天线装置转让专利
申请号 : CN200911000066.6
文献号 : CN101789544A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 丸山昭广
申请人 : 三星电子株式会社
摘要 :
本发明提供一种天线装置。便携式终端包括具有优良电性能的小尺寸内置天线装置。该内置天线装置包括接地板和天线单元。接地板包括馈电点。天线单元设置为邻近接地板的一端。天线单元包括倒L形天线元件。该L形天线元件的一端接连到馈电点，该L形天线的相对端具有螺旋形状。磁片被加载在该L形天线元件的电流分布高的部分，电介质片被加载在该L形天线元件的电流分布低的部分。
权利要求 :
1.一种用于便携式终端的内置天线装置，该天线装置包括：接地板，包括馈电点；以及
天线单元，设置为邻近所述接地板的一端，并包括倒L形天线元件，其中所述天线元件的第一端耦接到所述馈电点，所述天线元件的第二端包括螺旋形状，并且其中磁片被加载在所述第一端，电介质片被加载在所述第二端。
2.如权利要求1所述的天线装置，其中所述天线元件的螺旋形状通过所述天线元件在所述电介质片的表面上的第二端形成。
3.如权利要求1所述的天线装置，其中所述天线元件的倒L形的长边平行于所述接地板的一端。
4.如权利要求3所述的天线装置，其中通过改变所述天线元件的倒L形的长边与所述接地板的该端之间的距离来调节阻抗。
5.如权利要求1所述的天线装置，其中所述第一端包括所述天线元件的电流分布高的部分，所述第二端包括所述天线元件的电流分布低的部分。
6.如权利要求1所述的天线装置，其中所述磁片的尺寸为8mm×5mm×2mm。
7.如权利要求1所述的天线装置，其中所述电介质片的尺寸为5mm×12mm×2mm。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种天线装置，更具体地，涉及一种用于在移动通信中的无线设备里使用的单频带内置天线装置。
背景技术
装配至便携式终端上的传统天线被分为：第一类天线，其被装配到便携式终端的外部；第二类天线，其被装配于便携式终端内的印刷布线板(PWB)上；以及第三类天线，其被装配到便携式终端内PWB的纵向部分的上部。
第一类天线的示例是在日本专利特许公开No.2004-56559中公开的双频带天线。第一类天线装配到终端的外部，具有容易调整的高性能电特性。第二类天线的示例是公开在日本专利特许公开No.2008-118273中的多频带自适应天线装置。第二类天线可以被有利地嵌入在终端中。第三类天线可以有利地制作得比第二类天线小。
图2A至图2E示意地示出了第一至第三类天线。图2A至图2B示出了第一类的示例，图2C示出了第二类的示例，图2D和图2E示出了第三类的示例。
三种类型的天线具有上面讨论的优点，但具有下列的问题。
第一类天线在终端外部需要大的装配容积。近年来趋于将终端制作得更小，因此，这种类型由于其设计上的限制而难以使用。装配在PWB上的第二类天线具有大尺寸，引起实现小尺寸天线中的问题。因此，第二类天线不能被用于小尺寸天线。第三类天线具有由于当其被制作得较小时产生的低阻抗或者电容耦合的增加而恶化的电特性。
第一类天线的示例是在日本专利特许公开No.2004-56559中公开的双频带天线。第一类天线装配到终端的外部，具有容易调整的高性能电特性。第二类天线的示例是公开在日本专利特许公开No.2008-118273中的多频带自适应天线装置。第二类天线可以被有利地嵌入在终端中。第三类天线可以有利地制作得比第二类天线小。
图2A至图2E示意地示出了第一至第三类天线。图2A至图2B示出了第一类的示例，图2C示出了第二类的示例，图2D和图2E示出了第三类的示例。
三种类型的天线具有上面讨论的优点，但具有下列的问题。
第一类天线在终端外部需要大的装配容积。近年来趋于将终端制作得更小，因此，这种类型由于其设计上的限制而难以使用。装配在PWB上的第二类天线具有大尺寸，引起实现小尺寸天线中的问题。因此，第二类天线不能被用于小尺寸天线。第三类天线具有由于当其被制作得较小时产生的低阻抗或者电容耦合的增加而恶化的电特性。
