多频段天线 【技术领域】
本发明涉及一种内部多频段天线，特别打算供小尺寸无线电设备使用。本发明还涉及包括按本发明的天线的无线电设备。
背景技术
在便携式无线电设备中，特别在移动站中，为方便起见我们偏爱回避使用突出在该设备盖外的天线。在多数情况中，移动站的内部天线具有一平面的结构：该天线包括一个辐射平面和与其平行的一个接地平面。为方便阻抗匹配，该辐射平面和接地平面通常在合适位置用一个短路导体相互连接，由此生产出一种平面倒F天线(PIFA)。该平面天线的电气特性，例如带宽和天线增盖，尤其取决于所说平面之间的距离。当该移动站在厚度方向越薄时，所说距离不可避免地减小，而因此该电气特性越差。该问题特别与可折叠移动电话相关，只要其折叠部分相对地扁平。实际中，这样的可折叠模式具有伸出的天线。
如所知道的那样，尤其通过配置该天线的辐射元件为该设备盖子的一部分，将能改进一个无线电设备的空间使用。申请人知道在其自己的申请FI20030059中描述的这种配置，在那里该辐射盖子元件具有电磁馈给以获得进一步的优点。图1a和1b表示该类型地一种解决方案。图1a表示天线100的放大了的截面。该无线电设备的盖子的一部分130起辐射器作用，在它下面存在该天线的接地平面110。一个薄介质层105靠着该辐射器130稍弯曲的内部表面放置和该天线的带状馈电元件120放置在该介质层的表面上。该层105和该馈电元件120例如可一起形成一块灵活的电路板。在该辐射器和该馈电元件之间仅存在电磁耦合，由于该介质层薄，所以这种电磁耦合是相当强的。天线的馈电导体116和短路导体115电连接到该馈电元件120。该馈电导体通过该接地平面延长到与该接地平面隔离的该无线电设备的天线端口。该短路导体在短路电路点S直接将该馈电元件连接到该接地平面。
图1b表示从该设备外部的天线100。这里辐射器130例如是该移动电话后盖的一半。馈电元件120由虚线表示。在该例中它是类T字母形状的导体带，其杆状物在该无线电设备的宽度方向横跨辐射器延长，而垂直的“交叉束”在该无线电设备的长度方向延长，靠近该辐射器的一边的边缘。上述天线的馈电点F和短路电路点S位于该杆状物的中间。短路电路点将该馈电元件分成两部分。以使该天线具有两个工作频段。该馈电元件的第一部分121与辐射器和接地平面一起谐振在该天线的较低工作频段范围，而该馈电元件的另一部分122与辐射器和接地平面一起谐振在该天线的较高工作频段范围。这样该第一和第二部分的长度不必如此相应于该工作频段的波长，但对相对大的辐射元件的耦合将增加该馈电元件部分的电长度，使得它们相应于打算要求的波长。有可能激励天线结构100中的这样的一些谐振，其主要地仅取决于该辐射器的尺寸和离接地平面的距离。这样类型的一个谐振可以例如配置在较高工作频段的范围中，以便扩展它。为此目的，图1b表示由虚线描绘的一个调谐元件140，该元件是靠近馈电元件120的导体带，和它以与该馈电元件相同方式从辐射器130分开。调谐元件140电耦合到接地平面。图1b用图形符号表示出这种连接，和该短路电路点S的接地连接。
除了也是因为接地平面和馈电元件之间的距离该辐射器不在设备中占有空间这个事实之外，上述天线结构提供相当宽的带宽，甚至在一个扁平的无线电设备中，在一个相应的PIFA中，由于相对宽的辐射器，天线结构可以做得比接地平面和该辐射平面之间的距离稍短。但总是希望改进天线的电特性，以保证无线电连接的质量。
【发明内容】
本发明的目的在于以一种新的和更有利的方法实施小尺寸无线电设备中的多频段天线。按本发明的天线的特征在于表示在独立权利1中的内容。按本发明一个无线电设备的特征在于表示在独立权利要求12中的内容。在其他的权利要求中表示本发明的某些优选实施例。
