CN101278437A

CN101278437A - 双谐振天线

Info

Publication number: CN101278437A
Application number: CNA2006800359643A
Authority: CN
Inventors: T·朗塔
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-10-01
Also published as: US20070069957A1; WO2007036774A1; US7242364B2; EP1938420A1

Abstract

一种宽带天线，包括串联谐振天线和谐振电路。该天线具有发射元件和馈电针。该谐振电路包括与馈电针连接的电感元件，以及与该电感元件并联连接的电容器，该电感器具有中央抽头，以用于相对于天线阻抗来调节谐振电路的阻抗。该天线可以是低阻抗PILA、螺旋式天线、单极天线、鞭状天线、短截线天线或环形天线。该宽带天线可用于低频带(1GHz范围)或高频带(2GHz范围)。可以使该天线以足够小的接地面就同时覆盖850和900频带，从而实现在移动电话或类似设备中。取决于天线元件的阻抗水平，中央抽头或者与天线的馈电连接，或者与RF前端连接。

Description

双谐振天线

技术领域

本发明一般涉及移动电话天线，并且更特别地涉及通过谐振电路增加其带宽的宽带天线。

背景技术

在移动电话中所使用的典型的50欧姆低带(850和900)平面倒F型天线(PIFA)具有单一的谐振，并因此具有大约50-60MHz的低带宽。标准PIFA实现无法同时覆盖850频带和900频带(总计所需带宽为136MHz，从824MHz到960MHz)。可以通过使用较长的接地面(ground plane)或较高的天线来增加可用带宽，但是在大多数情况下，接地面长度被限制为100mm，并且天线不应当高于5-6mm。在这种情况下，例如如果不使用负载切换，则得到用于850和900两者的足够带宽是不可能。在2GHz区域中，在标准PIFA实现中使用寄生元件以获得双谐振是可能的。然而，将寄生元件用于1GHz范围是不可行的，因为这需要相当大的寄生元件。

因此，提供在移动电话中使用的宽带天线以覆盖850频带和900频带两者、优选地覆盖从824MHz到960MHz的范围是有益的和期望的。

发明内容

本发明将具有阻抗水平变换属性的谐振电路与任意类型的串联谐振天线结合使用，从而创建具有用户可定义的阻抗性能(behavior)的宽带天线。因此，此后将该匹配网络称为抽头式(tapped)谐振器电路。天线可以是只具有单一馈电并且没有接地针的低阻抗平面倒L天线(PILA)。天线还可以是螺旋式天线、单极天线、鞭状天线、短截线天线或环形天线。实际上，天线可以是任意类型的，但是它需要在中心频率上具有串联谐振。如果天线的物理尺寸使天线不具有串联谐振，则可以将附加的电感器、电容器或传输线与天线串联使用，以便对天线进行电增长或缩短，从而在匹配电路所在的点处具有串联谐振。如果天线元件在串联谐振频率上的阻抗水平高于天线和匹配电路组合的期望阻抗水平，则可以将匹配电路拓扑“倒置”。这允许匹配网络与高阻抗或低阻抗天线元件相匹配，从而在不依赖于天线元件本身的阻抗水平的情况下具有期望的阻抗特性。将这样的匹配网络称为是具有阻抗变换属性的。匹配网络允许用户在不依赖于天线元件类型的情况下基本上自由地设计天线阻抗性能。而且，通过由匹配电路的谐振属性添加第二谐振，串联谐振天线元件的带宽理想地增加了大约2.8倍。

这种拓扑的限制是：与所示的简单拓扑结合使用的只能是天线元件的一个串联谐振。然而，可以通过将可调谐组件(例如，可调谐谐振器电容器)添加到匹配网络中来克服这个限制。在实践中，这意味着不能使用带宽由分离的串联谐振构成的双带(例如，1GHz频带和2GHz频带)天线元件。因此，移动电话的架构必须是使得针对1GHz(850和900频带)和2GHz(1800、1900和2100频带)范围使用分离的天线。此拓扑还适用于单频带天线，例如分离的WCDMA、WLAN或BT天线。

