CN101080851A - 双模块集成天线和无线电装置 - Google Patents

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Abstract

一种模块化无线电天线器件，包括可分离的第一模块和第二模块，所述第一模块包含所述器件的所有无线电的、和射频的前端组件，所述第二模块仅包含所述器件的天线组件，所述第一模块和第二模块设置有用于彼此物理和电互连的装置。

Description

双模块集成天线和无线电装置
本发明涉及一种双模块集成天线和无线电装置。其可应用于所有类型的天线而并不限于PIFA(平面倒F天线)、单极天线、偶极天线、电介质天线等。其可应用于各种应用，特殊地但非排他地涉及移动电话手持设备、个人数字助理(PDA)和膝上型计算机。
背景技术
众所周知，设计小型现代通信设备的内部天线是个困难的问题。
首先，存在许多不同类型的平台，尤其是用于这样的手持设备的平台，其中翻盖(clamshell)设计、直板电话(bar phone)、折合式电话(flip phone)、滑盖(slider)和摇摆电话(swing phone)设计都是公用的。例如，分段电话(segmented phone)的两个部分之间的连接可对天线性能具有较大的影响。
第二，现代通信设备越来越小，但与此同时，天线却要求覆盖更多波段。
第三，可提供其他的无线电装置和其他的天线用于诸如GPS、Bluetooth(蓝牙)、数字媒体广播等，这可能引起耦合和联合定位发射器(co-sited transmitter)的问题。
最后，在用于多样性或MIMO(多输入多输出)应用的单个单元中存在数量增加的多个无线电天线的呼叫。
虽然所有这些因素会导致天线复杂性的增加，但在商业应用中要求天线更廉价以及在手持设备中占用更小体积。与通过削减材料实现最小化相比，较大规模的组件集成被看作是能够获得更有价值的缩小的方式。针对这些问题的一种方式是将天线和RF(射频)前端一起看作是单个单元，从而创建无线电天线单元。这种无线电天线单元可使用不同的无线电架构，例如平衡的RF和天线结构、除了50欧姆之外的阻抗等。
本申请人不仅对天线感兴趣，而且对将电信号转换为无线电波以及将无线电波转换为电信号的整个过程感兴趣。最终的目标是设计结合了天线和用于蜂窝式无线电装置或WLAN应用的所有无线电组件的单个模块。为了从传统的蜂窝式或WLAN无线电收发器驱动天线，可能需要结合来自第三方生产者的分立的IC(集成电路)。这种分立组件的一个例子是芯片平衡-不平衡变换器，其在从诸如功率放大器(PA)的单端不平衡的源驱动平衡的、类似偶极的天线时是需要的。
本申请人设想到，这些IC的某些功能将最终直接被创建到天线中。例如，双工器和滤波器可被制造作为多层天线结构的较低层的一部分，而不是作为整合到模块中的单独组件。一种可选的方法是采用PA和其他无线电组件，从而能够产生必要的平衡的和经滤波的输出。包括专用天线和特别适合的无线电组件的该最终的无线电模块将使得移动电话手持设备生产者不再需要成为无线电专家，这是因为生产者能够有效地具有带数字输入/输出的装置，而任何其他的事情则由该模块来处理。
大多现有的无线电话手持设备、PDA和膝上型计算机天线都是不平衡的设计，例如PIFA和单极天线。它们很小且可有效利用PCB(印刷电路板)或PWB(印刷线路板)作为天线的一部分，但是它们需要额外定制各个产品，这是因为各个PCB/PWB都具有不同的形状和尺寸。天线定制的过程是昂贵的，其构成了设备成本不可忽略的部分，并妨碍了对集成的无线电天线模块的使用，由于定制成本的原因，它们将受到限制。
向集成天线的发展可通过引入不使用PCB或PWB的平衡天线、因而需要较少的定制来实现。不幸的是，平衡天线的尺寸通常是其不平衡对应物的两倍，并且由于平衡天线不使用较宽(wide)PCB或PWB作为辐射机构的一部分，因而具有较小带宽。另一不利因素在于，许多类型的平衡天线(偶极天线、螺旋对天线等)与接地面电学地接近时，会受到自感应镜像电流的负面影响。现代手持设备、PDA和膝上型计算机具有完整接地面，天线被设置在接地面上方小于自由空间波长1/50的位置。为了解决这一问题，本申请人已经开发出多种新类型的平衡天线，它们足够小以能够在手持设备等中使用，并能在完全组装于PCB的接地面的顶部上方工作。这些发明是单独的专利申请(英国专利第0501938.5号申请)的主题。
