CN101714698A - 切口天线和无线装置 - Google Patents

Abstract

一种切口天线，包括具有缝隙的接地导体和包含电容性电抗元件和电感性电抗元件的电抗电路，所述电抗电路放置在所述缝隙的开口端以跨过所述缝隙并且被连接到接地导体。所述缝隙具有被供应电力的闭合端，并且电容性电抗元件的电容和电感性电抗元件的电感被设定，以使电抗电路具有在第一频率获得第一天线谐振点所需的电容和在第二频率获得第二天线谐振点所需的电容。

Description

切口天线和无线装置

技术领域

本发明涉及具有多个谐振频带的切口(notch)天线和使用该切口天线的无线装置。

背景技术

随着当前趋势向多功能移动无线终端发展，各种功能(比如GPS(全球定位系统)和蓝牙^TM(一种短程无线电通信系统))在移动无线终端中得到实现。另外，包含多个使用不同频带的无线通信系统的移动无线终端或所谓的多频带移动无线终端已经被开发出来并出现在市场上。

从减小使用多个无线通信系统的无线终端的尺寸和重量的观点来看，优选的是，多个无线通信系统共享一个内置天线。

日本专利3916068号公开了一种通过形成切口(或缝隙)来提供的切口天线，该切口是在接地板(接地导体)中具有开口端的狭长槽。切口天线在结构上相对简单并且因此适合作为内置于移动或小型无线装置中的天线装置。

切口天线的谐振频率由缝隙长度决定，并且该长度通常设定为工作频率的波长的大约0.2倍。对于使用的工作频带，在过去，PDC(个人数字蜂窝)系统大约是800MHz，GSM系统(全球移动通信系统)大约是800-900MHz，缝隙通常被设定为70-80毫米长，在支持这些系统的移动电话终端里包含这样的长缝隙切口天线是不容易的。另一方面，切口天线可以容易地适用于第三代移动电话系统(举例来说，工作在约2GHz上的W-CDMA系统)、安装有GPS的移动电话终端(大约1.575MHz)和工作在更高频带上的系统，比如蓝牙(2.5GHz)。

在日本专利3844717号和日本待审专利公报2004-274445号中提出的切口天线中，在接地板上形成多个缝隙以获得多频带操作。

日本待审专利公报2004-32303号提出了一种技术，其通过在切口天线的缝隙的短路端(闭合端)侧设置谐振器来在多个频带上产生谐振，以使得该缝隙在高频时表现得好像它短路了一样。

此外，日本待审专利公报2004-336328号提出了一种技术，其通过在缝隙闭合端附近并联地插入并联谐振电路来获得宽频带特性(双倍谐振特性)，并联谐振电路包括与馈电点和短路端之间出现的电感并联布置的电容器。

发明内容

如日本专利3844717号和日本待审专利公报2004-274445号所公开的多切口的形成，阻碍了切口天线的小型化。

在日本待审专利公报2004-32303中公开的现有技术使得在高频上电缝隙长度很短；然而，较短的缝隙长度会降低天线效率。因此，现有技术不能充分利用整个切口的物理尺寸，换句话说，它不能获得与天线尺寸相称的天线效率。

由于并联谐振电路的内在Q因子决定两个谐振频率之间的间隔，并且在日本待审专利公报2004-336328号中公开的现有技术中电感值不可调节，因此谐振频率的带宽将随着谐振频率间的间隔的增大而变窄。为防止发生这样的情况，必须对两个频率之间的间隔加以限制。另外，放置在缝隙闭合端附近的电容器也会增加由电容器的电阻分量导致的匹配损耗(match loss)，由此会降低天线效率。

针对这些问题，本发明的实施例提供了一种能够在多个频带上产生谐振、结构相对简单的单缝隙切口天线，和使用所述切口天线的无线装置。

按照本发明实施例的切口天线包括具有缝隙的接地导体，和包含电容性电抗元件和电感性电抗元件的电抗电路，所述电抗电路放置在所述缝隙的开口端以跨过所述缝隙并且连接到接地导体。所述缝隙具有被供给电力的闭合端。电容性电抗元件的电容和电感性电抗元件的电感被设定，以使电抗电路具有在第一频率获得第一天线谐振点所需的电容和在第二频率获得第二天线谐振点所需的电容。

