用于小尺寸的设备的多频率天线

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本发明涉及用于小尺寸设备，特别是一种手表电话的细长形状的 天线，它能够接收和发送至少高频和低频值的广播信号，这种天线是 由一个供能点，一个长度与该高频配合的第一辐射元件和至少一个第 二辐射元件，继该第一元件之后，该第二元件的长度加上该第一元件 的长度而出现一个与该低频率相配合的总长度(L3)，该第一和第二 辐射元件通过一个谐振电路而连接在一起，当该高频激活时，该谐振 电路的谐振频率选择限制该天线的长度为其第一元件的长度，当该低 频率激活时，该谐振电路的谐振频率选择使用该天线的总长度(L3)。\n与上面的一般定义相应的一种天线为公知技术。特别在“ARRL Handbook 1989”的17-6页描述并在附在本说明书的图1中图示了它。 在例如美国专利US2,282,292中描述了这样的天线的另一个实施例。 这个实施例涉及了一种由一个供能线25供能的偶极天线。从一个供 能点2起，该天线的每一段包括一个第一辐射元件3，然后一个谐振 电路5，最后是一个第二辐射元件4。该天线设置成在两个不同频率 例如28和21MHz上配合。该第一辐射元件3的长度L1与28MHz(或 者更精确地说为这个频率的波长的四分之一)的频率配合。加上了该 第一元件的长度L1的该第二辐射元件的长度L2产生一个与频率21MHz (或者更精确地说为这个频率波长的四分之一)配合的长度L3的辐 射元件。该谐振电路5为一个震荡电路，它包括并联接通电源的一个 线圈6和一个电容7。选择这些电子元件的值使得28MHz的震荡。因 为该谐振电路的阻抗最大为整个频率，这个谐振电路将用作所述频率 的盖子(bouchon)并且将这样地使该段的长度限制为该第一辐射元 件3。相反地，对于21MHz该谐振电路具有一个非常小的阻抗，以便 使用该段的总长。这样通过这些相对简单的装置达到了使该天线的一 段L1或者组和L3震荡。\n在上述的频率(短波长范围)，通过形成该辐射元件3和4的管 于制作该天线，这些管子由一个套管连接在一起，该套管容纳了通过 分立的电子元件即一个线圈或者电感6和一个电容7实现的该谐振电 路5。\n在该小尺寸的设备，例如一个移动电话或者一个手表电话中使用 的该频率比上述的频率高很多。如果该具有至少两个不同频率的天线 的配合原则可以保持与上述的原则相同，则用于这些短波长的技术将 适合所使用的天线。这个天线应该能够在至少这些官方指定例如GSM (特别移动电话组)的频率上工作，该GSM系统的高频fh等于1.9Ghz 而低频fb等于900MHz。\n本发明的想法在于提出一种能够与至少所述频率相适应的天线。 在这个目的中，除了满足这篇说明书的第一段给出的定义以外，该天 线的特征在于该第一和第二辐射元件每个都具有一个大致呈矩形的导 电带，该谐振电路包括一个电感和一个电容的组合，所述电感是一个 通过至少一个所述的带形成整体并且通过其端部之一连接到这个窄带 的大致笔直的窄带。\n将注意到文件EP0 470 797描述了一种能够与多个频率配合的天 线。但是在这个文件中所有公开的实施例需要这些形成了分立电子元 件的电感，该分立电子元件应该通过其端部与该天线的多个元件焊 接。\n另外注意到文件WO99/03168描述了一种能够与至少一个低频和 一个高频配合的小型天线，这个天线特别用于装备移动电话装置上。 根据参照该文件的图1一种实施方式，该天线具有两个辐射元件，该 辐射元件通过一个谐振电路连接在一起，该谐振电路能够示意地表示 为平行设置的一个电容和一个电感。建议实施这个谐振电路，特别是 相对较宽的具有曲折形状的印刷带形式的电感。该谐振电路功率值在 这里由在该电感的这些螺旋或者曲折之间的寄生功率决定。\n这个解决办法的缺点在于难于对该谐振电路的谐振频率进行调 整。事实上，如果期望修改该谐振电路的电感值，必须修改该曲折宽 度和长度。通过这样的操作，同样可能影响该谐振电路的寄生功率的 值。\n根据本发明的解决办法优点在于，通过独立地作用于电感值或者 电容值，能够容易地调整该谐振电路的谐振频率。另外由一个大致笔 直的窄道形成的该电感大致不影响该谐振电路的功率值。另外，用于 电感的一个窄道有优势地具有与在文件WO99/03168中公开的解决办 法相同尺寸的更高的电感。