CN100416918C

CN100416918C - 可调多频带天线

Info

Publication number: CN100416918C
Application number: CNB2004100104596A
Authority: CN
Inventors: Z·米罗萨夫耶维克
Original assignee: Pulse Finland Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: FI20031833A; CN1630134A; US20050128152A1; FI121037B; EP1544943A1; US7468700B2; FI20031833A0

Abstract

一种特别是应用在移动终端中的可调多频带平面天线。导电元件位于PIFA型的天线的结构中，以致导电元件具有与辐射面有效的电磁耦合。所讨论的寄生元件被连接到匹配电路(550)，该匹配电路由多个电抗性元件组成。寄生元件、匹配电路和在两者之间的引线(540)组成该天线的调节电路。匹配电路的电路参数可以从至少两个可选参数中选择。因为对应于该频带的天线部分的电长度被改变，该电长度从短路点开始被测量，所以电路参数的变化改变了寄生元件和接地之间的耦合，在这种情况下，天线的工作频带偏移。关于可移位的工作频带，可以针对天线安排合适的阻抗匹配和合适的效率。

Description

可调多频带天线

本发明涉及一种特别应用于移动终端的可调多频带平面天线。本发明进一步涉及装备有该种天线的无线电设备。

在本说明书中，天线的可调节性意味着，天线的一个或多个谐振频率可以被电气改变。目的是，在谐振频率附近的天线的工作频带总是覆盖功能在一定时刻假定的频率范围。存在针对可调节性的不同原因。因为类似于移动终端的便携式无线电设备的厚度越来越小，所以内部平面天线的辐射面和接地面之间的距离也不可避免得越来越短。所述距离缩短的缺点是天线的带宽将变小。那么，当移动终端被设计为可以在具有彼此相对接近的频率范围的不同无线电系统中运行时，覆盖多于一个无线电系统使用的频率范围将变得更加困难或者不可能。这样的系统对例如为GSM1800(全球移动电信系统)和GSM1900。因此，保证符合单个系统的发射和接收频带中的规范的功能会变得更难。当该系统使用次能带划分时，从无线电连接质量的角度考虑，如果天线的谐振频率能在一定时刻使用的次能带内调谐，则是有利的。

调节天线的已知的方式是使用开关。例如，从申请公开FI20021555中已知图1中所示的解决方案。该解决方案的原理是寄生导电元件通过开关接地。该天线是双频带PIFA。辐射面120具有槽125，其从与短路点S紧接的面的边缘开始并在该面的内部区域结束。槽125具有这样的形状，以致从短路点看来辐射面被分为两条支路。第一支路121沿着面的边缘环绕并围绕第二较短支路122。第一支路连同接地面在天线的低工作频带上谐振，而第二支路连同接地面在高工作频带谐振。辐射面120是相当硬的导电板(或者是金属片)，该辐射面由绝缘框架180支撑到辐射面下的无线电设备的电路板101上。电路板101的导电上表面起天线的接地面110的作用，同时起信号地线GND的作用。短路导体111和馈送导体112是弹性接触型，并且短路导体111和馈送导体112与辐射面是同一整体。

图1中，附着或者否则提供在绝缘框架150的垂直外表面上的寄生导电条130在馈送导体和短路导体所位于的天线的这一侧上。在这种情况下，导电条130位于第一支路121的电学上最外层部分之下，因此导电条的连接对天线的低工作频带的位置的影响强于对高工作频带的位置的影响。图1中仅仅通过图形符号示出开关装置。寄生元件130被连接到开关SW，该开关SW的第二电极通过组件150连接到信号地线。如果仅仅通过选择寄生元件的位置并不能获得工作频带的预期偏移，则可以利用该组件的阻抗。该阻抗是电抗性的，纯电感性的或者纯电容性的；电阻部分不可能，因为该电阻部分引起损耗。在特殊的情况下，组件150是纯短路。

