АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО И ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ЕГО МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СВЯЗИ
ANTENNA DEVICE AND MOBILE COMMUNICATION DEVICE USING SAID ANTENNA DEVICE

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Эта заявка заявляет все преимущества и приоритет предварительной заявки на патент №60/775.575, поданной 22 февраля 2006, названной «Электрическое устройство с малой антенной», изобретатель Fang, и предварительной заявки на патент №60/780.007, поданной 7 марта 2006, названной «Электрическое устройство с малой антенной», изобретатель Fang, и здесь включает в себя все содержание упомянутых заявок.
Область техники
Изобретение относится к антенному устройству, использующему антенный блок с длиной волны короче 1/4 длины волны передачи или приема, и к использующему его мобильному устройству связи.
Уровень техники
Цели конструирования для персональных мобильных устройств связи или беспроводного терминального оборудования фокусируются на легком весе, тонкости, компактном профиле и хорошем качестве связи. Мобильные телефоны, например, характеризуются моделями с малой обтекаемой формой со множеством функций и приложений и низкой стоимостью.
Устройство беспроводной связи требует более одной антенны, чтобы множество систем связи могли встраиваться и применяться. Следовательно, возникает конструктивная задача и критическая проблема в расположении антенн в оборудовании беспроводной связи и определении размеров антенн. В мобильных телефонах или телефонных трубках систем GSM диапазонов 850/900/1800/1900 МГц, системы WCDMA или CDMA2000/ системы Bluetooth и беспроводной LAN на 2400 или 5200/5800 МГц могут встраиваться в один мобильный телефон, требующий более трех антенн. К сожалению все системы GSM, WCDMA, CDMA2000, Bluetooth и беспроводной LAN функционируют в частотном диапазоне около или выше 1 ГГц, таким образом необходимые антенны могут конфигурироваться в мобильном телефоне с большими усилиями путем проектирования антенн на основе антенны с 1/4 длиной волны.
Однако дополнительные системы беспроводной связи, такие как ВЧ (высокочастотная), ОВЧ (очень высокочастотная) или СВЧ (сверхвысокочастотная) система, работающая в частотном диапазоне ниже 1 ГГц, очень трудно встраивать в единое оборудование беспроводной связи наподобие мобильного телефона, потому что размер антенны для ВЧ, ОВЧ или СВЧ системы слишком велик для размещения в мобильном телефоне при проектировании четвертьволновой антенны. Изготовители либо выполняют ВЧ, ОВЧ или СВЧ антенну вне корпуса мобильного устройства, либо увеличивают размеры мобильного телефона, чтобы он включал в себя большую ВЧ, ОВЧ или СВЧ антенну, что ухудшает элегантный профиль мобильного телефона и увеличивает стоимость производства. Радиосистемы FM работают в частотном диапазоне примерно 88-108 МГц в пределах ОВЧ диапазона. Для такого приема требуются внешние головные телефоны для использования в качестве антенн, когда в мобильных телефонах предусматриваются радиосистемы FM. Однако пользователям неудобно готовить головные телефоны для прослушивания FM радио.
Фиг.1 показывает эквивалентную блок-схему антенного устройства с длиной короче, чем 1/4 рабочей длины волны, раскрытого в патенте США №6.970.140. Антенное устройство 100 содержит антенный блок 11, резистор 12 и согласующую схему 13, соединенную последовательно с этой цепочкой. Обычно действительная часть входного импеданса антенного блока 11 очень мала и меньше действительной части входного импеданса схемного блока 14. Следовательно, согласование импедансов (с помощью только согласующей схемы 13) не может увеличить входное сопротивление антенного блока 11, чтобы выровнять его с входным сопротивлением схемного блока 14. Чтобы решить эту проблему, патент США №6.970.140 далее раскрывает включение резистора 12 между антенным блоком 11 и согласующей схемой 13. Однако резистор 12 потребляет значительную энергию, передаваемую между антенным блоком 11 и схемой 14, ухудшая качество связи.
