CN101971418A - 可调节的多频带天线 - Google Patents

Abstract

一种尤其意图用于移动终端的可调节多频带天线。该天线结构包括辐射体(320)、馈送元件(330)和调节电路(350)。所述辐射体是无线电设备的外壳(COV)的导电部分或所述壳的导电涂层。它被馈送元件以电磁的方式馈送，通过相对薄的介质基底将所述馈送元件与辐射体隔离。所述馈送元件或者直接或者通过中间元件(340)连接到设备的天线端口和接地面(310)，并且它被整形以使得天线具有至少两个工作频带。该调节电路连接到馈送元件中的调节点，并且调节点和地之间的电抗以及由此天线的电尺寸可以借助于调节电路中的开关(SW)而改变。从天线调节的角度来看，除了别的之外，调节电路的部件值以及馈送元件中的短路点(SP)和调节点(AP)之间的距离是变量。通过改变开关状态，对于彼此独立的天线的至少两个工作频带，可以获得具有期望方向和长度的移位。天线的效率比对应已知的天线要好，并且可以在天线的较低和较高工作频带二者中很好地进行其匹配。

Description

可调节的多频带天线

技术领域

本发明涉及尤其意图用于移动终端的可调节的多频带天线。

背景技术

在本说明书中，天线的可调节性意味着可以在电学上改变天线的一个或多个谐振频率。目标是天线在谐振频率附近的工作频带总是覆盖每次操作所设想的频率范围。对可调节性的需要存在不同的原因。随着诸如移动终端之类的便携式无线电设备变得更小并且厚度也类似，内部平面天线的辐射面和接地面之间的距离不可避免地变得更短。这导致例如天线带宽将减小。于是，因为移动终端意图在具有彼此相对接近的频率范围的多个无线电系统中进行操作，覆盖多于一个无线电系统所使用的频率范围变得越来越难或不可能。这样的系统对例如GSM 1800和GSM 1900(全球移动通信系统)。因此，确保遵守单个系统的发射频带和接收频带二者中的规范的功能会变得更难。在系统使用子带划分的情况下，如果天线的谐振频率可以被调谐到每次所使用的子带中，则从无线电连接质量的角度来看这将是有利的。

在本文所描述的发明中，天线调节由开关实施。为了所讨论的目的，开关的使用同样是公知的。例如，公开EP 1113524公布了一种天线，其中平面辐射体可以在某点处通过开关连接到地。当该开关闭合时，辐射体的电长度(electric length)减小，在这种情况下天线谐振频率变得更高并且对应于谐振频率的工作频带被向上移位(displace)。电容器可以与该开关串联以根据需要设置频带移位。这样的解决方案适合于单频带天线。多频带天线的工作频带的受控移位是不可能的。

在图1a和图1b中，从公开WO 2007/012697已知，存在由开关调节的天线。在图1a中，从上面或从辐射面的侧面查看天线100，并且在图1b中，存在其调节电路150。天线是PIFA类型(平面反转F天线)，在这种情况下，它包括具有其馈送导体和短路导体的辐射面120和接地面110。接地面是无线电设备的电路板PCB的上表面上的信号接地GND的一部分。馈送导体在馈送点FP处接合辐射面，并且短路导体在短路点处接合其。此外，天线调节电路的导体在调节点AP处电(galvanically)接合辐射面。所有这三个点都位于辐射面的相同长侧，短路点在其之间。辐射面120被整形以使得该天线是双频带天线，其具有较低和较高工作频带。较低的操作频率基于由整个辐射面和接地面构成的谐振器，且较高工作频带基于隙缝辐射体(slot radiator)，所述隙缝辐射体的隙缝122从辐射面的边缘处开始，在调节点AP的旁边。L形隙缝从馈送点和短路点之间开始，通过该L形隙缝来改进较低和较高工作频带二者中的天线匹配。

基于调节点AP的位置，连接到它的电路影响较低和较高工作频带二者。例如，如果调节点直接连接到接地面，则对应于较低工作频带的天线部分和对应于较高工作频带的部分二者的电长度将减小，在这种情况下这两个频带都将向上移位。在图1a、1b所示的结构中，借助于调节电路的设计以及通过选择短路点SP和调节点AP之间的电距离可以根据期望来设置频带移位的方向和长度。这一距离本质上受到点SP和AP之间的直接距离的影响。在图1a的实例中，由这些点之间的辐射面部分中的凹口(notch)125来调谐电距离。

