CN101595598A - 内部多频带天线 - Google Patents

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CN101595598A CNA2007800426271A CN200780042627A CN101595598A CN 101595598 A CN101595598 A CN 101595598A CN A2007800426271 A CNA2007800426271 A CN A2007800426271A CN 200780042627 A CN200780042627 A CN 200780042627A CN 101595598 A CN101595598 A CN 101595598A
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Abstract

一种内部多频带天线和一种包括该天线的无线电装置。天线的辐射器(320)是无线电装置的外壳(COV)的导电部分，或者外壳的导电覆盖层。馈送元件(330)对辐射器进行电磁馈送，相对薄的绝缘层将该馈送元件(330)与辐射器隔离。馈送元件定形为使得该馈送元件与天线的其它部分一起具有在至少两个期望的工作频带的范围中的谐振频率。天线结构还包括寄生调谐元件(340)和开关(SW)，利用该开关，调谐元件可通过至少两个可选电抗电路与信号地(GND)连接。调谐元件被设置尺寸并放置，并且选择电抗电路的元件值，使得当改变开关的状态时，天线的两个工作频带的位置都以期望的方式转移。通过相对简单的开关装置，可以使天线覆盖四个***的频率范围，并且由于天线的工作频带每次只覆盖一个***所使用的范围，可以为各***分别地优化天线。

Description

内部多频带天线
技术领域
本发明涉及一种用于小型无线电装置的内部多频带天线。本发明还涉及具有根据本发明的天线的无线电装置。
背景技术
在便携式无线电装置中，尤其是在移动站中，最优选的情况是将天线置于装置内部以方便使用。小型装置的内部天线通常是平面型的，因为天线会因此容易获得满意的电特性。平面天线包括辐射平面和与之平行的接地层。为了便于阻抗匹配，辐射平面和接地层通常在适当的点通过短路导体相互连接，在该情况下构成PIFA(平面反向F天线)。
为了节省小型无线电装置中的空间，可以使其外壳的一部分导电并用作天线的辐射平面。另外，在辐射器在装置的外壳中的情况下，与内置辐射器相比改善了天线的辐射特性。另一方面，辐射器的定形被限制，这将阻碍获得期望的电特性。可以通过在辐射器和接地层之间使用独立的馈送元件来减弱该不利因素。
图1示出从公布EP1439601获知的天线的实例，其中辐射器是无线电装置的外壳的一部分，并且通过独立的馈送元件对其进行馈送。在子图(a)中从后方呈现无线电装置，并且在子图(b)中从侧面将无线电装置示为简化的纵切面。装置的外壳COV的后部的上部120是导电材料的，并因而用作辐射元件。薄而软的绝缘基片靠在辐射元件120的内表面上，馈送元件130在该绝缘基片的内表面上。子图(a)将馈送元件示为虚线，并且子图(b)将馈送元件示为在外壳后面的线。在该实例中，馈送元件是类似于字母T的导体条，大约在其干部的中间有天线的馈电点FP和短路点SP。馈电点通过馈送导体FC与无线电装置的电路板PCB上的天线端口连接，并且短路点与也在无线电装置的电路板上的接地层连接。在子图(a)中该接地连接被作为图形符号示出。短路点SP将馈送元件130分成两部分。馈送元件130的第一部分131由所述干部的一部分和连接其端部的横条构成。馈送元件的第二部分132由干部的另一部分构成。天线具有两个频带：馈送元件的第一部分与辐射器和接地层一起在较低的工作频带中谐振，并且第二部分与辐射器和接地层一起在较高的工作频带中谐振。
在上述基片的内表面上，除了馈送元件130以外，还有寄生调谐元件140，该寄生调谐元件140是相对小的导体条，其接近于馈送元件的第二部分132。调谐元件通过其自身的短路导体TC电连接于接地层。在该结构中，通过该调谐元件来调谐主要取决于辐射元件120和接地层的谐振频率，使得也可在天线中利用该频率。当然，调谐元件也会对上述谐振的频率有一点影响，上述谐振的频率主要取决于馈送元件。
