用于地面数字电视的紧凑型便携天线

摘要

本发明涉及一种紧凑的便携式天线，该天线由偶极类型的第一元件形成，该偶极类型的第一元件工作在第一频带中并且包括以差分模式馈电(3)的第一和至少一个第二(21)传导臂，该第一臂或冷臂形成用于电子卡片的至少一个罩，而第二臂或热臂由在绝缘底层上制成的U形传导元件(21)组成。而且，在U形元件的分支之间制成具有曲折(41)的辐射元件(4)，并且设置该辐射元件的尺寸以便在第二频带中工作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种便携紧凑型天线，更具体地涉及被设计来接收电视信号的天线，特别地涉及在便携式电子设备、诸如便携式计算机、PDA(个人数字助理)或需要天线来接收电磁信号的任何其他类似设备上的数字信号的接收。

背景技术

在当前的配件市场上，存在可以直接在膝上型计算机上接收用于地面数字电视(TNT)的信号的设备的产品(item)。在膝上型计算机接收地面数字电视信号可以受益于所述计算机的计算能力以解码数字图像，特别用于解码以MPEG2或MPEG4格式的数字图像流。这种设备最经常以具有两个接口的单元的形式而销售，即用于连接到内部或外部的VHF-UHF天线的一个RF(射频)无线电接口和用于连接到计算机的USB接口。

目前在市场上的设备通常由单独的天线所构成，诸如安装在承载USB连接器的单元上的鞭状(whip)或回路(loop)类型天线。

在2005年4月20日提交的法国专利No.05 51009中，申请人提出了由偶极类型天线构成的、覆盖整个UHF频带的紧凑型宽带天线。该天线与电子卡片相关联，该电子卡片可以使用例如USB类型连接器与便携式设备连接。

更具体地讲，在法国专利申请No.05 51009中描述的天线包括差分地供电的(supplied differentially)第一和第二传导臂，一个臂叫做第一臂，为电子卡片形成至少一个遮盖(cover)。更具体地，第一臂具有盒子形状，在其中插入电子卡片，该电子卡片包括由偶极类型天线接收的信号的处理电路。这些电路最经常地连接于USB类型连接器，使得能够连接到膝上型计算机或任何其他类似设备。本专利申请中描述的实施例指的是完全传导臂。

发明内容

根据本发明的第一方面，所述发明涉及一种便携式紧凑天线，该天线由第一偶极类型元件形成，该第一偶极类型元件工作在第一频带上并且包括差分地供电的第一传导臂和至少一个第二传导臂，被称作冷臂的该第一臂形成用于电子卡片的至少一个遮盖，被称作热臂的第二臂由在绝缘底层上实现的U形传导元件构成。

而且，以上的法国专利申请中提出的解决方案覆盖整个UHF频带。然而，为了能够用该类型的产品提供尽可能最宽的商用覆盖，重要的是除了UHF频带(470-862MHz)以外还能够接收至少VHF-III频带(174-225...230MHz)，有些国家诸如德国或意大利继续在该VHF-III频带广播数字多路复用。

根据第二方面，本发明因而涉及能够满足这种要求的上述类型的便携式紧凑天线。

根据本发明的天线是一种便携式紧凑天线，该天线由第一偶极类型元件形成，该第一偶极类型元件工作在第一频带中并且包括差分地供电的第一传导臂和至少一个第二传导臂，被称作冷臂的该第一臂形成用于电子卡片的至少一个遮盖，被称作热臂的第二臂由在绝缘底层上实现的U形传导元件而构成。为了能够在诸如VHF频带、优选地是VHF-III的第二频带中工作，该第二臂包括第二辐射元件，设置该第二辐射元件的尺寸以在第二频带中工作，在U形元件的分支之间的绝缘底层上实现该第二辐射元件。