虽然模块概念应用于平衡(类似于偶极)天线和不平衡(类似于单极)天线设计，但本发明尤其与平衡设计相关，因为它们内在地独立于接地面。此外，平衡的设计通常可降低定制费用，使得无线电天线模块在商业上更可行。平衡设计也可被实现为许多不同类型手持设备、膝上型电脑等中的同一模块。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种模块化无线电天线器件，包括可分离的第一模块和第二模块，所述第一模块包含所述器件的所有无线电的、和射频的前端组件，所述第二模块仅包含所述器件的天线组件，所述第一模块和第二模块设置有用于彼此物理和电互连的装置。
在组装时，所述装置可安装在PCB或PWB上，然后安装到通信设备中。通常，第一模块将直接安装在PCB或PWB上，第二模块安装在第一模块的、背离所述PCB或PWB的表面上。换言之，如果将所述PCB或PWB视作最低的基底，则第一模块可直接安装在所述PCB或PWB上，然后所述第二模块安装在第一模块的顶部上。
在某些实施方案中，可远离第一和第二模块设置额外的天线组件(例如低频带不平衡单极天线)，其与第一模块电连接。
在某些实施方案中，第二模块可大于第一模块，至少在所述器件安装在PCB或PWB上时，在由所述PCB或PWB限定的平面中第二模块大于第一模块。这可能是有益的，因为包含天线的第二模块可大于包含前端组件的第一模块，从而在PCB或PWB上未占据太大轨迹或太多空间的情况下，其仍然具有良好的性能。
通过将无线电天线器件设计为两个模块化部分，创建、制造和测试该无线电天线器件的工作被极大简化。在第一实施方案中，下部模块结合了所有无线电的、和RF的前端组件(功率放大器、RF开关、滤波器、天线分离滤波器(diplexer)、天线共用器(duplexer)等)，而上部模块则包含了所有的天线结构。上部模块在面积上可大于下部模块，参见下面的附图，但这样的结构使其可具有良好的性能而不会占据太多的PCB空间。
根据本发明的第二方面，提供了这样一种模块化无线电天线器件，可包括可分离的第一模块和第二模块，所述第一模块包含所述器件的所有无线电的、和射频的前端组件以及第一天线组件，所述第二模块至少包含所述器件的第二天线组件，所述第一模块和第二模块设置有用于彼此物理和电互连的装置。
涉及第一方面的实施方案的上述特征也应用于第二方面的实施方案。
此外，有利地，第一天线组件是低频带天线，第二天线组件是高频带天线。应该理解，“低频带”和“高频带”在上下文中是相对的术语。换言之，第一天线组件有利地被配置为在比第二天线组件被配置工作的频带低的频带中工作。这对于蜂窝式无线电手持设备尤其有用，这是因为，由于波长较长而使得安装有所述器件的整个PCB或PWB在操作时需要作为主辐射器，因而第一低频带天线(例如800/900MHz)通常必定为不平衡的。
独立的(即，没有PCB或PWB接地面)第一天线组件通常在Chu-Harrington极限之内[L.J.Chu，″Physical Limitations ofOmni-Directional Antennas，″Journal of Applied Physics，Vol.19，pp.1163-1175，1948(L.J.Chu，“全向天线的物理极限”，应用物理期刊，第19卷第1163-1175页，1948)]、[R.C.Hansen，″FundamentalLimitations in Antennas，″Proceedings of the IEEE，Vol.69，No.2，pp.170-182，1981(R.C.Hansen，“天线的基础极限”，IEEE学报，第69卷，第2期，第170-182页，1981)]。Chu-Harrington极限内的天线是效率较低的辐射器和/或缺乏足够的带宽。在高频带(例如1800/1900MHz)中没有上述限制，由于已经给出的原因，高频带的平衡天线具有优势。这一需求因此对于天线而言是，在一个频带是平衡的，在另一个频带是不平衡的。
在一个示例性实施方案中，第一模块包括简单的低频带不平衡PIFA以及前端组件，而第二模块包含更复杂的高频带平衡(可能是双频带或多频带)天线结构。对于低频带不平衡天线而言，设置在靠近PCB或PWB上的接地面的第一模块中是有利的，这是因为这种不平衡天线需要接近接地面，从而在工作期间进行有效驱动。
