CN101553953B - 天线装置 - Google Patents

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Abstract

一种天线装置，包括：第一天线单元，具有用于连接到射频电路的第一馈送；以及与所述第一天线单元分离的第二天线单元，具有连接到所述第一馈送的第二馈送。

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，这些实施方式涉及隐形(low profile)天线装置。
背景技术
通常期望使射频技术更紧凑从而使承载该技术的设备更小，或者能够将该技术集成到当前尚未包括该技术的设备中。
与射频技术相关联的一个问题是：要求至少一个天线单元能够发射射频信号和/或接收射频信号。设计在感兴趣频带中具有可接受效率并且尺寸还很小的射频天线单元是一个难题。
天线单元的性能取决于天线单元的尺寸，因为在天线单元的物理尺寸与其电气长度之间通常存在关系，并且在天线单元的电气长度与其谐振模式之间也存在关系。
而且，天线单元与诸如地平面或印刷线路板之类的其他传导组件的分离尺寸会动态地影响天线单元的性能。天线单元因此可能需要与印刷线路板分离一定距离，以获得可接受的性能。这对能够容纳天线单元和印刷线路板的设备的最小尺寸设置了限制。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，提供一种天线装置，包括：第一天线单元，具有用于连接到射频电路的第一馈送；以及与所述第一天线单元分离并连接到所述第一馈送的负载，其中所述负载具有在第一频率处为主要电感性与在第二频率处为主要电容性之间变化的阻抗。
根据本发明的一个实施方式，提供一种方法，包括：使用具有用于连接到射频电路的第一馈送的第一天线单元；以及通过提供并联的频率相关阻抗负载来补偿所述第一天线单元的频率相关电抗，其中所述并联的频率相关阻抗负载在第一天线单元为主要电感性时为主要电容性并且在第一天线单元为主要电容性时为主要电感性。
根据本发明的一个实施方式，提供一种天线装置，包括：第一天线单元，具有用于连接到射频电路的第一馈送；以及与所述第一天线单元分离的第二天线单元，具有连接到所述第一馈送的第二馈送。
这提供了如下优点：天线装置在隐形的情况下可以具有更宽的带宽以及更高的效率。
可以自由调谐天线装置的阻抗。特别而言，第二天线单元和第二馈送的工作特性可以用来适配第一天线单元的工作特性。第二馈送可以是传输线。
根据本发明的一个可选实施方式，提供一种天线装置，包括：第一天线单元，具有用于连接到射频电路的第一馈送；以及与所述第一天线单元分离的第二天线单元，具有连接到所述第一馈送的第二馈送。
第二天线可以加载第一天线以提供多带操作。第一和第二天线单元可以分离一特定相位延迟。天线装置可以进一步包括与至少第一天线单元相关联的地平面。可以将第一天线单元定位为与地平面具有少于5mm的分隔。地平面可以是印刷线路板。地平面可以具有第一和第二相对边缘，并且第一和第二天线单元可以位于相应的第一和第二相对边缘处。可以将第一天线单元定位为具有与地平面的平面相垂直的、少于5mm的位移。第一馈送和第二馈送可以经由传输线来连接。第一天线单元可以是倒L型天线。第一天线单元可以是单极天线。第二天线可以是第一天线单元的纯负载。第二天线可以是针对第一天线单元的匹配网络的一部分，所述匹配网络补偿第一天线单元的阻抗中的变化。装置可以包括射频电路和天线装置。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将通过示例方式仅仅借助于附图进行参考，附图中：
图1示意性地图示了适于无线通信的设备；以及
图2A和图2B图示了天线装置的一个实施；
图3是图2A和图2B的天线装置的回波损耗S 11的示意图示；
图4示意性地图示了Smith图；
图5A、图5B和图5C分别图示了第一天线单元、第二馈送和第二天线单元的组合、以及第一天线单元、第二馈送和第二天线单元的组合的Smith图；
图6示意性地图示了包括第一天线单元和分布式网络的天线装置，其中所述分布式网络补偿第一天线单元的阻抗的频率相关相位；以及
