CN1167299C - 天线装置及使用该装置的便携式无线电通信装置 - Google Patents

Abstract

提供一种特征为结构简单并可以在相当接近的多个频率上工作的天线装置。在一对具有不同谐振频率的天线部件的反馈点和无线电路之间分别连接相移电路，以便当天线部件中的一个在天线部件中的另一个的谐振频率上使用时，移相无线电波并提高天线部件中的一个的阻抗。

Description

天线装置及使用该装置的便携式无线电通信装置

技术领域

本发明涉及一种用于在两个或更多频带上发送或接收无线电波的天线装置，更具体地说，涉及一种能够安装于便携式无线电通信装置的天线装置，比如便携式电话。

背景技术

近来，便携式电话急速增加，并且对于使用宽频带的要求也在增强，以便提高发送效率并防止便携式电话中的噪声和干扰。由于常规便携式电话的天线结构不允许使用宽频带，所以正在进行开发能够工作在多个频率上并可以实现宽带无线电发送和接收的新型天线装置及其方法。

图1和图2示出工作在多个频带上的天线的一些示例。图1示出使用无源部件的一种示例，而图2示出使用多个辐射导体的一种示例。

在图1所示的天线180中，同轴电缆181与绝缘衬底182相连。在该绝缘衬底182中，辐射导体部件183和无源部件184邻近安装。此种安排广泛用于获取多重谐振特性。另外，在图2所示的天线190中，没有使用无源部件184，而是在衬底191上排列了各自具有不同谐振频率的多个辐射导体部件192和193，并且从单独的反馈点194为它们供电，以便获得多重谐振特性。举例来说，天线190在接地点195接地。

图1所示的具有安装在其中的无源部件的天线180陷于不可能任意安排天线部件这类的问题，这是因为无源部件184和辐射导体部件183之间的位置关系明显影响天线装置的阻抗特性。

另外，在图2所示的没有安装无源部件的天线190中，需要较大的空间用于容纳排列在其中在多个频带上谐振的辐射部件192和193。此外，如果频带接近并且大约10％重叠时，则该种类型的天线具有不能工作的问题。这是因为在天线190的这种安排中，各个辐射导体192和193的多重谐振是通过以切口的方式将它们在空间上分割并在各自的谐振频率上工作来实现的。但是，由于各个辐射导体192和193拥有特定的频带特性，如果它们的频带非常接近，则达不到以切口的方式在空间上分割并多重谐振的效果。尽管如此，还是需要在接近频率上工作，以便在前述的便携式电话中使用。

发明内容

本发明已经尝试解决前述现有技术中相关的问题。本发明的一个目的是提供一种具有结构简单并可以在多个接近频率上工作的天线装置。

本发明的另一个目的是提供一种具有结构简单并可以在多个相当接近的频率上工作的便携式无线电话。

为了实现本发明的前述目的，提供一种能够在两个频率上发送和/或接收无线电波的天线装置，其中两个具有不同谐振频率的天线部件的反馈点通过两个对无线电波移相的相移电路与无线电路相连接，以及连接到一个天线部件的一个相移电路移相无线电波，以便在另一个天线部件的谐振频率处设置较高的阻抗。

依据本发明，提供一种能够在多个频率上发送和/或接收无线电波的天线装置，其中多个具有不同谐振频率的天线部件的反馈点通过多个对无线电波移相的相移电路与无线电路相连接，以及连接到一个天线部件的一个相移电路移相无线电波，以便在另一个天线部件的谐振频率处设置较高的阻抗。

在依据本发明的该天线装置中，由于天线部件通过各自的相移电路连接到反馈点，所以一个天线部件在另一个天线部件的谐振频率上的阻抗特性得到调整，以便消除这些天线部件之间的负面影响，从而通过使用以简单结构实现的天线装置，使得能够工作在相当接近的不同频率上。

此外，依据本发明，提供一种在多个频率上接收和/或发送无线电波的便携式通信装置，便携式通信装置包括各自具有不同谐振频率的多个天线部件以及多个用于改变无线电波相位的相移电路，其中多个天线部件的反馈点分别通过多个相移电路连接到无线电路，以及连接到一个天线部件的一个相移电路移相无线电波，以便在另一个天线部件的谐振频率处设置较高的阻抗。