图2示出了上述的结构中的寄生元件对天线工作频带影响。工作频带从天线的反射系数S11的曲线中呈现。曲线21示出当寄生导电条没有接地时，作为频率的函数的反射系数的变化；而曲线22示出了当导电条接地时，作为频率的函数的反射系数的变化。当比较这两条曲线时，可以看出沿频率轴线低工作频带向下移位，而高工作频带向上移位。频率f₁(或者用于启动的低频带的中心频率)例如是900MHz，且频率f₁的偏移Δf₁例如为-20MHz。频率f₂(或者用于启动的频带的中心频率)例如为1.73GHz，且频率f₂的偏移Δf₂例如为+70MHz。

在图1中所示的结构中，多频带天线的调节借助附加组件获得，该组件没有假定天线的基本结构中的变化。寄生元件位于绝缘部分的表面上，在任何情况下该天线结构中都需要该绝缘部分。然而该解决方案的缺点是，只存在相对有限的可能性以同时针对天线安排合适的阻抗匹配和合适的效率。此外，如果期望使用开关的影响仅仅被限制在一定的工作频带，那么实际上在其位置很难保持另一个工作频带。

取代离散组件，在开关之后可以有传输线，该传输线通过电路板来实现并且在另一端短路或者开路。当该种传输线的长度变化时，其阻抗以公知的方式改变。如果线的长度被选择正好合适，天线就具有工作频带的期望偏移。使用多极开关和多条传输线，工作频带可具有相应数量的可选位置。这种结构中的传输线不切实际地长，以致该传输线显著地占据着电路板的区域。

本发明的一个目的是减轻上述与现有技术相关的缺点。一种根据本发明的可调多频带天线的特征在于独立权利要求1中所说明的。根据本发明的无线电设备的特征在于独立权利要求10中所说明的。本发明的有利的实施例在从属权利要求中呈现。

本发明的基本思想如下：PIFA型天线的结构中，具有有效电磁耦合的导电元件位于辐射面。所讨论的寄生元件被连接到由多个电抗性元件组成的匹配电路。寄生元件、匹配电路及其之间的引线组成了天线的调节电路。该匹配电路的电路参数能从至少两个可选参数中选择。电路参数的变化改变了寄生元件和接地之间的耦合，在这种情况下天线的工作频带偏移，因为相应于该频带的天线部分的电长度被改变，该长度从短路点开始测量。

本发明的一个优点是，关于必须为可移动的工作频带，针对天线安排合适的阻抗匹配和合适效率的可能性比已知的解决方案中更好。这是因为当设计电抗性匹配电路时有多种变型。可大范围地搜寻匹配电路的最佳方案。本发明的另一优点是，如果需要，可以仅在天线的一个工作频带上引导调节的影响。本发明的进一步优点是，调节电路没有假设体积大的传输线，在该情况下，该传输线可以相对小的尺寸实现。

下面将详细描述本发明。参考附图，其中

图1示出了根据现有技术的可调天线的例子，

图2示出了根据现有技术的装置对天线工作频带的影响的例子，

图3示出了本发明的原理，

图4示出了根据本发明的包含在天线的匹配电路中的电抗性电路的例子，

图5示出了根据本发明的包含在天线的匹配电路中的电抗性电路的另一个例子，

图6示出了根据本发明的天线的工作频带的偏移的例子，

图7示出了根据本发明的天线的工作频带的偏移的另一个例子，

图8示出了根据本发明的天线的效率的例子，

图9示出了根据本发明的具有其匹配电路的可调天线的例子，

图10示出了根据本发明的天线中的匹配电路的实现的另一个例子，以及

图11示出了装备有根据本发明的天线的无线电设备的例子。

图1和图2已经结合现有技术的描述说明了。

图3展现了表现本发明的原理的结构。根据天线的PIFA型基座，仅画出辐射面的部分322。除基座外，天线结构包括具有辐射面的寄生元件330的调节电路、传输线340以及匹配电路350。为了节省空间，具有第一导线341和第二导线342的传输线实际上很短。第一导线的起始端被连接到寄生元件，而第二导线的起始端接地。匹配电路350连接在传输线的导线的末端之间。实际上，第二导线342可以被包括在接地面中，如所指的该接地面其不具有起始端和末端。匹配电路的阻抗X是纯电抗性的。匹配电路可调节，以致其电路参数可以改变。当电路被调节时，天线部分的电长度被改变，该电长度对应于预期工作频带。所述电长度在天线的短路点被测量。当然，同时改变相应的谐振频率。选择可选电路参数，以致获得所时论的工作频带的预期可选位置。

