CN1260071A - 双频带天线 - Google Patents

Abstract

具有简单且紧凑的结构的一种双频带天线包括一个电感器、连接在该电感器相对两端的第一及第二棒状辐射元,其中有电介质材料环绕着该电感器并环绕着位于电感器各个端上的第一和第二辐射元的连接部。一个导电外壳围绕着所述电介质体,并支撑着所述电感器以及第一和第二辐射元的连接部。外壳和电介质体构成了一个电容,这样该电容就和所述电感器一起构成了一个LC谐振电路。设计所述LC电路,使得在双频工作频带的较高一个频带上,只有一个辐射元执行辐射,而在较低频带上,两个辐射元都能执行辐射。

Description

双频带天线

                        发明的背景技术

发明领域

本发明涉及天线，尤其涉及用于移动通信的双频带天线。

相关技术的说明

随着移动通信的快速发展，现有系统的容量已趋于饱和，这样，就要在新的频段上开发新系统，以增加容量。因此，在设计移动通信设备时必须考虑已有系统和新系统之间的相互关系。对于移动通信用天线，设计时主要关注的是功率效率和对频率的有效使用。

实际上，在大韩民国(南韩)，需要将已有CDMA(码分多址)系统与新的PCS(个人通信系统)系统链接；在美国，需要将已有的AMPS(高级移动电话业务)与PCS系统链接；在欧洲，需要将已有的GSM(移动通信特别研究组)系统与DCS(数字通信系统)1800系统链接。通常，“双频带系统”是这样一种系统，它考虑了在不同频带的两个不同的系统内的通信，正象上面的例子那样。需要制造能在双频带系统内工作的通信装置。

至今，在双频带系统内的每个一个无线电话终端都具有用在两个不同频带上的两个分立的微型天线，这会造成制造成本的增加。同时，出于这一目的而使用两个天线对无线电话终端的小型化是一个障碍，还会给用户造成不方便。出于这一原因，需要开发一种适用于这两个频带的双频带天线。

美国专利No.4,509,056公开了一种采用了调谐套筒扼流圈的多频天线。参见图1，在图中显示了上述专利中所公开的这种类型的天线。这种天线能有效地工作于其工作频率之间的频率比为1.25或更高的系统中。内部导体10连接到同轴馈线2上，而套筒扼流圈12i用作一个辐射元。套筒扼流圈12i的馈点是短路的，其另一端是开路的。如此设计导体10的长度和套筒扼流圈12i，以便能在所需频率上得到最高效率。

套筒扼流圈12i被部分填充了标明尺寸的电介质材料16i，这样该套筒就构成了一个1/4波长的传输线，并能防止在最高频率下，外壳14i和延伸10在扼流圈开路端相耦合。在某些较低的工作频率上，扼流圈12i变得象一个绝缘器件一样不起作用，且该构件的从接地层到导体一端的全部长度P在低谐振频率下变为一个单极天线。

导体10和套筒扼流圈12i_λ之间的耦合出现在套筒扼流圈12i的开路端。这即是，当长度l＝ 4时，扼流圈呈现一个高阻抗，而导体10和套筒扼流圈12i之间的耦合最低。当 4≠l时，扼流圈呈现低阻抗，而导体10和扼流圈12i之间的耦合较高。可通过改变电介质材料16i的介电常数来调整扼流圈12i的电长度。

由内部和外部导体10、14i构成的构件被看作是一个同轴传输线，其特性阻抗表示如下： $Z_c=59.95/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}1n(D/d)------\left(1\right)$

其中εr是介电常数，D是外部导体的直径，d是内部导体的直径。外部导体和内部导体10、14i之间的输入阻抗是由以下等式表示的： $\mathrm{Zin}=Z_c\frac{Z_L+j{Z}_c\tanh \mathrm{\γ}\·l}{Z_c+j{Z}_L\tanh \mathrm{\γ}\·l}-------\left(2\right)$

其中γ＝α+jβ，α是衰减系数，β是传播常数，l是传输线长度，Z_L是负载阻抗。

在图1的天线中，接地层20和外部导体14i在结构上是彼此相邻的，因此，产生了寄生电容，这会降低天线效率。为提高天线效率，可以减小寄生电容。因此，在图1的结构中，外部导体14i的直径必须要为这一目的而减小，按照上述等式(1)，这种做法最终也等于减小了扼流圈12i的特性阻抗。即，对扼流圈12i的特性阻抗的这种减小改变了耦合量，从而使得天线性能下降。

这样，为使对耦合量的影响降到最低，也为了使扼流圈12i的特性阻抗与先前的(即在导体14i的直径变化之前)基本相同，必须降低内部导体10的直径。因此，当用这种方式制造天线时，同一天线仍然不能令人满意地覆盖系统所需的频带宽度。

