CN102484315A - 小型多频带平面倒f型天线 - Google Patents

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CN102484315A CN2010800370916A CN201080037091A CN102484315A CN 102484315 A CN102484315 A CN 102484315A CN 2010800370916 A CN2010800370916 A CN 2010800370916A CN 201080037091 A CN201080037091 A CN 201080037091A CN 102484315 A CN102484315 A CN 102484315A
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Abstract

一种简单、小型多频带PIFA包括：两个臂部分，其中一个臂部分在两个点处接地以形成回路；一接地平面；及一塑料载体及外壳。所述天线根据每一臂的辐射频率及有效长度以不同效率从所述两个臂部分辐射相同信号。所述天线是通过切割单个标准金属薄片而由所述单个标准金属薄片制成且与所述金属接地平面及其它塑料部件组装在一起。在一个实施例中，所述天线被折叠成3D U形以减小其大小以用于移动通信装置中。在另一实施例中，所述天线为五频带天线，具有-6B或更佳的回程损耗且尺寸为40x8x8mm或更小。

Description

小型多频带平面倒F型天线
依据35U.S.C.§119的优先权主张
本专利申请案主张于2009年8月20日申请的题为“双接地平面倒F天线类型的天线(DUAL GROUNDING PLANAR INVERTED F ANTENNA TYPE ANTENNA)”的第61/235,636号临时申请案的优先权，所述申请案已转让给本案的受让人，且在此以引用的方式明确地并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及射频(RF)天线，且更确切地说，涉及多频带平面倒F型天线(PIFA)。
背景技术
例如蜂窝式电话的无线移动装置正变得越来越小且同时装置中所需天线的数目正变得越来越大。举例来说，典型现代移动电话具有主天线及分集天线两者以获得增强的总体WWAN性能。而且，WLAN、蓝牙、GPS及TV广播(例如，MediaFlo)均需要天线。结果，典型装置可能在单个装置中需要多达八个或八个以上天线。多频带天线可用来大大减少天线数目。最佳化天线设计以便维持低的天线数目及小的天线大小是富有挑战性的。大体来说，小体积使天线性能降级，而接近的多个天线会增加互耦合。
设计用于移动装置中的多频带天线的常用方法包括各种几何形状的二维(2D)及三维(3D)天线结构，在许多情况下后者是简单地通过将2D设计折叠成3D以降低其尺寸来制造的。此方法增加3D天线的构形尺寸，所述尺寸随后由天线的RF覆盖范围、所导致的与接地参考结构之间的间隙及介电负载效应来确定。
用以设计小型多频带天线的其它努力包括使用复杂的机电开关(MEMS)来变更天线几何形状并使特征与所需的RF频带相匹配。然而，此法虽具有良好性能，却需要匹配电路，增加了复杂性及制造成本。
替代性解决方案涉及双重接地平面。同样，所述改良的性能是以折叠型(clam-type)移动装置的适宜性为代价的，在折叠型移动装置中，所述两个接地平面可易于实施并集成在折叠型电话的两个分离部件中，且其连接铰链用以容纳天线的主要部件。此方法仍会留下寻找适宜天线来支持更常见的单块式(single-block)智能电话的多频带需要的问题。
优选方法包括平面倒F型天线(PIFA)结构。由于(非折叠型)移动电话的低构形，这些方法为用于(非折叠型)移动电话的最风行方法。然而，常规PIFA设计仅支持两个或三个RF频带。较新近的设计可支持4个RF频带，且一些设计甚至可支持5个RF频带，后者一般被称为五频带。为了在PIFA中获得宽的频宽以及多频带性质，已使用了若干多重谐振技术，所述多重谐振技术使用堆叠贴片(stacked patches)、额外的寄生谐振器、多槽、蜿蜒线的谐波共振、及位于馈电引脚与短路引脚之间的槽。
遗憾的是，这些天线配置均具有缺点。举例来说，典型的多频带(且确切地说，五频带)PIFA设计通常体积过大且不适宜于小装置。经常尺寸过大，而不便在合适位置为启动键与按钮提供所要间隙，及/或不能提供间隙来容易地集成额外机械元件。
需要可跨越多达五个RF频带具有改良的辐射效率、具有小型尺寸、适宜于在常见类型的移动装置中使用、易于制造且成本低廉的多频带天线。与在一个或一个以上要求中进行折衷的现有设计相对比，所需的天线应在-5db或-6db的回程损耗的条件下满足所有这些需要。
