CN100470927C - 天线装置和包括有该装置的模块 - Google Patents

Abstract

一种天线装置，包括接地导体(302)，其具有两个较小电间距的隙缝，以及用于将收发器和各隙缝相连的装置(308a，308b)，从而使接地导体可用作两个基本上独立的天线。与已知的天线装置相比，这种装置在小得多的体积中获得有效的分集性能。在一个实施例中，接地导体、隙缝和收发器均集成在一个模块(206)中，其用于与提供了大部分天线面积的另一接地导体相连。该另一导体通常是印制电路板的接地平面或手机的外壳。在模块中可以方便地结合相匹配的宽带电路。通过改变模块和另一导体之间的连接面积，就可以改变隙缝的共振频率。

Description

天线装置和包括有该装置的模块

本发明涉及一种天线装置，其包括接地导体和用于将收发器与该接地导体相连的装置，还涉及一种包括有收发器和该天线装置的无线电模块。

无线终端如移动电话手机通常包括有外部天线，例如普通模式的螺旋天线或曲形天线，或者包括有内部天线，例如平面的倒F形天线(PIFA)等。

这些天线很小(就波长而言)，因此，由于小天线的固有限制，该天线是应用于窄带的。然而，蜂窝无线电通讯系统通常具有10％或更大的部分带宽。为了从PIFA中获得这种带宽，例如需要非常大的体积，在接线天线的带宽和其体积之间存在着直接的关系，但这种体积并不适合于朝向小型化手机发展的当前趋势。因此，由于上述限制，在当前的无线终端中，从小型天线中获得有效的宽带辐射是不可行的。

与用于无线终端的已知天线装置有关的另一问题是，它们通常是不平衡的，因此要很牢固地连接在终端外壳上。结果，大量辐射从终端本身而非从天线中发射出来。在本申请人的国际专利申请WO02/13306中公开了一种无线终端，其中天线馈电线直接与终端外壳相连，并且利用了这一优点。当通过适当匹配的网络来馈电时，终端外壳或另一接地导体就可用作有效的宽带辐射器。在本申请人的未决国际专利申请WO 02/95869(在本发明的优先权日尚未公布)中公开了这种装置的一种改进，其中天线馈电线与终端外壳经由隙缝相连。

在许多应用中，需要无线终端具有两个独立的天线，从而能利用天线分集技术。然而，为了使天线具有足够的电间距以提供不相关信号，已知的天线分集装置通常占据了很大的体积。

本发明的一个目的是提供一种用于无线终端的紧凑型天线分集装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种天线装置，其包括具有两个很小电间距的隙缝的接地导体，以及用于将收发器与各隙缝相连的装置，从而可使接地导体用作两个基本上独立的天线。

通过将这些隙缝设置成基本上正交的(这意味着在隙缝具有一个开口端的情况下，各隙缝的距其相应开口端为大致相同距离(沿隙缝测量)的那一部分是基本上正交的)，就可以优化装置的分集性能。通过对隙缝施加电容性负载并在收发器和各隙缝之间施加不同的相移，也可以优化分集性能。该较小电间距通常小于装置工作频率下的半波长。

根据本发明的第二方面，提供了一种无线电模块，其包括具有两个很小电间距的隙缝的接地导体、收发器、用于将收发器与各隙缝相连的装置，以及将接地导体与另一接地导体相连的装置，从而可将接地导体和另一接地导体的组合用作两个基本上独立的天线。

下面将通过示例并参考附图来介绍本发明的实施例，其中：

图1显示了不对称偶极天线的模型，其体现了天线和无线终端的组合；

图2是安装在接地导体上的射频(RF)模块的平面图；

图3是包括了带隙缝接地面的RF模块的平面图；

图4是RF模块的一个实用实施例的平面图；

图5是针对图4所示RF模块的以分贝(dB)为单位的测得回波损耗S₁₁与以兆赫(MHz)为单位的频率f的关系图；

图6是包括了具有两个基本上正交的隙缝的接地面的RF模块的平面图；和

图7是包括了具有两个平行且带电容性负载的隙缝的接地面的RF模块的平面图。

在附图中采用相同的标号来表示对应的特征。

本申请人的国际专利申请WO 02/13306公开了一种天线装置，其中无线终端的外壳、或者形成了终端一部分的另一接地导体通过适当匹配的网络来馈电，并用作有效的宽带辐射器。

