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CN102099962A - 天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型天线结构，该天线结构包括：接地平面；馈电元件；以及耦接到该馈电元件的辐射元件，该辐射元件与被设置在承载结构的第一表面上的接地平面大体平行并且被馈电元件和短路元件从该接地平面垂直地移开。所述天线还包括作为所述承载结构的接地层的一部分而被直接设置在所述承载结构上的寄生元件。

Description

天线结构
技术领域
本发明涉及天线，更具体地涉及一种包括寄生元件的半平面倒F天线(PIFA：Planar Inverted F-Antenna)。
背景技术
诸如蜂窝和其他无线电话、无线网络(WiLAN)组件、GPS接收机、移动电台、寻呼机等的无线通信设备使用多频带天线在多个无线通信频带内发射和接收无线信号。因此，天线是无线设备的其中一个关键组件，这样的天线应当满足对高信号强度、弱信号的良好接收、带宽增加(或变窄，如果需要)和小型封装方面的高性能的要求。
在移动通信中，微波区域内的电磁波被用于传输信息。因此，电信设备的必要部分是使能接收和发射电磁波的天线。
蜂窝系统可以在被称为GSM(全球移动系统)和DCS(数字通信系统)的两个不同频带中工作。在欧洲，使用频带GSM 900(从880MHz到960MHz)和GSM 1800(DCS)(从1710MHz到1880MHz)。此外，还存在着主要在美国使用的频带GSM850(从824MHz到894MHz)和频带GSM 1900(PCS)(从1850MHz到1990MHz)。
平面倒F天线(PIFA)具有很多优点。它们容易制造，设计简单并且制造成本低。现今，平面倒F天线广泛应用在如蜂窝电话的小型通信设备中。这是由于平面倒F天线的紧凑尺寸使其很容易被集成到用于保护天线的设备外壳中。与例如常见的鞭状天线相比，PIFA在辐射照射方面还具有一个额外的优势。鞭状天线具有全向辐射场，而平面倒F天线具有朝向用户的相对受限的辐射场。
平面倒F天线通常为λ/4谐振结构，并且通过使用导电壁、导电片或导电柱将辐射元件短接到接地平面而实现。因此，传统的平面倒F天线结构由与接地平面平行设置且通过介电材料(通常为空气)与接地平面绝缘的导电辐射元件组成。该辐射元件连接到通常朝向该元件的一端设置的两个引脚，使得其从侧面看起来像一个倒置的字母“F”。第一个引脚将辐射体电连接到接地平面，并且第二个引脚提供天线馈电。PIFA的频率带宽、增益和谐振频率取决于导电辐射元件的高度、宽度和厚度以及连接到辐射元件和接地的第一引脚与连接到天线馈电的第二引脚之间的距离。
图2例示了传统的PIFA 200设计。传统的PIFA 200包括形成该天线的辐射元件209的导电片。辐射元件209与在基底211上形成的接地平面210大致平行地设置。辐射元件209与接地平面210之间的这种平行取向提供了最佳的性能，但其他取向也是可能的。辐射元件209经过调谐或短路元件212电连接到接地平面210，调谐或短路元件212在大多数情况下被设置在辐射元件209和馈电元件213的一侧。馈电元件213在某种程度上与接地平面210电绝缘。当电流通过馈电元件213馈入安装在接地平面210上方的辐射元件209时，辐射元件209和接地平面210受到激励并成为辐射装置。通过调整辐射元件209的尺寸和形状或通过移动馈电元件213相对于调谐元件212的位置，可以修改PIFA 200的工作频率或谐振频率。也可以通过改变调谐元件212的高度和宽度对谐振频率进行微调。因此，在传统的PIFA中，操作频率或谐振由馈电元件213、调谐元件212或辐射元件209各自的尺寸、形状或位置来固定。要改变PIFA 200的带宽，就必须增加PIFA 200的高度，这会导致天线总体尺寸的不合需要的增加。
随着终端更加小型化的趋势(即，更薄和更短的移动终端)，可用于天线元件(GSM/WCDMA)的空间会非常有限，高频带(DCS、PCS和UMTS(1710MHz-＞2170MHz))在-6dB S11处的带宽正在变得越来越难以实现。
