CN101273492A - 多频带曲折型单极天线 - Google Patents

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Abstract

本文描述的方法和设备改进了多频带天线(100)选定频带的带宽。具体而言，选择电路(140)选择性地将电容耦合应用到多频带天线(100)以改进第一频带的带宽而不会对第二频带的带宽造成不利影响。为此，本发明的多频带天线(100)包括主天线元件(110)和布置在主天线元件(110)附近的寄生元件(120)。多频带天线(100)在第一频带操作时，主天线元件(110)电容耦合到寄生元件(120)。然而，在多频带天线(100)在第二频带操作时，选择电路(140)禁用电容耦合。通过仅在多频带天线(100)在第一频带操作时应用电容耦合，本发明增大了第一频带的带宽，而不会对第二频带的带宽造成不利影响。

Description

多频带曲折型单极天线
技术领域
本发明一般涉及无线通信天线，并且更具体地说，涉及用于无线通信装置的多频带天线。
背景技术
无线通信装置一般使用多频带天线在多个无线通信频带发射和接收无线信号，如高级移动电话系统(AMPS)、个人通信服务(PCS)、个人数字蜂窝系统(PDC)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)等。曲折型单极天线表示普通的多频带天线。虽然曲折型单极天线一般没有足够的带宽覆盖所有需要的无线通信频带，但小巧的外形和多频带设计使它们成了小巧的无线通信装置的理想选择。
改进天线性能的寄生元件也为人所熟知。应用到多频带天线时，寄生元件一般只改进在无线通信频带之一的性能，但在其它无线通信频带中不利地影响了天线性能。
发明内容
本发明涉及用于无线通信装置的多频带天线。多频带天线包括主天线元件和寄生元件。天线在第一频带操作时，选择电路将寄生元件连接到接地以将主天线元件电容耦合到寄生元件。此电容耦合增大了第一频带的带宽。天线在第二频带操作时，选择电路禁用电容耦合。通过仅在天线在第一频带操作时应用电容耦合，增大了第一频带的带宽，而不会对第二频带的性能造成不利影响。
根据本发明，天线在第一频带操作时，在寄生元件与天线接地之间的低阻抗连接启用在寄生元件与主天线元件之间的电容耦合。天线在第二频带操作时，寄生元件与天线接地之间的高阻抗连接禁用电容耦合。天线可使用诸如开关等选择电路生成所需的高和低阻抗连接。根据另一实施例，选择电路可包括滤波器，其中，滤波器响应在第一频带的频率而具有低阻抗，并且响应在第二频带的频率而具有高阻抗。
附图说明
图1显示根据本发明的无线通信装置方框图。
图2示出根据本发明一个实施例的示范天线。
图3示出图2示范天线的方框图。
图4示出图2和图3天线的效率与频率曲线。
图5示出图2和图3天线的另一效率与频率曲线。
图6显示根据本发明另一实施例的示范无线方框图。
具体实施方式
图1示出示范无线通信装置10的方框图。无线通信装置10包括控制器20、存储器30、用户接口40、收发器50及多频带天线100。控制器20响应存储器30中存储的程序和用户经用户接口40提供的指令，控制无线通信装置10的操作。收发器50使用天线100连接无线通信装置10和无线网络。将理解，收发器50可根据一个或多个任何已知无线通信标准操作，如码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、全球移动通信系统(GSM)、全球定位系统(GPS)、个人数字蜂窝系统(PDC)、高级移动电话系统(AMPS)、个人通信服务(PCS)、宽带CDMA(WCDMA)等。
多频带天线100根据一个或多个上述无线通信标准发射和接收信号。为便于说明，下面根据低频无线通信频带和高频无线通信频带描述天线100。示例低频无线通信频带包括AMPS频带(850MHz)和/或GSM低频带(900MHz)。示例高频无线通信频带包括GSM高频带(1800MHz)和/或PCS频带(1900MHz)。但是，将理解，天线100可设计为覆盖另外或备选的无线通信频带。
图2和图3示出根据本发明一个示范实施例的多频带天线100。示例多频带天线100包括曲折型单极天线。但是，本发明也适用于其它类型的天线，如在与本申请同时提出，题为“多频带PIFA”(Multi-band PIFA)(代理人案号2002-204)的共同待定申请中所述的平面倒F天线(PIFA)。此申请通过引用结合于本文。
