CN101308950A - 天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于无线设备的天线装置。为了改善具有主天线元件和寄生天线元件的天线中的匹配,本发明的天线包括主天线单元和寄生天线单元,所述主天线单元和寄生天线单元相互间隔开,在所述主天线单元和寄生天线单元之间连接有匹配单元。该匹配单元的一端电连接在主天线单元的导体带上,另一端电连接在寄生天线单元的导体带上。通过对匹配单元的位置和数值进行调节,可以获得最佳的天线特性。

Description

天线装置
技术领域
本发明涉及移动通信终端的天线,特别涉及适用于手机和其他移动通信终端的能覆盖多个频段的内置天线。
背景技术
随着移动通信技术的迅猛发展,以及移动无线***的广泛应用,作为移动通信***的终端产品,移动电话正在向着小型化、多模化(能同时兼容GSM850/GSM900/DCS/PCS/UMTS)和高性能化的方向发展。
对移动通信终端生产商而言,射频电路(RF)部分、基带部分以及数字信号处理部分,到目前为止都已实现了很高程度的集成化,有力地促进了移动通信终端设备的小型化和低成本化。唯有天线部分,特别是移动通信终端的天线部分,因其性能、结构尺寸受移动通信终端结构、外形大小、电子元器件安装位置以及移动通信终端机壳材料的影响,技术进步缓慢,导致目前移动通信终端天线集成度仍较低,价格也较高,制约了移动通信终端技术的进一步发展。同时随着移动通信与计算机网络的结合,在未来多模移动通信终端技术中,这一问题将更加突出。
另一方面,随着人们对移动通信终端设备的电磁辐射危害人体认识的加强,用户愈来愈强烈地要求在不降低现有移动通信终端设备性能的前提下,移动通信终端必须具有较低的电磁辐射指标,符合公众安全规范。
天线是无线通信设备及***中不可缺少的一个重要组成部分。尽管天线的外形和尺寸有很多种变化,但其工作模式都是基于电磁场辐射原理。天线是一种介于导行波和自由空间波之间的转换部件,基于电磁场理论,导行波沿着开路传输线传播将会向外辐射成为自由空间的波即电磁波。
无线电发射机输出的射频信号,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式向外辐射出去。电磁波到达接收地点后,经由天线接收(仅仅接收非常小的一部分功率),并通过馈线输送到无线电接收机。可见,天线是发射和接收电磁波的一个必需的无线电单元,没有天线也就无法进行无线电通信。
近年来,随着个人无线通信设备使用的增多,例如手机,手提电脑等,与之匹配的小型天线的需求也相应增加,并且由于集成电路和电池技术的不断发展使得个人无线通信设备的尺寸和重量与以往相比有了很大幅度的下降,作为其中的组成部分的天线也随之需要缩小尺寸,因为天线尺寸的改变对于减小无线通信设备的外形尺寸是一个非常关键的因素。另外,天线尺寸和外形也对无线设备的美观和生产成本有很大的影响。
考虑天线设计时很关键的一个射频指标是天线增益或是天线效率,另外一个重要的因素是天线的带宽。例如工作在PCS频段的手机天线必须覆盖1.85-1.99GHz的频段范围;工作在CDMA频段的手机必须覆盖824-894MHz的频段范围。因此,在设计以上无线设备的天线时必须满足覆盖相应频段的需求。
无线通信移动终端设备中常用的天线主要有外置和内置两种。外置式天线多为伸缩式,如广泛应用于手机上的螺旋天线等。外置式天线的缺点是不能集成到印制电路板或设备外壳上,增加了设备的总尺寸(尤其是伸缩式);易于折断和弯曲;天线比吸收率(SAR值)高,而且不易于覆盖宽频范围。针对外置天线的弊端人们进一步研究出了内置天线。常见的内置天线有微带天线和带状天线两种。内置天线的特点是可集成到印制电路板和外壳上,安装在手机内部,不额外增加设备尺寸;有机械刚性,不易被损坏;SAR值非常小;天线受人体的影响相对要小;微带天线的输入阻抗容易做到50Ω,不需要匹配电路或非平衡转换器,容易实现批量生产,重复性好;设计参数通过最优化手段能够实现小体积和低成本,并能增加带宽。鉴于内置天线的上述优点,目前内置天线已经成为手机等多种无线通信设备的最佳选择,而且也将成为未来移动通信终端天线的发展方向。
