專利名稱：天線設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在一個(gè)無線終端例如一個(gè)移動(dòng)電話手持機(jī)中的一個(gè)天線設(shè)備，還涉及包含這種設(shè)備的無線電通信設(shè)備。
背景技術(shù)：
無線終端，例如移動(dòng)電話手持機(jī)，一般包括一個(gè)外部天線，例如標(biāo)稱模式的螺旋天線或彎曲線天線，或一個(gè)內(nèi)部天線，例如一個(gè)平面倒F天線(PIFA)或類似的天線。
這樣的天線相對(duì)于一個(gè)移動(dòng)電話手持機(jī)是大的，但是由于小天線，窄頻帶和相對(duì)損耗的基本限制，因此相對(duì)一個(gè)波長是小的。然而蜂窩無線電通信系統(tǒng)一般具有10％或更大的分式帶寬。例如為由一個(gè)PIFA實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)帶寬要求一個(gè)不可忽視的體積，這是因?yàn)樵谝粋€(gè)補(bǔ)片天線的帶寬和其體積之間存在一個(gè)直接的關(guān)系，但是這樣的一個(gè)體積對(duì)目前朝向小的手持機(jī)的傾向而言不是容易可得到的。因此，由于以上提及的限制，從目前無線終端中的小的天線實(shí)現(xiàn)有效的寬帶輻射不是容易的。
對(duì)于用于無線終端的已知的天線設(shè)備的另一問題在于它們一般是非平衡的，因此強(qiáng)耦到該終端的外殼。結(jié)果，相當(dāng)?shù)妮椛淞糠派浣K端本身而不是天線。
發(fā)明的公開本發(fā)明的目的在于對(duì)一個(gè)無線終端提供改進(jìn)的天線設(shè)備。
按本發(fā)明的第一方面提供一個(gè)天線設(shè)備，其包括適合于對(duì)一個(gè)接地導(dǎo)體激勵(lì)的天線元件，其中該天線元件相對(duì)該天線設(shè)備的工作頻率的一個(gè)波長是小的，和其中設(shè)計(jì)該天線元件的尺度使得當(dāng)通過一個(gè)匹配電路激勵(lì)時(shí)，該天線設(shè)備的帶寬由該天線元件和接地導(dǎo)體占支配地位。
當(dāng)天線元件和接地導(dǎo)體的組合阻抗是合理地良好地與一個(gè)收發(fā)信機(jī)匹配時(shí)，帶寬由天線和接地導(dǎo)體而不是匹配電路起支配作用。如果失配過大，帶寬將由匹配電路占支配地位，此外為有效工作，匹配電路中的損耗變得過大。
在按本發(fā)明制造的天線設(shè)備中，大部分輻射功率來自接地導(dǎo)體(典型地一個(gè)移動(dòng)電話手持機(jī)外殼或一塊印刷電路板接地導(dǎo)體)。適當(dāng)?shù)剡x擇天線元件的幾何尺寸就能提供要求的阻抗，同時(shí)該天線元件在電氣上保持很小。
這樣的一個(gè)天線設(shè)備特別適用于雙頻段工作，其通過簡單的一個(gè)雙頻段匹配電路激勵(lì)。一示例性實(shí)施例適合在GSM和DCS1800系統(tǒng)采用的頻率上使用。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中該天線元件包括明顯寬于其高度的一個(gè)三角形導(dǎo)體。這樣的一個(gè)元件特別適合于同這樣的一個(gè)移動(dòng)電話手持機(jī)一起使用，在那里天線元件的寬度并不特別重要，而其高度一般需要最小化，以便能設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊的手持機(jī)。在該實(shí)施例的一個(gè)例子中，該天線和其相關(guān)的饋電引線的組合高度只有11mm，而在1800MHz提供70％的效率(在該頻率上11mm近似0.07波長)。
按本發(fā)明的第二方面，提供了一個(gè)無線電通信設(shè)備，其包括按本發(fā)明第一方面制造的一個(gè)天線設(shè)備。
本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)中不存在的認(rèn)識(shí)，即可將一個(gè)天線和一個(gè)無線手持機(jī)考慮為一個(gè)非對(duì)稱饋電天線的兩個(gè)二等分，并基于另一認(rèn)識(shí)，即選擇該天線合適的幾何尺寸使得實(shí)現(xiàn)合理的阻抗匹配。
