CN100375333C - 非对称偶极子天线部件 - Google Patents

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Abstract

供给无线通信设备的一种非对称偶极子天线部件，并包括分开的上部分和下部分导电体迹线和一个在导电体迹线接合点的低阻抗馈电点。该上部分导电体迹线可以包括一个匹配网络和可以印制在一个平面印刷电路板上，该电路板接近一个手持无线收发信机顶部安装。该上部分导电迹线在所需要频率范围上提供1/4波长谐振和用于天线的一个50欧姆输入阻抗。该下部分导电迹线可以由无线设备电路的接地迹线提供，只需要最低工作频率上的1/4波长的一个最小等效迹线长度。天线的极化由下部分导线最长尺寸的定向决定。

Description

非对称偶极子天线部件
本发明涉及一种天线部件，用于无线通信设备，例如蜂窝电话。特别地，本发明涉及一种紧凑的非对称偶极子天线部件。更进一步，本发明涉及一种在两个或更多谐振频率频带上有效的天线部件。
已知的无线通信设备如手持电话和数据调制解调器(LAN)一般装备了一个外部线状天线(鞭状)，该天线可以是固定的或伸缩的。这样的天线不方便和易于损坏或破裂。这样线状天线的总长度相对较大以便提供优化的信号特性。另外，对线状天线的专用安装装置和位置需要相对较早地固定在工艺规程中。已知的几种天线部件包括：
四分之一波长直导线
这是一个1/4波长的外部天线单元，该天线单元作为一个半波长偶极子的一侧工作。偶极子的另一侧由收发信机的印刷电路板(PWB)的接地迹线提供。该外部1/4波长单元可以永久安装在收发信机外壳顶部或可以用螺纹拧在位置上。该1/4波长单元也可以收缩容纳在收发信机外壳内以减小尺寸。该1/4波长直导线在工作的收发信机总长度上增加了3到6英寸。
线圈式四分之一波长导线
一种呈现1/4波长谐振的外部小直径线圈，和该线圈与收发信机PWB的接地迹线反向馈电以形成一个非对称偶极子。该线圈可以包含在由收发信机外壳顶部突出来的模制构件中。一个收缩1/4波长直线导线也可以穿过该线圈，以便当导线展开时导线和线圈相连接，和当导线收缩下去时只连接线圈。该收发信机总长度一般由线圈增加3/4到1英寸。
平面反转F天线(PIFA)Planar Inverted FAntenna
由呈现1/4波长谐振的一个外部导电板组成，和与收发信机PWB的接地迹线(trace)反向馈电以形成一个非对称偶极子。该板通常安装在收发信机的背面板或侧面板上并增加该设备的总体积。
贴片
一般由一个在电介质主表面具有一个谐振结构的平面电介质材料和一个安放在相反主表面上的第二接地板结构组成。一个接线柱可以(穿过电介质)将谐振结构电耦合到一个同轴馈线上。
另外，过去已经有许多研究以在便携无线通信设备中提供天线。这些研究至少已经寻找到减少对外部鞭状天线的需要，因为手持或携带这样带有伸展的外部天线单元不方便。
本发明以利用平面共形的(conformal)单元代替无线通信设备的外部线状天线，该单元被安装在无线设备的外壳内和靠近印刷电路板和无线设备的天线馈电点。通过自动化生产设备实现与无线设备主印刷电路板PWB的电连接，导致组装和生产的低成本。无线系统中内部(装入)天线的电性能通常与常规线状天线相同。
本发明的目的是提供一种天线部件，该部件能够解决常规天线的上述缺点。本发明的另一个目的包括：消除外部天线及其伴随的故障，例如对受损坏的敏感度和影响收发信机的总长度；提供一种内部天线能够容易地安装在无线收发信机例如蜂窝电话外壳内，对长度和体积的影响最小；为无线收发信机提供低成本天线，具有可与外部天线类型相比的电性能；和，减少天线部件的SAR(特定吸收率)，因为当与带有外部天线类型的天线系统的场强相比时，该天线呈现出在手持收发信机例如蜂窝电话用户的耳朵方向上较小的发射场强。
