CN101542828A - 天线装置和具有该天线装置的便携式无线通信装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于便携式无线通信装置的天线装置，特别适用于FM频率范围，其包括辐射元件(10)和放大级。通过将该辐射元件设置作为半环发射元件，噪声系数在整个工作频率范围内基本平坦，尽管存在增益变动，也能提供足够的信噪比。

Description

天线装置和具有该天线装置的便携式无线通信装置
技术领域
一般地，本发明涉及天线装置，更具体地说涉及用于适用于具有相对较低频率的信号(例如FM频带的无线电信号)的无线通信装置(例如移动电话)的天线装置。
背景技术
在便携式无线通信装置中使用内置天线已经有一段时间了。使用内置天线具有很多优点，其中，体积小、重量轻的优点使其适合于非常看重尺寸和重量的应用，例如移动电话。
然而，内置天线在移动电话中的应用对天线元件的结构有一定约束。更具体地说，在便携式无线电通信装置中，用于安置内置天线的空间有限。这些约束导致难以找到适用于宽工作频带的天线结构。由于用于相对较低频率的无线电信号的天线需要的物理长度大于工作于相对较高频率的天线，所以对这种天线而言这种困难更加明显。
工作于相对较低频带的一种具体应用是FM无线电应用。FM频带在欧洲限定为88-108MHz之间的频率，在美国为76-110MHz之间的频率。如果将现有技术中传统的天线结构，例如环形天线或单极天线，安装在便携式无线通信装置的壳体中，将导致天线工作不充分，不是在足够宽的工作频带上性能太差，就是性能足够好但频带太窄。
作为替代，在连接到便携式无线通信装置的耳机线中设置了用于该通信装置的传统FM天线。这种具有相对较长导线的结构实现了对于低频应用也足够的天线长度。然而，如果不允许存在外部天线，这种解决方案显然不可行。
另一个问题是，在与FM天线相同的通信装置中设置第二天线，例如GSM天线，该第二天线会干扰FM天线的工作。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于便携式无线通信装置的内置天线装置，该装置可以以足够的性能工作于具有相对较低频率的整个频带上，例如FM无线电频带。本发明基于以下认识，即有源内置天线可以被构成为半环天线。
根据本发明，提供了一种用于适于接收至少第一工作频带内无线电信号的便携式无线通信装置的天线装置，所述天线装置包括具有馈电部分的第一辐射元件，接地面和直接连接于所述第一辐射元件的所述馈电部分并可连接到无线电信号的接收装置的放大级，其中所述第一辐射元件是包括所述接地面的一部分的环的一部分。所述天线装置的特征在于所述第一辐射元件的馈电部分，所述接地面和所述放大级设置在共同的印刷电路板上，所述放大级与所述第一辐射元件的馈电部分共同定位于所述电路板上。
还提供了一种包括上述天线装置的便携式无线通信装置。
根据本发明的天线装置，可以以足够的性能在具有相对较低频率的整个频带(例如FM无线电频带)上工作。已发现通过使用半环天线，噪声系数在整个工作频率范围内基本平坦，尽管有增益差异，也能提供足够的信噪比。
在优选实施方式中，所述第一辐射元件的馈电部分设置在所述印刷电路板的一端或靠近该一端的位置，所述第一辐射元件的与所述馈电部分相对的一端在所述印刷电路板的另一端或靠近该另一端的位置处接地。这样，最大限度地使用了印刷电路板的面积。
优选地，设置电容，所述电容具有在所述馈电部分附近直接连接于所述第一辐射元件的第一端，以及连接于所述接地面的第二端。该电容的优选值为10-40pF，该电容提高了由放大器晶体管看过去的源电阻(source resistance)，从而匹配噪声，提高稳定性。并且，由于所述第一辐射元件在所述印刷电路板的端部或靠近端部处实质上接地，在此处主天线装置(例如GSM天线)的E场很大，所以来自该主天线的串扰最小。
其他优选实施方式在从属权利要求中限定。