附圖的簡要說明現(xiàn)在將參照附圖用例子描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中

圖1是安裝在一個(gè)矩形導(dǎo)體上的天線的平面圖；圖2是用于圖1天線的長度L的范圍的模擬電阻R和電抗X的曲線；圖3是安裝在一個(gè)矩形導(dǎo)體上的三角形天線元件的平面圖；圖4是用于圖3天線的模擬電阻R和電抗X的曲線；圖5是與圖3天線一起使用的雙頻段匹配電路的電路圖；圖6是用于通過圖5匹配電路激勵(lì)的圖3天線的以dB為單位的模擬反射損耗S11與以MHz為單位的頻率f的曲線；圖7是表示在頻率范圍800到3000MHz上通過圖5匹配電路激勵(lì)的圖3天線的模擬阻抗的Smith圖；圖8是用于通過圖5匹配電路激勵(lì)的圖3天線的以dB為單位的測量的反射損耗S11與以MHz為單位的頻率f的曲線；
圖9是表示在頻率范圍800到2000MHz上通過圖5匹配電路激勵(lì)的圖3天線的測量的阻抗的Smith圖；圖10是安裝在矩形導(dǎo)體上的T形天線元件的平面圖；以及圖11是安裝在具有切除部分的矩形導(dǎo)體上的一個(gè)矩形天線元件的平面圖。
附圖中相同的參考號(hào)碼用來指示相應(yīng)的特征。
執(zhí)行本發(fā)明的模式圖1是一個(gè)普通無線終端100的簡化實(shí)施例的平面圖，包括在其上安裝長度為L的一個(gè)單極天線104的一個(gè)矩形接地導(dǎo)體102。該接地導(dǎo)體102一般可能包括一個(gè)印刷電路板(PCB)接地平面或在無線終端100的本體上提供金屬導(dǎo)體化用于EMC(電-磁兼容性)目的。
例如一個(gè)移動(dòng)電話手持機(jī)-無線終端102的天線和接地導(dǎo)體形成一個(gè)非對(duì)稱輻射結(jié)構(gòu)的兩個(gè)二等分。這樣，兩個(gè)二等分貢獻(xiàn)于在該終端觀察的阻抗。典型的手持機(jī)接近用于GSM(用于移動(dòng)通信的全球系統(tǒng))的頻率的半波長和用于DCS1800的頻率的全波長。在這些頻率上，該結(jié)構(gòu)的手持機(jī)側(cè)呈現(xiàn)高阻抗，特別是一個(gè)高的電阻。由于其尺寸，該結(jié)構(gòu)的手持機(jī)側(cè)還具有低的Q值(典型量級(jí)為1或2)。
典型的天線104比GSM和DCS兩者的波長都小得很多(雖然對(duì)在GSM的情況更明顯)。因此，該結(jié)構(gòu)的天線側(cè)呈現(xiàn)一個(gè)低電阻和一個(gè)大的容抗(特別對(duì)于在GSM的情況)。當(dāng)一個(gè)小天線用于同接近半波或全波長度的手持機(jī)相組合時(shí)，手持機(jī)支配對(duì)電阻的貢獻(xiàn)。因此，多數(shù)輻射功率將輻射該(低Q)手持機(jī)，這就解釋了何以具有小天線的移動(dòng)電話能獲得意外的高的帶寬的原因。天線多貢獻(xiàn)于電抗。天線還確定該電阻的絕對(duì)值，盡管隨頻率無峰值情況，而這將取決于該手持機(jī)的半波(或其倍數(shù))的諧振。
圖2中說明這些現(xiàn)象，其表示對(duì)于頻率在800和3000MHz，對(duì)中地安裝在100×40×1mm的接地導(dǎo)體102(代表一個(gè)手持機(jī)情況或PCB接地平板)頂部的1mm寬的單極天線104的電阻(R)和電抗(X)的曲線。曲線是對(duì)天線104的長度L的范圍表示的，其范圍從11到21mm。
從圖2可以看出，在接近1.2和2.4MHz處出現(xiàn)電阻峰值。這些峰值分別對(duì)應(yīng)于手持機(jī)的半波和全波諧振頻率，對(duì)于長度在接近80到160mm范圍的手持機(jī)，諧振頻率接近于GSM 900和DCS 1800頻段。通過改變天線104的長度L，電阻和電抗的數(shù)值都將改變(兩者都隨天線長度增加)。但是，長度L并不影響電阻或電抗曲線的形狀，只要天線104比手持機(jī)102短。天線104的幾何形狀將顯著影響電抗X。電阻R隨天線幾何形狀僅微小變化，但是如已陳述的，隨天線長度將有大的變化。
本發(fā)明通過提供具有一個(gè)小天線的無線終端取得深入了解天線性能的優(yōu)點(diǎn)，該小天線并不與其典型為50Ω的激勵(lì)電路的阻抗良好匹配。配置天線的幾何形狀和高度使其正好充分地提供一個(gè)合理的低電抗。該天線也足夠大，使得手持機(jī)電阻接近50Ω(或者可相對(duì)容易匹配到50Ω的一個(gè)電阻值)。
圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例的平面圖。如圖1中那樣，它包括一個(gè)100×40×1mm接地導(dǎo)體102，在其上安裝一個(gè)三角形天線304。天線304是一個(gè)9mm高，30mm寬的三角形導(dǎo)電元件，其離接地導(dǎo)體102頂部2mm，通過2mm長的饋電引線306饋電。這里天線304的長度正好充分給出一個(gè)合理的電阻，和寬度正好充分減小電抗到能合理匹配的值。
圖4表示對(duì)頻率f在800和3000MHz之間圖3的天線配置的電阻(R)和電抗(X)的曲線。容易觀察到電阻性峰值的頻率與圖2的相比未有變化，即它們都賴于接地導(dǎo)體102。但是由于天線304的寬度和漏斗式的自然狀態(tài)，電阻和電抗都足夠高以使得匹配是可行的。如圖2中所示的，該電阻類似于17mm長的單極天線104，天線304的長度的二等分的影響由寬度增加到30倍而得到補(bǔ)償。與單極天線104相比，寬度的增加將大大地減小天線304的電抗，使匹配明顯地更易實(shí)現(xiàn)。
天線304可以通過一個(gè)雙頻段匹配電路饋電。在圖5中表示了適合用于GSM和DCS 1800應(yīng)用的電路的例子，使用的元件值為C1為1pF；L1為14nH；C2為3pF和L2為7nH。使用時(shí)，匹配電路從50Ω源在連接點(diǎn)P1和P2兩端饋電，P3連接到饋電點(diǎn)306，而P4連接到接地平面102。
進(jìn)行圖3中所示的由圖5中所示的雙頻段匹配電路饋電的天線304和接地平面102的組合的模擬。反射損耗S11的結(jié)果表示在圖6中，而Smith圖表示在圖7中，兩種情況頻率f在800和3000MHz之間。兩個(gè)諧振中心在930MHz，6dB帶寬80MHz；中心在1805MHz，6dB帶寬175MHz。
可以看到容易獲得雙頻段工作。已假定用在該模擬中的電感和電容的品質(zhì)因數(shù)為50，對(duì)于不昂貴的微型SMD元件這是合理的。綜合效率在GSM接近55％，而在DCS接近70％。這與用普通天線具有相同量級(jí)。使用更高品質(zhì)因數(shù)的元件能改進(jìn)效率。從圖4還明白手持機(jī)的尺度對(duì)工作在GSM和DCS不是最佳的。如果該手持機(jī)的尺度是最佳的，則可能實(shí)現(xiàn)更小的天線或更寬帶的匹配。
觀察圖7的Smith圖表示出該配置還具有一個(gè)有用的性質(zhì)，即對(duì)每個(gè)頻段獲得兩次諧振(零電抗)。在兩個(gè)情況中，較高的頻率諧振具有較高的電阻。這是方便的，因?yàn)樵谝粋€(gè)頻率雙工系統(tǒng)中，接收頻段通常在較高的頻率上。由于接收機(jī)一般是高阻抗器件和發(fā)射機(jī)一般是低阻抗器件，因此通過保持在一個(gè)發(fā)射機(jī)和該天線304之間的低阻抗路徑以及在該天線304和一個(gè)接收機(jī)之間的高阻抗路徑可改進(jìn)性能。習(xí)慣地，一個(gè)50Ω的系統(tǒng)阻抗與要求匹配的系統(tǒng)一起使用。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩者來觀察匹配是有損失的和也可降低帶寬。
產(chǎn)生了相應(yīng)圖3中所示實(shí)施例的試件，其證實(shí)了以上所表示的模擬結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用。該試件是通過圖5中所示形式的匹配電路激勵(lì)的，使用在值上類似于以上所標(biāo)記的“流行的”元件。圖8中表示頻率在800和2000MHz之間該實(shí)施例的反射損耗S11的測量值。圖9中表示在相同頻率范圍上說明該實(shí)施例阻抗的Smith圖。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，以用模擬預(yù)測方式可以得到雙頻段工作。在模擬和測量之間諧振頻率的差異乃是由在實(shí)驗(yàn)匹配電路中組合使用標(biāo)準(zhǔn)元件值以及模擬中未考慮電路寄生參數(shù)存在所引起。這些因素中沒有一個(gè)是實(shí)施一個(gè)具體天線配置的障礙。