在另外的实施方案中，低频带天线可在任一模块中，或者可单独设置在移动电话或其他通信设备上的其他位置。
在另一实施方案中，两个天线可都为不平衡的，并位于所述器件的相同或单独的模块中，或者可都类似地为平衡的(特别但非排他地，后者对于Chu-Harrington极限通常不会带来问题的WLAN应用是有用的)。
在另一实施方案中，可在第一模块的内部或外部形成电磁屏蔽作为该模块的整体部分，从而降低电磁屏蔽问题以及在无线电模块附近需要单独的导电屏蔽的问题。这可应用于第一模块中没有设置天线组件的情况。
在物理结构方面，第一模块可由塑料构造、诸如LTCC(低温联合烧结陶瓷)结构的陶瓷构造、PCB结构、或固定至塑料载体的挠性电路构成。
第二模块也可通过这些方式的任一种制造，但对于第一和第二模块而言，并不需要二者具有相同的结构，它们具有不同的结构和材料可能是有利的。
作为示例，第一模块可为软熔(reflow)至主(手持设备)PCB或PWB上的PCB或PWB子板，而第二模块可为金属化塑料结构或固定至塑料载体的挠性电路。第二模块可通过多种技术附接到第一模块，包括搭扣配合、热熔机(heat stakes)、干涉配合(interference fit)、焊接、玻璃粉、结合时金属化、包括扩散的其他粘合工艺、或熔解工艺等。所列出的这些附接工艺并非穷举。
通常，第一和第二模块特别优选地具有彼此互补的物理和电的连接或附接装置，例如适于彼此互连或附接的第一和第二外壳体。
可以预期，本发明的实施方案将：
1.降低诸如手持设备、PDA和膝上型计算机等的装置的总体设计成本。
2.加速手持设备和膝上型计算机的开发时间，从而减少上市等待时间。
3.通过允许其他组件共享同一空间而有效降低天线占据的PCB面积。
4.由于较小底盘电流(chassis current)改进了高频带效率，以及降低了使用者造成的天线负载。
5.降低功率放大器、前端模块和天线之间的损耗，从而改进效率。组件的较好匹配与邻近的物理定位降低了损耗。
6.允许在下部模块内部形成完整的无线电EM屏蔽，从而降低电磁屏蔽问题以及在无线电模块周围需要单独的导电屏蔽的问题。
7.通过使用特别适合的无线电前端组件而增加可在天线设计中使用的复杂性。这可用来改进性能。
8.允许将天线和无线电性能作为对进行优化(例如，使用除了50欧姆之外的阻抗)。
双模块方法相对于集成天线模块的优点可进行如下总结：
1.测试：可在软熔到主板上之后测试底部单元，可在组装到底部单元之前测试天线。
2.开发：与总是需要耦合器的辐射连接相比，使用导电连接来开发RF电路非常容易。
3.人员：RF工程师可在天线工程师对上部单元进行加工的同时对底部单元进行加工。仅需要在二者之间达成接口规格的一致性。
4.时间量程(timescale)：对两个模块的加工可并行地进行，从而加速了开发。
5.技术选择：底部单元可由一种技术(例如LTCC)制成，而上部单元可由不同的技术(例如塑料)制成。由于需求的大不相同，而最大化了两个组件的技术和成本优势。
6.应用选择：不同的天线模块可与相同的底部单元一起使用，反之亦然。例如，在使用单个底部单元的情况下，在一个手持设备中可使用高天线(例如，总高度为7mm)以获得四重频带性能，但在可接受三重频带的情况下使用较低的天线(例如，5mm高)。
在本申请的整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”和“包含(contain)”及其变型，例如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”意味着“包括但不限于”，而并非用于排除其他部分、附加物、组件、整体或步骤。
在本申请的整个说明书和权利要求书中，除非上下文有相反要求，则单数形式涵盖了复数的含义。尤其是在使用不定冠词时，除非上下文有相反要求，则本申请应被理解为包括复数和单数。
除非矛盾，否则结合本发明的特定方面、实施方案或实施例描述的特征、整体、特性、混合物、化学部分或群应被理解为可应用于本文所描述的其他方面、实施方案或实施例。
附图说明
为了更好地理解本发明并说明它是如何被实施的，下面将参照附图通过举例的方式进行说明，在附图中：
图1以示意的形式示出了本发明的第一实施方案；
图2是示出了本发明的第二实施方案的分解图；以及
