專利名稱：多波段平面天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于小尺寸無線電設(shè)備的多波段平面天線。本發(fā)明還涉及具有根據(jù)本發(fā)明的天線的無線電設(shè)備。
在移動臺中，使用不同的頻率范圍在兩個或兩個以上系統(tǒng)、比如不同的GSM系統(tǒng)(全球移動電信系統(tǒng))中工作的模型已經(jīng)變得日益普遍。移動臺工作的基本條件是它的天線的輻射和接收特性在使用中的所有系統(tǒng)的頻帶上滿足要求。當(dāng)為了使用舒適把天線定位在設(shè)備的蓋內(nèi)時，這是個苛刻的任務(wù)。
小尺寸設(shè)備的內(nèi)部天線通常具有平面結(jié)構(gòu)，因為那樣最容易得到需要的特性。平面天線包括輻射平面和與之平行的接地平面。為了方便匹配，通常通過短路導(dǎo)體在適當(dāng)?shù)狞c將輻射平面和接地平面彼此連接，由此創(chuàng)建PIFA(平面倒F天線)類型的結(jié)構(gòu)。通過借助非傳導(dǎo)槽把輻射平面分成如從短路點看到的兩個不同長度的分支，工作波段的數(shù)量能夠增加到兩個，以致對應(yīng)于分支的諧振頻率是在期望的頻帶的范圍中。然而在那種情況下，天線的匹配會成為問題。特別是當(dāng)想要覆蓋兩個系統(tǒng)使用的波段時，使天線的上工作波段足夠?qū)捠抢щy的。一個解決方案是增加天線單元的數(shù)量靠近主輻射平面放置電磁耦合的(即寄生的)平面單元。它的諧振頻率被安排在例如靠近雙波段PIFA的上諧振頻率以致形成統(tǒng)一的、比較寬的工作波段。自然，能形成用于具有寄生單元的天線的分離的第三工作波段。寄生單元的使用具有以下缺陷該單元和主輻射平面的相互位置甚至有小的變化也會使天線的波段特性明顯地惡化。此外，寄生單元需要它自己的短路安排。
另一方面，輻射平面本身能具有如此形狀，以致它與接地平面一起還形成第三個可用的諧振器。

圖1示出了這樣的解決方案的示例。從申請公布FI 20011043已知，有具有三個分離的工作波段的內(nèi)部多波段平面天線。天線100包含接地平面110和具有矩形輪廓的輻射平面120。在饋送點FP，輻射平面電鍍耦合到天線饋送導(dǎo)體，以及在短路點SP耦合到把輻射平面連接到接地平面的短路導(dǎo)體。因而天線是PIFA類型的。饋送點FP和短路點SP沿著輻射平面的一個長側(cè)彼此相對靠近。在輻射平面120上，有在饋送點旁邊從它的邊緣開始并且在平面的相對側(cè)結(jié)束的第一槽131，以及在短路點旁邊從相同邊緣開始并且在平面的中間區(qū)域結(jié)束的第二槽132。饋送點和短路點在這些槽之間。從短路點SP看，槽131和132將平面分成第一分支121和第二分支122。第一分支具有如此的尺寸，以致在天線的最低工作波段上它與接地平面一起形成四分之一波長諧振器并且用作輻射體。通過朝向接地平面的延伸E1和在第一分支中安排的附加彎曲E2方便了尺寸確定，該延伸和彎曲增加了分支的物理和電長度。第二分支122具有如此的尺寸，以致在天線的中間工作波段上它與接地平面一起形成四分之一波長諧振器并且用作輻射體。天線的最高工作波段基于第二槽132，它與周圍的導(dǎo)體平面和接地平面一起形成四分之一波長諧振器并因而用作槽輻射體。
在天線電路板105上，在它的上表面上的導(dǎo)體層中形成輻射平面120的導(dǎo)體圖案。自然，在距離接地平面110的某個高度上支承天線電路板。
根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)具有缺陷在最低工作波段上的天線的匹配留下了改進(jìn)的余地。此外，該結(jié)構(gòu)不允許為了形成統(tǒng)一和可服務(wù)的寬工作波段而將中間和最高的諧振頻率移到彼此靠近。
圖2示出了從申請公布FI 20012045已知的內(nèi)部的多波段平面天線的另一示例。天線200包含接地平面210和具有矩形輪廓的輻射平面220。在饋送點FP，輻射平面電鍍耦合到天線饋送導(dǎo)體，以及在短路點SP，耦合到把輻射平面連接到接地平面的短路導(dǎo)體。饋送點FP和短路點SP沿著輻射平面的一個長側(cè)彼此相對靠近。在輻射平面220中，有在饋送點和短路點之間從它的邊緣開始并且在平面的相對側(cè)結(jié)束的第一槽231，以及從相同邊緣、從短路點看來從饋送點的另一側(cè)開始的第二槽232。
