專(zhuān)利名稱(chēng)：減小環(huán)形天線寄生效應(yīng)的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及天線，更具體地說(shuō)，涉及一種用于優(yōu)化小型環(huán)形天線性能的天線電路和匹配技術(shù)。
相關(guān)技術(shù)的描述由于小型環(huán)形天線的輻射圖定義清晰，以及它的小尺寸和性能特性，使得它們常常被用于許多應(yīng)用裝置中。例如，無(wú)繩鍵盤(pán)和接收機(jī)可以利用小型環(huán)形天線實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)環(huán)形天線時(shí)必須考慮某些寄生振子的影響。特別是由于許多原因，歐姆損耗以及容抗可能具有降低天線性能的作用。具體來(lái)說(shuō)，歐姆損耗可能直接地降低天線的最大效率，按如下等式計(jì)eff＝Rr/Rl，在這里Rr是輻射電阻而Rl是天線的歐姆損耗。正如該等式所示，天線的歐姆損耗(Rl)越大，天線效率越低。
另一方面，寄生電容可能在環(huán)形天線的環(huán)路段之間、或者在多個(gè)環(huán)形天線的圓圈之間有效地建立電抗的路徑。結(jié)果是當(dāng)前傳遞給天線的一部分性能是在環(huán)路段或者包括天線的導(dǎo)體的圓圈之間定向的，而不是沿著用于產(chǎn)生最大磁通量的天線的導(dǎo)體流動(dòng)。因此，不能獲得最佳的輻射。除了這些歐姆的和電容的損耗之外，環(huán)形天線的自諧振頻率可能比實(shí)際期望的工作頻率更低。這樣的情況還可能導(dǎo)致顯著的損耗以及要求復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)。
另一種鮮為人知的環(huán)形天線的寄生效應(yīng)是它產(chǎn)生與天線的導(dǎo)體表面相關(guān)的電抗性電壓的能力。這些電抗性電壓給予電容性泄漏電流的生存而環(huán)繞一般接地的環(huán)境導(dǎo)體。到其它環(huán)境的這些電容性泄漏電流特別地出現(xiàn)在RF頻率，和有效地建立電容性的輻射單元或者電容性的天線。然后這個(gè)寄生的電容性天線的輻射圖與小型環(huán)形天線的輻射圖交互作用，并且潛在地降低期望的天線性能。環(huán)繞接地的環(huán)境導(dǎo)體的改變引起電容性天線的輻射圖做相應(yīng)的改變，使得這一問(wèn)題復(fù)雜化，從而進(jìn)一步干擾小型環(huán)形天線的范圍。因此，小型環(huán)形天線的可靠性在環(huán)繞環(huán)境導(dǎo)體中可能會(huì)發(fā)生變化。這種情況在許多應(yīng)用中是無(wú)法接受的，因?yàn)樵撎炀€的性能是不可預(yù)測(cè)的和不可靠的。
有一種特定的情況，即電容性泄漏電流的問(wèn)題惡化，該情況是處于無(wú)線電設(shè)備連接到電纜且該電纜穿越小型環(huán)形天線的工作范圍時(shí)。例如，接收機(jī)單元通過(guò)電纜連接到主計(jì)算機(jī)，和電纜穿越無(wú)繩鼠標(biāo)的傳輸范圍。電纜的位置、以及在小型環(huán)形天線附近的其它接地設(shè)備將影響寄生的電容性天線的寄生電容并且最終改變電感性的小型環(huán)形天線的輻射圖。簡(jiǎn)而言之，兩個(gè)天線即期望的小型環(huán)形天線和不需要的寄生的電容性天線將具有它們的矢量和的輻射圖。這種情況是不希望發(fā)生的，因?yàn)槭噶肯嗉哟偈固炀€性能不可預(yù)測(cè)。雖然一些結(jié)構(gòu)實(shí)際上有可能增加期望的天線性能，這樣的配置只是不規(guī)則的，并且確實(shí)不可靠。而且，很可能出現(xiàn)相反的結(jié)果，即天線性能被顯著地降低。不論如何，其直接的結(jié)果是小型環(huán)形天線的工作范圍無(wú)規(guī)則地變化。這樣的結(jié)果直接地限制了該天線的應(yīng)用，因?yàn)樘炀€的可靠性是決定性的。
因此，有許多理由要求正確地控制和降低天線的各種寄生振子。有一種設(shè)備可用于減少寄生的電容性的天線對(duì)環(huán)繞環(huán)境導(dǎo)體的影響，它被稱(chēng)為平衡轉(zhuǎn)換器(balun，平衡-不平衡的縮寫(xiě)詞)。這個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)有集總元件，例如變壓器設(shè)備，或者是帶狀線，它的長(zhǎng)度是天線波長(zhǎng)的一部分。但是這些平衡轉(zhuǎn)換器設(shè)備并不總是實(shí)用的，因?yàn)樗鼈兛赡芙Y(jié)構(gòu)大而昂貴。而且，這樣的設(shè)備不能阻止天線電流在環(huán)形天線的環(huán)路段之間流動(dòng)，因此沒(méi)有優(yōu)化磁通量的產(chǎn)生。平衡轉(zhuǎn)換器也沒(méi)有減少歐姆損耗。相反地，平衡轉(zhuǎn)換器增加了天線匹配電路中的額外損耗，并且可能需要復(fù)雜的調(diào)諧過(guò)程。
屏蔽小型環(huán)形天線也是熟知的技術(shù)，它增加環(huán)形天線到屏蔽地線的耦合，因此防止電場(chǎng)向外輻射到小型環(huán)形天線系統(tǒng)附近的其它接地設(shè)備。但是，由于印制電路板上的天線的實(shí)際布局，這種解決方案對(duì)于印制電路板型的環(huán)形天線是不實(shí)用的。因此這個(gè)技術(shù)在其應(yīng)用中有很大的局限性。而且，屏蔽往往會(huì)增加小型環(huán)形天線的電容性損耗，減少它的性能的有效范圍。
因此，需要一種用于平衡環(huán)形天線的天線電路和匹配技術(shù)，以抵消天線之寄生振子的影響。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于包括印制電路板(PCB)應(yīng)用裝置的很小的天線應(yīng)該是有用的，并且應(yīng)該不會(huì)要求增加大體積部件。得到的天線應(yīng)該是對(duì)地平衡的，并且在該天線的相鄰的圈的相應(yīng)點(diǎn)之間具有可忽略的電抗性電壓差。而且，天線應(yīng)該是不受環(huán)境條件影響的，并且應(yīng)該以相當(dāng)?shù)偷某杀咎峁┛煽康男阅堋?br> 本發(fā)明概述因此，本發(fā)明提供一種天線電路，該天線電路具有基本上為0伏的平均電抗性電壓，因此是對(duì)地平衡的。另外，對(duì)于具有多圈的天線，相鄰圈的相應(yīng)點(diǎn)之間的電抗性電壓差也基本上是0伏。本發(fā)明還提供一種天線匹配技術(shù)，該技術(shù)制作的天線具有0伏的平均電抗性電壓，天線環(huán)路的相鄰圈的相應(yīng)點(diǎn)之間的差是很小的。該天線匹配技術(shù)通過(guò)附加一個(gè)匹配電路以抵消天線內(nèi)部的天線導(dǎo)體的電抗性電壓而不是抵消在天線端頭的電抗性電壓。
具體來(lái)說(shuō)，每當(dāng)需要時(shí)，沿著小型環(huán)形天線接線插入串聯(lián)的調(diào)諧電容器。該環(huán)形天線被分解為環(huán)路段，根據(jù)所需的性能標(biāo)準(zhǔn)，其中每個(gè)段可以具有或者不具有串聯(lián)的電容器。環(huán)路段可以是單圈環(huán)形天線的一節(jié)，或是多圈環(huán)形天線的一圈。根據(jù)特定的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)任意多個(gè)環(huán)路段分解。選擇每個(gè)電容器以便具有一個(gè)電抗，它有效地抵消在相應(yīng)的串聯(lián)電容器之前的環(huán)路段的感抗。其優(yōu)點(diǎn)是天線上電抗之瞬間電平保持為零，因此環(huán)路段之間的任何電抗性電壓差保持為可忽略，即使有強(qiáng)電流在天線內(nèi)流動(dòng)。而且，選擇的串聯(lián)調(diào)諧電容器沿著天線導(dǎo)線設(shè)置，以便使得跨接天線的平均電抗性電壓基本上為0伏。因此該天線相對(duì)于地(GND)是平衡的。
環(huán)形天線輻射功率的方式與它的電壓無(wú)關(guān)，但是與它的電流有關(guān)。簡(jiǎn)而言之，在天線表面上的電抗性電壓實(shí)際上對(duì)電磁輻射圖的干擾多于支持。因此，天線匹配技術(shù)最初關(guān)心的應(yīng)該是消除天線的電抗，從而降低跨接在天線上的電抗性電壓。低的電抗性天線電壓表現(xiàn)為溢出外部場(chǎng)地的天線電流量的減少。這種減少的直接結(jié)果是減少了寄生的電容性輻射。另外，天線在自諧振頻率的功率隨著整個(gè)寄生電容降低而增加(即因?yàn)樽畲蟠磐康漠a(chǎn)生使得天線輻射被優(yōu)化)。此外，由流到周?chē)h(huán)境場(chǎng)地的電容性泄漏電流產(chǎn)生的電容性的輻射天線被抑制，因?yàn)榄h(huán)路中間的電場(chǎng)降低了。結(jié)果，該天線的總歐姆損耗降低了，特別是在具有多圈線圈的天線中。