总的说来，在WO 02/13306中示出，天线和无线终端(例如移动电话手机)的组合可视为不对称偶极子。图1显示了在无线手机的天线馈电点处处于发送模式下的收发器的阻抗模型。不对称偶极子的第一臂102代表天线的阻抗，第二臂104代表手机的阻抗，这两个臂都通过源106来驱动。如图所示，这种装置的阻抗基本上等同于被单独驱动的各臂102，104相对于虚拟地极108的阻抗。当采用代表了收发器阻抗的阻抗来代替源106时，该模型同样适用于接收。

在WO 02/13306中还示出，天线阻抗可由一个可将天线馈电耦合到手机上的尺寸较小的电容器来代替。在一个实施例中，该电容器是尺寸为10×40×100毫米的手机上的尺寸为2×10×10毫米的平行板电容器。通过精心地设计手机，最终的带宽可以比传统的天线和手机的组合大得多。其原因是手机用作低Q辐射元件(模拟试验显示出典型的Q值约为1)，而传统的天线通常具有约为50的Q值。

使用平行板电容来将收发器与接地面耦合的一个问题是其需要很大的体积(即使这个体积比PIFA所需的体积小得多)。作为当前朝向更小无线终端发展的趋势的一部分，正在研制包括有设备(如移动电话或蓝牙终端)所需的RF电路的小巧外形的模块。这种模块通常通过封装在金属容器中而被屏蔽起来，但这种屏蔽并不总是必需的。增设上述尺寸的电容器板可能使这种模块因其高度增大到两倍而不止两倍地增加其所占用的体积，这是不希望发生的。

如在本申请人的未决国际专利申请WO 02/95869中所公开的那样，这一问题可通过从收发器经由接地面上的隙缝而输送RF功率到接地面上来解决。在图2和3中显示了这种装置，图2和3分别是安装在接地导体上的RF模块以及包括了带隙缝接地面的RF模块的平面图。RF模块206安装在具有矩形接地面202的印制电路板(PCB)上，该接地面202带有矩形切口204(如虚线所示)。模块206也包括接地面302，其尺寸稍大于切口204，以便使两个接地面202，302电连接。模块的接地面302包括有隙缝304，其长度约为模块206的工作频率下的四分之一波长。模块包括RF电路306(未详细示出)，以及与隙缝304的远离RF电路的一侧相连的接点308。

在作为发射器来工作的过程中，来自RF电路306的功率经过隙缝而输送至接地面302，202上。在作为接收器来工作的过程中，接地面202，302所接收的RF信号通过隙缝304来抽取，并输送到RF电路306上。虽然这种馈电装置不能提供如WO 02/13306中所述电容耦合那样宽的带宽，但与传统天线相比，这种装置仍提供了较宽的带宽，而且体积和带宽之间的折衷适合于许多应用。

如图所示，隙缝304可围绕RF电路306折弯。可以设计成使其共振频率主要由四分之一波长的隙缝共振来决定，而其带宽则由隙缝304和接地面302，202的组合来决定。隙缝304集成于模块206中使得能够通过改变模块接地面302和PCB接地面202之间的连接来调整其共振频率。虽然所示PCB接地面202中的切口204是矩形的，并且具有与模块206大致相同的尺寸，但这并不是必需的。唯一的要求是，切口204必须使紧接于隙缝304的下方在PCB上不产生金属化(实际上，切口204比隙缝304至少大出生产误差和安装误差那么多，这样，有效的隙缝尺寸由模块206中的隙缝304的尺寸来决定，而不是由切口204的尺寸来确定)。如图所示，模块206设置在PCB的边缘处是比较方便的，这是因为模块距PCB上的其它电路比较远，而且可使其保持与模块的直接连接。

图4显示了RF模块206的一个生产实施例的平面图，其具有约15×13毫米的整体尺寸。该实施例是由飞利浦半导体公司制造的，产品号为BGB100A，并准备用于蓝牙应用。L形接地导体302具有一个L形隙缝304。该隙缝通过1.5毫微亨(nH)的电感器和3皮法(pF)的串联电容器来馈电，电感器与接点402，308相连，电容器与接点404，406相连。包括有1.3nH串联电感器和1.8pF并联电容器的另一匹配电路连接在串联电容器和50欧(Ω)的馈电器之间。在虚线所包围的区域中设有未示出的另一RF电路306。该电路包括有多个接地连接，这样，当安装到PCB上时，虚线所包围的整个区域基本上可被视为接地导体。

