CN101488772A - 天线装置以及无线电通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天线装置以及无线电通信装置。配备有天线装置，包括导电接地面；包括辐射元件的天线；一端连接到所述导电接地面的至少一个可变电容器；一端连接到所述至少一个可变电容器的另一端而另一端在不同位置连接到所述天线的多个开关元件；配置成控制每一个所述开关元件的导通/断开状态的开关控制单元；以及配置成控制所述至少一个可变电容器的电容量的电容器控制单元。

Description

天线装置以及无线电通信装置
技术领域
本发明涉及天线装置以及无线电通信装置。
背景技术
因为低失真和低损耗的优点，已经研究了使用MEMS(微电机械***)电容器作为用于可调谐天线的可变电容器。还已经研究了MEMS组的使用，MEMS组通过切换并联连接的多个MEMS电容器的导通/断开状态以建立导通/断开状态的不同组合，从而改变其电容量值。
然而，MEMS电容器是机械部件，并且可能遭受MEMS元件特有的静摩擦问题，这是一种电极在重复导通/断开操作过程中可能相互依附并且锁定在导通状态的现象。为克服这个问题，可以想到的是预先提供备用MEMS电容器作为锁定元件的代替物。然而，锁定的MEMS电容器的额外电容量增加了最低电容量值。结果，频率移向低频侧，从而妨碍达到期望的高频。
非专利文献1：Gabriel M.Rebeiz，“RFMEMS：Theory，Design and Technology”
发明内容
根据本发明的方面，提供有导电接地面；
包括辐射元件的天线；
一端连接到所述导电接地面的至少一个可变电容器；
一端连接到所述至少一个可变电容器的另一端而另一端连接到所述天线的不同位置的多个开关元件；
配置成控制每一个所述开关元件的导通/断开状态的开关控制单元；以及
配置成控制所述至少一个可变电容器的电容量的电容器控制单元。
根据本发明的方面，提供有一种无线电通信装置，包含：
如权利要求1所述的天线装置；以及
配置成通过所述天线装置进行无线电通信的无线电处理单元。
附图说明
图1是显示根据本发明第一实施例的天线装置的示意性结构图。
图2是显示根据第一实施例的操作设置表110的实例的图表；
图3是显示其中逆F天线元件被设置在导电板的短边的天线装置的图；
图4是用于解释图3中的天线装置的天线效率的曲线图；
图5是显示使用具有固定电容量的电容器的天线装置的实例的图；
图6是用于解释图5中的天线装置的VSWR频率特性的图和曲线图；
图7是显示根据本发明第二实施例的天线装置的示意性结构图；
图8是显示根据第二实施例的操作设置表120的实例的图表；
图9是用于解释图7中的天线装置的操作的流程图；
图10是显示根据本发明第三实施例的天线装置的示意性结构图；
图11是显示图1和7中的天线装置的各变化例的图；
图12是显示图7中的天线装置的变化例的图；
图13是显示图7中的天线装置的变化例的图；
图14是显示图7所示的天线装置的变化例的图；
图15是显示图14中的天线装置的变化例的图；
图16是显示图7所示的天线装置的变化例的图；
图17是显示图13所示的天线装置的变化例的图；
图18显示使图11(B)中的天线装置安装在其中的无线电通信终端的示意性结构图；以及
图19是示意性地显示图18中的无线电通信终端的变化例的图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的实施例。
图1是显示根据本发明第一实施例的天线装置的示意性结构图。
该天线装置包括导电接地面101，天线元件(具有辐射元件的天线)102，通过其向天线元件102供电的馈电点P，一端连接到导电接地面101的MEMS电容器(可变电容器)107，一端连接到MEMS电容器107的另一端而另一端在不同位置(在图1中从左开始，由参考标号A，B，和C表示)连接到天线元件102的多个开关元件(在下文中简称为开关)104A到104C，控制多个开关104A到104C的导通/断开状态的开关控制单元105，控制MEMS电容器107的电容量的MEMS控制单元(电容器控制单元)108，判定MEMS电容器107的操作状态的MEMS操作判定单元109，以及操作设置表110。