发明内容
附图说明
图1展示根据示范性实施例的用在移动通信装置中的多频带PIFA的2D图式。
图2展示图1的多频带PIFA的替代性实施例的3D图式。
图3展示图2的多频带PIFA的替代性实施例的旋转视图。
图4展示根据示范性实施例的将图2及图3的多频带PIFA与接地平面集成的3D图式。
图5展示3D图式，其为根据示范性实施例的图4中所展示的多频带PIFA与接地平面的组合件连同天线载体及外壳的分解图。
图6展示根据示范性实施例的叠加于经修改的几何形状的多频带PIFA上的图2与图3的多频带PIFA的3D图式。
图7展示根据示范性实施例的多频带PIFA的天线载体及经修改的几何形状的3D图式。
图8展示根据示范性实施例的与图7的天线载体、图4的接地平面及天线外壳集成的经修改的多频带PIFA的3D图式。
图9展示多频带PIFA(图8)的经模拟及测量的回程损耗的曲线图(600至2600MHz)。
图10展示多频带PIFA(图8)的辐射效率的曲线图(800至1000MHz)。
图11展示多频带PIFA(图8)的辐射效率的曲线图(1700至2200MHz)。
为了促进理解，已在可能处使用相同参考数字以指明各图所共有的相同元件，但在适当时可能添加后缀以区分这些元件。各图中的图像出于说明的目的而简化，且未必按比例描绘。
附加的图式说明本发明的示范性配置，且因此不应被认为限制可能准许其它同样有效配置的本发明的范畴。相应地，已预期，一些配置的特征可能被有益地并入其它配置中而未进一步叙述。
具体实施方式
词语“示范性”在本文中用以意谓“充当实例、例子或说明”。不必将本文中描述为“示范性”的任何实施例解释为比其它实施例优选或有利。
下文中结合随附图式所阐述的详细描述意在作为对本发明的示范性实施例的描述且不意在表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”意谓“充当实例、例子或说明”，且未必应被解释为比其它示范性实施例优选或有利。所述详细描述包括特定细节以便实现提供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的。所属领域的技术人员将显而易见，可在没有这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些情况下，以示意形式且不带额外细节地展示众所周知的结构及装置以便避免混淆本文中所呈现的示范性实施例的新颖性。
本发明描述一种具有双重接地结构的小型多频带平面倒F型天线(PIFA)装置。此PIFA装置可用在移动多频带无线装置及用于GSM、3G、OFDM的接口以及其它类型的常用空中接口中。双重接地PIFA的替代性实施例可支持更多接口。
在示范性实施例中，从天线性能的观点来说，具有相对小体积的PIFA装置可覆盖五个频带且回程损耗仅为-5dB。对于-6dB的回程损耗要求为必需的情况，相同PIFA设计仍可用于跨越五个频带来操作，同时仅需作出微小的频带缩窄(band narrowing)折衷。
可在不使用匹配电路的情况下使用PIFA装置，且因而其实施得到简化，而对辐射效率无负面效应。从实施的观点来说，所述PIFA装置(如将展示)可容易地符合包括智能电话及类似装置的电话类型装置中的常用装置外壳与天线载体配置。最终，由于所述PIFA装置的简单结构，其易于制造且成本低廉，且可通过常规天线载体实施，因此使其易于组装。从集成的观点来说，除了本文中所呈现的示范性实施例中的一个宽迹线之外，所述PIFA装置主要由窄迹线制成。所述PIFA装置不需要天线载体上的显著区域，且因此载体的表面可转而用于其它机械特征，例如电池门钩或甚至音频腔室(audiochamber)的开口。在复杂***集成时，载体上的可用区域为有用的。
图1展示根据示范性实施例的用在移动通信装置中的小型多频带PIFA 100的2D图式。出于本发明的目的，PIFA 100由较长臂部分101及较短臂部分102界定。
较长臂部分101于一端处接地到接地位置103。较短臂部分102于一端处接地到第一接地位置103，且于另一端处接地到第二接地位置104。在替代性实施例中，接地位置103及接地位置104的确切位置可变化。类似地，在替代性实施例中，其它可能形状可用于天线的臂部分。
经由(共同)馈电结构105对PIFA 100馈电。PIFA 100经由单个接地结构106而接地，所述接地结构106连接到接地位置103及接地位置104。在两端处经由接地位置103及接地位置104接地的较短臂部分102具有回路形式。
