CN101809813B - 可调节多频带天线 - Google Patents

Abstract

一种尤其可在移动终端中应用的可调节多频带平面天线。天线的馈电源可以通过多路开关(SW)连接到辐射体(310)中的至少两个可选点(FP1、FP2、FP3)。当馈电点改变时，谐振频率改变且因此天线的工作频带改变。除天线的基本尺寸之外，在天线设计中，每个馈电点到辐射体中的其它馈电点和可能短路点的距离(x、y、z)、属于馈电点与开关之间的电抗电路的串联电容(C31；C32；C33)的值及接地平面(GND)距辐射体的距离是变量。

Description

可调节多频带天线

技术领域

本发明涉及特别地意图用于移动终端的可调多频带天线。

背景技术

天线的可调节性在本说明书中意指可以以电学方式来改变天线的谐振频率。目的是谐振频率周围的天线工作频带始终覆盖功能每次假定的频率范围。对于对可调节性的需要，存在不同的原因。类似移动终端的便携式无线电设备在各方面(也在厚度方面)都已变得更小。在这种情况下，关于例如作为移动终端中非常常见的天线类型的平面天线，辐射平面与接地平面(ground plane)之间的距离不可避免地变得更短。这导致例如天线的带宽将减小。另外，设备尺寸的减小意味着其接地平面也变小。这导致平面天线的能力下降，因为天线谐振变得更弱且由于接地平面自身的谐振在无用频率下发生。那么，由于移动终端意图在具有彼此比较接近的频率范围的多个无线电系统中工作，所以变得更加难以或不可能覆盖多于一个的无线电系统所使用的频率范围。此类系统对是例如GSM850和GSM900(全球移动通信系统，GSM)。相应地，确保符合单个系统的发送和接收频带两者中的规格的功能可能变得更困难。另外，如果系统使用子频带划分，那么如果可以在每次使用的子频带中调谐天线的谐振频率则从无线电连接质量的观点来看是有利的。

用于减小天线尺寸的一种可能是在辐射体下面没有接地平面的情况下实现天线。在这种情况下，辐射体可以是单极型(则得到例如ILA(倒L形天线)结构)，或者辐射体也可以具有接地触点(则得到IFA(倒F形天线)结构)。

在这里描述的本发明中，通过开关来实现天线调节。用于所述目的的开关的使用同样众所周知。例如，公开EP1113524公开了一种天线，其中平面辐射体处于通过开关连接到地的某点处。当开关闭合时，辐射体的电长度减小，在这种情况下，天线谐振频率变得更高且与之对应的工作频带向上移位。可以将电容器与开关串联以便将频带位移设置得如期望的一样大。在这种解决方案中，调节可能性非常受限。

图1示出从公开WO 2007/042615已知的具有开关的ILA型的实例。图中可看到无线电设备的电路板PCB的一部分。单极辐射体110是板状刚性片金属带。其已在位于电路板拐角附近的馈电点FP处被连接到天线馈电导体FC。辐射体被定向为从该点开始，首先在电路板外面的电路板端部的边缘上，并且之后向前转动，沿着端部的方向与电路板的上表面齐平。在电路板上，在与辐射体110相距一定距离处存在信号地线GND。该辐射体在沿着电路板端部的部分的外边缘处具有垂直折叠部分以增大其电长度。在电路板上，在辐射体侧的端部中，存在天线的调节电路120。该调节电路在电路板上被标记为以虚线为界的区域且在侧图中被示出为框图。此侧图显示调节电路120已被连接在天线馈电导体FC与信号地线GND之间。调节电路包括LC电路、多路开关SW和三个可选电抗性结构件X1、X2、X3。LC电路已在其一端处被连接到馈电导体且在其另一端处被连接到开关输入端。其目的是衰减在开关中产生的谐波频率分量并充当开关的静电放电(ESD)保护器。开关SW具有三个输出端，开关输入端每次被连接到其中之一。开关的每个输出端已被固定地连接到所述电抗性结构件之一，其电抗相对于信号地线而存在。通过控制开关而进行的电抗的互换改变天线的谐振频率并因此改变其工作频带的位置。那么在本示例中，天线的工作频带具有三个可选位置。

根据图1的解决方案或类似解决方案中的缺点在于良好的频带特性和足够的频率需要辐射体与接地平面之间的显著长距离。这又意味着天线的空间要求在这种情况下仍高于期望的空间要求。另外，难以布置为使得天线匹配在下工作频带和上工作频带二者中都良好。不良匹配还意味着低效率。

