多頻帶無線電天線的製作方法
2023-05-31 21:39:56 1
專利名稱：多頻帶無線電天線的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及用於無線電通信終端的各類天線，尤其涉及為便於可攜式終端在不同頻帶內工作而設計的裝入其機內的寬頻帶小型內置天線。
背景技術：
自二十世紀末以來，全球行動電話工業取得了巨大的發展。這種發展，最初是從按AMPS(高級行動電話系統)標準和NMT(北歐行動電話)標準確定的那類模擬系統開始，在最近數年期間幾乎只集中在蜂窩式無線電網絡系統例如D-AMPS(如EIA/TIA-IS-54B和IS-136中所規定的)和GSM(全球移動通信系統)的數字解決方案標準上。在不同的系統中採用不同的數字傳輸方案，例如時分多址聯接方式(TDMA)或碼分多址聯接方式(CDMA)。目前，蜂窩技術正進入所謂的第三代，與以上所提及的前者即第二代數字系統相比，具有幾個優點。在這些優點中有帶寬增加，可允許更複雜數據的有效通信。第三代移動系統，在歐洲被稱為UMTS(通用移動技術系統)，在美國被稱為CDMA2000，而在日本已實施到一定的程度。人們廣泛地相信，採用低成本、攜帶舒適的口袋大小的無繩電話、可在家裡、辦公室、大街上和汽車裡等通話和受話的第一代個人通信網(PCN)，將由例如採用下一代數字蜂窩系統設施的蜂窩載體(cellularcarrier)來提供。
蜂窩通信服務的一項進展包括採用附加頻帶來處理移動通信，例如，在個人通信服務(PCS)業務方面。以美國為例，蜂窩超頻帶(hyperband)被指定為二個頻帶(通常被稱為A頻帶和B頻帶)，用來在800MHz頻區傳送和控制通信。另一方面，在1900MHz頻區，美國規定PCS超頻帶應包括6個不同的頻帶(A、B、C、D、E和F)。因此，現有在美國任一指定的服務區均有8個頻帶來促進通信業務。PCS超頻帶的某些標準已得到批准(例如PCS1900(J-STD-007))，而其它的蜂窩超頻帶的標準也得到批准(例如D-AMPS(IS-136))。這些裝置的其它工作頻帶包括GPS(全球定位系統)的1.5GHz工作頻帶和UMTS(通用移動技術系統)的2.0GHz工作頻帶。規定用於蜂窩超頻帶和PCS超頻帶的每一個頻帶被分配多個業務信道和至少一個選址或控制信道。該控制信道被用來通過向移動臺發送和從移動臺接收的信息來控制或管理移動臺的工作。這樣的信息包括呼叫信號、呼出信號、尋呼信號、尋呼應答信號、位置登記信號、話音信道分配、維護指令、切換(hand-off)以及在移動臺移出一個小區的無線電覆蓋範圍並進入另一個小區的無線電覆蓋範圍裡時的小區選擇或再選擇指令。控制信道和話音信道可以採用模擬調製或數字調製模式運行。
基站經過業務信道和控制信道在下行鏈路中發送的信號，由移動終端或可攜式終端接收，每一個終端至少有一根天線。歷史上，可攜式終端已採用了許多不同形式的天線通過大氣界面接收和發送信號。例如垂直於導電錶面安裝的單極天線被發現具有良好的輻射特性、理想的驅動點阻抗(drive point impedance)以及相當簡單的結構。單極天線可做成各種物理形狀，例如棒狀或拉杆天線時常與可攜式終端一起應用。對於天線長度被最小化的高頻應用來說，另外一種選擇就是螺旋狀天線。此外，移動終端的製造商不斷地遇到終端越來越小的要求。這種對小型化的要求與對附加功能性的期望結合在一起，例如具有能夠在不同的頻帶下和在不同的蜂窩系統中使用終端的能力這樣的附加功能性。
商業上要求提供能在大範圍的不同頻帶下工作的可攜式終端，例如位於1500MHz、1800MHz、1900MHz、2.0GHz、2.45GHz範圍內的各個頻帶。因此，在可攜式終端中需要採用能在多個上述的頻帶中產生足夠的增益和帶寬的天線。為實現這樣的天線，人們已經作了多次嘗試。
