发明内容
本发明的一个目的是简化无线终端的体系结构。
按照本发明的一个方面,提供一种具有双频带天线装置的无线终端,所说的无线终端包括:一个天线,所说的天线具有用于较低的第一频带中的信号的第一馈电点,以及用于较高的第二频带中的信号的第二馈电点,和地针;第一耦合装置,用于耦合第一收发器的发送和接收路径到第一馈电点;第二耦合装置,用于耦合第二收发器的发送和接收路径到第二馈电点;第一和第二耦合装置中的每一个都包括一个1/4波长传输线路,1/4波长传输线路的第一端耦合到对应的发送信号路径,1/4波长传输线路的第二端通过带通滤波装置耦合到对应的接收信号路径;第一开关装置,耦合发送信号路径到对应的1/4波长传输线路的第一端;第二开关装置,耦合对应的1/4波长传输线路的第二端到地;和,当处在发送模式时用于接通第一和第二耦合装置之一的第一和第二开关装置的并且当处在接收模式时用于断开第一和第二开关装置的装置,第一和第二耦合装置中的另一个的第一和第二开关装置是不导通的。
按照本发明的第二方面,提供一种与双频带天线装置一起使用的射频模块,所说的射频模块包括:用于较低的第一频带中的信号的第一天线馈电点,用于较高的第二频带中的信号的第二天线馈电点,和地针;第一耦合装置,用于耦合第一收发器的发送和接收路径到第一馈电点;第二耦合装置,用于耦合第二收发器的发送和接收路径到第二馈电点;第一和第二耦合装置中的每一个都包括一个1/4波长传输线路,1/4波长传输线路的第一端耦合到对应的发送信号路径,1/4波长传输线路的第二端通过带通滤波装置耦合到对应的接收信号路径;第一开关装置,耦合发送信号路径到对应的1/4波长传输线路的第一端;第二开关装置,耦合对应的1/4波长传输线路的第二端到地;和,当处在发送模式时用于接通第一和第二耦合装置之一的第一和第二开关装置的并且当处在接收模式时用于断开第一和第二开关装置的装置,第一和第二耦合装置中的另一个的第一和第二开关装置是不导通的。
按照本发明的第三方面,提供一种射频模块和天线的系统,所说的射频模块是按照本发明的第二方面制成的,所说的天线具有连接到第一和第二馈电点以及地针的装置。
天线可以包括接线天线,如PIFA(平面倒F型天线)。
地针可设置在第一和第二馈电点之间,和与第一和第二馈电点绝缘。
第一和第二开关装置可以包括任何合适的射频开关器件,如PIN二极管。
附图说明
现在参照附图借助于实例描述本发明,其中:
图1是按照本发明制成的无线终端的一个实施例的示意方块图;
图2是具有PIFA以及发送和接收滤波器的电路板的示意图;
图3是史密斯圆图,表示GSM发送模式的终端的性能;
图4是曲线图,表示对于GSM发送模式的模拟反射波损耗S11(以分贝为单位)与频率(单位:GMz)的关系;
图5是曲线图,表示GSM发送模式的总效率;
图6是曲线图,表示GSM发送频带外衰减;
图7是史密斯圆图,表示DCS发送模式的终端的性能;
图8是曲线图,表示对于DCS发送模式的模拟反射波损耗S11(以分贝为单位)与频率(单位:GMz)的关系;
图9是曲线图,表示DCS发送模式的总效率;
图10是曲线图,表示DCS发送频带外衰减;
图11是史密斯圆图,表示DCS接收模式的终端的性能;
图12是曲线图,表示对于DCS接收模式的模拟反射波损耗S11(以分贝为单位)与频率(单位:GMz)的关系;
图13是曲线图,表示DCS接收模式的总效率;
图14是史密斯圆图,表示GSM接收模式的终端的性能;
图15是曲线图,表示对于GSM接收模式的模拟反射波损耗S11(以分贝为单位)与频率(单位:GMz)的关系;
图16是曲线图,表示GSM接收模式的总效率。
具体实施方式