天线元件102是L形单极天线元件。天线元件102的一端通过馈电点P被连接到导电接地面1，而另一端开放。
开关控制单元105独立地控制多个开关104A到104C的导通/断开状态。在此实施例中，仅开关104A到104C中的任何一个被导通而其余被断开。然而，本发明不局限于此，而可以包括开关104A到104C的两个或更多同时被导通的情况。
MEMS电容器107是可变电容器的实例，并且可以设置为具有多级电容量。在此实施例中，可以设置二级电容量。该二级电容量包括当MEMS电容器107的电极互相接触时的电容量(导通状态电容量)以及当电极互相间隔预定距离时的电容量(断开状态电容量)。因为MEMS电容器107是机械部分，所以它可能在处于导通状态或者断开状态的时候在重复导通/断开操作的过程中出故障。故障MEMS电容器的电极变得不能移动，并且MEMS电容器被固定在导通状态或者断开状态。用于检测MEMS元件中的故障的方法是众所周知的，并且用于判定MEMS电容器中是否存在静摩擦的方法在，例如，JP-A2006-032587(公报)中被揭示。此公布提到监视储存的电荷量或者MEMS电容器断开时的拉出电压的方法等。
MEMS操作判定单元109检查MEMS电容器107的操作状态并且判定MEMS电容器107中是否有故障。如果有故障，则MEMS操作判定单元109进一步检测MEMS电容器107是处于导通状态还是断开状态。MEMS操作判定单元109包括检测可变电容器中的故障的电容器故障检测单元以及检测故障可变电容器的电容量等级的电容量等级检测单元。MEMS操作判定单元109将操作判定的结果(故障的存在或者不存在以及，如果发生故障，电容量)通知开关控制单元105和MEMS控制单元108。
操作设置表110对于MEMS电容器107的电容量等级和多个开关104A到104C的导通/断开状态的每个组合，保持天线元件102的操作频率。图2显示操作设置表110的实例。多个开关104A到104C被设置，以致它们中的任何一个导通而其余断开。例如，当MEMS电容器107导通，开关104A导通，而开关104B和104C断开时，天线元件102的操作频率(共振频率)是“F4”。当MEMS电容器107导通或者当它断开时，可以实现“F3”和“F2”的操作频率。
表示天线元件102的期望操作频率的值，从外部单元(无线电单元等)被输入到MEMS控制单元108和开关控制单元105。也就是说，MEMS控制单元108和开关控制单元105包括从外部单元(无线电单元等)接收期望操作频率的操作频率接收单元。MEMS控制单元108和开关控制单元105控制MEMS电容器的电容量和开关的导通/断开状态，以便天线元件具有由操作频率接收单元接收到的期望操作频率。
更具体地说，MEMS控制单元108和开关控制单元105参照操作设置表110并选择具有期望操作频率的设置(组合)。MEMS控制单元108和开关控制单元105包括参照操作设置表110以检测具有期望操作频率的设置(组合)的检测单元。如果存在具有期望操作频率的多个设置，则MEMS控制单元108和开关控制单元105选择这样一个设置，通过该设置使最靠近天线元件102的尖端(开放端)的一个开关导通。这是因为选择的开关越接近天线元件102的尖端，获得的天线效率越高。稍后将具体说明。开关104A最接近于天线元件102的尖端，顺次接着开关104B和开关104C。
例如，假定给出“F2”作为期望操作频率。在这种情况下，MEMS控制单元108和开关控制单元105参照操作设置表110，搜索用以实现“F2”的设置，并且得到两个设置。该两个设置是一个使开关104B导通和一个使开关104C导通。因为开关104B更接近天线元件102的尖端，所以MEMS控制单元108和开关控制单元105选择使开关104B导通的设置。
