CN101273493B

CN101273493B - 多频带pifa

Info

Publication number: CN101273493B
Application number: CN2006800353717A
Authority: CN
Inventors: M·奥兹卡
Original assignee: Sony Ericsson Mobile Communications AB
Current assignee: Sony Mobile Communications AB
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-05-08
Also published as: JP5002598B2; JP2009510901A; WO2007040639A1; EP1932214B1; EP1932214A1; CN101273493A; US20070069956A1; US7324054B2

Abstract

本文所述的方法和装置改进了多频带天线(100)的阻抗匹配。具体来说，多频带天线(100)包括通过馈电和接地单元(116，118)从天线接地平面(132)垂直移位的辐射单元(110)以及插入在馈电与接地单元(116，118)之间的寄生单元(120)。当多频带天线(100)操作在第一频带时，选择电路(140)将寄生单元(120)连接到接地平面(132)，以将接地单元(118)和馈电单元(116)进行电容耦合。但是，当多频带天线(100)操作在第二频带时，选择电路(140)禁止电容耦合。通过仅当多频带天线(100)操作在第一频带时才应用电容耦合，本发明改进了第一频带中的天线(100)的性能，而不会不利地影响第二频带中的天线(100)的性能。

Description

多频带PIFA

技术领域

一般来说，本发明涉及无线通信天线，更具体来说，涉及无线通信装置的多频带天线。

背景技术

无线通信装置通常使用多频带天线来发送和接收例如先进移动电话系统(AMPS)、个人通信服务(PCS)、个人数字蜂窝(PDC)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)等多个无线通信频带中的无线信号。由于它的小尺寸和多频带性能，平面倒F天线(PIFA)代表无线通信装置的通用多频带天线。PIFA通常包括与天线接地平面分开的辐射单元。由于辐射单元与接地平面之间的间距影响与多频带天线关联的阻抗匹配，因此，PIFA通常包括优化天线预期频率范围的阻抗匹配的附加阻抗匹配电路。但是，由于多频带PIFA覆盖的频率范围大，阻抗匹配仅对于频带的一部分是真正最佳的。因此，天线对于至少另一个频带没有最佳阻抗匹配。

修改阻抗匹配以改进天线性能的寄生单元是已知的。然而，虽然寄生单元可以改进无线通信频带之一的天线性能，但寄生单元通常不利地影响其它无线通信频带中天线的性能。

发明内容

根据本发明的多频带天线包括通过天线馈电单元和天线接地单元从天线接地平面垂直移位的辐射单元。此外，多频带天线包括可操作地连接到辐射单元并插入在馈电单元与接地单元之间的寄生单元。当多频带天线操作在第一频带时，选择电路将寄生单元连接到接地平面，从而将馈电单元与接地单元进行电容耦合。这种电容耦合改进了多频带天线的阻抗匹配，因此改进了第一频带中的多频带天线的性能。当多频带天线操作在第二频带时，选择电路断开寄生单元与接地平面的连接，从而禁止电容耦合。通过有选择地应用电容耦合，仅当天线操作在第一频带时，寄生单元才改变阻抗匹配，因而当天线操作在第二频带时，不会不利地影响阻抗匹配。

根据本发明，选择电路可包括开关，以根据多频带天线的工作频率将寄生单元与接地平面连接和断开。根据另一个实施例，选择电路可包括滤波器，其中滤波器响应第一频带中的频率而具有低阻抗，并响应第二频带中的频率而具有高阻抗。

附图说明

图1说明根据本发明的无线通信装置的框图。

图2说明根据本发明一个实施例的示范天线。

图3说明图2的示范天线的框图。

图4说明图2和图3的天线的理想反射对频率曲线。

图5说明图2和图3的天线的理想史密斯圆图。

图6说明根据本发明另一个实施例的示范天线的框图。

具体实施方式

图1说明示范无线通信装置10的框图。无线通信装置10包括控制器20、存储器30、用户界面40、收发器50和多频带天线100。控制器20响应存储器30中存储的程序以及由用户经由用户界面40提供的指令来控制无线通信装置10的操作。收发器50使用天线100将无线通信装置10与无线网络接口。要理解，收发器50可按照任何已知无线通信标准中的一个或多个进行操作，例如码分多址(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(PDC)、先进移动电话系统(AMPS)、个人通信装置(PCS)、宽带CDMA(WCDMA)等。

多频带天线100按照上述无线通信标准中的一个或多个发送和接收信号。为了便于说明，下面在低频无线通信频带和高频无线通信频带方面来描述天线100。示范低频无线通信频带包括AMPS频带(850MHz)和/或GSM低频带(900MHz)。示范高频无线通信频带包括GSM高频带(1800MHz)和/或PCS频带(1900MHz)。但是，要理解，天线100可设计成覆盖附加或备选的无线通信频带。