根据一个实施例，第二元件由折叠成弯曲形状的传导元件构成，元件的长度由k*λ2/2-L1确定，其中λ2是第二频带的中心频率处的波长，K是对应于第二频带的谐波的正整数，L1是天线的冷臂的长度。

优选地，传导元件由其宽度在0.2mm到2mm的范围内、并且其厚度大于传导材料的表层(skin)的厚度的带(strip)形成，带的厚度大于或等于20μm。

为了使在第一和第二频带之间的相互作用最小化，在第二辐射元件和U形元件的每个分支之间的间隔大于或等于0.2mm。

为了改善第二辐射元件的性能，弯曲(bend)之间的间隔大于或等于0.2mm，该弯曲可以平行于U形元件的分支或垂直于所述分支。实际上，以这样的方式优化弯曲的布置(arrangement)以最大化在第一频带中的天线的辐射产出(yield)，同时尽可能小的干扰第二频带中的天线的工作。

根据本发明的一个优选实施例，第一频带是UHF频带而第二频带是VHF频带、优选地是VHF-III频带。

附图说明

当阅读不同实施例的描述时，本发明的其他特性和优点将会显现，该描述参照附图来实现，其中：

图1是以申请人的名义的法国专利No.05 51009中描述的天线的图解的透视图。

图2是根据本发明的第一方面、诸如图1中视图的天线的另一实施例的图解的透视图。

图3是根据本发明的并且工作在UHF和VHF频带的天线的第一实施例的图解的透视图。

图4是图3的天线的热臂的平面俯视图。

图5是在天线的输出端的阻抗匹配电路的图解视图。

图6示出了使用两种模拟软件应用程序获得的图3和图4的天线的阻抗匹配曲线。

图7示出了通过模拟根据图3和图4的天线获得的效率和增益曲线。

图8示出了通过模拟根据图3和图4的天线获得的，分别在UHF和VHF频带中的辐射方向图。

图9图解示出了热臂的两种实施例变形、以及相应的效率曲线。

图10是根据本发明的并且工作在UHF和VHF频带中的天线的第二实施例的图解的透视图。

图11是图10的天线的热臂的平面俯视图。

图12是与图10的天线一起使用的阻抗匹配电路的图解视图。

图13示出了使用两种模拟软件应用程序模拟的图10和图11的天线的阻抗匹配曲线。

图14示出了通过模拟根据图10和图11的天线获得的效率和增益曲线。

图15示出了通过模拟根据图10和图11的天线获得的、分别在UHF和VHF频带中的辐射方向图。

图16示出了根据本发明的可以为其实现热臂的分集式天线。

图17是根据本发明的与天线一起使用的电子卡片的图解的表示。

为了简化描述，同样的元件具有与附图中相同的参考标记。

具体实施方式

参照图1，首先做出对偶极类型天线的实施例的描述，该偶极类型天线可以被用于在膝上型计算机或类似设备上接收地面数字电视，如以申请人名义提交的法国专利申请No.05 51009中描述的。

如图1中所示，该偶极类型天线包括也被称为冷臂的第一传导臂1和也被称为热臂的第二传导臂2，这两个臂都通过位于每个臂的末端之一处的连接(articulation)区域3的方式而彼此连接。

更具体地讲，臂1明显地具有盒子形状，其特别能够容纳电子卡片，随后将会描述该电子卡片的实施例。该盒子具有明显是矩形外形的部分1a，其由开口向外的曲线部分1b逐渐延伸以便逐渐辐射能量，这增加了在更宽的频带上的阻抗匹配。臂1的长度L1明显地等于λ1/4，其中λ1是中心工作频率的波长。从而，臂1的长度L1接近112mm以在UHF频带(在470和862MHz之间的频带)中工作。

如图1所示，天线包括在环绕于销子(pin)3而转动安装的第二臂2，销子3也是天线连接到信号处理电路，即连接到未示出的、插入由臂1形成的盒子中的电子卡片的点。天线的电连接是由金属铰线(strand)、例如同轴或类似的电缆而制成的，而旋转销子由相对透射电磁波的材料制成。

