CN100438209C - 内部多波段天线 - Google Patents

Abstract

将被用于小尺寸无线设备的内部多波段天线以及配有根据本发明的天线的无线设备。天线的辐射元件(330)是该无线设备盖的导电部分，或者是附着到该盖的导电表面。辐射元件通过连接到天线端口的馈送元件(320)被以电磁方式馈送。设计(321、322)馈送元件，使其与反射元件和接地平面(310)一起具有在至少两个期望波段区域的谐振频率。此外，安排辐射元件本身的谐振频率落入工作频段内。通过馈送元件的设计以及短路(315)而提供天线匹配。可以在所期望的设备外观的基础上设计该辐射元件，并且通过馈送元件设计和短路而提供工作频段的定位和天线匹配。天线要求相对小的设备内空间。

Description

内部多波段天线

技术领域

本发明涉及预定被用于小尺寸无线设备中的内部多波段天线。本发明还涉及配有本发明的天线的无线设备。

背景技术

在便携式无线设备，特别是移动通信设备中，天线最好要置于设备的盖之内，以方便用户使用。小尺寸设备的内部天线通常都是平面型天线，其原因是：在这种情况下，最容易为天线获得满意的电气特征。平面天线中包括辐射平面以及与之并行的接地平面。为了使阻抗更容易地匹配，辐射平面与接地平面通常是经过短路导体、在适当点处相互连接，以生成平面的反向F天线(PIFA)。

图1中给出公认已知的PIFA型内部多波段天线。图中描述了无线设备的电路板101，该电路板具有导电上表面。在该平面天线内，该导电上表面被用作接地平面110。在电路板的一端有天线的辐射平面120，该辐射平面位于接地平面上方，由绝缘框架150支撑。为了天线的阻抗匹配，在靠近其角落的辐射平面的另一边缘，有把辐射平面连接到接地平面的短路导体115以及天线馈送导体116。对于馈送导体来说，存在一个与地隔离的、到电路板101下表面上的天线端口的引导通路(leadthrough)。辐射平面中有一个开槽129，它从该平面靠近短路导体115的边缘开始，并且延伸到该平面的靠近该相反边缘的内部区域。从辐射平面的短路点看去，开槽129把辐射平面分割为两个长度截然不同的分支121和122。因此，PIFA具有至少两个单独的谐振频率以及相应的工作频段。

图1所示结构的缺点在于当试图得到一个很小尺寸的设备时，该辐射平面所要求的设备内空间可能会太大。原则上讲，如果把辐射平面制造成为该设备盖的一部分，则可以避免该缺点。然而这将限制辐射元件的设计，并因此更难以获得期望的电气特征。

已知现有技术的天线结构中包括由主辐射器馈送的表面辐射器。图2中给出这种结构的实例。表面辐射器230被附着在设备盖250的内表面上。该结构还包括与表面辐射器并行的印刷电路板202，以及位于电路板的、图2中可以看见的那侧的、该天线的条状馈送导体216。在电路板202的相反侧，即面对表面辐射器的那侧，有带有开槽状的非导电区域220的导电平面210。馈线205的中心导体被连接到导电条216，而其护层被连接到导电平面210，从而被连接到信号地。通过为电路板202选择适当的尺寸，以实现天线与其导电部分的匹配。而且，选择该结构的尺寸，使得开槽220能够在工作频段谐振，并且向表面辐射器230发射能量。由于该表面辐射器进而谐振，所以它向其周围发出射频能量。

例如，象图2中描述的天线可以被用于某些移动网络基站。可以想象到这种天线也可以被应用于移动台。这样的结构的好处将在于不必对辐射器适当地整形，就可以实现天线匹配。然而与图1所示结构相比，几乎没有或根本没有节省空间。另一缺点就是这种天线结构将只拥有一个工作频段。

发明内容

本发明的一个目的在于减少与现有技术有关的上述这些缺点。在独立权利要求1中指出了按照本发明的天线的特征。在独立权利要求18中指出了按照本发明的无线设备的特征。在其它权利要求中指出本发明的某些优选实施例。

本发明的基本思想如下：天线的辐射元件是无线设备盖内的导电部分或附着在该盖上的导电表面。辐射元件通过连接到天线端口的馈送元件而被以电磁方式馈送。设计馈送元件，使得它与辐射元件以及接地平面一起，具有在至少两个期望工作频段上的谐振频率。此外，还安排辐射元件本身的谐振频率也落入工作频段内。通过馈送元件设计以及短路而提供天线匹配。