即使對(duì)于印制在PCB上的環(huán)路，增加太多電容器是不實(shí)用的。累積的電容值變成太大會(huì)有局限性。更確切地說(shuō)，由于增加電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)引起的損耗變成相當(dāng)大。但是，通過(guò)仔細(xì)地選擇調(diào)諧電容器值以及在天線內(nèi)的每個(gè)調(diào)諧電容器的布局，該天線將是對(duì)地平衡的和優(yōu)化的，以減少寄生效應(yīng)和歐姆損耗。
因此，本發(fā)明通過(guò)有選擇地在小型環(huán)形天線的線圈內(nèi)部設(shè)置調(diào)諧電容器，實(shí)現(xiàn)環(huán)形天線對(duì)地的平衡并降低環(huán)形天線寄生效應(yīng)。由本發(fā)明減少的寄生效應(yīng)例如歐姆損耗、內(nèi)部的電容性損耗和向外界地面的電容性損耗。其結(jié)果是提供一種是通用性強(qiáng)、可靠性高的小型環(huán)形天線，它的用途廣泛，包括在電子干擾環(huán)境中的PCB應(yīng)用。根據(jù)互易原理，本發(fā)明可用于平衡發(fā)射天線和接收天線。
附圖簡(jiǎn)要描述

圖1a是現(xiàn)有的天線匹配電路的示意圖；圖1b表示圖1a中所示的天線匹配電路的戴維南(Thevenin)等效電路；圖1c是圖1b所示的天線匹配電路的天線電壓分布圖；圖2a是根據(jù)本發(fā)明的天線匹配電路的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖2b表示圖2a中所示的天線匹配電路的戴維南等效電路；圖2c是圖2b所示的天線匹配電路的天線電壓分布圖；圖3a是根據(jù)本發(fā)明的天線匹配電路的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖3b表示圖3a中所示的天線匹配電路的戴維南等效電路；圖3c是圖3b所示的天線匹配電路的天線電壓分布圖；圖4a是根據(jù)本發(fā)明的天線匹配電路的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖4b表示圖4a中所示的天線匹配電路的戴維南等效電路；圖4c是圖4b所示的天線匹配電路的天線電壓分布圖；圖5a是根據(jù)本發(fā)明的天線匹配電路的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖5b表示圖5a中所示的天線匹配電路的戴維南等效電路；
圖5c是圖5b所示的天線匹配電路的天線電壓分布圖；圖5d表示圖5a所示的環(huán)形天線的可能的實(shí)際實(shí)施方案；圖6a表示在單個(gè)環(huán)形天線的各段中間的寄生電容的效應(yīng)；圖6b表示在天線和周?chē)沫h(huán)境之間的電容的影響；圖7a表示在多環(huán)路圈天線的各圈之間的電容的影響；圖7b表示具有兩個(gè)環(huán)路圈的環(huán)形天線，其中該天線的每一環(huán)路圈一次完成一個(gè)電壓下降；圖8a的曲線圖表示設(shè)置在該天線內(nèi)部的調(diào)諧電容器的百分比對(duì)該天線的串聯(lián)電阻的影響；圖8b的比較曲線表示電纜長(zhǎng)度對(duì)具有天線的接收機(jī)單元的范圍的影響(該天線根據(jù)本發(fā)明被平衡和優(yōu)化)、以及電纜長(zhǎng)度對(duì)具有常規(guī)天線的接收機(jī)單元的范圍的影響。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明在詳述本發(fā)明的實(shí)施例之前，將解釋各種環(huán)形天線寄生效應(yīng)以及它們對(duì)環(huán)形天線性能的影響。圖6a表示在單個(gè)環(huán)形天線的各段中間的寄生電容的影響。環(huán)形天線600是以在該附圖未示出的電壓源激勵(lì)的。這樣，天線電流620在環(huán)形天線中產(chǎn)生。結(jié)果產(chǎn)生如圖所示的電場(chǎng)630。但是，寄生電流640通過(guò)電場(chǎng)630流入。這是電容性電流，對(duì)環(huán)形天線具有負(fù)面影響。例如，寄生電流640離開(kāi)藍(lán)色軌跡并損耗環(huán)形天線輻射。而且，電場(chǎng)630的圖形將象寄生鞭狀天線一樣輻射，其大小和方向取決于環(huán)境因素，諸如方向位置和附近的導(dǎo)電器件。
圖6b表示在天線和周?chē)沫h(huán)境中間電容的影響。如果環(huán)形天線670表面上的電壓不同于GND 680，在天線680和環(huán)境(特別是連接到GND680(地)的環(huán)境導(dǎo)體)之間將產(chǎn)生電場(chǎng)685。該環(huán)境包括PC的所有相關(guān)設(shè)備，諸如電纜，外圍設(shè)備和其它插塞式電源設(shè)備。電場(chǎng)685將具有相關(guān)的漏泄電流，因此產(chǎn)生寄生的輻射效應(yīng)。該相關(guān)電流的大小和極性取決于在該天線的每段上的表面電壓值。這些電流將增加寄生輻射圖形而與實(shí)際的環(huán)路輻射圖形組合。通過(guò)降低寄生電流可以減小這個(gè)寄生天線。有可能通過(guò)以下方式減少寄生電流(1)降低天線段的電壓(電流正比于電壓)，和(2)在對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的天線段使電壓具有相反的極性(以致它們彼此抵消)。
圖7a表示在多圈(一圈以上)環(huán)形天線的各圈中間寄生電容的影響。所示的本實(shí)施例示出兩圈環(huán)形天線700。當(dāng)采用電壓705激勵(lì)天線700時(shí)，產(chǎn)生天線電流710。正如可以看到的，環(huán)形天線的兩圈之間的寄生電容720將使天線電流710的一部分730改變方向，因此電流730沿天線的導(dǎo)體流動(dòng)一圈而不是兩圈。兩圈之間的平均電壓715是V/2。
在該導(dǎo)體工作在它的自諧振頻率的特定情況下，天線電流710的一半將流經(jīng)寄生電容720，天線電流710的一半流經(jīng)該導(dǎo)體的兩個(gè)圈。這是因?yàn)榧纳娙萜鞯碾娍够旧系扔谠搶?dǎo)體的電抗。因此天線電流710的一半具有兩圈天線的效率，一半只具有單圈天線的效率。因此該天線的有效圈數(shù)是1.5而不是2。該圈數(shù)稱(chēng)作N，它對(duì)于輻射電阻(Rr)計(jì)算是重要的，如在以下公式中所示Rr＝(20(SaN)2w4)/C4。因此好的天線要求寄生環(huán)路電容最小化。
另外，在環(huán)形天線印制在環(huán)氧樹(shù)脂上的情況下，兩圈之間的電容取決于環(huán)氧樹(shù)脂材料的介電常數(shù)。在更高的頻率，環(huán)氧樹(shù)脂材料還可能具有顯著的相關(guān)損耗。降低這個(gè)寄生電容會(huì)進(jìn)一步使該天線在調(diào)諧天線中心頻率具有較小的容限(tolerance)，因此具有較小的調(diào)諧損耗。另外，該天線將具有更小的歐姆損耗。
圖7b表示具有兩個(gè)環(huán)路圈的環(huán)形天線750，其中根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)連接調(diào)諧電容器770，環(huán)形天線750的每一圈一次完成電壓降760。當(dāng)兩圈之間的電流780基本上為零時(shí)，在環(huán)形天線750上的最大電壓加倍，正如各相鄰圈的相應(yīng)點(diǎn)之間沒(méi)有電壓差。因此抵消了寄生電容。在天線圈被印制在PCB的兩側(cè)和圈中間的寄生電容被抵消的情況下，該天線對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂參數(shù)的靈敏度大大降低了。