调节电路150包括(按照从辐射体开始的顺序)：输入线、LC电路151、开关SW和调谐线152、153。LC电路432一方面用于开关的ESD保护，另一方面用于增加该调节电路的可变参数的数目。它由线圈L1和电容器C11形成。该线圈已横向连接到输入线，并且电容器C11与该输入线的导体串联，所述导体已从地分离。该开关是双路开关，其公共端或输入端可以连接到其它两个端子中的一个。这些其它端子被称为开关的输出端。该开关的第一输出端连接到第一调谐线152的分离导体的首端，并且第二输出端通过电容器C12连接到第二调谐线153的分离导体的首端。因此，调节电路的输入线可以在LC电路和开关后继续作为第一调谐线或第二调谐线。当开关状态改变时，从辐射面的调节点AP到地“看到”的电抗阻抗会改变，在这种情况下天线部分的谐振频率会改变并且因此工作频带被移位。

在图1b的实例中，第一谐振线152在其尾端处开路并且第二调谐线153在其尾端处短路。调谐线是短的，通常短于四分之一波长。在这种情况下，开路线(open line)表示某一电容，并且短路线表示某一电感。如所公知的那样，电容和电感的值取决于频率：在较高工作频带的频率下它们比较低工作频带的频率下更高，如果线短于四分之一波长(在较高的频带中也是这样)的话。因此，当设计调节电路时，将调谐线的长度当作变量来使用。除了这些之外，调节电路的分立部件的值以及上面提到的辐射面的短路点SP和调节点AP之间的电距离是其它变量参数。变量的数目以及它们的不同频率特性使得有可能设计出具有其调节电路的天线，以使得可以获得用于彼此独立的较低工作频带和较高工作频带的具有期望方向和长度的移位。

上述解决方案的缺点是当无线电设备必须特别小且平的时候，其所设想的PIFA不满足其空间需求的使用。

在图2a和2b中，从专利公开FI 20065728已知，存在由开关调节的天线。在图2a中，从作为简化纵向截面的背部和侧部二者来看无线电设备，考虑该无线电设备的天线，并且在图2b中，存在该天线的调节电路250。该设备的外壳COV的上部和后部现在用作天线的辐射体220，其中所述上部具有导电(conductive)材料。在无线电设备的电路板PCB上的辐射体处，存在用作天线的接地面的信号接地GND。该辐射体由分离的馈送元件231以电磁的方式馈送，所述分离的馈送元件是薄的且柔性的介质基底的表面上的导体带。基底的一侧与辐射体的内表面相对。馈送元件231被呈现为无线电设备的后视图中的虚线以及沿着截面图中的外壳的线。在该实例中，该馈送元件类似于宽的矩形字母U。其中间部分相对靠近于辐射体220扩展到的无线电设备的端部，并且平行的侧面部分从中间部分的端部指向该设备的相对端部。天线的馈送点FP是馈送元件的一个拐角点，所述馈送元件通过馈送导体FC从该拐角点耦合到无线电设备的电路板PCB上的天线端口。因为该馈送点FP的位置，其将馈送元件231分成不同长度的两个分支。第一且较长的分支B1连同该天线的其它部分一起在天线的较低工作频带中谐振，并且第二且较短的分支B2连同该天线的其它部分一起在较高工作频带中谐振。馈送元件也可以对地短路。

除了该馈送元件231之外，所述基底的表面上还存在寄生元件232。从馈送点FP来看，它是平行于相对靠近辐射体的对角相对拐角而定位的馈送元件的中间部分的导体带。在寄生元件的一端处，存在天线的调节点AP，该寄生元件可以通过可替换(alternative)电抗电路从该调节点AP连接到地GND。该寄生元件232、用于连接的双路开关SW以及电抗电路251、252构成天线的调节电路250。电抗电路是平行的谐振电路：第一电抗电路251包括线圈L21和电容器C21的并联电路，并且第二电抗电路252包括第二线圈L22和第二电容器C22的并联电路。

