一种可用于手持设备的智能天线

摘要

本发明公开了一种可用于手持设备的智能天线，其包括：一种平面倒F天线的金属辐射贴片，金属接地面，介质基板，馈电网络，两根接地短路柱和一根馈电导电柱；所述金属辐射贴片设置在小介质基板的第一表面和第二表面上；金属接地面设置在第一大介质基板的第一表面、第二表面以及四周；馈电网络设置在第二大介质基板的第二表面；介质基板包括了支撑金属辐射贴片的小介质基板以及金属接地面和馈电网络所需要的大介质基板。本发明提供的一种可用于手持设备的智能天线，结构紧凑，尺寸满足小型化需求，能够使天线阵列的辐射方向偏转向指定的位置。

权利要求

1.一种用于手持设备的智能天线，其特征在于：包括4块处于同一平面的小介质基板、重叠设置的第一大介质基板和第二大介质基板，且大介质基板平行于小介质基板，第一大介质基板与小介质基板两者相距4mm；

小介质基板上设置有平面倒F天线的金属辐射贴片，金属接地面设置在第一大介质基板的第一表面和第二表面以及四周4个面；馈电网络设置在第二大介质基板的第二表面；每个小介质基板设置有两根接地短路柱(PB、PC)和一根馈电导电柱(PA)；两根接地短路柱(PB、PC)的一端与第一大介质基板的第一表面连接，另一端穿过小介质基板，与金属辐射贴片的第一表面连接；一根馈电导电柱(PA)的一端穿过第一大介质基板和第二大介质基板第二表面的微带传输线即馈电网络相连，另一端穿过小介质基板与金属辐射贴片的第一表面连接；

所述平面倒F天线的金属辐射贴片分为两个部分，设置在小介质基板的第一表面和第二表面上；第一部分位于小介质基板的第一表面，每个金属辐射贴片均为多边形，分5个支路即第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、第五支路结构；第一支路与第二支路的长度满足低频部分1/4波长的长度，第一支路的长度为58mm，第二支路的长度为49mm；第三支路和第五支路的长度满足高频部分1/4波长的长度，第三支路的长度为12mm，第五支路的长度为18mm；第二部分位于小介质基板的第二表面，是一个长宽为36mm×20mm的长方形带胶铜皮；

所述的4个平面倒F天线的金属辐射贴片按中心对称排列于大介质基板的四个角落；整个天线阵列的长×宽尺寸为：140mm×80mm。

2.根据权利要求1所述的智能天线，其特征在于：金属辐射贴片的阻抗匹配由小介质基板的第二表面的带胶铜皮完成，工作频段由小介质基板的第一表面的4个支路第一支路、第二支路、第三支路、第五支路的长度决定。

3.根据权利要求2所述的智能天线，其特征在于：金属辐射贴片的整体尺寸小于满足最低频率要求的1/4波长，最低频率波长为348mm。

4.根据权利要求3所述的智能天线，其特征在于：第一大介质基板的第一表面、第二表面以及四周全部敷铜，使得第一大介质基板的第一表面和第二表面在电气上相连，成为同一块地。

5.根据权利要求1所述的智能天线，其特征在于：所述的馈电网络采用1/4阻抗变换器，长度为1/4工作波长，使得智能天线阵的边缘阻抗与标准接头50欧姆阻抗达成匹配。

说明书

一种可用于手持设备的智能天线

技术领域

[0001] 本发明属于手持终端设备领域，涉及一种新型的智能天线，该天线单元频率覆盖GSM900和PCS 1900频段，能够实现偏转辐射方向的功能。

背景技术

[0002] 近年来随着互联网用户的迅速增加，住宅和商业用户的宽带接入需求明显增加，从而推动了接入技术和网络的发展和提高。电缆和DSL(数字用户线路)在带宽接入市场占有很大份额，能较好的解决网络服务供应商和最终用户间的“最后一公里”的传输问题。宽带无线接入(BWA)技术作为第三种接入技术也越来越受欢迎。与传统的电缆和电话线相比，BWA系统易于安装，数据传输效率高，维护成本低，易于升级等。典型的宽带接入系统通过收发基站(BTS)与用户终端设备(CPE)进行通信。尽管无线接入有很多优点，但挑战性问题也较多。如频谱效率问题，网络可伸缩性问题，CPE天线设计问题，非视线范围的可靠性问题，多径效应引起的码间干扰问题(影响通话质量)，频率复用引起的共道干扰(影响系统的容量)等。解决这些问题的有效方案是采用智能天线。

[0003] 智能天线是由多个天线单元组成的阵列，通过控制天线单元的相位使得天线的主波束对准指定用户方向，而旁瓣和零点对准干扰源方向，达到提高无线系统的容量，覆盖范围和传输效率。第二、三代无线通信系统中，智能天线仅作为附带的功能。为了充分的利用频谱，降低布网成本，提高服务质量，实现可重构、稳健的跨网络运营，在下一代无线系统设计中宜采用智能天线。

