CN101288203A - 可调节天线 - Google Patents

Abstract

一种专用于移动终端的可调节单极天线。该天线的调节电路(930)位于无线电设备的辐射器(920)和天线部分之间，并与天线馈电导体(901)一起形成馈电电路。该电路包括馈电导体和地之间、与馈电导体串联或者在这两个位置的可调节电抗。例如，馈电导体可以通过多向开关连接到可选的传输线中的其中一条传输线，这些传输线在其末端一般是短路的或断开的，并且比四分之一波长更短，每条线相当于一定的电抗。天线工作频带一次只覆盖一个或两个无线电系统使用的频率范围的一部分，在这种情况下，天线匹配比实际的宽带天线更容易设置。辐射器和调节电路两者所需的空间相对较小。不需要为天线调节设置到辐射器的耦合，这意味着天线结构更简单，并因此节省生产成本。

Description

可调节天线

技术领域

本发明涉及一种专用于移动终端的可调节天线。

背景技术

在本说明书中，天线的可调节性的含义是天线的谐振频率可用电学方法改变。目的是谐振频率周围的天线工作频带总是覆盖每次功能假定的频率范围。有不同原因造成对可调节性的需求。随着象移动终端的便携式无线电设备在厚度方向变得更小，内部平面天线的地平面和辐射平面之间的距离不可避免地也变得更短。这导致例如天线的带宽减小。于是，由于移动终端意欲工作在频率范围彼此相对靠近的多个无线电系统中，所以覆盖由多于一个无线电系统使用的频率范围变得更加困难或不可行。这种系统对例如GSM1800和GSM1900(全球移动通信系统)。因此，确保该功能符合单个系统的发射和接收频带二者的规范可能变得更为困难。如果系统采用子带划分，那么如果可以在每次使用的子带中调谐天线的谐振频率，从无线电连接质量上来说这是有利的。

在这里描述的本发明中，天线调节是通过开关实现的。将开关用于当前讨论的目的本身是众所周知的。例如，出版物EP1 113 524公开了一种天线，其中平面辐射器可以在某一点上通过开关连接到地。当开关闭合时，辐射器的电长度减小，在这种情况下，天线的谐振频率变得更高，并且对应于谐振频率的工作频带向上偏移。电容器可以与该开关串联，以将频带偏移设置得和预期一样大。在这种解决方案中，调节的可能性是非常有限的。

图1中，给出了从出版物EP1 544 943得知的包括开关的解决方案。在天线基座结构中，图中只绘出了其辐射器120，该辐射器可以是更大的辐射平面的一部分。除了基座结构之外，该天线包括具有寄生元件的调节电路131、传输线132、双向开关133、第一电抗电路X1和第二电抗电路X2。传输线的第一导体的首端连接到寄生元件，第二导体的首端连接到地。实际使用中，第二导体可以属于地平面，因此，没有首端和末端。每个电抗电路包括例如两个或三个电抗部件。传输线132将根据开关状态被其中一个电抗电路终止。当控制开关使得其状态改变时，天线特定部分的电长度和谐振频率变化。这意味着相应的工作频带发生偏移。

根据图1的解决方案打算用于多频带天线。其中，当需要时调节的影响可只被引导至天线的一个工作频带上，并且可为该要被偏移的频带中的天线设置良好的阻抗匹配。这些问题是由于设计调节电路时存在几个变量造成的。然而，该解决方案只适用于PIFA类型的天线，且其中使用的寄生元件增加了结构成本。

发明内容

本发明的目的是以一种新的有利的方式实现对天线的调节。根据本发明的可调节天线的特征在于独立权利要求1中说明的内容。本发明的一些有利的实施例在从属权利要求中列出。

本发明的基本思想如下：给单极类型的天线提供调节电路，以改变其谐振频率以及从而改变其工作频带的位置。在这种情况下，工作频带一次只覆盖一个或两个无线电系统使用的频率范围的一部分。调节电路位于无线电设备的辐射器和天线端口/开关之间，并与天线馈电导体一起形成馈电电路(feed circuit)。该电路包括馈电导体和地之间或者与馈电导体串联或者在这两个地方的可调节电抗。例如，馈电导体可通过多向开关连接到可选的传输线中的其中一条传输线，这些传输线一般在其末端是短路的或断开的，并比四分之一波长更短，每条线相当于一定的电抗。于是，传输线的长度和可能的分立部件的值从天线调节的角度讲是变量。