作为示例，可以使单个天线同时覆盖850和900频带两者，其接地面足够小，可以在移动电话或类似设备中实现。

附图说明

图1a示出了现有技术的平面倒F型天线(PIFA)。

图1b示出了史密斯圆图(Smith Chart)上绘制的PIFA的典型响应。

图2a是具有并联谐振网络的修改的PIFA的示意图。

图2b示出了史密斯圆图上绘制的修改的PIFA的典型响应。

图3示出了史密斯圆图上绘制的期望的双谐振响应。

图4a示出了本发明的实施方式。

图4b示出了本发明的另一种实施方式。

图5a示出了在史密斯圆图上绘制的图4a的天线的响应。

图5a示出了在史密斯圆图上绘制的图4b的天线的响应。

图6a示出了具有用于匹配的抽头式谐振器电路的修改的PILA。

图6b示出了具有用于匹配的不同抽头式谐振器电路的修改的环形天线。

图7示出了修改的PILA的另一种实施方式。

图8示出了修改的PILA的又一种实施方式。

图9a示出了其中发射器与携带匹配网络的电路板分离的修改的PILA。

图9b示出了其中发射器的部分位于携带匹配网络的电路板上的修改的PILA。

图10是移动终端的示意图。

具体实施方式

传统单谐振PIFA型天线(参见图1a)具有较低的固有带宽。图1b中示出了PIFA型天线的典型响应。如图2a所示，通过在PIFA的馈电点处添加并联的谐振网络来展宽单频率、单谐振PIFA型天线的带宽是可能的。然而，由于简单的谐振电路无法在串联谐振频率处对天线的阻抗水平进行变换，因此必须修改PIFA以使其在中心频率处具有大约20欧姆的实际阻抗。这意味着串联谐振(中心)频率上的匹配天线的阻抗与串联谐振频率上的天线元件本身的阻抗相同。这限制了将简单谐振电路在中心频率处的阻抗水平为中等(～20欧姆)的电线元件上的使用。图2b中示出了史密斯圆图上绘制的修改的PIFA的典型响应。图3中示出了期望的双谐振响应。

如果通过传统的并联谐振匹配网络来修改PIFA天线，则如图2a所示，串联谐振频率处的天线阻抗是由PIFA本身设定的。因此，必须将PIFA本身设计为在期望的中心频率处具有正确的实际阻抗。继而将并联谐振网络设计为具有与天线的期望中心频率大致相同的谐振频率。谐振电路的阻抗水平设定了史密斯圆图上交叉点的位置(图3中示为点B)。较大的电感器和较小的电容器一起将把交叉点B移动到较大环上的右侧。因此，在PIFA的情况下，一旦设计了天线元件本身，只能通过改变匹配网络组件的值来移动交叉点。点A(中心频率匹配)由天线固定。

设计具有阻抗变换属性的匹配网络将是有益的，这将使得在串联谐振频率处的天线元件的阻抗水平与天线和匹配网络组合的期望阻抗水平相比可以是任意的：或低(例如，5欧姆)、或中等(例如，20欧姆)、或高(例如，40欧姆)。如果此匹配网络能够将天线元件阻抗性能变换到设计者期望的某个范围内的任意值从而以给定输入阻抗性能提供最大带宽量，这也将是有益的。例如，史密斯圆图上的谐振环将总在期望的电压驻波比(VSWR)标准之内。

根据本发明，在图4a和图4b中示出了两个这样的匹配电路拓扑。基于串联谐振频率上天线元件本身的阻抗水平选择匹配网络拓扑。如果通过附加的串联组件(电感器、电容器、传输线)对天线元件进行电增长或缩短，则在新串联谐振频率处的阻抗水平确定匹配网络拓扑。