本发明的一个好处在于：根据设备的期望外观所设计的元件可以被用作多频率天线中的辐射器。可以提供工作频段位置以及天线匹配的安排，而不必为了它们的缘故去对该辐射元件整形。与相应的按照现有技术的天线相比，本发明的另一好处在于天线所需的设备内空间可以更小。这是基于如下的事实：即在相应的PIFA内，馈送元件实际上必须非常靠近辐射元件，并且馈送元件与接地平面的距离可以在某种程度上小于在辐射平面与接地平面之间的距离。本发明的另一好处就是当辐射元件位于设备盖中或设备盖上时，这与更位于内部的辐射器相比，天线的辐射特征会更好。本发明的另一好处在于按照本发明的天线的生产成本相对较低。

附图说明

下面更加详细地描述本发明。在描述中，参考如下附图，其中：

图1给出按照现有技术的内部多波段天线的实例；

图2给出按照现有技术的内部多波段天线的第二实例；

图3a-c给出根据本发明的内部多波段天线的实例；

图4给出根据本发明的内部多波段天线的第二实例；

图5给出根据本发明的内部多波段天线的第三实例；

图6a、b给出根据本发明的内部多波段天线的第四实例；

图7给出根据本发明的内部多波段天线的第五实例；

图8给出根据本发明的内部多波段天线的第六实例；

图9给出本发明天线的频率特征的实例；以及

图10给出按照本发明的天线的效率的实例。

具体实施方式

图3a-c给出按照本发明的内部多波段天线的实例。图3a中从辐射元件侧的角度给出天线结构。图中可以看到无线设备的电路板301，其中该电路板的导电上表面用作天线的接地平面310。电路板上面有与之平行的绝缘平板302，其上表面被覆盖有导电层，作为该天线的辐射元件330。此后令此绝缘平板被称作天线平板。在图3a中以虚线描述的天线平板302的下表面上有天线馈送元件320。这是一个沿该天线平板302的边缘附近行进的条状导体，其一端达到天线平板的中央区域。在辐射元件与馈送元件之间仅有电磁耦合。天线平板302相对较薄，大概有半毫米厚，由此使电磁耦合相对较强。天线馈送导体316以及短路导体315被电连接到馈送元件320。与接地平面隔离的馈送导体通过电路板301扩展到位于下表面上的天线端口。短路导体连接该馈送元件与接地平面，从而在馈送元件中形成短路点。该短路点把馈送元件分割为两部分，该第一部分321明显长于第二部分322。在该实例中天线具有两个工作频段。馈送元件的第一部分321具有如下尺寸，使得它与辐射元件和接地平面一起，在该天线的较低工作频段范围内谐振。该馈送元件的第二部分322进而又具有如下尺寸，使得它与辐射元件和接地平面一起，能在该天线的高工作频段范围内谐振。还可能激励该天线结构中的其它谐振，这主要取决于辐射元件的尺寸及其距接地平面的距离。还可以利用额外的元件来安排这种谐振，使其落入例如高工作频段范围内，以便使其更宽。这样，就可以使连续的导电表面330在两个单独的工作频段内进行辐射，该工作频段中的至少一个可以借助于第三谐振而被整形。可以根据所讨论无线设备的朝外的外观去设计被当作表面辐射器的元件330以及接收元件。通过馈送元件设计以及短路而安排该工作频段的位置以及天线的匹配，因此没有必要为这些目的而去对辐射器整形。当然也可以设计辐射器，使其有助于频段规划以及阻抗匹配；例如，该辐射器中可以包含从其边缘开始的非导电的开槽。

图3b示出从馈送元件320侧看去、带有其导体的天线平板302，该视图与图3a相比是上下颠倒的。图中给出天线的馈送导体316以及短路导体315，它们分别在馈点F和短路点S被连接到馈送元件。在该图中在短路点S的右边是馈送元件的U形的第一部分321，其左边是馈送元件的L形的第二部分322。这样第一和第二部分的长度并不与工作频段的波长对应，但是与相对较大辐射元件的耦合会使得馈送元件部分的电气长度更长，使得这些与预定的波长相对应。