[0004] 有人提出了相控阵智能天线，这是由6个不加激励的偶极子(寄生单元)环绕着一个加激励的偶极子(激励单元)组成的阵列。在6个不加激励的偶极子下方，接可调电容。通过特定的辐射方向图，计算天线与端口电流，采用优选单变量搜索方法得到各个可调电容的值，通过寄生单元与激励单元的耦合作用，达到使辐射方向图转向指定方向。但是由于偶极子尺寸的局限，不能使其模型用于现代的手持设备，例如手机等。有人采用ESPAR天线设计智能天线，虽然能偏转辐射方向图，但是其尺寸不能适应于现代通信的手持设备中。有人利用倒F天线和倒L天线设计智能天线，虽然其尺寸可以应用于手持设备，但是其偏转方向图的效果不明显，而且偏转后的辐射方向其增益没有增加。

[0005] 上述的各种智能天线都不能用于现代手持设备中，不能提高用户的体验。因此，研究适用于手持设备的新型智能天线的设计是非常有必要且有一定的实际意义。

发明内容

[0006] 本发明提供一种能够使天线的辐射方向偏向特定位置的智能天线的设计，天线工作于GSM 900和PCS 1900频段，在偏转辐射方向的同时，还能够提高增益。

[0007] 本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种可用于手持设备的智能天线，包括4块处于同一平面的小介质基板、重叠设置的第一大介质基板和第二大介质基板，且大介质基板平行于小介质基板，第一大介质基板与小介质基板两者相距4mm；

[0009] 小介质基板上设置有平面倒F天线的金属辐射贴片，金属接地面设置在第一大介质基板的第一表面和第二表面以及四周4个面；馈电网络设置在第二介质基板的第二表面；每个小介质基板设置有两根接地短路柱(PB、PC)和一根馈电导电柱(PA)；两根接地短路柱(PB、PC)的一端与第一大介质基板的第一表面连接，另一端穿过小介质基板，与金属辐射贴片的第一表面连接；一根馈电导电柱(PA)的一端穿过第一大介质基板和第二大介质基板第二表面的微带传输线即馈电网络相连，另一端穿过小介质基板与金属辐射贴片的第一表面连接；

[0010] 所述平面倒F天线的金属辐射贴片分为两个部分，设置在小介质基板的第一表面和第二表面上；第一部分位于小介质基板的第一表面，每个金属辐射贴片均为多边形，分5个支路(支路A、支路B、支路C、支路D、支路E)结构；支路A与支路B的长度满足低频部分1/4波长的长度，支路A的长度为58mm，支路B的长度为49mm；支路C和支路E的长度满足高频部分1/4波长的长度，支路C的长度为12mm，支路E的长度为18mm；第二部分位于小介质基板的第二表面，是一个长宽为36mm×20mm的长方形带胶铜皮；

[0011] 所述的4个平面倒F天线的金属辐射贴片按中心对称排列于大介质基板的四个角落；整个天线阵列的长×宽尺寸为：140mm×80mm。

[0012] 金属辐射贴片的阻抗匹配由小介质基板的第二表面的带胶铜皮完成，工作频段由小介质基板的第一表面的4个支路(支路A、支路B、支路C、支路E)的长度决定。

[0013] 金属辐射贴片的整体尺寸小于满足最低频率要求的1/4波长，最低频率波长为348mm。

[0014] 第一大介质基板的第一表面、第二表面以及四周全部敷铜，使得第一大介质基板的第一表面和第二表面在电气上相连，成为同一块地。

[0015] 所述的馈电网络采用1/4阻抗变换器，长度为1/4工作波长，使得智能天线阵的边缘阻抗与标准接头50欧姆阻抗达成匹配。

[0016] 有益效果

[0017] 本发明设计了一个适用于手持设备的智能天线，工作在GSM 900和PCS 1900频段。在GSM 900频段，选择920MHz；在PCS 1900频段，选择1960MHz设计智能天线。其中在920MHz时，天线单元的增益为-1.56dBi，在1960MHz时，天线单元的增益为0.96dBi。偏转辐射方向后，低频增益能够增加3.35dBi，高频增益最低能够增加0.99dBi。而且偏转的效果很好。