Соответственно, желательно иметь антенное устройство с антенным блоком с длиной волны короче, чем 1/4 рабочей длины волны антенного устройства. Помимо этого, антенный блок в первой плоскости может размещаться для установления первого расстояния или первого угла по отношению к шине заземления антенного устройства, тем самым улучшая согласование импедансов между антенным блоком и соединенным с ним модулем связи и увеличивая его эффективность излучения. Следовательно, антенное устройство может бить применено в мобильных устройствах связи без влияния на внешний вид или стоимость.
Сущность изобретения
Согласно изобретению, антенное устройство, применимое для беспроводного устройства, работающего в частотном диапазоне, содержит антенный блок, содержащий первый проводник с первым концом для подачи сигналов и вторым концом, и шину заземления, обеспечивающую заземление для сигналов. Первый проводник и шина заземления имеют первые расстояние или угол, и эти первые расстояние или угол регулируются для улучшения согласования импедансов антенного устройства.
Согласно изобретению, обеспечивается антенное устройство, применимое для беспроводного устройства, работающего в частотном диапазоне, причем беспроводное устройство имеет схемный модуль и шину заземления. Антенное устройство содержит антенный блок, содержащий первый проводник с первым концом для подачи сигналов и вторым концом; и реактивное устройство, соединенное с первым концом и схемным модулем для подачи сигналов из схемного модуля на первый конец первого проводника, при этом реактивное устройство имеет индуктивные компоненты или емкостные компоненты. Первый проводник и шина заземления имеют первые расстояние или угол, а антенный блок имеет входной импеданс с действительной частью и мнимой частью, причем действительная часть входного импеданса регулируется путем изменения первых расстояния или угла, а мнимая часть входного импеданса регулируется путем настройки реактивного устройства.
Отметим, что длина первого проводника антенного блока короче, чем 1/4 рабочей длины волны антенного устройства, а площадь первого проводника меньше, чем 1/64 квадрата рабочей длины волны антенного устройства.
Краткое описание чертежей
Изобретение может быть полностью понято из приведенного ниже нижеследующего подробного описания и сопровождающих чертежей. Чертежи и описание предназначены только для иллюстративных целей и не должны толковаться как ограничение настоящего изобретения.
Фиг.1 является эквивалентной электрической схемой антенного устройства, раскрытого в патенте США №6.970.140.
Фиг.2А и 2В показывают условно мобильные телефоны с антенными устройствами по настоящему изобретению.
Фиг.3 показывает условно антенное устройство согласно изобретению.
Фиг.4А и 4В показывает условно размещения антенных блоков 31 и шины 32 заземления в поперечном сечении по линии В-В' на фиг.3.
Фиг.5 является эквивалентной блок-схемой антенного устройства согласно изобретению.
Фиг.6А, 6В и 6С показывают три примерных варианта осуществления антенного блока 600 с индуктивной структурой.
Фиг.7 показывает условно другое антенное устройство 700 согласно изобретению.
Фиг.8 показывает круговую диаграмму входного импеданса антенного блока с длиной короче 1/4 рабочей длины волны.
Фиг.9 показывает круговую диаграмму входного импеданса антенного блока с длиной 400 мм (короче 1/4 рабочей длины волны) согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.10 показывает круговую диаграмму входного импеданса антенного блока с длиной 400 мм (короче 1/4 рабочей длины волны) согласно другому варианту осуществления изобретения.
Фиг.11 показывает круговую диаграмму входного импеданса антенного блока с длиной 400 мм (короче 1/4 рабочей длины волны) согласно еще одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.12 показывает круговую диаграмму входного импеданса антенного блока с длиной 450 мм (короче 1/4 рабочей длины волны) согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Фиг.13 показывает диаграмму обратных потерь (S11) антенного блока согласно фиг.11.
Фиг.14 показывает соотношение между первым расстоянием D и некоторыми характеристиками антенного устройства согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
Антенна для низкочастотных систем, таких как ВЧ, ОВЧ и СВЧ системы, слишком велика, чтобы вмещаться в мобильные телефоны при использовании традиционных четвертьволновых антенн, и поэтому изобретение предлагает небольшое антенное устройство для преодоления этой проблемы.