如图1所示，可以环绕于销子3连接的臂2具有明显等于λ1/4的长度L1。臂2也具有曲线轮廓，而后是扁平的矩形部分，使得其能够完全地向后折叠，而在紧密的位置靠着臂1。臂2相对于臂1转动安装在3处，这使得能够改变臂2的方向以便优化电视信号的接收。

参照图2，现在将描述如在法国专利申请No.05 51009中描述的偶极类型天线的另一实施例。

如图1中所示，该天线包括被称为冷臂、具有盒子的外形的第一臂1和被称为热臂、通过连接3与第一臂相连接的第二臂。在此情况下，热臂由在绝缘底层20上实现的、传导材料的U形元件21构成。根据非限制性的实施例，该底层由覆盖着经蚀刻的铜层的被称为“KAPTON”的材料所组成，以实现U形元件。

如以上所描述的，冷臂和热臂每一个具有明显等于λ1/4的长度L1，其中λ1表示工作中心频率处的波长。因此，U21的每个分支具有明显等于λ1/4的长度。

如图2中清楚地示出的，U形元件通过诸如金属铰线之类的电连接元件在连接3的位置(level)处链接到未示出的电子卡片，该电子卡片被插入到由冷臂1形成的盒子中。从而，图2的天线被设置尺寸以在UHF频带中工作。

为了保证尽可能最宽的商用覆盖，令人感兴趣的是参照图2描述的该类型的天线除了UHF频带之外还可以接收VHF频带，更具体的是VHF-III频带(174-225...230MHz)，一些国家诸如德国或意大利继续在该VHF-III频带中广播数字多路复用。

从而，在图3和图4中，示出的具有根据本发明的天线的第一实施例能够在UHF和VHF频带内运行，如在下文中将做更详细地解释的。

如图3中所示，根据本发明的天线包括第一臂或冷臂，其中与图2的天线的臂1相似，盒子的外形能够容纳电子卡片。臂1通过也被称为热臂的第二臂延伸，该第二臂通过销子3的方式转动连接到臂1。

与在图2中所示的天线的热臂类似地实现该热臂。其包括在绝缘底层20上的U形外形的金属化物(metallization)21。而且，在销子3的位置处实现到信号处理电路、更具体地是到被插入到臂1中的电子卡片的连接。

根据本发明的第二方面并且如图2中所表示的，在底层20上实现第二辐射元件4，设置其尺寸以在第二频带、更具体地是在VHF频带中工作。该第二辐射元件是以在U形元件的分支之间的绝缘底层上的金属化的元件的形式实现的。

如图4中更详细地示出的，元件4由折叠成弯曲形状的传导元件41构成。传导元件41的总的长度由值k*λ2/2-L1确定，其中λ2是第二频带、即所示实施例中的VHF频带的中心频率处的波长，k是表示第二频带的谐波的正整数，L1是臂1的长度。

根据本发明的实施例，通过在覆盖有铜层的“KAPTON”底层上蚀刻而获得形成臂2的各种元件，该铜层具有大于传导材料的表层的厚度的厚度，U形元件21和传导元件或带41形成弯曲，其中在U形元件21和弯曲中传导带41之间的宽度W大于或等于临界(critical)宽度0.2mm，如随后将解释的。

U形元件21具有大约2mm的宽度，而弯曲中的传导元件41具有在0.2mm和2mm之间的宽度I，其中在两个弯曲之间的间隔大于或等于0.2mm。

实际上，选择弯曲形式的传导元件的长度以获得接近VHF频带、更具体地是VHF-III频带的上频率的谐振频率。根据可能的实施空间选择在该频率的一次谐波(first harmonic)或者高次谐波上谐振。弯曲的布置、即它们的外形和宽度被优化以便于最大化在VHF频带中的天线的辐射产出，同时尽可能小地干扰UHF频带中天线的工作。

