CN100481611C - 无线终端 - Google Patents

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Abstract

一种无线终端，包括一个接地导体(1102)和耦合到一个天线馈电线的收发器，该天线馈电线直接耦合到接地导体(1102)。在一种实施方案中，所述接地导体是导电外壳(1102)。所述耦合可能是由一个极板506和外壳(1102)的一个表面(1108)形成。外壳(1102)作为一个有效的宽带辐射器工作，不需要另外的天线。在该实施方案的一种改型中，提供一个槽(1112)以增加从所述收发器看进去的外壳(1102)的电阻，从而增加外壳的辐射带宽。

Description

无线终端
技术领域
本发明涉及一种无线终端，例如移动电话手持装置。
背景技术
无线终端，例如移动电话手持装置，通常要么装有外置天线，如普通的螺旋型(helix)或曲折型(meader)天线，要么装有内置天线，如平面倒F天线(PIFA)或类似的天线。
这样的天线小(相对于波长)，且由于小天线的固有限制，频带窄。但是，蜂窝式无线电通讯系统通常具有10％或更多的分数(fractional)带宽。例如为了从PIFA天线获得这样的带宽，需要相当的体积，因为接插天线的带宽和体积有直接的关系，但在目前手持装置小型化的趋势下，并不是总能实现这样的体积。因此，由于上述限制，从当今无线终端中的小天线实现有效的宽带辐射是不可行的。
无线终端的已知天线装置，还有一个问题，即它们通常是不平衡的，因此，与终端外壳有很强的耦合。结果大量的辐射从终端本身发出，而不是从天线发出。
发明内容
本发明的一个目的是提供在一个宽频带范围内具有有效辐射特性的无线终端。
根据本发明，提供了一种无线终端，包括一个接地导体和耦合到天线馈电线的收发器，其特征在于：所述天线馈电线经由具有小尺寸、大容量的电容器耦合到所述接地导体，并且所述电容器是由一个导电极板和所述接地导体的一部分形成的平行板电容器，其中所述接地导体用作无线终端的辐射器。
本发明的根据是以下在现有技术中不存在的认识，即天线和无线手持装置的阻抗与非对称偶极子的可分离的阻抗类似，以及进一步的认识，即天线阻抗可以用非辐射的耦合元件代替。
附图说明
下面将参照附图，通过实例来说明本发明的实施方案。其中：
图1表示一个非对称偶极子天线的模型，代表天线和无线终端的组合；
图2是示范非对称偶极子阻抗组件的可分离性的图形；
图3是手持装置和天线的组合的等效电路；
图4是容性反馈耦合手持装置的等效电路；
图5是基本容性反馈耦合手持装置的透视图；
图6是图5所示手持装置的以dB为单位的仿真回波损耗S11与以MHz为单位的频率f之间关系的曲线图；
图7是表示图5所示手持装置在1000-2800MHz的频率范围内仿真阻抗的Smith图形；
图8是表示图5所示手持装置的仿真电阻的曲线图；
图9是一种窄的容性反馈耦合手持装置的透视图；
图10是表示图9所示手持装置的仿真电阻的曲线图；
图11是开槽的容性反馈耦合手持装置的透视图；
图12是图11所示手持装置的以dB为单位的仿真回波损耗S11与以MHz为单位的频率f之间关系的曲线图；
图13是表示图11所示手持装置在1000-2800MHz的频率范围内仿真阻抗的Smith图形；
图14是客性反馈耦合试样的平面图；
图15是图14所示试样以dB为单位的实测回波损耗S11与以MHz为单位的频率f的关系曲线图；
图16是图14所示试样在800-3000MHz频率范围内实测阻抗的Smith图形；
图17是采用感应元件的容性反馈耦合试样的平面图；
图18是图17所示试样以dB为单位的实测回波损耗S11与以MHz为单位的频率f的关系图形；
图19是表示图17所示试样在800-3000MHz频率范围内的实测阻抗的Smith图形；
以上附图中，相同的标号用于表示对应的特性。
具体实施方式
图1表示在无线手持装置中天线馈电点，在发射模式下，从收发器看进去的阻抗的模型。该阻抗被模型化为一个非对称偶极子，其中第一臂102代表天线的阻抗，第二臂104代表手持装置的阻抗，两臂都由源106驱动。如图所示，这样的装置的阻抗基本上等于102和104臂相对于虚地108分别被驱动时的阻抗的和。用代表收发器阻抗的阻抗代替源106，该模型可以同样恰当地用于接收，尽管对其仿真并不容易。