注意如果MEMS控制单元108和开关控制单元105被MEMS操作判定单元109告知MEMS电容器107中的故障，则它们考虑到MEMS电容器107的状态而作出选择。例如，如果MEMS电容器107因故障而被固定在导通状态，则MEMS控制单元108和开关控制单元105从操作设置表110中用于处于导通状态的MEMS电容器107的设置中，选择可以用以实现期望操作频率的一个。如果期望操作频率是“F2”，则MEMS控制单元108和开关控制单元105选择使开关104C导通而使开关104A和104B断开的设置。注意因为MEMS控制单元108已经被告知MEMS电容器107中的故障，所以它停止操作。
参考图3将说明为何选择(导通)的开关越接近天线元件的尖端，获得的天线效率越高的理由。
图3显示天线装置，其中从馈电点P到开放端的长度是128mm的逆F天线元件202被设置在导电接地面201(尺寸为110mm×65mm)的短边。MEMS电容器(可变电容器)203的串联电阻成分设置为4.23Ω，并且逆F天线元件202和导电接地面201被MEMS电容器203短路。图4显示当从天线的尖端开始5mm、25mm、45mm、60mm和80mm之中改变连接天线元件202和MEMS电容器203的位置时，计算作为辐射效率和电力传输系数的组合的整体天线效率的结果。对应于连接位置的用于MEMS电容器203的电容量值分别为0.8pF、0.9pF、1.2pF、1.4pF和2.0pF。可以从图4看到，连接位置越接近天线元件的尖端，获得的效率越高。换句话说，需要的电容量值随着到天线元件的尖端的距离减小而减小，并且损耗随着电容量值减小而变得更不显著。所以，连接位置越接近天线元件尖端，获得的天线效率越高。
如上所述，在图1中的天线装置中，通过改变MEMS电容器107的电容量以及连接天线元件102和MEMS电容器107的位置(即，改变开关的导通/断开状态)，可以使得天线的操作频率可变。以下将详细地说明这一点。为了简单说明，图5中显示了使用具有固定电容量的电容器来代替MEMS电容器107的天线装置的实例。开关104A到104C的导通/断开状态和操作频率之间的关系被设置在开关表106中。表示期望操作频率的值被输入到开关控制单元115，并且从开关表106获得用以实现该值的设置，从而控制开关104A到104C的导通/断开状态。
图6(A)显示当在图5中的天线装置中选择开关104A时的示意性结构以及VSWR频率特性。类似地，图6(B)和6(C)分别地显示当选择开关104B时的示意性结构和VSWR频率特性，以及当选择开关104C时的示意性结构和VSWR频率特性。
当单极型天线元件以驻波处于共振状态时，电压振幅在天线元件的尖端为大。由于这个缘故，将要连接到天线元件的电容器被连接到越接近天线元件的尖端，天线元件越受电容器的影响。所以，可以从图6(A)到6(C)中看到的，电容器被连接到越接近天线元件的尖端，天线元件的操作频率越移到低频侧。
注意如果电容器不连接到天线元件，则天线元件的操作频率比在图6(C)中更移到高频侧。已经由发明者从仿真中证实，如果多个开关被导通(电容器在多个位置被连接)，则实现对应于最靠近馈电点的连接位置之一的操作频率。
如上所述，连接天线元件和电容器的位置的切换使天线元件的操作频率可变。另外，如在图1中，MEMS电容器107能被使用作为电容器，以依靠可变电容器的可能等级数来设置更多的操作频率。
图7是显示根据本发明第二实施例的天线装置的示意性结构图。
虽然在图1中的天线装置中，MEMS电容器的数目是一个，但是图7中的天线装置包括三个MEMS电容器107A到107C。MEMS电容器107A到107C的一端被连接到导电接地面101，而另一端被分别地连接到开关104A到104C的一端。通过组合多个MEMS电容器的导通/断开状态，实现具有可变电容量值的数字可变电容器。因为MEMS电容器的数目大于图1中的，所以相应地详细地设置操作设置表120。图8显示操作设置表120的实例。
在图8中，参考标号A，B，和C表示天线元件102和MEMS电容器被连接的位置。更具体地说，连接位置A意味着接通开关104A而断开开关104B和104C；连接位置B，接通开关104B而断开开关104A和104C；以及连接位置C，接通开关104C而断开开关104A和104B。