為了減少可攜式無線電終端的大小，在過去的二、三年期間，已實施了內置天線。今天，一般的要求設置一根用戶不可見的天線。而不同類型的帶或不帶寄生部件的連接板(patches)得到使用。目前，在移動通信中使用的最普通的內置天線是所謂的平面倒F型天線(PIFA)。由於該天線在外形上象一個傾斜90°的F字母，這個名稱便被採用了。這樣的天線需要一個饋電點以及一個接地點。如果附近有一個或幾個寄生部件，這些寄生部件或者能被接地，或者與地通過介質隔離。傳統的PIFA天線的幾何結構包括輻射部件及其饋電引腳和接地引腳，以及通常裝配在印刷電路板(PCB)上的接地基片。饋電引腳和接地引腳均垂直於接地平面設置；輻射部件懸掛在接地平面的上方，使得輻射部件下方區域被接地平面覆蓋。但是，通常這種形式的天線的頻帶寬度相當小，其數量級為100MHz。為了增加這種結構的天線的頻帶寬度，必需增加輻射部件與印刷電路板的接地平面之間的垂直距離，即增加輻射部件放置在印刷電路板之上的高度。解決這個問題的另一方法是，在天線和印刷電路板之間加入電介質成分，以使其電學距離比實際距離長。
Ying等人的美國專利(專利編號US6,326,921)所公布的一種內置、低輪廓(low-profile)天線，設有平面倒F型天線(PIFA)和彎曲的寄生部件，具有利於在多個頻帶內進行通信的寬頻帶。主部件設置在通信裝置基板上方的預定高度上，而寄生部件設在基板上方與主天線部件相同的高度上，並在其一端接地。平面倒F型天線(PIFA)的饋電引腳鄰近寄生部件的接地引腳。彎曲的寄生部件與主天線耦合而產生兩個諧振。為了實現更寬的諧振範圍以包括DCS(數字蜂窩系統)、PCS(個人通信服務)和UMTS(通用移動技術系統)頻帶範圍，調節這二個諧振以使它們相互鄰近。
現在，移動通信的製造商廣泛採用眾所周知的內置天線概念。但是，這是一種非常新的概念，在要求更寬的頻帶容量時，這樣的天線的性能依然是一個問題。因此，在開發頻帶足夠寬的天線終端以覆蓋諸如AMPS、EGSM(擴展的GSM)、DCS和PCS等的多個頻帶時，現有技術的天線設計依然是一個限定因素。內置天線的一個更一般的問題是，不僅其頻帶寬度小，而且增益特性曲線比傳統的外置天線即某種短棒天線(stub antenna)差得多。
發明內容
因此，本發明的目的是，克服以上述的與現有技術有關的缺陷，更具體地說，就是提供適合於內置天線的天線結構，其頻帶寬，能使天線在多個頻帶上工作。
根據本發明的第一方面，上述目的可通過用於無線電通信終端的多頻帶無線電天線裝置來實現。該多頻帶無線電天線裝置包括一個扁平接地基板，以及在與其平行平面上的扁平寄生部件和帶有饋電點的扁平天線部件；其中，所述天線部件含有第一縱向構件；從所述第一縱向構件的第一端部起延伸的第一橫向構件；從所述第一縱向構件的中部起沿著與所述第一橫向構件相同的方向延伸的第二橫向構件；其中，所述寄生部件在鄰近所述第二橫向構件的外部沿著與其平行的方向延伸。
所述饋電點最好設在所述第二橫向構件的中部。
在一個實施例中，寄生部件有一個設在鄰近所述饋電點的第一接地連接部。
另外，第二接地連接部可設在與所述第一縱向構件相對的所述第二橫向構件的端部。
在一個優選實施例中，還在所述第一橫向構件的中部設有第三接地連接部。
所述天線部件最好設有第二縱向構件，從所述第二橫向構件的所述端部起，朝著離開所述第一橫向構件的方向延伸。
在一實施例中，所述天線部件設有第三橫向構件，從與所述第二橫向構件相對的所述第二縱向構件的端部起，朝著所述第一縱向構件的方向延伸。