在该实施例中，PCB接地面的尺寸上接近于半波长，这产生良好的带宽。图5是图4所示模块在1500到3500MHz之间的所有频率下的测得回波损耗S₁₁的图。模块206安装成使得隙缝304在尺寸为100×40毫米的PCB的长边上敞开，并且模块设于距PCB的短边为25毫米的位置处。这样，其效率超过80％，而且在从1900到2900MHz的超过1GHz的带宽范围上，回波损耗大于10dB。链路测试的测量结果表明，在超过10米的距离上具有足够的性能，从而能够满足蓝牙标准的要求。

本发明通过提供两种独立的操作模式来改进上述的装置，从而使接地表面202，302如同它们是两个独立天线那样来起作用。在传统的天线分集装置中，分集装置的设置要求两个天线分隔开波长的很大一部分的量，因此不能设置在如上所述的紧凑型模块206中。然而，在根据本发明制造的模块中，可以在这样一个小的区域中设置分集装置。

图6是根据本发明制造的模块206的第一实施例的平面图，该模块包括接地导体302以及第一隙缝304a和第二隙缝304b。隙缝304a，304b构造成使其在相同的场点/电流点处、即从其开口端沿其长度测得的相应点处基本上相互正交。这在隙缝304a，304b的较短端处最为关键，在这里存在有最大的非反向电流。作为这种正交性质的结果，各隙缝都在PCB接地面202上建立了不同的电流分布，导致了不同的辐射和极化图形，因此能够独立地接收多路分量。因此，经由各隙缝所发送或接收的信号基本上是不相关的。

模块206包括RF电路306，其占据了模块上的未被隙缝304a，304b所占据的区域。在操作中，来自RF电路306的功率经过隙缝而馈送至隙缝304a，304b上的远离RF电路306主体的一侧上的相应接点308a，308b上。对于蓝牙应用来说，模块206可以具有与图4所示模块相似的尺寸，各隙缝304a，304b都具有类似于图4实施例中的长度。虽然隙缝304a，304b原则上应当近似于四分之一波长，但是模块基片的存在允许其降低到大概20毫米左右(在2.4GHz下)。

图7显示了另一装置，其为根据本发明制造的模块206的第二实施例的平面图。在该实施例中，隙缝304a，304b加载了相应的电容器702a，702b，这便允许在保持相同共振频率的同时缩短这些隙缝。这使得隙缝304a，304b可在模块206的区域内分隔得尽可能地远，虽然这对于上述蓝牙模块来说仍是仅十分之一波长的间距。通过对源自各隙缝的信号进行适当的相位调整，就可进一步减少从各隙缝中发送出或接收到的信号之间的互相关。所需相移可通过各种技术来实现，包括离散相移电路、混合耦合器和转接式寄生负载。

在本申请人的国际专利申请WO 01/71843中讨论了如何为偶极天线选择适当的相位。然而，在上述申请中提供的技术不能直接应用于本发明，这是因为其涉及到偶极天线而非隙缝，而且因为在本发明的实施例中，隙缝304a，304b共享一个共用的接地导体202，302。

这两种方法(正交的隙缝和带有电容负荷的隙缝)的组合可用来提供分集性，其取决于间隔、极化和辐射图形(所有的这些都与这种小隙缝间隔相关)。这样，可以从非常小的间隔中实现分集，例如在采用天线的RF模块中可得到的间隔。

在一些应用中，在多标准无线通讯设备中可能需要双带天线。典型的组合是2.4GHz下的蓝牙或IEEE 802.11b(WiFi)以及5GHz下的IEEE 802.11a。这两种IEEE标准都支持分集。通过在单点处馈电给隙缝304a，304b并利用双带匹配网络，就可以实现双带性能。然而，在隙缝设于无线电模块内的上述实施例中，在两个不同的点处为各隙缝304a，304b馈电并通过多路复用(开关或过滤器)网络来提供隔离是有利的。将低频馈电点选择成接近于高频馈电点中的电场零点，就可以进一步增强这种隔离。例如，低频率馈电点可以接近隙缝304a，304b的短端，而高频率馈电点则更靠近开口端。