本发明提供一种天线部件，包括一个第一平面单元具有导电迹线，和至少一个导电元件安装在靠近第一单元以共同形成一个非对称偶极子天线。该偶极子的谐振频率范围主要由第一平面单元上的导电迹线的尺寸所限定，其可以选择呈现1/4波长谐振。延伸的第二单元具有最低工作频率1/4波长的最小电长度，和可以由无线收发信机例如蜂窝电话的印刷电路板的接地迹线单独组成。
在优选实施例中第一印刷电路单元是矩形具有.010-.125英寸范围的厚度。另一种形式，导电迹线可以印刷在任何数量的普通电介质材料上，该材料具有低到中等介电损耗，例如塑料和玻璃纤维。另外，第一单元的矩形尺寸可以与无线收发信机例如蜂窝电话的外壳体积相一致。该天线部件可以用50欧姆阻抗激励或馈电，这是在典型无线收发信机的接收机输入/发射机输出端所建立的已知常规的阻抗电平。
在优选实施例中，天线部件包括一个匹配网络限定在印刷导电迹线的短接端(对第二伸展导电单元(接地板)短接)和一分支点之间，沿迹线推进，导致在伸展导电单元上称为邻近点的50欧姆阻抗。这种馈电系统可能使得在非对称偶极子天线的第一和第二平面单元之间间隔很小，这使当把天线集成到无线收发信机内时所需要的体积最小。以此方式一般在这些单元之间的间隔在最低工作频率为.007波长数量级。不带有这种匹配系统的该间隔要求一般是0.021波长。本发明的印刷电路单元没有匹配网络就可以工作，但可能需要增加导体单元之间的间隔。
当结合附图阅读下列优选实施例的详细说明时，本发明的上述和其它特征将更加明显。其中：
图1是结合根据本发明的天线部件的无线通信设备的透视图；
图2表示本发明的天线部件侧面的正视图；
图3表示本发明的天线部件另一个实施例侧面的正视图；
图4仍表示本发明的天线部件另一个实施例侧面的正视图；
图5表示图1-4中的天线部件的一部分并表示了匹配网络，谐振部分，和用于单波段平面印刷电路天线单元/半个偶极子天线的电连接馈电点；
图6表示根据本发明的双波段天线部件前面的正视图；
图7表示根据本发明的双波段天线部件前面的正视图；
图8表示根据本发明不带有阻抗匹配电路的另一个天线部件前面的正视图；
图9表示根据本发明的另一个三波段天线部件前面的正视图；
图10表示根据本发明的另一个天线部件的分解透视图；
图11表示图10的天线部件的透视图；和
图12表示根据本发明的天线部件的另一个实施例。
现在参照附图，其中相同的数字代表相同的部件，说明在图1-12中的是根据本发明的一个天线部件20的优选实施例。该天线部件20可以应用在单一或多频率无线通信设备中，例如工作在GPS(1575MHz)上的设备，蜂窝电话机(824-890MHz和860-890MHz)，PCS设备(1710-1880MHz，1750-1870MHz，和1850-1900MHz)，无绳电话(902-928MHz)，或BLUETOOTHTM规格(2.4-2.5GHz)频率范围。本领域技术人员可以认识到本发明原理可以同样地应用于工作在其它频率范围的天线部件。在改型实施例中，天线部件20的尺寸可以按比例缩放以提供工作在其它频率，包括800MHz到3000MHz的频率范围。这些修改被认为落入申请人的权利要求书范围内。
图1表示了安装到无线通信设备例如蜂窝电话10中的一个天线部件20。接近设备10的顶部(在工作期间离开用户的手)安装的该天线部件20被容纳和合并到设备10的外壳12内。尽管天线部件20能够安装在外壳12内部或外部的位置上，现在最好安装在外壳12内。无线通信设备10包括电设备，例如接收机和/或发射机，在此为方便统称为收发信机部件14。
还参照附图2-4，天线部件20包括基本上相互垂直地安装的第一和第二平面单元22，24。第一导电迹线26安装在第一平面单元22上，和第二导电迹线28安装在第二平面单元24上。第一导电迹线通过连线30有效地耦合到收发信机信号输入/输出元件14上。第一导电迹线26安装在第一平面单元22的主表面上和定向在离开第二导电迹线28的方向“Z”上。