所述天線部件最好設有第四橫向構件，在所述第二和所述第三橫向構件之間從所述第一縱向構件起延伸。
在一個優選實施例中，所述饋電點設置在第二橫向構件的中部的凸出構件上，朝第一橫向構件方向突出。所述凸出構件最好朝著所述第一橫向構件斜切。在本實施例的一個優良變型中，所述寄生部件設有一個彎腳構件，平行於凸出構件的背向所述第一縱向構件的斜切邊延伸。
在一實施例中，所述第一橫向構件的(從所述中部起延伸的)外側部分具有一個面對所述第二橫向構件的邊緣，所述邊緣以某個角度朝著所述第二橫向構件延伸，使所述第一橫向構件朝著其外端變寬。
在一優選實施例中，所述寄生部件設有一個接地連接部，而天線部件設有二個接地連接部。
所述接地平面的縱向長度最好為被選小區波長的三分之一。
根據本發明的第二方面，本發明的目的通過一種無線電通信終端來實現，所述無線電通信終端包括以上任一項權利要求所述的多頻帶無線電天線裝置。
對與上述各方面有關的各實施例的具體特點將作詳細的描述。
附圖的簡要描述以下參照附圖對各優選實施例進行說明，本發明的各種特點和優點將更加明確。附圖中
圖1是本發明一實施例的多頻帶無線電天線示意圖。
圖2是圖1所示多頻帶無線電天線配置的全圖。
圖3是包括圖2所示天線配置的無線電通信終端的側視剖面圖。
圖4是圖3所示終端的正視圖。
圖5是本發明的天線設計在自由空間工作時電壓駐波比(VSWR)特性曲線圖。
最佳實施例的詳細描述以下描述中所說的無線電終端，是指一種在其中實現本發明的無線電天線設計的裝置。無線電終端這個名稱包括所有為與無線電臺進行無線電通信而設計的行動裝置，而無線電臺可以是移動終端，或者是例如靜止的基站。因此，無線電終端這個名稱應包括行動電話、尋呼機、通話裝置、電子組織器(electronic organiser)、靈巧電話(smartphone)、PDA(個人數字助手)、車載無線電通信裝置或類似的裝置，以及為例如WLAN(無線區域網)中無線電通信而設計的可攜式筆記本電腦。此外，由於這樣的天線適合於但並不限於移動應用，「無線電終端」這一用詞還應被理解為包括任何為無線電通信而配置的靜止裝置，例如為相互之間或與其它無線電臺進行無線電通信而設計的臺式計算機、印表機、傳真機等等。因此，雖然本文通過舉例，主要在行動電話中實現本發明天線設計方面，描述其結構和特性，但是，這不能解釋成排除在例如以上所列其它形式的無線電終端中實現本發明的天線設計。而且，必須強調的是，「包括」(comprising或comprises)這一用詞，在本描述和附加的權利要求中用來表示包含已包括的零件、部件或步驟，但是決不能解釋成排除以上明確表達之外的其它零件、部件或步驟的存在。
幾個較大的行動電話製造商(如愛立信公司和諾基亞公司)已開發出蜂窩通信網絡用的行動電話，並且實現了可雙頻帶和三頻帶工作的內置天線。所謂內置天線指的是放置在不帶凸出部件的行動電話機殼或底板之內或與其鄰近的天線。以上已簡要討論了平面倒F型天線的原理。雖然所述天線裝置可以用不同方式實現，但是，可由以下特點基本上加以確定——雙頻帶或三頻帶容量；——連接板與印刷電路板(PCB)即接地平面平行；——天線與PCB之間為空氣或某些電介質材料；——尺寸(長*寬*高)約為40*18*8mm；——天線與印刷電路板(PCB)的間距(H)對於良好的電壓駐波比(VSWR)和增益很關鍵，該二個平面間的間距為7-10mm；——天線需要饋電點和接地連接部，通常饋電點和接地連接部各一個。
本發明所提供的一種天線設計，具有複雜的圖形和三個接地連接部。已做了計算機模擬，結果驚人地好。這些模擬是採用Zeland公司出售的IE3D型工具進行的。該工具用Moment Method作為數學解算裝置。如圖5所示，所取得的模擬結果與例的天線設計樣品的測量值相關得很好，以下將作進一步說明。
