平面双频天线和使用平面天线的射频设备

摘要

一种PIFA结构具有第一操作频率和第二操作频率。其包括由基本上连续的边界线限定的导电区形成的且被非导电槽(802)分割的平面辐射元件(801,1002,1101,1203)。槽具有在基本连续边界线上的第一端和在导电区内的第二端。平面辐射元件包括馈入点(803,1206)和接地接点(804,1208),它们位于槽的第一端附近,使得在馈入点测量的由槽分割的导电区的电气长度等于在第一操作频率下波长的1/4,并且槽的电气长度等于在第二操作频率下的波长的1/4。

说明书

本发明一般涉及一种平面天线的结构。具体地说，本发明涉及一种把两种不同的天线设计组合在一起，因而在两个完全不同的频率下操作的平面结构。此外，本发明涉及一种这种天线的的馈入装置，并涉及使用这种天线的射频设备。

图1表示一公知的倒置的F形平面天线(PIFA)的基本结构100，其中包括一平面导电辐射元件101，和所述辐射元件平行的导电的接地平面102，以及用于互连这两个元件的基本上垂直于辐射元件和接地平面的接地接点103。所述结构还包括馈入电极104，其也基本上和辐射元件以及接地平面垂直，并且可以被耦联到一射频设备的天线端口(未示出)。在图1的结构中，辐射元件101，接地接点103和馈入电极104通常通过把薄的金属板切割成具有两个被弯成直角的突出部分的合适的矩形进行制造。接地平面102可以是印刷电路板的表面上的一个金属化区域，使得接地接点103和馈入电极容易连接在印刷电路板的孔上。天线100的电特性一般受其元件尺寸的影响，尤其受辐射元件101和其与接地平面102之间的距离的影响。

图1所示的天线结构的一个缺点在于其弱的机械稳定性。为解决这个问题提出了不同的结构。欧洲专利文件EP 484454披露了图2所示的一种PIFA结构，其中辐射元件201，接地平面202和用于互连这两个元件的接地接点203利用在固体介电体204的表面上涂镀金属来实现。天线通过不和辐射元件201接触的耦联元件205馈入。在耦联元件205和辐射元件201之间存在电磁耦合，并且耦联元件通过介电体204的边缘延伸到可以和射频设备的天线端口耦联的一点。这种结构在机械上是稳定的，但是介电体块使得其相当重。此外，介电体减少了天线的阻抗带宽，并使得和空气绝缘的PIFA相比，辐射效率变劣。

PIFA辐射元件不必是图1和图2所示的简单的矩形。图3表示一种已知的PIFA辐射元件301的结构。矩形被槽302分割了，所述的槽在距馈入点303和接地接点304最远的那部分辐射元件中形成一条带。所述槽的用途一般是为了增加天线的电气长度，并因而影响天线的谐振频率。

上述的所有PIFA结构被这样设计，使得它们具有某个谐振频率和以所述谐振频率为中心的操作频带。不过，在一些情况下，最好射频设备的天线具有两个不同的谐振频率。图4a和图4b表示一种已知的双频率PIFA辐射元件，见公开物“Dual-Frequency PlanarInverted-F Antenna”，Z.D.Liu，P.S.Hall，D.Wake，IEEETransactions on Antennas andPropagation，Vol.45，No.10，October 1997，pp.1451-1457.在图4a中的天线包括矩形的第一辐射元件401和从两侧包围所述第一辐射元件的第二辐射元件402。第一辐射元件具有其自己的自由点403和接地接点404，第二辐射元件具有其自己的自由点405和接地接点406。在图4b中的天线包括一个连续的辐射元件410，其被槽411分成两支。馈入点412位于槽413的内端，即不终止在辐射元件的边缘的那一端之附近，使得这些分支相对于馈入点具有不同的方向。两个分支具有其自己的相互明显不同的电气长度。接地接点413位于该结构的边缘附近。

还已知一种如图5所示的双频PIFA辐射元件501，其以和图4b所示的相同的方式具有两个分支。在图5中，两个分支的最外端延伸到用于支撑辐射元件的印刷电路板的边缘，在图中由虚线表示。这种结构提供了较宽的天线阻抗带，即围绕一个特定的谐振频率的频率范围，在这个范围内，天线阻抗和射频设备的天线端口的匹配良好。然而，与此同时，表示由用户吸收的辐射量的SAR值变得相当高，尤其是在较高的频带下。

芬兰专利申请FI-982366披露了一种图6所示的PIFA辐射元件600，其中所示辐射元件被非导电槽601-602-603分割，它们把辐射元件分成第一分支和第二分支。馈入点604和接地接点605的位置靠近槽的内端。因此，这种结构在一个并且是同一个平的表面上并且在一个并且是同一个接地平面606附近也具有两个相邻的PIFA辐射元件分支。该专利申请还披露了相应于较高的操作频率的分支的外端位于由第一分支围绕的辐射元件的边界线内，使得SAR值比图5的结构较小。