天线部件20的第一和第二导电迹线26，28安装在相应的第一和第二平面单元22，24上，该平面单元可以是印刷电路板(PWB)或能够支撑导电迹线的类似材料。曲折的第一导电迹线26具有基本上大于第一平面单元22的长度尺寸。最好，第二导电迹线28是收发信机14的印刷接地板电路。第一和第二导电迹线26，28两者可以使用公知的电路制造技术安装在对应的PWB上，例如表面印刷，光刻法，和蚀刻处理。第一平面单元22和/或第二平面单元24可以配置得与外壳12的一部分共形，例如假设为凸状或更复杂的形状。本领域技术人员将理解参照一个具体无线通信设备的或第一或第二平面单元22，24的设计和选择可以产生这些复杂形状。
图2和3表示天线部件20的实施例，其中第一平面单元22基本上垂直于第二平面单元24。在收发信机14的接地板(23)与第一平面单元22之间的绝缘距离“D”大致是3毫米(或大致900MHz的0.007λ)。在图2中，第一平面单元22部分相对第二平面单元24的两个主表面安装(“T”型配置)，与图3不同，在此第一平面单元22从第二平面单元24的一个主表面上展开(“L”型配置)。
图4表示天线部件20的另一个实施例，其中第一和第二平面单元22，24安装在平行方向。绝缘距离‘D’大约是1毫米(在900MHz)。第一导电迹线26可以通过公知的表面安装内部连接30有效地耦合到收发信机14。
图5表示图1-4的实施例中的第一平面单元22和第一导电迹线26。该导电迹线26安装在第一平面单元22的单一主表面上和通过馈电点32有效地耦合到第二平面单元24的收发信机14的电子器件上。导电迹线26的一个端34通过引线36或其它电连接耦合到第二导电迹线28(第二平面单元24的接地板)上。36端的长度应当最小。距离‘M’沿导电迹线24增加，在第一导电迹线26和第二平面单元24的收发信机电子器件之间建立馈电点连接32。在接地板24和信号馈电32之间的连接可以通过在第一平面单元22中的镀金属通孔实现。
接地连接34和馈电点32(距离“M”)之间的第一导电迹线26的区域功能上起匹配网络的作用以实现接近50欧姆馈电点。由此一个50欧姆馈电点限定跨接在馈电点32和接地迹线28上。匹配网络长度“M”大约是0.03λ(λ：在天线工作频率范围内的一个波长)。
仍参照图5，第一平面单元22可以是印刷电路板或类似电介质材料具有例如0.01和0.062英寸之间的厚度范围。第一导电迹线26安装在第一平面单元22周边离开中心区域38。第一导电迹线26包括可变宽度迹线26a，b，c，具有随迹线宽度改变的天线宽带工作特性。
图6表示本发明的另一个实施例，该实施例跨越一对用于双频带收发信机设备的频率频带而起作用。该第一导电迹线26包括两个高和低频率频带谐振部分26d，e.该第一导电迹线26在位置34耦合到第二平面单元24的接地板上并在单一馈电点32耦合到信号发生电路14。相比之下，图7包括在第一导电迹线26与收发信机电子器件14之间的一对馈电点32a，b.馈电点32a用于高频率频带，而馈电点32b用于低频率频带。对于高频率部分不需要接地连线。
图8说明本发明的另一个实施例。在第一平面单元22上安装一个简化的第一导电迹线单元26而没有如图1-7的实施例中的匹配网络。图1-7的实施例也可以应用该馈电方法，可是绝缘距离“D”可能增加。