\n本发明的特征和优势现在将在随后的说明中提出，对照附图并以 解释的名义，但不限于本发明的几个优选实施方式，附图包括：\n-图1是表示根据现有技术使用的双频天线示意图；\n-图2示出根据本发明的的天线的第一实施例，这个天线可自我支 撑；\n-图3示出根据本发明的天线的第二实施例，这个天线可自我支撑 并集成在例如一个手表电话中；\n-图4示出根据本发明的第三实施例，这个天线为一个印刷电路的 一整体部分；\n-图5示出根据本发明的第四实施例；\n-图6是一个沿图5的VI-VI线的截面视图；\n-图7示出根据本发明的该天线的第五实施例，这个实施例为图5 所示的天线的一种变形；\n-图8是一个沿图7所示的VIII-VIII线的截面视图；\n-图9示出根据本发明的第六实施例；\n-图10是一个本发明天线的平面视图，该视图绘出了当该天线工 作在低频fb时，该电磁场的电分量的水平曲线；和\n-图11是一个本发明的天线的平面视图，该视图绘出了当该天线 工作在低频fh时，该电磁场的电分量的水平曲线。\n正如在图2-9中看到的，该所讨论的天线具有一细长形状。它用 于一种小尺寸的设备，特别是一种容纳在一个手表中的电话，这个电 话能够接收和发射广播发射信息。该天线1还能够工作在至少高频fh 和低频fb两个频率上，该天线1包括一个供能点2，一个长度L1与该 高频fh配合的第一辐射元件3和至少一个第二辐射元件4，该辐射元 件4继第一辐射元件之后使其长度L2加上第一辐射元件的长度L1总 长为L3，该总长L3与低频fb配合。这些类似的图2-9示出，该第一 和第二辐射元件3和4通过一个谐振电路5连接在一起。这个谐振电 路5的谐振频率选择为当该高频fh激活时限定该天线1长度为第一辐 射元件3，当该低频fb激活时使用该天线的总长L3。\n正是因为这个，还是如图2-9所示，本发明的优点在于，首先该 第一和第二辐射元件3和4每一个都具有一个大致矩形的导电带，这 些带彼此连续设置；然后该谐振电路5包括一个电感6和一个电容7， 7’的组合，这个电感6为大致笔直的窄带，与至少一个所述的带整体 形成该电感6，并且该电感6通过其端部8，8’之一与这个带相连。关 于这个主题，全部图2-9示出该电感6的端部8与该带3相连并且该 电感6与其中一带具体地说与带3形成一整体。\n本发明的基架组件已经在上面公开，现在将查阅在这个发明的附 图中前后使用的不同实施例。\n图2-8示出并联连接的电感6和电容7，7’。在这种情况下，将 理解到这些电子元件中的每一个的值将选择为，该谐振电路具有一个 大致等于该天线工作高频fh的谐振频率。事实上，正如已经在本说明 书中前序部分公开的那样，该谐振电路的阻抗在谐振时具有一个最大 值，如果该谐振电路与高频fh配合，该谐振电路将表现为不让所述的 高频通过的一个盖子或者一个障碍。正如该第一辐射元件3包括一个 与这个高频配合的长度，如果该高频激活该天线将限制为这个第一辐 射元件或者第一带。与此相反，如果是低频被激活用来发射或者接收 信息，该谐振电路5将在这个频率具有一个最小的阻抗，使得所述的 低频通过。如同该带3和4的长度L1和L2之和与该低频fb配合，该 天线将在该总长L3上与这个频率配合。\n图2示出了本发明的一个第一实施例。该第一和第二带3和4为 自我支撑的，可不支撑在任何基体上，尽管固定装置9用于使该天线 固定在设备上，在该设备中插入该固定装置9。这自然假定了该带具 有一些厚度以确保一个整体的刚度。。在这个实施例中，电感6是一 个大致笔直的通过其第一端8与第一带相连，通过其第二端8’与第二 带4相连的窄带。这里该电感6与该两个带3和4形成一个整体。将 理解到带3和4和电感6的组件可以通过简单的冲压而在一个操作中 制造，这使得该天线的实施显著地简化。而相反，该电容7是一个由 一些带独立地制作的分立元件，这些带构成该天线并具有分别焊接在 第一和第二带3和4上的第一和第二端子10和10’。该天线由一个焊 接在该第一带3中开出的通道2中的线供能。\n就图2来说，可以提供根据fb＝90OMHz和fh＝1.9GHz的情况的结 构的实用值。该第一带3的长度L1等于3.4cm(等于fh的波长的四分 之一)。该长度L3(等于fb的波长的四分之一)为8.3cm，由此可以 推出该长度L2＝4.9cm。