目前正在使用具有寄生元件的PIFA来增强高频带带宽，但通常在天线载体上使用弹性膜，该天线载体在PCB上具有其他连接(c形夹(c-clip)或弹簧引脚(Pogo Pin))。
发明内容
本发明的一个目的是使用微带寄生元件(MPE：Microstrip Parasitic Element)作为承载结构(例如，印刷电路板(PCB))的接地层的一部分，通过这种方式改善和提高了天线的匹配和带宽。
上述目的通过使用一种天线结构来实现，该天线结构包括：接地平面；馈电元件；以及耦接到所述馈电元件的辐射元件，该辐射元件与被设置在承载结构的第一表面上的所述接地平面大体平行并且被所述馈电元件和短路元件从所述接地平面垂直地移开。该天线还包括作为所述承载结构的接地层的一部分而被直接设置在所述承载结构上的寄生元件。优选地，所述寄生元件是微带并且设置在离地高度区域(ground clearance area)处。所述寄生元件可以在所述承载结构的边缘上延伸。所述寄生元件也可以延伸到所述承载结构的第二表面。所述承载结构是PCB(印刷电路板)。
本发明还涉及一种包括天线的无线通信设备，所述天线包括：设置在承载结构上的接地平面；馈电元件；以及耦接到所述馈电元件的辐射元件，该辐射元件与所述接地平面大体平行并且被所述馈电元件和短路元件从所述接地平面垂直地移开。所述天线还包括作为所述承载结构的接地层的一部分而被直接设置在所述承载结构上的寄生元件。
附图说明
附图被包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的多个实施方式，且与说明书一起用于解释本发明。在附图中：
图1例示了根据本发明的无线通信设备的框图。
图2例示了根据现有技术的传统PIFA设计。
图3例示了根据本发明的半PIFA。
图4例示了根据本发明的无线通信设备的框图。
图5例示了PCB一部分的截面图。
具体实施方式
在下面说明中描述的天线设计是“平面型”天线。“平面型”天线具有总体上沿着一个平面展开的拉长的形状，即，天线可以具有三个维度，但其中一个维度在数量级上小于其他两个维度。
图1例示了示例性无线通信设备(10)的框图。无线通信设备(10)包括外壳(11)、控制器(101)、存储器(102)、用户接口(103)、收发机(104)、按键输入单元(105)、显示单元(106)以及多频带天线(100)。收发机(104)利用天线(100)将无线通信设备(10)与无线网络连接起来。应当理解的是，收发机(104)可以根据本领域技术人员已知的任何已知的无线通信标准中的一个或更多个来发射或接收信号。控制器(101)响应于在存储器(102)中存储的程序和用户通过接口(103)提供的指令来控制无线通信设备(10)的操作。
根据本发明的天线设计具有作为PCB上的接地平面的一部分的微带寄生元件，这种天线设计改善并提高了匹配和带宽。
图3公开了根据本发明的被称为半平面倒F天线的天线。PIFA(300)包括在基底(311)上形成的接地平面(310)。在该具体实施方式中，接地平面(310)被例示为直接嵌入到基底(311)(例如，印刷电路板(PCB))上，基底(311)还可以承载该装置的其他电子元件(未示出)。这提供了可以相对靠近PCB安装天线从而节约无线设备中的容积的优点。该PIFA还包括辐射元件(309)，辐射元件(309)可以分别包括低频辐射元件和高频辐射元件。辐射元件(309)可以包括任何已知的结构或图案，并且其尺寸可变以使得带宽、工作频率、辐射图等最优化。辐射元件(309)通过调谐或短路元件(312)电连接到接地平面(310)。馈电元件(313)将来自电台或其他射频发射机、接收机或收发机(未示出)的信号源连接到辐射元件(309)。有利的是，馈电元件(313)在某种程度上与接地平面(310)电绝缘以防止从馈电元件(313)接地。
为了增强高频带的匹配和带宽，设置沿着接地平面(310)延伸的寄生原件(315)，优选地将寄生原件设置在天线离地高度区域(316)处。该寄生元件可以是诸如矩形、圆形、弯曲形状等任何期望的形状。
如果寄生元件的尺寸(例如，长度和宽度)不足(例如，天线离地高度区域小于10mm)，则还可以使微带延伸到PCB的另一侧或合适的方向。图5中例示的315’和315”分别表示该寄生元件在PCB 311的边缘上和在PCB 311的另一侧上的延伸。寄生元件315”’还可以穿过过孔延伸。
