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CN1457533A - 用于无线电通信设备的多频段天线装置 - Google Patents

用于无线电通信设备的多频段天线装置 Download PDF

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CN1457533A CN02800499A CN02800499A CN1457533A CN 1457533 A CN1457533 A CN 1457533A CN 02800499 A CN02800499 A CN 02800499A CN 02800499 A CN02800499 A CN 02800499A CN 1457533 A CN1457533 A CN 1457533A
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Abstract

一个天线装置包括一个支撑着的补片导体(102)和一个馈电导体(106)，该补片导体基本平行接地平面(104)，而馈电导体连接到该补片导体。这样的一种装置类似于普通的平面倒F天线(PIFA)，但是不具有在已知PIFA中连接在补片导体和接地平面之间的附加的接地导体。消除了该接地导体使得匹配由外电路执行，由此能达到更好的匹配以及能按照减小了的体积达到类似于普通PIFA天线的性能。这些优点对于双频段(或多频段)工作尤为明显，在那里使用双频段匹配电路允许使用特别小且简单的天线。

Description

用于无线电通信设备的多频段天线装置
技术领域
本发明涉及包括基本平面的补片导体的天线装置，和涉及包括这样一种装置的无线电通信设备。
背景技术
无线终端，例如移动电话手机，一般包括或例如标准模式的螺旋或弯曲线天线这样的外部天线，或者例如平面倒F天线(PIFA)或类似天线这样的内部天线。
由于小天线窄频段的基本限制，因以这样的天线是小的(相对波长)。然而蜂窝无线电通信系统一般具有10％或更大的带宽。例如为从PIFA获得这样的一个带宽而要求一个相当的体积，因为在补片天线的带宽和其体积之间存在着一个直接的关系，但是这样的一个体积随目前朝着小手机方向发展的趋势而不易可得。此外，如果补片高度增加，则PIFA在谐振时将变成电抗性的，而这必需改善带宽。
想用在双频段应用中的PIFA一般包括两个谐振器，具有一个公共馈电点。这样的一种天线的例子公开在欧洲专利申请EP 0,997,974中，其中两个PIFA天线从一个公共点馈电并共享一个公共的短路引线。但是，使用多个谐振器将进一步增加天线的体积。
发明的公开
本发明的一个目的在于提供一种平面天线装置，要求比已知PIFA的体积基本上更小，同时提供类似的双频段或多频段性能。
按照本发明的第一方面提供的一个天线装置包括一个支撑着的基本平面的补片导体，基本平行于一个接地平面，和一个馈电导体连接到该补片导体，其中该补片导体在天线装置的工作频率上和接地平面电绝缘，以及其中馈电导体连接到配置的一个匹配网络，以在多个分立频率上提供对天线的匹配。
这样的一种天线装置与一个普通PIFA的不同点在于在补片导体和接地平面之间不存在连接的接地导体。通过消除该接地导体并执行用外电路的双频段(或多频段)匹配，在一个宽的频率范围上获得良好的匹配，使得能按照减小了的体积达到类似于普通PIFA天线的性能和具有一个简单的天线。
按照本发明的第二方面提供了一种无线电通信设备。其包括的天线装置是按本发明制作的。
本发明乃是基于在现有技术中未曾有的认识，即通过从PIFA消除接地接线并使用单独的多频段匹配网络，有可能显著地减小天线的体积。
附图简述
现在将参照附图，借助例子描述本发明的实施例，其中：
图1是安装在一个手机上的平面倒L天线(PILA)的透视图；
图2是以dB为单位的模拟反射损耗S11对以MHz为单位的频率f的曲线，是对图1的未匹配的PILA作出的；
图3是Smith圆图，表示在800-3000MHz频率范围上图1的PILA的模拟阻抗；
图4是以dB为单位的反射损耗S11对以MHz为单位的频率f的曲线，是对图1的PILA经分路LC谐振电路激励作出的；