图9表示本发明的另一个实施例。图9的天线部件描述了一个三频带天线部件20有效跨越蜂窝频带(880-960MHz)，PCS频带(1710-1880MHz)和BLUETOOTHTM频带(2.4-2.5GHz)。蜂窝和PCS频带的工作是通过第一导电迹线40起作用。BLUETOOTHTM频带工作是通过导电迹线42起作用的。导电迹线40在点44耦合到第二平面单元的地线上并通过馈电点46耦合到信号发生电路14上。导电迹线42在点48耦合到第二平面单元24的地线上并通过馈电点50耦合到相应的信号发生电路上。图10天线部件的优选实施例尺寸包括在表1中。水平和垂直尺寸针对原点“O”计量。
表1
位置  到原点“O”
      距离(英寸)
A     0.000
B     .075-1.905
C     .305-7.747
D     .365-9.271
E     .415-10.541
F     .703-17.856
G     .820-20.828
H     .885-22.479
I     1.048-26.619
J     1.080-27.432
K     1.300-33.020
L     1.415-35.941
M     1.485-37.719
N     1.500-38.100
O     .015-.381
P     .105-2.667
Q     .151-3.835
R     .216-5.486
S     .422-10.719
T    .484-12.294
U    .529-13.437
V    .544-13.818
W    .559-14.199
X    .574-14.580
Y    .585-14.860
Z    .600-15.240
AA   1.400-35.560
BB   1.385-35.179
CC   1.227-31.166
DD   1.202-30.531
EE   .953-24.206
FF   .928-23.571
GG   .807-20.500
HH   .782-19.863
II   .532-13.513
JJ   .507-12.878
KK   .040-1.016
LL   .015-.381
MM   .560-14.224
NN   .545-13.843
OO   .515-13.081
PP   .500-12.700
QQ   .450-11.430
RR   .360-9.144
SS   .280-7.112
TT   .245-6.223
UU   .193-4.902
VV   .075-1.905
WW   0.000
图10-11表示根据本发明的天线部件的另一个实施例。图10表示分解图，和图11表示带有安装在第二平面单元24上的第一天线单元51的组装立体图。第一天线单元51包括三个基本相同的电介质部分52-54，该部分彼此以叠层或叠加方式安装。所安装在电介质部分52-54上的导电迹线26之间的电连接是通过电镀穿孔和相关的导线56形成的。部件51可以通过到电路接地迹线28的安装垫片57并通过到电路信号输入/输出14的安装垫片58表面安装在平面单元24的一侧。部件51与接地板28之间的绝缘距离“D”可以减少到小于1毫米。工作在824-894MHz上的总尺寸(高度X宽度X长度)近似为6毫米X4.5毫米X38毫米。
图12表示本发明第一平面单元的另一个实施例，该实施例适合于通过安装接头60-62相对第二平面单元固定。测量这些头60-62尺寸以能安装入第二平面单元的相应的元件中。所选择的尺寸“T”大于或等于印刷电路板的厚度。在接头60和61上实现到收发信机电路14的连接。接头62是部分镀金属并提供对于第一平面单元22的机械支持。接头60，61，62就这样提供第一平面单元22与第二平面单元24之间的机械和电连接。可以使用已知的制造技术实现连接，包括回流低温焊接工艺和其它大批量生产技术。
尽管结合具体的实施例描述了本发明，而对本领域人员是明显的其它实施例、应用和修改都将包括在本发明的精神和范围内。