由于在至少两个频带呈现电容性电抗的电抗电路被放置在缝隙的开口端以跨过该缝隙并且被连接到接地导体，因此切口天线能够在多个频带上充当电容负载天线(capacity loaded antenna)，并且获得多谐振特性。

按照本发明实施例的无线装置包括切口天线和向切口天线供电的馈电单元。所述切口天线包括具有缝隙的接地导体和包含电容性电抗元件和电感性电抗元件的电抗电路，所述电抗电路放置在所述缝隙的开口端以跨过所述缝隙并且被连接到接地导体。所述缝隙具有被供给电力的闭合端。电容性电抗元件的电容和电感性电抗元件的电感被设定，以使电抗电路具有在第一频率获得第一天线谐振点所需的电容和在第二频率获得第二天线谐振点所需的电容。

附图说明

图1A和图1B是根据本发明实施例的切口天线的图解说明，图1A示出了切口天线的结构，图1B是示出谐振特性的曲线图；

图2是示出根据本发明另一个实施例的切口天线的示意性结构的图解说明；

图3A和3B是曲线图，各自示出了图2A到图2C中示出的切口天线的频率与回波损耗的关系和频率与天线效率的关系，这些结果是通过模拟获得的；

图4图解说明了在图2A到2C中示出的电抗电路的另一个例子的电路图；

图5是在图2中示出的切口天线的修改例的图解说明；

图6图解说明了用于动态改变可变电容器VC的电容的驱动电路的例子；

图7是曲线图，示出了具有可变电容VC的切口天线的通过模拟得到的频率响应，其中可变电容器VC的电容是不同的；

图8图解说明了本发明的还一实施例；

图9A和9B图解说明了根据本发明实施例的第二修改例的示例性结构；

图10图解说明了切口天线的结构，所述切口天线是日本待审专利公报2004-336328中描述的技术和本发明实施例中描述的技术的组合；

图11描述的各曲线图示出了图10中示出的切口天线的阻抗特性和频率响应；以及

图12是框图，示出了可以应用根据本发明实施例的切口天线的移动电话终端的示意性硬件结构。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。

图1A和图1B是根据本发明实施例的切口天线的图解说明。图1A图解说明了切口天线的构造，而图1B是示出了切口天线的谐振特性的曲线图。图1B中的曲线图的横轴代表频率，纵轴代表回波损耗(反射系数：S-参数的S11)。

如图1A所示，切口天线10由带有形成在接地板11内的切口或缝隙12的接地板(接地导体)11、作为带有短路端15的狭长槽的缝隙12、以及放置在短路端15附近的馈电点16构成。切口天线10的谐振频率由缝隙12的长度(以下称作“缝隙长度”)决定。天线的特征阻抗由从缝隙12的短路端15到馈电点16的距离B决定(本说明书中的特征阻抗是50Ω)。

除了上述组件，切口天线还配有跨过如图1A所示的开口端13处的缝隙的电容器14。用具有不同电容的电容器来替代所述电容器使得能够如图1B所示的那样调节切口天线的谐振频率而不必改变其物理形状(特别是缝隙长度)。

在图1A和图1B的示例中，接地板11的尺寸为80mm×40mm，厚度为1mm，缝隙长度A为15mm，缝隙宽度为1mm，距离B是4mm；但是，这些具体值只是示例并且本发明并不限于这些特定值。

图2图解说明了根据本发明另一个实施例的切口天线100的示意性结构。馈电点16放置在形成在接地导体11内的缝隙12的闭合端侧。如图2所示，放置在缝隙的开口端13处的电容器14被电抗电路17替代。该电抗电路17是LC谐振电路，包括电感器(电感性电抗元件)L和电容器(电容性电抗元件)C，该电容器的电容随频率(频率L和频率H)而变化。对于这些元件，可以使用小组件，比如芯片部件(表面安装器件)。尽管在图2中以接线的组件示出这些元件，但在本发明中构成各元件的零件的形式并不受限制。每个电容性电抗元件的电容和电感性电抗元件的电感被设定，以使电抗电路17具有在第一频率获得第一天线谐振点所需的电容和在第二频率获得第二天线谐振点所需的电容。