发明内容
为了处理以上讨论的现有技术的不足之处，主要目标是提供一种用于便携式终端的可被制造为小尺寸且实现优良电性能的内置天线装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于便携式终端的内置天线装置，该内置天线装置包括：接地板，包括馈电点(feed point)；以及天线单元，设置为邻近接地板的一端并包括倒L形天线元件，其一端连接到馈电点且其相对端包括螺旋形状，磁片(magnetic piece)加载在天线元件的电流分布高的部分，电介质片(dielectric piece)加载在天线元件的电流分布低的部分。因此，根据本发明的天线装置能够实现小尺寸和优良的电性能。
在天线装置中，天线元件的螺旋形状由天线元件在电介质片表面上的相对端形成。此外，在天线装置中，天线元件的倒L形的长边平行于接地板的一端，并通过改变天线元件的倒L形的长边与接地板的端部之间的距离来调节阻抗。结果，本发明的天线装置能够实现期望的特性。
在开始下面的对具体实施方式的描述之前，阐明贯穿本专利文件使用的某些词和词组的定义会是有益的：术语“包括”和“包含”以及它们的派生词，表示没有限制的包括；术语“或者”是包括界限的，表示和/或；词组“相联系于”和“与之相联系”以及它们的派生词，可以表示包括、被包括在内、与…互相连接、包含、被包含在内、连接到或与…连接、耦接到或与…耦接、与…可通信、与…协作、交织、并列、紧邻于、接合到或与…接合、具有、具有…特性等；术语“控制器”表示控制至少一个操作的任何设备、系统或者其一部分，这种设备可以以硬件、固件或软件，或这些中至少两个的某些组合来实现。应当注意，不论是在本地还是远程地，与任何特定控制器的相关的功能可以是集中的或分布的。所提供的对某些词和词组的定义贯穿于本专利文件，本领域技术人员应当理解在很多场合，如果不是多数的场合，这种定义适用于如此限定的词和词组的先前的以及将来的使用。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于便携式终端的内置天线装置，该内置天线装置包括：接地板，包括馈电点(feed point)；以及天线单元，设置为邻近接地板的一端并包括倒L形天线元件，其一端连接到馈电点且其相对端包括螺旋形状，磁片(magnetic piece)加载在天线元件的电流分布高的部分，电介质片(dielectric piece)加载在天线元件的电流分布低的部分。因此，根据本发明的天线装置能够实现小尺寸和优良的电性能。
在天线装置中，天线元件的螺旋形状由天线元件在电介质片表面上的相对端形成。此外，在天线装置中，天线元件的倒L形的长边平行于接地板的一端，并通过改变天线元件的倒L形的长边与接地板的端部之间的距离来调节阻抗。结果，本发明的天线装置能够实现期望的特性。
在开始下面的对具体实施方式的描述之前，阐明贯穿本专利文件使用的某些词和词组的定义会是有益的：术语“包括”和“包含”以及它们的派生词，表示没有限制的包括；术语“或者”是包括界限的，表示和/或；词组“相联系于”和“与之相联系”以及它们的派生词，可以表示包括、被包括在内、与…互相连接、包含、被包含在内、连接到或与…连接、耦接到或与…耦接、与…可通信、与…协作、交织、并列、紧邻于、接合到或与…接合、具有、具有…特性等；术语“控制器”表示控制至少一个操作的任何设备、系统或者其一部分，这种设备可以以硬件、固件或软件，或这些中至少两个的某些组合来实现。应当注意，不论是在本地还是远程地，与任何特定控制器的相关的功能可以是集中的或分布的。所提供的对某些词和词组的定义贯穿于本专利文件，本领域技术人员应当理解在很多场合，如果不是多数的场合，这种定义适用于如此限定的词和词组的先前的以及将来的使用。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在参照以下结合附图的描述，附图中相同的附图标记表示相同的部件：