图3是示出了图2的实施方案的S11回波损耗曲线图。
具体实施方式
图1示以示意的形式示出了本发明的第一实施方案。包括第一下部模块2和第二上部模块3的无线电天线器件1安装在包括导电接地面(未示出的)的PCB 4上。第一模块2结合了所有无线电和RF前端组件(功率放大器、RF开关、滤波器、天线分离滤波器(diplexer)、天线共用器(duplexer)等)(未示出)，而第二模块3结合了天线组件(未示出)。两个模块2、3被制造为单独的单元，并设置有互补的物理和电的连接装置，以使得它们能够以快速和简单的方式安装在一起。在所示的实施方案中，上部模块3平行于PCB 4的面积比下部模块2大。这使得模块3能够使用较大的天线组件(从而能够获得改进的性能)，而不会在PCB 4上占据更多的面积或较大的轨迹(与较小的下部模块2已经占据的相比)。
图2以分解的形式示出了本发明的第二实施方案。其中示出了一般性地以数字2标记的第一下部模块、和一般性地以数字3标记的第二上部模块。
第一模块2包括承载有各种无线电和RF前端组件6的PCB子板5、适于绕PCB子板5周边安装的电介质壳体7、以及适于在子板5上方装配到壳体7中的低频带不平衡PIFA 8。壳体7包括支脚9，支脚9适于夹在PCB母板4(图2中未示出)的孔(未示出)中。壳体7还包括内部凸缘10，内部凸缘10用于支撑PIFA 8以及帮助子板5稳固地保持在PCB母板4上的适当位置。
第二模块3包括电介质壳体11，电介质壳体11设置有支脚12，支脚12适于通过PIFA 8中的孔14连接到电介质壳体7的凸缘10中的互补固定孔13。最后，高频带平衡天线15被装配到壳体11中。
提供电连接(未示出)用于将天线8和15连接到无线电组件6。
图3示出了图2的无线电天线器件的S11回波损耗曲线。很明显，在低频带和高频带中均表现出良好的带宽。

Claims (15)

1.一种模块化无线电天线器件，包括可分离的第一模块和第二模块，所述第一模块包含所述器件的所有无线电的、和射频的前端组件，所述第二模块仅包含所述器件的天线组件，所述第一模块和第二模块设置有用于彼此物理和电互连的装置。
2.一种模块化无线电天线器件，包括可分离的第一模块和第二模块，所述第一模块包含所述器件的所有无线电的、和射频的前端组件以及第一天线组件，所述第二模块至少包含所述器件的第二天线组件，所述第一模块和第二模块设置有用于彼此物理和电互连的装置。
3.如权利要求1或2所述的器件，其中，所述第二模块至少包含平衡天线组件。
4.如权利要求2或权利要求2的任一从属权利要求所述的器件，其中所述第一模块包含不平衡天线组件。
5.如权利要求2或权利要求2的任一从属权利要求所述的器件，其中所述第一天线组件是低频带天线组件，所述第二天线组件是高频带天线组件。
6.如前述权利要求中任意一项所述的器件，其中所述第一模块中的所述前端组件设置有电磁屏蔽。
7.如前述权利要求中任意一项所述的器件，其中所述第二模块比所述第一模块延伸较大的面积。
8.如前述权利要求中任意一项所述的器件，其中所述第一模块和第二模块各自设置有电介质壳体。
9.如权利要求8所述的器件，其中所述电介质壳体包括互补的相互附接装置。
10.如权利要求8或9所述的器件，其中所述第一模块的电介质壳体包括用于附接到印刷电路板或印刷线路板的装置。
11.如权利要求8至10中任意一项所述的器件，其中所述电介质壳体由塑料或陶瓷材料制成。
12.如权利要求11所述的器件，其中所述电介质壳体由塑料构造、诸如LTCC(低温联合烧结陶瓷)结构的陶瓷构造、PCB结构、或固定至塑料载体的挠性电路构成。
13.如权利要求11或12所述的器件，其中所述第一模块的壳体包括与所述第二模块的壳体不同的材料。
14.如权利要求2所述的器件，其中，所述第一模块包括承载有所述前端组件的印刷电路板(PCB)或印刷线路板(PWB)、形成所述PCB或PWB的周边的围绕物的第一电介质壳体、以及安装在所述电介质壳体中并与所述PCB或PWB隔开的低频带不平衡天线，所述第二模块包括第二电介质壳体、以及安装在所述第二电介质壳体中的高频带平衡天线，所述第二电介质壳体设置有用于附接到所述第一电介质壳体的装置。
15.一种模块化无线电天线器件，其实质上如上文中参照附图所做的描述或者如附图所示。
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