另外，由于采用电介质材料来调节耦合量，所以对适当的耦合，必须精确选择介电常数和电介质材料的尺寸。

                         发明概述

本发明的一个目的是提供一种提高了性能和带宽的双频带天线，这种提高是通过使该天线的接地层和外部导体之间的寄生电容最小而实现的。

本发明的另一个目的是提供一种双频带天线，它具有简单和紧凑的结构，以及高性能。

本发明还有另一个目的是提供一种不贵的且使用方便的双频带天线。

在本发明的典型实施例中，双频带天线包括一个电感器、连接在该导体相对两端的第一和第二棒状辐射元，以及环绕电感器和在电感器各个端上的连接部的电介质材料。一个例如是圆柱形金属外壳的导体支撑外壳环绕着电介质，并支撑着电感器以及第一和第二辐射元的连接部，该外壳和电介质构成了一个电容，这样该电容与所述电感器一起构成了一个LC谐振电路。如此设计LC电路，使得在双工作频带的较高频带上只有一个辐射元执行辐射，而在其较低频带，两个辐射元都能执行辐射。

                         附图说明

图1是依据采用调谐套筒扼流圈的多频天线的常规实施例的工作于双频段的单极天线的剖面图；

图2是说明依据本发明一实施例的双频带天线的结构的剖面图；

图3是说明图1和2中所示天线的等效电路的电路图；

图4是说明依据本发明一个实施例而进行实验的双频带天线的驻波比(SWR)的图；

图5是一个史密斯圆图，它说明了依据本发明一个实施例，对一个双频带天线的测量结果。

                         最佳实施例的详细说明

下面，将参见仅通过举例而附带的附图，对本发明进行更清楚的说明。附图中所用的相似的参考号和特征指相似的构成元件。

参见图2，其中显示了依据本发明的典型双频带天线的一个截面。该天线包括一个电感器40、第一和第二棒状辐射元32a、32b，其中每个辐射元都连接在电感器40的相应的端上，该天线中还有电介质材料35环绕整个电感器，并环绕连接在电感器40的相应端上的第一和第二辐射元32a、32b的连接部。诸如是圆柱形金属外壳的一个导电圆柱支撑外壳42，将电感器40固定在适当的位置上，并支撑它，同时还支撑相关的第一和第二辐射元32a、32b的连接部。支撑外壳42和电介质35一起构成了一个电容结构，而该电容又与电感器40一起构成了一个LC谐振电路。

第一和第二辐射元32a、32b中的每一个都具有填充了电解质材料35的凹槽39。由于只有从圆柱形金属外壳42向电介质材料35施加的一律是水平方向的力，所以就形成了辐射元32a、32b的一个支承结构。第二辐射元32b的另一端与同轴馈线2的内部导体8相连。同轴线2的外部导体6与接地层20相连。参考号37a和37b表示电感器40和第一及第二辐射元32a、32b之间的连接部。例如，这些连接点可以是焊接的。

图3显示了一个电路图，它说明了用于图1或2的汇总的器件等效电路。在等效电路中，用电容器C和电感器L来表示第一和第二辐射元32a、32b之间的耦合。

请同时看图2和3，在本发明的实施例中，可通过电感器40、电介质材料35以及圆柱形金属外壳42来控制第一和第二辐射元32a、32b之间的耦合量。天线的总体长度是依据第一和第二辐射元32a、32b、电感器40以及工作频带而确定的。尤其是，在较低工作频带中，总体天线长度L1是被当作波长的函数而确定的。在较低工作频带中，第一和第二辐射元32a、32b都辐射电磁能量。最好如此选择物理长度L1，使得包含L1的整体天线的电长度在较低频带的中心频率处例如为λ/4或5λ/8。

对于较高的频带，由于LC谐振电路的谐振，所以只有较低的辐射元32b执行辐射。因此，最好如此选择辐射元32b的长度L2，使得在较高频带的中心频率上的器件32的电长度例如为λ/4或5λ/8。举个例子，较低频带可被用于大约824MHz-894MHz的范围，而较高频带可被用于大约1,750MHz-1870MMHz的范围。

电感器40、电介质材料35以及圆柱形金属外壳42如图2所示进行连接，以形成图3中的LC谐振电路，如此设计该谐振电路，使得能在较高频带内产生谐振，由此提供一个高阻抗。因此，在较高频带，在第一和第二辐射元32a、32b之间不会发生耦合，而仅仅是较低的辐射元32b执行辐射。在较低频带中，如此设计电感器40、电介质35和外壳42，使得LC谐振电路能保证相对较低的阻抗值，因此第二辐射元32b与第一辐射元32a耦合，从而使彼此电耦合以形成一个低频天线。

图4是一张图，它说明了依据本发明的一个典型双频带天线的驻波比(SWR)。该图表示了从Samsung电子有限公司制造的CDMA系统的手持电话终端(型号No.SCH-100)得到的实验值。在实验点Δ1，在0.8240GHz处的驻波比是1.1732。在实验点Δ2，在频率0.8940GHz处的驻波比是1.2542。同样，很明显，本发明的实施例对范围在849MHz-894MHz的用于CDMA系统中的发送/接收可实现良好的SWR特性。