附图说明
现将参考附图来通过示例描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的连接到FM接收器电路的天线装置的示意图；
图2详细地示出了根据本发明的天线装置的第一实施方式的图；
图3详细地示出了根据本发明的天线装置的第二实施方式的图；
图4是根据本发明的天线装置中的第一辐射元件结构的示意图；
图5是根据本发明的天线装置中的多匝第一辐射元件结构的示意图；
图6是根据本发明的置于便携式无线通信装置内的天线装置的部分剖视图；
图7是根据本发明的置于便携式无线通信装置内的另一个天线装置的部分剖视图。
具体实施方式
下面将具体描述根据本发明的天线装置和便携式无线通信装置的优选实施方式。
在下面的描述和权利要求中使用了术语“辐射元件”。应当理解，该术语是要涵盖用于接收和/或发射无线电信号的导电元件。
首先，参考图1，示出了根据本发明的天线装置1的总体结构。它包括导电材料的非谐振件形式的第一辐射元件10。该第一辐射元件是半环天线的一部分，下面将对此详细描述。半环天线的意思是，第一辐射元件是环的一部分，其中该环包括接地面的部分。因此，导电材料的非谐振件实质上形成了一个半环，并且该环通过接地面封闭。
第一辐射元件具有馈电部分11，其直接连接到被设置为与第一辐射元件谐振的分路电容(shunt capacitor)20，并直接连接到放大器输入端，并可选地连接到ESD保护电路。谐振频率响应用作为工作频带内的信号的带通滤波器。在FM频带中工作的情况下，通带在欧洲是88-108MHz之间，在美国是76-110MHz之间。
谐振频率响应的功能还用作ESD保护电路，可以有效阻断大部分ESD脉冲频谱。该滤波器还可以消除或至少降低来自电磁干扰(EMI)信号和可能的来自同一无线通信装置中设置的其它天线(例如在远比FM天线高的频率上工作的蜂窝GSM天线)的信号的干扰。
放大级30设置在分路电容20之后，用于放大由第一辐射元件10接收的信号。
由天线装置1接收并放大的信号提供给FM接收器电路40，该电路可以是由Philips Semiconductors公司制造、并以名称HVQFN40销售的传统电路。FM接收器电路包括连接到放大器30的RF输入端41。
优选的，分路电容20和放大级30相对靠近第一辐射元件10，以使寄生效应和来自外部源的干扰最小化。因此，它们设置在第一辐射元件10的馈电部分的附近。
现在将参考图2来描述图1中所述的总体构思的实现。
放大级30包括场效应晶体管(FET)31，其栅极连接至分路电容20，源极直接接地，漏极可连接至FM接收器电路40的输入端41。在晶体管31的漏极和馈电电压Vdd之间还连有负载电阻32。
为使天线装置1工作，晶体管优选地在工作频带内具有低于1dB的最小噪声系数和高于15dB的增益。并且，优选地，所述晶体管具有小于10欧姆的噪声电阻Rn，以便对任意天线结构实现最高的可能信号接收质量。为了获得高输入阻抗，晶体管进一步的优选特性是输入电容较低，优选小于3pF。
应当理解所述天线装置是有源装置。所述结构优选使得第一辐射元件直接与放大级协同设计。
现在参考图3以第二实施方式的形式描述本发明的发明构思的一个替代实现。与上述第一实施方式一样，该天线装置包括具有馈电部分11的第一辐射元件10，分路电容和放大级30。然而在该第二实施方式中，分路电容是可调的，也就是说，实现为所谓的变容二极管120，提供可控天线装置。此外，放大级为所谓的共发共基放大器130。该共发共基放大器包括场效应晶体管131，场效应晶体管131的栅极连接至第一辐射元件和分路电容，源极直接接地，漏极连接至第二场效应晶体管133的源极。第二晶体管133的栅极经由电容134接地。第二晶体管133的漏极可连接到FM接收器电路40的输入端41。在第二晶体管133的漏极和馈电电压Vdd之间还连有负载电阻132。