現(xiàn)在討論天線匹配。小型環(huán)形天線在它的工作頻率具有電感性阻抗。通常，通過(guò)連接天線到呈現(xiàn)電容性阻抗的匹配網(wǎng)路調(diào)諧該天線來(lái)改進(jìn)它的效率和選擇性。匹配網(wǎng)路是這樣設(shè)計(jì)的在期望的工作頻率，感抗和容抗彼此抵消。圖1a表示按常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的天線匹配電路的示意圖。電感器120和電阻器125表示該電路的天線部分。電感器120可以是單個(gè)圈環(huán)路或者多圈環(huán)路(兩圈或者多圈)。電阻器125表示該天線在工作頻率的總電阻。該總電阻包括直流電阻、由于趨膚效應(yīng)引起的損耗電阻和輻射電阻。在該電路中電阻125的實(shí)際配置是不相關(guān)的。它只是代表該天線的總電阻。110和115是調(diào)諧電容器。信源100以及源電阻105只是用于向調(diào)諧天線電路提供電壓。電容器110和115是如此選擇的在天線的工作頻率，它們提供基本上與電感器120的感抗相等的一個(gè)容抗。通常，該容抗是與感抗相位相差180度。這樣，兩個(gè)電抗性阻抗總的大小基本上為零。因此，當(dāng)天線運(yùn)行在其工作頻率時(shí)，電阻105和125代表該天線中的唯一的電阻。
圖1b表示圖1a中所示的天線匹配電路的戴維南等效電路。這個(gè)等效電路是用于簡(jiǎn)化論述。根據(jù)戴維南定理，包括電壓源和串聯(lián)阻抗的等效電路可以代替任何兩端交流(ac)網(wǎng)絡(luò)。因此，圖1a所示的并聯(lián)部件電容器110和電阻105轉(zhuǎn)換為包含電阻155和電容111(電容111未示出)的復(fù)數(shù)阻抗，它們與電源100的戴維南等效電源150串接。電容111和115彼此串聯(lián)并且以圖1b所示的電容160表示。如上所述，當(dāng)該電路在工作頻率加電時(shí)，由160表示的容抗具有的大小基本上等于由電感器165提供的感抗和與該感抗相比基本上為180度的相位差。因此，在完全匹配的天線電路中，沒(méi)有電抗性阻抗，并且電阻155等于該天線在工作頻率時(shí)的總電阻170。
典型的天線呈現(xiàn)大的品質(zhì)因數(shù)(Q因數(shù))，它在天線電路的電抗部分使得電壓增大。例如，圖1b所示的電感器165的一端連接到地175(GND)。電壓172代表在該點(diǎn)的電壓。在電感器165的另一端的電壓是電壓162，它等于Q*電源150，這里的Q是該天線的負(fù)載Q因數(shù)。在該天線的平均電抗性電壓(Vavg)可表示為(電壓162-電壓172)/2，但是因?yàn)殡妷?72是接GND 175，該等式可以簡(jiǎn)化為(電壓162)/2。Vavg還可以被稱(chēng)為該天線的平衡點(diǎn)。電壓157代表電容160和電阻155之間的電壓。
在理想的情況，由電源150產(chǎn)生的所有的天線電流流經(jīng)電感器165的圈，從而使產(chǎn)生的磁通量為最大。其結(jié)果是，從該天線發(fā)射的輻射也是最大的。但是，通過(guò)該天線之環(huán)路段上的變化電壓產(chǎn)生寄生電容。這些電容可以存在于電感器165的圈之間，或者可以存在于天線表面和周?chē)h(huán)境中的接地物之間。結(jié)果，一部分的天線電流流經(jīng)這些寄生電容而不是完全地流過(guò)電感器165的圈(也稱(chēng)為天線導(dǎo)體或者天線導(dǎo)線)。例如，一部分的天線電流在電感器165的圈之間流動(dòng)而不是完全地通過(guò)電感器165的圈。使一部分天線電流改變方向而通過(guò)這些寄生電容的效果是減少了所期望產(chǎn)生的磁通量以及由該天線發(fā)出的所期望的輻射。而且，在寄生電容兩端對(duì)于環(huán)境場(chǎng)地的電位差產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。所產(chǎn)生的電場(chǎng)實(shí)質(zhì)上一個(gè)寄生的電容性天線，它能夠干擾所期望的電感性環(huán)形天線輻射圖形。
圖1c是圖1b所示的天線匹配電路的天線電壓分布曲線圖。電壓172在GND 175。但是，隨著沿著天線導(dǎo)線(電感器165)之長(zhǎng)度的增大，該天線電壓也線性地增大，直到電壓162，其中，天線電壓達(dá)到它的最大值。該環(huán)形天線導(dǎo)線的總長(zhǎng)度可以通過(guò)把環(huán)路段166的長(zhǎng)度與環(huán)路段167的長(zhǎng)度相加而計(jì)算出來(lái)?？缃犹炀€的電壓是電壓162和電壓172之間的差。在電容160兩端的電壓是電壓162和電壓157之間的差。總之，在電感器165兩端產(chǎn)生的電抗性電壓由電容160吸收。因此，該電抗性電壓被抵消，該天線電路是匹配的。
參考圖1c，該圖描述的電感器165具有兩個(gè)環(huán)路段166和167。正如前面指出的那樣，該天線的Vavg是(電壓162)/2。因此，這個(gè)天線對(duì)于(電壓162)/2是平衡的，而對(duì)GND 175則不是，從而使天線易受由于到周?chē)h(huán)境場(chǎng)地的寄生漏泄電流引起的效率低之影響。這個(gè)問(wèn)題在圖6a和6b中示出。而且，如果環(huán)路段166和167分別表示一個(gè)兩圈環(huán)形天線的第一圈和第二圈，則在兩圈之間的平均電抗性電壓也是(電壓162)/2。正如在前面說(shuō)明的，圈之間的這個(gè)電位差最終在多圈環(huán)形天線的圈之間產(chǎn)生電抗性通道。結(jié)果是，輸出到該天線的工作電流的一部分在環(huán)路之間流動(dòng)而不是流經(jīng)該天線的導(dǎo)體。因此，未獲得最佳的輻射。這個(gè)問(wèn)題在圖7a中示出。
本發(fā)明提供一種技術(shù)，以抵消這些不希望出現(xiàn)的寄生效應(yīng)并使天線對(duì)地平衡。圖2a是根據(jù)本發(fā)明的天線匹配電路的示意圖。電感器220和電阻器225表示該電路的天線部分。電感器220可以是單圈環(huán)路或者多圈環(huán)路(兩圈或者多圈)。電阻225表示該天線在工作頻率的總電阻，如在上面說(shuō)明的。如前所述，電阻225沿該天線的實(shí)際位置是不相關(guān)的。它的含義只表示它的存在。電源200以及電源電阻205也只是用于向該電路提供電壓。關(guān)于電源200，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，盡管本發(fā)明在此的敘述是考慮到發(fā)射天線，互易原理使得該敘述同樣地適用于接收天線。正如可以看到的，有三個(gè)調(diào)諧電容器電容器210、電容器215和電容器230。電容器215串接在電感器220的一端。電容器230串接在電感器220的另一端。電容器210跨接于電容器215、電感器220和電容器230的串聯(lián)組合支路之兩端。
圖2b表示圖2a中所示的天線匹配電路的戴維南等效電路。電阻270是該天線在工作頻率的總電阻。圖2a所示的電容器210和電阻205之并聯(lián)部件被轉(zhuǎn)換為包含電阻255和電容211(電容211未示出)的復(fù)數(shù)阻抗，它們以串聯(lián)方式連接電源250，即電源200的戴維南等效電源。電容211、電容215和電容230彼此串聯(lián)，因此可以用一個(gè)單個(gè)的容抗代表。但是，并不是把電容211、電容215和電容230的總電容表示為一個(gè)電容，它被分為兩個(gè)串聯(lián)電容，表示為電容260和電容275，如圖2b中所示的。為了實(shí)現(xiàn)與圖1b中電容160所提供的匹配電抗基本上相同的匹配電抗，電容260和電容275各個(gè)都具有基本上兩倍于電容160的值(但是，注意，圖2a的電容器210是基本上等于圖1a的電容器110)。以這種方式選擇電容260和電容275保證該天線電壓相對(duì)于GND 277是平衡的。雖然在圖1b和2b中總的串聯(lián)電容基本上是相同的，它被重新分配(如圖2b中所示)以使該天線的平均電抗性電壓(Vavg)大約是零伏(GND 277)。因?yàn)閂avg為GND，該天線的總電場(chǎng)產(chǎn)生/接收將被抵消，從而使存在于該天線表面的電抗性電壓的負(fù)面寄生效應(yīng)最小化。