本文將參照附圖描述一種天線概念或設計。所述天線概念包括天線結構、天線與地之間的關係以及它在無線電終端中的實現。
圖1示出了本發明的一個天線裝置1的示意圖。所述天線裝置1包括天線部件3、寄生部件7和接地平面即基板2。如該圖下方的斷開線所示，圖1所示的僅是接地平面2的切出部分。接地平面2的實際長度，即圖1的高度最好約等於多頻帶天線3所調諧的較低頻帶波長的三分之一。在一個例子中，所述較低頻帶為900MHz，而此時接地平面的長度經設計約為11cm。接地平面2的長度達到較低頻帶波長的三分之一的實現方式構成本發明的優選實施例，但必須指出其它長度的接地平面也可採用。
在圖1所示的最佳實施例中，天線3具有相當複雜的結構。對於這種結構進行的測量顯示了極好的結果。所述結構有許多基本上沿著縱向、或沿著與所述縱向垂直的橫向延伸的天線部件構成。所謂的縱向這裡是指接地平面2延伸的方向，即圖1中的垂直方向；而橫向則從左向右或相反方向地延伸。天線包括一個完整的天線部件3和寄生部件7，寄生部件7與天線部件3電氣上分離。如該圖所示，天線部件包括第一縱向構件4，所述構件沿著接地平面2的一部分邊緣在縱向延伸。在第一縱向構件4的第一端頭，即圖中的頂端，第一橫向構件5沿著接地平面2的頂端邊緣在垂直於第一縱向構件的方向延伸。第一橫向構件有一個直的上邊緣和一個下邊緣，在開始段下邊緣平行於上邊緣，從第一橫向構件的中部起，下邊緣開始向下稍微斜傾。這樣，從中部到第一縱向構件4對面的端部，第一橫向構件5變寬。從第一縱向構件4的中部起，第二橫向構件6同樣沿著垂直於第一縱向構件4的方向延伸，因而基本上與第一橫向構件5平行。寄生部件7鄰近第二橫向構件6的外側部分，基本上沿著與所述第二橫向構件6平行的方向延伸。在第二橫向構件6的中部，形成一個向第一橫向構件5凸出的凸出構件15，其邊緣斜傾，但其平直的端頭垂直於第一橫向構件4。如所述的那樣，寄生部件7基本上沿著垂直於第一縱向構件4方向延伸，而且還包括一個彎腳構件16。所述彎腳構件16沿著與所述第一橫向構件成一定角度並與凸出構件15的鄰近邊緣平行的方向延伸。彎腳構件16大約在與凸出構件15相同的縱向位置終止。但是，其頂部邊緣最好朝著離開第一縱向構件4的方向稍微下斜。
本發明天線裝置的結構有一個饋電點8和三個接地連接部9、10和11。饋電點8連接到凸出構件15的頂端邊緣上，在圖中用雙線表示。天線裝置的第一接地連接部9設置在寄生部件7的彎腳構件16的頂端邊緣，因而鄰近饋電點8。同樣，在圖中第一接地點即連接部9用雙線表示。第二接地點即連接部10設在天線第二橫向構件6的最外端，與天線部件7上與所述第一接地連接部相對的第二端頭相鄰。第三接地連接部11設在第一橫向構件5的中部所述構件開始變寬的位置上。同樣，第二、第三接地連接部用雙線表示。
如圖所示，第二縱向構件12從第二橫向構件端部起，沿著離開第一橫向構件5向下的方向延伸。第二縱向構件12比第一縱向構件4寬得多，但要短得多。在第二縱向構件12的下端，第三橫向構件13朝著第一縱向構件4的方向延伸，其端部與第一縱向構件4之間只留下一條很小的縫隙。最後，在第二橫向構件6和第三橫向構件13之間，第四橫向構件14從第一縱向構件4起延伸。第四橫向14構件靠近第三橫向構件13，比第三橫向構件13要細得多。
根據現有技術，當二個相互靠近的部分寬度相差較大時，通常會形成多諧振，產生寬頻性能。對於圖1所示的實施例的結構，多諧振可以分別在寄生部件7與第二橫向構件6之間和第三橫向構件13和第四橫向構件14之間形成。這種結構的測試已顯示，在多個頻帶範圍內具有非常良好匹配的寬頻帶性能。這種包括天線部件3和寄生部件7的天線結構的尺寸約為寬38mm、長37mm。這種結構的天線最好放在接地平面上方約8mm的高度上。這種天線結構本身非常薄，舉例說，可以用柔性薄膜製造。