该模型的有效性经过利用熟知的NEC(数字电磁编码)仿真的检验，其中第一臂102长40mm，直径1mm，第二臂104长80mm，直径1mm。图2表示该组合装置的阻抗(R+jX)的实部和虚部的仿真结果(RefR和RefX)，同时还表示出分别仿真两部分的阻抗并对其结果相加所得的结果。可以看出，仿真结果是非常相近的。唯一明显的偏离是在半波谐振区域，这时，阻抗很难被准确仿真。
图3表示一个从天线馈电点看进去天线和手持装置的组合的等效电路。R1和jX1代表天线的阻抗，而R2和jX2代表手持装置的阻抗。从这一等效电路可以推导出由天线辐射的功率P1和由手持装置辐射的功率P2的比例，由下式给出：
P1/P2＝R1/R2
如果减小天线的尺寸，其辐射电阻R1也将减小。如果天线变得无穷小，其辐射电阻R1将趋向0，则所有的辐射将全部来自于手持装置。如果手持装置的阻抗适合于驱动它的源106，如果无穷小的天线的容性电抗可以通过增加向手持装置的容性反馈耦合而极小化，则这种情况将会是有益的。
经过这些改动，等效电路变为如图4所示。天线于是被物理上非常小的反馈耦合电容代替，该电容设计为具有大容量，以实现最大耦合和最小电抗。反馈耦合电容器的残余电抗可以用一个简单的匹配电路消除。通过正确设计手持装置，所获得的带宽可以比常规的天线和手持装置的组合的带宽大的多，因为该手持装置作为一个低Q辐射元件工作(仿真表明，典型的Q值大约为1)，而常规天线的Q值一般为50左右。
图5示出容性反馈耦合手持装置的一种基本实施方案。手持装置502的尺寸为当今蜂窝式手持装置的典型尺寸10×40×100mm。通过在手持装置502的顶边508上方2mm处安装一个10×10mm的板506就可以在通常被一个大的多的天线占据的位置形成尺寸为2×10×10mm的平行板电容器504。所得的电容约为0.5pF，代表电容(随着手持装置502与极板506之间间隙的减小而增大)和耦合效率(取决于手持装置502与极板506之间的间隙)之间的一个折中。电容器通过与手持装置外壳绝缘的支撑510馈电。
经匹配后本实施方案的回波损耗S11用高频结构仿真器(HFSS)加以仿真，结果如图6所示，其中频率f为1000-2800MHz。高频结构仿真器(HFSS)可以从安软公司(Ansoft Corporation)买到。其中用一个常规的两电感“L”网络在1900MHz处匹配。所得到的在7dB回波损耗(对应于辐射大约90％的输入辐射功率)时的带宽大约为60MHz，或3％，这一带宽有用，但没有需要的宽。图7示出表示在同一频率范围得到的本实施方案的仿真阻抗的Smith图形。
小带宽是因为手持装置502在1900MHz处呈现大约为3-j90Ω的阻抗。图8表示在与前面相同的频率范围用HFSS仿真得到的电阻变化。这可以通过重新设计外壳以增加其电阻来加以改进。
完成这点的方法之一是减小手持装置502的宽度，因为当偶极子半径减小时所述电阻将以与偶极子的电阻非常相似的方式增加。图9表示具有窄容性反馈耦合的手持装置902的第二实施方案。手持装置902的尺寸为10×10×100mm，而由极板506和手持装置902的上表面908形成的电容504以及支撑510与前一实施方案没有区别。再进行仿真以确定本实施方案的电阻变化，结果如图10所示。这清楚地表明，采用窄的手持装置可以提供其中电阻比在基本配置中高的较宽的带宽。通过改变该结构的谐振频率可以对手持装置的长度加以优化以给出以某一特殊频率为中心的宽频带。对于固定长度的手持装置，可以采用水平开槽(即沿着手持装置的“宽”的槽)以达到在电上加长或缩短手持装置的目的。
增加外壳电阻的另外一种方法是插入一个竖直槽(即平行于手持装置的“长度”或主轴的槽)。图11示出具有开槽的容性反馈耦合手持装置1102的第三实施方案，在外壳上有一个33mm深的槽1112，以及电容504。由极板506和手持装置1102的上表面1108形成的电容504的尺寸以及支撑510与前面的实施方案中的相同。槽1112的存在显著增加了在1900MHz区域从收发器看进去外壳的电阻，从而允许低Q外壳被匹配到50Ω，而没有明显的带宽损失。
再次用HFSS仿真该实施方案的回波损耗S11，结果如图12所示，其中频率范围为1000-2800MHz，采用与基本实施方案中类似的两电感匹配网络。得到的在7dB回波损耗处的带宽被大大提高到350MHz或18％，接近同时覆盖UMTS和DCS1800频带所要求的带宽。图13表示本实施方案在同样的频率范围内的仿真阻抗的Smith图形。