可能的情況是，有些應(yīng)用可能要求不同的、非對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，其中電容260和電容275基本上不相等。例如，電容260之值可以具有電容160之值的40％，而電容275之值具有電容160之值的60％。例如，在天線導(dǎo)線具有非均勻?qū)挾鹊那闆r，這樣的結(jié)構(gòu)可能是需要的。根據(jù)所期望的天線性能，也可以采用其它的百分比分解。因此，根據(jù)本發(fā)明的原理，也可獲得不對(duì)稱(chēng)的平衡。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將把電容260識(shí)別為圖2a的電容器210和電容器215的符號(hào)表示，把電容275識(shí)別為圖2a的電容器230的符號(hào)表示。在本領(lǐng)域被充分理解的是，在電感性阻抗量被電容性阻抗量抵消時(shí)，諧振電路(例如運(yùn)行在它的工作頻率的天線電路)被調(diào)諧。其結(jié)果是，只保留純電阻分量而電抗分量是零。在圖2b的情況下，以電阻255和電阻270表示這些電阻分量。對(duì)于完全匹配的電路，這兩個(gè)電阻肯定是彼此基本上相等。因此，選擇由電容器210、215和230表示的總電容，以造成這個(gè)影響?？梢圆捎镁W(wǎng)絡(luò)分析器以檢驗(yàn)電容器的選擇。作為選擇，電容器值可以由人工計(jì)算或者借助計(jì)算機(jī)程序計(jì)算。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，用于確定需要的調(diào)諧電容量的方法有很多。
參考圖2b，電壓272代表電容275和電感器265的一端之間的電壓。電壓262代表電容260和電感器265的另一端之間的電壓。電壓256代表電容260和電源250之間的電壓。電壓278為GND277，代表電容275和電源250之間的電壓。在該天線之工作頻率的容抗和感抗彼此抵消，并且電壓256和278為GND。
圖2c是圖2b所示的天線匹配電路的天線電壓分布曲線圖。電壓278接GND277?？缃与娙?75的電壓是電壓278和電壓272之間的差，其中電壓272代表在該天線上的最大負(fù)電壓。電感器265分為兩個(gè)環(huán)路段267和266，包括天線導(dǎo)線的長(zhǎng)度或者輻射面。隨著沿天線導(dǎo)線之長(zhǎng)度增大，該天線電壓也線性增大，直到電壓262，這里，該天線電壓為它的最大正電壓。在天線兩端的電壓是電壓262和電壓272之間的差。在電容260兩端的電壓是電壓262和電壓256之間的差?？傊谠撎炀€上的電壓從接地GND277的電壓278開(kāi)始。電容275對(duì)電壓272提供一個(gè)電壓降。然后天線電壓線性上升直到電壓262，其中電容260對(duì)電壓256提供第二電壓降，它實(shí)際上接GND 277。因此，該天線是完全匹配的，因?yàn)橥Ｖ购烷_(kāi)始電壓是在相同的電位(GND)。而且，該天線是平衡的，因?yàn)榭缃釉撎炀€的平均電抗性電壓基本上是0伏。
參見(jiàn)圖2c，該圖描述的電感器265具有267和266兩段。在天線端子(即跨接電感器265)的實(shí)際電壓差被計(jì)算為Q*電源250。之所以如此，是因?yàn)榧词拐{(diào)諧電容器的電抗已經(jīng)重新分配，當(dāng)考慮Q時(shí)，其串聯(lián)效應(yīng)通常是相同的。這個(gè)結(jié)論是基于以下假設(shè)圖2b的電容260和電容275每個(gè)基本上是圖1b的電容160之值的兩倍。但是，在圖2所示的跨接該天線的電壓不再參照GND，不像圖1b的天線那樣。更確切地說(shuō)，跨接該天線的電壓是參照電壓272，因?yàn)檎{(diào)諧電容被分為兩個(gè)部件(電容260和電容275)，分別設(shè)置在該天線的環(huán)路段267和266的之前和之后。
天線的Vavg等于(電壓262＋電壓272)/2。在電容275兩端的電壓基本上等于跨接環(huán)路段266的電壓。然而，這些相應(yīng)的電壓具有相反的極性，因此相互抵消。類(lèi)似地，在電容260兩端的電壓基本上等于跨接環(huán)路段267的電壓。這些相應(yīng)的電壓也具有相反的極性，因此相互抵消。由于高于和低于GND 277的電壓的抵消，其結(jié)果是，Vavg基本上是0伏。因此，該天線的平衡點(diǎn)基本上是在GND 277。然而應(yīng)該注意的是，電感器265的環(huán)路段266和267之間的平均電抗性電壓基本上等于電壓262。因此，環(huán)路段之間的電容未被抵消。
圖3a是根據(jù)本發(fā)明的天線匹配電路的示意圖。該天線的導(dǎo)體包含環(huán)路段315和環(huán)路段330。該導(dǎo)體可以是單圈環(huán)路或者多個(gè)圈環(huán)路(兩圈或兩個(gè)以上的圈)。電阻器320是代表該天線在其工作頻率時(shí)的總電阻。電源300以及電源電阻305代表向該天線電路提供電壓的通用裝置。電容器310和電容器325是調(diào)諧電容器。調(diào)諧電容器310連接在該天線的環(huán)路段315和330的外端之間。調(diào)諧電容器325被有選擇地設(shè)置在該天線的環(huán)路段315和330的內(nèi)端之間并且提供極性變換，從而根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該天線的平衡和優(yōu)化。在匹配計(jì)算期間，電容器325和電容器310的值被確定并取決于電阻器305和電阻器320的比值。
在環(huán)路段315和環(huán)路段330之間設(shè)置電容器325的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有額外的串聯(lián)電容器必須被加到該天線上。例如，圖2a的天線匹配電路與圖1a比較要求一個(gè)附加的電容器，而圖3的天線匹配電路不要求附加的電容器。因此，由于電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)有損耗小的益處，在低損耗環(huán)形天線應(yīng)用的情況下可能是有益的。
圖3b表示圖3a中所示的天線匹配電路的戴維南等效電路。電阻器370是該天線在其工作頻率時(shí)的總電阻。在圖3a中所示的并聯(lián)部件電容器310和電阻305被轉(zhuǎn)變成包含電阻355和電容360的復(fù)數(shù)阻抗，它們與電源300的戴維南等效電源350串接。電容器325由圖3b所示的電容375代表。而電容360串接在環(huán)路段365之前，電容375有選擇地串接在環(huán)路段365和環(huán)路段380之間。通過(guò)在環(huán)路段365和環(huán)路段380之間設(shè)置電容375并且不在環(huán)路段380的GND 384之端，該天線的平衡點(diǎn)被移動(dòng)。
參見(jiàn)圖3b，電壓382代表在環(huán)路段380的GND 384之端的電壓。電壓362是在環(huán)路段365的一端和電容360之間的電壓。電壓357是在電容360的另一端和電阻355之間的電壓。電壓377是在環(huán)路段380的另一端和電容器375之間的電壓。電壓372是在電容器375和環(huán)路段365的另一端之間的電壓。
圖3c是圖3b所示的天線匹配電路的天線電壓分布圖。該天線導(dǎo)體被分解為環(huán)路段365和環(huán)路段380，它們包括天線導(dǎo)線的長(zhǎng)度或者輻射面。電壓382是接GND 384。在環(huán)路段380兩端的電壓是電壓377和電壓382之間的差值。但是，因?yàn)殡妷?82是在GND 384，該等式可以簡(jiǎn)化為電壓377，它代表在該天線上的最大正電壓。在電容375兩端的電壓是電壓377和電壓372之間的差值。在這個(gè)特殊的實(shí)施例中，由于電容375的設(shè)置，電壓372之值大于電壓377之值。更具體地說(shuō)，電容375所設(shè)置的位置更接近該天線導(dǎo)線之一端而不是在該天線導(dǎo)線之中間。以下將詳述在該天線內(nèi)的調(diào)諧電容器的實(shí)際設(shè)置。在環(huán)路段365兩端的電壓是電壓362和電壓372之間的差值。在電容360兩端的電壓是電壓362和電壓357之間的差值。由于電壓357實(shí)際上是GND，因此在電容360兩端的電壓等于電壓362。