本发明的一个优势在于根据本发明的天线由于是单极结构其所需的空间非常小。尽管其尺寸小，但具有相对窄带的基本天线实际上用作宽带天线，原因是每次只需要该宽带的一部分。此外，在整个带宽上，实现了良好的匹配和效率，原因是相对窄带天线的匹配可比实际的宽带天线的匹配更为充裕地设置。本发明的另一个优势在于天线的调节电路所需的空间也相对较小。这是由于根据本发明物理上非常短的传输线对调节电路是足够的。本发明的又一个优势是根据本发明的调节不要求设置到天线辐射器的耦合，这意味着天线结构更简单且因此节省生产成本。

附图说明

下文详细描述本发明。将对附图进行参考，在附图中：

图1给出根据现有技术的可调节天线的实例，

图2给出根据本发明的天线的原理结构，

图3以方框图形式给出根据本发明的天线的调节电路的实例，

图4给出根据本发明的天线的调节电路的另一个实例，

图5给出根据本发明的天线的调节电路的第三个实例，

图6给出根据本发明的天线的调节电路的第四个实例，

图7以电路图形式给出实现根据图3的调节电路的实例，

图8给出通过电路板实现根据图7的调节电路的实例，

图9给出根据本发明的完整天线的实例，

图10给出当调节电路被控制时，根据本发明的天线的工作频带偏移的实例，

图11以史密斯(Smith)图给出根据本发明的天线的调节电路阻抗的实例，和

图12给出根据本发明的天线增益的实例。

具体实施方式

已经结合对现有技术的描述描述了图1。

图2以简单的方框图显示了根据本发明的天线的原理结构。天线200的辐射器220是单极类型的。这里天线的馈电导体201和调节电路230也包括在该天线中。该结构的功能上必需的公共信号地GND自然也属于该天线。馈电导体的一端已经连接到辐射器，另一端已经连接到讨论的无线电设备的其余部分。在图2的实例中，无线电设备具有按照两个不同系统的发射机TX1，TX2及接收机RX1，RX2，并且其功能是时分的。由于此原因，馈电导体通过天线开关ASW连接发射机和接收机。调节电路230与馈电导体201接合(engage)并与它共同形成馈电电路。调节电路从本质上说是电抗性的以避免损耗，并且其从无线电设备接收控制CO。电路中电抗值的影响通过该控制被更改，使得天线的谐振频率及与其一起的工作频带的位置如期望地改变。

在馈电电路中存在至少一个节点对，这两个节点之间的电抗可通过控制CO被更改。该对节点中的一个节点沿馈电导体设置，并且另一个节点可位于信号地或馈电导体的另一点处。在后一种情况中，要被更改的电抗与馈电导体串联。在所有情况中，馈电导体和信号地之间都存在可调节的或恒定的电抗电路。馈电电路的实例在图3-图6中显示。

在图3中，以方框图给出了根据本发明的调节电路，其中调节电路330已经连接到天线馈电导体301和信号地GND之间。调节电路包括LC电路332、多向开关333和三个可选的电抗结构部分X1，X2，X3。LC电路已经在其一端连接到馈电导体，在其另一端连接到开关输入端。其目的是衰减开关中产生的谐波频率分量，并用作该开关的静电放电(ESD)保护器。开关333具有三个输出端，开关输入端一次可通过控制CO连接到这三个输出端中的其中一个输出端。开关的每个输出端已经被固定地连接到所述电抗结构部分中的其中一个部分，存在其对信号地的电抗。通过控制开关的电抗更换(interchanging)改变了天线的谐振频率，并因此改变了其工作频带的位置。在该实例中，天线的工作频带具有三个可选位置。

在图4中，给出了根据本发明的馈电电路，该馈电电路的调节电路430包括馈电导体401和信号地之间的部分以及与馈电导体串联的另一部分。如从天线端口/开关看过去，前一部分位于后一部分之前。在此实例中两个部分都是可调节的。馈电导体和信号地之间的这部分包括双向开关SW1和两个电感结构部分L41和L42。根据开关SW1的状态，电感结构部分L41，L42中的其中一个从馈电导体连接到信号地。串联部分包括另一个双向开关SW2和两个电容结构部分C41和C42。根据开关SW2的状态，电容结构部分C41，C42中的其中一个与馈电导体401串联连接。双向开关SW1和SW2共同形成开关单元433，其由控制信号CO控制。如果这些双向开关的控制不同，则原则上对于天线工作频带可得到四个可选位置。

在图5中，给出了根据本发明的馈电电路，馈电电路的调节电路530包括馈电导体501和信号地之间的部分以及与馈电导体串联的另一部分。如从天线端口/开关看过去，前一部分位于后一部分之后，并且只有串联的那部分是可调节的。馈电导体和信号地之间的那部分包括电感结构部分L51。串联部分包括双向开关533和两个电容结构部分C51和C52。根据开关533的状态，电容结构部分C51和C52中的其中一个与馈电导体501串联连接。该开关是通过控制信号CO控制的。在此情况下，天线工作频带具有两个可选的位置。