图1A是根据本发明实施例的天线装置的整体视图；
图1B是图1A的天线部分的放大图；
图2A至图2E示出了传统的天线；
图3A示出了使用电性能仿真的倒L形天线装置；
图3B是图3A的天线部分的放大图；
图4示出了图3A的倒L形天线装置的仿真结果；
图5A示出了使用根据本发明实施例的电性能仿真的倒F形天线装置；
图5B是图5A的天线部分的放大图；
图6示出了图5A的倒F形天线装置的仿真结果；
图7A示出根据本发明实施例，当磁片/电介质片加载在天线元件的末端时，使用电性能仿真的倒L形天线装置；
图7B是图7A的天线部分的放大图；
图8示出了图7A的倒L形天线装置的仿真结果；
图9A示出根据本发明的实施例，当磁片/电介质片加载在天线元件的源部分时，使用电性能仿真的倒L形天线装置；
图9B是图9A的天线部分的放大图；
图10示出了图9A的倒L形天线装置的仿真结果；
图11示出了根据本发明实施例的倒L形天线装置的天线元件中的电流分布；
图12示出了根据本发明的天线装置的天线元件中的电流分布；以及
图13示出了根据本发明的天线装置的电性能。
图1A是根据本发明实施例的天线装置的整体视图；
图1B是图1A的天线部分的放大图；
图2A至图2E示出了传统的天线；
图3A示出了使用电性能仿真的倒L形天线装置；
图3B是图3A的天线部分的放大图；
图4示出了图3A的倒L形天线装置的仿真结果；
图5A示出了使用根据本发明实施例的电性能仿真的倒F形天线装置；
图5B是图5A的天线部分的放大图；
图6示出了图5A的倒F形天线装置的仿真结果；
图7A示出根据本发明实施例，当磁片/电介质片加载在天线元件的末端时，使用电性能仿真的倒L形天线装置；
图7B是图7A的天线部分的放大图；
图8示出了图7A的倒L形天线装置的仿真结果；
图9A示出根据本发明的实施例，当磁片/电介质片加载在天线元件的源部分时，使用电性能仿真的倒L形天线装置；
图9B是图9A的天线部分的放大图；
图10示出了图9A的倒L形天线装置的仿真结果；
图11示出了根据本发明实施例的倒L形天线装置的天线元件中的电流分布；
图12示出了根据本发明的天线装置的天线元件中的电流分布；以及
图13示出了根据本发明的天线装置的电性能。
具体实施方式
用于描述本专利文件中本公开的原理的下面讨论的图1A至图13和各种实施例，只是为了举例说明且不应当以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员应当理解，本公开的原理可以在任何合适配置的无线通信终端中实施。
图1A和图1B示出了根据本发明实施例的天线装置。图1A示出整个天线装置，图1B示出天线装置的放大部分。在天线装置10中，为了使天线装置10尺寸小，平面螺旋形状形成在倒L形状天线元件20的末端，其形成在磁片40和电介质片50的表面上。馈电点被安装和设置在接地板30的相对短的端部。此处，磁片40设置为邻近天线元件20的源，也就是邻近馈电点。电介质片50位于天线元件20的末端。
在图1的实施例中，接地板30的尺寸为长100mm、宽45mm。接地板30的尺寸对应于一般便携式终端的PWB的尺寸。包括天线元件20、磁片40和电介质片50的天线单元(这里，天线元件20、磁片40和电介质片50将被称作天线单元)的安装尺寸为距接地板30的一端10mm。这种结构防止其中嵌入天线单元和接地板30的便携式终端在尺寸上较大。例如，天线元件20的宽度被形成1mm的尺寸。
接地板30和天线元件20的线性拉长部分之间的距离与天线阻抗的调整相关，并可以被任意地设计。天线元件20的末端的螺旋齿(helical tooth)的间距和数量与谐振频率相关，并可以被任意地设计。磁片40可以由铁氧体形成，电介质片50可以由陶瓷形成。磁片40和电介质片50将在下面描述。