图3c给出配有按照图3a、b中所示天线的无线设备的简化横截面图。其中给出无线设备的盖350以及无线设备的电路板301，其被直接或间接地固定在该盖350上。按照本发明的天线平板302的宽度与无线设备的内部空间几乎相同，它被附着在该盖350的内表面上，该辐射元件紧靠该盖。在该实例情形中，内表面稍微有些弯曲，使天线平面302也必须有稍许弯曲。它可以由灵活的电路板材料构成，并且由于该平板很薄，因此使用其它材料也没有问题。图3c中看不见位于天线平板的下表面上的辐射元件和馈送元件。然而其中给出了位于电路板301与天线平板302之间的天线馈送导体315和短路导体316。由于类似图1所示的辐射平面不必放置在该设备的内部空间中，且与该盖相分离，因此按照图3c的安排节省了空间。而且由于辐射器相对较大，因此接地平面与馈送元件之间的距离在某种程度上要小于相应PIFA中接地平面与辐射平面之间的距离。

图4中给出按照本发明的内部多波段天线的第二实例。可以看见如图3c所示无线设备的类似的简化横截面图。与图3c和图3a、b中描述的结构的不同之处在于：现在辐射元件430是处于无线设备的盖450的外表面上的导电层，以及馈送元件420是该盖450的内表面上的导电层。这样绝缘盖就在所讨论的元件之间提供一种电隔离。元件的形状可以与图3a中描述的形状相类似。在图4的实例中，辐射元件的宽度等于整个无线设备的宽度，甚至还要稍微扩展到侧表面。这样的尺寸以及在辐射器顶部只存在一层非常薄的绝缘保护层的事实，增强其辐射特征。而且很明显如图3c所示的结构还可以节省空间。

图5给出按照本发明的内部多波段天线的第三实例。如图4实例所示，并没有独立的天线平板，而是辐射元件与馈送元件被附着在无线设备的盖550上。与图4的不同之处在于：现在馈送元件520在辐射元件530之上，即与辐射元件相比距接地平面510更远。而且现在馈送元件被嵌入在盖550内，这是在盖的制造期间就被做好的。辐射元件530是无线设备的盖的内表面上的导电层。它也可以被嵌入在盖内，在这种情况下该盖在某种意义上将类似一个多层电路板。对于短路导体515和反馈导体516来说，必须要在辐射元件上打洞。或者，在辐射元件的区域之外，在馈送元件中引入弯曲，并且把该导体连接到这个弯曲部分。

图6a、b给出按照本发明的内部多波段天线的第四实例。图6a给出从背面看的无线设备600，其形状类似于普通的移动电话。在该实例中，无线设备的盖背部的上半部分630由导电材料制成，并且用作辐射元件。例如它可以由铝经过挤压而制成。在辐射元件630的内表面上有一层薄的绝缘天线平板。这可以在辐射元件与馈送元件620之间提供电隔离，在图6a中如虚线所示。该实例中的馈送元件是T型导电条，其主干沿无线设备的宽度方向跨过辐射元件行进，而垂直的“横梁”靠近辐射元件侧、沿无线设备的纵向行进。大概在主干中间有天线馈点F和短路点S。短路点把馈送元件分割为两部分，如图3b所示。在这种情况下，馈送元件的第一部分621由该横梁以及位于该横梁侧的主干部分构成。馈送元件的第二部分622由其余部分构成，即主干的“基本部分”。

在该实例中，在天线平板的下表面上，除了馈送元件620之外，还有调谐元件641，它是一个靠近辐射元件的一个边缘和靠近馈送元件第二部分的相对小的导电条。这一调谐元件641被电连接到接地平面。此连接类似于短路点S的接地连接地、在图6a中由图形符号标识。调谐元件641的目的在于：在天线的高工作频段或其附近将该天线结构的谐振频率设置到该频率轴上的一个有利的点，这一谐振频率定位于该天线的高工作频段或其附近，并且主要取决于该辐射元件和接地平面。调谐元件会在辐射平面和接地平面之间引入某一额外的电容，并且由于该额外的电容，因此在已知的意义上，调谐是基于改变元件的电气尺寸进行的。如果需要的话，还可以安排一个以上的调谐元件。

图6b给出从侧面看到的图6a所示的无线设备600。辐射元件630在其边缘处弯曲，形成无线设备的部分侧表面与端表面。它与无线设备的盖的其它部分660结合而不间断，所述其它部分是由绝缘材料制成的。辐射元件630的外表面被自然地覆盖一层很薄的非导电保护层。