MEMS电容器的导通/断开状态与开关的导通/断开状态的组合使得可以实现比图1中的天线装置更大的操作频率数目并且获得用以实现单个操作频率的大量设置。例如，如果希望以操作频率“F4”操作天线元件，则可得到三个组合：连接位置A，107A导通，107B断开，107C断开；连接位置B，107A断开，107B导通，107C断开；以及连接位置C，107A导通，107B导通，107C断开。假定，使Ca，Cb，和Cc作为MEMS电容器107A，107B，和107C的导通状态电容量，保持关系Ca<Cb<Cc。
图9是用于解释图7中的天线装置中的MEMS控制单元108，开关控制单元105，和MEMS操作判定单元109的操作的流程图。
首先，MEMS操作判定单元109检查在每一MEMS电容器107A到107C中是否有错误动作(故障)。
如果没有错误动作(S2中否)，则开关控制单元105基于期望的操作频率选择最靠近天线元件102尖端的连接位置(S3)，并且MEMS控制单元108从MEMS电容器的导通/断开状态的组合中选择对应于连接位置的一个(总电容量)(S4)。
开关控制单元105使开关中对应于选择的连接位置的一个开关导通而使其余开关断开(S5)。MEMS控制单元108基于选择的组合切换MEMS电容器107A到107C的导通/断开状态(S5)。
另一方面，如果MEMS电容器107A到107C中的任何一个中有错误动作(S2中的是)，则MEMS操作判定单元109检测故障MEMS电容器是固定在导通状态还是断开状态。MEMS操作判定单元109通知开关控制单元105和MEMS控制单元108识别故障MEMS电容器的信息和故障MEMS电容器的状态(导通或者断开)。
在MEMS电容器状态的前提下，开关控制单元105和MEMS控制单元108识别除故障MEMS电容器以外的MEMS电容器和可以实现期望操作频率的开关的导通/断开状态的组合(S6)。开关控制单元105和MEMS控制单元108选择组合中允许最靠近天线元件的尖端的开关被导通的一个组合(S7)。
开关控制单元105和MEMS控制单元108按照所选择的组合控制开关104A到104C和MEMS电容器(排除故障的一个)的导通/断开状态。
以上述方式，可以补偿MEMS电容器中的错误动作，同时维持对于期望操作频率尽可能高的天线效率。
图10是显示根据本发明第三实施例的天线装置的示意性结构图。
该天线装置的特征在于根据第二实施例的天线装置(参见图7)中的开关104A到104C被替换为开关元件114A到114C。
MEMS操作判定单元109检查开关元件114A到114C的操作状态并且判定是否有故障。如果有故障，则MEMS操作判定单元109检测每一开关元件114A到114C被固定在导通状态还是断开状态。MEMS操作判定单元109包括检测开关中的故障的开关故障检测单元，以及检测故障开关的导通/断开状态的开关状态检测单元。MEMS操作判定单元109通知开关控制单元105和MEMS控制单元108开关操作判定的结果。
除第二实施例中说明的操作之外，开关控制单元105和MEMS控制单元108考虑到MEMS开关的状态，基于操作设置表110作出选择。假定操作设置表110的内容与图8所示的相同。例如，如果MEMS开关之一在处于断开状态的时候出故障，则开关控制单元105和MEMS控制单元108从不使该故障MEMS开关导通的组合中选择一个。另一方面，如果MEMS开关之一在处于导通状态的时候出故障，则开关控制单元105和MEMS控制单元108从使该故障MEMS开关导通的组合中选择具有期望操作频率的一个。如果没有具有期望操作频率的组合，则开关控制单元105和MEMS控制单元108从使比故障MEMS开关更接近天线馈电点的一个(一些)开关导通的组合中选择具有期望操作频率的一个。这是因为如果多个开关被导通，则获得当最靠近馈电点的一个开关被导通时所获得的操作频率，如已经参考图6(A)到6(C)说明的。换句话说，即使比故障MEMS开关更接近天线尖端的一个开关被导通，获得的特性也稍微不同于导通前的。
图11(A)显示图1中的天线装置的变化例，并且图11(B)显示图7中的装置的变化例。当图1和7中的天线元件具有L形状的时候，图11(A)和11(B)中的天线元件212具有迂回形状(meander shape)。图10中天线装置的天线元件可以被配置为具有迂回形状。将天线元件配置成具有迂回形状可以将天线元件上的连接位置之间的间隔设置得更长而不必改变开关被放置的间隔。这允许能够大大改变频率的结构容易实现。