图7A图示了第一天线单元的Smith图，图7B图示了其对应的标量S 11图；图7C图示了分布式网络的传输线的Smith图；图7D图示了分布式网络的传输线和集总组件的组合的Smith图；图7E图示了分布式网络的Smith图；以及图7F图示了整个天线装置的Smith图。
具体实施方式
图1、图2a和图2b图示了天线装置6，包括：第一天线单元10，具有用于连接到射频电路4的第一馈送12；以及与第一天线单元10分离并且连接到第一馈送12的负载21，其中负载21具有在第一频率处为主要电感性与在第二频率处为主要电容性之间变化的阻抗。
更详细地，图1示意性地图示了适合于使用射频(RF)技术的无线通信的装置2。在这个示例中，装置2包括功能电路8和天线装置6，其中功能电路8将数据提供到RF电路4和/或从RF电路4接收数据，天线装置6连接到RF电路4。天线装置6可以用来发射由RF电路4提供的RF信号和/或接收提供给RF电路4的RF信号。
装置2可以是任何适合的设备，例如网络装备或类似蜂窝通信网中的移动终端的便携式电子设备，或者是能够使设备使用RF技术进行通信的手持便携式设备，诸如移动蜂窝电话、个人数字助理、游戏设备、音乐播放器、个人计算机。
虽然在以下段落中，针对移动蜂窝终端在蜂窝通信网中的使用而描述RF技术，但是本发明的实施方式可以在诸如本地自组织(ad-hoc)RF网络、基础构造网络等的其他RF网络中找到应用。
RF电路4具有输出5，输出5连接到第一天线单元10的第一馈送12。如果RF电路4能够发射，那么输出5通常连接到RF电路4内的功率放大器。
第一天线单元10的第一馈送12串联连接到负载21。负载21包括传输线7，并且在这个示例中，还包括第二天线20。负载21是频率相关负载，其随着不断改变的频率而从主要电容性变化为主要电感性。第二天线单元20具有连接到传输线7的馈送22。在其他实施方式中，第二天线20例如可以是开路传输线。
第二天线单元20因此经由第一天线单元10的第一馈送12而间接进行馈送。
传输线7可以由许多适合的材料或组件来形成。其例如可以是同轴线缆、微带、带状线或者甚至是一些陶瓷组件。
第一天线单元10和第二天线单元20是相隔距离d的单独的天线单元。可以选择这一距离d以引入特定相位延迟并相对于一个天线的阻抗而偏移另一个天线的阻抗。参见示意性地图示了Smith图的图4，选择距离d以使第一天线单元10在Smith图中具有第一阻抗曲线40，并且传输线7和第二天线单元20的组合在Smith图上具有第二阻抗曲线41，其处于与第一阻抗曲线40相对的位置与感知中。第一阻抗曲线40具有位于第三象限中并且因此主要是电容性的较低频部分40L，以及具有位于第二象限中并且因此主要是电感性的较高频率部分40H。第二阻抗曲线41具有位于第一象限中并且因此主要是电感性的较低频率部分41L，以及具有位于第四象限中并且因此主要是电容性的较高频率部分41H。在较低频率处，负载21的主要电感性的特性41L平衡第一天线20的主要电容性的特性40L。在较高频率处，负载21的主要电容性的特性41H平衡第一天线20的主要电感性的特性40H。
更详细地，图5A示意性地图示了第一天线单元10的Smith图501。Smith图图示了第一天线单元具有低频带谐振频率581和高频带谐振频率601。为了阻抗匹配，低频带谐振的以及高频带谐振的较低频率端541需要在Smith图内按顺时针方向旋转。这可以使用分路电感器(shunt inductor)来实现。低频带谐振的以及高频带谐振的较高频率端561需要在Smith图内按逆时针方向旋转。这可以使用分路电容器(shunt capacitor)来实现。
用于低频带谐振的以及高频带谐振的较低频率端541的所需分路电感器由传输线7和第二天线单元20的组合来提供，其阻抗被绘制为图5B中的Smith图。
用于低频带谐振的以及高频带谐振的较高频率端561的所需分路电容器由传输线7和第二天线单元20的组合来提供，其阻抗被绘制为图5B中的Smith图。
图5B示意性地图示了针对传输线7和第二天线单元20的组合的Smith图502。如图所示，传输线旋转第二天线单元的阻抗。Smith图图示了该组合具有低频带谐振频率582和高频带谐振频率602。低频带谐振的以及高频带谐振的较低频率端542提供上面描述的所需分路电感。低频带谐振的以及高频带谐振的较高频率端562提供上面描述的所需分路电容。
