CN101461092B

CN101461092B - 天线装置

Info

Publication number: CN101461092B
Application number: CN2007800209532A
Authority: CN
Inventors: J·奥利凯南; J·埃拉; T·朗塔; 赵安平
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: US7505006B2; CN101461092A; EP2025041A2; US20070285319A1; WO2007141665A3; WO2007141665A2

Abstract

一种天线装置，包括：耦合元件、导电元件；扩展元件，用于对导电元件进行扩展；以及电抗元件。一种用于创建天线装置的方法，所述天线装置包括：具有第一谐振频率和第一带宽的天线元件；导电元件；具有一定尺寸的扩展元件，用于对所述导电元件进行电扩展；以及具有电感值的电感器（40），其中，已扩展导电元件具有拥有第二谐振频率和第二带宽的谐振模式，所述方法包括：选择所述扩展元件的尺寸、所述电感值以及所述电感器的位置，以调谐所述已扩展导电元件的谐振模式，使得在第一谐振频率的区域中的第二带宽大于在第一谐振频率的区域中的第一带宽。

Description

天线装置

技术领域

本发明的实施方式涉及天线装置。具体地，某些实施方式涉及在相对小的通讯设备中提供相对宽的带宽的天线装置。

背景技术

当前的趋势是减小包括无线通信设备的电子设备的尺寸。由于设备尺寸的减小，典型的是，分配给包括天线的各种组件的体积也有所减小。由于天线尺寸的减小，这将对天线辐射谐振模式的带宽和谐振频率造成影响。这可能使得较小设备中的天线难以有效操作。例如，在长度小于100mm的移动蜂窝电话终端中，难以覆盖US-GSM和/或EGSM带宽。然而在较大设备中，则可能利用宽带宽谐振覆盖这两种带宽。

期望的是，对天线装置的带宽和/或谐振频率提供调谐。

尤其是，期望对小设备中的天线装置的带宽和/或谐振频率提供调谐。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，提供了一种天线装置，包括：耦合元件；导电元件；扩展元件，用于对导电元件进行电扩展；以及电感器40。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种创建天线装置的方法，天线装置包括具有第一谐振频率和第一带宽的天线元件；导电元件；具有一定尺寸的扩展元件，用于对导电元件进行电扩展；以及具有电感值的电感器40，其中，扩展的导电元件具有拥有第二谐振频率和第二带宽的谐振模式，所述方法包括：选择扩展元件的尺寸、电感值以及电感器的位置，来调谐扩展的导电元件的谐振模式，使得在第一谐振频率的区域中的第二带宽大于在第一谐振频率的区域中的第一带宽。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在参考仅作为示例的附图，在附图中：

图1示出了一个天线装置的示例；

图2A和图2B针对扩展的导电元件的最低谐振模式分别示出了电(E)场强度和磁场强度(H)；

图3A和图3B针对扩展的导电元件的次低谐振模式分别示出了电(E)场强度和磁场强度(H)；

图4示出了天线装置的其他实施方式；以及

图5示意性地示出了包括天线装置的通信设备110。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施方式的天线装置2的示例。

天线装置2包括：耦合元件10、较大体积的导电元件20、扩展元件30以及电抗元件40，诸如例如电感器。

典型的是，较大体积的导电元件20诸如是地平面的平面元件。平面元件例如可以是通信设备110内部的印刷线路板(PWB)或者设备110的金属底盘。导电元件20的形状可以是矩形，具有由导电元件长度分开的两个相对端边缘24、26。

耦合元件10设计为具有在期望频率的谐振电磁(EM)模式。耦合元件10的反射系数S11在期望频率处是低的，并且耦合元件可作为天线元件操作。天线元件10在期望的天线谐振频率处辐射和接收良好。然而，如果耦合元件10具有小的体积(即，小于10mm³)，或者导电元件20是短的(如同在手持便携式通信设备中使用所期望的那样)，则其具有窄带宽。

耦合元件10具有馈源12，其连接至通信设备110的射频(RF)电路112。馈源12激励天线元件10中的谐振EM模式。

天线元件10可以是平面金属结构。该平面金属结构可以是任何合适的天线。所述天线可以是非平衡天线，诸如倒F天线(IFA)、平面倒F天线(PIFA)或者螺旋天线。所述天线可以是回路、单极等。

扩展30包括互连32以及扩展元件34。互连32是任意适合的导电互连。扩展元件34是导电性的，并且可以是金属平面元件(即，平面扩展)。扩展30扩展导电元件20的电长度，以便创建已扩展导电元件22，其操作为用于耦合天线元件10的地平面。