电感结构部分可位于与馈电导体串联部分的天线端口侧，而不是如图5显示的位于串联部分的辐射器侧。在串联部分内，双向开关和电容结构部分的顺序可以是任意的，换言之，双向开关也可以位于电容结构部分的辐射器侧。

在图6中，给出了根据本发明的馈电电路，馈电电路的调节电路630只包括馈电导体601和信号地之间的部分。这部分包括串联的移相器632和变容二极管CDI。通过由控制信号CO控制变容二极管来进行调节，在此实例中调节可以是连续的。于是，天线工作频带可以在定义的全部范围内连续地偏移。通过适当地设计移相器，调节电路的电抗的调节范围可如期望地移动。例如，它可被整个移动到电感侧。

图7以电路图形式显示了实现根据图3的调节电路的实例。所述LC电路包括连接在调节电路730的输入导体和信号地之间的线圈L7以及与调节电路的输入导体串联的电容器CB1，该输入导体连接到天线馈电导体701。电容器CB1也用作隔离电容器，阻止通过天线馈电导体形成直流电路，这从调节电路的开关的控制电路可看出。电容器CB1的一个终端已经连接到开关733的输入端。连接到开关的三个输出端的电抗结构部分是通过短传输线实现的，每个电抗结构部分包括接地导体和与地绝缘的另一个导体，该另一个导体在本文也称作单独导体。比四分之一波长短的断开的传输线代表一定的电容，短路的线代表一定的电感。实现可选电抗的这些传输线称作调谐线。在此实例中，第一调谐线734在其末端是短路的，第二调谐线735在其末端也是短路的，第三调谐线736在其末端被分立的调谐电容器CT终止(terminate)。隔离电容器CB2在短路的第一调谐线的单独导体的首端以阻止通过该调谐线和开关的控制电路形成直流电路。出于同样原因，第二调谐线的单独导体的首端也有隔离电容器CB3。

图8显示了通过电路板实现根据图7的调节电路的实例。电路板PCB的上表面大部分是导电地平面GND，用作信号地。天线的馈电导体701是电路板表面上的导电条(conductor strip)，其从电路板的边缘延伸到单极辐射器。调节电路的输入导体是导电条，它是馈电导体的分支。所述线圈L7和电容器CB1是分立部件。开关733是集成部件。例如，开关部分是FET(场效应晶体管)、PHEMT(假晶高电子迁移率晶体管)或MEMS(微电子机械系统)类型。开关通过通孔从电路板的相对侧控制。调谐线734，735，736是电路板表面上的平面传输线。当线的单独导体的末端与周围的接地平面相接时，产生短路线。

图9显示了根据本发明的整个天线的实例。从图中看到的是无线电设备的电路板PCB的一部分。单极辐射器920是类似平板状的、刚性薄金属条。它已经在馈电点FP处连接到天线馈电导体901，馈电点FP位于电路板的拐角附近。辐射器首先从该点经过电路板一端的边缘被引导到板外，然后沿这端的方向与电路板的上表面齐平地向前拐弯。电路板上的信号地GND与辐射器920相隔一定距离。此实例中的天线是ILA(倒置L-天线)，这是一种形式的单极天线。辐射器在沿电路板一端的部分的外边缘处具有垂直折叠部分以增加其电长度。电路板上辐射器侧的那端是天线的调节电路930。它在图9中只显示为由虚线包围的区域。

图10显示了当调节电路被控制时，根据本发明的天线的工作频带的偏移的实例。该实例涉及的天线包括根据图8的调节电路。天线的第一调谐线734长17mm，第二调谐线735长1.5mm，第三调谐线736长3.5mm。调谐电容器CT的电容是10pF。电路板的材料为FR-4，该材料的介电常数约为4.5。该天线是为DVB-H系统(数字视频广播)设计的，其采用的频率范围为470-702MHz。曲线A01显示当馈电导体连接到第一调谐线时反射系数作为频率的函数的波动，曲线A02显示当馈电导体连接到第二调谐线时反射系数的波动，曲线A03显示当馈电导体连接到第三调谐线时反射系数的波动。从这些曲线中可以看出，上述频率范围将被覆盖，使得反射系数除了该范围的上端之外是-3dB或者更好。在较低频带BL 470-540MHz中使用第一调谐线是最有利的，在中频带BM540-635MHz中使用第二调谐线是最有利的，在高频带BU 635-702MHz中使用第三调谐线是最有利的。所测量的具有调节电路的天线为原型，可通过更加精确的设计进行改进。