Настоящее изобретение обеспечивает антенное устройство с длиной короче 1/4 рабочей длины волны, которое можно легко применить в мобильных телефонах или любых беспроводных устройствах. Предпочтительно, антенное устройство по настоящему изобретению предназначено для приема и передачи низкочастотных сигналов, таких как сигналы с частотой ниже 1 ГГц, подобно сигналам FM/AM. Для краткости, мобильные телефоны используются здесь в качестве примеров мобильных устройств связи для описания изобретения. Применения изобретения, однако, не следует ограничивать мобильным телефоном. Любые беспроводные устройства должны охватываться заявленным изобретением.
Фиг.2А и 2В показывают условно мобильные телефоны с антенным устройством по настоящему изобретению. На фиг.2А и 2В мобильный телефон 200 содержит передний корпус 21, задний корпус 22, основную антенну 23, которая может быть наружной или встроенной антенной, и антенное устройство 27, размещенное внутри мобильного телефона 200. В этих примерах по фиг.2А и фиг.2В основная антенна 23 представляет собой наружную антенну, выполненную вне мобильного телефона 200. Основная антенна 23 служит для приема и передачи высокочастотных сигналов посредством сетей связи GSM, GPRS, EDGE, WCDMA, CDMA2000, Bluetooth и беспроводной LAN, а антенное устройство 27, с другой стороны, предназначено для приема и передачи низкочастотных сигналов, таких как сигналы с частотой ниже 1 ГГц, подобно сигналам FM/AM. Мобильный телефон 200 содержит далее первый схемный блок 25, имеющий, по меньшей мере, радиочастотный (РЧ) (RF) модуль и модуль основного диапазона частот (ОДЧ) (ВВ), и соединенный с основной антенной 23, второй схемный блок 26, имеющий схемный модуль FM/AM радио, и соединенный с антенным устройством 27, и основная схемная плата 24 с установленными на ней первым и вторым схемными блоками. Здесь основная схемная плата 24 является печатной платой.
Первый схемный блок 25 дает возможность осуществлять связь между мобильным телефоном 200 и базовой станцией, обеспечивая по меньшей мере системы GSM, GPRS, EDGE, WCDMA, CDMA2000, Bluetooth и беспроводной LAN и т.п. для пользователей, и поэтому основная антенна 23 работает в частотном диапазоне вблизи или выше 1 ГГц. Помимо этого, второй схемный блок 26 обеспечивает дополнительную систему беспроводной связи, такую как ВЧ, ОВЧ или СВЧ система, работающую в частотном диапазоне ниже 1 ГГц, которая встраивается в мобильный телефон 200. ВЧ, ОВЧ или СВЧ система может быть системой FM (частотной модуляции, ЧМ), системой AM (амплитудной модуляции, AM), системой приемопередатчиков или DTV (цифровое телевидение), и т.д. здесь второй схемный блок 26 представляет собой в качестве примера модуль FM, и поэтому антенное устройство 27 работает в частотном диапазоне от 88 до 108 МГц.
Как показано на фиг.2А и фиг.2В, настоящее изобретение обеспечивает антенное устройство 27 с длиной короче 1/4 рабочей длины волны, которое можно легко поместить на любой стороне мобильного телефона 200.