在本实施例中，缝隙长度A是21mm，缝隙宽度是1mm，阻抗匹配是50Ω，并且距离B是4mm。所述结构使得切口天线可以在多个频带上产生谐振而不必替换放置在缝隙的开口端13处的元件。因为电场强度在缝隙的开口端13处变化最大，所以优选的是将电抗电路17布置在缝隙的开口端13附近。在这个实施例中，电抗电路17被放置在从开口端13向内大约2到3mm处。

图2图解说明了一个示例性电抗电路17。这个电抗电路17包括：带有彼此串联连接的电感器L1和第一电容器C1的串联电路，和与该串联电路并联连接的第二电容器C2。具有电容性电抗的电抗电路17用于两个频带上的双频带匹配电路(举例来说，在800MHz频带上为3pF，在2GHz频带上为1.5pF)。

图3A和3B是曲线图，各自示出了图2中示出的切口天线的频率与回波损耗的关系和频率与天线效率的关系，这些数据是通过模拟获得的。模拟是采用FDTD(有限差分时域)法的电磁场模拟。这些曲线图示出切口天线在两个频带上产生了谐振并且在每个频带上提供了高天线效率。在两个频带中，显示出两个不同的电流模式，证明谐振不是在宽频带上扩展的单个谐振。注意，图3B示出的曲线图显示出谐振发生在950MHz和2.2GHz附近，与图2所示的频带“在800MHz频带上为3pF，在2GHz频带上为1.5pF”并不精确一致。这是因为在图3A和3B中的曲线图示出的是基于包含实际电阻分量的电抗的计算结果。

电抗电路17的结构并不限于图2中所示的结构。例如，图4中的电抗电路17a包括互相并联连接的第一电感器L1和第一电容器C1的并联电路和串联连接到该并联电路的第二电容器C2。

图5示出了在图2中示出的切口天线的修改例。相同的组件以图2中示出的实施例的相同的数字来标示，并且不再对其进行说明。图5的修改例是通过用可变电容器VC替换图2中的电抗电路17的电容器C2而得到的，可变电容器VC是电容性电抗元件，其电容可由控制信号控制。通过在每个频带上控制电容，能够适应性地将谐振频率调节到期望频带。

图6示出了可以动态改变可变电容器VC的电容的示例性驱动电路。在这个例子中，从数字电路(D)61(比如处理器)输出的数字信号被数模(D/A)转换器62转换成模拟电压，随后模拟电压通过偏压电路63施加到可变电容器VC。电容器66插入在电压施加点和地之间以阻止直流电流。偏压电路63包括串联连接到数模转换器62的电感器64(用于阻止交流电流)和连接在数模转换器62的输出和地之间的电阻器65。优选的是，在针对移动电话终端的实际实现方式中，将用于可变电容器VC的偏压量设置在大约0到3.0V的范围内改变。

应用此驱动电路，能够动态且可变地控制可变电容器VC的电容。

图7是曲线图，示出了具有可变电容器VC的切口天线的频率响应，其中可变电容器VC的电容值是不同的。所述频率响应是通过模拟得到的。用于可变电容器VC的从0到3V的偏压变化从1.2pF到5pF逐步改变其电容(本说明中有10个步长)。使用根据修改例的切口天线，发现能够在低频带中从700MHz到900MHz以及在高频带中从1.5GHz到2.2GHz对谐振频率进行调制。

通过使用单个天线装置，这个结构不仅能够实现用于850M/1.9G/2.1G的分集式天线，而且能够实现用于GPS、蓝牙和其他系统的频带的多频带天线。

此外，应用这个结构，可变电容器VC的电容和切口天线的谐振频率能够被调节以适应特定情况。该特定情况包括，例如，默认谐振频率根据特定通信系统而改变的情况，由于人体导致的频率漂移的情况，在翻盖式终端中由于用户开启终端而导致的频率漂移的情况及某些其他情况。为应对这些情况，设计了预定传感器来检测用户是否干扰了天线部件。