按照下面那样设计调节电路：当开关选择第一电抗电路251时，该调节电路的阻抗在较低工作频带中是电容性的并且在较高工作频带中是电感性的。当选择第二电抗电路252时，调节电路的阻抗在较低工作频带中是电感性的，并且在较高工作频带中是电容性的。当第一电抗电路改变成第二电抗电路时，对于较低工作频带，阻抗会从电容性改变成电感性，并且对于较高工作频带，阻抗会从电感性改变成电容性。这导致整个天线的电长度在较低工作频带中增大，而在较高工作频带中减小。这还意味着较低工作频带向下移位并且较高工作频带向上移位。天线可以利用开关的一个状态而在例如GSM850和GSM1800系统中起作用，并且利用开关的另一个状态而在EGSM(扩展的GSM)和GSM1900系统中起作用。

根据图2a的天线是节省空间的，因为无线电设备的外壳被用作辐射体并且接地面和馈送元件之间的距离可比在普通PIFA中接地面和辐射体之间的距离小。此外，辐射体可以被相对自由地整形，并且它还可以很大，因为天线的电匹配可主要借助于馈送元件和寄生元件的整形来实施。根据图2a和图2b的解决方案的缺点是天线的效率保持适中，这是因为相对高的开关损耗。此外，必须在辐射体下的基底上为寄生元件保留区域，这约束了馈送元件的最优整形。

发明内容

本发明的目的是以新的方式实施对多频带天线的调节，其减轻了与现有技术相关联的缺点。根据本发明，可调节的多频带天线的特征在于在独立权利要求1中所指出的那些。在从属权利要求中给出了本发明的一些有利实施例。

本发明的基本思想如下：天线结构包括辐射体、馈送元件和调节电路。该辐射体是无线电设备的外壳的导电部分或壳的导电涂层。它被馈送元件以电磁的方式馈送，通过相对薄的介质基底将所述馈送元件与辐射体隔离。所述馈送元件或者直接或者通过中间元件连接到设备的天线端口和接地面，并且它被整形以使得天线具有至少两个工作频带。该调节电路连接到馈送元件中的调节点，并且调节点和地之间的电抗以及由此天线的电尺寸(electric size)可以借助于调节电路中的开关而改变。从天线调节的角度来看，除了别的之外，调节电路的部件值以及馈送元件中的短路点和调节点之间的距离是变量。

本发明的另一个优点是通过改变开关状态获得对于彼此独立的天线的至少两个工作频带的具有期望方向和长度的移位。这是因为在设计中使用的变量的数量和性质。本发明的另一个优点是工作频带的移位可以由相对较简单并且空间节省的调节电路来实施。本发明的又一个优点是天线的效率比对应已知的天线要好。这是因为可以借助于天线结构的内部阻抗布置将开关中的电流保持得相对低。本发明的再一个优点是辐射元件处于设备的壳中，所以天线所需的设备内部的空间相对小，并且与位于内部的辐射体相比天线的辐射特性有所改进。本发明的另一个优点是有可能实现天线的较低工作频带和较高工作频带二者的良好匹配。本发明的又一个优点是可以实施布置工作频带的位置和天线的匹配二者而不会因为它们而对辐射体元件进行整形。