图2和图3说明根据本发明一个示范实施例的多频带天线100。示范多频带天线100包括平面倒F天线(PIFA)。但是，本发明也适用于其它类型的天线，例如在与本申请同时提交的、题为“多频带弯曲单极天线”(代理人档案号2002-199)的同时待审的申请中描述的弯曲单极天线。该申请通过引用结合于此。

天线100包括通过RF馈电单元116和接地单元118与印刷电路板(PCB)的接地平面132垂直分开的辐射单元110，其中馈电单元116将辐射单元110电连接到RF源117。根据一个示范实施例，馈电单元116和接地单元118将辐射单元110定位成距离PCB 130大约7mm。辐射单元110经由馈电单元116在例如低频和高频无线通信频带等的一个或多个频带发送由RF源117所提供的无线通信信号。此外，辐射单元110接收在一个或多个频带发送的无线通信信号，并经由馈电单元116将所接收的信号提供给收发器50。

根据本发明的一个实施例，辐射单元110包括低频辐射单元112和高频辐射单元114。辐射单元110可包括任何已知的配置。一个示范辐射单元110具有高频辐射单元114和低频辐射单元112，其中高频辐射单元114的长度为29mm、宽度为3mm，并且离接地单元118偏移大约17mm，而低频辐射单元112的长度约为35mm、宽度为11mm。如图2所示，虽然低频辐射单元112至少部分与PCB 130的一部分重叠，但是高频辐射单元114一般延伸到PCB 130的边缘以外。

辐射单元110与接地平面132之间的垂直距离以及RF馈电单元116与接地单元118之间的水平距离影响天线100的阻抗匹配。因此，为了便于本发明的选择性阻抗匹配，多频带天线100可包括连接到辐射单元110的寄生单元120以及有选择地将寄生单元120连接到接地平面132的选择电路140。寄生单元120插入在馈电单元116与接地单元118之间，并且一般设置在与馈电单元116和接地单元118相同的平面中。由于寄生单元120相对于馈电和接地单元116、118的定向及定位，当选择电路140将寄生单元120连接到接地平面132时，在馈电单元116、接地单元118和寄生单元120之间发生电磁交互作用。这种电磁交互作用使寄生单元120将馈电单元116与接地单元118进行电容耦合。这种电容耦合有效地移动辐射单元110与接地平面132之间的馈电点，这改变了天线100的整体阻抗匹配。虽然寄生电容120可设计成改进一个频带、即低频带中的天线100的阻抗匹配，但是，寄生单元120的设计一般会不利地影响另一个频带、即高频带中的天线的阻抗匹配。当天线100操作在高频带时通过使寄生单元120与接地平面132断开，选择电路140去除电容耦合，以便启动高频带的正常天线操作。换言之，选择电路140通过有选择地控制馈电与接地单元116与118之间的电容耦合，有选择地控制天线100的阻抗匹配。

选择电路140通过有选择地控制寄生单元120与接地平面132之间的连接，有选择地控制电容耦合。选择电路140可使用如下任何方式来控制寄生单元120与接地平面132之间的连接：当天线100操作在一个频带、如低频带时，在寄生单元120与接地平面132之间形成低阻抗连接；而当天线100操作在另一个频带、如高频带时，在寄生单元120与接地平面132之间形成高阻抗连接。在一个示范实施例中，选择电路140可包括由控制器20控制的开关140。闭合开关140在寄生单元120与接地平面132之间形成短路(低阻抗连接)，而打开开关140在寄生单元120与接地平面132之间形成开路(高阻抗连接)。

根据另一个示范实施例，选择电路140可包括滤波器140。通过将滤波器140设计成在低频具有低阻抗而在高频具有高阻抗，仅当天线100操作在低频带时，滤波器140才有选择地将寄生单元120连接到接地平面132。根据一个示范实施例，滤波器140可包括与寄生单元120串联的电感器，其中电感的范围在5nH与15nH之间、优选地大约为10nH。

图4示出作为频率函数的天线100的反射系数，而图5以史密斯圆图格式示出相对于归一化负载阻抗的反射系数。所示反射信息由电磁模拟器、如Zealand IE3D产生，其中用于模拟的选择电路140包括10nH滤波器140。由于图4和图5中的数据表示模拟数据，所以绘制的反射信息表示天线的理想反射系数，而没考虑介电/导体损失。然而，这种反射信息准确地表示了电容耦合对天线的相对阻抗匹配的影响。