图8的图解说明示出了本发明的还一实施例。通过将具有与切口天线的特征阻抗相匹配的特征阻抗(本示例中为50Ω)的传输线或带状线18和电容器19组合起来，使得现有技术能够移动馈电点，从而能够让切口天线在更宽的频带上工作。图8中的切口天线的部件基本上与图1A中的切口天线的部件一样。尽管图8中的切口天线的缝隙在大约中点处弯曲，但是它们原则上和具有直的缝隙的切口天线是一样的。换句话说，缝隙可以弯曲以满足布置约束和要求。在图8中的切口天线中，具有预定长度(本示例中大约为3mm)的带状线18的一端在缝隙的闭合端附近连接到该缝隙，从闭合端到馈电点的距离短于上述预定距离(从本示例中的闭合端起大约1.5mm)。带状线18的另一端通过电容器19接地并且被供应电力。

图8中的切口天线展示了由图8中所示的VSWR(电压驻波比)表示的阻抗特性和频率响应。VSWR是一个指数，表示波的反射输入比，虽然是用不同的单位表示的，但它能与上述的S11互相转换。图8中的曲线图指示出所述天线在单个频带中产生谐振。

具有图8中的结构的切口天线中，首先，馈电点被移动了。具体地说，在此例中，距离B从3.5mm改变成1.5mm。这个改变向+j移动了天线的阻抗轨迹，如图8中的史密斯圆图所示，并且因此天线阻抗不再匹配到50Ω。根据这个结构，馈电点进一步与带状线18一起移动并且带状线18的接近馈电点的一端通过电容器19接地。如图8所示，在用于表示阻抗特性的史密斯圆图上产生的轨迹具有一个大环，以包围史密斯圆图的中心。这使得天线再次获得了50Ω的匹配阻抗。如从频率响应的曲线图中可以看到的那样，单个谐振频带被加宽了。

与图8的实施例相反，如图9A所示，根据第二修改例的切口天线100a具有电抗电路17b，而没有电容器14，并且能够既使得谐振频带变宽，又可变地控制谐振频率。简而言之，第二修改例能够在多个宽频带中产生谐振。图8中的技术当然不仅能够使用电抗电路17b，也能够使用电抗电路17或者17a。具有电抗电路17或17a的天线不控制谐振频率，但能够使得谐振频带变宽。

接下来，将描述本发明实施例的第三修改例。

图10是图解说明，示出了切口天线的结构，该切口天线是使用上述实施例中描述的技术和日本待审专利公报2004-336328号中描述的技术来形成的。具体地说，在缝隙的闭合端15的附近并联布置并联谐振电路，所述并联谐振电路包括与馈电点16和短路端15之间的缝隙周围出现的电感并联布置的电容器C3。这个电感与实际电路相关联，但并不由外部装置产生。

图10中的切口天线100b展示了如图11所示的阻抗特性和频率响应。在图11中的史密斯圆图中，阻抗轨迹根据频率变化绕图的中心旋转了三次。另外，频率响应的曲线图清楚地显示出天线在800MHz频带和2GHz频带中产生谐振，并且使得2GHz频带中的谐振很宽(双倍谐振)。根据第三修改例，天线获得具有总共三个谐振的频率响应。

用电抗电路17a或17b替换图10中的电抗电路17也是可以的。

图12是框图，示出了可以应用根据本发明实施例的切口天线的移动电话终端的示意性硬件结构。

移动电话终端101包括天线102、射频电路或者RF电路103、基带信号电路104、CODEC 105、存储器106、显示器107、键输入单元108、扬声器109、麦克风110、GPS电路112、蓝牙(BT)电路114及控制这些部件的控制器(CPU)111。RF电路103、GPS电路112、BT电路114分别配备有天线102、113和115。在这个实施例中，这些天线102、113、115中的至少两个可以是任一上述切口天线。

CODEC 105对通过麦克风110输入的语音信号进行编码以将其发送到基带信号电路104，并将从基带信号电路104接收到的信号解码成语音信号，以将其发送到扬声器109。

基带信号电路104将从CODEC 105接收到的信号调制成基带信号，以将其发送到RF电路103，并从由RF电路103解码的基带信号获取信号，该信号可以被CODEC 105处理。

RF电路103将从基带信号电路104接收到的基带信号适当地调制成RF信号(射频信号)以将其提供给天线102，并将通过天线102接收到的RF信号解码成基带信号，以将其发送到基带信号电路104。