如图4a和图4b所示，匹配网络中的电感(L)、电容(C)以及抽头位置(Tap，0到1之间)由天线的Q值(Qant)、天线阻抗的电阻部分(Rant)、谐振频率(Fres)以及匹配标准(VSWR_A、VSWR_B)来确定。天线元件的Q值确定匹配天线的可获得带宽。在具有电学上较小天线的移动电话中，接地面尺寸也影响最大可获得带宽。在实践中，由于实际电容器较小的寄生串联电感，因此所需的电容值小于所计算的值(大约是其一半)。图5a和图5b中分别示出了具有根据图4a和图4b所示实施方式的抽头式谐振器匹配网络的天线的响应。

在根据本发明的抽头式谐振器匹配网络天线结构中，在匹配网络中增加了自由度。天线被设计为在期望的中心频率处具有串联谐振(天线长度近似等于四分之一波长)。还可以通过添加串联电感器、电容器或传输线来对天线元件进行电增长或缩短。在中心频率处的天线阻抗水平可以是任意的。根据本发明，通过匹配网络，无需将期望的中心频率处的天线阻抗设计为近似20欧姆。修改后的匹配网络除了形成谐振环之外还在中心频率处执行阻抗水平变换。现在，可以将匹配网络中所添加的自由度用于除了控制交叉点B的位置(图3中的点B)之外还控制中心频率处的阻抗的位置(图3中的点A)。这意味着可以通过改变匹配网络组件的值来完全地控制谐振环的形状和大小。

实现匹配网络的优选方式是使用如图4a和图4b所示的抽头式电感器，但是也可以将抽头式电感器实现为两个分离的电感器，因为电感器两部分的相互耦合是不重要的。该中央抽头式电感器例如可以由较短的PWB带线(strip)制成。对于1GHz，该电感器的典型值是2-3nH，对应于大约1×5mm的PWB带线片。可以将PWB带线实现为带状线或微带线。同样，可以使用中央抽头的位置来设置中间频带匹配(点A)。移动中央抽头靠近电感器的接地端(较大的阻抗)将使点A向右移动，反之亦然。电感器的总值设置交叉点B，但是必须相应地改变电容值。增加总电感(并同时减小电容值)使点B向右移动，反之亦然。

仅改变总电感或电容值将使交叉点围绕史密斯圆图的中心旋转。这提供了简单的方法来对天线阻抗进行微调。还有可能在匹配网络中使用可变电容器(变容二级管等等)而不是固定电容器，以便能够实时地对谐振环位置进行微调，以例如补偿手效应(hand effect)。

根据本发明，抽头式谐振器匹配网络天线结构适用于多种不同类型的天线。例如，天线可以是仅具有单一馈电并且没有接地针的甚低阻抗平面倒L型天线(PILA)。天线还可以是螺旋式天线、单极天线、鞭状天线、短截线天线或环形天线。实际上，天线可以是任意类型的，但是它需要在中心频率上具有串联谐振。图6a中示出了具有根据图4a的抽头式谐振电路的修改的PILA，图6b示出了具有根据图4b的抽头式谐振电路的修改的环形天线。如图6b所示，该环形天线在与抽头式谐振电路连接的一端具有馈电，在另一端具有接地针。

已经发现，在40×100mm的接地面上实现的、具有中央抽头式电感器和11pF电容器的四分之一波长PILA型天线(H＝5mm，带线宽度＝5mm，带线长度＝70mm)具有覆盖844MHz到990MHz的、大约146MHz的带宽(＞-4dB的效率)。中央抽头式电感器被实现为一片1.3×4.3mm的印刷线路板(PWB)带线。电容器与同轴电缆一起焊接在电感器的“开放”端处。天线的馈电针近似焊接在PWB带线电感器的中央。

应当注意，图6中所示的匹配网络也可以与用于850和900频带的缩短的(＜λ/4)PILA型天线(在40×100mm接地面上实现的，H＝5mm，带线宽度＝5mm，并且带线长度＝50mm)结合使用。可以通过添加表面安装式电感器来补偿小于λ/4的PILA长度，这还增加了带宽。中央抽头式电感器可由1.0×5.0mm的PWB带线片制成。已经发现，这种缩短的PILA可以具有180MHz的带宽(＞-4dB的效率)，覆盖810MHz到990MHz。图7a中示出了该缩短的PILA。