图4中的曲线60示出当寄生单元120没有连接到接地平面132时天线100相对于频率的反射系数，而图5中的曲线62示出相对于归一化负载阻抗(50Ω)的这些同样的反射系数。图4中的曲线70说明当寄生单元120连接到接地平面132时相对于频率的反射系数，而曲线72说明相对于归一化负载阻抗的这些同样的反射系数。最后，图4中的曲线80说明当选择电路140对于低频将寄生单元120连接到接地平面132、但对于高频将寄生单元120与接地平面132断开时相对于频率的反射系数。图5中的曲线82说明相对于归一化负载阻抗的这些同样的反射系数。

如反射曲线70和72所示，使用寄生单元120将馈电单元116与接地单元118进行电容耦合，当天线100操作在低频带时改进了阻抗匹配，但当天线100操作在高频带时使阻抗匹配降级了。但是，当寄生单元120有选择地在低频操作期间连接并在高频操作期间断开时，寄生单元120对于低频带改进了阻抗匹配，而一般对于高频带保持阻抗匹配，如曲线80和82所示。

如上所述，图4和图5示出在10nH滤波器用作选择电路140时的天线性能。虽然附图没有包括开关实现的模拟数据，但是，本领域的技术人员会理解，当选择电路140包括开关140时，所得的曲线对于低频操作将遵循曲线70和72，而对于高频操作，所得的曲线将遵循曲线60和62。

以上所述的示范实施例对于低频改进了天线100的阻抗匹配，而对于高频则不会不利地影响天线100的阻抗匹配。但是应该理解，本发明不限于此。例如，寄生单元120可设计成当天线100操作在高频带时改进天线100的阻抗匹配。在这个实施例中，选择电路140设计和/或控制成，当天线100操作在高频带时将寄生单元120连接到接地平面132，而当天线100操作在低频带时将寄生单元120与接地平面132断开。

此外，要理解，天线100还可包括低频带寄生单元120和高频带寄生单元122，如图6所示。根据这个实施例，当天线100操作在低频带时，选择电路140将低频带寄生单元120连接到接地平面132，同时选择电路142将高频带寄生单元122与接地平面132断开。这在低频带操作期间改进了天线100的阻抗匹配。当天线100操作在高频带时，选择电路142将高频带寄生单元122连接到接地平面132，同时选择电路140将低频带寄生单元120与接地平面132断开。这在高频带操作期间改进了天线100的阻抗匹配。

另外，虽然图6图解了天线100的不同的接地单元118，但本领域的技术人员会理解，所示天线100可不包含接地单元118。在这个实施例中，连接到接地平面132的寄生单元120、122用作接地单元。例如，当天线100操作在低频带时，选择电路140将低频带寄生单元120连接到接地平面132，同时选择电路142将高频带寄生单元122与接地平面132断开，其中低频带寄生单元120用作天线100的接地单元。当天线操作在高频带时，选择电路142将高频带寄生单元122连接到接地平面132，同时选择电路140将低频带寄生单元120与接地平面132断开，其中高频带寄生单元122用作天线100的接地单元。

本发明的寄生单元120有选择地改进与小型多频带天线100的至少一个频带关联的阻抗匹配，而不会不利地影响与其余频带关联的阻抗匹配。因此，本发明的寄生单元120改进了无线通信装置10中使用的多频带天线100的性能。

本发明当然可通过不同于本文具体阐述的其它方式来执行，并不背离本发明的基本特征。目前的实施例在所有方面被认为是说明性而不是限制性的，并且落入所附权利要求书的含意和等效范围内的所有改变都要包含在其中。

Claims

1.一种用于改进多频带天线的性能的方法，所述多频带天线包括通过天线接地单元以及天线馈电单元从天线接地平面垂直移位的辐射单元，所述方法包括：

将连接到所述辐射单元的寄生单元插入在所述接地单元与所述馈电单元之间；

将滤波器设置在所述寄生单元与所述接地平面之间，其中所述滤波器响应第一频带中的频率而具有低阻抗，并响应第二频带中的频率而具有高阻抗；

其中当所述多频带天线操作在第一频带时，所述滤波器将所述寄生单元电连接到所述接地平面，从而将所述接地单元与所述馈电单元进行电容耦合；以及

其中当所述多频带天线操作在第二频带时，所述滤波器禁止所述电容耦合。

2.如权利要求1所述的方法，其中第一和第二频带其中之一包括低频无线通信频带，而第一和第二频带中的另一个包括高频无线通信频带。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述低频无线通信频带包括可操作在全球定位系统、个人数字蜂窝、码分多址、先进移动电话系统和全球移动通信系统中至少一个的低频无线通信频带，并且其中所述高频无线通信频带包括可操作在个人通信服务、码分多址、全球定位系统和全球移动通信系统中至少一个的高频无线通信频带。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述多频带天线包括平面倒F天线。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