图4示出了包含在根据本发明的天线的调节电路中的匹配电路的实例。匹配电路450包括第一电抗性电路451、第二电抗性电路452和双向开关SW。传输线440的第一导线441被固定地连接到双向开关的公共极。转换极之一被固定地连接到第一电抗性电路的第一接线端，而另一转换极被固定地连接到第二电抗性电路的第一接线端。两个电抗性电路的第二接线端依次被固定地连接到传输线的第二导线。因此，取决于开关SW的状态，每次只有一个电抗性电路被连接到传输线440。因此，在这个例子中，电路参数的改变通过控制开关来实现。第一电抗性电路451构成并联电路，该电路的一条支路包括线圈L41，而另一条支路包括串联的电容器C41和线圈L42。这种电抗性电路在低频段是电感性的，在中间范围频段是电容性的，再往上又是电感性的。在中间范围的下边界，电抗性电路具有并联谐振，在这种情况下其值很高，而在中间范围的上边界，电抗性电路具有串联谐振，在这种情况下其值很低。第二电抗性电路452在结构上与第一电抗性电路类似：该第二电抗性电路具有线圈L43，该线圈与串联的电容器C42和线圈L44并联。

图4中的开关SW是双向开关，或者是SPDT开关(单极双通过)。匹配电路可以只包括一个电抗性电路，在这种情况下该电抗性电路被连接到传输线，或者无任何电路被连接到传输线。那么一个闭合开关、或者SPST开关(单极单通过)就足够了。开关还可以是用于连接多个可选的电抗性电路的SPnT开关(单极n通过)。针对实现开关SW的方法是例如半导体组件或者MEMS型开关(微电子机械系统)。

图5示出了匹配电路的另一个实施例，该匹配电路被包含在根据本发明的天线的调节电路中。在传输线540的导线之间连接的电抗性匹配电路550组成一个并联电路，该电路的支路之一是纯电容性的。该支路具有串联的第一电容二极管CD1和电容器C51。并联电路的另一条支路具有串联的线圈L51、第二电容二极管CD2和电容器C52。然后电容器C51和C52的第二接线端被相互连接，并被连接到传输线的第二导线。第二导线是信号地线的一部分。该匹配电路550的电抗在低频段是电容性的，在中间范围频段是电感性的，再往上又是电容性的。在中间范围的下边界，匹配电路具有串联谐振，在这种情况下它的阳抗值很低，而在中间范围的上边界，匹配电路具有并联谐振，在这种情况下它的阻抗值很高。在这个例子中，通过改变电容二极管的反向电压以及电容量来实现电路参数的改变。反向电压(或者电容二极管的控制电压V_c)由适当的直流电压源提供。控制电压能连续地被调节，在这种情况下匹配电路的电路参数的数量原理上是无限的。实际上，如果一定的工作频带必须在一些特定的位置之间偏移，则例如由多极开关和电阻分压器产生控制电压V_c。这取决于多极开关的状态，该多极开关的分压率是当前有效的。

直流电压源的相对低阻抗和可能的分压电路不能改变匹配电路的阻抗，当从电压源的正极开始时，控制电压电路包括串联的线圈L55。在匹配电路中出现的频率处，该线圈的阻抗很高。相同的控制电压V_c影响两个电容二极管。在操作频率处这些二极管的阳极不能相互短路，并且存在在阳极之间的所述频率处具有很高的阻抗的线圈L56。为了补偿电容二极管的控制电压，该电路还包括连接在电压源的正极与信号地线之间的电容器C55。