发明内容

本发明的目的是以新的有利方式来实现天线的调节。根据本发明的可调节天线的特征在于独立权利要求1中所指定的特征。本发明的某些有利实施例在从属权利要求中被提出。

本发明的基本思想如下：以可以通过多路开关将天线馈电源连接到辐射体中的至少两个可选点的方式使天线可调节。当馈电点改变时，谐振频率改变且因此天线的工作频带改变。除天线的基本尺寸之外，在天线设计中，每个馈电点到辐射体中的其它馈电点和可能短路点的距离、属于馈电点与开关之间的电抗电路的串联电容的值和接地平面离辐射体的距离是变量。而且，可以使用馈电点之间的调谐缝隙(tuning slot)。

本发明的优点是，通过适当地选择上述变量的值，当开关状态改变时可以使工作频带的位移相对较大。以这种方式，相对窄带的基本天线实际上充当宽带天线，因为每次仅需要此宽带的一部分。本发明的另一个优点是可以相互独立地实现两个工作频带的移位。本发明的另一优点是天线的效率比相应已知天线的效率更好。这是因为当存在多于一个的馈电点时，通过其位置选择，可以在每个工作频带中改善天线匹配。这还导致根据本发明的天线所需的空间小，因为接地平面的边缘不需要如相应已知天线一样距辐射体如此远。可选地，可以以更小的尺寸来实现适当的天线部件。本发明的另一优点是天线结构简单，这意味着相对低的生产成本。

附图说明

下面详细描述本发明。将对附图进行参考，其中

图1示出根据现有技术的可调节天线的示例。

图2作为框图示出根据本发明的天线的原理。

图3作为简图示出根据本发明的可调节天线的示例。

图4a～c示出根据图3的解决方案的实施方式的示例。

图5示出根据本发明的可调节天线的第二示例。

图6示出根据本发明的可调节天线的第三示例。

图7示出根据本发明的可调节天线的第四示例。

图8示出控制调节电路时根据本发明的天线的工作频带的宽度和位移的示例，以及

图9示出根据本发明的天线的效率的示例。

具体实施方式

已结合对现有技术的说明描述了图1。

图2作为框图示出根据本发明的天线的原理。天线200包括辐射元件210和调节电路220。作为正常的一个馈电点的替代，在辐射元件中存在若干个馈电点FP1、FP2、--、FPn。符号‘n’意指可以选择馈电点的数目。辐射元件210被实现为使得天线具有至少两个单独的工作频带，下频带和上频带。调节电路220包括多路开关SW和电抗性电路X1、X2、--、Xn。开关SW的多路端子或输出端的数目与辐射元件中的馈电点的数目相同。每个馈电点通过一个电抗性电路连接到开关的不同输出端。开关SW的公共端子或输入端被连接到天线的馈电导体FC且通过无线电设备的馈电导体和天线端口进一步连接到无线电设备的发送机和接收机。开关从无线电设备接收控制CO。

通过控制开关SW，可以选择天线馈电导体FC将被连接到哪个馈电点。当馈电点改变时，天线的(一个或多个)谐振频率移位一定的量，这意味着工作频带被移位。这样，可以覆盖相对宽的频率范围，虽然每次天线的工作频带相对较窄。单独的电抗电路可以是电容调谐元件，其被设计为使得对应于通过该电容调谐元件的馈电源的谐振频率落在期望的点上。单独的电抗电路还可以是用来衰减对应于所述馈电点的工作频带之上的频率分量的滤波器，以便防止工作频带的频率的谐波频率下的天线辐射。在这里还将其中电抗为零、换言之短路的特殊情况视为电抗电路。

该结构当然还包括结构的功能所必需的公共信号地线GND，或者更简要地说是地线。辐射体210可以从其一个或多个点连接到地线。

图3作为简图示出根据本发明的可调节天线的示例。这里，辐射元件310在其一端处从短路点SP连接到地线GND，于是天线是IFA型。辐射元件从短路点开始包括第一部分311和其后的第二部分312，第二部分312朝着短路端折回，并在短路端附近延伸。在第一与第二部分之间仍存在缝隙SL1，该缝隙的尺寸被确定为使得其在天线上工作频带的频率处谐振。因此，缝隙SL1是辐射缝隙，且上工作频带基于该缝隙。下工作频带同样基于整个辐射元件310的谐振。因此，天线的整个辐射体包括辐射导体元件和其部分之间的缝隙。