在此种便携式无线电通信装置中，由于天线部件通过各自的相移电路连接到反馈点，所以一个天线部件在另一个天线部件的谐振频率上的阻抗特性得到调整，以便消除这些天线部件之间的负面影响，从而通过使用以简单结构实现的天线装置，使得能够工作在相当接近的两个频率上。

附图说明

图1为表示使用无源部件的一种工作在多个频率上的天线示例图；

图2为表示使用多个辐射导体的一种工作在多个频率上的天线示例图；

图3为表示一种应用本发明的天线装置的便携式电话示例的外观图；

图4为表示图3的便携式电话的内部排列的示意方框图；

图5为表明本发明天线装置的主要部分的示意方框图；

图6A和6B为表明具有谐振频率f1的天线部件的输入阻抗特性示例的史密斯圆图(Smith chart)，其中图6A表明没有连接相移电路的情况，而图6B表明连接了相移电路的情况；

图7A和7B为表明另一具有谐振频率f2的天线部件的输入阻抗特性示例的史密斯圆图，其中图7A表明没有连接相移电路的情况，而图7B表明连接了相移电路的情况；

图8示出包括集总电路的相移电路的示例，并表示出用于实现正数相移的相移电路；

图9示出包括集总电路的相移电路的示例，并表示出用于实现负数相移的相移电路；

图10为包括分布参数电路的相移电路的示例，并表示出同轴电缆；

图11为包括分布参数电路的相移电路的示例，并表示出成对并行线；

图12为包括分布参数电路的相移电路的示例，并表示出细带状线；

图13为当连接相移电路时描述输入阻抗特性的史密斯圆图；

图14为当没有连接相移电路时描述输入阻抗特性的史密斯圆图；

图15为当连接相移电路时描述回波损耗特性的图；

图16为当没有连接相移电路时描述回波损耗特性的图；

图17为表示作为应用本发明天线装置示例的双极性天线图；

图18为表示作为应用本发明天线装置示例的环型天线图；

图19为表示作为应用本发明天线装置示例的倒F型平面天线图；

图20为表示作为应用本发明天线装置示例的倒L型天线图；和

图21为表示作为应用本发明天线装置示例的螺旋型天线图。

具体实施方式

下面将结合附图描述本发明的优选实施例。在下面的描述中，除非另外描述，均将通过以在无线电发送中获得的特性为例的方式描述本发明的特性。但是，并不仅限于此，由于在无线电波的接收和发送之间的可逆关系，所以相同的特性也可以用在无线电接收中获得的特性来解释。

图3为表示一种可以应用本发明的天线装置的便携式电话示例的总观图。该示例中的便携式电话100由包括第一外壳221、第二外壳231和铰链211的折叠体210构成。在第一外壳221中，安装有天线1、扬声器223、外部LCD 232、轻推拨号盘226和内部LCD 222。在第二外壳中，安装有操作键单元233和麦克风234。此外，便携式电话100包含用于探测折叠体210开/关状态的开/关状态传感开关251和突出部分252，以及用于探测折叠体210关闭状态的关闭状态传感开关253和磁体部分254。

图4为表示图3的便携式电话的内部排列的示意方框图。对于执行相同功能的部件，在图4中使用与图3的标号相同的标号。除了上述部件外，本示例的便携式电话100还包括双工单元260、接收单元261、发送单元262、数字信号处理单元(DSP)263、控制单元264、RAM 265和ROM 266。

图5示意性地示出依据本发明实施例的天线装置的主要部分。使用具有不同谐振频率的两个天线部件发送两个不同波长的无线电波的本实施例的天线装置1，可以用于便携式无线电通信装置，比如便携式无线电话。但是，本发明并不仅限于本实施例，并可以应用于任何其它类型使用无线电波发送和/或接收信号的无线电装置中。

在天线装置1中，具有互不相同的谐振频率的两个天线部件11和12在各自的反馈点分别耦合到相移电路13和14，并耦合到包括用于生成两个预定波长的无线电波的振荡器15的无线电路。由振荡器15生成的功率简单地分流并分别经由相移电路13和14分配到天线部件11和12。相移电路13和14包括集总电路或分布参数电路。