本发明的目的在于提供一种平面双频天线结构，其容易制造和装配，并且对于所需的操作频率，可以容易地确定其尺寸。本发明的另一个目的在于使天线的阻抗带宽相当大，并且其馈入阻抗可以按照所需的方式选择。本发明的另一个目的在于提供一种利用上述天线结构的射频设备。

本发明的目的是通过PIFA辐射元件和有槽的辐射元件组合为单一结构而实现的。和阻抗带宽以及馈入阻抗有关的目的是通过提供一种和射频设备的天线端口的容性馈入相结合的辐射元件来实现的。

按照本发明的天线结构的特征在于其具有一个平面辐射元件，其中包括在分割槽的第一端附近的一个馈入点和一个接地接点，使得由所述槽划分的导电区的电气长度，当在馈入点测量时，等于在第一操作频率下的波长的四分之一，并且槽的电气长度等于在第二操作频率下的波长的四分之一。

按照本发明的射频设备的特征在于在其天线结构中的平面辐射元件包括，在某个槽的第一端附近，和射频设备的天线端口耦联的馈入点以及和射频设备的地电位耦联的接地接点，使得由所述槽分割的导电区域的电气长度，当在馈入点测量时，等于在第一操作频率下的波长的四分之一，并且槽的电气长度等于在第二操作频率下的波长的四分之一。

在按照现有技术的PIFA的天线结构中，两个操作频率是由具有公共的馈入点的两个PIFA分支实现的。按照本发明，只在第一操作频率下使用PIFA结构作为辐射天线结构。第二操作频率的天线是由PIFA辐射元件中的槽构成的所谓的四分之一波长孔辐射器。除了作为辐射元件之外，和没有槽的相同尺寸的PIFA相比，所述的槽还降低了PIFA辐射元件的操作频率，使得在某个预定的操作频率下，按照本发明的天线结构的尺寸比没有槽的现有技术的PIFA的尺寸小。

可以通过在馈入点增加一个“额外”的串联电容使组合的PIFA和有槽的辐射元件的阻抗带宽变得较大。“额外”的意思是，这种电容通常是不用的：在已知的PIFA结构中，馈入点通常和射频设备的天线端口进行电连接。按照本发明，可以使用一种馈入销，其和作为PIFA辐射元件的平面导电图形不进行电连接，而是在所述馈入销的端部和辐射元件之间存在一个绝缘层。绝缘物质例如可以是空气或者是印刷电路板材料。

下面结合附图并以举例方式参照本发明的优选实施例来说明本发明的细节，其中：

图1说明已知的PIFA的基本结构；

图2说明已知的PIFA结构；

图3表示已知的平面辐射元件的结构；

图4a和图4b表示已知的双频平面辐射元件的结构；

图5表示第三种已知的双频平面辐射元件的结构；

图6表示第四种已知的双频平面辐射元件的结构；

图7表示已知的微带天线结构；

图8表示按照本发明的平面辐射元件的结构；

图9a-9f表示按照本发明的平面辐射元件的其它结构；

图10说明按照本发明的馈入装置；

图11a，11b说明图10所示的结构的另一种实施方式；

图12表示在移动电台中的按照本发明的天线结构；以及

图13表示电容PIFA馈入装置的等效电路。

上面关于现有技术的说明是参照图1-6作出的，下面参照图7-13说明本发明和本发明的优选实施例。

本发明利用所谓的孔辐射元件的原理，下面参照美国专利4692769和图7进行说明。应当注意，美国专利4692769不涉及PIFA结构，但是涉及微带天线，其原理和PIFA不同，例如在确定操作频率下的尺寸方面，以及在微带天线中的辐射平面导电元件和与其平行的接地平面之间没有电连接。图7以从美国专利4692769得知的方式表示介电底板701，在其上表面具有平面辐射导电元件702，在其下表面具有接地平面703，图中只示出了一个边缘。天线通过同轴电缆704被馈入，同轴电缆的护套705与接地平面耦联，同轴电缆的内部导体706和辐射导电元件耦联。辐射导电元件的形状基本上如同一个四边形(参考文件披露基本上呈圆形)，并且其中具有一个槽707，其电气长度等于在某个较高的操作频率下的半个波长。平面辐射元件的电气长度等于在某个较低的操作频率下的半个波长。在所述文件中，较高的操作频率是1557MHz，较低的操作频率是1380MHz，这是以举例的方式给出的。