圖2是本發明實施例的天線裝置的示意圖，示出了接地平面2的全高。
圖3所示的是蜂窩行動電話的實施例中無線電通信終端30的側視剖面圖，所述蜂窩行動電話是為多頻無線電通信而設計的。所述終端30包括帶有PCB 31的底板，PCB 31在終端30中縱向延伸。底板上搭載有終端的功能件32，包括用戶接口和電子線路，但圖中沒有進一步示出。在該終端上還連接有可拆卸式的電池33。在該圖的上部還示出了天線3，天線3與PCB 31隔開。扁平接地基板2最好作為PCB 31中的一層導電層來設計，導電層既可以在印刷電路板的外表面，也可以在中間層。除了饋電點8之外，圖中還圖示了與PCB 31相接的三個接地連接部9、10和11。終端裝入機殼34內，雖然例如電池33和用戶接口最好不裝在機殼34內。
圖4是圖3所示終端30的正視圖，該正面視圖就是圖3中朝向左側的面。除了圖3所示部件之外，終端30還包括顯示器35形式的用戶輸出接口(可能也作為輸入接口)。還包括鍵盤36形式的輸入接口。所述終端還包括用戶聲頻輸入(其形式為話筒37)和用戶聲頻輸出(其形式為揚聲器39或者為圖中未顯示的與耳機相連的連接器)。本發明的天線為內置式，因此，圖4中未能清楚示出。
圖5是圖1所示天線樣品在自由空間工作所測的VSWR特性曲線50和史密斯圖。指標1至4對應於880MHz、960MHz、1710MHz和1990MHz，即EGSM、DCS和PCS的頻帶邊緣。正如該圖所示，每個頻帶的範圍是非常大的，尤其是全球通信系統(GSM)。對於覆蓋高級行動電話系統(AMPS)也是沒有問題的。在這些頻帶中，VSWR 50都小於4.0，而DCS和PCS的VSWR 50都小於2.2。根據史密斯圖，所述天線通常稍具電感性。
以上已描述了本發明的原理、最佳實施例和工作方式，但是，這不應解釋為本發明的範圍僅限於上面討論的實施例。例如儘管對本發明天線作為一種發射裝置作了初步的討論，但是，本領域技術人員應知道，本發明的天線可用作在特定頻率下接收信息的傳感器。同樣，各個部件的尺寸可以根據具體應用而變化。因此，上述各實施例應被看作是解釋性的而不是限制性的，不難明白，本領域技術人員可對這些實施例作各種變形而不偏離後續的權利要求所規定的本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於無線電通信終端的多頻帶無線電天線裝置(1)，包括扁平接地基板(2)，在與所述接地基板平行的平面上的扁平寄生部件(7)，以及具有一饋電點(8)的扁平天線部件(3)，其特徵在於所述天線部件含有第一縱向構件(4)、第一橫向構件(5)和第二橫向構件(6)，所述第一橫向構件(5)從所述第一縱向構件的第一端部延伸，所述第二橫向構件(6)從所述第一縱向構件的中部起沿著與所述第一橫向構件相同的方向延伸；其中，所述寄生部件鄰近所述第二橫向構件的一個外側部分與其平行地延伸。
2.根據權利要求1所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述饋電點設在所述第二橫向構件的中部。
3.根據權利要求2所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述寄生部件具有設在所述饋電點附近的第一接地連接部(9)。
4.根據權利要求3所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於第二接地連接部(10)設在所述第二橫向構件的與所述第一縱向構件相對的端部。