假定天线部件11的谐振频率为f1，并且天线部件12的谐振频率为f2，耦合到天线部件11的相移电路13以预定数量对谐振频率f2的无线电波进行移相，同样耦合到天线部件12的相移电路14以预定数量对谐振频率f1的无线电波进行移相。即，各个天线部件11和12设计为既有与它们自己的谐振频率f1和f2相匹配的阻抗，通过安排各自的相移电路13和14以预定数量移相无线电波，以便即使提供与其自己的谐振频率不同的其他谐振频率f2或f1的无线电波，也能确保其不工作，其中所述预定数量是通过实验确定的。

使用史密斯圆图描述预定的相位偏移数量的设置。图6A和6B示出描述天线部件11的输入阻抗特性的史密斯圆图，其中图6A表明没有连接相移电路13的实例，而图6B表明连接了相移电路13的实例。此外，图7A和7B示出描述天线部件12的输入阻抗特性的史密斯圆图，其中图7A表明没有连接相移电路14的情况，而图7B表明连接了相移电路14的情况。

在这些史密斯圆图中，用50欧姆的电路特性阻抗归一化了其输入阻抗，归一化阻抗的实数部分比如在图6A中用阻抗线21表示，其虚数部分用电抗线22表示。另外，在这些史密斯圆图中，当输入无线电波的频率偏移即频率顺时针增加时，如用圆形轨迹记录的那样示出输入阻抗特性。

在图6A中用大约位于图中心部分的箭头表示的谐振频率f1表示天线部件11单独的输入阻抗特性，从而表明在f1处处于匹配阻抗状态。在图6B中示出借助于相移电路13从上述状态偏移相位偏移量dφ1的状态，其中f2的位置表示为在f1的位置不改变时在图上旋转相位偏移量dφ1。即，可以从图6B中得知，借助于相移电路13，在保持对于输入波形在频率f1处匹配状态的同时，在f2处的输入阻抗与在f1处的相比增加足够大，并且适当地设置其相位偏移量dφ1，使得天线部件11不会工作在f2处。

同样在图7A中，对于天线部件12，在谐振频率f2处获得匹配状态。但在图7B中，f1的位置表示为在图上不改变f2的位置时旋转相位偏移量dφ2，可以得知，借助于相移电路14，适当地设置相位偏移量dφ2，使得在保持对于输入波形在频率f2处匹配状态的同时，在f1处的输入阻抗变得足够高。

如上所述，通过相移电路的移相，天线部件在相近的其他天线部件的谐振频率处的输入阻抗实际上增加了，从而最小化了最接近的天线部件在各自工作频率处的交互RF干扰，并因此得以提供本发明的、能够工作在两个不同频率上的天线部件，并且该天线部件可以以并行连接的方式排列多个天线的简单结构实现。

下面将描述在前述天线装置1中使用的相移电路示例。图8和图9示出包括集总电路的相移电路的示例，图8为实现正(+)相移量的相移电路，图9为实现负(-)相移量的相移电路。另外，图10、图11和图12示出包括分布参数电路的相移电路的示例，图10为同轴电缆，图11为成对并行线，以及图12为细带状线。

包括集总电路的相移电路的示例示出在图8中，其中串联连接电感41，并联连接电容42和43。在此，当考虑对于以串联方式插入电感41的实例，在图6A的史密斯圆图上的相移变化时，其上阻抗特性的轨迹沿着阻抗线21作顺时针方向移动。另外，当在图(导抗图)上假想一条与阻抗线21对称画出的电导线(未示出)时，并且当电容42和43并联插入时，其上轨迹沿着电导线的作顺时针方向移动。因此，通过使用此种相移电路，将输入波形的相位移动到正方向。

另外，在图9中，串联连接电容51，并联连接电感52和53。参照史密斯圆图，如果电容51以串联方式插入，其上轨迹沿着阻抗线21的作逆时针方向移动。此外，如果电感52和53以并联方式插入，其上轨迹沿着电导线的作逆时针方向移动。因此，借助于此种移相电路，将输入波形的相位移动到负方向。

另一方面，实现移相电路的分布参数电路可以包括图10的同轴电缆、图11的成对并行线以及图12的细带状线等。图10的同轴电缆包括内导体61、未示出的外导体、用于支撑外导体的绝缘部件62。通常，编织线用作外导体，单根或绞合线用作内导体61，聚乙烯或类似物用作绝缘部件62。图11所示的广泛用作用于发送和接收短波段和电视波段的馈线的成对并行线结构简单并且制造成本低。但是，由于其成对并行线之间的内部辐射，所以与同轴电缆相比存在非常大的感应干扰和辐射损耗。图12的细带状线包括平面导体81、在其上安装的绝缘部件82及导体83。