图5是一张史密斯圆图，它说明了对依据本发明实施例而制造的典型的双频带天线的进行测量所得到的输入阻抗。

虽然已经参照本发明的特定实施例对本发明的原理进行了详细说明，但它决不能被看作是对本发明的限制，且显而易见，在未脱离本发明主旨的情况下可以对本发明作出许多改动和修正。附加的权利要求覆盖了落入本发明真实主旨和范围内的所有这种改动和修正。

如上所述，上述有创造性的天线可被应用于诸如是GSM/DECT、GSM/DCS1800、AMPS或CDMA(824MHz-894MHz)/PCS系统这样的双频带系统。另外，如果所需的两个工作频带之间的频率分割不是1/4波长的整数倍，则依然可以通过改变电感器的电感以及/或改变电介质材料的尺寸或常数而很容易地制造出依据本发明的天线。同样，对于上述5λ/8的相对较长的天线长度，天线辐射图在方位角上依然是各向同性的。因此上述有创造性的天线可被方便地应用于象车载移动电话这样的移动通信系统。另外，本发明的优势在于地和外部导体之间的寄生电容可被最小化，以提高天线性能。此外，这种结构还顾及了对重量和天线尺寸的减小。

Claims (17)

1.一种双频带天线，包括：

一个电感器；

与所述电感器的相对两端相连的第一和第二棒状辐射元；

电介质材料，环绕：所述电感器、与所述电感器的一端相连的所述第一辐射元的一部分，以及与所述电感器的另一端相连的所述第二辐射元的一部分；以及

一个导电外壳，环绕所述电介质材料，并支撑所述电感器还有所述第一和第二辐射元的连接部分，从而与所述电介质材料一起形成了电容。

2.如权利要求1的所述天线，其特征在于所述导电外壳包括一个圆柱形金属外壳。

3.如权利要求1的所述天线，其特征在于所述第二辐射元的另一端与同轴馈线的内部导体相连，该同轴馈线具有与接地层相连的一个外部导体。

4.如权利要求1的所述天线，其特征在于所述第一和第二辐射元中的每一个都具有填充有所述电介质材料的凹槽，这样再借助于所述导电外壳就形成了所述第一和第二辐射元的支承结构。

5.如权利要求4的所述天线，其特征在于所述第二辐射元的另一端与同轴馈线的一个内部导体相连，该同轴馈线具有与接地层相连的一个外部导体。

6.如权利要求1的所述天线，其特征在于所述导电外壳和所述电介质材料构成了一个电容，所述电感器和所述电容器形成了一个LC谐振电路，该LC谐振电路在双频带的高频带内具有一个高阻抗，在双频带的低频带内具有一个低阻抗，由此两个所述辐射元在所述高频带内只有一个执行辐射，而在所述高频带内这两个辐射元都执行辐射。

7.如权利要求6的所述天线，其特征在于所述低频带是一个标准的CDMA频带，所述高频带是一个标准的PCS频带。

8.如权利要求1的所述天线，其特征在于所述电感器的相对两端中的每一个都被焊接到所述第一或第二辐射元的相应的所述接点部分。

9.一种双频带天线，包括：

一个电感器；

分别与所述电感器的第一和第二端相连的所述第一和第二棒状辐射元；

电介质材料，环绕：与所述电感器的一端相连的所述第一辐射元的一部分，以及与所述电感器的另一端相连的所述第二辐射元的一部分；以及

一个导电支撑部件，用于将所述电感器固定在适当的位置上，并用于支撑所述电感器以及所述第一和第二辐射元的相关部分，同时还用于支撑所述电介质材料，因此与所述电介质材料一起构成了电容，这样就形成了一个LC谐振电路。

10.如权利要求9的所述天线，其特征在于所述天线工作于特定频带，就象具有长度与所述第二辐射元一样长的一个天线，所述天线工作于相对较低的频带，就象是具有其长度等于所述第一和第二辐射元的长度组合的一个天线。

11.如权利要求9的所述天线，其特征在于所述第一和第二辐射元中的每一个都具有特定的填充有所述电介质材料的凹槽，以便施加一个一致水平的力从所述导电支撑部件到所述电介质材料，从而形成所述第一和第二辐射元的支承结构。

12.如权利要求11的所述天线，其特征在于所述天线工作于特定频带，就象是具有长度等于所述第二辐射元的长度的一个天线，所述天线工作于相对较低的频带，就象是其长度具有所述第一和第二辐射元的长度组的一个天线。

13.如权利要求12的所述天线，其特征在于所述低频带的范围在824MHz-894MHz之间，所述相对较高的频带的范围在1,750MHz-1,870MHz之间。

14.如权利要求12的所述天线，其特征在于所述天线在相应频带的中心频率处具有1/4波长的长度。

15.如权利要求12的所述天线，其特征在于所述第二辐射元的另一端与同轴馈线的一个内部导体相连，该同轴馈线具有与接地层相连的一个外部导体。

16.如权利要求12的所述天线，其特征在于所述天线在相应频带的中心频率处具有5/8波长的长度。

17.如权利要求16的所述天线，其特征在于所述低频带的范围是在824MHz-894MHz之间，所述相对较高的频带的范围在1,750MHz-1,870MHz之间。

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