在根据图1的天线中，辐射器不需要具有特定尺寸；可以将其有利地制造成相对大。另外，可以自由地按形状将辐射器安装到无线电装置。通过馈送元件的定形和短路来进行天线的匹配。因为接地层和馈送元件之间的距离由于相对大的辐射器的关系而留得比接地层和对应的常规PIFA的辐射平面之间的距离短一些，该天线还节省了空间。然而，不利的因素是工作频带相对窄，尤其是较低的工作频带。由此可知，如果装置要在例如欧洲和美国GSM(全球移动通信***)***中都运行，该天线的特性并不适合。
通过每次将工作频带转移到要求的范围，可以减弱由窄工作频带导致的不利因素。该转移可进行为使得通过用开关变化包括在结构中的阻抗来改变天线或其部分之一的电尺寸。图2示出从公布EP1544943获知的这样一种解决方案的实例。该实例的天线是具有两个频带的PIFA，只画出了该PIFA的基本结构的辐射平面220的一部分。除了该基本结构以外，该天线还包括调节电路，其包括辐射平面的寄生元件240、双路开关SW，以及第一251和第二252电抗电路。在该实例中，寄生元件是位于与天线的较高工作频带对应的辐射平面的一部分221的下方的导体条。寄生元件固定地连接于双路开关的公共端。开关的一个变化端固定地连接于第一电抗电路251的第一端，并且开关的另一个变化端连接于第二电抗电路252的第一端。两个电抗电路的第二端又固定地连接于信号地GND。因此，取决于开关SW的状态，每次有一个电抗电路连接于寄生元件240和信号地之间。在这里，第一电抗电路251由并联电路构成，该并联电路的一个支路是线圈L21，并且另一个支路是串联的电容器C21和线圈L22。该电抗电路在低频为电感性，在中间频率范围为电容性，并且从中间频率范围往上又为电感性。在中间频率范围的下边界处，该电抗电路具有并联谐振，在该情况下其绝对值很高；而在中间频率范围的上边界处，该电抗电路具有串联谐振，在该情况下其绝对值很低。在结构方面，第二电抗电路252与第一电抗电路相似：有线圈L23，以及与之并联的电容器C22和线圈L24的串联电路。选择电路值，使得两个电抗电路都在天线的较低工作频带和较高工作频带的中间频率范围内具有串联谐振，不过是在不同的点。那么，当改变开关的状态时，从辐射平面的部分221通过寄生元件到地存在的电感电抗变化。因此，从辐射平面的短路点测得的与较高工作频带对应的部分的电长度以及对应的谐振频率也变化。进一步选择电路值，使得为较高工作频带获得期望的可选位置。在该实例中，较低工作频带保持不变，因为两个电抗电路的绝对值在其频率处都很高。通过改变电路值，自然有可能为较低工作频带可选择地设置期望的转移。
根据图2的天线没有被设计为使用独立的馈送元件，也没有预计其考虑了由此提供的可能性。
发明内容
本发明的目的是用与现有技术相比更有利的新方法来实现多频带天线。根据本发明的天线的特征在于独立权利要求1中说明的内容。在其它权利要求中说明了本发明的一些有利的实施例。
本发明的基本思想如下：天线的辐射器是无线电装置的外壳的导电部分，或者外壳的导电覆盖层。通过相对薄的绝缘层与辐射器绝缘的馈送元件对辐射器进行电磁馈送。馈送元件被定形为使得其与天线的其它部分一起具有在至少两个期望的工作频带范围内的谐振频率。天线结构还包括寄生调谐元件和开关，可用该开关将调谐元件通过至少两个可选电抗电路连接于信号地。调谐元件被设置尺寸并放置，并且选择电抗电路的元件值，使得当改变开关的状态时，天线的两个工作频带的位置都以期望的方式转移。
本发明的优点之一是：通过相对简单的开关布置，可以使天线覆盖四个***所使用的频率范围。由于天线的工作频带每次只覆盖一个***所使用的频率范围，还可以分别为各***优化天线。本发明的另一优点是基于装置的期望的外观而定形的元件可被用作多频带天线的辐射器。工作频带的定位和天线的匹配都可不需要由于它们而对辐射元件进行定形来实现。另外，本发明的优点是，天线在装置内所需的空间相对小，并且辐射元件在装置的外壳中，与内置辐射器相比改善了天线的辐射特性。
附图说明
现在将详细描述本发明。描述参照附图，在其中：
图1示出根据现有技术的内部多频带天线的实例。
图2示出根据现有技术的内部多频带天线的第二实例。
图3示出根据本发明的内部多频带天线的实例。
图4示出根据图3的天线的调谐电路的实例。
图5将根据本发明的天线的调谐电路的阻抗变化的实例示为史密斯图。
图6示出根据本发明的天线的工作频带的转移的实例，以及
图7示出根据本发明的内部多频带天线的第二实例。