这里将注意到该已知值为理论值，已知它们受 某些因素特别是受该带的宽度和这些带之间存在的空间影响。正如该 谐振电路5的位置决定了fh，附加长度L2允许调整fb，可以容易地单 独调整这两个频率。一旦固定到该谐振电路5的该位置上，就可以通 过调整该电容7的值最终调整fh。\n至于赋给该电感6和该电容7的值，将使用公式 $f_h=1/2\pi \sqrt{\mathrm{LC}}.$ 为了使fh＝1.9MHz，如果C＝0.7pF，L＝10nHy，则该公式可以满足。该电 感6在这里为一个窄带，其值等于大约每厘米10nHy。这里所用的实 施例中，该带3和4之间的空间为1cm。\n图3示出本发明的一个第二实施例。这里可看到该第一和第二带 3和4，它们为自我支撑的并由一个电感5和形成该电容7的一个分 立元件被分开。该天线围绕一个盒子25卷绕，该盒子容纳有根据该 设备必须的电子电路。在下面将再回到该实施例，因为它包括其它的 用于发射信号的特殊性。\n图4示出本发明的一个第三实施例。与第一和第二实施例相比， 这个第三实施例的特征在于，该第一和第二带3和4支撑在绝缘基体 11上，例如用于形成一个印刷电路的Kapton(注册商标)的绝缘基 体。该电感6为印刷在该基体11上的窄道。它通过其第一端8与该 第一带3连接，通过其第二端8’与该第二带4连接。因此它为该带3 和4整体的一部分。为了构造该谐振电路5，与该电感6相连的该电 容7，7’可以采取不同的形式。\n该电容的一个第一形式在图4中示出。事实上这个电容包括两个 位于该电感6的两面的电容7和7’。这两个电容平行连接并赋予该谐 振电路整体的对称。一般来说这个对称是希望的，但是将优选非对称 安装，如图2中所看到的那样。该电容7，7’包括印刷在该基体11上 的并与第一带3相连的一个第一电容器板12，12’。它还包括印刷在 该基体11上的并与第二带4相连的一个第二电容器板13，13’。如图 4所示，每个该第一和第二电容器板具有梳型，其梳齿相互穿插且不 相接触。该电容量建立在该齿间的空间内。也将谈到一种趾间电容。 另外，该第一带3由焊接在该供能点2的导体(未示出)供能。\n图4所示的第三实施例示出了根据本发明，一个双频率天线如何 能够简单且特别经济地实施。这个天线事实上完全在一个印刷电路中 实施，公知的化学蚀刻很快实现了该带3和4，电感6和该电容7和 这个天线可以以特别低的成本制造，因为任何一个分立电子元件对于 生成该谐振电路5来说，不是必须的。\n与一个印刷电感相连的电容的第二实施例在图5和6中示出。该 图5为天线的平面视图，图6为图5的VI-VI线的截面视图。图5和6 说明了本发明的第四实施例。该电容包括平行安装的两个位于该电感6 的两侧的电容7和7’，其中每一个电容由一个分立电子元件形成，该 电容具有一个焊接在该第一带3的第一端子14和14’和焊接在该第二 带4上的第二端子15和15’。这个第四实施例具有一个另外的特性， 稍后将对此进行讨论。\n与一个印刷电感相连电容的一个第三实施例示出在图7和8中， 该图7为一个该天线的平面视图，图8为沿图7的VIII-VIII线的截 面视图。图7和8说明了本发明的第五实施例。该电容包括平行安装 的位于该电感6两侧的两个电容7和7’。该电容7包括在其一周串接 的第一和第二电容16和17，每一个包括一个印刷在绝缘基体11上的 共用的电容器板18，这个电容器板18的局部一方面在该第一带的下面 延伸以形成该第一电容16，另一方面在该第二带4的下面延伸以形成 该第二电容17。该电容7’也包括串接的第一和第二电容16’和17’，每 一个包括一个印刷在绝缘基体11上的共用的电容器板18’，这个电容 器板18’的局部一方面在该第一带的下面延伸以形成该第一电容16‘， 另一方面在该第二带4的下面延伸以形成该第二电容18’。在这个实施 例中，该基体11用作每一个所述电容的电介质。这个第五实施例大致 与图4中所述的实施例一样经济，因为所有的天线1和该谐振电路5 可以通过一个双面印刷电路的化学蚀刻进行实施，不加入焊接在该带 上的分立元件。\n在第二和第四实施例中，已经提到这些实施例具有另人满意的特 性，现在进行说明。事实上，在这些实施例中，该第一和第二带3和4 设置成与该接地平面有一个给定的距离A，该第一带3的起始部分20 通过桥型连接件27与该平面短路，该第二带4的结束部分21是自由 的。