CN101095262A - 用于改进无线终端中的多频带天线的性能的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在此描述了一种用于在宽范围的频率上改进无线终端中的多频带天线(120)的效率的方法和设备。为了补偿在某些设计中发生在寄生天线(128)与主天线(126)之间的低频带中的不希望有的耦合，把匹配网络(130)连接到该多频带天线(120)的至少一个接地端口(124)。该匹配网络(130)基于当前传输频带来控制该多频带天线的性能。在一些实施例中，该匹配网络(130)被配置成当多频带天线(120)操作在低频带中时操作为开路，并且当多频带天线(120)操作在高频带中时操作为短路。

Description

用于改进无线终端中的多频带天线的性能的方法和设备

发明背景

本发明一般而言涉及无线终端中的多频带天线，更特别地涉及利用特定于频带的匹配网络来改进所述多频带天线的性能。

常规无线终端典型地包括使所述无线终端能够操作在多个频带中的多频带天线系统。一种示例性多频带天线系统可以操作在GSM频带(824-894MHz)、EGSM频带(880-960MHz)、PCS频带(1850-1990MHz)和/或DCS频带(1710-1880MHz)中。通常，所述多频带天线的主天线操作在两个频带中，即一个低频带和一个高频带。

当需要附加的操作频带或者更宽的操作频带时，所述天线系统可以进一步包括寄生天线元件以便扩展所述高频带或低频带的带宽，或者添加第三个独立的频带。举例来说，具有被配置成操作在GSM和PCS频带中的主天线的多频带天线常常包括被调谐到DCS频带的寄生天线。在这个例子中，该寄生天线电容性地耦合到所述主天线。结果，该寄生天线扩展了所述高频带的带宽，以便同时包括PCS和DCS频率。然而，虽然所述寄生天线通常扩展了所述高频带的带宽，但是该寄生天线与所述主天线的低频部分的邻近性会减小所述低频带的带宽，并且还会减小所述多频带天线系统在该低频带中的增益。

发明概要

本发明包括一种改进多频带天线系统在宽范围的传输频率上的效率的方法和设备。根据本发明，一个连接到多频带天线的接地端口的匹配网络基于当前的传输频带来控制该多频带天线的阻抗。在一个实施例中，当所述天线操作在第一频带中时，所述匹配网络作为开路操作，而当该天线操作在第二频带中时，该匹配网络作为短路操作。

附图简述

图1示出常规多频带天线系统的方框图。

图2示出用于图1的多频带天线的一个示例性多频带天线。

图3示出用于图1的多频带天线系统的另一个示例性多频带天线。

图4示出图2的多频带天线的VSWR。

图5示出根据本发明的示例性多频带天线系统的方框图。

图6A和6B分别以图形的方式示出如在此所用的开路和短路的定义。

图7示出用于图5的多频带天线系统的一个示例性匹配网络的方框图。

图8示出用于图5的多频带天线系统的另一个示例性匹配网络的方框图。

图9示出用于图5的多频带天线系统的又一个示例性匹配网络的方框图。

图10示出具有根据本发明的匹配网络的一个示例性多频带天线。

图11示出利用图8的匹配网络的图5的多频带天线的VSWR。

图12示出具有根据本发明的匹配网络的另一个示例性多频带天线。

发明详述

在图1中示出的常规多频带天线系统10包括传输电路12、至少一个接地14、以及多频带天线20。该多频带天线20包括馈电端口22和至少一个接地端口24，其中传输电路12连接到该馈电端口22，并且接地14连接到该接地端口24。通常，多频带天线20被设计成操作在至少两个频带中，即一个高频带和一个低频带。示例性的频带包括：

名称	缩写	频率下限(MHz)	频率上限(MHz)
				全球移动通信系统	GSM	824	894
增强GSM	EGSM	880	960
				数字蜂窝系统	DCS	1710	1880
个人通信业务	PCS	1850	1990

如在此所用的术语“高频带”和“低频带”仅仅是指不同的频带，其中一个频带高于/低于另一个。因此，术语“高频带”和“低频带”不限于任何特定的传输频带。

正如本领域中所公知的那样，多频带天线20包括主天线26，该主天线被配置成操作在两个频带中。例如，如图2中所示，主天线26可以被配置成操作在GSM频带(低频带)和PCS频带(高频带)中。图4A中的虚线在直角坐标系上对于所述主天线26绘出在宽范围的频率上的VSWR(电压方波比)。