由于臂部分101及102的不同长度，臂部分101及102以不同的效率辐射通过相同的信号。在此特定实施例中，且在低RF频率(892MHz)下，较长臂部分101为主要辐射体，且同时(环形)较短臂部分102也对PIFA 100的总辐射作出贡献。在较高频率(1710MHz)下，较长臂部分101具有约为λ/2(从电流零位处到较长臂部分的101端)的有效长度，且环形较短臂部分102具有约为λ/4(从电流零位处到较短臂部分的102端)的有效长度。其它频率及不同实施例产生不同的有效长度。
PIFA 100由常规(金属)天线载体的单个薄片制得。制造过程非常简单，且只需按图1中所说明的形状切割载体薄片即可。
如图1中的示范性实施例所展示，较长臂部分101由较细且较宽的迹线来建构。在此实施例中，较宽迹线沿着臂部分的一部分的特定长度而定位，其在被馈电及接地的末端的相反侧。
图1的PIFA的设计允许通过在XY平面中折叠天线的较长臂部分101及较短臂部分102来减少天线的较长臂部分101及较短臂部分102的大小。然而，可通过沿着图1中所展示的点线201及202将PIFA 100折叠成3维来进一步使PIFA 100小型化。图2中说明所得天线，其中图1中所展示的2D PIFA 100被折叠成在XY平面中的U形PIFA100′。在此示范性实施例中，PIFA 100′尺寸为40mm×8mm×8mm，其对应于由如图1所展示的沿着XYZ轴的L1、H1及H2所表示的尺寸。
图3中展示图2的PIFA 100′的示范性实施例的旋转视图。在替代性实施例中，可修改PIFA 100′元件的3D形状。
如图4中所说明，图2及图3的PIFA 100′经由接地结构106而安装在接地平面110上。PIFA 100′与接地平面110的间隙很小，大体上沿着由L5表示的长度尺寸为8mm，且在某些区域中沿着由L6表示的长度尺寸为4mm。要指出，各部分并非按比例的且在替代性实施方案中这些间隙可被缩短。
图5说明3D图式，其为图2及图3的天线100′的工作环境的分解图。此处展示PIFA100′、天线载体111、接地平面110，及具有两个部件112、113的天线外壳。
图2及图3的折叠PIFA 100′被放置于天线载体111周围。天线载体111支撑以3D展示的PIFA 100′。PIFA 100′安装在接地平面110上，高于区域115，区域115位于沿着接地平面110的边缘中的一者处。PIFA 100′由天线外壳的部件112、113封闭。
在此实施例中，天线载体111由“Noryl 731”塑料制成(在2GHz下，εr＝2.6，tanδ＝0.0005)且天线外壳部件112及113由聚碳酸酯(PC)制成(在2GHz下，εr＝2.9，tanδ＝0.0005)。如图5中所展示，天线载体111的壁厚度为1mm且由宽度H5来表示。天线外壳部件112及113的壁厚度为1.5mm且由宽度H6来表示(如图8中所展示)。由于天线载体111及天线外壳部件112及113的介电负载效应，天线载体111及天线外壳部件112及113的存在有助于使得PIFA 100′小型化且同时为天线提供支撑与保护。替代性厚度与材料可用在天线载体111及天线外壳部件112及113的不同实施例中以便修改其介电负载，且替代性厚度及材料与天线臂部分101及102的不同设计组合可提供改良的效率及较小的尺寸。
在一个示范性实施例中，天线载体111被形成为中空矩形盒(如图5所示，缺少一个侧面)以在当PIFA 100被集成到移动通信装置中时提供间隙以容纳额外的机械及/或电元件。
参看图5，接地平面110由铜制成且包括小区域115。区域115由FR4制成。
图6展示与图2及图3中的PIFA 100′类似的PIFA 100″的3D透视图。PIFA 100″类似地包含较长臂部分121及较短臂部分122。馈电结构105及接地结构106与PIFA 100′中的结构相同且出于此原因由类似数字标号来表示。
图7展示放置于天线载体111′的顶部上的PIFA 100″。在此实施例中，天线载体111′为天线载体111的替代性实施例，其中天线载体111沿着一个边缘经修改。较长臂部分121及较短臂部分122以便于沿着天线载体111′的表面配合的方式折叠。
图8展示PIFA 100″的3D图式，其中图5的分解图的所有元件均安装并紧固到位。将所得原型150用在下文呈现的性能模拟及测量中。
图9展示图8中所展示的装置的多频带天线回程损耗的曲线图(0.6至2.6GHz)。所述曲线图展示了使用“CTS微波工作室(CTS Microwave Studio)”及“Ansoft HFSS”所获得的模拟值，及经测量值。PIFA 100″天线被展示为充分覆盖五个频带(GSM850，GSM 900，GSM1800，GSM1900，3G)，其在从822至980MHz及从1700至2196MHz的范围内的频率下具有可接受的-5dB的回程损耗。在具有较高的-6dB回程损耗约束的情况下，所述相同天线被展示为在从830至936MHz及从1726至2150MHz的略窄但可接受的频率范围中执行。无需使用匹配电路即可实现此性能。