图12显示图7中的天线装置的变化例。该变化例的特征在于天线元件222具有板状形状。将天线元件配置成具有板状形状允许带宽增大。图10中的天线元件可以被配置成具有板状形状。
图13显示图7中的天线装置的变化例。虽然图7所示的天线元件具有单极型性质，但是天线装置可以具有偶极型的天线元件，类似该变化例中的天线元件232。对馈电点P两侧上的每个辐射元件配备开关104A到104C和MEMS电容器107A到107C。配置成具有偶极型性质的天线元件具有高噪声阻抗、容易获得期望指向性等优点。图10中的天线元件可以被配置成具有偶极型性质。
图14显示图7所示的天线装置的变化例。图14中的天线元件具有折叠偶极型性质。图10中的天线元件可以被配置成具有折叠偶极型性质。导电接地面101和导电板241起辐射元件作用。导电接地面101和导电板241互相面对，并且开关104A到104C和MEMS电容器107A到107C介于导电接地面101和导电板241之间。此结构导致高噪声阻抗、容易获得期望指向性、更小尺寸等优点。假定图14中的天线装置被应用于，例如，折叠式移动电话的情况。在这种情况下，配置移动电话，以便关闭移动电话时，如图14所示，导电接地面101和导电板241互相面对，可以在关闭状态下以上述优点进行通信。该移动电话可以被配置成当其打开以便导电接地面101和导电板241大体上互相平接时，使用导电接地面101和导电板241作为辐射元件，通过板状偶极天线进行正常通信。
图15显示图14中的天线装置的变化例。虽然馈电点P位于图14中天线装置中的天线元件的中心，馈电点偏离图15中的天线装置中心。此结构导致设计灵活性增大、容易通过复合共振增加带宽等优点。参考标号251表示导电接地面；252表示导电板；253表示线性元件；以及254表示连接元件。这些部件251到254形成天线元件(大体上1/2波长)。
图16显示图7所示的天线装置的变化例。该变化例是通过以无源元件261替换图7中的天线元件获得的，并且无源元件261远离馈送元件262隔开预定距离。无源元件作为天线元件的应用导致馈送元件262设计灵活性增加、容易通过复合共振增加带宽等优点。无源元件可以被用作图10所示的天线装置的天线元件。
图17显示图13所示的天线装置的变化例。该变化例是通过以无源元件271替换图13中的天线元件(偶极天线元件)而获得的，并且无源元件271远离馈送元件262隔开预定距离。这个结构使其可以具有馈送元件262设计灵活性增加、容易通过复合共振增加带宽、容易获得期望指向性等优点。
图18显示了使图11(B)中的天线装置安装在其中的无线电通信终端的示意性结构。
迂回形状的天线元件212被设置在无线电通信终端的PCB(印刷电路板)板220上，并且导电接地面101在与设置天线元件212的区域不相同的区域中形成。无线电处理单元225通过使将要传送的数据经受无线电处理，包括调制、变频以及放大，来产生射频信号，并且通过馈送线224将产生的射频信号提供到天线元件212的馈电点P。模块221包括开关104A到104C以及MEMS电容器107A到107C。模块221通过开关104A到104C在三个点被连接到迂回形状的天线元件212并且还通过MEMS电容器107A到107C被连接到导电接地面101。MEMS控制单元、MEMS操作判定单元以及开关控制单元通过连接线被连接到模块221。
图19示意性地显示图18中的无线电通信终端的变化例。
沿PCB板220的边缘配备具有比PCB板220的介电常数高的介电常数的介电块226，并且天线元件212的主要部分被形成在介电块226的纵向侧(在板的外侧上)。除主要部分以外的天线元件212部分被形成在PCB板220上。该部分从馈电点P延伸出，在其中途通过介电块226相对于PCB板220被向下压，被引出到介电块226侧，并且被连接到主要部分。连接模块221和天线元件212的线被形成在PCB板220上。该线从模块221延伸出，在其中途通过介电块226相对于PCB板220被向下压，被引出到介电块226侧，并且被连接到天线元件212。在具有高介电常数的介电块226处形成天线元件可以使天线元件因波长缩短效果而变得更短，因而允许天线装置尺寸减小。