参照附图1,无线终端包括具有馈电点12、14的PIFA天线,与馈电点12、14相连的分别是在频带880-960MHz操作的GSM收发器、以及在频带1710-1880MHz操作的DCS收发器。地针16设置在馈电点12、14之间,如图2所示,下面对此还要进行描述。因为GSM和DCS两种收发器的体系结构总体上说来是相同的,所以对应的级分别标注后缀A和B,并且为简洁起见,只描述GSM收发器。GSM收发器的发送器部分包括耦合到输入信号处理级20A的一个信号输入端18A。级20A耦合到调制器22A,调制器22A向发送器级24A提供一个调制的信号,发送器级24A包括频率上变换器、功率放大器、和任何相关的滤波器。一个通用的耦合级26A耦合这个发送器级到天线馈电点12。下面,对于通用的耦合级26A和26B还会进行更加详细的描述。耦合级26A还要耦合到GSM收发器的接收器部分28A并且到馈电点10。接收器部分28A包括低噪声放大器、频率下变换器、和滤波器。在解调器30A中解调接收器部分28A的输出,解调器30A的输出加到信号处理级32A,信号处理级32A在端34A提供输出信号。两个收发器的操作是由处理器36控制的。
参照附图2,印刷电路板PCB在一侧有元件(未示出),在相反的一侧有接地平面GP。PIFA10安装在印刷电路板上,或者说由印刷电路板携带。按照几种可替换的方式可以实施PIFA,例如:使用几个绝缘材料短柱并通过PCB携带一个预先形成的金属板,由PCB携带的印刷电路板的一个预先蚀刻的块,通过选择性地蚀刻设在绝缘材料上的导电层、或者通过选择性地印刷在绝缘块上的导电层形成PIFA的一个绝缘材料块,或者是在蜂窝电话箱体上的天线。为了在GSM和DCS频率使用,PIFA10的尺寸是:长度(尺寸“a”)为40mm,高度(尺寸“b”)为8mm,深度(尺寸“c”)为4mm。平面导体或者说是导电层加进一个缝隙40,缝隙40包括4个相互连接的矩形部分40A-40D,这4个相互连接的矩形部分40A-40D组成的整个形状接近一个无点的倒置问号。向PIFA10的上边缘开放的部分40A的宽度大于部分40B-40D的宽度,40B-40D的宽度基本上相同。缝隙40可以被认为是将这个平面导体分割为与一个共用的馈电点相连的两个天线,即用于DCS频带的一个较小的中央辐射体R1和用于GSM频带的一个较长的包围中央辐射体R1的辐射体R2。
馈电点12、14在地针16的任何一侧,在馈电点12、14和地针16之间的空间部分地填充导电材料42以便留下未填充的间隙G1和G2,每个间隙约为2mm。在地针16的每一侧上的间隙的大小可以不同,以便相互独立地优化每个频带。可以看出,用于GSM的馈电插针12的宽度大于馈电插针14的宽度,因此对于两个频带的共模阻抗变换是不同的。
与图2所示另外的馈电点12、14和地针16的安排也是可能的。例如,地针16可以偏向馈电点12、14的一侧。
由于导电材料42部分地填充对应的馈电插针12、14和地针16之间的空间,所以PIFA在每个馈电点两端加入了一个低值的并联电感。这个电感是通过在每个馈电点上的并联电容46A、46B(图1)在天线的共振频率与并联电感的共振进行调节的。由于馈电点是相互独立的,所以可以独立地优化每个电容,所以对于两个频带可以产生更宽的频带特性,同时在两个频带之间不需要任何折衰。为了防止能量在两个馈电点12、14之间的传递,要通过提供共用的耦合级26A、26B对于天线与射频前端要进行协调的设计。
现在回顾一下如图1所示的耦合级26A、26B,除了在级26B中有一个差别以外,这些级的体系结构是相同的,当然要针对特定的使用频率选择元件的数值,并且在合适的情况下已经使用具有后缀A或B的相同标号来分别表示耦合装置26A和26B中对应的元件。
为方便起见,描述耦合级26A,在耦合装置26B中对应的元件的标号表示在括号内。发送级24A(24B)的输出耦合到低损耗PIN二极管D1(D3)的阳极,二极管D1(D3)的阴极耦合到串联电感48A(48B)的一端。串联电感48A(48B)的另一端耦合到馈电点12(14),到并联电容器46A(46B),并且到1/4波长(λ/4)传输线路50A(50B)的一端。传输线路50A(50B)的另一端耦合到低损耗PIN二极管D2(D4)的阳极,二极管D2(D4)的阴极耦合到地,并且耦合到带通滤波器52A(52B)的输入端。带通滤波器52A(52B)右以包括SAW滤波器。带通滤波器52A(52B)的输出耦合到接收器部分28A(28B)的输入端。