Фиг.3 показывает условно антенное устройство 300 согласно изобретению. Антенное устройство 300, применимое для беспроводного устройства, работающего, к примеру, в частотном диапазоне 88-108 МГц, содержит антенный блок 31 с первым проводником 31, вытянутым на первой плоскости 35 и имеющим первый конец 33 для подачи сигналов в модуль FM или из модуля FM, такого как второй схемный блок 26, показанный на фиг.2А или 2В, и второй конец 36; и шину 32 заземления, обеспечивающую заземление для сигналов. Отметим, в этом варианте осуществления что шина 32 заземления может быть выполнена на основной схемной плате 24 при использовании для мобильного телефона по фиг.2А. Длина антенного блока 31 короче 1/4 рабочей длины волны радио диапазона FM (или 1/4 рабочей длины волны антенного блока). Антенное устройство 300 может содержать далее реактивное устройство 34, включенное между антенным блоком 31 и модулем FM (вторым схемным блоком) для согласования импеданса антенного устройства 300. Реактивное устройство 34 может включать в себя только индуктивные и (или) емкостные компоненты. В некоторых вариантах осуществления оно может далее включать в себя резисторы. Конструкция реактивного устройства 34 не ограничивается в настоящем изобретении.
Фиг.4А и 4В показывают условно размещения антенного блока 31 и шины 32 заземления в поперечном сечении В-В' на фиг.3. Антенный блок 31 располагается для установки первого расстояния D и первого угла 9 между первой плоскостью 35 (на которой выполнен антенный блок 31, как показано на фиг.3) и шиной 32 заземления, выполненной на основной схемной плате 24. Антенный блок 31 имеет действительную и мнимую части входного импеданса. Действительная часть входного импеданса антенного блока 31 может настраиваться путем регулировки первого расстояния D или первого угла θ. Первый угол устанавливается между 0 и 90 градусами. Например, первое расстояние и первый угол по фиг.4В могут быть установлены как D1 и θ1 для регулировки действительной части входного импеданса антенного блока 31.
Фиг.5 показывает эквивалентную круговую диаграмму антенного устройства 500 согласно изобретению. Антенный блок 51 антенного устройства 500 короче чем 1/4 рабочей длины волны соединяется со схемным блоком 53 (к примеру, модулем FM) через реактивное устройство 52, включающее в себя по меньшей мере индуктивное устройство или емкостное устройство. Согласно изобретению действительная часть входного импеданса антенного блока 51 может настраиваться путем установки первого расстояния D и первого угла θ, за счет чего достигается согласование импеданса действительной части входного импеданса схемного блока. Следовательно, дополнительный резистор (как показано на фиг.1) между антенным блоком 52 и схемным блоком 53 не требуется.
Антенный блок антенного устройства может иметь индуктивную структуру для улучшения мнимой части входного импеданса антенного блока. Любая структура проводника, образующего антенный блок, которая может увеличить индуктивность антенного блока, является индуктивной. Фиг.6А, 6В и 6С показывают три примерных варианта осуществления антенного блока 600 с индуктивной структурой. Фиг.6А или 6В показывают антенный блок 600, содержащий проводник 63, имеющий меандровый рисунок линии, а фиг.6С показывает проводник антенного блока, имеющий спиральный рисунок. Все антенные блоки, показанные на фиг.6А-6С, являются реактивными устройствами. Входная реактивность (мнимая часть входного импеданса) антенного блока (с одним открытым концом, как изображено на фиг.6А-6С) с длиной короче чем 1/4 рабочей длины волны является отрицательной и емкостной. Поэтому согласование импеданса можно легко осуществить с помощью антенного блока с индуктивной структурой в соединении с индуктивным компонентом (катушкой индуктивности). Отметим, что площадь проводника 63 (здесь и далее называемая площадью антенны), изображенного как области 61 и 62, меньше чем 1/64 квадрата рабочей длины волны антенного блока 600.
Вытянутый проводник антенного блока может быть сформирован металлической линией, металлическим листом или металлической полосой, напечатанной на опорном элементе. Опорный элемент может быть схемной платой с одним или множеством слоев с металлическими полосами, отпечатанными на по меньшей мере одном слое схемной платы,
Фиг.7 показывает условно другое антенное устройство 700 согласно изобретению. Второй конец 76 антенного блока 31 соединяется с шиной 32 заземления. Входная реактивность (мнимая часть входного импеданса) антенного блока 71 с длиной короче чем 1/4 рабочей длины волны является положительной и индуктивной. Поэтому емкостные устройства (конденсаторы) можно использовать для согласования импеданса между антенным блоком и схемным блоком 72.