參見(jiàn)圖3c，該圖描述了如具有環(huán)路段365和環(huán)路段380的天線。如果這些環(huán)路段的長(zhǎng)度相等，則電壓362是0伏。在這樣的情況下，得到的電壓分布曲線圖的形狀是對(duì)稱(chēng)的蝴蝶形，其中Vavg基本上是0伏。但是，為了獲得該對(duì)稱(chēng)的蝴蝶形(即電阻320等于電阻305)，電容360的值應(yīng)該是無(wú)窮大(或者電容器310應(yīng)該是零)。因?yàn)檫@樣的配置是不實(shí)際的，本發(fā)明提供一種解決方案。由于調(diào)諧電容375是沿著天線導(dǎo)線移動(dòng)的，可以調(diào)整天線的平衡點(diǎn)。在這個(gè)實(shí)施例中，Vavg基本上是0伏。無(wú)論該電壓分布圖中的對(duì)稱(chēng)性如何，設(shè)置電容375的一個(gè)目的是在GND 384之上所具有的電壓分布表面面積，要相同于在GND384之下的電壓分布表面面積。因此，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)GND平衡的天線時(shí)，可以選擇電容375的位置。另一種方法是，根據(jù)基爾荷夫(Kirchhoff)電壓定律，沿著天線導(dǎo)線設(shè)置附加的串聯(lián)的電容器，可以減少在該天線上的峰值電壓377和372。
在一個(gè)實(shí)施例中，包含多個(gè)環(huán)路段的天線可以被制作在PCB上。這些環(huán)路段可以都在PCB的一側(cè)，在PCB的兩個(gè)外側(cè)之間分開(kāi)，或者在多層PCB的不同層之間分開(kāi)。制作在PCB上的環(huán)形天線被稱(chēng)為印制環(huán)路。采用這種印制環(huán)路，通過(guò)蝕刻包括該印制環(huán)路的導(dǎo)體的一部分，可以較容易地完成在環(huán)路段之間安裝串聯(lián)電容器并連接所需電容器的過(guò)程。根據(jù)應(yīng)用情況，采用焊接或者其它適當(dāng)?shù)氖侄芜B接該電容器。包括該天線的環(huán)路段也可以是實(shí)際的繞線型電感器，這些電感器具有在它們之間串接的調(diào)諧電容器。不管所選擇的實(shí)施例，采用以下公式選擇沿天線導(dǎo)線設(shè)置調(diào)諧電容器的位置x/L＝1－(w2*La*Cx)/2，式中x是所得到的距離，L是天線導(dǎo)線之長(zhǎng)度，w是2*PIE*工作頻率，La是天線導(dǎo)線的電感器值，Cx是設(shè)置在環(huán)形天線內(nèi)的調(diào)諧電容器(例如，Cx是圖3a的電容器325或者圖3b的電容器375)。所得到的距離是從天線導(dǎo)線的GND端計(jì)量的。L的單位控制x的單位。
Cx的值取決于接收機(jī)電路的實(shí)際匹配阻抗和天線損耗電阻。例如，下列公式用于確定圖1a的電容器325和360的值c1=(ω2·L+-R2·ω2+Ri·R·ω2)[ω2·(R2+ω2·L2-Ri·R)]]]>c2=c1(1-ω2·c1·L)(R2·c12·ω2+c12·L2·ω4-2·ω2·c1·L+1)]]>式中c1＝電容器325，c2＝電容器310，Ri＝電阻305，R＝電阻320，和L＝包含環(huán)路段320和330的天線導(dǎo)體的電感。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，這樣的公式不是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所必需的，可以采用其它方法確定該電容器之值，比如史密斯圓圖技術(shù)。
一旦知道了Cx，x/L可以計(jì)算出。結(jié)果應(yīng)該是正數(shù)并小于1。然后，x/L乘以L獲得Cx的期望位置。作為一個(gè)計(jì)算示例，考慮一個(gè)方形的、一圈的印制環(huán)形天線，它具有6厘米×4厘米的尺寸和27MHz的工作頻率。因此L是20厘米(通過(guò)2*(長(zhǎng)度+寬度)計(jì)算出來(lái))。假定La等于0.6uH，Cx等于18pf，x/L等于0.845。然后以L乘以這個(gè)結(jié)果得出16.892厘米。因此，Cx應(yīng)該被設(shè)置在距離La的GND端16.892厘米的位置。
圖4a是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)天線匹配電路的電氣示意圖。包含環(huán)路段420(環(huán)路圈數(shù)1)和環(huán)路段435(環(huán)路圈數(shù)2)的兩圈導(dǎo)體以及電阻器425代表該電路的該天線部分。電阻器425代表在天線之工作頻率時(shí)的總電阻。電源400以及電源電阻405僅僅是用于為該電路提供電壓。正如圖中可以看到的，有四個(gè)調(diào)諧電容器，即電容器410、電容器415、電容器440和電容器430。電容器415串接到環(huán)路段420的外端。電容器440連接到環(huán)路段435的外端。電容器430連接在環(huán)路段420和環(huán)路段435的內(nèi)端之間。電容器410跨接在電容器415、環(huán)路段420、電容器430、環(huán)路段435和電容器440的串聯(lián)組合。
圖4b表示圖4a中示出的天線匹配電路的戴維南等效電路。電阻器470代表在天線之工作頻率時(shí)的總電阻。在圖4a中表示的并聯(lián)部件電容器410和電阻405被轉(zhuǎn)變成包含電阻455和電容411(電容411未表示)的復(fù)數(shù)阻抗，它們與電源400的戴維南等效電源450串接。電容411、電容器415、電容器430和電容器440相互串聯(lián)，因此可以用符號(hào)表示為單個(gè)容抗，正如先前所述。但是，并不是把它們的組合的串聯(lián)電容表示為一個(gè)電容，它被分布為由電容460、電容490和電容475表示的三個(gè)串聯(lián)的電容，如圖4b中所示。在這個(gè)實(shí)施例中，電容460和電容490的電容值大體上相等，各個(gè)電容具有的電容值大體上兩倍于電容475的電容值。但是應(yīng)該注意的是，電容475大體上表示該天線匹配電路之容抗的一半。因此，電容475也表示該天線之感抗的一半。
通常，這樣選擇的電容460、電容490和電容475保證天線電壓不僅僅對(duì)GND492平衡，而且具有環(huán)路段465和480之間基本上為零伏的電壓差。在圖4a中的實(shí)施例提供關(guān)于Vavg的對(duì)稱(chēng)電壓分布，如圖4c所示，但是如前所述，要實(shí)現(xiàn)對(duì)GND平衡的天線，對(duì)稱(chēng)性并不是必需的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，圖4b的電容460代表圖4a的電容器410和415。同樣，圖4b的電容475和490分別代表圖4a的電容器430和440。
參見(jiàn)圖4b，電壓482代表在環(huán)路段480的一端和電容490之間的電壓。電壓462是在環(huán)路段465的一端和電容460之間的電壓。電壓457是在電容460的另一端和電阻455之間的電壓。電壓477是在環(huán)路段480的另一端和電容475之間的電壓。電壓472是在電容475的另一端和環(huán)路段465的另一端之間的電壓。電壓494代表在電源450的GND 492端的電壓。
圖4c是在圖4b中所示的天線匹配電路的天線電壓分布曲線圖。電壓494接GND 492。在電容490兩端的電壓等于電壓494和電壓482之間的差值。但是，因?yàn)殡妷?94是GND 492，該等式可以簡(jiǎn)化為電壓482，它代表在該天線上的最大負(fù)電壓。該天線導(dǎo)體被分解為環(huán)路段465和環(huán)路段480，它們包括天線導(dǎo)線的長(zhǎng)度或者輻射面。由于沿天線導(dǎo)線的距離增加，天線電壓也線性地增大直到電壓477，其中該天線電壓為它的最大正電壓。在天線的環(huán)路段480兩端的電壓等于電壓477和電壓482之間的差值。在電容475兩端的電壓是電壓477和電壓472之間的差值。在天線的環(huán)路段465兩端的電壓是電壓462和電壓472之間的差值。在電容460兩端的電抗性電壓是電壓462和電壓457之間的差值。
關(guān)于在圖4c中表示的實(shí)施例可再做幾點(diǎn)說(shuō)明。首先，電容475大體上被設(shè)置在沿著天線導(dǎo)線的中途。結(jié)果，環(huán)路段465和環(huán)路段480的長(zhǎng)度大體上相等，每個(gè)環(huán)路段是天線導(dǎo)線之總長(zhǎng)度的一半長(zhǎng)度。第二，電容460和電容490的值大體上相等并且分別設(shè)置在該天線導(dǎo)線的環(huán)路段之前和之后。電容460和和電容490二者提供基本上相等大小的極性變換。因此，電壓494和電壓482之間的差基本上等于電壓462和電壓457之間的差。第三，電容475基本上是電容460或者電容490的電容值的一半。結(jié)果，在電容475兩端的電壓是電容460或者電容490兩端之電壓的兩倍。第四，天線的平均電抗性電壓(Vavg)，即該天線的平衡點(diǎn)基本上是GND 492。即，在天線上的電抗性電壓具有一個(gè)正的分量和一個(gè)負(fù)的分量，并且正的分量基本上等于負(fù)的分量。第五，環(huán)路段465在沿其長(zhǎng)度的任何指定點(diǎn)所具有的電抗性電壓，與在沿環(huán)路段480長(zhǎng)度的相應(yīng)點(diǎn)的電抗性電壓基本相同。由此可見(jiàn)，環(huán)路段之間的電抗性電壓差基本上是0伏(圖7b及其說(shuō)明進(jìn)一步解釋這個(gè)第五點(diǎn))。第六，該電壓分布曲線圖的線性部分對(duì)應(yīng)于環(huán)路段上的電壓，在電壓分布曲線圖上所示的極性變換對(duì)應(yīng)于調(diào)諧電容器上的電壓。