根据本发明的寄生元件可以是窄带、宽束天线，该寄生元件是通过将天线元件图案刻蚀为接合到绝缘介电基底的金属迹线而制作成的，所述绝缘介电基底具有接合到该基底以形成接地平面的连续金属层。常见的微带天线辐射体的形状是正方形、矩形、圆形和椭圆形，但是任何连续的形状都是可能的。最常用的微带天线是矩形贴片。矩形贴片天线大约是矩形微带传输线的波长长部分的一半。当天线基底是空气时，矩形微带天线的长度大约是自由空间波长的一半。由于使用电介质作为基底来安装天线，天线长度随着基底的相对介电常数的增大而减小。
图4例示了根据本发明实施方式的移动通信终端(40)的结构的框图。参照图4，移动通信终端(40)包括存储器(402)、按键输入单元(405)、显示单元(406)、收发机(404)、PIFA(400)、寄生元件(415)及控制器(401)。控制器(401)根据用于电话呼叫、数据通信或无线因特网接入的协议来处理声音信号和数据，并且控制该移动通信终端的各个组件。此外，控制器(401)接收来自按键输入单元(405)的按键输入，并且响应于按键输入而控制显示单元(406)产生和提供图像信息。控制器(401)从用户或基站接收当前位置信息。通过接收到的位置信息，控制器(401)从存储器(402)中包括的区域频率存储器(408)中识别出映射到当前位置的频带。
应当注意的是，词语“包括”并不排除除了所列举的元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在，而置于元件之前的不定冠词不排除存在多个这样的元件。还应当注意的是，任何附图标记都不限制权利要求的范围，本发明可以至少部分地通过硬件和软件来实现，并且若干个“装置”、“单元”或“设备”可以由相同的硬件表示。
以上提及和描述的实施方式仅作为示例给出，而并不应当限制本发明。以下专利权利要求中所要求的本发明范围内的其他方案、用途、目的和作用对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (7)

1.一种天线结构(100、300)，该天线结构包括：
接地平面(310)；
馈电元件(313)；以及
耦接到所述馈电元件(313)的辐射元件(309)，该辐射元件(309)与被设置在承载结构(311)的第一表面上的所述接地平面(310)大体平行并且被所述馈电元件和短路元件从所述接地平面垂直地移开，其特征在于，所述天线还包括作为所述承载结构的接地层的一部分而被直接设置在所述承载结构上的寄生元件(315、415)。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述寄生元件是微带。
3.根据权利要求1或2所述的天线，其中，所述寄生元件被设置在离地高度区域处。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其中，所述寄生元件在所述承载结构的边缘上延伸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中，所述寄生元件延伸到所述承载结构的第二表面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线，其中，所述承载结构是印刷电路板。
7.一种包括天线(300、400)的无线通信设备(40)，所述天线包括：
设置在承载结构(311)上的接地平面(310)；
馈电元件；以及
耦接到所述馈电元件的辐射元件，该辐射元件与所述接地平面大体平行并且被所述馈电元件和短路元件从所述接地平面垂直地移开，其特征在于，所述天线(300、400)还包括作为所述承载结构(311)的接地层的一部分而被直接设置在所述承载结构(311)上的寄生元件(315、415)。
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CN102544720A (zh) * 2011-12-27 2012-07-04 中兴通讯股份有限公司 一种§»动终端及其天线装置
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