根据图4和5的匹配电路适合用在例如双频带天线中，其高工作频带必须是可以偏移的。图6示出了当使用根据图4的电路时的结果的例子。关于第一电抗451，电容C41为2.4pF，电感L41为12.8nH，而且电感L42为6.1nH。关于第二电抗452，电容C42为1.9pF，电感L43为10.3nH，而且电感L44为4.9nH。曲线61示出了当电抗451被连接到传输线时作为频率的函数的反射系数的变化，而曲线62示出了当第二电抗452被连接到传输线时反射系数的变化。当比较这两条曲线时，将看出位于1.8GHz的范围内的高工作频带在后面的例子中向上偏移。偏移Δf₂大约为140MHz。向上偏移意味着所讨论的天线部分的电长度已经变短。这是通过寄生元件从辐射面到接地提供的感抗已经变高的结果。900MHz范围内的低工作频带保持在几兆赫兹精度的位置。这是因为两个电抗的值在低工作频带的频率处十分高。如果寄生元件以及对应于低频带的辐射面部分之间的耦合弱，则会更简单。

图7示出了当使用根据图5的匹配电路时工作频带偏移的实例。电感L51为3.9nH，而电容C51和C52都为0.5pF。曲线71示出了当电容二极管CD1和CD2的控制电压为2.37V时作为频率函数的反射系数的变化，曲线72示出了当控制电压为3.83V时的反射系数的变化，而曲线73示出了当控制电压为4.75V时的反射系数的变化。这些控制电压对应于大约为1.4pF、1.0pF和0.7pF的电容值。当比较这些曲线时，将看出位于频率2GHz附近的高工作频带向上偏移。在曲线71的情况下，频带的中间频率大约为1.75GHz、在曲线72的情况下大约为1.87GHz、在曲线73的情况下大约为1.95GHz。向上偏移意味着所讨论的天线的部分的电长度变短。现在，这是通过寄生元件从辐射面到接地的电容性电抗变低的结果。在900MHz范围内的低工作频带保持在高精度的位置。

在图7中的曲线数是3条。根据上面的描述，工作频带的位置的改变(stepping)可以是任意密集的。例如，工作频带可以被设置在不同无线电系统的传输和接收频带，该系统工作在1.7-2.0GHz的范围内。

图8示出了根据本发明的天线的效率的实例。该实例涉及与图6中匹配曲线相同的结构。曲线81示出了当电抗451被连接到传输线时作为频率的函数的效率的变化，而曲线82示出了当第二电抗452被连接到传输线时的反射系数的变化。效率平均约为0.4，它们在前面的情况中比在后面的情况在某种程度上更好。

图9示出了根据本发明的可调天线的例子。天线的基座为如同图1中的观频带PIFA。从短路点S看出，辐射面920被划分为第一支路921和第二较短支路922。第一支路连同接地面一起在天线的低工作频带上谐限，而第二支路连同接地面一起在高工作频带上谐振。辐射面是相当坚硬的导电板(或者是金属片)，该辐射面由绝缘框架980支撑到辐射面下方的无线电设备的电路板901上。电路板901的导电上表面起天线的接地面910的作用，同时起信号地线GND的作用。条状寄生元件930位于馈送导线912所位于的天线的那一侧上的绝缘框架980的垂直外表面上。在该情况下，导电条930在第一支路921的起始部分，并且主要具有与第一支路的感性耦合。关于第二支路922，寄生元件位于该第二支路的电学上最外层的部分，因此与第二支路的耦合主要是电容性的。在这个例子中，匹配电路950被集成到单个组件上、也就是匹配组件。关于电容性元件和电感性元件，集成例如通过LTCC(低温共烧陶瓷)或者FBAR(薄膜块体波谐振器)技术实现。如果组件包括开关，就能例如通过半导体或者MEMS技术实现。匹配组件被安装在电路板901上，除了在寄生元件930下的绝缘框架980。传输导体由一个从寄生元件达到电路板的导体和一个在达到匹配组件的电路板上的条形导体组成。匹配电路经过-透孔由位于电路板901的下表面上的控制电路控制。匹配组件也可以被安排以达到垂直方向的寄生元件的下边缘，使得匹配电路引脚能直接连接到寄生元件。