在包括上述结构的天线装置10的设计中，已经关于电压驻波比(VSWR)和阻抗讨论了传统第三类天线装置的电性能。也就是，当倒L形平面天线204如图3A和3B所示安装在接地板30(其尺寸为100mm乘45mm)相对短的端部以及当倒F形平面天线205如图5A和5B所示地装配时，VSWR和阻抗被仿真。图3A和图5A示出了整个天线装置，图3B和图5B示出了天线单元的放大图。
这里，天线元件204和205的图案通过折叠天线元件204和205的末端而形成在电介质树脂(例如，丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS))的表面上，其尺寸形成为100mm乘45mm乘2mm。ABS具有3.5的相对介电常数(εr)。
图4示出了图3的倒L形平面天线204的仿真结果。从结果可以看出，小尺寸且低剖面(low-profiled)的天线的阻抗和VSWR由于辐射电阻的降低而恶化。在设计的频段中VSWR的值大约小于5.5并且不能超过该值。
图6示出了图5的倒F形平面天线的仿真结果。从结果可以看出，好的VSWR值可以在中心频率附近得到，但天线具有窄的带宽。通常，倒F形天线具有比倒L形天线窄的带宽，但是在仿真结果中随着Q值由于其小尺寸而增大，倒F形天线具有更窄的带宽。
这样，当天线装置采用传统的倒L形天线或倒F形天线而制造为小尺寸时，会发生电性能恶化的问题。
然而，为了使天线装置较小，存在既研究它的形状又通过加载材料而有效缩短波长的需求。尽管上述倒L形天线设计成使采用接地板的天线的长度(L)为约λ/4，但是当考虑由于加载了磁体和电介质体而引起的相对磁导率(μr)和相对介电常数(εr)的波长缩短效应来构造天线装置时，天线元件的长度(L)的关系式可以表示为公式1：
[公式1]
如果相对磁导率(μr)和相对介电常数(εr)的值变大，则可以得到强波长缩短效应。同时，如以上讨论的，小尺寸的天线装置伴随着电性能的恶化。为了检验磁片和电介质片的材料载入，如图7A和图7B以及图9A和图9B所示，磁片40或电介质片50设置在倒L形天线装置的天线元件204的末端或馈电点附近以仿真VSWR和阻抗。
图7A和图9A示出了整个天线装置，图7B和图9B示出了放大的被虚线包围的天线单元。在这个仿真中，磁片40和电介质片50的尺寸为15mm乘10mm乘2mm(0.3cc)并且材料常数如下：
相对磁导率(μr)＝1，相对介电常数(εr)＝1至80之内可变
相对介电常数(εr)＝1，相对磁导率(μr)变化。
图8示出当磁片40或电介质片50如图7A和图7B所示设置在天线元件204的末端时得到的仿真结果。在图8中，如果相对磁导率(μr)固定在“1”而相对介电常数(εr)变化，则当相对介电常数(εr)设定得较高时，频率的波形快速地变低。也就是，波长缩短效应由于相对介电常数(εr)而变强。
同时，图10是当磁片40或电介质片50如图7A和图7B所示设置在天线元件204的末端时得到的仿真结果。在图10中，如果相对介电常数(εr)固定在“1”而相对磁导率(μr)变化，则当相对磁导率(μr)设定得较高时，频率的波形变低。也就是，波长缩短效应由于相对磁导率(μr)而进一步变强。也就是，尽管较低的变化速率，使阻抗恶化并改变VSWR或带宽是困难的。
为了检验它们的工作原理，进行相同类型的倒L形天线装置的天线元件表面上的电流分布的仿真分析。结果在图11中示出。密的部分指示电流的低分布而浅的部分指示电流的高分布。也就是，可以看出，电流分布在天线元件204a的末端处低，而在馈电点附近的源部分处高。图8和图10的仿真结果表明，在电流分布低(即，电场高)的部分加载电介质体是有效的，而在电流分布高的部分加载磁体是有效的。
接着，如图12所示，进行从图11的倒L形天线修改的天线元件204b的仿真分析。为了制造小尺寸且低剖面的倒L形天线，天线元件204b的末端包括螺旋形并且电感组件添加到该末端。在天线元件204b中，末端的电流分布低而在馈电点附近的源部分的电流分布高。
基于以上讨论的结果，在本发明的天线装置10中，在图1A和图1B中示出，天线元件20的末端包括形成在陶瓷片50的表面上的平面螺旋形状以及形成在铁氧体片40的表面上且在馈电点附近的源部分。