圖10是本發(fā)明第二實(shí)施例的平面圖。如圖1中所示，它包括一個(gè)100×40×1mm的接地導(dǎo)體102，在其上安裝一個(gè)T形天線404。天線404的高度和寬度類似于圖3的三角形天線304，并因此提供類似的益處，同時(shí)使用一個(gè)縮減的導(dǎo)體。
圖11是本發(fā)明第三實(shí)施例的平面圖。它包括一個(gè)100×40×1mm接地導(dǎo)體502，從該導(dǎo)體上已切去一個(gè)角，一矩形天線504安裝在該切去的角中，通過饋電引線506饋電。
對(duì)技術(shù)人員而言將顯見其他實(shí)施例的變化范圍。例如，有可能提供長度比習(xí)慣使用的短得多的螺旋或彎曲線元件替代以上所描述的天線304，404，504。
根據(jù)閱讀本發(fā)明的公開的說明書，對(duì)本專業(yè)技術(shù)人員而言，其他的修改將是顯見的。這樣的修改可以包括在設(shè)計(jì)，制造和使用天線設(shè)備和其元件部分已知道的其他特征，和可以用來替代或除在此已描述的特征之外的其他特征。
在本發(fā)明說明書和權(quán)利要求中一元件前面的字“a”或“an”并不排除存在多個(gè)這樣的元件。另外字“comprising”并不排除存在所例舉之外的其他元件或步驟。
權(quán)利要求
1.一個(gè)天線設(shè)備，包括適于對(duì)一個(gè)接地導(dǎo)體激勵(lì)的天線元件，其中該天線元件相對(duì)于該天線設(shè)備的工作頻率的一個(gè)波長是小的，和其中配置該天線元件的尺度使得當(dāng)通過一個(gè)匹配電路激勵(lì)時(shí)，該天線設(shè)備的帶寬由該天線元件和該接地導(dǎo)體支配。
2.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于該天線的阻抗適于由一個(gè)50Ω的源激勵(lì)。
3.如權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于該天線元件包括其寬度顯著大于其高度的一個(gè)三角形導(dǎo)體。
4.如權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于該天線元件包括其寬度顯著大于其高度的一個(gè)T形導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于該天線元件包括其電長度基本小于一個(gè)波長的一個(gè)螺旋元件。
6.如權(quán)利要求1到5任一的設(shè)備，其特征在于該設(shè)備還包括一個(gè)雙頻段匹配電路。
7.如權(quán)利要求6的設(shè)備，其特征在于該雙頻段匹配電路的較高的工作頻率基本上兩倍于該匹配電路的較低工作頻率。
8.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征在于該較高的工作頻率適于DCS1800系統(tǒng)，而該較低的工作頻率適于GSM系統(tǒng)。
9.一個(gè)無線電通信設(shè)備包括如權(quán)利要求1到8任一所要求的一個(gè)天線設(shè)備。
全文摘要
一個(gè)天線設(shè)備(300)包括在其上安裝天線(304)的一個(gè)接地導(dǎo)體(102)。該天線相對(duì)天線設(shè)備(300)工作頻率的波長是小的，選擇天線(304)的尺度，使得天線(304)和接地導(dǎo)體(102)的組合阻抗適合于通過普通匹配電路來激勵(lì)。當(dāng)該設(shè)備的帶寬由該天線和接地導(dǎo)體，而不是由匹配電路占支配地位時(shí)符合這個(gè)條件。在一實(shí)施例中，該天線是可考慮比其高度更寬的一個(gè)三角形的導(dǎo)電元件，其長度足夠給出一個(gè)諧振電阻，而其寬度足夠?qū)㈦娍菇档偷侥芎侠淼仄ヅ涞乃健?br> 文檔編號(hào)H01Q23/00GK1531764SQ02802386
公開日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2002年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月19日
發(fā)明者K·R·博伊爾, K R 博伊爾 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司