2
Возвращаясь к фиг.4А, предположим, что площадь антенны составляет около 40×15 мм, первый угол θ установлен на 90 градусов, тогда предпочтительное первое расстояние D должно быть установлено короче и равным 15 мм для согласования импеданса, когда работа ведется в диапазоне примерно от 88 до 108 МГц. Чем короче расстояние D, тем меньше действительная часть входного импеданса антенного блока согласно изобретению. Первое расстояние D снижается до 10 мм или менее для улучшения согласования импеданса антенного устройства. Первое расстояние D может далее снижаться до 2-8 мм для улучшения действительной части входного импеданса антенного блока до 40-60 Ом. В общем случае, первое расстояние D может быть короче чем 2 мм при учете компромисса между согласованием импеданса и внутренним размещением тонкого и компактного мобильного телефона.
1
2
Для дальнейшей иллюстрации характеристик антенны по настоящему изобретению можно использовать общеизвестную круговую диаграмму. На чертежах фиг.8 - фиг.12 каждая круговая диаграмма иллюстрирует импедансную характеристику антенны по настоящему изобретению между частотами FM от 88 МГц до 108 МГц. Каждая круговая диаграмма нормирована, и круг на диаграмме, в котором имеются точки ∇ и , является траекторией характеристического импеданса. Следует отметить, что частотный диапазон между 88 МГц и 108 МГц является лишь примером, а не ограничением настоящего изобретения.
1
2
1
2
1
2
Фиг.8 показывает круговую диаграмму входного импеданса антенного блока с длиной короче чем 1/4 рабочей длины волны. Антенный блок с одним открытым концом работает в диапазоне от 88 до 108 МГц и имеет отрицательную входную реактивность. На фиг.8 входные импедансы антенного блока, указанные значками ∇ и , составляют примерно 95,61-j834 и 44,62-j710,2, соответственно. Как показано на фиг.8, точки ∇ и  находятся слишком далеко от центра круговой диаграммы, которая является точной идеального согласования, что означает, что импедансы в точках ∇ и  согласованы не идеально, и большая часть энергии сигнала будет иметь большие потери.
1
2
Фиг.9, с другой стороны, показывает круговую диаграмму входного импеданса антенного блока с длиной 400 мм (короче чем 1/4 рабочей длины волны) согласно изобретению. Здесь антенный блок с одним открытым концом работает в диапазоне от 88 до 108 МГц, и для согласования импеданса используется индуктивное реактивное устройство с индуктивностью 390 нГн. Первое расстояние D и первый угол 9 устанавливаются на 2 мм и 70 градусов. На фиг.9 входные импедансы (соответственно измеренные на 88 и 108 МГц) антенного блока, указанный знаками ∇ и , составляют примерно 147,3-j557,1 и 74,1-j367,4, соответственно.
1
2
Фиг.10 показывает круговую диаграмму входного импеданса другого антенного блока с длиной 400 мм (короче чем 1/4 рабочей длины волны) согласно изобретению. Единственным отличным тестовым условием является то, что первое расстояние D в нем устанавливается на 0,5 мм. Прочие тестовые условия те же самые, что и изображены на фиг.9. На фиг.10 входные импедансы (соответственно измеренные на 88 и 108 МГц) антенного блока, указанные знаками ∇ и , составляют примерно 102,8-j462,7 и 60,83-j253/1 соответственно.
1
2
Фиг.11 показывает круговую диаграмму входного импеданса другого антенного блока с длиной 400 мм (короче чем 1/4 рабочей длины волны) согласно изобретению. Единственным отличным тестовым условием является то, что первое расстояние D в нем устанавливается на 5 мм. Прочие тестовые условия те же самые, что и на фиг.9. На фиг.11 входные импедансы (соответственно измеренные на 88 и 108 МГц) антенного блока, указанные знаками ∇ и , составляют примерно 240,4-j755,4 и 118,9-j608,8, соответственно.