孔辐射元件的操作基于这样的事实，即，电磁场的某个谐振波形可以在由导电材料包围的二维的介电空间中被激励。如果所述空间被延长，则谐振波形成为驻波，从而在所述空间的纵向尺寸中包括一定数量的波节和波腹。在其两端被封闭的槽中，谐振频率相应于在两端具有波节的驻波。最低的谐振频率是槽的长度等于半个波长时的谐振频率。如果槽的一端被封闭而另一端是敞开的，则谐振频率相应于在第一端(槽的封闭端)具有波节而在第二端(槽的敞开端)具有波腹的驻波。在那种情况下，槽的长度等于在最低谐振频率下的波长的四分之一。

图8表示按照本发明的平面辐射元件结构。所涉及的平面辐射元件旨在用于形成PIFA结构的一部分，这在下面将被详细说明。辐射元件包括由基本上连续的边界线限定的并被不导电的槽802分割的导电区域801。槽的一端位于导电区域边缘的一点(被称为槽的外端)，槽的另一端位于连续导电区域内的一点(槽的内端)。图中还示出了馈入点803和接地接点804，它们都位于槽的外端附近。

和图4a-6所示的现有技术的双频PIFA辐射元件不同，按照图8的辐射元件没有两个单独的谐振分支，而只有一个相当长的PIFA分支。这是通过使馈入点和接地接点位于靠近槽的外端实现的。PIFA分支作为这种结构的较低操作频率的辐射元件而工作。在较高操作频率下，辐射元件包括按照上述孔辐射元件的原理的不导电的槽。这种两个天线原理组合成为一个单一的结构有些类似于图7所示的方案。不过，接地接点使得这种结构成为一种PIFA结构而不是如同美国专利4692769中所述的微带天线。此外，应当注意，本发明要求槽对着导电区域的边缘延伸。按照图7的结构不能以所需的方式工作，除非在辐射元件中的槽的所有边由导电材料包围。

此外，按照图8的结构基于和美国专利4962769披露的不同的原理来确定尺寸。起点是没有槽的PIFA辐射元件的操作频率。这相应于没有槽的PIFA辐射元件的电气长度等于波长的四分之一时的频率。槽使PIFA辐射元件的操作频率减小，因为其电气长度增加了：减少的频率是图8所示的辐射元件的较低的操作频率。在另一方面，当馈入点和接地接点位于紧靠槽的外端时，槽成为一个槽辐射器，其电气长度等于在远大于较低的操作频率的第二频率时的波长的四分之一。所述第二频率是图8的辐射元件的较高的操作频率。

本发明不规定槽的外端和馈入点以及接地接点之间的距离，但是为了使这种结构根据需要而工作，要求馈入点和接地接点的位置距离槽的外端比距离槽的内端较近。此外，关于电气长度和谐振特性，如果从馈入点和接地接点向槽的外端设置线路，则要求只在线路的一侧上具有大部分的导电区域。记住这些限制便可以通过实验找到馈入点和接地接点的合适的位置。

图8还表示平面辐射元件结构的具体细节：PIFA分支从某个较窄的点向着外端平滑地变宽，所述外端即距离馈入点和接地接点最远的一端。这种结构能够使天线的总尺寸减少一些而辐射或阻抗带宽却没有显著减少，因为在较低的操作频率下，辐射天线元件在其电场最强的最宽处工作，即在分支的开口端。

图9a-9f表示具有一个PIFA分支和作为孔辐射器的槽的平面辐射元件之优选变型。其中虚线限定了一个可以有利地设置馈入点和接地接点的区域。这些图表示槽可以包括均匀宽度的直的部分，这些部分也可以相互垂直(图9a)；在另一方面，槽也可以包括非均匀宽度的部分，这些部分也可以平滑地变窄或变宽(图9b)；此外，槽可以全部或部分地弯曲(图9c，d)或曲折(图9e)，或者可以包括均匀宽度的部分和逐渐变宽或变窄的部分(图9f)。

图10是说明电容PIFA馈入的纵截面图，电容馈入是一种实现按照本发明的天线结构的馈入的有利方式。纵截面图表示接地平面1001，平面辐射元件1002，馈入销1003和接地接点1004。为了使馈入装置完好地工作，重要的是馈入销1003(其和射频设备的天线端口耦联，未示出)和接地平面1001或接地接点1004不进行直接电接触。在另一方面，对于电容馈入，还有重要的一点是在馈入销1003和平面辐射元件1002之间没有电连接而通过绝缘层实现电容耦合。图10表示对绝缘层没有特殊要求，例如其可以是空气或者其它已知的绝缘材料。

在实际上，图10的结构例如可以利用这种方式来实现，平面辐射元件1002是一块金属板，其例如借助于沿着板的边缘设置的支撑框架，或者借助于将其固定在射频设备的壳体的绝缘部分上而被固定在射频设备的其它部分上，并且接地板1001包括金属化部分，其或者在属于射频设备的印刷电路板的表面上，或者在射频设备的壳体结构某个部分内。馈入销和接地接点可以被制成金属带，或者被制成例如通过塑料或其它绝缘材料制成的单独的支撑结构支撑的销。在这种结构的纵截面图中，这种结构和图10所示的示意方案没有大的区别。