耦合元件10和导电元件20彼此相对设置，从而，在它们之间的EM能量耦合例如在期望的操作频率处被最优化。耦合元件10的谐振EM模式在已扩展导电元件22中激励EM模式。已扩展耦合元件22具有大于耦合元件20的电性体积，并且由此在反射系数S11中具有较大带宽。

导电元件中的谐振EM模式典型的是λ/2。如果导电元件20的电长度是X，并且谐振波长是λ，则X＝nλ/2，其中n是谐振模式的阶，并且是整数1、2...。

在如图2A、图2B中所示出的最低谐振模式(n＝1)中，电(E)场中的最大值处于(已扩展)导电元件22的端部，并且磁场强度(H)的最大值处于已扩展导电元件22的电长度的中心。如果使用电容性EM耦合来将EM能量从耦合元件10耦合至导电元件20，则耦合元件典型地定位于E场为高的位置处、或者定位于E场为高的位置附近，诸如导电元件20的边缘24(如图1中所示)。如果使用电感性EM耦合来将EM能量从耦合元件10耦合至导电元件20，则耦合元件典型地定位于其中H场为高的位置处、或者定位在H场为高的位置附近，诸如已扩展导电元件22的电长度的中部。

在如图3A、图3B中所示出的次最低谐振模式(n＝2)中，电(E)场中的最大值处于(已扩展)导电元件22的端部，并且处于已扩展导电元件22的电长度的中心。如果使用电容性EM耦合来将EM能量从耦合元件10耦合至导电元件20，则耦合元件典型地定位于E场为高的位置处、或者定位于E场为高的位置附近，诸如导电元件20的边缘24(如图1中所示)。磁场强度(H)中的最大值定位在距离已扩展导电元件22的电长度中心1/4电长度的位置。如果使用电感性EM耦合来将EM能量从耦合元件10耦合至导电元件20，则耦合元件典型地定位于其中H场为高的位置处、或者定位在H场为高的位置附近。

耦合天线元件10可以设置为非平衡天线元件，使得其可以更为有力地与地平面相耦合。

为了节省空间，可以将平面扩展元件34布置为与平面导电元件20的平面平行但相分离。平面扩展元件34和平面导电元件可以部分地重叠，例如，整个平面扩展元件34可以与平面导电元件20的一部分相重叠。

设计天线装置2，以便天线耦合元件10的EM模式的谐振频率基本对应于(即，靠近但不必匹配于)已扩展导电元件22的模式的谐振频率。

可以通过控制已扩展导电元件22的电长度来控制已扩展导电元件的谐振频率。实现这一点的一种方式是，控制导电互连32的长度和/或控制扩展元件34的尺寸。增加导电元件32的长度和/或增加扩展元件34的尺寸，这会增加电长度，从而增加谐振波长并且减小谐振频率。

电抗元件40典型地是可以组件或者组件集合，组件可以是集总(lump)组件和/或芯片。电抗元件40定位在导电元件和扩展30之间的电流路径中。

电抗元件40还可用以控制已扩展导电元件22的电长度。例如，具有电感值L的电感器电抗元件40的存在增加了已扩展导电元件22的电长度(增加已扩展导电元件22的谐振波长，并且减小已扩展导电元件22的谐振频率)。

电感器电抗元件40的存在还减小了在谐振频率处的反射系数S11的带宽。

电感器40的效果还取决于：相对于由已扩展导电元件22生成的H场来说，将所述电感器定位在何处。尽管如果将电感器40放置在高磁场强度H(即，高电流密度)的位置，则电感器40的效果较强，但并不必须将电感器40定位在此处。最大H场的位置随着已扩展平面元件的电长度的变化而变化。

尽管可以通过将电感器40放置在导电元件20的边缘26处而获得对电长度的最大扩展，然而电感器40可以定位在任何位置。这一位置还对应于较高E场的位置，其结果是在扩展30中的较小电流以及由此功率损失较少。

典型的电感器值是几个mH至几十nH。在例如2GHz的高频率处，电感器40代表开路。

使用扩展元件34的尺寸以及电感器40的位置和值来调谐已扩展地平面22的谐振模式，使得其谐振频率接近天线元件10谐振频率或者与天线元件10谐振频率相匹配，并且使得其在该谐振频率的带宽足够大。