图7给出按照本发明的内部多波段天线的第五实例。可看到一个无线设备700，其中该设备的盖后部的上面部分731由导电材料制成。元件731被馈送并且作为辐射元件，正如图6a、b中所示的实例。在该实例中有一个额外的寄生辐射器732。它是一个适当的在辐射器731附近的平面导体，位于无线设备盖的非导电部分760的内表面上。无线设备的接地平面也在该寄生辐射器的下方延伸。该寄生辐射器可以有选择地与按照图4a的结构中的主辐射器一起处于相同的天线平板上。在这种情况下，当然要根据寄生辐射器去扩大天线平板。选择寄生辐射器的位置和尺寸，使得它能够在例如蓝牙或GPS系统的频率范围内谐振。而且还可以对寄生辐射器进行调整，使其能够在天线的某些其它谐振频率附近进行谐振，以便展宽工作频段。在该天线结构中可以包含不只一个寄生元件。

图8给出按照本发明的内部多波段天线的第六实例。可以看到无线设备800，在这一情形中它是可折叠的模型。它具有第一折叠部分FD1以及第二折叠部分FD2。这些部分可以围绕铰链870相互地相对旋转。第一折叠部分的盖的整个背部830是导电材料并且用作辐射元件。根据本发明，辐射器830被从以绝缘方式附着在辐射器内表面的馈送元件820馈送。

图9给出按照图6a、b的天线的频率特征的实例。如图所示的曲线91表示作为频率的函数的反射系数S11。被测量的天线被设计成工作在系统GSM850(全球移动电信系统)、GSM900、GSM1800和GSM1900中。前两种系统所要求的频段落入824～960MHz的频率范围内，这是该天线的低工作频段B1。后两种系统所要求的频段落入1710～1990MHz的频率范围内，这是该天线的高工作频段Bu。该曲线表明在低工作频段的、该天线的反射系数低于-6dB。在高工作频段，天线的反射系数在-3dB和-12dB之间变化。数值-3dB意味着几乎不可通过的匹配，但测量是在仍处于研制中的天线上进行的。曲线91的形状表明该天线在工作频段范围内要拥有三种谐振。整个低工作频段是基于由馈送元件的第一部分与辐射元件和接地平面一起所构成的结构的第一谐振r1。高工作频段是基于第二谐振r2和第三谐振r3。第二谐振的频率位于高工作频段Bu的下界，而它属于由馈送元件的第二部分与辐射元件和接地平面所构成的结构。第三谐振的频率位于高工作频段的上界附近，并且它属于由辐射元件和接地平面构成的结构。利用如图6a的描述中提及的调谐元件而实现对第三谐振的调谐。该实例内的第二和第三谐振频率的间隔被安排在240MHz附近，由此该高工作频段非常宽。

图10中给出按照本发明的天线的效率实例。使用与用于图9中的匹配曲线相同的结构来测量效率。曲线01说明在低工作频段内的效率的变化，以及曲线02说明在高工作频段内的效率的变化。在低工作频段内，效率在0.6和0.9之间变化，而在高工作频段内，效率在0.4和0.75之间变化。这些读数都显著较高。

在低工作频段内，天线增益或自由空间内最有利方向上测量到的相对场强在1到3dB之间变化，而在高工作频段内，则在2.5到4dB之间变化。这些读数也都是显著较高。

说明书以及权利要求中的属性“上”和“下”都是指如图3a、3c、4和5中所示设备的位置，而与设备的工作频率无关。

以上描述了按照本发明的多波段天线。天线元件的形状和数量可能自然地与在此给出的有些差别。而且，元件的位置也是可以变化的，例如辐射元件可以被附着在设备的替换盖上。本发明并不限制天线的制造方法。天线平板可以由电路板材料或某些其它绝缘材料构成。与天线平板或与无线设备的盖结合在一起的平面元件可以有例如铜或导电性墨水涂层等的导电涂层。它们还可以有通过超声焊接、镦锻、粘合或捆绑方式附着的金属片或金属箔。各种平面元件可能具有不同的制造和附着方法。在独立权利要求1定义的范围内，可以以不同的方式应用本发明的思想。

Claims (18)