天線200具有對于其使用非常重要的兩個工作波段和三個諧振。輻射平面220具有從短路點SP開始并且環(huán)繞第二槽232的末端的導(dǎo)體分支221，在天線的較低工作波段上它與接地平面一起形成四分之一波長諧振器并且用作輻射體。第二槽232如此定位和確定尺寸，使得在天線的上工作波段上它與周圍的導(dǎo)體平面和接地平面一起形成四分之一波長諧振器并且用作輻射體。第一槽231也如此確定尺寸，使得在天線的上工作波段上它與周圍的導(dǎo)體平面和接地平面一起形成四分之一波長諧振器并且用作輻射體。因而兩個槽輻射體的諧振頻率安排得彼此相對靠近但不同，使得上工作波段變得比較寬。借助于從輻射平面220的最靠近短路點的較短側(cè)指向接地平面的導(dǎo)體板E1，基于第一槽231的諧振頻率也被安排到適當(dāng)?shù)狞c。
在該例中，輻射平面是用電介質(zhì)框架270在距離接地平面的某個高度上支承的金屬片。
在根據(jù)圖2的結(jié)構(gòu)中，為天線的上工作波段提供了兩個強(qiáng)的和分開可調(diào)諧的諧振。由此得到了非常寬的帶寬。但是，為取得這點卻部分地犧牲了在較低工作波段上的匹配，這是該解決方案的缺陷。在非常小尺寸的設(shè)備中，因為設(shè)備的接地平面的小尺寸，較低波段匹配已經(jīng)變得困難。
本發(fā)明的目的是減少現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。根據(jù)本發(fā)明的天線的特征在于獨立權(quán)利要求1中所陳述的內(nèi)容。根據(jù)本發(fā)明的無線電設(shè)備的特征在于獨立權(quán)利要求9中所陳述的內(nèi)容。在其它的權(quán)利要求中陳述了本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例。
本發(fā)明的基本思想如下天線的基本結(jié)構(gòu)是雙諧振PIFA，它的輻射平面具有對應(yīng)于最低工作波段的結(jié)構(gòu)部分和對應(yīng)于上工作波段的結(jié)構(gòu)部分。為了改善天線的特性，在輻射平面上形成用作輻射體的回路諧振器?；芈返酿伨€的接地導(dǎo)體同時也是PIFA的短路導(dǎo)體。饋線的第二導(dǎo)體，即饋送導(dǎo)體，連接到回路的相對末端，并且它同時用作PIFA的饋送導(dǎo)體。對應(yīng)于最低工作波段的輻射平面的結(jié)構(gòu)部分定位在回路和對應(yīng)于上工作波段的PIFA的結(jié)構(gòu)部分之間。為了改善匹配，回路輻射體的諧振頻率安排在將形成的第三工作波段上或在天線的上工作波段上。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點用來在上工作波段上改善天線匹配的結(jié)構(gòu)部分還改善在最低工作波段上的匹配和效率。這是基于附加電感，其中用作PIFA的饋送導(dǎo)體的一部分的回路導(dǎo)體引入了它。接地平面的輕微延伸會有類似的效果，但是設(shè)備的尺寸不允許這樣做。此外，本發(fā)明具有以下優(yōu)點回路的諧振和PIFA的上諧振彼此幾乎不干擾，在這種情況下能彼此靠近安排它們的頻率。這是因為在上述部分之間的對應(yīng)于最低工作波段的結(jié)構(gòu)部分的定位。而且，本發(fā)明具有以下優(yōu)點根據(jù)它的結(jié)構(gòu)不需要附加的導(dǎo)體，例如在上述無線電設(shè)備的輻射平面和其它部分之間的第二短路導(dǎo)體。
在下文中，將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的多波段平面天線的示例；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的多波段平面天線的另一示例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的多波段平面天線的示例；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的多波段平面天線的另一示例；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的多波段平面天線的第三個示例；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的頻率特性的示例；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的效率的示例；以及圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的無線電設(shè)備的示例。