因此，在圖4a、4b和4c中描述的本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種天線，該天線對(duì)GND是平衡的，并且在包括該天線導(dǎo)體的環(huán)路段之間具有很小的電抗性電壓之差。其結(jié)果是，對(duì)外部環(huán)境和在環(huán)路段之間的電容性泄漏電流被顯著地減少了。由于產(chǎn)生了更大的通量，天線效率相應(yīng)地增大了。此外，對(duì)在周?chē)沫h(huán)境中的接地導(dǎo)體的靈敏度被降低了，這是因?yàn)橛捎跍p少了電容性的泄漏電流，就減少了由寄生的電容性天線效應(yīng)所發(fā)出的不希望的輻射。而且，通過(guò)在天線導(dǎo)線的相應(yīng)端設(shè)置容抗，該容抗是相對(duì)的環(huán)路段之間的容抗的大體一半，歸因于調(diào)諧電容器的ESR被減少了，從而也有助于提高天線效率?？傊?，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該小型環(huán)形天線是平衡的及充分優(yōu)化的。
圖5a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)天線匹配電路的示意圖。在這個(gè)特定的實(shí)施例中，該天線包括由環(huán)路圈520、環(huán)路圈530、環(huán)路圈540和環(huán)路圈545組成的一個(gè)四圈環(huán)路。每個(gè)圈被稱(chēng)為一個(gè)環(huán)路段或一個(gè)環(huán)路圈。電阻器515代表天線導(dǎo)線的串聯(lián)電阻。如圖所示，電容器525、電容器535和電容器510是有選擇地設(shè)置。具體地說(shuō)，電容器525串接在環(huán)路段520和環(huán)路段530之間。電容器535串接在環(huán)路段530和環(huán)路段540之間。電容器510串接在環(huán)路段520和環(huán)路段545之間(跨過(guò)該天線)。電源500和電源電阻505用于為該電路提供電壓。這個(gè)實(shí)施例可以在一個(gè)PCB上實(shí)現(xiàn)，其中，環(huán)路段520和環(huán)路段530在該P(yáng)CB的一側(cè)，而環(huán)路段540和環(huán)路段545在PCB的另外一側(cè)。環(huán)路段520和環(huán)路段545通過(guò)該P(yáng)CB彼此相鄰，而環(huán)路段530和環(huán)路段540也通過(guò)PCB彼此相鄰。其它配置或者繞組結(jié)構(gòu)是可能的。這個(gè)實(shí)施例只是提供作為一個(gè)示例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解本發(fā)明所適用之配置的寬范圍。選擇電容器值，使得在PCB的相對(duì)側(cè)的相應(yīng)的相鄰圈具有基本上相同的電抗性電壓，從而抵消寄生電容。
圖5b表示圖5a中所示的天線匹配電路的戴維南等效電路。在圖5a中所示的并聯(lián)部件電容器510和電阻505被轉(zhuǎn)變成包含電阻560和電容511(電容511未示出)的復(fù)數(shù)阻抗，它們與電源500的戴維南等效電源555串接。電容511、電容525和電容535彼此串聯(lián)，因此可以作為單個(gè)容抗用符號(hào)表示，正如先前所解釋的。但是，并不是把它們組合的串聯(lián)電容表示為一個(gè)電容，它被分布為由電容580、電容590和電容565表示的三個(gè)串聯(lián)的電容，如圖5b中所示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，圖5b的電容565是圖5a的電容器510的戴維南變換，圖5b的電容590和580分別代表圖5a的電容器535和525。
在這個(gè)實(shí)施例中，電容590和電容565之值大體上相等，每個(gè)電容具有的電容量?jī)杀队陔娙?80的電容量。然而應(yīng)該注意的是，電容580大體上表示天線匹配電路的容抗的一半。由此可見(jiàn)，電容580也大致等于天線導(dǎo)體之感抗的一半。還要注意的是，在該天線內(nèi)配置了該天線匹配電路的大約75％的容抗。具體地說(shuō)，電容590是設(shè)置在環(huán)路圈595和585之間，并且抵消該天線導(dǎo)體的25％的感抗。而且，電容580是設(shè)置在環(huán)路圈595和575之間，并且抵消該天線導(dǎo)體的50％的感抗。通常，這樣選擇的電容580、電容590和電容565保證天線電壓不僅對(duì)GND平衡，而且在環(huán)路段之間(例如，在彼此相鄰的環(huán)路段而又在PCB的相對(duì)層上)具有零電壓差。在圖5a中所示的實(shí)施例提供了一種關(guān)于Vavg的不對(duì)稱(chēng)電壓分布，但是正如可以看到內(nèi)容所述，根據(jù)本發(fā)明，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)GND平衡和使寄生電容最為適宜的天線，對(duì)稱(chēng)性并不是必需的。
參見(jiàn)圖5b，電壓559代表環(huán)路段575的GND 557之端和電源555之間的電壓。電壓577是在環(huán)路段575的另一側(cè)和電容580之間的電壓。電壓582是在電容580的另一端和環(huán)路段585的一端之間的電壓。電壓587是在環(huán)路段585的另一端和電容器590之間的電壓。電壓592是在環(huán)路段595的一端和電容590的另一端之間的電壓。電壓596代表在環(huán)路段595的另一端和在環(huán)路段598的一端的電壓。電壓567代表在環(huán)路段598的另一端和電容565之間的電壓。電壓562代表在電容565的另一端和電阻560之間的電壓。
圖5c是在圖5b中所示的天線匹配電路的天線電壓分布圖。電壓559是在GND 557。在環(huán)路段575兩端的電抗性電壓等于電壓577和電壓559之間的差值。但是，因?yàn)殡妷?59是GND 557，該等式可以簡(jiǎn)化為電壓577，它代表在該天線上的最大正電壓。該四圈環(huán)形天線導(dǎo)線被分解為環(huán)路段575、環(huán)路段580、環(huán)路段595和環(huán)路段598，它們包括該天線導(dǎo)線的長(zhǎng)度或輻射面。每個(gè)環(huán)路段代表該環(huán)路的一圈。隨著沿天線導(dǎo)線的距離增加，天線電壓也線性地增大，直到電壓577，其中的電容580提供極性變換。更具體地說(shuō)，電容580的容抗是環(huán)路段575的感抗大小的兩倍。結(jié)果，電壓577和電壓582之間的差基本上兩倍于電壓577和電壓559之間的差。
在環(huán)路段585兩端的電壓是電壓582和電壓587之間的差值。因?yàn)殡娙?80被選擇為環(huán)路段575的電抗之兩倍，以及因?yàn)榄h(huán)路段575與585的長(zhǎng)度和電抗是相等的，所以電壓587是零。因此，在環(huán)路段585兩端的電壓是電壓582，它代表在該天線的最大負(fù)電壓。由于沿著包括環(huán)路段585的部分天線導(dǎo)線的距離增加，天線電壓也線性地增大直到電壓587，其中，電容590提供另一個(gè)極性變換。更具體地說(shuō)，電容590的容抗大體上等于環(huán)路段585的感抗的大小。因此，電壓587和電壓582之間的差基本上等于電壓587和電壓592之間的差。