1.一种无线设备的内部多波段天线，它具有至少第一和第二工作频段，并且包含接地平面、与该无线设备的其它导电部分电隔离的辐射元件(330、430、530、630、730、830)、馈送元件(320、420、520、620、720、820)、馈送导体(316、416、516)以及短路导体(315、415、515)，在该辐射元件与馈送元件之间有电磁耦合，以向该辐射元件的域传递发射能量并且接收到该馈送元件的域的能量，其特征在于：

-该馈送元件的面积相对于该辐射元件是小的，并且它通过短路导体在短路点(S)连接到接地平面，以匹配该天线；

-该短路点(S)把馈送元件分割为第一部分(321)和第二部分(322)，该馈送元件的形状不同于该辐射元件的形状；以及

-该馈送元件的第一部分以及辐射元件和接地平面一起被安排成在该天线的第一工作频段(B1)范围内谐振，而该馈送元件的第二部分以及辐射元件和接地平面一起被安排成在该天线的第二工作频段(Bu)范围内谐振。

2.根据权利要求1的多波段天线，其特征在于，使已被安装的辐射元件的形状和位置符合该无线设备的外表面的轮廓。

3.根据权利要求2的多波段天线，其特征在于，辐射元件(630、830)是属于该无线设备的盖的刚性导电片。

4.根据权利要求3的无线设备的多波段天线，其中无线设备(800)是可折叠的，它包含两个折叠部分，其特征在于，已被安装的该导电片(830)完全地构成一个折叠部分(FD1)的盖的背部。

5.根据权利要求3的多波段天线，其特征在于，该导电片是挤压片。

6.根据权利要求1的多波段天线，其特征在于，它包含位于接地平面(310)之上的绝缘天线平板(302)，在该平板的一表面上有辐射元件(330)，而在其相反的表面上有馈送元件(320)。

7.根据权利要求6的多波段天线，其特征在于，该天线平板(302)被安排成附着在该无线设备的非导电盖(350)的内表面上。

8.根据权利要求7的多波段天线，其特征在于，当已经附着天线平板时，该辐射元件(330)紧靠所述内表面定位。

9.根据权利要求2的多波段天线，其特征在于辐射元件(430)是该无线设备的盖(450)的外表面上的导电层，以及馈送元件(420)是该盖的内表面上的导电层。

10.根据权利要求2的多波段天线，其特征在于辐射元件和馈送元件中的至少一个(520)位于该无线设备的盖(550)的内部。

11.根据权利要求1的多波段天线，其特征在于与辐射元件(530)相比，该馈送元件(520)的位置距接地平面(510)更远。

12.根据权利要求1的多波段天线，其特征在于该辐射元件与接地平面一起被安排成在第三谐振频率上谐振。

13.根据权利要求12的多波段天线，其特征在于该第三谐振频率处于该天线的第二工作频段(Bu)范围内，以展宽该频段。

14.根据权利要求12的多波段天线，其特征在于它还包含至少一个连接到该接地平面的调谐元件(641)，该调谐元件与辐射元件(630)具有电磁耦合，以便在频率轴的期望点上设置该第三谐振频率。

15.根据权利要求1的多波段天线，其特征在于它还包含至少一个辐射寄生元件(732)。

16.根据权利要求15的多波段天线，其特征在于该寄生元件与接地平面一起被安排成在该第一和第二工作频段之外的频率上谐振，以提供第三工作频段。

17.根据权利要求15的多波段天线，其特征在于该寄生元件与接地平面一起被安排成在该第一或第二工作频段内谐振，以展宽该工作频段。

18.一种无线设备(600、700、800)，它包括具有至少第一和第二工作频段并包含接地平面、与无线设备的其它导电部分电隔离的辐射元件、馈送元件(620、720、820)、馈送导体和短路导体的内部多波段天线，在该辐射元件与馈送元件之间有电磁耦合，以向辐射元件的域传递发射能量并且接收到馈送元件的域的能量，其特征在于：

-该馈送元件的面积相对于该辐射元件是小的，并且它通过短路导体在短路点(S)连接到接地平面，以匹配该天线；

-该短路点把该馈送元件分割为第一部分(621)和第二部分(622)，该馈送元件的形状不同于该辐射元件的形状；以及

-该馈送元件的第一部分以及辐射元件和接地平面一起被安排成在该天线的第一工作频段范围内谐振，而且该馈送元件的第二部分以及辐射元件和接地平面一起被安排成在该天线的第二工作频段范围内谐振。

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