本发明的基本概念如下：该天线具有一个相对宽的表面辐射器，其通过一个单独的馈电元件电磁耦合到该无线电设备的天线端口。借助该馈电元件产生至少两个有用的谐振，和至少该辐射器的一个谐振本身也是加以利用的。辐射器具有一个孔，通过它产生一个有用的附加谐振。通过定位馈电元件靠近其边缘并选择在该馈电元件上用于馈电和短路点的合适位置在该孔中激励一个振荡。通过在适当位置改变孔边缘和接地平面之间的电容来细调该孔谐振的频率。
本发明的优点在于借助所说附加谐振可以展宽天线的某个工作频带。带宽的增加是由于该附加谐振的频率是位于所说工作频带中的一个点，该点不同于用来形成该工作频带的某个其他谐振的频率。由于该改进的频带特性，天线可制作得比现有技术天线更低的频带特性。本发明进一步的优点在于，当应用它于备有备用显示器的一个移动站中时，该孔不要求单独的制造步骤，因为在任何情况下，辐射器具有用于显示的一个孔。
【附图说明】
下面将详细描述本发明。在说明书中对包括的附图进行参考，其中
图1a、b表示现有技术多频段天线的一个例子；
图2a、b表示按本发明的一个孔辐射器原理的结构的例子；
图3a、b表示按本发明的一个多频段天线的例子；
图4表示按本发明的天线的频率特性的例子；以及
图5表示按本发明的一个无线电设备的例子。
发明的详细说明
在图2a和2b中表示用在按本发明的天线中的孔辐射器的原理的例子。图2a表示顶视图中的结构，即从在该辐射元件的外表面的外面观察的，和图2b表示无辐射元件的结构。该辐射元件230是平面的，并具有相对宽的矩形孔250。“孔”意味在无导电材料延长到该导体平面任何边缘的一个导体平面中的一个范围。在辐射元件230下面有与该辐射元件尺寸相同并与其平行的接地平面210。馈电元件220位于接地平面和辐射元件之间，并由图2a中的虚线表示。馈电元件与辐射元件电分开，并且通过短路导体215从馈电元件的短路电路点S电连接到该接地平面。在使用期间，该馈电元件进而通过馈电导体216从该馈电点F连接到无线电设备的天线端口。
在该例中，该馈电元件220是直导体带，它沿孔250的一个边缘追踪。在垂直于该辐射元件的方向上观察，馈电元件是在该导体表面上，稍微在该孔的外边。该短路电路点S位于大约孔的边缘的中间，而馈电点F相对靠近该短路电路点。由于它们之间的短的距离，在该馈电元件和该辐射元件之间的电磁耦合是相当强的。用某一频率馈送该天线然后使在该辐射元件中的一个电流分布沿着该孔从而在该孔中激励起一个振荡，并辐射电磁能。所说该孔的频率，或谐振频率当然取决于该孔的尺度。另外还取决于到接地平面的距离和沿孔的导体的细节形状。
这样该孔250是上述实际的辐射器。但是，如果不能存在无导体平面的孔，则该平面将被称为一个辐射元件。
图3a和3b表示按本发明的天线的例子，它具有至少两个工作频段。图3a表示天线的内幕，移除接地平面，而图3b表示它的截面。该天线是图1中已知天线和按图2结构的组合。辐射元件330是平面的，具有弯曲边缘的几乎是矩形的块，使得它适合作为一个无线电设备的盖的一部分。该辐射元件具有一个孔350，它占据其一半面积的大部分。在另外的内部表面继续的一半上，存在一个薄介质层305，它将带状馈电元件320与该辐射元件隔离。在辐射元件330的宽度方向上，馈电元件具有一个中央部分，其沿着孔350的一个边缘，在该边缘的整个长度上延长。该馈电元件继续在该辐射元件的长度方向离开该中心部分的两端。在该中央部分，在该短路电路点S，该天线短路导体315连接到馈电元件，该短路导体将该馈电元件连接到接地平面310。该接地平面表示在图3b中，在那里它是在该馈电元件中央部分处的天线的截面。在该例中，该接地平面是电路板301的一个导电表面。此外，天线馈电导体316连接到馈电元件的中央部分馈电点F。该短距电路点S将该馈电元件320分成第一分支321和第二较短分支322。类似于图1天线中的方法，该第一分支馈电元件在此还与辐射元件330和接地平面一起谐振在该天线的较低工作频段的范围中，而第二分支馈电元件与该辐射元件和接地平面一起将谐振在较高工作频段的范围中。