当所述多频带天线操作在第二频带时，使用第二寄生单元将所述接地单元与所述馈电单元进行电容耦合；以及

当所述多频带天线操作在第一频带时，禁止第二寄生单元引起的所述电容耦合。

6.如权利要求5所述的方法，其中使用第二寄生单元将所述接地单元与所述馈电单元进行电容耦合包括：当所述多频带天线操作在第二频带时，将第二寄生单元用作所述接地单元，而当所述多频带天线操作在第一频带时，将所述寄生单元用作所述接地单元。

7.一种用于无线通信装置的多频带天线，包括：

辐射单元，通过天线馈电单元以及天线接地单元从天线接地平面垂直移位；

寄生单元，可操作地连接到所述辐射单元，并插入在所述接地单元与所述馈电单元之间；以及

选择电路，包括可操作地连接在所述寄生单元与所述接地平面之间的滤波器，其中所述滤波器配置成：当所述多频带天线操作在第一频带时，将所述寄生单元连接到所述接地平面，从而启动所述馈电单元与所述接地单元之间的电容耦合，而当所述多频带天线操作在第二频带时，将所述寄生单元与所述接地平面断开，从而禁止所述电容耦合。

8.如权利要求7所述的多频带天线，其中当所述多频带天线操作在第一频带时所述滤波器具有低阻抗，而当所述多频带天线操作在第二频带时所述滤波器具有高阻抗。

9.如权利要求7所述的多频带天线，其中第一和第二频带其中之一包括低频无线通信频带，而第一和第二频带中的另一个包括高频无线通信频带。

10.如权利要求9所述的多频带天线，其中所述低频无线通信频带包括可操作在全球定位系统、个人数字蜂窝、码分多址、先进移动电话系统和全球移动通信系统中至少一个的低频无线通信频带，而所述高频无线通信频带包括可操作在个人通信服务、码分多址、全球定位系统和全球移动通信系统中至少一个的高频无线通信频带。

11.如权利要求7所述的多频带天线，其中所述寄生单元在与所述接地单元相同的平面。

12.如权利要求7所述的多频带天线，其中所述寄生单元垂直于所述辐射单元。

13.如权利要求7所述的多频带天线，其中所述寄生单元平行于所述接地单元。

14.如权利要求7所述的多频带天线，还包括：

第二寄生单元，可操作地连接到所述辐射单元，并插入在所述馈电单元与所述接地单元之间；以及

第二选择电路，可操作地连接到第二寄生单元，其中第二选择电路配置成：当所述多频带天线操作在第二频带时，将第二寄生单元连接到所述接地平面，从而启动所述馈电单元与所述接地单元之间的电容耦合，而当所述多频带天线操作在第一频带时，将第二寄生单元与所述接地平面断开，从而禁止第二寄生单元引起的所述电容耦合。

15.如权利要求14所述的多频带天线，其中当所述多频带天线操作在第二频带时第二寄生单元用作所述接地单元，而当所述多频带天线操作在第一频带时所述寄生单元用作所述接地单元。

16.如权利要求7所述的多频带天线，其中所述多频带天线包括平面倒F天线。

17.一种无线通信装置，包括：

收发器，配置成通过无线网络发送和接收无线信号；

多频带天线，可操作地连接到所述收发器，包括：

18.如权利要求17所述的无线通信装置，其中当所述多频带天线操作在第一频带时所述滤波器具有低阻抗，而当所述多频带天线操作在第二频带时所述滤波器具有高阻抗。

19.如权利要求17所述的无线通信装置，其中第一和第二频带其中之一包括低频无线通信频带，而第一和第二频带中的另一个包括高频无线通信频带。

20.如权利要求19所述的无线通信装置，其中所述低频无线通信频带包括可操作在全球定位系统、个人数字蜂窝、码分多址、先进移动电话系统和全球移动通信系统中至少一个的低频无线通信频带，而所述高频无线通信频带包括可操作在个人通信服务、码分多址、全球定位系统和全球移动通信系统中至少一个的高频无线通信频带。

21.如权利要求17所述的无线通信装置，其中所述多频带天线还包括：

22.如权利要求21所述的无线通信装置，其中当所述多频带天线操作在第二频带时第二寄生单元用作所述接地单元，而当所述多频带天线操作在第一频带时所述寄生单元用作所述接地单元。

23.如权利要求17所述的无线通信装置，其中所述多频带天线包括平面倒F天线。