图11a和11b说明用于实现按照图10的结构的原理的第二种方法。参见这些图，平面辐射元件1101被形成在印刷电路板1102的第一表面上，所述第一表面是图中的上表面。用于馈入和接地的耦联垫片1103和1104被形成在同一个印刷电路板的第二表面上(图中的下表面)。通过印刷电路板1102以电容方式进行馈入，但是为了实现接地，在接地耦联垫片1104和平面辐射元件1101之间必须提供电连接，这或者通过镀有金属的孔1105或者通过沿着印刷电路板的边缘之金属化部分1106来实现。在这种结构中，接地板1107也可以是在另一个印刷电路板的表面上的金属化部分，或者可以通过对射频设备的壳体结构的给定部分进行金属化来实现。图11a和11b利用第一种替代的方法，从而使馈入销1108可以被焊到接地印刷电路板的孔上(在孔的周围并在面向接地平面的表面上具有不导电的区域，其使馈入销和接地平面绝缘)，并且接地接点1109可用金属带或金属销制成，其被焊接到或用其它方法固定在接地平面上。代替简单的金属销或者除了简单的金属销之外，可以使用各种已知的可弯曲的销结构，其沿纵向(垂直于平面辐射元件和接地平面)弯曲，从而在最终的结构中，由可弯曲性引起的弹簧力对着放置销但不是其它方式连接销的表面至少挤压销的一端。

图12表示射频设备中的天线结构的一种有利的布置，其中辐射元件是PIFA和按照本发明的有槽的辐射元件的组合。示例的射频设备是移动电话1200，图中示出了打开的外壳体，移动电话的已知的元件，键盘、显示器和扬声器位于下方因而图中没有示出。第一印刷电路板1201或者移动电话内部的另一个基本上平的表面包括接地平面1202，其是一个基本上连续的导电区域。形成在印刷电路板上的接地平面可以位于电路板的表面上或者位于电路板的中间层内。平面辐射元件1203被形成在第二印刷电路板1204的表面上，第二电路板通过框架1205被固定在第一印刷电路板上。馈入点1206和射频设备的天线端口1209以这样的方式相连，使得通过印刷电路板1204和连接器块1207的耦联是电容性的，并从此处继续由包括在连接器块的表面上之微带的馈入销提供连接。在这个实施例中，同一个连接器块提供接地接点1208和接地平面1202之间的连接。

图13是说明电容PIFA馈入装置的特性的等效电路。在电路中的节点1301相应于射频设备的天线端口，节点1302相应于PIFA中的接地接点，节点1303相应于PIFA的敞开端，节点1304相应于接地平面。电感1305代表馈线的电感，或者代表在射频设备的天线端口和容性耦合馈入点之间线路的电感，电容1306代表电容馈入的电容，电感1307代表天线馈入点和接地接点之间的电感，电感1308代表PIFA元件的电感，电容1309代表PIFA元件的敞开端和接地平面之间的电容。该图表示馈线电感1305和馈入点电容1306在射频设备的天线端口和天线馈入点之间形成一个串联谐振电路。

电容1306的值可以通过以下方式被调整：改变馈入点耦联垫片(图11中的1103)的尺寸，并选择用于支撑辐射天线元件的印刷电路板的厚度和介电常数，电容值C的粗略计算可按下式进行：

             C＝ε₀ε_rA/d其中ε₀是真空介电常数，ε_r是印刷电路板材料的相对介电常数，A是耦联垫片的面积，d是印刷电路板材料的厚度。电容1306的值影响所述串联谐振电路的谐振频率。通过选择合适的尺寸，可以把该频率设置为接近于PIFA本身的谐振频率或操作频率，从而使天线的阻抗带宽增加到电馈入PIFA的阻抗带宽的两倍。在双频天线结构中，串联谐振使带宽增加的效果可以按照需要而获得较高或较低的操作频率，一般地说，在天线结构中串联谐振的作用是通过使用较大的电容馈入垫片使操作频率从较高的值改变为较低的值。一般地说，在双频或多频天线中，具有一个操作频率，在此操作频率下，其阻抗带宽固有地比其它操作频率窄，因而电容馈入的增加带宽的效果最好针对那一特定的操作频率。

上述的本发明的实施例是作为例子而给出的，并不限制本发明。例如，平面辐射元件和接地平面不一定是绝对的平面，其形状可以是弯曲的，如图2所示的现有技术的天线结构那样。在图12中示出的框架1205是连续的，但也可以包括分开的部分，并且如果只借助于把边缘的某些部分设置在射频设备的其它部分上便能达到足够的机械稳定性，则不一定盖住印刷电路板1204的边缘的整个长度。