天线100包括主天线元件110、寄生元件120和选择电路140。主天线元件110在低和高无线通信频带发射和接收无线通信信号。天线100在低频带操作时，选择电路140选择性地将寄生元件120耦合到印刷电路板(PCB)130的接地132，以选择性地启用在寄生元件120与主天线元件110之间的电容耦合。另外，天线100在高频带操作时，选择电路140选择性地禁用电容耦合。因此，选择电路140控制寄生元件120与主天线元件110之间的电容耦合。
主天线元件110包括通过RF馈线114从天线接地132加大仰角的辐射元件112，其中，RF馈线114将辐射元件112电连接到收发器50。辐射元件112经RF馈线114，在收发器50提供的一个或多个频带中发射无线通信信号。此外，辐射元件112经RF馈线114接收在一个或多个频带发射的无线通信信号，并将已接收信号提供到收发器50。根据本发明一个实施例，辐射元件112包括连接到RF馈线114的馈入端116和末端118，其中，馈入端116和末端118在辐射元件112的相反端。如图2所示，辐射元件112沿辐射元件112的长度弯曲以生成曲折型单极形状。根据一个示范实施例，辐射元件112为40毫米长，12毫米宽，其中，末端116为32毫米长，并且RF馈线114将辐射元件112定位为离PCB 130大约7毫米。
寄生元件120一般与辐射元件112布置在同一平面，并且沿着末端118以便寄生元件120一般与末端118并行运行。由于寄生元件120相对于末端118的定向和位置，选择电路140将寄生元件120连接到接地132时，在末端118与寄生元件120之间会发生电磁交互。此电磁交互使寄生元件120电容耦合到辐射元件112。通常，此电容耦合增大低频带的带宽，但对在高频带的操作有不利地影响。通过天线100在高频带操作时断开寄生元件120与接地132的连接，选择电路140消除了电容耦合在高频带的负面影响。
选择电路140通过控制寄生元件120与天线接地132之间的连接，控制在寄生元件120与辐射元件112之间的电容耦合。选择电路140可使用任何方式，在天线100在低频带操作时在寄生元件120与接地132之间形成低阻抗连接以及在天线100在高频带操作时在寄生元件120与接地132之间形成高阻抗连接，从而控制寄生元件120与接地132之间的连接。在一个示范实施例中，选择电路140可包括控制器20控制的开关。闭合开关140在寄生元件120与接地132之间形成短路(低阻抗连接)，而打开开关140在寄生元件120与接地132之间形成开路(高阻抗连接)。
根据另一示范实施例，选择电路140可包括频率相关集总元件电路，如滤波器140。通过设计滤波器140在低频率具有低阻抗，并在高频率具有高阻抗，滤波器140仅在天线100在低频带操作时选择性地将寄生元件120连接到接地132。根据一个示范实施例，选择电路140可包括与寄生元件120串连的电感，其中，电感范围在6.8nH与22nH之间。
图4和图5示出随频率变化的天线100效率。这些图中所示的效率曲线表示由诸如Zealand IE3D等电磁模拟器生成的模拟效率。因此，这些效率曲线表示天线的理想效率，并未考虑介电/导体损失或不匹配损失。无论如何，这些效率曲线准确地表示了在天线带宽和相对效率方面电容耦合的影响。图4和图5中效率曲线60示出寄生元件120未电容耦合到辐射元件112时天线100的效率响应。效率曲线60显示，低频带具有大约0.75GHz的带宽和至少96％的效率，最高效率为99％。此外，效率曲线60显示超过1.2GHz的高频带具有至少96％的效率，最高效率为99.5％。
通过在寄生元件120与辐射元件112之间应用电容耦合，天线100增大了在辐射元件112内的场存储，这又增大了低频带的带宽。由于带宽与效率成反比，因此，增大带宽必然降低效率。对于在低频带的频率，这种效率下降相对于大量的带宽增大是极微的。但是，对于高频带的频率，效率损失会相当大。图4和图5中的效率曲线70示出了这些影响。如效率曲线70所示，将寄生元件120电容耦合到辐射元件112将低频带的最高效率降到98.5％，但将具有至少96％效率的低频带宽拓宽到大约1.25GHz。但是，效率曲线70也示出高频带宽和效率的严重降低。
本发明通过天线100仅在低频带操作时选择性地应用电容耦合，天线100在高频带操作时禁用电容耦合而解决了此问题。图4的效率曲线80示出当选择电路140包括开关140时的天线100效率，而图5的效率曲线90示出当选择电路140包括滤波器140时的天线100效率。任一情况下，选择电路140在寄生元件120与天线接地132之间生成低阻抗连接时，效率曲线80和90如同曲线70。但是，选择电路140在寄生元件120与天线接地132之间生成高阻抗连接时，效率曲线80和90如同曲线60。因此，低频带将具有至少96％效率的频带增大到介于0.8与0.9GHz之间，而高频带在超过1.2GHz保持了具有至少96％效率的带宽。