目前手机内置天线中广泛应用的有平面倒F天线(PIFA)和单极子天线(Monopole antenna)。尽管这些内置天线的尺寸和体积可以做到很小,但是其对射频性能和带宽方面的要求却很难有良好的满足。为了解决这个问题,目前对于四频手机天线GSM900/DCS/PCS/UMTS或GSM850/900/DCS/PCS(GSM:全球移动通信***、DCS:数字通信***,PCS:个人通信***和UMTS:全球移动电讯***),有对于主天线增加狭槽、寄生元件等的方法。但是以上方法还是不能够同时覆盖GSM850/GSM900/DCS/PCS和UMTS的全部频段并且良好满足天线射频性能指标。
虽然采用单极子(Monopole)加寄生天线的结构可以覆盖所要求的五频范围,但是由于天线整体尺寸和结构的限制,在没有将匹配元件引入天线结构里之前,天线的回波损耗曲线,在低频端很浅,那将意味着天线在此处的阻抗比较差,导致损耗也很大;同时天线的回波损耗曲线在DCS频段也比较浅,那将意味着在此频段上不仅是天线损耗比较大,对满足从DCS/PCS到UMTS的覆盖要求上也存在着很大的不足。
还有进一步在天线中添加匹配元件的方法。图7中示出了这种结构的天线。图7中示出了天线单元700和电路板706。天线单元700的右下角分别是主天线701的一端和寄生天线702的一端。在电路板706的顶部设置了馈电点703,其通过未示出的金属弹片与主天线701的一端接触。与馈电点703相邻的是接地点704,其也通过金属弹片与寄生天线702的一端接触。
在电路板706上的馈电点703和接地点704之间连接了电感或电容等的匹配元件705。这可以使得天线的回波损耗曲线在低频段由最初的浅而变得深,即获得了更小的回波损耗,并且伴随着回波损耗的降低,天线在此频段的辐射效率也相应地有了提高。图6中的曲线601示出了现有技术的天线装置的回波损耗测试结果的示例。
但是,结果表明,在DCS频段的测试得到的回波损耗变化不是很大,可见在电路板的传输线上增加匹配元件的功效是有限的。
发明内容
本发明的目的是为了改善手机内置天线在频宽上的不足、辐射效率和改善回波损耗,提供一种适用于手机和其他移动通信终端的具有覆盖多个频段的带宽的内置天线。
本发明的发明人经过研究和试验发现,通过在主天线的导体带和寄生天线的导体带之间连接匹配元件,可以增强主天线和寄生天线之间的匹配,从而增强它们的耦合,由此可以改善天线的频宽,辐射效率和回波损耗。
基于此,本发明的一个方面提供了一种用于无线设备的天线,该天线包括主天线单元和寄生天线单元,所述主天线单元和寄生天线单元相互间隔开,其特征在于,在所述主天线单元和寄生天线单元之间连接有匹配单元。
所述的匹配元件可以连接在主天线单元和寄生天线单元的导体带上。
所述的匹配单元可以是电感、电容、高通滤波器或低通滤波器,或者它们的串联/并联的组合。
优选地,所述匹配单元的位置或特性值经过了调节,使得天线获得最优的特性。
本发明的另一个方面提供了一种在无线设备用天线的设计阶段对天线进行匹配优化的方法,包括以下步骤:准备具有相互分离开的主天线和寄生天线的天线单元;在该天线单元上设置匹配元件,使该匹配单元的一端与所述主天线电连接,另一端与所述寄生天线电连接;以及,逐次地改变所述匹配单元的位置或者数值,并测量天线的特性,根据测量的天线特性,确定匹配元件的最佳位置和/或数值,使天线实现最优的匹配。