图5是Smith圆图，表示在800-3000MHz频率范围上经分路LC谐振电路激励的图1的PILA的阻抗；
图6是双频段匹配电路的电路图；
图7是以dB为单位的模拟反射损耗S11对以MHz为单位的频率f的曲线，是对图1的PILA经图6匹配电路激励作出的。
图8是Smith圆图，表示在800-3000MHz频率范围上经图6匹配电路激励的图1的PIFA的模拟阻抗；
图9是用于UMTS，DCS1800和GSM的五频段匹配网络的电路图；
图10是以dB为单位的模拟反射损耗S11对以MHz为单位的频率f的曲线，是对图1的PILA经图9的UMTS匹配电路激励作出的；
图11是Smith圆图，表示在800-3000MHz频率范围上经图9UMTS匹配电路激励的图1的PILA的模拟阻抗；
图12是以dB为单位的模拟反射损耗对以MHz为单位的频率f的曲线，是对图1的PILA经图9的GSM Tx匹配电路激励作出的；
图13是Smith圆图，表示在800-3000MHz频率范围上经图9的GSM Tx匹配电路激励的图1的PILA的模拟阻抗。
在附图中用相同的参考号表示相应的特征：
执行发明的模式
图1中表示安装在手机上的平面倒L天线(PILA)的透视图。该PILA包括一个支撑着的矩形补片导体102，平行于形成手持机部分的接地平面104。天线经由馈电引线106供电。这种天线不同于PIFA的地方在于无附加短路引线将补片导体102连接到接地平面104。
在一个PIFA中，短路引线执行匹配功能，但是这种匹配仅在一个频率上有效，而在另外的频率上是以失配为代价。我们的共同未决的未公开的UK专利申请GB 0101667.4(申请人参考PH GB 010009)表示普通的PIFA的短路和馈电引线如何以不同模式形成短路电路传输线(在每一个引线上具有相反方向的电路)。该传输线执行匹配功能(分路电抗)。按该公共模式还完成向上阻抗转换。但是，对双频段(或多频段)应用产生的匹配并不是最佳的，而通常使用分立元件产生更好的匹配效应。
在用在GSM和DCS频段的PILA示例性实施例中，补片导体102的尺寸为20×10mm并定位在测定为40×100×1mm的接地平面104上8mm处。馈电引线106定位在补片导体102和接地平面104两者的角上。
该实施例的反射损耗S11(未匹配)使用从Ansoft公司可得到的高频结构模拟器(HFSS)进行模拟，图2中表示频率f 800-3000MHz之间的结果。图3中表示在相同频率范围上说明该实施例的模拟阻抗的Smith圆图。在低频响应是容性的，而在高频是感性的。在整个频率范围上电阻仅在10和30Ω之间变化，这主要是由于接地平面104的影响。
该阻抗特性使其直接应用使用连接在馈电引线106和接地平面104之间的分路LC谐振电路的宽带匹配。使用1nH的电感和8pF的电容(假定两者具有固定的Q值50)模拟在图1中所示的经由这样的一个谐振电路进行馈电的PILA。图4中表示反射损耗S11的结果，而图5中表示Smith圆图，对于两者频率f均在800-3000之间。清楚的是，LC谐振电路给宽频段/双频段响应提供明显改善了的天线带宽。
但是，这种简单的分路LC匹配显然不是最佳的，但能进一步通过各种措施加以改善，包括：
·改变补片导体102或接地平面104的尺寸；
·附加一个串联谐振器；以及
·附加更普通的L，π或T匹配电路。
PILA结构还适合于经由一个双频段匹配电路进行馈电，图6中表示用于GSM和DCS1800应用的合适电路的例子，这里使用的元件具有下列数值：C1为1.2pF；L1为6.5nH；C2为3pF和L2为6.9nH。使用中，匹配电路从连接P1和P2两端的50Ω源馈电，P3连接到馈电引线106，而P4连接到接地平面104。
进行对表示在图1中的经由图6中所示的双频段匹配电路馈电的PILA模拟。对于反射损耗S11的结果表示在图7中，而在图8中表示Smith圆图，两种情况的频率f均在800-3000MHz。两个谐振点集中在920MHz和1810MHz，前者3dB带宽120MHz，后者3dB带宽350MHz。该性能接近普通双频段PIFA结构。然而，这样的一种普通的双频段PIFA典型地具有30×30×8mm的体积，产生7200mm3体积，其更大于图1的PILA的1600mm3的四倍。