在本示例中，辐射元件310中的可选馈电点的数目是三个。在最接近于短路点SP处，存在第一馈电点FP1，在沿着第一部分311与第一馈电点FP1相距微小距离处，存在第二馈电点FP2，且进一步地，在沿着第一部分311的微小距离处，存在第三馈电点FP3。具有多路开关SW和四个电容器的调节电路320位于那些馈电点与来自天线端口的馈电导体FC之间。在本示例中，多路开关SW与辐射体之间的电抗电路仅仅是串联电容器：第一电容器C31在开关的第一输出端与第一馈电点FP1之间，第二电容器C32在开关的第二输出端与第二馈电点FP2之间且第三电容器C33在开关的第三输出端与第三馈电点FP3之间。可以使用电容器C31、C32和C33用于调谐目的。它们在任何情况下都还充当防止通过辐射体的短路导体到地线的直接电流电路的形成的阻隔电容器，如从开关的控制电路看到的那样。在开关的输入侧，还存在第四电容器C34，与馈电导体FC串联。其仅仅充当防止通过天线馈电导体的直接电流电路的形成的阻隔电容器，如从开关的控制电路看到的那样。

当在第一馈电点FP1处发生天线的馈电时，上下谐振频率及对应于这些频率的工作频带均处于最低。当馈电源变成第二馈电点FP2时，两个工作频带均向上移位，且当馈电源变成第三馈电点FP3时，工作频带进一步向上移位。如果出于调谐的目的使用连接到馈电点之一的串联电容器，则将其电容选择为低得使辐射元件的电长度与对应于正在讨论的电容器的短路的电长度相比而增大。在这种情况下，正在讨论的工作频带的位置也改变，以及其相对于工作频带的位置的位移量也改变，它们对应于其它馈电点。当然，馈电点之间的距离及其距辐射元件的短路点的距离影响该位移量。在图3中，符号x意指第一馈电点FP1距短路点的距离，y意指第一与第二馈电点之间的距离且z意指第二与第三馈电点之间的距离。

图4a～c示出根据图3的解决方案的实施方式的示例。该实施方式利用无线电设备的电路板PCB。在图4a中，沿着电路板的法线的方向从上方看该结构，且在图4b中，将其示为倾斜地从上方看的透视表示。在图4c中，将包括天线辐射体的一部分看作倾斜地从下方看的透视表示。包括辐射体的该部分由辐射元件410及其支撑框架440组成。支撑框架(更简单地说是框架)是由具有长度l、宽度w和高度h的低损耗电介质材料制成的细长物体。框架440被附着于电路板PCB的端部，以便框架的纵向是宽度方向，或者电路板的端部方向，宽度方向是电路板的纵向且高度方向垂直于电路板的水平面。相应地，该框架具有上下表面、第一和第二端面、以及在电路板PCB侧的内侧表面及外侧表面。支撑框架是空心的，因此，辐射体几乎是空气绝缘的。这对天线效率有正面影响。

辐射元件410是框架440的导电涂层。其具有第一部分411、第二部分412和第三部分413。第一部分411覆盖从第一末端延伸到第二末端的框架上表面的大部分。框架的‘末端’意指框架的、在相应端面侧的相对较短的部分。所述第一部分还从第一末端开始略微向外侧表面延伸。第二部分412是第一部分的延续。其从上表面开始在外侧表面上行进到第二末端中的下表面附近并随后沿着框架的纵向到达第一末端。第三部分413是第二部分的延续。其位于下表面上且其相当多的一部分在联合下表面与外侧表面的边缘处与第二部分相接合。第三部分还具有朝着框架的第二末端定向的部分，该部分的末端是整个辐射元件的电学最外端。辐射元件410的形状被确定为使得其在天线的下工作频带中充当四分之一波谐振器。在框架的外侧表面上，在辐射元件的第一部分411与第二部分412之间存在辐射缝隙SL1，依照上述内容，辐射缝隙SL1在框架的第一末端中是开放的且在框架的第二末端中是闭合的。缝隙SL1的尺寸被确定为使得其在天线的上工作频带中充当四分之一波谐振器。

辐射元件410通过短路导体SC从框架的第一末端中的短路点SP连接到电路板上的接地平面GND，这在图4b和4c中可见。短路导体从框架的端面来回行进到内侧表面并随后在电路板上连接到条状导体GC，其属于接地表面。辐射体的馈电点位于框架的上表面上，在内侧表面侧。第一馈电点FP1最接近于第一端面，相对较接近于短路点SP。第二馈电点FP2和第三馈电点FP3相应地位于距第一端面更远的位置，然而，相比于第二端面，后者(第三馈电点FP3)很明显更接近于第一端面。