可将如图8所示的具有三角形发射元件的PILA型天线(在40×100mm的接地面上实现的，H＝5mm的20×20mm三角形)用于1800、1900和2100频带。中央抽头式电感器可由2.0×5.0mm的PWB带线片制成。该三角形λ/4PILA的带宽大约为460MHz(＞-2dB的效率)，覆盖1800到2260MHz。

还可以将图4a和图4b中所示的匹配网络使用在非平面天线上。一种可能性是ILA型天线，其中，PILA的平面结构被接地面之上的四分之一波长的电线片取代。另一种可能性是单极型螺旋式天线，其中天线完全位于接地面之外。还可以使用鞭状天线或短截线天线。实际上，可以将任何的任意金属片用作天线，只要它在期望的中心频率处具有串联谐振、它足够好地发射并提供适当的SAR值。可以通过添加串联电感器、电容器或传输线来对天线元件进行电增长或缩短。这意味着天线元件的天然串联谐振可以略高于或略低于期望的中心频率。

在图4a所示的匹配布置中，应当将天线元件设计为在期望频率处具有5-20欧姆的实际阻抗。然而，当如图4b所示那样对匹配组件进行不同布置时，天线的实际阻抗可以高得多。例如，可以将天线设计为具有30到45欧姆范围内的实际阻抗。如图4b所示，电容器和电感器也是并联连接的，但是该并联连接与天线串联连接。电感器的中央抽头与具有负载阻抗的RF前端连接，从而使匹配可由中央抽头调节。如果天线元件在串联谐振频率上具有天然阻抗使得无需阻抗水平变换，则无需中央抽头，并且匹配网络拓扑简化为传统的并联谐振LC电路。

存在若干种实现匹配网络的方法。使用全部表面安装设备(SMD)组件或低温共烧陶瓷(LTCC)组件是可能的。然而，作为谐振线圈的主板上的PWB带线片是一种比较容易实现的方法。尺寸为1mm×5mm的PWB带线具有实现用于850和900频带PILA天线的匹配网络的适当电感。通过两个SMD电感器来实现抽头式电感器是可能的，但是控制误差将是非常具有挑战性的。在所需电感很小时，还有可能将电感器实现为一段电线。

此外，如图9a所示，天线的发射器无需与携带匹配网络的电路板分离。如图9b所示，天线的一部分可以是电路板上的带线。因此，电路板上的带线可以作为发射器的一部分，或者起到串行传输线或线圈的作用，以便缩短天线元件。在图9a和图9b中，匹配网络与布置在同一电路板上的RF前端电连接。匹配网络可以具有安装在电路板上的多个离散组件。该离散组件可以在芯片中实现。可选地，可以将匹配网络中的组件(电容器、线圈、带线)集成到不同的衬底材料中，例如具有低损耗的低温共烧陶瓷(LTCC)材料。例如，LTCC模块可以是2mm×2mm，该模块上具有带有抽头和电容器的带线。

图10是具有图9a和图9b所示的宽带天线的移动电话的示意图。

还可以看到，使用本发明中示出的谐振匹配电路的天线的输入阻抗在一定程度上对手效应较不敏感。由于第二谐振由匹配电路固定、而不是像传统双谐振PIFA天线中一样由天线本身固定，因此可以对由手或手指引起的天线的失谐(de-tuning)进行较多的控制。

因此，尽管已经关于其一个或多个实施方式描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，可以在不背离本发明范围的情况下在其形式和细节上进行上述和各种其它改变、省略和偏离。

