明具有以下优点：回路的谐振和PIFA的上谐振彼此几乎不干扰，在这种情况下能彼此靠近安排它们的频率。这是因为在上述部分之间的对应于最低工作波段的结构部分的定位。而且，本发明具有以下优点：根据它的结构不需要附加的导体，例如在上述无线电设备的辐射平面和其它部分之间的第二短路导体。
在下文中，将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了现有技术的多波段平面天线的示例；
图2示出了现有技术的多波段平面天线的另一示例；
图3示出了根据本发明的多波段平面天线的示例；
图4示出了根据本发明的多波段平面天线的另一示例；
图5示出了根据本发明的多波段平面天线的第三个示例；
图6示出了根据本发明的天线的频率特性的示例；
图7示出了根据本发明的天线的效率的示例；以及
图8示出了根据本发明的无线电设备的示例。
结合对现有技术的描述已讨论了图1和2。
图3示出了根据本发明的内部的多波段平面天线的示例。有无线电设备的电路板301，电路板的传导上表面用作天线的接地平面310。在电路板的一端，在接地平面之上，有天线的辐射平面320。将辐射平面连接到接地平面的短路导体325从在此称为前侧的辐射平面的边缘旁边开始。该导体到辐射平面的连接点称作短路点SP。靠近辐射平面的前侧的短路点，有天线馈送点FP，天线馈送导体326从该点开始。从馈送导体开始，有到电路板301的下表面上的天线口AP的具有接地隔离的通孔。因此，辐射平面320与接地平面一起形成PIFA类型的天线。从短路点SP来看，它具有两个不同长度的导体分支。天线的最低工作波段是基于第一导体分支321，它从短路点延伸到辐射平面的相对侧，在那里平行于相对侧继续延伸并最后朝着前侧折回。第一导体分支与周围的天线部分一起形成四分之一波长谐振器，它具有短接端和开口端。天线的第二工作波段至少部分地基于辐射平面的第二导体分支322，它延伸到第一导体分支旁边的辐射平面的相对侧，形成辐射平面的末端。第二导体分支与周围的天线部分一起形成四分之一波长谐振器，它具有短接端和开口端。
辐射平面320还包含定位在它的前侧的导体回路323。回路的端点是上述馈送点和短路点。因而从电路板301来看，回路和PIFA具有公共的馈送。回路具有如此的尺寸以致它在天线的第二工作波段或在分离的第三工作波段上谐振和用作辐射体。在较前的情况中，通过以彼此间适当的距离基于导体回路和第二导体分支安排谐振器的固有频率，能使得第二工作波段非常宽。如此的调谐是可能的，因为如上所述，辐射平面的第一导体分支321是在导体回路323和第二导体分支322之间，在这种情况下，在后两者之间的耦合比较弱。
上面提到，馈送点FP是在导体回路323的一端。这意味着另一方面回路是PIFA的馈送导体326的比较长的延伸并且因而用作整个馈送导体的一部分。当从馈送点FP开始时，相对靠近短路点SP，在第一导体分支的开始部分在点F2回路接入剩余的辐射平面。点F2实际上是天线的PIFA部分的馈送点。回路导体具有一定的电感，它在本发明中被利用。当它是非常小尺寸的无线电设备的天线的问题时，将在0.9GHz的频率范围中用于天线匹配的最优的接地平面不会加入无线电设备。示范天线的最低工作波段定位在该范围上。回路导体的电感至少部分补偿了在接地平面的尺寸上的缺陷。按照该方式，回路323改善了在最低工作波段上的天线的匹配和效率。电感与导体的截面面积强烈相关。因而当首先找到关于回路谐振的频率的用于回路导体的外圈的适当长度时，通过改变回路导体的内圈的长度能安排最低工作波段的匹配。自然，这两件事情有一些相互影响。
在图3中，可以看到有两块支承辐射平面的框架350。自然，在整个结构中包括了较大数量的电介质支承结构，使得辐射平面的所有部分精确地保持在适当位置。本例中，天线的馈送导体和短路导体是与辐射平面相同的金属片。同时，导体用作弹簧，并且在安装的天线中，它们的下端通过弹力压向电路板301。
图4示出了根据本发明的内部的多波段平面天线的另一示例。天线从上面，即上面的辐射平面描述。辐射部分现在是在矩形电介质板405的上表面上的传导区域。在电介质板的下面一点示出了接地平面410。在辐射平面420上，在板405的长侧上有天线的馈送点FP和短路点SP。馈送点靠近板405的角以及短路点距离它远一点。辐射平面具有第一和第二导体分支以及用于与图3中的天线中相同目的的导体回路。第一导体分支421从短路点SP延伸到辐射平面的相对的长侧，在那里平行于长侧继续延伸，然后沿着一末端和进一步沿着最初提到的长侧朝向短路点延伸。另外的较短导体分支422保留在由第一导体分支形成的图案的中央。导体回路423现在定位在馈送和短路点侧的辐射平面的末端。回路在电气上在馈送和短路点之间。从馈送点FP开始，相对靠近短路点SP，在第一导体分支421的开始部分在点F2上，回路接入剩余的辐射平面。点F2实际上是天线的PIFA部分的馈送点。
图5示出了根据本发明的内部的多波段平面天线的第三个示例。按照与图3的天线中相似的方式形成辐射平面520的第一导体分支521和导体回路523。与图3相比差别在于以下事实：代替由第二导体分支形成的辐射体，在辐射平面的末端有槽辐射体。该槽525一直开到馈送点FP和短路点SP所在的辐射体的长侧。槽辐射体具有如此尺寸以便在天线的最高工作波段上用作四分之一波长谐振器。