結(jié)合對現(xiàn)有技術(shù)的描述已討論了圖1和2。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)部的多波段平面天線的示例。有無線電設(shè)備的電路板301，電路板的傳導(dǎo)上表面用作天線的接地平面310。在電路板的一端，在接地平面之上，有天線的輻射平面320。將輻射平面連接到接地平面的短路導(dǎo)體325從在此稱為前側(cè)的輻射平面的邊緣旁邊開始。該導(dǎo)體到輻射平面的連接點稱作短路點SP?？拷椛淦矫娴那皞?cè)的短路點，有天線饋送點FP，天線饋送導(dǎo)體326從該點開始。從饋送導(dǎo)體開始，有到電路板301的下表面上的天線口AP的具有接地隔離的通孔。因此，輻射平面320與接地平面一起形成PIFA類型的天線。從短路點SP來看，它具有兩個不同長度的導(dǎo)體分支。天線的最低工作波段是基于第一導(dǎo)體分支321，它從短路點延伸到輻射平面的相對側(cè)，在那里平行于相對側(cè)繼續(xù)延伸并最后朝著前側(cè)折回。第一導(dǎo)體分支與周圍的天線部分一起形成四分之一波長諧振器，它具有短接端和開口端。天線的第二工作波段至少部分地基于輻射平面的第二導(dǎo)體分支322，它延伸到第一導(dǎo)體分支旁邊的輻射平面的相對側(cè)，形成輻射平面的末端。第二導(dǎo)體分支與周圍的天線部分一起形成四分之一波長諧振器，它具有短接端和開口端。
輻射平面320還包含定位在它的前側(cè)的導(dǎo)體回路323?；芈返亩它c是上述饋送點和短路點。因而從電路板301來看，回路和PIFA具有公共的饋送?；芈肪哂腥绱说某叽缫灾滤谔炀€的第二工作波段或在分離的第三工作波段上諧振和用作輻射體。在較前的情況中，通過以彼此間適當(dāng)?shù)木嚯x基于導(dǎo)體回路和第二導(dǎo)體分支安排諧振器的固有頻率，能使得第二工作波段非常寬。如此的調(diào)諧是可能的，因為如上所述，輻射平面的第一導(dǎo)體分支321是在導(dǎo)體回路323和第二導(dǎo)體分支322之間，在這種情況下，在后兩者之間的耦合比較弱。
上面提到，饋送點FP是在導(dǎo)體回路323的一端。這意味著另一方面回路是PIFA的饋送導(dǎo)體326的比較長的延伸并且因而用作整個饋送導(dǎo)體的一部分。當(dāng)從饋送點FP開始時，相對靠近短路點SP，在第一導(dǎo)體分支的開始部分在點F2回路接入剩余的輻射平面。點F2實際上是天線的PIFA部分的饋送點。回路導(dǎo)體具有一定的電感，它在本發(fā)明中被利用。當(dāng)它是非常小尺寸的無線電設(shè)備的天線的問題時，將在0.9GHz的頻率范圍中用于天線匹配的最優(yōu)的接地平面不會加入無線電設(shè)備。示范天線的最低工作波段定位在該范圍上?；芈穼?dǎo)體的電感至少部分補(bǔ)償了在接地平面的尺寸上的缺陷。按照該方式，回路323改善了在最低工作波段上的天線的匹配和效率。電感與導(dǎo)體的截面面積強(qiáng)烈相關(guān)。因而當(dāng)首先找到關(guān)于回路諧振的頻率的用于回路導(dǎo)體的外圈的適當(dāng)長度時，通過改變回路導(dǎo)體的內(nèi)圈的長度能安排最低工作波段的匹配。自然，這兩件事情有一些相互影響。
在圖3中，可以看到有兩塊支承輻射平面的框架350。自然，在整個結(jié)構(gòu)中包括了較大數(shù)量的電介質(zhì)支承結(jié)構(gòu)，使得輻射平面的所有部分精確地保持在適當(dāng)位置。本例中，天線的饋送導(dǎo)體和短路導(dǎo)體是與輻射平面相同的金屬片。同時，導(dǎo)體用作彈簧，并且在安裝的天線中，它們的下端通過彈力壓向電路板301。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)部的多波段平面天線的另一示例。天線從上面，即上面的輻射平面描述。輻射部分現(xiàn)在是在矩形電介質(zhì)板405的上表面上的傳導(dǎo)區(qū)域。在電介質(zhì)板的下面一點示出了接地平面410。在輻射平面420上，在板405的長側(cè)上有天線的饋送點FP和短路點SP。饋送點靠近板405的角以及短路點距離它遠(yuǎn)一點。