假定每个匹配电路元件具有的Q值为50。则对于GSM天线效率为40％，而对于DCS为70％，再者，这个效率接近普通PIFA设计的典型效率。将明白反射损耗和效率可进一步最佳化。
另一实施例证实了按本发明制作的天线装置的广阔的应用性。具有与图1中所示的相同尺寸的PIFA经图9中所示的五频段匹配电路驱动。这样的一种多路转换器电路基于在我们的共同未决的未公开的国际专利申请PCT/EP 01/06760(申请人标记PHGB00 00 83)中揭示。它包括将RF信号耦合到馈电引线106的输出端902和用于选择输入源的五路开关904。这里有六个输入端：UMTS接收906和发射908；DCS接收910；DCS发射912；GSM接收914；和GSM发射916。
UMTS信号经双工器918(允许频分双工工作)和包括1.5pF电容器C1的匹配网络馈电。匹配网络的其他臂中的元件值为：C2为1.4pF；L1为0.75nH；L2为10nH；L3为14nH；L4为13nH；L5为10nH；和C3为0.75pF。对UMTS的匹配是针对50Ω系统设计的。而GSM和DCS发射是针对10Ω系统设计的，而GSM和DCS接收是针对250Ω系统设计的。其证实这样一种多路转换器装置的特定的优越性：对每个频段单独匹配频率和阻抗特性是可能的，从而使性能明显最佳化。
进行模拟图1的PILA，其经图9的五频段匹配电路馈电。为此开关904模拟成五个电阻：对所选择分支为2.25Ω电阻(在50Ω系统中等效0.2dB)和对其他的分支为50Ω电阻(在50Ω系统中等效30dB)。借助微电磁系统(MEMS)应该容易获得这种质量的开关。
在图10中表示对UMTS分支的反射损耗S11的模拟结果，频率f在800和3000MHz之间，和在图11中在相同频率范围上的Smith圆图表示在一起，而图12用于GSM发射分支，与图13中的Smith圆图表示在一起。对所有分支的结果由下表概括：
    频段     频率(MHz)    带宽    效率   隔离
    UMTS     1900-2170    6dB     65％    60dB
    DCSRx     1805-1880    10dB     60％    50dB
    DCS Tx     1710-1785    10dB     70％    50dB
    GSM Rx     935-960    10dB     60％    40dB
    GSM Tx     890-915    10dB     50％    40dB
在该表中，带宽表示在该特定频段上S11的(负的)最大值。带宽和效率是完全可接受的，隔离系数表示多路转换器网络比开关904提供了更多的隔离，而在许多实施例中是有用的。
该实施例证实非常紧凑的PILA与一个多频段匹配网络一起能在一个不同频率的通信频段范围上提供很好的性能。
虽然在上述实施例中所有匹配元件都在天线之外部。然而某些匹配功能可在该天线结构本身上进行，例如使用支持天线的低损基片。例如，这可以包括高Q电感。
根据阅读目前的公开，对本专业技术人员而言，其他的修改是明白的。这样的修改可涉及设计，制造和使用天线装置中已知的其他的特征和其元件部分。和可以用来替代或附加到在此已描述的特征。
在本发明的说明书和权利要求中，在一个元件前的字“a”或“an”并不排除存在多个这样的元件，进而字“comprising”并不排除存在那些列表之外的其他的元件或步骤。

Claims (5)

1.一个天线装置包括支撑着的基本平行于地平面的基本平面的补片导体和连接到该补片导体的馈电导体，其中在该天线装置的工作频率上该补片导体同该接地平面电绝缘，和其中该馈电导体连接到在多个分立频率上为提供天线匹配而配置的匹配网络。
2.如权利要求1的装置，其特征在于该接地平面间离补片导体并同补片导体共扩延。
3.如权利要求1或2的装置，其特征在于匹配网络包括连接到多个匹配电路的多个输入端和选择多个匹配电路之一的开关装置，还在于开关装置的输出端耦合到馈电导体。
4.如权利要求3的装置，其特征在于开关装置包括MEMS开关。
5.一个无线电通信设备包括如权利要求1-4任一权利要求所要求的天线装置。
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