在一些实例中，可能希望扩展其中一个传输频带以及/或者操作在第三个频带中。为此，多频带天线20还可以包括寄生天线28，该寄生天线被配置成操作在例如DCS频带中。如图2中所示，寄生天线28可以被定位成邻近主天线26的PCS“支路”。作为选择，寄生天线28可以被定位成沿着主天线26的顶部邻近GSM“支路”，如图3中所示。在任何情况下，寄生天线28与主天线26谐振，从而形成第二个DCS高频带。如由图4的曲线图中的实线所示，这导致同时包含PCS和DCS频带的更宽的高频带。然而，由于寄生天线28被定位成物理地靠近主天线26的低频带元件，因此该寄生天线28还在低频带中干扰所述主天线26的操作。如图4中所示，寄生天线28不合期望地改变了多频带天线20在低频带中的阻抗。这导致所述低频带中的更窄的带宽以及天线增益的总体减小，如由图4中的实线所示。

为了解决这一问题，本发明基于当前传输频带来控制与多频带天线的接地端口相关联的阻抗。结果，本发明可以控制所述寄生天线与所述主天线之间的依赖于频率的耦合。

图5示出解决了上述问题的一个示例性多频带天线系统100的方框图。如图5中所示，多频带天线系统100包括：具有馈电端口122和至少一个接地端口124的多频带天线120、连接到该馈电端口122的传输电路12、至少一个接地14、以及连接在接地端口124与接地14之间的至少一个匹配网络130。匹配网络130基于所述传输频带来控制该多频带天线120的阻抗。例如，通过把该匹配网络130配置成在第一频带中具有阻抗Z₁并且在第二频带中具有阻抗Z₂，匹配网络130在所期望范围的频率上控制所述多频带天线120的阻抗。

匹配网络130可以是基于当前传输频带来控制阻抗的任何类型的匹配网络。例如，图7示出根据本发明的一个示例性匹配网络130。在该实施例中，匹配网络130包括连接在图5的多频带天线系统100的点1和点2之间的开关132、开路路径134以及短路路径136。开路路径134包括一个被设计成操作为开路的电路，并且短路路径136包括一个被设计成操作为短路的电路。如图6B中所示，如在此所用的在特定频带中操作为“短路”被定义为对于f₃≤f≤f₄具有小于或等于短路阻抗Z_s的阻抗Z₁(Z₁≤Z_s)。所述短路阻抗Z_s可以是任何所选择的阻抗。例如，Z_s可以是小于或等于20Ω的任何值，其中Z_s典型地等于小于2Ω。此外，如图6A中所示，如在此所用的在特定频带中操作为“开路”被定义为对于f₁≤f≤f₂具有大于或等于开路阻抗Z_o的阻抗Z₂(Z₂≥Z_o)。所述开路阻抗Z_o可以是任何所选择的阻抗。例如，Z_o可以是大于或等于50Ω的任何值，其中Z_o典型地近似等于200Ω。

一个控制器(未示出)控制开关132，以便基于当前传输频带把点1选择性地连接到所述开路路径134或短路路径136。例如，当多频带天线120操作在低频带(比如GSM频带)中时，该控制器可以控制开关132以把点1连接到开路路径134。作为选择，当多频带天线120操作在高频带(比如PCS和/或DCS频带)中时，该控制器可以控制开关132以把点1连接到短路路径136。将会认识到，在一种替换实现方式中，当所述多频带天线120操作在低频带或高频带中时，该控制器可以控制开关132以把点1分别连接到短路路径136或开路路径134。此外，虽然图7示出开路路径134和短路路径136，但是路径134和136可以被替换地设计成具有任何期望的阻抗。

图8示出用于根据本发明的另一个示例性匹配网络130的方框图。如图8中所示，匹配网络130包括与串联电感器-电容器(LC)电路140并联的具有电感器电路142的并联无源电路。在图8的匹配网络130中，基于高频带要求来调谐串联LC电路140，并且基于低频带要求来调谐C₁和L₂。在图8中，仅仅出于说明性的目的而示出电路元件L₁、L₂和C₂，这并不表示或暗示该匹配网络130只包括两个电感器和单个电容器。