图11以史密斯(Smith)图显示了根据本发明的天线的调节电路的阻抗的实例。该实例涉及与图10的匹配曲线相同的结构。曲线B01显示当辐射器连接到第一调谐线时阻抗作为频率的函数的波动，曲线B02显示辐射器连接到第二调谐线时阻抗的波动，曲线B03显示辐射器连接到第三调谐线时阻抗的波动。曲线的末端对应于上述的频带BL，BM和BU的边界频率。在理想情况下，这些曲线将位于该图的外圆上，这种情况对应于没有损耗的情况。实际上，调节电路当然不是无损耗的。然而，当所述线的特征阻抗是50Ω时，阻抗的电阻性比例是小的，为5Ω的量级。从图中可以看出所有调谐线的阻抗都是电感性的。第三调谐线736当断开时是电容性的，但通过10pF的电容终止该线路时会将其转变成略呈电感性。相应的短路线如此之短，以至于实际上不能正确工作。

图12显示了根据本发明的天线的增益的实例。它涉及最大增益G_max或最有利方向上的增益。该实例涉及与图10的匹配曲线相同的结构。曲线C01显示辐射器连接到第一调谐线时最大增益作为频率的函数的波动，曲线C02显示辐射器连接到第二调谐线时最大增益的波动，曲线C03显示辐射器连接到第三调谐线时最大增益的波动。从这些曲线可以看出，在每条谐调线的大部分使用范围内，最大增益从-5dB波动到-10dB。

以上已经对本发明的可调节单极天线进行了描述。其结构细节当然可以与给出的结构细节不同。例如，开关工作状态的数目、调谐线的数目或对应于那些状态的电路的数目也可以大于3，以实现工作频带的更多可选位置。从馈电导体到地的电抗电路有利的是电感性的，但也可以是电容性的。因此，可能的串联电路有利的是电容性的，但也可以是电感性的。本发明不限制天线辐射器的制造方式。本发明的思想可以不同方式在独立权利要求1限定的范围内应用。

Claims (11)

1.一种可调节天线(200)，该天线包括具有其馈电导体(201；301；901)的单极辐射器(220；920)和偏移所述天线的工作频带的调节电路(230；330；430；530；630)，该天线具有信号地(GND)，其特征在于调节电路和馈电导体一起形成所述天线的馈电电路，该馈电电路包括馈电导体(301)和信号地之间的电抗电路(X1，X2，X3)以及至少一个节点对，这个节点对的节点之间的电路的电抗可以被更改以改变所述天线的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述节点对的数目为1，一个节点位于馈电导体(301)处，另一个节点位于信号地(GND)，并且这两个节点之间的电路包括至少两个电感结构部分(X1，X2，X3)和多向开关(333)以构成一次经过一个电感结构部分的馈电导体和信号地之间的连接。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于所述电感结构部分是短传输线(734，735，736)。

4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于所述电感结构部分是分立线圈。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述节点对的数目为1，该对节点中的每一节点位于馈电导体(501)处，在这种情况下，这两个节点之间的电路与所述馈电导体串联，并包括至少两个电容结构部分(C51，C52)和多向开关(533)，以构成一次通过一个电容结构部分的这两个节点之间的连接，并且馈电导体和信号地之间的所述电抗电路是固定连接的线圈(L51)。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述节点对的数目为2，第一对节点中的一个节点位于馈电导体(401)处，另一个节点在信号地(GND)，并且这两个节点之间的电路包括至少两个电感结构部分(L41，L42)和多向开关(SW1)，以构成一次通过一个电感结构部分的所述馈电导体和信号地之间的连接，并且第二对节点中的每一节点位于所述馈电导体(401)处，在这种情况下，这些节点之间的电路与馈电导体串联，并包括至少两个电容结构部分(C41，C42)和多向开关(SW2)，以构成一次通过一个电容结构部分的这些节点之间的连接。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述节点对的数目为1，一个节点位于馈电导体(601)处，另一个节点在信号地，并且这两个节点之间的电路包括改变所述电路的电抗的变容二极管(CD1)和移动所述电路的电抗的调节范围的移相器(632)。

8.根据权利要求3所述的天线，其特征在于所述短传输线的数目为3，并且对应于这些短传输线的工作频带一起覆盖DVB-H系统的频率范围470-702MHz。

9.根据权利要求2所述的天线，其特征在于其调节电路还包括馈电导体和所述开关之间的LC电路(332)，以至少保护所述开关不受ESD的影响。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述开关是FET、PHEMT或MEMS类型。

11.根据权利要求1所述的天线，其特征在于其是ILA类型。

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