附图说明

下面详细描述本发明。将参考附图，其中：

图1a、1b给出根据现有技术的可调节天线的实例；

图2a、2b给出根据现有技术的可调节天线的第二实例；

图3a-c给出根据本发明的可调节天线的实例；

图4给出根据本发明的可调节天线的第二实例；

图5给出根据本发明的天线的调节电路的实例；

图6给出根据本发明的天线的工作频带的移位的实例；以及

图7给出根据本发明的天线的效率(efficiency)的实例。

具体实施方式

已结合现有技术的描述描述了图1和图2。

在图3a、3b和3c中，存在通过开关来调节的根据本发明的天线的实例。在图3a中从简化纵向截面的后面示出包括天线的无线电设备，在图3b中从简化纵向截面的侧面示出包括天线的无线电设备，并且在图3c中存在天线的调节电路的原理结构。该天线包括：接地面310，其是信号接地GND的一部分；辐射元件或辐射体320，其是无线电设备的外壳COV的导电部分；其馈送元件330和调节电路350(如在图2a中那样)。辐射体形成壳COV的后部的一个首部(head)。在横向方向下意味着首部的方向，并且纵向方向相应地意味着垂直于该横向方向的壳COV的长边的方向。馈送元件330是薄的且柔性的介质基底SBS的内表面上的导体带，并且所述介质基底SBS的外表面与辐射体的内表面相对。该馈送元件从接近于其第一端部的短路点SP连接到接地面。该馈送元件包括(从短路点开始)：第一相对宽的第一部分331，其变成较窄的第二部分332。它在横向方向上靠近辐射体的侧边缘延伸。第二部分332之后是纵向第三部分并且最后是第四部分，其返回转向在横向方向上延伸通过辐射体的中部的辐射体的相对或第二侧边缘。

在基底SBS的内表面上，在该实例中还存在中间元件340，其在的多数情况下被定位在馈送元件的第一部分331和辐射体的第二侧边缘之间。在该实例中，天线的馈送点EP位于中间元件340中，在从所讨论的首部的角度来看的其远端处。馈送点FP由在图3b中可看到的馈送导体FC连接到其电路板PCB上的无线电设备的天线端口。因此，馈送元件中的短路点SP由短路导体SC连接到电路板上的接地面310。

中间元件340和馈送元件的第一部分331彼此如此接近，以致于在它们之间存在充分的电磁耦合，以将传送能量输送到馈送元件的场并且进一步到辐射体320的场。另一方面，中间元件还直接对辐射体进行馈送。因此，中间元件340和馈送元件330一起构成功能完整的馈送元件。借助于单独的中间元件，增强了在较低工作频带和较高工作频带二者中同时实现良好匹配的机会。为此目的，上述电磁耦合被电容器CM适当地调谐，所述电容器CM连接在中间元件以及相对靠近所述短路点SP的馈送元件的第一部分之间。与该情况一致，同样在中间元件的该侧上短路点也优选地定位得靠近第一部分331的边缘。在图3a的小补充图中可以看到电容器CM，在所述图3a的小补充图中绘制了从设备内部看到的中间元件和馈送元件的第一部分。

天线的较高工作频带基于中间元件连同馈送元件的第一部分、辐射体以及接地面一起的谐振。该天线的较低工作频带基于整个馈送元件连同其它天线部分一起的谐振。

根据本发明，调节电路350连接到天线中的馈送元件330。该调节电路的连接点、或调节点AP处于馈送元件的第二部分332中。由于调节点AP的位置，调节电路影响较低和较高工作频带。借助于调节电路的设计以及通过选择短路点SP和调节点AP之间的电距离将频带移位的方向和长度设置成期望的方向和长度。于是在设计天线时，该距离是重要的参数。如果电距离从某一值开始增加，则在调节电路中的开关的状态改变时工作频带的移位会增加。

调节电路350位于电路板PCB上，并且由导体AC连接到调节点AP。这样的调节电路在原理上类似于图1中的调节电路。它包括(按照从馈送元件开始的顺序)：LC电路351、多路开关SW和电抗电路X1到XN。LC电路一方面用于开关的ESD保护，并且另一方面用于增加调节电路的变量参数的数目。此外，它可以用作滤波器，其截止频率处于天线的较低和较高工作频带之间。当目标是仅移位较高工作频带时，该滤波器是高通类型，并且当目标是仅移位较低工作频带时，该滤波器是低通类型。借助于开关，在其和地GND之间，选择哪一个电抗电路将与该LC电路串联连接。之前的索引(index)N意味着可替换电抗电路的数目可以改变。相应地，至少一个工作频带的可替换位置的数目可以改变。单个电抗电路可以包括一个电容器或线圈、一个或多个电容器和一个或多个线圈的组合，或者它可以基于如在图1b中的短的开路或短路传输线。在特殊情况下，这样的传输线的长度事实上是零。