如图4所示，开关140在大约1.7GHz迅速禁用电容耦合。与此相反，如图5所示，滤波器140在阻抗接近1.7GHz时逐渐禁用电容耦合。虽然所示示例显示在1.7GHz电容耦合的中断频率，但本领域的技术人员将理解，天线100可设计为在任何频率中断电容耦合。
寄生元件120与辐射元件112之间的电容耦合可使低频带共振频率发生轻微的移动。为校正此移动，RF馈线114可包括调谐天线100以将共振频率重新定位到电容耦合前共振频率的匹配电路。将理解，匹配电路也可修改以将共振频率移到任何所需频率。
上述示范实施例增大了低频带的带宽而不会对高频带的带宽造成不利影响。但是，将理解，本发明并不受限制。例如，寄生元件120可设计为增大高频带的带宽。在此实施例中，选择电路140将设计和/或控制为在天线100在高频带操作时启用寄生元件120与辐射元件112之间的电容耦合，并在天线100在低频带操作时禁用电容耦合。
此外，将理解，如图6所示，天线100可包括低频带寄生元件120和高频带寄生元件122。根据此实施例，选择电路140通过将低频带寄生元件120连接到接地而启用低频带电容耦合，而选择电路142在低频带操作期间断开高频带寄生元件122与接地的连接。这在天线100在低频带操作时增大了低频带宽。天线100在高频带操作时，选择电路142将高频带寄生元件122连接到接地132，而选择电路140断开低频带寄生元件120与接地的连接。这在天线100在高频带操作时增大了高频带宽。
本发明提高了小巧的多频带天线100至少一个频带的带宽，而不会对剩余频带的带宽造成负面影响。因此，本发明的多频带天线100可与更广范围的无线通信标准一起使用和/或在更广范围的无线通信装置10中使用。
当然，在不脱离本发明基本特征的情况下，本发明可以不同于本文具体所述那些方式外的其它方式实现。所示实施例在所有方面均要视为说明而不是限制，并且在随附权利要求书意义和等同物范围内的所有更改要涵盖在其中。

Claims (31)

1.一种增大多频带天线(100)带宽的方法，包括：
在所述多频带天线(100)在第一频带操作时将主天线元件(110)电容耦合到布置在所述主天线元件(110)附近的寄生元件(120)，以增大所述第一频带的带宽；以及
所述多频带天线(100)在所述第二频带操作时禁用所述电容耦合。
2.如权利要求1所述的方法，还包括通过所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时调整所述主天线元件(110)的阻抗，补偿所述电容耦合造成的共振频移以保持所述第一频带的共振频率。
3.如权利要求1所述的方法，其中将所述主天线元件(110)电容耦合到所述寄生元件(120)包括当所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时，在所述寄生元件(120)与一组所述主天线元件(110)之间生成低阻抗，以及其中禁用所述电容耦合包括所述多频带天线(100)在所述第二频带操作时，在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)组之间生成高阻抗。
4.如权利要求3所述的方法，其中生成所述低阻抗包括闭合开关(140)以在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)的接地(132)之间生成短路，以及其中生成所述高阻抗包括打开所述开关(140)以在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)的所述接地(132)之间生成开路。
5.如权利要求4所述的方法，其中在所述第一频带操作时生成所述低阻抗和在所述第二频带操作时生成所述高阻抗包括在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)的所述接地(132)之间布置滤波器(140)，以及所述滤波器(140)响应在所述第一频带的频率而具有低阻抗和响应在所述第二频带的频率而具有高阻抗。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二频带之一包括低频无线通信频带，以及其中所述第一和第二频带中的另一频带包括高频无线通信频带。