图6示出了像图3所示的天线的频率特性的示例。在图中，有作为频率的函数的反射系数S11的曲线61。所测天线设计成在GSM900、GSM1800和GSM1900系统中工作。对于第一系统需要的波段定位在频率范围880-960MHz中，它是天线的最低工作波段B1。用于两个后面的系统需要的波段定位在频率范围1710-1990MHz中，它是天线的上工作波段Bu。从曲线可以看出：在最低工作波段的边缘，天线的反射系数近似为-3.5dB以及在中心近似为-16dB。在上工作波段上，天线的反射系数在值-4.5dB和-18dB之间波动。在曲线61的形状中能看出天线的三个明显的谐振。整个最低工作波段B1是基于第一谐振r1，它归因于由辐射平面的第一导体分支与周围的导体一起形成的结构。最高工作波段Bu是基于第二谐振r2和第三谐振r3。第二谐振归因于由辐射平面的导体回路与周围的导体一起形成的结构，并且它非常强烈。第二谐振的频率为大约1.78GHz。第三谐振归因于由辐射平面的第二导体分支与周围的导体一起形成的结构，并且它的频率为大约1.94GHz。考虑到天线仅有一个统一的辐射体并且与无线电设备仅有两个接触点，天线的频率特性相当好。
图7示出了根据本发明的天线的效率的示例。从与图6的匹配曲线相同的结构测量效率。曲线71示出了在最低工作波段上效率是如何改变的以及曲线72示出了在上工作波段上效率是如何改变的。在最低工作波段上，效率在0.43-0.75之间波动，以及在上工作波段上，效率在0.24-0.43之间波动。
自由空间中在最有利方向上测量的天线增益或相对场强在最低工作波段上的波动范围为0.1dB到1.6dB以及在上工作波段上的波动范围为-1.6到+1.8dB。最低天线增益和最差效率在没有被系统GSM1800和GSM1900中的任一个所使用的频率上。
图8示出了根据本发明的无线电设备的示例。无线电设备RD具有根据上文描述的内部的多波段平面天线800，在图中用虚线标记。
在说明书和权利要求书中，限定词“靠近”意味着在与平面天线的宽度相比相对较小的距离上，在小于对应于天线的最高可用谐振频率的波长的十分之一的数量级。
在上文中描述了根据本发明的多波段天线。自然，天线辐射体的形状能与上述不同，并且本发明不限于该天线的制造方法。在独立权利要求1和9所定义的范围内能按不同方式应用本发明思想。

Claims (9)

1.一种多波段平面天线，至少具有最低工作波段和第二工作波段，并且包含接地平面(310，410)和辐射平面(320；420；520)，所述辐射平面在馈送点(FP)连接到无线电设备的天线口并且在短路点(SP)连接到所述接地平面，所述辐射平面包含第一导体分支和第二部分，使得
-所述第一导体分支(321；421；521)与周围的天线部分一起形成在所述短路点短接的四分之一波长谐振器，所述谐振器的固有频率定位在所述最低工作波段上，以及
-所述第二部分(322；422；525)与周围的天线部分一起形成谐振器，所述谐振器的固有频率定位在所述第二工作波段上，
其特征在于：所述辐射平面还包含导体回路(323，423，523)，所述导体回路从所述馈送点(FP)开始，靠近所述短路点接入剩余的辐射平面，并且在所述短路点(SP)结束，用于形成回路辐射体和用于改善在最低工作波段上的天线匹配，以及所述辐射平面的所述第一导体分支的一部分定位在所述导体回路和所述第二部分之间。
2.如权利要求1所述的平面天线，其特征在于：所述辐射平面的所述第二部分是从所述短路点开始的导体分支(322；422)。
3.如权利要求1所述的平面天线，其特征在于：所述辐射平面的所述第二部分是从用于形成槽辐射体的馈送和短路点侧的平面的边缘开始的非传导槽(525)，它在所述第二工作波段的范围中谐振。
4.如权利要求1所述的平面天线，其特征在于：基于所述导体回路(323)的所述谐振器的固有频率在所述第二工作波段上，以便加宽所述第二工作波段。
5.如权利要求1所述的多波段天线，还具有第三工作波段，其特征在于：基于所述导体回路的所述谐振器的固有频率在所述第三工作波段上。
6.如权利要求1所述的平面天线，其特征在于：通过选择宽度并且因而选择所述导体回路的导体(323)的电感，安排在最低工作波段上的天线匹配的所述改善，所述导体用作天线馈送导体(326)的延伸。
7.如权利要求1所述的平面天线，其特征在于：所述辐射平面(320)是一块金属片。
8.如权利要求1所述的平面天线，其特征在于：所述辐射平面(420)是在电介质板(405)的表面上的传导区域。
9.一种至少具有最低工作波段和第二工作波段和多波段平面天线(800)的无线电设备(RD)，所述天线包含接地平面和在馈送点连接到所述无线电设备的天线口并且在短路点连接到所述接地平面的辐射平面，所述辐射平面包含第一导体分支和第二部分，使得
-所述第一导体分支与周围的天线部分一起形成在短路点短接的四分之一波长谐振器，所述谐振器的固有频率定位在所述最低工作波段上，以及
-所述第二部分与周围的天线部分一起形成谐振器，所述谐振器的固有频率定位在所述第二工作波段上，
其特征在于：所述辐射平面还包括导体回路，所述导体回路从所述馈送点开始，靠近所述短路点接入剩余的所述辐射平面，并且在所述短路点结束，用于形成回路辐射体和用于改善在所述最低工作波段上的天线匹配，以及所述第一导体分支的一部分定位在所述导体回路和所述第二部分之间。
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