图5C示意性地图示了从馈送5所看到的针对第一天线单元10、传输线7以及第二天线单元20的组合的Smith图502。可以观察到，针对低频带和高频带整体的阻抗在圆62所表示的固定电压驻波比(VSWR)内。
应该意识到：第二天线单元20和传输线7以组合的方式作为第一天线单元10上的频率相关负载21进行操作，并且通过补偿第一天线单元的阻抗变化而作为匹配网络进行操作。负载21是频率相关负载，其随着不断改变的频率而从主要电感性(低/高频带的较高频率端)变化为主要电容性(低/高频带的较低频率端)。当频率增加越过谐振频率时，负载21从主要电感性变换为主要电容性。
在一些实施方式中，代替传输线7或者除传输线7之外，可以使用集总组件来引入所需相位延迟。在这些实施方式中，如果不要求传输线7，则第一天线单元和第二天线单元可以彼此相邻地定位。
图6示意性地图示了天线装置6，包括：第一天线单元10，具有用于连接到射频电路4的第一馈送12；以及连接到第一馈送12的分布式网络21，其中所述分布式网络21向第一天线单元10提供并联负载，其补偿第一天线单元10的阻抗的频率相关相位。
天线装置6类似于图1中图示的天线装置，其中分布式网络负载21包括连接到第一馈送12的传输线7，并且还包括第二天线单元20(或者开路传输线)。天线装置另外还包括连接在传输线7和第二天线单元20之间的集总组件23。附加的集总组件23在这里由电感器来表示，并且其在分路配置中连接在传输线7和第二天线单元20之间。此集总组件23还可以由将在短路电路中短接到地的等价分路传输线或者短线(stub)替换。如果有需要，也可使用其他频率相关电抗组件替代示例性的感应电抗。
在图7A中图示了第一天线单元10的Smith图并且在图7B中图示了其对应的矢量S11图。较低频率谐振频带主要位于频率m5和m6之间，并且具有高于m5且低于m6的谐振频率。较高频率谐振频带主要位于频率m7和m8之间，并且具有高于m7且低于m8的谐振频率。
图7C中图示了传输线7的Smith图。它是频率相关负载，其取决于频率而向复阻抗信号引入一个不同的相位。
图7D中图示了传输线7和集总组件的组合的Smith图。集总组件23是电抗阻抗，其向阻抗添加相移。在这个示例中，它是电感器，其在整个频率上添加了一个(几乎)恒定的+π/2的相移。
图7E中图示了传输线7、分路电感器23和第二天线20(或者开路传输线)的组合的Smith图。附加的负载20是频率相关的。它对于低频带频率m5、m6是主要电容性的。它对于高频带频率m7、m8是主要电感性的。在Smith图中，低频带阻抗顺时针旋转而高频带阻抗逆时针转动，以产生具有平衡第一天线单元10的阻抗的复阻抗的负载21。
在图7F中图示了整个天线装置6的Smith图。可以看出：当组合时，第一天线单元10的谐振频率已经接近理想的50欧姆。因此极大提高了第一天线单元10的效率。
图2A和图2B图示了与图1描述的天线装置6相关的一种实施。图2A是用于移动蜂窝电信终端的天线装置6的前顶透视图，而图2B是同一天线装置6的左上透视图。
如图1中那样，天线装置6包括单独的并且分离的第一天线单元10和第二天线单元20，其中第一天线单元10的第一馈送12由RF电路4的输出5直接馈送，而第二天线单元20的馈送22经由连接到第一天线单元10的第一馈送12的传输线7而间接馈送。在图1、图2A和图2B中，类似的参考标记用于标记类似的特征。
在图2A和图2B的实施方式中，第一天线单元10是单极天线单元，而第二天线单元是倒L型天线单元。
在图2A和图2B中图示的示例中，将第二天线单元20定位为与地平面30相隔H。地平面例如可以由印刷线路板来提供。
在这个示例中，地平面30基本上是矩形，具有第一边缘31和基本上与第一边缘31平行并与其相隔距离L的第二相对边缘32。
定位第一天线单元10和第二天线单元20以使它们具有最大的相对位移。将第一天线单元10定位在地平面30的第一边缘31附近，将第二天线单元20定位在地平面30的第二边缘32附近。
由于天线装置6的原因，第二天线单元20与地平面的分隔H很小。特别而言，第二天线单元20到第一天线单元10的馈送12的串联连接加载了第一天线单元10，并且改良了它的工作特性，因此允许牺牲此改良的一部分以减少第二天线单元20的外形。
在图2A和图2B中图示的实施方式中的第一天线单元10和第二天线单元20分开数十毫米的距离。例如，地平面30的长度L在长度上可以超过90毫米。