在该第二实施方式中，FM发射器电路140经由开关141连接至第一辐射元件。如果发射器电路的输入阻抗ZTX比接收器电路40之前的放大器130的输入阻抗ZRX低得多，例如低十倍，则该开关是必需的。然而，如果发射器电路的输入阻抗ZTX与放大器130的输入阻抗ZRX在同一数量级，则该开关141可以省略。
通过提供连接到第一辐射元件10的发射器电路，该辐射元件能够被共享，因此能够起发射和接收的作用。发射器电路优选地在馈电部分11的附近连接到第一辐射元件。
现在参考图4和图5描述根据本发明的天线装置的第一辐射元件的总体布局。适当地在便携式无线通信装置中(图中未示出)设置印刷电路板(PCB)310。在PCB板上设置接地面312。在该PCB上还设置与上述放大器30、130相对应的信号负载，该PCB优选地是多层PCB。第一辐射元件10优选地是细长的(且可以是线状的)电导体，第一辐射元件10(优选地在PCB的一端，或接近该一端的位置处)直接连接到馈电部分11处的放大器。因此，放大器和馈电部分共同定位于此端。从而，在共同的PCB上设置了第一辐射元件的馈电部分、接地面和放大级。该导体在其大部分长度上基本平行于该PCB 310延伸，且与PCB 310的距离为h。导体10的与连接到信号源的一端相对的另一端在PCB板的相对另一端或靠近该另一端处连接至PCB板310上设置的接地面312。这就意味着形成了半环的第一辐射元件利用了尽可能多的空间，因为环面积对天线性能是重要的。
电容20设置在第一辐射元件和地之间，相对靠近于馈电部分11，也就是说，它设置在馈电部分11附近。电容20的第一端在馈电部分11附近直接连到第一辐射元件，第二端接地。该电容(其优选值为10-40pF)提高了由放大器晶体管看去的源电阻，从而匹配噪声，提高稳定性。
在替代实施方式中，导体10设置为多于一匝，图5示出的示例为两匝。第一半环的导体从PCB的孔314中穿过，到达下侧。在下侧，导体沿着PCB(优选地，以微带线10a的形式)从PCB的一端延伸到另一端。在那里，导体穿过PCB上的第二个孔316到达其上侧，与PCB板相隔一段距离并沿着PCB延伸，最终在PCB的第二端接地。这样，增加了辐射阻抗(其与环的匝数的平方成比例)，提高了天线的性能。
为了提高天线装置的性能，在图4和图5的实施方式中可以在环内使用铁氧体，如图中标记14所示。
现在参考图6来描述以上参考图1-3所述的根据本发明的天线装置的第一优选位置，其中描绘了便携式无线通信装置300(例如移动电话)的壳体的总体略图。该壳体被部分切除而显示，以便不遮掩天线装置的位置，该天线装置可以是参考图1-3描述的任何装置。
PCB 310设置在壳体中，其中具有移动电话通常具有的电路(未示出)。PCB上还安装有FM接收器电路40。在壳体的上部设置了第二天线辐射元件320，用于接收和发送蜂窝移动电话系统(例如GSM系统)的RF信号。该第二辐射元件320与第一天线辐射元件的馈电部分设置在电路板的同一侧。
电池组(未示出)也被设置为朝向壳体300的背面。
第一辐射元件10优选地放置成使得它在PCB的与第二辐射元件320所在端相对的一端处连接到FM电路上。随后，第一辐射元件沿着PCB的长边延伸，直到它到达PCB的另一端，在那里连接到PCB 310上设置的接地面312上接地。
为降低天线装置对方向的敏感度，如图6所示，第一辐射元件10在接地到PCB上设置的接地面312之前，还沿着PCB板的短边延伸。
以上描述了根据本发明的天线装置的优选实施方式。然而，本领域技术人员应当意识到，允许在不偏离本发明构思的情况下在所附权利要求的范围内改变这些实施方式。
应当意识到，能够在所附权利要求范围内改变根据本发明的天线装置的形状和尺寸。从而，也可以改变具体的天线结构，以符合无线通信装置的形状、期望性能等等。
根据本发明的天线装置的上述实施方式被描述为适用于接收FM频带的无线电信号的天线装置。然而，也可能有其它应用，例如用于频率范围约为400-800MHz的数字视频广播(DVB)信号。