在图10、11和12中，给出了用于获取通过各自相移电路由发送导致的相移量dφ的公式。正如在这些公式中所描述的，在通过这些分布参数电路发送之后，信号相位通过在其线的物理长度L上的变化被偏移。其电路的物理长度和其电路之内与电有关的长度之间的关系根据直径、厚度、其线的特定介电常数ε_r而变化。但是，作为用于移相效应，可以为此目的使用这些电路中的任何一种。另外，考虑到便于在衬底上安装以及制造成本低的优点，作为用在便携式通信装置中的相移电路，一般认为细带状线是最优选的。

接下来，将分别参照图13和14以及参照图15和16，分别描述计算通过电路仿真获得的天线部件11和12组合在一起的总阻抗特性以及回波损耗特性的示例。图13示出当连接相移电路13和14时的输入阻抗特性，而图14示出当没有连接相移电路13和14时的输入阻抗特性。此外，图15示出当连接相移电路13和14时的回波损耗特性，而图16示出当没有连接相移电路13和14时的回波损耗特性。

作为示例，在图13、14、15和16的各自电路仿真中，将分布参数电路用作相移电路，并且在频率从1GHz到3GHz变化时记录各自的阻抗特性。天线部件11和12的谐振频率f1和f2分别设定在1.95GHz和2.14GHz。在这些频率上各自的测量点在图上分别描述为M1和M2，在M1和M2处输入阻抗的测量值分别用Z1和Z2表示，同样分别用RL1和RL2表示回波损耗的测量值。

参照图13，对于频率f1或f2，在图上M1或M2接近于中心部分，从而表明在此频率上阻抗匹配。此外，参照图15，它清楚地示出在f1或f2之外的其他部分，损耗明显增加。但是，在图14中示出在各工作频率上不匹配，在图16中示出在各工作频率上损耗很大。因此，可以得知通过提供相移电路13和14，天线部件之间的反向干扰得到抑制，获得出色的双频工作特性。如上所述，依据本发明的本实施例的天线装置1尽管结构简单，但即使使用两个非常接近的频率，也具有出色的工作特性。此外，应该指出的是，也可以使任意选择的两个远程(remote)频率在上述的同一个天线设备中运行。

另外，在上述的天线装置1中，即使将nλ/2(其中λ为最接近的天线部件的工作频率的波长，n为整数)的相移量加到借助于相移电路确定的上述相移量上，从天线的理论原理来看也可以获得与上述相同的作用。这从图6B和7B的事实中也可以清楚地看出，在图6B和7B中，绕着其史密斯圆图外圆周刻度的一圈相应于其波长的1/2，在图上绕着测量线的旋转一周返回到其在图上的起始位置。但是，在实际电路中，由于比如较大的|n|值损耗增加的缺点，所以在|n|值增加时，可用频带可能会受到限制。因此，最好使n的值最小。

在本发明前面的描述中，已经解释了具有两个天线部件的天线装置，但是，本发明并不仅限于此，也有可能通过使用多于两个的天线部件并经由各自的相移电路将这些天线部件并行连接到其无线电路，实现工作在多个频率上的天线装置。这些天线部件的频率特性和那些相移电路的频率特性确定在此天线装置1中可工作的频率数，并且基本上对可工作频率数没有限制。但是，实际应用中，可工作的频率数可能限制为至多大约4个。举例来说，在此类天线设备中，由连接到指定天线部件的相移电路处理的所关心的频率，将不得不从属于其它天线部件的工作频率中选择。因此，并不总能确保在除了与各自相移电路相应的工作频率之外的任何工作频率上获得好的阻抗特性，而且可能会认为是工作频率自己受到限制。

另外，参照图17、18、19、20和21，示出一些依据本发明的应用到天线设备中的天线部件的示例。图17表示双极性天线，图18表示环型天线，图19表示倒F型平面天线，图20表示倒L型天线，图21表示螺旋型天线。