典型情况下，ILA天线单元20具有在地平面之上的低高度，例如少于4mm，而单极天线单元10不需要地平面，并因此需要少许高度供使用，例如8mm。
图2A和图2B的天线装置6的回波损耗S11的示意图示在图3中示出。天线装置6是具有覆盖了US-GSM850频带(824-894MHz)和EGSM 900频带(880-960MHz)的宽带宽低频带的双谐振结构。它在较高频率处也具有宽带宽，例如覆盖如下移动蜂窝电信频带的一个或多个：PCN/DCS1800(1710-1880MHZ)，US-WCDMA1900(1850-1990MHZ)，PCS1900(1850-1990MHZ)。在其他实施中，它也可以或者可选地可以覆盖WCDMA2100频带(TX-1920-1980，RX-2110-2180)。
虽然在前述段落中参考各种示例已经描述了本发明的实施方式，但是应该意识到，不偏离所要求的本发明的范围可以进行对示例的修改。
虽然在前述说明书中努力着重于被认为是特别重要的本发明的那些特征，但是应该理解申请人针对此前在附图中引用和/或示出的、在此特别强调或者未特别强调的任何专利性特征或者特征的组合而要求保护。

Claims (9)

1.一种天线装置，包括：
第一天线单元，具有低射频带的第一低频带谐振频率(581)和高射频带的第一高频带谐振频率(601)，所述高射频带的频率比低射频带的频率高，以及用于连接到射频电路的第一馈送，其中所述第一馈送布置成由这种射频电路的输出直接馈送；以及
与所述第一天线单元分离并连接到所述第一馈送的负载(21)，其中所述负载具有所述低射频带的第二低频带谐振频率(582)和所述高射频带的第二高频带谐振频率(602)，并且其中所述负载向第一天线单元提供并联负载，所述负载还包括第二天线单元，以及传输线和集总组件中的至少一个，其中传输线和集总组件中的所述至少一个连接到第一馈送，并且所述第二天线单元的第二馈送经由传输线和集总组件中的所述至少一个间接馈送；
所述低射频带还包括第一较低频率端和第一较高频率端，所述第一较低频率端低于所述第一和第二低频带谐振频率，所述第一较高频率端高于所述第一和第二低频带谐振频率，以及所述高射频带还包括第二较低频率端和第二较高频率端，所述第二较低频率端低于所述第一和第二高频带谐振频率，所述第二较高频率端高于所述第一和第二高频带谐振频率；
其中所述第一天线单元的复阻抗分别从所述低射频带的第一较高频率端处和所述高射频带的第二较高频率端处的电感性变为所述低射频带的第一较低频率端处和所述高射频带的第二较低频率端处的电容性，并且所述负载的复阻抗是频率相关负载，其分别从所述低射频带的第一较高频率端处和所述高射频带的第二较高频率端处的电容性变为所述低射频带的第一较低频率端处和所述高射频带的第二较低频率端处的电感性，从而所述负载的复阻抗平衡所述第一天线单元的复阻抗以提供多带操作。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其中：所述负载包括第一频率相关负载，其在从所述第一天线单元的低射频带和所述第一天线单元的高射频带的至少一个的中心频率偏移的偏移频率处具有电阻的本地最大值。
3.根据前述任一权利要求所述的天线装置，其中：所述负载包括第二频率相关负载，其具有在位于所述第一天线单元的低射频带的所述第一低频带谐振频率和高射频带的第一高频带谐振频率之间的频率处、从电容性到电感性的转变。
4.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中：所述负载对所述第一天线单元的频率相关电抗进行补偿。
5.根据权利要求1或2所述的天线装置，还包括至少与所述第一天线单元相关联的地平面。
6.根据权利要求5所述的天线装置，其中：将所述第一天线单元定位为与所述地平面垂直相隔少于8mm。
7.根据权利要求6所述的天线装置，其中：所述地平面具有第一和第二相对边缘，并且所述第一天线单元和第二天线单元位于相应的第一和第二相对边缘处。
8.根据权利要求7所述的天线装置，其中：将所述第二天线单元定位为具有与所述地平面的平面垂直的、少于4mm的位移。
9.一种便携式电子设备，包括根据权利要求1-8中任一所述的天线装置。
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