根据本发明的天线装置的上述实施例也可以通过被安装在便携式终端、笔记本PC或者FPD(Flat Panel Display，平板显示器)中而作为用于接收数字地面广播的天线来起作用。
本发明不局限于上述原样的实施例并且可以在实施阶段用其修改后的部件来体现，而不脱离本发明的范围。此外，上述实施例中公开的部件的任意组合能够形成各种发明。例如，可以省略实施例中所示的所有部件中的一些部件。此外，可以适当组合来自不同实施例的部件。

Claims (11)

1.一种天线装置，其特征在于，包含：
导电接地面；
包括辐射元件的天线；
一端连接到所述导电接地面的至少一个可变电容器；
一端连接到所述至少一个可变电容器的另一端而另一端连接到所述天线的不同位置的多个开关元件；
配置成控制每一个所述开关元件的导通/断开状态的开关控制单元；以及
配置成控制所述至少一个可变电容器的电电容量的电容器控制单元。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，更进一步包含：
配置成保持与所述至少一个可变电容器的电电容量等级和所述开关元件的导通/断开状态之间的每个组合相对应的所述天线的操作频率的操作设置表；以及
配置成从所述操作设置表中的组合之中检测与期望操作频率相对应的一个组合的检测单元，其中
所述电容器控制单元按照检测到的组合控制所述至少一个可变电容器，并且
所述开关控制单元按照检测到的组合控制所述开关元件。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，更进一步包含：
配置成从外部装置接收期望操作频率的信息的操作频率接收单元，其中
所述检测单元基于接收到的信息指定期望操作频率。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，更进一步包含：
配置成向所述辐射元件的一端供电的馈电点。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于
所述辐射元件是无源元件，并且所述辐射元件的一端被连接到所述导电接地面。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于
当在所述操作设置表中有多个与所述期望操作频率相对应的组合时，所述检测单元从所述多个组合中选择允许最靠近所述天线的另一端的开关元件被导通的一个组合。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，更进一步包含：
配置成检测可变电容器中的故障的电容器故障检测单元；以及
配置成检测故障可变电容器的电电容量等级的电电容量等级检测单元，其中
所述检测单元从所述操作设置表中的组合之中选择其中故障可变电容器的电电容量等级与检测到的电电容量等级相符合的一个组合。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，更进一步包含：
配置成检测开关元件中的故障的开关故障检测单元；以及
配置成检测故障开关元件是处于导通状态还是处于断开状态的开关状态检测单元，其中
所述检测单元从所述操作设置表中的组合之中选择其中故障开关元件的状态与检测到的状态相符合的一个组合。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于
所述至少一个可变电容器是MEMS电容器。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于
所述开关元件分别是MEMS开关。
11.一种无线电通信装置，其特征在于，包含：
如权利要求1所述的天线装置；以及
配置成通过所述天线装置进行无线电通信的无线电处理单元。
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