在图17使用双极性天线的情况下，假定其谐振频率的波长为λ，则一般将双极性天线131和132的长度选为λ/2。当期望它们的天线长度变短时，为了避免由于双极性天线的长度变短可能造成的不匹配，分别在每个天线部件和其相移电路13和14之间连接匹配电路17和18。此外，由于无线电路16一般为电路的一端接地的不平衡电路，而双极性天线为平衡电路，所以如果将它们直接耦合，则一不平衡电流将在它们之间流过，从而引起功率损耗。因此，需要在它们之间连接平衡-不平衡转换电路(Balun)19。作为前述双极性天线的一种，前馈型的鞭状天线广泛应用于交通通信和便携式通信装置中。从而，期望将本发明的天线装置作为天线部件安装在这些无线电通信装置中。

对于图18所示的环型天线141和142，其环的直径一般选得小于一个无线电波频率的波长，并且如果存在较大的阻抗不匹配，则分别在每个天线部件和其相移电路13和14之间连接匹配电路17和18。此外，由于环型天线为平衡电路，需要在天线和无线电路16之间连接平衡-不平衡转换电路19。

图19所示的倒F型平面天线151和152为不平衡天线，因此不需要连接平衡-不平衡转换电路，从而允许直接耦合无线电路16和相移电路13和14。由于天线自身的自匹配能力，所以无需连接匹配电路。该种倒F型平面天线或其经更改的天线部件用作便携式电话的内置天线，因此本发明的天线装置最好用作装配在便携式电话中的天线部件。

另外，图20所示的倒L型天线161和162为不平衡天线部件，并且为了实现较低的高度，其具有折叠式单极性天线结构。通常，需要额外连接匹配电路17和18。

此外，图21所示的螺旋型天线171和172为不平衡螺旋型天线部件。根据其螺旋的直径和长度，可以将它们用作方向性天线或水平无方向性天线。通常，它们与连接在每个天线部件及其相移电路13和14之间的匹配电路17和18一起使用。

如上所述，根据本发明的天线装置，由于天线部件通过各自的相移电路连接到反馈点，使得一个给定天线部件在另一个接近的天线部件的不同的谐振频率上的阻抗特性得到调整，并消除这些天线部件之间的负面影响，从而通过提供本发明的以简单结构实现的天线装置，使得该天线装置能够工作在相当接近的不同频率上。

此外，依据配置有本发明的天线装置的便携式无线电通信装置，由于天线部件通过各自的相移电路连接到反馈点，使得一个给定天线部件在另一个接近的天线部件的不同的谐振频率上的阻抗特性得到调整，并消除这些天线部件之间的负面影响，从而通过提供本发明的以简单结构实现的天线装置，使得能够接收和发送具有相当接近的不同频率的无线电波。

Claims (8)

1.一种用于在两个频率上接收或发送无线电波的天线装置，包括：

一对具有不同谐振频率的天线部件；和

一对用于移相所述无线电波的相移电路，其中

所述的一对天线部件的反馈点分别通过所述的一对相移电路与无线电路相连接，以及

连接到所述天线部件的所述一个的所述相移电路的一个移相所述无线电波，以便在所述天线部件的另一个的谐振频率处设置较高阻抗。

2.如权利要求1所述的天线装置，其中：

所述相移电路包括集总参数电路。

3.如权利要求1所述的天线装置，其中：

所述相移电路包括分布参数电路。

4.一种用于在多个频率上接收或发送无线电波的天线装置，包括：

多个具有不同谐振频率的天线部件；和

多个用于移相所述无线电波的相移电路，其中

所述的多个天线部件的反馈点分别通过所述的多个相移电路与无线电路相连接，以及

连接到所述天线部件的所述一个的所述相移电路的一个移相所述无线电波，以便在所述天线部件的另一个的谐振频率处设置较高阻抗。

5.如权利要求4所述的天线装置，其中：

所述的多个相移电路中的每一个包括集总参数电路。

6.如权利要求4所述的天线装置，其中：

所述的多个相移电路中的每一个包括分布参数电路。

7.一种具有用于在多个频率上接收或发送无线电波的天线装置的便携式无线电通信装置，所述天线装置包括：

多个具有不同谐振频率的天线部件；和

多个用于移相所述无线电波的相移电路，其中

所述多个天线部件的反馈点分别通过所述的多个相移电路与无线电路相连接，以及

连接到所述天线部件的所述一个的所述相移电路的一个移相所述无线电波，以便在所述天线部件的另一个的谐振频率处设置较高阻抗。

8.如权利要求7所述的便携式无线电通信装置，其中：

所述便携式无线电通信装置为便携式电话。

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