通过以下结合附图进行的详细说明,可以更清楚地理解本发明的特征和效果。
附图说明
图1A是本发明第一实施例的天线的示意立体图;
图1B示出了本发明第一实施例的天线的俯视图;
图1C是本发明第一实施例的天线的一个顶视图;
图2A示出了本发明第二实施例的天线的俯视图;
图2B是第二实施例的天线的一个顶视图;
图3A示出了本发明第三实施例的天线的俯视图;
图3B是第三实施例的天线的一个顶视图;
图4A是表示本发明第四实施例中的匹配单元的不同位置的示意图;
图4B是例示第四实施例中的天线回波损耗测试结果的数据图;
图5是例示第五实施例中的天线回波损耗测试结果的数据图;
图6是表示匹配元件对天线特性的影响的数据图;
图7是表示现有技术的天线结构的立体示意图。
具体实施方式
下面参照附图,对本发明的具体实施方式进行详细说明。
【第一实施例】
图1A示出了本发明第一实施例的天线的立体图,图1B示出了本发明第一实施例的天线的俯视图,图1C是本发明第一实施例的天线的一个顶视图。
第一实施例的天线是用于移动电话中的内置天线。该天线是五频天线,对于该天线,要求覆盖从GSM850/900/DCS/PCS到UMTS的5个工作频段,满足目前3G通信的大部分频段。
如图1A所示,天线主体100分为三部分:主天线101、寄生天线102和匹配元件105。主天线101和寄生天线102构成了天线单元。天线单元可以通过柔性印制电路板(flexfilm)技术来形成,构成为开口的矩形环。在天线单元的下面有一个由塑料或树脂等绝缘材料制成的基座(未示出),天线单元贴在基座上。
在图1A和图1B中,在天线单元的右下角分别是主天线101的一端和寄生天线102的一端。在电路板106的顶部设置了馈电点103,其通过金属弹片与主天线101的馈电脚107连接。与馈电点103相邻的是天线的接地点104,其也通过金属弹片与寄生天线102的接地脚108接触。电路板106的上表面大部分为导电的信号地线。地线不延伸到天线,馈电点103和接地点104距离天线平面隔开预定的距离,例如5mm。
在本实施例中,主天线101是单极子天线,其具有两个频带,主要谐振频率落入GSM850和GSM900频率范围,最接近主要谐振频率的谐波落入DCS频率范围。谐波和主要谐振频率之间具有适当比例,主天线101具有两个分支1011和1012
如图1C所示,主天线101可以基本形成为矩形形状,它的两个分支1011和1012可以根据天线要覆盖的两大主要频段对应的尺寸设计成一个长边和一个短边,长边和短边的相对位置可以有多种变化。在分路的外部端存在电磁耦合,可减少谐波和主要谐振频率之间的比例。
在图1A和图1B中,寄生天线102位于主天线101的右侧,与主天线同平面。寄生天线102通过金属弹片直接连接到信号地线,它靠近主天线101的较短分支1012,间距大约在1mm左右,与主天线101在天线的PCS和UMTS工作频带谐振。自然地,振动能从主天线101的场通过电磁耦合产生。寄生天线102可辅助发射天线,提高天线的带宽和工作效率。
寄生天线102靠近电路板106的部分与主天线101大致平行以获得良好的耦合效果,寄生天线102的另外一端随着长度的增加稍微远离主天线101的两个分支而偏向另外一个方向。
在本实施例中,在主天线101和寄生天线102之间连接了作为匹配元件的电感105。电感103的一端连接在主天线101的导体带上,另一端连接在寄生天线102的导体带上,这样在主天线101和寄生天线102之间增强匹配从而改善它们的耦合。电感105的一端通过主天线101间接地与射频信号相连,而另外一端通过寄生天线102间接地与电路板106的地相连。天线整体分布在几个二维平面内,如图1A所示。