这里，铁氧体片40的尺寸为8mm乘5mm乘2mm(0.08cc)并且材料特性为εr为“13”，tanδ为“0.01”，μr为“3”，且在1GHz的频率tanδ为“0.05”。陶瓷片50的尺寸为5mm乘12mm乘2mm(0.12cc)并且材料特性为εr为“60”且在1GHz的频率tanδ为“0.06”。但是，材料特性和元件尺寸可以根据天线的频率和带宽来设计。
图13示出了通过将天线装置10的VSWR性能添加到图4和图6的倒L形天线装置和倒F形天线的VSWR性能而获得的值。可以从图13看出，与倒L形天线相比，根据本发明的天线装置的VSWR值增加了三。此外，对于其中VSWR值小于“3”的频率带宽，与倒F形天线装置相比，可以获得百分之十五(15％)的改进。
到现在为止，已经描述本发明的实施例。尽管天线被用于便携式终端中且最优值在800MHz获得，但这是示范性的，本发明可以另外不同地实现。
根据本发明，用于便携式终端的小尺寸且低剖面的内置天线具有满足GSM 850/950频段(824至960MHz)的优良性能。
尽管已经通过示范性实施例描述了本公开，但本领域技术人员可以有各种变化和修改。本公开旨在涵盖这些变化和修改，只要它们落在权利要求书的范围内。
图1A和图1B示出了根据本发明实施例的天线装置。图1A示出整个天线装置，图1B示出天线装置的放大部分。在天线装置10中，为了使天线装置10尺寸小，平面螺旋形状形成在倒L形状天线元件20的末端，其形成在磁片40和电介质片50的表面上。馈电点被安装和设置在接地板30的相对短的端部。此处，磁片40设置为邻近天线元件20的源，也就是邻近馈电点。电介质片50位于天线元件20的末端。
在图1的实施例中，接地板30的尺寸为长100mm、宽45mm。接地板30的尺寸对应于一般便携式终端的PWB的尺寸。包括天线元件20、磁片40和电介质片50的天线单元(这里，天线元件20、磁片40和电介质片50将被称作天线单元)的安装尺寸为距接地板30的一端10mm。这种结构防止其中嵌入天线单元和接地板30的便携式终端在尺寸上较大。例如，天线元件20的宽度被形成1mm的尺寸。
接地板30和天线元件20的线性拉长部分之间的距离与天线阻抗的调整相关，并可以被任意地设计。天线元件20的末端的螺旋齿(helical tooth)的间距和数量与谐振频率相关，并可以被任意地设计。磁片40可以由铁氧体形成，电介质片50可以由陶瓷形成。磁片40和电介质片50将在下面描述。
在包括上述结构的天线装置10的设计中，已经关于电压驻波比(VSWR)和阻抗讨论了传统第三类天线装置的电性能。也就是，当倒L形平面天线204如图3A和3B所示安装在接地板30(其尺寸为100mm乘45mm)相对短的端部以及当倒F形平面天线205如图5A和5B所示地装配时，VSWR和阻抗被仿真。图3A和图5A示出了整个天线装置，图3B和图5B示出了天线单元的放大图。
这里，天线元件204和205的图案通过折叠天线元件204和205的末端而形成在电介质树脂(例如，丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS))的表面上，其尺寸形成为100mm乘45mm乘2mm。ABS具有3.5的相对介电常数(εr)。
图4示出了图3的倒L形平面天线204的仿真结果。从结果可以看出，小尺寸且低剖面(low-profiled)的天线的阻抗和VSWR由于辐射电阻的降低而恶化。在设计的频段中VSWR的值大约小于5.5并且不能超过该值。
图6示出了图5的倒F形平面天线的仿真结果。从结果可以看出，好的VSWR值可以在中心频率附近得到，但天线具有窄的带宽。通常，倒F形天线具有比倒L形天线窄的带宽，但是在仿真结果中随着Q值由于其小尺寸而增大，倒F形天线具有更窄的带宽。
这样，当天线装置采用传统的倒L形天线或倒F形天线而制造为小尺寸时，会发生电性能恶化的问题。