5.根據權利要求4所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於第三接地連接部(11)設在所述第一橫向構件的中部。
6.根據權利要求5所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述天線部件有一個第二縱向構件(12)，從所述第二橫向構件的所述端部起，向著離開所述第一橫向構件的方向延伸。
7.根據權利要求6所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述天線部件有一個第三橫向構件(13)，從所述第二縱向構件的與所述第二橫向構件相對的端部起，向著所述第一縱向構件延伸。
8.根據權利要求7所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述天線部件有一個第四橫向構件(14)，在所述第二和所述第三橫向構件之間從所述第一縱向構件起延伸。
9.根據權利要求2所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述饋電點設在於所述第二橫向構件的中部向第一橫向構件凸出的凸出構件(15)上。
10.根據權利要求9所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述凸出構件向著所述第一橫向構件的方向斜切。
11.根據權利要求10所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述寄生部件有一彎腳構件(16)，平行於凸出構件的背向所述第一縱向構件的斜切邊而延伸。
12.根據前面任一權利要求所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於從所述第一橫向構件的所述中部延伸的外側部分具有一個面向所述第二橫向構件的邊緣，所述邊緣沿著與所述第二橫向構件成一角度的方向延伸，如此，所述第一橫向構件向著其外端而變寬。
13.根據權利要求1所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述寄生部件有一個接地連接部(9)，而所述天線部件有二個接地連接部(10，11)。
14.根據前面任一權利要求所述的多頻帶無線電天線裝置，其特徵在於所述接地平面的縱向長度為被選小區波長的三分之一。
15.一種包括前面任一權利要求所述的多頻帶無線電天線裝置的無線電通信終端(30)。
全文摘要
一種用於無線電通信終端的多頻帶無線電天線裝置，包括一塊扁平接地基板(2)，在與其平行的平面上的扁平寄生部件(7)，以及扁平天線部件(3)。所述天線部件含有縱向構件(4)、第一橫向構件(5)和第二橫向構件(6)。第一橫向構件(5)從所述縱向構件的第一端頭部分起延伸；第二橫向構件(6)從所述縱向構件的中部起延伸；其中，所述寄生部件沿著鄰近所述第二橫向構件的外部且與其平行的方向延伸。饋電點(8)設置在第二橫向構件的中部。寄生部件在鄰近所述饋電點處設有第一接地連接部(9)；第二接地連接部(10)設在所述第二橫向構件的端部；第三接地連接部(11)設在所述第一橫向構件的中部。
文檔編號H01Q1/24GK1706069SQ200380101717
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月20日 優先權日2002年10月22日
發明者J·安德松, K·哈坎松 申請人:索尼愛立信移動通訊股份有限公司