在環(huán)路段595兩端的電壓是電壓592和電壓596之間的差。因?yàn)樗x擇的電容590具有與環(huán)路段585基本上相同的電抗，以及因?yàn)榄h(huán)路段585與595的長(zhǎng)度和電抗是相等的，所以電壓596是零。因此，環(huán)路段595兩端的電壓是電壓592，它基本上等于電壓582。由于沿著包括環(huán)路段595的部分天線導(dǎo)線的距離增加，天線電壓也線性地增大直到電壓596，其中，包括環(huán)路段598的部分天線導(dǎo)線開(kāi)始。因?yàn)闆](méi)有調(diào)諧電容器引起極性變換，隨著沿著環(huán)路段598的距離的增加，天線電壓繼續(xù)線性地增大，直到電壓567，在此，電容器565提供一個(gè)第三極性變換。更具體地說(shuō)，電容565的容抗大體上等于環(huán)路段598的感抗的大小。因此，電壓567和電壓596之間的差基本上等于電壓567和電壓562之間的差。其結(jié)果是，電壓596和電壓562二者實(shí)際上是GND。
雖然在圖5c所示的實(shí)施例的電壓分布曲線圖是不對(duì)稱(chēng)的，如圖4c的曲線圖，每個(gè)曲線描述具有相似特性的天線匹配電路。例如，在兩種情況下，天線的平均電抗性電壓(Vavg)，或者天線的平衡點(diǎn)基本上是GND。并且，在每個(gè)天線內(nèi)的相鄰環(huán)路段之間的電抗性電壓差基本上是0伏。因此，根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例對(duì)GND平衡的，并且對(duì)寄生的電容性的輻射是充分優(yōu)化的。
圖5d表示對(duì)于圖5a所示的環(huán)形天線的一種可能的實(shí)際實(shí)施方案。所示的實(shí)施例是一種四圈、兩層印制環(huán)形天線。三個(gè)電容器510、525和535被用于阻抗匹配。印制環(huán)形天線的具體幾何尺寸是不相關(guān)的。另外，為了圖形清晰度選擇軌跡寬度，在實(shí)際的實(shí)施方案中，軌跡寬度可以被改變。該繞組結(jié)構(gòu)具有環(huán)路圈520和環(huán)路圈545，它們通過(guò)該P(yáng)CB且彼此相鄰，而環(huán)路圈530和環(huán)路圈540通過(guò)PCB彼此相鄰。環(huán)路圈520與環(huán)路圈530是在PCB的相同層。環(huán)路圈540與環(huán)路圈545是在PCB的相同層。正如以上所解釋的，這個(gè)實(shí)施例的性能特性由圖5c的電壓分布曲線圖表示。
圖8a表示在該天線內(nèi)設(shè)置調(diào)諧電容之百分比對(duì)該天線的串聯(lián)電阻的影響。該曲線圖的Y軸代表天線的串聯(lián)電阻中的變化相對(duì)于該天線的總串聯(lián)電阻的百分?jǐn)?shù)。X軸代表設(shè)置在該天線內(nèi)的串聯(lián)的調(diào)諧電容的百分?jǐn)?shù)。如圖所示，當(dāng)總串聯(lián)電容的大約60％是在該天線內(nèi)時(shí)(例如，在一個(gè)多環(huán)路圈天線的第一和第二環(huán)路圈之間)，天線串聯(lián)電阻減小大約35％達(dá)到最小值。天線串聯(lián)電阻減少35％轉(zhuǎn)換為天線效率增加35％。
圖8b是一個(gè)比較曲線圖，圖中表示電纜長(zhǎng)度對(duì)含有根據(jù)本發(fā)明而被實(shí)現(xiàn)平衡和優(yōu)化之天線的接收機(jī)單元之范圍的影響(850)，以及電纜長(zhǎng)度對(duì)含有常規(guī)天線的接收機(jī)單元之范圍的影響(860)。每個(gè)接收機(jī)單元之電纜的方位設(shè)置是相對(duì)于該接收機(jī)單元的寄生電容性天線的最大干擾。如圖所示，采用本發(fā)明的接收機(jī)單元的范圍幾乎不受電纜長(zhǎng)度的影響，因?yàn)榧纳娙菪蕴炀€已經(jīng)被抵消(850)。相反，采用常規(guī)天線的接收機(jī)單元由于寄生電容性天線的影響(860)，該接收機(jī)的有效范圍大約減少100厘米。因此，根據(jù)本發(fā)明平衡和優(yōu)化的天線的范圍實(shí)際上與環(huán)境條件是無(wú)關(guān)的，比如與電纜的方位無(wú)關(guān)。因此該天線鏈路的可靠性被顯著地提高。
為了舉例和說(shuō)明，以上已經(jīng)介紹了本發(fā)明的實(shí)施例。但并不期望本發(fā)明的詳盡內(nèi)容或本發(fā)明之范圍限于所公開(kāi)的精確形式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，根據(jù)上面的思想可能實(shí)現(xiàn)許多修改和變化。例如，不同的天線應(yīng)用可以受益于本發(fā)明，不論是在PCB上或者更常規(guī)的手段實(shí)現(xiàn)，比如線繞電感器型天線。
此外，不論天線是單圈環(huán)形天線或是任意多圈的多圈環(huán)形天線，本發(fā)明的原理可以按此處所述的內(nèi)容加以應(yīng)用，因?yàn)樗峁┑睦涌梢员煌茢啵怪畱?yīng)用于任意多圈。而且，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于發(fā)射天線和接收天線。預(yù)定本發(fā)明的范圍不應(yīng)限于這里的詳細(xì)說(shuō)明，而是由所附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于優(yōu)化環(huán)形天線之性能的方法，該環(huán)形天線運(yùn)行在它的工作頻率，該環(huán)形天線具有一個(gè)感抗和一個(gè)導(dǎo)體，該導(dǎo)體含有一個(gè)第一環(huán)路段和一個(gè)第二環(huán)路段，其中用于匹配該環(huán)形天線的感抗所需的總?cè)菘故穷A(yù)定的，該方法包括在該環(huán)形天線的導(dǎo)體的第一環(huán)路段和第二環(huán)路段之間串聯(lián)地分配該總?cè)菘怪徊糠郑瑥亩Ａ粼摽側(cè)菘沟氖Ｓ嗖糠?；及在該環(huán)形天線的導(dǎo)體兩端之間分配該容抗的剩余部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在該天線的環(huán)路段之間串聯(lián)地分配該總?cè)菘怪糠值牟襟E還包括選擇一個(gè)電容器，該電容器提供該總?cè)菘怪摬糠秩菘梗辉谠搶?dǎo)體上確定該電容器的位置；和在該確定的位置連接該電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，在該導(dǎo)體上確定該電容器的位置之步驟還包括沿著該天線的導(dǎo)體在離開(kāi)該導(dǎo)體之一端一個(gè)距離處設(shè)置該電容器，該距離由下式確定x＝[1－(w2*La*Cx)/2]*L
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，有一個(gè)電抗性電壓跨接于該環(huán)形天線的導(dǎo)體之兩端，其中，分配容抗的步驟還包括使環(huán)形天線對(duì)地平衡，致使跨接該天線的平均電抗性電壓基本上是零伏。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，使該天線對(duì)地平衡之步驟包括提供極性變換，使得在該環(huán)形天線的導(dǎo)體兩端的電抗性電壓的基本上一半是正的，在該環(huán)形天線的導(dǎo)體兩端的電抗性電壓的基本上一半是負(fù)的。
6.一種用于優(yōu)化環(huán)形天線之性能的方法，該環(huán)形天線運(yùn)行在它的工作頻率，該環(huán)形天線具有一個(gè)感抗和一個(gè)導(dǎo)體，該導(dǎo)體含有一個(gè)第一環(huán)路段和一個(gè)第二環(huán)路段，每個(gè)環(huán)路段含有一個(gè)內(nèi)端和一個(gè)外端，其中用于匹配該環(huán)形天線的感抗所需的總?cè)菘故穷A(yù)定的，該方法包括在該第一環(huán)路段的內(nèi)端和第二環(huán)路段的內(nèi)端之間串聯(lián)地分配該總?cè)菘沟囊徊糠?，從而保留該總?cè)菘沟氖Ｓ嗖糠?，其中在環(huán)路段之間的該部分電抗基本上等于該感抗的一半；將該容抗的剩余部分劃分為第一子部分、第二子部分和第三子部分，其中該第三子部分的電抗基本上等于該感抗的四分之一；沿著該導(dǎo)體的第一環(huán)路段的外端串接第二子部分；沿著該導(dǎo)體的第二環(huán)路段的外端串接第三子部分；及第二子部分、第一環(huán)路段、第一環(huán)路段和第二環(huán)路段的內(nèi)端之間的部分容抗、第二環(huán)路段和第三子部分相串聯(lián)，在該串聯(lián)支路兩端跨接該第一子部分。