现在将给出在如图3和4中所示的天线上实现的模拟的结果，其中天线的热臂具有以下尺寸，即：

在2个弯曲之间的间隔g＝0.25mm

传导元件或带41的宽度I在0.2mm到0.83mm的范围内。

带的厚度大于或等于20μm。

辐射元件4和U形元件的分支21之间的宽度W在4.5mm的等级上。

U形元件的分支21的宽度等于1.54mm。

通过将如图3和图4中所示的天线连接到具有如图5中所示的阻抗匹配电路的75欧姆的负载阻抗上而执行该模拟。因此该阻抗匹配电路在销子3位置处的天线输出端A与75欧姆负载之间这样构成：由值为100nH的自阻抗L1和值为3.2pF的电容构成的并联电路，其后是在接地与到并联电路L1-C1的连接点p之间的、串联连接的两个电容C11和C12。这两个电容C11、C12具有1.2pF的值。在点p与点p’之间，示出了值为38nH的自阻抗。在点p’与接地之间示出了值为202nH的第二自阻抗L12，点p’连接到负载。

通过使用两种不同的软件应用程序、即具体使用的IE3D Modua软件和ADS2004A软件来模拟连接到以上描述的阻抗匹配电路的天线的响应，以优化天线的阻抗匹配网络。

利用这两种软件应用程序，获得了随着频率而变化的阻抗匹配曲线S11，如图6所示。

从而，图6的结果示出了天线的阻抗匹配在整个UGF频带上相对较好(平均-6dB)，其中损耗小于1.5dB。

此外，图7示出了给出了随图4的天线的频率而变化的天线的效率和增益的曲线。

因此，利用对于阻抗匹配获得的性能，具有其阻抗匹配的天线的效率/增益对于VHF部分最大是15％/-5dBi，对于UHF部分至少是50％/-1dBi。因此考虑到组件的尺寸获得了良好的性能。

图8示出了图3和图4的天线的UHF频带和VHF频带中各自的辐射方向图。根据所获得的方向图看到对于UHF的中心频率(650MHz)和VHF频带的中心频率(195MHz)，辐射方向图是准全向的并确认了在这两种频带中天线的工作。

以上描述的第一实施例是利用在第二辐射元件4与形成偶极的热臂的U的分支之间的相对较大的距离实现的。进行研究以确定为实施减小在UHF频带和VHF频带之间、特别是在UHF频带的较低部分中可能的相互作用所需要的条件。

如图9的上面的部分所示，当热臂U的元件的分支与第二辐射元件之间的距离较小时，观察到强相互作用，其通过与该图相关联的频率的效率曲线示出。相反，当第二元件与热臂U中的元件的分支之间的距离更大时，观察到弱相互作用，如与该图相关联的随频率而变化的效率曲线所示出的。弯曲形状的U形元件的分支之间的距离的优化必须考虑到制造的技术限制和在U形元件的分支之间插入第二元件的必要性。

参照图10和图11，现在将给出根据本发明的天线的第二实施例的描述。如图10所示，该天线包括第一臂或冷臂1，其与图2和图3的实施例的冷臂相同。该第一臂在销子3的位置处与第二臂20或热臂相连接，此热臂被包括在绝缘底层上，第一辐射U形元件21用于获得在UHF频带中的工作，第二辐射元件50在U形元件的分支21之间实现并被设置尺寸以在VHF频带中工作。

如图11中以更具体的方式所示的，第二辐射元件由折叠成弯曲形状的传导元件所构成，其包括由平行于U元件的分支21的弯曲形成的部分50并且通过与U形元件21的分支垂直的弯曲51延伸到销子3的位置处的连接。在此情况下，弯曲50具有2mm的宽度并且弯曲之间的间隔等于0.2mm，而弯曲51具有0.2mm的宽度并且弯曲之间的间隔为0.2mm。在此情况下，选择弯曲的总的长度以满足等式k*λ2/2-L1，其中L1是第一臂的长度，λ2是第二频带中的工作频率处的波长，并且选择k以例如在弯曲的谐振的谐波2上工作。值k可以被更改。