已结合现有技术的描述讨论了图1和2。
具体实施方式
图3示出根据本发明的无线电装置(RD)的内部多频带天线的实例。在子图(a)中从后方呈现该无线电装置，在子图(b)中从侧面将该无线电装置示为简化的纵切面。装置的外壳COV的后部的上部320是导电材料的，并因而用作辐射元件，如图1中一样。独立的馈送元件330对辐射元件，即辐射器，进行电磁馈送，该馈送元件330是薄而软的绝缘基片的表面上的导体条。该基片的一侧靠在辐射器的内表面。子图(a)将馈送元件330示为虚线，并且子图(b)将其示为外壳后面的线。在该实例中馈送元件类似于宽矩形字母U。其中间部分相对接近于辐射器所延伸到的无线电装置端部，并且平行边部分从中间部分的端部指向装置的相对端。天线的馈电点FP在馈送元件的一个拐角点中，馈送元件从该馈电点FP通过馈送导体FC连接于无线电装置的电路板PCB上的天线端口。在所讨论的拐角点中，和在另一拐角点中相比，有在更大的区域上的导电表面。由于馈电点FP所在的位置，它将馈送元件330分成两个长度不同的部分。馈送元件330的第一部分331由所述中间部分和第一边部分构成，而第二部分332仅由第二边部分构成。天线具有两个频带：馈送元件的第一部分331与天线的其它部分一起在较低工作频带中谐振，而第二部分332与天线的其它部分一起在较高工作频带中谐振。天线的所述其它部分包括接地层，该接地层是电路板PCB的相对整体的导电覆盖层。
在所述基片的表面上，除了馈送元件330之外还有寄生调谐元件340。在该实例中，寄生调谐元件340是平行于馈送元件的中间部分的导体条，从馈电点FP来看，其位于相对接近于辐射器的斜对角的位置。在调谐元件340相对接近于馈送元件在第一边部分的那一侧上的端部的端部处有调谐点TP，调谐元件可从该调谐点TP通过可选电抗电路连接于接地层。在该电路中使用的电抗电路和开关SW位于无线电装置的电路板PCB上，其中在子图(b)中还画出了开关。
根据以上描述，图3中的天线不同于图1中的已知天线，使得现在寄生元件不直接与地连接，并且馈送元件的定形和元件的位置不同于图1中的定形和位置。另外，在图3的实例中，馈送元件没有短路点和短路导体。而是可以通过置于电路板PCB上并连接于馈送导体FC和地之间的线圈来优化天线匹配。
根据图3的天线具有和根据图1的天线相同的常规优点。换言之，不需要天线的辐射器具有特定尺寸，并且辐射器因而也可被有利地制造成相对大。另外，可以自由地按形状将辐射器安装到无线电装置。主要通过馈送元件和调谐元件的定形来进行天线的电匹配，这对于其部分而言，对辐射器的定形没有限制。由于辐射器的位置，并且因为可以使接地层和馈送元件之间的距离相对短，该天线节省了空间。另外，可以使用一个开关以期望的方式将双频带天线的两个工作频带都从一个无线电***的频率范围转移到另一个无线电***的频率范围。下面将更精确地描述该内容。
图4示出根据图3的天线的调谐电路的实例。调谐电路40包括双路开关或SPDT(单刀双掷)开关SW，以及第一451和第二452电抗电路。也可以认为图3中示出的天线的调谐元件340包括在调谐电路中。元件340的调谐点TP与双路开关的公共端连接。开关的一个变化端与第一电抗电路的第一端连接，并且开关的另一端与第二电抗电路的第一端连接。两个电抗电路的第二端又都与地连接。因此，取决于开关SW的状态，每次有一个电抗电路连接于调谐元件和地之间。第一电抗电路451由线圈L41和电容器C41的并联电路构成，并且第二电抗电路452由第二线圈L42和第二电容器C42的并联电路构成。已知该电抗电路的阻抗的绝对值在电路的谐振频率处以及相对接近谐振频率处很高。
开关SW的实现方式是用例如FET(场效应晶体管)或PHEMT(赝配高电子迁移率晶体管)技术制成的半导体元件，或者是MEMS(微机电***)类型的开关。
图5将根据本发明的天线的调谐电路的阻抗变化的实例示为史密斯图。该实例涉及根据图4的调谐电路，其中L41＝27nH，C41＝1.3pF，L42＝1.5nH，并且C42＝1.0pF。馈送和调谐元件的定形和位置是根据图3的。曲线51示出当调谐元件与第一电抗电路连接时，作为频率的函数的调谐电路的阻抗变化；曲线52示出当调谐元件与第二电抗电路连接时，阻抗的变化。在没有损耗的情况下，曲线将沿着图中的***圆。现在，它们只是相对接近于***圆，这表示在调谐电路中有一定量的损耗。