图10展示在图8中所展示的装置的在Satimo腔室(Satimo chamber)中所测量的多频带天线辐射效率的曲线图(800至1000MHz)。经测量的天线辐射效率被展示为在824MHz(GSM850上行链路)处为-3.06dB且在960MHz(GSM900下行链路)处为-4.42dB。
图11展示在图8中所展示的装置的在Satimo腔室中所测量的多频带天线辐射效率的曲线图(1700至2200MHz)。经测量的天线辐射效率在1710MHz(DCS1800上行链路)处为-2.88dB且在2170MHz(UMTS下行链路)处为-2.7dB。
所属领域的技术人员将理解，可使用多种不同技术及技艺中的任一者来表示信息及信号。举例来说，可通过电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示可遍及以上描述所引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及码片。
所属领域的技术人员将进一步了解，结合本文中所揭示的实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的此可互换性，上文已大体上在功能性方面描述各种说明性组件、块、模块、电路及步骤。所述功能性是实施为硬件还是软件视特定应用及强加于整个***的设计约束而定。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式来实施所描述的功能性，但这些实施决策不应被解释为导致脱离本发明的示范性实施例的范畴。
可通过通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件，或经设计以执行本文中所述功能的其任何组合来实施或执行结合本文中所揭示的实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块及电路。通用处理器可为微处理器，但在替代例中，处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器，或任一其它此配置。
结合本文中所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤可直接体现于硬件中、由处理器执行的软件模块中，或两者的组合中。软件模块可驻留于随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可装卸磁盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。将示范性存储媒体耦合到处理器以使得处理器可从存储媒体读取信息及将信息写入至存储媒体。在替代例中，存储媒体可与处理器形成一体。处理器及存储媒体可驻留于ASIC中。ASIC可驻留于用户终端中。在替代例中，处理器及存储媒体可作为离散组件而驻留于用户终端中。
在一个或一个以上示范性实施例中，可在硬件、软件、固件或其任何组合中实施所描述的功能。如果实施于软件中，则可将功能作为一个或一个以上指令或代码而存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体来传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体与通信媒体两者，通信媒体包括促进将计算机程序从一处传送至另一处的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。通过实例且并非限制，此计算机可读媒体可包含：RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用以载运或存储呈指令或数据结构形式的所要程序代码并可由计算机存取的任何其它媒体。而且，将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤缆线、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术(例如红外线、无线电及微波)从网站、服务器或其它远程源传输软件，则将同轴电缆、光纤缆线、双绞线、DSL或无线技术(例如红外线、无线电及微波)包括于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘及光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软性磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性的方式再生数据，而光盘通过激光以光学的方式再生数据。上述各物的组合也应包括在计算机可读媒体的范畴内。