由此，可以通过增加互连32的长度和/或还可以通过增加扩展元件34的最大维度的尺寸来增加已扩展导体22的电长度。还可以通过增加电感器40的值和/或通过将其定位在大电流的位置处，来增加已扩展导体22的电长度。然而，这还可以降低带宽。

通过适当选择电感器值L、扩展30(尤其是扩展元件34)的尺寸以及电感器40(以及由此扩展30)的位置，可以将已扩展导电元件22的谐振模式调谐至期望的谐振频率和期望的带宽。

电感值L的增加可以增加天线装置带宽，这是因为，尽管L的增加可以降低已扩展导电元件谐振模式的带宽，但这还可以将其偏移至不同于耦合元件10谐振频率的较低频率。

选择平面扩展的尺寸、电感器的值以及电感器的位置的选择，使得在选择频率范围之上，反射系数S11小于期望的值(例如，6dB)，所述选择频率范围诸如例如在蜂窝无线电信协议双带(例如，对于US-GSM(824-894MHz)以及E-GSM(880-960MHz)或者对于PCN1800(1710-1880MHz)以及PCS 1900(1850-1990MHz))。

典型的是，期望将已扩展导电元件22的谐振频率调谐至接近耦合元件10的谐振频率，或者将其调谐至匹配于耦合元件10的谐振频率，同时保持适当大的带宽。

由此，天线装置2能够覆盖宽的频率范围，而不必在地平面中弯曲(meander)或者设置缝隙。

图4示出了本发明的其他实施方式。在此示例中，天线装置2能够动态地改变电抗元件40或者感应电抗元件40。可控元件70操作以提供例如受控电感L作为电感器40。例如，可控元件可以控制电感来具有L1、L2、L3、L4等值中的一个值。可控元件70可以是可变电抗或者开关元件(如所示出)。开关元件70在线路中连接不同电感器401、402、403、404中的一个，使得其连接导电元件20和扩展30。开关元件可以以机械方式或者以电方式操作。

不同电感器可以是具有电感的阻抗。例如，电感器404是与电容器并联的电感器。

已扩展导电元件22可以具有非辐射EM谐振模式。电感器值L调谐非辐射模式的频率位置。电感器值L的增加将降低非辐射模式的频率。

图5示意性地示出了包括天线装置2和RF电路112的通信设备110。通信设备可以是诸如移动蜂窝电话的手持便携式终端。承载RF电路112的设备的PWB可以操作为大体积导电元件20。PWB的长度可以小于110mm和/或大于75mm。耦合天线元件10可以具有相对小的体积，例如，小于5mm³。

所示出的通信设备110具有已扩展配置以及非扩展配置。大体积的导电元件20包括至少两个部分，当设备配置变化时所述两个部分相对彼此移动。例如，在闭合配置中，所述两个部分可以重叠；而在开放配置中，所述两个部分可以分开，使得作为组合，它们具有较大的最大维度，并且由此具有较大的电长度。可以通过使用可控元件70(针对图4所述)来补偿在大体积导电元件20的电长度中的变化，以增加电长度。

前述段落已经描述了具有单一天线元件10以及导电元件20的天线装置2，导电元件20具有已扩展的或者可扩展的电长度。然而，应该理解，第一天线元件10以及不同的第二天线元件10可以共享相同的公共导电元件。第一和第二天线元件10可以设计为具有不同谐振频率。在此情况下，当使用固定值的电抗元件时，导电元件的电长度的扩展是固定的，并且典型的是，增强天线元件之一的带宽但不必增强其他天线元件的带宽。然而，在此情况下，当使用具有多个设置的动态电抗元件时，可以控制导电元件的电长度，以便在一个设置中增强天线元件之一的带宽(而不增强其他天线元件的带宽)，并且在其他设置中增强其他天线元件的带宽。

尽管在前述段落中已经参考各种示例描述了本发明的实施方式，应该理解，可以对示例进行变化，而并不脱离如权利要求书所要求的本发明的范围。

尽管在上文的说明书中尽力将注意力吸引至本发明的被认为特别重要的那些特征，然而应该理解，申请人针对在上文中和/或在附图中所涉及的可专利特征或者特征的结合来要求保护，而无论是否对其进行特别强调。