在图3a、图3b的实例中，在基底SBS的内表面上还存在相对小的调谐元件360。它位于由辐射体的第二侧边缘和面向设备中间部分的边缘所形成的拐角处，并且通过接地导体GC将它从其点之一连接到接地面。调谐元件360的目的是将在天线结构中出现的谐振的基频的某个谐波频率设置成频率标度上的期望点，所述谐振主要基于辐射元件和接地面。可以构成单独的第三工作频带，或者通过该谐波频率可以使所述较高工作频带变宽。

在图4中，存在通过开关调节的根据本发明的天线的第二实例。在该图中从后面示出包括天线的无线电设备。辐射体420是无线电设备的外壳COV的导电部分，并且为此如在图3a中那样存在通过薄的基底隔离的馈送元件430。此外还在该实例中，看不到的调节电路在点AP处连接到馈送元件。与在图3a、图3b中示出的结构的实质差别是不存在中间元件，但是天线的馈送点FP在馈送元件中定位得相对靠近其短路点SP。该馈送元件被整形以使得天线的较低工作频带基于整个馈送元件连同其它天线部分一起所具有的谐振，并且较高工作频带基于馈送点和短路点一侧上的馈送元件的端部431连同辐射体和接地面一起所具有的谐振。调节点AP位于从馈送元件的剩余部分分出的带的端部处，通过对它的整形，来影响短路点SP和调节点AP之间的电距离。

图5示出根据本发明的天线的调节电路的实例。调节电路550的LC电路类似于图1b中的LC电路。因此，它包括调节电路的输入线中横向的线圈L51以及与从地分离的输入线的导体串联的电容器C51。在这种情况下，借助于LC电路，调节电路的变量参数的数目会增加，针对ESD保护开关，并且防止形成从开关SW通过线圈L51和馈送元件到地的直流电路。线圈的电感是例如6nH，并且电容器C51的电容是8pF。在该实例中，多路开关SW由场效应晶体管来实施，其例如是PHEMT类型(赝高电子迁移率晶体管(Pseudo-morphic High Electron Mobility Transistor))。晶体管的数目是两个以使得开关具有两个输出端。取决于控制信号CTR的状态，该晶体管是导电的。集成开关包含控制电路552，其输入信号是控制信号CTR，并且其设置晶体管的栅极电压。当然在该开关中还需要电源电压Vs。该开关的第一输出端通过电容器C52连接到地。所述电容器C52的电容是例如100pF，其对应于天线的使用频率下的短路。因此，电容器C52的目标是防止形成从开关到地的直流电路。

还可以使用表示某个电抗的相当低的电容值。该开关的第二输出端是开路的以使得它和地之间的阻抗非常高。

设计调节电路以使得当馈送元件被连接到开关的短路输出端时，整个调节电路在较低工作频带的频率下被“看成”具有大约四分之一波长的长度的短路传输线，并且相应地在较高工作频带的频率下被“看成”具有大约半个波长的长度的短路传输线。其次，当该馈送元件被连接到开关的开路输出端时，整个调节电路在较低工作频带的频率下会被“看成”具有大约四分之一波长的长度的开路传输线，并且相应地在较高工作频带的频率下会被“看成”具有大约半个波长的长度的开路传输线。在这种情况下，当开关的状态改变时，在较低工作频带中调节电路的阻抗将从低变到高，并且在较高工作频带中调节电路的阻抗将从高变到低。这同样引起较低工作频带向下移位且较高工作频带向上移位，反之亦然。

图6示出根据本发明的天线的工作频带的移位的实例。该实例涉及与图5中的天线相似的具有调节电路的天线。目的是，在一个开关状态中，天线的较低工作频带将覆盖GSM900系统的890-960MHz的频率范围(图中的w1)，并且较高工作频带将覆盖GSM1800系统的1710-1880MHz的频率范围(图中的w2)。在其它开关状态中，较低的工作频带将覆盖GSM850系统的824-894MHz的频率范围(图中的w3)，并且较高工作频带将覆盖GSM1900系统的1850-1990MHz的频率范围(图中的w4)。当辐射体连接到开关的短路输出端时，曲线61示出作为频率的函数的反射系数的波动。并且当辐射体连接到开关的开路输出端时，曲线62示出反射系数的波动。从曲线可以看出，如果值-5dB被认为是可用反射系数的标准，则实现上述目的。