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述低频带包括可在全球定位系统、个人数字蜂窝系统、码分多址、高级移动电话系统及全球移动通信系统至少之一中操作的低频带，以及所述高频带包括可在个人通信服务、码分多址、全球定位系统和全球移动通信系统至少之一中操作的高频带。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述主天线元件(110)包括曲折型单极多频带天线(110)。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述多频带天线(100)在所述第二频带操作时将所述主天线元件(110)电容耦合到布置在所述主天线元件(110)附近的第二寄生元件(122)，以增大所述第二频带的带宽；以及
在所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时禁用所述第二寄生元件(122)造成的所述电容耦合。
10.一种用于无线通信装置的多频带天线(100)，包括：
主天线元件(110)；
布置在一部分所述主天线元件(110)附近的寄生元件(120)；以及
操作连接到所述寄生元件(120)的选择电路(140)，其中所述选择电路(140)配置为所述多频带天线(100)在第一频带操作时在所述主天线元件(110)与所述寄生元件(120)之间启用电容耦合以增大所述第一频带的带宽，并且配置为所述多频带天线(100)在第二频带操作时禁用所述电容耦合。
11.如权利要求10所述的多频带天线(100)，还包括阻抗匹配电路(114)，配置为通过所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时调整所述主天线元件(110)的阻抗，补偿所述电容耦合造成的共振频移以保持所述第一频带的共振频率。
12.如权利要求10所述的多频带天线(100)，其中所述选择电路(140)包括在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)接地(132)之间操作连接的开关(140)。
13.如权利要求12所述的多频带天线(100)，其中所述开关(140)配置为所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时闭合以在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)所述接地(132)之间形成短路以启用所述电容耦合，以及所述开关(140)配置为所述多频带天线(100)在所述第二频带操作时打开以在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)所述接地(132)之间形成开路以禁用所述电容耦合。
14.如权利要求10所述的多频带天线(100)，其中所述选择电路(140)包括在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)接地之间操作连接的滤波器(140)。
15.如权利要求14所述的多频带天线(100)，其中所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时所述滤波器(140)具有低阻抗以启用所述电容耦合，以及其中所述多频带天线(100)在所述第二频带操作时所述滤波器(140)具有高阻抗以禁用所述电容耦合。
16.如权利要求10所述的多频带天线(100)，其中所述主天线元件(110)包括具有馈入端(116)和末端(118)的辐射元件(112)。
17.如权利要求16所述的多频带天线(100)，其中所述寄生元件(120)与所述辐射元件(112)在同一平面。
18.如权利要求16所述的多频带天线(100)，其中所述末端(118)的相对定向与所述馈入端(116)的相对定向垂直。
19.如权利要求18所述的多频带天线(100)，其中所述寄生元件(120)与所述辐射元件(112)的所述末端(118)平行。
20.如权利要求10所述的多频带天线(100)，其中所述第一和第二频带之一包括低频无线通信频带，以及其中所述第一和第二频带中的另一频带包括高频无线通信频带。
21.如权利要求20所述的多频带天线(100)，其中所述低频带包括可在全球定位系统、个人数字蜂窝系统、码分多址、高级移动电话系统及全球移动通信系统至少之一中操作的低频带，以及所述高频带包括可在个人通信服务、码分多址、全球定位系统和全球移动通信系统至少之一中操作的高频带。