依照图3中的调节电路320的调节电路位于电路板PCB上，紧挨着由框架440与辐射元件组成的天线部件。每个馈电点通过落在框架到电路板的内侧表面上的条状导体连接到串联电容器C41、C42、C43之一且在电路板的表面上被焊接到条状导体。每个电容器C41、C42、C43的另一端子连接到开关SW的一个输出端，且开关的输入端又通过第四电容器C44连接到天线馈电导体FC。开关SW是集成部件，其中适当的连接部分是例如FET(场效应晶体管)、PHEMT(假晶高电子迁移率晶体管)或MEMS(微机电系统)型。在本示例中，开关从电路板的另一侧通过通孔来得到其控制。

在图4a～c的示例中，在辐射元件410中还存在小调谐缝隙SL2，该缝隙始于第二馈电点FP2与第三馈电点之间。当馈电源变成第三馈电点时，调谐缝隙增大第三馈电点距其它馈电点的电距离并因此至少增大下工作频带的位移。

在本示例中，电路板PCB上的接地平面的边缘与辐射元件410相距某一距离d。将距离d从零增大至某一值会增大天线的带宽并改善效率，但另一方面需要电路板上的空间。

图5示出根据本发明的可调节天线的第二示例。其调节电路与图3类似，不同之处在于第一电抗电路现在除第一串联电容器C51之外还包括滤波器FLT。该滤波器包括与电容器C51串联的线圈L51、横向电容器C55和串联线圈L52，其另一端子连接到第一馈电点FP1。滤波器则是低通型。另外，在谐振时具有电阻性的地线与馈电点FP1之间的辐射阻抗在功能上属于滤波器。如果馈电点FP1在使用中时只利用天线的下工作频带，则可以将滤波器FLT的边界频率布置在上下工作频带之间。在这种情况下，天线在对应于下工作频带的基本谐振频率的谐波频率下不显著辐射，因为滤波器衰减了可能的谐波。如果利用上下工作频带两者，则当馈电点FP1在使用中时，可以将滤波器FLT的边界频率布置在上工作频带之上。在这种情况下，防止了上工作频带之上的谐波频率处的辐射。

类似图5所示滤波器的滤波器自然也可以在电抗电路中，其连接到其它馈电点。另外，如果存在使落到下工作频带上的信号衰减的原因，则可以使用高通滤波器。

图6示出根据本发明的可调节天线的第三示例。现在，在辐射元件610中存在两个馈电点FP1和FP2，它们通过如图3中的串联电容器C61、C62耦合到多路开关SW1的输出端。如图3中一样，短路点SP也在辐射元件中。另外，在本示例中，其中有接地点GP，该点通过阻隔电容器C63耦合到第二多路开关SW2的输入端。这里，第二多路开关SW2具有两个输出端，其中之一被直接连接到地线且另一个通过电抗X6连接到地线。当第二多路开关的状态改变时，接地点GP与地线之间的阻抗改变，在这种情况下天线的电长度和谐振频率也改变。由于馈电点以及接地点GP与地线之间的阻抗均可以改变，所以图6中的天线的两个工作频带原则上具有四个可选位置。

第二多路开关SW2的输出端和相应可选阻抗的数目还可以多于两个。另一方面，可切换接地点的使用当然不依赖于馈电点的数目。

图7示出根据本发明的可调节天线的第四示例。现在，在辐射元件710中存在四个馈电点FP1、FP2、FP3和FP4，如图3中一样，它们通过串联电容器C71、C72、C73、C74耦合到多路开关SW的输出端。不同的是，辐射元件不从任一点被短路至地线，因此，本示例中的天线是ILA型(倒L形天线)。

图8示出在控制调节电路时根据本发明的天线的工作频带的宽度和位移的示例。本示例涉及依照图4a、4b的天线。其中，辐射体支撑框架的长度l是40mm，高度h是5mm且宽度w是5mm。另外，从辐射体到接地平面边缘的距离d是5mm。第二电容器C42、第三电容器C43和第四电容器C44仅仅是阻隔电容器，其电容是100pF。第一电容器C41是调谐电容器，其电容是3pF。该天线是为不同的GSM系统而设计的，其所使用的频率范围W1□W4在图中被标记出：