提供对所揭示示范性实施例的先前描述以使任何所属领域的技术人员能够制造或使用本发明。所属领域的技术人员将易于显见对这些示范性实施例的各种修改，且在不脱离本发明的精神或范畴的情况下，本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因而，本发明不意在限于本文中所展示的实施例，而应被赋予与本文中所揭示的原理及新颖特征相一致的最广范畴。

Claims (24)

1.一种平面倒F型天线PIFA，其包含：
第一臂部分；及
第二臂部分，
其中所述PIFA同时沿着所述PIFA的所述第一臂部分及所述第二臂部分在所要频率下辐射相同信号，及
其中所述PIFA实质上经设定大小以在不使用匹配电路的情况下跨越五个操作频带以优于-6db的损耗操作，且经设定大小以具有40mm×8mm×8mm或更小的尺寸。
2.根据权利要求1所述的PIFA，其中所述第一臂部分长于所述第二臂部分。
3.根据权利要求2所述的PIFA，其中所述第一臂部分于一端处连接到第一接地位置，所述第二臂部分于一端处连接到所述第一接地位置且于另一端处连接到第二接地位置，且所述第一接地位置及所述第二接地位置连接到接地平面。
4.根据权利要求3所述的PIFA，其中所述天线被成形为经折叠的三维3D U形配置。
5.根据权利要求4所述的PIFA，其中所述天线还包括天线支撑结构。
6.根据权利要求5所述的PIFA，其中所述天线支撑结构的较长侧中的一者被移除以留下3D矩形空间以容纳不形成所述PIFA的部分的多个结构。
7.根据权利要求4所述的PIFA，其中所述PIFA由经切割并折叠的单个金属薄片制成。
8.一种多频带PIFA，其包含：
第一臂部分；及
第二臂部分，其中所述第一臂部分及所述第二臂部分同时在所要频率下辐射相同信号，所述第一臂部分形成辐射回路环且所述第二臂部分经成形为折叠U形。
9.根据权利要求8所述的多频带PIFA，其中形成辐射回路环的所述第一臂部分在其周边上的两点处连接到所述接地，而经成形为折叠U形的所述第二臂部分在一端处连接到所述接地。
10.根据权利要求9所述的多频带PIFA，其中所述PIFA还包括天线支撑结构。
11.根据权利要求8所述的多频带PIFA，其中所述PIFA由经切割并折叠的单个金属薄片制成。
12.根据权利要求8所述的多频带PIFA，其中所述PIFA为五频带天线。
13.根据权利要求8所述的多频带PIFA，其中所述PIFA经设定大小以具有40mm×8mm×8mm或更小的尺寸。
14.根据权利要求8所述的多频带PIFA，其中所述PIFA为五频带天线且经设定大小以具有40mm×8mm×8mm或更小的尺寸。
15.一种无线通信装置，其包括五频带PIFA，所述五频带PIFA包含：
第一臂部分；及
第二臂部分，
其中所述五频带PIFA同时沿着所述五频带PIFA的所述第一臂部分及所述第二臂部分以所要频率辐射相同信号，及
其中所述五频带经设定大小以在不使用匹配电路的情况下跨越五个操作频带以优于-6db的损耗操作，且经设定大小以具有40mm×8mm×8mm或更小的尺寸。
16.根据权利要求15所述的无线通信装置，其中所述第一臂部分长于所述第二臂部分。
17.根据权利要求16所述的无线通信装置，其中所述第一臂部分于一端处连接到第一接地位置，所述第二臂部分于一端处连接到所述第一接地位置且于另一端处连接到第二接地位置，且所述第一接地位置及所述第二接地位置连接到接地平面。
18.根据权利要求17所述的无线通信装置，其中所述五频带PIFA被成形为折叠3D U形。
19.一种包括多频带PIFA的无线通信装置，所述多频带PIFA包含：
第一臂部分；及
第二臂部分，其中所述第一臂部分及所述第二臂部分同时以所要频率辐射相同信号，所述第一臂部分形成辐射回路环且所述第二臂部分形成折叠U形线天线。
20.根据权利要求19所述的无线通信装置，其中形成辐射回路环的所述第一臂部分在其周边上的两点处连接到所述接地，而被成形为折叠U形线天线的所述第二臂部分在一端处连接到所述接地。
21.根据权利要求20所述的无线通信装置，其中所述多频带PIFA由经切割并折叠的单个金属薄片制成。
22.根据权利要求19所述的无线通信装置，其中所述多频带PIFA为五频带PIFA。
23.根据权利要求19所述的无线通信装置，其中所述多频带PIFA经设定大小以具有40mm×8mm×8mm或更小的尺寸。
24.根据权利要求19所述的无线通信装置，其中所述多频带PIFA为五频带PIFA且经设定大小以具有40mm×8mm×8mm或更小的尺寸。
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