Claims (24)

1.一种用于通信设备的非对称偶极子天线部件，该通信设备工作在预定波长并具有一个包括信号输出和接地板的收发信机电路，所述天线部件包括：
一个第一偶极子半部分，包括配置在第一平面电介质基底上的一个第一导电迹线，所述第一导电迹线具有第一端、自由端、和所述第一端和所述自由端之间的四分之一波长的电长度；
一个第二偶极子半部分，包括配置在第二平面电介质基底上的一个第二导电迹线，所述第二导电迹线耦合到收发信机电路的接地板上；
所述第一导电迹线离开所述第二导电迹线一段预定隔离距离而配置；
所述第二导电迹线具有四分之一波长的最小电长度尺寸，
所述第一导电迹线经过所述第二导电迹线耦合到所述收发信机电路的所述接地板；
其特征在于，所述第一导电迹线在离开所述第一端和所述自由端一段预定距离(M)处操作上耦合到所述收发信机电路信号输出端。
2.根据权利要求1的一种非对称偶极子天线部件，其中预定距离近似为预定波长的0.03倍。
3.根据权利要求1的一种非对称偶极子天线部件，其中第一导电迹线包括具有不同宽度的第一导电单元部分。
4.根据权利要求1的一种非对称偶极子天线部件，其中第一导电迹线配置在第一平面电介质基底的主表面上和定向在离开第二导电迹线的方向‘Z’上。
5.根据权利要求1的一种非对称偶极子天线部件，其中第一平面电介质基底近似平行于第二平面电介质基底。
6.根据权利要求1的一种非对称偶极子天线部件，其中第一平面电介质基底配置接近通信设备的顶部分并在正常工作期间离开用户手。
7.根据权利要求1的一种非对称偶极子天线部件，其中信号输出端包括信号信息的两个不同频率频带，和其中第一导电迹线的分开部分在不同的两个频率频带内辐射。
8.根据权利要求7的一种非对称偶极子天线部件，其中从包括：860-890MHz和1750-1870MHz；824-890MHz和1850-1900MHz；和，824-890MHz和1710-1880MHz的组中选择两个不同频率频带。
9.根据权利要求7的一种非对称偶极子天线部件，进一步包括：
一个第三导电迹线配置在第一平面电介质基底上，所述第三导电迹线耦合到信号输出端以在2.4-2.5GHz范围内或近似1575MHz的频率上辐射。
10.一种用于通信设备的非对称偶极子天线部件，该通信设备工作在预定波长并具有一个包括信号输出和接地板的收发信机电路，所述天线部件包括：
一个第一偶极子半部分，包括配置在第一平面电介质基底上的一个第一导电迹线，所述第一导电迹线具有第一端、自由端、和所述第一端和所述自由端之间的四分之一波长的电长度；
一个第二偶极子半部分，包括配置在第二平面电介质基底上的一个第二导电迹线，所述第二导电迹线耦合到收发信机电路的接地板上；
所述第一导电迹线离开所述第二导电迹线一段预定隔离距离而配置；
所述第二导电迹线具有四分之一波长的最小电长度尺寸；
其特征在于，
所述第一导电迹线在所述第一端操作上耦合到所述收发信机电路信号输出端，且第一导电迹线不耦合到第二导电迹线。
11.一种非对称偶极子天线部件，用于具有包括信号输出和接地板的收发信机电路的手持通信设备，所述天线部件包括：
一个第一偶极子半部分，包括配置在第一平面电介质基底上的第一导电迹线，所述第一导电迹线具有第一端、自由端、以及在第一端和自由端之间的近似预定波长四分之一的电长度，所述第一偶极子半部分靠近手持通信设备的顶部配置和在工作期间离开用户手；
一个第二偶极子半部分，包括配置在第二平面电介质基底上的一个第二导电迹线，所述第二导电迹线耦合到接地板上；
所述第一导电迹线在离开第一端和自由端一段预定距离(M)处耦合到收发信机电路信号输出端，并在第一端经过所述第二导电迹线耦合到所述接地板。
12.根据权利要求11的一种非对称偶极子天线部件，其中第一平面电介质基底相对第二平面电介质基底基本上垂直配置。