存储器106可以是例如ROM(只读存储器)、RAM、闪速存储器等等，并存储要由控制器111执行的程序和各种设定数据。

显示器107可以是例如液晶显示器，用于显示各种类型的信息。

键输入单元108包括由用户用来将指令和信息输入到控制器111的输入装置，比如数字键盘。

扬声器109用来输出与从CODEC 105发送的语音信号对应的声音。另一方面，麦克风110捕捉声音，将其转换成语音信号然后将其发送到CODEC 105。

根据本发明实施例的切口天线能够利用单个缝隙产生多个谐振点，同时保持现有的包括小尺寸和薄厚度在内的优点。要增加到天线上的部件仅仅是无源组件，这可以减少成本。另外，切口天线通过共享单个缝隙的物理长度来在多个频带中产生谐振，因此获得了高天线效率。

本申请包含与在2008年9月5日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2008-228002中公开的主题相关的主题，通过引用将其全部内容并入于此。

应该明白，除了上述修改例，针对本发明的优选实施例可以做出各种修改和变更。例如，本发明不仅包括上述的实施例及其多个修改例，而且也包括这些修改例的任何可能的组合。

Claims (9)

1.一种切口天线，包括：

具有缝隙的接地导体；以及

包含电容性电抗元件和电感性电抗元件的电抗电路，所述电抗电路被布置在所述缝隙的开口端以跨过所述缝隙，并且被连接到所述接地导体，其中

所述缝隙具有被供给电力的闭合端，以及

所述电容性电抗元件的电容和所述电感性电抗元件的电感被设定，使得所述电抗电路具有在第一频率上获得第一天线谐振点所需的电容和在第二频率上获得第二天线谐振点所需的电容。

2.根据权利要求1所述的切口天线，其中

所述电抗电路包括由电感性电抗元件和第一电容性电抗元件形成的串联电路和与所述串联电路并联连接的第二电容性电抗元件。

3.根据权利要求1所述的切口天线，其中

所述电抗电路包括由电感性电抗元件和第一电容性电抗元件形成的并联电路和与所述并联电路串联连接的第二电容性电抗元件。

4.根据权利要求2或3所述的切口天线，其中

所述电容性电抗元件是能够根据控制信号来控制其电容的元件。

5.根据权利要求1所述的切口天线，其中

将馈电点定位在距所述缝隙的闭合端的预定距离处并且在所述缝隙的闭合端的附近。

6.根据权利要求1到5中的任何一项所述的切口天线，进一步包括具有预定长度的带状线，其中

所述带状线的一端连接到所述缝隙的缝隙闭合端附近的位置处，而所述带状线的另一端通过另一电容性电抗元件接地并被供电。

7.根据权利要求1到5中的任何一项所述的切口天线，进一步包括布置在所述缝隙的闭合端附近的电容性电抗元件以跨过所述缝隙，并且被连接到所述接地导体。

8.一种无线设备，包括：

切口天线；以及

向所述切口天线供应电力的馈电装置，其中

所述切口天线包括

具有缝隙的接地导体；以及

包含电容性电抗元件和电感性电抗元件的电抗电路，所述电抗电路被布置在所述缝隙的开口端处以跨过所述缝隙连接到所述接地导体，其中

所述缝隙具有被供给电力的闭合端，以及

所述电容性电抗元件的电容和所述电感性电抗元件的电感被设定，使得所述电抗电路具有在第一频率获得第一天线谐振点所需的电容和在第二频率获得第二天线谐振点所需的电容。

9.一种无线设备，包括：

切口天线；以及

向所述切口天线供应电力的馈电单元，其中

所述切口天线包括

具有缝隙的接地导体；以及

包含电容性电抗元件和电感性电抗元件的电抗电路，所述电抗电路被布置在所述缝隙的开口端处以跨过所述缝隙连接到所述接地导体，其中

所述缝隙具有被供给电力的闭合端，以及

所述电容性电抗元件的电容和所述电感性电抗元件的电感被设定，使得所述电抗电路具有在第一频率获得第一天线谐振点所需的电容和在第二频率获得第二天线谐振点所需的电容。

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