从曲线61和62还可以看出，天线在频率2.1GHz之上具有第三谐振r3。在这种情况下，主要是辐射元件和接地面的谐振，该谐振由在图3a中可看到的元件360进行调谐。因为谐振r3，天线具有第三工作频带，其意图用于WCDMA系统(宽带码分多址)的接收频带2110-2170MHz。

通过改变天线设计，较低工作频带的位置也可以被设置成GSM900系统的发射或接收频带。类似地，可以借助于多路开关(SPnT，单刀n掷(single-pole n through))来实施在发射频带和接收频带二者中的子带划分。

图7示出根据本发明的天线的效率的实例。该实例涉及与图6中的匹配曲线相同的结构。当辐射体连接到开关的短路输出端时，曲线71示出自由空间中作为频率的函数的效率的波动，并且当辐射体连接到开关的开路输出端时，曲线72示出自由空间中效率的波动。从曲线可以看出，在较低工作频带w1和w3中，效率是-5dB或更好，并且在较高工作频带中，在频带w2中效率是-3.5dB或更好，在频带w4中效率是-5.5dB或更好。

在上面已经描述了根据本发明的可调节多频带天线。其结构可以在细节上不同于所给出的那些。例如，替代壳的导电部分，天线的辐射体可以是介质壳的导体涂层。也可以例如利用MEMS(微机电系统)技术来制造在调节电路中使用的多路开关。天线的接地面可以在整个辐射体下面或者仅在一部分辐射体下面。本发明不限制天线的制造方法。在独立权利要求1限定的范围内，以不同方式来应用本发明的想法。

Claims (8)

1.一种可调节天线，该可调节天线至少具有较低和较高工作频带并且包括接地面(310)、辐射元件(320；420)、连接到无线电设备的天线端口的馈送元件(330；430)和调节电路(350；550)，所述辐射元件是无线电设备的外壳的导电部分或所述壳的导体涂层，并且通过基底(SBS)与所述馈送元件电隔离，在这种情况下在所述辐射元件和所述馈送元件之间仅存在电磁耦合，所述馈送元件包括连接到接地面的短路点(SP)并且被整形以使得它连同天线的其它部份一起具有在较低和较高工作频带二者中的谐振频率，所述调节电路包括多路开关(SW)以及在它们的一个端部处连接到所述接地面的至少两个可替换电抗电路(X1到XN)以便移位所述天线的至少一个工作频带，其特征在于，所述馈送元件(330；430)包括调节点(AP)，所述调节电路(350)然后连接在该调节点和接地面(310)之间，并且在所述调节点(AP)和所述短路点(SP)之间的所述馈送元件的电距离被布置成以期望的长度使工作频带移位。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于该天线还包括中间元件(340)，其中该天线的馈送点(FP)被定位并且其具有到所述辐射面(320)和所述馈送元件(330)的端部的电磁耦合，其中所述短路点(SP)被定位。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于在所述中间元件(340)和所述馈送元件(330)之间存在电容器(CM)以调谐在所述较低和较高工作频带二者中的匹配。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述调节电路还包括在所述调节点(AP)和所述多路开关(SW)之间的LC电路(351)以至少增加所述调节电路的变量参数的数目。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于在所述调节电路中的电抗电路的数目是两个，在所述天线的使用频率下其中一个对应于短路电路并且另一个对应于开路电路。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于当所述馈送元件连接到所述短路电路时，设计整个调节电路(550)以使得它在较低工作频带的频率下表现为具有大约四分之一波长的长度的短路传输线，并且在较高工作频带的频率下表现为具有大约半个波长的长度的短路传输线，并且当所述馈送元件被连接到所述开路电路时，所述调节电路在较低工作频带的频率下表现为具有大约四分之一波长的长度的开路传输线，并且在较高工作频带的频率下表现为具有大约半个波长的长度的开路传输线，于是当所述开关的状态改变时，较低工作频带被向下移位且较高工作频带被向上移位，反之亦然。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于该天线还包括在所述基底(SBS)的表面上的调谐元件(360)以利用由所述辐射元件和所述接地面构成的谐振器的某一谐振频率。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于借助于PHEMT或MEMS技术来制造所述多路开关。

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