在本实施例中,把电感105连接在天线主体100的表面上,将电感105与天线主体100做成一个主体,而不是像传统的匹配方法那样将匹配元件放置在导体单元(电路板)106上。
电感(匹配元件)105可以通过焊接、导电粘结剂等的手段连接到主天线101和寄生天线102的导体带上。
在本实施例中,主天线101是单极子(Monopole)天线,但是,根据情况,也可以采用平面倒F天线(PIFA)。在本实施例中,匹配元件105是电感,但也可以是电容或滤波器,可以是单个元件,也可以是多个元件的串并联组成。
为了验证本实施例的天线的特性,发明人对以下三种天线结构进行了对比研究。
1.单纯的单极子天线+寄生天线的结构
2.在馈电点与接地点之间连接了匹配元件的结构
3.本实施例的在单极子天线与寄生天线之间连接了匹配元件的结构
按照相同的天线图形,准备上述三种结构的天线单元。将天线安放在微波暗室的三维测试架上,利用安捷伦E5062A矢量网络分析仪测试天线的回波损耗。图6示出了测试结果。
图6中的曲线601示出了情况1的测试结果。由此可见,单纯的单极子天线加寄生天线不能满足回波损耗和效率的要求。虽然寄生天线可展宽一个或两个工作频带,但是主天线的谐振频率和寄生天线的谐振频率有所不同,频率的差异受到限制,不能使整个谐振频率范围内的天线匹配都良好。
图6中的曲线602示出了情况2的测试结果。在此,将电感焊接在位于电路板106上的传输线上,即在天线的馈电脚107和电路板106上的接地点104之间增加匹配元件。由曲线602可见,天线的回波损耗曲线在低频段由最初的浅而变得深,即获得了更小的回波损耗,但是在DCS频段测试得到的回波损耗却变化不大,可见在电路板的传输线上增加匹配元件的功效是有限的。
图6中的曲线603示出了情况3的测试结果。在此,根据第一实施例,将电感105焊接在主天线101和寄生天线102之间的天线表面上。由曲线603可见,天线低频端的回波损耗可以由最初的很浅变得很深,特别值得注意的是,原本很浅的DCS频段的性能也得到了改善,其回波损耗明显地由浅变深。随着天线在这个频段的回波损耗的降低,天线在高频段的带宽问题就得到了很大的改善。
【第二实施例】
接着对本发明的第二实施例的天线进行说明。在以下的说明中,省略了与第一实施例相同部分的详细说明,而关注于不同的部分。
图2A和图2B示出了本发明的第二实施例的天线结构。其中图2B示出了本发明第二实施例的天线的俯视图,图2C是第二实施例的天线的一个顶视图。
在第二实施例的天线中,包括电路板206,主天线201,寄生天线202,和作为匹配单元的电感205,电感205连接在主天线201和寄生天线202的导体带上。在本实施例中,主天线201是设置在电路板上的导体带,主天线201如同图1那样设有分支2011和2012。但是寄生天线202不在主天线201的右侧,而是设置在主天线201的左下部,和主天线201的长分支2011形成耦合。与第一实施例同样,电感205被放置在天线的上表面、主天线201和寄生天线202之间,共同参与完成电磁波与高频电流的转换。电路板206的作用是与主天线201和寄生天线202共同构成电磁波与电磁波的转换开放结构,同时使主天线201和寄生天线202的电磁波辐射和接收具有定向性。
通过第二实施例的天线结构,可以获得与第一实施例类似的效果。
【第三实施例】
接着对本发明的第三实施例的天线结构进行说明。在以下的说明中,省略了与第一实施例相同部分的详细说明,而关注于不同的部分。
图3A和图3B示出了本发明的第三实施例的天线结构。其中图3B示出了本发明的第三实施例的天线的俯视图,图3C是第三实施例的天线的一个顶视图。