除了图6和7所示实施例中的由接地导体302，202中的不同电流图形所引起的极化分集之外，也可通过与传统PIFA相结合地使用隙缝304a，304b(如上所述)来在任何实施例中实现进一步的极化分集。天线可设于相同的体积内(非常小的RF模块)，但具有明显不同的极化。这是因为隙缝304a，304b嵌入在PCB中而非相对于其馈电。PIFA具有PCB的极化效果，而隙缝304a，304b的极化取决于其在PCB中的方位。这可以设置成相互正交，这至少可在不修改PIFA或隙缝的条件下部分地实现。如果这两个天线的耦合太强，那么也可在PIFA接收信号时在隙缝上设置开关。

如上所述，隙缝304a，304b可结合到RF模块206的接地面302中，或者结合到PCB的接地面202中。在后一情况下，可以模块206的形式来提供RF器件，也可以不这样做。将隙缝304a，304b结合到模块206中的好处是能够更精确地控制馈电，同时可以良好控制的方式来实现匹配的带宽拓展和/或多频带操作。可以看到，在制造集成模块中存在明显的优点，之后可将集成模块与PCB的接地面相连，以便提高辐射性能。

上面对RF模块206的引用并不排除在模块中结合其它非RF器件，例如基带和设备控制电路。在上述实施例中，隙缝304a，304b是端部开口的。然而，如果以平衡的方式馈电，那么也可以使用两端封闭的隙缝。

通过阅读本说明书，本领域的技术人员可以清楚其它的变化。这些变化可能涉及在无线通讯设备及其部件的设计、制造和使用中已经知晓的其它特征，这些特征可作为已在本文中所介绍的特征的替代或附加。

在本说明书中和权利要求中，元件之前的用语“一个”并不排除多个这种元件的存在。另外，用语“包括”并不排除所列举之外的其它元件或步骤的存在。

Claims (8)

1.一种无线电模块(206)，包括接地导体(302)、所述接地导体上的RF电路(306)、所述接地导体上的第一天线缝隙和第二天线缝隙(304a，304b)以及RF电路和每个天线缝隙之间的连接，该连接延伸通过每个天线缝隙，其特征在于在所述接地导体中的第一和第二天线缝隙(304a，304b)位于RF电路(306)周围，在第一和第二天线缝隙之间存在电的小间距，第一和第二天线缝隙中的每一个均具有开口端和封闭端，各个开口端开口到接地导体的周围，第一和第二缝隙的每一个的距其相应开口端为大致相同距离的那一部分是正交的，各个连接横跨第一和第二缝隙而与连接部分(308a，308b)耦合，设置了用于将接地导体与另一接地导体(202)相连的连接装置，从而能够将所述接地导体和另一接地导体的组合用作两个独立的天线。

2.根据权利要求1所述的无线电模块，其特征在于，设置了用于在所述RF电路和所述第一和第二隙缝中的每一个之间施加不同相移的装置，以减小来自第一和第二天线缝隙的每一个的发送和接收信号之间的互相关。

3.根据权利要求1所述的无线电模块，还包括平面的倒F形天线，其特征在于，所述接地导体和平面天线的极化明显不同。

4.根据权利要求1所述的无线电模块，其特征在于，所述RF电路包括收发器，其特征在于，所述收发器适合于双频带应用，将所述收发器与所述第一和第二隙缝中的每一个相连的连接(308a，308b)中的每一个包括第一和第二连接，所述第一连接用于第一频带，而所述第二连接用于第二频带。

5.根据权利要求1所述的无线电模块和所述另一接地导体(202)的组合装置，其特征在于，连接装置将所述接地导体(302)与所述另一接地导体(202)相连。

6.根据权利要求5所述的组合装置，其特征在于，连接装置包括改变装置，用于改变所述接地导体与所述另一接地导体之间的连接面积，从而改变所述无线电模块的工作频率。

7.根据权利要求5或6所述的组合装置，其特征在于，所述另一接地导体(202)包括印制电路板的接地面，所述接地导体(302)位于印制电路板的接地面的边缘，所述第一和第二天线缝隙之下的区域没有经过印制电路板的金属化。

8.根据权利要求5或6所述的组合装置，其特征在于，所述另一接地导体是手机的外壳。

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