附图说明

[0018] 图1是本发明的小介质基板结构示意图。

[0019] 图2是本发明结构示意图。

[0020] 图3是本发明的实测与仿真的回波损耗图。

[0021] 图4是本发明在920MHz辐射方向偏转到z轴正方向的馈电网络。

[0022] 图5是本发明在1960MHz辐射方向偏转到x轴正方向的馈电网络。

[0023] 图6是本发明在1960MHz辐射方向偏转到y轴正方向的馈电网络。

[0024] 图7是本发明在1960MHz辐射方向偏转到z轴正方向的馈电网络。

[0025] 图8是本发明在920MHz辐射方向偏转到z轴正方向的辐射方向图的实测与仿真图。

[0026] 图9是本发明在1960MHz辐射方向偏转到x轴正方向的辐射方向图的实测与仿真图。

[0027] 图10是本发明在1960MHz辐射方向偏转到y轴正方向的辐射方向图的实测与仿真图。

[0028] 图11是本发明在1960MHz辐射方向偏转到z轴正方向的辐射方向图的实测与仿真图。

具体实施方式

[0029] 参见图1(a)和图1(b)，对微带天线的辐射机理进行说明。从图1(a)中可以看到，整个天线单元是由5条支路组成的，其中支路A和支路B控制低频部分，由于GSM 900频段比较宽，单纯的单个倒F天线不能满足这个要求，于是采用使用两个带宽来形成一个完整的满足覆盖特定频段的要求，支路C和支路E控制高频PCS 1900频段，原理与低频段一样。需要注意的是，支路A,B,C,E的长度设定约为1/4介质波长。图1(b)是天线单元小介质基板的第二表面，作用是通过电流耦合使得天线在特定的频段达到匹配。PA点是馈电点，PB，PC是接地短路点。通过支路，匹配部分与短路柱的相互作用，得到所需要的天线单元的工作频段。

[0030] 表1是本发明平面倒F天线的金属辐射贴片参数，是单个天线单元各个部分的详细尺寸。

[0031]参数 L1 L2 L3 L4 L5
数值 40mm 33mm 12mm 6mm 18mm
参数 L6 L7 w1 w2 w3
数值 36mm 4mm 20mm 18mm 16mm
参数 w4 w5 w6 w7 w8
数值 3mm 5mm 4mm 1mm 1mm
参数 w9 w10 w11    
数值 2mm 1mm 2mm    

[0032] 图2是本发明结构示意图。其中图2(a)是俯视图，图2(b)是正视图，图2(c)是左/右视图。这三个图从不同的方向表明了天线阵列的布阵方式以及具体的尺寸。

[0033] 由图2可以看出，本发明采用两块同样大小的介质基板，第一大介质基板作为支撑作用，第二大介质基板用来设计馈电网络。在第一大介质基板的第一表面，第二表面以及四周全部敷铜，使得第一大介质基板的第一表面和第二表面处于同一个地的状态，满足倒F天线的接地短路柱和馈电导电柱连接在同一地上的要求。

[0034] 图3是天线单元的回波损耗图，回波损耗是表示信号反射性能的参数，它是指在光纤连接处，后向反射光(连续不断向输入端传输的散射光)相对输入光的比率的分贝数，回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。通常要求反射功率尽可能小，这样就有更多的功率传送到负载。在本设计中，对于低频部分要求回波损耗低于-5dB，高频部分的回波损耗低于-10dB。

[0035] 图4-7是馈电网络的示意图，本设计采用并联馈电，并联馈电是将各个天线单元用微带传输线并联起来，对馈电的传输线来说，每一个天线单元都等效为一个多端口网络。一般而言，微带天线的边缘阻抗并不符合微波器件通用的50欧姆，这时就需要采用阻抗变换器。根据各个天线端口所需的幅值和相位，采用不同的阻抗变化器，其中阻抗变换器的宽度决定最终馈电网络的幅值分布，阻抗变换器的长度决定馈电网络的相位分布。

[0036] 图8-11是智能天线各个方向的辐射方向图。图8是天线在920MHz辐射方向偏转到z轴正方向的辐射方向图的实测与仿真图。在920MHz，单个天线的增益大小为-1.56dBi，使天线阵列的辐射方向偏转到z轴正方向的最大增益为1.79dBi，从图中可以看出，天线阵列的辐射方向偏转向了z轴正方向。图9是天线在1960MHz辐射方向偏转到x轴正方向的辐射方向图的实测与仿真图。在1960MHz，单个天线的增益大小为0.96dBi，使天线阵列的辐射方向偏转到x轴正方向的最大增益为1.95dBi，从图中可以看出，天线阵列的辐射方向偏转向了x轴正方向。图10是天线在1960MHz辐射方向偏转到y轴正方向的辐射方向图的实测与仿真图。在1960MHz，使天线阵列的辐射方向偏转到y轴正方向的最大增益为3.25dBi，从图中可以看出，天线阵列的辐射方向偏转向了y轴正方向。图11是天线在1960MHz辐射方向偏转到z轴正方向的辐射方向图的实测与仿真图。在1960MHz，使天线阵列的辐射方向偏转到z轴正方向的最大增益为3.34dBi，从图中可以看出，天线阵列的辐射方向偏转向了z轴正方向。

[0037] 从图中可以明显看出本设计能够使天线阵列的辐射方向偏转到指定的位置，而且效果明显。