第三实施例的天线与第一实施例一样,包括主天线301,寄生天线302,和连接在主天线301与寄生天线302之间的作为匹配元件的电感元件305。不同于第一实施例的是,在第三实施例中,主天线301具有一个馈电脚309和一个接地脚308,电路板306的馈电点310和接地点303分别与主天线301的馈电脚309和接地脚308相连。主天线301具有三个分支,从馈电点310看去,可分为较短分支3011和较长分支3012,较短分支3011一端与接地点303连接,用于高频的信号接地,另一端也与馈入点310连接,达成与较短分支3011的电气连接。较长分支3012一端与接地点303连接,一端为开路端,该部用于感应GSM850和GSM900***频率的电磁波信号,其等效长度同时在该GSM850和GSM900***电磁波信号的四分之一波长时产生共振。馈电点310到接地点303之间形成闭合回路,寄生单元305依然位于主天线301的右侧。
在第三实施例中,由于在主天线301与寄生天线302之间连接了匹配元件,所以可以获得与第一实施例同样的效果。
【第四实施例】
第四实施例涉及本发明的天线结构的匹配优化。
在天线研发的初期匹配阶段,需要对同一个天线的图形做出不同的匹配方案。利用本实施例的匹配方法,可以很方便对不同的天线求出最佳的匹配方案。
在本实施例中,先制备包含主天线和寄生天线的天线主体,在该天线主体上设置匹配单元,使该匹配单元的一端与主天线的导体带电连接,另一端与寄生天线的导体带电连接。最初,将匹配单元设置在预定的初始位置处,测量天线的特性,例如回波损耗。然后,将匹配单元的连接位置依次改变预定的量,分别测量天线的特性。
图4A中示出了一个示例,以天线基座的上边缘到下边缘为界限,共有8mm的长度,以下边缘为起点0mm,改变匹配单元距下边缘的距离。在图4中示出了3个位置,位置401为1mm,位置402为4mm,位置403为7mm。
图4B示出了匹配单元分别设置在这3个位置时回波损耗的测量结果。其中的曲线410是匹配单元处于位置401时的回波损耗测量结果,曲线411是匹配单元处于位置402时的回波损耗测量结果,曲线412是匹配单元处于位置403时的回波损耗测量结果。
由图4B可见,随着改变匹配元件的位置,天线的回波损耗曲线在DCS频段规律地变化。这样经过多次试验后,可以方便地确定匹配元件的最佳位置,选定一个最优的匹配结构。
【第五实施例】
与上述的第四实施例一样,本第五实施例也涉及本发明的天线结构的匹配优化。
与第四实施例不同的是,在第五实施例中,改变匹配单元的特性值来进行匹配优化。
在该第五实施例中,将不同电感值的电感焊接在主天线和寄生天线上,分别为6.8nh,8.2nh,10nh,12nh。测量各个电感值时天线的回波损耗。图5示出了匹配元件为不同值时天线的回波损耗测量结果,其中,曲线501是电感值为6.8nh时的回波损耗,曲线502是电感值为8.2nh时的回波损耗,曲线503是电感值为10nh时的回波损耗,曲线504是电感值为12nh时的回波损耗。由图5可见,随着电感值的增大,低频逐渐变深,高频产生的两个谐振波,对于DCS频段,变化趋势和低频是一样的,但是UMTS频段,不仅增加了深度,还向低频方向发生了一些位移。
如上所述,先制备包含主天线单元和寄生天线单元的天线主体,在该天线主体上设置匹配单元,使该匹配单元的一端与主天线单元的导体带电连接,另一端与寄生天线单元的导体带电连接。最初,将匹配单元的电感值设定为预定的初始值,测量天线的回波损耗。然后,将匹配单元的电感值依次改变预定的量,分别测量天线的特性。根据不同的电感值下的天线回波损耗测量结果,可以方便地确定匹配元件的最佳值,从而方便地确定天线的最佳匹配结构。
【变更例】
以上对本发明的一些实施例进行了说明,但是可以理解,本发明不限于以上的实施例,可以在本发明的实质精神的范围内,对以上实施例进行各种变更。