在两条曲线中，头部，即从与图中824MHz频率对应的点开始的部分，代表天线的较低工作频带，其中有GSM850和GSM900***所使用的频率范围。两条曲线的尾部，即结束于与图中1.99GHZ频率对应的点的部分，代表天线的较高工作频带，其中有GSM1800和GSM1900***所使用的频率范围。
当已选择了第一电抗电路时，调谐电路的阻抗在较低工作频带中为电容性，并且当天线的额定阻抗为50Ω时，调谐电路的阻抗的绝对值在大约(60-80)Ω的范围内。在较高工作频带中调谐电路的阻抗为电感性，并且其绝对值在大约(10-25)Ω的范围内。当已选择了第二电抗电路时，调谐电路的阻抗在较低工作频带中为电感性，并且其绝对值在大约(10-35)Ω的范围内。在较高工作频带中，调谐电路的阻抗为电容性，并且其绝对值在大约(150-500)Ω的范围内。当用第二电抗电路代替第一电抗电路时，对于较低工作频带，阻抗从电容性变为电感性，而对于较高工作频带，阻抗从电感性变为电容性。从这一点可知，整个天线的电长度在较低工作频带中增加，并且在较高工作频带中减少。这进一步表示，较低工作频带被向下转移而较高工作频带被向上转移。
图6示出根据本发明的天线的工作频带的转移的实例。在图中，有从和图5中的阻抗曲线相同的天线测量而得的作为频率函数的反射系数S11。曲线61示出当调谐元件与第一电抗电路连接时反射系数的变化，并且图62示出当调谐元件与第二电抗电路连接时反射系数的变化。在前一种情况下，天线的较低谐振频率约为915MHz而较高谐振频率约为1.77GHz。从反射系数的值可以看出，天线在EGSM(扩展的GSM)***所使用的频率范围880-960MHz(图中的W1)中以及在GSM1800***所使用的频率范围1710-1880MHz(图中的W2)中都运行良好。当改变开关的状态使得调谐元件与第二电抗电路连接时，天线的较低谐振频率减少至大约850MHz的值，并且较高谐振频率增加至大约1.91GHz的值。从反射系数的值可以看出，现在天线在GSM850***所使用的频率范围824-894MHz(图中的W3)中以及在GSM1900***所使用的频率范围1850-1990MHz(图中的W4)中都运行良好。在欧洲使用前面的***EGSM和GSM1800，而在美国使用后面的***GSM850和GSM1900。通过开关的一个状态改变而实现天线在越过大西洋时运行的能力。通过适当地选择电抗电路的元件值并且通过适当地设置调谐元件与其它天线结构的耦合强度，正确地获得了工作频带的转移的量和方向。例如，关于上述实例，在开关的一个状态中天线可运行于GSM850和GSM1800***中，并且在开关的另一状态中天线可运行于EGSM和GSM1900***中。
图7示出根据本发明的无线电装置的内部多频带天线的第二实例。在子图(a)中从后方呈现无线电装置，并且在子图(b)中从侧面将无线电装置示为简化的纵切图。装置的绝缘外壳COV的后部部分地包覆有导电材料，该导电材料用作天线的辐射元件720。独立的馈送元件730对辐射器进行电磁馈送，该馈送元件730是被辐射器盖住的外壳的该区域的内表面上的导体条。因此，外壳形成馈送元件和辐射器之间的电气隔离。在子图(a)中馈送元件730被示为虚线。在该实例中，除了天线的馈电点FP以外，馈送元件730还包括短路点SP，馈送元件730从该短路点SP与无线电装置的电路板PCB上的接地层GND连接。馈电点和短路点彼此相对接近，并且它们将馈送元件730分成长度不同的两部分。馈送元件730的第一部分731形成开环结构，并且第二部分732指向该环的内部区域。天线具有两个频带：馈送元件的第一部分与天线的其它部分一起在较低工作频带中谐振，并且馈送元件的第二部分与天线的其它部分一起在较高工作频带中谐振。
在外壳COV的内表面上，除了馈送元件以外，还有寄生调谐元件740。在该实例中，寄生调谐元件740在馈送元件所形成的环结构的旁边，调谐点TP相对接近于馈送元件的第一部分731的尾端。调谐元件从调谐点指向馈电点FP和短路点SP所在的馈送元件的那条边的延续。并且在该情况下，调谐元件与电路板PCB上的开关SW连接，通过该开关SW，调谐元件可以与可选电抗之一连接。
当然，辐射元件720的外表面包覆有薄的不导电保护层。