在任何情况下，设计者基于特定传输频带的期望阻抗来选择L₁、L₂和C₁的值。例如，L₁、L₂和C₁可以被选择成使得匹配网络130对于低频带(比如GSM和/或EGSM频带)操作为开路，并且对于高频带(比如PCS和/或DCS频带)操作为短路。

虽然可能存在几种确定图8的无源电路的适当值的方式，但是下面的数学分析说明一种用于确定匹配网络130的电感器和电容器值的示例性方法。等式(1)表示图8的匹配网络130的阻抗，其中ω表示以弧度为单位的频率。

$Z\left(\mathrm{j\ω}\right)$ $\frac{\mathrm{j\ω}{L}_2(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_1)}{1-({\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_1+{\mathrm{\ω}}^2{L}_2{C}_1)}$ $---\left(1\right)$

如上面所讨论的那样，基于所述高频带要求来选择C₁和L₁，同时基于所述低频带要求来选择C₁和L₂。此外，表示频带下限的几何均值的最佳串联谐振频率ω_o，s可以由下式定义：

${\mathrm{\ω}}_{o,s}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{l1}{\·\mathrm{\ω}}_{l2}}---\left(2\right)$

而表示频带上限的几何均值的并联谐振频率ω_o，p可以由下式定义：

${\mathrm{\ω}}_{o,p}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{h1}\·{\mathrm{\ω}}_{h2}}\·---\left(3\right)$

对于下面的分析，ω_l1和ω_l2分别表示所述低频带的上、下边界频率，而ω_h1和ω_h2分别表示所述高频带的下、上边界频率。

本领域技术人员将会理解，当等式(1)的分子等于零时发生串联谐振，这导致等式(4)。

$1={\mathrm{\ω}}_{o,s}^2{L}_1{C}_1={\mathrm{\ω}}_{h1}{\mathrm{\ω}}_{h2}{L}_1{C}_1---\left(4\right)$

此外，当等式(1)的分母等于零时发生并联谐振，这导致等式(5)。

$1={\mathrm{\ω}}_{o,p}^2{L}_1{C}_1+{\mathrm{\ω}}_{o.p}^2{L}_2{C}_1={\mathrm{\ω}}_{l1}{\mathrm{\ω}}_{l2}(L_1{C}_1+L_2{C}_1)---\left(5\right)$

如下面的分析中所示，等式(4)和(5)可以被用来确定用于特定操作频带的电感器和电容器值。

假设所述并联谐振要求对于组件值确定起主导作用，则L₂可以由下式给出：

$L_2=\frac{Z_{\mathrm{goal}}\left({\mathrm{j\ω}}_{l1}\right)\·(1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{l1}^2}{{\mathrm{\ω}}_{o,p}^2})}{{\mathrm{j\ω}}_{l1}},---\left(6\right)$

其中，Z_goal(jω_l1)表示所述低频带的期望阻抗。在确定了L₂之后，可以对于等式(4)和(5)求解C₁和L₁，从而得到等式(7)和(8)。

$C_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_{o,s}^2-{\mathrm{\ω}}_{o,p}^2}{{\mathrm{\ω}}_{o,s}^2\·{\mathrm{\ω}}_{o,p}^2\·L_2}---\left(7\right)$

$L_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{o,s}^2\·C_1}---\left(8\right)$

如上所示，通过选择所期望的低频带阻抗以及高、低频带的边界频率，可以计算L₂(等式(6))。随后，可以计算C₁和L₁(等式(7)和(8))。例如，  当ω₁＝5.1773Grad/秒、Z_goal(ω₁)＝800Ω、ω_o，p＝5.5883Grad/秒并且ω_o，s＝11.59Grad/秒时，L₂＝21.89nH、C₁＝1.12pF并且L₁＝6.63nH。

将会认识到，上面的分析采用50Ω多频带天线系统100。这样，通过上面的分析所计算的值例如对于75Ω或100Ω系统将略有变化。然而，由上面的分析所示出的一般方法仍然适用于非50Ω系统。此外，将会认识到，上面的等式是基于理想的元件。因此，上面的内容仅仅表示对于匹配网络130的示例性设计过程。

图9示出又一个示例性匹配网络130的方框图，其被设计成对于低频带操作为短路，并且对于高频带操作为开路。如图9中所示，匹配网络130包括与串联LC电路140并联的具有电容器电路144的并联无源电路。与上面描述的过程类似，电感器和电容器值C₂、C₃和L₃被选择成对于低频带中的频率提供短路，并且对于高频带中的频率提供开路。示例性的值是：C₂＝1pF，C₃＝3.6pF，以及L₃＝10nH。