7.一種用于優(yōu)化多圈環(huán)形天線之性能的方法，該多圈環(huán)形天線具有一個(gè)第一環(huán)路圈和一個(gè)第二環(huán)路圈，該第二環(huán)路圈與該第一環(huán)路圈相鄰，該方法包括調(diào)節(jié)第一環(huán)路圈之一個(gè)點(diǎn)的電抗性電壓，以匹配第二環(huán)路圈之相應(yīng)的相鄰點(diǎn)的電抗性電壓，使得該兩點(diǎn)之間的電抗性電壓差基本上是零。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，調(diào)節(jié)該電抗性電壓之步驟還包括提供在該第一和第二圈之間的極性變換，使得該第一圈具有的起動(dòng)電壓基本上等于該第二圈的起動(dòng)電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，該第一環(huán)路圈和該第二環(huán)路圈具有基本上相同的長(zhǎng)度，該調(diào)節(jié)步驟包括調(diào)節(jié)多個(gè)電抗性電壓，每個(gè)電抗性電壓與沿第一環(huán)路圈之長(zhǎng)度的一個(gè)點(diǎn)相關(guān)，使得第一環(huán)路圈的每個(gè)電抗性電壓和與沿著第二環(huán)路圈之相應(yīng)的相鄰點(diǎn)相關(guān)的電抗性電壓基本上相等，導(dǎo)致第一和第二環(huán)路圈的相應(yīng)點(diǎn)之間的電抗性電壓差基本上為零。
10.一種用于優(yōu)化運(yùn)行在其工作頻率的環(huán)形天線之性能的方法，該環(huán)形天線具有一個(gè)感抗和一個(gè)導(dǎo)體，該導(dǎo)體含有一個(gè)第一環(huán)路段和一個(gè)第二環(huán)路段，其中，用于抵消該環(huán)形天線之感抗所需的容抗是預(yù)定的，該方法包括將該容抗分配給第一電容器、第二電容器和第三電容器，其中，該第三電容器的電抗基本上等于該感抗的一半；沿著該導(dǎo)體的第一環(huán)路段的外端串接該第二電容器；沿著該導(dǎo)體的第二環(huán)路段的外端串接該第三電容器；及第二電容器、第一環(huán)路段、第二環(huán)路段和第三電容器相串聯(lián)，在該串聯(lián)支路兩端跨接該第一電容器。
11.一種天線電路，包括一個(gè)電感器，具有一個(gè)第一環(huán)路段和一個(gè)第二環(huán)路段，每個(gè)環(huán)路段具有一個(gè)內(nèi)端和一個(gè)外端，該電感器具有一個(gè)感抗和跨接其兩端的電抗性電壓，該電感器用于接收或者產(chǎn)生輻射信息；一個(gè)第一容抗，它串聯(lián)在該電感器的第一和第二環(huán)路段的內(nèi)端之間，該第一容抗用于提供第一電抗性電壓，它的幅度與該電感器兩端的電抗性電壓的第一分量基本上相等，它的相位與該電感器兩端的電抗性電壓的第一分量基本上相差180度，從而保留該電感器兩端的電抗性電壓的剩余分量；及一個(gè)第二容抗，它跨接在該第一和第二環(huán)路段的外端之間，該第二容抗用于提供一個(gè)第二電抗性電壓，它的幅度與該電感器兩端的電抗性電壓的剩余分量基本上相等，它的相位與該電感器兩端的電抗性電壓的剩余分量基本上相差180度。
12.一種環(huán)形天線電路，包括一個(gè)電感器，具有一個(gè)第一環(huán)路段和一個(gè)第二環(huán)路段，每個(gè)環(huán)路段具有一個(gè)內(nèi)端和一個(gè)外端，該電感器具有一個(gè)感抗和跨接其兩端的電抗性電壓，該電感器用于接收或者產(chǎn)生輻射信息；一個(gè)第一容抗，它串聯(lián)在該第一和第二環(huán)路段的內(nèi)端之間，該第一容抗用于提供一個(gè)第一電抗性電壓，它的幅度與該電感器兩端的電抗性電壓的第一分量基本上相等，它的相位與該電感器兩端的電抗性電壓的第一分量基本上相差180度，從而保留該電感器兩端的電抗性電壓的剩余分量；一個(gè)第二容抗，它沿著該電感器的第一環(huán)路段之外端串接；一個(gè)第三容抗，它沿著該電感器的第二環(huán)路段之外端串接；及一個(gè)第四容抗，它跨接由第二容抗、第一環(huán)路段、第一容抗、第二環(huán)路段和第三容抗串聯(lián)組合的支路。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的天線匹配電路，其中，該第一容抗基本上等于該感抗的一半，該第三容抗基本上等于該感抗的四分之一。
14.一種環(huán)形天線電路，包括一個(gè)電感器，具有跨接其兩端的電抗性電壓，及多個(gè)環(huán)路段，其中一個(gè)第一環(huán)路段和一個(gè)第二環(huán)路段彼此相鄰，該電感器是用于接收或者產(chǎn)生輻射信息；及一個(gè)容抗，它所具有的電抗性電壓等于在該電感器兩端的電抗性電壓的一部分，所具有的電抗性電壓之相位與該電感器兩端的電抗性電壓之相位相差180度，該容抗串接在第一環(huán)路段和第二環(huán)路段之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的環(huán)形天線電路，其中，該容抗的電抗性電壓基本上等于跨接在該第一或第二環(huán)路段兩端的電抗性電壓，并且與其相位相差180度。
16.一種用于優(yōu)化運(yùn)行在其工作頻率的環(huán)形天線之性能的方法，該環(huán)形天線具有一個(gè)感抗和一個(gè)導(dǎo)體，該導(dǎo)體含有組成該導(dǎo)體之長(zhǎng)度的多個(gè)環(huán)路段，其中，用于抵消該環(huán)形天線的感抗所需的容抗是預(yù)定的，該方法包括在該多個(gè)環(huán)路段的每一相應(yīng)對(duì)相鄰環(huán)路段之間，串接多個(gè)電容器之子集的一個(gè)電容器，每個(gè)電容器具有一個(gè)電抗性電壓，它基本上等于在該導(dǎo)體上的電抗性電壓的一部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，該子集的多個(gè)電容器所具有的組合容抗等于總?cè)菘沟囊徊糠郑瑥亩Ａ羰Ｓ嗖糠帧?br> 18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括在該環(huán)形天線的導(dǎo)體兩端之間分配該容抗的剩余部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，該子集的多個(gè)電容器的組合容抗基本上等于該感抗的一半，該方法還包括將該容抗的剩余部分劃分為第一子部分、第二子部分和第三子部分，其中，第三子部分的電抗基本上等于該感抗的四分之一；沿著該導(dǎo)體的第一環(huán)路段的外端串接該第二子部分；沿著該導(dǎo)體的第二環(huán)路段的外端串接該第三子部分；及在該第二子部分、該導(dǎo)體和該第三子部分的串聯(lián)支路兩端跨接該第一子部分。
20.一種用于優(yōu)化天線性能的方法，該天線具有一個(gè)導(dǎo)體，該導(dǎo)體具有一個(gè)第一段和一個(gè)第二段，每個(gè)環(huán)路段具有一個(gè)內(nèi)端和一個(gè)外端，該方法包括提供在該第一段和第二段的內(nèi)端之間的極性變換。
全文摘要
一種天線電路和匹配技術(shù),用于抵消天線的感抗并因此減小該天線的電抗性電壓。每當(dāng)必要時(shí),沿著該環(huán)形天線的導(dǎo)體插入串聯(lián)的調(diào)諧電容器,以獲得很小的在該天線上電抗之瞬間電平。環(huán)形天線被分解為環(huán)路段,根據(jù)所需性能的標(biāo)準(zhǔn),每個(gè)段可以具有或不具有串聯(lián)的電容器。選擇每個(gè)電容器,使得具有一個(gè)電抗,該電抗有效地抵消在相應(yīng)的串聯(lián)電容器之前的環(huán)路段的一部分的感抗。其優(yōu)點(diǎn)是,在天線上電抗之瞬間電平保持為零,因此環(huán)路段之間的任何電抗性電壓差一直是很小,即使有強(qiáng)電流流入該天線。減小了寄生效應(yīng),例如歐姆損耗、內(nèi)部電容性損耗和對(duì)外界的電容性損耗都被減小。而且,所選擇的串聯(lián)調(diào)諧電容器沿著該天線導(dǎo)線設(shè)置,以使得跨接該天線的平均電抗性電壓基本上為0伏。因此該天線對(duì)GND平衡。應(yīng)用關(guān)于無(wú)源天線的互易原理,發(fā)送天線和接收天線配置都是可適用的。
文檔編號(hào)H01Q7/00GK1339184SQ00803349
公開(kāi)日2002年3月6日 申請(qǐng)日期2000年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月1日
發(fā)明者菲利普·朱諾 申請(qǐng)人:羅技?xì)W洲公司