輻射平面具有第一和第二導(dǎo)體分支以及用于與圖3中的天線中相同目的的導(dǎo)體回路。第一導(dǎo)體分支421從短路點SP延伸到輻射平面的相對的長側(cè)，在那里平行于長側(cè)繼續(xù)延伸，然后沿著一末端和進(jìn)一步沿著最初提到的長側(cè)朝向短路點延伸。另外的較短導(dǎo)體分支422保留在由第一導(dǎo)體分支形成的圖案的中央。導(dǎo)體回路423現(xiàn)在定位在饋送和短路點側(cè)的輻射平面的末端?；芈吩陔姎馍显陴佀秃投搪伏c之間。從饋送點FP開始，相對靠近短路點SP，在第一導(dǎo)體分支421的開始部分在點F2上，回路接入剩余的輻射平面。點F2實際上是天線的PIFA部分的饋送點。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)部的多波段平面天線的第三個示例。按照與圖3的天線中相似的方式形成輻射平面520的第一導(dǎo)體分支521和導(dǎo)體回路523。與圖3相比差別在于以下事實代替由第二導(dǎo)體分支形成的輻射體，在輻射平面的末端有槽輻射體。該槽525一直開到饋送點FP和短路點SP所在的輻射體的長側(cè)。槽輻射體具有如此尺寸以便在天線的最高工作波段上用作四分之一波長諧振器。
圖6示出了像圖3所示的天線的頻率特性的示例。在圖中，有作為頻率的函數(shù)的反射系數(shù)S11的曲線61。所測天線設(shè)計成在GSM900、GSM1800和GSM1900系統(tǒng)中工作。對于第一系統(tǒng)需要的波段定位在頻率范圍880-960MHz中，它是天線的最低工作波段B1。用于兩個后面的系統(tǒng)需要的波段定位在頻率范圍1710-1990MHz中，它是天線的上工作波段Bu。從曲線可以看出在最低工作波段的邊緣，天線的反射系數(shù)近似為-3.5dB以及在中心近似為-16dB。在上工作波段上，天線的反射系數(shù)在值-4.5dB和-18dB之間波動。在曲線61的形狀中能看出天線的三個明顯的諧振。整個最低工作波段B1是基于第一諧振r1，它歸因于由輻射平面的第一導(dǎo)體分支與周圍的導(dǎo)體一起形成的結(jié)構(gòu)。最高工作波段Bu是基于第二諧振r2和第三諧振r3。第二諧振歸因于由輻射平面的導(dǎo)體回路與周圍的導(dǎo)體一起形成的結(jié)構(gòu)，并且它非常強(qiáng)烈。第二諧振的頻率為大約1.78GHz。第三諧振歸因于由輻射平面的第二導(dǎo)體分支與周圍的導(dǎo)體一起形成的結(jié)構(gòu)，并且它的頻率為大約1.94GHz?？紤]到天線僅有一個統(tǒng)一的輻射體并且與無線電設(shè)備僅有兩個接觸點，天線的頻率特性相當(dāng)好。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的效率的示例。從與圖6的匹配曲線相同的結(jié)構(gòu)測量效率。曲線71示出了在最低工作波段上效率是如何改變的以及曲線72示出了在上工作波段上效率是如何改變的。在最低工作波段上，效率在0.43-0.75之間波動，以及在上工作波段上，效率在0.24-0.43之間波動。
自由空間中在最有利方向上測量的天線增益或相對場強(qiáng)在最低工作波段上的波動范圍為0.1dB到1.6dB以及在上工作波段上的波動范圍為-1.6到+1.8dB。最低天線增益和最差效率在沒有被系統(tǒng)GSM1800和GSM1900中的任一個所使用的頻率上。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的無線電設(shè)備的示例。無線電設(shè)備RD具有根據(jù)上文描述的內(nèi)部的多波段平面天線800，在圖中用虛線標(biāo)記。
在說明書和權(quán)利要求書中，限定詞“靠近”意味著在與平面天線的寬度相比相對較小的距離上，在小于對應(yīng)于天線的最高可用諧振頻率的波長的十分之一的數(shù)量級。
在上文中描述了根據(jù)本發(fā)明的多波段天線。自然，天線輻射體的形狀能與上述不同，并且本發(fā)明不限于該天線的制造方法。在獨立權(quán)利要求1和9所定義的范圍內(nèi)能按不同方式應(yīng)用本發(fā)明思想。
權(quán)利要求