例如,在以上的实施例中,作为匹配元件例举了电感。但是,本发明不限于此,完全可以采用电容、高通滤波器、低通滤波器等等。
在以上的实施例中,为了易于理解而作为匹配元件的数量例举了一个。但是,本发明不限于此,完全可以根据情况采用多个元件的组合。例如,在主天线元件与寄生天线元件之间的距离足够的情况下,可以采用多个电感元件的并联或串联组合、或多个电容元件的并联或串联组合,也可以采用电感和电容的并联或串联组合。
在以上的实施例中,作为匹配元件的特性值例举了电感的电感值。但是,本发明不限于此,在采用电容的情况下,可以是电容值,在采用高通滤波器或低通滤波器的情况下,可以是滤波器的截止频率。
在以上的实施例中,将匹配元件设置在天线表面主天线元件和寄生单元之间从上到下的位置处,但本发明不限于此,在寄生单元为横向布置时,匹配元件可以设置在从左到右的任意位置,这完全取决于主天线元件和寄生单元的长度。
例外,在第四和第五实施例中,分别例举了单独地调节匹配元件的位置和值来确定天线的最佳匹配结构的例子。但是,也可以同时调节匹配元件的位置和值来确定天线的最佳匹配结构。
根据本发明,能减低匹配困难程度,可以改善低频的回波损耗,进而改善低频的天线效率,也可以提高高频的带宽,从而增加了高频的效率,特别是提高DCS频段的阻抗匹配和频带宽度。
另一方面,在天线研发的初期匹配阶段,很容易对同一个天线的图形做出不同的匹配方案,也可很方便地在同样的无线设备模型下对不同的天线做出不同的匹配方案。
此外,还减少对电路板的空间需求。

Claims (16)

1、一种用于无线设备的天线装置,该天线包括主天线单元和寄生天线单元,所述主天线单元和寄生天线单元相互间隔开,其特征在于,
在所述主天线单元和寄生天线单元之间连接有匹配单元。
2、根据权利要求1所述的天线装置,其中,所述匹配单元的一端电连接在所述主天线单元的导体带上,另一端电连接在所述寄生天线单元的导体带上。
3、根据权利要求1所述的天线装置,其中,所述的匹配单元是电感。
4、根据权利要求1所述的天线装置,其中,所述的匹配单元是电容。
5、根据权利要求1所述的天线装置,其中,所述的匹配单元是一个或一个以上电容与一个或一个以上电感的并联和/或串联的组合。
6、根据权利要求1所述的天线装置,其中,所述的匹配单元是高通滤波器。
7、根据权利要求1所述的天线装置,其中,所述的匹配单元是低通滤波器。
8、根据权利要求1~7中任意一项所述的天线装置,其中,所述匹配单元的位置被确定为使该天线取得最优的回波损耗。
9、根据权利要求1~7中任意一项所述的天线装置,其中,所述匹配单元的特性值被确定为使该天线取得最优的回波损耗。
10、根据权利要求1所述的天线装置,其中,所述的主天线单元是单极子天线。
11、根据权利要求1所述的天线装置,其中,所述的主天线单元是倒F天线。
12、具有权利要求1所述的天线装置的无线设备。
13、一种对无线设备用的天线进行匹配优化的方法,包括以下步骤:
准备具有相互分离开的主天线和寄生天线的天线单元;
在该天线单元上设置匹配元件,使该匹配单元的一端与所述主天线电连接,另一端与所述寄生天线电连接;
改变所述匹配单元的参数,分别测量不同参数下天线的特性;以及
根据匹配单元的不同参数下的天线特性数据,确定匹配元件的最佳参数。
14、根据权利要求13所述的方法,其中,所述的参数是匹配单元的位置。
15、根据权利要求13所述的方法,其中,所述的参数是匹配单元的特性值。
16、根据权利要求13所述的方法,其中,所述的参数是匹配单元的位置和特性值。
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