实际上，如果遵循下面的设计规则，可以更改弯曲的形状：

对于UHF部分，U的分支的长度和冷臂1的长度在UHF频带的中心频率(666MHz)处的λ1/4的等级上。

对于VHF部分，分支的总的长度加上冷臂1的长度L1在230MHz处的λ2的等级上(对于谐波2上的工作)。最小的宽度和间隔与实现的技术选择有关。在诸如KAPTON之类的柔性底层的情况下，对于与U形元件的分支平行的弯曲、即纵向弯曲，选择的宽度在0.83mm的等级上，并且弯曲之间的间隔在250μm的等级上。

现在将给出通过模拟诸如图10和图11中所示的天线而获得的结果。通过将天线经由诸如图12中所表示的阻抗匹配电路连接到75欧姆的负载阻抗上来实现该模拟。因此图12中所示的阻抗匹配电路图解地这样构成：并联安装的5.54pF的电容C1和73.3nH的自阻抗L1，在并联LC电路的进入点2与接地之间安装电容C2，所述电容C2具有1pF的值，在点2和天线的进入点1之间串行安装自阻抗L2，该自阻抗L2具有30.7nH的值，在天线的进入点1与接地之间安装自阻抗L3，所述自阻抗L3具有186.8nH的值。利用以上描述的电路，使用两种不同的软件应用程序IE3D MODUA和ADS 2004A所获得的模拟给出了图13中所示的随频率而变化的阻抗匹配曲线。在图13中，看到天线的阻抗匹配在整个UHF频带上相对较好(平均-6dB)，其中损耗小于1.5dB。

同样，图14示出了通过图10和图11的天线的模拟获得的随频率而变化的效率曲线和随频率变化的增益。

因此，利用对于阻抗匹配获得的性能，具有其阻抗匹配的天线的效率/增益对于VHF部分最大是10％/-7dBi，对于UHF部分至少是50％/-1.5dBi。因此考虑到组件的尺寸获得了良好的性能。

此外，图15示出了利用图10和图11的天线分别在UHF频带中660MHz处和在VHF频带中200MHz处获得的辐射方向图。因此获得的标准的辐射方向图，其与用于UHF和VHF频带的中心频率的偶极的方向图相符合。

参照图16，将做出应用本发明到分集式(diversity)天线的简要描述。在此情况下，与图2、图3和图10的冷臂相同的方式实现冷臂100。本发明包括通过连接销子301和302分别链接到冷臂100的至少两个热臂201和202。销子301和302两者均位于冷臂100的每个末端。热臂201和202两者均可以被实现为如图4和图11所示的热臂。这种类型的天线通过减少由于信号衰减所引起的接收损耗可以获得分级，特别在地面数字电视或者TNT的接收的情况下。

此外，参照图17，将做出可以与根据本发明的天线一起使用的电子卡片的例子的描述。该电子卡片被设计为插入到包含作为遮盖或作为盒子元件的冷臂的盒子中。因此，该卡片的长度在70-80mm之间，宽度在15-25mm之间。该电子卡片1000包括低噪声放大器LNA1001，其在连接3的位置处连接于天线的同轴电缆。LNA1001链接于处理VHF频带和UHF频带两者的集成的调谐器1002。该调谐器1002连接于解调器1003，解调器1003的输出连接于USB接口1004，USB接口1004自身连接于USB连接器1005。因此可以利用该系统将天线连接到膝上型计算机或任何其他显示元件的USB输入端，这特别使得能够在计算机、PDA或任何其他便携式设备上接收地面数字电视。

对于本领域的技术人员显而易见的是，以上描述的实施例作为例子给出并且可以被修改，特别是关于弯曲的形状和布置，其仅必须满足以上给出的长度、宽度和间隔的标准。