22.如权利要求10所述的多频带天线(100)，还包括：
布置在一部分所述主天线元件(110)附近的第二寄生元件(122)；以及
操作连接到所述第二寄生元件(122)的第二选择电路(142)，其中所述第二选择电路(142)配置为所述多频带天线(100)在第二频带操作时在所述主天线元件(110)与所述第二寄生元件(122)之间启用电容耦合以增大所述第二频带的带宽，并且配置为所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时禁用所述第二寄生元件(122)造成的所述电容耦合。
23.如权利要求10所述的多频带天线(100)，其中所述主天线元件(110)包括曲折型单极多频带天线(110)。
24.一种无线通信装置(10)，包括：
配置为通过无线网络发射和接收无线信号的收发器(50)；
操作连接到所述收发器(50)的多频带天线(100)，包括：
主天线元件(110)；
布置在一部分所述主天线元件(110)附近的寄生元件(120)；以及
操作连接到所述寄生元件(120)的选择电路(140)，其中所述选择电路(140)配置为所述多频带天线(100)在第一频带操作时在所述主天线元件(110)与所述寄生元件(120)之间启用电容耦合以增大所述第一频带的带宽，并且配置为所述多频带天线(100)在第二频带操作时禁用所述电容耦合。
25.如权利要求24所述的无线通信装置(10)，其中所述多频带天线(100)还包括阻抗匹配电路(114)，配置为通过所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时调整所述主天线元件(110)的阻抗，补偿所述电容耦合造成的共振频移以保持所述第一频带的共振频率。
26.如权利要求24所述的无线通信装置(10)，其中所述选择电路(140)包括在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)接地(132)之间操作连接的开关(140)，其中所述开关(140)配置为所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时闭合以在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)所述接地(132)之间形成短路以启用所述电容耦合，以及其中所述开关(140)配置为所述多频带天线(100)在所述第二频带操作时打开以在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)所述接地(132)之间形成开路以禁用所述电容耦合。
27.如权利要求24所述的无线通信装置(10)，其中所述选择电路(140)包括在所述寄生元件(120)与所述主天线元件(110)接地(132)之间操作连接的滤波器(140)，其中所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时所述滤波器(140)具有低阻抗以启用所述电容耦合，以及其中所述多频带天线(100)在所述第二频带操作时所述滤波器(140)具有高阻抗以禁用所述电容耦合。
28.如权利要求24所述的无线通信装置(10)，其中所述第一和第二频带之一包括低频无线通信频带，以及其中所述第一和第二频带中的另一频带包括高频无线通信频带。
29.如权利要求28所述的无线通信装置(10)，其中所述低频带包括可在全球定位系统、个人数字蜂窝系统、码分多址、高级移动电话系统及全球移动通信系统至少之一中操作的低频带，以及所述高频带包括可在个人通信服务、码分多址、全球定位系统和全球移动通信系统至少之一中操作的高频带。
30.如权利要求24所述的无线通信装置(10)，其中所述多频带天线(100)还包括：
布置在一部分所述主天线元件(110)附近的第二寄生元件(122)；以及
操作连接到所述第二寄生元件(122)的第二选择电路(142)，其中所述第二选择电路(142)配置为所述多频带天线(100)在第二频带操作时在所述主天线元件(110)与所述第二寄生元件(122)之间启用电容耦合以增大所述第二频带的带宽，并且配置为所述多频带天线(100)在所述第一频带操作时禁用所述第二寄生元件(122)造成的所述电容耦合。
31.如权利要求24所述的无线通信装置(10)，其中所述主天线元件(110)包括曲折型单极多频带天线(110)。
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