图10示出了根据本发明的一种天线中匹配电路的实施的另一个例子。该图表示了无线电设备下面的电路板A01。在板的反向侧看不见接地面。匹配电路与图5中的电路550一致，因此图10中的参考标记与图5中的是相同的。连接到寄生元件的导线象条形导体541一样延伸到匹配电路。线圈L51是在电路板A01的表面上的螺旋状条形导体。电容二极管CD1和CD2以及电容器C51和C52是离散元件。电容二极管的控制电压电路不在图10中示出。

图11示出了一种无线电设备RD，该设备包括根据本发明的可调多频带天线A00。

词头“低”、“高”和“垂直”以及词“下”和“在下面”在本说明书和权利要求中是指在图1和图9中描述的天线的位置，而与设备的操作位置不相关。术语“寄生”在权利要求中也是指结构部分，其具有与天线的辐射面的有效的电磁耦合。

上面已经描述了根据本发明的可调多频带天线的例子。寄生元件的形状和位置可以与图中所示的不同。天线的调节电路中的匹配电路当然可以以许多方式形成。例如图5中的匹配电路能被修改，以致具有恒定电容的元件与电容二极管并联而不是串联。本发明的思想可以以不同方式在独立权利要求1所限定的范围内应用。

Claims

1. 一种可调多频带天线，其包括接地面(910)、具有绝缘支撑部分(980)的辐射面(920)、以及调节电路，该调节电路具有该辐射面的寄生元件(930)和连接到该寄生元件的可控部分，通过该可控部分在寄生元件和接地面之间的耦合可以被改变，以偏移天线的工作频带，其特征在于：所述可控部分是电抗性匹配电路(350，450；550；950)，该电抗性匹配电路的电路参数被安排从至少两个可选参数中选择，以实现耦合中的所述改变，并且每组可选的电路参数包括至少一个感性元件和至少一个容性元件的参数，以最优化天线的阻抗匹配和效率。

2. 根据权利要求1所述的天线，其特征在于，为选择所述电路参数，匹配电路(450)包括开关(SW)和至少两个具有不同的电路参数的电抗性电路(451，452)，取决于所述开关的状态，每次将一个电抗性电路连接到所述寄生元件。

3. 根据权利要求1所述的天线，其特征在于，为选择所述电路参数，匹配电路(550)包括至少一个电容二极管(CD1，CD2)，其控制电压(Vc)被安排从至少两个可选的电压中选择。

4. 根据权利要求2所述的天线，其特征在于，每个所述电抗性电路组成并联电路，其一条支路包括线圈(L41；L43)，而其另一条支路包括串联的电容器(C41；C42)和第二线圈(L42；L44)。

5. 根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述匹配电路组成并联电路，其一条支路包括串联的第一电容二极管(CD1)和第一电容器(C51)，而其另一条支路包括串联的线圈(L51)、第二电容二极管(CD2)和第二电容器(C52)。

6. 根据权利要求1所述的天线，其具有至少一低工作频带和一高工作频带，其特征在于，所述待偏移的工作频带是高工作频带。

7. 根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述匹配电路具有在低工作频带范围内的并联谐振，以限制所述电路参数中的改变对高工作频带的影响。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述寄生元件是附着到所述绝缘支撑部分的导电条。

9. 根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述匹配电路从制造技术的角度看是LTCC电路。

10. 一种具有可调多频带天线(A00)的无线电设备(RD)，该可调多频带天线包括接地面、具有绝缘支撑部分的辐射面、以及调节电路，该调节电路具有辐射面的寄生元件以及连接到寄生元件的可控部分，通过该可控部分，寄生元件和接地面之间的耦合可以被改变，从而偏移天线的工作频带，其特征在于，所述可控部分是电抗性匹配电路，该电抗性匹配电路的电路参数被安排从至少两个可选参数中选择，从而实现耦合中的所述改变，并且每一组可选电路参数包括至少一个感性元件和至少一个容性元件的参数，以最优化天线的阻抗匹配和效率。