13.根据权利要求11的一种非对称偶极子天线部件，其中预定距离近似为预定波长的0.03倍。
14.根据权利要求11的一种非对称偶极子天线部件，其中第一导电迹线包括具有不同宽度的第一导电迹线部分。
15.根据权利要求11的一种非对称偶极子天线部件，其中第一导电迹线配置在第一平面单元的主表面上和定向在离开第二导电迹线的方向‘Z’上。
16.根据权利要求11的一种非对称偶极子天线部件，其中所述第一偶极子半部分进一步包括多个另外的导电迹线配置在每个具有镀金属穿孔的多个额外的平面单元上，所述第一导电迹线和所述多个另外的导电迹线都通过所述镀金属穿孔有效地耦合以限定第一偶极子半部分。
17.一种用于通信设备的偶极子天线部件，所述设备具有收发信机电路和接地板，包括：
一个第一偶极子半部分，包括配置在第一平面电介质基底的主表面上的一个第一导电迹线；
一个第二偶极子半部分，包括配置在第二平面电介质基底上的一个第二导电迹线，所述第二导电迹线有效地耦合到接地板上，所述第二平面电介质基底具有一个外围周边；
所述第一导电迹线具有一个第一端、一个自由端、以及在所述第一端和自由端之间的预定波长的四分之一的等效电长度，所述第一导电迹线具有多个具有不同迹线宽度的迹线部分；
所述第一导电迹线在离开第一端和自由端一段预定距离(M)处耦合到收发信机电路，并在第一端经过所述第二导电迹线耦合到所述接地板；和
所述第一平面电介质基底基本上相对所述第二平面电介质基底靠近所述外围周边垂直配置。
18.根据权利要求17的一种偶极子天线部件，其中预定距离近似为预定波长的0.03倍。
19.根据权利要求17的一种偶极子天线部件，其中在正常工作期间第一平面电介质基底配置接近通信设备的顶部。
20.一种用于通信设备的偶极子天线部件，所述设备具有收发信机电路和接地板，包括：
一个第一偶极子半部分，包括配置在第一平面电介质基底的主表面上的一个第一导电图形；
一个第二偶极子半部分，包括配置在第二平面电介质基底上的一个第二导电图形，所述第二导电图形有效地耦合到接地板上，所述第二平面电介质基底具有一个外围周边；所述第一导电图形具有一个第一端、一个自由端、以及在第一端和自由端之间的近似预定波长的四分之一的等效电长度，所述第一导电图形具有离开所述第一端和自由端预定距离而配置的一个馈电点；
所述第一导电图形在所述第一端经过所述第二导电图形有效耦合到所述接地板，并在馈电点耦合到收发信机电路；和
所述第一平面电介质基底基本上相对第二平面电介质基底靠近所述外围周边垂直配置。
21.根据权利要求20的一种偶极子天线部件，其中预定距离近似为预定波长的0.03倍。
22.根据权利要求20的一种偶极子天线部件，其中第一导电图形包括具有不同宽度的第一导电图形部分。
23.根据权利要求20的一种偶极子天线部件，其中第一导电图形配置在第一平面单元的主表面上和定向在离开第二导电图形的方向Z’上。
24.一种用于通信设备的偶极子天线部件，所述设备具有收发信机电路和接地板，包括：
一个第一偶极子半部分，包括配置在第一平面电介质基底的主表面上的一个第一导电图形；
一个第二偶极子半部分，包括配置在第二平面电介质基底上的一个第二导电图形，所述第二导电图形有效地耦合到接地板上，所述第二平面电介质基底具有一个外围周边；所述第一导电图形具有一个第一端、一个自由端、以及在第一端和自由端之间的近似预定波长的四分之一的等效电长度，所述第一导电图形具有离开所述第一端和自由端预定距离而配置的一个馈电点；
所述第一导电图形在所述第一端经过所述第二导电图形有效耦合到所述接地板，并在馈电点耦合到收发信机电路；和
所述第一平面电介质基底基本上平行于第二平面电介质基底靠近所述外围周边而配置。
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