将会认识到，在图7-9中示出的示例性匹配网络130只是出于说明性的目的，因此不打算进行限制。这样，在不背离本发明的教导的情况下，也可以使用为不同频带提供期望阻抗的其他匹配网络130。

如上面所讨论的那样，匹配网络130可以被连接到多频带天线130的任何接地端口124。例如，如图10中所示，匹配网络130可以连接到与寄生天线128相关联的寄生接地端口124。如上所述，为了抵消所述寄生天线128和与所述低频带传输频率相关联的主天线126的负面耦合效应，同时还保持所述高频带中的所期望的耦合效应，匹配网络130可以对于所述低频带中的传输频率操作为开路，并且对于所述高频带中的传输频率操作为短路。结果，寄生天线128有效地与主天线126耦合以展宽所述高频带，而不会影响所述多频带天线120在所述低频带中的性能。

图11在直角坐标系上绘出了在使用图8的匹配网络130时图10的多频带天线120的VSWR，其中L₁＝4.7nH、L₂＝22nH并且C₁＝0.82pF。实线表示在没有匹配网络130的情况下所述主天线126和寄生天线128的性能。虚线表示在具有匹配网络130的情况下所述主天线126和寄生天线128的性能。图11与图4的比较表明该匹配网络130控制多频带天线120的阻抗，从而该寄生天线128展宽了所述高频带，而不会令该多频带天线120的低频带显著变窄。

上面描述了把匹配网络130连接到寄生天线128的接地端口124，以便在宽范围的频率上控制该寄生天线128与所述主天线126之间的耦合。然而，本发明不限于该特定实施例。图12示出另一个示例性多频带天线系统100，其中多频带天线120包括主天线126，该主天线具有馈电端口122和至少一个接地端口124。如图12中所示，匹配网络130被连接到主天线126的接地端口124。与图10的实施例类似，匹配网络130在第一频带中提供第一阻抗(比如开路阻抗)，并且在第二频带中提供第二阻抗(比如短路阻抗)。结果，匹配网络130在宽范围的频率上控制多频带天线120的操作。当不同类型的天线在不同频带中的性能更好时，该实施例可能是特别有用的。举例来说，使用图8的匹配网络130，多频带天线120可以在第一频带中操作为倒F型天线(IFA)或平面倒F型天线(PIFA)，并且可以在第二频带中操作为单极或弯曲单极天线。换句话说，通过利用匹配网络130改变多频带天线120的接地端口124的阻抗，匹配网络130可以改变单个天线126的操作，以便对于特定频带实现所期望的天线类型。

上面描述了一种用于在宽范围的频率上控制多频带天线120的阻抗的方法和设备。为此目的，在此所包括的大多数实例描述了把匹配网络130添加到多频带天线120的接地端口124，其中该匹配网络130被配置成在一个频带中操作为短路，并且在另一个频带中操作为开路。然而，将会认识到，虽然关于本发明的匹配网络130的大部分讨论涉及开路和短路，但是本发明不限于此。本发明还适用于被配置成对于不同的传输频带提供不同阻抗的匹配网络130。

另外，虽然上面的讨论集中于有限数量的频带和无线标准，比如GSM、EGSM、PCS和DCS，但是本领域技术人员将认识到，本发明不限于这些频带。代之以，本发明适用于任何指定频带，并且可以被用于多种无线通信标准。

在不背离本发明的本质特征的情况下，本发明当然还可以以不同于在此所阐述的那些的其他方式来实施。本文的实施例应当在各个方面被认为是说明性而非限制性的，并且打算把处在所附权利要求书的含义和等同范围内的所有改变都包含在其中。

Claims (19)

1、一种用于无线终端的多频带天线系统(100)，包括：

多频带天线(120)，其具有馈电端口(122)和接地端口(124)；

连接到该馈电端口(122)的传输电路(12)，所述传输电路(12)被配置成向该多频带天线(120)提供传输信号；以及

连接到该接地端口(124)的匹配网络(130)，当该多频带天线(120)操作在第一频带中时，所述匹配网络(130)被配置成操作为开路，并且其中当该多频带天线(120)操作在第二频带中时，该匹配网络(130)被配置成操作为短路。