Claims

1.一种用于与接地面结合使用的宽带天线，所述天线具有天线阻抗，包括：

发射元件；

与所述发射元件电连接的馈电针；以及

与所述接地面电连接的匹配网络，其中，所述匹配网络包括：

与所述馈电针电连接的电感元件；以及

与所述电感元件并联连接的电容器，其中，所述电感元件具有用于相对于所述天线阻抗来调节所述匹配网络阻抗的中央抽头。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈电针具有第一端和第二端，所述第一端与所述发射元件电连接，所述第二端与所述电感元件的所述中央抽头电连接。

3.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线可操作地连接至前端，并且其中，所述匹配网络与所述馈电针串联连接，并且所述电感元件的所述中央抽头与所述前端连接。

4.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线具有中央频率，并且所述发射元件包括导电材料的平面带线，所述带线具有与所述接地面基本上平行的表面。

5.根据权利要求4所述的天线，其中，所述带线的长度基本上等于与所述中心频率相关联的波长的四分之一。

6.根据权利要求4所述的天线，其中，所述带线的长度小于与所述中心频率相关联的波长的四分之一，所述天线还包括：

布置在所述中央抽头和所述馈电针的所述第二端之间的另外的电感元件。

7.根据权利要求1所述的天线，其中，所述发射元件包括导电材料的三角形带线，所述带线的表面基本上平行于所述接地面。

8.根据权利要求1所述的天线，其中，所述匹配网络被布置在电路板上，并且其中，所述发射元件包括导电材料的带线，并且所述带线的一部分被布置在所述电路板上。

9.根据权利要求1所述的天线，其中，所述发射元件包括具有第一端和相对的第二端的平面带线，并且其中，所述馈电针与所述平面带线的所述第一端电连接，所述天线还包括将所述平面带线的所述第二端与地面连接的接地带线。

10.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线阻抗小于50欧姆。

11.一种宽带天线系统，包括：

具有接地面的电路板；

与所述电路板相关布置的、具有天线阻抗的天线，所述天线包括：

发射元件；

与所述发射元件电连接的馈电针；以及

与所述馈电针电连接的电感元件；以及

与所述电感元件并联连接的电容器，其中，所述电感元件具有用于相对于所述天线阻抗来调节所述匹配网络阻抗的中央抽头；以及

与所述天线可操作连接的RF前端。

12.根据权利要求11所述的天线系统，其中，所述馈电针具有第一端和第二端，所述第一端与所述发射元件电连接，所述第二端与所述电感元件的所述中央抽头电连接。

13.根据权利要求11所述的天线系统，其中，所述匹配网络与所述馈电针串联连接，并且所述电感元件的所述中央抽头与所述前端连接。

14.根据权利要求11所述的天线系统，其中，将所述匹配网络集成到不同于所述电路板的衬底中。

15.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述衬底基本上由低温共烧陶瓷材料制成。

16.根据权利要求15所述的天线系统，其中，所述衬底形成模块，并且所述电感元件包括布置在所述模块上的导电材料的带线。

17.根据权利要求16所述的天线系统，其中，所述电容器也布置在所述模块上。

18.根据权利要求11所述的天线系统，其中，所述天线具有中央频率，并且所述发射元件包括导电材料的平面带线，所述带线具有与所述接地面基本上平行的表面。

19.根据权利要求18所述的天线系统，其中，所述带线的长度小于与所述中心频率相关联的波长的四分之一，所述天线还包括：

20.根据权利要求19所述的天线系统，其中，将所述匹配网络和所述另外的电感元件集成到基本上由低温共烧陶瓷材料制成的衬底中。

21.一种提高具有天线阻抗的、与接地面结合使用的、并与RF前端电连接的天线的带宽的方法，所述RF前端具有负载阻抗，所述天线具有：

与所述接地面相关布置的发射元件；

与所述发射元件电连接的馈电针，所述方法包括：

在所述天线和所述RF前端之间提供匹配网络，所述网络具有串联连接的电容器和电感元件，所述电感元件具有中央抽头；以及

将所述中央抽头与所述馈电针或所述RF前端电连接，以用于相对于所述天线阻抗来调节所述匹配网络。

22.一种具有权利要求11所述的宽带天线系统的移动电话。