1.一種多波段平面天線，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)和輻射平面(320；420；520)，所述輻射平面在饋送點(FP)連接到無線電設(shè)備的天線口并且在短路點(SP)連接到所述接地平面，所述輻射平面包含第一導(dǎo)體分支和第二部分，使得-所述第一導(dǎo)體分支(321；421；521)與周圍的天線部分一起形成在所述短路點短接的四分之一波長諧振器，所述諧振器的固有頻率定位在所述最低工作波段上，以及-所述第二部分(322；422；525)與周圍的天線部分一起形成諧振器，所述諧振器的固有頻率定位在所述第二工作波段上，其特征在于所述輻射平面還包含導(dǎo)體回路(323，423，523)，所述導(dǎo)體回路從所述饋送點(FP)開始，靠近所述短路點接入剩余的輻射平面，并且在所述短路點(SP)結(jié)束，用于形成回路輻射體和用于改善在最低工作波段上的天線匹配，以及所述輻射平面的所述第一導(dǎo)體分支的一部分定位在所述導(dǎo)體回路和所述第二部分之間。
2.如權(quán)利要求1所述的平面天線，其特征在于所述輻射平面的所述第二部分是從所述短路點開始的導(dǎo)體分支(322；422)。
3.如權(quán)利要求1所述的平面天線，其特征在于所述輻射平面的所述第二部分是從用于形成槽輻射體的饋送和短路點側(cè)的平面的邊緣開始的非傳導(dǎo)槽(525)，它在所述第二工作波段的范圍中諧振。
4.如權(quán)利要求1所述的平面天線，其特征在于基于所述導(dǎo)體回路(323)的所述諧振器的固有頻率在所述第二工作波段上，以便加寬所述第二工作波段。
5.如權(quán)利要求1所述的多波段天線，還具有第三工作波段，其特征在于基于所述導(dǎo)體回路的所述諧振器的固有頻率在所述第三工作波段上。
6.如權(quán)利要求1所述的平面天線，其特征在于通過選擇寬度并且因而選擇所述導(dǎo)體回路的導(dǎo)體(323)的電感，安排在最低工作波段上的天線匹配的所述改善，所述導(dǎo)體用作天線饋送導(dǎo)體(326)的延伸。
7.如權(quán)利要求1所述的平面天線，其特征在于所述輻射平面(320)是一塊金屬片。
8.如權(quán)利要求1所述的平面天線，其特征在于所述輻射平面(420)是在電介質(zhì)板(405)的表面上的傳導(dǎo)區(qū)域。
9.一種至少具有最低工作波段和第二工作波段和多波段平面天線(800)的無線電設(shè)備(RD)，所述天線包含接地平面和在饋送點連接到所述無線電設(shè)備的天線口并且在短路點連接到所述接地平面的輻射平面，所述輻射平面包含第一導(dǎo)體分支和第二部分，使得-所述第一導(dǎo)體分支與周圍的天線部分一起形成在短路點短接的四分之一波長諧振器，所述諧振器的固有頻率定位在所述最低工作波段上，以及-所述第二部分與周圍的天線部分一起形成諧振器，所述諧振器的固有頻率定位在所述第二工作波段上，其特征在于所述輻射平面還包括導(dǎo)體回路，所述導(dǎo)體回路從所述饋送點開始，靠近所述短路點接入剩余的所述輻射平面，并且在所述短路點結(jié)束，用于形成回路輻射體和用于改善在所述最低工作波段上的天線匹配，以及所述第一導(dǎo)體分支的一部分定位在所述導(dǎo)體回路和所述第二部分之間。
全文摘要
一種用于小尺寸無線電設(shè)備的多波段平面天線和一種無線電設(shè)備。上述天線的基本結(jié)構(gòu)是雙諧振PIFA，它的輻射平面(320)具有對應(yīng)于最低工作波段的結(jié)構(gòu)部分(321)和對應(yīng)于上工作波段的結(jié)構(gòu)部分(322)。此外，在輻射平面中形成用作輻射體的回路諧振器(323)?；芈返酿伨€的接地導(dǎo)體(325)同時是PIFA的短路導(dǎo)體。饋線的第二導(dǎo)體(326)連接到回路的相對末端，并且它用作PIFA的饋送導(dǎo)體。同時，對應(yīng)于最低工作波段的輻射平面的結(jié)構(gòu)部分(321)定位在回路和對應(yīng)于上工作波段的PIFA的結(jié)構(gòu)部分之間，以便減少它們之間的干擾。例如，在天線的上工作波段上安排回路輻射體的諧振頻率。因而回路改善了在上工作波段上的天線匹配，也改善了在最低工作波段上的匹配和效率。這是基于由用作PIFA的饋送導(dǎo)體的一部分的回路導(dǎo)體(323)導(dǎo)致的附加電感。
文檔編號H01Q5/00GK1875518SQ200480032072
公開日2006年12月6日 申請日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者H·科爾瓦, P·奧利特沃 申請人:Lk產(chǎn)品有限公司