尽管已通过参考在移动电话中的应用描述了便携式无线通信装置的天线装置，应当了解，本发明的构思也能够应用于其它便携式通信装置和轻便但主要用于固定使用的设备中。其示例可以是小型时钟，例如旅行闹钟，电视接收器，或游戏操纵台。然而根据本发明的天线装置的可能应用也可以是用于个人数字助理(PDA)、MP3和CD播放器、FM收音机、以及便携式电脑。进一步可以应用在车中。因此，术语“便携式无线通信装置”应采用广义的解释。
以上参考图6和图7描述的实施方式包括GSM天线。应当了解，该天线可以由不同的天线替代，只要该天线的工作频率显然高于较低频带，例如FM频带。也可以省略第二天线。
将FET被描述为优选的晶体管类型。应当意识到，其它晶体管类型，例如异质结双极性晶体管(HBT)，一样可以使用。
应当了解，在图2的第一实施方式中也可以实现Tx部分。同样的，第一实施方式中的电容20也可以用变容二极管代替。

Claims (16)

1、一种用于适于接收至少第一工作频带内的无线电信号的便携式无线通信装置的天线装置，所述天线装置包括：
具有馈电部分(11；111)的第一辐射元件(10)，
接地面(312)，和
直接连接到所述第一辐射元件的所述馈电部分并可连接到无线电信号接收装置的放大级(30)，
其中所述第一辐射元件是包括所述接地面的一部分的环的一部分，
其特征在于
所述第一辐射元件的馈电部分、所述接地面和所述放大级被设置在共同的印刷电路板(310)上，所述放大级与所述第一辐射元件的馈电部分共同位于所述电路板上。
2、如权利要求1所述的天线装置，其中所述第一辐射元件的馈电部分(11)被设置成位于或者靠近所述接地面的一端，所述第一辐射元件的与所述馈电部分相对的一端在所述接地面的另一端或靠近该另一端的位置处接地。
3、如权利要求1或2所述的天线装置，该天线装置包括电容(20；120)，所述电容具有在所述馈电部分(11)附近直接连接到所述第一辐射元件的第一端，以及连接到所述接地面(312)的第二端。
4、如权利要求3所述的天线装置，其中所述电容(20；120)的值为10-40pF。
5、如权利要求3或4所述的天线装置，其中所述电容(120)具有可调的电容值。
6、如以上任一权利要求所述的天线装置，其中所述第一辐射元件(10)是细长的，并沿着所述印刷电路板的长边延伸。
7、如权利要求6所述的天线装置，其中所述第一辐射元件(10)还沿着所述印刷电路板(310)的短边延伸。
8、如以上任一权利要求所述的天线装置，其中所述第一辐射元件(10)包括多个匝。
9、如权利要求8所述的天线装置，其中所述辐射元件(10)的一部分被部分地设置为微带线(10a)。
10、如以上任一权利要求所述的天线装置，其中所述第一辐射元件直接与所述放大级协同设计。
11、如以上任一权利要求所述的天线装置，该天线装置包括所述第一辐射元件的所述半环内的铁氧体(14)。
12、如以上任一权利要求所述的天线装置，其中所述第一辐射元件(10)可连接到发射器电路(40)。
13、如以上任一权利要求所述的天线装置，其中所述第一工作频带是FM频带。
14、如以上任一权利要求所述的天线装置，该天线装置还包括第二辐射元件(320)，其被配置成在至少第二工作频带内工作。
15、如权利要求14所述的天线装置，其中所述第二辐射元件与所述第一辐射元件的馈电部分设置在所述电路板的同一侧，所述第一辐射元件的馈电部分(11)设置在所述电路板的一端或靠近该一端的位置，所述第二辐射元件设置在所述电路板上相对的另一端或靠近该另一端的位置。
16、一种便携式无线通信装置(300)，其包括如权利要求1-15中任何一项权利要求所述的天线装置。
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PB01 Publication
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