W1＝US-GSM所使用的频率范围824□894MHz

W2＝GSM1800所使用的频率范围1710□1880MHz

W3＝EGSM(扩展GSM)所使用的频率范围880□960MHz

W4＝GSM1900所使用的频率范围1850□1990MHz

曲线81示出馈送导体FC被连接到第一馈电点FP1时反射系数S11根据频率的波动，曲线82示出馈电导体被连接到第二馈电点FP2时的反射系数的波动且曲线83示出馈电导体被连接到第三馈电点FP3时的反射系数的波动。当无线电设备在US-GSM系统中工作时，使用第一馈电点FP1。(在这种情况下，频率1.6□1.75GHz中的上工作频带还未使用)。从曲线81可以发现上述频率范围W1将被覆盖，从而反射系数是-7dB或更好。当无线电设备在GSM1800系统中工作时使用第二馈电点FP2。(在这种情况下频率900MHz周围的下工作频带还未使用)。从曲线82可以发现上述频率范围W2将被覆盖，从而反射系数是4.5-dB或更好。当无线电设备在EGSM或GSM 1900系统中工作时使用第三馈电点FP3。从曲线83可以发现上述频率范围W3将被覆盖，从而反射系数是-6dB或更好，且频率范围W4将被覆盖，从而反射系数是-5.5dB或更好。

当第一馈电点FP1变成第三馈电点FP3或相反时，天线的下工作频带移位约60MHz。如图4a所示，通过第一电容器C41的低电容和调谐缝隙SL2来实现这样的位移。

图9示出根据本发明的天线的效率的示例。已经在如图8中的反射系数曲线的相同天线中测量了该效率，该天线在自由空间中。曲线91示出馈电导体FC被连接到第一馈电点FP1时效率根据下工作频带中的频率的波动，曲线92示出馈电导体被连接到第二馈电点FP2时在上工作频带中的效率波动且曲线93示出馈电导体被连接到第三馈电点FP3时在两个工作频带中的效率波动。从所述曲线可以看出，上述频率范围W1、W2、W3和W4中的效率平均约为-3dB。

上面已经描述了本发明的可调节天线。其结构在细节方面当然可以不同于所提出的结构。天线的辐射元件还可以是具有相当刚性的金属片，其馈电点通过弹簧触点被连接。在这种情况下，该弹簧可以由辐射体的弯曲突出部分组成，或者其可以是所谓的弹簧针内部的螺纹弹簧。辐射元件还可以位于例如陶瓷基板的表面上。接地平面还可以在辐射体下面延伸。作为离散电容器的替代，还可以通过短的开路或短路平面传输线路来实现电抗电路的电容元件。所述天线可以是配置有若干个馈电点的PIFA(平面IFA)。其还可以包括寄生元件，借助于该寄生元件，实现一个额外的谐振和工作频带。在独立权利要求1所设定的范围内，可以以不同的方式来应用本发明的思想。

Claims (9)

1.一种无线电设备的可调节天线(200)，其具有至少上、下工作频带且包括辐射元件(210)和具有多路开关(SW)以使天线的至少一个工作频带移位的调节电路(220)，并且在辐射元件中存在至少两个可选馈电点(FP1、FP2、...)，其特征在于，每个馈电点通过电抗电路(X1；X2；...)耦合到所述多路开关(SW；SW1)的一个输出端，而且所述多路开关的输入端意图通过天线的馈电导体(FC)耦合到无线电设备的天线端口(AP)，其中辐射元件(310；410)包括第一部分(311；411)和作为第一部分的延续的、与所述第一部分大体平行的第二部分(312；412)，从而使得在这些部分之间仍存在缝隙(SL1)，该缝隙的尺寸被确定为用以在天线的上工作频带的频率处谐振，在这样的情况下所述上工作频带基于缝隙(SL1)的谐振且所述下工作频带基于辐射元件(310；410)的谐振。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述辐射元件(310；410；610)从其短路点(SP)被短路至地线(GND)，则所述天线是IFA型。

3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，其还包括第二多路开关(SW2)，而且在辐射元件(610)中还存在接地点(GP)，该点被连接到第二多路开关的输入端，而且所述第二多路开关的每个输出端通过具有不同阻抗的电路(X6)被耦合到地线(GND)以增加工作频带的可选位置的数目。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，至少一个电抗电路包括用以增大辐射元件(410)的电长度的串联电容器(C41)。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，至少一个电抗电路包括用以防止对应于至少一个工作频带的谐振频率的谐波频率处的辐射的低通滤波器(FLT)。

6.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述辐射元件还具有始于两个馈电点(FP2、FP3)之间的调谐缝隙(SL2)，以便增大从短路点(SP)来看的所述调谐缝隙的外侧的馈电点到调谐缝隙内侧的至少一个馈电点的距离以及到所述短路点的电距离，并因此增大工作频带的位移。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，通过短平面传输线路来实现属于所述电抗电路的至少一个电容元件。

8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述辐射元件(710)仅从其馈电点连接到无线电设备，则该天线是ILA型。

9.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述开关(SW1)是FET、PHEMT或MEMS型。

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