然而，为了使天线装置较小，存在既研究它的形状又通过加载材料而有效缩短波长的需求。尽管上述倒L形天线设计成使采用接地板的天线的长度(L)为约λ/4，但是当考虑由于加载了磁体和电介质体而引起的相对磁导率(μr)和相对介电常数(εr)的波长缩短效应来构造天线装置时，天线元件的长度(L)的关系式可以表示为公式1：
[公式1]
如果相对磁导率(μr)和相对介电常数(εr)的值变大，则可以得到强波长缩短效应。同时，如以上讨论的，小尺寸的天线装置伴随着电性能的恶化。为了检验磁片和电介质片的材料载入，如图7A和图7B以及图9A和图9B所示，磁片40或电介质片50设置在倒L形天线装置的天线元件204的末端或馈电点附近以仿真VSWR和阻抗。
图7A和图9A示出了整个天线装置，图7B和图9B示出了放大的被虚线包围的天线单元。在这个仿真中，磁片40和电介质片50的尺寸为15mm乘10mm乘2mm(0.3cc)并且材料常数如下：
相对磁导率(μr)＝1，相对介电常数(εr)＝1至80之内可变
相对介电常数(εr)＝1，相对磁导率(μr)变化。
图8示出当磁片40或电介质片50如图7A和图7B所示设置在天线元件204的末端时得到的仿真结果。在图8中，如果相对磁导率(μr)固定在“1”而相对介电常数(εr)变化，则当相对介电常数(εr)设定得较高时，频率的波形快速地变低。也就是，波长缩短效应由于相对介电常数(εr)而变强。
同时，图10是当磁片40或电介质片50如图7A和图7B所示设置在天线元件204的末端时得到的仿真结果。在图10中，如果相对介电常数(εr)固定在“1”而相对磁导率(μr)变化，则当相对磁导率(μr)设定得较高时，频率的波形变低。也就是，波长缩短效应由于相对磁导率(μr)而进一步变强。也就是，尽管较低的变化速率，使阻抗恶化并改变VSWR或带宽是困难的。
为了检验它们的工作原理，进行相同类型的倒L形天线装置的天线元件表面上的电流分布的仿真分析。结果在图11中示出。密的部分指示电流的低分布而浅的部分指示电流的高分布。也就是，可以看出，电流分布在天线元件204a的末端处低，而在馈电点附近的源部分处高。图8和图10的仿真结果表明，在电流分布低(即，电场高)的部分加载电介质体是有效的，而在电流分布高的部分加载磁体是有效的。
接着，如图12所示，进行从图11的倒L形天线修改的天线元件204b的仿真分析。为了制造小尺寸且低剖面的倒L形天线，天线元件204b的末端包括螺旋形并且电感组件添加到该末端。在天线元件204b中，末端的电流分布低而在馈电点附近的源部分的电流分布高。
基于以上讨论的结果，在本发明的天线装置10中，在图1A和图1B中示出，天线元件20的末端包括形成在陶瓷片50的表面上的平面螺旋形状以及形成在铁氧体片40的表面上且在馈电点附近的源部分。
这里，铁氧体片40的尺寸为8mm乘5mm乘2mm(0.08cc)并且材料特性为εr为“13”，tanδ为“0.01”，μr为“3”，且在1GHz的频率tanδ为“0.05”。陶瓷片50的尺寸为5mm乘12mm乘2mm(0.12cc)并且材料特性为εr为“60”且在1GHz的频率tanδ为“0.06”。但是，材料特性和元件尺寸可以根据天线的频率和带宽来设计。
图13示出了通过将天线装置10的VSWR性能添加到图4和图6的倒L形天线装置和倒F形天线的VSWR性能而获得的值。可以从图13看出，与倒L形天线相比，根据本发明的天线装置的VSWR值增加了三。此外，对于其中VSWR值小于“3”的频率带宽，与倒F形天线装置相比，可以获得百分之十五(15％)的改进。
到现在为止，已经描述本发明的实施例。尽管天线被用于便携式终端中且最优值在800MHz获得，但这是示范性的，本发明可以另外不同地实现。
根据本发明，用于便携式终端的小尺寸且低剖面的内置天线具有满足GSM 850/950频段(824至960MHz)的优良性能。
尽管已经通过示范性实施例描述了本公开，但本领域技术人员可以有各种变化和修改。本公开旨在涵盖这些变化和修改，只要它们落在权利要求书的范围内。