如果滤波器52B实施成一个SAW滤波器,则在从传输线路50B的另一端到带通滤波器52B的输入端的信号路径中提供一个射频共振陷波电路54。陷波电路包括串联电容器56和并联电感器58,并联电感器58借助于电容器60耦合到地。选择电容器60的数值,从而可以调节电感器58,以便减小滤波器52B的输入端的电压。在一般情况下,这样的SAW滤波器能够处理功率高达13dBm(毫瓦分贝)的频带内信号。然而,对于频带外的信号,较高的功率可以传递到这样的滤波器,这是有利的,因为GSM信号的功率高达30毫瓦分贝。在一个可替换的实施方案中,BAW(体声波)滤波器可以被认为是向共振SAW器件展示相同的带外阻抗特性,并且它们没有遭受象加到SAW滤波器那样的功率处理限制。
处理器36按照下面的真值表控制PIN二极管D1-D4的切换。
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D1 |
D2 |
D3 |
D4 |
GSM Tx |
通 |
通 |
断 |
断 |
GSM Rx |
断 |
断 |
断 |
断 |
DCS Tx |
断 |
断 |
通 |
通 |
DCS Rx |
断 |
断 |
断 |
断 |
在操作中,当GSM发送器操作并且DCS发送器无效时,PIN二极管D1、D2导通,因此信号加到馈电点12。传输线路的另一端开路,其结果是发送的信号不能进入接收器部分28A。当DCS发送器操作并且PIN二极管D3、D4导通时发生类似的情况。
接收GSM信号时,PIN二极管D1、D2不导通,PIN二极管D3、D4也不导通。接收的信号穿过传输线路50A并由带通滤波器52A传送到接收器部分28A。通过设置在地针16的相对的两侧的馈电点12和14,使带通滤波器52B对于GSM信号似乎是反射性的,借此可衰减或阻塞这个信号。在带通滤波器52B的输入端出现的任何一个GSM信号无论在任何情况下都将被这个滤波器阻塞。当通过接收器部分28B接收DCS信号时,出现相反的情况。
双馈电点允许相互独立地进行优化,并且可在GSM和DCS这两个频带进行宽带操作。天线、匹配电路、和滤波功能的集成化设计能够利用简单的体系结构实现较好的总体匹配和较高的效率。
在评估PIFA以及相关的耦合级26A和26B的性能当中,进行了如下的假设/简化。PIN二极管在接通状态由2欧姆的串联电阻代表,在断开状态由0.25pf的串联电容代表。天线效率没有全包括在天线中假定被辐射出的功率。使用的是理想的传输线路50A、50B。指定所有元件的Q值为50(不随频率改变)。这对于电感器被认为是稍许乐观的,而对于电容器则有些悲观(取决于技术、频率、等)。
在图3中用史密斯圆图并且在图4中用曲线图说明当在GSM发送模式操作时如图1所示的电路的特性,图4的曲线图表示的是模拟反射波损耗S11(以分贝为单位)和频率F(以GHz为单位)的关系。在图3和图4中,箭头GTX1和GTX2分别指的是880MHz/-20.205分贝和915MHz/-9.513分贝的频率/衰减。这里,天线略微有点失配,以便实现如图5所示的平衡的边缘效应,在图5中箭头e1表示915MHz的频率和0.710的总效率,箭头e2表示880MHz的频率和0.659的总效率。在880MHz的相当低的效率(65%)在很大程度上是由于电容器46A(图1)在天线的GSM输入端的Q值所引起。我们认为,通过使用具有较好质量的元件并且通过较好地优化天线的阻抗,这种情况是可以改善的。图6表示的是相应的频带外衰减(大多数是由天线提供的)。箭头G1、G2、G3、G4分别表示880MHz/1.812分贝、915MHz/1.490分贝、1.785GHz/33.627分贝、和2.640GHz/42.684分贝的频率/效率。天线和电路的组合可以提供高水平的二次(-33分贝)和三次(-42分贝)谐波抑制。