1
2
Из результатов фиг.9-11 ясно, что чем короче первое расстояние D, тем меньше действительная часть входного импеданса антенного блока. Таким образом, конструктор может соответственно снизить первое расстояние D, чтобы сделать действительную часть входного импеданса антенного блока ближе к желательному сопротивлению 50 Ом. Напротив, чем длиннее первое расстояние D, тем больше действительная часть входного импеданса антенного блока. Фиг.12 показывает круговую диаграмму входного импеданса предпочтительного антенного блока с длиной 450 мм (короче чем 1/4 рабочей длины волны) согласно изобретению. Здесь антенный блок с одним открытым концом работает в диапазоне от 88 до 108 МГц. Индуктивное реактивное устройство с индуктивностью 680 нГн используется для согласования импеданса. Первое расстояние D и первый угол 9 устанавливаются на 1,5 мм и 90 градусов. На фиг.12 входные импедансы (соответственно измеренные на 88 и 108 МГц) антенного блока, указанные знаками ∇ и , составляют примерно 72,07-j179,9 и 82,41-j179,8, соответственно. Действительная часть входного импеданса антенного блока ближе к желательному сопротивлению 50 Ом (т.е. ближе к центру круговой диаграммы или нормированного к 1 импеданса).
Фиг.13 показывает диаграмму обратных потерь (S11) антенного блока, соответствующего фиг.12. Как показано на фиг.13, очень хорошее согласование импеданса достигается в частотном диапазоне FM от 88 до 108 МГц, потому что антенный блок испытывает меньшие обратные потери на центральной частоте (около 100 МГц) частотного диапазона FM.
Фиг.14 показывает соотношение между первым расстоянием D и характеристиками антенного устройства согласно изобретению. Предположим, что антенный блок антенного устройства размещается под первым углом θ в 90 градусов и с первым расстоянием D относительно шины заземления антенного устройства, и центральная частота антенного устройства изменяется в частотном диапазоне от 90 до 120 МГц. Кривая 142 на фиг.14 показывает, что чем короче первое расстояние D, тем меньше импеданс антенного блока. Кривая 144 на фиг.14 показывает, что чем короче первое расстояние D, тем ниже центральная частота (с наименьшими обратными потерями). Поэтому не только импеданс, но также и центральная частота могут настраиваться установкой первого расстояния D первого угла θ.
Рабочие длины волн в ВЧ, ОВЧ и СВЧ приложениях длиннее чем 30 см, поэтому очень трудно выполнить традиционную четвертьволновую антенну внутри мобильной системы связи. Антенное устройство по изобретению может быть легко сконструировано, чтобы иметь длину короче 1/4 рабочей длины волны, путем установки конкретных расстояния и угла между антенным блоком и его шиной заземления, пригодных для применений ВЧ, ОВЧ и СВЧ систем с рабочей частотой ниже 1 ГГц.
Обратимся к фиг.15. Антенный блок 150 может далее содержать второй проводник 151, выступающий от второго конца на второй плоскости 154, отличной от первой плоскости 35, для настройки действительной части входного импеданса антенного блока 31 путем регулировки второго расстояния dd и второго угла ϕ между второй плоскостью 154 и шиной 32 заземления. На фиг.15 первый угол θ составляет 0 градусов, и прогрессивная настройка может достигаться установкой второго расстояния dd и второго угла ϕ. Отметим, что второй проводник имеет те же самые характеристики, что и описанные на фиг.6А-6С.
Вышеприведенное описание нескольких примерных вариантов осуществления представлены для целей иллюстрации и описания. Очевидные модификации или вариации возможны в свете вышеприведенных разъяснений. Варианты осуществления выбирались и описывались для предоставления наилучшей иллюстрации принципов данного изобретения и его практического применения, чтобы тем самым позволить специалистам использовать изобретение в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, как подходит для конкретного предполагаемого использования. Все такие модификации и вариации находятся в объеме настоящего изобретения, как оно определено приложенной формулой изобретения при интерпретации в соответствии с широтой, до которой на него фактически, законно и соразмерно предоставлено право.