除馈电元件外，在介质层305的表面上存在一个带状调谐元件340。该调谐元件在一点上具有通过接地导体345连接到接地平面的电连接。该调谐元件的目的在于偏移由该辐射元件330和接地平面310对形成的谐振腔的谐振频率到一个要求的点。该要求的点例如可位于较高的工作频带的范围内，以加宽该频带。
本发明最基本的本质在于使用孔350。当孔适当定尺度时，按照图2的说明在其中将激励在所要求频率上的振荡。这将增加一个有用的谐振来改进该天线的特性。借助该孔谐振，能形成一个单独的工作频段，或在双频段天线情况下该孔谐振例如可用来加宽较高工作频段。为调整该谐振频率，该辐射元件330在该孔350的边缘具有指向接地平面的一个延长部分331。这将增加辐射元件和接地平面之间的电容而稍许降低该孔的谐振频率。当然也可能将类似延长部分331的一个调谐元件放置在接地平面的一侧。
在图3a中该介质层305，馈电元件320和调谐元件340可一起形成例如一块灵活的电路板。导体315，316和345可附加到该电路板301，以及在一个组装的设备中它们例如通过内部弹簧的力量将形成对馈电或调谐元件的可靠的接触。
图4表示按本发明天线的频率特性的例子。该图表示反射系数S11随频率变化的曲线41。被测天线被设计来工作在GSM850(用于移动电信的全球系统)，GSM900，GSM1800和GSM1900系统中。前两者所要求的频段位于824-960MHz频率范围中，它是该天线的较低工作频段B1。后两者所要求的频段位于1710-1990MHz频率范围中，它是该天线的较高工作频段Bu。该图表示在该较低频段中天线的反射系数小于-5dB。在较高工作频段该天线的反射系数小于-7dB。在该工作频段中曲线41具有三个不同的谐振点。在较低工作频段存在第一谐振点r1是由于由馈电元件第一部分与辐射元件和接地平面一起形成的结构而形成的。关于较高工作频段，存在第二和第三谐振点r2和r3。第二谐振点位于该较高工作频段Bu的较低边界处，并且是由于该馈电元件的第二部分与该辐射元件和该接地平面一起形成的结构而形成的。第三谐振点r3靠近该较高工作频段的较高边界。两个不同的谐振在该点起作用。一个是孔谐振而另一个是由辐射元件和接地平面对形成的谐振腔的谐振。天线的该较高频段复盖整个1670-2030MHz范围，使用-5dB的反射系数作为标准。则相对带宽为20％。虽然被测天线的高度仅为4mm，却得到了这样宽的带宽。
在图4中还看到在频率1.16GHz处，换言之在该工作频段外存在另一个第四谐振点r0。这是由辐射元件和接地平面一起形成的谐振器的基本谐振频率。上述这种结构的谐振频率位于较高工作频带中，是该基本谐振频率的一个谐波。
图5是按本发明的一个无线电设备的例子。该无线电设备RD是一个可折叠的移动站。它具有第一折叠部分FD1和第二折叠部FD2，两者都是从其后面看的。这两部分围绕活页HG彼此相对转动。移动站的主显示器位于该第一折叠部分的前边上，在该图中这边看不见，而该移动站的键盘位于该第二折叠部分的前边上。该第一可折叠部分盖的背边530是由导电材料制作的并起辐射元件作用。该移动站的第二显示器DP2位于该第一折叠部分的背边上。这要求一个孔550在该辐射元件530中。按本发明通过与该盖的导体辐射器相同的馈电元件对孔550馈电来使用它，该馈电元件与该盖绝缘。
在说明书和权利要求中浑名“clos to”或“close by”意指一个距离，其至少为发生在所描述部分中的振荡的波长更短的量级上。
以上我们已描述了按本发明的一种多频段天线。在该天线中元件的形状可不同于在此所示的形状，和本发明不限于这些元件和整个天线的制作方法。例如，该辐射元件可以是该介质盖的外表面或内表面上的一个导体层，而天线的馈电元件可以是直接附在该盖内表面上的导体带。本发明的概念可按不同方式应用，其中由独立权利要求1和13限定。