2、权利要求1所述的多频带天线系统(100)，其中所述第一频带包括低频带，并且其中所述第二频带包括高频带。

3、权利要求1所述的多频带天线系统(100)，其中所述第一频带包括高频带，并且其中所述第二频带包括低频带。

4、权利要求1所述的多频带天线系统(100)，其中，所述匹配网络(130)包括无源电路(140，142，144)，该无源电路(140，142，144)被配置成当所述多频带天线(120)操作在第一频带中时操作为开路，并且当该多频带天线(120)操作在第二频带中时操作为短路。

5、权利要求4所述的多频带天线系统(100)，其中，所述无源电路(140，142，144)包括与电容器或电感器(142，144)并联的串联电感器-电容器电路(140)。

6、权利要求5所述的多频带天线系统(100)，其中，当所述第一频带包括低频带并且所述第二频带包括高频带时，所述无源电路(140，142，144)包括与电感器(142)并联的串联电感器-电容器电路(140)。

7、权利要求5所述的多频带天线系统(100)，其中，当所述第一频带包括高频带并且所述第二频带包括低频带时，所述无源电路(140，142，144)包括与电容器(144)并联的串联电感器-电容器电路(140)。

8、权利要求1所述的多频带天线系统(100)，其中，通过控制所述多频带天线(120)的阻抗，所述匹配网络(130)对于不同传输频率实现不同的天线类型。

9、权利要求8所述的多频带天线系统(100)，其中第一天线(120)包括倒F型天线或平面倒F型天线，并且其中第二天线(120)包括单极天线或弯曲单极天线。

10、权利要求1所述的多频带天线系统(100)，其中，所述匹配网络(130)包括：

第一电路路径(134)；

第二电路路径(136)；以及

开关电路(132)，用来基于当前传输频带来选择性地把所述接地端口(124)连接到第一电路路径(134)或第二电路路径(136)。

11、权利要求10所述的多频带天线系统(100)，其中所述第一电路路径(134)包括开路路径(134)，并且其中所述第二电路路径(136)包括短路路径(136)。

12、权利要求11所述的多频带天线系统(100)，其中当所述多频带天线(120)操作在低频带中时，所述开关电路(132)选择性地把所述接地端口(124)连接到所述开路路径(134)，并且其中当该多频带天线(120)操作在高频带中时，该开关电路(132)选择性地把该接地端口(124)连接到所述短路路径(136)。

13、权利要求1所述的多频带天线系统(100)，还包括：

第二接地端口(124)；以及

连接到第二接地端口(124)的第二匹配网络(130)，其中所述第二匹配网络(130)被配置成基于当前传输频带来进一步控制所述多频带天线的性能。

14、权利要求1所述的多频带天线系统(100)，其中，所述多频带天线(120)包括：

主天线(126)，其包括所述馈电端口(122)；以及

电容性地耦合到该主天线(126)的寄生天线(128)，所述寄生天线(128)包括寄生接地端口(124)，

其中，所述匹配网络(130)被连接到该寄生接地端口(124)。

15、一种在宽范围的频率上改进多频带天线(120)的效率的方法，该方法包括：

把匹配网络(130)连接到该多频带天线(120)的接地端口(124)以便基于当前传输频带来控制该多频带天线(120)的阻抗，其中，该匹配网络(130)包括被配置成在该多频带天线(120)操作在第一频带中时操作为开路并且在该多频带天线(120)操作在第二频带中时操作为短路的匹配网络(130)。

16、权利要求15所述的方法，其中所述第一频带包括低频带，并且其中所述第二频带包括高频带。

17、权利要求15所述的方法，其中，所述匹配网络(130)包括第一电路路径(134)、第二电路路径(136)和开关(132)，其中把该匹配网络(130)连接到所述接地端口(124)包括基于当前传输频带来选择性地控制该开关(132)以把该接地端口(124)连接到第一或第二电路路径(134，136)。

18、权利要求15所述的方法，还包括：

把第二匹配网络(130)连接到所述多频带天线(120)的第二接地端口(124)；以及

把第二匹配网络(130)配置成基于当前传输频带来进一步控制该多频带天线(120)的阻抗。

19、权利要求15所述的方法，其中，所述多频带天线(120)包括电容性地耦合到主天线(126)的寄生天线(128)，其中把所述匹配网络(130)连接到所述接地端口(124)包括把该匹配网络(130)连接到该寄生天线(128)的寄生接地端口(124)。

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