为验证上述仿真结果的实际应用，制造了一个试样。图14是该试样的平面图，包括一个在0.8mm厚的FR4电路板(具有测得的介电常数4.1)上尺寸为40×100mm的铜接地平面1402。在接地平面上有一个3×29.5mm的槽1412，一个10×10mm的板506位于接地平面1402的拐角之上2mm处。该板与接地平面1402的共生部分(co-extensive portion)形成平行板电容器，如上述实施方案中的一样。该电容器通过附着在电路板背面的同轴电缆1404和一个竖直的引线510馈电。
在没有匹配的情况下测量该实施方案的回波损耗S11，该匹配在仿真时要加上。加上的匹配是一个3.5nH的串行电感和一个4nH的旁路电感，类似于上述仿真中所用的匹配。结果示于图15，其中频率f的范围为800-3000MHz。所得到的在7dB回波损耗时的带宽约为以1600MHz为中心的350MHz，或22％，其大约是同时覆盖UMTS和DCS1800频带所要求的分数带宽。图16表示本实施方案在同样的频率范围内的阻抗的Smith图形。
以上公开的实施方案是基于容性耦合的。不过，任何其它牺牲型(非辐射)的耦合元件也可以使用，例如感性耦合。同时，为有利于阻抗匹配，可以改变耦合元件。例如，通过感应元件可以实现容性耦合，这样做的好处是不需要其它的匹配部件。
作为后一种技术的实例，制造了另一个试样，图17是其平面图。该试样类似于图14中的试样。区别在于极板506稍微偏离了接地平面1402的拐角，且不再是完全金属化的，而是提供一条螺旋轨迹(track)1706，其一端与馈电引线501连接。本实施方案中，轨迹1706的长度的选择应当使在需要的频率约1600MHz处产生谐振。轨迹1706通过电路板背面的带状线馈电。
在没有匹配的情况下，测量本实施方案的回波损耗S11。结果示于图18，其中频率f为800-3000MHz。所得到的在回波损耗7dB时的带宽大约为以1580MHz为中心的135MHz，或9％，相信通过进一步的优化和匹配，该带宽可以显著提高。图19表示本实施方案在同样的频率范围内的阻抗的Smith图形。
在上述实施方案中，耦合手持装置的外壳是辐射元件。但是，在无线终端中的其它接地导体也可以完成相同的功能。这样的实例包括用于EMC(电磁兼容性)屏蔽的导体和印刷电路板(PCB)金属化的区域，如接地平面。
通过阅读上述内容，其它的变型对本领域的技术人员来说将是显然的。这样的改变可能涉及在无线终端及其组成部分的设计、制造和使用中所应用的其它特征，以及可以用于代替或除了在此已经描述的特征之外的特征。尽管在本申请中已经对各种特征的特殊组合的权利要求进行了阐明，但是应当理解，本申请公开内容的范围还包括在此明确地或暗示地公开的任何新颖特征或任何特征的新颖组合，或其任何概括，不管它是否涉及与任何权利要求中所要求的相同的发明，也不管它是否减少如本发明一样的任何或全部技术难题。申请人在此提请注意，在本申请或任何其它由此导出的申请的追述期间，针对这样的特征和/或特征组合，可能提出新的权利要求。
在本说明书和权利要求中，某一元件之前的“一个”并不排除多个这样的元件。而且，“包括”并不排除所列举之外的其它元件或步骤。

Claims (5)

1.一种无线终端，包括一个接地导体(502，902，1102，1402)和耦合到天线馈电线(1404，1704)的收发器，其特征在于：所述天线馈电线经由具有小尺寸、大容量的电容器耦合到所述接地导体，并且所述电容器是由一个导电极板(506)和所述接地导体的一部分形成的平行板电容器，其中所述接地导体用作无线终端的辐射器。
2.如权利要求1所述的终端，其特征在于在所述接地导体中提供一个槽(1112，1412)以显著增加接地导体的电阻。
3.如权利要求2所述的终端，其特征在于所述槽(1112，1412)平行于所述终端的主轴。
4.如权利要求1、2或3所述的终端，其特征在于所述接地导体(502，902，1102，1402)是手持装置外壳。
5.如权利要求1、2或3所述的终端，其特征在于在所述收发器与所述天线馈电线之间提供一个匹配网络。
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