Claims

1.一种天线装置，包括：

第一耦合元件；

第二耦合元件；

导电元件；

扩展元件，被配置为对所述导电元件进行电扩展；以及

电抗元件，其中所述电抗元件在第一设置和第二设置之间可变，并且其中，当所述电抗元件处于所述第一设置中时，所述扩展元件和电抗元件相结合地对所述导电元件进行电扩展，以增强所述第一耦合元件的带宽，以及当所述电抗元件处于所述第二设置时，所述扩展元件和所述电抗元件相结合地对所述导电元件进行电扩展，以增强所述第二耦合元件的带宽。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其中在所述第一设置中，所述第一耦合元件具有带宽，以及由所述扩展元件和所述电抗元件相结合地所扩展的导电元件具有带宽，并且由所述扩展元件和电抗元件相结合地所扩展的导电元件的带宽大于所述第一耦合元件的带宽，以及所述电抗元件是电感器。

3.根据权利要求1或者2所述的天线装置，其中在所述第一设置中，所述第一耦合元件具有谐振频率，以及由所述扩展元件和所述电抗元件相结合地所扩展的导电元件具有谐振频率，并且由所述扩展元件和所述电抗元件相结合地所扩展的导电元件的谐振频率与所述第一耦合元件的谐振频率相对应。

4.根据权利要求1所述的天线装置，其中在所述第二设置中，所述第二耦合元件具有带宽，以及由所述扩展元件和所述电抗元件相结合地所扩展的导电元件具有带宽，并且由所述扩展元件和电抗元件相结合地所扩展的导电元件的带宽大于所述第二耦合元件的带宽，以及所述电抗元件是电感器。

5.根据权利要求1或者4所述的天线装置，其中在所述第二设置中，所述第二耦合元件具有谐振频率，以及由所述扩展元件和所述电抗元件相结合地所扩展的导电元件具有谐振频率，并且由所述扩展元件和所述电抗元件相结合地所扩展的导电元件的谐振频率与所述第二耦合元件的谐振频率相对应。

6.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述第一耦合元件具有谐振频率，所述电抗元件具有所述第一设置中的电感值，并且所述扩展元件具有一尺寸，并且其中，所述扩展元件的尺寸、所述电感值以及所述电抗元件的位置对已扩展导电元件的谐振模式进行调谐，使得在所述第一耦合元件的谐振频率处的已扩展导电元件的带宽大于在所述第一耦合元件的谐振频率处的第一耦合元件的带宽。

7.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中在所述第一设置中，已扩展导电元件被配置为操作为用于所述第一耦合元件的地平面。

8.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中在所述第一设置中，已扩展导电元件的体积大于所述第一耦合元件。

9.根据权利要求1或4所述的天线装置，其中在所述第二设置中，已扩展导电元件被配置为操作为用于所述第二耦合元件的地平面。

10.根据权利要求1或4所述的天线装置，其中在所述第二设置中，已扩展导电元件的体积大于所述第二耦合元件。

11.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中与所述导电元件相比，所述第一耦合元件是小体积的天线元件。

12.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述第一耦合元件具有基本平面的金属结构。

13.根据权利要求1或2所述的天装置，其中所述第一耦合元件是非平衡天线元件。

14.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述第一耦合元件定位在如下位置处或定位在所述位置附近：在所述位置处，在使用中由所述导电元件生成的E场为高。

15.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述导电元件具有由所述导电元件的长度相分离的第一边缘和第二相对边缘，其中所述第一耦合元件定位在所述第一边缘处、或者定位在所述第一边缘附近。

16.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述导电元件是印刷线路板。

17.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述扩展元件是平面的，所述导电元件是平面的，以及所述扩展元件与所述平面导电元件的平面平行但相分离。

18.根据权利要求14所述的天线装置，其中所述扩展元件以及所述导电元件部分地重叠。

19.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述导电元件具有由所述导电元件的长度分离的第一边缘和第二相对边缘，其中所述电抗元件定位在所述第二相对边缘处、或者定位在所述第二相对边缘附近。

20.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述电抗元件定位在高的E场处、或者定位在高的E场附近。

21.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中所述电抗元件是电感器，所述电感器具有几个nH至几十nH的电感值。

22.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中可控元件被配置为控制所述电抗元件的电抗。

23.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中可控元件被配置为选择多个电抗元件中的一个。

24.一种通信设备，包括根据前述权利要求的任一项所述的天线装置。

25.一种通信设备，包括已扩展配置和非扩展配置，并且包括根据权利要求1至23的任一项所述的天线装置，其中所述电抗元件具有电抗值，当所述设备的配置在所述非扩展配置和已扩展配置之间变化时，控制所述电抗值，以改变所述电抗值。