在图3中，该接地平面19与该金属盒26一致。如图3和6，通 过同轴电缆28确保了该天线的供能，该同轴电缆28包括一个内部与 接地平面19绝缘并与该第一带3的供能点2相连的导体29，这个供能 点与该桥型连接件27有一距离，该桥型连接件27与所述第一带3和 所述接地平面19短接。该同轴电缆还包括一个与接地平面相连的导体 或护板。图3中，由于该带的自我支撑并且足够刚性能够确保该距离， 使得在该带3和4与该接地平面19之间的该距离A被保持。图6中， 通过粘和在该基体11和该接地平面19上的泡沫材料保持了该距离A。\n如图6所示但只与一个频率配合并且因此只具有一个导电带的一 种天线，用英语“平面转换-F天线(Planar Inverted-F Antenna)” 或者PIFA的命名公知。在Artech House，Norwood，MA，1992，Ch 5，Pages161-180，Kazuhiro Hirsawa和Misao Haneishi中的文件“小 尺寸低型面天线的分析，设计和测量(Analysis，Design and Measurment of small and Low-Profile Antennas)”可以找到对 该结构PIFA的详细分析。图3所示的天线为天线PIFA的一种变形， 允许所述天线与一个盒配合，该盒属于该接地平面的整体部分。这个 盒包括至少一个盖，一个底部和一个横壁，在该横壁对面设置了该唯 一的带。这个变形属于，与本发明的申请人的名字相同的申请人在 1999，10，11申请的欧洲专利申请NO 99120230.0的主题。\n前述的公开用于示出本发明的该双频天线即可以用在一种PIFA天 线也可以用在一种无参照的位于一个临近的接地平面处的天线，例如 在图2-4所示的那样。\n图9示出了本发明的一个第六实施例。这个实施例属于前面公开 的第二种类型的天线，其中该电感6和电容7串联。将理解到每个元 件的值选择为具有与该天线的工作低频fb大致相等的谐振频率fr。事 实上，这里该谐振电路5具有一个最小的谐振阻抗。它遵循当该低频 激活时，该谐振电路5不提供任何电阻对抗这个频率。然后该带4的 长度加入到该带3的长度，该天线与低频fb配合。相反，如果激活的 是高频fh，因为该高频则只有与fh配合的带3被使用，该谐振电路具 有一个很高的阻抗阻挡超出该第一带3的fh的传播。\n图9示出具有串联安装的电感6和电容7组成的谐振电路5的该 天线的结构实施例。该第一和第二带3和4位于一个绝缘基体11上以 便形成一个印刷电路。该电感6是印刷在该基体上并由其第一端8与 该第一带3相连的窄道。当该相同的电容7的一个第二电容器板13与 该第四带相连时，该电感6的第二端8与一个电容7的一个第一电容 器板12相连。可看到该第一和第二电容器板12和13具有梳形，其梳 7’。齿相互插入且不互相接触。同样的优点示出在图4中。事实上， 该带3和4和该谐振电路5印刷在一个不含有外部元件的基体11上。 当然我们设计了一种非常便宜的通过对一个印刷电路的化学蚀刻实施 的天线。\n图10和11为根据本发明的平面视图，绘出了长度±50mm的X和 宽度±50mm的Y。这些图示出了与天线平面垂直的电磁场的Ez电分量 用dB表示在靠近该平面测量的水平曲线。该谐振电路5是一个震荡 电路包含了如上所述的并联连接的电感6和电容7。它以高频fh震荡。 该天线包括该第一带3和该第二带4。这些带由位于X＝±10mm的谐振 电路5分隔开。图10示出当频率fb激活时该天线1的表现。该天线 的大部分长度被使用并且忽略了其阻抗很低的谐振电路的存在。图11 示出当使用高频fh时该天线1的表现。该天线使用其左部分，该左部 分为该第一带3的位置。该谐振电路5挡住了向右的信号通道，在右 边这个信号非常弱(从-12到-24dB)。\n上述的所有该天线的实施例适用于一种双频天线。很清楚本发明 并不局限于使用双频。例如如果必须由该天线发射附加的比上述的fb 更低的一个第三频率，则将理解到只需在该第二带之后放置一个第三 带和一个在该第二带和第三带之间的第二谐振电路就可以了。这个第 三带长度的选择是加上两个第一带的长度，该天线的总长与新的低频 配合。在这种情况中，该第二谐振电路的谐振频率选择为fb。