在DCS发送模式,PIN二极管D1和D2二者都断开,同时,PIN二极管D1和D2二者都接通。在这个条件下,GSM发送器主要由PIN二极管D1隔离,GSM接收器的SAW滤波器52A主要由反射性的天线10隔离。在GSM接收器的SAW滤波器52A的输入端,在最坏情况下的隔离约为-26分贝,其功率为4毫瓦分贝。这比SAW滤波器的额定功率小得多。所产生的电压约为0.7伏,小于最大额定功率值情况下的在带内产生的电压。这样,在GSM分支,就不需要共振陷波。
在图7中用史密斯圆图并且在图8中用曲线图说明当在DCS发送模式操作时如图1所示的电路的特性,图8的曲线图表示的是模拟反射波损耗S11(以分贝为单位)和频率F(以GHz为单位)的关系。在图7和图8中,箭头DTX1和DTX2分别指的是1.710GHz/-9.532分贝和1.785GHz/-13.782分贝的频率/衰减。图9表示模拟反射波损耗S11相对于效率的优化。在图9中箭头e1表示1.795GHz的频率和0.823的总效率,箭头e2表示1.710GHz的频率和0.752的总效率。图10表示的是相应的频带外衰减(大多数是由天线提供的)。箭头G1、G2、G3、G4分别表示1.710GHz/-1.236分贝、1.795GHz/-0.844分贝、3.000GHz/-24.540分贝、和3.000GHz/-24.540分贝的频率/效率。可以预期,这样的配置将提供合理水平的二次或三次谐波抑制。
在DCS接收模式,所有的PIN二极管全部断开。在图11中用史密斯圆图并且在图12中用曲线图说明当在DCS接收模式操作时如图1所示的电路的特性,图12的曲线图表示的是模拟反射波损耗S11(以分贝为单位)和频率F(以GHz为单位)的关系。在图11和图12中,箭头DRX1和DRX2分别指的是1.805GHz/-12.743分贝和1.880GHz/-7.503分贝的频率/衰减。在图13中示出了DCS接收模式的效率。在图13中,箭头e1表示1.805GHz的频率和0.405的总效率,箭头e2表示1.880GHz的频率和0.414的总效率。按这种模式的最差情况的带宽边缘损耗接近4分贝。这比在50欧姆系统中的滤波器约高出2分贝。附加的损耗主要是由于天线存在的阻抗失配,并且对于阻抗是敏感的(例如,天线是否存在电感或电容负载)。而在传统的天线系统中,期望这一机构能给出明显多的附加损耗。
在图14中用史密斯圆图并且在图15中用曲线图说明当在GSM接收模式操作时如图1所示的电路的特性,图15的曲线图表示的是模拟反射波损耗S11(以分贝为单位)和频率F(以GHz为单位)的关系。在图14和图15中,箭头GRX1和GRX2分别指的是925MHz/-11.298分贝和960MHz/-11.578分贝的频率/衰减。图16表示GSM接收模式的效率,箭头e1表示925MHz的频率和0.496的总效率,箭头e2表示96MHz的频率和0.478的总效率。
图1所示的电路的特性被认为是比使用双工器的传统配置的特性优越,表现在以下的方面:
(1)总效率(包括天线失配效应在内)较高。
(2)改善了在功率放大器和低噪声放大器的匹配。
(3)天线和相关电路提供高水平的谐波滤除,如果将这一点考虑在内,则可降低模块的其余部分的滤波要求。
第(1)点和第(2)点被认为是特别重要的。如果设计一个射频模块但没有考虑到天线,当将射频模块与,通常的天线相连时,输入匹配和效率将变得很差。因为在模块中包含射频,所以没有任何机会消除天线在中间电路级的影响。
虽然参照具有PIFA天线并在GSM和DCS频带操作的无线终端描述了本发明,但本发明可应用到任何多频带的无线电设备以及其它的双频带应用场合。本发明还涉及具有天线和至少包括在耦合级26A和26B中那些部件的射频模块。
在本说明书和权利要求书中,加在元件前边的术语“一个”并不排除存在多个这样的元件。此外,术语“包括”并不排除存在除所列各项外的其它的元件或步骤。
阅读了本发明的公开内容之后,其它改进对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。这样一些改进可能涉及在设计、制造、和使用无线终端及其相关的元部件的过程中已经公知的其它特征、或者代替这里已经描述的特征或附加到这里已经描述的特征上的一些其它的特征。
多频带无线终端例如有双频带移动电话。