在该说明书和权利要求中，术语“内部天线”表示天线不改变无线电装置的外壳所确定的外观。在根据本发明的天线中，天线元件的形状和位置当然可以不同于上述天线元件。调谐电路的开关可以是用于连接若干可选电抗电路的多路SPnT(单刀n掷)开关。电抗电路的结构和元件数目可以不同于上述内容。例如，它们之中至少一个可以不是并联谐振电路。然而，它们通常包括电感性部分和电容性部分。除了分立线圈以外，还可以用电路板表面上的导体条来实现一个或多个电感性部分，并且除了分立电容器以外，还可以用电路板的相对的表面上的导体条和接地层来实现一个或多个电容性部分。本发明不限制天线的制造技术。馈送元件和辐射器之间的分隔基片可以是电路板材料或者其他绝缘材料。天线元件可以是某种导电覆盖层，例如铜或导电墨水。它们还可以是用超声波焊接、冲压、胶粘或通过胶带来固定的金属片或金属箔。不同的平面元件可以有不同的制造和固定方法。在独立权利要求1所设定的限制范围内，可以用不同的方式来实施本发明的思想。

Claims (12)

1.一种无线电装置的内部多频带天线，其至少具有一个较低工作频带和一个较高工作频带，并包括接地层(GND)、辐射元件(320；720)、馈送元件(330；730)和寄生调谐元件(340；740)；所述辐射元件按形状和位置依照无线电装置的外表面，并且通过相对薄的绝缘层与所述馈送元件和所述调谐元件电气隔离，在该情况下，所述辐射元件和所述馈送元件之间存在电磁耦合，以便向所述辐射元件的场传送发射能，以及向所述馈送元件的场传送接收能，所述馈送元件是一导体条，其包括：天线的馈电点(FP)；第一部分(331)，与天线的其它部分一起被布置为在天线的较低工作频带范围中谐振；以及第二部分(332)，与天线的其它部分一起被布置为在天线的较高工作频带范围中谐振；所述内部多频带天线的特征在于，所述调谐元件(340；740)属于调谐电路(400)，该调谐电路(400)进一步包括多路开关(SW)和至少两个电抗电路(451、452)，使得所述调谐元件可每次从其调谐点(TP)通过所述开关并通过一个电抗电路连接于信号地，以便为较低和较高工作频带都实现至少两个可选的位置。
2.如权利要求1所述的多频带天线，特征在于至少一个电抗电路包括电感性部分和电容性部分的并联电路。
3.如权利要求2所述的多频带天线，特征在于所述电感性部分是分立线圈(L41；L42)，并且所述电容性部分是分立电容器(C41；C42)。
4.如权利要求2所述的多频带天线，特征在于所述电感性部分是电路板表面上的第一导体条，并且所述电容性部分由所述电路板表面上的第二导体条和所述接地层构成。
5.如权利要求1所述的多频带天线，特征在于：馈送元件(330)的第二部分(332)从馈电点(FP)开始朝着一特定方向，并且第一部分(331)从馈电点开始朝着基本垂直于第二部分的方向并发生弯曲，使得馈送元件的形状类似于宽字母U；调谐元件(340)的调谐点(TP)位于相对接近第一部分的尾端的位置，并且调谐元件是基本上直的导体条，从调谐点开始，基本上平行于馈送元件的中间部分，朝着馈送元件的第二部分的那条边的方向。
6.如权利要求1所述的多频带天线，特征在于所述馈电点(FP)是馈送元件(330)从其连接于无线电装置的唯一的点。
7.如权利要求1所述的多频带天线，特征在于馈送元件(730)进一步包括短路点(SP)，馈送元件(730)从该短路点(SP)电连接于接地层(GND)。
8.如权利要求1所述的多频带天线，特征在于辐射元件(320)是无线电装置的外壳的导电部分，并且所述绝缘层被固定到辐射元件的内表面上，馈送元件(330)和调谐元件(340)在绝缘层的内表面上。
9.如权利要求1所述的多频带天线，特征在于辐射元件(720)是无线电装置的绝缘外壳的导电覆盖层，并且馈送元件(730)和调谐元件(740)在该绝缘外壳的内表面上，所述绝缘层则是绝缘外壳在辐射元件处的部分。
10.如权利要求1所述的多频带天线，特征在于：当开关(SW)在一个状态中时，所述较低工作频带覆盖EGSM***所使用的频率范围，并且所述较高工作频带覆盖GSM1800***所使用的频率范围；而当开关在另一状态中时，较低工作频带覆盖GSM850***所使用的频率范围，并且较高工作频带覆盖GSM1900***所使用的频率范围。
11.如权利要求1所述的天线，特征在于开关(SW)是FET、PHEMT或MEMS型。
12.一种无线电装置(RD)，其包括如权利要求1所述的内部多频带天线。
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